KR20190112462A - Non-linear supramolecular for self-healing supramolecular network and self-healing supramolecular network comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분지 길이를 제어하여 사슬운동성이 향상됨과 동시에 많은 수의 가교점을 갖는 비선형 초분자체 및 이를 포함하는 우수한 자가치유 성능을 갖는 자가치유 초분자 네트워크에 관한 것이며, 상세하게는 간단한 자극에도 유동성이 높아져 빠르고 효율적인 자가치유가 가능하고, 치유 후에도 재료 본연의 기계적 물성이 유지될 수 있는 자가치유 초분자 네트워크에 관한 것이다.The present invention relates to a non-linear supramolecular body having a large number of crosslinking points and a self-healing supramolecular network having excellent self-healing performance including the same. The present invention relates to a self-healing supramolecular network which enables high and fast self-healing and maintains the material mechanical properties after healing.
자가치유 소재란 물질의 표면이나 내부에 손상이 생길 경우 스스로 그 손상을 치유하여 원상태로 복원시킬 수 있는 물질로 자동차, 우주항공, 선박, 건축 등 다양한 분야에서 활용 가능한 핵심기술이다. 이 기술은 메커니즘과 재료에 따라 분류되며 크게 분자의 크기가 매우 큰 고분자에 치료물질을 담은 마이크로 캡슐을 분산시키거나 재료자체로서 치료 가능한 기능을 부여한 고분자로서 구성된다. 특히 초분자형 자가치유 소재는 이차결합을 이용한 가역적인 결합을 통해 치유 특성을 발휘하는 시스템으로 기존의 마이크로 캡슐을 이용한 자가치유 소재의 단점을 보완할 수 있다는 점에서 각광받는 소재이다. 이러한 초분자형 자가치유 소재는 치유 횟수에 제한이 있던 기존 소재와는 달리 다중수소결합의 열가역적 반응을 통해 수 차례의 손상에도 완벽하고 지속적 치유가 이루어진다는 점에서 다양한 분야의 산업에 활용되기에 적합하다.Self-healing materials are materials that can be repaired and restored to their original state when damage occurs on the surface or inside of a material. It is a core technology that can be used in various fields such as automobiles, aerospace, ships, and construction. This technology is classified according to mechanisms and materials, and is composed of polymers that disperse microcapsules containing therapeutic substances in polymers of large molecular size or give therapeutic functions as materials themselves. In particular, supramolecular self-healing material is a system that exhibits healing properties through reversible coupling using secondary bonds, and is a material that is well received in that it can compensate for the disadvantages of conventional self-healing materials using microcapsules. Unlike conventional materials, which have a limited number of healings, these supramolecular self-healing materials are suitable for use in various fields of industry in that they undergo perfect and continuous healing even after several damages through the thermoreversible reaction of polyhydrogen bonds. Do.
자가치유형 초분자 네트워크에서 치유 효율을 결정짓는 두 가지 중요 요소는 사슬의 운동성과 초분자 결합의 강도로 알려져 있다. 이 두 가지 요소는 서로 대립적인 관계에 있으며 치유효율이 좋은 초분자 네트워크는 기계적 물성이 낮고, 기계적 물성을 높이면 치유속도가 현저히 느려진다. Two important factors that determine healing efficiency in self-healing supramolecular networks are known as chain motility and supramolecular bond strength. These two factors are in opposition to each other, and the supramolecular network with good healing efficiency has low mechanical properties, and the higher the mechanical properties, the slower the healing speed.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 분지 길이를 제어하여 사슬운동성이 향상됨과 동시에 많은 수의 가교점을 갖는 비선형 초분자체를 및 이러한 비선형 초분자체를 포함하고, 간단한 자극에도 유동성이 높아져 빠르고 효율적인 자가치유가 가능하고, 치유 후에도 재료 본연의 기계적 물성이 유지될 수 있는 우수한 자가치유 성능을 갖는 자가치유 초분자 네트워크를 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been devised in view of the above, and includes a nonlinear supramolecular body having a large number of crosslinking points and a nonlinear supramolecular body and controlling the length of the branch to improve the chain motion, and the fluidity is simple even with a simple stimulus. The purpose is to provide a self-healing supramolecular network that has high self-healing performance, which enables higher, faster and more efficient self-healing and maintains the mechanical properties of the material after healing.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 5000g/mol 이상의 수 평균 분자량을 갖는 분지를 적어도 3개 포함하는 비선형 고분자 및 상기 분지의 각 말단에 구비된 다중수소결합 가능한 단분자를 포함하는 자가치유 초분자 네트워크용 비선형 초분자체를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a self-healing hypermolecular network comprising a non-linear polymer including at least three branches having a number average molecular weight of 5000 g / mol or more and a polyhydrogen bondable single molecule provided at each end of the branch. Provide nonlinear supramolecular bodies.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 다중수소결합 가능한 단분자는 적어도 하나의 우레이도기를 포함하는 화합물일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the multi-hydrogen bondable single molecule may be a compound including at least one ureido group.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분지의 수 평균 분자량은 5000~15000g/mol 일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the number average molecular weight of the branch may be 5000 ~ 15000g / mol.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 비선형 초분자체는 유리전이 온도가 0℃ 이하일 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the nonlinear supramolecular body may have a glass transition temperature of 0 ° C. or less.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 분지의 수 평균 분자량은 8500~15000g/mol 일 수 있다.In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, the number average molecular weight of the branch may be 8500 ~ 15000g / mol.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 비선형 초분자체를 포함하여 상기 비선형 초분자체의 분지 말단에 구비된 단분자들 간 수소결합에 의해 초분자 가교체를 형성하는 자가치유 초분자 네트워크를 제공한다.In addition, the present invention provides a self-healing supramolecular network including a nonlinear supramolecular body according to the present invention to form supramolecular crosslinks by hydrogen bonds between monomolecules provided at branch ends of the nonlinear supramolecular bodies.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자가치유 초분자 네트워크는 자가치유 능이 있는 선형 초분자체를 더 포함하지 않을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the self-healing supramolecular network may not further include a linear supramolecular body having self-healing ability.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자가치유 네트워크는 초분자 결합-해리 평형시간(supramolecular bond lifetime, τb)이 0.003~0.010초일 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the self-healing network may have a supramolecular bond lifetime (τ b ) of 0.003 to 0.010 seconds.
또한, 본 발명은 손상이 발생한 본 발명에 따른 자가치유 초분자 네트워크에 소정의 온도 및 시간으로 열을 공급하거나 소정의 주파수를 갖는 마이크로파(microwave)를 인가하여 비선형 초분자체의 분지 말단에 구비된 단분자들 간 수소결합을 통해 상기 손상을 치유하는 자가치유 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a single molecule provided at the branch end of the non-linear supramolecular body by supplying heat at a predetermined temperature and time to the self-healing supramolecular network according to the present invention damaged or applying a microwave having a predetermined frequency It provides a self-healing method that heals the damage through hydrogen bonding between them.
또한, 본 발명은 발명에 따른 비선형 초분자체를 포함하는 코팅제용 조성물을 제공한다.The present invention also provides a coating composition comprising the nonlinear supramolecular body according to the invention.
본 발명에 따르면, 비선형 초분자체의 분지 길이를 제어하여 사슬운동성이 향상됨과 동시에 많은 수의 가교점을 가질 수 있고, 이러한 비선형 초분자체로 이루어진 자가치유 초분자 네트워크는 다중 수소결합을 기반으로 네트워크 구조를 가지기 때문에 우수한 기계적 물성을 발현함과 동시에 미세 수준 단위의 완벽한 치유가 반복적으로 가능하므로 유지보수, 내구성 면에서 자동차, 선박등 수송 분야의 코팅제 적용하여 널리 활용될 수 있다.According to the present invention, by controlling the branch length of the nonlinear supramolecular body can improve the chain movement and at the same time have a large number of crosslinking points, the self-healing supramolecular network composed of such nonlinear supramolecular body has a network structure based on multiple hydrogen bonds Because of the excellent mechanical properties and at the same time it is possible to repeat the complete healing of the fine level unit can be widely used by applying coatings in the field of transportation, such as automobiles, ships in terms of maintenance, durability.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 초분자체를 포함하는 자가치유 초분자 네트워크의 모식도이다.
도 2a는 실시예1 내지 실시예5, 비교예1 및 비교예2에서 제조된 비선형 고분자 분지의 수 평균 분자량 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 2b는 실시예1 내지 실시예5, 비교예1 및 비교예2에 따른 비선형 초분자체의 NMR 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 실시예1 내지 실시예5, 비교예1, 비교예2에 따른 비선형 초분자체 및 UPy-NCO의 DSC 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 4a는 손상이 발생한 실시예1 내지 실시예4에 따른 자가치유 초분자 네트워크에 대하여 40℃에서 40분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 4b는 손상이 발생한 비교예1 내지 비교예2에 따른 자가치유 초분자 네트워크 에 대하여 40℃에서 40분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 5a는 손상이 발생한 실시예1 내지 실시예4에 따른 자가치유 초분자 네트워크에 대하여 60℃에서 40분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 5b는 손상이 발생한 비교예1 내지 비교예2에 따른 자가치유 초분자 네트워크 에 대하여 60℃에서 40분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 6a는 손상이 발생한 실시예1 내지 실시예4에 따른 자가치유 초분자 네트워크에 대하여 80℃에서 40분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 6b는 손상이 발생한 비교예1 내지 비교예2에 따른 자가치유 초분자 네트워크 에 대하여 80℃에서 40분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 6c는 손상이 발생한 실시예1 내지 실시예4에 따른 자가치유 초분자 네트워크에 대하여 80℃에서 5분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 6d는 손상이 발생한 비교예1 내지 비교예2에 따른 자가치유 초분자 네트워크 에 대하여 80℃에서 5분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 7a는 손상이 발생한 실시예1 내지 실시예4에 따른 자가치유 초분자 네트워크에 대하여 100℃에서 40분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 7b는 손상이 발생한 실시예1 내지 실시예4에 따른 자가치유 초분자 네트워크에 대하여 100℃에서 2분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 7c는 손상이 발생한 비교예1 내지 비교예2에 따른 자가치유 초분자 네트워크에 대하여 100℃에서 2분 동안 열 공급을 하기 전 후의 광학현미경 사진이다.
도 8은 비교예1, 실시예3 및 실시예4에 따른 비선형 초분자체의 유변물성을 측정 결과를 시간-온도 중첩 원리에 의해 나타낸 그래프이다.1 is a schematic diagram of a self-healing supramolecular network including a nonlinear supramolecular body according to an embodiment of the present invention.
Figure 2a is a graph showing the number average molecular weight analysis results of the nonlinear polymer branch prepared in Examples 1 to 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
FIG. 2B is a graph showing the results of NMR analysis of nonlinear supramolecular bodies according to Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 and 2. FIG.
3 is a graph showing the results of DSC analysis of nonlinear supramolecular bodies and UPy-NCO according to Examples 1 to 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
Figure 4a is an optical micrograph before and after the heat supply for 40 minutes at 40 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Examples 1 to 4 where the damage occurred.
Figure 4b is an optical micrograph before and after the heat supply for 40 minutes at 40 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Comparative Examples 1 to 2 where the damage occurs.
Figure 5a is an optical micrograph before and after the heat supply for 40 minutes at 60 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Examples 1 to 4 where the damage occurred.
Figure 5b is an optical micrograph before and after the heat supply for 40 minutes at 60 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Comparative Examples 1 to 2 where the damage occurs.
Figure 6a is an optical micrograph before and after the heat supply for 40 minutes at 80 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Examples 1 to 4 where the damage occurred.
Figure 6b is an optical micrograph before and after the heat supply for 40 minutes at 80 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Comparative Examples 1 to 2 where the damage occurs.
Figure 6c is an optical micrograph before and after the heat supply for 5 minutes at 80 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Examples 1 to 4 where the damage occurred.
Figure 6d is an optical micrograph before and after the heat supply for 5 minutes at 80 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Comparative Examples 1 to 2 where the damage occurs.
Figure 7a is an optical micrograph before and after the heat supply for 40 minutes at 100 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Examples 1 to 4 where the damage occurred.
Figure 7b is an optical micrograph before and after the heat supply for 2 minutes at 100 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Examples 1 to 4 where the damage occurred.
Figure 7c is an optical micrograph before and after the heat supply for 2 minutes at 100 ℃ for the self-healing supramolecular network according to Comparative Examples 1 to 2 where the damage occurs.
8 is a graph showing the results of measuring the rheological properties of nonlinear supramolecular bodies according to Comparative Examples 1, 3 and 4 by the time-temperature superposition principle.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
종래의 초분자체를 이용한 자가치유 네트워크는 선형 초분자체 및 비선형 초분자체가 혼합된 형태로 제조되었다. 선형 초분자체는 사슬 운동성이 높으나, 가교점이 적기 때문에, 가교점이 높은 비선형 초분자체와 혼합하여 초분자 복합 네트워크를 구성하고 있으며, 비선형 초분자체는 사슬 운동성이 낮기 때문에 높은 사슬 운동성과 많은 가교점을 동시에 가지기 위해서는 선형 및 비선형 초분자체를 적절한 비율로 혼합하여야 했다. 또한, 종래의 선형 및 비선형 초분자 복합 네트워크를 사용하면 자가치유 현상의 해석이 복잡한 문제점이 있었다.Self-healing networks using conventional supramolecular bodies have been prepared in a mixture of linear supramolecular and nonlinear supramolecular bodies. Since linear supramolecular bodies have high chain motility but few crosslinking points, they are mixed with nonlinear supramolecular bodies with high crosslinking points to form supramolecular complex networks. This required mixing of linear and nonlinear supramolecules in appropriate proportions. In addition, when using a conventional linear and nonlinear supramolecular complex network, there is a complicated problem of the self-healing phenomenon.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 비선형 초분자체는 분지 길이를 조절함으로써 사슬운동성이 향상됨과 동시에 많은 수의 가교점을 갖는 비선형 초분자체를 구현할 수 있다. 또한, 이러한 비선형 초분자체를 포함하는 자가치유 초분자 네트워크는 간단한 자극에도 유동성이 높아져 빠르고 효율적인 자가치유가 가능하고, 치유 후에도 재료 본연의 기계적 물성이 유지될 수 있는 장점이 있다.As shown in FIG. 1, the nonlinear supramolecular sieve according to the present invention can implement a nonlinear supramolecular sieve having a large number of crosslinking points while improving chain mobility by controlling branch length. In addition, the self-healing supramolecular network including such a nonlinear supramolecular body has a high fluidity even with a simple stimulus, thereby enabling fast and efficient self-healing and maintaining the natural mechanical properties of the material after healing.
이하 본 발명의 비선형 초분자체에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the nonlinear supramolecular body of the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 비선형 초분자체는 5000g/mol 이상의 수 평균 분자량을 갖는 분지를 적어도 3개 포함하는 비선형 고분자 및 상기 분지의 각 말단에 구비된 다중수소결합 가능한 단분자를 포함한다.The nonlinear supramolecular body according to the present invention includes a nonlinear polymer including at least three branches having a number average molecular weight of 5000 g / mol or more and a polyhydrogen bondable single molecule provided at each end of the branch.
상기 분지의 개수가 3개 미만일 경우, 상기 비선형 초분자체의 가교점이 적어 목적하는 수준의 자가치유 성능을 발현할 수 없는 등 본 발명의 목적을 달성하기에 어려울 수 있다.When the number of branches is less than three, it may be difficult to achieve the object of the present invention, such as the cross-linking point of the non-linear supramolecular body may not be able to express the desired level of self-healing performance.
상기 분지의 개수는 비선형 고분자 제조시 사용되는 코어 화합물의 배위 중합(Coordination insertion polymerization)의 중합 개시점이 될 수 있는 관능기의 개수에 따라 달라지며, 상기 코어 화합물은 당업계에서 배위 중합에 사용될 수 있는 코어 화합물이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 일예로 디펜타에리트리톨(Dipentaerythritol)을 사용할 경우, 분지의 개수는 6개일 수 있다.The number of branches depends on the number of functional groups that can be the polymerization initiation point of the coordination insertion polymerization of the core compound used in the preparation of the nonlinear polymer, and the core compound is a core that can be used for coordination polymerization in the art. The compound may be used without limitation. For example, if dipentaerythritol is used, the number of branches may be six.
또한, 상기 분지는 상기 코어 화합물과 모노머의 배위 중합을 통해 형성될 수 있다.In addition, the branch may be formed through coordination polymerization of the core compound and the monomer.
상기 모노머는 상기 코어 화합물과 배위 중합 할 수 있는 당업계에서 공지된 모노머라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 일예로, 트라이메틸 카보네이트(Trimethyl carbonate), L-락타이드(L-lactide), ε-데카락톤(ε-decalactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone)일 수 있으며, 바람직하게는 ε-카프로락톤(ε-caprolactone)일 수 있다.The monomer may be used without limitation so long as it is a monomer known in the art capable of coordinating polymerization with the core compound. For example, trimethyl carbonate, L-lactide, ε-decaractone (ε-decalactone), ε-caprolactone (ε-caprolactone), may be preferably ε-caprolactone (ε-caprolactone).
상기 코어 화합물과 모노머의 중합 비율을 조절하여 제조되는 비선형 고분자의 분지 길이, 즉 수 평균 분자량을 조절할 수 있다.It is possible to control the branch length, that is, the number average molecular weight of the nonlinear polymer prepared by adjusting the polymerization ratio of the core compound and the monomer.
상기 분지의 수 평균 분자량이 5000g/mol 미만일 경우, 상기 비선형 초분자체의 사슬 운동성이 저하되어 자가치유 성능이 저하되는 등 본 발명의 목적을 달성하기 어려울 수 있다.When the number average molecular weight of the branch is less than 5000g / mol, it may be difficult to achieve the object of the present invention, such as the chain mobility of the non-linear supramolecular body is lowered and the self-healing performance is lowered.
도 7c를 참조하면, 상기 분지의 수 평균 분자량이 5000g/mol 미만일 경우, 비선형 초분자체의 사슬 운동성이 저하되어 높은 열을 공급하여도 초분자 네트워크의 손상이 자가치유되지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 7b를 참조하면, 상기 분지의 수 평균 분자량이 5000g/mol 이상일 경우, 비선형 초분자체의 사슬 운동성이 우수하여 초분자 네트워크에 발생한 손상이 자가치유되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7C, when the number average molecular weight of the branch is less than 5000 g / mol, it may be confirmed that damage to the supramolecular network is not self-healed even when high heat is supplied due to deterioration in the chain mobility of the nonlinear supramolecular body. On the other hand, referring to Figure 7b, when the number average molecular weight of the branch is more than 5000g / mol, it can be seen that the damage caused to the supramolecular network is excellent due to the excellent chain mobility of the nonlinear supramolecular.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 분지의 수 평균 분자량은 5000~15000g/mol, 보다 바람직하게는 6000~15000g/mol, 보다 더 바람직하게는 8500 ~ 15000g/mol, 가장 바람직하게는 9600~15000g/mol 일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the number average molecular weight of the branch is 5000-15000 g / mol, more preferably 6000-15000 g / mol, even more preferably 8500-15000 g / mol, most preferably 9600- May be 15000 g / mol.
상기 분지의 수 평균 분자량이 15000g/mol을 초과할 경우, 제조된 비선형 초분자체에 결정성이 생겨 불투명해지고, 유연성이 저하되는 등 코팅제용 조성물로 사용하기에 적합하지 않는 등의 문제가 있을 수 있다.When the number average molecular weight of the branch exceeds 15000g / mol, there may be a problem such as not suitable for use as a coating composition, such as crystallinity is generated in the prepared non-linear supramolecular body, opaque, reduced flexibility, etc. .
또한, 상기 분지의 수 평균 분자량이 6000~15000g/mol 인 비선형 초분자체는 사슬 운동성이 더욱 우수하여 자가치유 성능이 더욱 향상될 수 있으며, 도 4a에 도시된 바와 같이 더욱 낮은 온도의 열을 공급하여도 자가치유 특성이 발현될 수 있다.In addition, the nonlinear supramolecular sieve having a number average molecular weight of 6000 to 15000 g / mol may have better chain mobility and further improve self-healing performance, as shown in FIG. 4A by supplying heat at a lower temperature. Self-healing properties can also be expressed.
또한, 상기 분지의 수 평균 분자량이 8500~15000g/mol 인 비선형 초분자체는 사슬 운동성이 더욱 더 우수하여 자가치유 성능이 더욱 더 향상될 수 있으며, 도 6a에 도시된 바와 같이 더욱 더 낮은 온도의 열을 공급하여도 자가치유 특성이 발현될 수 있다.In addition, the nonlinear supramolecular body having a number average molecular weight of 8500 to 15000 g / mol of the branch may have better chain motility and thus further improve self-healing performance, as shown in FIG. 6A. In addition, self-healing characteristics may be expressed.
또한, 상기 분지의 수 평균 분자량이 9600~15000g/mol 인 비선형 초분자체는 사슬 운동성이 매우 우수하여 자가치유 성능이 더욱 향상될 수 있으며, 도 5a에 도시된 바와 같이 상대적으로 매우 낮은 온도의 열을 공급하여도 자가치유 특성이 발현될 수 있다.In addition, the nonlinear supramolecular sieve having a number average molecular weight of 9600 to 15000 g / mol is very excellent in chain mobility and further improves self-healing performance, as shown in FIG. 5A. Even if supplied, self-healing characteristics can be expressed.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비선형 초분자체는 유리전이 온도가 0℃ 이하일 수 있으며, 이에 따라 비선형 고분자의 사슬 분절 운동성이 우수할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the nonlinear supramolecular body may have a glass transition temperature of 0 ° C. or less, and thus may have excellent chain segment mobility of the nonlinear polymer.
상기 비선형 고분자의 유리 전이 온도가 0 ℃를 초과할 경우, 사슬 분절 운동성의 제약으로 강직한 사슬의 특성이 발현되어 자가치유에 충분한 사슬 운동성을 부여할 수 없는 문제점이 있는 등 본 발명의 목적을 달성하기에 어려울 수 있다.When the glass transition temperature of the non-linear polymer exceeds 0 ℃, there is a problem in that the rigid chain characteristics are expressed due to the restriction of the chain segment motility, there is a problem that can not give sufficient chain motility to self-healing, etc. It can be difficult to do.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다중수소결합 가능한 단분자는 당업계에서 공지된 다중수소결합 가능한 화합물을 제한 없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 우레이도기(ureido)를 적어도 하나 포함하는 화합물, 더욱 바람직하게는 지방산 우레이도 아미드(Fatty acid ureidoamides), 바르비투르산/헤밀턴 리셉터(Barbituric acid/Hamilton receptor), 및 UPy(ureidopyrimidinone) 중에서 선택된 적어도 어느 하나, 가장 바람직하게는 UPy(ureidopyrimidinone)일 수 있다.According to one embodiment of the invention, the polyhydrogen bondable monomolecule can be used without limitation the polyhydrogen bond compound known in the art, preferably a compound comprising at least one ureido group (ureido), more Preferably, at least one selected from fatty acid ureidoamides, barbituric acid / Hamilton receptor, and UPy (ureidopyrimidinone), most preferably UPy (ureidopyrimidinone).
상기 단분자들 간 수소결합에 의하여 자가치유 초분자 네트워크가 형성될 수 있으며 상기 비선형 고분자 분지의 사슬 운동성이 높을수록 우수한 자가치유 성능을 나타낼 수 있다The self-healing supramolecular network can be formed by hydrogen bonding between the single molecules, and the higher the chain mobility of the non-linear polymer branch, the better the self-healing performance.
다음으로, 본 발명에 따른 비선형 초분자체를 포함하는 코팅제용 조성물에 대하여 설명한다.Next, the coating composition containing the nonlinear supramolecular body which concerns on this invention is demonstrated.
본 발명에 따른 비선형 초분자체는 간단한 자극에도 유동성이 높아져 빠르고 효율적인 자가치유가 가능하고, 치유 후에도 재료 본연의 기계적 물성이 유지되는 특성이 있기 때문에 자동차, 우주항공, 선박, 건축 등 다양한 분야에서 활용 가능한 장점이 있다.The nonlinear supramolecular body according to the present invention can be used in various fields such as automobiles, aerospace, ships, constructions, etc. because of its high fluidity even with a simple stimulus, which enables fast and efficient self-healing, and its inherent mechanical properties even after healing. There is an advantage.
상기 코팅제용 조성물에 포함되는 비선형 초분자체는 분지의 수 평균 분자량은 바람직하게는 5000~15000g/mol일 수 있으며, 상기 분지의 수 평균 분자량이 5000g/mol 미만일 경우, 비선형 초분자체의 사슬 운동성이 저하되어 자가치유 성능이 저하될 수 있고, 15000g/mol을 초과할 경우, 제조된 비선형 초분자체에 결정성이 생겨 불투명해지고, 유연성이 저하되는 등 코팅제용 조성물로 사용하기에 적합하지 않는 등의 문제가 있을 수 있다.Nonlinear supramolecular sieve included in the coating composition may preferably have a number average molecular weight of 5000 to 15000 g / mol, and when the number average molecular weight of the branch is less than 5000 g / mol, the chain mobility of the nonlinear supramolecular sieve decreases. When the self-healing performance is lowered, and when it exceeds 15000 g / mol, there is a problem that it is not suitable for use as a coating composition, such as crystallinity in the prepared nonlinear supramolecular body, opacity, and low flexibility. There may be.
상기 코팅제용 조성물은 비선형 초분자체 이외에 당업계에서 통상적으로 사용하는 코팅 용제를 더 포함할 수 있으며, 일예로, 클로로폼(Chloroform), 디엠에프(Dimethylformamide)일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The coating composition may further include a coating solvent commonly used in the art, in addition to the nonlinear supramolecular body. For example, the coating composition may be chloroform or dimethylformamide, but is not limited thereto.
다음으로, 본 발명에 따른 자가치유 초분자 네트워크에 대하여 설명한다.Next, the self-healing supramolecular network according to the present invention will be described.
본 발명의 자가치유 초분자 네트워크는 본 발명에 따른 비선형 초분자체를 포함하여 상기 비선형 초분자체의 분지 말단에 구비된 단분자들 간 수소결합에 의해 초분자 가교체를 형성한다.The self-healing supramolecular network of the present invention includes a nonlinear supramolecular body according to the present invention to form supramolecular crosslinks by hydrogen bonding between single molecules provided at branch ends of the nonlinear supramolecular bodies.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자가치유 초분자 네트워크는 자가치유 능력이 있는 이종의 초분자체를 더 포함하지 않을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the self-healing supramolecular network may not further include heterogeneous supramolecular bodies having self-healing ability.
일예로 상기 이종의 초분자체는 선형 초분자체일 수 있다. 종래의 자가치유 초분자 복합 네트워크는 선형 초분자체 및 비선형 초분자체가 혼합된 형태로 제조되었으나, 높은 사슬 운동성과 많은 수의 가교점을 확보하기 위해서는 상기 선형 및 비선형 초분자체를 소정의 비율로 혼합하여야 했고, 만일 상기 혼합 비율이 소정의 범위를 벗어나게 되면 자가치유 성능이 현저히 떨어지고, 선형 및 비선형 초분자체의 혼합 사용에 의한 자가치유 현상의 해석이 복잡해지는 등 다양한 문제점이 있었다.For example, the heterogeneous supramolecular body may be a linear supramolecular body. In the conventional self-healing supramolecular complex network, linear supramolecular and nonlinear supramolecular bodies were prepared in a mixed form, but in order to secure high chain mobility and a large number of crosslinking points, the linear and nonlinear supramolecular bodies had to be mixed at a predetermined ratio. If the mixing ratio is out of a predetermined range, the self-healing performance is significantly reduced, and the analysis of the self-healing phenomenon by the mixed use of linear and nonlinear supramolecular bodies is complicated.
반면, 본 발명의 자가치유 초분자 네트워크는 비선형 초분자체를 단독으로 포함하여도 우수한 사슬 운동성 및 많은 수의 가교점을 얻을 수 있는 장점이 있다.On the other hand, the self-healing supramolecular network of the present invention has an advantage of obtaining excellent chain motility and a large number of crosslinking points even when including nonlinear supramolecules alone.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자가치유 초분자 네트워크는 초분자 결합-해리 평형시간(supramolecular bond lifetime, τb)이 0.003~0.010초일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the self-healing supramolecular network may have a supramolecular bond lifetime (τ b ) of 0.003 to 0.010 sec.
만일, 상기 τb가 0.003초 미만일 경우, 비선형 초분자체의 사슬 운동성은 매우 우수할 수 있으나, 결정성이 생겨 불투명해지고, 유연성이 저하되는 등 코팅용 조성물로 사용하기에 적합하지 않을 수 있다.If τ b is less than 0.003 seconds, the chain motion of the nonlinear supramolecular body may be very excellent, but may not be suitable for use as a coating composition such as crystallinity, opacity, and flexibility.
0.010초를 초과할 경우, 자가치유 초분자 네트워크에 주어진 손상에 대해 비선형 초분자체의 결합-해리의 평형을 유지하는데 소요되는 시간이 길어지고, 이에 따라 목적하는 수준의 자가치유 성능이 발현되지 않는 등의 문제점이 있을 수 있다.If it exceeds 0.010 seconds, it takes longer to equilibrate the bond-dissociation of the nonlinear supramolecular against the damage given to the self-healing supramolecular network, resulting in no desired level of self-healing performance. There may be a problem.
도 8을 참조하면, 비선형 초분자체 분지의 수 평균 분자량이 높을수록 τb값이 낮아지는, 즉 자가치유 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the higher the number average molecular weight of the nonlinear supramolecular branch is, the lower the value of τ b , that is, the faster self-healing rate.
다음으로, 본 발명에 따른 자가치유 방법에 대하여 설명한다.Next, the self-healing method according to the present invention will be described.
본 발명의 자가치유 방법은 손상이 발생한 자가치유 초분자 네트워크에 소정의 온도 및 시간으로 열을 공급하거나 소정의 주파수를 갖는 마이크로파(microwave)를 인가하여 비선형 초분자체의 분지 말단에 구비된 단분자들 간 수소결합을 통해 상기 손상을 치유한다. 상기 자가치유 초분자 네트워크는 본 발명에 따른 비선형 초분자체를 포함하고 있으므로, 사슬 운동성이 우수하고, 많은 수의 가교점을 가지고 있기 때문에 간단한 자극으로도 빠른 자가치유가 가능한 장점이 있다.In the self-healing method of the present invention, the damaged self-healing supramolecular network supplies heat at a predetermined temperature and time, or applies a microwave having a predetermined frequency to the monomolecular molecules provided at the branch ends of the nonlinear supramolecular bodies. Hydrogen bonds heal the damage. Since the self-healing supramolecular network includes the nonlinear supramolecular body according to the present invention, it has excellent chain motility and has a large number of crosslinking points.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments set forth herein, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention, within the scope of the same idea, the addition of components Other embodiments may be easily proposed by changing, deleting, adding, and the like, but this will also fall within the spirit of the present invention.
(준비예1)Preparation Example 1
이소시아네이트(isocyanate)로 말단 기능화된 다중수소결합 유기체인 ureidopyrimidinone(UPy-NCO)을 합성하기 위해 2-아미노-4 하이드록시-6-메틸 피리미딘(2-amino-4 hydroxy-6-methyl pyrimidine)과 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate)를 피리딘(pyridine) 촉매 투입 후 질소 기류 하에서 100 ℃에서 16시간 동안 교반하였다. 미반응물을 제거하기 위해 헵탄(heptane)에 수세하여 흰색의 고형물을 얻어내고 아세톤으로 수 차례 수세 후 걸러낸 뒤 60 ℃에서 24시간 동안 진공 건조하여 UPy-NCO를 수득하였다.2-amino-4 hydroxy-6-methyl pyrimidine to synthesize ureidopyrimidinone (UPy-NCO), a terminally functionalized polyhydrogenated organism with isocyanate Hexamethylene diisocyanate was added to a pyridine catalyst and stirred for 16 hours at 100 ° C. under a nitrogen stream. In order to remove the unreacted product, heptane was washed with water to obtain a white solid, washed several times with acetone, filtered, and vacuum dried at 60 ° C. for 24 hours to obtain UPy-NCO.
(실시예1)Example 1
ε-카프로락톤(ε-caprolactone)과 디펜타에리트리톨(dipentaerythritol)을 혼합하되 균일한 혼화성 조성을 위해 질소 기류 하 150 ℃에서 투명해 질 때까지 교반시켰다. 투명한 액체가 된 후, 촉매를 첨가하여 질소 기류 하 110 ℃에서 18시간동안 교반시켜 6개의 분지를 갖는 비선형 고분자를 합성하였다. 제조된 비선형 고분자의 분지는 6415.78g/mol의 수 평균 분자량을 가졌다.[epsilon] -caprolactone and dipentaerythritol were mixed but stirred until clear at 150 [deg.] C. under a nitrogen stream for uniform miscibility. After becoming a clear liquid, a catalyst was added and stirred for 18 hours at 110 ° C. under a nitrogen stream to synthesize a nonlinear polymer having six branches. The branch of the prepared nonlinear polymer had a number average molecular weight of 6415.78 g / mol.
제조된 비선형 고분자의 분지 말단에 UPy-NCO를 도입하기 위해 클로로포름(chloroform)에 UPy-NCO 및 비선형 고분자를 용해시켰다. 이 때, 비선형 고분자의 분지 말단의 수산기(-OH) 당 2배의 몰 당량비로 UPy-NCO를 투입하였다. 촉매를 첨가한 후 질소 기류 하 65℃에서 16시간 동안 교반한 후, 미반응 UPy-NCO를 제거하기 위해 실리카겔을 투입하여 65℃에서 4시간 동안 교반하였다. 실리카겔을 여과한 후 여과액을 농축시키고 메탄올에 투입하여 각 분지의 말단에 UPy-NCO가 구비된 비선형 초분자체를 침전시켰다. 침전된 비선형 초분자체는 여과한 후 24시간 상온 진공 건조하여 비선형 초분자체를 수득하였다. In order to introduce UPy-NCO at the branch end of the prepared nonlinear polymer, UPy-NCO and nonlinear polymer were dissolved in chloroform. At this time, UPy-NCO was added at a molar equivalence ratio of 2 times per hydroxyl group (-OH) at the branch terminal of the nonlinear polymer. After adding the catalyst, the mixture was stirred for 16 hours at 65 ° C. under a nitrogen stream, and then silica gel was added to remove unreacted UPy-NCO and stirred at 65 ° C. for 4 hours. After filtering the silica gel, the filtrate was concentrated and added to methanol to precipitate a nonlinear supramolecular body with UPy-NCO at the end of each branch. The precipitated nonlinear supermolecular sieve was filtered and dried under vacuum at room temperature for 24 hours to obtain a nonlinear supermolecular sieve.
(실시예2)Example 2
실시예1과 동일하게 실시하되, 코어 화합물과 모노머의 중합 비율을 조절하여 8616.86g/mol의 수 평균 분자량을 갖는 분지를 6개 포함하는 비선형 초분자체를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, a nonlinear supramolecular body including six branches having a number average molecular weight of 8616.86 g / mol was prepared by adjusting the polymerization ratio of the core compound and the monomer.
(실시예3)Example 3
실시예1과 동일하게 실시하되, 코어 화합물과 모노머의 중합 비율을 조절하여 9824.69g/mol의 수 평균 분자량을 갖는 분지를 6개 포함하는 비선형 초분자체를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, the polymerization ratio of the core compound and the monomer was adjusted to prepare a nonlinear supramolecular body including 6 branches having a number average molecular weight of 9824.69 g / mol.
(실시예4)Example 4
실시예1과 동일하게 실시하되, 코어 화합물과 모노머의 중합 비율을 조절하여 14038.51g/mol의 수 평균 분자량을 갖는 분지를 6개 포함하는 비선형 초분자체를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, a nonlinear supramolecular body including six branches having a number average molecular weight of 14038.51 g / mol was prepared by adjusting the polymerization ratio of the core compound and the monomer.
(실시예5)Example 5
실시예1과 동일하게 실시하되, 코어 화합물과 모노머의 중합 비율을 조절하여 16656.42g/mol의 수 평균 분자량을 갖는 분지를 6개 포함하는 비선형 초분자체를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, a nonlinear supramolecular body including six branches having a number average molecular weight of 16656.42 g / mol was prepared by adjusting the polymerization ratio of the core compound and the monomer.
(비교예1)(Comparative Example 1)
실시예1과 동일하게 실시하되, 코어 화합물과 모노머의 중합 비율을 조절하여 2019.57g/mol의 수 평균 분자량을 갖는 분지를 6개 포함하는 비선형 초분자체를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, by adjusting the polymerization ratio of the core compound and the monomer to prepare a non-linear supramolecular body including six branches having a number average molecular weight of 2019.57g / mol.
(비교예2)(Comparative Example 2)
실시예1과 동일하게 실시하되, 코어 화합물과 모노머의 중합 비율을 조절하여 3800.83g/mol의 수 평균 분자량을 갖는 분지를 6개 포함하는 비선형 초분자체를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, by adjusting the polymerization ratio of the core compound and the monomer to prepare a non-linear supramolecular body including six branches having a number average molecular weight of 3800.83g / mol.
(실험예1) Experimental Example 1
실시예1~5 및 비교예1, 2의 비선형 고분자에 포함되는 분지의 수 평균 분자량을 NMR 분석을 통해 측정하였으며, 그 결과를 도 2a에 도시하였다.The number average molecular weights of the branches included in the nonlinear polymers of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by NMR analysis, and the results are shown in FIG. 2A.
또한, NMR 분석기기를 이용하여 실시예1~5 및 비교예1, 2에서 제조된 비선형 초분자체의 구조를 분석하였다. 도 2b를 참조하면, 각각의 비선형 초분자체에 다중수소결합 가능한 단분자가 결합되어 있음을 확인할 수 있다.In addition, the structure of the nonlinear supramolecular bodies prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 were analyzed using an NMR analyzer. Referring to FIG. 2B, it can be seen that a single molecule capable of polyhydrogen bonding is bonded to each nonlinear supramolecular body.
(실험예2) Experimental Example 2
실시예1~5 및 비교예1, 2에서 제조된 비선형 초분자체의 유리전이 온도를 DSC 분석기를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 도시하였다.Glass transition temperatures of the nonlinear supramolecular bodies prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 were measured using a DSC analyzer, and the results are shown in FIG. 3.
도 3을 참조하면, 분지의 수 평균 분자량이 증가할수록 유리전이온도가 낮아지는 경향이 있으며, 이를 통해 상기 수 평균 분자량이 증가할수록 분지의 사슬 운동성이 증가했음을 알 수 있다. 또한, 상기 수 평균 분자량이 일정 수준 이상으로 높아지면 유리전이 온도의 감소 폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, the glass transition temperature tends to decrease as the number average molecular weight of the branch increases, and as a result, the chain mobility of the branch increases as the number average molecular weight increases. In addition, when the number average molecular weight is higher than a certain level it can be seen that the decrease in the glass transition temperature decreases.
(실험예3)Experimental Example 3
실시예1~4 및 비교예1~2에서 제조된 각각의 비선형 초분자체를 용융하여 초분자 네트워크를 형성한 후, 기판의 양 말단에 0.2mm 두께의 알루미늄판을 대고 기판 상의 샘플 (0.8mm 두께)에 크랙 발생기(cutter)를 이용하여 상기 초분자 네트워크에 크랙(crack)을 발생시켰다.After melting each of the nonlinear supramolecular bodies prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 to form a supramolecular network, a 0.2 mm thick aluminum plate was placed on both ends of the substrate, and a sample (0.8 mm thickness) was applied. Cracks were generated in the supramolecular network using a crack generator.
분지의 길이, 즉 분지의 분자량 및 열 공급 온도에 따른 초분자 네트워크의 자가치유 성능을 비교하기 위하여 40 ℃, 60 ℃, 80 ℃, 100 ℃에서 40분 동안 열을 공급하여 초분자 네트워크들의 자가치유 정도를 광학현미경으로 관찰하였다.In order to compare the self-healing performance of the supramolecular network according to the length of the branches, that is, the molecular weight of the basin and the heat supply temperature, the degree of self-healing of the supramolecular networks was measured by supplying heat at 40 ° C, 60 ° C, 80 ° C and 100 ° C for 40 minutes. Observation was carried out with an optical microscope.
실시예5에서 제조된 비선형 초분자체는 불투명하고, 쉽게 부스러져 자가치유 특성을 평가할 수 없었으며, 이는 분지의 수 평균분자량이 15000g/mol을 초과하여 비선형 고분자 주쇄의 결정성이 증가한 것이 원인으로 판단된다.The nonlinear supramolecular bodies prepared in Example 5 were opaque and easily crumbled so that the self-healing properties could not be evaluated, which was attributed to the increase in crystallinity of the nonlinear polymer main chain due to the number average molecular weight of the branches exceeding 15000 g / mol. do.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 40 ℃에서 40분 동안 열을 공급할 경우, 실시예1~4 및 비교예1~2에 따른 초분자 네트워크들은 모두 자가치유되지 않은 것을 확인할 수 있다.4A and 4B, when heat is supplied at 40 ° C. for 40 minutes, it is confirmed that the supramolecular networks according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 are not self-healing.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 60 ℃에서 40분 동안 열을 공급할 경우, 실시예3 및 실시예4에 따른 초분자 네트워크는 자가치유가 일어난 것으로 확인되었으나, 실시예1, 실시예2, 비교예1 및 비교예2에 따른 초분자 네트워크들은 자가치유되지 않은 것을 확인할 수 있다. 즉, 실시예3 및 실시예4에 따른 초분자 네트워크는 상대적으로 적은 양의 열을 공급하여도 자가치유가 일어날 수 있는 것으로 판단된다.5A and 5B, when supplying heat for 40 minutes at 60 ° C., the supramolecular networks according to Examples 3 and 4 were found to have self-healing. Examples 1, 2, and Comparative Examples It can be seen that supramolecular networks according to 1 and Comparative Example 2 are not self-healing. That is, the supramolecular networks according to the third and fourth embodiments may be capable of self-healing even when a relatively small amount of heat is supplied.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 80 ℃에서 40분 동안 열을 공급할 경우, 실시예2 내지 실시예4에 따른 초분자 네트워크는 자가치유가 일어난 것으로 확인되었으나, 실시예1, 비교예1 및 비교예2에 따른 초분자 네트워크들은 자가치유 되지 않은 것을 확인할 수 있다. 즉, 실시예2에 따른 초분자 네트워크는 실시예3 및 실시예4에 따른 초분자 네트워크보다 상대적으로 많은 양의 열을 공급하여야 자가치유가 발생할 수 있으나, 실시예1, 비교예1 및 비교예2에 따른 초분자 네트워크 보다는 상대적으로 적은 양의 열을 공급하여도 자가치유가 일어날 수 있는 것으로 판단된다.6A and 6B, when heat was supplied at 80 ° C. for 40 minutes, the supramolecular network according to Examples 2 to 4 was found to have self-healing, but Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example It can be seen that supramolecular networks according to 2 are not self-healing. That is, the supramolecular network according to Example 2 may generate self-healing only when a relatively large amount of heat is supplied to the supramolecular networks according to Examples 3 and 4, but in Examples 1, Comparative Examples 1 and 2, It is thought that self-healing can occur even if a relatively small amount of heat is supplied rather than the supramolecular network.
도 7a를 참조하면, 100 ℃에서 40분 동안 열을 공급할 경우, 실시예1 내지 실시예4에 따른 초분자 네트워크는 모두 자가치유가 일어난 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 7A, when the heat was supplied at 100 ° C. for 40 minutes, the supramolecular networks according to Examples 1 to 4 were all self-healing.
결과적으로, 비선형 초분자체 분지의 수 평균 분자량이 높을수록 적은 양의 열을 공급하여도 자가치유가 발생하고, 비교예1 및 비교예2와 같이 비선형 초분자체 분지의 수 평균 분자량이 상대적으로 낮은 경우에는 자가치유가 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.As a result, the higher the number average molecular weight of the nonlinear supramolecular basin, the self-healing occurs even when a small amount of heat is supplied, and the number average molecular weight of the nonlinear supramolecular basin is relatively low as in Comparative Examples 1 and 2. It can be seen that no self-healing occurred.
(실험예4) Experimental Example 4
실시예1~4 및 비교예1~2에서 제조된 각각의 비선형 초분자체를 용융하여 초분자 네트워크를 형성한 후, 기판의 양 말단에 0.2mm 두께의 알루미늄판을 대고 기판 상의 샘플 (0.8mm 두께)에 크랙 발생기(cutter)를 이용하여 상기 초분자 네트워크에 크랙(crack)을 발생시켰다.After melting each of the nonlinear supramolecular bodies prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 to form a supramolecular network, a 0.2 mm thick aluminum plate was placed on both ends of the substrate, and a sample (0.8 mm thickness) was applied. Cracks were generated in the supramolecular network using a crack generator.
분지의 길이, 즉 분지의 분자량 및 열 공급 시간에 따른 초분자 네트워크의 자가치유 성능을 비교하기 위하여 80 ℃에서 5분 또는 100℃에서 2분 동안 열을 공급하여 초분자 네트워크들의 자가치유 정도를 광학현미경으로 관찰하였다.In order to compare the self-healing performance of the supramolecular networks according to the length of the branches, that is, the molecular weight of the branches and the heat supply time, heat was applied at 80 ° C for 5 minutes or at 100 ° C for 2 minutes. Observed.
도 6c 및 도 6d를 참조하면, 80 ℃에서 5분 동안 열을 공급할 경우, 실시예3 및 실시예4에 따른 초분자 네트워크는 자가치유가 일어난 것으로 확인되었으나, 실시예1, 실시예2, 비교예1 및 비교예2에 따른 초분자 네트워크들은 자가치유 되지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 6a를 참조하면 실시예2에 따른 초분자 네트워크는 80℃에서 40분 동안 열을 공급할 경우, 자가치유가 발생하였으나, 동일한 온도에서 5분 동안 열을 공급할 경우, 자가치유가 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다. 실시예3 및 실시예4에 따른 초분자 네트워크는 상대적으로 적은 양의 열을 공급하여도 자가치유가 발생할 수 있는 것으로 판단된다.6C and 6D, when the heat is supplied at 80 ° C. for 5 minutes, the supramolecular networks according to Examples 3 and 4 have been found to have self-healing. Examples 1, 2, and Comparative Examples It can be seen that supramolecular networks according to 1 and Comparative Example 2 are not self-healing. Also, referring to FIG. 6A, the supramolecular network according to Example 2 generates self-healing when heat is supplied at 80 ° C. for 40 minutes, but does not generate self-healing when heat is supplied for 5 minutes at the same temperature. You can check it. The supramolecular networks according to the third and fourth embodiments may be capable of self-healing even when a relatively small amount of heat is supplied.
도 7b 및 도 7c를 참조하면, 100 ℃에서 2분 동안 열을 공급할 경우, 실시예1 내지 실시예4에 따른 초분자 네트워크는 자가치유가 일어난 것으로 확인되었으나, 비교예1 및 비교예2에 따른 초분자 네트워크들은 자가치유 되지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7a를 참조하면 실시예2에 따른 초분자 네트워크는 100℃에서 40분 동안 열을 공급할 경우, 자가치유가 발생하였으며, 동일한 온도에서 2분 동안 열을 공급하여도 자가치유가 발생한 것을 확인할 수 있다. 즉, 100℃의 온도에서 열을 공급할 경우 단 시간으로도 자가치유가 발생할 수 있는 것으로 판단된다.7B and 7C, when supplying heat at 100 ° C. for 2 minutes, the supramolecular network according to Examples 1 to 4 was found to have self-healing, but supramolecules according to Comparative Examples 1 and 2 You can see that the networks are not self-healing. In addition, referring to FIG. 7A, the supramolecular network according to Example 2 generated self-healing when heat was supplied at 100 ° C. for 40 minutes, and self-healing occurred even when heat was supplied for 2 minutes at the same temperature. have. In other words, when heat is supplied at a temperature of 100 ° C., self-healing may occur even in a short time.
(실험예5)Experimental Example 5
실시예3, 실시예4 및 비교예1에서 제조된 각각의 비선형 초분자체를 용융 상태에서 유변물성 측정기(Rheometer)를 이용하여 유변물성을 측정하였다. 측정 샘플은 열압착프레스 방식을 이용하여 지름 25mm, 두께 1mm의 원형 샘플로 제작하였다. 유변물성 지오메트리(geometry)는 parallel plate steel type (ETC)를 사용하였고 측정온도는 90℃로부터 110, 130, 150℃의 4개 온도 구간에서 선형 점탄성 거동 영역(LVE)내에서 저장 탄성율(Storage modulus) 과 손실 탄성율(Loss modulus)를 주파수 (0.01 ~ 100 Hz)에 따라 측정하였다. 측정된 각 온도구간에서의 결과를 시간-온도 중첩 원리에 의해 그래프로 나타내고, 초분자체 결합-해리 평형의 정량적 분석을 시행하기 위해 분자 동역학적 척도인 초분자 결합-해리 평형시간(Supramolecular bond lifetime: τb)을 도출하였다.Each of the nonlinear supramolecular bodies prepared in Examples 3, 4 and Comparative Example 1 was measured for rheological properties using a rheometer in a molten state. The measurement sample was made into a circular sample having a diameter of 25 mm and a thickness of 1 mm using a thermocompression press method. Rheological properties used parallel plate steel type (ETC) and storage modulus in the linear viscoelastic behavior region (LVE) at four temperature ranges from 90 ° C to 110, 130 and 150 ° C. Loss modulus was measured according to the frequency (0.01 ~ 100 Hz). The results of each measured temperature range are plotted by the time-temperature superposition principle, and the molecular dynamics measure, supramolecular bond lifetime (τ), is used to conduct a quantitative analysis of supramolecular bond-dissociation equilibrium. b ).
도 8을 참조하면, 비교예1에 따른 초분자 네트워크의 τb는 0.013s로 실시예3 및 실시예4에 따른 초분자 네트워크 보다 자가치유 속도가 느린 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 8, τ b of the supramolecular network according to Comparative Example 1 was 0.013 s, and the self-healing rate was lower than that of the supramolecular networks of Examples 3 and 4.
따라서, 비선형 초분자체 분지의 수 평균 분자량, 즉 분지의 길이가 길어질수록 자기치유 네트워크에 주어진 손상에 대해 결합-해리의 평형을 유지하는데 소요되는 시간이 단축되고, 해리 후 속도론적으로 빠른 결합 후 평형을 이루게 되어 우수한 자가치유 특성이 발현되는 것을 확인할 수 있다.Thus, the longer the number-average molecular weight of the nonlinear supramolecular branch, i.e., the longer the branch, the shorter the time it takes to equilibrate the bond-dissociation for the damage given to the self-healing network, and the faster the post-dissociation equilibrium It can be seen that excellent self-healing properties are expressed.
Claims (10)
A nonlinear supramolecular body for self-healing supramolecular networks comprising a nonlinear polymer comprising at least three branches having a number average molecular weight of 5000 g / mol or more and a polyhydrogenable single molecule provided at each end of the branch.
상기 다중수소결합 가능한 단분자는 적어도 하나의 우레이도기(ureido)를 포함하는 화합물인 자가치유 초분자 네트워크용 비선형 초분자체.
The method of claim 1,
The multi-hydrogen bondable single molecule is a compound containing at least one ureido (ureido) non-linear hypermolecular sieve for self-healing supramolecular network.
상기 분지의 수 평균 분자량은 5000~15000 g/mol 인 자가치유 초분자 네트워크용 비선형 초분자체.
The method of claim 1,
Nonlinear supramolecular body for self-healing supramolecular networks wherein the number average molecular weight of the branches is 5000-15000 g / mol.
상기 비선형 초분자체는 유리전이 온도가 0℃ 이하인 자가치유 초분자 네트워크용 비선형 초분자체.
The method of claim 1,
The nonlinear supramolecular body is a nonlinear supramolecular body for self-healing supramolecular networks having a glass transition temperature of 0 ° C. or less.
상기 분지의 수 평균 분자량은 8500~15000g/mol 인 자가치유 초분자 네트워크용 비선형 초분자체.
The method of claim 1,
Nonlinear supramolecular sieve for self-healing supramolecular networks wherein the number average molecular weight of the branches is 8500-15000 g / mol.
A self-healing supramolecular network comprising the nonlinear supramolecular body according to any one of claims 1 to 5 and forming a supramolecular crosslinked body by hydrogen bonding between the single molecules provided at the branch end of the nonlinear supramolecular body.
상기 자가치유 초분자 네트워크는 자가치유능이 있는 선형 초분자체를 더 포함하지 않는 자가치유 초분자 네트워크.
The method of claim 6,
The self-healing supramolecular network further comprises a self-healing linear supramolecular network.
상기 자가치유 초분자 네트워크는 초분자 결합-해리 평형시간(supramolecular bond lifetime, τb)이 0.003~0.010초인 자가치유 초분자 네트워크.
The method of claim 6,
The self-healing supramolecular network is a self-healing supramolecular network having supramolecular bond lifetime (τ b ) of 0.003 to 0.010 seconds.
Hydrogen bonds between single molecules provided at branch ends of nonlinear supramolecular bodies by supplying heat at a predetermined temperature and time to the self-healing supramolecular network according to claim 6 or applying a microwave having a predetermined frequency Self-healing method of supramolecular network to heal the damage through.
A coating composition comprising the nonlinear supramolecular body according to any one of claims 1 to 5.
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