KR20220120952A - Self healing microcapsules with multilayer shell structure and the method for manufacturing the same - Google Patents

Self healing microcapsules with multilayer shell structure and the method for manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
KR20220120952A
KR20220120952A KR1020210024771A KR20210024771A KR20220120952A KR 20220120952 A KR20220120952 A KR 20220120952A KR 1020210024771 A KR1020210024771 A KR 1020210024771A KR 20210024771 A KR20210024771 A KR 20210024771A KR 20220120952 A KR20220120952 A KR 20220120952A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
self
healing
microcapsules
shell
microcapsule
Prior art date
Application number
KR1020210024771A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102503668B1 (en
Inventor
정용채
김재우
안석훈
김영남
김건원
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020210024771A priority Critical patent/KR102503668B1/en
Publication of KR20220120952A publication Critical patent/KR20220120952A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102503668B1 publication Critical patent/KR102503668B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J13/00Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/02Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/06Making microcapsules or microballoons by phase separation
    • B01J13/14Polymerisation; cross-linking

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)
  • Manufacturing Of Micro-Capsules (AREA)

Abstract

In the present specification, provided is a self-healing microcapsule with a core-shell structure comprising: a core including a self-healing polymer resin; and a first shell including a polymer of formaldehyde (F) and urea (U). When a capsule is destroyed by stimulation such as an external force or electric force (electric tree), the self-healing microcapsule can heal a damaged area by chemical bonding between an internal core material and a composition of an outer layer.

Description

다층 쉘 구조를 갖는 자가 복원 마이크로 캡슐 및 그 제조방법{SELF HEALING MICROCAPSULES WITH MULTILAYER SHELL STRUCTURE AND THE METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Self-healing microcapsules having a multi-layered shell structure and manufacturing method thereof

본 명세서에는 다층 쉘 구조를 갖는 자가 복원 마이크로 캡슐 및 그 제조방법이 개시된다.Disclosed herein are self-healing microcapsules having a multi-layered shell structure and a method for manufacturing the same.

마이크로캡슐이란 액체, 고체, 기체 성상의 기능성 물질을 캡슐 내부 동공에 함유하고 있는 마이크로 크기의 입자를 의미한다. 마이크로캡슐은 캡슐 내부에 함유된 기능성 물질인 코어제(core materials)와 코어재를 감싸고 있는 외벽(shell)으로 구성되어 있는데, 함유된 코어제의 특성에 따라 다양한 기능성을 가지며 그 기능에 따라 농업, 촉매, 제약, 식품산업, 절연체 등 다양한 산업분야에 이용되고 있다. Microcapsule refers to micro-sized particles containing liquid, solid, and gaseous functional substances in the pores inside the capsule. Microcapsules are composed of a core material, which is a functional material contained in the capsule, and an outer wall (shell) surrounding the core material. It is used in various industries such as catalysts, pharmaceuticals, food industry, and insulators.

특히 마이크로캡슐을 이용한 자가치유 소재가 미국 연구진에 의해 개발된 바 있는데, 마이크로캡슐이 첨가된 고분자 매트릭스가 외력에 의해 손상을 받게 되면 손상 받은 부위를 중심으로 캡슐 벽재가 깨짐과 동시에 내부에 있던 코어제가 손상부위로 흘러나오게 되고 가교되어 제품의 형상 및 기능을 원상 복구할 수 있게 된다.In particular, self-healing materials using microcapsules have been developed by American researchers. When the polymer matrix to which microcapsules are added is damaged by external force, the capsule wall material is broken around the damaged area and at the same time, the core material inside It flows out to the damaged area and crosslinks to restore the shape and function of the product.

종래에는 고분자 매트릭스 내에 내부 코어재가 서로 다른 2종 이상의 마이크로캡슐을 포함하거나 가교반응을 촉진하기 위한 촉매제등을 첨가하여 구현하는 기술이 보고되었으나, 이와 같은 방법은 고분자 매트릭스가 외력에 의해 파괴되었을 때 발생되는 크랙의 전파가 서로 다른 코어재가 포함된 캡슐 모두 파괴해야만 자가복원 기능을 발휘한다는 단점을 가진다. 또한, 손상된 마이크로캡슐의 정도에 따라서 자가복원 효율이 떨어지는 단점을 동시에 가진다.Conventionally, a technique has been reported in which the inner core material contains two or more different microcapsules in the polymer matrix or is implemented by adding a catalyst for accelerating the crosslinking reaction, but this method occurs when the polymer matrix is destroyed by an external force. It has the disadvantage that the propagation of the cracks that are used has the disadvantage that the self-healing function must be destroyed only when all capsules containing different core materials are destroyed. In addition, according to the degree of the damaged microcapsules, the self-recovery efficiency is lowered at the same time.

이러한 마이크로캡슐을 기계적, 전기적 충격 등으로부터 파괴될 수 있는 소재 및 제품에 도입하게 되면 제품의 안정성과 내구성을 현저히 향상시킬 수 있으며, 자가치유 기능을 갖는 마이크로캡슐을 함유한 절연체를 개발하여 전기트리와 같은 전기적 에너지에 의해 손상된 고전압 케이블 접속함의 절연 기능을 다시 복구할 수 있어 정전 사고를 미연에 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 충격이나 마찰 등에 장기 내구성을 지닌 케이블 피복재를 개발할 수 있다는 점에서 전기 분야에 매우 유용한 소재 기술로 기대되고 있다.When these microcapsules are introduced into materials and products that can be destroyed by mechanical or electrical shock, the stability and durability of the product can be significantly improved. The insulation function of the high voltage cable junction box damaged by the same electrical energy can be restored, so it is possible to prevent blackout accidents in advance, and it is very useful in the electrical field in that it can develop a cable covering material with long-term durability against mechanical shock or friction. It is expected as a useful material technology.

본 발명의 구현예들에서는, 1층 이상의 벽재를 가지는 마이크로캡슐과 이를 이용하는 자가치유 시스템으로서 자가치유 효율(성능)을 최적화할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.In embodiments of the present invention, it is an object to provide a method for optimizing self-healing efficiency (performance) as a microcapsule having one or more layers of wall material and a self-healing system using the same.

또한, 본 발명의 구현예들에서는, 외부의 다양한 자극에 대해 소재가 손상을 입었을 때 스스로 복원(치유) 될 수 있고, 이때 자가치유 효율은 주변의 온도 및 시간등에 의해 조절 될 수 있는 자가치유 시스템을 제공하고자 한다.In addition, in embodiments of the present invention, when the material is damaged by various external stimuli, it can be restored (healed) by itself, and the self-healing efficiency can be adjusted by the surrounding temperature and time. would like to provide

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 자가 치유 고분자 수지를 포함하는 코어; 및 유레아(U) 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제1쉘;을 포함하는 코어-쉘 구조를 갖는, 자가 복원 마이크로 캡슐을 제공한다.In one embodiment according to the present invention to achieve the above object, a core comprising a self-healing polymer resin; and a first shell including a polymer of urea (U) and formaldehyde (F); and a core-shell structure comprising, it provides a self-healing microcapsule.

일 구현예에서, 상기 쉘 구조는 복수의 층 구조를 가지며, 멜라민(M), 유레아(U), 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제2쉘;을 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the shell structure has a plurality of layer structures, and may further include a second shell including a polymer of melamine (M), urea (U), and formaldehyde (F).

일 구현예에서, 상기 쉘 구조의 최외곽 표면은 아민기로 기능화될 수 있다.In one embodiment, the outermost surface of the shell structure may be functionalized with an amine group.

일 구현예에서, 상기 아민기는 물리적 결합 또는 화학적 결합을 통하여 기능화될 수 있다.In one embodiment, the amine group may be functionalized through a physical bond or a chemical bond.

일 구현예에서, 상기 쉘 구조의 최외곽은 상기 자가 치유 고분자 수지와 화학적 결합이 가능할 수 있다.In one embodiment, the outermost portion of the shell structure may be chemically bonded to the self-healing polymer resin.

일 구현예에서, 상기 자가 복원 마이크로 캡슐의 직경은 80 내지 500㎛ 범위일 수 있다.In one embodiment, the diameter of the self-healing microcapsules may be in the range of 80 to 500㎛.

일 구현예에서, EDX(Energy dispersive x-ray) 분석에 의할 때, 상기 자가 복원 마이크로 캡슐의 표면은 10% 이상 아민기로 기능화될 수 있다.In one embodiment, according to energy dispersive x-ray (EDX) analysis, the surface of the self-healing microcapsule may be functionalized with at least 10% amine groups.

본 발명에 따른 다른 구현예에서, 자가 치유 고분자 수지를 포함하는 코어와 유레아(U) 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제1쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 갖는 UF 마이크로 캡슐을 형성하는 단계; 및 상기 제1쉘 상에 멜라민(M), 유레아(U), 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제2쉘을 형성하여 UF/MUF를 제조하는 단계;를 포함하는, 자가 복원 마이크로 캡슐 제조 방법을 제공한다.In another embodiment according to the present invention, a UF microcapsule having a core-shell structure including a core including a self-healing polymer resin and a first shell including a polymer of urea (U) and formaldehyde (F) is formed to do; and forming a second shell including a polymer of melamine (M), urea (U), and formaldehyde (F) on the first shell to prepare UF / MUF; Containing, self-healing microcapsules A manufacturing method is provided.

일 구현예에서, 상기 쉘 구조의 최외곽 표면을 아민기로 기능화시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of functionalizing the outermost surface of the shell structure with an amine group; may further include.

본 발명의 구현예에 따른 자가 치유 특성을 가지는 마이크로 캡슐은 쉘의 파괴가 있는 경우는 자가 치유 물질(코어재)을 방출하고 이때 캡슐 최외각층에 존재하는 반응 조성물과 반응하여 손상된 부분을 복원한 후 경화되어 원소재의 물성을 회복할 수 있다. 이에 따라 자가 치유 특성이 요구되는 다양한 복합 재료, 특히 코어재의 방출이 필요한 복합 재료 등에 첨가제로 활용될 수 있다. The microcapsule having self-healing properties according to an embodiment of the present invention releases a self-healing material (core material) when the shell is destroyed, and at this time, it reacts with the reactive composition present in the outermost layer of the capsule to restore the damaged portion It can be cured to recover the physical properties of the raw material. Accordingly, it can be used as an additive for various composite materials requiring self-healing properties, particularly composite materials requiring release of a core material.

또한, 본 발명의 구현예에 의하면, 해당 마이이크로 캡슐의 특정 크기 및/또는 코어재 방출량을 용이하게 최적화할 수 있다. 따라서, 이를 이용하여, 특정 상황에 적합한 크기 (특히 나노 크기) 및/또는 코어재 방출량을 갖는 자가 회복 특성을 가지는 마이크로 캡슐을 제공할 수 있다.In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to easily optimize a specific size and/or a core material release amount of the microcapsule. Therefore, it is possible to provide a microcapsule having a self-healing property having a size (especially nano size) and/or a core material release amount suitable for a specific situation by using the same.

또한, 본 발명의 구현예에 의한 자가치유 마이크로캡슐은 산업용 소재나 각종 구조물의 결합 보강재 등으로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.In addition, the self-healing microcapsule according to the embodiment of the present invention can be very usefully used as an industrial material or a bonding reinforcement for various structures.

도 1 은 본 발명의 일 구현예에서 UF 단일 외벽을 갖는 마이크로 캡슐을 제조 방법을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에서 마이크로 캡슐에서 외벽의 일 성분인 멜라민-유리아-포름알데히드 중합체의 구조식을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에서 UF/MUF 마이크로 캡슐의 제2쉘 표면을 아민기로 기능화하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에서 UF/MUF 마이크로 캡슐의 표면을 화학적 결합을 통하여 아민기능화 하는 것을 개략적으로 도시한다.
도 5a는 본 발명의 일 구현예에서 1시간 동안 교반하여 아민기능화한 UF/MUF 마이크로 캡슐의 표면의 SEM-EDX 분석 결과를 도시한다.
도 5b는 본 발명의 일 구현예에서 3시간 동안 교반하여 아민기능화한 UF/MUF 마이크로 캡슐의 표면의 SEM-EDX 분석 결과를 도시한다.
도 5c는 본 발명의 일 구현예에서 18시간 동안 교반하여 아민기능화한 UF/MUF 마이크로 캡슐의 표면의 SEM-EDX 분석 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에서 UF캡슐과 UF/MUF캡슐을 각각 열처리(130℃ 5시간)한 후 색 변화 사진을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일구현예에서 UF캡슐과 UF/MUF캡슐의 열중량분석(TGA)결과를 도시한다.
1 schematically shows a method for manufacturing a microcapsule with a UF single outer wall in one embodiment of the present invention.
2 shows the structural formula of a melamine-urea-formaldehyde polymer, which is a component of the outer wall in the microcapsule in one embodiment of the present invention.
3 schematically shows a method for functionalizing the surface of the second shell of UF/MUF microcapsules with amine groups in one embodiment of the present invention.
Figure 4 schematically shows the amine functionalization of the surface of the UF / MUF microcapsules through chemical bonding in one embodiment of the present invention.
5a shows the SEM-EDX analysis result of the surface of UF/MUF microcapsules functionalized with amines by stirring for 1 hour in one embodiment of the present invention.
5b shows the SEM-EDX analysis result of the surface of UF/MUF microcapsules functionalized with amines by stirring for 3 hours in one embodiment of the present invention.
5c shows the results of SEM-EDX analysis of the surface of UF/MUF microcapsules functionalized with amines by stirring for 18 hours in one embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a color change photograph after heat treatment (130 ℃ 5 hours) of each UF capsule and UF / MUF capsule in one embodiment of the present invention.
7 shows thermogravimetric analysis (TGA) results of UF capsules and UF/MUF capsules in one embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for the purpose of explanation only, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention can make various changes and can have various forms, and the embodiments are not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention should be understood as including

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

자가 복원 마이크로 캡슐self-healing microcapsules

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 자가 치유 고분자 수지를 포함하는 코어; 및 유레아(U) 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제1쉘;을 포함하는 코어-쉘 구조를 갖는, 자가 복원 마이크로 캡슐을 제공한다.In one embodiment according to the present invention to achieve the above object, a core comprising a self-healing polymer resin; and a first shell including a polymer of urea (U) and formaldehyde (F); and a core-shell structure comprising, it provides a self-healing microcapsule.

예시적인 구현예에서, 상기 자가 치유 고분자 수지는 가교결합이 가능한 고분자류의 물질일 수 있다. 예를 들어, 에폭시 수지, PDMS, Dicyclopentadiene, linseed oil 로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In an exemplary embodiment, the self-healing polymer resin may be a cross-linkable polymeric material. For example, it may be one or more selected from the group consisting of an epoxy resin, PDMS, dicyclopentadiene, and linseed oil.

예시적인 구현예에서, 상기 쉘 구조는 복수의 층 구조를 가지며, 멜라민(M), 유레아(U), 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제2쉘;을 더 포함할 수 있다. 상기 제2쉘을 더 포함하는 다층 쉘 구조를 갖는 경우 우수한 열적 안정성을 가질 수 있다. 예를 들어, 멜라민이 링 구조를 갖고 3차원 형태로 가교 결합이 가능하기 때문에 열적 특성이 현저하게 증가될 수 있으며, 이중벽 형태로 인하여 우수한 기계적 물성을 가질 수도 있다.In an exemplary embodiment, the shell structure has a plurality of layer structures, and may further include a second shell including a polymer of melamine (M), urea (U), and formaldehyde (F). When the multilayer shell structure further includes the second shell, it may have excellent thermal stability. For example, since melamine has a ring structure and can be cross-linked in a three-dimensional form, thermal properties may be remarkably increased, and excellent mechanical properties may be obtained due to the double-walled form.

한편, 마이크로캡슐의 안정성을 높이기 위해서는 두꺼운 벽재를 가진 캡슐이 형성되어야 하는데 기존의 에멀전을 이용한 in-situ 마이크로캡슐 제조법으로는 벽재의 두께를 증가시키기 위해 코어제 대비 벽재의 양 혹은 비율을 높인다고 해도 벽재가 두꺼워지지 않고 오히려 캡슐이 형성되지 않게 된다. 즉 마이크로캡슐의 형성을 위해 코어제와 벽재의 최적 비율이 있어 기존의 방법으로는 두꺼운 두께의 벽재를 지닌 고안정성 마이크로캡슐을 제조하는 것이 불가능하다.On the other hand, in order to increase the stability of microcapsules, a capsule having a thick wall material must be formed. In the existing in-situ microcapsule manufacturing method using an emulsion, in order to increase the thickness of the wall material, even if the amount or ratio of the wall material is increased compared to the core material, the wall material is not thickened, and rather a capsule is not formed. That is, since there is an optimal ratio of the core material and the wall material for the formation of microcapsules, it is impossible to manufacture highly stable microcapsules with a thick wall material by the conventional method.

본 발명에 따른 구현예에서는 다중 in-situ 중합법을 이용하여 두꺼운 벽재를 갖는 마이크로캡슐을 안정적으로 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라 이들 외벽에 무기물층을 도입하여 더욱 높은 안정성을 가진 유무기 복합 다층 외벽형 마이크로캡슐을 제조를 가능케 할 수 있다. In the embodiment according to the present invention, it is possible to stably form microcapsules having thick wall materials by using the multiple in-situ polymerization method, as well as introducing an inorganic material layer to the outer walls of the organic-inorganic composite multi-layered outer wall type having higher stability Microcapsules may be made available.

예시적인 구현예에서, 상기 쉘 구조의 최외곽 표면은 아민기로 기능화될 수 있다. 이러한 아민기 기능화를 통하여 기재(matrix)와 상호작용(interaction)이 생길 수 있어 계면 사이의 불친화성을 줄일 수 있다. 또한 에폭시가 포함된 마이크로캡슐이 외부 응력에 의해 코어재가 흘러 나왔을 때, 별도의 아민액이 있어야 에폭시가 경화될 수 있으나 쉐 구조의 최외곽 표면에 아민 기능기가 존재하게 된다면 별도의 경화제 없이도 단일 캡슐 시스템으로 자가 경화가 가능할 수 있다. In an exemplary embodiment, the outermost surface of the shell structure may be functionalized with an amine group. Through such functionalization of the amine group, interaction with the matrix may occur, thereby reducing the incompatibility between the interfaces. In addition, when the core material of the microcapsule containing epoxy flows out due to external stress, the epoxy can be cured only if there is a separate amine solution. self-curing may be possible.

예시적인 구현예에서, EDX(Energy dispersive x-ray) 분석에 의할 때, 상기 자가 복원 마이크로 캡슐의 표면은 10% 이상 아민기로 기능화될 수 있다. 구체적으로 20% 이상 또는 10 내지 30% 아민기로 기능화될 수 있다. 자가 복원 마이크로 캡슐의 표면에 아민기능화가 많이 될 경우에는 내부 코어재와의 반응속도와 경화속도가 빨라질 수 있으며, 이에 표면이 전술한 범위로 아민기 기능화되는 경우 경화 및 반응속도가 우수할 수 있다. In an exemplary embodiment, according to energy dispersive x-ray (EDX) analysis, the surface of the self-healing microcapsule may be functionalized with at least 10% amine groups. Specifically, it may be functionalized with 20% or more or 10 to 30% amine groups. If the surface of the self-healing microcapsule is highly functionalized with amines, the reaction rate and curing rate with the inner core material may be increased. .

예시적인 구현예에서, 상기 아민기는 물리적 결합 또는 화학적 결합을 통하여 기능화될 수 있다. 상기 물리적 결합은 아민기를 포함하는 용액을 코팅하는 것일 수 있고, 화학절 결합은 아민 기능기를 포함한 모노머 물질을 선정하여 캡슐외벽에 결합 가능한 부분과 아민 기능기를 포함한 모노머와 결합을 시키는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the amine group may be functionalized through a physical bond or a chemical bond. The physical bonding may be coating a solution containing an amine group, and the chemical bonding may be selecting a monomer material containing an amine functional group and bonding a portion capable of bonding to the outer capsule wall with a monomer containing an amine functional group.

예시적인 구현예에서, 상기 쉘 구조의 최외곽은 상기 자가 치유 고분자 수지와 화학적 결합이 가능할 수 있다. 구체적으로, 상기 자가 치유 고분자 수지는 쉘 구조의 최외곽과 반응하여 경화될 수 있는데, 경화를 위하여 내부 코어재로 서로 다른 2종 이상을 포함하는 종래의 자가 복원 캡슐에 비하여 유리할 수 있다. 특히, 벽재가 단층(1층)이상 복합 다층 외벽구조로 구성되고, 최 외각층은 마이크로캡슐 코어재(core)와 화학적 결합이 가능할 수 있는데, 외부의 외력 또는 전기적 힘 (전기트리) 등과 같은 자극을 받아 캡슐이 파괴되면 내부의 코어재와 외각층의 조성물이 화학적 결합으로 손상부위를 복원할 수 있다.In an exemplary embodiment, the outermost portion of the shell structure may be chemically bonded to the self-healing polymer resin. Specifically, the self-healing polymer resin may be cured by reacting with the outermost shell of the shell structure, which may be advantageous compared to a conventional self-healing capsule including two or more different types as an inner core material for curing. In particular, the wall material is composed of a single-layer (one-layer) or more complex multi-layered outer wall structure, and the outermost layer may be chemically bonded to the microcapsule core. When the capsule is destroyed by receiving a chemical bond, the inner core material and the composition of the outer layer can restore the damaged area.

예시적인 구현예에서, 상기 자가 복원 마이크로 캡슐의 직경은 80 내지 500 ㎛ 범위일 수 있다. 상기 자가 복원 마이크로 캡슐의 직경이 80㎛ 미만인 경우 캡슐 내에 위치하는 코어재인 자가 치유 고분자 수지의 함량이 작아져 예컨대 동몰비로 반응하여 경화되는 에폭시/아민반응 등에서 불리할 수 있으며, 전술한 범위의 사이즈를 갖는 경우, 크랙(손상)이 수 마이크로 크기더라도 자가 복원이 가능할 수 있다. In an exemplary embodiment, the diameter of the self-healing microcapsules may be in the range of 80 to 500 μm. When the diameter of the self-healing microcapsule is less than 80 μm, the content of the self-healing polymer resin, which is a core material located in the capsule, becomes small, so it may be disadvantageous, for example, in an epoxy/amine reaction that is cured by reacting in an equimolar ratio, and the size of the above-mentioned range , self-healing may be possible even if the crack (damage) is several micrometers in size.

자가 복원 마이크로 캡슐 제조 방법How to make self-healing microcapsules

본 발명에 따른 다른 구현예에서, 자가 치유 고분자 수지를 포함하는 코어와 유레아(U) 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제1쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 갖는 UF 마이크로 캡슐을 형성하는 단계; 및 상기 제1쉘 상에 멜라민(M), 유레아(U), 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제2쉘을 형성하여 UF/MUF를 제조하는 단계;를 포함하는, 자가 복원 마이크로 캡슐 제조 방법을 제공한다.In another embodiment according to the present invention, a UF microcapsule having a core-shell structure including a core including a self-healing polymer resin and a first shell including a polymer of urea (U) and formaldehyde (F) is formed to do; and forming a second shell including a polymer of melamine (M), urea (U), and formaldehyde (F) on the first shell to prepare UF / MUF; Containing, self-healing microcapsules A manufacturing method is provided.

먼저, 자가 치유 고분자 수지를 포함하는 코어와 유레아(U) 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제1쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 갖는 UF 마이크로 캡슐을 형성할 수 있다.First, UF microcapsules having a core-shell structure including a core including a self-healing polymer resin and a first shell including a polymer of urea (U) and formaldehyde (F) may be formed.

구체적으로 도 1을 참고하면, 먼저 친수성기와 소수성기를 모두 갖는 계면활성제를 이용하여 수상 베이스의 미셀을 형성한다. 거기에 유레아(urea)를 첨가하면 친수성기에 결합을 하여 초기 멤브레인을 형성하게 된다. 여기에 소수성의 자가치유 고분자 수지를 첨가하면 소수성 특성으로 인하여 미셀 안쪽으로 침투하여 코어를 형성하게 된다. 이후 포름알데히드를 첨가하여 제1쉘을 형성하여 UF 마이크로 캡슐을 형성할 수 있다.Specifically, referring to FIG. 1 , first, an aqueous-based micelle is formed using a surfactant having both a hydrophilic group and a hydrophobic group. When urea is added thereto, it binds to a hydrophilic group to form an initial membrane. When a hydrophobic self-healing polymer resin is added here, it penetrates into the micelles and forms a core due to its hydrophobic properties. Thereafter, a first shell may be formed by adding formaldehyde to form UF microcapsules.

다음으로, 상기 제1쉘 상에 멜라민(M), 유레아(U), 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제2쉘을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 MUF 중합체는 도 2의 구조식을 가질 수 있다.Next, a second shell including a polymer of melamine (M), urea (U), and formaldehyde (F) may be formed on the first shell. For example, the MUF polymer may have the structural formula of FIG. 2 .

다음으로, 상기 쉘 구조의 최외곽 표면을 아민기로 기능화시킬 수 있다.Next, the outermost surface of the shell structure may be functionalized with an amine group.

실시예Example

이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effect of the present invention will be described in more detail by way of examples. However, these examples are provided for the purpose of illustration only to help the understanding of the present invention, and the scope and scope of the present invention are not limited by the following examples.

실시예1: UF 벽재를 갖는 마이크로캡슐 제조Example 1: Preparation of microcapsules with UF wall material

In-situ polymerization을 이용하여 oil in water 시스템으로 UF 마이크로 캡슐을 제조하였다. UF캡슐에서 쉘을 형성하는 전구체인 urea와 캡슐의 외벽 형성을 도와 강화를 시켜주는 resorcinol과 pH 변화의 완충역할을 하는 ammonium chloride, 코어 emulsion을 안정화시키는 ethylene maleic anhydride (EMA)를 증류수에 녹여준 후에 sodium hydroxide와 hydrochloric acid를 이용하여 pH를 맞춰주었다. UF microcapsules were prepared in an oil in water system using in-situ polymerization. After dissolving urea, a precursor that forms the shell in the UF capsule, resorcinol, which strengthens the outer wall of the capsule, ammonium chloride, which serves as a buffer for pH changes, and ethylene maleic anhydride (EMA) to stabilize the core emulsion in distilled water. The pH was adjusted using sodium hydroxide and hydrochloric acid.

준비된 용액에 core를 넣고 emulsion을 안정적으로 형성시키기 위해 30분간 교반시켰으며, 그런 뒤 formaldehyde를 첨가하여 60 ℃에서 4시간 동안 stirring을 하였다. 이후 증류수를 이용하여 분별 작업을 하여 잔여물을 제거한 뒤 필터링하였고, 24시간 동안 건조하여 최종 UF 마이크로캡슐을 수득하였다.The core was placed in the prepared solution and stirred for 30 minutes to stably form the emulsion, then formaldehyde was added and stirred at 60 °C for 4 hours. Thereafter, fractionation was performed using distilled water to remove the residue, filtered, and dried for 24 hours to obtain final UF microcapsules.

실시예2: UF/MUF 벽재를 갖는 마이크로캡슐 제조Example 2: Preparation of microcapsules with UF/MUF wall material

In-situ polymerization을 이용하여 oil in water 시스템으로 벽재 전구체로 melamine, urea, formaldehyde를 적용한 MUF 벽재를 실시예 1의 UF캡슐에 형성하였다.MUF wall material to which melamine, urea, and formaldehyde were applied as wall material precursors in an oil in water system using in-situ polymerization was formed in the UF capsule of Example 1.

먼저, 제1용액과 제2용액을 나누어 준비하였는데, 제1용액은 melamine과 formaldehyde를 증류수에 넣어 70℃에서 30분 동안 반응을 먼저 시켜서 M-F prepolymer를 제조하여 준비하였고, 제2용액은 증류수에 urea를 녹이고, emulsifier인 SLS (sodium lauryl sulfate) 용액과 emulsion stabilizer인 PVA (poly vinyl alcohol)을 섞어 제조한 뒤, 제1용액과 제2용액을 혼합하여 교반하였고, 캡슐 이외의 부산물을 제거하기 위해 분별을 실시하여 준비하였다.First, the first solution and the second solution were prepared separately. The first solution was prepared by putting melamine and formaldehyde in distilled water and reacting at 70° C. for 30 minutes to prepare M-F prepolymer, and the second solution was urea in distilled water. was dissolved and prepared by mixing SLS (sodium lauryl sulfate) solution as an emulsifier and PVA (poly vinyl alcohol) as an emulsion stabilizer. was carried out and prepared.

부산물 제거 이후 에탄올을 이용하여 1차 수세 후 하루 동안 자연건조를 실시하였고, 아세톤을 이용하여 2차 수세 후 하루 동안 자연건조 하여 최종적으로 UF/MUF 캡슐을 수득하였다.After the removal of by-products, the first water washing was performed with ethanol, followed by natural drying for one day, and the second water washing with acetone was air-dried for one day to finally obtain UF/MUF capsules.

실시예3: UF/MUF의 화학적 아민기능화Example 3: Chemical Amine Functionalization of UF/MUF

실시예 2의 UF/MUF 마이크로캡슐의 쉘을 화학적 결합을 통하여 아민 기능화시켰다. 1 wt%의 3-aminopropyltriethoxy silane(KH550) solution (in water)을 준비한후, 준비된 용액에 합성된 마이크로 캡슐 5g을 분산시킨다. 이때 pH는 7로 조절한후, 80 ℃로 1~18시간 동안 500rpm으로 교반 반응시킨다. 반응이 종료되며, 증류수로 3~4회 수세를 하고 필터 시 에탄올(및 아세톤)으로 더 수세를 하여 건조시킨다.The shell of the UF/MUF microcapsule of Example 2 was amine-functionalized through chemical bonding. After preparing a 1 wt% 3-aminopropyltriethoxy silane (KH550) solution (in water), 5 g of the synthesized microcapsules are dispersed in the prepared solution. At this time, after adjusting the pH to 7, the reaction was stirred and reacted at 500 rpm at 80 ° C. for 1 to 18 hours. When the reaction is complete, it is washed with distilled water 3 to 4 times, and when the filter is filtered, it is further washed with ethanol (and acetone) and dried.

실시예4: UF/MUF의 물리적 아민기능화Example 4: Physical Amine Functionalization of UF/MUF

실시예 2에서 합성된 캡슐에 물리적 아민기능화를 위하여 습식침지법 (필터링 법)을 이용하여 캡슐벽재에 아민 조성물이 코팅된 제조하였고, 이때 코팅조성물의 농도를 조절하여 캡슐 벽재의 코팅양을 다르게 하였다.For the physical amine functionalization of the capsule synthesized in Example 2, an amine composition was coated on the capsule wall material using a wet dipping method (filtering method), and the coating amount of the capsule wall material was varied by controlling the concentration of the coating composition. .

실험예 1: SEM-EDX를 통한 표면 특성 분석Experimental Example 1: Analysis of surface properties through SEM-EDX

실시예 3의 화학적 아민기능화한 UF/MUF에서 교반 시간을 달리한 샘플의 SEM-EDX를 분석하여 아민기능화 반응시간에 따른 기능화양을 정량적으로 평가하였다. 정량화를 위하여 아민 기능화에 사용한 3-aminopropyltriethoxy silane(KH550)에 함유된 si의 비율을 확인하였다.The amount of functionalization according to the amine functionalization reaction time was quantitatively evaluated by analyzing SEM-EDX of the samples with different stirring times in the chemically amine-functionalized UF/MUF of Example 3. For quantification, the ratio of si contained in 3-aminopropyltriethoxy silane (KH550) used for amine functionalization was confirmed.

도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 구현예에서 각각 1시간 동안, 3시간 동안, 18시간 동안 교반하여 아민기능화한 UF/MUF 마이크로 캡슐의 표면의 SEM-EDX 분석 결과를 도시한다. 여기에서, 3시간 동안 교반하여 아민 기능화한 UF/MUF 마이크로 캡슐의 경우 표면에서 si 비율이 약 24%로 분포하는 것을 확인할 수 있다. 5A to 5C show the results of SEM-EDX analysis of the surface of UF/MUF microcapsules functionalized with amines by stirring for 1 hour, 3 hours, and 18 hours, respectively, in one embodiment of the present invention. Here, in the case of UF/MUF microcapsules functionalized with amines by stirring for 3 hours, it can be seen that the si ratio is distributed at about 24% on the surface.

실험예 2: 열적 안정성 분석Experimental Example 2: Thermal stability analysis

1) 먼저, 실시예 1과 2의 마이크로 캡슐을 130℃로 약 5시간 열처리하였다. 그 결과 도 6에서와 같이 실시예 2의 UF/MUF 마이크로 캡슐의 경우 열처리 전과 동일한 색상을 유지하였으나, 실시예 1의 UF 마이크로 캡슐의 경우는 열처리 이후 변색된 것을 확인할 수 있다.1) First, the microcapsules of Examples 1 and 2 were heat-treated at 130° C. for about 5 hours. As a result, as shown in FIG. 6 , the UF/MUF microcapsules of Example 2 maintained the same color as before heat treatment, but the UF microcapsules of Example 1 were discolored after heat treatment.

2) 다음으로, 실시예 1과 2의 마이크로 캡슐과 실시예 2를 130℃로 약 4시간 열처리한 마이크로 캡슐 샘플을 TGA를 통하여 열 안정성을 분석하였다. 그 결과는 도 7에서 도시하며, 실시예 1의 UF 마이크로 캡슐에 비하여 실시예 2의 UF/MUF 마이크로 캡슐이 열적 안정성이 훨씬 우수한 것을 확인할 수 있으며, 130℃로 약 4시간 열처리한 후에도 그 안정성을 유지하는 것을 확인할 수 있다.2) Next, the thermal stability of the microcapsules of Examples 1 and 2 and the microcapsule samples obtained by heat-treating Example 2 at 130° C. for about 4 hours were analyzed for thermal stability through TGA. The results are shown in FIG. 7, and it can be seen that the UF/MUF microcapsules of Example 2 have much superior thermal stability compared to the UF microcapsules of Example 1, and the stability is improved even after heat treatment at 130° C. for about 4 hours. You can check to keep it.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as they are apparent to those of ordinary skill in the art.

Claims (9)

자가 치유 고분자 수지를 포함하는 코어; 및
유레아(U) 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제1쉘;을 포함하는 코어-쉘 구조를 갖는, 자가 복원 마이크로 캡슐.
a core comprising a self-healing polymer resin; and
A self-healing microcapsule having a core-shell structure comprising; a first shell comprising a polymer of urea (U) and formaldehyde (F).
제1항에 있어서,
상기 쉘 구조는 복수의 층 구조를 가지며, 멜라민(M), 유레아(U), 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제2쉘;을 더 포함하는, 자가 복원 마이크로 캡슐.
According to claim 1,
The shell structure has a plurality of layer structures, and a second shell comprising a polymer of melamine (M), urea (U), and formaldehyde (F); further comprising, self-healing microcapsules.
제1항에 있어서,
상기 쉘 구조의 최외곽 표면은 아민기로 기능화된, 자가 복원 마이크로 캡슐.
According to claim 1,
The outermost surface of the shell structure is functionalized with an amine group, self-healing microcapsules.
제3항에 있어서,
상기 아민기는 물리적 결합 또는 화학적 결합을 통하여 기능화된, 자가 복원 마이크로 캡슐.
4. The method of claim 3,
The amine group is functionalized through a physical bond or a chemical bond, self-healing microcapsules.
제1항에 있어서,
상기 쉘 구조의 최외곽은 상기 자가 치유 고분자 수지와 화학적 결합이 가능한, 자가 복원 마이크로 캡슐.
According to claim 1,
The outermost portion of the shell structure is capable of chemical bonding with the self-healing polymer resin, self-healing microcapsules.
제1항에 있어서,
상기 자가 복원 마이크로 캡슐의 직경은 80 내지 500㎛ 범위인, 자가 복원 마이크로 캡슐.
According to claim 1,
The self-healing microcapsule has a diameter in the range of 80 to 500 μm.
제1항에 있어서,
EDX(Energy dispersive x-ray) 분석에 의할 때, 상기 자가 복원 마이크로 캡슐의 표면은 10% 이상 아민기로 기능화된, 자가 복원 마이크로 캡슐.
According to claim 1,
According to EDX (Energy dispersive x-ray) analysis, the surface of the self-healing microcapsule is functionalized with at least 10% amine groups, the self-healing microcapsule.
자가 치유 고분자 수지를 포함하는 코어와 유레아(U) 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제1쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 갖는 UF 마이크로 캡슐을 형성하는 단계; 및
상기 제1쉘 상에 멜라민(M), 유레아(U), 및 포름알데히드(F)의 중합체를 포함하는 제2쉘을 형성하여 UF/MUF를 제조하는 단계;를 포함하는, 자가 복원 마이크로 캡슐 제조 방법.
Forming a UF microcapsule having a core-shell structure including a core including a self-healing polymer resin and a first shell including a polymer of urea (U) and formaldehyde (F); and
Preparing a UF/MUF by forming a second shell including a polymer of melamine (M), urea (U), and formaldehyde (F) on the first shell; Way.
제8항에 있어서,
상기 쉘 구조의 최외곽 표면을 아민기로 기능화시키는 단계;를 더 포함하는, 자가 복원 마이크로 캡슐 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Further comprising; functionalizing the outermost surface of the shell structure with an amine group; self-healing microcapsule manufacturing method.
KR1020210024771A 2021-02-24 2021-02-24 Self healing microcapsules with multilayer shell structure and the method for manufacturing the same KR102503668B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210024771A KR102503668B1 (en) 2021-02-24 2021-02-24 Self healing microcapsules with multilayer shell structure and the method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210024771A KR102503668B1 (en) 2021-02-24 2021-02-24 Self healing microcapsules with multilayer shell structure and the method for manufacturing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220120952A true KR20220120952A (en) 2022-08-31
KR102503668B1 KR102503668B1 (en) 2023-02-28

Family

ID=83061533

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210024771A KR102503668B1 (en) 2021-02-24 2021-02-24 Self healing microcapsules with multilayer shell structure and the method for manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102503668B1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210004575A (en) * 2019-07-05 2021-01-13 한국전력공사 Highly stable microcapsule having organic layer and inorganic layer and manufacturing method for the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210004575A (en) * 2019-07-05 2021-01-13 한국전력공사 Highly stable microcapsule having organic layer and inorganic layer and manufacturing method for the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Mirabedini et. al., Amino-silane surface modification of urea-formaldehyde microcapsules~, Progress is Organic Coatings, Vol 136, 2019년 7월 23일 발행, 105242쪽* *
Tong et. al., Effects of Surface Modification of Self-Healing~, J. Appl. Polym. Sci., Vol. 127, Iss. 5, 2012년 5월 24일 발행, 3954 -3961쪽.* *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102503668B1 (en) 2023-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101810897B1 (en) Self-healing microcapsule, method for preparing the same and coating material comprising the same
Wu et al. Robust microcapsules with polyurea/silica hybrid shell for one-part self-healing anticorrosion coatings
US9943487B2 (en) Polydopamine-coated capsules
WO2018013547A1 (en) Microcapsules having dual reagents separated by the capsule wall and methods for making same
KR101951471B1 (en) Microcapsule-type self-healing coating solution comprising a silanol-terminated polydimethylsiloxane
Tian et al. The preparation and characterization of double-layer microcapsules used for the self-healing of resin matrix composites
Hettiarachchi et al. Synthesis of calcium carbonate microcapsules as self-healing containers
US10584246B2 (en) Renewable self-healing capsule system
JP2021529079A (en) Selective permeable graphene oxide element
KR20220120952A (en) Self healing microcapsules with multilayer shell structure and the method for manufacturing the same
US20150360408A1 (en) Self-healing system comprising logitudinal nano/microstructures and method of production thereof
KR20230169025A (en) Self healing microcapsules with core-shell structure and the method for manufacturing the same
CN113559800A (en) Dopamine hydrochloride functionalized double-wall microcapsule, preparation method and application thereof
WO2012076489A1 (en) Composite material comprising nanoporous particles
WO2010039623A2 (en) Shear-and/or pressure-resistant microspheres
TWI312293B (en) Dyeability microcapsule and fabricating method of the same
US9771478B2 (en) Dispersion of microcapsules for self-healing applications
CN112726208B (en) Wear-resistant waterproof composite carbon fiber cloth and preparation method thereof
KR20210004575A (en) Highly stable microcapsule having organic layer and inorganic layer and manufacturing method for the same
WO2022190612A1 (en) Separation membrane and method for manufacturing same
KR102663076B1 (en) Silica aerogel with core-shell structure, the preparation methods and the application products containing core-shell structured silica aerogel
TWI393670B (en) Carbon nanotube capsule and method for making same, composite of carbon nanotube capsule and method for making same
DE102011087850A1 (en) Composite useful as e.g. components of primary structure and secondary structure of aircraft, and vehicles from a land- and sea transport e.g. roof components, bumpers and spoiler, comprises matrix material and several microcapsules
CN110194916B (en) Preparation method of polyvinyl alcohol-molecular sieve underwater super-oleophobic coating
JP2008101174A (en) Multilamellar microcapsule

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant