KR20240030147A - 재가공 또는 재활용이 가능한 액정성 에폭시 수지 경화물, 이의 재경화물 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재가공 또는 재활용이 가능한 액정성 에폭시 수지 경화물, 이의 재경화물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 열방성 액정 물질이 결합된 에폭시 화합물을 경화제와 반응시켜 수득한 액정성 에폭시 수지 경화물, 이의 재경화물 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 액정성 에폭시 수지 경화물은 우수한 물성 및 열전도도를 가지는 동시에, 이러한 특성을 유지하면서 친환경 공정으로 재가공 및 재활용될 수 있어, 다양한 분야에서 친환경 고분자 소재로 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 액정성 에폭시 수지 경화물은 우수한 물성 및 열전도도를 가지는 동시에, 이러한 특성을 유지하면서 친환경 공정으로 재가공 및 재활용될 수 있어, 다양한 분야에서 친환경 고분자 소재로 활용될 수 있다.
Description
본 발명은 재가공 또는 재활용이 가능한 액정성 에폭시 수지 경화물, 이의 재경화물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 복수 개의 열방성 액정 물질이 결합된 에폭시 화합물을 경화제로 경화시켜 수득한, 재가공 또는 재활용성을 가진 액정성 에폭시 수지 경화물, 이의 재경화물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
열경화성 고분자 수지와 같이 일상생활에서 범용적으로 사용되는 플라스틱의 매해 생산량과 사용량이 꾸준히 증가함에 따라 폐플라스틱 발생량 또한 매우 빠르게 증가하고 있다. 폐플라스틱 매립의 경우 썩지 않기 때문에 향후 환경오염을 유발할 수 있으며 소각방법의 경우 다량의 유해물질을 대기 중으로 방출하여 새로운 환경오염을 일으키며 해안 유입량 또한 꾸준히 급증하는 추세이다. 이와 같이 올바르지 않은 플라스틱 폐기법으로 생태계에 위협을 주는 환경문제가 꾸준히 대두되고 있다.
현재 플라스틱 재활용법은 크게 기계적 재활용(mechanical recycling), 화학적 재활용(chemical recycling), 및 열적 재활용(thermal recycling)의 3가지 방법이 있다. 열적 재활용은 고분자를 태워 에너지로 다시 얻는 방법으로 모든 폐플라스틱에 적용 가능하며 비교적 간단하지만 유독 가스를 배출하여 대기오염 등을 유발하여 가장 기피되는 재활용 방법이다. 따라서, 열적 재활용이 아닌 기계적 재활용 또는 화학적 재활용이 가능한 고분자 수지 개발이 필요하다.
기계적 재활용법은 폐플라스틱의 분류와 세척 공정 등의 단계를 거치고 열가공을 통하여 재생 원료로 재사용하는 방법으로, 비교적 간단하며 대기오염을 유발하지 않는 친환경적인 재활용법이다. 플라스틱의 종류 중 내화학성, 기계적 강도, 구조 보존력이 뛰어나서 방열 및 다양한 복합소재 수지로 사용되는 열경화성 수지의 경우 열에 녹지 않아 재가공이 불가능하므로 기계적 재활용을 크게 제한한다.
최근 상기 열경화성 수지의 장점을 지니며 동시에 열가공이 가능한 비트리머라는 신규 고분자가 각광받고 있다. 이러한 특성은 고분자 사슬 간 동적 가교 결합으로 네트워크를 형성함으로써 구현된다. 비트리머의 재가공을 위해서는 대게 동적 가교 결합의 사슬 교환 반응 촉진을 위해 유무기 촉매가 사용되어야 한다. 이러한 유무기 촉매 사용은 고분자의 열화 및 재활용 공정의 다양한 공정 부품들의 부식을 야기할 수 있다. 또한, 기계적 재활용은 최초 제품과 동등한 품질 및 저하된 품질의 제품으로만 재활용 가능하다. 예를 들어, 버려진 페트병을 재활용하여 똑같은 페트병을 만들거나 페트병보다 가치가 떨어지는 제품으로만 재활용이 가능하다.
이러한 문제를 해결 가능한 플라스틱의 재활용법은 화학적 재활용법이다. 화학적 재활용은 폐플라스틱을 단량체 및 소분자로 녹이고 분해하여 신규 제품으로 새로이 합성하는 재활용법으로 기계적 재활용에 비해 과정이 복잡하지만, 폐플라스틱의 부가가치 창출 가능한 재활용법이다.
이에, 친환경적으로 재활용 또는 재가공이 가능한 고분자 소재 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 재가공 또는 재활용성이 우수한 고분자 수지 또는 이의 경화물 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 액정성 에폭시 화합물을 경화제와 반응시켜 수득한, 액정성 에폭시 수지 경화물을 제공한다:
[화학식 1]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수이다.
상기 경화물은, 하기 화학식 2로 표시될 수 있다:
[화학식 2]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수이고, m은 1 내지 100,000 범위의 정수이다.
상기 경화제는, 4,4'-디아미노디페닐메탄(4,4'-diaminodiphenylmethane, DDM), 디아미노디페닐술폰(diaminodiphenylsulfone, DDS), m-페닐렌디아민(m-phenylendiamine, mPDA), p-페닐렌디아민(p-phenylendiamine, pPDA), 헥사메틸렌디아민(hexamethylene diamine), 옥시디아닐린(oxydianiline), 및 디시안디아미드(dicyandiamide, DICY)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 화합물 및 상기 경화제는, 1 : (0.1 내지 1)의 몰 비로 반응할 수 있다.
상기 경화물은, 0.5 W/m·K 이상의 높은 열전도도를 가질 수 있다.
상기 경화물은, 재활용 또는 재가공될 수 있다.
상기 경화물은, 산성 또는 염기성 조건; 및 극성 유기용매;에서 화학적으로 분해될 수 있다.
상기 경화물은, 하기 화학식 3-1 및 3-2 로 표시되는 화합물로 분해될 수 있다:
[화학식 3-1]
[화학식 3-2]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수이다.
본 발명은 상기의 액정성 에폭시 수지 경화물의 화학적 분해 화합물을 재경화시켜 수득한, 액정성 에폭시 수지 재경화물을 제공한다.
상기 재경화물은, 하기 화학식 4로 표시될 수 있다:
[화학식 4]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수이고, m은 1 내지 100,000 범위의 정수이다.
상기 재경화물은, 상기 액정성 에폭시 수지 경화물에 비해 기계적 물성이 향상될 수 있다.
상기 재경화물은, 재활용 또는 재가공될 수 있다.
본 발명은 상기 액정성 에폭시 수지 경화물 또는 상기 액정성 에폭시 수지 재경화물을 포함하는, 비트리머 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 액정성 에폭시 화합물 및 경화제를 혼합시킨 후, 가압 가열시키는 단계;를 포함하는, 액정성 에폭시 수지 경화물의 제조방법을 제공한다.
상기 경화제는, 4,4'-디아미노디페닐메탄(4,4'-diaminodiphenylmethane, DDM), 디아미노디페닐술폰(diaminodiphenylsulfone, DDS), m-페닐렌디아민(m-phenylendiamine, mPDA), p-페닐렌디아민(p-phenylendiamine, pPDA), 헥사메틸렌디아민(hexamethylene diamine), 옥시디아닐린(oxydianiline), 및 디시안디아미드(dicyandiamide, DICY)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 화합물 및 상기 경화제는, 1 : (0.1 내지 1)의 몰 비로 혼합될 수 있다.
상기 가열은, 120 내지 140℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 액정성 에폭시 수지 경화물의 화학적 분해 화합물을 가압 가열시키는 단계;를 포함하는, 액정성 에폭시 수지 재경화물의 제조방법을 제공한다.
상기 화학적 분해 화합물은, 가압 가열 전에 분쇄하여 준비될 수 있다.
상기 가열은, 180 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 액정성 에폭시 수지 경화물은 우수한 물성 및 열전도도를 가지는 동시에, 이러한 특성을 유지하면서 친환경 공정으로 재가공 및 재활용될 수 있어, 다양한 분야에서 친환경 고분자 소재로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 에폭시 수지, 이의 경화물, 이의 파손된 경화물의 재가공물, 이의 화학적 분해물, 이의 재경화물, 및 이의 재가공물의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에폭시 수지 경화물 제조에 사용되는 액정 에폭시 화합물 (EP-n) 및 4,4'-디아미노디페닐메탄(4,4'-diaminodiphenylmethane, DDM) 당량 혼합물의 시차주사열량분석(DSC) 결과로, (a)는 10℃/min 가열속도에서의 동적 DSC 곡선, (b)는 130℃에서의 등온 DSC 곡선이다.
도 3은 상기 EP-n 및 DDM 당량 혼합물의 여러 온도에서의 등온 시차주사열량분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 원형 시편으로, 왼쪽부터 차례로 C-EP-4, C-EP-6, C-EP-8 이다.
도 5는 상기 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 열적 특성 분석 결과로, (a)는 시차주사열량분석(DSC), (b)는 열중량 분석(TGA) 결과이다.
도 6은 상기 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 동적기계분석(DMA) 결과로, (a)E'은 저장탄성률, (b)E"은 손실탄성률, (c)는 tan δ 값이다.
도 7은 130℃에서 측정된 EP-n의 경화 과정에 대한 편광현미경 이미지이다 (스케일 바 = 50μm).
도 8은 상기 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 X선 회절 분석(XRD) 결과이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 파손된 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 재가공을 통한 재가공품 V-EP-n을 제작하는 과정이다.
도 10은 도 9에 따른 에폭시 수지 경화물 C-EP-n 및 이의 재가공품 V-EP-n의 동적기계 분석 결과로, 검정색 선은 C-EP-8, 빨간색 선은 V-EP-8을 나타낸다.
도 11은 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 용해도 시험 결과로, (a)는 중성 상태의 여러 유기용매 조건에서의 용해도 시험 결과, (b)는 0.125 M HCl 조건에서의 유기 용매별 분해 거동, (c)는 0.125 M의 여러 가지 산을 포함하는 THF 수용액에서의 분해 거동, (d)는 여러 농도의 HCl을 함유하는 THF 수용액에서의 분해 거동을 나타낸다.
도 12는 에폭시 수지 경화물 (C-EP-n)의 화학적 분해물 D-EP-n의 핵자기공명 분석 (1H-NMR) 결과이다.
도 13은 상기 화학적 분해물 D-EP-n의 적외선 분광법 (FT-IR) 분석 결과이다.
도 14는 상기 화학적 분해물 D-EP-n의 겔 투과 크로마토그래피(GPC)의 측정 결과이다.
도 15는 화학적 분해물 D-EP-n의 재경화 반응에 대한 시차주사열량분석 결과로, (a)는 10℃/min 가열속도에서의 동적 DSC 곡선, (b)는 190℃에서의 등온 DSC 곡선이다.
도 16은 재경화물 R-EP-n의 원형 시편으로, 왼쪽부터 차례로 R-EP-4, R-EP-6, R-EP-8 이다.
도 17은 상기 재경화물 R-EP-n의 열적 특성 분석 결과로, (a)는 시차주사열량분석(DSC), (b)는 열중량 분석(TGA) 결과이다.
도 18은 상기 재경화물 R-EP-n의 동적기계 분석(DMA) 결과로, (a)E'은 저장탄성률 (직선), (b)E"은 손실탄성률 (점선), (c)는 tan δ 값이다.
도 19는 상기 재경화물 R-EP-n의 X선 회절 분석(XRD) 결과이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따라 파손된 재경화물 R-EP-n의 재가공을 통한 재가공품 RV-EP-n을 제작하는 과정이다.
도 21은 재경화물 R-EP-n의 분해 시험 결과로, (a)는 중성 상태의 여러 유기용매 조건에서의 용해도 및 분해 결과, (b)는 0.5 M NaOH, 실온 조건에서의 유기 용매별 분해 거동, 및 (c)는 0.5 M NaOH 조건에서 60℃로 5시간 가열 후의 분해 거동을 나타낸다.
도 22는 재경화물 R-EP-8로부터 제조된 분해물인 D-EP-8의 NMR 스펙트럼이다.
도 23은 상기 재경화물 R-EP-8로부터 제조된 분해물인 D-EP-8의 160℃ 등온 시차주사열량곡선이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에폭시 수지 경화물 제조에 사용되는 액정 에폭시 화합물 (EP-n) 및 4,4'-디아미노디페닐메탄(4,4'-diaminodiphenylmethane, DDM) 당량 혼합물의 시차주사열량분석(DSC) 결과로, (a)는 10℃/min 가열속도에서의 동적 DSC 곡선, (b)는 130℃에서의 등온 DSC 곡선이다.
도 3은 상기 EP-n 및 DDM 당량 혼합물의 여러 온도에서의 등온 시차주사열량분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 원형 시편으로, 왼쪽부터 차례로 C-EP-4, C-EP-6, C-EP-8 이다.
도 5는 상기 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 열적 특성 분석 결과로, (a)는 시차주사열량분석(DSC), (b)는 열중량 분석(TGA) 결과이다.
도 6은 상기 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 동적기계분석(DMA) 결과로, (a)E'은 저장탄성률, (b)E"은 손실탄성률, (c)는 tan δ 값이다.
도 7은 130℃에서 측정된 EP-n의 경화 과정에 대한 편광현미경 이미지이다 (스케일 바 = 50μm).
도 8은 상기 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 X선 회절 분석(XRD) 결과이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 파손된 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 재가공을 통한 재가공품 V-EP-n을 제작하는 과정이다.
도 10은 도 9에 따른 에폭시 수지 경화물 C-EP-n 및 이의 재가공품 V-EP-n의 동적기계 분석 결과로, 검정색 선은 C-EP-8, 빨간색 선은 V-EP-8을 나타낸다.
도 11은 에폭시 수지 경화물 C-EP-n의 용해도 시험 결과로, (a)는 중성 상태의 여러 유기용매 조건에서의 용해도 시험 결과, (b)는 0.125 M HCl 조건에서의 유기 용매별 분해 거동, (c)는 0.125 M의 여러 가지 산을 포함하는 THF 수용액에서의 분해 거동, (d)는 여러 농도의 HCl을 함유하는 THF 수용액에서의 분해 거동을 나타낸다.
도 12는 에폭시 수지 경화물 (C-EP-n)의 화학적 분해물 D-EP-n의 핵자기공명 분석 (1H-NMR) 결과이다.
도 13은 상기 화학적 분해물 D-EP-n의 적외선 분광법 (FT-IR) 분석 결과이다.
도 14는 상기 화학적 분해물 D-EP-n의 겔 투과 크로마토그래피(GPC)의 측정 결과이다.
도 15는 화학적 분해물 D-EP-n의 재경화 반응에 대한 시차주사열량분석 결과로, (a)는 10℃/min 가열속도에서의 동적 DSC 곡선, (b)는 190℃에서의 등온 DSC 곡선이다.
도 16은 재경화물 R-EP-n의 원형 시편으로, 왼쪽부터 차례로 R-EP-4, R-EP-6, R-EP-8 이다.
도 17은 상기 재경화물 R-EP-n의 열적 특성 분석 결과로, (a)는 시차주사열량분석(DSC), (b)는 열중량 분석(TGA) 결과이다.
도 18은 상기 재경화물 R-EP-n의 동적기계 분석(DMA) 결과로, (a)E'은 저장탄성률 (직선), (b)E"은 손실탄성률 (점선), (c)는 tan δ 값이다.
도 19는 상기 재경화물 R-EP-n의 X선 회절 분석(XRD) 결과이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따라 파손된 재경화물 R-EP-n의 재가공을 통한 재가공품 RV-EP-n을 제작하는 과정이다.
도 21은 재경화물 R-EP-n의 분해 시험 결과로, (a)는 중성 상태의 여러 유기용매 조건에서의 용해도 및 분해 결과, (b)는 0.5 M NaOH, 실온 조건에서의 유기 용매별 분해 거동, 및 (c)는 0.5 M NaOH 조건에서 60℃로 5시간 가열 후의 분해 거동을 나타낸다.
도 22는 재경화물 R-EP-8로부터 제조된 분해물인 D-EP-8의 NMR 스펙트럼이다.
도 23은 상기 재경화물 R-EP-8로부터 제조된 분해물인 D-EP-8의 160℃ 등온 시차주사열량곡선이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명자는 열방성 액정 분자에 에폭시 작용기를 다수 수식하고, 추가적으로 이민(-C=N-)과 에스터(-COO-) 작용기를 도입한 에폭시 수지, 이의 경화물, 이의 재경화물을 제조하여, 이들로부터 우수한 재활용 및 재가공성을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 액정성 에폭시 화합물을 경화제와 반응시켜 수득한, 액정성 에폭시 수지 경화물을 제공한다:
[화학식 1]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수이다.
상기 화합물은 자기 조립 현상을 나타내는 열방성 액정 분자에 에폭시 작용기를 다수 수식한 열경화성 수지 단량체일 수 있다.
바람직하게는, 상기 화합물은 비스(4-(((4-(옥시란-2-일메톡시)페닐)이미노)메틸)페닐)알칸디오에이트 [Bis(4-(((4-(oxiran-2-ylmethoxy)phenyl)imino)methyl)phenyl)alkanedioate] 일 수 있다.
상기 화합물은 이민(-C=N-)과 에스터(-COO-) 작용기가 도입될 수 있다. 이민 작용기는 가수 분해가 쉽게 일어나는 작용기로서 재활용성을 가지게 하며, 에스터 작용기는 상기 에폭시 화합물 경화 후 생성되는 에폭사이드 유래의 하이드록시기(-OH)와 에스터 교환 반응(transesterification)을 가능하게 하여 재가공성을 부여할 수 있다.
상기 경화제는 4,4'-디아미노디페닐메탄(4,4'-diaminodiphenylmethane, DDM), 디아미노디페닐술폰(diaminodiphenylsulfone, DDS), m-페닐렌디아민(m-phenylendiamine, mPDA), p-페닐렌디아민(p-phenylendiamine, pPDA), 헥사메틸렌디아민(hexamethylene diamine), 옥시디아닐린(oxydianiline), 및 디시안디아미드(dicyandiamide, DICY)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 4,4'-디아미노디페닐메탄(DDM)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화합물 및 상기 경화제는 1 : (0.1 내지 1)의 몰 비로 반응될 수 있고, 바람직하게는 1 : 0.5의 몰 비로 반응될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 상기 경화물은, 하기 화학식 2로 표시될 수 있다:
[화학식 2]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수이고, m은 일반적인 고분자와 같이 무한대일 수 있으며, 바람직하게는 m은 1 내지 100,000 범위의 정수일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 경화물은 우수한 열적, 기계적 물성을 가질 수 있고, 특히 0.5 W/m·K 이상의 높은 열전도도를 가질 수 있다.
상기 경화물은 재활용 또는 재가공될 수 있다. 즉, 분쇄 또는 파손, 화학적으로 분해된 이후에도 유사한 물성으로 재경화되거나 재가공될 수 있다.
상기 경화물은 화학적으로 분해될 수 있고, 바람직하게는 산성 또는 염기성 조건; 및 극성 유기용매;에서 하기 화학식 3-1 및 3-2의 화합물로 분해될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:
[화학식 3-1]
[화학시 3-2]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수이다.
상기 산성 또는 염기성 조건은 pH 4 이하 또는 pH 7 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 극성 유기용매는 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 디메틸포름아미드(dimethylformamide. DMF), 디메틸술폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 에탄올, 메탄올, 또는 아세톤에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 상기 액정성 에폭시 수지 경화물의 화학적 분해 화합물을 재경화시켜 수득한, 액정성 에폭시 수지 재경화물을 제공한다.
바람직하게는, 상기 재경화물은 하기 화학식 4로 표시될 수 있다:
[화학식 4]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수이고, m은 일반적인 고분자와 같이 무한대일 수 있으며, 바람직하게는 m은 1 내지 100,000 범위의 정수일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 재경화물은 상기 액정성 에폭시 수지 경화물과 유사한 기계적 물성 및 열전도성을 가지거나 또는 상기 경화물에 비해 향상된 기계적 물성을 가질 수 있다.
상기 재경화물은 재활용 또는 재가공될 수 있다.
이러한 특성들로 인해, 상기 액정성 에폭시 수지 경화물 또는 액정성 에폭시 수지 재경화물은 비트리머로 활용될 수 있는 바, 본 발명은 상기 액정성 에폭시 수지 경화물 또는 상기 액정성 에폭시 수지 재경화물을 포함하는 비트리머 조성물을 제공한다.
상기 "비트리머(vitrimer)"는 열적으로 활성화된 결합 교환 반응에 의해 토폴로지를 변경할 수 있는 분자 공유 네트워크로 구성되어, 열경화성 고분자의 화학적 안정성과 열가소성 고분자의 가공성을 모두 갖춘 고분자를 의미한다.
상기 액정성 에폭시 수지 경화물 또는 상기 액정성 에폭시 수지 재경화물은 우수한 기계적 물성 및 열전도 특성을 가지는 바, 열전도성 고분자 재료로 활용될 수 있다.
또한, 본 발명은 액정성 에폭시 화합물 및 경화제를 혼합시킨 후, 가압 가열시키는 단계;를 포함하는, 액정성 에폭시 수지 경화물의 제조방법을 제공한다.
상기 경화제는 4,4'-디아미노디페닐메탄(4,4'-diaminodiphenylmethane, DDM), 디아미노디페닐술폰(diaminodiphenylsulfone, DDS), m-페닐렌디아민(m-phenylendiamine, mPDA), p-페닐렌디아민(p-phenylendiamine, pPDA), 헥사메틸렌디아민(hexamethylene diamine), 옥시디아닐린(oxydianiline), 및 디시안디아미드(dicyandiamide, DICY)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 4,4'-디아미노디페닐메탄(DDM)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화합물 및 상기 경화제는 1 : (0.1 내지 1)의 몰 비로 혼합될 수 있고, 바람직하게는 1 : 0.5의 몰 비로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 가열은 120 내지 140℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 130℃에서 1 내지 2 시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기의 제조방법에 따라 제조된 액정성 에폭시 수지 경화물은 우수한 기계적 물성 및 열전도 특성을 유지하면서 재활용 또는 재가공될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 액정성 에폭시 수지 경화물의 화학적 분해 화합물을 가압 가열시키는 단계;를 포함하는, 액정성 에폭시 수지 재경화물의 제조방법을 제공한다.
상기 화학적 분해 화합물은 가압 가열 전에 분쇄하여 준비될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 가열은 180 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 190℃에서 1 내지 2 시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기의 제조방법에 따라 제조된 액정성 에폭시 수지 재경화물 또한 상기 경화물과 유사한 기계적 물성 및 열전도 특성을 유지하면서 재활용 또는 재가공될 수 있다.
보다 상세한 것은 하기 실험예에 의해 후술될 것이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1> 에폭시 수지 EP-n의 합성
하기 반응식 1은 에폭시 수지 EP-n의 합성과정을 나타낸 것이다.
[반응식 1]
1-1. 비스(4-포르밀페닐)알칸디오에이트[Bis(4-formylphenyl) alkanedioate, EB-n]의 합성
4-하이드록시벤즈알데히드(4-hydroxybenzaldehyde, 3.05 g, 25.0 mmol)를 2구 플라스크에 넣고, 아르곤 치환한 후, 트리에틸아민(triethylamine, 3.5 ml), 무수 디클로로메탄(dichloromethane, CH2Cl2, 100 ml)을 넣고 균일 용액이 될 때까지 교반하였다. 이후, 헥산디오일 디클로라이드(hexanedioyl dichloride, 1.82 ml, 12.5 mmol)를 녹인 무수 CH2Cl2 30 ml을 점적하면서 3시간 동안 환류시켰다. 얻어진 용액은 탄산수소나트륨 포화 용액으로 3차례 불순물을 추출한 후 농축되었고, 클로로폼(chloroform) : 에틸 아세테이트(ethyl acetate) 부피비 11:1 용액을 전개액으로 하는 실리카 컬럼 크로마토그래피를 통해 정제하여 EB-4 (3.69 g, 수율 85%)를 수득하였다.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): δ = 10.00 (s, 2H(CHO-Ar)), 7.92 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 7.28 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 2,69 (t, J = 7.4 Hz, 4H(-CO-CH 2-CH2-)), 1.91 (q, J 1 = 3 Hz, J 2 = 4 Hz, 4H(-COCH2-CH 2-)).
헥산디오일 디클로라이드 대신 옥탄디오일 디클로라이드(octanedioyl dichloride), 데칸디오일 디클로라이드(decanedioyl dichloride)를 사용하는 것 외에는 실시예 1-1의 방법과 동일하게 합성하여 EB-6 및 EB-8을 수득하였다.
EB-6 (89% 수율) : 1H NMR (500 MHz, CDCl3): δ = 10 (s, 2H(CHO-Ar)), 7.92 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 7.27 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 2,62 (t, J = 7.4 Hz, 4H(-CO-CH 2-CH2-CH2), 1.80 (quintet, J 1 = 7.5 Hz, J 2 = 7.5 Hz, 4H(-COCH2-CH 2- CH2-)), 1.507 (quintet, J 1 = 4 Hz, J 2 = 4, 4H(-CO-CH2-CH2-CH 2-)).
EB-8 (86% 수율) : 1H NMR (500 MHz, CDCl3): δ = 10 (s, 2H(CHO-Ar)), 7.91 (d, J = 9 Hz, 4ArH), 7.27 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 2,59 (t, J = 7.4 Hz, 4H(-CO-CH 2-CH2-CH2-CH2-), 1.77 (quintet, J 1 = 7.5 Hz, J 2 = 7.5 Hz ,4H(-CO-CH2-CH 2-CH2-CH2-)), 1.41-149 (m, 8H(-CO-CH2-CH2-CH 2-CH2-)), 1.36-1.44 (m, 8H(-CO-CH2-CH2-CH2-CH 2-).
1-2. 비스(4-(((4-하이드록시페닐)이미노)메틸)페닐)알칸디오에이트[Bis(4-(((4-hydroxyphenyl)imino)methyl)phenyl)alkanedioate, IM-n]의 합성
1L 3구 둥근 플라스크에 4-아미노페놀(4-aminophenol, 4.80 g, 44 mmol)을 250 ml의 무수 에탄올에 녹이고, 다른 500 ml 둥근 플라스크에 상기 실시예 1-1에서 수득된 EB-4 (22 mmol) 와 250 ml의 무수 에탄올을 추가하여 균일 용액을 제조하였다. 이후 두 용액을 혼합한 후 환류 조건에서 30분간 반응시켰고, 실온으로 식혔다. 얻어진 결정은 차가운 에탄올로 3번 세정하여 IM-4 (10.9 g, 92% 수율)를 수득하였다.
1H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ = 9.52 (s, 2H(OH-Ar), 8.61 (s, 2H(Ar-CH=N-Ar)), 7.94 (d, J = 9 Hz, 4ArH), 7.27 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 7.20 (d, J = 9 Hz, 4ArH), 6.80 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 2.70 (t, J = 6 Hz, 4H(-CO-CH 2-CH2-)), 1.74-1.82 (m, 4H(-CO-CH2-CH 2-)).
EB-4 대신 EB-6, 또는 EB-8을 사용하는 것 외에는 실시예 1-2의 방법과 동일하게 합성하여 IM-6 및 IM-8을 수득하였다.
IM-6 (95% 수율) : 1H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ = 9.55 (s, 2H(OH-Ar), 8.61 (s, 2H(Ar-CH=N-Ar)), 7.94 (d, J = 9 Hz, 4ArH), 7.26 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 7.20 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 6.80 (d, J = 9 Hz, 4ArH), 2.64 (t, J = 7.5 Hz, 4H(-CO-CH 2-CH2-CH2-)), 1.65-1.73 (m ,4H(-CO-CH2-CH 2-CH2-), 1.41-1.48 (m ,4H(-CO-CH2-CH2-CH 2-).
IM-8 (94% 수율) : 1H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ = 9.55 (s, 2H(OH-Ar), 8.61 (s, 2H(Ar-CH=N-Ar)), 7.93 (d, J = 9 Hz, 4ArH), 7.25 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 7.20 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 6.80 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 2.61 (t, J = 7.5 Hz, 4H(-CO-CH 2-CH2-CH2-CH2-)), 1.67 (quintet, J 1 = 7.3 Hz, J 2 = 7.3 Hz, 4H(-CO-CH2-CH 2- CH2-CH2-)), 1.39-1.44 (m, 4H(-CO-CH2-CH2-CH 2-CH2-)), 1.32-1.35 (m, 4H(-CO-CH2-CH2-CH2-CH 2-)).
1-3. 비스(4-(((4-(옥시란-2-일메톡시)페닐)이미노)메틸)페닐)알칸디오에이트 [Bis(4-(((4-(oxiran-2-ylmethoxy)phenyl)imino)methyl)phenyl)alkanedioate, EP-n]의 합성
상기 실시예 1-3에서 수득된 IM-4 (4.02 g, 7.5 mmol), 벤질트리메틸암모늄 브로마이드(benzyltrimethylammonium bromide, 0.4 g)를 무수 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF, 40 ml)에 녹이고, 에피클로로히드린(epichlorohydrin, 55 ml)을 넣어 90℃에서 1시간 동안 반응시켰다. 실온으로 식힌 후, 얻어진 용액을 300 ml의 메탄올에 침전시키고 생성된 백색 고체 물질을 필터하여 회수하였다. 얻어진 고체를 메탄올과 증류수로 수차례 세척하여 EP-4 (건조 후 중량은 2.04 g, 수율 42%)를 수득하였다.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 8.38 (s, 2H(Ar-CH=N-Ar)), 7.84 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 7.20 (d, J = 9.0 Hz, 4ArH), 7.10 (d, J = 9.0 Hz, 4ArH), 7.00 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 4.31 (dd, J 1 = 11.0 Hz, J 2 = 3.1 Hz, 2H), 4.02 (dd, J 1 = 11.0 Hz, J 2 = 5.8 Hz, 2H), 3.39 (ddt, J 1 = 5.8 Hz, J 2 = 4.1 Hz, J 3 = 2.9 Hz, 2H), 2.94 (dd, J 1 = 4.9 Hz, J 2 = 4.1 Hz, 2H), 2.79 (dd, J 1 = 4.9 Hz, J 2 = 2.6 Hz, 2H), 2.66 (q, J 1 = 6.1 Hz, J 2 = 4.2 Hz, 4H), 1.88-1.94 (m, 4H). 13C NMR (500 MHz, CDCl3): δ (ppm): 171.86 (C=O), 161.11 (-C=N), 159.70 148.51, 121.73, 114.80 (-O-Ar-N=) 149.85, 130.56, 129.60, 122.12 (ArO-), 68.82 (- C H 2 -O), 49.96 (옥시란 고리의 C H), 44.61 (옥시란 고리의 C H 2 ), 33.96 (-CO- C H 2 -CH 2 -), 24.29 (-CO-CH 2 - C H 2 -). MS (+ESI): calcd for [C38H36N2O8+2H]2+: m/z 650; found: m/z 650.
IM-4 대신 IM-6, IM-8을 사용하는 것 외에는 실시예 1-3의 방법과 동일하게 합성하여 EP-6 및 EP-8을 수득하였다.
EP-6 (44% 수율) : 1H NMR (500 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 8.37 (s, 2H(Ar-CH=N-Ar)), 7.84 (d, J = 9.0 Hz, 4ArH), 7.20 (d, J = 9.0 Hz, 4ArH), 7.09 (d, J = 9.0 Hz, 4ArH), 7.00 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 4.31 (dd, J 1 = 11.0, J 2 = 3.0 Hz, 2H), 4.01 (dd, J 1 = 11.0 Hz, J 2 = 5.7 Hz, 2H), 3.39 (ddt, J 1 = 5.7 Hz, J 2 = 4.2 Hz, J 3 = 2.9 Hz, 1H), 2.93 (dd, J 1 = 4.9 Hz, J 2 = 4.1 Hz, 1H), 2.79 (dd, J 1 = 4.9 Hz, J 2 = 2.6 Hz, 1H), 2.59 (t, J = 7.4 Hz, 2H), 1.81 (dq, J 1 = 11.5 Hz, J 2 = 7.1 Hz, 2H), 1.51 (m, 4H). 13C NMR (500 MHz, CDCl3): δ (ppm): 172.25 (C=O), 161.09 (-C=N), 159.69, 148.57, 121.71, 114.79 (-O-Ar-N=), 149.73, 130.55, 129.55, 122.13 (ArO-), 68.80 (- C H 2 -O), 49.95 (옥시란 고리의 C H), 44.58 (옥시란 고리의 C H 2 ), 34.22 (-CO- C H 2 -), 28.68 (-CO-CH 2 - C H 2 -), 24.68 (-CO-CH 2 -CH 2 - C H 2 -). MS (+ESI): calcd for [C40H40N2O8+2H]2+: m/z 678; found: m/z 678.
EP-8 (45% 수율) : 1H NMR (500 MHz, CDCl3): δ (ppm) = 8.37 (s, 2H( Ar-CH=N-Ar)) ,7.84 (d, J = 9.0 Hz, 4ArH), 7.19 (d, J = 9.0 Hz, 4ArH), 7.09 (d, J = 9.0 Hz, 4ArH), 7.00 (d, J = 8.6 Hz, 4ArH), 4.31 (dd, J 1 = 11.1 Hz, J 2 = 3.1 Hz, 2H), 4.02 (dd, J 1 = 11.0 Hz, J 2 = 5.7 Hz, 2H), 3.39 (ddt, J 1 = 5.8 Hz, J 2 = 4.2 Hz, J 3 = 2.8 Hz, 2H), 2.93 (dd, J 1 = 4.9 Hz, J 2 = 4.1 Hz, 2H), 2.79 (dd, J 1 = 4.9 Hz, J 2 = 2.6 Hz, 2H), 2.57 (t, J = 7.5 Hz, 4H), 1.77 (q, J = 7.4 Hz, 4H), 1.38-1.48 (m, 8H). 13C NMR (500 MHz, CDCl3): δ (ppm): 172.36 (C=O), 161.08 (-C=N), 159.62, 148.60, 121.70, 114.79 (-O-Ar-N=), 149.74, 130.54, 129.59, 122.13 (ArO-), 68.80 (- C H 2 -O), 49.95 (옥시란 고리의 C H), 44.59 (옥시란 고리의 C H 2 ), 34.33 (-CO- C H 2 -), 29.03 (-CO-CH 2 - C H 2 -), 28.99 (-CO-CH 2 -CH 2 - C H 2 -), 24.87 (-CO-CH 2 -CH 2 - CH 2 - C H 2 -). MS (+ESI): calcd for [C42H44N2O8+2H]2+: m/z 706; found: m/z 706.
EP-n은 2개의 액정 물질이 중심부의 알킬 스페이서를 통해 연결된 구조적 특징으로 액정상호작용이 강화된 형태의 액정성 에폭시 수지로서, 추가적 기능 부여를 위해 액정 물질에는 이민(-C=N-)과 에스터(-COO-) 작용기가 도입되어 있다. 이민 작용기는 가수 분해가 쉽게 일어나는 작용기로서 얻어진 에폭시 수지가 재활용성을 가지게 하며, 에스터 작용기는 에폭시 수지 경화 후 생성되는 에폭사이드 유래의 하이드록시기(-OH)와 에스터 교환 반응(transesterification)이 가능하여 열경화성 수지임에도 불구하고 동적 가변 공유 결합을 재형성할 수 있어 재가공이 가능한 열가소성 수지와 유사한 거동을 보이는 비트리머(vitrimer)의 특성을 부여하였다.
<실시예 2> 에폭시 수지 경화물 (C-EP-n)의 제조 및 특성 분석
1. 제조방법
도 1에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1에 따라 제조된 에폭시 수지 EP-n과 4,4'-디아미노디페닐메탄(4,4'-diaminodiphenylmethane, DDM)의 몰 혼합비를 2:1로 설정하여 에폭사이드와 아민 당량이 동일하게 하여 준비하였다. 경화 조건의 최적화를 위하여 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC)를 이용한 경화 반응의 상세 분석를 실시하였다.
하기 표 1은 EP-n의 경화 반응 분석 결과이다.
* a는 도 2(a)의 동적 DSC 측정 결과 기준, b는 도 2(b)의 130℃ 등온 DSC 측정 결과 기준으로 나타낸 것이다.
상기 표 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 세 종류의 수지는 모두 124~128 ℃의 범위에서 경화 반응이 시작되어, 약 167℃ 근방에서 경화 반응 최대점을 나타내어 분자 구조상 모두 유사한 중합 작용기를 가지므로 이에서 멀리 떨어져 있는 알킬 스페이서의 영향은 거의 없는 것으로 확인되었다. 경화 반응의 발열량은 동적 DSC 기준 154.7~180.8 J/g, 130℃의 등온 DSC 기준 162.3~190.6 J/g으로 나타났으며, 분자량이 큰 EP-8의 g 당 발열량이 가장 적고, 분자량이 작은 EP-4의 g 당 발열량이 가장 크게 나타났다. 에폭시 수지로서의 발열량은 일반적인 범위 내에 있으며, 경화 네트워크의 형성에 충분한 정도로 파악되었다. 특히, 130℃에서의 경화 반응 시간은 대략 60분 가량에서 완료되는 것으로 파악되었고, 3종류의 수지 간에는 유의미한 차이가 없는 것이 확인되어 최적 경화 조건을 130℃, 1시간으로 설정하여 경화물 제조를 실시하였다.
경화물 시편 제작은, 10.0 g의 EP-n과 이에 해당하는 작용기 당량의 DDM을 분쇄기를 이용하여 파쇄 혼합한 후 얻어진 파우더를 스테인리스 몰드를 이용하여 가압 가열하는 방법으로 제조되었다. 시편은 원형 (지름 20 mm, 두께 5 mm), 사각 (가로 10 mm, 세로, 40 mm, 두께 3 mm)의 2가지 종류가 제작되었다 (도 4).
2. 특성 분석
경화물의 유리전이온도(Tg)는 시차주사열량계(DSC)와 동적기계분석기(DMA), 분해온도는 열중량분석기(TGA), 열전도도는 HOTDISK사의 TPS-3500S 열전도도측정기로 조사하였다.
하기 표 2는 상기 경화물의 물성 분석 결과이다.
상기 표 2 및 도 5을 참조하면, 경화물의 유리전이온도(Tg)는 90~123 ℃의 범위로, 체인 길이가 길어질수록 낮아지는 경향을 보였다. 5% 중량 감소온도(Td,5%)는 290~307 ℃의 범위에 있었으며, 10% 중량 감소온도(Td,10%)는 333~355 ℃의 범위로 큰 차이는 없었으나 체인 길이가 길수록 다소 증가하였다. 열전도도는 0.57~0.64 W/m·K의 범위에서 확인되었고, 체인 길이가 늘어날수록 열전도도가 증가하는 것을 확인하였으며, 가장 넓은 액정 범위를 가지는 C-EP-8에서 가장 높은 열전도도가 확인되었다.
동적기계분석 결과인 도 6을 참조하면, 유리전이온도 이하의 온도에서 저장 탄성률은 유리전이온도 이하의 온도 전 범위에서 3~4 GPa 수준, 손실 탄성률은 100~200 MPa의 값이 확인되어 범용 에폭시 수지 대비 기계적 특성이 다소 우위에 있었다. 일반적이지 않으나, 2개의 Tan δ(delta) 피크가 확인되었고, 저온 영역의 피크가 유리전이온도로 판단되었으며 고온 영역의 피크는 액정의 연화 및 에스터 교환 반응을 통한 비트리머화가 발생하는 등방성 전이점으로 추측되었다.
더불어, 경화 과정에서 형성되는 액정상과 자기조립 구조의 확인을 위해 편광현미경으로 관찰한 결과, 도 7에 나타난 바와 같이, 다소간의 스페이서 길이에 따른 차이는 있었으며 모두에서 액정 형태의 분자 배향을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, X선 회절분석으로부터 미세구조를 조사한 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, 일반적인 에폭시 수지는 완벽한 비정질상에서 유래되는 1개의 피크가 얻어지는 반면, C-EP-n은 부분적인 결정상의 형성이 명확하게 확인되었다. 편광현미경 및 XRD 구조 분석으로부터 정렬된 미세구조 발달이 가능했던 점이 높은 열전도도의 이유로 생각된다.
<실시예 3> 에폭시 수지 경화물 (C-EP-n)의 재가공품 (V-EP-n) 제조 및 특성 분석
1. 제조방법
상기 C-EP-n의 동적기계적 분석 결과로부터, 유리전이온도 이상의 고무상 영역에서 가교 고분자에서 관찰되는 rubbery plateau가 명확하게 확인됨과 동시에 유리전이 현상 이외의 소프트닝 현상이 확인되었고, 이들은 분자 내 에스터 교환 반응에 의한 것으로 판단하였다. 이에 에폭시 수지 경화물인 C-EP-n을 파손시킨 후 재가열을 통해 재성형이 가능한지 시험을 진행하였고, 도 9에 나타난 바와 같이, 재몰딩 공정을 통해 재가공이 가능함을 확인할 수 있었다. 이때 일어나는 화학 변화는 C-EP-n의 잔존 하이드록시 작용기가 에스터 작용기와 교환 반응을 일으키는 것으로, 일반적 열경화성 수지의 경화물은 파손 후 재가공이 불가능함에 반해 본 실시예에 따른 에폭시 수지의 경화물은 비트리머로 활용 가능함을 확인할 수 있었다 (도 1).
2. 특성 분석
FT-IR을 이용하여 파손된 C-EP-n을 재가공하여 제작된 V-EP-n의 화학 구조를 분석한 결과, C-EP-n과 거의 동일한 것으로 확인되었다. 유리전이온도와 분해온도, 열전도도 측정 결과 모두 1% 가량 특성의 미소한 변화가 발생하였으나 거의 동일함을 확인하였다. 또한, 기계적 특성의 변화를 추적하기 위하여 DMA 측정을 실시한 결과, 도 10에 나타낸 것과 같이 큰 변화 없음을 확인하여 재가공 과정이 물성의 열화를 수반하지 않으며 반복적으로 가능함을 확인할 수 있었다.
<실시예 4> 에폭시 수지 경화물 (C-EP-n)의 화학적 분해, 이의 분해물 (D-EP-n) 제조 및 특성 분석
1. 화학적 분해 및 이의 분해물 제조방법
상기 실시예 2에 따라 제조된 에폭시 수지 경화물 C-EP-n 2.0 g, 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF, 50 ml, 0.125M HCl)을 자력 교반 시스템이 장착된 원형 플라스크에 투입하고 50℃에서 가열 및 교반하여 C-EP-n이 완전히 용해될 때까지 한 시간 동안 교반하였다. 이후 감압 증류를 통해 용매를 증발시킨 뒤 고형분을 물로 세척하여 잔여물을 제거한 후 건조하여 이의 화학적 분해물인 D-EP-n을 제작하였고, 수득량은 거의 전량인 ~99%가 회수되었다 (도 1). 해당 공정은 유사한 농도의 산성 조건 및 염기성 조건 모두에서 가능하였으며, 용매에 따라 다소간의 용해성의 차이로 인한 분해 반응의 진행 속도 차이가 발생함을 확인할 수 있었다.
도 11을 참조하면, 중성 상태의 유기용매 조건 중 일부 극성 용매에서 미량 용해가 발생하는 것이 확인되었으나, 물에서는 매우 안정함을 확인할 수 있었다. 사용한 산의 해리도에 따라 강산 조건에서는 분해가 빠르게 발생하였으며, 동일 산성 조건의 극성 유기용매 조건에서는 분해가 발생하나 무극성 용매 조건에서는 분해가 발생하지 않았다. 또한, 동일 THF 용매의 HCl 농도가 상이한 조건에서는 속도의 차이가 있었으나 모두 분해가 가능함을 확인할 수 있었다.
2. 특성 분석
D-EP-n의 분해된 화학 구조는 핵자기공명분석법 (1H-NMR, AVANCE III 500, Bruker)과 적외선 분광법 (FT-IR, JASCO FT/IR-4100)을 이용하여 분석하였다.
도 12 및 도 13을 참조하면, D-EP-n의 구조는 이민의 분해로 인해 얻어지는 알데하이드와 아민으로 예상되는데, EP-n의 합성 전구체인 알데하이드 EB-10과의 1H-NMR 결과 비교를 통해 동일 구조 및 유사한 구조의 D-EP-n의 생성을 확인하였으며 FT-IR의 분석을 통해 C-EP-n의 화학적 분해를 통해 D-EP-n의 예상 구조에 대응되는 화합물이 명확하게 형성되었음을 확인하였다.
또한, 도 14 및 하기 표 3에 나타난 바와 같이, 겔 투과 크로마토그래피(GPC, AS-4050, Jasco)의 측정을 통해 C-EP-n이 분해되어 올리고머 상태의 알데하이드 및 아민의 혼합물인 D-EP-n으로 분해되었음을 확인하였다.
하기 표 3은 D-EP-n의 GPC 측정을 통한 분자량 해석 결과이다.
<실시예 5> 화학적 분해물(D-EP-n)의 축합 경화 반응을 통한 재경화물(R-EP-n)의 제조 및 특성 분석
1. 제조방법
도 15 및 하기 표 4의 시차주사열량분석(DSC, DSC4000, PerkinElmer)을 통해서 화학적 분해물 D-EP-n의 알데하이드와 아민 간의 탈수에 의한 이민 재형성 반응 및 하이드록실 기의 탈수 반응에 의한 가교 반응을 추적하였고, 약 150℃에서 발열 반응이 시작되어 250℃ 이하에서 완료되며, 190℃에서 측정한 등온 곡선으로부터 충분한 발열 반응이 30분 이내에 완료될 수 있음을 확인하였다. 상기의 재경화 조건을 바탕으로 하여, 도 1에 나타난 바와 같이, 파우더 형상의 D-EP-n를 스테인리스 몰드에 삽입한 후 히팅 프레스를 이용하여 190℃에서 1시간 동안 가열하여 R-EP-n을 제작할 수 있었다 (도 16).
하기 표 4는 시차주사열량분석을 통한 화학적 분해물 D-EP-n의 재경화 반응을 분석한 결과이다.
* a는 도 15(a)의 동적 DSC 측정 결과 기준, b는 도 15(b)의 190℃ 등온 DSC 측정 결과 기준으로 나타낸 것이다.
2. 특성 분석
D-EP-n의 재경화물인 R-EP-n의 물성은 다음과 같이 조사되었다. 유리전이온도는 시차주사열량계(DSC, DSC4000, PerkinElmer), 분해온도는 열중량분석기(TGA, Q500, TA Instruments), 동적기계적분석기(DMA, DMA850, TA Instruments), 열전도도는 열전도도측정기(TPS 3500S, Hot Disk)로 조사하였다.
하기 표 5는 상기 재경화물의 물성 분석 결과이다.
상기 표 5, 도 17 및 도 18을 참조하면, 시차주사 열량계로 측정한 R-EP-n의 유리전이온도는 155~161 ℃의 범위이며 동적기계분석으로 측정된 유리전이 온도는 약 139~170 ℃의 범위였으며 체인의 길이가 증가함에 따라 유리전이 온도가 감소하는 경향을 나타냈다. 특히, 재경화 과정에서 탈수에 의한 이민의 형성과 동시에 하이드록실 기의 가교 반응이 발생하여 얻어진 경화물의 가교 밀도가 크게 증가하였으며 이에 따라 C-EP-n에 비해 유리전이온도가 상승하였고, 탄성률이 크게 증가하였음을 확인하였다.
열중량 분석결과, 5% 중량 감소온도는 247~294 ℃의 범위에 있었으며, 10% 중량 감소온도는 295~336 ℃의 범위였으며 체인의 길이가 증가함에 따라서 감소하는 경향을 나타냈다. 열전도도는 0.58~0.62 W/m·K의 범위에서 확인되었고, 체인 길이가 늘어날수록 열전도도가 증가하는 것을 확인하였으며, 가장 긴 체인을 가지는 R-EP-8의 열전도도가 가장 높은 것으로 확인되었다.
다만, C-EP-n에 비하여 다소 열전도도가 감소하였으며, 이는 XRD 분석(XRD, EMPYREAN, Malvern Panalytical)을 통해 미세구조를 확인한 결과, 도 19에 나타난 바와 같이, 추가적인 가교 반응에 의해 비정질의 구조가 발달하게 된 점에 기인하는 것으로 판단된다.
<실시예 6> 재경화물(R-EP-n)의 재가공을 통한 재가공물(RV-EP-n)의 제조 및 특성 분석
1. 제조방법
상기 R-EP-n의 동적기계적 분석 결과로부터, C-EP-n에 비해 유리전이온도 이상의 고무상 영역에서 하이드록실기의 탈수에 의해 증가된 가교 밀도에 기반하는 고탄성률의 rubbery plateau가 명확하게 확인되었다. C-EP-n에 비해 가교 밀도가 크게 증가되어 유리전이 온도 이상의 온도에서 연화점은 관찰되지 않았으나, 화학 구조상 잔존 하이드록실기 간, 에스터 간의 분자 내 에스터 교환 반응이 여전히 가능할 것으로 판단하였고, 이에 에폭시 수지 경화물인 R-EP-n을 파손시킨 후 재가열을 통해 재성형이 가능한지 시험을 진행하였고, 도 20에 나타난 바와 같이, 유리전이온도 이상의 온도에서의 재몰딩 공정을 통해 열가소성 수지와 같이 재가공이 가능함을 확인할 수 있었다 (도 1). 재경화물인 R-EP-n의 재가공품인 RV-EP-n은 R-EP-n과 물성의 차이를 확인할 수 없었으며 가교 밀도가 매우 높은 물질임에도 비트리머로 활용 가능함을 확인하였다.
2. 특성 분석 - 반복적 재활용성
D-EP-n 제조와 동일한 방법으로, R-EP-n 역시 산성 또는 염기성 조건의 유기 용제에 완전히 용해시킨 후 감압 증류를 통해 다시 용매 제거하여 얻은 고형분을 물로 세척하고 잔여물을 제거하여 R-EP-n을 제조하였다.
증가된 가교 밀도로 인하여 반복적 재활용은 동일 조건이라면 시간이 더 소요되는 경향이 있었으나, 도 21에 나타낸 것처럼 재활용품의 재경화된 물질 역시 반복적 재활용이 가능함을 확인할 수 있었다.
도 22를 참조하면, R-EP-8에서 제조한 분해물인 D-EP-8의 NMR 스펙트럼으로, 9~10 ppm에서 명확한 알데하이드의 피크가 확인됨과 동시에 C-EP-n에서 제조한 D-EP-n과 유사한 화학 구조가 확인되어, 분해 반응이 의도한 것처럼 발생하였음을 확인하였다.
도 23을 참조하면, 상기와 같이 반복적 재활용을 통해 제조된 D-EP-n 역시 150℃ 이상의 온도에서 첫번째 재활용과 유사한 값인 약 70 J/g 수준의 발열 반응이 발생함을 확인하였고, 이와 같은 알데하이드 아민 간의 탈수, 하이드록실 간의 탈수로 재경화 반응이 반복적으로 가능하여 재활용이 가능함을 확인할 수 있었다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (20)
- 하기 화학식 1로 표시되는 액정성 에폭시 화합물을 경화제와 반응시켜 수득한, 액정성 에폭시 수지 경화물:
[화학식 1]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수임.
- 제 1 항에 있어서,
상기 경화물은,
하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물:
[화학식 2]
상기 식에서,
n은 1 내지 30 범위의 정수이고, m은 1 내지 100,000 범위의 정수이다.
- 제 1 항에 있어서,
상기 경화제는,
4,4'-디아미노디페닐메탄(4,4'-diaminodiphenylmethane, DDM), 디아미노디페닐술폰(diaminodiphenylsulfone, DDS), m-페닐렌디아민(m-phenylendiamine, mPDA), p-페닐렌디아민(p-phenylendiamine, pPDA), 헥사메틸렌디아민(hexamethylene diamine), 옥시디아닐린(oxydianiline), 및 디시안디아미드(dicyandiamide, DICY)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 화합물 및 상기 경화제는,
1 : (0.1 내지 1)의 몰 비로 반응하는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 경화물은,
0.5 W/m·K 이상의 열전도도를 가지는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 경화물은,
재활용 또는 재가공이 가능한 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 경화물은,
산성 또는 염기성 조건; 및 극성 유기용매;에서 화학적으로 분해되는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물.
- 제 7 항에 있어서,
상기 경화물은,
하기 화학식 3-1 및 3-2 로 표시되는 화합물로 분해되는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물:
[화학식 3-1]
[화학식 3-2]
상기 식에서, n은 1 내지 30 범위의 정수임.
- 제 8 항에 따른 액정성 에폭시 수지 경화물의 화학적 분해 화합물을 재경화시켜 수득한, 액정성 에폭시 수지 재경화물.
- 제 9 항에 있어서,
상기 재경화물은,
하기 화학식 4로 표시되는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 재경화물:
[화학식 4]
상기 식에서,
n은 1 내지 30 범위의 정수이고, m은 1 내지 100,000 범위의 정수이다.
- 제 9 항에 있어서,
상기 재경화물은,
상기 액정성 에폭시 수지 경화물에 비해 기계적 물성이 향상된 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 재경화물.
- 제 9 항에 있어서,
상기 재경화물은,
재활용 또는 재가공이 가능한 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 재경화물.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 액정성 에폭시 수지 경화물 또는 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 액정성 에폭시 수지 재경화물을 포함하는, 비트리머 조성물.
- 제 1 항에 따른 액정성 에폭시 화합물 및 경화제를 혼합시킨 후, 가압 가열시키는 단계;를 포함하는, 액정성 에폭시 수지 경화물의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 경화제는,
4,4'-디아미노디페닐메탄(4,4'-diaminodiphenylmethane, DDM), 디아미노디페닐술폰(diaminodiphenylsulfone, DDS), m-페닐렌디아민(m-phenylendiamine, mPDA), p-페닐렌디아민(p-phenylendiamine, pPDA), 헥사메틸렌디아민(hexamethylene diamine), 옥시디아닐린(oxydianiline), 및 디시안디아미드(dicyandiamide, DICY)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 화합물 및 상기 경화제는,
1 : (0.1 내지 1)의 몰 비로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 가열은,
120 내지 140℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 경화물의 제조방법.
- 제 8 항에 따른 액정성 에폭시 수지 경화물의 화학적 분해 화합물을 가압 가열시키는 단계;를 포함하는, 액정성 에폭시 수지 재경화물의 제조방법.
- 제 18 항에 있어서,
상기 화학적 분해 화합물은,
가압 가열 전에 분쇄하여 준비되는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 재경화물의 제조방법.
- 제 18 항에 있어서,
상기 가열은,
180 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 액정성 에폭시 수지 재경화물의 제조방법.
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