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가교 폴리우레탄 복합재의 제조와 물성에 관한 연구 = Preparation and Properties of Crosslinked Polyurethane Composites
서명 / 저자 가교 폴리우레탄 복합재의 제조와 물성에 관한 연구 = Preparation and Properties of Crosslinked Polyurethane Composites / 김창기.
저자명 김창기 ; Kim, Chang-Kee
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2008].
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초록정보

As analyzing the properties of HTPE PU network polymer by the crosslinkdensity, the following results could be derived. Through examining swelling behavior, the solubility parameters of samples were obtained. Moreover, solubility parameter of HTPE polymer was also obtained by extrapolation. HTPE PU network polymer’s solubility parameters depended on N-100 and IPDI’s molar ratio and equivalent ratio. It was decreased as the content of N-100 was lowered. The thermal characteristics of the network polymer were examined by DSC results. Thermal behavior of HTPE PU network depended on by dangling chain and chain folding in the series using N-100, with NCO/OH ratio as 1.0, 0.8, 0.6. However, when we performed experiment with IPDI and N-100, with NCO/OH ratio as 1.0, the thermal properties depended on $M_c$. Moreover, using IPDI with N-100 showed enhanced volume specific energy than using only N-100 in tensile test due to strain induced crystallization. Organoclay was prepared to make polyurethane/clay nanocomposite. The organifier was synthesized to treat clay and characterized by NMR, IR and Mass spectrum. The characteristic of organoclay with different polyol-ends were investigated. PEGs were intercalated between clay layers before proper ion exchange reaction due to their hydrophilicity. Organoclays with PTMG were made and used for polyurethane/clay nanocomposites. The properties of polyurethane/clay nanocomposite prepared with HTPE, N-100, IPDI, and organoclay were investigated. The exfoliated morphology was observed by XRD and TEM. The thermal stability was increased with organoclay content. In the tensile test, modulus didn’t improve with clay content, because the organifier had many dangling chain ends. The series of HTPB (hydroxyl terminated polybutadiene)/ organoclay nanocomposite was formed by melt blending with Rotationary & Revolutionary mixer which generated high shear stress. Organoclays were formed by modifying the pristine clays with organifiers which had the nonreactive organifiers, alkylammoniums with different hydrophobic chain lengths, and the reactive organifiers, diethanolamine with a butyl or a tolyl side group. In the nonreactive organoclay, as the length of organifier increased, the gap size between layers of organoclay became broader. The clays modified with octadecylamine(C18) and dodecyl amine(C12) showed wider gap sizes than that modified with octyl amine(C8). This gap size affected the dispersion state of clays, exfoliation/intercalation in HTPB polymer medium. The mixtures of HTPB with C18 and C12 were transparent without sedimentation and showed almost exfoliated structure. HTPB/C18 mixture showed the higher viscosity and yield strength than HTPB/C12 due to exfoliation. HTPB/C12 showed more elastic behavior than HTPB/C18 mixture because the organoclay C12 had less content of organifier. In the reactive organoclay, The clays modified with N-Butyldiethanolamine (CB) and 2,2'-(p-Tolylimino)diethanol(CT) showed wider gap sizes than that modified with octyl amine(C8). The mixtures of HTPB with CB and CT were cloudy with slight sedimentation and showed almost intercalated structure. The hydroxyl group and tolyl group of organifier interact with the hydroxyl group and double bond of HTPB and it affected the dispersion state. The HTPB/organoclay nanocomposites were crosslinked with IPDI then, intercalated PU nanocomposites were formed. Moreover, this morphology also affected the mechanical properties of PU(HTPB)/organoclay nanocomposites.

폴리우레탄 가교 고분자를 두 가지 경화 시스템을 이용하여 제조하였으며, 각 가교 고분자에 대한 열적, 기계적 물성 및 19가지 용매 내에서의 팽윤 거동에 대한 연구를 수행하였다. 또한 유기화제를 합성하여 점토를 처리한 후, 이를 이용하여 폴리우레탄/점토 나노 복합재를 제조하였고, 몰폴로지, 열적안정성, 인장물성에 관한 연구를 수행하였다. 폴리우레탄 가교 고분자 제조를 위한 첫 번째 시스템은 작용기가 2개인 HTPE(poly ethyleneglycol-co-polytetrahydrofuran diol)와 작용기가 3개로 가교제 역할을 하는 N-100 (polyfunctional aliphatic isocyanate)만을 이용한 것이었다. 이때 하이드록실 그룹과 이소시아네이트 그룹의 당량비율(equivalent ratio, NCO/OH ratio)이 1.0, 0.8, 0.6 인 가교 고분자가 제조되었다. 당량비율이 1.0 이하로 낮아질수록 반응에 참여하지 못하고 남은 하이드록실 사슬 말단이 많아지고, 이에 따른 사슬의 운동성 또한 높아지며, 사슬의 접힘으로 인해 생기는 결정의 양 또한 많아지게 된다. 따라서 당량비율이 1.0으로 증가할수록 유리전이온도(Tg)는 높아지고, 용융온도(Tm) 와 결정용융열량 (ΔHf) 는 낮아지는 거동을 보였다. 두 번째 시스템은 TPEG, N-100에 IPDI(isophoron diisocyanate)를 첨가한 시스템이다. 여기서는 하이드록실 그룹과 이소시아네이트 그룹의 당량비율은 1.0으로 고정하였고, N-100/IPDI의 비율을 1/9에서 10/0까지 조절한 가교 고분자를 제조하였다. N-100/IPDI 비율이 높아질수록 가교점의 수가 많아지고, Mc(가교점 사이의 평균분자량)값은 작아진다. 따라서 사슬의 운동성이 적어지고 결정의 양도 적어지게 된다. 따라서 Tm, ΔHf 는 낮아지는 거동을 보였다. 합성한 가교 고분자를 19가지의 용매에 평형상태까지 팽윤시킴으로서 얻어지는 팽윤비율과 Gee의 이론, Flory-Rehner 모델을 이용해 가교고분자의 용해도상수와 Mc 값을 계산하였다. 이소시아네이트의 양이 많아질수록 수소결합 등 특별한 상호작용을 유도하는 우레탄 결합이 많아지므로 용해도상수 값은 증가하였다. 가교제 역할을 하는 N-100 양이 증가할수록 Mc값은 작아졌다. 폴리우레탄/점토 나노복합재를 제조하기 위하여 2단계의 합성단계를 통해 유기화제를 합성하였다. 먼저, 이소시아네이트와 반응할 수 있는 작용기를 가지고 있고, 산 처리를 통해 양이온으로 변환이 가능한 3 관능기 아민(tertiary amine)을 가진 구조의 물질(N,N-dimethylenthyleneamine)에 작용기가 2개인 이소시아네이트(IPDI)를 반응시켜, 이소시아네이트 말단의 아민을 합성하였다. 여기에 매트릭스 고분자와 상용성이 있는 PEG(polyethylene glycol)와, PTMG(polytetra methylene ether glycol)을 반응시켜 최종 유기화제를 합성하였다. PEG 말단의 유기화제로 처리한 유기화점토는, PEG 분자량이 200, 400, 1000으로 변함에도 불구하고, 같은 층간거리를 보였고(XRD), 열분석(TGA) 결과 점토 층간에 내재해있는 고분자량 또한 분자량에 관계없이 동일해, 적절한 이온교환 반응이 이루어진 것이 아니라 PEG가 점토 층간에 채워져 있으리라는 생각을 하게 되었다. 결국 PEG와 점토만을 혼합한 실험과 문헌내용을 통해, 친수성(hydrophilicity)을 가지는 PEG가 점토 층 내에 삽입되었다는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해 PTMG말단의 유기화제는 열분석(TGA) 결과 일정한 이온교환 비율로 이온교환 반응이 이루어졌다는 것을 알 수 있었다. 분자량 650인 PTMG를 말단 유기화제로 처리한 유기화점토를 이용하여 폴리우레탄 나노복합재를 제조하였다. XRD, TEM 등의 결과를 통해 박리된 HTPE 폴리우레탄/점토 나노복합재가 합성된 것을 확인할 수 있었고, TGA 결과를 통해 열적 안정성이 유기화점토 첨가량이 증가함에 따라 커지는 것을 관찰하였다. 인장실험에서 모듈러스는, 유기화제와 매트릭스 폴리머와의 반응을 통해 생성되는 자유사슬말단의 효과로, 점토첨가량에 따른 변화가 없었다. 비반응형 유기화제로서 사슬 길이가 다른 소수성 알킬암모늄과, 반응형 유기화제인 부틸 또는 토릴 측쇄기를 가지는 diethanol amine을 사용하여 점토를 개질함으로서 유기화 점토를 합성하였다. 그리고 R&R 혼합기를 이용하여 용융 혼합법으로 HTPB/유기화 점토 나노 복합재를 제조하였다. 비반응형 유기화 점토의 경우, 유기화제의 소수성 사슬이 길어질수록 실리케이트의 층간 간격이 넓어졌다. 이 층간 간격은 HTPB에서 점토의 분산 상태에 영향을 미쳤으며 C18/HTPB와 C12/HTPB 분산액은 침전물 없이 거의 박리된 구조를 나타내었다. 반응형 유기화 점토의 경우, 분자량이 비슷한 C8 아민으로 개질한 유기화 점토의 층간 간격보다 더 넓은 간격을 나타내었으며 CB/HTPB와 CT/HTPB 혼합물은 삽입형 구조를 나타내었다. HTPB/유기화 점토 분산액과 IPDI를 혼합하여 HTPB PU/점토 나노복합재를 합성하였으며 HTPB PU/C12 또는 C18은 박리형 구조를, CB 또는 CT는 삽입형 구조를 나타내는 점토 나노복합재를 합성할 수 있었다."

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 08012
형태사항 xi, 116 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Chang-Kee Kim
지도교수의 영문표기 : In-Jae Chung
지도교수의 한글표기 : 정인재
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 114-116
주제 HTPB;HTPE;Silicate;ammonium perchlorate;Organifier
HTPB;HTPE;점토;암모늄퍼크로레이트;유기화제
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