This dissertation deals with synthesis and properties of poly(pentamethylene sebacamide) (PA510) prepared by condensation polymerization of bio-based monomers, cadaverine and sebacic acid. PA510 produced from bio-based monomers (bio-PA510) is an alternative polymeric material for plastic industry to deal with oil depletion crisis. Furthermore, the production of polyamides having odd-numbered carbon repeating units economically extends the use of polyamide materials in various applications.
Firstly, we optimized the reaction condition for melt polymerization of PA510 by using commercially available reagent grade monomers produced from petrochemical feedstock, and then by using the same reaction condition, we polymerized the bio-based monomers, cadaverine and sebacic acid that were prepared by biological way, fermentation and whole cell bioconversion from lysine. Polymerization results suggest that the cadaverine obtained by biological process can be used as a monomer for the production of PA510 when it is purified properly (~99%). The synthesized bio-PA510 has excellent thermal properties equivalent to the commercialized nylons. However, the PA510 produced by melt polymerization in large scale showed a yellow color.
Secondly, to solve the problems of the melt polymerization for bio-PA510 in large scale, we carried out the solid-state polymerization (SSP) to prepare bio-PA510. For easy handling, the prepolymer of bio-PA510 was prepared as particles without flash process. So it is easier to treat than a powder form produced by flash process. By controlling the reaction time, temperature, particle size and type of by-product removal, we successfully produced bio-PA510 by SSP under 200℃ without a color problem and the physical properties of polymers are equivalent to those obtained by melt polymerization.
Lastly, we investigated the material properties and processability of bio-PA510 to find out the effect of odd number carbon repeating units in the main chain. Fabrication of molded parts and analysis of mechanical properties suggest that bio-PA510 has a suitable processability and mechanical properties in automotive, electric and electronics parts applications regardless of its thickness. Interestingly, bio-PA510 shows not only lower water absorption property but also higher oxygen barrier property than other even numbered polyamides such as PA66, PA610 and PA612, that are very important properties for food packaging film application. This interesting characteristics of PA510 is attributed to its chemical structure consisting of the amide group and the odd numbered 5 methylene repeating unit together with the even numbered 10 methylene repeating unit which is exactly double of 5 methylene repeating unit. PA510 has different crystal structure and smaller diffraction spacing from its corresponding even number nylons due to its molecular orientation and hydrogen bonding pattern.
이 논문은 바이오 유래 단량체인 바이오 카다베린과 바이오 세바식산의 축합중합으로 제조한 바이오 폴리아미드 510의 합성과 물성에 관한 연구를 기술한다. 합성된 바이오 폴리아미드 510은 석유고갈에 대비하여 석유화학 유래 폴리아미드를 대체할 수 있으며, 더 나아가 홀수 폴리아미드 (홀수나일론)으로서 기존 상업화되어 있는 짝수나일론과 다른 특징을 보유하고 있다.
먼저 생물학적인 방법으로 제조된 바이오 카다베린을 적용하여 용융 중합으로 바이오 폴리아미드 510의 중합 조건을 랩스케일로 최적화 한 후 물질의 특성을 확인하였다. 그 후 벤치 스케일로 스케일업 하는 과정에서 발생하는 칼라 변색 문제를 해결하기 위해, 고상 중합을 도입하여 바이오 폴리아미드 510을 합성하였다. 이를 위해, 고상중합 최적 조건을 연구하였으며, 이를 통해 200°C 이하의 온도에서 고상 중합을 통해, 용융 중합으로 제조한 바이오 폴리아미드 510과 동등한 물성을 보유한 변색이 저감 된 바이오 폴리아미드 510을 제조하였다. 다음으로, 중합 된 바이오 폴리아미드 510의 가공 물성 및 용도를 확인하기 위해, 압출과 사출을 통해 시편을 제조한 후 기계적 물성을 확인한 결과, 자동차 및 전기전자 부품 용도로 주로 적용되고 있는 기존 상업화 장쇄나일론을 대체 할 수 있는 우수한 물성을 보유하고 있었다. 추가로, 얇은 두께의 전기전자 부품을 시제품으로 제작하여, 박막 제품으로도 적용 가능함을 확인하였다. 마지막으로, 식품포장재로의 적용 가능성을 확인하기 위해, 수분차단성과 산소 차단성을 분석한 결과 다른 장쇄나일론과 다르게 수분차단성과 산소차단성이 동시에 우수한 것을 확인하였으며, 이를 홀수나일론의 3차원 결정구조에 따른 수소결합 패턴과 고분자 체인 간 거리로 설명하였다.
