폴리아스파르틱 개질에 관한 연구

특수한 요구가 있는 응용 분야나 환경에서는 고온에서의 내열성이나 저온에서의 유연성과 같은 재료의 고유 특성만으로는 충분하지 않은 경우가 많아 재료 개질이 필요합니다. 현재 폴리아스파르틱의 개질 방법으로는 수지 개질, 나노 개질 및 기타 기술이 사용됩니다.

수지 개질

수지 개질은 블록 공중합 또는 그라프트 공중합과 같은 화학적 방법을 통해 수지 분자를 폴리아스파르틱의 분자 구조에 도입하는 것입니다. 이 접근법은 비교적 단순하고 수율이 높습니다. 폴리아스파르틱의 내열성 향상, 반응 속도 조절, 물리적·기계적 특성 개선을 위해 널리 사용됩니다.

개질에 흔히 사용되는 수지는 실리콘 수지입니다. 폴리실록산은 낮은 표면 에너지, 낮은 탄성률, 우수한 열적 안정성 및 내산화성을 갖습니다. 주쇄는 Si—O—Si 결합이 교대로 이루어져 있어 높은 유연성을 보입니다. 실리콘으로 개질하면 재료 내부의 입체 장애가 증가하여 개질된 재료와 –NCO 기의 반응이 제한됩니다. 그 결과 도료의 작업 가능 시간이 길어지고, 도막과 기재 사이의 접착력이 크게 향상됩니다.

실리콘 개질 방법은 블록 개질과 그라프트 개질의 두 가지가 대표적입니다. 연구에 따르면 블록 개질로 폴리아스파르틱과 폴리실록산을 결합하면 도막의 기계적 강도, 내충격성, 접착력이 향상됩니다. 4,4'-디아미노디시클로헥실메탄(H12MDA)과 아민 말단 메톡시실란(KH-540)으로 합성한 개질 수지는 경도, 유연성, 인장 강도, 내노화성이 개선되며, 특히 5 °C 이하에서 유연성이 크게 향상됩니다. 또 다른 방법으로는 에폭시 말단 실리콘 화합물을 사용하여 개환 반응을 통해 폴리우레아 사슬에 실리콘을 도입하는 방식이 있습니다. 이렇게 얻은 실리콘 개질 폴리아스파르틱은 이소시아네이트 경화제로 경화할 때 상온과 저온 모두에서 우수한 경도와 내충격성을 나타냅니다.

에폭시 수지도 우수한 기계적 강도와 전기 절연성 때문에 개질에 사용됩니다. 에폭시 분자 사슬은 폴리우레아 사슬과 분산·상호침투하여 가교 네트워크를 형성할 수 있습니다. 폴리아스파르틱 에스터(PAE)와 이소포론 디이소시아네이트(IPDI)로 합성한 아민 말단 폴리아스파르틱 폴리우레아(PUA)는 에폭시 수지로 인성 향상이 가능합니다. 유연한 PUA 사슬이 경화된 에폭시 네트워크와 서로 얽혀 응력 하에서 연성 변형을 가능하게 하며 전단 강도를 개선합니다. PUA와 에폭시 수지의 비율을 최적화하면 파단 신율과 내충격성이 크게 증가합니다.

나노 개질

나노 개질은 폴리우레아의 작용기와 나노입자 표면의 활성점 사이 상호작용을 통해 나노입자를 폴리아스파르틱 시스템에 도입하는 효과적인 방법입니다. 나노 소재는 고유한 표면 효과와 양자 크기 효과를 가지므로, 이를 첨가하면 폴리아스파르틱 소재의 강도를 향상시킬 수 있습니다.

두 단계 용액 중합 공정으로 합성한 일련의 지방족 폴리우레아에 나노 TiO₂와 아민 기능화 탄소나노튜브를 적용해 개질한 사례가 있습니다. 아민 기능화 탄소나노튜브는 폴리우레아 사슬과 공유 결합을 형성하여 가교 밀도와 열적 안정성을 높이고, 나노튜브와 폴리우레아 엘라스토머 사이의 계면 접착력을 증대시켰습니다. 또한 초음파 분산과 고속 기계 교반을 실란 커플링 화학과 결합하면 폴리아스파르틱 나노복합체를 제조할 수 있습니다. 이렇게 개질된 소재는 내한성, 내탄산화성, 내마모성이 향상됩니다.

기타 개질 방법

수지 개질과 나노 개질 외에도 소수성과 내열성을 한층 강화하기 위해 불소화, 에폭시화 대두유(ESO) 개질 등 다른 접근법들이 연구되어 왔습니다.

불소 함유 재료는 강한 C–F 결합과 높은 음전기성을 지녀 주사슬을 보호하고, 우수한 표면 및 전기적 특성, 강한 소수성을 부여합니다. 불소화 폴리아스파르틱은 촉매 존재하에서 무수말레산과 불소화 알코올을 HDI 트라이머와 반응시키고, 톨루엔을 탈수제로 사용하여 합성할 수 있습니다. 1차 아민이 2차 아민으로 전환되는 과정에서 –NH 밀도는 감소하고, 폴리에테르 사슬에 분포한 다수의 불소화 기가 –NH와 –NCO 기의 접촉을 줄여 반응 시간이 연장됩니다. 그 결과 얻어진 불소화 폴리아스파르틱은 비개질품에 비해 소수성, 내마모성, 화학적 안정성이 우수합니다.

에폭시화 대두유(ESO)는 분자당 3–4개의 에폭시기를 가지며, 적절한 조건에서 아민과 개환 반응을 일으킬 수 있습니다. ESO는 저렴하고 공급이 풍부하며, 열적으로 안정하고 재생 가능 자원입니다. ESO는 1차 아민과 반응하여 경미한 가교 네트워크를 형성함으로써 폴리아스파르틱의 열적 안정성을 향상시킵니다. 또한 반응 온도는 1차 아민의 전환에 영향을 미치는데, ESO 사슬의 인접한 에폭시기가 입체 장애를 유발하므로 온도가 높을수록 개환 반응이 가속되어 전환이 증가합니다. 이 결과는 ESO 개질 폴리아스파르틱 개발을 위한 이론적 근거를 제공합니다.

Feiyang Protech는 30년간 폴리아스파틱 코팅용 원료 생산에 특화해 왔으며, 폴리아스파틱 수지·경화제·코팅 배합을 제공합니다. 문의: marketing@feiyang.com.cn

제품 목록:

• 폴리아스파틱 수지
• 이소시아네이트 경화제
• 에폭시 경화제

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