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KR20240071292A - Isosorbide-based dynamic covalent polymer network and preparation method thereof, and recyclable composites prepared therefrom - Google Patents

Isosorbide-based dynamic covalent polymer network and preparation method thereof, and recyclable composites prepared therefrom Download PDF

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KR20240071292A
KR20240071292A KR1020230073865A KR20230073865A KR20240071292A KR 20240071292 A KR20240071292 A KR 20240071292A KR 1020230073865 A KR1020230073865 A KR 1020230073865A KR 20230073865 A KR20230073865 A KR 20230073865A KR 20240071292 A KR20240071292 A KR 20240071292A
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KR
South Korea
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urethane polymer
fiber
isosorbide
recyclable
polymer
Prior art date
Application number
KR1020230073865A
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Korean (ko)
Inventor
김동균
김용석
박성민
채창근
김현
이우화
황재혁
김성건
변원무
한지석
이주현
Original Assignee
한국화학연구원
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Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 복합재료 재활용을 위한 이소소비드 기반 재가공 고분자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 이소소비드 (ISB) 기반 폴리우레탄 및 폴리싸이오우레탄 및 ZnDTC 촉매를 포함하는 고분자 조성물 및 이에 대한 재가공, 재활용 현상을 구현하는 것이다.The present invention relates to an isosorbide-based reprocessed polymer for recycling composite materials and a method for manufacturing the same. Specifically, isosorbide (ISB)-based polyurethane and polythiourethane and a polymer composition containing a ZnDTC catalyst and the same. This is to implement the phenomenon of reprocessing and recycling.

Description

이소소비드 기반 동적 결합 가교 고분자 조성물 및 제조방법, 이를 포함하는 재활용 가능한 복합재료 {Isosorbide-based dynamic covalent polymer network and preparation method thereof, and recyclable composites prepared therefrom}Isosorbide-based dynamic covalent polymer network and preparation method thereof, and recyclable composites prepared therefrom}

본 발명은 복합재료 활용을 위한 이소소비드 기반 재가공 고분자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to isosorbide-based reprocessed polymers for use as composite materials and methods for manufacturing the same.

복합재료에 사용되는 고분자 수지 중 열가소성 고분자 수지는 성형성 및 재활용성에 대한 이점이 있지만 열적 및 기계적 물성이 낮고, 수지 점도가 높음으로 인해 복합재료의 내부 함침 공정이 어렵다는 단점이 있다. 반면, 열경화성 고분자 수지는 고분자 사슬이 네트워크 형태로 가교 되어있기 때문에 열적, 화학적 및 기계적 물성이 높고 용액상 공정을 통한 제조가 용이하여 낮은 원료 비용의 우수한 특성을 가진다. 하지만 교차 결합된 분자간 강한 결합으로 인해 재가공 및 재활용이 어렵다는 단점이 있다.Among the polymer resins used in composite materials, thermoplastic polymer resins have advantages in formability and recyclability, but have the disadvantage of low thermal and mechanical properties and high resin viscosity, making the internal impregnation process of composite materials difficult. On the other hand, thermosetting polymer resins have high thermal, chemical and mechanical properties because the polymer chains are cross-linked in a network form, and are easy to manufacture through a solution phase process, so they have excellent characteristics with low raw material costs. However, it has the disadvantage of being difficult to reprocess and recycle due to the strong bonds between cross-linked molecules.

경화된 수지는 분자 구조적 이유로 강화 섬유를 분리해내기 매우 어렵고, 사용한 복합소재는 수명이 다하여 산업폐기물로 매립되어 비용적 및 환경적 문제에 많은 영향을 끼친다. 또한 소재의 재활용을 위한 열분해 및 화학적분해 방법은 복합소재의 물성을 떨어뜨린다. It is very difficult to separate the reinforcing fibers from the cured resin due to its molecular structure, and the used composite material is landfilled as industrial waste at the end of its lifespan, greatly affecting cost and environmental issues. Additionally, thermal decomposition and chemical decomposition methods for material recycling deteriorate the physical properties of composite materials.

동적 결합 가교 고분자 (Covalent adaptable network, CAN)는 고분자 사슬이 가역적 교환 반응인 동적 가교 결합으로 연결되어 있어 열경화성 성질과 열가소성 성질을 동시에 가지는 가교 고분자로 정의된다. 화학적 교환 반응이 공유 결합 내에서 일어나기 때문에 높은 열적 및 화학적 안정성을 유지하며 쉬운 가공성 및 성형성을 부여할 수 있다. 단순한 열적 압착 과정을 통해 재가공 및 재활용 기능을 부여할 수 있고 이를 이용한 복합소재의 재활용 연구가 활발히 진행되고 있다.Dynamically bonded crosslinked polymer (Covalent adaptable network, CAN) is defined as a crosslinked polymer that has both thermosetting and thermoplastic properties because the polymer chains are connected by dynamic crosslinking, which is a reversible exchange reaction. Because the chemical exchange reaction occurs within a covalent bond, it maintains high thermal and chemical stability and can provide easy processability and moldability. Reprocessing and recycling functions can be given through a simple thermal compression process, and research on recycling composite materials using this is actively underway.

특히, 고분자 중 폴리우레탄 (polyurethane)은 열적으로 안정하고, 부식 및 화학적 내성이 뛰어나 탄성 섬유, 도료, 접착제 등 다양한 분야에 사용된다. 또한, 폴리싸이오우레탄 (polythiourethane) 은 우레탄과 비슷한 화학반응으로 생성될 수 있는 결합상태로 우레탄만큼 강하고 안정적인 화학적 상태를 유지할 수 있으며 보다 mild한 조건에서 동적공유결합이 일어나기 좋다. 뿐만 아니라, 싸이오우레탄 (thiourethane)의 결합 에너지는 상대적으로 우레탄 (urethane)보다 낮은 값을 가지기 때문에 해리반응이 일어나기 쉬워 탄소섬유강화플라스틱의 재활용 측면에서 용이하다.In particular, among polymers, polyurethane is thermally stable and has excellent corrosion and chemical resistance, so it is used in various fields such as elastic fibers, paints, and adhesives. In addition, polythiourethane is a bonding state that can be created through a chemical reaction similar to urethane, and can maintain a chemical state as strong and stable as urethane, and dynamic covalent bonding is likely to occur under milder conditions. In addition, since the binding energy of thiourethane is relatively lower than that of urethane, a dissociation reaction is easy to occur, making it easy to recycle carbon fiber reinforced plastic.

본 출원인은 상기 싸이오우레탄 교환 반응이 가능한 동적 결합 가교 고분자 소재에 대한 연구를 수행하며 높은 열적 및 기계적 물성을 만족하는 신규 고분자 소재를 개발하고, 이를 복합소재에 적용한다. Harsh한 조건 없이 열경화성 성능의 고분자를 용액상으로 녹이고 이를 재가교 함으로써 강화 섬유와 가교 고분자를 동시에 재활용이 가능하다는 점을 발견하였고, 이를 활용하여 동적 결합 가교 고분자를 이용한 고기능 복합소재를 개발함으로써, 본 발명을 완성하였다. 기존의 chain extender를 사용하여 높은 분자량의 폴리우레탄 올리고머의 형성 과정은 2~3단계를 거쳐야 하는 복잡한 합성 과정이라는 한계가 있으며 본 연구의 합성 방법으로는 1 step으로 Mn 1000 이하의 우레탄 프리폴리머를 형성하고 별다른 분리과정 없이 가교제를 첨가하여 가교시킨다는 장점을 가지고 있다. The present applicant conducts research on dynamically bonded cross-linked polymer materials capable of the thiourethane exchange reaction, develops new polymer materials that satisfy high thermal and mechanical properties, and applies them to composite materials. We discovered that it is possible to recycle reinforcing fibers and cross-linked polymers at the same time by dissolving thermosetting polymers into a solution without harsh conditions and re-cross-linking them. By utilizing this, we developed a high-performance composite material using dynamically bonded cross-linked polymers. The invention was completed. The process of forming high molecular weight polyurethane oligomers using existing chain extenders has the limitation of being a complex synthesis process that requires 2 to 3 steps, and the synthesis method of this study forms a urethane prepolymer with Mn of 1000 or less in 1 step. It has the advantage of being crosslinked by adding a crosslinking agent without any separate separation process.

기존에 알려져있는 복합소재의 재활용 방법으로는 열분해, 화학적 분해 등 harsh 한 조건에서 수행되는 고분자 분해법을 적용하기 때문에 탄소섬유와의 완벽한 분리과정이 어렵고 탄소섬유를 성공적으로 분리한다 하더라도 탄소섬유의 성능과 강도가 감소된다는 단점을 가지고 있다. 동적결합가교 고분자의 도입으로 인해 보다 mild한 조건에서 복합소재의 고분자수지를 효과적으로 분해하고 탄소섬유의 성능을 유지하는 재활용 과정을 제시함으로써 경제성을 확보할 수 있을 것으로 보인다. The existing known recycling method for composite materials uses polymer decomposition methods performed under harsh conditions such as thermal decomposition and chemical decomposition, so it is difficult to completely separate the carbon fibers, and even if the carbon fibers are successfully separated, the performance of the carbon fibers is reduced. It has the disadvantage of reduced strength. The introduction of dynamically bonded cross-linked polymers is expected to secure economic feasibility by effectively decomposing the polymer resin of composite materials under milder conditions and suggesting a recycling process that maintains the performance of carbon fiber.

본 출원인은 상기 싸이오우레탄 교환 반응이 가능한 재가공 고분자 소재에 대한 연구를 수행하던 중, 이소소비드 물질에 우레탄과 싸이오우레탄 결합을 동시에 함유한 고분자 구조를 만족한다면 싸이오우레탄의 동적공유결합이 가능한 재가공 소재를 개발할 수 있을 것이라 제시하였다. 이소소비드 및 우레탄은 높은 열적 안정성을 가지므로 복합소재의 열경화성 matrix를 대체할 수 있을 것이며 싸이오우레탄의 동적공유결합으로 인한 재가공 및 재활용 현상까지 부여함으로써 본 발명을 완성하였다.While conducting research on reprocessed polymer materials capable of the above-mentioned thiourethane exchange reaction, the present applicant found that if the isosorbide material satisfies the polymer structure containing both urethane and thiourethane bonds, the dynamic covalent bond of thiourethane can be formed. It was suggested that possible reprocessing materials could be developed. Isosorbide and urethane have high thermal stability, so they can replace the thermosetting matrix of composite materials, and the present invention has been completed by providing reprocessing and recycling phenomena due to the dynamic covalent bonding of thiourethane.

Macromolecules, 2019, 52, 8207-8216. Macromolecules, 2019, 52, 8207-8216. Molecules, 2019, 24, 1061. Molecules, 2019, 24, 1061.

본 발명의 목적은 다음과 같다.The purpose of the present invention is as follows.

일 측면에서, 동적 가교 가능하며 재활용 가능한, 이소소비드 기반 우레탄 폴리머를 폴리머 매트릭스로 사용하는, 섬유 강화된 우레탄 폴리머를 제공하는 데에 있다.In one aspect, the aim is to provide a fiber reinforced urethane polymer that is dynamically crosslinkable and recyclable, using an isosorbide based urethane polymer as the polymer matrix.

다른 측면에서, 동적 가교 가능하며 재활용 가능한 섬유 강화된 우레탄 폴리머를 제조하기 위한 조성물 키트를 제공하는 데에 있다.In another aspect, there is provided a composition kit for making a dynamically crosslinkable and recyclable fiber reinforced urethane polymer.

또 다른 측면에서, 동적 가교 가능하며 재활용 가능한 섬유 강화된 우레탄 폴리머를 제조하기 위한 방법을 제공하는 데에 있다.In another aspect, the aim is to provide a method for producing dynamically crosslinkable and recyclable fiber reinforced urethane polymers.

또 다른 측면에서, 동적 가교 가능하며 재활용 가능한 우레탄 폴리머를 제공하는 데에 있다.In another aspect, the aim is to provide a dynamically crosslinkable and recyclable urethane polymer.

또 다른 측면에서, 동적 가교 가능하며 재활용 가능한 우레탄 폴리머를 제조하기 위한 방법을 제공하는 데에 있다.In another aspect, the aim is to provide a method for producing a dynamically crosslinkable and recyclable urethane polymer.

본 발명은 일 측면에서,In one aspect, the present invention

강화섬유; 및 촉매를 포함하는 싸이오우레탄 결합으로 가교된 이소소비드 기반 우레탄 폴리머;를 포함하는, 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머를 제공한다.reinforcing fiber; It provides a recyclable fiber-reinforced urethane polymer, including an isosorbide-based urethane polymer crosslinked with a thiourethane bond containing a catalyst.

본 발명은 다른 측면에서,In another aspect, the present invention

촉매 및 우레탄 프리폴리머를 포함하는 제1성분; 가교제를 포함하는 제2성분; 및 강화섬유를 포함하는 제3성분;을 포함하는, 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머 제조용 조성물 키트를 제공한다.A first component comprising a catalyst and a urethane prepolymer; a second component containing a cross-linking agent; and a third component containing reinforcing fibers. A composition kit for producing a recyclable fiber-reinforced urethane polymer is provided.

본 발명은 또 다른 측면에서,In another aspect, the present invention

우레탄 프리폴리머; 촉매; 가교제; 및 강화섬유;를 포함하는 조성물을 준비하는 단계 및 가교반응을 수행하는 단계를 포함하는, 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머 제조방법을 제공한다.Urethane prepolymer; catalyst; crosslinking agent; and reinforcing fibers; and providing a method for producing a recyclable fiber-reinforced urethane polymer, comprising the steps of preparing a composition containing a and performing a crosslinking reaction.

본 발명은 또 다른 측면에서,In another aspect, the present invention

촉매를 포함하는 싸이오우레탄 결합으로 가교된 이소소비드 기반 우레탄 폴리머로써, 재활용 가능한 우레탄 폴리머를 제공한다.It is an isosorbide-based urethane polymer crosslinked with a thiourethane bond containing a catalyst, providing a recyclable urethane polymer.

본 발명은 또 다른 측면에서,In another aspect, the present invention

우레탄 프리폴리머; 촉매; 및 가교제; 를 포함하는 조성물을 준비하는 단계 및 가교반응을 수행하는 단계를 포함하는, 재활용 가능한 우레탄 폴리머 제조방법을 제공한다.Urethane prepolymer; catalyst; and cross-linking agents; A method for producing a recyclable urethane polymer is provided, which includes preparing a composition containing a and performing a crosslinking reaction.

본 발명에 따른 이소소비드 기반 우레탄 폴리머는 가교된 싸이오우레탄에서만 동적교환반응이 일어나므로 재가공 및 재활용 공정 후에도 일정한 가교 구조를 유지하여 물성을 유지할 수 있는 장점이 있다. The isosorbide-based urethane polymer according to the present invention has the advantage of maintaining a constant cross-linked structure and maintaining physical properties even after reprocessing and recycling processes because a dynamic exchange reaction occurs only in cross-linked thiourethane.

상기 이소소비드 기반 우레탄 폴리머는 용액상에서 진행되도록 반응 조건을 최적화했기 때문에 최종 가교 용액을 만든 뒤 복합소재에 함침시킬 수 있고 동적공유결합 성질로 인해 복합소재들의 적층 과정을 더욱 용이하게 만들 수 있는 효과가 있다. Since the reaction conditions for the isosorbide-based urethane polymer are optimized to proceed in a solution phase, it can be impregnated into the composite material after creating the final crosslinking solution, and the dynamic covalent properties make the stacking process of composite materials easier. There is.

상기 이소소비드 기반 우레탄 폴리머는 탄소섬유강화플라스틱에 응용하고 싸이오우레탄에서의 동적교환반응을 이용하여 복합재료의 재활용이 가능하다는 것을 보여준다.The isosorbide-based urethane polymer is applied to carbon fiber reinforced plastic and shows that recycling of composite materials is possible using dynamic exchange reaction in thiourethane.

궁극적으로, 본 발명에서 제공하는 고분자 조성물은 우수한 열적 및 기계적 물성과 재가공 및 재활용 성능의 동적 결합 가교 고분자 특성을 이용하여 복합소재를 형성할 수 있으므로 산업분야의 높은 제조비용 및 폐기물 처리에 대한 문제를 해결할 수 있을 것이다.Ultimately, the polymer composition provided by the present invention can form a composite material using the dynamic cross-linked polymer characteristics of excellent thermal and mechanical properties and reprocessing and recycling performance, thereby solving the problems of high manufacturing costs and waste disposal in the industrial field. It can be solved.

도 1은 합성된 ISB-N의 구조 분석을 위한 FT-IR 측정 그래프이다.
도 2는 촉매 양별 ISB-N (HDI)의 DSC 및 TGA 측정을 통한 열적 분석 그래프이다.
도 3은 2 wt% ZnDTC 함유 ISB-N (HDI)의 필름 사진이다.
도 4는 [NCO]/[OH] 비율별 ISB-N (HDI)의 DSC 및 TGA 측정을 통한 열적 분석 그래프이다.
도 5은 HDI 및 IPDI를 사용한 ISB-N 필름의 UTM 측정을 통한 기계적 물성 측정 그래프이다.
도 6은 ISB-N (HDI)의 재가공 필름을 구현한 사진이다.
도 7은 ISB-N 필름의 용해 및 재가교를 통한 재활용 과정 사진이다.
도 8은 재활용 ISB-NR 필름의 UTM 측정을 통한 기계적 물성 비교 그래프이다.
도 9는 재활용 ISB-NR 필름의 DSC 및 TGA 측정을 통한 열적 분석 그래프이다.
도 10은 ISB-N (HDI)의 알코올 사용을 통한 가용매 분해 현상을 나타낸 사진이다.
도 11은 탄소섬유 복합소재의 고분자 matrix를 과량의 PETMP를 첨가하여 녹여내어 재활용 과정을 그림으로 나타낸 것이다.
도 12는 탄소섬유의 회수 전/후 표면 상태 및 복합소재의 표면 상태를 SEM 측정을 통해 나타낸 사진이다.
도 13은 탄소섬유의 회수 전/후를 TGA 측정을 통해 화학적 중량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명에서 이루어지는 싸이오우레탄 교환반응의 개략도이다.
Figure 1 is a FT-IR measurement graph for structural analysis of synthesized ISB-N.
Figure 2 is a thermal analysis graph through DSC and TGA measurements of ISB-N (HDI) by catalyst amount.
Figure 3 is a film photograph of ISB-N (HDI) containing 2 wt% ZnDTC.
Figure 4 is a thermal analysis graph through DSC and TGA measurements of ISB-N (HDI) by [NCO]/[OH] ratio.
Figure 5 is a graph of mechanical property measurement through UTM measurement of ISB-N film using HDI and IPDI.
Figure 6 is a photograph showing the reprocessed film of ISB-N (HDI).
Figure 7 is a photograph of the recycling process through dissolution and re-crosslinking of the ISB-N film.
Figure 8 is a graph comparing mechanical properties of recycled ISB-NR film through UTM measurement.
Figure 9 is a thermal analysis graph through DSC and TGA measurements of recycled ISB-NR film.
Figure 10 is a photograph showing the soluble decomposition phenomenon of ISB-N (HDI) through the use of alcohol.
Figure 11 graphically shows the recycling process by melting the polymer matrix of a carbon fiber composite material by adding an excess amount of PETMP.
Figure 12 is a photograph showing the surface condition of the carbon fiber before and after recovery and the surface condition of the composite material through SEM measurement.
Figure 13 is a graph showing the chemical weight change through TGA measurement before and after recovery of carbon fiber.
Figure 14 is a schematic diagram of the thiourethane exchange reaction performed in the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

한편, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Meanwhile, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Additionally, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the relevant technical field.

나아가, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 “포함”한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Furthermore, “including” a certain element throughout the specification means that other elements may be further included rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 “ISB-N”은 이소소비드 기반 폴리머 네트워크를 의미한다.As used herein, “ISB-N” refers to an isosorbide-based polymer network.

본 명세서에서 “알킬”은 완전 포화 탄화수소로서 직쇄 또는 분지쇄 구조 이성질체를 모두 포함하는 치환기로서의 1가의 라디칼을 의미한다. 일례로, C1 내지 C30의 알킬이라 할 때, 탄화수소를 이루는 탄소의 개수가 1 내지 30 범위인 것을 의미한다.In this specification, “alkyl” refers to a monovalent radical as a substituent that is a fully saturated hydrocarbon and includes both straight-chain or branched-chain structural isomers. For example, when referring to C1 to C30 alkyl, it means that the number of carbons constituting the hydrocarbon is in the range of 1 to 30.

본 명세서에서 “알킬렌”은 2 치환된 2가의 라디칼을 의미한다. 일례로 C1-C30 알킬렌이라고 할 때, 탄화수소를 이루는 탄소의 개수가 1 내지 30 범위인 것을 의미한다.In this specification, “alkylene” means a divalent radical that is 2 substituted. For example, when referring to C1-C30 alkylene, it means that the number of carbons making up the hydrocarbon ranges from 1 to 30.

본 명세서에서 “사이클로알킬렌”은 고리형 포화 탄화수소로써 2 치환된 2가의 라디칼을 의미한다.In this specification, “cycloalkylene” refers to a cyclic saturated hydrocarbon divalent radical substituted by two.

본 명세서에서 “아릴렌”은 방향족 치환기의 2 치환된 2가의 라디칼을 의미한다.As used herein, “arylene” refers to a divalent radical in which an aromatic substituent is disubstituted.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머에 대해서 설명한다.A recyclable fiber-reinforced urethane polymer provided in one aspect of the present invention will be described.

강화섬유는 탄소섬유, 아라미드섬유, 유리섬유 등을 모두 포함한다. 상기 강화섬유는 본 발명의 일 구체예로써 탄소 섬유를 포함한다. 상기 강화섬유는 입자, 종횡비가 큰 로드, 또는 섬유가 직조된 형태인 직물 형태로 제공될 수 있다.Reinforcement fibers include carbon fiber, aramid fiber, and glass fiber. The reinforcing fiber includes carbon fiber as an embodiment of the present invention. The reinforcing fibers may be provided in the form of particles, rods with a high aspect ratio, or fabrics in which the fibers are woven.

강화섬유 등을 함침시켜 제조되는 복합재료에 있어서 기지(매트릭스) 내에서 강화섬유는 분산되어 있을 수 있다. 물성 측면에서 강화섬유는 통상적으로 다발(bundle)의 형태로 제공되며, 다발로 제공되는 강화섬유를 직조하여 직물의 형태로 제공될 수도 있으며, 이때 기지를 형성하는 고분자는 다발 또는 직물의 내부로 침투되어 강화섬유 등이 함침된 복합재료가 제조된다.In composite materials manufactured by impregnating reinforcing fibers, etc., the reinforcing fibers may be dispersed within the base (matrix). In terms of physical properties, reinforcing fibers are usually provided in the form of a bundle, and may be provided in the form of a fabric by weaving the reinforcing fibers provided in bundles. In this case, the polymer forming the base penetrates into the bundle or the inside of the fabric. A composite material impregnated with reinforcing fibers, etc. is manufactured.

본 발명에 따른 복합재료로서 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머에 있어서, 기지는 싸이오우레탄 결합으로 가교된 이소소비드 기반 우레탄 폴리머이다.In the fiber-reinforced urethane polymer that is recyclable as a composite material according to the present invention, the matrix is an isosorbide-based urethane polymer crosslinked with a thiourethane bond.

본 발명에 따른 가교된 이소소비드 기반 우레탄 폴리머는 이소소비드 기반 우레탄 프리폴리머가 싸이오우레탄 결합으로 가교되어 형성되는 것이며, 싸이오우레탄 가교 결합의 형성을 위하여 3 이상의 싸이올기를 가지는 가교제가 사용될 수 있다.The crosslinked isosorbide-based urethane polymer according to the present invention is formed by crosslinking an isosorbide-based urethane prepolymer with a thiourethane bond, and a crosslinking agent having 3 or more thiol groups can be used to form a thiourethane crosslink. there is.

본 명세서에서 우레탄 폴리머 또는 우레탄 프리폴리머는 -NH-C(=O)-O-의 우레탄 결합을 포함하는 것을 의미하며, 싸이오우레탄 결합은 -NH-C(=O)-S-를 의미한다. In this specification, urethane polymer or urethane prepolymer means containing a urethane bond of -NH-C(=O)-O-, and thiourethane bond means -NH-C(=O)-S-.

본 발명에서 이소소비드(ISB)는 하기 화학식 1로 표시된다.In the present invention, isosorbide (ISB) is represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

본 발명에 있어서 열적 안정성이 높은 오각고리 형태의 이소소비드 (isosorbide)를 이용하여 우레탄 프리폴리머를 합성한 뒤 별다른 정제과정 없이 펜타에리트리톨테트라키스(3-머캅토프로피오네이트) (PETMP)와 같은 가교제를 첨가하여 상기 우레탄 프리폴리머를 가교시킴으로써, 싸이오우레탄 가교결합을 갖는 이소소비드 기반 우레탄 폴리머를 제조할 수 있다.In the present invention, urethane prepolymer is synthesized using isosorbide in the form of a pentagonal ring with high thermal stability, and then prepared using pentaerythritol tetrakis (3-mercaptopropionate) (PETMP) without any further purification process. By crosslinking the urethane prepolymer by adding a crosslinking agent, an isosorbide-based urethane polymer having thiourethane crosslinking can be prepared.

일 구체예에서, 상기 가교된 우레탄 폴리머는 단량체 디올로서의 상기 이소소비드를 폴리이소시아네이트 단량체와 반응시켜 제조되는 우레탄 프리폴리머를, 3 이상의 -SH의 싸이올기를 가지는 가교제에 의해 가교시킴으로써 3차원 폴리머 네트워크 구조로 형성될 수 있다.In one embodiment, the crosslinked urethane polymer is a three-dimensional polymer network structure by crosslinking a urethane prepolymer prepared by reacting the isosorbide as a monomer diol with a polyisocyanate monomer using a crosslinking agent having a thiol group of 3 or more -SH. It can be formed as

상기 가교제는 구체적으로 하기 화학식 2와 같이 표시될 수 있다.The crosslinking agent may be specifically represented by Formula 2 below.

[화학식 2][Formula 2]

상기 화학식 2에서,In Formula 2,

A는 C1 내지 C20의 알킬, m은 1 내지 10의 정수, n은 2 내지 10의 정수이거나, A는 C2 내지 C10의 알킬, m은 1 내지 5의 정수, n은 3 내지 6의 정수이다. 상기 가교제의 분자량은 100 내지 3000일 수 있다. 일 구체예에서, 상기 가교제는 PETMP일 수 있다. A is C1 to C20 alkyl, m is an integer of 1 to 10, n is an integer of 2 to 10, or A is C2 to C10 alkyl, m is an integer of 1 to 5, and n is an integer of 3 to 6. The molecular weight of the crosslinking agent may be 100 to 3000. In one embodiment, the cross-linking agent may be PETMP.

상기 우레탄 프리폴리머는 단량체로서 이소소비드 및 폴리이소시아네이트를 중합 반응시켜 얻어질 수 있다. The urethane prepolymer can be obtained by polymerizing isosorbide and polyisocyanate as monomers.

상기 우레탄 프리폴리머의 수평균 분자량(Mn)은 100 이상 1000 이하일 수 있으며, 바람직하게는 최소 480 내지 최대 680으로 제한될 수 있다.The number average molecular weight (Mn) of the urethane prepolymer may be 100 or more and 1000 or less, and may preferably be limited to a minimum of 480 to a maximum of 680.

상기 폴리이소시아네이트는 이소시아네이트기를 2개 이상 포함할 수 있고, 일 구체예에서는 디이소시아네이트일 수 있다. 즉 본 발명은, 다양한 디이소시아네이트의 구조적 효과에 따라 원하는 열적 물성 및 기계적 물성을 조절할 수 있는 가능성을 제시한다.The polyisocyanate may include two or more isocyanate groups, and in one embodiment, may be diisocyanate. In other words, the present invention presents the possibility of adjusting desired thermal and mechanical properties according to the structural effects of various diisocyanates.

상기 디이소시아네이트는 하기 화학식 3으로 표시되는 물질일 수 있다.The diisocyanate may be a material represented by the following formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

상기 B는 C1-C10 알킬렌이며, 상기 알킬렌의 탄소 중 1 이상은 C3-C6 사이클로알킬렌 또는 C6-C10 아릴렌으로 치환될 수 있으며, 상기 사이클로알킬렌 또는 아릴렌은 1 이상의 C1-C10 알킬로 치환될 수 있다.The B is C1-C10 alkylene, and one or more carbons of the alkylene may be substituted with C3-C6 cycloalkylene or C6-C10 arylene, and the cycloalkylene or arylene may be substituted with one or more C1-C10 arylene. Can be substituted with alkyl.

다른 구체예에서, 상기 B는 C2-C8 알킬렌이며, 상기 알킬렌의 탄소 중 1 내지 2는 C3-C6 사이클로알킬렌 또는 C6 아릴렌으로 치환될 수 있으며, 상기 사이클로알킬렌 또는 아릴렌은 1 내지 4의 C1-C10 알킬로 치환될 수 있다.In another embodiment, B is C2-C8 alkylene, and 1 to 2 carbons of the alkylene may be substituted with C3-C6 cycloalkylene or C6 arylene, and the cycloalkylene or arylene is 1 It may be substituted with 4 to 4 C1-C10 alkyl.

다른 구체예에서,In another embodiment,

상기 B는 하기 화학식 4로 나타내는 것들 중 하나로 표시될 수 있다.The B may be represented by one of those represented by the following formula (4).

[화학식 4][Formula 4]

1) One)

2) 2)

3) 3)

4) 4)

일 구체예에서 프리폴리머를 제조하기 위한 이소소비드 및 폴리이소시아네이트의 몰비율은 1 내지 5 또는 1.5 내지 4일 수 있다.In one embodiment, the molar ratio of isosorbide and polyisocyanate for preparing the prepolymer may be 1 to 5 or 1.5 to 4.

본 발명의 일 구체예에서, 프리폴리머의 제조 후 별도의 정제 없이 가교제를 투입하여 가교를 수행하게 되며, 싸이올기를 갖는 가교제에 의하여 싸이오우레탄 가교 결합을 형성하기 위하여, 프리폴리머는 말단에 이소시아네이트 관능기를 갖는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 이소소비드에 대하여 폴리이소시아네이트를 과량으로 사용하는 것이 가교를 위하여 바람직할 수 있다. 다만, 폴리이소시아네이트의 함량이 너무 과도한 경우에는 미반응의 폴리이소시아네이트 단량기 존재로 인하여, 가교를 통하여 원하는 3차원 네트워크의 형성이 이루어지지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, after preparing the prepolymer, crosslinking is performed by adding a crosslinking agent without separate purification. In order to form a thiourethane crosslinking by a crosslinking agent having a thiol group, the prepolymer has an isocyanate functional group at the terminal. It is desirable to have it. For this purpose, it may be preferable to use an excess amount of polyisocyanate relative to isosorbide for crosslinking. However, if the content of polyisocyanate is too excessive, the desired three-dimensional network may not be formed through crosslinking due to the presence of unreacted polyisocyanate monomers.

일 구체예에서, 가교를 통하여 적절한 네트워크 형성을 위하여 몰비는 2.5 내지 3.5 범위에서 선택될 수 있다.In one embodiment, the molar ratio may be selected in the range of 2.5 to 3.5 to form an appropriate network through crosslinking.

본 발명의 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머에 있어서 우레탄 폴리머 및 강화섬유의 원활한 재활용을 위하여 싸이오우레탄 결합은 동적 가교가 가능할 수 있도록 촉매를 포함한다.In the recyclable fiber-reinforced urethane polymer of the present invention, for smooth recycling of the urethane polymer and reinforcing fibers, the thiourethane bond includes a catalyst to enable dynamic crosslinking.

동적 가교는 공유결합인 싸이오우레탄 결합의 탄소-황 결합이 가역적으로 끊어졌다가 다시 연결될 수 있는 것을 의미하며, 싸이오우레탄 결합이 주위의 싸이올기와의 교환반응을 통해서 새로운 싸이오우레탄 결합이 형성되는 것을 의미한다.Dynamic crosslinking means that the carbon-sulfur bond of a covalent thiourethane bond can be reversibly broken and reconnected, and a new thiourethane bond is formed through an exchange reaction between the thiourethane bond and the surrounding thiol group. It means being formed.

싸이오우레탄 결합의 교환반응을 통한 동적 가교는 하기 화학식 5와 같이 개념적으로 설명될 수 있다.Dynamic crosslinking through the exchange reaction of thiourethane bonds can be conceptually explained as shown in Chemical Formula 5 below.

[화학식 5][Formula 5]

본 발명에 있어서 싸이오우레탄의 결합 에너지는 우레탄의 결합 에너지보다 낮은 값을 가지므로, 본 발명에 있어서 동적 가교를 위한 촉매는 싸이오우레탄 결합의 교환반응을 통한 동적 가교를 매개하게 된다.In the present invention, the bond energy of thiourethane has a lower value than the bond energy of urethane, so the catalyst for dynamic crosslinking in the present invention mediates dynamic crosslinking through the exchange reaction of thiourethane bonds.

본 발명에서, 촉매는 싸이오우레탄 결합의 동적 결합을 매개하는 물질을 의미한다. 상기 촉매는 제법 상 우레탄 프리폴리머를 형성하는 단계에서 투입될 수 있으며, 이후 가교 단계에서 첨가될 수도 있다.In the present invention, catalyst refers to a substance that mediates the dynamic binding of thiourethane bonds. The catalyst may be added in the step of forming the urethane prepolymer in the manufacturing process, and may be added in the subsequent crosslinking step.

상기 촉매는 하기 화학식 6으로 표시되는 ZnDTC 군에 속하는 촉매일 수 있다.The catalyst may be a catalyst belonging to the ZnDTC group represented by the following formula (6).

[화학식 6][Formula 6]

여기서, R1 내지 R4는 독립적으로 각각 C1 내지 C10의 알킬이다. 일 구체예에서, 상기 촉매는 상기 화학식에서 R1 내지 R4가 C2인, ZnDTC일 수 있다.Here, R1 to R4 are each independently C1 to C10 alkyl. In one embodiment, the catalyst may be ZnDTC, where R1 to R4 are C2 in the above formula.

상기 촉매는 하기 화학식 7로 표시되는 TBD 군에 속하는 촉매일 수 있다.The catalyst may be a catalyst belonging to the TBD group represented by the following formula (7).

[화학식 7][Formula 7]

여기서, R5는 H 또는 C1 내지 C10의 직쇄 또는 분지쇄 알킬이다. 상기 촉매는 상기 화학식에서 R5가 H인, TBD일 수 있다.Here, R5 is H or C1 to C10 straight or branched chain alkyl. The catalyst may be TBD, where R5 is H in the above formula.

상기 촉매는 하기 화학식 8로 표시되는 DBU일 수 있다.The catalyst may be DBU represented by the following formula (8).

[화학식 8][Formula 8]

상기 촉매는 하기 화학식 9로 표시되는 DBTDL 군에 속하는 촉매일 수 있다.The catalyst may be a catalyst belonging to the DBTDL group represented by the following formula (9).

[화학식 9][Formula 9]

여기서, R6는 C1 내지 C20의 알킬이고, R7은 C1 내지 C10의 알킬이되, R6는 R7에 비해 탄소수가 같거나, 더 크다. 상기 촉매는 상기 화학식에서 R6가 C11의 직쇄 알킬이고, R7이 C4의 직쇄 알킬인, DBTDL일 수 있다.Here, R6 is C1 to C20 alkyl, and R7 is C1 to C10 alkyl, but R6 has the same number of carbon atoms or is larger than R7. The catalyst may be DBTDL, in which R6 is C11 straight-chain alkyl and R7 is C4 straight-chain alkyl in the above formula.

이소소비드, 디이소시아네이트, PETMP, 촉매 전체 무게 합에 대한 상기 촉매의 무게비는 0.6 내지 4 질량%(wt%)일 수 있으며, 바람직하게는 1.5 내지 3 질량%(wt%)일 수 있다.The weight ratio of the catalyst to the total weight of isosorbide, diisocyanate, PETMP, and catalyst may be 0.6 to 4 mass% (wt%), preferably 1.5 to 3 mass% (wt%).

본 발명은 다른 측면에서, 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머 제조용 키트를 제공하며, 이에 대해 설명한다.In another aspect, the present invention provides a kit for manufacturing a recyclable fiber-reinforced urethane polymer, and describes the same.

본 발명에서 키트는 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머를 제조하기 위한 성분들로 구성된다. 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머 제조용 키트는 전술한 섬유강화 우레탄 폴리머 제조를 위한 조성물 키트를 의미한다.In the present invention, the kit consists of components for producing recyclable fiber-reinforced urethane polymer. The kit for manufacturing a recyclable fiber-reinforced urethane polymer refers to a composition kit for manufacturing the aforementioned fiber-reinforced urethane polymer.

상기 키트는The kit is

이소소비드가 포함된 우레탄 프리폴리머 및 싸이오우레탄 동적가교를 위한 촉매를 포함하는 제1성분; A first component containing a urethane prepolymer containing isosorbide and a catalyst for dynamic crosslinking of thiourethane;

3 이상의 싸이올기를 가지는 가교제를 포함하는 제2성분; 및 A second component containing a cross-linking agent having 3 or more thiol groups; and

강화섬유를 포함하는 제3성분;을 포함한다.It includes a third component containing reinforcing fibers.

상기 제2성분은 제1성분에 포함된 하나의 조성물로서 제공될 수 있다.The second component may be provided as a composition included in the first component.

여기서, 우레탄 프리폴리머, 가교제, 강화섬유, 촉매, 이소소비드 및 폴리이소시아네이트는 섬유강화 우레탄 폴리머에서 전술한 바에 따른다.Here, the urethane prepolymer, crosslinking agent, reinforcing fiber, catalyst, isosorbide, and polyisocyanate are as described above for the fiber-reinforced urethane polymer.

본 발명은 또 다른 측면에서, 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머 제조방법을 제공하며, 이에 대해 설명한다.In another aspect, the present invention provides a method for manufacturing a recyclable fiber-reinforced urethane polymer, and describes the same.

상기 제조방법은 우레탄 프리폴리머, 가교제, 촉매, 및 강화섬유를 포함하는 조성물을 준비하는 단계; 및 가교반응을 수행하는 단계;를 포함한다.The manufacturing method includes preparing a composition including a urethane prepolymer, a crosslinking agent, a catalyst, and reinforcing fibers; and performing a crosslinking reaction.

여기서, 우레탄 프리폴리머, 가교제, 촉매, 및 강화섬유는 섬유강화 우레탄 폴리머에서 전술한 바에 따른다.Here, the urethane prepolymer, crosslinking agent, catalyst, and reinforcing fiber are as described above for the fiber-reinforced urethane polymer.

본 발명은 또 다른 측면에서, 재활용 가능한 우레탄 폴리머를 제공하며, 이에 대해 설명한다.In another aspect, the present invention provides and describes a recyclable urethane polymer.

상기 재활용 가능한 우레탄 폴리머는 전술한 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머에 있어서, 강화섬유를 포함하지 않는 기지로서의 우레탄 폴리머를 의미한다. 여기서, 우레탄 프리폴리머, 가교제, 촉매, 및 강화섬유는 섬유강화 우레탄 폴리머에서 전술한 바에 따른다.The recyclable urethane polymer refers to a urethane polymer as a base that does not contain reinforcing fibers in the above-described recyclable fiber-reinforced urethane polymer. Here, the urethane prepolymer, crosslinking agent, catalyst, and reinforcing fiber are as described above for the fiber-reinforced urethane polymer.

본 발명은 또 다른 측면에서, 재활용 가능한 우레탄 폴리머 제조방법을 제공하며, 이에 대해 설명한다.In another aspect, the present invention provides a method for producing a recyclable urethane polymer and is described.

상기 재활용 가능한 우레탄 폴리머 제조방법은 전술한 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머 제조방법에 있어서, 강화섬유를 포함하지 않는 기지로서의 우레탄 폴리머 제조방법을 의미한다. 여기서, 우레탄 프리폴리머, 가교제, 및 촉매는 섬유강화 우레탄 폴리머에서 전술한 바에 따른다.The recyclable urethane polymer manufacturing method refers to a urethane polymer manufacturing method as a base that does not include reinforcing fibers in the recyclable fiber-reinforced urethane polymer manufacturing method described above. Here, the urethane prepolymer, crosslinking agent, and catalyst are as described above for fiber-reinforced urethane polymer.

이하, 실시예 및 실험예를 통해서 설명한다.Hereinafter, it will be described through examples and experimental examples.

<실험방법 일반><General experiment method>

1. 열중량분석법(Thermogravimetric analysis, TGA)1. Thermogravimetric analysis (TGA)

TA instruments의 Q500을 사용하였으며, 10 /min 승온속도로 N2 분위기에서 25~800 온도 범위에서 수행하였다.TA instruments' Q500 was used, and it was performed in a temperature range of 25 to 800 °C in N 2 atmosphere at a temperature increase rate of 10 °C /min.

2. 시차 주사 열량분석 (Differential scanning calorimetry, DSC)2. Differential scanning calorimetry (DSC)

TA Instruments DSC Q2000를 사용하였으며, 10 /min 승온속도로 N2 분위기에서 -40~200 온도 범위에서 수행하였다.TA Instruments DSC Q2000 was used, and the study was performed in a temperature range of -40 to 200 °C in N 2 atmosphere at a temperature increase rate of 10 °C /min.

3. 인장시험 (Universal testing machine, UTM)3. Tensile test (Universal testing machine, UTM)

ISB-N 필름의 인장 시험은 Lloyd instruments의 Instron LR5K universal testing machine(UTM)을 사용하였으며, 5 mm * 50 mm * 0.25 mm(너비 * 길이 * 두께) 규격의 막대 모양 시편을 5 mm/min, preload 0.1 N, 표점거리 20 mm의 조건으로 파단될 때까지 수행하였다. The tensile test of the ISB-N film was performed using Lloyd instruments' Instron LR5K universal testing machine (UTM), and a bar-shaped specimen measuring 5 mm * 50 mm * 0.25 mm (width * length * thickness) was preloaded at 5 mm/min. It was performed until fracture under the conditions of 0.1 N and a gauge length of 20 mm.

4. 적외선 분광법(Infrared spectroscopy, IR)4. Infrared spectroscopy (IR)

적외선 분광법(Infrared spectroscopy, IR)은 Agilent의 4100 Exoscan FTIR spectrometer를 attenuated total reflectance(ATR) equipment와 함께 사용하여 수행하였다.Infrared spectroscopy (IR) was performed using Agilent's 4100 Exoscan FTIR spectrometer with attenuated total reflectance (ATR) equipment.

5. 주사전자현미경 표면분석 (Scanning electron microscope, SEM)5. Scanning electron microscope (SEM) surface analysis

Carl Zeiss (Sigma HD)를 사용하였으며, 가속전압 3 kV조건의 Quorum 150T (Pt coating_120sec) 전처리코팅을 진행하였다.Carl Zeiss (Sigma HD) was used, and pre-coating with Quorum 150T (Pt coating_120sec) was performed under an acceleration voltage of 3 kV.

6. 겔 프렉션 측정6. Gel fraction measurement

겔 분율 측정은 0.1 g의 필름 조각을 20ml의 DMF에 24시간 함침하고 용매를 제거한 후 필름을 건조하여 측정 전후의 무게를 비교함으로써 계산하였다. 계산에 사용한 식은 아래와 같다.Gel fraction measurement was calculated by impregnating a 0.1 g film piece in 20 ml of DMF for 24 hours, removing the solvent, drying the film, and comparing the weight before and after measurement. The formula used for calculation is as follows.

(1) (One)

Wa는 측정 후 건조한 필름의 무게, Wb는 측정 전 건조한 필름의 무게이다.Wa is the weight of the dried film after measurement, and Wb is the weight of the dry film before measurement.

<실험 재료><Experimental materials>

이소소비드 (Isosorbide, ISB, Alfa asear), 헥실렌다이이소시아네이트 (1,6-hexylenediis℃yanate, 1,6-HDI, Sigma-Aldrich), 아연 디에틸디티오카르바메이트 (Zinc diethyldithi℃arbamate, ZnDTC, Sigma-Aldrich), 4,4'-메틸렌비스(시클로헥실이소시아네이트) (4,4′-Methylenebis(cyclohexyl is℃yanate), HMDI, Sigma-Aldrich), 테트라메틸자일릴렌디이소시아네이트 (Tetramethylxylylene diis℃yanate, TMXDI, Sigma-Aldrich), 이소포론 디이소시아네이트 (Isophorone diis℃yanate, IPDI, Sigma-Aldrich), 디엠에프 (Dimethylformaldehyde, DMF > 99.9%, 삼전순약공업) 그리고 헥산올 (hexanol, 98%, 삼전순약공업) 을 준비하여 사용하였다. 다른 모든 시약(reagents) 및 용제는 표준 공급 업체로부터 받은대로 사용하였다. Isosorbide (ISB, Alfa asear), hexylenediisocyanate (1,6-hexylenediis℃yanate, 1,6-HDI, Sigma-Aldrich), Zinc diethyldithiocarbamate, ZnDTC, Sigma-Aldrich), 4,4'-Methylenebis(cyclohexyl is℃yanate), HMDI, Sigma-Aldrich), Tetramethylxylylene diisocyanate yanate, TMXDI, Sigma-Aldrich), Isophorone diisocyanate (IPDI, Sigma-Aldrich), Dimethylformaldehyde (DMF > 99.9%, Samchun Pure Pharmaceutical Industry) and hexanol (98%, Samchun) pure medicine industry) was prepared and used. All other reagents and solvents were used as received from standard suppliers.

<실시예 1> 촉매 양에 따른 가교된 ISB 기반 우레탄 폴리머의 제조<Example 1> Preparation of crosslinked ISB-based urethane polymer according to catalyst amount

하기 반응식 1과 같이 우레탄 프리폴리머를 제조한 후, 이어서 반응식 2와 같이 가교된 ISB 기반 우레탄 폴리머를 제조하였다.A urethane prepolymer was prepared as shown in Scheme 1 below, and then a crosslinked ISB-based urethane polymer was prepared as shown in Scheme 2.

[반응식 1][Scheme 1]

[반응식 2][Scheme 2]

프리폴리머를 먼저 만들기 위해 촉매 양 조절을 위한 전환율을 확인하였다. NCO 비율은 임의로 3으로 정하고 진행하였고, 시작물질인 ISB의 OH 기가 모두 사라지는 시점으로 기준으로 반응시간을 종결하였다.To make the prepolymer first, the conversion rate for controlling the amount of catalyst was checked. The NCO ratio was arbitrarily set to 3, and the reaction time was terminated based on the point at which all OH groups of ISB, the starting material, disappeared.

먼저 ISB (1 eq), 1,6-헥실렌디이소시아네이트 (3 eq), ZnDTC, DMF (4 wt%)를 자기 교반 막대가 있는 50 ml 바이알에 넣어 80도에서 교반하였다. 반응시간은 상기 바이알의 혼합물을 시간마다 채취하여 출발물질인 ISB의 -OH 피크가 사라지는 시간을 기준으로 하였다. 촉매 양에 따른 반응의 비율은 표 1에 따라 진행하였고, 이후 용매를 3 w/v% 농도가 되도록 추가한 뒤, 가교제인 PETMP (1 eq)를 첨가하여 80 ℃에서 3시간 반응하였다 (반응식 1 참조). 교반된 혼합용액은 8 x 3 x 2 cm 테프론 몰드에 35 ml씩 캐스팅하여 50 ℃에서 48 h, 80 ℃에서 24 h 건조시킨다. 건조된 필름을 분리해낸 뒤 150 ℃ 진공오븐에서 24 h 건조시켜 ISB-N 필름을 수득하였다 (반응식 2 참조). 합성된 필름은 ATR 분석을 통해 출발물질의 기능기들의 피크가 사라졌는지 확인하였고, 우레탄 및 싸이오우레탄의 N-H 피크가 3400 cm-1에서 생성되었는지 확인을 통해 분석할 수 있었으며 이는 도 1에 제시되어 있다. First, ISB (1 eq), 1,6-hexylene diisocyanate (3 eq), ZnDTC, and DMF (4 wt%) were placed in a 50 ml vial with a magnetic stirring bar and stirred at 80 degrees. The reaction time was based on the time at which the -OH peak of ISB, the starting material, disappears by collecting the mixture in the vial every hour. The reaction rate according to the amount of catalyst was performed according to Table 1, and then the solvent was added to a concentration of 3 w/v%, and PETMP (1 eq) as a cross-linking agent was added and reacted at 80°C for 3 hours (Scheme 1) reference). The stirred mixed solution is cast in 35 ml each into an 8 x 3 x 2 cm Teflon mold and dried at 50°C for 48 h and 80°C for 24 h. The dried film was separated and dried in a vacuum oven at 150°C for 24 h to obtain an ISB-N film (see Scheme 2). The synthesized film was analyzed through ATR analysis to confirm whether the peaks of the functional groups of the starting material disappeared, and whether the NH peak of urethane and thiourethane was generated at 3400 cm -1 , which is shown in Figure 1. there is.

하기 표 1에 HDI(헥실렌디이소시아네이트)를 이용한 촉매 용량별 가교된 폴리머 네트워크 제조를 위한 조건이 제시되어 있다.Table 1 below presents conditions for producing a cross-linked polymer network using HDI (hexylene diisocyanate) according to catalyst capacity.

R = [NCO]/[OH]R = [NCO]/[OH] IsosorbideIsosorbide 1,6-HDI1,6-HDI ZnDTCZnDTC SolventSolvent
(4 w/v%)(4w/v%)
R1 timeR1 time PETMPPETMP SolventSolvent
(3 w/v%)(3w/v%)
실시예 1-1Example 1-1 33 700.0 mg
(4.8 mmol)
700.0mg
(4.8 mmol)
2417.0 mg
(14.4 mmol)
2417.0mg
(14.4 mmol)
31.2 mg
(0.6 wt%)
31.2mg
(0.6 wt%)
DMF
(136.4 ml)
DMF
(136.4ml)
5 h5h 2341.0 mg
(4.8 mmol)
2341.0mg
(4.8 mmol)
DMF
(+45.5 ml)
DMF
(+45.5ml)
실시예 1-2Example 1-2 33 700.0 mg
(4.8 mmol)
700.0mg
(4.8 mmol)
2417.0 mg
(14.4 mmol)
2417.0mg
(14.4 mmol)
62.3 mg
(1.1 wt%)
62.3 mg
(1.1 wt%)
DMF
(136.4 ml)
DMF
(136.4ml)
5 h5h 2341.0 mg
(4.8 mmol)
2341.0mg
(4.8 mmol)
DMF
(+45.5 ml)
DMF
(+45.5ml)
실시예 1-3Example 1-3 33 700.0 mg
(4.8 mmol)
700.0mg
(4.8 mmol)
2417.0 mg
(14.4 mmol)
2417.0 mg
(14.4 mmol)
109.2 mg
(2.0 wt%)
109.2mg
(2.0 wt%)
DMF
(136.4 ml)
DMF
(136.4ml)
5 h5h 2341.0 mg
(4.8 mmol)
2341.0mg
(4.8 mmol)
DMF
(+45.5 ml)
DMF
(+45.5ml)
실시예 1-4Example 1-4 33 350.0 mg
(2.4 mmol)
350.0mg
(2.4 mmol)
1208.0 mg
(7.2 mmol)
1208.0mg
(7.2 mmol)
109.2 mg
(4.0 wt%)
109.2 mg
(4.0 wt%)
DMF
(68.2 ml)
DMF
(68.2ml)
3 h3h 1170.0 mg
(2.4 mmol)
1170.0mg
(2.4 mmol)
DMF
(+22.7 ml)
DMF
(+22.7 ml)

본 명세서에서, 촉매의 wt%는 이소소비드, 디이소시아네이트, PETMP, 촉매 전체 무게 합에 대한 상기 촉매의 무게 퍼센트를 나타낸다.In this specification, wt% of catalyst refers to the weight percent of the catalyst relative to the total weight of isosorbide, diisocyanate, PETMP, and catalyst.

<실험예 1> 실시예 1에 따른 가교된 우레탄 폴리머의 분석<Experimental Example 1> Analysis of crosslinked urethane polymer according to Example 1

실시예 1에서 제조된 가교된 우레탄 폴리머를 대상으로 분석을 수행하였다.Analysis was performed on the crosslinked urethane polymer prepared in Example 1.

합성된 ISB 기반 네트워크 고분자의 열적 물성을 확인하기 위해 TGA와 DSC 측정을 진행하였고, 이는 도 2에 제시하였다. 2 wt% 이하의 촉매양 조건들은 상기 반응식 1에 대한 반응 시간의 차이가 없었고, 4 wt% 조건에서는 반응 시간을 3 시간까지 줄일 수 있었지만 Tg의 감소 경향이 나타났다. TGA and DSC measurements were performed to confirm the thermal properties of the synthesized ISB-based network polymer, which are presented in Figure 2. For catalyst amount conditions of 2 wt% or less, there was no difference in reaction time with respect to Scheme 1, and under 4 wt% conditions, the reaction time could be reduced to 3 hours, but there was a tendency for Tg to decrease.

하기 표 2에 실시예 1에 따른 가교된 우레탄 폴리머의 열분석 결과, 즉 Tg, 겔 분율 등의 결과를 제시하였다.Table 2 below presents the results of thermal analysis of the crosslinked urethane polymer according to Example 1, that is, Tg, gel fraction, etc.

ZnDTCZnDTC Gel fractiongel fraction TT gg TT ii TT d5%d5% 실시예
1-1
Example
1-1
31.2 mg
(0.6 wt%)
31.2mg
(0.6 wt%)
96%96% 56℃56℃ 198℃198℃ 285℃285℃
실시예
1-2
Example
1-2
62.3 mg
(1.1 wt%)
62.3 mg
(1.1 wt%)
96%96% 57℃57℃ 217℃217℃ 285℃285℃
실시예
1-3
Example
1-3
109.2 mg
(2.0 wt%)
109.2 mg
(2.0 wt%)
98%98% 57℃57℃ 222℃222℃ 278℃278℃
실시예
1-4
Example
1-4
109.2 mg
(4.0 wt%)
109.2 mg
(4.0 wt%)
96%96% 54℃54℃ 224℃224℃ 268℃268℃

따라서 2 wt% 함유 네트워크 필름 (실시예 1-3) 이 겔 분율 및 열적 물성 결과 측면에서 우수하다 판단되어, 이후의 실시예에서는 촉매 함량을 2 wt%로 고정하여 진행하였으며, 상기 실시예 1-3의 ISB-N (HDI) 필름의 사진은 도 3에 나타내었다.Therefore, the network film containing 2 wt% (Example 1-3) was judged to be superior in terms of gel fraction and thermal properties, and the catalyst content was fixed at 2 wt% in subsequent examples, and Example 1- A photograph of the ISB-N (HDI) film of 3 is shown in Figure 3.

<실시예 2> [NCO]/[OH] 몰 비율에 따른 가교된 ISB 기반 우레탄 폴리머의 제조<Example 2> Preparation of crosslinked ISB-based urethane polymer according to [NCO]/[OH] molar ratio

ISB 기반 네트워크 고분자 (ISB-N) 내부의 ISB 비율에 따른 열적 물성들의 비교를 위하여 R = [NCO]/[OH] 비율에 따른 합성을 진행하였고, 본 합성은 실시예 1에서 진행한 합성 과정과 동일하게 진행하였다. 하기 표 3에 R 값에 따른 가교된 폴리머 네트워크 제조를 위한 조건이 제시되어 있다.To compare the thermal properties according to the ISB ratio within the ISB-based network polymer (ISB-N), synthesis was performed according to the ratio R = [NCO]/[OH], and this synthesis was similar to the synthesis process carried out in Example 1. Proceeded in the same way. Table 3 below presents conditions for preparing cross-linked polymer networks according to R values.

R = [NCO]/[OH]R = [NCO]/[OH] IsosorbideIsosorbide 1,6-HDI1,6-HDI ZnDTCZnDTC SolventSolvent
(4 w/v%)(4w/v%)
R1 timeR1 time PETMPPETMP SolventSolvent
(3 w/v%)(3w/v%)
실시예
2-1
Example
2-1
44 100 mg
(0.7 mmol)
100mg
(0.7 mmol)
460 mg
(2.7 mmol)
460mg
(2.7 mmol)
21.2 mg
(2 wt%)
21.2 mg
(2wt%)
DMF
(26.5 ml)
DMF
(26.5ml)
5 h5h 502 mg
(1.1 mmol)
502mg
(1.1 mmol)
DMF
(+8.9 ml)
DMF
(+8.9 ml)
실시예
2-2
Example
2-2
33 350 mg
(2.4 mmol)
350mg
(2.4 mmol)
1209 mg
(7.21 mmol)
1209mg
(7.21 mmol)
54.6 mg
(2 wt%)
54.6mg
(2wt%)
DMF
(68.2 ml)
DMF
(68.2ml)
5 h5h 1170 mg
(2.4 mmol)
1170mg
(2.4 mmol)
DMF
(+22.7 ml)
DMF
(+22.7 ml)
실시예
2-3
Example
2-3
1.51.5 300 mg
(2.1 mmol)
300mg
(2.1 mmol)
518 mg
(3.1 mmol)
518mg
(3.1 mmol)
21.4 mg
(2 wt%)
21.4mg
(2wt%)
DMF
(26.7 ml)
DMF
(26.7ml)
5 h5h 251 mg
(0.5 mmol)
251mg
(0.5 mmol)
DMF
(+8.9 ml)
DMF
(+8.9 ml)

<실험예 2> 실시예 2에 따른 가교된 우레탄 폴리머의 분석<Experimental Example 2> Analysis of crosslinked urethane polymer according to Example 2

각각의 R 값에 따른 ISB 함량 비율은 10%, 12%, 28% 이며 ISB 함량이 많아질수록 열적 물성이 증가하는 것을 DSC 및 TGA를 통해 측정하였고 이에 대한 결과를 도 4 및 표 4에 제시되어 있다. 즉, 표 4에 실시예 2에 따른 가교된 우레탄 폴리머의 열분석 결과를 제시하였다. ISB의 함량이 많아질수록 열적 물성이 증가하지만 필름이 취성(脆性)을 보이며 잘 부서지고 불투명해지는 경향을 보였다.The ISB content ratio according to each R value is 10%, 12%, and 28%. The increase in thermal properties as the ISB content increases was measured through DSC and TGA, and the results are presented in Figure 4 and Table 4. there is. That is, Table 4 presents the results of thermal analysis of the crosslinked urethane polymer according to Example 2. As the content of ISB increases, the thermal properties increase, but the film tends to become brittle, brittle, and opaque.

본 명세서에서는 물성 측면에서 상대적으로 우수한 R=3 조건을 채택하여 추가 실험인 실시예 3을 진행하였다.In this specification, an additional experiment, Example 3, was conducted by adopting the R=3 condition, which is relatively excellent in terms of physical properties.

R = [NCO]/[OH]R = [NCO]/[OH] Gel fractiongel fraction TT gg TT ii TT d5%d5% 실시예
2-1
Example
2-1
44 96%96% 42℃42℃ 196℃196℃ 277℃277℃
실시예
2-2
Example
2-2
33 98%98% 51℃51℃ 220℃220℃ 273℃273℃
실시예
2-3
Example
2-3
1.51.5 95%95% 62℃62℃ 173℃173℃ 281℃281℃

<실시예 3> 다양한 디이소시아네이트에 따른 가교된 ISB 기반 우레탄 폴리머의 제조<Example 3> Preparation of crosslinked ISB-based urethane polymer according to various diisocyanates

앞서 최적화된 ISB-N 합성 조건을 기준으로 다양한 디이소시아네이트를 도입하여 ISB 기반 네트워크를 합성할 수 있다 (반응식 3 및 4 참조).ISB-based networks can be synthesized by introducing various diisocyanates based on the previously optimized ISB-N synthesis conditions (see Schemes 3 and 4).

[반응식 3][Scheme 3]

[반응식 4][Scheme 4]

상기 ISB-N에는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 (HDI) 이외에 4,4′-메틸렌비스(사이크로헥실 이소시아네이트) (HMDI), 테트라메틸자일렌 디이소시아네이트 (TMXDI) 및 이소포론 디이소시아네이트 (IPDI) 를 포함한다. R = [NCO]/[OH] 값을 3으로 고정하여 합성을 진행했으며 각각의 디이소시아네이트에 따른 반응식 1의 반응 시간을 조사하고 표 1에서 수행한 실험 과정과 동일하게 합성을 진행하였다. 이에 대한 반응 조건들, 즉 디이소시아네이트별 가교된 폴리머 네트워크 제조를 위한 조건을 표 5에 제시하였다.The ISB-N includes, in addition to hexamethylene diisocyanate (HDI), 4,4'-methylenebis(cyclohexyl isocyanate) (HMDI), tetramethylxylene diisocyanate (TMXDI), and isophorone diisocyanate (IPDI). . The synthesis was performed by fixing the value of R = [NCO]/[OH] at 3, the reaction time of Scheme 1 for each diisocyanate was investigated, and the synthesis was performed in the same manner as the experimental procedure in Table 1. The reaction conditions for this, that is, the conditions for preparing the cross-linked polymer network for each diisocyanate, are presented in Table 5.

IsosorbideIsosorbide Isocyanate (3 eq)Isocyanate (3 eq) ZnDTCZnDTC SolventSolvent
(4 w/v%)(4w/v%)
R1 timeR1 time PETMPPETMP SolventSolvent
(3 w/v%)(3w/v%)
실시예
3-1
Example
3-1
700 mg
(4.8 mmol)
700mg
(4.8 mmol)
HDI
(14.4 mmol)
HDI
(14.4 mmol)
109.2 mg
(2.0 wt%)
109.2mg
(2.0 wt%)
DMF
(136.4 ml)
DMF
(136.4ml)
5 h5h 2341.0 mg
(4.8 mmol)
2341.0mg
(4.8 mmol)
DMF
(+45.5 ml)
DMF
(+45.5ml)
실시예
3-2
Example
3-2
600 mg
(4.1 mmol)
600mg
(4.1 mmol)
HMDI
(12.3 mmol)
HMDI
(12.3 mmol)
116.8 mg
(2.0 wt%)
116.8 mg
(2.0 wt%)
DMF
(145.9 ml)
DMF
(145.9ml)
7 h7h 2006.3 mg
(4.1 mmol)
2006.3mg
(4.1 mmol)
DMF
(+48.6 ml)
DMF
(+48.6 ml)
실시예
3-3
Example
3-3
600 mg
(4.1 mmol)
600mg
(4.1 mmol)
TMXDI
(12.3 mmol)
TMXDI
(12.3 mmol)
112.3 mg
(2.0 wt%)
112.3mg
(2.0 wt%)
DMF
(140.4 ml)
DMF
(140.4ml)
7 h7h 2006.3 mg
(4.1 mmol)
2006.3mg
(4.1 mmol)
DMF
(+46.8 ml)
DMF
(+46.8 ml)
실시예 3-4Example 3-4 600 mg
(4.1 mmol)
600mg
(4.1 mmol)
IPDI
(12.3 mmol)
IPDI
(12.3 mmol)
106.9 mg
(2.0 wt%)
106.9 mg
(2.0 wt%)
DMF
(133.6 ml)
DMF
(133.6ml)
5 h5h 2006.3 mg
(4.1 mmol)
2006.3mg
(4.1 mmol)
DMF
(+44.5 ml)
DMF
(+44.5ml)

<실험예 3> 실시예 3에 따른 가교된 우레탄 폴리머의 분석<Experimental Example 3> Analysis of crosslinked urethane polymer according to Example 3

모든 열적 분석들은 용액 캐스팅 뒤 최종 컬링된 필름으로 측정을 수행하였으며 이에 대한 수치, 즉 실시예3에 따른 가교된 우레탈 폴리머의 열 분석 결과를 표 6에 나타내었다.All thermal analyzes were performed on the final curled film after solution casting, and the values, that is, the thermal analysis results of the crosslinked urethal polymer according to Example 3, are shown in Table 6.

IsocyanateIsocyanate Gel fractiongel fraction TT gg TT ii TT d5%d5% 실시예
3-1
Example
3-1
HDIHDI 98%98% 57℃57℃ 222℃222℃ 278℃278℃
실시예
3-2
Example
3-2
HMDIHMDI 96%96% 112℃112℃ 172℃172℃ 262℃262℃
실시예
3-3
Example
3-3
TMXDITMXDI 96%96% 105℃105℃ 152℃152℃ 250℃250℃
실시예 3-4Example 3-4 IPDIIPDI 96%96% 117℃117℃ 167℃167℃ 269℃269℃

디이소시아네이트의 구조적 차이로 인한 열적 물성들의 차이를 보였으며 각각의 용액상 캐스팅 후의 필름 상태가 모두 다르게 제작이 되었다. HMDI의 경우 용액 캐스팅 후 건조 과정에서 겔화(gelation)으로 인해 필름의 두께 조절이 불가하였다. 또한 TMXDI의 경우 최종 컬링된 필름이 매우 큰 취성(脆性)을 보이며 모두 부서지기 때문에 기계적 물성 측정이 불가능하였다. 따라서 HDI 및 IPDI를 함유한 ISB-N 네트워크 필름의 기계적 물성을 비교하였고 이에 대한 UTM 데이터를 도 5에 나타내었다. HDI 및 IPDI의 ISB-N 필름의 최대 응력(stress)은 각각 47 MPa 및 49 MPa이며 변형률(strain) 값은 5.7% 및 3.3%로 나타났으며 IPDI의 구조적 효과로 인해 부서지기 쉬운 상태를 보여준다. 이는 영률(Young's modulus)의 차이로도 설명할 수 있는데, ISB-N (HDI)는 1.1 GPa이며 ISB-N (IPDI)의 경우 1.9 GPa를 나타낸다. 구조적 차이는 기계적 물성뿐만 아니라 열적 물성인 Tg 에서도 큰 차이를 볼 수 있었다.There were differences in thermal properties due to structural differences in diisocyanate, and each film was produced in a different state after solution casting. In the case of HMDI, it was impossible to control the thickness of the film due to gelation during the drying process after solution casting. Additionally, in the case of TMXDI, it was impossible to measure mechanical properties because the final curled film showed very high brittleness and was completely broken. Therefore, the mechanical properties of ISB-N network films containing HDI and IPDI were compared, and the corresponding UTM data is shown in Figure 5. The maximum stress of the ISB-N film of HDI and IPDI was 47 MPa and 49 MPa, respectively, and the strain values were 5.7% and 3.3%, showing a brittle state due to the structural effect of IPDI. This can also be explained by the difference in Young's modulus, which is 1.1 GPa for ISB-N (HDI) and 1.9 GPa for ISB-N (IPDI). Structural differences were seen in not only mechanical properties but also significant differences in thermal properties, Tg.

<실시예 4> 가교된 ISB 기반 재활용 우레탄 폴리머의 제조<Example 4> Preparation of cross-linked ISB-based recycled urethane polymer

제조된 ISB-N (HDI) 고분자 필름의 싸이오우레탄간의 동적공유결합 능력을 검증하기 위해 이하의 실험을 수행하였다. 제작된 필름을 작은 크기로 조각 낸 후, sus 40 mm (L) x 40 mm (W) x 0.2 mm (T) 틀에 넣고 PTFE sheet를 앞뒤로 배치하여 190 ℃에서 2 시간동안 10 MPa로 고온 프레스를 수행하여 필름을 재형성하였다. 도 6는 재가공된 필름의 사진을 보여준다. The following experiment was performed to verify the dynamic covalent bonding ability between thiourethane of the prepared ISB-N (HDI) polymer film. After cutting the produced film into small pieces, place it in a sus 40 mm (L) This was performed to reform the film. Figure 6 shows a photograph of the reprocessed film.

제조된 ISB-N (HDI) 고분자 필름의 재활용 특성을 검증하기 위해 합성된 고분자들의 결합을 해리시키고 다시 가교시킨 뒤 이에 대한 열적 물성과 기계적 물성을 비교하였다. 이를 위해 제작된 필름 (556 mg)에 과량의 PETMP (1 eq, 234 mg)와 DMF (16.7 ml, 3 w/v%)를 첨가하여 150 ℃ 온도에서 24 h 동안 교반시키고 가교된 고분자의 결합들을 해리시켜 클리어한 용액을 얻는다. 해당 용액은 말단이 -SH로 이루어진 낮은 가교 밀도의 올리고머 형태일 것으로 추정된다. 이후 ISB-우레탄 프리폴리머를 이전에 첨가했던 PETMP와 당량비로(stoichiometry) 첨가하여 80 ℃ 온도에서 3 h동안 재가교 시킨다. 이렇게 재가교된 ISB 네트워크 고분자 용액을 테프론 몰드에 캐스팅시켜 표 1에서 수행했던 방법과 동일하게 건조시킨다. 이렇게 재가교된 ISB-NR (HDI) 필름을 얻을 수 있었고 이에 대한 재활용 과정과 최종 필름은 도 7에 나타내었다. In order to verify the recycling characteristics of the prepared ISB-N (HDI) polymer film, the bonds of the synthesized polymers were dissociated, cross-linked again, and the thermal and mechanical properties were compared. For this purpose, an excess amount of PETMP (1 eq, 234 mg) and DMF (16.7 ml, 3 w/v%) were added to the produced film (556 mg), stirred at 150°C for 24 h, and the bonds of the cross-linked polymer were mixed. Dissociate to obtain a cleared solution. It is assumed that the solution is in the form of an oligomer with a low cross-linking density whose terminal is -SH. Afterwards, the ISB-urethane prepolymer was added in an equivalent ratio (stoichiometry) to the previously added PETMP and re-crosslinked for 3 h at a temperature of 80°C. The re-crosslinked ISB network polymer solution was cast in a Teflon mold and dried in the same manner as in Table 1. In this way, a re-crosslinked ISB-NR (HDI) film was obtained, and the recycling process and final film are shown in Figure 7.

<실험예 4> 재활용 전후 우레탄 폴리머의 열적 및 기계적 물성 분석<Experimental Example 4> Analysis of thermal and mechanical properties of urethane polymer before and after recycling

재활용 필름 (ISB-NR)에 대한 열적, 기계적 분석을 도 8, 도 9과 표 7에 나타내었다. 기존의 필름 ISB-N과 비교하여 열적 물성 및 기계적 물성이 다소 감소하였지만 분해 온도 및 응력(stress)은 크게 벗어나지 않았음을 알 수 있다. Thermal and mechanical analyzes of the recycled film (ISB-NR) are shown in Figures 8, 9, and Table 7. Compared to the existing film ISB-N, the thermal and mechanical properties were slightly reduced, but the decomposition temperature and stress did not deviate significantly.

ThicknessThickness TT gg TT ii TT d5%d5% StressStress StrainStrain Young’s modulusYoung’s modulus Gel fractiongel fraction 실시예 4-1Example 4-1 ~350 μm~350 μm 57℃57℃ 220℃220℃ 273℃273℃ 47.6 MPa47.6 MPa 5.7%5.7% 1.1 GPa1.1 GPa 98%98% 실시예 4-2Example 4-2 ~230 μm~230 μm 44℃44℃ 212℃212℃ 267℃267℃ 38.1 MPa38.1 MPa 5.0%5.0% 1.5 GPa1.5 GPa 96%96%

<실험예 5> 가교된 ISB 기반 우레탄 폴리머의 가용매 분해성 효과 관찰<Experimental Example 5> Observation of solvolysis effect of crosslinked ISB-based urethane polymer

이에 대한 결과를 도 10에 나타내었다. 알코올 용매는 DMF와 비슷한 끓는점을 가지는 헥산올을 사용하였고, 혼합 용매는 1:1 비율로 제조하였다. 원활한 용매화 과정을 위해 ISB-N (HDI) 고분자 필름 155 mg 기준으로 DMF:헥산올 (1:1) (10 ml, 1.5 w/v%) 농도를 맞추어준다. 이후 해당 시약들을 포함한 vial을 150 ℃에서 18 h 가열해주었고, 99% 이상 해리되었다는 것을 확인할 수 있었다. 티오우레탄 (thiourethane)의 효과적인 해리 반응으로 인해 알코올 용매에서도 고분자 필름의 용해 효과를 관찰할 수 있었다. 이는 친환경적인 조건내에서 효과적으로 가교 고분자 필름을 해리시킬 수 있다는 것을 보여줄 수 있었다. The results are shown in Figure 10. Hexanol, which has a boiling point similar to DMF, was used as the alcohol solvent, and the mixed solvent was prepared in a 1:1 ratio. For a smooth solvation process, adjust the concentration of DMF:hexanol (1:1) (10 ml, 1.5 w/v%) based on 155 mg of ISB-N (HDI) polymer film. Afterwards, the vial containing the relevant reagents was heated at 150°C for 18 h, and it was confirmed that more than 99% had been dissociated. Due to the effective dissociation reaction of thiourethane, the dissolution effect of the polymer film could be observed even in alcohol solvents. This showed that cross-linked polymer films can be effectively dissociated under environmentally friendly conditions.

<실시예 5> 가교된 ISB 기반 섬유 강화된 우레탄 폴리머의 제조<Example 5> Preparation of cross-linked ISB-based fiber reinforced urethane polymer

앞서 확인한 ISB-N의 재가공 및 재활용 성능을 토대로 ISB-N를 매트릭스 수지로 포함하는 탄소섬유 복합재료 ISB-N 시트 (CF-ISB-N)를 제작하였다. 제작한 CF-ISB-N 시트에 포함된 고분자 matrix 수지 무게는 922mg이며 해당 고분자 수지에 포함된 PETMP 무게만큼 추가로 과량의 PETMP 0.387 g를 DMF (30.1 ml, 3 w/v%)에 녹여 PETMP 용액을 준비한 뒤 CF-ISB-N를 넣어 150℃로 24 시간동안 반응시킨다. 24 시간 뒤 과량의 싸이올 기능기로 인해 고분자 수지의 싸이오우레탄 기능기들이 모두 해리되고 과량의 싸이올기로 인해 용액의 색이 노랗게 변하게 된다. 해리된 고분자 용액에서 탄소 섬유 시트 (CF 시트)를 건져낸 뒤 DMF로 워싱해준 뒤 150 ℃ 진공오븐에서 6시간 건조시켜 함침된 DMF 용액을 모두 건조시켜준다. 본 과정을 통해 CF 시트를 회수할 수 있었으며 이후 추가적인 ISB-PP 물질 (30.1 ml, 3 w/v%)을 합성하여 앞서 CF 시트를 분리하고 남은 용액에 싸이올 당량비에 맞추어 용액상으로 첨가해준다. 이후 탄소섬유 복합재료 ISB-N 시트 (CF-ISB-N)를 제작했던 방법으로 재활용 과정을 도 11에 나타내었다. Based on the previously confirmed reprocessing and recycling performance of ISB-N, a carbon fiber composite material ISB-N sheet (CF-ISB-N) containing ISB-N as a matrix resin was produced. The weight of the polymer matrix resin contained in the manufactured CF-ISB-N sheet is 922 mg, and an excess amount of 0.387 g of PETMP equivalent to the weight of PETMP contained in the polymer resin is dissolved in DMF (30.1 ml, 3 w/v%) to create a PETMP solution. After preparing, add CF-ISB-N and react at 150°C for 24 hours. After 24 hours, all thiourethane functional groups in the polymer resin dissociate due to the excess thiol functional groups, and the color of the solution turns yellow due to the excess thiol groups. Remove the carbon fiber sheet (CF sheet) from the dissociated polymer solution, wash it with DMF, and dry it in a vacuum oven at 150°C for 6 hours to dry all of the impregnated DMF solution. Through this process, the CF sheet was able to be recovered, and then additional ISB-PP material (30.1 ml, 3 w/v%) was synthesized and added to the solution remaining after separating the CF sheet in accordance with the thiol equivalent ratio. Afterwards, the recycling process using the method of manufacturing the carbon fiber composite material ISB-N sheet (CF-ISB-N) is shown in Figure 11.

<실험예 6> 가교된 ISB 기반 섬유 강화된 우레탄 폴리머의 물성 분석<Experimental Example 6> Physical property analysis of cross-linked ISB-based fiber reinforced urethane polymer

탄소섬유 복합재료에서 분리된 탄소섬유 (CF)의 표면적 상태를 확인하기 위하여 주사전자현미경 측정을 시행하였고 해당 사진은 도 12에 나타내었다. 재활용 전(Original) CF와 비교하여 재활용 후(Recycle) CF의 경우에도 깨끗한 탄소섬유 상태인 것을 확인할 수 있었다. 이는 티오우레탄의 용해 효과로 인해 효과적인 탄소섬유 박리가 가능하다는 점을 의미한다. 회수 전/후의 탄소섬유의 주사전자현미경 사진과 비교하여 CF-ISB-N 복합재료의 표면의 경우 탄소섬유 사이사이 고분자 기지가 함침되어있는 모습을 관찰할 수 있다. 회수된 탄소섬유의 TGA 열분석을 통해서도 기존 재활용 전 CF와 비슷한 중량 변화를 관찰할 수 있었고, 고분자 기지가 깨끗하게 제거되었다는 것을 의미하게 된다. 무게 중량 변화에 관한 실험 데이터는 도 13에 나타내었다.Scanning electron microscopy was measured to confirm the surface area of carbon fiber (CF) separated from the carbon fiber composite material, and the photo is shown in Figure 12. Compared to the original CF before recycling, it was confirmed that the CF after recycling was also in a clean carbon fiber state. This means that effective carbon fiber peeling is possible due to the dissolving effect of thiourethane. Compared to scanning electron microscope images of carbon fibers before and after recovery, it can be observed that the surface of the CF-ISB-N composite material is impregnated with a polymer matrix between the carbon fibers. Through TGA thermal analysis of the recovered carbon fiber, a weight change similar to that of CF before recycling was observed, indicating that the polymer matrix was cleanly removed. Experimental data on weight change is shown in Figure 13.

Claims (11)

강화섬유; 및
싸이오우레탄 결합으로 가교된 이소소비드 기반 우레탄 폴리머;를 포함하며,
상기 우레탄 폴리머는 싸이오우레탄 결합의 동적 가교를 위한 촉매를 포함하는,
재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머.
reinforcing fiber; and
It includes an isosorbide-based urethane polymer crosslinked with a thiourethane bond,
The urethane polymer contains a catalyst for dynamic crosslinking of thiourethane bonds,
Recyclable fiber-reinforced urethane polymer.
제1항에 있어서, 상기 가교된 이소소비드 기반 우레탄 폴리머는 이소소비드가 포함된 우레탄 프리폴리머가 3 이상의 싸이올기를 가지는 가교제에 의하여 가교된,
재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머.
The method of claim 1, wherein the crosslinked isosorbide-based urethane polymer is a urethane prepolymer containing isosorbide crosslinked by a crosslinking agent having 3 or more thiol groups.
Recyclable fiber-reinforced urethane polymer.
제1항에 있어서, 상기 촉매는 하기 [화학식 6]으로 정의되는 ZnDTC 군, [화학식 7]로 정의되는 TBD 군, [화학식 8]로 정의되는 DBU, 및 [화학식 9]로 정의되는 DBTDL 군 촉매에서 선택되는, 재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머.
[화학식 6]

(단, 여기서 R1 내지 R4 는 독립적으로 각각 C1 내지 C10의 알킬)
[화학식 7]

(단, 여기서 R5 는 H 또는 C1 내지 C10의 알킬)
[화학식 8]

[화학식 9]

(단, 여기서 R6는 C1 내지 C20의 알킬이고, R7은 C1 내지 C10의 알킬이되, R6는 R7에 비해 탄소수가 같거나, 더 큼)
The method of claim 1, wherein the catalyst is a ZnDTC group defined by [Formula 6], a TBD group defined by [Formula 7], a DBU defined by [Formula 8], and a DBTDL group catalyst defined by [Formula 9] A recyclable fiber-reinforced urethane polymer selected from .
[Formula 6]

(However, here R1 to R4 are each independently C1 to C10 alkyl)
[Formula 7]

(However, here R5 is H or C1 to C10 alkyl)
[Formula 8]

[Formula 9]

(However, here R6 is C1 to C20 alkyl, and R7 is C1 to C10 alkyl, but R6 has the same or greater carbon number than R7.)
제2항에 있어서, 상기 우레탄 프리폴리머는 이소소비드 및 폴리이소시아네이트를 반응시켜 얻어지는,
재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머.
The method of claim 2, wherein the urethane prepolymer is obtained by reacting isosorbide and polyisocyanate.
Recyclable fiber-reinforced urethane polymer.
제4항에 있어서, 상기 폴리이소시아네이트는 디이소시아네이트인,
재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머.
The method of claim 4, wherein the polyisocyanate is diisocyanate,
Recyclable fiber-reinforced urethane polymer.
제2항에 있어서, 상기 우레탄 프리폴리머의 수평균분자량은 100 이상 1000 이하인,
재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머.
The method of claim 2, wherein the number average molecular weight of the urethane prepolymer is 100 to 1000,
Recyclable fiber-reinforced urethane polymer.
제1항에 있어서, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 아라미드섬유 또는 유리섬유인,
재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머.
The method of claim 1, wherein the reinforcing fiber is carbon fiber, aramid fiber, or glass fiber.
Recyclable fiber-reinforced urethane polymer.
이소소비드가 포함된 우레탄 프리폴리머 및 싸이오우레탄 동적가교를 위한 촉매를 포함하는 제1성분;
3 이상의 싸이올기를 가지는 가교제를 포함하는 제2성분; 및
강화섬유를 포함하는 제3성분;을 포함하는,
재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머 제조용 키트.
A first component containing a urethane prepolymer containing isosorbide and a catalyst for dynamic crosslinking of thiourethane;
A second component containing a cross-linking agent having 3 or more thiol groups; and
Containing a third component containing reinforcing fibers,
Kit for manufacturing recyclable fiber-reinforced urethane polymer.
이소소비드가 포함된 우레탄 프리폴리머, 3 이상의 싸이올기를 가지는 가교제, 싸이오우레탄 결합을 위한 촉매 및 강화섬유를 포함하는 조성물을 준비하는 단계; 및
가교반응을 수행하는 단계;를 포함하는,
재활용 가능한 섬유강화 우레탄 폴리머 제조방법.
Preparing a composition including a urethane prepolymer containing isosorbide, a crosslinking agent having 3 or more thiol groups, a catalyst for thiourethane bonding, and reinforcing fibers; and
Including the step of performing a crosslinking reaction,
Method for manufacturing recyclable fiber-reinforced urethane polymer.
싸이오우레탄 결합으로 가교된 이소소비드 기반 우레탄 폴리머로써,
상기 우레탄 폴리머는 싸이오우레탄 결합의 동적 가교를 위한 촉매를 포함하는,
재활용 가능한 우레탄 폴리머.
It is an isosorbide-based urethane polymer crosslinked with thiourethane bonds.
The urethane polymer contains a catalyst for dynamic crosslinking of thiourethane bonds,
Recyclable urethane polymer.
이소소비드가 포함된 우레탄 프리폴리머, 3 이상의 싸이올기를 가지는 가교제, 및 싸이오우레탄 결합을 위한 촉매를 포함하는 조성물을 준비하는 단계; 및
가교반응을 수행하는 단계;를 포함하는,
재활용 가능한 우레탄 폴리머 제조방법.
Preparing a composition including a urethane prepolymer containing isosorbide, a crosslinking agent having 3 or more thiol groups, and a catalyst for thiourethane bonding; and
Including the step of performing a crosslinking reaction,
Method for manufacturing recyclable urethane polymer.
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Macromolecules, 2019, 52, 8207-8216.
Molecules, 2019, 24, 1061.

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