네트워크 구조를 조절하여 화학적 요소를 배제한 자가치유 고분자 네트워크 합성 : Chemistry-independent self-healing polymer network by tailoring network structure
- 주제(키워드) 자가치유 소재 , 고분자 얽힘 현상 , ATRP 고분자 중합법 , 고분지 고분자 분석법 , 응력-변형률 곡선 , self-healing materials , polymer entanglement , ATRP method , hyperbranched polymer characterization , strain-stress curve
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김정욱
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- UCI I804:11029-000000065929
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
2007년에 최초로 생체 모방 분야에서 자가치유 고분자 재료가 응용된 후로, 자가 치유가 가능한 소재는 외부의 자극 없이 스스로 치유될 수 있다는 점에서 각광을 받게 되었다. 그러나 현존하는 대부분의 자가치유 소재들은 수소결합을 이용하거나, 캡슐화 되어있는 단량체들이 찢어지면 젤 경화를 다시 유도하도록 하는 등, 화학 작용기의 관점에서 접근한다. 이는 소재의 화학적 구조에 제약을 가하며, 소재의 물리적 특성의 제약으로 이어진다. 이러한 한계점을 해결하기 위해, 본 논문에서는 고분지 고분자(hyperbranched polymer)의 물리적인 얽힘 현상으로 자가치유를 유도함으로써, 화학적 특성에 독립적인 새로운 자가치유 방법을 제시한다. 이 매커니즘은 고분자 네트워크의 화학적 특성이 아닌 물리적인 분자 구조를 조절하는 것에 초점을 두므로, 재료 화학의 넓은 분야에 적용할 수 있을 것으로 예상한다. 검증을 위해, 폴리(2-하이드록시에틸 아크릴레이트)(poly(HEA)) 네트워크에 동일한 단량체를 사용하여 합성한 고분지 고분자를 도입시켰다. ATRP 고분자 합성법을 이용해 고분자의 구조적 특성들(분자량, 분지 밀도, 분지된 가지 구조의 차원 수 등)을 제어하여 합성하였다. 합성된 특수 고분자들은 다양한 방법(아자이드-알카인 클릭 반응으로 공유결합 시키는 방법, 고분자 네트워크가 경화되기 전의 용액에 특수 고분자를 미리 섞는 방법, 경화된 고분자 네트워크에 특수 고분자를 확산시켜 넣는 방법 등)으로 고분자 네트워크에 도입했다. 고분지 고분자들은 모두 한쪽 끝에 아자이드 작용기를 갖도록 합성했으며, 단량체로 2-하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA) 뿐 아니라 메틸 메타크릴레이트(MMA), 메틸 아크릴레이트(MA)도 사용하여 고분자를 합성하였다. 제어된 분자 구조를 갖는 고분지 고분자를 포함시킨 고분자 네트워크는 변형률의 변화 정도를 측정했을 때, 강한 자가치유 특성을 보였다. 몇몇 샘플들은 상온에서 46시간 치유시킨 후 다시 잡아당겼을 때, 네트워크가 처음 끊어졌던 위치와 완전히 다른 부위에서 끊어지는 현상을 보였다.
more초록/요약
Since its first practical applications in the biomimetic field in 2007, self-healing polymeric materials have attracted attention in the material industry because they can be repaired spontaneously without external treatments. Most existing methods rely on the inclusion of large amounts of chemical functionalities to induce specific interactions such as hydrogen bonding or polymerization of encapsulated monomers to repair damages, which significantly limit the available chemistry and thus compromise performances of materials to be used. To overcome such limitations, we proposed a novel self-healing mechanism that is independent of materials chemistry but relies on physical entanglements of hyperbranched polymer chains. Because our method relies on modulating the molecular structure, not the chemistry, of the polymer network, the self-healing polymer network with a wide variety of material chemistry can be created. As a proof-of-concept, we created a poly(2-hydroxyethyl acrylate) (poly(HEA)) network with the inclusion of hyperbranched chains of identical chemistry. We used the atom transfer radical polymerization (ATRP) to synthesize hyperbranched chains of varying structural characteristics, i.e. molecular weight, branch density, and the number of branch generation, and the resulting chains were introduced to the polymer network using varying methods, i.e. covalently linked via azide-alkyne click chemistry, pre-mixed, or diffused-in. Several chemistries of monomer, including 2-hydroxyethyl acrylate (HEA), methyl methacrylate (MMA), and methyl acrylate (MA), were successfully polymerized into azide-terminated hyperbranched polymers. Using our method, we have shown that the polymer network containing hyperbranched chains of controlled molecular structure exhibited a strong self-healing property, which was demonstrated by measuring the strain recovery of the polymer network. Some samples that had been healed for 46 hours at room temperature were pulled again, and they were found to break at different points than the first cut.
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