2023-2 폴리우레탄 탄성체의 합성 Week 4 03분반 1. 실험 목적 - 폴리우레탄 중합반응인 수소 이동 반응 이해 - 폴리우레탄 탄성체의 제조 방법 및 이에 따른 특성 변화 확인 2. 실험 이론 (1) 폴리우레탄 (Polyurethane) - 고분자 주사슬에 우레탄 결합이 반복적으로 들어있는 화합물 - Soft segment와 Hard segment 로 이루어지며 이 비율에 따라 기계적 물성 변화 Polyurethane synthesis urethane bond hard segment soft segment * hard segment와 soft segment에 알킬기(R) 종류 변화 가능 * Urethane bond란? alcohol과 isocyanate 사이의 첨가반응으로 나타나는 결합 2. 실험 이론 (2) 폴리우레탄 특성 hard segment Hard segment 양 말단에 이소시아네이트기(Isocyanate Group, -N=C=O)를 가지는 이소시아네이트(Isocyanate) TDI MDI (3) 폴리우레탄 용도 - 완충재: 낮은 밀도, 유연성, 피로 저항 - 신발 밑창: 유연성, 내마모성, 내구성, 강도 - 건축 패널: 단열, 강도, 긴 수명 - 인공 심장 판막: 유연성 및 생체 안정성 - 전기 장비: 전기 절연성, 인성, 내유성 soft segment Soft segment 양 말단에 하이드록시기(-OH)를 2개 이상 가지는 폴리올(Polyol) Polyether polyol (PPG(poly-propylene-glycol), PTMEG(poly-tetramethylene-ether-glycol)) Polyester polyol 2. 실험 이론 (4) 폴리우레탄 합성 메커니즘 mechanism ① mechanism ② • mechanism ①: Urethane bond → Addition polymerization - 분자 당 2개 이상의 hydroxyl group(-OH)를 갖고 있는 alcohol(다이올, 트리올, 폴리올)과 분자 당 1개 이상의 isocynate group(N=C=O)를 갖는 isocynate가 부가 중합 반응(Addition polymerization)에 의해 반응열을 발생시키며 형성 • mechanism ②: 고분자 중합체의 분자량 ↑ 2. 실험 이론 (4) 방향족 Isocyanate 종류에 따른 폴리우레탄 차이점 MDI (Methylene Diphenyl Diisocyanate) : 더욱 복잡한 구조를 가지며 더 많은 공정과 제품 TDI (Toluene Diisocyanate) : 다기능성을 가질 수 있다. 높은 내수성과 높은 탄성을 갖고 있어 경질 및 반경질 foam 제조에 사용된다. 습기에 덜 민감하고 낮은 가교온도에서 가공 가능하여 연질 foam 제조에 사용된다. 주로 쿠션용 저밀도 유연 발포체에 사용된다. 3. 실험 시약 (1) PTMEG (Poly-tetramethylene-ether-glycol) - THF의 중합물 - 상온 이상에서 무색 투명 점도의 액체 - 탄화수소 및 탄화수소염화물에 용해 - 저온에서 탁월한 유연성 (3) MDI (Diphenyl methane diisocyanate) (2) 1,4-butanediol 화학명 화학식 MW(g/mol) m.p.(℃) PTMEG HO[(CH2)4O]nH ~1,000 23~28 1,4-Butanediol HO(CH2)4OH 90.12 16 MDI C15H10N2O2 250.25 37.2 4. 실험 기구 (1) Heating mantle - 주로 둥근 플라스크를 가열할 때 사용 - 아래에서만 가열하는 경우 열이 닿는 아래부분과 윗부분의 온도 차이가 발생하게 되는데 Heating mantle을 이용하면 용액을 고르게 가열 가능 (2) Condenser - 응축기 또는 환류냉각기 라고도 불리며 종류로는 Liebig, Graham, Dimroth 등이 있음 - 기체나 증기를 냉각하여 응축액을 증류 플라스크로 되돌리는 역할 - 냉각수가 들어가는 곳과 유리관 사이를 통과하여 순환해 나오는 곳이 있음 (3) Nitrogen gas cylinder (질소 봄베) - 질소 가스를 고압의 압축 기체로 해서 넣는 고압 용기 - 반응기 내부로 질소를 넣어주는 역할 ※ 실험상 편의를 위해 Condenser와 질소 봄베는 사용하지 않습니다. 5. 실험 방법 (1) MDI 5g을 4구 250ml 플라스크에 정량 - MDI는 상온에서 고체이기 때문에 바이알에 정량하여 미리 온도를 올려둔 상태의 시약 이용 (2) 4구 플라스크에 온도계, 적하깔때기, 환류냉각기, 질소 봄베를 설치 - 실험 수업 상 편의를 위해 4구 플라스크 대신 비커를 이용하며 환류 냉각기와 질소 봄베는 설치하지 않고, 온도계는 적외선 온도계로 대체하여 실험 진행 (3) 히팅 맨틀을 사용하여 MDI를 80℃에서 80rpm으로 magnetic stirring (4) 분자량이 1000인 PTMEG 10g을 적하깔때기에 넣은 후 1초에 1방울 떨어뜨리며 반응 (2 hr) - PTMEG는 상온에서 굳어진 상태이기 때문에 미리 정량하여 40도에서 가열한 시약 이용 (5) (4)에서 만들어진 pre-polymer에 BD(1,4-butanediol) 0.6g을 첨가하여 10분 magnetic stirring (1000 rpm) (6) 유리판에 혼합물을 부어 유리봉으로 평평하게 casting (7) 80℃ 오븐에 넣어 가열 후 오븐에서 꺼내어 폴리우레탄 탄성체 확인