Biomass 유래 Building Block을 원료로 사용한 Polyester Polyol 중합 및 Polyurethane 탄성체 물성에 대한 연구 = A Study on Mechanical Properties of Polyester Polyols and Polyurethane Elastomers Synthesized by Biomass Building Blocks

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 압출 및 사출가공에 이용되는 재료인 TPU(thermoplastic polyurethane)탄성체를 중합하고 그 특성에 관한 연구를 진행하였다.
현재 공업적으로 사용되고 있는 polyester polyol은 벤젠을 출발물질로 하는 adipic acid 와 phthalic acid 및 각종 glycol을 병용하여 제조되어 진다.
최근에는 biomass유래의 building block이 개발되어 각종 polyol에 응용되기 시작 하였다. 대표적인 building block으로서 azelaic acid, sebacic acid, succinic acid와 같은 dicarboxyylic acid류, 1,3-propanediol, isosorbide와 같은 디올류가 대표적인 예이다. 본 연구에서는 azelaic acid, 1,3-propanediol, isosorbide 등을 원료로 하여 polyester polyol을 축중합하고 이어서 TPU를 합성하였다. Isocyanate는 MDI(diphenylmethane disocyanate), IPDI(isophorone diisocyanate), H12MDI(dicyclohexylmethane diisocyanate)등을 사용하였고 chain extender는 1,4-butanediol과 isosorbide를 사용하였다.
Azelaic acid와 1,3-propanediol을 원료로 하여 제조된 polyester polyol이 가장 낮은 점도를 가져 제조시에 취급하기가 용이하였고 이것으로 제조된 TPU는 내마모성 등의 물성이 우수한 것을 알수 있었다. Aromatic diisocyanate를 사용한 TPU가 cyclic diisocyanate 보다 높은 물성을 나타내었고, 1,4-butanediol를 chain extender 로 사용한 TPU 가 isosorbide를 사용한 TPU 보다 우수한 물성을 나타내었다.
그러나 azelaic acid와 isosorbide를 원료로 하여 제조된 polyester polyol은 점도가 높고 취급하기가 어려워 이것으로 제조된 TPU는 취약한 물성을 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this research, the synthesis and characterization of TPU (thermoplastic polyurethane) elastomers which could be applied in extrusion and injection process had been studied. In recent years, some researches have paid more attention with the polyols which synthesized by biomass materials, such as azelaic acid, sebacic acid, succinic acid which are called dicarboyylic acid; and diols like 1,3-propanediol, isosorbide.
The polyester polyols were synthesized by azelaic acid, 1,3-propanediol and isosorbide. Then used three kinds of isocyanates (MDI, IPDI and H₁₂MDI) and 2 kinds of chain extenders (1,4-butanediol and isosorbide) to synthesize the bio based TPU. And the polyester polyol which made by azelaic acid and 1,3-propanediol is easy to synthesize. and it showed the low viscosity.
The TPU synthesized by this polyester polyol showed great abrasion resistance in this work. The TPU which used aromatic diisocyanate showed better mechanical properties than TPU used cyclic diisocyanate, 1,4-butanediol also provide better mechanical properties than isosorbide when used as chain extender.
However, the polyester polyol which was synthesized by azelaic acid and isosorbide showed the high viscosity, it is hard to take measures, and the TPU used this polyester polyol showed the worst mechanical properties in this work.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절. 연구의 배경 1
• 1. Polyurethane(PU)의 역사적 배경 1
• 2. PU의 개요 2
• 3. Biomass 유래의 building block의 이용 2
• 4. 바이오 기반 풀리우레탄의 제조경로 5
• 5. 바이오 기반 고분자의 종류 와 제조경로 5
• 6. 바이오 고분자의 전구체인 바이오기반 building blocks 9
• 제2절. 바이오 PU원료로 사용되는 polyester polyol의 합성 11
• 1. Polyol의 구성성분 11
• 2. Polyol의 축중합 12
• 제3절. TPU탄성체의 중합과 제조공정 14
• 1. TPU중합 14
• 2. TPU용 첨가제 15
• 3. TPU의 중합에서 solubility parameter(SP)와 마이크로 상분리 17
• 제4절. PU의 분자설계 21
• 1. PU의 기본적인 분자설계 21
• 2. PU의 합성과 구조에 따른 물성 24
• 3 . Diisocyanate의 구조에 따른 물성 27
• 4. Polyol의 구조에 따른 물성 31
• 5.. 쇄연장제구조에 따른 물성 36
• 6. 촉매의 영향 40
• 7. PU의 마이크로 상분리 구조 43
• 제2장 실험 44
• 제1절. Polyester polyol 합성 44
• 1. 시약 및 기기 44
• 2. Polyester polyol 중합 45
• 3. Polyester polyol 분석 49
• 제2절 . Polyurethane 합성 66
• 1. 원료 66
• 2. 중합 66
• 3. 성분분석 및 물성측정 방법 78
• 4. 결과 및 고찰 80
• 제3장 결론 128
• 1. 바이오 폴리올 PE-4의 특징 128
• 2. 바이오 폴리올 PE-5의 특징 128
• 3. 바이오 폴리올 PE-6의 특징 129
• 4. 바이오 폴리올 PE-7의 특징 129
• 5. 바이오 폴리우레탄의 특징 129
• 참 고 문 헌 132
• ABSTRACT 140