중합공학실험_에폭시수지 합성

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중합공학실험_에폭시수지 합성에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

두 분자의 bisphenol-A과 함께 세 분자의 epichlorohydrin이 있다면 모든 epichlorohydrin 분자들은 50:50 혼합물로 반응하게 된다.
이때 다시 나트륨 염 부분에 산소원자가 에폭시기의 탄소원자로 공격을 가하게 된다.
이에 따라 생성된 dimer는 산소 원자에 negative charge가 나타나고, 이는 물 분자와 전자를 공유하게 된다(아래 그림을 참조). 그러므로 물 분자의 수소원자를 빼앗아오며 HO- 이온과 나트륨 이온은 빠져 나오게 된다.
- 디아민을 이용하여 이루어지는 가교
앞서서 만든 diepoxy prepolymer에 diamine을 첨가하여 고정시킬 수 있다. 디아민은 prepolymer의 말단 에폭시기에 다가가 결합하게 되는데, 아민기의 전자쌍이 에폭시기의 탄소원자와 결합하고 에폭시기의 산소원자는 탄소원자의 전자를 흡수하게 된다.
이때 산소원자로 몰린 전자들과 탄소가 잃어버린 전자의 불균형으로 인해 산소와 탄소의 결합은 깨지게 된다. 그리고 탄소와 질소원자는 새로운 결합을 형성하게 된다. 그 결과, 산소원자는 negative charge를, 질소 원자는 positive charge를 띠게 된다.
산소원자에 몰린 비공유 전자쌍들은 다른 원자들과 공유하지 않고, 질소 원자에 결합된 수소원자를 공격하여 수소원자를 빼앗아 alcohol group을 만들고 amine group이 형성된다.
amine group의 남은 수소원자 하나도 다른 에폭시기와 반응하고, amine group에 다른 쪽의 말단 부분도 두 에폭시기와 결합한다. 그 결과 하나의 diamine 분자에 총 4개의 diepoxy prepolymer가 결합한다.
아래 그림과 같이 계속해서 diepoxy prepolymer의 다른 말단도 또한 diamine 분자와 결합하여서 하나의 큰 crosslinked network 구조를 가지게 된다.
모든 디아민과 모든 에폭시 분자가 결합되어 거대한 하나의 분자를 형성하게 된다. 당연히 매우 강하고 딱딱한 물질로 변하게 되는데, 대신에 성형은 불가능하게 된다. 즉, 금형을 이용하여 원하는 모양으로 만들거나 녹일 수가 없게 되는 것이다. 왜 두 가지를 미리 섞어놓지 않았는지 이유가 밝혀졌다. 미리 섞어 놓았다면 딱딱한 고체로 굳어 접착제로 사용할 수 없게 되었을 것이다.
에폭시 수지는 두말할 필요도 없이 훌륭한 접착제이며 열경화성 수지이다. 특히 금속에 사용할 수 있는 몇 안 되는 접착제 중 하나이다. 에폭시 수지는 이외에도 보호용 코팅, 전자 회로 기판 등에 사용하기도 하며, 콘크리트 포장의 구멍을 때울 때도 유용하게 사용된다. 에폭시는 복합재료(composite)를 만들 때도 사용된다. 에폭시를 사용하여 복합재료를 만드는 유용한 공정이 있는데 이는 SCRIMP라 불린다.
3. 실험 도구
- 시약 : 정제된 bisphenol-A (45.6g - 0.2㏖), 정제된 epichlorohydrin (29g - 0.314㏖), 증류수, 15g NaOH in 150㎖ 증류수
- 기구 : 2구 플라스크, 반응장치 세트, 온도계, 교반기, 환류냉각기, 분별깔대기, 알루미늄 dish
4. 실험 방법
① 플라스크에 정제된 bisphenol-A (45.6g) + 15g NaOH in 150㎖ 증류수를 넣고
교반시킨다. 10분에 걸쳐서 50℃까지 승온시킨다.
② 정제된 epichlorohydrin (29g - 0.314㏖)을 첨가한다.
③ 20분에 걸쳐서 90℃까지 승온 후 40분간 유지시킨다. 이때 95℃를 넘지 않도록 한다. 이는 부반응을 억제시키기 위함이다.
④ 반응을 종료하고 방치하여 나눠진 상등액(위층), 수지층(아래층)에서 수지층만 남긴다.
⑤ 수지층에 90℃ 증류수를 붓고(슬러시→점도 생김) 격렬히 교반하여 세척시킨다.
(85~95℃ 유지)
⑥ ⑤번의 단계를 여러 번 반복한다.
⑦ 수지를 알루미늄 dish에 옮겨 가열과 냉각을 반복한다.
* 주의 사항
- 시약 취급 시 장갑을 착용하여 피부 접촉을 방지한다.
- 교반 시나 가열과 냉각 과정을 거칠 시에 특히 주의하도록 한다.
- 히팅 스테이지를 사용할 때 높은 온도에 주의하고 반드시 냉각기를 설치한다.
- 실험에 사용되는 약품들은 독성이 있으므로 취급 시 주의하도록 한다.
5. 실험 결과 및 고찰
이번 실험에서는 끈적끈적한 접착제로 쓰이는 에폭시 수지를 제조해보았다. 실험 과정은 비교적 쉬워서 합성하는 데 큰 어려움이 없었다. 하지만 넣어야 될 시약들을 다 첨가한 후에 시간을 어느 정도 두면서 서서히 온도를 올려야 했는데 너무 급격하게 온도를 올린 것이 오차에 영향을 끼쳤을 것이라 생각된다. 온도계를 확인하면서 95℃를 넘지 않으려고 하였고 온도계로는 아슬아슬하게 넘진 않았지만 어느 정도 부반응이 있었을 것이라 예상된다. 그리고 금방 굳어버리는 수지의 특성 때문에 격렬히 교반시키는데 어려움이 있었고, 교반 봉이 회전하는데 점도가 생긴 수지 때문에 느리게 돌다가 갑자기 빠르게 회전하여서 이것을 특히 주의하면서 교반시켰다. IR 분석을 통하여 합성한 에폭시 수지의 특성을 자세히 살펴보자.
* FT-IR spectrum of Epoxy resin
* 합성한 Epoxy resin의 IR 그래프
- 합성한 Epoxy resin의 IR 분석을 실행한 결과, 3500cm-1 부근에서 peak가 나타났는데 이는 O-H stretching을 나타낸다. 또한 3500~3300cm-1에서의 peak 부분에서 Amine N-H stretch가 더불어 나타남을 알 수 있다. 그리고 2900~2850cm-1에서의 peak 부분에서 CH2와 CH 분자의 C-H stretch가 보이며, 특히 1650cm-1부터 1500~1000cm-1 이하의 범위까지 peak가 많이 나타나는데 이로써 Aromatic C=C & C-H bending을 확인할 수 있다. 기존의 Epoxy 수지의 IR spectrum과 거의 비슷한 모양의 그래프가 나옴을 확인할 수 있다.
* DSC thermogram of room temperature-curing epoxy (---) before and (-) after post-curing

키워드

Polymerization of Epoxy resin,   디아민(diamine),   디에폭시(diepoxy)