기존 폴리우레탄 코팅의 손상에 취약하고 자가 치유 능력이 부족하다는 문제점을 해결하기 위해, 연구진은 Diels–Alder(DA) 고리화 첨가 메커니즘을 통해 5wt% 및 10wt%의 자가 치유제를 함유한 자가 치유 폴리우레탄 코팅을 개발했습니다. 연구 결과, 자가 치유제 첨가는 코팅 경도를 3%~12% 증가시키고, 120°C에서 30분 이내에 85.6%~93.6%의 스크래치 자가 치유 효율을 달성하여 코팅의 수명을 크게 연장하는 것으로 나타났습니다. 본 연구는 엔지니어링 재료의 표면 보호를 위한 혁신적인 해결책을 제시합니다.
공학재료 분야에서 코팅재료의 기계적 손상 복구는 오랫동안 주요 과제였습니다. 기존의 폴리우레탄 코팅은 우수한 내후성과 접착력을 보이지만, 긁힘이나 균열이 발생하면 보호 성능이 급격히 저하됩니다. 생물학적 자가 치유 메커니즘에서 영감을 받아, 과학자들은 동적 공유 결합 기반의 자가 치유 소재를 연구하기 시작했으며, 특히 온화한 반응 조건과 우수한 가역성으로 인해 Diels-Alder(DA) 반응이 주목받고 있습니다. 그러나 기존 연구는 주로 선형 폴리우레탄 시스템에 집중되어 있어, 가교 폴리우레탄 분말 코팅의 자가 치유 특성에 대한 연구는 미흡한 실정입니다.
이러한 기술적 장벽을 극복하기 위해 국내 연구진은 푸란-말레산 무수물과 푸란-비스말레이미드라는 두 가지 DA 자가 치유제를 수산화된 폴리에스터 수지 시스템에 혁신적으로 도입하여 우수한 자가 치유 특성을 지닌 폴리우레탄 분말 코팅을 개발했습니다. 본 연구에서는 ¹H NMR을 이용하여 자가 치유제의 구조를 확인하고, 시차 주사 열량계(DSC)를 이용하여 DA/역-DA 반응의 가역성을 검증했으며, 나노압입법과 표면 프로파일 측정법을 통해 코팅의 기계적 특성 및 표면 특성을 체계적으로 평가했습니다.
주요 실험 기법 측면에서, 연구팀은 먼저 2단계 방법을 이용하여 하이드록실기를 함유한 DA 자가 치유제를 합성했습니다. 그 후, 용융 혼합법을 통해 자가 치유제를 5wt% 및 10wt% 함유한 폴리우레탄 분말을 제조하고, 정전기 분무법을 이용하여 강철 기판에 도포했습니다. 자가 치유제를 첨가하지 않은 대조군과 비교하여, 자가 치유제 농도가 재료 특성에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다.
1.NMR 분석을 통해 치유제의 구조가 확인되었습니다.
1H NMR 스펙트럼은 아민이 삽입된 푸란-말레산 무수물(HA-1)이 δ = 3.07 ppm 및 5.78 ppm에서 특징적인 DA 고리 피크를 나타내고, 푸란-비스말레이미드 부가물(HA-2)은 δ = 4.69 ppm에서 전형적인 DA 결합 양성자 신호를 나타내어 치유제의 성공적인 합성을 확인시켜 주었다.
2.DSC 분석을 통해 열적으로 가역적인 특성이 밝혀졌습니다.
DSC 곡선은 자가 치유제를 함유한 시료에서 75°C 부근에서 디하이드로아세트산(DA) 반응에 대한 흡열 피크가, 110~160°C 범위에서 역 디하이드로아세트산(retro-DA) 반응에 대한 특징적인 피크가 나타남을 보여주었습니다. 피크 면적은 자가 치유제 함량이 높을수록 증가하여 우수한 열적 가역성을 나타냈습니다.
3.나노압입 시험 결과 경도 향상이 나타났습니다.
깊이 감지 나노압입 시험 결과, 자가 치유제를 5wt% 및 10wt% 첨가했을 때 코팅 경도가 각각 3% 및 12% 증가한 것으로 나타났습니다. 8500nm 깊이에서도 0.227GPa의 경도 값이 유지되었는데, 이는 자가 치유제와 폴리우레탄 매트릭스 사이에 형성된 가교 네트워크 덕분입니다.
4.표면 형태 분석
표면 거칠기 테스트 결과, 순수 폴리우레탄 코팅은 기판의 Rz 값을 86% 감소시킨 반면, 자가 치유제를 함유한 코팅은 입자 크기가 커짐에 따라 거칠기가 약간 증가하는 것으로 나타났습니다. 주사전자현미경(FESEM) 이미지는 자가 치유제 입자로 인한 표면 질감 변화를 시각적으로 보여줍니다.
5.상처 치유 효율의 획기적인 발전
광학 현미경 관찰 결과, 자가 치유제 10wt%를 함유한 코팅을 120°C에서 30분간 열처리했을 때 스크래치 폭이 141μm에서 9μm로 감소하여 93.6%의 자가 치유 효율을 달성한 것으로 나타났습니다. 이러한 성능은 기존 문헌에 보고된 선형 폴리우레탄 시스템보다 훨씬 우수합니다.
Next Materials에 발표된 본 연구는 여러 가지 혁신적인 특징을 제시합니다. 첫째, 개발된 DA 변성 폴리우레탄 분말 코팅은 우수한 기계적 특성과 자가 치유 능력을 결합하여 경도를 최대 12%까지 향상시킵니다. 둘째, 정전기 분무 기술을 사용하여 가교 네트워크 내에 치유제를 균일하게 분산시켜 기존 마이크로캡슐 기술에서 흔히 발생하는 위치 정확도 문제를 해결합니다. 가장 중요한 점은 이러한 코팅이 비교적 낮은 온도(120°C)에서 높은 치유 효율을 달성하여 기존 문헌에 보고된 145°C의 치유 온도보다 산업적 적용 가능성을 높인다는 것입니다. 본 연구는 엔지니어링 코팅의 수명 연장을 위한 새로운 접근 방식을 제시할 뿐만 아니라, "치유제 농도-성능" 관계에 대한 정량적 분석을 통해 기능성 코팅의 분자 설계를 위한 이론적 틀을 구축합니다. 향후 치유제 내 수산기 함량 및 우레트디온 가교제의 비율을 최적화하면 자가 치유 코팅의 성능 한계를 더욱 확장할 수 있을 것으로 기대됩니다.
게시 시간: 2025년 9월 15일