폴리시아누레이트 열경화성 수지의 가교 메커니즘에 대한 탐구 및 검증

요약

• 폴리시아누레이트 시스템의 유리전이온도( 유리 전이 온도 , Tg), 밀도, 열팽창 계수 등 주요 열물리적 특성을 정확하게 예측하였다.
• 사전 합성된 트리아진 기를 사용하는 대신, 그 구성 성분인 디(시아네이트 에스테르) 단량체를 이용해 최초로 사실적인 폴리시아누레이트 모형을 제작했다.
• 침투제 주입 및 반경 분포 함수 분석을 통한 열경화성 매트릭스 내 수분 흡수 및 분포의 효과적인 모델링
• 실험적 방법으로는 관찰되지 않았던 폴리시아누레이트의 대체 수분 흡수 메커니즘을 제안하였다
• 고성능 열경화성 고분자의 합리적인 설계를 가능하게 했다

과제

폴리시아누레이트와 같은 열경화성 고분자는 높은 유리전이온도(_Tg)와 뛰어난 난연성 등 우수한 성능 특성 덕분에 항공우주 분야의 고온 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 모델링 및 시뮬레이션을 통해 습식 화학 분석에 소요되는 막대한 시간과 자원을 들이지 않고도 고성능 응용 분야에 필요한 특정 특성을 갖춘 후보 소재를 신속하게 선별할 수 있게 되었습니다. 그러나 폴리시아누레이트와 같은 열경화성 고분자의 특성을 예측하는 데에는 다음과 같은 어려움이 있습니다:

• 경화/가교 반응과 같은 반응들은 대개 복잡하며, 여러 가지 요소를 고려해야 합니다.
• 수천 개의 반응성 기를 포함하는 대규모 세포에 대한 반복적 가교 시뮬레이션은 최근 몇 년간 GPU 가속 분자 동역학( 분자동역학 , MD) 시뮬레이션 기술이 발전하기 전까지는 불가능했습니다.
• 물성 예측과 동역학 연구에 있어 현실적인 모델 시스템을 구축하는 것은 무엇보다 중요하지만, 폴리시아누레이트 시스템에 대한 디(시아네이트 에스테르)의 현장 가교 반응 사례는 극히 드물다.

접근 방식

공군 연구소(AFRL)와 Schrödinger 의 과학자들은 미리 합성된 트리아진 기를 사용하는 대신, 구성 성분인 디(시아네이트 에스테르) 단량체를 활용해 사실적인 폴리시아누레이트 모델을 구축하고, 가교 형성 메커니즘을 규명하기 위해 공동 연구를 진행했습니다. 모든 화학 모델은 Schrödinger Materials Science Suite와 Desmond 분자 동역학(MD) 시스템을 사용하여 구축되었으며, 시뮬레이션도 이를 통해 수행되었습니다:

결과

본 연구에서는 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 활용하여 폴리시아누레이트 네트워크를 형성함으로써, 열물리적 특성을 예측하고 원자 수준에서 수분 흡수 및 응결 거동을 규명하고자 한다. 이 모델의 예측 능력은 수분 흡수 같은 특성을 평가하기 위한 신규 단량체의 합성이나 제형 개발, 또는 이러한 시아네이트 에스테르 물질 및 기타 시아네이트 에스테르 물질을 활용한 시스템의 기계적 특성 예측 등, 다른 폴리시아누레이트 시스템에 대한 추가 연구에 충분히 유용할 것으로 간주된다.

• 두 가지 서로 다른 기전을 통해 가교 결합된 LECy 시스템의 열물리적 특성(_Tg, 밀도, 열팽창 계수)은 실험 데이터와 잘 일치했다.
• BADCy 및 SIMCy 시스템에 대해 여러 가지 열물리적 특성을 조사한 결과, 시뮬레이션 데이터는 실험 결과와 일치하는 순위를 보여주었다.
• 물은 특정 기 근처에 밀집해 있는 것보다는 자유 공간에 압도적으로 많이 모여드는 경향을 보였다. 그러나 트리아진 고리나 페놀기 같은 극성 기는 물에 대한 친화성을 보였으며, 물이 위치한 자유 공간의 주변부에 머무르는 경향을 보였다.
• 새로운 가설이 제시되었다. SiMCy 단량체의 자유 부피 변화보다는 소수성의 증가가 SiMCy의 수분 흡수 감소에 결정적인 요인이라는 것이다.