Reprocessable multi-responsive shape memory polyurethane/lignin composite

Abstract

This thesis concerned on fabrication of a thermally reprocessable thermoset shape memory polymer (SMP) with responsiveness to different stimuli. The thermoset SMP was prepared by crosslinking NCO terminated PU prepolymer, obtained from the reaction of PEG (Mn is 4,000) with excess hexamethylene diisocyanate (HDI), with a lignin. Network bearing dynamic phenol-carbamate bonds were formed from the reaction of NCO of PU prepolymer with phenol of lignin, which were evidenced by FTIR, solubility test and dynamic mechanical analysis. The crosslinked PU/lignin composites exhibited robust mechanical properties (tensile strength of 16 MPa and elongation at break of 300%) and good thermal reprocessability. Presence of lignin as effective photothermal agents and hydrophilic semicrystalline PEG as reversible switching segment, respectively, in the crosslinked PU/lignin composites enable them to exhibit good shape memory behavior under thermal-, NIR- and water-environment (higher than 95% in both shape fixity and shape recovery). This novel recyclable and multi-responsive shape memory PU/lignin composite can be potentially applicable for the design of remote-controllable actuators, wearable devices, and biomedical devices.|본 논문에서는 동적공유결합을 가교구조에 도입함으로써 열에 의해 재가공이 가능하며 여러 자극에 감응하는 열경화성 형상기억고분자에 대해 연구하였다. 이 열경화성 형상기억고분자는 분자량 4,000인 PEG를 과량의 HDI와 우레탄반응 을 통해 말단 NCO를 갖는 폴리우레탄 프리폴리머를 제조한 후, 이를 리그닌으 로 가교시킴으로 제조했다. 폴리우레탄 프리폴리머의 NCO와 리그닌의 페놀간 반응에 의해 동적 공유결합인 페놀-카바메이트 결합을 갖는 네트워크가 형성되었음을 FT-IR, 용해도테스트, 온도에 따른 저장탄성율의 변화결과를 통해 확인했다. 가교된 PU/lignin 복합재료는 리그닌 함량이 커짐에 따라 기계적 성질이 커짐과 가교밀도가 증가하였다. 가교제 및 광열작용제로 작용하는 리그닌과 가역적 결정도메인으로 활용된 친수성 PEG로인해 PU/lignin 복합재료는 열, 빛, 물에 감응하는 형상기억특성을 보였다 (고정율, 회복율 모두 95 % 이상). 한편, PU/lignin 복합재료 네트워크 내에 도입된 동적 페놀-카바메이트 결합으로 인해 고온에서 재가공이 가능한 것을 알 수 있었으며 이것은 응력완화거동 분석으로 확인할 수 있었다. 이러한 재가공이 가능하며 여러 자극에 감응하는 새로운 형상기억 PU/lignin 복합재료는 원격 제어 가능한 액추에이터, 웨어러블 장치 및 생체 의학 장치의 설계에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.