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A Highly Self-healable Elastomer Based on the Urea Oligomers for the Enhanced Mechanical Properties and Long-term Storage Stability

A Highly Self-healable Elastomer Based on the Urea Oligomers for the Enhanced Mechanical Properties and Long-term Storage Stability
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Issue Date
2021. 2
본 연구에서는 우레아 올리고머를 기반으로 한 우수한 광학적 특성 및 기계적 특성 을 보유하고 있으며 자가 치유 가능한 탄성체를 합성하였다. 아크릴레이트 기반의 폴 리올, 양쪽 말단에 이소시아네이트기가 있는 선형의 우레아 올리고머 및 다중 이소시 아네이트기가 포함되어 있는 가교제가 혼합되고 혼합된 전구체 용액을 반응시켜 자가 치유 가능한 탄성체 EUo를 합성하였다. 우레아의 올리고머 합성법을 통해 성공적으 로 가공성을 확보할 수 있었으며 상용화 중에 발생할 수 있는 잠재적인 반응기 오염 문제를 방지할 수 있었다. EUo는 92 %의 높은 투과율과 1.5의 낮은 황색 지수를 나 타내어 광학 전자 장치에 보호 필름으로 충분히 적용이 가능하다. 자가 치유 효율에 있어서 우레아 올리고머 기반의 탄성체는 94 %로 우레아 기가 없는 탄성체 (47 %), 우레아 다이올 기반의 탄성체 (62 %)에 비해 뛰어난 자가 치유 효율을 보여주었다. 이는 우레탄기와 우레아기 사이의 강력한 수소 결합에 기인한 것으로, FT-IR 모델링 시스템을 통해 이를 철저히 분석하였다. 자가 치유 특성의 관점에서 국부화된 우레아 올리고머가 무작위로 분포된 우레아 다이올보다 유리하였으나, 반대로 무작위로 분포 된 우레아 다이올은 가교점 사이 거리를 가깝도록 유도하여 인장 강도와 표면 경도에 더 유리하였다. 본 연구 결과를 통해 우레아 올리고머를 기반으로 한 자가 치유 가능 한 탄성체는 기존에 자가 치유 고분자의 활용을 제한시켰던 자가 치유 특성과 기계적 물성 사이에 존재하였던 트레이드 오프 관계를 극복하였다.
A highly self-healable elastomer with superior optical and mechanical properties is synthesized based on urea oligomer in this study. Acrylate-based polyol, linear urea oligomer with isocyanate group at both ends, and cross-linker containing multiple isocyanate groups are blended and the resulting blended precursor is reacted to generate the self-healable elastomer (EUo). The process of oligomer synthesis of urea can successfully ensure processability, thus avoiding potential reactor fouling during commercialization. EUo exhibits a high transmittance (~92%) and low yellow index (~1.5), which makes it applicable to optical electronic devices as a protective film. The elastomer based on urea oligomer shows remarkable self-healing efficiency (94%), which is extremely enhanced compared to conventional elastomer without urea oligomer (47%) and the elastomer based on urea diol (62%). This result is due to the strong hydrogen bonding interaction between urethane and urea groups, and we thoroughly analyze this result through modeling system of FT-IR spectroscopy. From the perspective of self-healing property, the localized urea oligomer is beneficial rather than randomly distributed urea diol. On the other hand, randomly distributed urea diol induces close cross-linking points, resulting in enhanced tensile strength (43 MPa) and surface hardness (0.177 GPa). In this study, the self-healable elastomer based on urea oligomer can overcome the conventional trade-off between self-healing property and robustness that limit the application of self-healing polymers.
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