In this study, the microcapsules containing self-healable polymeric materials based on the Diels-Alder reaction were prepared and the systematic studies about the self-healing property of the microcapsules were performed. Poly(ethylene glycol) chains were applied in the polymerization of furan-polymer to increase the mobility of self-healable materials. The furan-polymer and bismaleimide were introduced into the core of microcapsule, respectively, and these were successfully confirmed using dye modified materials. The relationship between the synthetic conditions and mechanical properties of microcapules was clarified by measurement of capsule strength, and the self-healing ability of macrocapsules in the PMMA-based polymeric composite was confirmed by the release of core materials by OM, SEM and FTIR. These were considered to be originated from the mobility of furan-polymer in the core of microcapsules. Based on these results, it was confirmed that the microcapsules containing the self-healable furan-polymer in this study have the self-healing properties.

본 연구에서는 Diels-Alder 반응 기반의 자가치유능을 가지는 물질을 포함하는 마이크로 캡슐 제조와 이의 자가치유 특성에 관하여 체계적인 분석을 진행하였다. 자가치유 물질을 포함하는 마이크로 캡슐이 고분자 복합체에 적용되었을 때 자가치유 효과를 발현할 수 있도록 푸란계 고분자 합성과정에서 poly(ethylene glycol) 사슬을 도입하여 유동성을 가질 수 있도록 하였다. 마이크로 캡슐 내부에 합성된 푸란계 고분자와 비스말레이미드를 각각 도입하였으며, 해당물질들이 캡슐 내부에 성공적으로 도입되었는지 확인하였다. 또한 합성조건과 마이크로 캡슐의 기계적 물성과의 상관관계를 규명하였으며, 마이크로 캡슐이 분산된 poly(methyl methacrylate) (PMMA) 기반의 고분자 복합체에 균열을 발생시킨 후, 마이크로 캡슐에서 유출된 물질에 의한 자기치유능을 확인하였다. 이는 마이크로 캡슐내에 포함된 푸란계 고분자가 가지고 있는 유동성에 의한 결과이며, 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서 제조된 푸란계 고분자가 함유된 마이크로 캡슐은 자가치유 특성을 가지고 있음을 확인하였다.

Keywords: self-healing, microcapsule, polyurethane, Diels-Alder reaction, mobility

최근 고분자를 이용한 제품들이 일상생활에 다수 이용되고 있으며, 플라스틱 소재의 도포, 코팅, 복합체 제품 등 다양한 분야로 적용됨에 따라, 고분자 소재의 자가치유능력 도입에 대한 연구가 꾸준히 수행되고 있다.^1-7 고분자 소재가 외력에 의해 발생한 크랙 형성, 파손, 스크래치 등을 자가치유할 수 있는 능력을 가지고 있다면, 고분자 소재의 사용 수명 등 경제적 효과가 증대될 뿐 아니라, 절연소재 등에 적용 시 일상생활의 안전성 향상에도 크게 기여할 수 있다.^8,9 이외에도 최근 전자 재료로의 적용 등 최근 다양한 연구가 활발하게 진행되고 있다.¹⁰
자가치유 고분자 물질의 개발은 20여년 전부터 기존 물질에 자가치유 관능기의 도입, 자가치유 관능기를 갖는 고분자의 합성, 자가치유능을 도입하기 위한 고분자 가공 공정 등에 대한 연구가 진행되어 왔다.^11-13 특별히 자가치유능을 도입할 수 있는 공정에 대해서는, 2001년 White 교수가 제안한 마이크로 캡슐을 이용한 자기회복 능력에 대한 연구가 상대적으로 각광받고 있으며,¹⁴ 최근까지도 이를 이용한 자가치유능 구현에 관한 연구가 진행 중에 있다.^15-18
본 연구에서는 자가치유용 물질을 함유하고 있는 폴리우레탄계 마이크로 캡슐을 제조하고 및 이를 이용한 복합체 형성을 통한 자가치유능 도입을 확인하였다. 외부의 자극에 의한 파손 정도를 조절하기 위하여 다양한 합성조건을 적용하여 마이크로 캡슐의 강도를 조절하였으며, 캡슐 강도를 측정하기 위한 프로토콜을 제시하였다. 본 연구에서는 푸란과 비스말레이미드의 Diels-Alder 반응을 이용하여 자가치유 특성을 구현하고자 하였으며,¹⁹ 이를 위해 푸란이 포함된 마이크로캡슐과 비스말레이미드가 포함된 마이크로 캡슐을 각각 복합체 제조 시에 활용하였다. 코어-쉘 형태의 캡슐 및 캡슐 파손시 코어 고분자(자가치유능 고분자)의 유동성을 가시적으로 확인하기 위하여, 염료가 함유된 고분자를 별도로 합성하였다. 제조된 캡슐이 도입된 PMMA 기반 복합체를 형성하였고, 이의 스크래치 형성 후 자가치유능을 확인하였다.