한 번 굳으면 다시 성형하기 어려웠던 초고내열 열경화성 수지를 분쇄한 뒤 열과 압력을 가해 다시 사용할 수 있는 기술이 개발됐다.
한국연구재단은 여현욱 경북대 교수 연구팀이 액정성을 갖는 비스말레이미드(BMI) 분자구조와 고온에서 결합이 재배열되는 동적공유결합 네트워크를 결합해 약 300℃급 고내열성과 재가공성을 동시에 구현한 액정 비스말레이미드 비트리머를 개발했다고 22일 밝혔다.
비스말레이미드는 높은 내열성과 우수한 기계적 특성으로 항공우주와 전기·전자 등 고온 환경에 사용되는 대표적인 열경화성 수지다. 다만 한 번 경화되면 3차원 가교구조가 형성돼 다시 녹이거나 성형하기 어려워 수리·재가공·재활용에는 한계가 있었다.
연구팀은 강직한 액정성 비스말레이미드와 고성능 고분자 합성에 활용되는 2,2′-다이알릴비스페놀 A(DABA)를 이용해 액정 분자구조와 동적공유결합을 하나의 열경화성 네트워크에 결합했다.
이를 통해 고온에서는 구조적 견고함을 유지하면서도 열과 압력을 가하면 네트워크 내 결합이 재배열돼 다시 성형할 수 있도록 설계했다.
개발된 소재는 동적기계분석에서 유리전이온도 304.6℃, 5% 열분해 온도 404℃를 기록했다. 높은 온도에서도 수지의 기계적·열적 특성을 유지할 수 있음을 확인한 것이다.
X선 산란 분석에서는 경화된 고분자 네트워크 내부에 국소적으로 정돈된 액정성 나노구조가 형성된 것도 확인됐다. 연구팀은 이 같은 구조가 소재의 높은 내열성과 구조적 안정성을 확보하는 데 기여한 것으로 분석했다.
특히 경화된 소재를 분쇄한 뒤 다시 열과 압력을 가해 재가공한 결과 300℃에서 재가공성과 네트워크 안정성이 가장 효과적으로 균형을 이루는 것으로 나타났다.
재가공된 소재는 다시 독립적인 고체 시편 형태로 성형됐으며 주요 열적·구조적 특성도 상당 부분 유지됐다. 기존 열경화성 수지의 한계였던 일회성 사용 구조를 개선할 가능성을 보여준 셈이다.
이번 기술은 높은 내열성이 필요한 항공우주용 복합재 매트릭스를 비롯해 고온 전기·전자 부품, 반도체·전자패키징용 절연재 등 극한환경용 고분자 소재의 수명 연장과 폐기물 저감에 활용될 것으로 기대된다.
여현욱 교수는 “이번 연구는 고내열성과 재가공성을 동시에 확보할 수 있는 분자설계 전략을 제시한 것”이라며 “앞으로 고내열성을 유지하면서 재가공 조건을 최적화하고 실제 복합재와 대면적 부품에서 성능을 검증할 계획”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 재료과학 및 응용화학 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 8일 온라인 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
