1.가수분해 방지제주된 목적은 폴리에스터 고분자의 가수분해 과정을 차단하는 것입니다.

PBT, PET, PLA, 폴리우레탄(TPU, CPU)과 같이 에스테르 결합을 포함하는 고분자를 사용하는 응용 분야에서, 고온다습한 환경에서는 물 분자가 분자 사슬 내의 에스테르 또는 우레탄 결합을 쉽게 공격합니다. 이는 사슬 파괴 및 가수분해를 유발하여 고분자 분자량을 감소시키고, 결과적으로 취성, 균열 및 성능 저하를 초래합니다. 이러한 가수분해 과정을 억제하기 위해 가수분해 억제제가 사용됩니다. 가수분해 억제제는 크게 반응성 억제제와 물리적 억제제의 두 가지 범주로 나뉩니다. 반응성 억제제는 화학 반응을 통해 가수분해 개시 부위 또는 생성물을 제거하며, 이는 주류이자 매우 효율적인 방법입니다. 반면, 물리적 억제제는 물리적 작용을 통해 수분을 차단하거나 흡수합니다.

물리적 가수분해 억제제는 화학 반응에 참여하지 않지만 물리적 방식으로 수분 침투를 방지합니다. 대표적인 종류로는 제올라이트, 산화칼슘(CaO), 규조토, 실란, 왁스 등이 있습니다. 제올라이트와 산화칼슘은 다공성 구조 또는 화학 반응을 통해 가공 및 사용 과정에서 고분자가 흡수한 수분을 흡수하고 가두어, 주로 사출 성형이나 압출과 같은 가공 전 미량의 수분으로 인한 재료의 열화를 방지하는 "건조제" 역할을 합니다. 반면 실란과 왁스는 제품 표면으로 이동하여 소수성 장벽을 형성하거나, 점토와 같은 층상 충전재를 통해 수분 침투 경로를 확장하여 주로 재료 표면을 보호합니다.

반응성 가수분해 억제제는 고분자 사슬 말단의 카르복실기(-COOH) 또는 가수분해 과정에서 생성된 카르복실기와 반응하여 가수분해의 자가촉매 과정을 차단함으로써 근본적인 안정화 효과를 나타낸다. 이러한 억제제에는 주로 카르보디이미드, 옥사졸린, 에폭시 및 아지리딘 가수분해 억제제가 포함된다.

2. 카르보디이미드는 가장 유리하고 널리 사용되는 반응성 가수분해 억제제입니다.

카르보디이미드는 현재 가장 널리 사용되고 효과적인 항가수분해제 계열입니다. 이들은 고분자 가수분해로 생성된 카르복실기와 반응하여 안정적인 N-아실우레아를 형성함으로써 가수분해 반응의 촉매를 제거하고 자가촉매 순환을 차단합니다. 또 다른 중요한 반응성 항가수분해제 계열인 옥사졸린 유도체는 반응성 작용기로 옥사졸린 고리를 가지고 있습니다. 옥사졸린 고리는 카르복실기 및 하이드록실기와 반응하여 에스테르 아미드 또는 디에스테르를 형성함으로써 고분자 말단을 안정화합니다. 에폭시 기능화 고분자는 에폭시기의 높은 반응성을 이용하여 안정화를 제공합니다. 에폭시기는 카르복실기, 하이드록실기, 심지어 아미노기와도 반응하여 이러한 반응성 작용기를 캡핑합니다.

표: 일반적인 반응성 가수분해 저항성 물질 비교

가수분해 억제제의 종류	카르보디이미드	에폭시 기능기 폴리머	옥사졸리니드
핵심 메커니즘	이는 가수분해로 생성된 카르복실기와 반응하여 안정적인 N-아실우레아를 생성함으로써 자가촉매 순환을 차단합니다.	이 화합물의 에폭시기는 카르복실기, 하이드록실기, 아미노기 등 다양한 작용기와 반응할 수 있습니다.	이 화합물의 옥사졸린 고리는 카르복실기 및 하이드록실기와 반응할 수 있습니다.
주요 장점	●가수분해에 대한 저항성이 매우 높아 가장 큰 효과를 나타냅니다.	●다기능성: 사슬 연장 기능과 손상된 분자 복구 기능을 결합했습니다.	● 다양한 응용 분야를 가진 이중 기능 반응
	첨가량은 소량(0.5%~2.0%)이므로 재료의 고유 특성에 미치는 영향은 미미합니다.	●용융 강도 및 점도를 향상시킬 수 있습니다	● 특정 시스템에서 호환성 유지제로 사용할 수 있습니다.
	● 비교적 우수한 안전성	● 고분자와의 우수한 호환성
주요 단점	● 상대적으로 높은 비용	●단일 가수분해 억제제로서 그 효율성은 카르보디이미드만큼 특이적이지 않습니다.	● 비용이 일반적으로 가장 비쌉니다.
	● 주로 카르복실기를 표적으로 하며, 하이드록실기와는 직접 반응하지 않습니다.	● 과다 첨가 시 가교 또는 겔화가 발생할 수 있습니다.	● 일반적인 용도에서는 효율성 측면에서 이점이 부족합니다.
일반적인 적용 사례	● 폴리에스터: PBT, PET, PLA, PBAT	● 플라스틱 재활용: rPET 수리 등	● 폴리에스터(PET, PBT)
	● 폴리우레탄: TPU, CPU (신발 밑창, 호스 등)	● 폴리아미드(나일론)	●폴리아미드
		● 동시 증점 처리가 필요한 폴리에스터 시스템	● 고분자 합금 (상용화제로서)

 

3. 카르보디이미드는 카르복실산과 반응하여 아실우레아 구조를 형성함으로써 가수분해 과정을 차단합니다.

폴리에스터 고분자는 수분 안정성이 낮습니다. 고온다습한 환경에서 고분자 내 에스테르 결합이 물과 반응하여 고분자 사슬 구조가 끊어지고 말단 카르복실기가 생성됩니다. 이러한 말단 카르복실기는 H+ 이온을 이온화시켜 산과의 가수분해 반응을 촉진하고, 궁극적으로 다양한 물성을 크게 저하시키며 수명을 단축시킵니다. 카르보디이미드(N=C=N) 작용기를 포함하는 카르보디이미드 화합물은 고분자 가수분해 과정에서 생성된 카르복실기와 반응하여 안정적인 아실우레아 구조를 형성함으로써 카르복실기 농도를 감소시키고 추가적인 가수분해를 방지합니다. 따라서 카르보디이미드 화합물은 현재 가장 널리 사용되는 가수분해 억제제 중 하나입니다.

카르보디이미드 가수분해 억제제는 종류가 다양하며 크게 단량체형과 중합체형으로 분류할 수 있다. 단량체 카르보디이미드 화합물은 카르보디이미드 작용기를 하나만 포함하는 저분자 화합물이다. 중합체 카르보디이미드 화합물은 일반적으로 카르보디이미드 작용기를 두 개 이상 포함하고 분자량이 비교적 높으며 장쇄 중합체 구조를 가진다.

단량체 카르보디이미드가수분해 억제제카르보디이미드는 상온에서 밝은 노란색에서 갈색을 띠는 액체 또는 결정입니다. 유기 용매에는 용해되지만 물에는 용해되지 않으며, 높은 순도, 간단한 제조법, 높은 반응성 등의 장점을 가지고 있습니다. 2,6-디이소프로필페닐카르보디이미드는 시판되는 단량체 카르보디이미드 가수분해 억제제 중 가장 흔하게 사용되는 물질입니다.

 

폴리머 카르보디이미드는 상온에서 황색 내지 갈색의 분말 또는 점성 액체이며, 상대 분자량은 일반적으로 1000 이상이고, 올리고머의 상대 분자량은 약 2000으로 조절됩니다. 폴리머 카르보디이미드는 일반적으로 다이이소시아네이트 단량체, 촉매, 용매 및 말단 캡핑제를 적절한 온도에서 반응시켜 얻습니다. 먼저, 다이이소시아네이트 단량체는 촉매 존재 하에 축합 반응을 거쳐 다수의 카르보디이미드기와 이소시아네이트 말단기를 포함하는 프리폴리머를 생성합니다. 그런 다음, 이소시아네이트기는 말단 캡핑제의 활성 수소와 반응하여 폴리카르보디이미드를 얻습니다. 대표적인 폴리카르보디이미드는 2,4,6-트리이소프로필페닐-1,5-다이이소시아네이트의 축합 반응과 2,6-다이이소프로필페닐 모노이소시아네이트의 말단 캡핑을 통해 얻습니다.

 

4. 카르보디이미드의 일반적인 응용 분야

가장 흔한 폴리에스터 소재인 PET는 우수한 기계적 특성, 치수 안정성, 내화학성 및 광학적 특성을 지니고 있어 농업, 산업, 건설, 의료 및 자동차 분야에 널리 사용됩니다. PET는 PTA와 에틸렌 글리콜의 중축합 반응을 통해 생산되는데, 에스테르 결합은 가수분해에 매우 취약하여 중합체 점도 감소 및 심각한 성능 저하를 초래합니다. PET의 가수분해는 고온, 다습 또는 옥외 환경에서의 하류 제품 적용을 제한합니다. 관련 연구에 따르면, 필름 시료 제조 시 PET 마스터배치에 단량체 항가수분해제를 첨가하면 필름 제품의 내열성, 습열 노화성 및 파단 신율이 향상되는 것으로 나타났습니다. 특히 방향족 카르보디이미드는 우수한 가수분해 성능을 보입니다.

폴리우레탄 합성은 다양한 단량체를 활용하고 반응을 제어할 수 있으며, 높은 강도, 내마모성, 우수한 내열성, 가공 용이성 등의 장점을 제공합니다. 접착제, 코팅제, 엘라스토머, 발포 플라스틱, 합성 섬유 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다. 폴리에스터형 폴리우레탄은 분자 사슬에 에스테르 결합이 많아 가수분해 저항성이 낮은 올리고머 폴리에스터 폴리올로부터 제조됩니다. 카르보디이미드계 가수분해 억제제는 폴리우레탄 합성에 미치는 악영향이 최소화되며, 합성 과정에서 폴리에스터 폴리올에 첨가할 수 있습니다. 특히, 이소시아네이트 축합 반응으로 제조된 고분자 카르보디이미드는 -N=C=O 말단기를 포함하고 있어 가수분해 저항성 폴리우레탄 제조 반응에 참여할 수 있습니다. 또한, 카르보디이미드는 폴리우레탄 블렌딩 과정에서 첨가할 수 있습니다. 관련 연구에 따르면 카르보디이미드를 첨가하면 폴리에스터 폴리올의 초기 산가를 낮추고, 폴리에스터의 가수분해를 억제하여 TPU의 가수분해 저항성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

폴리에스테르계 생분해성 고분자인 PBAT, PLA, PGA는 우수한 생체 적합성, 생분해성, 안전성, 무독성 및 뛰어난 물리적·기계적 특성을 지니고 있어 의료기기, 포장재, 농업 분야에서 큰 가능성을 보여줍니다. 그러나 이러한 생분해성 소재들은 모두 가수분해 및 열 안정성이 낮아 가공, 저장, 사용 과정에서 쉽게 분해되어 성능 저하를 초래하고 예상 수명을 충족하지 못하는 문제가 있습니다. 카르보디이미드는 PBAT, PLA, PGA 분자 사슬의 말단 카르복실기와 캡핑 반응을 일으켜 비교적 안정적인 아실우레아 구조를 형성함으로써 가수분해를 억제하고 열 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

카르보디이미드 변성 MDI(액상 MDI라고도 함)는 디페닐메탄디이소시아네이트(MDI)의 주요 변성 제품 중 하나입니다. 이는 촉매 작용 하에 MDI의 축합 반응을 통해 카르보디이미드기를 생성함으로써 만들어집니다. 카르보디이미드 변성 MDI는 상온에서 액체 상태이므로 보관이 용이하고 유효기간이 길다는 특징이 있습니다. 또한, 폴리우레탄 소재의 가수분해 저항성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

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