[논문]폴리올의 구조와 NCO Index에 따른 폴리우레탄 접착제의 상온과 초저온에서의 물성 변화

김상범; 조일성; 강성구

초록
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본 연구에서는 폴리에스테르 폴리올의 구조와 이소시아네이트 인덱스의 변화에 따라 초저온($-190^{\circ}C$)과 상온($25^{\circ}C$)에서 폴리우레탄 접착제의 접착강도변화를 고찰하였다. 전단강도는 폴리우레탄 접착제를 plywood에 접착하여 측정하였으며, 접착제의 화학적, 기계적 물성 변화를 UTM, DSC, FT-IR로 비교 분석 하였다. 지방족 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 합성한 폴리우레탄은 초저온에서의 전단강도가 상온에서의 전단강도보다 증가하였으나 방향족 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 합성한 폴리우레탄의 경우는 초저온에서의 전단강도가 상온에서보다 작아지는 경향을 나타내었다. 또한 접착강도는 사용된 MDI의 양에 비례하여 증가하였으며, 지방족계 폴리올은 초저온에서 그리고 방향족계 폴리올은 상온에서 높은 접착 강도를 보임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effect of polyol structure and NCO index on adhesion of PU adhesive at room ($25^{\circ}C$) and extremely low temperature ($-190^{\circ}C$) was investigated. At room temperature adhesive strength of PU adhesive tends to decrease as molecular weight of polyol increases, however,...

Effect of polyol structure and NCO index on adhesion of PU adhesive at room ($25^{\circ}C$) and extremely low temperature ($-190^{\circ}C$) was investigated. At room temperature adhesive strength of PU adhesive tends to decrease as molecular weight of polyol increases, however, the strength at $-190^{\circ}C$ shows opposite tendency. Adhesive strength of the PU turned out to be directly proportional to the amount of MDI. PU containing aliphatic polyol was higher in shear strength at $-190^{\circ}C$ and the strength of PU with aromatic polyol was higher at room temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 초저온에서의 접착강도에 미치는 영향을 확인하고 상온, 초저온에서 모두 사용 가능한 접착제를 찾기 위해 다양한 종류의 폴리올을 이용하여 폴리우레탄 접착제 제조 시 폴리올의 분자량과 구조가 접착강도에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 MDI의 양에 따른 폴리우레탄 접착제의 기계적 물성 변화와 열적 거동을 관찰하여 폴리올의 분자량과 구조 및 MDI의 양이 상온과 초저온에서 폴리우레탄의 물성에 미치는 영향을 알아보았다.
따라서 본 연구는 초저온에서의 접착강도에 미치는 영향을 확인하고 상온, 초저온에서 모두 사용 가능한 접착제를 찾기 위해 다양한 종류의 폴리올을 이용하여 폴리우레탄 접착제 제조 시 폴리올의 분자량과 구조가 접착강도에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 MDI의 양에 따른 폴리우레탄 접착제의 기계적 물성 변화와 열적 거동을 관찰하여 폴리올의 분자량과 구조 및 MDI의 양이 상온과 초저온에서 폴리우레탄의 물성에 미치는 영향을 알아보았다.
본 연구에서는 폴리올의 화학적 구조, 분자량, NCO index가 폴리우레탄 접착제의 상온 및 초저온에서의 접착강도에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
폴리우레탄 사슬의 화학구조를 형성하는 원료물질인 폴리올과 MDI의 분자량과 화학구조에 따른 폴리우레탄 접착제의 물성변화를 연구하였다. 지방족 폴리에스테르 폴리올의 분자량이 증가함에 따라 폴리우레탄 접착제의 전단강도가 감소되었다.

제안 방법

본 연구에서는 화학적 구조가 방향족과 지방족으로서로 다른 두 종류의 폴리에스테르 폴리올을 원료물질로 사용하여 폴리우레탄 접착제를 만든 후 온도를 변화시키면서 전단강도를 측정하였다.
5 g을 취하여 면적 25 mm×25 mm가 되게 도포하고, 대기 중에 10분 간 방치 후 다른 플라이우드와 접착시켰다. 시편을 일주일간 경화시킨 후 물성을 측정하였다.
에서 관찰하였다. 유리전이온도(Tg)를 알아보기 위해 Instruments사의 Differential Scanning Calorimeter(모델명 : DSC 2010)을 사용하였고, 질소 대기 하에 0~100℃ 사이의 범위에서 10℃/min의 속도로 승온하였다. 기계적 강도 측정은 (주)경성시험기사의 Universal Testing Machine(UTM)을 사용하여 전단강도를 측정하였으며, ASTM D906에 의거하여 5개의 시편을 측정하여 평균값을 얻었다.
접착제는 폴리올과 MDI를 index별로 배합하여 제조하였다. 혼합된 접착제는 플라이우드에 0.
제조된 접착제의 화학적 구조와 반응시간을 알아보기 위해 Jascow사의 Fourier Transform Infrared Spectrometer(모델명 : FT-IR-430)을 사용하여 wavelength 3500~1000 cm−1에서 관찰하였다.
기계적 강도 측정은 (주)경성시험기사의 Universal Testing Machine(UTM)을 사용하여 전단강도를 측정하였으며, ASTM D906에 의거하여 5개의 시편을 측정하여 평균값을 얻었다. 초저온에서의 측정은 저온 용기에 시편을 넣고 액체질소를 부어 2시간 동안 방치 후 측정하였다. 접착제와 피접착제의 접착부분을 관찰하기 위해 Sometech사의 Camscope를 사용하였다.

대상 데이터

이소시아네이트는 NCO 함량이 35%인 modified methylene diphenylene isocyanate(MDI)를 사용하였다. 폴리올은 작용기가 2이고 분자량이 1500, 1700, 3300인 아디프산 기반의 지방족 에스테르 폴리올과 작용기가 2이고 분자량이 374, 516인 무수프탈산 기반의 방향족 에스테르 폴리올을 사용하였다.
초저온에서의 측정은 저온 용기에 시편을 넣고 액체질소를 부어 2시간 동안 방치 후 측정하였다. 접착제와 피접착제의 접착부분을 관찰하기 위해 Sometech사의 Camscope를 사용하였다.
이소시아네이트는 NCO 함량이 35%인 modified methylene diphenylene isocyanate(MDI)를 사용하였다. 폴리올은 작용기가 2이고 분자량이 1500, 1700, 3300인 아디프산 기반의 지방족 에스테르 폴리올과 작용기가 2이고 분자량이 374, 516인 무수프탈산 기반의 방향족 에스테르 폴리올을 사용하였다. 피 접착물인 플라이우드는 finforest사에서 제조한 것으로 두께 12 mm에 가로 25 mm, 세로 100 mm로 절단하여 사용하였다.
폴리올은 작용기가 2이고 분자량이 1500, 1700, 3300인 아디프산 기반의 지방족 에스테르 폴리올과 작용기가 2이고 분자량이 374, 516인 무수프탈산 기반의 방향족 에스테르 폴리올을 사용하였다. 피 접착물인 플라이우드는 finforest사에서 제조한 것으로 두께 12 mm에 가로 25 mm, 세로 100 mm로 절단하여 사용하였다.

데이터처리

유리전이온도(Tg)를 알아보기 위해 Instruments사의 Differential Scanning Calorimeter(모델명 : DSC 2010)을 사용하였고, 질소 대기 하에 0~100℃ 사이의 범위에서 10℃/min의 속도로 승온하였다. 기계적 강도 측정은 (주)경성시험기사의 Universal Testing Machine(UTM)을 사용하여 전단강도를 측정하였으며, ASTM D906에 의거하여 5개의 시편을 측정하여 평균값을 얻었다. 초저온에서의 측정은 저온 용기에 시편을 넣고 액체질소를 부어 2시간 동안 방치 후 측정하였다.

성능/효과

또한 지방족 폴리에스테르 폴리올과 방향족 폴리에스테르 폴리올로 제조된 폴리우레탄 접착제의 물성을 비교해보면 후자의 화학구조가 훨씬 단단함을 유도하는 특징을 가지므로 방향족 polyester 폴리올로 제조된 폴리우레탄 접착제가 지방족 polyester 폴리올로 만들어진 것보다 더 큰 전단 강도를 보임을 알 수 있다. 이것은 제조된 폴리우레탄 접착제의 기계적인물성은 MDI의 양 뿐 만 아니라 원료물질의 분자량과 화학구조에 의해서 크게 영향을 받음을 알 수 있었다.
시간이 경과 할수록 2270 cm−1 부근의 -N=C=O 피크는 줄어드는 반면에 카르보닐기 (C=O, in urea, biuret)에 해당하는 1700~1720 cm−1에서의 피크가 증가함을 확인할 수 있었다.
일반적으로 폴리올의 분자량이 큰 경우는 유연성이 증가하여 기계적인 물성이 떨어지게 된다. 이 결과는 Fig. 3에서 나타난 것처럼 지방족 폴리에스테르 폴리올로 제조된 폴리우레탄 접착제의 상온에서의 전단강도는 분자량이 증가함에 따라 감소하고 NCO index가 증가할수록 증가함을 알 수 있었다.
지방족 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 제조한 폴리우레탄의 경우 상온보다는 초저온에서 전단강도가 더 큰 경향을 보였으나, 방향족 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 합성한 폴리우레탄은 상온에서의 전단강도가 초저온에서의 전단강도보다 2배이상 큰 결과를 나타내었다. 이는 폴리올의 화학적 구조가 유연한 지방족 폴리에스터 폴리올 보다 강직한 물성을 주는 방향족 구조일 경우 상온에서 전단 강도가 커짐을 알 수 있었고 초저온에서는 반대의 현상이 일어남을 확인하였다.
NCO index가 증가함에 따라 상온 및 초저온 에서의전단강도도 증가하였다. 지방족 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 제조한 폴리우레탄의 경우 상온보다는 초저온에서 전단강도가 더 큰 경향을 보였으나, 방향족 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 합성한 폴리우레탄은 상온에서의 전단강도가 초저온에서의 전단강도보다 2배이상 큰 결과를 나타내었다. 이는 폴리올의 화학적 구조가 유연한 지방족 폴리에스터 폴리올 보다 강직한 물성을 주는 방향족 구조일 경우 상온에서 전단 강도가 커짐을 알 수 있었고 초저온에서는 반대의 현상이 일어남을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	접착제는 무엇을 의미하는가?	접착제란 일반적으로 두 표면을 강하고 영구적으로 접합시킬 수 있는 물질을 의미한다. 접착제는 자동차, 선박, 가구, 신발 등 거의 모든 제조업에 광범위하게 사용되고 있으며, 나무나 금속, 고분자 등 피 접착물에 따라 다양한 종류가 존재한다.
	접착제는 어디에 사용되는가?	접착제란 일반적으로 두 표면을 강하고 영구적으로 접합시킬 수 있는 물질을 의미한다. 접착제는 자동차, 선박, 가구, 신발 등 거의 모든 제조업에 광범위하게 사용되고 있으며, 나무나 금속, 고분자 등 피 접착물에 따라 다양한 종류가 존재한다. 접착제로서 만족스런 결과를 얻기 위해서는 피 접착물 표면과 계면장력이 낮아잘 적셔야하고, 접착제와 피접착물 사이의 반응 또는 강한 상호작용이 필요하다.
	폴리올의 화학적 구조, 분자량, NCO index가 폴리우레탄 접착제의 상온 및 초저온에서의 접착강도에 미치는 영향에 대하여 고찰한 결과는?	NCO index가 증가함에 따라 상온 및 초저온 에서의전단강도도 증가하였다. 지방족 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 제조한 폴리우레탄의 경우 상온보다는 초저온에서 전단강도가 더 큰 경향을 보였으나, 방향족 폴리에스테르 폴리올을 사용하여 합성한 폴리우레탄은 상온에서의 전단강도가 초저온에서의 전단강도보다 2배이상 큰 결과를 나타내었다. 이는 폴리올의 화학적 구조가 유연한 지방족 폴리에스터 폴리올 보다 강직한 물성을 주는 방향족 구조일 경우 상온에서 전단 강도가 커짐을 알 수 있었고 초저온에서는 반대의 현상이 일어남을 확인하였다.

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