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문제 정의
- 본 연구는 폴리우레탄 접착제의 전구체인 폴리에스테르 폴리올을 합성하고, 합성된 폴리에스테르 폴리올과 방향족 이소시아네이트인 TDI, 지방족 이소시아네이트인 HDI, H12MDI, IPDI를 각각 우레탄 반응시켜 말단에 히드록실기가 남아있는 폴리우레탄 접착제를 합성하여, 지방족 이소시아네이트를 사용하였을 때의 경화율과 접착강도, 황변성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 접착강도의 측정은 각각의 혼합비별로 혼합하여 도포용량이 4 g/㎡이 되도록 PET 필름위에 바코터로 코팅한 후 80℃ 열풍 순환식 건조오븐에서 10 초간 건조시켰다. 그 후 60℃로 가열된 적층롤에서 2 kgf/㎠의 압력과 5 m/min의 속도로 알루미늄 호일과 적층처리하였다. 접착된 시편의 알루미늄 호일위에 상기와 동일한 도포용량 및 적층 조건으로 나일론 필름을 적층처리하였다.
- 경화율의 측정은 각각의 혼합비 별로 혼합하여 도포용량이 4 g/㎡이 되도록 PET 필름위에 바코터로 코팅한 후 80℃ 열풍 순환식 건조 오븐에서 10 초간 건조시켰다. 그 후 60℃로 가열된 적층롤에서 2 kgf/㎠의 압력과 5 m/min의 속도로 이형처리된 PET필름과 적층처리하였다. 적층직후부터 60℃ 열풍 순환식 건조 오븐에서 시간별로 필름을 박리한 후 FT-IR을 이용하여 이소시아네이트 피크의 흡수량을 관찰하였는데 초기 이소시아네이트 피크의 흡수량에 대하여 시간별로 남아있는 이소시아네이트 피크의 흡수비를 계산하였다.
- 본 연구에서는 방향족 이소시아네이트와 지방족 이소시아네이트를 사용하여 연포장용 폴리우레탄 접착제를 합성하였고, 경화율과 접착강도, 황변성을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 적외선 분광분석은 (FT-IR, VARIAN, USA)을 사용하여 측정하였고, 분자량 및 분자량 분포분석은 겔투과 크로마토 그래피(GPC, Young-Jin, Korea)를 사용하여 시료 농도 1.0%, 시료크기 10 ㎎으로 하여 LF-804 칼럼을 사용하였으며, 25℃에서 용매인 테트라 하이드로퓨란의 유속을 1.0 mL/min로 하여 측정하였고, 합성된 수지의 분자량 및 분자량 분포를 확인하였다. 시차 주사열량계(DSC, TA Instrument,Q10, USA) 측정은 질소가스를 50 mL/min 속도로 투입하고 시료량 10.
- 그 후 60℃로 가열된 적층롤에서 2 kgf/㎠의 압력과 5 m/min의 속도로 이형처리된 PET필름과 적층처리하였다. 적층직후부터 60℃ 열풍 순환식 건조 오븐에서 시간별로 필름을 박리한 후 FT-IR을 이용하여 이소시아네이트 피크의 흡수량을 관찰하였는데 초기 이소시아네이트 피크의 흡수량에 대하여 시간별로 남아있는 이소시아네이트 피크의 흡수비를 계산하였다.
- 점도는 가드너 점도계(BYK Gardener, U-26, USA)를 이용하여 25±1℃온도에서 표준점도관 대비 기포 상승속도로 측정하였다.
- 접착된 시편의 알루미늄 호일위에 상기와 동일한 도포용량 및 적층 조건으로 나일론 필름을 적층처리하였다. 접착된 시편의 나일론 필름위에 상기와 동일한 도포용량 및 적층 조건으로 casting poly propylene(CPP)필름을 적층처리하였다. 60℃ 열풍 순환식 건조 오븐에서 24 시간동안 경화시킨 후, 폭 15 mm로 재단하고 만능재료시험기(Daekyung tech, DTU-900MH, Korea)를 이용하여 T-Peel Test 방법에 의해 300 mm/min의 속도로 각 필름 간 강도를 측정하였다.
- 그 후 60℃로 가열된 적층롤에서 2 kgf/㎠의 압력과 5 m/min의 속도로 알루미늄 호일과 적층처리하였다. 접착된 시편의 알루미늄 호일위에 상기와 동일한 도포용량 및 적층 조건으로 나일론 필름을 적층처리하였다. 접착된 시편의 나일론 필름위에 상기와 동일한 도포용량 및 적층 조건으로 casting poly propylene(CPP)필름을 적층처리하였다.
- 이와 같은 방법으로 폴리에스테르 폴리올을 합성하였다. 폴리우레탄 접착제의 경화율과 접착특성, 황변성 시험을 위하여 이소시아네이트 모노머별 폴리우레탄 접착제와 경화제 2종을 각각 배합하였고, HDI 모노머와 HDI계 경화제를 사용한 PUB에 경화촉매를 사용하였다. 주제와 경화제의 혼합비는 NCO/OH의 비가 1.
대상 데이터
- 경화율 및 접착강도 시험을 위해 폴리우레탄 접착제의 경화제로 TDI와 TMP 부가 타입인 Bayer사의 Desmodur L-75를 사용하였고, HDI 이소시아누레이트 타입의 경화제로 Desmodur N-3300을 사용하였다. 폴리우레탄 접착제의 첨가제로 Dow corning사의 에폭시 실란인(3-glycidoxypropyl) trimethoxysilane을 사용하였고, 우레탄 경화반응의 촉매로 Aldrich사의 dibutyltin dilaurate(DBTDL)와 BASF사의 N,N,N',N'-tetramethyl -1,3-propane diamine(TMP diamine)을 사용하였다.
- 폴리에스테르 폴리올을 합성하기 위해 Table 1에 기록된 재료들을 실험재료로 사용하였으며, 촉매로 주석계 촉매인 hydrate monobutyl tinoxide를 사용하였다.
- 폴리우레탄 접착제의 첨가제로 Dow corning사의 에폭시 실란인(3-glycidoxypropyl) trimethoxysilane을 사용하였고, 우레탄 경화반응의 촉매로 Aldrich사의 dibutyltin dilaurate(DBTDL)와 BASF사의 N,N,N',N'-tetramethyl -1,3-propane diamine(TMP diamine)을 사용하였다.
- 폴리우레탄을 합성하기 위하여 상기에서 합성된 폴리올을 사용하였고, 이소시아네이트로 Table 2와 같이 TDI, HDI, H12MDI, IPDI를 사용하였다.
이론/모형
- 접착된 시편의 나일론 필름위에 상기와 동일한 도포용량 및 적층 조건으로 casting poly propylene(CPP)필름을 적층처리하였다. 60℃ 열풍 순환식 건조 오븐에서 24 시간동안 경화시킨 후, 폭 15 mm로 재단하고 만능재료시험기(Daekyung tech, DTU-900MH, Korea)를 이용하여 T-Peel Test 방법에 의해 300 mm/min의 속도로 각 필름 간 강도를 측정하였다. 사용된 필름은 Table 4에 나타내었다.
- 산가 측정은 KS M 5000의 시험방법에 따라 측정하였고, 비휘발분의 측정은 KS M 5000-2113의 도료의 시험방법에 따라 측정하였다. 또한 OH(%) 측정은 KS M 0065의 시험방법에 따라 측정하였다.
- 점도는 가드너 점도계(BYK Gardener, U-26, USA)를 이용하여 25±1℃온도에서 표준점도관 대비 기포 상승속도로 측정하였다. 산가 측정은 KS M 5000의 시험방법에 따라 측정하였고, 비휘발분의 측정은 KS M 5000-2113의 도료의 시험방법에 따라 측정하였다. 또한 OH(%) 측정은 KS M 0065의 시험방법에 따라 측정하였다.
- 0 mL/min로 하여 측정하였고, 합성된 수지의 분자량 및 분자량 분포를 확인하였다. 시차 주사열량계(DSC, TA Instrument,Q10, USA) 측정은 질소가스를 50 mL/min 속도로 투입하고 시료량 10.0 mg, 온도범위 -80～100℃, 가온속도 20℃/min로 측정하였고, middlepoint법에 의해 Tg를 결정하였다.
- 각각의 혼합비별로 혼합하여 도포용량이 4g/㎡이 되도록 PET 필름위에 바코터로 코팅한 후 80℃ 열풍 순환식 건조 오븐에서 10 초간 건조시켜, 60℃로 가열된 적층롤에서 2 kgf/㎠의 압력과 5 m/min의 속도로 PET 필름과 적층한 후 60℃ 열풍 순환식 건조 오븐에서 24시간 동안 경화하였다. 촉진 내후성 시험은 ASTM G-53의 시험방법에 따라 촉진 내후성 시험기(Q-pannel, Q10, USA)를 사용하였으며 자외선 형광등은 UV-B313 램프를 사용하여 자외선 조사 8 시간, 40℃, 응축시험 4 시간을 반복하여 200시간 동안 실험하여 실험 전후의 색상 차(△E)에 의해 평가하였고, 색차는 Macbeth사의 Spectrophotometer (Color-eye 7000A, USA)를 사용하였다.
성능/효과
- 1. 각 이소시아네이트별 폴리우레탄 접착제를 합성한 결과 동일점도에서는 유사한 OH(%)와 분자량을 얻을 수 있었으나, Tg는 이소시아네이트별로 -2.1℃에서 -15℃까지 차이를 나타내었다.
- 그리고 IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 30 g으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 135℃에서 30분간 레토르트 테스트 후의 Al/Nyl간 강도는 HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 사용하였을 경우 980 g이고, TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 990 g으로 유사한 값이 측정되었고, IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 510 g으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 135℃에서 30분간 레토르트 테스트 후의 Nyl/CPP간 강도는 HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 사용하였을 경우 1,250 g이고, TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 1,200 g, 그리고 IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 680 g으로 가장 낮은 값을 나타내었다.
- 135℃에서 30분간 레토르트 테스트 후의 Al/Nyl간 강도는 HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 사용하였을 경우 980 g이고, TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 990 g으로 유사한 값이 측정되었고, IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 510 g으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 135℃에서 30분간 레토르트 테스트 후의 Nyl/CPP간 강도는 HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 사용하였을 경우 1,250 g이고, TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 1,200 g, 그리고 IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 680 g으로 가장 낮은 값을 나타내었다. PET/Al간 강도는 필름 찢김으로 인해측정을 하지 못하였다.
- 2. 폴리우레탄 접착제의 경화율은 이소시아네이트 모노머별로 비교하여서는 큰 차이가 없었으나, TDI계 경화제와 HDI계 경화제를 비교하여서는 TDI계 경화제가 빠른 경화율을 나타내었고, HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 추가하여 TDI계와 유사한 경화율을 얻을 수 있었다.
- 그리고 IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 310g으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 23℃에서 Nyl/CPP간 접착력 시험은 HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 사용하였을 경우 1,520 g으로 가장 높은 값을 나타내었으며, TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 1,500 g이 측정되었다. 그리고 IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 1,040 g으로 가장 낮은 값을 나타내었다.
- 3. 합성된 폴리우레탄 접착제의 강도는 TDI모노머를 사용하였을 경우 가장 높았으며, IPDI모노머를 사용하였을 경우 가장 낮았고 경화제 타입에서도 TDI계 경화제를 사용하였을 경우가 HDI계 경화제를 사용하였을 경우보다 접착강도가 높았다. 지방족 이소시아네이트 모노머 중 가장 양호한 접착력을 나타낸 HDI모노머에 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 첨가하여 사용하였을 경우 Al/Nyl간 접착강도가 560g/15mm, Nyl/CPP간 접착강도가 1,520g/15mm로 TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용한 Al/Nyl간 접착강도 550 g/15mm, Nyl/CPP간 접착강도 1,500 g/15mm 보다 높았다.
- 4. 합성된 폴리우레탄의 촉진 내후성 시험에 의한 황변성은 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 지방족 이소시아네이트를 사용하였어도 크게 개선되지 않았다. HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 추가하였을 경우 △E값이 4.
- 3과 같고 중량평균 분자량은 28,000～32,000으로 유사한 값이 측정되었다. DSC 분석결과 Tg는 TDI를 사용하였을 경우 -2.1℃를 나타내었고, HDI는 -8.7℃, H12MDI는 -4.4℃, IPDI는 -15.0℃로 가장 낮은 값을 나타내었다. 폴리우레탄의 DSC 결과는 Fig.
- 합성된 폴리우레탄의 촉진 내후성 시험에 의한 황변성은 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 지방족 이소시아네이트를 사용하였어도 크게 개선되지 않았다. HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 추가하였을 경우 △E값이 4.1로 TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용한 접착제의 황변성과 대비해 48 %만이 변색되었다.
- 각 이소시아네이트별로 합성된 폴리우레탄의 FT-IR 피크값은 모두 동일한 피크상을 나타내어 정상적인 우레탄 결합이 이루어졌음을 알수 있다. GPC 분석결과 피크는 Fig.
- 그리고 IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 40 g으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 고온(120℃)에서의 Nyl/CPP간 강도는 HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 사용하였을 경우 520 g으로 가장 높은 값을 나타내었으며, TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 480 g이 측정되었다. 그리고 IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 280 g으로 가장 낮은 값을 나타내었다.
- 23℃에서 PET/Al간 접착강도는 PET 필름이 찢김으로 측정하지 못하였다. 고온(120℃)에서의 접착력 시험은 Al/Nyl간 강도는 HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 사용하였을 경우 130 g으로 가장 높은 값을 나타내었으며, TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 120 g이 측정되었다. 그리고 IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 40 g으로 가장 낮은 값을 나타내었다.
- 따라서 동일한 경화제를 사용하였을 경우 이소시아네이트 모노머별 합성한 폴리우레탄은 경화성에서 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 TDI계 경화제와 HDI계 경화제를 비교하면 TDI계 경화제가 빠른 경화성을 나타내었고, HDI계 모노머와 HDI계 경화제를 사용하고, 주석계 촉매와 아민촉매 등을 사용하였을 경우 TDI계 모노머와 TDI계 경화제를 사용하였을 경우와 경화율에서 차이가 없었다. 경화율 실험결과는 Fig.
- 접착력 시험결과는 Table 6과 같이 23℃에서 Al/Nyl간 접착력 시험은 HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 사용하였을 경우 560 g으로 가장 높은 값을 나타내었으며, TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용하였을 경우 550 g이 측정되었다. 그리고 IPDI모노머를 사용하고 HDI계 경화제를 사용하였을 경우가 310g으로 가장 낮은 값을 나타내었다.
- 합성된 폴리우레탄 접착제의 강도는 TDI모노머를 사용하였을 경우 가장 높았으며, IPDI모노머를 사용하였을 경우 가장 낮았고 경화제 타입에서도 TDI계 경화제를 사용하였을 경우가 HDI계 경화제를 사용하였을 경우보다 접착강도가 높았다. 지방족 이소시아네이트 모노머 중 가장 양호한 접착력을 나타낸 HDI모노머에 HDI계 경화제를 사용하고 경화촉매를 첨가하여 사용하였을 경우 Al/Nyl간 접착강도가 560g/15mm, Nyl/CPP간 접착강도가 1,520g/15mm로 TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용한 Al/Nyl간 접착강도 550 g/15mm, Nyl/CPP간 접착강도 1,500 g/15mm 보다 높았다.
- 1과 같고 중량 평균 분자량은 5,300이었다. 폴리우레탄의 합성결과 최종 점도를 비휘발분 60 %(in 에틸 아세테이트)에서 가드너 점도 Y-Z로 합성하였을 때 OH(%)는 0.27～0.29를 나타내었고, 폴리우레탄의 FT-IR 분석결과 Fig. 2과 같이 -NH 특성피크인 3300 cm-1부근에서는 -OH 피크와 겹쳐지지만 1530 cm-1에서 -NH 결합이 생성되었음을 확인할 수 있었고, 2200 cm-1부근에서 -NCO 피크가 나타나지 않은 것으로 보아 잔류 이소시아네이트기가 없음을 확인할 수 있었다.
- 황변성 테스트 결과 HDI모노머와 HDI계 경화제를 사용한 경우 △E값이 2.887로 변색정도가 가장 적었으며, TDI모노머와 TDI계 경화제를 사용한 경우 △E값이 8.571로 변색정도가 가장 심하였다. TDI계 경화제를 사용한 경우에는 이소시아네트별로 변색정도에는 크게 영향을 주지 않았다.
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