본 연구에서는 메탈로센 폴리올레핀(metallocene polyolefin, me-PO)과 점착부여제(tackifier)를 이용해 열용융형 감압접착제(hot-melt pressure sensitive adhesives, HMPSAs)를 제조하여 물리적 특성을 확인하였고, me-PO가 HMPSAs의 용도에서 스타이렌계 블록 코폴리머(styrenic block copolymers, SBCs)를 대체하여 사용 가능한지에 대해 고찰하였다. 또한, me-PO를 베이스 폴리머로 사용한 HMPSAs의 성능을 최적화하기 위하여 점착부여제가 가져야 할 특성을 알아보고자 하였다. me-PO를 이용하여 Dahlquist Criterion을 만족하는 HMPSAs를 얻기 위해서는 점착부여제와 함께 10% 이상의 프로세스 오일을 혼합 사용하여야 했고, Spray Type의 Applicator에 적합한 수준의 점도를 가지는 HMPSAs를 얻기 위해서는 상대적으로 결정화도가 낮은 제2의 me-PO를 사용해야 했다. 그리고, 분자량이 큰 점착부여제를 사용하면 SBCs계 HMPSAs에 비해 부족한 유지력을 개선시키는데 기여하는 것으로 밝혀졌다.
본 연구에서는 메탈로센 폴리올레핀(metallocene polyolefin, me-PO)과 점착부여제(tackifier)를 이용해 열용융형 감압접착제(hot-melt pressure sensitive adhesives, HMPSAs)를 제조하여 물리적 특성을 확인하였고, me-PO가 HMPSAs의 용도에서 스타이렌계 블록 코폴리머(styrenic block copolymers, SBCs)를 대체하여 사용 가능한지에 대해 고찰하였다. 또한, me-PO를 베이스 폴리머로 사용한 HMPSAs의 성능을 최적화하기 위하여 점착부여제가 가져야 할 특성을 알아보고자 하였다. me-PO를 이용하여 Dahlquist Criterion을 만족하는 HMPSAs를 얻기 위해서는 점착부여제와 함께 10% 이상의 프로세스 오일을 혼합 사용하여야 했고, Spray Type의 Applicator에 적합한 수준의 점도를 가지는 HMPSAs를 얻기 위해서는 상대적으로 결정화도가 낮은 제2의 me-PO를 사용해야 했다. 그리고, 분자량이 큰 점착부여제를 사용하면 SBCs계 HMPSAs에 비해 부족한 유지력을 개선시키는데 기여하는 것으로 밝혀졌다.
In this study, a series of hot-melt pressure sensitive adhesives (HMPSAs) based on metallocene polyolefin (me-PO) were prepared to investigate their possibility of replacing the HMPSAs based on styrenic block copolymers (SBCs). In addition, to optimize the performance of HMPSAs based on me-PO, sever...
In this study, a series of hot-melt pressure sensitive adhesives (HMPSAs) based on metallocene polyolefin (me-PO) were prepared to investigate their possibility of replacing the HMPSAs based on styrenic block copolymers (SBCs). In addition, to optimize the performance of HMPSAs based on me-PO, several tackifiers having different softening point and molecular weight were evaluated. To achieve the HMPSAs which can satisfy the Dahlquist Criterion, hot melts required over 10% of process oil. To obtain the HMPSAs having low viscosity which can be applied by a spraying type applicator, secondary polymer having relatively low crystallinity was required. And, tackifier having high molecular weight attributed to increasing the cohesive strength of me-PO based HMPSAs.
In this study, a series of hot-melt pressure sensitive adhesives (HMPSAs) based on metallocene polyolefin (me-PO) were prepared to investigate their possibility of replacing the HMPSAs based on styrenic block copolymers (SBCs). In addition, to optimize the performance of HMPSAs based on me-PO, several tackifiers having different softening point and molecular weight were evaluated. To achieve the HMPSAs which can satisfy the Dahlquist Criterion, hot melts required over 10% of process oil. To obtain the HMPSAs having low viscosity which can be applied by a spraying type applicator, secondary polymer having relatively low crystallinity was required. And, tackifier having high molecular weight attributed to increasing the cohesive strength of me-PO based HMPSAs.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 최근 이슈가 되고 있는 mePO를 활용하여 HMPSAs를 제조하고 기계적 물성, 열적 특성 등을 평가하였으며, 점착부여제의 특성에 따른 접착성능의 변화를 알아보고자 하였다.
제안 방법
180° 박리 강도(180° peel strength)는 HMPSAs가 코팅된 필름을 폭 1인치로 절단하여 SUS재질의 시험판에1 kg 하중으로 접착시키고 인장시험기의 아랫 부분에 고정시킨 후, 접착된 필름을 시험판과 180°가 되도록 위쪽으로들어 올린 다음 12인치/min의 속도로 인장시켜 시험편과 시험판이 분리될 때의 하중을 측정하였다 (PSTC-1).
300 mL SUS 비커에 용융이 쉬운 점착부여제, 프로세스 오일 그리고 산화방지제를 먼저 넣고 온도 조절이 가능한 오일배스에서 180°C, 10 min간 방치한 뒤, 50 rpm의 속도로 교반을 시작하면서 나머지 폴리머를 20 min에 걸쳐 천천히 투입하였고, 이후 1 h 30 min간 같은 속도와 온도에서 교 반하며 제조하였다.
HMPSAs의 저점도화 배합을 확인하고자 상대적으로 결정화도가 낮은 타입의 me-PO계 폴리머인 폴리올레핀 플라스토머(polyolefin plastomers, 이하 POPs)를 OBCs와 동일 비율로 혼합하여 HMPSAs를 제조한 후 물성변화를 확인하였다. Table 4의 C2, D1 그리고 D2의 결과에서와 같이 OBCs에 POPs를 혼합 사용함으로써 HMPSAs의 연화점과 점도가 SIS사용 HMPSAs와 유사 수준으로 낮아지는 것을 확인했다.
me-PO계 폴리머를 사용한 HMPSAs의 제조에서 적용 가능한 점착부여제의 최적 물성을 확인하기 위해 분자량이 다른 점착부여제를 사용하여 HMPSAs를 제조한 후 물성을 확인하였다. Table 4의 D2 그리고 D3의 결과에서와 같이 큰 분자량의 점착부여제를 사용한 HMPSAs의 연화점과 점도가 다소 증가한 경향을 보였고, 25°C에서 storge modulus G' 값 또한 Dahlquist Criterion을 만족하는 범위 내에서 증가하였다.
본 연구에서 me-PO와 SIS를 기본 폴리머로 하여 HMPSAs를 제조하였고, 각 재료의 혼합비에 대한 세부사항은 Table 3에 나열하였다. 300 mL SUS 비커에 용융이 쉬운 점착부여제, 프로세스 오일 그리고 산화방지제를 먼저 넣고 온도 조절이 가능한 오일배스에서 180°C, 10 min간 방치한 뒤, 50 rpm의 속도로 교반을 시작하면서 나머지 폴리머를 20 min에 걸쳐 천천히 투입하였고, 이후 1 h 30 min간 같은 속도와 온도에서 교 반하며 제조하였다.
본 연구에서는 me-PO를 사용하여 제조 조건을 달리하며 HMPSAs를 제조하고 이를 SBCs계 HMPSAs와 비교 분석하였다. 세부적으로는 me-PO가 SBCs를 대체하여 사용 가능한지와 me-PO사용 HMPSAs의 성능을 최적화하기 위하여 점착부여제가 가져야 특성을 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
유변학적 특성은 rheometer (AR-2000, TA Instruments)를 사용하여 두께 2 mm, 직경 8 mm인 시편을 1 Hz의 전단속도와, -40∼130°C 범위에서 7°C/min의 승온 속도로 분석하였다.
유지력(holding power)은 접착제가 도포된 필름을 폭 1인치로 절단하여 SUS재질의 시험판에 1 kg 하중으로 접착시키고, 50°C로 유지된 열풍오븐 내에서 시험편에1 kg 하중의 추를 매달아 시험편과 시험판이 분리될 때까지의 시간을 측정하였다.
전단접착파괴온도(shear adhesion failure temperature, SAFT)의 측정은 유지력과 같은 방법으로 시험편을 준비한 뒤, 열풍 오븐내에서 0.4 °C/min의 속도로 승온하면서 시험편과 시험판이 분리될 때의 온도를 확인하였다.
점착력(tack)은 rolling ball tack tester (PSTC-6)와, loop tack tester (LT-1000, ChemInstruments)로 측정하였다. Loop Tack 측정을 위해 점착제가 도포된 필름을 폭 1인치, 길이 12인치의 시험편을 준비하여 사용하였다.
점착성을 발현하는 배합을 확인하고자, OBCs와 점착부여제 함량을 각각 40 wt%와 60 wt%로 고정하고 프로세스 오일을 5%에서 20%까지 추가로 첨가하여 HMPSAs를 제조한 후 물성변화를 확인하였다. Figure 3에서와 같이 프로세스 오일 첨가량을 증가시킬수록 연화점과 용융점도는 비례적으로 낮아지는 경향을 보였지만, 용융점도는 여전히 높았다.
제조된 HMPSAs를 이축연신 폴리프로필렌(biaxially oriented polypropylene, BOPP) 필름에 Hot Melt Coater (HLC-101, ChemInstruments)를 이용하여 25 µm의 두께로 코팅한 뒤, 일정한 온도(23°C)와 습도(65%)가 유지되는 조건에서 8 h 동한 방치한 후 점착 성능을 평가하였다.
대상 데이터
HMPSAs를 제조하기 위한 폴리머로는 Table 1과 같이 Kraton사의 SIS (D1161J), Dow사의 me-PO (AffinityTM GA1900, InfuseTM 9807)를 사용하였고, 점착부여제는 Table 2와 같이 코오롱인더스트리(주)의 SUKOREZⓇ (SU90, SU-500, SU-210, SU-700)를 사용하였다. 또한 프로세스 오일은 서진화학의 파라핀계 오일(KL-240)을 사용하였고, 산화방지제는 송원산업의 Songnox-1010을 사용하였다.
(SU90, SU-500, SU-210, SU-700)를 사용하였다. 또한 프로세스 오일은 서진화학의 파라핀계 오일(KL-240)을 사용하였고, 산화방지제는 송원산업의 Songnox-1010을 사용하였다.
이론/모형
연화점은 연화점 측정기(RKA-2, Petrotest)를 이용하여 ring & ball 분석법(ASTM E 28)으로 확인하였고, 용융점도는 브룩필드 점도계(brookfield viscometer, spindle no.27)를 사용하여 측정하였다(ASTM D 3236).
성능/효과
HMPSAs의 저점도화 배합을 확인하고자 상대적으로 결정화도가 낮은 타입의 me-PO계 폴리머인 폴리올레핀 플라스토머(polyolefin plastomers, 이하 POPs)를 OBCs와 동일 비율로 혼합하여 HMPSAs를 제조한 후 물성변화를 확인하였다. Table 4의 C2, D1 그리고 D2의 결과에서와 같이 OBCs에 POPs를 혼합 사용함으로써 HMPSAs의 연화점과 점도가 SIS사용 HMPSAs와 유사 수준으로 낮아지는 것을 확인했다. 접착 성능면에서는, me-PO를 사용한 HMPSAs가 SIS를 사용한 것에 비해 loop tack은 약간 낮은 수준이었으나 그 차이는 크지 않았고, 180° 박리 강도는 우수하였다.
Table 4의 D1 그리고 D3의 결과에서 보면 SIS사용 HMPSAs에 비해서도 접착력과 180° 박리 강도는 우수하였고, 부족 했던 유지력도 개선됨을 확인하였다.
Table 4의 D2 그리고 D3의 결과에서와 같이 큰 분자량의 점착부여제를 사용한 HMPSAs의 연화점과 점도가 다소 증가한 경향을 보였고, 25°C에서 storge modulus G' 값 또한 Dahlquist Criterion을 만족하는 범위 내에서 증가하였다. 접착 성능면에서는 큰 분자량의 점착부여제를 사용함에 따라 접착력과 유지력이 모두 우수해지는 경향을 보였다. Table 4의 D1 그리고 D3의 결과에서 보면 SIS사용 HMPSAs에 비해서도 접착력과 180° 박리 강도는 우수하였고, 부족 했던 유지력도 개선됨을 확인하였다.
접착 성능면에서는, me-PO를 사용한 HMPSAs가 SIS를 사용한 것에 비해 loop tack은 약간 낮은 수준이었으나 그 차이는 크지 않았고, 180° 박리 강도는 우수하였다.
하지만 OBCs와 점착부여제만의 배합으로 제조한 HMPSAs의 plateau영역은 25°C 상온에서 Dahlquist Criterion을 만족하지 못하기에, 점착성을 발현하지 못하는 것을 확인하였다.
후속연구
한편 Figure 5에서와 같이 me-PO를 사용한 HMPSAs 는 SIS를 사용한 것에 비해 고온에서 색상 변색에 대한 저항성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 이 점은 HMPSAs의 제조 및 사용 시 높은 온도에서 열화되어 발생되는 탄화물과 접착제 색상 저하 등의 문제를 개선할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
감압접착제는 어디에 활용되고 있는가?
감압접착제(pressure sensitive adhesives, PSAs)는 유연한 재료간 표면 접착에 매우 용이하여 테이프, 라벨, 플렉시블 웹, 제품 조립 용도 등 다양한 응용 분야에 사용되고 있다[1].
열용융형 감압접착제가 대중화된 이유는?
열용융형 감압접착제(hot-melt pressure sensitive adhesives, 이하 HMPSAs)는 우수한 응용 물성과 용제형 접착제의 환경적 우려로 인해 최근 널리 대중화되었고, 접착제가 사용되는 모든 영역에서 중요성이 부각되고 있다[2,3]. HMPSAs는 100% 고체의 열가소성 컴파운드로, 접착력을 발현하기 위하여 어떠한 용제도 필요로 하지 않는다[4].
열용융형 감압접착제의 장점은?
열용융형 감압접착제(hot-melt pressure sensitive adhesives, 이하 HMPSAs)는 우수한 응용 물성과 용제형 접착제의 환경적 우려로 인해 최근 널리 대중화되었고, 접착제가 사용되는 모든 영역에서 중요성이 부각되고 있다[2,3]. HMPSAs는 100% 고체의 열가소성 컴파운드로, 접착력을 발현하기 위하여 어떠한 용제도 필요로 하지 않는다[4]. 또한, 상온에서 고체 상태이나 열을 주면 액체 상태가 되어 접착 기재에 도포된 후 식으면서 고화되어 접착이 이루어지기에 빠르고 강한 접착력이 요구되는 조립 공정에서 사용된다[5].
참고문헌 (13)
D. Satas, Handbook of Pressure Sensitive Adhesive Technology (1989).
A. T. Hu, R. S. Tsai, and Y. D. Lee, J. Appl. Polym. Sci., 37, 1863 (1989).
L. D. Turreda, Y. Sekiguchi, M. Takemoto, M. Kajiyama, Y. Hatano, and H. Mizumachi, J. Appl. Polyn. Sci., 70, 409 (1998).
D. Satas, Adhesive Products, in the United States, Handbook of Pressure-sensitive Adhesive Technology, Sec. Ed., Chapt. 1, Van nostrand Reinhold, New York (1989).
N. D. Keyzer and X. Juyldermans, Hydrogenated Styrenic Block Copolymer Offers Benefits for PSAs, Adhesives & Sealant Industry, May (2003).
N. Nakajima, R. Babrowicz, and E. R. Harrell, J. Appl. Polym. Sci., 44, 1437 (1992).
F. C. Jagisch and J. M. Tancrede, Styrenic Block Copolymers.
M. Karvo, Latest Development in Rosin Esters for Hot Melt Adhesives 22nd Munich Adhesive and Finishing Seminar, Munich, Germany (1997).
D. W. Bamborough, Amorphous Poly-alpha Olefins in Hot Melt Pressure Sensitive Adhesives (1989).
S. S. Heddleson, D. D. Hamann, and D. R. Lineback, The Dahlquist Criterion: Applicability of Rheological Criterion to the Loss of Pressure-Sensitive Tack in Flour-Water Dough (1993).
C. A. Dahlquist, Proc. Nottingham Conf., Fundamentals and Practise, Mac Laren & Sons, London (1966).
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