[국내논문]폴리우레탄 접착제의 물성에 미치는 PPG, MDI, 2-HEMA 및 butyl acrylate량의 영향 Effect of PPG, MDI, 2-HEMA and butyl acrylate content on the properties of polyurethane adhesive원문보기
폴리올, 이소시아네이트, 2-HEMA 및 기타 아크릴레이트 단량체들로부터 제조된 폴리우레탄 접착제의 FT-IR측정과 물성을 검토하였다. 폴리우레탄 접착제의 연화점, 점도, 접착강도 및 기계적 물성들이 각각 링과볼법, Brookfield 점도계 및 만능시험기를 이용하여 검토되었다. 실험 결과에 의하면 PPG 함량 및 부틸아크릴레이트 함량이 증가함에 따라 연화점, 접착강도, 인장강도 및 100% modulus 값 등은 감소하는 것을 보여준다. 하지만 2-HEMA 및 MDI량이 증가할수록 인장강도 및 100% modulus값 등은 증가하였으며 점도와 NCO함량 등도 또한 증가하였다.
폴리올, 이소시아네이트, 2-HEMA 및 기타 아크릴레이트 단량체들로부터 제조된 폴리우레탄 접착제의 FT-IR측정과 물성을 검토하였다. 폴리우레탄 접착제의 연화점, 점도, 접착강도 및 기계적 물성들이 각각 링과볼법, Brookfield 점도계 및 만능시험기를 이용하여 검토되었다. 실험 결과에 의하면 PPG 함량 및 부틸아크릴레이트 함량이 증가함에 따라 연화점, 접착강도, 인장강도 및 100% modulus 값 등은 감소하는 것을 보여준다. 하지만 2-HEMA 및 MDI량이 증가할수록 인장강도 및 100% modulus값 등은 증가하였으며 점도와 NCO함량 등도 또한 증가하였다.
FT-IR measurement and the physical properties of polyurethane adhesive prepared from the polyol, isocyanate, 2-HEMA and other acrylate monomers were examined. The softening point, viscosity, adhesion strength and mechanical properties of the PU adhesives were reviewed by Ring and Ball method, Brookf...
FT-IR measurement and the physical properties of polyurethane adhesive prepared from the polyol, isocyanate, 2-HEMA and other acrylate monomers were examined. The softening point, viscosity, adhesion strength and mechanical properties of the PU adhesives were reviewed by Ring and Ball method, Brookfield viscometer and universal test machine, respectively. Results revealed that increment of both PPG amount and butyl acrylate content decreased softening point, adhesion strength, tensile strength and 100% modulus. However as 2-HEMA and MDI content increased the mechanical properties including tensile strength, 100% modulus increased, and also the viscosity and NCO content increased.
FT-IR measurement and the physical properties of polyurethane adhesive prepared from the polyol, isocyanate, 2-HEMA and other acrylate monomers were examined. The softening point, viscosity, adhesion strength and mechanical properties of the PU adhesives were reviewed by Ring and Ball method, Brookfield viscometer and universal test machine, respectively. Results revealed that increment of both PPG amount and butyl acrylate content decreased softening point, adhesion strength, tensile strength and 100% modulus. However as 2-HEMA and MDI content increased the mechanical properties including tensile strength, 100% modulus increased, and also the viscosity and NCO content increased.
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문제 정의
따라서 본 실험에서는 기존의 유기용제형 폴리우레탄 접착제를 대체함으로서 무용제화, 접착공정의 자동화 및 자원절약 등 부품소재공정의 친환경화를 통한 산업계 선진화를 이루기 위하여 환경친화적인 무용제형인 폴리우레탄 접착제를 합성하는 데 있어서 폴리올, 이소시아네이트 및 단량체 등의 함량 변화가 물성에 미치는 영향을 검토하였다.
이와 같이 두 극단의 이성분계 폴리우레탄은 단일상이 된다. 본 실험에서는 폴리에스테르계 폴리올로서 AA/EG/BD형인 DPE-21과 MDI의 반응으로부터 얻은 NCO말단 prepolymer를 2-HEMA와 반응시켜 고분자 사슬의 양쪽말단이 coupling된 폴리우레탄 중합물을 합성하는 데에 있어서 2-HEMA의 함량에 따른 물성의 변화를 검토하였다. 폴리우레탄 NCO말단 prepolymer의 mol비 (NCO/OH)는 1.
이와 같이 폴리우레탄은 연질상과 경질상의 종류, 함량, block 길이, 상 분리 정도와 경질상의 고차구조에 따라 분자설계가 가능하다. 본 실험에서는 폴리에스테르계 폴리올로서 AA/EG/BD형인 DPE-21을 사용한 중합반응에 있어서 MDI의 함량에 따른 물성의 변화를 검토하였다. 폴리우레탄 NCO말단 prepolymer의 mol비 (NCO/OH)는 1.
연질세그먼트로 널리 이용되고 있는 폴리올 중 에테르형 폴리올인 PEG처럼 분자의 구조가 매우 규칙적인 경우에만 결정화하여 에스테르나 락톤형에 비해 Tm 및 Tg가 낮다. 본 실험에서는 폴리에스테르계 폴리올로서 DPE-21과 폴리에테르계 폴리올인 PPG의 혼합 폴리올계에 있어서 PPG 함량에 따른 물성의 변화를 검토하였다. 폴리우레탄 NCO말단 prepolymer의 mole 비 (NCO/OH)는 1.
제안 방법
ASTM D-1708 규격에 따라 만능시험기를 이용하여 50mm/min의 속도로 인장강도 및 100% modulus 값을 측정하였으며 최소 5개의 시료에 대하여 평균치를 구하였다.
그 후 아크릴레이트 단량체, 아크릴산, 메타아크릴레이트 등을 가하고 최종 생성물을 얻는다. 따라서 본 실험에서는 폴리에스테르계 폴리올로서 DPE-21을 사용하고 그 이외에 다른 원료의 량은 고정시키고, butyl acrylate의 함량변화에 따른 물성을 검토하였는 데 butyl acrylate양에 따라 점착성의 증감 및 연화점에 영향을 미친다. 폴리우레탄 NCO말단 prepolymer의 mole 비(NCO/OH)는 1.
본 실험에서는 먼저 폴리올과 아소시아네이트에 의한 NCO 말단 prepolymer를 합성한 후 2-HEMA와의 capping반응을 수행함에 있어서 폴리올로는 폴리에스테르계 및 폴리에테르계 폴리올을 사용하고, 이소시아네이트로는 MDI를 사용하여 중합을 수행하였다. prepolymer의 합성은 사용한 폴리올 및 이소시아네이트의 종류에 따라 물성이 크게 변화하며 반응조건에 따라서도 여러가지 물리적 특성이 크게 변화하는 데 특히, 반응에 사용된 폴리올은 폴리우레탄 접착제의 소프트세그먼트를 구성함으로써 탄성변형에 큰 영향을 미치므로 접착강도 및 유연성 등의 물리적 성질을 좌우하게 된다.
본 실험에서는 폴리올로는 DPE-21와 PPG, 이소시아네이트로는 MDI, 그 외에 2-HEMA 및 기타 아크릴레이트 단량체 및 개시제로는 AIBN을 사용하여 폴리우레탄 중합반응을 수행함으로써 아래와 같은 결론을 얻었다.
소재의 접착에 있어서 물리화학적 가공기술을 통한 접착성능을 부여하는 친환경으로 고형분 100%인 필름 형태의 핫멜트 접착제를 제조하기 위하여 우선 폴리우레탄 반응에 의하여 NCO말단 prepolymer를 중합한 후 2-HEMA(hydroxy ethyl methacrylate)와의 capping 반응을 통하여 얻은 중간생성물을 아크릴레이트 단량체와 중합하여 최종생성물을 얻는다. 여기서는 폴리에스테르계 폴리올로서 DPE-21(AA/EG/BD type, Dong A Chem.
소재의 접착에 있어서 물리화학적 가공기술을 통한 접착성능을 부여하는 친환경으로 고형분 100%인 필름 형태의 핫멜트 접착제를 제조하기 위하여 우선 폴리우레탄 반응에 의하여 NCO말단 prepolymer를 중합한 후 2-HEMA(hydroxy ethyl methacrylate)와의 capping 반응을 통하여 얻은 중간생성물을 아크릴레이트 단량체와 중합하여 최종생성물을 얻는다. 여기서는 폴리에스테르계 폴리올로서 DPE-21(AA/EG/BD type, Dong A Chem.)과 MDI로써 폴우레탄 중합반응을 수행하여 NCO 말단 prepolymer를 얻었으며 FT-IR 분석결과를 Figure 1에 나타내었다. 그림에서 보이는 것처럼 3340~3350 cm-1에서 우레탄기 N-H 결합의 신축진동 흡수가 일어나며 2265 cm-1에서 NCO기 흡수 피이크가 나타났다.
폴리에스테르계 폴리올로서 DPE-21에 2-HEMA를 제외한 기타 원료는 동일량 가하여 중합을 수행하는 데 있어서 2-HEMA의 함량에 따른 폴리우레탄 중합물의 연화점, 점도, 접착강도, 인장강도 및 100% modulus 등을 측정하였다. Figure 8에는 연화점 및 접착강도의 변화를 나타내었는데 2-HEMA의 양이 증가함에 따라 연화점이 증가하는 경향을 보인다.
폴리에스테르계 폴리올인 AA/EG/BD형의 DPE-21에 하드 세그먼트로서 MDI를 가하고 그 밖의 다른 단량체는 동일량가하여 중합을 수행하는 데 있어서 경질 세그먼트인 MDI의 함량에 따른 폴리우레탄 중합물의 연화점, NCO 함량, 접착강도, 인장강도 및 100% modulus 등을 측정하였다. Figure 5에 보이는 것처럼 경질 세그먼트를 구성하는 MDI의 량이 증가함에 따라 상온에서 딱딱한 유리상을 형성하여 이것이 연질상을 보강함으로써 고온 물성, 특히 연화점의 증가에 기여하는 것으로 판단된다.
폴리에스테르계 폴리올인 DPE-21과 폴리에테르계 폴리올인 PPG를 혼용하여 여기에 다른 단량체 등을 동일량 가하고 중합을 수행하는 데 있어서 PPG의 함량에 따른 폴리우레탄 중합물의 연화점, 접착강도, 인장강도 및 100% modulus 등을 측정하였다. Figure 3에는 PPG 함량에 따른 연화점 및 접착강도의 변화를 나타내었는데 PPG량이 증가함에 따라 연화점은 감소하는 경향을 보이며, 이러한 경향은 액상인 PPG가 가소제역할을 한데 기인한 것으로 여겨진다.
필름 형태의 핫멜트를 피착재/피착재 사이에 삽입하여 가열된 전기다리미 등으로 다림질한 후 roll mill 사이를 통과시키고 냉각하여 접착강도를 측정하였다.
합성한 무용제형 폴리우레탄 중합물을 release paper 위에다 부어 applicator를 사용하여 균일한 두께의 필름을 제작하였다.
합성한 무용제형 폴리우레탄 중합물의 점도를 Brookfield 점도계에 의하여 측정하였다. Brookfield 점도계는 측정하려는 유체에 spindle을 담그고 일정한 속도로 회전시킬 때 발생하는 torque값을 측정하는 형태로서, shear rate는 Brookfield 점도계의 회전속도, spindle의 종류에 따라 결정되는 값이다.
대상 데이터
1 mmHg에서 기포발생이 없을 때까지 충분히 감압, 건조한 후 사용하였다. MDI(Junsei Chem. Co.), 2-HEMA(EP grade, Junsei Chem. Co.), EA(ethyl acrylate, EP grade, Junsei Chem. Co.), MA(methyl acrylate, EP grade, Junsei Chem. Co.), BA(butryl acrylate, EP grade, Junsei Chem. Co.), AA (acrylic acid, EP grade, Junsei Chem. Co.) 및 AIBN (azobisisobutyronitrile, Sigma) 등 기타 시약은 정제한 후 사용하였다. 접착공정에서의 작업환경개선과 작업인력 절감 및 자동화 측면에서 핫멜트 접착제의 중요성은 크게 증대되고 있다.
shear stress는 유체의 내부저항, 즉 Brookfield 점도계의 torque 값에 따라서 달라진다. 본 실험에서는 Brookfield 점도계 DV III type을 사용하였다.
실험에 사용한 폴리올은 PPG(분자량 2,000, Junsei Chem. Co.) 및 분자량 2,000인 DPE-21(AA/EG/BD type, Dong A Chem Co.)을 사용하였으며 80℃. 0.
이론/모형
용융접착제의 일정량을 규정조건 아래에서 가열한다. 연화 점측정은 KSM ISO 4625에 따른 링과 볼(Ring and Ball) 방법에 의한다. 즉 링을 평평한 금속판 위에 놓고 시료를 예상 연화점 보다 40℃ 이상 높지 않은 온도범위에서 가능한 한 저온으로 재빠르게 용융하고 약간 과잉으로 충전한다.
성능/효과
- 2-HEMA량이 증가함에 따라 연화점은 올라가며, 폴리우레탄 중합물의 분자량 증가에 기인하여 점도는 증가하고, 이어서 접착강도, 인장강도 및 100% modulus 등은 증가하는 경향을 보였다.
- Butyl acrylate량이 증가함에 따라 단량체의 희석효과에 기인하여 연화점은 낮아지며, 접착강도, 인장강도, 100% modulus 등은 감소하는 경향을 보였다.
- MDI 함량이 증가함에 따라 상온에서 유리상을 형성하여 연질상을 보강함으로써 연화점이 올라가고, 미반응 말단 NCO의 잔존량이 많아져 NCO함량이 증가하며, 접착강도, 인장강도 및 100% modulus 등도 증가하는 경향을 보였다.
- PPG 함량이 증가함에 따라 연화점은 낮아지며, 연질 성분의 증가에 따른 피착제와 접착제 간의 계면결합력의 약화로 접착강도는 감소하고, 인장강도 및 100% modulus 등은 줄어드는 경향을 보였다.
따라서 MDI의 양이 증가함에 따라 경질세그먼트 domain의 배향은 연질 세그먼트에 걸리는 인장응력을 완화시키고 세그먼트들의 재배열과정에서 초기의 수소결합은 깨어지고 보다 바람직한 새로운 수소결합이 형성된다. 그 결과 배향이 이루어지면 세그먼트들이 일차결합력으로 외력에 저항하므로 인장강도 및 100% modulus가 증가하는 것으로 여겨진다.
4g 이상으로 증가함에 따라 연화점이 감소하는 데 이러한 경향을 보이는 이유는 적정량 이상의 과량에서는 butyl acrylate가 단량체로서 보다는 용제로서의 역할에 따른 희석효과에 기인한 것으로 여겨진다. 그리고 butyl acrylate량이 38.4 g 이상 첨가함에 따라 접착강도 또한 감소하는 경향을 나타내었는데 이것은 butyl acrylate량이 증가함에 따라 단량체가 점착성에 기여하기 보다는 용제의 역할에 따른 희석효과로 인하여 오히려 점착성이 감소하고 결과적으로 피착재와 접착제간의 계면결합력 감소를 일으키는 것으로 여겨진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폴리우레탄 환경친화형 접착제는 어떤 종류가 있는가?
그러므로 수분산형 접착제 및 핫멜트형 접착제의 용도개발이 활발하게 전개되었으며, 주목할 만한 접착제 개발은 자동차 구조용 접착제로 Goodyear사를 통해 소개되었다. 또한 폴리우레탄 가압형 접착제 및 반응성 핫멜트형 접착제도 개발되어, 현재 폴리우레탄 환경친화형 접착제는 수분산형 접착제, 핫멜트형 접착제, 반응성 핫멜트형 접착제로 다양해졌다. 근년에 이르러 폴리우레탄에 기초를 둔 접착제는 구조내의 우레탄기의 존재로 인한 우수한 접착력과 옥외 내구성이 확보되어 직물, 식품포장, 자동차, 군사용 및 다른 산업계에 널리 사용되고 있다.
핫멜트 접착제의 단점은 무엇인가?
핫멜트 접착제는 도포 후 경화되는 시간이 수초밖에 소요되지 않는 매우 빠른 경화속도를 가지기 때문에 공업용 접착제로서 큰 장점을 가지며 또한 무용제형으로 작업환경에 미치는 환경적 영향을 최소화할 수 있는 잇점을 갖고 있다. 그러나 주성분이 열가소성수지이기 때문에 열경화성수지 접착제와 같은 높은 접착성을 얻을 수 없으며 그 이외에도 온도 등의 작업환경에 민감하고 내열성과 내한성의 양립이 어렵다는 단점도 갖고 있다. 따라서 이와같은 문제를 해결하고 접착물성의 지속적인 유지를 위하여 반응성 핫멜트 접착제의 응용범위를 확장시킴으로써 구조용이나 준구조용 접착제로서 응용하고 있다.
폴리우레탄에 기초를 둔 접착제는 어느 분야에 사용되고 있는가?
또한 폴리우레탄 가압형 접착제 및 반응성 핫멜트형 접착제도 개발되어, 현재 폴리우레탄 환경친화형 접착제는 수분산형 접착제, 핫멜트형 접착제, 반응성 핫멜트형 접착제로 다양해졌다. 근년에 이르러 폴리우레탄에 기초를 둔 접착제는 구조내의 우레탄기의 존재로 인한 우수한 접착력과 옥외 내구성이 확보되어 직물, 식품포장, 자동차, 군사용 및 다른 산업계에 널리 사용되고 있다.1~3 즉 폴리올과 이소시아네이트기의 반응에 의하여 폴리우레탄이 합성되며 다양한 종류의 폴리올과 이소시아네이트를 사용하여 광범위한 폴리우레탄 접착제가 얻어진다.
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