내열, 코팅 및 접착특성이 우수한 아크릴계 공중합체를 설계, 제조하였다. 공중합체용 모노머로 methyl methacrylate(MMA), isobornyl methacrylate(IBMA) 그리고 2-hydroxyethyl methacrylate(HEMA)를 사용하여 괴상 중합 및 유화 중합으로 반응하여 > 95%이상 고수율로 중합체를 제조하였다. $^1H$-NMR로 화학구조를 확인하였고 DSC, DMA, TGA분석으로 내열성을 확인한 결과 유리전이온도가 $123^{\circ}C$이상 $140^{\circ}C$까지 높게 나타났다. 또한, IBMA성분이 증가함에 따라 저장 탄성율, 열분해온도 모두 증가하였다. 인장강도는 IBMA의 함량이 전체 모노머 조성물중 10%에서 30%로 증가함에 따라 괴상 및 유화 중합체 모두에서 22에서 30 MPa로 강도가 증가하였으며 IBMA의 소수성 특성으로 접촉각은 70도에서 88도까지 증가함을 확인하였다.
내열, 코팅 및 접착특성이 우수한 아크릴계 공중합체를 설계, 제조하였다. 공중합체용 모노머로 methyl methacrylate(MMA), isobornyl methacrylate(IBMA) 그리고 2-hydroxyethyl methacrylate(HEMA)를 사용하여 괴상 중합 및 유화 중합으로 반응하여 > 95%이상 고수율로 중합체를 제조하였다. $^1H$-NMR로 화학구조를 확인하였고 DSC, DMA, TGA분석으로 내열성을 확인한 결과 유리전이온도가 $123^{\circ}C$이상 $140^{\circ}C$까지 높게 나타났다. 또한, IBMA성분이 증가함에 따라 저장 탄성율, 열분해온도 모두 증가하였다. 인장강도는 IBMA의 함량이 전체 모노머 조성물중 10%에서 30%로 증가함에 따라 괴상 및 유화 중합체 모두에서 22에서 30 MPa로 강도가 증가하였으며 IBMA의 소수성 특성으로 접촉각은 70도에서 88도까지 증가함을 확인하였다.
The acrylate copolymer having good thermal stability, coating and adhesion properties was designed and prepared. We prepared copolymers in >95% high yield using methyl methacrylate, isobornyl methacrylate and 2-hydroxyethyl methacrylate monomers by the bulk and emulsion polymerization techniques. Th...
The acrylate copolymer having good thermal stability, coating and adhesion properties was designed and prepared. We prepared copolymers in >95% high yield using methyl methacrylate, isobornyl methacrylate and 2-hydroxyethyl methacrylate monomers by the bulk and emulsion polymerization techniques. The $^1H$-NMR spectrum was used to identify chemical structure and glass transition temperatures increased from $123^{\circ}C$ to $140^{\circ}C$ confirmed by DSC, DMA and TGA analysis. In addition, as the content of IBMA increased, storage modulus and thermal decomposition temperature increased. As the content of IBMA increased from 10% to 30% in the composition for the entire monomer, tensile strength increased from 22 to 30 MPa in both polymers prepared by bulk and emulsion techniques. The contact angle increased from 70 to up to 88 degrees due to hydrophobic property of IBMA.
The acrylate copolymer having good thermal stability, coating and adhesion properties was designed and prepared. We prepared copolymers in >95% high yield using methyl methacrylate, isobornyl methacrylate and 2-hydroxyethyl methacrylate monomers by the bulk and emulsion polymerization techniques. The $^1H$-NMR spectrum was used to identify chemical structure and glass transition temperatures increased from $123^{\circ}C$ to $140^{\circ}C$ confirmed by DSC, DMA and TGA analysis. In addition, as the content of IBMA increased, storage modulus and thermal decomposition temperature increased. As the content of IBMA increased from 10% to 30% in the composition for the entire monomer, tensile strength increased from 22 to 30 MPa in both polymers prepared by bulk and emulsion techniques. The contact angle increased from 70 to up to 88 degrees due to hydrophobic property of IBMA.
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문제 정의
본 연구에서는 범용 코팅재료로써 내열특성과 접착특성을 동시에 가지면서 작업시간에 제한이 없는 코팅 조성물을 설계, 합성한 후 내열성, 기계적 강도 및 접촉각 등 물리적 특성을 분석하여 코팅재료로써의 활용 가능성을 조사하였다.
제안 방법
공중합체 구성성분으로 MMA 는 투명 및 코팅특성이 우수한 것으로 알려지고 있으며 IBMA 는 bulky side-chain 을 갖고 있어 내열성을 나타낼 것으로 기대되며 접착특성을 위하여 기존에 많이 사용하는 MA 대신에 radical trapping 효과가 약하면서 큰 dipole 강도를 갖고 있어 접착 특성이 우수한 HEMA 를 도입하여 내열성과 접착성 그리고 코팅특성이 우수한 공중합체를 제조하였다. 공중합체 조성은 HEMA 는 10%로 일정하게 유지한 상태에서 MMA 대비 IBMA 의 양을 늘리면서 물성변화를 관찰하였다.
공중합체 제조를 위하여 MMA, IBMA 그리고 HEMA 를 단량체로 하여 괴상 및 유화 중합법으로 합성하였다. (Scheme 1) 또한, 중합에 따른 조성비는 Table 1, 2 에 나타내었다.
공중합체 구성성분으로 MMA 는 투명 및 코팅특성이 우수한 것으로 알려지고 있으며 IBMA 는 bulky side-chain 을 갖고 있어 내열성을 나타낼 것으로 기대되며 접착특성을 위하여 기존에 많이 사용하는 MA 대신에 radical trapping 효과가 약하면서 큰 dipole 강도를 갖고 있어 접착 특성이 우수한 HEMA 를 도입하여 내열성과 접착성 그리고 코팅특성이 우수한 공중합체를 제조하였다. 공중합체 조성은 HEMA 는 10%로 일정하게 유지한 상태에서 MMA 대비 IBMA 의 양을 늘리면서 물성변화를 관찰하였다. 또한, 괴상 및 유화 중합법으로 각각 합성하여 괴상중합체의 경우 유기용제에 녹여 코팅실험을 실시하였고 유화중합체의 경우는 라텍스가 제조되어 수용성 코팅이 가능하도록 하였다.
공중합체에서 각 단량체의 도입을 확인하기 위하여 1H-NMR Spectrometer (Jeol 300M, 300 MHZ Multi-probe)을 이용하여 CDCl3용매에 시료를 녹여 측정하였다. 내열특성은 DSC (TA5000/MDSC2910 system)를 이용하여 질소분위기 하에서 5 ℃/min의 속도로 승온하여 측정하였으며 TGA (TA Instruments Q500)는 질소분위기하에서 10 ℃/min 의 속도로 승온하여 분석하였다.
공중합체 조성은 HEMA 는 10%로 일정하게 유지한 상태에서 MMA 대비 IBMA 의 양을 늘리면서 물성변화를 관찰하였다. 또한, 괴상 및 유화 중합법으로 각각 합성하여 괴상중합체의 경우 유기용제에 녹여 코팅실험을 실시하였고 유화중합체의 경우는 라텍스가 제조되어 수용성 코팅이 가능하도록 하였다. Figure 1 에 1H-NMR spectrum 을 나타내었는데 3.
코팅성이 우수하고 내열성과 접착성이 우수한 공중합체를 괴상 및 유화 중합법으로 합성하였다. 제조된 공중합체는 코팅성이 우수하여 슬라이드글라스에 고강도 필름으로 코팅할 수 있었으며 괴상 중합체의 경우는 chloroform(CHCl3)에 녹여 코팅하였고 유화 중합체는 라텍스가 제조되어 water-based 코팅이 가능하였다.
대상 데이터
Methyl metacrylate (MMA)와 isobornyl methacrylate (IBMA)는 Aldrich Chemical사 제품으로 정제 혹은 그대로 사용하였으며 2-hydroxyethyl methacylate (HEMA)는 Junsei Chemical제를 진공 증류하여 사용하였다. 개시제로 사용한 azobisisobutyronitrile (AIBN)은 에탄올에 재결정하여 사용하였다.
이론/모형
의 Phoenix300을 이용하여 측정하였으며 시료는 슬라이드 글라스 위에 합성한 중합체를 일정량 코팅한 후 60 ℃ 오븐에서 30분간 건조 후 냉각된 film을 사용하였다. 측정은 Sessile drop (water-in-air) 방법으로 시료당 5개를 5-10초 이내에 측정하여 평균값을 이용하였다.
성능/효과
공중합체의 Tg를 DSC를 이용하여 측정한 결과 IBMA 의 양이 10%에서 30%로 증가함에 따라 괴상 중합의 경우 123 에서 135 ℃로 증가하였으며 latex 의 경우 121 에서 128 ℃ 로 증가함을 확인하였다. (Fig.
공중합체를 슬라이드 글라스에 코팅, 건조 후에 초음파기를 이용하여 코팅한 필름을 박리, 분리하여 인장강도를 측정하였다. 그 결과 공중합체내에 IBMA 의 함량이 증가할수록 인장강도가 증가하였는데 이것은 IBMA 의 bulky side-chain 이 사슬움직임을 둔화시켜 stiff 한 필름이 제조되어 강도가 증가하는 것으로 판단된다. 접촉각의 경우는 IBMA 의 소수성(hydrophobicity)특성으로 IBMA 의 함량이 증가할수록 접촉각이 증가하는 경향을 나타내고 있으며 슬라이드 글라스에서 코팅 건조된 필름의 박리가 상대적으로 조금 용이함을 확인할 수 있었다.
또한, DMA 를 이용하여 저장 탄성율과 Tg 를 측정한 결과 DSC 데이터와 유사하게 IBMA 의 함량이 증가함에 따라 Tg 는 130 에서 143 ℃로 증가하는 경향을 나타내었으며 저장 탄성율의 경우도 IBMA 의 bulky 한 특성으로 IBMA 함량이 증가함에 따라 분자사슬의 움직임이 둔화되어 stiff 한 필름이 제조되어 점도가 증가하는 것으로 보여진다. (Fig.
중합체 조성물중 IBMA 의 함량이 증가할수록 유리전이온도(Tg), 저장 탄성율, 열분해온도 등 내열성이 우수하였으며 인장강도도 증가하였다. 또한, IBMA 의 소수성 특성으로 공중합체에서 IBMA 의 성분이 증가할수록 접촉각은 증가하는 경향을 나타내었다.
그 결과 공중합체내에 IBMA 의 함량이 증가할수록 인장강도가 증가하였는데 이것은 IBMA 의 bulky side-chain 이 사슬움직임을 둔화시켜 stiff 한 필름이 제조되어 강도가 증가하는 것으로 판단된다. 접촉각의 경우는 IBMA 의 소수성(hydrophobicity)특성으로 IBMA 의 함량이 증가할수록 접촉각이 증가하는 경향을 나타내고 있으며 슬라이드 글라스에서 코팅 건조된 필름의 박리가 상대적으로 조금 용이함을 확인할 수 있었다.
제조된 공중합체는 코팅성이 우수하여 슬라이드글라스에 고강도 필름으로 코팅할 수 있었으며 괴상 중합체의 경우는 chloroform(CHCl3)에 녹여 코팅하였고 유화 중합체는 라텍스가 제조되어 water-based 코팅이 가능하였다. 중합체 조성물중 IBMA 의 함량이 증가할수록 유리전이온도(Tg), 저장 탄성율, 열분해온도 등 내열성이 우수하였으며 인장강도도 증가하였다. 또한, IBMA 의 소수성 특성으로 공중합체에서 IBMA 의 성분이 증가할수록 접촉각은 증가하는 경향을 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 재료에 대한 연구가 급격히 증가하고 있는 이유는?
최근 들어 고분자 재료의 표면 특성 및 표면 물성 변환에 대한 관심이 높아지면서 이에 대한 연구가 급격히 증가하고 있다. 표면 물성은 재료와는 전혀 다른 특성을 가질 수 있으며 재료 고유의 물성을 유지한 상태에서 표면특성을 조절 가능함으로써 각종 구조물이나 섬유, 생체재료, 전자재료, 멤브레인 등 다양한 분야에서 활용도가 높아지고 있다[1-5].
PMMA는 주로 어떤 분야의 위주로 개발되고 있는가?
그러나, PMMA 는 비교적 낮은 유리 전이 온도(Tg)를 나타내어 다양한 재료로 활용하는데 한계를 갖고 있으며 이를 극복하기 위하여 다른 단량체와 공중합하여 물성을 개선하려는 연구가 진행되고 있다[6-8]. 그러나, 전자재료나 의료용 재료 같은 고기능성 재료 위주로 개발되고 있어 응용범위가 한정되어 왔다. 한편, 일반적인 코팅용도로는 주로 광경화형 아크릴계가 이용되고 있는데 재료 특성상 공기에 대한 안정성이 낮아 넓은 부위에 코팅이 어렵고 작업시간에 제한이 있어 작업 숙련도가 요구되어 왔다[9-12].
표면 물성의 특징은?
최근 들어 고분자 재료의 표면 특성 및 표면 물성 변환에 대한 관심이 높아지면서 이에 대한 연구가 급격히 증가하고 있다. 표면 물성은 재료와는 전혀 다른 특성을 가질 수 있으며 재료 고유의 물성을 유지한 상태에서 표면특성을 조절 가능함으로써 각종 구조물이나 섬유, 생체재료, 전자재료, 멤브레인 등 다양한 분야에서 활용도가 높아지고 있다[1-5].
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