[논문]스티렌페놀계 계면활성제 기반 친환경 수계 점착제 합성 및 특성 분석

송영규; 이상호; 박영일; 김진철

doi:10.17702/jai.2020.21.4.156

스티렌페놀계 계면활성제 기반 친환경 수계 점착제 합성 및 특성 분석
Synthesis and Characterization of Water-borne Pressure Sensitive Adhesives Polymerized using Styrenated Phenol Type Surfactants 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.21 no.4, 2020년, pp.156 - 161

송영규 (한국화학연구원, 정밀.바이오화학연구본부, 정밀화학융합기술연구센터) , 이상호 (한국화학연구원, 정밀.바이오화학연구본부, 정밀화학융합기술연구센터) , 박영일 (한국화학연구원, 정밀.바이오화학연구본부, 정밀화학융합기술연구센터) , 김진철 (한국화학연구원, 정밀.바이오화학연구본부, 정밀화학융합기술연구센터)

초록
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수계 압력감응점착제(PSA)는 유해성 휘발성유기용매 사용을 최소화할 수 있는 친환경 기술로써 학계와 산업계에서 큰 관심을 받아왔다. 수계 PSA의 합성은 유화중합을 이용하는데 이 때 이용되는 페놀계 계면활성제는 환경 및 인체유해성이 높아 이를 대체할 수 있는 신규 계면활성제 개발이 산업적으로 요구된다. 본 논문에서는 환경유해성 페놀계 CO-436 계면활성제를 대체할 수 있는 스티렌페놀계 계면활성제를 이용하여 수계 PSA를 합성하고 스티렌페놀계 계면활성제의 종류 및 농도에 따른 수계 PSA의 물성과 산업계 응용 가능성에 대해 알아보고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Waterborne pressure sensitive adhesives (PSA) has been received much attentions from both academia and industries as an environmental friendly-technology because it can significantly reduce use of hazardous organic volatile solvents. However, in the process of the mass production of waterborne PSAs, hazardous phenol type amphiphilic compounds have essentially been used as surfactants for the emulsion polymerization. For the reason, tremendous research efforts have been made to develop environment-friendly organic surfactant which can replace the phenol type surfactants. In this study, we verify the potential of a new class of surfactants based on the styrenated phenol derivatives as an alternative to the phenol type surfactants.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. (a) The chemical structures of the surfactants and (b) synthesized polymer used in study.
그림 Figure 2. (a) The schematic overview of the reactor setup and (b) the procedure used to achieve the PSA emulsion polymerization as semi-batch process.
표 Table 1. The formulation used in the emulsion polymerization
표 Table 2. The concentrations of surfactants used in the emulsion polymerization of PSAs
표 Table 3. The concentrations of surfactants used in the emulsion polymerization of PSAs
그림 Figure 3. (a) Variation in surface tensions of the surfactants as a function of surfactant concentrations.
그림 Figure 4. Representative IR spectra of (a) monomer emulsion and (b) the synthesized PMSP-1. The green band indicates the presence and disappearance of the C=C bond characteristic peak in the acrylate monomers before and after the emulsion polymerization.
그림 Figure 5. Particle sizes and size distributions of the polymer emulsions: (a) P436, (b) PMSP, and (c) PTSP emulsions.
그림 Figure 6. Long-term dispersion stability of (a) P436, (b) PMSP, and (c) PTSP emulsions measured by using Turbiscan at 25℃.
그림 Figure 7. TGA pyrograms and DSC thermograms of the synthesized PSAs.
그림 Figure 8. (a) Peel and (b) tack strength of the synthesized PSAs.
그림 Figure 9. The optical microscope images of PSA surfaces coated on PE.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 환경유해성 페놀계 CO-436 계면활성제를 대체할 수 있는 스티렌페놀계 계면활성제를 이용하여 수계 PSA를 합성하고 산업계 응용 가능성에 대해 알아보았다. 본 연구에서 사용된 스티렌페놀계 계면활성제는 CO-436과 유사한 임계마이셀농도와 제타 전위값을 나타내었고 유화중합 후 고분자 에멀젼의 안정성에서 CO-436의 동등 이상의 성능을 보여주었다.

제안 방법

CMC 측정을 통해서 마이셸(Micelle)이 형성되는 농도를 보았다(Fig. 3). TSP의 경우, 가장 낮은 농도에서 가장 빨리 임계값에 도달하는데 이는 분자 구조 내에 소수성 부분의 무게 분율이 CO-436 및 MSP에 비해 크기 때문인 것으로 판단된다.
500℃까지 측정하였다. PSA의 유리 전이온도는 DSC (DSC Q1000, TA Instruments)를 사용해 –60℃ 에서 –40℃ 범위에서 10℃/min의 속도로 승온하여 2차승온 실험 데이터(2^nd heating cycle)를 기록하였다.
계면활성제의 임계마이셀농도(Critical Micelle Concentration, CMC)는 농도에 따른 표면장력 변화를 표면장력 측정기(Tensiometer K100MK3, Krüss)를 이용하여 측정하였다.
수계 PSA의 장기분산 안정성은 터비스켄(Turbiscan AGS, Agilent)을 이용하여 시료 높이 방향에 따른 각 지점에서의 고분자 에멀젼(30 wt%) 의 광투과율(%Transmittance) 변화를 추적하여 분석하였다. 광투과율 변화 데이터는 14일 동안 1일 간격으로 누적하여 기록하였다.
유리 전이온도(glass transition temperature, Tg), 열분해온도(thermal degradation temperature, Td)과 같은 점착제의 열적 특성은 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 및 열중량분석기(Thermogravimetric Analysis, TGA)를 통해 측정하였다. 마지막으로 스티렌계 계면활성제 기반 수계 PSA의 점착 물성을 페놀계 계면활성제 기반 수계 PSA의 점착 물성과 비교하였다.
TSP의 경우, 가장 낮은 농도에서 가장 빨리 임계값에 도달하는데 이는 분자 구조 내에 소수성 부분의 무게 분율이 CO-436 및 MSP에 비해 크기 때문인 것으로 판단된다. 세 계면활성제 모두 표면장력이 임계치에 도달한 후 농도 변화에 대하여 일 정한값을 나타내었으므로 각 임계농도를 계면활성제의 임계 마이셀 농도로 정하였다(CO-436 = 2.03 mM, MSP = 2.13 mM, TSP = 0.17 mM). MSP의 경우 CO-436과 비슷한 임계마이셀농도를 나타내었고 가장 소수성 부분이 많은 TSP의 경우 측정한 계면활성제 중 낮은 값을 나타내었다.
수계 PSA의 180° 박리강도는 박리강도는 만능시험기 (Universal Testing Machine, UTM, Lloyd LF Plus, Lloyd Instruments, Ametek Inc.)를 이용하여 박리속도(peel rate) 는 305 mm/min로 측정하였다. 시편은 25 mm x 130 mm 크기의 PE 필름 위에 수계 PSA를 코팅하고 이를 스테인리스스틸 위에 2 kg 고무롤러를 이용하여 부착하여 제조하였다.
수계 PSA의 열분해온도는 TGA (TGA Q500, TA Instruments)를 이용해 10℃/min의 속도로 승온하여 50℃에서 500℃까지 측정하였다. PSA의 유리 전이온도는 DSC (DSC Q1000, TA Instruments)를 사용해 –60℃ 에서 –40℃ 범위에서 10℃/min의 속도로 승온하여 2차승온 실험 데이터(2^nd heating cycle)를 기록하였다.
,ernInstruments)를 이용하여 수계 고분자 에멀젼을 증류수로 희석한 후 측정하였다. 수계 PSA의 장기분산 안정성은 터비스켄(Turbiscan AGS, Agilent)을 이용하여 시료 높이 방향에 따른 각 지점에서의 고분자 에멀젼(30 wt%) 의 광투과율(%Transmittance) 변화를 추적하여 분석하였다. 광투과율 변화 데이터는 14일 동안 1일 간격으로 누적하여 기록하였다.
수계 PSA의 평균 입자 크기 및 제타전위(zeta potential) 는 25℃에서 DLS (Zetasizer Nano ZS90, Mal.,ernInstruments)를 이용하여 수계 고분자 에멀젼을 증류수로 희석한 후 측정하였다. 수계 PSA의 장기분산 안정성은 터비스켄(Turbiscan AGS, Agilent)을 이용하여 시료 높이 방향에 따른 각 지점에서의 고분자 에멀젼(30 wt%) 의 광투과율(%Transmittance) 변화를 추적하여 분석하였다.
유리 전이온도(glass transition temperature, Tg), 열분해온도(thermal degradation temperature, Td)과 같은 점착제의 열적 특성은 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 및 열중량분석기(Thermogravimetric Analysis, TGA)를 통해 측정하였다. 마지막으로 스티렌계 계면활성제 기반 수계 PSA의 점착 물성을 페놀계 계면활성제 기반 수계 PSA의 점착 물성과 비교하였다.
합성된 FT-IR 분광법을 이용하여 합성된 PSA의 화학구조를 확인하였다. Fig.

대상 데이터

Butyl acrylate (BA, reagent grade), 2-ethythexyl methacrylate (2-EHA, reagent grade), acrylic acid (AA, reagent grade), glycidyl methacrylate (GMA, 97%) 단량체는 Sigma-Aldrich에서 구매하여 중합금지제를 alumina 컬럼을 이용하여 제거하고 사용하였다. CX-100 아지리딘 경화제(aziridine cross-linker), CO-436 surfactant (Rhoida), sodium persulfate (SPS, reagent grade)는 ㈜포스텍 글로벌에서 제공받아 사용하였다.
이용하여 제거하고 사용하였다. CX-100 아지리딘 경화제(aziridine cross-linker), CO-436 surfactant (Rhoida), sodium persulfate (SPS, reagent grade)는 ㈜포스텍 글로벌에서 제공받아 사용하였다. 스티렌계 계면활성제인 MSP-4 및 TSP-4는 ㈜한농화성에서 제공받아 사용하였다.
본 연구에서는 페놀계 계면활성제를 대체할 수 있는 저독성 스티렌 페놀계 계면활성제(styrenated phenol type surfactant)를 이용하여 아크릴 기반 수계 PSA를 제조하였다(Fig 1).
CX-100 아지리딘 경화제(aziridine cross-linker), CO-436 surfactant (Rhoida), sodium persulfate (SPS, reagent grade)는 ㈜포스텍 글로벌에서 제공받아 사용하였다. 스티렌계 계면활성제인 MSP-4 및 TSP-4는 ㈜한농화성에서 제공받아 사용하였다.

이론/모형

유화중합 후 수용액 상에서의 고분자 입자 크기와 분산 안정성은 동적광산란법(Dynamic Light Scattering, DLS) 및 터비스켄(Turisan)을 통해 측정하였다. 유리 전이온도(glass transition temperature, Tg), 열분해온도(thermal degradation temperature, Td)과 같은 점착제의 열적 특성은 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 및 열중량분석기(Thermogravimetric Analysis, TGA)를 통해 측정하였다.
시편은 25 mm x 130 mm 크기의 PE 필름 위에 수계 PSA를 코팅하고 이를 스테인리스스틸 위에 2 kg 고무롤러를 이용하여 부착하여 제조하였다. 초기점착력(tack strength) 시험은 ASTM D2979 시험법에 따라 Polyken probe tack이 장착된 inverted prove machine (PT-1000, ChemInstruments, Inc.)을 이용하여 측정하였다. Prove의 직경은 5 mm, PSA 필름과의 접촉 시간(contact time)은 1s, 탈착속도는 610 mm/min였다.

성능/효과

6은 Turbiscan 분석을 통해 얻어진 25℃에서의 수계 PSA의 분산안정성을 나타낸다. 계면활성제의 농도가 높아질수록 분산입자의 크기가 작아져 분산 입자의 표면적이 커지므로 분산안정성이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 특히, P436 및 PTSP의 경우 계면활성제의 농도가 높아짐에 따라 입자의 침강(sedimentation)과 응집(flocculation 또는 coalescence) 현상이 두드러지는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서 사용된 스티렌페놀계 계면활성제는 CO-436과 유사한 임계마이셀농도와 제타 전위값을 나타내었고 유화중합 후 고분자 에멀젼의 안정성에서 CO-436의 동등 이상의 성능을 보여주었다. 또한, 수계 점착제의 박리 강도 면에서 스티렌페놀계 계면활성제로부터 제조된 수계 PSA가 CO-436 계면활성제로부터 제조된 수계 PSA 과 동등 이상의 성능을 보여주었고 특히, PSA-MSP는 PSA-436 대비 큰 성능 향상을 보여주었다. 위와 같은 결과들로부터 본 연구에서 사용된스티렌폐놀계 계면활성제는 저독성 계면활성제로써 수계 PSA 유화중합에 상업적으로 이용될 가능성이 있음을 확인하였다.
본 연구에서 사용된 스티렌페놀계 계면활성제는 CO-436과 유사한 임계마이셀농도와 제타 전위값을 나타내었고 유화중합 후 고분자 에멀젼의 안정성에서 CO-436의 동등 이상의 성능을 보여주었다. 또한, 수계 점착제의 박리 강도 면에서 스티렌페놀계 계면활성제로부터 제조된 수계 PSA가 CO-436 계면활성제로부터 제조된 수계 PSA 과 동등 이상의 성능을 보여주었고 특히, PSA-MSP는 PSA-436 대비 큰 성능 향상을 보여주었다.
또한, 수계 점착제의 박리 강도 면에서 스티렌페놀계 계면활성제로부터 제조된 수계 PSA가 CO-436 계면활성제로부터 제조된 수계 PSA 과 동등 이상의 성능을 보여주었고 특히, PSA-MSP는 PSA-436 대비 큰 성능 향상을 보여주었다. 위와 같은 결과들로부터 본 연구에서 사용된스티렌폐놀계 계면활성제는 저독성 계면활성제로써 수계 PSA 유화중합에 상업적으로 이용될 가능성이 있음을 확인하였다.
7은 수계 PSA의 T_g를 나타내며 종류의 상관없이 약 – 45~- 43℃ 범위에서 나타남을 확인할 수 있다. 전반적으로 PSA-MSP와 PSA-TSP의 Td 및 T_g 범위는 상용 아크릴 점착제의 열적 특성과 유사한 값을 가졌다.
4는 각 수계 PSA의 중합 전후 에멀젼 상태에서의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다. 중합 후 단량체가 가진 비닐기 (-C=C-, vinyl group)의 특성 peak (1580~1650 cm^-1)가 완전히 소멸하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

특히, P436 및 PTSP의 경우 계면활성제의 농도가 높아짐에 따라 입자의 침강(sedimentation)과 응집(flocculation 또는 coalescence) 현상이 두드러지는 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 PSA-MSP의 경우 분산 안정성이 뛰어난 것을 볼 수 있는데 이는 PSA- MSP의친수성-소수성 균형(hydrophilic-hydrophobic balance) 이다른 수계 PSA 에멀젼보다 우수하기 때문으로 판단되나 정확한 원인은 불명으로 추후 추가적인 분석이 요구된다.

참고문헌 (11)

I. Benedek, Pressure-Sensitive Adhesives and Applications, second ed., Marcel Dekker Inc, New York (2004).
R. Jovanovic, M.A. Dube, J. Macromol. Sci. C, 44, 1 (2004)

상세보기
D. K. Ahn, N. H. Lee, M. K. Han, J. H. Pang, H. G. Lee, J. Y. Yeom, S. H. Moon, J. Adhes. Interface, 8, 28 (2007).
Z. Czech, R. Milker, Mater. Sci. Poland., 23, 1015 (2005).
E. Aramendia, M.J. Barandiaran, J. Grade, T. Blease, J.M. Asua, Langmuir, 21, 1428 (2005).

상세보기
Z. Czech, R. Milker, A. Malec, Rev. Adv. Mater. Sci., 12, 189 (2006).
J. Kajtna, B. Likozar, J. Golob, M. Krajnc, Int. J. Adhes. Adhes., 28, 382 (2008).

상세보기
J. Kajtna, J. Golob, M. Krajnc, Int. J. Adhes. Adhes., 29, 186 (2009).

상세보기
J. -K. Lee, I. -J. Chin, J. Adhes. Interface, 17, 89 (2016).

원문보기 상세보기
J. -K. Lee, M. -S. Shin, I. -J. Chin, J. Adhes. Interface, 17, 49 (2016).

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S. H. Park, T. H. Lee, Y. I. Park, S. M. Noh, J. C. Kim, J. Ind. Eng. Chem. 53, 111 (2017).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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