Acryl계 박리형 보호코팅제의 제조와 특성

박지영, 곽윤철, 박홍수, 함현식

명지대학교 화학공학과

Preparation and Characteristics of Acrylic

Removable Protective Coatings

Ji young Park, Yoon Chul Kwak, Hong Soo Park, Hyun Sik Hahm

Dept. of Chem. Eng. Myongji University

서론

점착제(pressure-sensitive adhesives)는 기존의 접착성질과는 다르게 특수한 기능을 가지는 고분자이다. 점착제 라는 말은 용매, 열, 촉매 등의 도움 없이 가볍게 손으로 누르는 지압과 같은 아주 약한 압력으로 피착면에 붙어야 하고, 또한 떼어낼 때 피착면에 아무런 흠집을 남기지 않고 쉽게 떨어지는 접착제라고 정의할 수 있다. 따라서 이러한 성질로 인하여 그 응용범위도 광범위하다고 할 수 있겠다.

점착제의 종류로는 고무타입, 실리콘타입, hot melt타입, acryl타입 등이 있다[1]. 그 중 acryl타입은 수용성 에멀전형과 용매형이 있는데, 고기능의 점착테이프는 주로 용매형으로 만들고 있다[2]. Acryl타입은 그 우수한 성질 때문에 공업용 점착테이프로써 그 용도가 넓을 뿐만 아니라 의료용, 포장용에 이르기까지 사용범위가 다양하다. 그 중 수출용 자동차 선적시 온도 변화, 눈이나 비에의 노출, 염분, 산성비, 스크래치, 자외선, 조류 분비물 등의 여러 환경과 조건으로부터 차량 도막을 보호해야 할 필요가 있다. 현재 국내의 고급 자동차와 수출용 자동차의 보호용 코팅제로는 백색 보호 필름(white plastic film)이 대부분 이용되고 있다. 그러나 이러한 필름의 여러 단점으로 인해 관련 산업계에서는 스프레이나 롤러에 의해서 쉽게 도포할 수 있고, 보통의 코팅제와는 달리 환경오염 물질인 휘발성 유기물질(VOC)을 전혀 함유하지 않고, 인체에 무독한 생분해성 코팅제 개발에 대한 요구가 심화되고 있다.[3] 본 연구에서는 여러 가지 내성, 최적의 접착력, 응집력이 요구되는 박리형 표면 보호 코팅제의 개발을 위해 아크릴계 단량체를 이용한 유화중합을 통해 점착제를 제조하고 그의 특성을 알아보았다.

이론

아크릴 점착제의 기본 수지는 유리전이온도(Tg)가 낮은 끈적한 성질이 있는 acryllic esters이다. 특허에 나와있는 아크릴 점착제로서 사용되는 모노머는 alkyl acrylate 및 methacrylate 가 적당한 것으로 알려져 있다. 이러한 모노머는 실제로 모두 이용할 수 있으나, 현실적으로 2-ethyl hexyl acrylate, butyl acrylate 및 iso-octyl acrylate (isomer of 2-ethyl hexyl acrylate)등이 주로 사용되고 있다. 적당한 점착력을 갖기 위해서는 폴리머의 Tg를 충분히 낮출 필요가 있으므로 2-ethyl hexyl acrylate (polymer의 Tg=-70℃)와 n-butyl acrylate (polymer의 Tg=-55℃)와 같이 Tg가 낮은 폴리머를 형성하는 모노머들을 이용한다.[4]

고분자 점착제에 있어서 functional group은 intermolecular crosslinking site를 제공해 준다. 또한 functional group은 접착력을 강화시키고 여러 기능성기와의 반응으로 인해 결합력을 향상시킨다. Functional group이 접착력을 향상시키는데 대한 mechanism은 명확하지 않으나 피착제에 대한 초기점착을 빨리 강하게 하여주고 hydrogen bonding 을 일으키거나 점착제와 피착제 사이에 2차결합을 일으켜서 점착을 강하게 하는 것으로 알려져 있다.

실험방법

Monomer는 n-butyl acrylate(BA), acrylonitrile(AN)을 사용하였고, 개시제로는 potassium persulfate(KPS)를 사용하였다. 유화제로 sodium lauryl sulfate(SLS)와 안정제로 poly vinyl alcohol(PVA)을 사용하였다.

환류 냉각기, 교반기, 온도센서를 장치한 500□들이 4구 플라스크에 증류수 80ml을 주입시키고, 온도를 60℃로 승온시켰다. 모노머인 BA, AN와 계면활성제인 SLS를 증류수에 혼합한 pre-emulsion을 제조하였다. 증류수와 KPS를 혼합하여 dropping funnel에 투입시키고, 교반속도를 200rpm으로 유지시킨 후 준비된 pre-emulsion과 개시제를 4구 플라스크에 Metering pump를 이용하여 4시간 동안 적하시켰다. 이때 반응온도와 상태를 확인하면서 적절한 반응속도를 유지시켰다. 개시제의 적하가 끝난 후 2시간 동안 숙성(aging)을 시킨후 PVA을 투입하고 충분히 교반시킨 후 천천히 room-temperature(25℃)가 될 때까지 감온시켰다.

제조한 점착제를 30분 유지시킨 후 Brookfield 점도계를 사용하여 (Spindle #5, 20rpm) 측정하였다. 합성한 라텍스 일정량을 105±1℃ 항온 건조기에 3∼4시간 방치하여 수분을 충분히 건조시킨 후 에멀젼의 무게를 측정하였다. FT-IR 분광분석을 하였고, Lloyd사의 UTM을 이용하여 tensile strength와 peel strength를 측정하였다.  시편으로는 25*150mm 크기의 자동차강판을 사용하였고, 300mm 속도에서 측정하였다. 내수성은 도포한 점착제를 96시간동안 40℃의 물에 노출시킨후 박리 전, 후 시편과 점착제 표면을 육안으로 관찰하였다. 내열성은 도포한 점착제를 70℃의 공기 분위기에 360시간동안 노출시킨후 표면을 육안으로 관찰하였다

결과 및 토론

아크릴계 유화형 점착제를 제조하여 점착제의 기본물성, 접착력, 응집력, 내열성과 내수성시험을 거쳐 그 성능을 비교한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.

점착제의 기본물성을 Table 1.에 나타내었다. 건조시간을 측정한 결과. BA:AN에 따라 건조시간은 70min∼90min으로 일정하였다. 점도는 1168∼1488 cP로 도포는 용이하나 약간의 퍼짐현상이 있었다.

제조한 점착제를 FT-IR을 이용하여 분석한 결과를 Fig. 1. 에 표시하였다. 그림에서 보듯이 1200∼1300cm-1에서 CH2와 1700cm-1에서 CO, 2200cm-1에서 CN, 2900cm-1에서 CH3가 확인 됨을 알 수 있었다.

점착제의 물리적 성질인 Peel strength, Tensile strength와 Extension에 대하여 BA:AN의 비율을 변화시키면서 측정한 결과를 Fig. 2., Fig. 3., Fig. 4.에 나타내었다. 제조한 점착제를 시편에 두께별로(300□, 400□)도포후 측정하였을 때 BA:AN이 55:25와 58:22인 점착제가  낮은 접착력, 높은 응집력, 100∼450 %의 신장율을 갖는 점착제로서 찢어짐 없이 박리가 용이 하였으며  62.5:17.5인 점착제는 박리시 찢어져 측정이 불가능하였다.

내수성실험 결과 모든 점착제가 희게 변하고 약간의 swelling이 발생하여 박리가 용이하지 못하였다. 내열성실험 결과 모든 점착제와 시편의 표면에 이상이 없었다.

참고문헌

1. H. S. Park, Polymer(Korea), 9, 95(1985)

2. W. W. Mooncai, Adhesives Age, 31, 33(1988)

3. G. W. Timothy, Adhesives Age, 30, 9(1987)

4. W. Brockmann, R. Huther, Int. J. Adhesion and Adhesives, 16, 81(1996)

Table 1. BA:AN 비율에 따른 기본물성

BA:AN	55:25	58:22	60:20	62.5:17.5
Tg [℃]	-23.17
Solid Content [%]	32.03	30.23	32.56	32.92
Viscosity [cP]	1488	1392	1288	1168
pH	4 ∼ 4.5
Thickness [□m]	Wet : 300 and 400, Dry : 130 and 160
Drying Time	70∼90 min