TPU 수축튜브의 제조 및 팽윤율 분석

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

이명훈, 이원영, 박상순*, 최중소

광운대학교 화학공학과

켐엔텍(주) 기술연구소*

Preparation and Analysis of Swelling Ratio of Shrinkable TPU Tubes

Myoung Hun Lee, Wom Young Lee, Sang Soon Park*, Joong So Choi

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University

Institute of ChemEnTech Inc.*

1. 서 론

다수의 관련업계들의 치열한 생산 및 판매경쟁에 의하여 국내 TPU (Thermoplastic Poly-Urethane elastomer)시장은 사양화에 따른 수요감소에 의해 신규수요창출을 통한 수익성 확보에 많은 노력을 기울이고 있는 것으로 나타났다. 용도별 수요현황은 TPU수요량 중 70%는 사출용, 30%는 압출용인 것으로 나타났다. 국내 TPU제품은 polyester, polyether, polycarprolactone 등 3가지 type으로 나누어지는데 현재는 80%가량은 polyester, 15%가량은 polyether, 나머지 5%는 polycarprolactone type으로 분석되고 있다. TPU의 많은 용도에도 불구하고 새로운 활로를 찾지 못하고 있는 것은 과열생산에 의한 수요감소도 있지만 틈새시장에 대한 적용기술 개발이 미흡했기 때문이다.  국내에서는 몇몇 기업에서 상용화하였으나 다양한 응용기술이 개발되지 못하고, 전통적인 응용분야만을 답습하고 있는 실정이다. 이의 실태는 TPU는 내화학약품성, 내마모성, 내열성 등이 강하고, 인장강도, 유연성, 성형성 등의 물성이 뛰어나 도료, 섬유, 합성피혁, 보호코팅재료, 접착제, 신발 및 건축자재 등의 범위로 한정시켜왔다는 점에서 좀더 상세하게 엿볼 수 있다. 이러한 많은 용도로 사용되는 TPU는 화학산업의 매력적인 소재일 수밖에 없어서 중견기업이상에서 꾸준히 생산되어 왔지만 수요의 한계에 다다른 것이다.

이러한 이유로 TPU의 새로운 활로개척을 위하여 각종 전기, 전자 산업에서 절연용 수축 튜브 분야로의 기술개발은 국내·외적으로 커다란 틈새시장을 형성하고 있으므로 수축튜브용 TPU 수지에 대한 연구와 상용화 기술 개발에 의한 수축튜브의 실현은 수입 대체 효과, 기술 파급효과, 환경문제 해결 효과 면에서 커다란 의미를 부여한다[1-3]. 그러므로 본 연구에서는 수축튜브의 재료로서 TPU 수지를 선택하였으며 선택된 TPU수지는 수축튜브로 제조되어 TPU 수축튜브의 상용화 가능성 판단을 위해 수축튜브의 중요 물성인 팽윤 특성[4]을 측정한 후 분석하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

2. 실 험

(1) 실험 재료

시편제조

팽윤 실험을 위한 TPU 튜브로서 DOW CHEMICAL사의 Polyester Polycaprolactone계 4종, Polytetramethylene Glycol Ether계 1종, Polyester Poly-adipate계 1종 등 6종의 resins을 선정하여 수축튜브를 제조하였다. TPU 수축튜브를 제조하기 위하여 실린더 직경이 30□인 폴리우레탄 전용압출기를 사용하였으며, 선정된 각 시편의 GRADE와 경도를 Table 1에 나타내었고, TPU 수축 튜브의 전체적인 제조공정도를 Fig. 1에 나타내었다.

Table 1. Selected DOW's TPU resins for extruding machine.

Hardness	단위	2102 Series Polyester Polycaprolactone				2103 Series Polytetra methylene Glycol Ether	2355 Series Polyester Polyadipate
		2102-80A	2102-85A	2102-90AE	2102-55D	2103-84AEN	2355-85ABR
	Shore A Shore D	84A	86A	94A 58D	58D	82A	87A

정용매/부용매 선정

Fig. 1. Diagram for the synthesis of Solvent Type Shrinkable TPU Tubes.

TPU 수축튜브를 팽윤 시키기 위하여 정용매로서 Chloroform, Chlorobenzene, Benzene, Toluene 등 4종의 용매를 임의로 선정하였고, TPU 수축튜브의 팽윤율을 제어할 수 있는 부용매로서 Acetone 1종을 선정하였다.

(2) 실험 방법

TPU 수축튜브의 상용화의 가능성을 타진하기 위하여 수축튜브의 중요물성인 팽윤 경향[5]을 측정하고 분석하였다. 팽윤거동을 측정하기 위하여 일정한 크기로 절단한 각각의 TPU 수축튜브를 각각의 측정 변수별로 구분하여 나뉘어진 용기 내에 함침시켜 온도를 298.15K로 일정하게 유지하여 측정하였다.

(3) 팽윤율 계산

팽윤율은 팽윤 전·후의 길이에 의하여 측정되었고, 다음식을 이용하여 계산되었다.

[eqn: { D}_{r }= { { L}_{2 }- { L}_{1 } } over { { L}_{1 } } TIMES 100]

([eqn: { D}_{r }] : 팽윤률, [eqn: { L}_{ 1 }] : 초기 직경 , [eqn: { L}_{2 }] : 팽윤 후 직경 )

3. 결과 및 고찰

TPU 수축튜브의 최대 팽윤 시간

TPU 튜브 직경의 최대 팽윤 시간을 인지하기 위하여 주요 Good solvent인 Chloroform에 대하여 Poor solvent인 Acetone과의 부피 비율을  온도 조건 298.15K에서 100 : 0, 50 : 50, 0 : 100으로 변화시켜가며 180 min동안의 팽윤 경향을 측정 및 분석하였으며 측정 결과를 Figs. 2∼4에 도시하였다.

Fig. 3. Volume expansion ratios of

50% Chloroform/TPU tubes systems.

Fig. 2. Volume expansion ratios of

100% Chloroform/TPU tubes systems.

Figs. 2∼4에서 보는 바와 같이 TPU 수축튜브의 최대 팽윤 시간은 약 120 min임을 알 수 있었으며 대부분의 혼합용매 비율에 대하여 Ether 84AEN, Adipate 85ABR로 제조된 TPU수축튜브가 Caprolactone계의 4종 TPU 수축튜브보다 높은 팽윤율을 보임을 알 수 있었다. 또한 Caprolactone계 4종 내에서 경도에 따라 팽윤율의 차이를  보였으며 경도가 낮은 80A, 85A형 TPU 수축튜브가 보다 높은 최대 팽윤율을 보였음을 알 수 있었다. 전반적으로 Ether 84AEN, Adipate 85ABR, Caprolactone 80A, Caprolactone 85A TPU 수축튜브가 높은 팽윤율을   보였으며 Caprolactone 90AE, Caprolactone 55D는 낮                                     은 팽윤율을 보임을 알 수 있었다.

Fig. 4. Volume expansion ratios of

0% Chloroform/TPU tubes systems.

정용매/부용매의 최적 배합비율

팽윤 경향의 세밀한 분석을 위하여, 팽윤율이 우수한 방향족계 용매인 Chlorobenzene, Benzene, Toluene을 선정하여 부용매인 Acetone과의 부피 비율을 최대 팽윤 시간 분석 과정과 같이, 온도 조건 298.15K에서 100 : 0, 70 : 30, 50 : 50, 30 : 70, 0 : 100으로 변화시켜가며 180 min동안의 팽윤 경향을 측정 및 분석하였고 측정 결과를 Figs. 5∼7에 도시하였다.

Fig. 5. Volume expansion ratios of

Chlorobenzene/TPU tubes systems.

Fig. 6. Volume expansion ratios of

Benzene/TPU tubes systems.

Figs. 5∼7에서 보는 바와 같이 혼합 용매 내에서 방향족계 용매인 Chlorobenzene, Benzene, Toluene의 부피 비율이 Acetone과 50 : 50∼70 : 30 사이에서  가장 높은 최대 팽윤율을 보임을 알 수 있었으며 특히 6종의 TPU 수축튜브 중 Ether 84 AEN TPU 수축튜브의 경우 다른 TPU 수축튜브에 비하여 월등한 팽윤율을 보임을 알 수 있었다. 방향족계 용매도  Chloroform과 마찬가지로 Ether 84 AEN, Adipate 85ABR, Caprolactone 80A, Caprolactone 85A TPU 수축튜브가 높은 팽윤율을 보였으며 Caprolactone   90AE, Caprolactone 55는 낮은 팽윤율을 보임을  알 수 있었다.

Fig. 7. Volume expansion ratios of

Toluene/TPU tubes systems.

TPU 수축튜브의 팽윤율 분석

본 연구에서는 TPU 수지의 수축튜브로써의 가능성을 팽윤율 분석을 통하여 타진해 보았으며 6종의 TPU 수축튜브와 4종의 정용매, 1종의 부용매를 기초로 실험한 결과 다음과 같은 결과로 나타났다.

(1) TPU 수축튜브의 팽윤 평형 시간을 인지하기 위하여 Chloroform에서의 팽윤율을 측정한 결과 팽윤 평형 시간은 150min~180min 임을 알 수 있었다.

(2) 각각의 용매에 대한 정·부 용매의 비율 변화에 따른 최대 팽윤율을 분석한 결과 정용매/부용매의 비율이 50 : 50∼70 : 30에서 TPU 수축튜브는 최대 팽윤율을 보임을 확인 할 수 있었다.

참고 문헌

1. Aoki, Y., Li, L., Amari, T., Nishimura, K. and Arashiro, Y.: Macromolecules, 32,                         1923(1999)

2. D'Haene, P., Remsen, E. E. and Asrar, J.: Macromolecules, 32, 5229(1999)

3. Jones, J. R., Liotta, C. L., Collard, D. M. and Schiraldi, D. A.: Macromolecules, 32,                       5786(1999)

4. Lee, W. Y., Lee, T. H., Shin, Y. S., Chun, S. H., Kim, N. H. and Choi, J. S.:             Theories and Applications of Chem. Eng., 6, 1717(2000)

5. R. L. Anthony, R. H. Caston and E. Guth. J. Phys. Chem., 46, 826(1942)