제4장 바이오매스 아크릴 재료계로서 환경 대응형 수지의 개발과 각종 용도 전개 (1)

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제4장 바이오매스 아크릴 재료계로서 환경 대응형 수지의 개발과 각종 용도 전개

머리말

식물원료는 대표적인 재생 가능 자원이고, 탄소가스 배출량에서 보면 carbon neutral이라고 생각된다. 현재, 석유자원의 고갈 문젠 대체 에너지의 필요성이 주목되고 있는 가운데, 지속 가능 사회의 형성을 목표한 식물 원료의 활용 기술의 중요성은 한층 높아지고 있다. 재생 가능 자원의 대표격인 바이오매스를 물질군으로 분류하면, cellulose, 전분, chitin 등의 “다당”, 식물유 등의 “지질”, 목재에 함유된 lignin, collagen 등의 “단백질” 등으로 크게 나뉜다.

이세상에 나와 있는 합성 수지의 대부분은, 여전히 석유원료를 베이스로 하여 설계된 것이 많은데, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 범용 수지는 바이오매스 베이스의 원료로 치환되어 매년 출하량이 증가해 가고 있다.

범용적인 수지로서 아크릴 수지도 있다. 아크릴 수지는, MMA(methyl methacrylate)로 대표되는 (metha)acrylate ester monomer를 공중합한 고분자량체(폴리머)이다. 아크릴 수지는 ①원료로 되는 monomer의 종류가 많고, ② 공중합이 쉽고, ③내후성이 좋고, ④물성이 우수하고, ⑤비교적 저가인 등의 특징을 갖고 있기 때문에, 도료나 잉크나 접착제의 주원료의 하나(binder)로서 사용되고 있다. 단, 도료 및 접착제의 베이스의 수지로사 사용되고 있는 아크릴 수지를 바이오매스 아크릴 수지로서 공업화한 예는 현장에서 극히 적다. 이것은, 아크릴 수지의 기본 원료로서 범용적인 MMA 및 자외선(UV) 경화형 수지의 원료로서 범용적인 아크릴 산의 바이오매스화의 보급은, 가격 등의 영향에서 현재 시점 공업화의 목적 용도는 세워지지 않아 있기 때문이다.

종래부터 시장에 있는 (metha)acrylate ester에서도 천연 알코올로 ester화 한 원재료라면 “바이오매스 아크릴 monomer”로서 기능하는 기타 공중합 아크릴 monomer의 조합으로 물성은 컨트롤 가능하게 된다. 이들의 원재료를 사용하는 것은 sustainable 아크릴 수지로서 유용하게 되고, 우리들은 시장의 요망, 출시에 도달한 것이다.

본 고에서는, 바이오매스 아크릴 수지의 설계방법, 물성 예 용도 등을 해설하는 동시에 자외선 경화형 도료에 있어서, main 수지로서 역할을 담당하는 oligomer 성분의 biomass urethane acrylate의 설계 방법 및 물성 용도에 대해서 설명한다.

1. 바이오매스 아크릴 수지의 원료

아크릴 monomer로서 MMA(Tg=105℃)를 기본으로 한 다양한 methacrylate ester가 있다. 일반적인 monomer의 구조식과 그 종류를 도1, 표1에 나타낸다. 이들은, 일반적으로 석유 유래의 원료 베이스이다.

Methacrylic acid

Methacrylate ester monomer

도1 monomer의 일반식

표1 Acryl monomer의 종류

Monomer 명	약호	유리전이 온도(℃)	분자량
Methyl acrylate	MA	8	86
Ethyl acrylate	EA	-22	100
Butyl arylate	BA	-54	114
2-ethylhexyl acrylate	2EHA	-85	128
Methyl methacrylate	MMA	105	100
Ethyl methacrylate	EMA	65	114
Butyl methacrylate	nBMA	20	142
Isobutyl methacrylate	iBMA	67	142
Acrylate	AA	106	72
Methacrylate	MAA	130	86
2-hydroxyethyl acrylate	2HEA	-15	116
2-hydroxyethyl methacrylate	2HEMA	55	130

탄소수가 긴 monomer의 쪽이 유리 전이온도가 낮고, acrylate ester 보다도 methacrylate ester의 쪽이 유리 전이 온도가 높은 경향이 있다. 이것은 분자 운동성의 속박, 강직에 기인하는 것도 있다.

친수성 부여를 기대하는 데에는, 수산기를 가진 2-hydroxyethyl methacrylate 등이 사용 가능하다. 발수성의 부여를 기대하는 데에는 불소기의 도입으로 효과를 기대 가능하다.

바이오매스 아크릴 monomer로서 시장에서 현재 입수 가능한 원료를 표2에 나타내었다.

표2 바이오매스 아크를 monomer의 종류

Monomer 명	약호	바이오매스도(%)
Lauryl acrylate	LA	약 75
Lauryl methacrylate	LMA	약 80
Stearyl acrylate	SA	약 85
Stearyl methacrylate	SMA	약 81
Isobornyl acrylate	IBOA	약 76
Isobornyl methacrylate	IBOMA	약 71

기본적으로는, 지방족 알코올이 main으로 되고, 천연의 지방산 ester(예를 들어, 유지)를 환원하여 얻는 것이 가능하고, 제조 공정도 포함하는 환경의 영향이 적은 원료이다. 천연 고급 알코올로서, 탄수소가 6~36의 직쇄의 지방족 알코올을 들 수 있고, 이와 같은 직쇄의 지방족 알코올의 바람직한 물질로서, Lauryl 알코올, 메탄올, Stearyl 알코올, Cetearyl 알코올, Behenyl 알코올 등을 일반적으로 들 수 있다. 이들로 ester화 한 아크릴 monomer가 바이오매스 아크릴 monomer로서 활용 가능한 공중합의 일부로서 사용되면 부분 바이오매스 아크릴 수지로서의 설계가 가능하게 된다. 표2에 나타낸 것처럼, 탄소의 수가 길면 길수록 바이오매스도가 높아지는 것을 알 수 있다. 천연 고급 알코롤로서는, 탄소수 10의 지환식(脂環式) 알코올도 알려져 있고, 예를 들어, 수목으로부터 뽑아 내는 Isobornyl 알코올로 methacrylate를 ester화 한 Isobornyl methacrylate는, homo-polymer의 유리전이 온도도 453K로 높고, 바이오매스도도 약 71%로 높으며 시장에서 용이하게 입수 가능한 범용 바이오매스 아크릴 monomer로서 유용하다.