제4장 바이오매스 아크릴 재료계로서 환경 대응형 수지의 개발과 각종 용도 전개 (4) Biomass urethane acrylate

[YDfamily]

4. Biomass urethane acrylate의 설계와 물성 예에 대해서

Urethane acrylate는 전술했던 것처럼 polyol과 isocyanate의 반응물에, OH 함유 acrylate를 부가 반응시킨 감광성 수지이다. 일반식은 도5에 제시한다. 원료인 polyol은 종류가 많고, 재료 선택에 의해 물성 조정의 범위가 넓다. Urethane acrylate는, 다단계 반응으로 분자 구조를 짜는 것으로부터 분자 설계나 분자량의 조정이 용이하고, 속경화성이 우수하고, 기계적 강도, 유연성, 내마모성이 우수하다. 원료로서 사용되는 isocyanate 및 polyol로서는 표7에 제시한 것 같은 원료가 일반적으로 이용되고 있다.

도5 urethane acrylate의 일반식

표7 Polyol의 원료

품명		분자량	NCO%	점도(mPa•S)	증기압(mmHg)	황색
Tolylene diisocyanate	TDI	174	48	3(25℃)	10-2(20℃)	대
Diphenyl isocyanate	MDI	250	34	고체	10-4(25℃)	대
Xylene diisocyanate	XDI	188.2	44.5	4(20℃)	6(151℃)	어려움
Hexamethylene diisocyanate	HDI	168.2	50	25(20℃)	10-2(25℃)	무
Isophorone diisocyanate	IPDI	223.3	37.8	15(20℃)	3*10-4(20℃)	무
수 첨가 MDI	H12MDI	262	32	29(20℃)	7*10-4(25℃)	무

Isocyanate는 구조에 의해 벤젠 고리를 가진 것이 시판되고 있다. 이러한 재료를 선정하면 황변하는 리스크가 높아져 사용 용도에서 특히 문제가 없다면 적용 가능하다.

Biomass urethane acrylate에 관해서는, 원료로 되는 polymer polyol을 바이오매스 성분으로 치환하는 것에 의해 biomass urethane acrylate의 합성이 가능하게 된다. Urethane acrylate(oligomer)는, 경화 성분으로서 UV coat 도료 성분의 main binder로 되기 때문에 도막 중의 바이오매스 성분을 부여시키기 위해서는 극력 바이오매스 성분을 많이 설정할 필요가 있다는 점과 hard coat 하여 도막 물성을 얻기 위해 다 관능화가 필수로 된다.

이들의 요구 성능에 맞을 수 있도록 조성의 최적화를 실시한 결과, PET 필름에 biomass urethane acrylate를 5㎛ 도공하여 연필 경도로서 2H를 얻을 수 있는 도막이 얻어졌다(도6).

도6 Biomass urethane acrylate의 도포 결과

* 도막 제작 조건

100㎛ PET PGM으로 하여 희석하고 30%로 조정, O-184 3% 첨가

건조 80℃, 1분 500mJ로 경화

더욱 경도를 얻기 위해서는 dipentaerythritol(6 관능)을 첨가하는 것으로 경도의 향상은 기대 가능한데, 이 원료는 석유 유래의 원료로 되기 때문에 바이오매스 도는 내려가 버리게 된다(좌; 8UX-2015A 단독 도포, 바이오매스도 약 29%, 연필경도 2H, 중앙; 8UX-2015A/DPHA=75/25 도포, 바이오매스도 약 21%, 연필경도 2H, 우; 8UX-2015A/DPHA=25/75 도포, 바이오매스도 약 7%, 연필경도 3H).

Biomass urethane acrylate의 표준 품번으로서는, 8UX-2015A와 8UX-2016A를 설정하였다. 이들의 대표적인 성상치 및 물성을 표8에 제시한다.

표8 biomass urethane acrylate의 성상 값 및 기본 특성

품명	바이오매스도 (%)	불휘발분 (%)	점도 (mPa•s)	용제 조성	중량 평균 분자량	관능기수	희석성 Monomer
8UX-2015A	약 30	81±2.0	470±250	PGM	약 4000	9~12	있음
8UX-2016A	약 54	72±2.0	925±350	PGM/MEK	약 6500	6~9	없음

* 바이오매스도=ASTM D6866 시험법        불휘발분(%)=105℃/30분  점도(mPa•s)=BM 점도계(25℃)

용제 조성=PGM: propylene glycol monomethyl ether MEK: methyl ethyl ketone

중량평균 분자량=GPC법

측정항목	8UX-2015A	8UX-2016A	8UX-015A	측정조건
			(종래품, 비 바이오매스)
연필경도 (Pencil hardness)	2H	H	2H-3H	JIS K 5600 준거 (하중 750g)
내 SW성 (Mar resistance)	○	△	○	SW #0000 하중 500g * 10 왕복
전광선 투과율 (Transmittance)	91%	91%	91%	Haze meter NDH 5000
Haze (Haze value)	0.30%	0.30%	0.30%	Haze meter NDH 5000
Curl성 (Warping)	0mm	0mm	20mm	6㎝ 사방 사각 합계
밀착성 (adhesion)	○	○	○	바둑판 눈금 시험
바이오매스도/% (Biomass ratio)	약 29	약 53	0%	이론치(도막 중)

* 코팅재 조정: PGM에서 희석하여 30%로 조정       * 막 두께: 약 5㎛           * 건조조건: 80℃, 1분

* UV 조사 조건: Heraeus제 무전극 램프(light hammer 10, 적산광량 500mj)

* 기재: 100㎛ PET film     * 광개시제: Omnirad 184(toM 3%)

* 내 SW성 평가기준: ○=상처 없음 ○△=상처 1~2개 △=상처 수개 X=상처 10개 이상

* 밀착성(바둑판 눈금 시험) 평가 기준: ○=100/100 ○△=99~80/100 △=79~50/100 △X=49~20/100 X=19~0/100

8UX-2015A는 다 관능의 urethane acrylate를 위한 hard coat로서 유용하고, 8UX-2016A는, 8UX-2015A보다도 관능기 수가 낮게 되고 분자량을 높이기 위해 8UX-2015A보다는 유연성을 고려한 grade로 된다. 도6에 있는 좌측 그림은, 8UX-2015A에 대하여 DPHA를 꽤 많이 첨가한 사진이고 경화 수축이 크게 되는 것으로 curl이 보이게 된다. 화석 유래의 원료가 많아지는 것으로 바이오매스 도가 저하하여 버리기 때문에 UV 도료를 설계하는 때에 요구 성능에 맞춰진 바이오매스 수지 도막의 설계가 중요하다.

맺음말

본 고에서는, 바이오매스 아크릴 수지, 바이오매스 우레탄 아크릴레이트를 중심으로 해설하였다. 시장의 동량을 주시하여 한층 더 개발된 grade를 앞으로도 line up하여 각 용도 마다로 전개할 예정이다.