본 발명은 아크릴-우레탄 하이브리드 공중합 수지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 수지는 폴리올과 이소시아네이트를 반응시켜 얻어진 폴리우레탄 프리폴리머에 아크릴 모노머를 첨가한 후 공중합 반응시켜 수분산성 아크릴-우레탄하이브리드 블록 공중합 수지를 얻고 여기에 가교제로서 폴리카보디이미드(Polycadiimide)를 첨가하여 아크릴-우레탄 블록 공중합체를 가교시켜 얻어지는 수분산성 아크릴-우레탄 하이브리드 수지이다.
본 발명에서 폴리우레탄 프리폴리머 제조시 사용되는 폴리올은 탄소수 3개 이상의 글리콜과 다가산을 축합 반응시켜 얻어진 폴리에스텔 폴리올과 2개의 수산기와 1개의 카르복실기를 갖는 알콜류를 함께 사용하며 이를 다가의 이소시아네이트와 반응시켜 폴리우레탄 프리폴리머를 제조한다.
탄소수 3개 이상의 글리콜 종류는 1,4-부탄디올(1,4-butanediol), 네오펜틸글리콜(Neopentyl glycol), 1,5-펜탄디올(1,5-pentanediol), 1,6-헥산디올(1,6-hexanediol) 등이 있으며, 다가산으로는 아디핀산(Adipic acid), 세바신산(Sebacic acid), 테레프탈산(Terephthalic acid) 등이 이용되며, 상기의 글리콜과 다가산을 축합 반응시켜 얻어지는 폴리에스텔 폴리올로서는 폴리 네오펜틸 헥사메틸렌 아디페이트 디올, 폴리 부틸렌 아디페이트 디올 등이 있다.
상기 반응물를 이용하여 수분산 시킨 반응물에 아크릴 모노머를 첨가하여 공중합 반응시킨 후 특정한 가교제를 반응시켜 우수한 아크릴 우레탄 하이브리드 수지를 만든다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명한다.
실시예1.
<원료의 배합설계>
다음 [표 1]에 기재된 내용에 따라 원료를 준비하였다.
| 번호 |
품 명 |
중량(Kg) |
| 1 |
디메틸올 부타노익 에시드(Dimethyol butanoic acid) |
29 |
| 2 |
1,6-헥산디올(1,6-hexanediol) |
12 |
| 3 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
156 |
| 4 |
N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) |
26 |
| 5 |
디부틸틴 디라우레이트(Dibutyltin dilaurate) |
0.03 |
| 6 |
폴리 네오펜틸 헥사메틸렌아디페이트 디올(Poly neopentyl hexamethylene adipate diol) |
100 |
| 7 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실 이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
20 |
| 8 |
트리에틸렌아민(Triethylamine) |
20 |
| 9 |
이온교환수 |
1036 |
| 10 |
에틸렌디아민(Ethylene diamine) |
17 |
| 11 |
메타아크릴산(Methacrylic acid) |
10 |
| 12 |
스틸렌(Styrene) |
220 |
| 13 |
부틸아크릴레이트(Butyl acrylate) |
124 |
| 14 |
2,2-아조비스-(2,4-디메틸 발러로니트릴){2,2-Azobis-(2,4-dimethyl-valeronitrile)} |
1.06 |
| 15 |
폴리카보디이미드(Poly cabodiimide) |
21 |
| |
합계 |
1,792.09 |
<제조공정>
상기 [표 1]에 기재된 원료물질 1~5를 반응기에 투입한 후 90℃로 승온시켜 이론 NCO%에 도달될 때 까지 반응을 진행시키고 실험을 통하여 규정된 NGO%에 도달되면 70℃로 냉각시킨 후 상기 [표 1]에 기재된 원료물질 6을 가한다.
여기에 상기 원료물질 7을 가한 후 온도를 90℃로 승온하여 규정 NOC%까지 반응을 시킨다.
규정 NCO%에 도달하면 온도를 70℃ 냉각한 후 상기 원료물질 8을 가하여 중화반응을 한다.
중화반응 완료후 9의 50% 투입하여 반응물을 수분산 시킨다.
30분 정도 반응 시킨 후 상기 원료물질 9의 50%와 11 ~ 14를 유화조에서 프리에멀젼을 만든 후 초기 프리에멀젼의 50%를 반응부에 투입한다.
반응물을 90℃로 승온시켜 초기 반응을 완료시킨 후 프리에멀젼을 3시간에 걸쳐 적하한다.
반응 완료후 가교제로서 폴리카보디이미드를 가한다.
상기 공정에서 디메틸 부타노익 에시드와 1,6-헥산디올의 반응으로 탄소수 3개 이상의 폴리에스텔 폴리올이 형성된다.
상기 폴리올 만드는 공정은 다음과 같다
2개의 수산기와 복수의 카르복실기를 갖는 폴리에스텔폴리올과 다가의 이소시아네이트를 반응시켜 얻어지는 폴리우레탄 프리폴리머에 아크릴 모노머를 투입하면 저점도 수분산된 폴리머 혼합액이 얻어진다. 여기에 아민중화제를 첨가하고 이온교환수를 첨가하여 수분산 시킨후 아크릴모노머와 중합개시제를 첨가시켜 반응시키면 흰색(mieky white)을 띠는 액상의 아크릴-우레탄 블록공중합체 약 700kg이 얻어진다.
여기에 가교제로서 상기[표1]의 폴리카보디이미드 21kg(3wt%)을 첨가하여 수분산성 아크릴-우레탄하이브리드수지를 얻는다. 시안아미드(cyan amide:HN=C=NH)를 카보디이미드 라고도 하는데 폴리카보디이미드(poly carbodiimide)는 카보디이미드기(-N=C=N-)를 함유하는 고분자 물질로서 점성을 갖는 투명 액체 상태로 판매되고 있다.
상기 실시예에서 폴리카보디이미드를 가하기 전에 얻어지는 아크릴-우레탄공중합체는 카르복실기(-COOH)를 갖는 우레탄쇄(chain)과 카르복실기를 갖는 아크릴쇄(chain)를 함유하고 있는데 폴리카보디이미드는 카르복실기와 반응하여 다음과 같은 가교 반응을 일으키는 것으로 추정된다.
상기식에서 PU - 는 폴리우레탄 체인을
ACR - 은 아크릴 체인을 의미한다.
실시예 2
<원료의 배합설계>
다음 [표 2]에 기재된 내용에 따라 원료를 준비하였다.
| 번호 |
품명 |
중량(Kg) |
| 1 |
디메틸올 푸로피오닉 에시드(Dimethyol propionic acid) |
27 |
| 2 |
1,6-헥산디올(1,6-hexanediol) |
12 |
| 3 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
157 |
| 4 |
N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) |
26 |
| 5 |
디부틸틴 디라우레이트(Dibutyltin dilaurate) |
0.03 |
| 6 |
폴리 네오펜틸 헥사메틸렌아디페이트 디올(Poly neopentyl hexamethylene adipate diol) |
102 |
| 7 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실 이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
18 |
| 8 |
트리에틸렌아민(Triethylamine) |
21 |
| 9 |
이온교환수 |
1036 |
| 10 |
에틸렌디아민(Ethylene diamine) |
17 |
| 11 |
메타아크릴산(Methacrylic acid) |
11 |
| 12 |
스틸렌(Styrene) |
230 |
| 13 |
부틸아크릴레이트(Butyl acrylate) |
113 |
| 14 |
2,2-아조비스-(2,4-디메틸 발러로니트릴){2,2-Azobis-(2,4-dimethyl-valeronitrile)} |
1.06 |
| 15 |
폴리카보디이미드(Poly cabodiimide) |
21 |
| |
합계 |
1,792.09 |
<제조공정>
상기 [표 2]에 기재된 원료물질 1~5를 반응기에 투입한 후 90℃로 승온시켜 이론 NCO%에 도달될 때 까지 반응을 진행시키고 실험을 통하여 규정된 NCO%에 도달되면 70℃로 냉각시킨 후 상기 [표 2]에 기재된 원료물질 6을 가한다.
여기에 7을 가한 후 온도를 90℃로 승온하여 규정 NOC%까지 반응을 시킨다.
규정 NCO%에 도달하면 온도를 70℃ 냉각한 후 상기 원료물질 8을 가하여 중화반응을 한다.
중화반응 완료후 상기 원료물질 9의 50% 투입하여 반응물을 수분산 시킨다.
30분 정도 반응 시킨후 상기 원료물질 9의 50%와 11 ~ 14를 유화조에서 프리에멀젼을 만든 후 초기 프리에멀젼의 50%를 반응부에 투입한다.
반응물을 90℃로 승온시켜 초기 반응을 완료시킨 후 프리에멀젼을 3시간에 걸쳐 적하한다.
반응 완료 단계에서 상기 원료물질 15를 가하여 계간 반응을 시켜 기계적 물성을 향상시키기 위한 가교 시키면 본발명의 수분산성 아크릴-우레탄 하이브리드 수지 약 700kg이 얻어진다.
실시예 3
<원료의 배합설계>
다음 [표 3]에 기재된 내용에 따라 원료를 준비하였다.
| 번호 |
품명 |
중량(Kg) |
| 1 |
디메틸올 부타노익 에시드(Dimethyol butanoci acid) |
45 |
| 2 |
1,6-헥산디올(1,6-hexanediol) |
0 |
| 3 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
158 |
| 4 |
N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) |
26 |
| 5 |
디부틸틴 디라우레이트(Dibutyltin dilaurate) |
0.03 |
| 6 |
폴리 네오펜틸 헥사메틸렌아디페이트 디올(Poly neopentyl hexamethylene adipate diol) |
94 |
| 7 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실 이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
20 |
| 8 |
트리에틸렌아민(Triethylamine) |
20 |
| 9 |
이온교환수 |
1036 |
| 10 |
에틸렌디아민(Ethylene diamine) |
17 |
| 11 |
메타아크릴산(Methacrylic acid) |
10 |
| 12 |
스틸렌(Styrene) |
220 |
| 13 |
부틸아크릴레이트(Butyl acrylate) |
124 |
| 14 |
2,2-아조비스-(2,4-디메틸 발러로니트릴){2,2-Azobis-(2,4-dimethyl-valeronitrile)} |
1.06 |
| 15 |
폴리카보디이미드(Poly cabodiimide) |
21 |
| |
합계 |
1,792.09 |
<제조공정>
상기 [표 3]에 기재된 원료물질 1~5를 반응기에 투입한 후 90℃로 승온시켜 이론 NCO%에 도달될때 까지 반응을 진행시키고 실험을 통하여 규정된 NCO%에 도달되면 70℃로 냉각시킨 상기 원료물질 6을 가한다.
7을 가한 후 온도를 90℃로 승온하여 규정 NOC%까지 반응을 시킨다.
규정 NCO%에 도달하면 온도를 70℃ 냉각한 후 상기 원료물질 8을 가하여 중화반응을 한다.
중화반응 완료후 상기 원료물질 9의 50% 투입하여 반응물을 수분산 시킨다.
30분 정도 반응 시킨후 상기 원료물질 9의 50%와 11 ~ 14를 유화조에서 프리에멀젼을 만든 후 초기 프리에멀젼의 50%를 반응부에 투입한다.
반응물을 90℃로 승온시켜 초기 반응을 완료시킨 후 프리에멀젼을 3시간에 걸쳐 적하한다.
반응 완료 단계에서 상기 원료물질 15를 가하여 계간 반응을 시켜 기계적 물성을 향상시키기 위한 가교 시킨다.
실시예 4
<원료의 배합설계>
다음 [표 4]에 기재된 내용에 따라 원료를 준비하였다.
| 번호 |
품명 |
중량(Kg) |
| 1 |
디메틸올 푸로피오닉 에시드(Dimethyol propionic acid) |
40 |
| 2 |
1,6-헥산디올(1,6-hexanediol) |
0 |
| 3 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
156 |
| 4 |
N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) |
26 |
| 5 |
디부틸틴 디라우레이트(Dibutyltin dilaurate) |
0.03 |
| 6 |
폴리 네오펜틸 헥사메틸렌아디페이트 디올(Poly neopentyl hexamethylene adipate diol) |
99 |
| 7 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실 이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
21 |
| 8 |
트리에틸렌아민(Triethylamine) |
21 |
| 9 |
이온교환수 |
1036 |
| 10 |
에틸렌디아민(Ethylene diamine) |
17 |
| 11 |
메타아크릴산(Methacrylic acid) |
11 |
| 12 |
스틸렌(Styrene) |
230 |
| 13 |
부틸아크릴레이트(Butyl acrylate) |
113 |
| 14 |
2,2-아조비스-(2,4-디메틸 발러로니트릴){2,2-Azobis-(2,4-dimethyl-valeronitrile)} |
1.06 |
| 15 |
폴리카보디이미드(Poly cabodiimide) |
21 |
| |
합계 |
1,792.09 |
<제조공정>
상기 [표 4]에 기재된 원료물질 1~5를 반응기에 투입한 후 90℃로 승온시켜 이론 NCO%에 도달될 때까지 반응을 진행시키고 실험을 통하여 규정된 NCO%에 도달되면 70℃로 냉각시킨 후 상기 [표 2]에 기재된 원료물질 6을 가한다.
여기에 상기 원료물질 7을 가한 후 온도를 90℃로 승온하여 규정 NOC%까지 반응을 시킨다.
규정 NCO%에 도달하면 온도를 70℃ 냉각한 후 상기 원료물질 8을 가하여 중화반응을 한다.
중화반응 완료후 9의 50% 투입하여 반응물을 수분산 시킨다.
30분 정도 반응 시킨후 상기 원료물질 9의 50%와 11 ~ 14를 유화조에서 프리에멀젼을 만든 후 초기 프리에멀젼의 50%를 반응부에 투입한다.
반응물을 90℃로 승온시켜 초기 반응을 완료시킨 후 프리에멀젼을 3시간에 걸쳐 적하한다.
반응 완료 후 상기 원료물질 15를 가하여 계간 반응을 시켜 기계적 물성을 향상시키기 위한 가교를 시킨다.
비교예 1
<원료의 배합설계>
다음 [표 5]에 기재된 내용에 따라 원료를 준비하였다.
| 번호 |
품명 |
중량(Kg) |
| 1 |
폴리테트라 메틸렌 에테르 글리콜(Poly Tetra Methylene ether glycol) |
97 |
| 2 |
디메틸올 푸로피오닉 에시드(Dimethyol propionic acid) |
39 |
| 3 |
아세톤(Acetone) |
100 |
| 4 |
디부틸틴 디라우레이트(Dibutyltin dilaurate) |
0.03 |
| 5 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실 이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
170 |
| 6 |
트리에틸렌아민(Triethylamine) |
17 |
| 7 |
이온교환수 |
690 |
| 8 |
에틸렌디아민(Ethylene diamine) |
16 |
| 9 |
부틸아크릴레이트(Butyl acrylate) |
60 |
| 10 |
메틸 메타아크릴레이트(Methyl methacrylate) |
126 |
| 11 |
포타슘 퍼설페이트(Potassium persulphate) |
0.6 |
| |
합계 |
1,315.63 |
<제조공정>
상기 [표 5]에 기재된 원료물질 1~5를 반응기에 투입한 후 90℃로 승온시켜 이론 NCO%에 도달될때 까지 반응을 진행시키고 실험을 통하여 규정된 NCO%에 도달되면 70℃로 냉각시킨 후 상기 원료물질 6을 가하여 중화반응을 한다.
중화반응 완료후 7을 투입한후 상기 원료물질 8을 가하여 30분간 반응 시킨다.
30분 경과 후 상기 원료물질 9, 10을 반응부에 투입한다.
반응부의 온도를 85℃로 올린후 상기 원료물질 11을 가하여 2시간 동안 아크릴 모노머를 공중합시켜 반응한다.
비교예 2
<원료의 배합설계>
다음 [표 6]에 기재된 내용에 따라 원료를 준비하였다.
| 번호 |
품명 |
중량(Kg) |
| 1 |
폴리 테트라 메틸렌 에텔 글리콜(Poly Tetra Methylene ether glycol) |
97 |
| 2 |
디메틸올 푸로피오닉 에시드(Dimethyol propionic acid) |
39 |
| 3 |
N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) |
100 |
| 4 |
디부틸틴 디라우레이트(Dibutyltin dilaurate) |
0.03 |
| 5 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실 이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
170 |
| 6 |
트리에틸렌아민(Triethylamine) |
30 |
| 7 |
이온교환수 |
554 |
| 8 |
에틸렌디아민(Ethylene diamine) |
16 |
| |
합계 |
1,006.03 |
<제조공정>
상기 [표 6]에 기재된 원료물질 1~5를 반응기에 투입한 후 90℃로 승온시켜이론 NCO%에 도달될때 까지 반응을 진행시키고 실험을 통하여 규정된 NCO%에 도달되면 70℃로 냉각시킨 후 상기 원료물질 6을 가하여 중화반응을 한다.
중화반응 완료후 상기 원료물질 7을 투입하여 수분산 시킨다.
수분산 완료후 15분간 유지한후 상기 원료불질 8을 가하여 30분간 반응시킨다.
비교예 3
<원료의 배합설계>
다음 [표 7]에 기재된 내용에 따라 원료를 준비하였다.
| 번호 |
품명 |
중량(Kg) |
| 1 |
폴리 에틸렌 아디페이트 디올(Poly ethylene adipate diol) |
97 |
| 2 |
디메틸올 푸로피오닉 에시드(Dimethyol propionic acid) |
39 |
| 3 |
N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) |
100 |
| 4 |
디부틸틴 디라우레이트(Dibutyltin dilaurate) |
0.03 |
| 5 |
4,4-메틸렌비스(사이크로헥실 이소시아네이트){4,4-methylene bis(cyclohexyl isocyanate)} |
170 |
| 6 |
트리에틸렌아민(Triethylamine) |
30 |
| 7 |
이온교환수 |
554 |
| 8 |
에틸렌디아민(Ethylene diamine) |
16 |
| |
합계 |
1,006.03 |
<제조공정>
상기 [표 7]에 기재된 원료물질 1~5를 반응기에 투입한 후 90℃로 승온시켜 이론 NCO%에 도달될때 까지 반응을 진행시키고 실험을 통하여 규정된 NCO%에 도달되면 70℃로 냉각시킨 후 상기 원료물질 6을 가하여 중화반응을 한다.
중화반응 완료 후 상기 원료물질 7을 투입하여 수분산 시킨다.
수분산 완료후 15분간 유지한 후 상기 원료물질 8을 가하여 30분간 반응시킨다.
상기와 같이 실시예 및 비교예를 통하여 물성의 변화를 하기의 [표 8]에 나타내었다.
| |
실시예1 |
실시예2 |
실시예3 |
실시예4 |
비교예1 |
비교예2 |
비교예3 |
| 점도(C PS/25℃) |
110 |
135 |
122 |
150 |
180 |
132 |
125 |
| 입자(nm) |
110 |
120 |
136 |
132 |
160 |
102 |
125 |
| 내수성 |
○ |
○ |
○ |
○ |
○ |
△ |
△ |
| 가수분해성 |
2.3 |
4.9 |
3.1 |
3.4 |
1.8 |
0.6 |
72.3 |
| 생분해성 |
12.9 |
4.5 |
5.7 |
6.3 |
0.2 |
0.3 |
1.2 |
| 광택(60℃) |
97 |
95 |
96 |
94 |
90 |
85 |
87 |
| 부착성 |
100 |
100 |
100 |
100 |
96 |
92 |
90 |
| 연필경도 |
HB |
HB |
HB |
HB |
HB |
B |
B |
| * 내수성 : 유리판에 4mill 두께로 필름을 제조하여 완전히 건조시킨 후 물을 도장면이 잠길 정도로 물을 채워 흡수 및 외관 상태를 관찰○ : 스웰링이나 블리스터 발생 없음.△ : 스웰링이나 블리스터가 약간 발생× : 블리스터 발생* 가수분행성 : 10% NaOH×25℃ 용액에 침지후 감량 시험* 생분해성 : 60일간 퇴비화 실험후의 생분해된 %(ASTM D 5338-92의 퇴비화 방법을 이용하여 측정)* 광택 : 광택측정기(Sheen glossmeter)를 이용하여 60°로 측정* 부착성 : 가로, 세로의 길이가 1mm로 하여 100개의 정사각형을 그어 유리테이프로뜯어지는 수를 조사함. (상기 표의 숫자는 유리판에 붙은 수를 나타냄,수치가 높을수록 부착성이 좋은 것임)* 연필경도 : 유리판에 150㎛로 건조 필름을 만들어 연필경도 측정. |
상기와 같이 가수분해성은 폴리에테르 폴리올을 사용한 제품이 우수한 수준의 물성을 나타내지만 자연계에서 분해되는 생분해성, 광택, 부착성 및 경도등의기계적 물성은 본 발명품이 우수한 성능을 발휘하게 됨을 알 수 있다.