박리형 아크릴계 점착제의 합성과 물성에 관한 연구

서영옥, 설수덕

동아대학교 공과대학 화학공학과

A Study on the Performance of the Removal Type Pressure-Sensitive Acrylic Adhesive.

Young-Ok Seo, Soo-Duk Seol

Department of Chem. Eng., College of Engineering, Dong-A Univ., Pusan, Korea

서론

점착제의 시초는 1854년 Horace Dy가 고무계 점착제를 이용한 의료용 테이프를 사용하면서부터이다. 그 후 여러 용도의 점착제가 발표되었으며, 특히 최근에는 공업재료, 산업자재로서 테이프, 라벨, 스티커 등의 수요가 날로 증대되어 가고 있으며, 그 사용 용도로서는 전기, 전자 절연성 테이프, 자동차용 테이프, 의료용 테이프, 라벨용 테이프, 건축·토목의 양생 및 방수용 테이프, 가정용 테이프, 마킹테이프, 표면보호용 테이프, 강판가공용 테이프, 도로표시용 테이프, 박리형 테이프 등으로 분류할 수 있으며, 이중 박리형 테이프의 수요가 최근에 증가하고 있는 실정이다.

이러한 필요성으로 인해 점착가공제품이 확고한 지위를 구축해가고 있으며, 근년에는 점착제의 구성폴리머로는 크게 고무, 실리콘, 비닐계, 아크릴계 점착제로 나눌 수 있다. 고무계 점착제는 현재 가장 넓이 사용되는 것이지만 내열성과 내후성이 약하고 온도 변화에 따라 유동성의 변화가 심하므로 고온에는 부적합하다. 특히, 고무계 점착제는 피착물질에 잔유물이 많이 생기는 것이 가장 큰 단점이다. 실리콘계 점착제는 가장 최근에 개발된 점착제이지만, 특수한 용도에만 국한되어 있고 가격이 비싸며, 특히 범용성으로 사용할 수 없다는 단점을 안고 있다. 그러나 아크릴계 점착제는 고무계, 실리콘계 점착제가 가지지 못한 내후성, 내유성이 우수하며, 아크릴계 모노마가 다른 비닐 모노마와 공중합성이 활발하기 위해서는 피착물질의 극성을 고려해 주고, 임의의 폴리머 분자중에 극성기를  유도하면 목적에 맞는 점착제를 극성을 고려해 주고, 임의의 폴리머 분자중에 극성기를 유도하면 목적에 맞는 점착제를 비교적 용이하게 만들 수 있는 특징을 가진다. 또, 폴리머의 분자구조, 말단기, 분기성등이 점착제에 영향을 미치는 것은 일반적인 다른 점착제나 접착제와 동일한 특성을 가진다. 또한 용제형, 에멀젼형, 무용제형과 같이 형태면에 있어서도 선택성이 있기 때문에 아크릴계 점착제가 현재 확고한 지위를 구축하게 된 주된 이유이다1∼2).

아크릴계폴리머가 점착제로서 그 용도는 1928년에 시작하여 지금까지 약70년 동안 많은 폴리머가 만들어 졌으며 여러 가지 용도로 사용되고 있다. 시대의 요구에 따라 모노머의 개발, 폴리머의 합성 방법, 폴리머의 물성 연구, 그 외 점착제, 접착제 등의 응용연구가 연구자들 사이에서 많이 수행되고 있으며, 지금까지 다수의 특허, 논문 등이 발표되어 있으며 실제 제품으로도 시판되고 있다.

최근에 아크릴계 점착제의 중합방법으로서 용제형에서 에멀젼형으로, 에멀젼형에서 무용제형으로 연구대상이 변해가고 있다. 기존의 유기용제형 중합법은 심각한 환경문제를 야기시킬 뿐만 아니라 인체에 유독한 부산물을 만들어내기 때문에 본 연구에서는 이러한 문제점을 고려하여 환경문제를 적게 발생시키고 인체에 비교적 적은 영향을 미치는 용제를 사용하여 용액중합법으로 하였으며, 그 기능성면에서도 종래의 지속형(permanent type)점착제에서 박리형(removel type)점착제로 점착제의 기능을 변화시켜 그 성능향상에 역점을 두었다. 그 소비량도 급증할 것으로 기대된다.

본 연구에서는 주원료로서 메틸메타아크릴레이트(MMA), 2-히드록시에틸메타아크릴레이트(2-HEMA), 2-에틸헥실아크릴레이트(2-EHA), 부틸아크릴레이트 모노머(BAM) 등을 각각 사용하여 아크릴계 점착제를 합성하여 점도, 점착력, 내후성 등을 고찰하였다.

실험

1. 원료

아크릴게 점착제의 주원료로서 메틸메타아클리레이트(MMA), 2-히드록시에틸메타아크릴레이트(2-HEMA), 2-에틸헥실아크릴레이트(2-EHA), 부틸아크릴레이트 모노머(BAM), 중합반응 개시제로는 BPO, 용제로는 1급 식초산에틸 등을 그대로 사용하였으며, 경화제는 이소시아네이트를 사용하였다.

2.실험장치

실험에 사용된 합성반응기는 회분식반응기로 용량이 1□이며, 반응온도를 일정하게 유지시켜주기 위해 항온수조를 사용하였고, 교반속도를 일정하게 유지하기 위해서 회전속도계를 장착하였다.

3.아크릴계 점착제의 합성

먼저 반응기에 에틸아세테이트를 일정량을 주입시킨 후 이미 만들어 놓은 공단량체를 중합온도 75∼90℃에서 교반속도를 60rpm으로 유지시키면서 4시간 동안 적하하여 아크릴 점착제를 합성하였다. 이때 발열반응으로 인한 온도상승을 제어하기 위해 자동온도 조절장치를 사용하였다.

4.물성시험

아크릴 점착제의 구조를 확인하기 위해 FT-IR 분광분석기를, 분자량분포 측정은 GPC를, 점도측정은 일본 Tokyo Keiki사제 C-형 점도계를, 점착력(peel adhesion)은 나비 25mm, 길이 약 250mm인 3매의 점착테이프를 제작하여 측정하였으며, 인장시험기는 일본 Imada사제 push-pull장치를 사용하였으며, 압착장치는 수동식 로울러를 각각 사용하였다. 내후성 시험은 보존 시험편과 비교 시험편 두가지 방법으로  보존 시험편은 시험편과 가타은 로트에서 채취된 미폭로 시험편으로 하고 온도는 23±2℃, 상대습도 65±5%의 표준상태에 규정하는 암실 또는 빛이 들지 않는 용기 내에 보존하였으며 비교 시험편은 시간의 경과에 따라 변화하는 테이프 및 시트의 겉모양이나 물리·화학적 변화를 비교해야 하므로 성능을 미리 알고 있는 견본품으로 하였다. 경시변화 측정은 일본 Tokyo Keiki사제 항온항습기를 사용하여 시험조건을 위의 일반적인 조건보다 훨씬 혹독한 조건인 온도 65±5℃, 상대습도 70±5%에 방치시킨 후 일정한 시간 간격으로 경시변화를 측정하였다.

결과 및 토론

1. 점착제 제조

원료와 개시제를 혼합시킨 공단량체의 중합으로 얻어진 점착제를 용제와의 배합비율을 각각 0.6, 0.7, 0.75, 1, 1.3로 변화시키면서 점착력 변화를 측정하여 Fig.1에 나타내었다. Fig.1에서 보면 점착제인 아크릴수지(AR)와 용제의 배합비를 변화시키면서 그 점착력의 세기를 측정한 것으로서 점착제의 양이 많을수록 그 점착력은 증가함을 나타내고 있다. 일반적으로 가장 범용성이 우수한  점착력은 160gf/25mm정도이다. Fig.1에서 보듯이 배합비가 0.6:1일때는 점착력이 35gf/25mm이었다가 희석비 즉 점착제의 양이 증가함에 따라 그 점착력도 증가하여 휘석비가 1.3:1일 때 가장 범용성 있는 점착력을 나타냄을 알 수 있었다. 종래의 점착제를 제조하여 제품으로 가공생산 할 경우 점착제와 용제의 희석비율은 거의 현장기술자들의 경험적 조작으로 제품을 생산해 왔다. Fig.1은 이러한 경험적 조작에서 오는 제품의 불균일성을 해결해 주고 점착제품의 제조과정에서 점착력의 균일성을 부여함으로서 최종 생산제품의 균일한 품질을 생산할 수 있는 가장 알맞은 희석비가 1.3일때가 최적 희석비율이라는 것을 나타내 주고 있다.

2.점도, 온도 및 희발분 변화에 따른 점착력변화

Fig.2는 25℃에서 점도에 따른 점착력의 변화를 나타낸 것으로서 점도가 증가할수록 점착력이 증가 하였고, 점도가 1000∼2000cps가 가장 범용성인 점착력인 160∼180gf/25mm을 얻을 수 있었다. 또한 생산하기 전에 미리 점도를 측정하므로서 제품의 균일성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 생산과정에서의 최적 조작 조건을 유지할 수 있었다. Fig.3은 온도변화에 따른 점도의 변화를 나타낸 것으로, 이것은 많이 사용되고 있는 고무계 점착제가 고온이나 상온상태에서 오래 동안 방치하였을 때 점도 및 점착력의 변화가 생기는데 비하여 본 실험에서 제조한 아크릴계 점착제는 동절 및 하절기의 실온 상태로 생산을 하여도 점도가 1000∼2000cps을 유지하고 있으므로 점착력도 항상 일정하게 유지되는 상온 경화형에 적합한 점착제임을 확인할 수 있었다. Fig.4는 25℃에서 공중합물의 비휘발분[%]변화에 따른 점도의 변화를 측정한 것으로 범용성 박리형 점착제의 최적 점도인 1000∼2000cps의 경우 비휘발분이 30%정도임을 확인하였다.

3.건조속도와 점착력 변화

건조속도를 30, 40, 50, 60, 75rpm으로 변화시켜 그 점착력의 변화를 측정 하였으며, 여기서 건조속도 즉 열처리속도가 50m/min이었을 때 pot life가 30초여서, 이것은 제품의 최소 경화시간이 30초임을 의미하는 것이다. 따라서 열처리 속도를 50∼75m/min로 유지 시켜 주었을 때 가장 물성이 양호하였다.

참고문헌

1)Wangman, C., Adhesives Age, 20, 4 23(1977)

2)한국공업규격 A 1104, □점착테이프 및 점착시트의 시험 방       법□(1992)

Fig.1.Correlation of peel adhesion to

AR/EA ratio.

Fig.2.Correlation of peel adhesion to

viscosity at 25℃.

Fig.3.Correlation of viscosity

to temperature.

Fig.4.Correlation of viscosity

to non-volatility at 25℃.