단량체 투입량 제어에 따른 아크릴 공중합체 합성의 최적화

김남렬, 김소영, 강신춘, 박융호

한양대학교 화학공학과

Optimization of Arcylate Copolymer Synthesis by Controlling of Monomer Manipulating

Nam Youl Kim, So Young Kim, Shin Choon Kang, Yeung Ho Park

Dept. of Chemical Engineering, Han-Yang, University

서론

모발(hair)은 머리에 대한 외부충격을 흡수하고 강렬한 햇빛 등에 노출을 차단하는 신체의 중요한 일부분으로 여겨져, 지난 반세기 동안 모발 그 자체에 대한 보호목적을 위해서 또는 다양한 모발모양과 염색 등을 통한 개성표현의 한 수단으로 생각되어져 이에 필요한 여러 가지 물질들이 개발되어 왔다. hair rinse, hair conditioner, hair dressing, hair spray, wave sets, coloring permanent wave와 hair-straightening agent등 다양한 모발용 화장품과 shampoo등과 같은 모발용 세제 등이 해당하며, 국내에서도 90년대 이후 소득수준의 향상과 자신만의 개성을 표출하기 위해서 젊은 세대를 중심으로 모발용 화장품에 대한 수요는 가히 폭발적으로 증가하는 추세여서 국내 화장품제조업체들 모두가 모발용 화장품 개발에 관심을 기울이고 있는 실정이다. 이중 □fixatives□로 통칭되는 hair spray와 wave set 등은 고정화제로 모발에 적용되어 일시적으로 모발모양을 고정시키거나 모발에 웨이브 또는 컬링시 도움을 주는데 사용되는 모발용 화장품들로 국내외 시장에서의 수요신장세가 가장 높은 분야로 연구개발의 주목표가 되고 있다.

hair spray와 wave set는 일반적으로 모발에 얇은 막을 형성할 수 있는 필름형성물질과 용매로 물이나 알코올 혼합물 및 방향제가 함유되어 있고, 에어졸계의 경우 부탄이나 프로판 가스와 같은 추진체(propellant)가 첨가된다. 따라서 hair spray나 wave set를 모발에 스프레이하고 손이나 빗으로 모발을 빗질을 하면, 건조되면서 머리에 필름형성물질이 코팅되거나 고정화작용이 일어나게 된다. 결과적으로 모발의 모양이나 윤기 등의 발현은 필름형성물질과 모발과의 접착 및 응집력에 의존하게 되기 때문에 다른 구성성분보다 필름형성물질에 대한 구조에 대한 연구가 hair spray 및 wave set의 개발 에 있어서 가장 중요한 부분으로 인식되어 왔다.

필름형성물질의 기본수지를 세계적으로 제조하여 공급하는 회사들인 BASF Aktiengesellshaft, ISP Investments INC., S. C. Johnson & Son, Inc. 및 GAF Cooperation등도 아직까지 50-60년대에 개발한 수지의 생산이 대부분이며, 80-90년대 들어서도 hair spray의 제조방법과 조성은 그리 크게 바뀌지 않고 있다. 이는 의약품과 마찬가지로 인체에 사용하는 유기물질들의 독성에 대한 인식이 날로 강화되어서 무해성이 세밀하게 검증되지 않는 새로운 물질의 사용에 대한 제재가 가혹하게 이루어지고 있기 때문이다.

이론

모발화장품용 기본 고분자수지로서 현재 한국인들이 가장 선호하는 물성은 매우 하드한 느낌을 주는 두발용 화장품들이다. 따라서 하드한 느낌을 주면서 기존의 물성을 유지하는 새로운 수지의 개발이 요구되고 있다. 이중 아크릴계 수지는 다양한 단량체가 존재하여 풍부한 응용물성의 발현이 매우 유리한 면이 있다. 또한 기존의 관능기가 측쇄기로 도입되어 있는 수지들이나 단량체를 개량함으로써도 다양한 물성변화를 유도할 수 있다는 장점이 있다.

기존의 잠재적 이온화기를 가지고 있는 단량체들의 경우 그것을 적절히 이온화함으로써 물이나 알콜용액에서의 물성이 매우 달라지며, 모발의 부착시에도 접착력(세팅력)이 현저히 향상되는 예가 많이 보고되고 있는데, 특히 이온기의 구조가 양성, 즉, 고분자 측쇄에 음이온기와 양이온기가 고정되어 존재할 경우 탁월한 효과가 기대된다.

따라서 본 연구에서는 베타인계 단량체를 이용하여 이를 도입한 베타인계 다중 아크릴 공중합체 (Fig 1)합성의 최적조건을 찾고자하였다. 이를 위하여 반응성을 고려한 반응물의 투입속도를 달리할 수 있는 프로그램을 제작하였으며, 실시간으로 반응 정도를 분석할 수 있는 분석장치를 사용하여 반응 정도의 최적화를 수행하도록 하였다.

실험

1. 실험장치

아크릴 공중합체를 합성하기 위하여 2L 크기의 반응기를 사용하였으며 전체 투입되는 단량체들의 양을 1kg가 되도록 투입 함량을 조절하였다. 전체 실험장치의 개요는 (Fig 2)에 나타 내었으며, 단량체의 투입속도를 제어하기 위해 단량체들의 투입속도를 수차례의 반복 실험으로 구하였고 이를 프로그램을 이용하여 제어 할 수 있도록 장치를 구성하였다. 또한 반응시 실시간으로 분석이 가능하도록 reactIRTM 1000(ASI Applied Systems)을 연결하여 반응정도를 분석할 수 있도록 하였다.

2. 실험방법

이 실험에서 초기 반응기의 온도는 85℃가 되도록 하였고, 주입되는 단량체들은 주입되는 일정시간동안 일정하게 주입되도록 프로그램을 이용하여 제어를 하였다. 실험방법을 간단하게 표(Table 1)로 다음과 같이 도식하였다.[1][2][3]

Time(min)	온도(℃)	IPA(g)	VP(g)	VAc(g)	VAZO64(g)
HEEL	85	53.987	20.039	55.092	0.337
280	85	81.046		128.539
640	85	257.741	240.704		2.395
730	30	151.115

Table 1. 베타인계 합성방법

결과 및 토론

1. 실험결과

본 연구에서의 합성실험의 목적은 적절한 VP(VinylPyrrolidone)와 VAc(VinylAcetate)의 단량체들의 투입속도를 제어하는데 있다. 투입방법 및 투입속도에 따른 VP와 VAc의 공중합체는 각각 다른 물성을 가지게 되므로 이들 단량체들의 제어가 가장 중점적인 문제가 된다. 위 실험방법에 따른 IR을 이용한 분석 결과를 다음 (Fig 3)에 나타내었다. (Fig 3)에서는 이들 VP와 VAc가 합성되면서 시간이 경과함에 따라 이들 단량체가 합성되어 가는 과정을 볼 수 있으며[4] 여기에서의 DATA를 이용하여 투입 속도를 제어할 수 있는 방법을 연구하였다.

2. 결과토론

본 연구에서 수행된 베타인계 수지는 모발 고정화 고분자 수지로 지금까지 일반적으로 사용되어왔던 Acrylamide계 수지, Acryl계 수지보다도 강도나 내수성 등에서 가장 우수한 물성을 나타내었다. 본 연구와 더불어 단량체 투입밥법 및 투입속도의 최적 조건뿐만 아니라 베타인화에 대한 온도, 용매, 중합금지제 등의 영향을 고려하여 최고의 수율을 나타내는 합성공정연구가 진행되어야 할 것이다.

참고문헌

1) U. S. Patent No. 5,395,904(1995)

2) U. S. Patent No. 5,502,136(1996)

3) U. S. Patent No. 5,395,904(1995)

4) M.H□chtl, Ch.Kleber, A.Jentys,H.Vinek :

□In situ FT-IR investigation of hydrocarbon reactions over zeolite based

bifunctional catalysts" (2000)

Fig 1. 베타인계 공중합체의 화학적 구조.

Fig 2. 베타인계 장치도

(a) 베타인계의 합성과정에서 시간에 따른 반응물의 FTIR peaks의 동적변화

(b) 특정 Peak들의 profile

Fig 3. IR을 이용한 시간에 따른 베타인계의 특정 peak & 특정 peak에서의 profile

List of Figure.

Fig. 1. 베타인계 공중합체의 화학적 구조.

Fig. 2. 베타인계 장치도

Fig 3. IR을 이용한 시간에 따른 베타인계의 특정 peak & 특정 peak에서의             profile