열경화형 반응성 대전방지제의 배합(II)

하진욱□이도현

순천향대학교 신소재화학공학부

Formulation of a Thermal Curable Coating Composition with Anti-Static Function(II)

Jin-Wook Ha□Do-Hyun Lee

Division of Material and Chemical Engineering, College of Engineering, Soonchunhyang University, Asan 336-745, Korea

서 론

플라스틱의 정전기 장해를 극복하는 방법은 여러 가지 제안[1, 3]되고 있는데 계면활성제를 이용하는 방법이 가장 유용한 방법으로 되어 있다.  계면활성제는 대전 현상이 일어나는 표면과 계면에 특이한 활성능을 나타내기 때문에 오늘날에는 대전방지제로서 큰 발전을 이루고 있다.

대전방지제는 사용법에 따라 외부용 대전방지제(External Antistatic Agents)와 내부용 대전방지제(Internal Antistatic Agents)로 분류된다[4].  외부용 대전방지제는 침적, 도포, 내뿜어 칠함, 전착 등의 방법으로 외부로부터 플라스틱 성형품 혹은 필름에 부착시켜 사용되며 거의 수용성 계면활성제이다.  대전방지제는 일반적으로 수용액으로 사용되는데 건조를 빠르게 하기 위하여 저비점의 유기용제 용액이 사용되는 경우도 있다.  외부용 대전방지제에 의하여 양호한 대전방지 효과를 얻기 위해서는 일정량의 대전방지제를 플라스틱 표면에 부착시킬 필요가 있으므로 흡착력이 강한 계면활성제가 유효하다.  내부용 대전방지제는 플라스틱의 내부에 제조 가공공정에서  넣어 사용되는데 대전방지제가 플라스틱의 표면뿐만 아니라 내부에도 존재하므로 세정과 마찰에 의하여 표면의 대전방지제가 제거되어 효과를 잃는 경우에도 내부의 대전방지제가 표면으로 이동하여 효과를 복원시켜 줌으로서 영구적인 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.  또 내부용 대전방지제는 플라스틱의 제조 가공의 공정에서 플라스틱의 내부에 넣기 때문에 제조가공 시 정전기 장해를 배제할 수 있다.  이러한 장점들 때문에 일반적으로 대전방지제라 하면 내부용 대전방지제를 일컫는 것이며, 플라스틱 가공에서 외부용 대전방지제는 차츰 내부용 대전방지제로 바뀌어 가는 추세이다.

본 연구에서는 코팅도막의 대전방지성을 영구히 유지하기 위하여 코팅도막을 이루는 여러 가지 oligomer, monomer 등과 화학적인 반응을 할 수 있는 단 분자형 대전방지제 혹은 oligomer형 대전방지제를 합성하여 여러 수지(urethane acrylate, diisocyante, acrylic polyol)와 배합하여 영구적 대전방지 효과를 나타내고자 한다.  열 경화성 영구 대전방지제 코팅을 한 후 코팅도막의 물성, 표면의 경도(hardness), 접착력, 대전방지성, 내후성 등을 향상할 수 있는 배합조건을 찾는 실험을 하였다.

실 험

선행 연구[5]에서 합성한 긴 사슬의 알킬(alkyl)기를 가진 4차 암모늄염으로 다수의 OH기를 가진 반응성 대전방지제를 사용하여 코팅액 배합을 하였다.  코팅액 배합을 위하여 사용한 폴리아이소시아네이트(polyisocyanate)와 아크릴계 폴리올(polyol)은 애경화학에서 제조한 DN-980S와 A-801-P, A-811, 및 AA-952-50를 각각 후 처리 없이 그대로 사용하였다.  코팅액 내에 형성되는 기포를 파괴하고 표면장력을 저하시키기 위하여 BYK Chemie에서 제조한 BYK-066 실리콘계 소포제와 BYK-310 실리콘계 첨가제를 소량 사용하였다.  배합된 코팅액의 점도를 조절하기 위하여 butyl acetate(BA), ethyl acetate(EA), 및 methyl ethyl ketone(MEK)을 혼합용매로 사용하였고 코팅액 배합 시 고형물(soild content)과 용제의 질량비를 1: 3부터 1: 7까지 변화하였다.  코팅액 배합은 폴리올(polyol) 만을 사용하는 1액형과 폴리올(polyol)과 폴리아이소시아네이트(polyisocyanate)를 사용하는 2액형으로 구분하여 각각의 코팅재에 OH기를 포함하고 있는 대전방지제 및 실리콘계 첨가제(BYK-066, BYK-310)를 첨가하여 제조하였다.  제조된 코팅재에 첨가한 대전방지제의 양은 폴리올(polyol)의 무게를 기준으로 하여 5-30wt%(이하 □5-30 part□로 표기)까지 변화하였으며 실리콘계 첨가제는 0.1-0.3wt%를 첨가하였다.

제조한 코팅액은 코팅두께를 조절할 수 있도록 제작된 #7(16□m), #9(21□m) 및 #12(28□m)의 코팅바(coating bar)를 사용하여 폴리에스터(PET) 필름의 표면에 코팅하였으며 코팅된 필름은 muffle furnace를 사용하여 코팅온도 범위 80-160℃에서 2-20분 경화시킨 후 상온에서 24시간 건조하였다.  본 실험에서는 코팅온도와 시간에 변화를 줌으로서 코팅온도와 시간이 필름 표면에 형성된 코팅층에 미치는 영향을 자세히 고찰하였다.  또한 코팅층의 물성을 고찰하기 위하여 코팅필름의 표면저항, 부착력, 경도 등을 측정하였으며 특히 코팅층의 수명을 고찰하기 위하여 내수성 테스트를 수행하였다.

결과 및 고찰

일반적으로 대전방지제의 첨가량이 증가할수록 표면저항은 현저히 감소하였다.  대전방지 코팅 처리 전 PET 필름의 표면 전기저항은 일반적으로 1015□이었으며 코팅 후 표면 전기저항은 최대 109□까지 감소시킬 수 있었다.

코팅액 배합 시 사용한 혼합용매에 따라 배합된 코팅액의 점도가 달라짐을 알 수 있었으며 고형물(soild content)과 용매의 질량비를 1: 7로 하였을 때 코팅층의 물성이 향상되었다.  혼합용매가 코팅층의 전기저항에는 큰 영향을 미치지 않았으나 코팅필름의 투명도에는 큰 영향을 미쳤으며 MEK를 용매로 사용했을 때 필름의 투명도가 가장 좋음을 알 수 있었다.  폴리올과 폴리아이소시아네이트의 배합비율은 PET 필름 표면에 형성된 코팅층의 물성에 영향을 주는 것으로 관찰되었으며 과량의 폴리아이소시아네이트가 첨가되는 경우(OH: NCO = 1: 1.5인 경우) 물성이 저하되었다.  이 실험결과 최적의 배합비율은 폴리올과 폴리아이소시아네이트의 비가 1: 1인 경우임을 알 수 있었다.  DN-980S형 폴리아이소시아네이트(polyisocyanate), A-811형 폴리올(polyol), 대전방지제로 합성한 1액형과 2액형 코팅액으로 코팅한 PET 필름의 표면저항을 측정하여 대전방지 효과를 고찰한 결과 1, 2액형 모두 대전방지제의 양이 증가함에 따라 표면저항이 작아져 대전효과가 나타남을 알 수 있었다.  1액형의 경우 소량의 대전방지제의 첨가로도 표면저항이 현저히 감소한 반면 2액형 대전방지제가 5 part 이상이 되어야 표면저항이 현저히 감소하였다.  코팅층의 물성은 코팅액 배합에 사용한 폴리올의 종류에 따라 영향을 받았으나[5] 코팅층의 두께는 물성에 큰 영향을 주지 않는 것으로 관찰되었다.

내수성 테스트는 코팅한 PET 필름을 수조에 넣고 시간에 따른 전기저항의 변화를 측정하는 벙법과 코팅층의 표면에 일정간격으로 물걸레질을 하여 표면의 전기저항의 변화를 측정하는 두 가지 방법으로 수행하였다.  일반 첨가형과 본 연구에서 합성한 반응성 대전방지제 각각에 대한 내수성 및 두 가지 형태의 대전방지제를 혼합하였을 때 내수성의 변화를 고찰하여 그 결과를 Table 1에 실었다.  실험결과 반응성 대저방지제의 내수성은 일반 첨가형 대전방지제 보다 월등히 우수하였으며(코팅층 표면의 전기저항이 적은 경우 102에서 큰 경우 104 □정도 차이가 남) 일반 첨가형에 반응성 대전방지제를 첨가함에 따라 대전방지 효과가 현저히 증가함을 알 수 있었다.  이러한 결과는 일반 첨가형 대전방지제가 코팅층 표면에 물리적으로 부착되어 있는 반면 반응성 대전방지제는 코팅층 표면에 화학적으로 결합하고 있음을 증명해 주는 결과로 해석할 수 있다.

Table 1. 일반 첨가형과 반응성 대전방지제의 내수성 비교

(OH/NCO = 1)

Part	Polyol	일반 첨가형 대전방지제 (△□)	반응성 대전방지제 (△□)
20 part	A-801	102	102
	A-811	104	102
	AA-952-50	102	1
30 part	A-801	10	10
	A-811	104	1
	AA-952-50	103	1

Table 2. 혼합형 대전방지제의 내수성 비교

(OH/NCO = 1)

Part	% 혼합비율 (일반 첨가형 : 반응성 대전방지제)	(△□)
10 part	100 : 0	104
	75 : 25	10
	50 : 50	103
	25 : 75	102
	0 : 100	10
30 part	100 : 0	103
	8 : 92	10
	17 : 83	1
	25 : 75	10
	33 : 67	10
	0 : 100	1

결 론

본 연구에서는 긴 사슬의 알킬(alkyl)기를 가진 4차 암모늄염으로서 다수의 OH기가 있는 대전방지제를 합성하여 폴리에스터(polyester) 필름에 열경화 코팅을 하였다.  실험결과 일반적으로 대전방지제의 첨가량이 증가할수록 표면저항은 현저히 감소하였다.  대전방지 코팅 처리 전 PET 필름의 표면 전기저항은 일반적으로 1015□이었으며 코팅 후 표면 전기저항은 최대 109□까지 감소시킬 수 있었다.  대전방지제의 첨가량이 증가할수록 경화속도, 표면경도 등의 물성이 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다.  이는 불소계 화합물인 대전방지제가 증가할수록 경화된 표면에는 공기중의 수분과 반응하여 이온 전도층을 형성할 구조가 증가하므로 표면저항을 효율적으로 낮출 수는 있으나 불소화합물의 첨가량이 증가할 경우 낮은 관능기의 양이 증가하여 가교화 밀도가 떨어지므로 경화속도와 표면경도는 떨어지는 것으로 해석할 수 있다.  그러므로 유기계 불소화합물 대전방지 코팅 배합에서 불소화합물의 첨가량은 표면경도를 포함한 다른 물성의 저하를 최소화시키는 방향으로 균형이 이루어져야 한다는 결론을 내렸다.  본 연구결과 다음과 같은 몇가지 중요한 결론을 얻을 수 있었다.

♠ 코팅액 배합 시 혼합용매는 코팅액 점도에 큰 영향을 주며 코팅액의 점도가	클수록 코팅표면의 투명도는 좋지 않았고 MEK가 혼합용매로 가장 적절하다	는 것을 알 수 있었다.

♠ 코팅액 배합조건 중 폴리올과 폴리아이소시아네이트의 비율은 1: 1이 가장 좋	았으며 폴리올의 종류에 따라 코팅층의 물성이 변화하였으며 A-801 폴리올	을 사용하였을 때 대전효과가 가장 좋은 것으로 나타났다.  반면 코팅 두께는	코팅층 표면의 전기저항에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.

♠ 반응성 대전방지제의 내수성은 일반 첨가형 대전방지제 보다 월등히 우수하	였으며(코팅층 표면의 전기저항이 적은 경우 102에서 큰 경우 104□정도 차이	가 남) 일반 첨가형에 반응성 대전방지제를 첨가함에 따라 대전방지 효과가	현저히 증가함을 알 수 있었다.  이러한 결과는 일반 첨가형 대전방지제가 코	팅층 표면에 물리적으로 부착되어 있는 반면 반응성 대전방지제는 코팅층 표	면에 화학적으로 결합하고 있음을 증명해 주는 결과로 해석할 수 있다.

감사의 글

본 연구는 중소기업청 □99 산학연 공동기술개발 지역컨소시엄 사업으로 지원되었으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

1.	G. Woods, "The ICI Polyurethane Books", 2nd Ed., John Wiley & Sons,	Inc., Chichester(1990).

2.	C.-H. Jung, H.-S. Park, and Y.-K. Kim, J. of Korean Ind. & Eng.	Chemistry, 4(1), 54(1993).

3.	P. F. Soto, M. Herraez, A. Gozales, and J. A. de Saja, Polymer Testing,	13, 77(1994).

4.	J.-B. Ahn, H.-K. Cho, C.-N. Jeong, and S.-T. Noh, J. of Korean Ind. &	Eng. Chemistry, 8(2), 230(1997).

5.	D.-H. Lee and J.-W. Ha, Soonchunhyang J. of Inst. for Ind. Tech., 6(1), in	press(2000).