JP2020514469A - アルカリ水溶性樹脂、その製造方法およびアルカリ水溶性樹脂を含むエマルション重合体 - Google Patents

アルカリ水溶性樹脂、その製造方法およびアルカリ水溶性樹脂を含むエマルション重合体 Download PDF

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Abstract

アルカリ水溶性樹脂、アルカリ水溶性樹脂の製造方法およびアルカリ水溶性樹脂を含むエマルション重合体が提供される。前記アルカリ水溶性樹脂は、アクリル系単量体、メタクリル系単量体またはスチレン系単量体のうち一つ以上を含み、アリル基を有さない第1単量体、およびアリル基を有する第2単量体を重合させて製造したものである。

Description

本発明は、アルカリ水溶性樹脂、アルカリ水溶性樹脂の製造方法およびアルカリ水溶性樹脂を含むエマルション重合体に関する。
紙、フィルム、木材、鉄材などの基材表面を保護するための方法としては前記基材の表面に油性樹脂をコートする方法が挙げられる。前記油性樹脂は、コート工程の作業性を改善し、コーティング物性を向上させるための溶剤として油性有機溶媒を含む。しかし、前記油性樹脂の場合、可燃性であるため、火災に脆弱であり、コーティング膜の表面に残留する油性溶剤は人体に有害な影響を及ぼす。
そこで、可燃性と毒性を有さないながらも基材に対する付着性などに優れ、また優れた耐久性を有する新たなコーティング物質に対する開発が求められている実情である。
前記のような観点からコーティング物質として水性樹脂を用いる方法が考慮される。しかし、一般的な水性樹脂の場合、油性樹脂に比べて基材に対する付着性が足りず、基材表面に対して浮き上がったり剥離されやすいので、コーティング物性が不良であるという限界がある。
水性樹脂の一つ例としてスチレン/アクリル系エマルション重合体が挙げられる。これらはコーティング物性に優れるだけでなく、優れた耐久性を有する長所がある。スチレン/アクリル系エマルション重合体は、スチレン/アクリル系アルカリ水溶性樹脂を用いて不飽和エチレン系単量体を乳化重合することによって形成することができる。
一般的にはアルカリ水溶性樹脂の分子量が増加することによってこれをアルカリ性媒質に溶解させた時のアルカリ水溶性樹脂溶液の粘度も増加する。前記アルカリ水溶性樹脂溶液の粘度が高い場合、固形分を増加させることが困難であるため、優れた物性を有するエマルション重合体を形成し難い。しかし、アルカリ水溶性樹脂溶液の粘度を低下させるために前記アルカリ水溶性樹脂の分子量を低くする場合、基材のコーティング物質として用いるに十分な程度の耐久性を有することができない問題点がある。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、重量平均分子量が十分に大きいにも関わらずアルカリ水溶性樹脂溶液が相対的に低い粘度を有するように構成し、従来には両立が困難であった重合性と耐久性を有するアルカリ水溶性樹脂を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、アルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量が十分に大きいにも関わらず相対的に低い粘度を有するアルカリ水溶性樹脂溶液を形成できるアルカリ水溶性樹脂の製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとするまた他の課題は、アルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量が十分に大きいにも関わらず相対的に低い粘度を有するアルカリ水溶性樹脂溶液を形成できるアルカリ水溶性樹脂を含むエマルション重合体を提供することにある。
本発明の課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されていないまた他の技術的課題は、以下の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
前記課題を解決するための本発明の一実施例によるアルカリ水溶性樹脂は、アクリル系単量体、メタクリル系単量体またはスチレン系単量体のうち一つ以上を含み、アリル基を有さない第1単量体およびアリル基を有する第2単量体を重合させて製造したものである。
前記アルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量(Mw)は、5,000g/mol以上42,000g/mol以下であり、前記アルカリ水溶性樹脂30重量部をpH8.0のアンモニア水溶液70重量部に溶解させたアルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度(μ)は290cps以上であり得る。
前記アルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度が2,000cps以下である場合、前記粘度に対する前記重量平均分子量の比(Mw/μ)は、15.0以上であり得る。
前記アルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度が2,000cps超である場合、前記粘度に対する前記重量平均分子量の比(Mw/μ)は、6.0以上であり得る。
また、前記アルカリ水溶性樹脂の酸価(Acid Value)は、96mgKOH/g以下であり、ガラス転移温度は、50℃以上120℃以下であり得る。
前記第1単量体は、アクリル酸系単量体、メタクリル酸系単量体、非−酸性アクリル系単量体、非−酸性メタクリル系単量体およびスチレン系単量体を含み得る。
前記他の課題を解決するための本発明の一実施例によるアルカリ水溶性樹脂の製造方法は、アクリル系単量体、メタクリル系単量体、またはスチレン系単量体のうち一つ以上を含む第1単量体およびアリル基を有する第2単量体を含む単量体を含む単量体溶液を準備する段階、および前記単量体溶液をバルク重合する段階を含む。
前記第2単量体の含有量は、前記単量体の全体重量に対し、0.1重量%以上25.0重量%以下であり得る。
また、前記第2単量体は、アリルアクリレート(allyl acrylate)、アリルメタクリレート(allyl methacrylate)、ジアリルマレエート(diallyl maleate)、ジアリルアジペート(diallyl adipate)およびジアリルフタレート(diallyl phthalate)のうち一つ以上を含み得る。
また、前記第1単量体は、アクリル酸系単量体、メタクリル酸系単量体、非−酸性アクリル系単量体、非−酸性メタクリル系単量体およびスチレン系単量体を含み得る。
前記非−酸性アクリル系単量体、前記非−酸性メタクリル系単量体および前記スチレン系単量体の重量の合計と前記アクリル酸系単量体および前記メタクリル酸系単量体の重量の合計の重量比は、60:40以上95:5以下であり得る。
また、前記単量体溶液は、溶媒をさらに含み、前記溶媒の含有量は、前記単量体100重量部に対し、0重量部超20重量部以下で含まれ得る。
また、前記溶媒は、ジプロピレングリコールメチルエーテルおよび水を含み、前記水の含有量は、前記溶媒全体の重量に対し、0重量%超25重量%以下であり得る。
前記また他の課題を解決するための本発明の一実施例によるエマルション重合体は、コア−シェル構造を有するエマルション重合体であって、前記コア構造は、不飽和エチレン系単量体の重合体を含み、前記シェル構造は、前記コア構造を囲み、グラフト結合したアリル基を有するアルカリ水溶性樹脂を含む。
前記エマルション重合体は、アルカリ水溶液にアルカリ水溶性樹脂、不飽和エチレン系単量体および開始剤を添加して乳化重合させて製造したものであり得る。
その他実施例の具体的な内容は、詳細な説明および図面に含まれている。
本発明の一実施例によるアルカリ水溶性樹脂は、高い重量平均分子量を有しながらもこれをアルカリ性媒質に溶解させた時のアルカリ水溶性樹脂溶液の粘度が相対的に低いため、優れた重合性と共に耐化学性または耐水性などの耐久性に優れる。
本発明の一実施例によるアルカリ水溶性樹脂の製造方法によれば、高い重量平均分子量を有しながらもアルカリ水溶性樹脂溶液の粘度が相対的に低いため、重合性と耐久性が両立するアルカリ水溶性樹脂を製造することができる。
本発明の一実施例によるエマルション重合体は、重合性に優れたアルカリ水溶性樹脂を用いて乳化重合され、製造が容易であるだけでなく、耐久性が改善されて基材のコーティング物質として用いるに適合した効果がある。
本発明の実施例による効果は、以上で例示した内容によって制限されず、さらに多様な効果が本明細書内に含まれている。
アリルメタクリレート含有量によるアルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量およびアルカリ水溶性樹脂溶液の粘度を示すグラフである。 実験例3−2による結果を示す写真である。
本発明の利点および特徴、並びにそれらを達成する方法は、添付する図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になるであろう。しかし、本発明は以下で開示する実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現されるものであり、実施例は単に本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によって定義される。
本明細書において、「および/または」は、言及されたアイテムのそれぞれおよび一つ以上のすべての組み合わせを含む。「ないし」を使って示す数値範囲は、その前後に記載した値をそれぞれ下限と上限として含む数値範囲を示した。「約」または「概ね」は、その後に記載した値または数値範囲の20%以内の値または数値範囲を意味する。
本明細書で使われる用語「アルカリ水溶性」は、常温でpH7以上の脱イオン水1Lに10g以上の樹脂または重合体が溶解される特性を有するものを意味する。
本明細書で使われる用語「エマルション重合体」は、乳化重合により製造する粒子状重合体を意味し、ラテックス粒子を含む。
本明細書で使われる用語「アクリル系化合物」は、化学構造内にアクリル基を有する化合物を意味し、「メタクリル系化合物」は、化学構造内にメタクリル基を有する化合物を意味する。
以下、本発明の例示的な実施例によるアルカリ水溶性樹脂とその製造方法およびアルカリ水溶性樹脂を用いて製造したエマルション重合体について説明する。
アルカリ水溶性樹脂(alkali soluble resin)
本発明の例示的な実施例によるアルカリ水溶性樹脂は、アリル基を有さない第1単量体およびアリル基を有する第2単量体を含む単量体を含む単量体組成物を重合させて製造し得る。例えば、アルカリ水溶性樹脂は、前記単量体組成物をフリーラジカル重合、例えば連続バルク重合させて製造し得る。
前記第1単量体は、アリル基を有さない単量体であり得る。本明細書において、「アリル基(allyl group)」は、1価の不飽和炭化水素として「CH=CHCH−*」で表される原子団を意味する。前記第1単量体は、アクリル(acryl)系単量体、メタクリル(methacryl)系単量体および/またはスチレン(styrene)系単量体を含む。
アクリル系単量体は、アクリル酸(acrylic acid)系単量体および非−酸性アクリル(non−acid acryl)系単量体のうち一つ以上を含む。本明細書において、非−酸性(non−acid)系化合物は、化学構造内にカルボキシ基を有さない化合物を意味する。
非−酸性アクリル系単量体は、アルカリ水溶性樹脂の分子量とガラス転移温度(Tg)を制御し得る。本実施例によるアルカリ水溶性樹脂の製造に使用できる非−酸性アクリル系単量体の例としては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、イソプロピルアクリレート、ブチルアクリレート、ヘキシルアクリレートまたは2−エチルヘキシルアクリレートが挙げられる。
アクリル酸系単量体は、アルカリ水溶性樹脂の酸価(Acid Value)を制御できる。また、後述するとおり、アルカリ水溶性樹脂を用いてエマルション重合体を製造し、これをコーティング物質として使用する場合、コーティング膜の光沢および/または再溶解性などを改善でき、硬度を向上させることができる。アクリル酸系単量体の例としてはアクリル酸が挙げられる。
メタクリル系単量体は、メタクリル酸(methacrylic acid)系単量体および非−酸性メタクリル(non−acid methacryl)系単量体のうち一つ以上を含む。
非−酸性メタクリル系単量体は、アルカリ水溶性樹脂の硬度(Hardness)および耐水性、耐化学性などの耐久性を向上させることができる。また、エマルション重合体をコーティング物質として使用する場合、コーティング膜の光沢および/または印刷適性を改善できる。本実施例によるアルカリ水溶性樹脂の製造に使用できる非−酸性メタクリル系単量体の例としては、メチルメタクリレート、エチルメタクリレートまたはグリシジルメタクリレートが挙げられる。
メタクリル酸系単量体は、アルカリ水溶性樹脂の酸価を制御できる。また、エマルション重合体をコーティング物質として使用する場合、コーティング膜の光沢および/または再溶解性などを改善でき、硬度を向上させることができる。メタクリル酸系単量体の例としてはメタクリル酸が挙げられる。
スチレン系単量体は、アルカリ水溶性樹脂の硬度および耐久性を向上させることができる。また、エマルション重合体をコーティング物質として使用する場合、コーティング膜の光沢および/または印刷適性を改善できる。本実施例によるアルカリ水溶性樹脂の製造に使用できるスチレン系単量体の例としては、スチレン(ビニルベンゼン)、α−メチルスチレン(イソプロペニルベンゼン)、β−メチルスチレン(1−プロペニルベンゼン)、4−メチルスチレン(4−ビニル−1−メチルベンゼン)または2,3−ジメチルスチレン(1−エテニル−2,3−ジメチルベンゼン)が挙げられる。
非制限的な一例として、前記第1単量体は、アクリル酸系単量体、メタクリル酸系単量体、非−酸性アクリル系単量体、非−酸性メタクリル系単量体およびスチレン系単量体をすべて含み得る。
この場合、非−酸性単量体の重量の合計(すなわち、非−酸性アクリル系単量体、非−酸性メタクリル系単量体およびスチレン系単量体の重量の合計)と酸性単量体の重量の合計(すなわち、アクリル酸系単量体およびメタクリル酸系単量体の重量の合計)の重量比は、約60:40以上95:5以下、または約80:20以上85:15以下であり得る。前記酸性単量体の重量比が5以下であればアルカリ水溶性樹脂の分散媒に対する溶解度が低下して後述するとおり、乳化重合によりエマルション重合体を形成するのに適せず、前記酸性単量体の重量比が40以上であれば、アルカリ水溶性樹脂の耐久性が低下し得る。
また、酸性単量体がアクリル酸系単量体およびメタクリル酸系単量体をいずれも含む場合、アクリル酸系単量体とメタクリル酸系単量体の重量比は、約55:45以上65:35以下、または約55:45以上60:40以下であり得る。前記範囲内で酸性単量体の造成を制御してコーティング物質としての応用物性、例えば光沢および/または再溶解性などに優れたアルカリ水溶性樹脂およびエマルション重合体を形成できる。
一方、前記第2単量体は、アリル基を有する単量体のうち一つ以上を含む。すなわち、本実施例によるアルカリ水溶性樹脂は、アクリル系単量体、メタクリル系単量体および/またはスチレン系単量体を含む単量体を含む単量体組成物を重合させて製造したものであり、前記単量体組成物内の単量体のうち少なくとも一部はアリル基を有する単量体であり得る。
アリル基を有する単量体は、重合されたアルカリ水溶性樹脂の分子量の増加に寄与できる。例えば、アリル基を有する単量体は、アルカリ水溶性樹脂の粘度上昇を最小化し、アルカリ水溶性樹脂の分子量を増加させて重合性を改善しながらも耐久性が向上したアルカリ水溶性樹脂を形成できる。
アリル基を有する単量体は、アリルアルコール(allylic alcohols)系化合物、アルコキシ化アリルアルコール(alkoxylated allylic alcohols)系化合物、アリルエステル(allyl esters)系化合物、アリルカーボネート(allyl carbonates)系化合物またはアリルエーテル(allyl ethers)系化合物であり得る。
本実施例によるアリル基を有する単量体の例としては、アリルアクリレート(allyl acrylate)、アリルメタクリレート(allyl methacrylate)、ジアリルマレエート(diallyl maleate)、ジアリルアジペート(diallyl adipate)またはジアリルフタレート(diallyl phthalate)が挙げられる。
前記第2単量体の含有量は、単量体組成物内の全体単量体の全体重量に対し、約0.1重量%以上25.0重量%以下、または約0.1重量%以上20.0重量%以下、または約0.1重量%以上15.0重量%以下、または約0.1重量%以上10重量%以下、または約0.1重量%以上5.0重量%以下、または約0.1重量%以上3.0重量%以下、または約0.1重量%以上1.5重量%以下であり得る。前記第2単量体の含有量が25.0重量%以上であれば、アルカリ水溶性樹脂の重合が難しく耐久性が減少し得る。のみならず、アルカリ水溶性樹脂の粘度に対する重量平均分子量値が低下し得る。
非制限的な一例として、単量体組成物内の単量体は、約3重量%以上4重量%以下の非−酸性アクリル系単量体(例えば、エチルアクリレート)、約35重量%以上55重量%以下の非−酸性メタクリル系単量体(例えば、メチルメタクリレート)、約20重量%以上40重量%以下のスチレン系単量体(例えば、スチレン)、約8重量%以上12重量%以下のアクリル酸、約5重量%以上7重量%以下のメタクリル酸および約0.1重量%以上25重量%以下のアリル基を有する単量体を含み得る。前記範囲で耐久性と硬度が向上したアルカリ水溶性樹脂の特性を現わすことができる。
本発明の例示的な実施例による単量体組成物は、第1単量体および第2単量体の他に溶媒および開始剤をさらに含み得る。
前記溶媒は、ジプロピレングリコールメチルエーテルおよび水を含み得る。溶媒としてジプロピレングリコールメチルエーテルおよび水の混合溶媒を使用することによって、溶媒と樹脂との間の反応、例えば、エステル化反応を抑制でき、これによりアルカリ水溶性樹脂の粘度および/または反応器内部の温度の制御が容易になる。また、従来に比べて低い反応温度、低い圧力で相対的に少ない量の酸性単量体を使用する場合にも分子量の分布が狭く、酸価が高いアルカリ水溶性樹脂を形成できる。
前記溶媒は、前記単量体組成物内の全体単量体100重量部に対し、0重量部超20重量部以下、または約4重量部以上20重量部以下の範囲で含まれ得る。また、前記水の含有量は、前記溶媒全体重量に対し、0重量%超約25重量%以下であり得る。前記水の含有量が25重量%以下であれば、樹脂の粘度および反応温度と圧力を容易に制御できると同時に溶液の濁度を改善できる。
前記開始剤は、アクリル系単量体、メタクリル系単量体およびスチレン系単量体の重合を開始できれば、特に制限されないが、アルキルパーオキシベンゾエート系開始剤であり得る。または90℃ないし120℃で半減期が約10時間である開始剤を使用できる。例えば、開始剤は、t−ブチルパーオキシベンゾエート(t−butyl peroxybenzoate)を含み得る。前記開始剤は、前記単量体組成物内の全体単量体100重量部に対し、約0.01重量部以上0.30重量部以下で含まれ得る。
アルカリ水溶性樹脂を連続バルク重合して製造する例示的な実施例において、反応器内の滞在時間は、アルカリ水溶性樹脂の分子量、酸価および樹脂の色度と濁度に影響を与える。このような観点から反応滞在時間は、約10分以上40分以下であり得る。滞在時間が10分以下の場合、安定した連続生産が難しく40分以上である場合、酸価と分子量が過度に低下し得る。バルク重合の反応温度は、約100℃以上250℃以下、または約150℃以上230℃以下であり得る。
本実施例によるアルカリ水溶性樹脂は、相対的に低い温度で反応が行われるにも関わらずアリル基を有する前記第2単量体により高分子量のアルカリ水溶性樹脂を製造できる。また、反応条件が厳しくないため、重合物性の制御が容易であり、収率が向上できる。
例えば、本実施例によるアルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量(weight−average molecular weight,Mw)の下限は、約5,000g/mol以上、または約6,000g/mol以上、または約7,000g/mol以上、または約8,000g/mol以上、または約9,000g/mol以上、または約10,000g/mol以上、または約11,000g/mol以上、または約12,000g/mol以上であり得る。また、アルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量の上限は、約42,000g/mol以下、または約40,000g/mol以下、または約38,000g/mol以下、または約36,000g/mol以下、または約34,000g/mol以下、または約32,000g/mol以下、または約30,000g/mol以下であり得る。
本実施例によるアルカリ水溶性樹脂は、アリル基を有する第2単量体を含む単量体組成物を重合させて製造することによって、従来には製造が困難であった重量平均分子量が25,000g/mol以上のアルカリ水溶性樹脂を製造できる。
また、アルカリ水溶性樹脂が相対的に高分子量を有することによって、硬度向上特性を実現して十分な耐久性を付与できるので、後述するように乳化重合によって形成されるエマルション重合体の物性を補強でき、より安定したエマルション特性を有する重合体を提供できる。
アルカリ水溶性樹脂30重量部をpH8.0のアンモニア水溶液70重量部に溶解させた時の25℃での粘度(μ、以下、アルカリ水溶性樹脂溶液の粘度)の下限と上限は、通常の条件下で乳化重合を行うことができる程度であれば特に制限されない。例えば、25℃での粘度(μ)の下限は、約290cps以上であり得る。また、25℃での粘度(μ)の上限は、約10,000cps以下、または約5,000cps以下、または約4,000cps以下、または約2,000cps以下、または約1,800cps以下、または約1,600cps以下、または約1,400cps以下、または約1,200cps以下、または約1,000cps以下であり得る。また、アルカリ水溶性樹脂溶液が相対的に低粘度を有することによって必要に応じて機能性固形分を十分に添加でき、これによりエマルション重合体のコーティング物性を向上させることができる。
一方、アルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量の増加とアルカリ水溶性樹脂溶液の粘度の増加は、指数関数の形態で表し得る。すなわち、アルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量とアルカリ水溶性樹脂溶液の粘度は、急激に増加し得る。
非制限的な一例として、アルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度が2,000cps以下である場合、アルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度に対する重量平均分子量の比(Mw/μ)は、約15.0以上、または約16.0以上、または約20.0以上、または約45.0以上であり得る。前記粘度に対する重量平均分子量の比は、アルカリ水溶性樹脂溶液の粘度が低いにも関わらず、高分子量を有し得ることを意味する。すなわち、本実施例によるアルカリ水溶性樹脂は、低粘度区間で粘度に対する重量平均分子量の比が相対的に高いため、従来には達成できなかった重合性と耐久性を同時に有することができる。
また、アルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度が2,000cps超である場合、アルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度に対する重量平均分子量の比(Mw/μ)は、約6.0以上、または約6.5以上、または約7.0以上、または約7.5以上、または8.0以上、または約8.5以上、または約9.0以上であり得る。すなわち、本実施例によるアルカリ水溶性樹脂は、高粘度区間で従来に比べて非常に大きい分子量を有することができる一方で、相対的に低粘度溶液を形成できる。アルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量を非常に大きく構成することによって、エマルション重合体の耐久性を向上させる効果がある。
耐久性を有するアルカリ水溶性樹脂の酸価の上限は、110mgKOH/g以下、または約105mgKOH/g以下、または約100mgKOH/g以下、または約96mgKOH/g以下、または約95mgKOH/g以下、または約94mgKOH/g以下であり得る。アルカリ水溶性樹脂の酸価の下限は、乳化重合が可能な水準に制限し、これは70mgKOH/g以上、または約80mgKOH/g以上、または約90mgKOH/g以上であり得る。前記範囲でアルカリ水溶性樹脂を含むエマルション重合体がコーティング物質として適用される場合、コーティング膜の外観が優れる。また、酸価が110mgKOH/g以下の場合、耐水性、耐化学性などの耐久性に優れる効果があり、70mgKOH/g以上の場合、後述するとおりの乳化重合を行うことができる。
また、アルカリ水溶性樹脂のガラス転移温度(Tg)は、約50℃以上120℃以下であり得る。ガラス転移温度が前記範囲内にある場合、最小塗膜形成の温度が低下して優れたフィルム性を有するエマルション重合体を形成できる。したがって、基材に対する付着性、光沢および透明性に優れるため、改善されたコーティング物性を現わすことができる。
エマルション重合体(emulsion polymer)
本発明の例示的な実施例によるエマルション重合体は、少なくとも部分的にコア−シェル(core−shell)構造を有することができる。前記コア構造は、重合体マトリックスを含み、前記シェル構造は、前記コア構造を囲む部分として本発明の一実施例によるアルカリ水溶性樹脂を含んでなる。例えば、前記シェル構造は、グラフト結合したアリル基を有するアルカリ水溶性樹脂を含んでなる。エマルション重合体は、アルカリ水溶性樹脂を乳化剤として用いて単量体を乳化重合させて製造できる。
前記コア構造は、不飽和エチレン系単量体に由来した重合体を含んでなる。不飽和エチレン系単量体に由来した重合体は、乳化重合反応時に乳化剤によって囲まれた単量体が重合して形成されたものであり得る。前記不飽和エチレン系単量体の例としては、アクリル系単量体、メタクリル系単量体またはスチレン系単量体が挙げられる。前記アクリル系単量体、メタクリル系単量体およびスチレン系単量体は、アルカリ水溶性樹脂とともに詳しく説明したので、具体的な例示は省略する。
前記シェル構造は、本発明の例示的な実施例によるアルカリ水溶性樹脂を含んでなる。例えば、前記シェル構造を成すアルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量は、約5,000g/mol以上42,000g/mol以下であり得る。例えば、アルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度に対する重量平均分子量の比は、約15.0以上、または約16.0以上、または約20.0以上、または約45.0以上であり得る。また、前記シェル構造を成すアルカリ水溶性樹脂の酸価の上限は、約110mgKOH/g以下であり、下限は約70mgKOH/g以上であり得る。アルカリ水溶性樹脂のガラス転移温度は、約50℃以上120℃以下であり得る。
前記シェル構造を成すアルカリ水溶性樹脂は、前記コア構造を成す重合体に比べて相対的に酸価とガラス転移温度が高いため、コーティング膜の硬度および/または湿潤性などのコーティング物性を向上させることができる。
また、アルカリ水溶性樹脂溶液の粘度が十分に低いため、固形分、例えば添加剤などの含有量を増加させることができ、これによりエマルション重合体の耐久性とフィルム性などの物性補強および物性向上を期待できる。のみならず、アルカリ水溶性樹脂の主鎖に測鎖形態で結合したアリル基は、乳化重合反応時に前記コア構造を成す不飽和エチレン系単量体と化学的ボンディングを形成でき、これによりエマルション構造をさらに安定的に形成でき、シェル構造の耐久性をさらに向上させる効果がある。
前記エマルション重合体は、前記コア構造(すなわち、不飽和エチレン系単量体に由来した重合体)100重量部に対し、前記シェル構造(すなわち、アルカリ水溶性樹脂に由来した部分)を約15重量部以上60重量部以下で含み得る。アルカリ水溶性樹脂の含有量が15重量部以上の場合、十分に安定した程度の乳化重合を行い、ゲル(gel)化を防止し、堅固なエマルション重合体を形成できる。アルカリ水溶性樹脂の含有量が60重量部以上の場合、コーティング膜の耐水性と耐化学性などの耐久性が低下する。
エマルション重合体を乳化重合により製造する場合、アニオン性乳化剤と類似の機能をするアルカリ水溶性樹脂は、分散媒に溶解されてミセル(Micelle)を形成でき、不飽和エチレン系単量体は、ミセルによって囲まれた状態で重合され得る。アルカリ水溶性樹脂の他に別途のアニオン性または非イオン性乳化剤を使用しないため、エマルション重合体の保存安定性に優れ、これを用いて形成したコーティング膜の光沢と透明性に優れた効果がある。また、上述した通り、制御された重量平均分子量、粘度、酸価およびガラス転移温度を有するアルカリ水溶性樹脂を乳化剤として用いることによって、エマルション重合体がナノメートル(nanometer)単位水準の平均粒度を有しながらも幅が狭いユニモーダル形態の粒度分布を有することができ、製造上の利点を提供できる。一方、乳化重合の反応温度は、約70℃以上90℃以下、または約85℃であり得る。
アルカリ水溶性樹脂が溶解されて乳化重合に使用される分散媒は塩基性を帯びる水性媒質であり得る。例えば前記分散媒は水に溶解されたアンモニア、水酸化カリウムおよび/または水酸化ナトリウムを含み得る。前記分散媒のpHは、約8.0ないし10.0、または約9.0ないし10.0であり得る。分散媒のpHが前記範囲内にある場合、高い分散性を得ることができ、透明な溶液を製造することができる。
いくつかの実施例で、乳化重合は、開始剤をさらに添加して行ってもい。前記開始剤は、反応初期に一度に投入するか、連続的または半連続的に投入することができる。乳化重合に使用される開始剤の例としては、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウムまたは過硫酸ナトリウムなどのパースルフェート(persulfate)系開始剤が挙げられる。
以下、製造例、比較例および実験例を参照して本発明の例示的な実施例によるアルカリ水溶性樹脂およびエマルション重合体についてさらに詳細に説明する。
製造例1:アルカリ水溶性樹脂の製造
<製造例1−1>
メチルメタクリレート(MMA)47.7g、スチレン(ST)28.6g、アクリル酸(AA)6.0g、メタクリル酸(MAA)8.8g、エチルアクリレート(EA)3.3gおよびアリルメタクリレート(ALMA)0.97gからなる単量体混合物を準備した。前記単量体混合物にt−ブチルパーオキシベンゾエート0.13gおよび混合溶媒(ジプロピレングリコールメチルエーテル(DPM)3.4g、水(DW)1.1g)を添加して単量体組成物を製造した。そして、1LのSUS反応器を用いて約218℃の温度で20分間連続バルク重合を行い樹脂を収得した。
<製造例1−2>
メチルメタクリレート47.3g、スチレン28.5g、アクリル酸6.0g、メタクリル酸8.8g、エチルアクリレート3.3gおよびアリルメタクリレート1.43gからなる単量体混合物を使用したことを除いては製造例1−1と同様の方法で単量体組成物を製造して樹脂を収得した。
<製造例1−3>
メチルメタクリレート45.2g、スチレン27.3g、アクリル酸6.0g、メタクリル酸8.8g、エチルアクリレート3.3gおよびアリルメタクリレート4.77gからなる単量体混合物を使用したことを除いては製造例1−1と同様の方法で単量体組成物を製造して樹脂を収得した。
<製造例1−4>
メチルメタクリレート42.3g、スチレン25.4g、アクリル酸6.0g、メタクリル酸8.8g、エチルアクリレート3.3gおよびアリルメタクリレート9.54gからなる単量体混合物を使用したことを除いては製造例1−1と同様の方法で単量体組成物を製造して樹脂を収得した。
<製造例1−5>
メチルメタクリレート36.3g、スチレン21.9g、アクリル酸6.0g、メタクリル酸8.8g、エチルアクリレート3.3gおよびアリルメタクリレート19.1gからなる単量体混合物を使用したことを除いては製造例1−1と同様の方法で単量体組成物を製造して樹脂を収得した。
<製造例1−6>
メチルメタクリレート33.4g、スチレン20.0g、アクリル酸6.0g、メタクリル酸8.8g、エチルアクリレート3.3gおよびアリルメタクリレート23.8gからなる単量体混合物を使用したことを除いては製造例1−1と同様の方法で単量体組成物を製造して樹脂を収得した。
<製造例1−7>
メチルメタクリレート47.6g、スチレン28.5g、アクリル酸6.0g、メタクリル酸8.8g、エチルアクリレート3.3gおよびアリルアクリレート(ALA)1.14gからなる単量体混合物を使用したことを除いては製造例1−1と同様の方法で単量体組成物を製造して樹脂を収得した。
<比較例1−1>
メチルメタクリレート48.1g、スチレン29.1g、アクリル酸6.0g、メタクリル酸8.8gおよびエチルアクリレート3.3gからなる単量体を使用したことを除いては製造例1−1と同様の方法で単量体組成物を製造して樹脂を収得した。
<比較例1−2>
メチルメタクリレート47.3g、スチレン28.5g、アクリル酸6.0g、メタクリル酸8.8g、エチルアクリレート3.3gおよびヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)1.47gからなる単量体混合物を使用したことを除いては製造例1−1と同様の方法で単量体組成物を製造して樹脂を収得した。
<比較例1−3>
メチルメタクリレート47.3g、スチレン28.4g、アクリル酸6.0g、メタクリル酸8.8g、エチルアクリレート3.3gおよびグリシジルメタクリレート(GMA)1.53gからなる単量体混合物を使用したことを除いては製造例1−1と同様の方法で単量体組成物を製造して樹脂を収得した。
製造例2:アルカリ水溶性樹脂溶液の製造
<製造例2−1>
前記製造例1−1により収得した樹脂30.0重量部とイオン交換水67.6重量部を混合した後85℃で加熱して濃度28%のアンモニア水2.4重量部を3回にかけて添加した。そして、120分間撹はんしてアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
<製造例2−2>
前記製造例1−2により収得した樹脂を用いたことを除いては前記製造例2−1と同様の方法でアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
<製造例2−3>
前記製造例1−3により収得した樹脂を用いたことを除いては前記製造例2−1と同様の方法でアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
<製造例2−4>
前記製造例1−4により収得した樹脂を用いたことを除いては前記製造例2−1と同様の方法でアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
<製造例2−5>
前記製造例1−5により収得した樹脂を用いたことを除いては前記製造例2−1と同様の方法でアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
<製造例2−6>
前記製造例1−6により収得した樹脂を用いたことを除いては前記製造例2−1と同様の方法でアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
<製造例2−7>
前記製造例1−7により収得した樹脂を用いたことを除いては前記製造例2−1と同様の方法でアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
<比較例2−1>
前記比較例1−1により収得した樹脂を用いたことを除いては前記製造例2−1と同様の方法でアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
<比較例2−2>
前記比較例1−2により収得した樹脂を用いたことを除いては前記製造例2−1と同様の方法でアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
<比較例2−3>
前記比較例1−3により収得した樹脂を用いたことを除いては前記製造例2−1と同様の方法でアルカリ水溶性樹脂溶液を製造した。
製造例3:エマルションの製造
<製造例3−1>
1Lガラス反応器で前記製造例1−1により収得したスチレン/アクリル系樹脂137gを水441gに入れて撹はんしながらアンモニア水溶液16gを投入して前記樹脂を溶解させた後、温度を76.0℃に昇温させながら過硫酸アンモニウムを120分間連続して投入した。過硫酸アンモニウムの投入を始めてから10分後にスチレン159.8g、メチルメタクリレート30.8gおよびグリシジルメタクリレート5.8gを含む単量体混合物196.4g(重量比81.4:15.7:3.0)を1.5g/分の速度で約180分間連続して投入してエマルションを製造した。
<比較例3−1>
比較例1−1により収得した樹脂を用いたことを除いては製造例3−1と同様の方法で樹脂を溶解させた後、単量体混合物を投入してエマルションを製造した。
実験例1:アルカリ水溶性樹脂の物性測定
<実験例1−1:アルカリ水溶性樹脂の分子量測定>
ゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography)を用いて製造例1および比較例1により収得した樹脂の分子量を測定し、その結果を表1に示した。測定試料である製造例1および比較例1により収得した樹脂をテトラヒドロフラン(THF)に溶解させて0.1%濃度で準備した。標準試料はポリスチレン(polystyrene)を使用した。クロマトグラフィー測定時の移動相はテトラヒドロフランであり、流速は1mL/分であった。
<実験例1−2:アルカリ水溶性樹脂の酸価測定>
製造例1および比較例1により収得した各樹脂1.0gをテトラヒドロフラン50.0gに溶解させた後濃度1%のフェノールフタレイン溶液6mLを添加し、水酸化カリウム標準溶液(KOH、0.1M)で滴定して酸価を測定し、その結果を表1に示した。
実験例2:アルカリ水溶性樹脂溶液の粘度測定
製造例2および比較例2により製造した樹脂溶液を25℃恒温槽に保管して温度を維持させ、Brookfield粘度計(LV type)Spindle No.2を用いてspindleの回転速度が100rpmである状態で粘度を測定し、その結果を表2に示した。
実験例3:エマルションの物性測定
<実験例3−1:耐水性の確認>
隠蔽率紙の上にWire Bar No.22を用いて製造例3および比較例3により収得した重合体をそれぞれ50μm厚さでコートして100℃で1分間乾燥した後、常温で24時間さらに乾燥させてコーティング膜を形成した。そして、25℃の水をバイアルに入れてバイアルをコーティング膜に反転させて水が前記コーティング膜に接触するようにした。24時間の間水が接触したコーティング膜の表面の白濁発生の有無およびクラック発生の有無を確認して表3に示した。
<実験例3−2:耐アルコール性の確認>
前記実験例2−1と同様の方法で製造例3および比較例3により収得した重合体のコーティング膜を形成した。そして、50%エタノール溶液をバイアルに入れ、バイアルをコーティング膜に反転させてエタノールが前記コーティング膜に接触するようにした。2時間の間エタノールが接触したコーティング膜の表面の白濁発生の有無およびクラック発生の有無を確認して表3および図2に示した。
<実験例3−3:硬度の測定>
ガラス板の上にアプリケーターを用いて製造例3および比較例3により収得した重合体をそれぞれ100μm厚さでコートして50℃で24時間乾燥した後、常温で熱を冷ました後に硬度を測定し、その結果を表3に示した。硬度の測定は、鉛筆硬度機(Kipae E&T)をコーティング膜の表面に対し、45°角度でKS G2603に規定の鉛筆の芯を当てて、荷重500kgfで押しながら700mm/分の速度で移動して表面を擦ってコーティング膜の表面硬度を測定した。硬度測定時、毎回ごとに紙やすりを用いて鉛筆は初期状態(鉛筆の90°角度)を維持した。ペンデュラム硬度の測定時、ガラス板を固定させてKoenig錘を用いて測定した後Secondとcount値を記録した。
Figure 2020514469
Figure 2020514469
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図1は実験例1および実験例2の結果に基づいてアリルメタクリレート含有量によるアルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量およびアルカリ水溶性樹脂溶液の粘度を示すグラフである。
まず図1を参照すれば、アリルメタクリレート含有量の増加により重量平均分子量および溶液の粘度は急激に増加することが確認できる。重量平均分子量および溶液の粘度は、いずれも指数関数形態で表すことができる。例えば、重量平均分子量(Mw)=12293e0.1767xであり、溶液の粘度(μ)=366.82e0.3465x(ここで、xはアリルメタクリレートの重量%)で表すことができる。
また、アリルメタクリレートの含有量が5重量%以下の区間では溶液の粘度上昇が相対的に微々たる程度であるが、重量平均分子量は相対的に大きく増加することが確認できる。アリルメタクリレートが5重量%である場合、アルカリ水溶性樹脂の重量平均分子量は、約30,000g/molであり、アルカリ水溶性樹脂溶液の粘度は約2,000cpsであった。またアリルメタクリレートの含有量が5重量%超10重量%以下の区間では溶液の粘度の上昇幅がさらに大きいことが確認できる。
前記表1を参照すれば、アリル基を有する単量体、すなわちアリルメタクリレートの含有量が増加することによってアルカリ水溶性樹脂の分子量が増加することが確認できる。比較例1−2および比較例1−3の場合、樹脂の流動性がなく、特に比較例1−2の場合、完全に固形であるため、物性測定が不可であった。また、製造例による樹脂は、重量平均分子量を非常に高く構成できることが確認できる。
前記表2を参照すれば、製造例によるアルカリ水溶性樹脂の場合、重量平均分子量が非常に高いにも関わらずアルカリ水溶性樹脂溶液の粘度が相対的に低いことが確認できる。
また、前記表3を参照すれば、アリル基を有する単量体を用いたアルカリ水溶性樹脂を用いて製造したエマルション重合体は、アリル基を有さない単量体を用いる場合に比べて優れた耐アルコール性を有することが確認できる。具体的には図2を参照すれば、製造例3−1により製造したエマルションのコーティング膜(左)は、アルコールと接触した後にも表面の変化が現れず、優れたコーティング物性を有することが確認できる。これに対し、比較例3−1により製造したエマルションのコーティング膜(右)は、アルコールと接触した後白濁が若干発生することが確認できる。
のみならず、アリル基を有する単量体を用いたアルカリ水溶性樹脂を用いて製造したエマルションは、アリル基を有さない単量体を用いた場合に比べて鉛筆硬度およびペンデュラム硬度がいずれも向上したことが確認できる。これはコア−シェル構造を有するエマルション重合体のシェル構造がグラフト結合したアリル基を有することによってコア構造を成す不飽和エチレン系単量体と化学的ボンディングを形成でき、これによりエマルション構造をさらに安定的に形成して耐久性を向上させるからである。
以上、本発明の実施例を中心に説明したが、これは単に例示だけであり、本発明を限定するものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば本発明の実施例の本質的な特性を外れない範囲で以上に例示していない多用な変形と応用が可能であることが分かる。例えば、本発明の実施例に具体的に示す各構成要素は変形して実施することができる。また、このような変形と応用に関係した差異点は添付する請求範囲で規定する本発明の範囲に含まれると解釈しなければならない。

Claims (15)

  1. アクリル系単量体、メタクリル系単量体またはスチレン系単量体のうち一つ以上を含み、アリル基を有さない第1単量体;および
    アリル基を有する第2単量体を重合させて製造した、アルカリ水溶性樹脂。
  2. 重量平均分子量(Mw)は、5,000g/mol以上42,000g/mol以下であり、
    前記アルカリ水溶性樹脂30重量部をpH8.0のアンモニア水溶液70重量部に溶解させたアルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度(μ)は、290cps以上である、請求項1に記載のアルカリ水溶性樹脂。
  3. 前記アルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度が2,000cps以下である場合、前記粘度に対する前記重量平均分子量の比(Mw/μ)は、15.0以上である、請求項2に記載のアルカリ水溶性樹脂。
  4. 前記アルカリ水溶性樹脂溶液の25℃での粘度が2,000cps超である場合、前記粘度に対する前記重量平均分子量の比(Mw/μ)は、6.0以上である、請求項3に記載のアルカリ水溶性樹脂。
  5. 酸価(Acid Value)は、96mgKOH/g以下であり、
    ガラス転移温度は、50℃以上120℃以下である、請求項2に記載のアルカリ水溶性樹脂。
  6. 前記第1単量体は、
    アクリル酸系単量体、メタクリル酸系単量体、非−酸性アクリル系単量体、非−酸性メタクリル系単量体およびスチレン系単量体を含む、請求項5に記載のアルカリ水溶性樹脂。
  7. アクリル系単量体、メタクリル系単量体、またはスチレン系単量体のうち一つ以上を含む第1単量体およびアリル基を有する第2単量体を含む単量体を含む単量体溶液を準備する段階;および
    前記単量体溶液をバルク重合する段階を含む、アルカリ水溶性樹脂の製造方法。
  8. 前記第2単量体の含有量は、前記単量体の全体重量に対し、0.1重量%以上25.0重量%以下である、請求項7に記載のアルカリ水溶性樹脂の製造方法。
  9. 前記第2単量体は、アリルアクリレート(allyl acrylate)、アリルメタクリレート(allyl methacrylate)、ジアリルマレエート(diallyl maleate)、ジアリルアジペート(diallyl adipate)およびジアリルフタレート(diallyl phthalate)のうち一つ以上を含む、請求項8に記載のアルカリ水溶性樹脂の製造方法。
  10. 前記第1単量体は、
    アクリル酸系単量体、メタクリル酸系単量体、非−酸性アクリル系単量体、非−酸性メタクリル系単量体およびスチレン系単量体を含む、請求項9に記載のアルカリ水溶性樹脂の製造方法。
  11. 前記非−酸性アクリル系単量体、前記非−酸性メタクリル系単量体および前記スチレン系単量体の重量の合計と前記アクリル酸系単量体および前記メタクリル酸系単量体の重量の合計の重量比は、60:40以上95:5以下である、請求項10に記載のアルカリ水溶性樹脂の製造方法。
  12. 前記単量体溶液は、溶媒をさらに含み、
    前記溶媒の含有量は、前記単量体100重量部に対し、0重量部超20重量部以下で含まれる、請求項9に記載のアルカリ水溶性樹脂の製造方法。
  13. 前記溶媒は、ジプロピレングリコールメチルエーテルおよび水を含み、
    前記水の含有量は、前記溶媒全体重量に対し、0重量%超25重量%以下である、請求項12に記載のアルカリ水溶性樹脂の製造方法。
  14. コア−シェル構造を有するエマルション重合体であって、
    前記コア構造は、不飽和エチレン系単量体の重合体を含み、
    前記シェル構造は、前記コア構造を囲み、グラフト結合したアリル基を有するアルカリ水溶性樹脂を含む、エマルション重合体。
  15. 前記エマルション重合体は、アルカリ水溶液にアルカリ水溶性樹脂、不飽和エチレン系単量体および開始剤を添加して乳化重合させて製造した、請求項14に記載のエマルション重合体。
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