KR0149054B1 - 소수성 고분자 표면의 친수화방법 - Google Patents

소수성 고분자 표면의 친수화방법

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Abstract

본 발명은 소수성 고분자 표면의 친수화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세 하게는 소수성 고분자의 표면을 코로나 처리하여 라디칼을 형성시키고 여기에 반응촉진제, 반응개시제 등을 도포한 후 수용성 고분자 또는 친수성 계면활성제를 가교제와 함께 물에 녹인 수용액을 스프레이(spray)하여 가교반응과 그라프트 반응을 동시에 일어나게 하여 물방울, 태양광 및 주위환경에 대한 내구성이 향상되게 하는 소수성 고분자 표면을 친수화시키는 방법에 관한 것이다.

Description

소수성 고분자 표면의 친수화방법
본 발명은 소수성 고분자 표면의 친수화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소수성 고분자의 표면을 코로나 처리하여 라디칼을 형성시키고 여기에 반응촉진제, 반응개시제 등을 도포한 후 수용성 고분자 또는 친수성 계면활성제를 가교제와 함께 물에 녹인 수용액을 스프레이(spray)하여 가교반응과 그라프트 반응을 동시에 일어나게 하여 물방울, 태양광 및 주위환경에 대한 내구성이 향상되게 하는 소수성 고분자 표면을 친수화시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 폴리올레핀 계통의 고분자 필름은 우수한 기계적·광학적 성질 및 유연성, 무독성 등과 같은 성질을 갖고 있어서 농업용 필름 또는 포장용 재료등에 광범위하게 사용되고 있으나, 이들 필름의 표면은 소수성을 띠고 있기 때문에 수분이 다량 존재하는 곳에서는 필름의 표면에 수분이 응축되어 투명도의 저하 등 여러 문제점을 야기시키게 된다.
따라서 소수성을 띠고 있는 고분자의 표면을 개질화시키고자하는 연구가 다양하게 진행되어 왔다. 그 예로서 일본특허공개 소57-71, 770호에는 폴리비닐알콜을 응용하여 소수성의 표면을 친수화시키는 방법이 제시되어 있으나, 이는 내수성, 내구성이 약하고 처리방법이 복잡하다는 단점이 있다.
일본특허공개 소57-187,347호에는 소수성의 표면에 계면활성제를 스프레이하여 친수화시키는 방법이 제시되어 있으나, 이 방법에 의한 경우 부착부분의 수적과 유유하가 동반되어 무적제가 쉽게 유실되며, 무적제를 함유한 층의 두께가 얇아서 흡수능이 적고 내구성이 짧아진다. 따라서 초기효과는 우수하나 그 효과가 계속 지속되지 못하는 문제가 있다.
일본특허공개 소50-153,072호 및 소52-105,936호에는 소수성 필름표면을 친수성 수지로 코팅하는 방법이 제시되어 있는데, 이를 구체적으로 설명하면 소수성 필름표면에 하이드록시에틸메타아크릴레이트와 N-비닐피롤리돈, 아크릴산 등의 친수성 수지를 멜라민, 에폭시 등과 같은 가교제로 열경화시키는 방법이다.
그러나 이 방법에 의한 경우 필름의 표면이 단단해져 열수축과 팽창에 의해 분리 되고 깨어지는 단점이 있다.
이밖에 일본특허공개 소38-4,171, 소38-03,572, 소39-21,112, 소45-4,617 및 소52-69,950호에는 스테아린산, 라우릴산 등과 같은 계면활성제와 수소성 고분자를 혼합하여 가공, 성형시켜 표면의 친수화는 물론 내부까지도 친수화시키는 방법이 제시되어 있으나, 이 방법에 의한 경우 사용하는 수지와 무적제와의 상용성이 좋지 못하여 필름 표면으로 무적제가 용출됨으로써 백화현상이 일어나고 표면이 불투명해지며 이로인하여 무적효과가 소실된다. 또한 무적제를 혼합하여 사용하므로 고유물성의 저하도 동반되어 기계적 강도를 비롯한 제반물성이 저하되는 것이 단점으로 지적되고 있다.
상기와 같은 종래의 소수성 표면의 친수화 방법에서 나타나는 문제점들을 개선하기 위한 목적하에 화학적으로 개질된 친수화 방법들이 개발된 바 있다[참고문헌 : J. ofAppl. Polym. Sci., 1979, 24, 235 ; J. ofAppl. Polym. Sci., 1978, 22, 487 및 J. ofAppl. Polym. Sci., 1978, 22, 823]. 화학적 개질방법은 방사선, 플라즈마 및 자외선 광을 이용하여 수용성 또는 팽윤성의 고분자를 소수성 고분자 표면에 그라프트 중합하는 방법으로서, 방사선과 플라즈마를 이용한 처리방법은 그 처리효과가 크고 다양성이 넓다는 장점이 있으나, 초기 설비 투자비가 많이 소요되고 연속적 대량 생산에는 부적합하여 이를 실용화하기 아직 어려운 상태이다. 이에 반하여 자외선 광에 의한 그라프트 중합법은 상기 방사선과 플라즈마 중합법 보다는 간단하여 인쇄적성이나 접착성 등의 성질을 개량시키는 목적으로는 유용하지만, 자외선 광 조사시간이 폴리에틸렌 필름의 경우 20분 이상 이고 또한 질소기류하에서 반응시켜야 되는 등의 연속작업성에 문제점이 있으며, 이렇게 그라프트 중합된 고분자 필림은 무적 필름에 적용하기에는 내구성이 약한 것이 결정적인 취약점이다.
이에 본 발명의 발명자들은 화학적 개질화 방법에 의해 소수성의 고분자 필름표면을 친수화시켜 무적성 필름을 제조하는 방법에 관한 연구를 진행해 왔으며(대한민국특허 제46,529호 및 제49,832호), 또한 유기용매 사용에 의한 생산비상승, 환경오염 및 화재의 위험 등의 문제점을 해결할 수 있는 방법에 관해서도 특허를 출원한 바 있다(대한민국특허출원 제94-2,454호). 그러나 상기 방법에 서는 수용액을 고분자 표면에 균일하게 도포하기 위하여 사용되는 계면활성제가 반응시 그라프트 효율을 저하시키고 반응 후 고분자 표면에 그대로 남게되어 점성을 가지게 되는 문제점이 있었다. 따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위한 연구를 계속 진행한 결과, 친수성 및 수팽윤성 단량체 대신에 소수성 고분자 또는 친수성 계면활성제를 가교제 등과 함께 소수성 고분자 표면에 그라프트 중합 및 가교반응시키므로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명과 유사한 방법으로서 호프만(A. S. Hoffman) 등은 친수성 단량체가 아닌 친수성 고분자를 고 진공하에서 가스 플라즈마 처리를 하여 폴리아크릴산 등을 폴리에틸렌과 같은 소수성 고분자 필름에 화학적 결합을 시켜 고분자 물질의 표면성질을 개질시키는 것을 제안하였으나[J. Biomter. Sci., Polymer. Ed., 4(1), 31,33(1992)], 이는 앞에서도 설명하였듯이 연속공정이 힘들고 사용에 제약이 따르는 단점이 있다.
그러나, 본 발명에서는 표면처리 반응 시스템을 제작이 간편하고 연속공정, 그리고 빠른 제조 속도를 갖게 하므로서 이러한 문제점을 제거할 수 있었으며, 또한 반응 촉진제로서 사용되는 테트라메틸에틸렌디아민(tetrametylethylenediamine)의 사용량을 현격히 줄임으로써 환경오염 문제를 해결하고 유기용매 사용에 의한 생산비 상승의 문제점을 해결할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 소수성 고분자 필름에 코로나 방전으로 전처리하여 그라프트 중합을 쉽게 일으킬 수 있는 활성점을 미리 생성시킨 후 여기에 수용성 고분자 또는 친수성 계면활성제를 그라프트 중합 및 가교반응시키는 방법으로서, 이에 의해 제조된 고분자 필름은 흡수성이 매우 우수하고, 물방울, 태양광 및 주위의 환경에 대한 내구성이 반 영구적 또는 영구적이어서 이를 무적성 비닐하우스 등에 응용할 경우 고품위 또는 고부가가치 작물의 재배시 농촌의 소득에 공헌 할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 소수성 고분자 필름을 표면처리한 것에 수용성 단량체를 그라프트 중합시켜 친수성 고분자 필름을 제조하는 방법에 있어서, 상기 소수성 고분자 필름을 코로나 방전처리하고 여기에 수용성 고분자 또는 친수성 계면활성제를 가교제, 반응개시제 및 반응촉진제와 함께 도포하여 그라프팅 및 가교반응시키는 것을 특징으로 한다.
이와같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 소수성 표면을 코로나 방전 처리하여 표면에관능기를 생성시키고, 그 위에 수용성 고분자 또는 친수성 계면활성제를 반응촉진제 및 중합개시제 및 가교제와 함께 도포시킨 다음 50 ~ 80℃의 온도에서 30~ 50초동안 그라프팅과 가교반응을 동시에 진행시켜 소수성 고분자 필름의 표면을 친수화시키는 방법이다.
본 발명을 공정에 따라 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명에서는 소수성 고분자를 표면처리하여 그 표면을 활성화시키게 되는데, 본 발명에서 사용되는 소수성 고분자는 열가소성 또는 열경화성의 모든 종류의 소수성 고분자 물질이 사용될 수 있는데,
예를들면 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸메타아크릴레이트, 폴리펜타디엔, 폴리스티렌, 폴리아미드-6, 폴리카보네이트,폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리-4-메틸-1-펜텐 등이다.
소수성 고분자 표면처리방법으로는 화학적, 물리적 및 광학적 방법중 어느 방법을 선택하여도 무방하나 본 발명에서는 코로나 방전처리방법을 선택하는데, 이 방법은 일정한 전압에 고주파를 발생시켜 생성된 고주파 방전이 전극으로부터 방전되어 주위의 기체층을 활성화시키므로써 활성화된 라디칼(activated radical)를 생기게 하는 방법이다.
상기와 같은 코로나 방전처리에 의해 활성화된 소수성 고분자 필름을 반응 촉진제 수용액과 반응개시제에 담금다음, 수용성 고분자 물질 또는 친수성 계면 활성제에 가교제가 혼합된 수용액을 도포한 후, 도포된 고분자 필름을 50 ~ 80℃에서 30 ~ 60초동안 그라프팅 및 가교반응시킨다.
이때 수용성 고분자 물질은 반응 사이트(reaction site)가 존재하는 것으로서 분자량 400 ~ 4,000,000 범위의 폴리에틸렌글리콜을 사용한다. 그리고 친수성 계면활성제로는 트윈(TWEEN) 예를들면 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노팔미테이트, 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노팔미테이트, 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노스테아레이트, 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노올레이트 등 ; 스판(SPAN) 예를들면 솔비탄 모노라우레이트, 솔비탄 모노팔미테이트, 솔비탄 모노스테아레이트, 솔비탄 모노올레이트 등 ; 및 트리톤(Triton) 예를들면 폴리에틸렌 글리콜 모노[P-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페닐]에테르 등에서 선택된 단독 또는 2종 이상의 것이다.
또한, 친수성 계면활성제 또는 수용성 고분자의 사용량은 1 ~ 50%(v/v) 이다.
상기 수용성 고분자 또는 친수성 계면활성제를 그라프팅 및 가교반응시켜 소수성 고분자 표면을 도포하기 위해서는 중합개시제, 가교제 및 반응촉진제를 첨가하는데, 이때 중합개시제로는 암모늄 퍼설페이트[(NH4)2S2O8], 과염소산(KCO3), 과산화망간(KMnO4), 산화크롬(K2Cr2O7)등을 사용하고, 그 사용량은 0.01 ~ 1.5%(v/v) 이다. 가교제로는 메틸렌 비스 아크릴아마이드를 0.1 ~ 10%(v/v) 사용하고, 반응촉진제로는 테트라메틸에틸렌디아민, 벤조일퍼옥사이드, 아조비스이소부티로니트릴을 사용하고, 그 사용량은 0.01 ~ 25.0%(v/v)이다.
종래에는 소수성 고분자 표면을 친수화하기 위하여 수용성 단량체를 소수성 고분자 표면에 그라프트 중합시켰고, 또한 이들의 고른 분포를 위해 계면활성제를 사용하였다. 그러나 계면활성제는 그라프트 효율을 저하시키고 반응 후에도 표면에 계속 남게되어 점성을 가지게 하는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에서는 별도의 친수성 및 수팽윤성 단량체를 사용하지 않고 수용성 고분자 또는 친수성 계면활성제를 소수성 고분자 표면에 그라프팅 및 가교반응시키므로써 보다 균일한 도포가 가능하였으며 가격 절감의 효과를 얻을 수 있었다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
폴리에틸렌 필름에 코로나 방전처리를 하여 표면에 활성점을 생성시키고, 테트라메틸에틸렌디아민과 물을 1 : 5 부피비로 섞은 수용액 속에 담근 후, 다시 0.5% 암모늄 퍼설페이트 수용액 속에 침지시켜 도포한다. 이 필름 위에 수용성 고분자 물질로서 폴리에틸렌글리콜 600(30g)과 가교제로서 메틸렌 비스 아크릴아마이드(1g)을 물(100 ml)에 녹인 수용액을 스프레이로 0.1 mm 두께로 도포한 후 60 ~ 70℃에서 60초간 반응시킨다. 반응 후 물로 미반응 물질을 세척하였다.
[실시예 2 ~ 24]
상기 실시예 1과 동일한 방법에 의하되, 다만 다음 표 1에 나타낸 바와 같이 사용물질의 종류 및 사용량을 달리하였다.
트윈20 : 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노라우레이트(일본, Showa Chemicals Inc. 제품)
트윈40 : 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노팔미테이프(일본, Showa Chemicals Inc. 제품)
트윈60 : 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노스테아레이트(일본, Showa Chemicals INC. 제품)
트윈80 : 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노올레이트(일본, Showa Chemicals Inc. 제품)
스판20 : 솔비탄 모노라우레이트(일본, KOKUSAN Chemical works 제품)
스판40 : 솔비탄 모노팔미테이트(일본, KOKUSAN Chemical works 제품)
스판60 : 솔비탄 모노스테아레이트(일본, KOKUSAN Chemical works 제품)
스판80 : 솔비탄 모노올레이트(일본, KOKUSAN Chemical works 제품)
TEMED : 테트라메틸에틸렌디아민(미국, SIGMA 제품)
BPO : 벤조일퍼옥사이드(미국, SIGMA 제품)
AIBN : 아조비스이소부티로니트릴(일본, Janssen 제품)
[실험예 1]
상기 실시예 1 ~ 24에서 제조된 친수화된 무적성 필름과 현재 시판되고 있는 무적필름-계면활성제와 폴리에틸렌을 혼합하여 필름형태로 사출한 제품을 폴리염화비닐 파이프에 밀봉시켜 들판에 꽂은 후 각각의 무적 유지기간을 측정하였다. 그 결과는 다음 표 2에 나타낸 바와같다.
* : 한국, 학표 제품
상기 결과에 의하면 본 발명에 따른 무적필름의 접촉각(0°)은 측정이 불가능하므로 무적효과가 좋은 것으로 나타났다.

Claims (5)

  1. 소수성 고분자 필름을 코로나 방전처리한 것에 수용성 고분자와 가교제를 도포하고 그라프트 중합시켜 친수성 고분자 필름을 제조하는 방법에 있어서, 상기 수용성 고분자로 400 ~ 4,000,000 분자량 범위의 폴리에틸렌글리콜 또는 친수성 계면활성제를 사용하고 가교제로는 메틸렌비스아크릴아미드를 사용하되 반응개시제 및 반응촉진제와 함께 도포하여 50 ~ 80℃에서 30 ~ 60초 동안 그라프팅 및 가교반응시키는 것을 특징으로 하는 소수성 고분자 표면의 친수화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 친수성 계면활성제로는 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노팔미테이트, 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노스테아레이트, 폴리옥시에틸렌(20)솔비탄 모노올레이트, 솔비탄 모노라우레이트, 솔비탄 모노팔미테이트, 솔비탄 모노스테아레이트, 솔비탄 모노올레이트 또는 폴리에틸렌 글리콜 모노[P-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페닐]에테르를 사용하는 것을 특징으로 하는 소수성 고분자 표면의 친수화 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반응개시제로는 암모늄 퍼설페이트, 과염소산, 과산화망간 또는 산화크롬을 사용하는 것을 특징으로 하는 소수성 고분자 표면의 친수화 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반응촉진제로는 테트라메틸에틸렌디아민, 벤조일퍼옥사이드 또는 아조비스이소부티로니트릴을 사용하는 것을 특징으로 하는 소수성 고분자 표면의 친수화 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 소수성 고분자로는 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸메타아크릴레이트, 폴리펜타디엔, 폴리스티렌, 폴리아미드-6, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 폴리-4-메틸-1-펜텐을 사용하는 것을 특징으로 하는 소수성 고분자 표면의 친수화 방법.
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