KR100380856B1

KR100380856B1 - 카본블랙의고분자에의한피낭화방법

Info

Publication number: KR100380856B1
Application number: KR1019970033858A
Authority: KR
Inventors: 이웅기; 이남영
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 1997-07-19
Filing date: 1997-07-19
Publication date: 2003-10-10
Also published as: KR970065654A

Abstract

본 발명은 분산 중합 방법을 통해 카본 블랙의 표면을 라디칼 반응을 통해 아조계 또는 퍼록사이드계 개시제로 개질하고 연이어 방향족 비닐 단량체, 아크릴계 단량체 등을 단독으로 또는 홉합하여 개시제와 함께 투입함으로써 카본 블랙의 반응에 의해 생성되는 고분자에 의한 피낭화를 용이하게하여 고분자-카본 블랙 미세구형 복합체를 만드는 제조 방법을 개시한다.

Description

카본 블랙의 고분자에 의한 피낭화 방법 {Encapsulation Process of Carbon Black Into Polymer Particles}

본 발명은 분산 중합을 통해서 카본 블랙(Carbon Black) 입자를 효과적으로 고분자 수지 내에 피낭화(Encapsulation)시키는 방법에 관한 것이다.

이와 같은 카본 블랙의 피낭화를 비롯한 고분자의 열적 또는 기계적 성질을 향상시키기 위한 목적으로 무기물 입자를 컴파운딩 방법 등을 통해서 고온에서 고분자 수지 내에 혼합하는 방법이 널리 이용되고 있다. 이 경우 고분자 수지를 용융 상태로 만들기 위해 많은 열 에너지가 소요되며 무기물과 고분자 수지 간의 계면 인력이 무기물의 최종 고분자 복합체 내의 분산도 및 물성을 결정 짓는데 큰 기여를 한다. 따라서 고분자 중합시 무기물을 포함하여 중합시켜 최종 고분자 수지에 효과적으로 무기물을 피낭화 시킬 수 있다면 에너지를 절감하고 더 나아가 고분자복합체 입자의 모양과 크기를 조절하여 여러 가지 용도에, 즉, 토너, 도료, 코팅 재료, 잉크 및 전자 재료 등에 사용할 수 있다. 따라서 무기물의 효과적인 피낭화와 고분자 입자 내에서의 분산, 그리고 최종 고분자 복합체 입자의 크기와 모양은 이 입자의 응용 범위에 큰 영향을 미친다.

고분자와 무기물 간의 계면에서의 친화력을 향상시키기 위하여는 여러 가지 방법이 사용되는데 그 중 가장 보편적으로 쓰이는 방법은 무기물의 표면 성질을 변화시켜 고분자와 친화력을 높이는 방법이다. 무기물의 표면 성질을 바꾸는 방법으로는 커플링제(coupling agent)를 사용하여 무기물 표면에 소수성 또는 친수성 유기물 그룹을 도입하는 것과 그라프트 반응을 통하여 무기물 표면에 고분자 사슬을 도입하는 방법, 그리고 라디칼 반응을 통해 분해된 유기 라디칼을 무기물의 표면에서 반응시켜 유기물을 표면에 도입되는 방법 등을 들 수 있다.

카본 블랙의 경우도 이 세가지 방법을 모두 사용할 수 있는데 본 발명에서는 표면 개질한 카본 블랙을 분리하지 않고 고분자 중합을 개시하여 고분자 복합체를 형성하기 위하여 라디칼 반응을 통해 유기물을 카본 블랙의 표면에 도입하였다. 고분자 중합시, 카본 블랙, 중합되는 고분자, 그리고 용매 사이의 계면 에너지에 의하여 최종적인 피낭화 가능 여부가 결정되며 합성된 고분자와 카본 블랙 사이의 계면 친화력을 높이면 피낭화가 더욱 용이하게 된다.

고분자가 무기물에 습윤(wettion)되는 문제는 도 1을 참조하여 다음과 같이 생각해 볼 수 있다.

도 1에서 고분자(P)가 무기물(S)에 퍼지게 되는 확전 계수(spreading coefficient) S_P/S를 생각해 보면

여기서 γ_SL은 무기물(S)와 용매(L) 간의 계면 장력, γ_PL은 고분자(P)와 용매(L) 간의 계면 장력, γ_SP는 무기물(S)과 고분자(P) 간의 계면 장력이다. 그리고 θ는 접촉각이다. 이 식에서 습윤이 자발적으로 일어나려면 S_P/S> 0이어야 한다. 또도 1에서의 접촉각(contact angle)의 문제를 보면, 평형에서는

인데, 역시 이 식에서도 자발적인 습윤이 일어나려면 식 (2)의 좌항의 값이 0 보다 커야 한다. 즉

여기서 θ~0이면 식 (1)과 식 (3)은 같게 된다.

좀더 구체적으로 고분자 입자와 무기물 입자 간의 피낭화를 생각해 보면, 코어-쉘인 경우 도 2와 같이 나타낼 수 있다.

이에 반해 도 3은 카본 블랙과 고분자가 분리되어 있는 입자를 나타낸 것이다.

도 2와 도 3에서 분리되어 있는 입자들이 자발적으로 코어-쉘을 이루는 조건을 전체적인 계면 에너지 측면에서 살펴보면 결과적으로 다음과 같은 식 (4)를 이끌어 낼 수 있다.

여기서

는 고분자의 부피분율(volume fraction),

는 무기물의 부피 분율이며

이다. 이 식에서도

, 즉 극히 얇은 고분자 피낭막을 형성할 경우는 (4)는 1과 3의 자발적인 습윤의 경우와 동일하게 된다.

식 (1), 식 (3) 그리고 식 (4)에서 보면 자발적인 피낭화를 촉진하는 것은 고분자와 용매 간의 계면 장력이 일정하다고 가정할 때 무기물과 용매 간의 계면 장력을 크게하거나 고분자와 무기물 간의 계면 장력을 작게하는 것이다. 따라서 무기물의 표면을 고분자와 친화력이 높은 유기물로 개질하면 친수성인 용매와의 계면 장력이 높아질 뿐 아니라 고분자와의 계면 장력이 작아져 전체적으로 피낭화를 용이하게 한다.

고분자-타물질 피낭화 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다.

첫째, 유럽 특허 공고 제0,327,199호에서는 음이온계 유화제로 만들어진 두 종류의 고분자 라텍스의 혼합물에 양이온계 유화제를 넣어서 라텍스의 안정성을 깨는 동시에 온도를 유리 전이 온도 이상으로 올려 피낭화를 하는 것이다.

둘째, 유럽 특허 공고 제0,430,674호에서는 분산 중합을 이용 분산 염료, 전하조절제, 왁스 등을 첨가하여 4에서 8 마이크론 정도의 토너 입자를 만드는 것이다.

셋째, 미국 특허 제5,415,964호에서는 유화 중합을 이용하여 안료(pigment)를 포함한 고분자 입자를 만드는 것인데, 먼저 안료를 유화제의 CMC 이상에서 분산시킨 후 CMC 이하로 묽혀 단량체를 투입하여 안료를 포함한 고분자 라텍스를 합성하는 제조 방법이다.

현재 일반적으로 사용되는 미세 고분자 입자를 만든 중합 방법은 유화 중합, 현탁 중합, 분산 중합 등이며, 유화 중합은 일반적으로 0.05에서 0.3 마이크론 크기의 라텍스를 합성하는데 사용되며 현탁 중합은 20에서 1000 마이크론 정도의 입자를 형성하고 분산 중합은 1에서 15 마이크론 정도의 입자를 합성한다. 따라서 마이크론 크기의 입자를 합성하는 데는 종자(seeded) 유화 중합과 분산 중합이 사용되는데, 종자 유화 중합의 경우는 공정이 여러 단계여서 복잡하고 실행하기 어려운 반면 분산 중합의 경우는 한 번에 마이크론 크기의 입자를 합성할 수 있는 장점이 있다.

본 발명자들은 분산 중합 방법을 사용, 카본 블랙의 표면 성질을 바꾼 후 고분자를 연이어 중합하는 공정으로 피낭호에 의한 마이크론 크기의 미세 구형 고분자-카본 블랙 복합체의 제조 방법을 개발하였다. 카본 블랙의 표면 개질이 안되었을 경우는 합성되는 고분자와 카본 블랙 간의 계면 상호 친화력이 적음으로 인해 피낭화가 안되거나 부분적으로 됨을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명에서는 고분자 합성 단계 전에 카본 블랙의 표면 개질 과정이 필수적임을 알 수 있었다.

도 1은 무기물과 고분자, 용매 사이의 표면 에너지 관계를 도시한 것이다.

도 2는 카본 블랙과 고분자의 코어-쉘 구조의 예를 도시한 것이다.

도 3은 무기물과 고분자가 분리되어 있는 입자들을 도시한 것이다.

본 발명는 고분자 중합 개시제와 카본 블랙을 반응시켜 카본블랙의 표면을 개질시키는 단계; 및 단량체와 고분자 중합 개시제를 더 첨가하여 분산중합하는 단계를 포함하여 고분자-카본블랙 복합체를 제조하는 방법으로서, 상기 개질 단계에 사용되는 고분자 중합 개시제는 아조계 개시제 또눈 퍼록사이드인 것이 특징인 고분자-카본블랙 복합체 제조 방법을 제공한다.

본 발명을 자세히 설명하면 다음과 같다.

고분자 분산제, 즉, 폴리아크릴산, 폴리아크릴사의 염, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산의 염, 메타(아)크릴산-메타(아)크릴산 에스테르 공중합체, 아크릴산-비닐 에테르 공중합체, 메타크릴산-스티렌 공중합체, 카르복시메틸 셀룰로스, 하이드록시프로필 셀룰로스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알코올 등을 단량체 총중량 100중량부를 기준으로 0.1 내지 20 중량부로 사용하고 보조 유화제로 비이온계 또는 음이온계 유화제를 단량체 총중량 100중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부로 사용하였다. 이 고분자 분산제와 보조 유화제를 수용성 유기 용제와 물과의 혼합 용매에 녹인다. 수용성 유기 용제로는 메타놀, 에타놀, 이소프로필아코올, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 디메틸포름아마이드 등을 사용하였고, 물 대 수용성 유기 용제의 혼합비는 무게비로 50 : 50 내지 5 : 95로 하였다. 용매는 단량체를 100 중량부로 하였을 때 500 내지 2500 중량부 정도를 사용하였다. 분산시킬 카본 블랙을 단량체 총중량 100중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부 넣은 후 초음파 교반이나 호모지나이저(Homogenizer)등을 통하여 혼련시키고반응 온도 50 내지 90 ℃에서 2 내지 24시간 카본 블랙에 표면 개질할 유기물을 투입하여 반응한다.

카본 블랙 표면 개질을 위한 유기물로는 AIBN(2,2'-아조비스이소부티로니트릴), 4, 4'-아조비스(4-시아노발러릭 산), 2, 2'-아조비스-(2, 4'-디메틸발러로니트릴) 등의 아조계 개시제와 BPO(벤조일퍼록사이드), LPO(라우로일퍼록사이드), 등의 퍼옥사이드계 등을 카본 블랙 100중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부 사용하였다.

표면 개질이 끝나면 단량체와 중합 개시제를 녹여 위의 반응 혼합물에 투입하여 6시간 내지 36시간, 50 내지 90 ℃에서 반응하여 원하는 고분자 복합체를 얻는다. 단량체로는 스티렌, 모노 클로로 스티렌, 메틸 스테렌 등의 방향족 비닐 단량체와 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 에틸 헥실 아크릴레이트 등의 아크릴계 단량체를 단독 또는 혼합으로 사용하였다. 혼합으로 사용하여 공중합체를 합성할 경우 단량체 1대 단량체 2의 비는 1 : 10 내지 5 : 5 사이에서 사용하였다.

상기 합성된 고분자 복합체는 용매로 세척한 후 물에 분산하여 동결 건조 또는 분무 건조기로 건조하고 입자 모양과 크기는 쿨터 카운터와 주사 전자 현미경으로 분석하였다.

본 발명을 좀더 구체적으로 설명하기 위하여 다음의 제조예를 기술하지만 본 발명은 이들에 한정되지는 않는다.

<제조예 1>카본 블랙 표면 개질예

폴리 비닐 피롤리돈 9 g, 에어로졸 OT-100 3 g, 카본 블랙 7 g을 메타논 392 g, 물 14 g의 혼합 용매에 넣고 온도를 70 ℃로 높여 30분간 교반하여 녹인다. 식힌 후 초음파로 50 % 듀티, 레벨 7에서 Branson Sonifier 450으로 2분간 교반한다. 그리고 분당 200회로 교반하면서 70 ℃로 다시 올려 라우로일퍼옥사이드 0.4 g을 투입하여 카본 블랙 표면에 그라프트 반응을 개시하여 3시간 반응한다.

<제조예 2>구형 미세 고분자 복합체 합성예

제조예 1에서의 반응 혼합물에 스티렌 52 g, 부틸아세테이트 13 g에 AIBN 0.65 g을 녹인 것을 투입하여 피낭화 반응을 개시하였다. 반응 온도는 70 ℃이고, 분당 200회 교반하였고, 반응 시간 24시간 후 92 % 이상 반응되었다. 반응 후 메탄올로 여러번 세척한 후 물에 분산시켜 동결 건조 또는 분무 건조기로 건조하였고 입자의 크기와 모양을 주사 전자 현미경과 쿨터 카운터로 확인한 결과 입자는 구형이었고 크기는 10 마이크론, 분포는 7 마이크론이었다.

<제조예 3>

제조예 1에서 라우로일퍼록사이드 대신 AIBN을 사용하여 15시간 이상 반응시켜 카본 블랙의 표면을 개질하였고 제조예 2와 같이 고분자-카본 블랙 미세 구형 복합체를 합성하였다. 반응은 24시간 후 거의 100 % 진행되었다.

<제조예 4>

제조예 1에서 라우로일퍼옥사이드 대신 BPO를 사용하여 카본 블랙의 표면을 개질하였고 제조예 2와 같이 고분자-카본 블랙 미세 구형 복합체를 합성하였다. 반응은 24시간 후 86 %이었다.

<제조예 5>코어-쉘 방법에 의한 피낭화 방법(코어 준비)

제조예 1과 비슷하게 폴리 비닐 피롤리돈 4 g과 카본 블랙 5 g을 메타놀 135 g, 물 17 g에 가열하여 녹인 후 식혀 초음파로 2분간 교반하여 코어 재료로 준비한다.

<제조예 6>코어-쉘 방법에 의한 피낭화 방법(코어-쉘 합성)

폴리 비닐 피롤리돈 4 g, 에어로졸 OT-100 1g을 메타놀 153 g, 물 17 g에 가열하여 녹인 후 스티렌 40 g, 부틸아크릴레이트 10 g, AIBN 0.5 g을 녹인 것을 투입하여 반응 시작하고 제조예 5에서 합성된 코어를 3시간 30분에 걸쳐 천천히 투입하여 피낭화 반응을 하였다. 24시간 후 거의 100 % 반응이 진행되었음을 확인하였다.

Claims

고분자 중합 개시제와 카본 블랙을 반응시켜 카본블랙의 표면을 개질시키는 단계; 및 단량체와 고분자 중합 개시제를 더 첨가하여 분산중합하는 단계를 포함하여 고분자-카본블랙 복합체를 제조하는 방법으로서,

상기 개질 단계에 사용되는 고분자 중합 개시제는 아조계 개시제 또는 퍼록 사이드인 것이 특징인 고분자-카본블랙 복합체 제조 방법.
제1항에 있어서, 단량체가 방향족 비닐 단량체, 아크릴계 단량체, 또는 그들의 혼합물 중에서 선택되는 고분자-카본블랙 복합체 제조 방법.
제1항에 있어서, 고분자 분산제 및 비이온계, 음이온계 보조 분산제를 사용하여 분산 중합을 수행하는 고분자-카본블랙 복합체 제조 방법.
제1항에 있어서, 용매로 수용성 유기 용매와 물을 혼합하여 카본 블랙 표면을 개질시키는 고분자-카본블랙 복합체 제조 방법.
카본 블랙, 고분자 중합 개시제, 수용성 용매 및 분산제를 포함하는 카본 블랙 분산액; 및 단량체와 고분자 중합 개시제를 포함하는 단량체 반응 혼합물을 코어 쉘 방법에 의하여 고분자-카본 블랙 복합체를 제조하는 방법으로서, 상기 카본블랙 분산액에 포함되어 있는 고분자 중합 개시제는 아조계 개시제 또는 퍼록사이드인 것이 특징인 고분자-카본블랙 복합체 제조 방법.