KR101305438B1 - 폴리우레탄과 알루미늄의 접착을 위한 접착제 - Google Patents

폴리우레탄과 알루미늄의 접착을 위한 접착제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에폭시기, 수산기, 또는 카르복실산기를 포함하는 산화그래핀; 및 아민기, 에폭시기, 카르복실산기, 수산기, 또는 티올기를 포함하는 알콕시실란화합물을 포함하는 접착제에 관한 것이다.
본 발명은 폴리우레탄 탄성체와 알루미늄 소재의 접합을 위한 접착제로써 실란화합물과 산화그래핀을 적용함으로써 실란 화합물만을 사용한 경우보다 접착력의 향상이 가능하다. 또한 사용 후 재활용을 위한 분리공정에서는 산화그래핀의 마이크로웨이브 흡수 특성으로 인하여 급속 가열을 통한 폴리우레탄의 열분해로 알루미늄 소재와 폴리우레탄의 분리가 용이하게 이루어진다.

Description

폴리우레탄과 알루미늄의 접착을 위한 접착제{Adhesives for Bonding Polyurethane and Aluminium}
본 발명은 폴리우레탄과 알루미늄의 접착을 위한 접착제에 관한 것이다.
최근 차량의 연비 향상을 목적으로 타이어의 구름저항 저감 및 경량화에 대한 친환경 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 이에 실리카 충진제를 트레드에 적용한 저 구름저항 타이어 개발이 주류를 이루고 있으나 이의 기술이 포화 상태에 도달하여 추가의 개선이 어려운 상황이다. 따라서, 해외 선진업체에서는 우레탄 소재를 활용한 비공기압식 타이어 개발이 진행되고 있으며 이를 통해 추가의 구름저항 저감 및 경량화를 진행하고 있다.
그러나, 우레탄 소재를 타이어에 사용하는 경우 그 구조가 기존 타이어와 대단히 달라 우레탄과 알루미늄 소재를 접착시켜 사용해야 하므로 접착성능이 우수한 접착제의 개발이 필수적이다.
한편, 친환경을 위해서는 사용 후 제품의 수거 및 재활용이 용이해야 하는바 우레탄 소재를 쉽게 분리할 수 있는 기술의 개발이 필수적으로 요구된다.
이에 본 발명은 우레탄과 알루미늄 소재의 접착력을 향상시키고, 또한 필요 시에는 우레탄과 알루미늄 소재를 쉽게 분리할 수 있는 접착제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 접착제를 이용하여 접합된 폴리우레탄과 알루미늄 복합재 및 이를 분리하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 표면에 에폭시기, 수산기 또는 카르복실산기를 포함하는 산화그래핀; 및 아민기, 에폭시기, 카르복실산기, 수산기, 또는 티올기를 포함하는 알콕시실란화합물을 포함하는 접착제를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 접착제로 접합된 알루미늄, 우레탄 복합재를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 알루미늄, 우레탄 복합재에 마이크로 웨이브를 조사하는 것을 포함하는 알루미늄, 폴리우레탄 복합재의 분리방법을 제공한다.
본 발명은 폴리우레탄 탄성체와 알루미늄 소재의 접합을 위한 접착제로써 실란화합물과 산화그래핀을 적용함으로써 실란 화합물만을 사용한 경우보다 접착력의 향상이 가능하다. 또한 사용 후 재활용을 위한 분리공정에서는 산화그래핀의 마이크로웨이브 흡수 특성으로 인하여 급속 가열을 통한 폴리우레탄의 열분해로 알루미늄 소재와 폴리우레탄의 분리가 용이하게 이루어진다.
도 1은 본 발명의 접착제의 접착 개념도이다.
도 2는 알루미늄과 폴리우레탄의 접착력 평가를 위한 시편의 개념도이다.
도 3은 실시예 1~4의 접착제로 접합된 시편의 파단면을 11~44로 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1의 시편을 분리한 사진이다.
이하 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.
본 발명은 에폭시기, 수산기, 또는 카르복실산기를 포함하는 산화그래핀; 및 아민기, 에폭시기, 카르복실산기, 수산기 또는 티올기를 포함하는 알콕시실란화합물을 포함하는 접착제에 관한 것이다.
상기 산화그래핀은 흑연을 기계적인 박리 또는 화학적인 처리 후 초음파 박리 등으로 제조되는 일반적인 산화그래핀을 사용할 수 있다. 상기 산화그래핀의 표면에는 에폭시기, 수산기 또는 카르복실산기를 포함하고 있는데 이 같은 작용기로 인하여 폴리우레탄 탄성체 제조에 사용하는 예비 중합체의 이소시아네이트기와 반응이 가능한 특성을 보인다. 하기 반응식 1 및 2에는 알콕시 실란의 알콕시기들이 수분과 반응하여 실란올을 형성하고 실란올이 산성 조건에서 알루미늄 표면의 수산기와 졸-겔반응으로 연결되는 반응을 나타내었다.
[반응식 1]
Figure 112011035642758-pat00001
[반응식 2]
Figure 112011035642758-pat00002
아울러 아미노실란의 아민 그룹은 반응식 3, 반응식 4에 나타낸 바와 같이 산화 그래핀의 에폭시 그룹과 반응을 하는 경우 수산기가 생성되고, 생성된 수산기 또는 2차 아민기는 폴리우레탄 탄성체 제조를 위한 예비중합체의 이소시아네이트와 우레탄 형성 반응을 통하여 폴리우레탄과 연결되게 된다.
[반응식 3]
Figure 112011035642758-pat00003
[반응식 4]
Figure 112011035642758-pat00004
상기 실란화합물은 글리시딜 프로필 트리메톡시 실란(GPTMS), 아미노 프로필 트리메톡시 실란(APTMS), 멀캅토 프로필 트리메톡시 실란(mercapto propyl trimethoxy silane)과 같은 다양한 것이 될 수 있으며, 특징적으로는 알루미늄과 sol-gel 반응이 가능한 알콕시 그룹들과 산화그래핀의 에폭시기, 수산기, 카르복실산기 등과 반응이 가능한 그룹을 포함한 실란 화합물로 정의할 수 있다.
본 발명의 접착제의 접착 개념도는 도 1과 같다.
상기 산화그래핀 50 ~ 99 중량% 및 상기 알콕시실란화합물 1 ~ 50 중량%를 포함할 수 있다. 산화그래핀의 중량이 50 중량% 미만이면 사용 후 재활용을 위한 분리 공정에서 마이크로웨이브의 흡수를 통한 폴리우레탄의 분해 효과에 문제가 있을 수 있다.
또한 본 발명은 상기 접착제로 접합된 알루미늄, 폴리우레탄 복합재에 관한 것이다.
또한 본 발명은 상기 알루미늄, 폴리우레탄 복합재에 열을 가하는 것을 포함하는 알루미늄, 폴리우레탄 복합재의 분리방법에 관한 것이다. 열을 가하는 방법으로는 마이크로 웨이브를 조사하는 방법이 있을 수 있으며, 구체적으로 상기 마이크로 웨이브를 500 ~ 1000와트의 세기로 10초 ~ 30 분 동안 조사할 수 있다.
이하 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 : 산화그래핀의 제조
천연 흑연을 과망간산칼륨, 황산, 과산화수소 등을 이용하는 Hummer가 제시한 방법으로 처리한 다음 초음파를 이용하여 박리시켜 산화그래핀을 제조하였다.
제조된 산화그래핀을 원소분석기 (Elemental Analyzer, V장비모델: Vario MICRO-Cube, 제작처: Elementalar Analysensysteme GmbH, Germany)를 이용하여 분석한 결과 탄소 69.9중량%, 수소: 1.0중량%, 질소: 1.2중량%, 황: 2.3중량%, 산소: 25.5중량%인 것으로 나타났다.
실시예 , 비교예
산화그래핀을 에탄올/물(95/5) 부피비 혼합물에 분산시켜 1중량% 용액을 제조한 다음 실란화합물을 상기 제조예에서 제조한 산화 그래핀과 하기 표 1에 기재된 중량부로 첨가하고 6시간 동안 상온에서 교반하여 실란화합물의 작용기와 산화그래핀의 작용기의 반응을 진행하여 알루미늄과 폴리우레탄의 접합을 위한 접착제를 제조하였다.
(중량부) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
APTMS 50 - 10 40 100 -
GPTMS - 50 40 10 - 100
산화그래핀 50 50 50 50 - -
실험예 1 : 접착성능 평가
제조된 접착제 용액에 묽은 초산 수용액을 첨가하여 산성도를 5가 되도록 한 다음 알루미늄 시편에 분사한 다음 90℃에서 건조하였다.
알루미늄 소재와 폴리우레탄 탄성체의 접착력 평가를 위한 폴리우레탄 탄성체 제조를 위해 폴리우레탄 예비 중합체를 중량평균 분자량이 2000인 poly(tetramethylene ether glycol)과 methylene bis-4,4 diphenylene diisocyanate를 이용하여 이소시아네이트 함량이 10중량%인 액상의 예비중합체를 합성하였다. 폴리우레탄 예비 중합체를 접착제를 도포한 알루미늄 시편에 도포한 다음 접착제를 도포한 또다른 알루미늄 시편과 접합하여 도 2와 같은 단면 형상의 lap shear adhesion 평가를 위한 시편을 준비하였다. 폴리우레탄 예비중합체의 경화를 위하여 시편을 120℃ 오븐에서 경화시켜 접착력 평가를 위한 시편을 제조하였다.
표 2에는 접착력 시험 결과를 나타내었다. 도 3에서는 실시예 1의 접착제로 접착된 시편의 파단면 사진을 나타냈다. 사진에서 상단 흰색 부분은 폴리우레탄 파단면이고 하단은 알루미늄이다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
Lap shear
adhesive strength
(MPa)		 7.3 7.0 7.4 7.2 5.2 5.9
비고
 Cohesive failure Cohesive failure Cohesive failure Cohesive failure Cohesive failure Cohesive failure
실시예 1 ~ 4에서와 같이 산화그래핀을 첨가한 경우 산화그래핀을 첨가하지 않은 비교예 1 ~ 2에 비하여 보강 효과를 통하여 접착력의 증가를 나타내었다.
실험예 2 : 복합재의 분리
상기 실시예 1에서 제조한 접착제를 이용하여 실험예 1과 같이 폴리우레탄과 알루미늄 소재를 접착한 시편을 700와트 마이크로웨이브 오븐에서 마이크로웨이브를 10분 동안 조사하였다. 도 4에는 마이크로웨이브 조사로 폴리우레탄이 분해되어 쉽게 분리된 실시예 1의 사진을 나타내었다. 폴리우레탄의 분해로 인하여 용이하게 분리된 것을 확인할 수 있다.

Claims (5)

  1. 에폭시기, 수산기 또는 카르복실산기를 포함하는 산화그래핀; 및
    아민기, 에폭시기,카르복실산기, 수산기 또는 티올기를 포함하는 알콕시실란화합물
    을 포함하는 접착제.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 산화그래핀 50 ~ 99 중량% 및 상기 알콕시실란화합물 1 ~ 50 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 접착제.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 아민기, 에폭시기, 카르복실산기, 수산기 또는 티올기를 포함하는 알콕시실란화합물은 글리시딜 프로필 트리메톡시 실란, 아미노 프로필 트리에톡시 실란 또는 멜캅토 프로필 트리메톡시 실란인 것을 특징으로 하는 접착제.
  4. 제 1항에 내지 제 3항 중에서 선택된 어느 한 항의 접착제로 접합된 알루미늄과 폴리우레탄의 복합재.
  5. 제 4항의 복합재를 500 ~ 1000 와트의 마이크로 웨이브로 10초 ~ 30분 동안 조사하는 것을 포함하는 알루미늄과 폴리우레탄 복합재의 분리 방법.
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