KR20020071229A - 정형외과 주형주물용 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정형외과 주형주물용 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정형외과 주형물의 제작에 석고 등의 고전적인 재료를 사용함에 따른 제작시간과 비용, 사용자의 편의성 등을 제고한 섬유와 고분자로 구성된 복합재료 중 고분자 성분인 수경화성 폴리우레탄(polyurethane) 수지 조성물에 관한 것이다.

Description

정형외과 주형주물용 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물{The composition of water curable polyurethane for orthopedic castings}

본 발명은 정형외과 주형주물용 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정형외과 주형물의 제작에 석고 등의 고전적인 재료를 사용함에 따른 제작시간과 비용, 사용자의 편의성 등을 제고한 섬유와 고분자로 구성된 복합재료 중 고분자 성분인 수경화성 폴리우레탄(polyurethane) 수지 조성물에 관한 것이다.

정형외과 소케트, 깁스 등의 주형주물 제작에 아직까지도 석고 등의 고전적인 재료가 범용적으로 쓰이고 있다. 이러한 기존의 재료들은 환부의 고정능력은 뛰어나나 여러 가지 단점들이 많아 보완이 요구되고 있다. 구체적으로 예를 들면, 첫 번째로 무게가 많이 나가기 때문에 착용시에 활동성이 떨어져 기본적인 생활을 하기에도 불편한 점이 많고, 두 번째로는 통기성이 좋지 않아서 착용자의 피부에 가려움증을 유발하는 원인이 되기도 하며, 세 번째로는 작은 충격으로도 깨어질 우려가 있기 때문에 착용시에 세심한 주의가 요망된다는 것이다. 무엇보다도 환자들마다 각자의 환부에 맞는 형을 뜬 후 이를 이용하여 소케트를 제작하고 있으나 취형의 제작에 시간적, 경제적인 부담이 크다는 것이 문제시 되어왔다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 점을 감안하여 정형외과 주형물의 제작에 석고 등의 고전적 재료를 사용함에 따른 제작시간과 비용, 사용자의 편의성 등을 제고한 섬유와 고분자로 구성된 복합재료 중 고분자 성분인 폴리우레탄이 원료물질의 적절한 선택과 구조제어를 통해 높은 강도를 가질 수 있도록 설계할 수 있고, 물과의 반응이 쉽다는 점을 이용하여 폴리우레탄 수지를 높은 기계적 강도, 작업성, 저장 안정성 등을 갖도록 히드록시기를 갖는 화합물의 종류, 함량, 분자량, 이소시아네이트기를 갖는 화합물의 종류와 함량, 경화제의 종류 및 양 등을 적절히 조절함으로써 정형외과 주형주물용 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물을 개발하였다.

따라서, 본 발명은 정형외과 주형주물용 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 말단에 히드록시기를 갖는 화합물과 과량의 말단에 이소시아네이트기를 가지는 화합물을 반응시켜 말단에 잔류 이소시아네이트기의 함량이 5 ∼ 30중량%인 폴리우레탄 화합물을 주성분으로 하며, 폴리우레탄 화합물을 100 중량부에대하여 촉매가 1 ∼ 20 중량부, 반응지연제 1 ∼ 20 중량부, 경화제 1 ∼20 중량부, 가소제 1 ∼ 20 중량부, 유변물성 조절제 1 ∼ 20 중량부 및 저장안정제 1 ∼ 20 중량부를 포함하는 폴리우레탄 수지 조성물을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 정형외과 주형물의 제작에 석고 등의 고전적인 재료를 사용함에 따른 제작시간과 비용, 사용자의 편의성 등을 제고한 섬유와 고분자로 구성된 복합재료 중 고분자 성분인 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물에 관한 것으로, 말단에 히드록시기를 갖는 화합물, 말단에 이소시아네이트기를 갖는 화합물, 촉매, 반응지연제, 경화제, 가소제, 유변물성 조절제 및 보관안정제를 포함하는 폴리우레탄 수지 조성물에 관한 것이다.

히드록시기를 갖는 화합물은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세롤, 펜타에리트리톨 등과 같이 말단에 1 ∼ 4개의 히드록시기를 갖는 저분자 물질과 폴리에스터, 폴리에테르 혹은 이들의 블록공중합체 구조를 가지면서 말단에 1 ∼ 4개의 히드록시기를 갖는 것들 중 분자량 50 ∼ 4000 범위의 것들이다. 바람직하게는, 히드록시기의 수가 3개 이상인 글리세롤, 펜타에리트리톨 등의 저분자 물질과 양 말단에 히드록시기를 갖는 분자량 100 ∼ 1000 범위의 폴리에스터 혹은 폴리에테르 화합물을 적절히 배합하여 사용하는 것이 좋다. 이들 물질은 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있으며, 친수성이 크면 물의 확산이 빨라 경화속도는 증가하나, 저장 안정성이 감소하는 단점이 있다. 또한, 친수성이 크면 표면의 점착성은 감소하나 기계적 강도가 감소한다. 히드록시기의 수가 많고 분자량이 작은히드록시 화합물을 사용하면 가교도가 증가하여 수경화된 수지의 강도가 증가하나, 말단에 이소시아네이트기를 갖는 폴리우레탄 수지의 점도가 증가하여 탄소섬유에 함침하기 어려운 단점이 있다.

이소시아네이트기를 갖는 화합물은 4,4-디페닐메탄디이소시아네이트, 2,4-톨리렌디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌디이소시아네이트, 파라페닐렌디이소시아네이트 등과 같은 방향족 이소시아네이트 화합물, 이소포론디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 4,4-디시클로헥사메틸렌디이소시아네이트 등과 같은 지방족 이소시아네이트 화합물들로 분자당 이소시아네이트기가 2 ∼ 4개 범위의 것들이다. 방향족 이소시아네이트 화합물은 물과의 반응성은 높으나 저장 안정성이 떨어지는 단점이 있고, 지방족 이소시아네이트 화합물은 저장 안정성은 높으나, 물과 반응하여 경화하는데 걸리는 시간이 너무 긴 단점이 있다. 이밖에 카르보디이미드 변성 4,4-디페닐메탄디이소시아네이트 등과 같이 물과의 반응성을 감소시켜 저장 안정성을 증대시킨 변성 방향족 이소시아네이트 화합물도 사용할 수 있다. 이소포론디이소시아네이트, 톨리렌디이소시아네이트 등과 같이 분자 내 두 이소시아네이트기의 반응성이 달라 두 번째 이소시아네이트기의 반응성이 상대적으로 작은 이소시아네이트 화합물을 사용하면, 합성된 말단에 이소시아네이트기를 갖는 폴리우레탄 화합물의 분자량 분포가 좁고 저장 안정성이 증가하는 장점이 있다.

말단에 히드록시기를 가지는 화합물과 말단에 이소시아네이트기를 갖는 화합물의 공급비는 두 물질을 반응시켜 얻어지는 폴리우레탄의 말단 잔류 이소시아네이트기의 함량이 5 ∼ 30 중량%가 되도록 조절한다. 잔류 이소시아네이트기가 많은 경우는 저장안정성은 증가하나 물과의 반응 시 이산화탄소가 지나치게 많이 발생되어 최종물성의 저하가 있을 수 있으며, 잔류 이소시아네이트기가 지나치게 적은 경우는 저장안정성이 떨어질 뿐만 아니라 가교도가 줄어들어 수경화된 수지의 기계적 강도가 감소하는 문제점이 있다.

경화반응을 촉진시키는 촉매로는 일반적으로 폴리우레탄 합성에 촉매로 사용되는 유기 금속 화합물인 디부틸틴디라우레이트, 지르코늄 복합체, 징크옥토에이트, 아이언(Ⅲ)아세틸아세토네이트 등이 있고 혹은 아민 화합물인 디메틸에탄올아민, 디아자바이시클로옥탄, 디메틸시클로헥실아민, 디모폴리노디에틸에테르, 이밖에 탄산칼륨, 탄산나트륨과 같은 탄산 화합물 등을 단독 혹은 함께 사용할 수 있다. 이의 함량은 1 ∼ 20 중량부가 바람직하며, 사용량이 많은 경우는 경화반응시간은 감소하나 저장 안정성이 감소하는 문제가 있고 사용량이 적은 경우는 반대의 문제가 있다.

반응지연제로는 메탄술폰산과 같은 산성 물질 혹은 물과 반응하여 산을 생성할 수 있는 파라-톨루엔술포닐클로라이드, 벤조일클로라이드, 혹은 아세틱안하이드라이드와 같은 산무수물 등을 단독 혹은 혼합하여 1 ∼ 20 중량부의 범위에서 사용할 수 있다. 이들 반응지연제의 함량이 너무 많거나 적으면 수경화 반응이 너무 늦게 혹은 빨리 진행되어 주형물 제작을 위한 적절한 작업시간을 가질 수 없는 단점이 있다.

경화제는 물과 반응하여 아민, 히드록시기 등 이소시아네이트기와 반응할 수있는 반응기를 생성할 수 있으며 물과 이소시아네이트와의 반응으로 CO₂의 발생을 최소로 할 수 있는 물질로 엔아민, 케티민, 옥사졸리딘계 화합물들을 단독 혹은 혼합하여 사용한다. 엔아민 혹은 케티민계 화합물은 옥사졸리딘계 화합물에 비해 반응성은 크나, 저장 중 서서히 이소시아네이트와 반응하는 문제점이 있으며, 반응성, 저장성 등을 고려하여 1 ∼ 20 중량부 범위에서 적절히 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.

가소제는 합성된 이소시아네이트기를 말단에 갖는 폴리우레탄 화합물을 탄소섬유에 함침시킬 때 점도를 감소시켜 작업성을 향상시키기 위해 사용하며, 디옥틸프탈레이트, 디프로필렌글리콜벤조에이트, 트리토릴포스페이트, 셀룰로오스아세테이트, 셀룰로오스아세테이트부티레이트 등 일반적으로 사용되는 가소제류 혹은 디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드, 에틸아세테이트 등과 같이 수용성을 갖는 용매 등을 단독 혹은 혼합하여 사용한다. 이의 함량은 1 ∼ 20 중량부이며, 사용량이 많은 경우, 원래 가지고 있던 수지의 특성이 감소하는 현상이 나타나며, 사용량이 적은 경우에는 수지의 점도가 지나치게 높아지게 되어 탄소섬유에 고루 함침이 되지 못하고 표면에서 가교가 일어나 물성의 저하를 초래한다.

유변물성 조절제로는 실리카와 같이 표면적이 큰 무기물 미세 입자들을 사용하며, 이들은 유리섬유나 탄소섬유에 함침시킨 말단에 이소시아네이트기를 갖는 폴리우레탄 수지가 저장 중 섬유로부터 흘러내리지 않게 한다. 이의 함량은 1 ∼ 20 중량부이나, 바람직하게는 1 ∼ 10 중량부 정도가 적당하다.

보관안정제는 저장 중 미량의 수분에 의한 경화 반응을 최소화하기 위한 물질로 분자체와 같은 수분을 흡착할 수 있는 무기 물질과 트리에틸 오르소포메이트와 같이 미량의 물과 쉽게 반응하는 물질 등을 단독 혹은 혼합하여 사용한다. 이의 함량은 1 ∼ 20 중량부가 바람직하며, 이를 과다하게 사용하면 물과의 접촉 후에도 경화가 지연되어 형태를 갖추는데 많은 시간이 걸리는 단점이 있고, 너무 소량 사용하게 되면 보관안정제로서의 역할을 할 수 없게 된다.

이하, 본 발명은 다음 실시예에 의거하여 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

4,4-디페닐메탄디이소시아네이트, 분자량 600인 폴리프로필렌글리콜과 분자량 600인 폴리에틸렌글리콜의 1 : 1 혼합물, 그리고 글리세롤을 이소시아네이트기와 히드록실기의 당량비가 3/1이 되도록 혼합하고, 촉매로 디부틸틴디라우레이트 1 중량%와 반응지연제로 벤조일클로라이드 5 중량% 및 유변물성 조절제로 실리카를 3 중량%로 이루어진 혼합물을 넣고 약 1시간 가량 반응시켜 수경화성 폴리우레탄 수지를 합성하였다.

합성이 완료된 수경화성 폴리우레탄 수지에 경화제로 엔아민과 가소제로 디옥틸프탈레이트를 각각 10 중량%를 에틸아세테이트 10 중량%에 녹여서 투입한 후 약 1시간 가량 혼합한다. 이렇게 제조된 폴리우레탄 수지의 점도와 저장 안정성, 그리고 탄소섬유에 수지를 골고루 함침한 후 물에 약 5초 가량 담궈 경화 및 고착시키고, 기계적 강도를 측정한 결과는 다음 표 1과 같다. 저장 안정성은 60 ℃로 저장하면서 유리막대로 찔러 보았을 때 들어가지 않는 날까지를 측정하였다.

상기 표 1의 결과로 볼 때 히드록실 반응기의 수가 3인 글리세롤 함량이 증가할수록 점도는 물의 약 4000배 이상까지 크게 증가하고 있음을 알 수 있고, 굴곡강도 및 굴곡모듈러스는 폴리프로필렌글리콜과 폴리에틸렌글리콜의 1 : 1 혼합물과 글리세롤의 당량비가 0.7/0.3에서 가장 높은 것으로 나타났다. 이는 높은 점도는 수지의 함침이 고르게 일어나지 않아 오히려 강도를 저하시키기 때문이다. 또한, 저장안정성도 글리세롤의 몰비가 증가할수록 크게 감소한다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 정형외과 주형물의 제작에 석고 등의 고전적인 재료를 사용함에 따른 제작시간과 비용, 사용자의 편의성 등을 제고한 섬유와 고분자로 구성된 복합재료 중 고분자 성분인 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물에 관한 것으로서, 폴리우레탄 수지 조성물을 이용한 정형외과 주형물은 무엇보다도 가볍고, 강도가 높을 뿐만 아니라 취형의 제작이 간편하고, 신속하게 행해질 수 있기 때문에 많은 활용이 있을 것으로 예상된다.

Claims (10)

1. 말단에 히드록시기를 갖는 화합물과 말단에 이소시아네이트기를 가지는 화합물을 반응시켜 말단에 잔류 이소시아네이트기의 함량이 5 ∼ 30중량%인 폴리우레탄 화합물.
2. 청구항 1의 폴리우레탄 화합물 100 중량부에 대하여 촉매 1 ∼ 20 중량부, 반응지연제 1 ∼ 20 중량부, 경화제 1 ∼20 중량부, 가소제 1 ∼ 20 중량부, 유변물성 조절제 1 ∼ 20 중량부 및 보관안정제 1 ∼ 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 히드록시기를 갖는 화합물은 말단에 1 ∼ 4개의 히드록시기를 갖는 저분자 물질과 폴리에스터, 폴리에테르 혹은 이들의 블록공중합체 구조를 가지면서 말단에 1 ∼ 4개의 히드록시기를 갖고 분자량 50 ∼ 4000 범위를 가지며, 상기 이소시아네이트기를 갖는 화합물은 평균 이소시아네이트 관능기의 수가 2 ∼ 4의 범위를 가지는 방향족과 지방족 또는 변성 이소시아네이트인 것을 특징으로 하는 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 촉매는 유기 금속 화합물, 아민 화합물 및 탄산 화합물 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 반응지연제는 메탄술폰산, 파라-톨루엔술포닐클로라이드, 벤조일클로라이드 및 아세틱안하이드라이드 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 경화제는 엔아민, 케티민 및 옥사졸리딘계 화합물 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 가소제는 디옥틸프탈레이트, 디프로필렌글리콜벤조에이트, 트리토릴포스페이트, 셀룰로오스아세테이트, 셀룰로오스아세테이트부티레이트, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드 및 에틸아세테이트 중에서 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물.
8. 제 2 항에 있어서, 상기 유변물성 조절제는 실리카인 것을 특징으로 하는 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물.
9. 제 2 항에 있어서, 상기 보관안정제는 수분을 흡착할 수 있는 무기 물질, 미량의 물과 쉽게 반응하는 물질 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물.
10. 제 2 항에 있어서, 상기 폴리우레탄을 정형외과 주형주물 제작에 사용하는 것을 특징으로 하는 수경화성 폴리우레탄 수지 조성물.