KR20210062340A - 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 폴리우레탄 폼 - Google Patents

폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 폴리우레탄 폼 Download PDF

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KR20210062340A
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meth
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최홍준
양인석
윤경준
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Abstract

본 발명은 배터리 팩을 생산하는 자동화 공정에 적합한 수준의 점착성을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 표면을 갖고 있으며, 가혹환경에서 내구성, 신뢰성이 뛰어난 효과를 갖는 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 폴리우레탄 폼을 제공하기 위한 것으로, (메트)아크릴레이트계 모노머, 우레탄아크릴레이트, 광개시제 및 무기 미립자를 포함하며, 상기 광개시제는 3 내지 5 중량%, 상기 무기 미립자는 5 내지 15 중량%로 포함되는 혼합물의 중합체인, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물과 이를 이용한 폴리우레탄 폼이 제공된다.

Description

폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 폴리우레탄 폼{COATING AGENT COMPOSITION FOR POLYURETHANE FOAM AND POLYURETHANE FOAM USING THE SAME}
본 발명은 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 폴리우레탄 폼에 관한 것이다.
폴리우레탄 폼은 비교적 저렴하고 성형이 용이하고 높은 탄성을 가지고 있으며, 배터리팩 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 폴리우레탄 폼은 공극구조로 인하여 점착성을 가지고 있고, 이로 인해 폴리우레탄 폼을 적층하는 공정에서 폼을 적층하거나 흡착할 수 없는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 폴리우레탄 폼의 점착성을 저하시키기 위한 표면 처리를 수행하고 있으나, 배터리팩 자동화 공정에 적용하기 적합한 수준으로 점착성이 저하되지 않거나, 폼의 표면이 균일하지 못하고, 장기 보관 시 변형이 일어나는 등의 문제가 있었다.
이에 따라, 배터리 팩을 생산하는 자동화 공정에 적합한 수준의 점착성을 가짐과 동시에, 가혹환경에서의 내구성, 신뢰성이 뛰어난 폴리우레탄 폼에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배터리 팩을 생산하는 자동화 공정에 적합한 수준의 점착성을 가짐과 동시에, 가혹환경에서의 내구성, 신뢰성이 뛰어난 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 폴리우레탄 폼을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따라 (메트)아크릴레이트계 모노머, 우레탄아크릴레이트, 광개시제 및 무기 미립자를 포함하며, 상기 광개시제는 3 중량% 내지 5 중량%, 상기 무기 미립자는 5 중량% 내지 15 중량%로 포함되는 혼합물의 중합체인 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물이 제공된다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 일 측면에 따라 폴리우레탄 폼 층; 및 상기 폴리우레탄 폼 층의 일면에 전술한 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물로 코팅된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층의 표면의 마찰력은 0.4N 이하인 폴리우레탄 폼이 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따른 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 폴리우레탄 폼은 배터리 팩을 생산하는 자동화 공정에 적합한 수준의 점착성을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 표면을 갖고 있으며, 가혹환경에서 내구성, 신뢰성이 뛰어난 효과를 제공할 수 있다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시양태에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 및 변형예가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, "(메트)아크릴레이트"는 아크릴레이트 및 메타크릴레이트를 통칭하는 의미로 사용된다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 화합물의 “중량평균분자량” 및 “수평균분자량”은 그 화합물의 분자량과 분자량 분포를 이용하여 계산될 수 있다. 구체적으로, 1 ml의 유리병에 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)와 화합물을 넣어 화합물의 농도가 1 wt%인 샘플 시료를 준비하고, 표준 시료(폴리스티렌, polystryere)와 샘플 시료를 필터(포어 크기가 0.45㎛)를 통해 여과시킨 후, GPC 인젝터(injector)에 주입하여, 샘플 시료의 용리(elution) 시간을 표준 시료의 캘리브레이션(calibration) 곡선과 비교하여 화합물의 분자량 및 분자량 분포를 얻을 수 있다. 이 때, 측정 기기로 Infinity II 1260(Agilient 社)를 이용할 수 있고, 유속은 1.00 mL/min, 컬럼 온도는 40.0 ℃로 설정할 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 화합물의 점도는 25 ℃의 온도에서 브룩필드 점도계로 측정한 값일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, (메트)아크릴레이트계 모노머, 우레탄아크릴레이트, 광개시제 및 무기 미립자를 포함하며, 상기 광개시제는 3 중량% 내지 5 중량%, 상기 무기 미립자는 5 중량% 내지 15 중량%로 포함되는 혼합물의 중합체인, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물이 제공된다. 본 발명의 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물은 광개시제와 무기 미립자를 적정 범위로 포함함으로써, 가혹환경에서의 내구성, 신뢰성이 우수한 효과를 갖고 있다.
상기 (메트)아크릴레이트계 모노머는 자외선 조사에 의해 서로 가교 중합되어 가교 공중합체를 형성하며, 조성물의 접착력을 높일 수 있다. 상기 (메트)아크릴레이트 모노머는 탄소수 1 내지 20의 알킬기를 갖는 (메트)아크릴레이트일 수 있다. 구체적으로, 상기 (메트)아크릴레이트 모노머는 메틸(메트)아크릴레이트, 에틸(메트)아크릴레이트, n-프로필(메트)아크릴레이트, 이소프로필(메트)아크릴레이트, n-부틸(메트)아크릴레이트, t-부틸(메트)아크릴레이트, sec-부틸(메트)아크릴레이트, 펜틸(메트)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메트)아크릴레이트, 2-에틸부틸(메트)아크릴레이트, n-옥틸(메트)아크릴레이트, 이소옥틸(메트)아크릴레이트, 2-히드록시에틸(메트)아크릴레이트, 2-히드록시프로필(메트)아크릴레이트, 이소보닐(메트)아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 (메트)아크릴레이트 모노머는 2-히드록시에틸아크릴레이트, 2-히드록시프로필아크릴레이트, 2-히드록시프로필메타크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 것이 바람직하다.
상기 우레탄 아크릴레이트는 우레탄 중합체의 말단에 아크릴레이트기를 부여하여 UV 경화될 수 있게 한 것으로서, 우레탄 결합과 아크릴레이트기를 갖는 화합물의 총칭이다. 아크릴레이트기 말단기의 개수에 따라, 상기 우레탄 아크릴레이트 는 1관능 우레탄 아크릴레이트, 2관능 우레탄 아크릴레이트, 3관능 우레탄 아크릴레이트, 6관능 우레탄 아크릴레이트 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 우레탄 아크릴레이트 중합체는 다관능 우레탄 아크릴레이트일 수 있다.
상기 우레탄 아크릴레이트는 이소시아네이트계 모노머와 폴리올이 중합반응하여 형성된 우레탄 결합을 포함한다. 예를 들어, 상기 우레탄 아크릴레이트는 이소시아네이트계 화합물이 (메타)아크릴산히드록시 알킬에스테르계 화합물과 반응하여 형성된 우레탄 결합을 포함하고, 중량평균분자량 500 g/mol 내지 50,000 g/mol의 중합체일 수 있다.
상기 (메트)아크릴레이트계 모노머와 상기 우레탄아크릴레이트의 중량비는 1:0.8 내지 1:1.5인 것일 수 있다. 상기 (메트)아크릴레이트계 모노머와 상기 우레탄아크릴레이트의 중량비를 상술한 범위 내에서 조절함으로써, 상기 폴리우레탄 폼의 코팅에 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물의 점도는 200 cPs 내지 400 cPs 인 것일 수 있다. 상기 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물의 점도를 상술한 범위 내에서 조절함으로써, 작업성을 향상시킬 수 있다.
상기 이소시아네이트계 화합물의 구체적인 예로는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 (Hexamethylene diisocyanate, HMDI), 이소포론 디이소시아네이트 (Isophorone diisocyanate, IPDI)와 같은 지방족 이소시아네이트계 화합물 또는 톨루엔 디이소시아네이트 (Toluene diisocyanate, TDI), 메틸렌 다이페닐 디이소시아네이트 (methylene diphenyl diisocyanate, MDI)와 같은 방향족 이소시아네이트계 화합물 등을 들 수 있고, 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 (메타)아크릴산히드록시알킬에스테르계 화합물의 구체적인 예로는 2-히드록시에틸 (메타)아크릴레이트, 2-히드록시프로필 (메타)아크릴레이트, 4-히드록시부틸 (메타)아크릴레이트, 6-히드록시헥실 (메타)아크릴레이트, 8-히드록시옥틸 (메타)아크릴레이트, 2-히드록시에틸렌글리콜 (메타)아크릴레이트 또는 2-히드록시프로필렌글리콜 (메타)아크릴레이트 등일 수 있고, 이들의 조합이 사용될 수 있다.
상기의 광개시제는 우레탄 폼 층 형성과정에서 자외선 등의 조사에 의해 반응하여 상기 조성물의 경화 반응을 개시시킬 수 있다. 상기 광개시제는 벤조인계 개시제, 히드록시 케톤계 개시제, 아미노 케톤계 개시제, 카프로락탐계 개시제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 광개시제의 예로는 벤조인메틸에테르, 2,4,6-트리메틸벤조일 디페닐포스핀옥사이드, 비스(2,4,6-트리메틸벤조일) 페닐포스핀옥사이드, α,α-메톡시-α-하이드록시아세토페논, 2-벤조일-2-(디메틸아미노)-1-[4-(4-몰포닐) 페닐]-1-부타논 및 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있다.
상기 광개시제는 상기 조성물 총량에 대하여 3 중량% 내지 5 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 광개시제가 3 중량% 미만이 첨가되는 경우에는 가교가 충분히 이루어지지 않을 뿐 아니라 응집력의 개선효과가 얻어지지 않을 수 있고, 5 중량%가 초과되어 첨가되는 경우에는 장기 보관시 황변이 발생하는 등 내구성 및 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 코팅제 조성물은 무기 미립자를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기 미립자로 입경이 나노 스케일인 무기 미립자, 예를 들어 입경이 약 100 nm 이하, 또는 약 10 nm 내지 약 100nm, 또는 약 10 nm 내지 약 50nm의 나노 미립자를 사용할 수 있다. 또한 상기 무기 미립자로는 예를 들어 실리카 나노 미립자, 알루미늄 옥사이드 미립자, 티타늄 옥사이드 미립자, 또는 징크 옥사이드 미립자 등 중 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 무기 미립자는 상기 조성물 총량에 대하여 5 중량% 내지 15 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 광개시제가 5 중량% 미만이 첨가되는 경우에는 폴리우레탄 폼의 점착성이 저하되지 않고, 15 중량%가 초과되어 첨가되는 경우에는 코팅층의 표면이 균일하지 못하며, 자동화 공정에 적합한 물성을 달성할 수 없다.
본 발명에 따른 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제로는 일례로, 난연제, 조색제, 활제, 산화방지제, 광안정제, 이형제, 대전방지제, 가교제, 항균제, 가공조제, 금속불활성화제, 내마찰제, 내마모제 및 커플링제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이들에 제한되는 것은 아니며, 용도에 따라 상기 첨가제들이 필요에 따라 또는 제조업자의 사용설명에 따라 사용될 수 있음은 당업자에게는 이해될 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 폴리우레탄 폼 층; 및 상기 폴리우레탄 폼 층의 일면에 전술한 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물로 코팅된 코팅층을 포함하는 폴리우레탄 폼을 제공한다. 상기 폴리우레탄 폼은 상기 조성을 가짐으로써, 표면의 마찰력은 0.4 N 이하일 수 있다. 구체적으로 상기 표면의 마찰력은 0 N 초과 0.4 N 이하, 0.05 N 이상 0.35 N이하, 0.10 N 이상 0.30 N이하일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 표면 마찰력을 상술한 범위 내에서 조절함으로써, 자동화 공정의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 폴리우레탄 폼의 두께는 0.05 mm 내지 30 mm 일 수 있다. 구체적으로 상기 폴리우레탄 폼의 두께는 0.10 mm 내지 25 mm, 0.50 mm 내지 20 mm, 1.00 mm 내지 15 mm, 일 수 있다. 상술한 범위 내에서 상기 폴리우레탄 폼의 두께를 조절함으로써, 표면의 마찰력을 조절할 수 있다,
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예 1 내지 6 및 비교에 1 내지 5
하기 표 1의 성분과 함량으로 혼합하여 조성물을 제조하였다. 상기 조성물을 0.30 g/cm3의 밀도와 2.0 mm의 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼의 일면에 도포한 후, 다음에, 블랙 라이트/메탈 할라이드 형광 램프를 이용하여 280 ~ 350 nm의 파장의 자외선을 조사하여 광경화를 수행하고, 이어서 130℃의 온도에서 30 분 동안 열경화를 수행하여 코팅층을 형성하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 사용한 원료물질은 다음과 같다.
* (메트)아크릴레이트계 모노머: 2-히드록시에틸아크릴레이트, 2-히드록시프로필아크릴레이트, 2-히드록시에틸메타크릴레이트 및 이소보닐아크릴레이트의 혼합물
* 우레탄아크릴레이트: 폴리우레탄디아크릴레이트
* 광개시제: 벤조페논
* 무기 미립자: 실리카 겔
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 시편의 물성을 하기의 방법으로 측정하여 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
* 마찰력(N): 지정된 크기의 나무판 또는 플라스틱(Plastic) 판에 폼(Foam) 면이 위가 되도록 폴리우레탄 폼(PU Foam)을 부착시킨다. 마찰력 측정용도로 제작된 지그(IMADA 社, DS2 50n) 위에 폴리우레탄 폼 면이 위로 오도록 시편을 부착시키고. 지그의 레버를 천천히 돌리면서 마찰력을 측정하였다(지그 조작속도: 10mm/sec, 1cycle/sec). 지그를 움직이면서 측정된 마찰력의 최대값을 기록하였다.
* 코팅작업성: 코팅 후 표면처리층의 두께를 현미경을 이용하여 측정하였으며, 상기 두께가 1 내지 2㎛로 균일한 경우 O로 평가하였으며, 상기 기준을 만족하지 못하는 경우 X로 평가하였다.
* 자동화공정 작업성: 폴리우레탄 폼 시편을 30장 적층 후 자동 흡착기를 이용하여 들어올렸으며, 상기 폴리우레탄 폼 시편을 한장씩 들어올려지는 경우 O로 평가하였으며, 상기 기준을 만족하지 못하는 경우 X로 평가하였다.
실시예 비교예
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5
( 메트 ) 아크릴레이트 모노머
( 중량% ) 		43.5 45 44 42 41 40 47 46 37 43 40
우레탄아크릴레이트
( 중량% ) 		43.5 45 44 43 42 40 48 46 38 44 41
광개시제
( 중량% ) 		3 5 5 5 5 5 5 5 5 1 7
무기 미립자
( 중량% ) 		10 5 7 10 12 15 0 3 20 12 12
실시예 비교예
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5
마찰력(N) 0.19 0.32 0.25 0.17 0.16 0.13 0.60 0.37 0.05~0.5 0.40 0.14
코팅 작업성 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × ○ ○
자동화공정
작업성 		○ ○ ○ ○ ○ ○ × × × × ○
상기 표 2를 참고하면, 상기 비교예 1 및 2는 무기 미립자의 함량을 만족하지 못하여 자동화공정 작업성을 만족하지 못하는 것을 확인하였다. 나아가, 무기 미립자의 함량이 과소한 비교예 3은 코팅 작업성과 자동화공정 작업성을 모두 만족하지 못하는 것을 확인하였다. 나아가, 광개시제의 함량이 과소한 비교예 4는 자동화공정 작업성을 만족하지 못하는 것을 확인하였다. 다만, 광개시제의 함량이 과다한 비교예 5는 상기 평가조건을 만족하였으나. 장기 보관하는 경우 코팅층의 황변현상이 발생하는 문제를 확인하였다. 이에 비하여, 본 발명의 실시예 1 내지 6은 마찰력, 코팅작업성 및 자동화공정 작업성을 모두 만족하는 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (10)

  1. (메트)아크릴레이트계 모노머, 우레탄아크릴레이트, 광개시제 및 무기 미립자를 포함하며,
    상기 광개시제는 3 중량% 내지 5 중량%, 상기 무기 미립자는 5 중량% 내지 15 중량%로 포함되는 혼합물의 중합체인, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무기 미립자는 입경이 100 nm 이하인, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무기 미립자는 실리카 나노 미립자, 알루미늄 옥사이드 미립자, 티타늄 옥사이드 미립자 및 징크 옥사이드 미립자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광개시제는 벤조인계 개시제, 히드록시 케톤계 개시제, 아미노 케톤계 개시제, 카프로락탐계 개시제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (메트)아크릴레이트계 모노머와 상기 우레탄아크릴레이트의 중량비는 1:0.8 내지 1:1.5인, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (메트)아크릴레이트계 모노머는 2-히드록시에틸(메트)아크릴레이트, 2-히드록시프로필(메트)아크릴레이트, 이소보닐(메트)아크릴레이트 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 우레탄 아크릴레이트는 중량평균분자량은 500 g/mol 내지 50,000 g/mol인 다관능성 우레탄 아크릴레이트인, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물의 점도는 200 cPs 내지 400 cPs 인, 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물.
  9. 폴리우레탄 폼 층; 및
    상기 폴리우레탄 폼 층의 일면에 상기 청구항 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 폴리우레탄 폼용 코팅제 조성물로 코팅된 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층의 표면의 마찰력은 0.4N 이하인, 폴리우레탄 폼.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 폴리우레탄 폼의 두께는 0.05 mm 내지 30 mm 인, 폴리우레탄 폼.
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