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UV 경화 수지

Info-chem 2018. 5. 10. 15:50
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UV 경화형 수지

UV 경화형 수지에 대해서 알아보면 다음과 같다.

1. 경화형 수지란 무엇인가?

UV 경화란, 자외선을 이용하여 액체 상태의 페인트나 잉크를 딱딱하게 만든 것을 말하며, 다시 말해 경화(硬化)한다는 뜻이다.

U.V 경화형 수지 즉 감광성 고분자란 광에너지에 의해 물리적·화학적 변화를 가져오는 고분자 물질계나 광조사에 의해 고분자 물질로 되는 조성물계를 말하며, 비교적 단시간에 광에너지에 의해 단량체나 Prepolymer가 고분자로 되는 광중합이 있고 고분자가 가교반응으로 삼차원의 가교 고분자로 변하는 광가교가 있다. 또한 광활성 관능 기인 다아 조기, 디아조늄염 등이 광에 의해 광분해 되어 저분자로 분해되는 광분해형 고분자도 있다.

감광성 고분자의 용도를 보면 전기전자산업에 중요하게 사용되는 광 미세가공(Photolithography)과 인쇄회로기판 가공用 photoresists, 인쇄제판용 감광재료, 감광성 도료, 감광성 잉크, 표면 코팅용 자외선 경화 수지, 감광성 접착제, 인쇄 수지판 등 매우 다양하다. 표면 코팅용 자외선 경화 수지는 액상 단량체를 용제 없이 그대로 사용하므로 원료의 손실이 없으므로 공해문제가 해결되고 종래의 열경화에 비해 에너지가 1/20까지 절감되는 등 원가가 절감된다.

자외선 경화 조성물은 기본적으로 감광성 고분자(Prepolymer)와 희석제인 다관능성 모노머 및 광 개시지 등 3대 성분으로 구성되며, 일반적으로 감광성 Prepolymer 50∼60%, 다관능성 모노머 30∼40%, 광 개시지 1∼10%로 구성된다.

그 외 용도에 따라 광증 감제, 안료, 충진제, Levelling제, 중합 금지제, 용제 등을 첨가할 수 있다.

 

2. 광중합 성 단량체 (Monomer)
광중합 성 단량체는 자외선 경화 조성물의 희석제 역할을 하여 점도를 감소시키고 경화 후에는 경화물 구조의 일부가 되는데 상업적으로 가장 많이 이용되는 단량체는 아크릴계로서 이중 결합수 즉 관능도에 따라 단 관능성이 관능성 다관능성으로 분류된다. 단 관능성 모노머는 용매 능력(점도 하강) 및 점착성 유연성면에서는 유리하지만 경화시간이 느린 단점이 있고 다관능성 모노머는 경화 속도 및 도막 경도면에서는 유리하지만 용매 능력, 유연성, 저장성면에서 불리하다. 경화수지의 단량체에 요구되는 조건으로는 낮은 점도, 높은 반응성, 양호한 희석효과를 비롯하여 피부자극성 등의 독성, 휘발성, 냄새 등이 없어야 한다.

대표적인 단량체의 예는 다음과 같다.

3. 광중합

광중합 성 고분자는 자외선 경화 조성물의 골격을 이루는 주성분으로서 감광성 Oligomer라고도 불리며 경화되어 도료의 물성(경도 부착성 전기특성 유연성 내약품성 등)을 좌우한다.

3-1 불포화 폴리에스텔 수지계

불포화 디카르복실산, 포화 디카르복실산 등과 다가 알코올을 축 중합시켜 주쇄에 불포화기가 도입된 폴리에스텔 수지를 스티렌 또는 비닐 톨루엔 같은 비닐 모노머로 용해시킨 것으로 자외선 경화 시 3차원 망목 구조를 형성한다.

불포화 폴리에스텔 수지계 자외선 경화 조성물은 보통 경도가 높고 가격이 저렴하기 때문에 목공용 도료에 주로 사용된다.

3-2. 폴리에스터 아크릴레이트 수지계

Polyester 주쇄에 아크릴로 일기가 치환된 Type의 수지로서 필요에 따라 아크릴로 일기를 1∼6개까지 도입할 수 있으며 Polyester의 양 말단을 아크릴산과 산촉매 하에서 반응시켜 제조한다. Polyester-Acrylate 수지는 점도가 낮고 작업성이 좋으며 각종 Oligomer, Polymer와의 상용성이 좋기 때문에 반응성 희석제의 형태로 널리 사용된다. 또한 Polyurethane, PVC, Leather, Metal 등의 Coating제, Silk Screen Inks, Overprint Varnish 등으로도 사용된다.

3-3. 폴리우레탄

폴리우레탄은 일반적으로 Dihydroxy 화합물과 Diisocyanate 화합물로부터 제조되어 다음과 같은 구조를 갖는다.

여기서 R이나 R’의 구조가 변화함에 따라 고분자 사슬 전체의 가교도 나 유연성, 경도 등 다양한 물성을 나타낸다.

주로 사용되는 Dihydroxy 화합물로는 Polyester, Polyether, Glycol 등이 있고 Diisocyanate 화합물로는 Toluenediisocyanate(TDI), 1,4-Diphenylmethanediisocyanate(MDI), Isophorone diisocyanate(IPDI), Hexamethylene diisocyanate(HMDI) 등이 있다.

폴리우레탄 아크릴레이트 수지는 먼저 Dihydroxy 화합물과 Diisocyanate 화합물을 반응시켜 말단에 활성 isocyanate group을 남기고 이것을 hydroxy alkyl acrylate와 반응시켜 반응성 prepolymer를 얻는다.

이 수지계는 유연성, 내마모성이 뛰어나고 접착성 및 내약품성, 강인성이 우수하기 때문에 PVC Film, Polyester Film, Plastic Leather 등의 Coating제로 널리 사용되고 있다.

3-4. 에폭시 아크릴레이트 수지계

에폭시 아크릴레이트 수지는 에폭시 수지의 성질을 갖기 때문에 경도, 유연성, 접착력, 경화성 등이 좋고, 화학적 저항성이 강하며 내열성, 내구성이 좋기 때문에 집적회로의 보호도장 등이나 종이용 바니쉬에 널리 이용된다.

이 수지는 비스페놀 A형, 노블락 형, 지환족형으로 분류할 수 있는데 Bisphenol A형 Epoxy 수지에 Acrylic Acid를 반응시키는 Bisphenol A형이 가장 많이 사용된다.

4. 광 개시지 (Photo Initiator)

광 개시제는, UV수지(여기서는 자외선을 이용한 모든 paint, coating, ink, 도료, adhesive, 실란트 등을 일괄해서 부르기로 한다.)
소량 첨가되어, 자외선램프에서 나오는 UV를 받으면 중합(polymerization) 반응을 개시하게 하는 물질을 말한다.

수지의 종류에 따라 다르지만, 광 개시제는 0.1-5%가량 들어 있으면서 모노머, 올리고 머, 자유기가 광중합 하는 것을 개시시키는 역할을 한다.

모노머, 올리고 머 광중합 하는데 필요한 충분한 자외선을 받으면 고분자 물질(폴리머)로 바뀌게 되어 우리가 보기에는 액체 상태에서 고체로 되므로 마른 것처럼 보이고, 이를 UV 경화라고 한다.

불포화 Oligomer(Prepolymer)나 Monomer성분은 Ethenic Unsaturation을 통해 U.V Radiation을 흡수할 수 있기 때문에 광중합을 통하여 고분자량 화하나 중합 속도가 느리기 때문에 경제적으로나 기술적으로 적용이 불가능하다.

따라서 효과적으로 보다 빠르게 광중합 시킬 수 있도록 광분해성 라디칼 형성 화합물을 사용하게 되는데 이것이 Photo-initiator이다. 광 개시 지를 선정할 경우에는 다음 사항을 고려한다.

➊열에 대해 안정하고 광에 대해 민감할 것

➋라디칼 생성물이 연쇄이동 정지 제로 작용하지 않을 것

➌고가이기 때문에 소량(수%) 첨가로 충분한 효과를 발휘할 것

 

5. 광경화 반응

광경화 반응은 광의 세기, 두께, 광 개시지 농도 등에 영향을 받는데 광경화 조성물의 광 개시지 PI가 빛을 받으면 광 개시제가 되어 활성종 라디칼이 생성하여 광중합을 개시하게 되는데 그 경화 기구는 다음과 같다.

 

6. UV원리와 특징과 장단점

6-1. 자외선 경화 원리

자외선 경화형 수지에 미량 들어 있는 광 개시제가 UV를 받으면 광중합 반응이 개시되어 수지의 주성분인 단량체(모노 마)와 중간체(올리고 머)가 순 잔적으로 중합체(폴리머)를 이루어 경화된다.

수지의 주성분인 모노 마와 올리고 먼 분자량이 낮은 액체인데 비해, 경화된 폴리머는 분자량이 높아 고체 상태이므로 일반인의 눈에는 액체가 순간적으로 경화되어 고체(중합체)가 된 것으로 보인다.

6-2. 자외선 경화의 특징

①1~10 이내의 매우 짧은 시간에 정말 경화된다.

②표면 경도가 높아 스크래치에 강하다.

③표면 광택이 좋다.

④1액형으로 사용 가능하기 때문에 가사 시간이 길고 취급이 간편하다.

⑤내열 온도가 낮은 소재에 적합하다.(ex) 필름, 비닐, 플라스틱 합성지, 종이

6-3.UV 경화의 장점

①저온에서 경화가 가능하다.

UV 경화 도료는 자외선 조사에 의해 경화되기 때문에 열을 직접 가하지 않는다. 따라서 열가소성 플라스틱, 목재, 종이 등의 가열이 불가능한 소재에도 열경화형 도료와 동등 이상의 고품질의 도장 혹은 인쇄할 수 있다.

②경화 속도가 빠르다.

UV 경화 도료의 경화시간은 매우 짧은 시간에 경화되기 때문에, 대형 가열 건조로에서 고온, 장시간을 가열 건조할 필요가 없다.

③도료의 성능 및 경화 특성이 우수하다.

경도가 높은 도료, 가소성이 풍부한 도료 등 용도에 따라 최적 성능을 지니며, 단위 시간에 경화 가능한 도료의 설계가 가능하다.

④고형분 도료이다.

원칙적으로 고형분이 100%인 도료이기 때문에 용제 휘발에 의한 환경오염이 거의 없으며, 후막 도장이 가능하다.

6-4.UV 경화의 단점

①도료 가격이 기존 도료에 비해 아직 고가이다.

②자외선 조사 설비 등이 구비되어야 한다.

③두께 차이에 따른 경화 속도 차이가 많이 난다.

④UV램프에서 열이 많이 발생하고, 이 열로 인해 제품의 열 변형이 가장 큰 문제이며, 열 변형 방지가 어렵고, 비용이 많이 발생한다.

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