폴리우레탄 경화제의 세계로 안내합니다

폴리우레탄 경화제는 일반적으로 이중 성분 폴리우레탄 제품에서 이소시아네이트기(NCO)를 포함하는 성분을 의미하며, 주로 활성 수소를 포함하는 성분과 함께 사용된다. 흔히 활성 수소를 포함하는 성분으로는 폴리에테르 폴리올, 폴리에스터 폴리올, 에폭시 수지, 하이드록시 아크릴릭 수지 등이 있다. 이러한 제품들에서 경화제를 첨가하면 제품의 가교 결합 정도와 내부 에너리를 향상시킬 뿐 아니라 최종 제품의 강도 및 내후성을 개선할 수 있다. 폴리우레탄 경화제는 접착제, 코팅제, 잉크 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.

폴리우레탄 경화제의 분류

폴리우레탄 경화제의 경우 용제형, 수분산형, 클로즈드형의 세 가지 유형으로 분류할 수 있다.

용제형 경화제

대부분의 기존 제품의 경우 용제형 경화제가 일반적으로 사용되며, 이를 통해 제품에 우수한 강도, 내후성, 기계적 특성 등을 부여할 수 있다.

용제형 경화제의 일반적인 물질 조성

일반적으로 사용되는 폴리이소시아네이트의 구조식

수분산형 경화제

환경 보호에 대한 인식이 높아짐에 따라 수성 폴리우레탄 소재가 점차 주목받고 있다. 이중 성분 수계 폴리우레탄 제품에서 이소시아네이트 성분은 중요한 역할을 한다. 현재 일반적인 방법은 이소시아네이트의 친수성 개질을 통해 물에 분산되도록 만드는 것이다. 주요 개질 방법으로는 비이온성 개질, 음이온성 개질 및 음이온-비이온 혼합 개질이 있다.

비이온성 개질

비이온성 개질은 주로 폴리에틸렌글리콜 모노메틸에테르(MPEG), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 등을 이용하여 폴리이소시아네이트를 친수성으로 개질하는 방법이다. 이렇게 개질된 폴리우레탄 경화제는 일정한 친수성을 갖는 것 외에도 잔류 NCO기를 캡슐화하여 일정 기간 동안 물속에서도 안정성을 유지할 수 있다.

비이온성 개질 물질의 일반적인 조성

음이온 개질

친수성 폴리이소시아네이트는 이온 개질을 통해 얻을 수도 있다. 일반적인 이온 개질 방법으로는 카복실산 개질, 술폰산 개질 등이 있으며, 카복실산 개질은 일반적으로 다이메틸올프로피온산(DMPA)을 사용하고, 술폰산 개질은 일반적으로 에틸렌디아민 에탄술폰산 또는 아미노술폰산 등을 사용한다. 이러한 방법들은 분자 사슬에 카복실기 또는 술폰산기를 도입하여 폴리우레탄 경화제가 물 속에서 유화될 수 있도록 한다.

음이온 개질 물질의 일반적인 조성

폴리이소시아네이트: HDI 트리머, HDI 비우레트, TDI-TMP 부가물

친수성 모노머: 폴리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 3-(사이클로헥실아민)-1-프로피온산, 폴리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 다이하이드록시메틸프로피온산

염화제: N, N-다이메틸사이클로헥실아민, 트라이에틸아민

음이온 비이온성 변형

현재 비이온성 변형은 일반적으로 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르를 사용하여 수행하지만, 모노메틸 에테르를 도입하면 내수성 문제가 발생하고 결정화 경향이 생길 수 있다. 이온성 변형은 내수성 문제를 해결할 수 있지만, 높은 pH의 용액을 요구한다. 음이온과 비이온의 혼합 변형은 이러한 문제들을 효과적으로 극복할 수 있다.

음이온 및 비이온성 변형의 일반적인 물질 조성

폴리이소시아네이트: HDI 트리머, HDI 비우레트, TDI-TMP 부가물

친수성 모노머: 3-(사이클로헥실아민)-1-프로피온산, 다이하이드록시메틸프로피온산

염화제: N, N-다이메틸사이클로헥실아민, 트라이에틸아민

폐쇄형 폴리우레탄 경화제

경화제 성분의 NCO 기는 반응성이 매우 높아 상온에서 대기 중의 수분과 반응하여 열화될 수 있다. 저장을 용이하게 하고 원료 손실을 줄이기 위해, 봉쇄제를 사용하여 NCO와 반응시켜 상온에서 안정한 폐쇄형 경화제를 생성할 수 있다.

폐쇄형 경화제는 가열하면 원래의 이소시아네이트 구조로 회복되며, 수산기 함유 성분과 반응할 수 있다. 공식 설계 아이디어는 일반적으로 위에서 언급한 일반적인 용제형 및 수분산성 폴리우레탄 경화제를 기반으로 봉쇄제를 도입하여 잉여 NCO 그룹을 차단하는 것이다. 다양한 봉쇄제의 해제 온도는 서로 달라서, 구체적인 사용 상황에 따라 다른 봉쇄제를 선택할 수 있다. 일반적인 봉쇄제와 그들의 해제 온도는 아래 표에 나와 있다.

일반적인 봉쇄제 및 그들의 해제 온도

실란트	해제 온도/℃
카프롤락탐	175-200
에탄올	180-185
메틸 에틸 케톡심	140-150
페놀	140-145
3,5-디메틸피라졸	130-150
아세톤 옥심	130-140
아세토아세트산 에틸	125-150
말로네이트산 디에틸	130-140
이미다졸	130-140
아황산나트륨	50-70

폴리우레탄 경화제의 응용

폴리우레탄의 급속한 발전과 함께, 이에 대응하는 경화제도 생산 및 급속한 발전을 거쳤다.

폴리우레탄 경화제는 접착제, 인쇄 페이스트, 잉크 분야에 적용되어 접착 성능을 향상시키고 세탁 내구성을 강화한다. 목재 코팅제, 페인트, 가죽 마감제 등에 외부 가교제로 적용할 경우, 높은 광택을 유지하며 경도를 향상시키고 내수성, 내용제성 및 기타 특성을 강화할 수 있다.

일부 베이킹 페인트 시스템, 예를 들어 코일 스틸 페인트의 경우, 주로 폐쇄형 폴리우레탄 경화제가 사용된다. 가열 후 개봉하여 경화되며, 필름 형성 후 도막은 향상된 인성, 내후성, 내스크래치성을 갖게 된다.

일부 고품질 가구 산업 분야, 예를 들어 매트 우드 페인트의 경우, 외부 매트제를 사용한 투명 광택 코팅은 투명도가 낮고 매체 저항성이 떨어진다. 그러나 하드너를 사용함으로써 분자 구조 내에서 소멸 효과를 달성할 수 있다. 동일한 종류의 페인트라도 서로 다른 구조의 매트 하드너와 함께 사용하면 필요한 광택도를 얻을 수 있다.

일부 식품용 유연 포장 분야에서는, TDI-TMP 부가물과 같은 용제계 방향족 폴리우레탄 하드너가 주로 사용된다. 최근 몇 년간 연구자들은 식품 안전성을 고려하여 자유 NCO 함량이 낮은 하드너 및 알리파틱 폴리우레탄 하드너의 개발에 매진해 왔다.