수성 폴리우레탄

수성 폴리우레탄의 합성은 합성 도중에 형성되는 폴리머가 소수성이기 때문에 물에 유화되거나 녹지않고, 반응물로 사용되는 이소시아네이트이 반응성이 매우 큰 관계로 물과는 급속히 반응하여 부반응이 진행되기 때문에 물속에 유화시킬 수가 없다. 그러므로 수용성 폴리우레탄을 만들기 위해서는 수용화가 가능한 화합물을 반응물로 사용하여 합성한 올리고머나 저분자량폴리머를 매개체로 한 자기 유화방법이나 유화제를 사용하여 강제적으로 수용화를 용이하게 만드는 방법을 사용하여 수용액 형태(Polyurethane emulsion, Polyurethane dispersion, Water-based polyurethane, Water-borne Polyurethane)로 만들어 주어야 한다.

지금까지 알려져 있는 형태
1. Ionomer type : 국내에서 주로함.
2. 중아황산염 type : BAYER의 산발용 접착제가 대표적
3. Nonion type : 섬유 유연제로 주로 사용
4. Blocked Isocyanate type
5. Prepolymer type 등 여러가지

일반적인 수성 폴리우레탄 합성 방법
1. step : Prepolymer 반응
제품의 물성 및 구조형태를 디자인하여 원하는 방식의 형태의
분산액을 만들기 위해 소수성 상태에서 반응을 하는 단계
(Ionic center를 넣어서 반응을 함.)

2. step : Neutralization 반응
Prepolymer 단계에서 이온성을 부여한 segment를
반대극성의 물질로 배위결합 시켜서 소수성의 특성을
친수성 특성으로 가질 수 있도록 하는 단계.

3. step : Emulsion ( or Disperion)
수량의 물을 dropping하면서 물에 수지를 분산하는 단계

4. step : chain extension 반응
분산이 잘 되고 나면 쇄연장제(monomer)를 가지고
미흡한 분자량을 늘려서 원하는 최종 물성이 되도록 하는 단계



Prepolymer
Polyol과 Isocyante, Ionic center를 가지고 반응을 하며,
양 말단에 NCO기가 있도록 반응을 한다.
Polyol : ester type, ether type, Carbonate type 등 여러 가지
Isocyante : MDI, TDI, IPDI, H12MDI 등
MDI, TDI의 경우 반응성이 빨라서 유화반응시
부반응이 쉽게 일어나므로 잘 사용하지 않음.
Ionic center : 주로 DMPA (Dimethyol propionic acid)를 사용
(pendent 구조로 양 말단에 -OH 관능기를 가지고
가지로 –COOH(-HSO4) 관능기를 가진 것)
이 단계에서 EG(ethylene glycol)과 같은 단분자도 소량씩 사용을 하여
물성의 조절도 하게 된다. 하지만 유화시 잘 풀리지 않는 경향이 있음.


Neutralization
NCO terminated prepolyer 반응이 끝난 후 소수 특성을 가진 결합에
친수 특성을 부여하기 위하여 ionic center의 pendent 가지와 산염기
반응을 시키는 단계
주로 카르복실기와 3차 아민(TEA : triethyleneamin)을 사용하며,
배위결합을 형성하여 친수성을 가지게 된다.

Emulsion
중화반응이 끝나고 나면 반응한 물질을 물에 유화하는 단계
중화반응이 끝이 나면 물을 서서히 Dropping 하면서 현탁액을 만들게 되며,
초기에는 water in oil 상태에서 일정량의 물이 들어가면 oil in water 상태의
분산액이 만들어지게 된다.
유화하기 전에 반응물들의 점도가 높으므로 acetone 이나 MEK 등과 같은
유기용제를 사용하게 된다.

Chain extention
분산액이 안정화 되었을 때 쇄연장을 위해 monomer를 첨가하여 분산액의
최종 물성을 나오도록 반응을 하는 단계
주로 아민계 (EDA : Ethylene diamine, HexDA : Hexa ethylene diamine 등)를
사용하고, 글리콜(EG : ethylene glycol, 1.4 BD : Butanediol 등)을 사용하기도
한다.
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