Polyethylene waxes are used as additive in various industrial fields. However, nonpolar polyethylene waxes had some limit in expanded application to various materials due to nonpolar property. Therefore, subsequent modification reaction is usually required for polyethylene waxes to have polar property. In this study, polar polyethylene wax was produced via pyrolysis followed by grafting with acrylic acid in order to improve the polar modification efficiency. Effect of grafting reaction variables such as acrylic acid content, monomer addition time, and graft reaction time on grafting efficiency was studied. Grafting degree increased as acrylic acid content, monomer addition time, and graft reaction time increased. Softening point of grafted wax increased but viscosity of grafted wax decreased as grafting degree increased.

폴리에틸렌 왁스는 여러 산업분야에서 첨가제로 사용되지만 비극성이므로 다양한 소재에 적용하기에는 한계가 있다. 따라서 일반적으로 제조된 폴리에틸렌 왁스에 대해서 극성을 부여하기 위해 후속적인 개질반응이 필요하게 된다. 본 연구에서는 열분해 반응을 통해 제조되는 비극성 폴리에틸렌 왁스에 대해 열분해 반응과 함께 연속적으로 극성 아크릴산 단량체를 그래프트 반응시켜 극성개질의 효율을 향상시키고자 하였다. 아크릴산 단량체의 함량, 첨가 시간 및 반응 시간을 조절변수로 하여 그래프트 효율에 미치는 영향을 조사하였다. 아크릴산 단량체의 함량, 첨가 시간, 반응 시간이 증가할수록 그래프트율이 증가하는 경향을 보였다. 아크릴산 변성 폴리에틸렌 왁스의 그래프트율이 증가할수록 왁스의 연화점이 증가하고 점도는 감소함을 확인하였다.

Keywords: polyethylene wax, pyrolysis, melt grafting, acrylic acid

왁스는 다양한 산업분야에 널리 적용되는 화학물질로서 페인트 첨가제, 잉크 첨가제, 광택제 등에 사용된다. 왁스는 평균 분자량 500~10000 g/mol을 갖는 가소성 물질로 상온에서 고체 형태이며, 100 ℃ 이상의 온도에서는 유동성이 있는 액체 형태로 되는 비극성 소재이다.^1-4 왁스는 출발원료에 따라 천연에 존재하는 천연왁스, 석유정제 잔사물에 존재하는 석유계 왁스, 단량체 중합 또는 고분자 열분해로 제조되는 합성 왁스 등으로 구분된다. 그 중 폴리에틸렌 왁스는 자동차, 고압 절연전선, 식품 포장재 등의 다양한 분야에서 범용적으로 사용되고 있는 다양한 플라스틱에 적용되는 첨가제로서 내후성 및 전기절연성이 우수하여 생산량과 소비량이 꾸준히 증가하고 있다.^5,6 그러나 왁스 사슬 내 작용기가 전혀 존재하지 않는 비극성 소재이므로 낮은 표면 에너지로 인하여 프린팅 잉크, 점착제, 의료분야 등의 용도에는 적합한 물성을 발현하기 어렵다.^7,8 따라서 비극성 폴리에틸렌 왁스를 극성으로 변성하는 것이 필요한데, 일반적인 변성방법으로는 에틸렌 중합단계에서 아크릴산 등의 극성 단량체를 공중합시키거나, 제조된 폴리에틸렌 왁스에 아크릴산이나 무수말레인산 등 극성 단량체를 그래프트 반응시켜 폴리에틸렌 구조 곁사슬에 극성기를 도입하는 방법이 있다. 이중에서 그래프트 중합법은 극성 단량체를 다량 도입할 수 없어서 그래프트율에 제한이 있지만, 기본 중합체의 주사슬 골격을 거의 변화시키지 않고, 폴리에틸렌의 특성을 잘 보존하는 특징이 있어 소량 다품종을 생산하는 공업적 방법으로는 장점이 있다.⁹ 그래프트 중합방법은 크게 용액법 및 용융법으로 구분된 다.³ 용액법은 용매를 사용하므로 반응 조절이 용이하며 부반응을 제어하기 용이하지만 용매회수 등 추가비용이 소요되므로 소량 다품종 생산방법으로는 한계점이 있다. 반면, 용융법은 직접 왁스를 용융시켜 그래프트 반응을 시키는 방법으로, 용매를 사용하지 않고 반응 시간이 짧다는 장점이 있다. 소량 다품종 특성의 기능성 왁스는 그래프트 방법을 적용하여 기능화하는 것이 유리한데 일반적으로 제조된 왁스를 다시 용융 또는 용매에 용해시킨 후 그래프트 반응을 진행하게 된다. 이 경우 그래프트 반응 이외에 다양한 부반응을 억제하는 것이 어렵게 된다. 따라서 본 연구에서는 폴리에틸렌 왁스에 아크릴산을 도입시키는 반응을 진행할 때 그래프트 효율을 향상시키기 위해서 폴리에틸렌 수지의 열분해에 의해 폴리에틸렌 왁스 용융체를 제조하는 반응과 용융 상태의 폴리에틸렌 왁스에 대한 그래프트 반응을 연속으로 진행시켰다. 이러한 열분해/그래프트 연속반응의 반응인자가 그래프트율, 연화점, 점도 등 아크릴산 그래프트 왁스의 특성변화에 미치는 영향을 조사하였다.