Article
  • FTIR Spectroscopic Studies of Photo-Thermal Dual Curing Behaviors of Acrylate Monomers

  • Seok Hyeon Kim, Hyuck Sik Wang, Seung Hyuk Lee, Seok Hyung Bu, and Kigook Song†

  • Department of Advanced Materials Engineering for Information and Electronics, Materials Research Center for Information Display, Kyung Hee University, Yongin, Gyeonggi-do 17104, Korea

  • FTIR을 이용한 아크릴레이트 단량체의 광-열 복합경화 거동 연구

  • 김석현 · 왕혁식 · 이승혁 · 부석형 · 송기국†

  • 경희대학교 정보전자신소재공학과 영상정보소재기술연구센터

Abstract

The photo-curing behaviors of acrylate monomers capable of urethane thermal reaction were investigated using time-resolved Fourier transform infrared spectroscopy and photo-differential scanning calorimetry. Faster photo-reaction and lower conversion of acrylate reactions were observed in the thermal-photo dual curing process compared to the photo-curing only process. In the case of the acrylate system with long chain oligomers, faster photo-reaction was also observed in the dual curing process although no difference was found in the degree of conversion for acrylates between two photo-curing processes.


우레탄 열반응이 가능한 아크릴레이트 단량체의 UV 광경화 거동을 in-situ로 시분해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 실험과 광 DSC 실험을 수행하여 조사하였다. 아크릴레이트 단량체 사이의 우레탄 열반응을 먼저 진행한 후 UV를 쪼여 아크릴레이트 광반응을 유도한 열-광 복합경화 공정이 UV 광경화만 진행한 경우보다 아크릴레이트 반응은 더 빠르게 진행되었지만, 아크릴레이트의 최종 경화율은 약간 감소하였다. 이와 같은 아크릴레이트 단량체 시스템에 긴 사슬의 아크릴레이트 올리고머를 첨가한 시스템에서도 복합경화 공정이 UV 광경화만 진행한 경우보다 반응은 더 빠르게 진행되었고, 아크릴레이트 경화 정도는 큰 차이 없이 끝까지 진행되었다.


Keywords: Fourier transform infrared spectroscopy, acrylate, dual-curing, curing sequence, curing kinetics

서 론

광경화는 일반적으로 UV를 이용하여 광 개시제로부터 자유 라디칼(free radical)을 형성하고, 라디칼 반응이 가능한 단량체(monomer)나 올리고머(oligomer)가 연속 반응을 통해 경화되는 과정이다. 이러한 경화 특성은 UV 경화 조건 및 개시제의 함량에 따라 조절이 가능하다.1,2 대표적인 광반응 물질로 사용되는 아크릴레이트(acrylate) 단량체는 분자구조 조절이 용이하여 경화 후 필름의 광특성 조절이 쉽고, 광경화후 우수한 기계적 및 광학적 특성을 보여 일반 코팅 및 잉크, 접착제 등의 산업에서 광범위하게 응용되고 있다. 아크릴계접착제는 자외선에 의한 라디칼 반응이 이루어져 고밀도의 망상 구조를 이루어 투명성, 전기절연성, 내화학성 등이 뛰어나 전기전자, 디스플레이 등 다양한 산업분야에서 사용되고 있다. 100% 고형화가 되기 때문에 환경오염이 적으며 저온경화가 가능하여 열가소성 플라스틱, 목재, 종이 등 고온에서 경화가 곤란한 기재에도 사용할 수 있다. 또한 경화속도가 빠르고 공정이 단순하여 설비 및 생산성, 에너지 절감 등의 측면에서 유리하다.3-6
하지만, 경화 시 높은 수축률을 보이기 때문에 기판이 휘거나 피착면에서 박리되는 현상이 발생하기도 한다. 이러한 단점을 보완하기 위해 우레탄 아크릴레이트로 제작되어 우레탄의 높은 인장강도, 탄성을 활용하는 화합물이 사용되고 있다.7 또한 아크릴레이트의 광경화 시 피착면의 구조나, 그 외의 다양한 원인으로 그림자가 발생하면 경화되지 못하는 영역이 발생하기도 한다. 이러한 현상을 방지하기 위해서 아크릴레이트를 열경화시킬 수 있는 개시제나, 열경화가 가능한 작용기를 첨가하여 광-열에 의한 복합경화도 다양하게 연구되고 있다.6-11
본 연구에서는 우레탄 열반응에 참여할 수 있는 관능기를 포함한 아크릴레이트 단량체와 분자량이 큰 아크릴레이트 올리고머 혼합물을 UV 조사에 의한 광경화를 진행하였을 때, 아크릴레이트 광경화 동력학과 광반응 메커니즘을 FTIR 분광분석와 광 DSC를 이용하여 조사하였다. 아크릴레이트 시료에 UV를 조사하면서 in-situ로 시분해 FTIR 분광 실험을 수행하여 우레탄 열반응 순서 및 조건에 따른 아크릴레이트 광반응 속도와 경화 정도를 측정하였다. 광 DSC 실험에서는 광경화 반응 중에 발생하는 발열량을 시간 단위로 측정하여, 아크릴레이트 단량체를 광경화만 수행한 경우와 단량체를 열반응으로 묶은 후 아크릴레이트 광경화를 진행한 열-광 복합경화 시스템의 경화 거동을 비교하였다.

References
  • 1. C. Decker, Macromol. Rapid Commun., 23, 1067 (2002).
  •  
  • 2. J. B. Lee, J. H. Lee, and K. C. Sung, J. Korean Oil Chem. Soc., 29, 159 (2012).
  •  
  • 3. D. B. Kim, Polym. Korea, 37, 184 (2013).
  •  
  • 4. M. J. Cho, H. J. Kang, and D. B. Kim, Polym. Korea, 41, 331 (2017).
  •  
  • 5. S. S. Baek, S. J. Jang, J. H. Lee, D. H. Kho, S. H. Lee, and S. H. Hwang, Polym. Korea, 38, 199 (2014).
  •  
  • 6. S. M. Noh, J. W. Lee, J. H. Nam, K. H. Byun, J. M. Park, and H. W. Jung, Prog. Org. Coat., 74, 257 (2012).
  •  
  • 7. S. Park, J. W. Hwang, K. N. Kim, G. S. Lee, J. H. Nam, S. M. Noh, and H. W. Jung, Korea Aust. Rheol. J., 26, 159 (2014).
  •  
  • 8. K. Studer, C. Decker, E. Beck, R. Schwalm, and N. Gruber, Prog. Org. Coat., 53, 126 (2005).
  •  
  • 9. C. Decker, F. Masson, and R. Schwalm, Macromol. Mater. Eng., 288, 17 (2003).
  •  
  • 10. J. W. Bae, J. H. Jung, H. S. Wang, S. H. Kim, I. J. Kim, I. J. Kim, and K. Song, Polym. Korea, 41, 361 (2017).
  •  
  • 11. S. D. Maurya, S. K. Kurmvanshi, S. Mohanty, and S. K. Nayak, Polym. Plast. Technol. Eng., 57, 625 (2018).
  •  
  • 12. C. Deker and K. Moussa, J. Appl. Polym. Sci., 34, 1603 (1987).
  •  
  • 13. K. S. Anseth, C. M. Wang, and C. N. Bowman, Polymer, 35, 3243 (1994).
  •  
  • 14. K. S. Anseth, K. J. Anderson, and C. N. Bowman, Macromol. Chem. Phys., 197, 833 (1996).
  •  
  • 15. G. H. Kim, D. Y. Kim, H. Y. Park, I. R. Jeon, and K. H. Seo, Polym. Korea, 40, 786 (2016).
  •  
  • 16. M. Buback and E. Müller, Macromol. Chem. Phys., 208, 581 (2007).
  •  
  • 17. J. He, Y. Wang, Q. Lin, L. Chen, and X. Zhou, J. Macromol. Sci., Pure Appl. Chem., 46, 405 (2009).
  •  
  • 18. T. Y. Lee, T. M. Ropper, E. S. Jönsson, C. A. Guymon, and C. E. Hoyle, Macromolecules, 37, 3659 (2004).
  •  
  • 19. T. Kim, D. Kim, and H. J. Kang, Polym. Korea, 41, 221 (2017).
  •  
  • 20. E. Andrzejewska, Prog. Polym. Sci., 26, 605 (2001).
  •  
  • Polymer(Korea) 폴리머
  • Frequency : Bimonthly(odd)
    ISSN 0379-153X(Print)
    ISSN 2234-8077(Online)
    Abbr. Polym. Korea
  • 2023 Impact Factor : 0.4
  • Indexed in SCIE

This Article

  • 2018; 42(4): 714-719

    Published online Jul 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.4.714
  • Received on May 23, 2018
  • Revised on Jun 1, 2018
  • Accepted on Jun 2, 2018

Correspondence to

  • Kigook Song

  • Department of Advanced Materials Engineering for Information and Electronics, Materials Research Center for Information Display, Kyung Hee University, Yongin, Gyeonggi-do 17104, Korea

  • E-mail: ksong@khu.ac.kr
  • ORCID:
    0000-0003-2032-3627