Polymer(Korea), Vol. 33, No. 5, pp 463-468, 2009 463 서 론 재료의 입장에서 요구되는 물성의 다양화, 자원의 고도 이용, 재료 의 고부가 가치화 등 여러 가지 관점에서 주목을 받아오고 있는 코어- 쉘 중합 방법은 최근 들어 무기 소재와 유기 소재의 조합으로 이루어 진 코어-쉘 형태 혹은 내부가 비어있는 구조를 가지는 복합체 나노 입자의 제조 방법이 소개되면서 이들 입자의 활용 분야에 대한 관심 이 날로 고조되고 있다. 1,2 이러한 코어-쉘 복합 입자는 폴리머의 순도가 높고, 입자경 분포가 단순하여 전자현미경, 광산란 장치 등의 표준 입자 물질, 필터의 다공 성 입자 측정 물질, 각종 칼럼의 충진물, 진단용 시약 및 콜로이드 연 구의 표준물질로 사용할 수 있다. 3 무기-유기계의 코어-쉘 입자는 무 기 화합물 분체에 단량체를 중합하여 무기 화합물 분체가 유기 폴리 머에 의해 균일하게 캡슐화 되므로 매트릭스 내에서 분산성을 향상시 킬 수 있어 도료, 플라스틱, 그리고 접착제 등의 충진제로 응용이 가 능하다. 3 특히 코어-쉘에 의한 합성 방법 중, 중공 구조를 가지는 고분자에 대한 관심은 지속적으로 증가되어 왔으며 종이 코팅이나 수성 도료에 상업적으로 많이 사용되어, 무기물인 이산화티탄을 대체하는 물질로 사용되고 있다. 4 이러한 중공 유기 안료가 무기물 대체가 가능한 이유 는 액상으로 존재할 때는 물이 찬 속(core) 부분을 둘러싼 막의 상태 로 있다가 건조되면서 도막을 형성할 때는 속 부분의 물이 증발되어 중공(void) 구조를 갖게 되는데, 중공 속의 공기와 이를 둘러싼 외피 (shell)와의 굴절률 차이로 인하여 입사광을 효과적으로 산란시켜 무 기질 안료인 이산화 티탄과 같이 불투명성(opacity)을 부여할 수 있 기 때문이다. 4-6 이러한 중공 유기 안료의 합성법으로는 알카리 팽윤성인 친수성 코 어를 합성한 후 소수성인 쉘구조의 유화 중합체를 합성하여, 알칼리 마이크론 크기의 중공 유기 안료 최광식ㆍ김양수ㆍ정훈상ㆍ장서원ㆍ김남선 애경화학(주) 기술연구소 (2009년 4월 20일 접수, 2009년 5월 19일 수정, 2009년 6월 8일 채택) Micron-Sized Hollow Plastic Pigment Gwang Sik Choi, Yang Soo Kim, Hoon Sang Jung, Seo Won Jang, and Nam Seon Kim Aekyung Chemical Co., Ltd, #217-2, Shinseong-Dong, Yuseong-Gu, Daejeon 305-805, Korea (Received April 20, 2009; Revised May 19, 2009; Accepted June 8, 2009) 초록: 입자 분포가 균일하며, 마이크론 크기를 가지는 중공 유기 안료에 대한 합성 방법을 연구하였다. 코어-쉘 합 성 방법에 의해 다양한 크기의 중공 유기 안료를 합성할 수 있었으며, 각각의 코어 크기 및 분자량에 따른 최종 입자 크기 변화 및 반응 중 코어의 중화 시간에 따른 은폐율 변화에 대한 실험을 진행하였다. 그 결과 사용한 코어 크기가 클수록 최종 입자 크기는 증가되며, 1.0 μm 이상의 마이크론 크기를 가지는 중공 유기 안료를 합성하기 위해서는 적 어도 200 nm 이상의 코어를 사용해야 함을 알 수 있었다. 또한, 사용한 코어 크기가 클수록 중공 부피비가 증가되나, 은폐율을 높이기 위해서는 코어의 분자량을 줄이거나, 코어의 알카리 팽윤 단계에서 중화 시간을 증가시켜 주어야 한 다. 그리고, 반응 중 교반 속도 및 합성 고형분이 마이크론 크기의 중공 유기 안료 합성에 끼치는 영향을 알아보았다. Abstract: Syntheses of monodisperse and micron-sized hollow plastic pigment (HPP) were carried out through the core-shell reaction. The effects of the reaction parameters, such as the particle size, molecular weight, the swelling time, agitation rate, and the solid contect were investigated. This micron-sized HPP could be made by using the alkali soluble core with at least bigger than 200 nm size. To obtain a higher opacity ratio, the swelling time and molecular weight of the core should be controlled. The agitation rate affected the particle’ s morphology. To prevent the shell destruction, the agitation rate must be sufficiently low in case of the syntheses of micron-sized HPP. In this study, micron-sized HPP exhibiting the high hiding power and narrow particle distribution could be obtained. Keywords: hollow plastic pigment, micron-sized organic pigment, opacity, core-shell, void. † To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected]
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마이크론 크기의 중공 유기 안료 Micron-Sized ... · 이러한 중공 유기 안료의 합성법으로는 알카리 팽윤성인 친수성 코 어를 합성한 후 소수성인
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Polymer(Korea), Vol. 33, No. 5, pp 463-468, 2009
463
서 론
재료의 입장에서 요구되는 물성의 다양화, 자원의 고도 이용, 재료
의 고부가 가치화 등 여러 가지 관점에서 주목을 받아오고 있는 코어-
쉘 중합 방법은 최근 들어 무기 소재와 유기 소재의 조합으로 이루어
진 코어-쉘 형태 혹은 내부가 비어있는 구조를 가지는 복합체 나노
입자의 제조 방법이 소개되면서 이들 입자의 활용 분야에 대한 관심
이 날로 고조되고 있다.1,2
이러한 코어-쉘 복합 입자는 폴리머의 순도가 높고, 입자경 분포가
단순하여 전자현미경, 광산란 장치 등의 표준 입자 물질, 필터의 다공
성 입자 측정 물질, 각종 칼럼의 충진물, 진단용 시약 및 콜로이드 연
구의 표준물질로 사용할 수 있다.3 무기-유기계의 코어-쉘 입자는 무
기 화합물 분체에 단량체를 중합하여 무기 화합물 분체가 유기 폴리
머에 의해 균일하게 캡슐화 되므로 매트릭스 내에서 분산성을 향상시
킬 수 있어 도료, 플라스틱, 그리고 접착제 등의 충진제로 응용이 가
능하다.3
특히 코어-쉘에 의한 합성 방법 중, 중공 구조를 가지는 고분자에
대한 관심은 지속적으로 증가되어 왔으며 종이 코팅이나 수성 도료에
상업적으로 많이 사용되어, 무기물인 이산화티탄을 대체하는 물질로
사용되고 있다.4 이러한 중공 유기 안료가 무기물 대체가 가능한 이유
는 액상으로 존재할 때는 물이 찬 속(core) 부분을 둘러싼 막의 상태
로 있다가 건조되면서 도막을 형성할 때는 속 부분의 물이 증발되어
중공(void) 구조를 갖게 되는데, 중공 속의 공기와 이를 둘러싼 외피
(shell)와의 굴절률 차이로 인하여 입사광을 효과적으로 산란시켜 무
기질 안료인 이산화 티탄과 같이 불투명성(opacity)을 부여할 수 있
기 때문이다.4-6
이러한 중공 유기 안료의 합성법으로는 알카리 팽윤성인 친수성 코
어를 합성한 후 소수성인 쉘구조의 유화 중합체를 합성하여, 알칼리
마이크론 크기의 중공 유기 안료
최광식ㆍ김양수ㆍ정훈상ㆍ장서원ㆍ김남선
애경화학(주) 기술연구소
(2009년 4월 20일 접수, 2009년 5월 19일 수정, 2009년 6월 8일 채택)
Micron-Sized Hollow Plastic Pigment
Gwang Sik Choi, Yang Soo Kim, Hoon Sang Jung, Seo Won Jang, and Nam Seon Kim
Aekyung Chemical Co., Ltd,
#217-2, Shinseong-Dong, Yuseong-Gu, Daejeon 305-805, Korea
(Received April 20, 2009; Revised May 19, 2009; Accepted June 8, 2009)
초록: 입자 분포가 균일하며, 마이크론 크기를 가지는 중공 유기 안료에 대한 합성 방법을 연구하였다. 코어-쉘 합
성 방법에 의해 다양한 크기의 중공 유기 안료를 합성할 수 있었으며, 각각의 코어 크기 및 분자량에 따른 최종 입자
크기 변화 및 반응 중 코어의 중화 시간에 따른 은폐율 변화에 대한 실험을 진행하였다. 그 결과 사용한 코어 크기가
클수록 최종 입자 크기는 증가되며, 1.0 μm 이상의 마이크론 크기를 가지는 중공 유기 안료를 합성하기 위해서는 적
어도 200 nm 이상의 코어를 사용해야 함을 알 수 있었다. 또한, 사용한 코어 크기가 클수록 중공 부피비가 증가되나,
은폐율을 높이기 위해서는 코어의 분자량을 줄이거나, 코어의 알카리 팽윤 단계에서 중화 시간을 증가시켜 주어야 한
다. 그리고, 반응 중 교반 속도 및 합성 고형분이 마이크론 크기의 중공 유기 안료 합성에 끼치는 영향을 알아보았다.
Abstract: Syntheses of monodisperse and micron-sized hollow plastic pigment (HPP) were carried
out through the core-shell reaction. The effects of the reaction parameters, such as the particle size,
molecular weight, the swelling time, agitation rate, and the solid contect were investigated. This
micron-sized HPP could be made by using the alkali soluble core with at least bigger than 200 nm
size. To obtain a higher opacity ratio, the swelling time and molecular weight of the core should be
controlled. The agitation rate affected the particle’s morphology. To prevent the shell destruction, the
agitation rate must be sufficiently low in case of the syntheses of micron-sized HPP. In this study,
micron-sized HPP exhibiting the high hiding power and narrow particle distribution could be obtained.
aThe average particle size was measured by SEM image. bThe average particle size was measured by TEM image. cVoid volume ratio(%)={(void diameter)3/(shell diameter)3}×100.
Figure 4. SEM image for 1.0 μm hollow plastic pigment whenthe reaction agitation rate was 250 rpm.
마이크론 크기의 중공 유기 안료 467
Polymer(Korea), Vol. 33, No. 5, 2009
μm 이상의 입자를 합성하기 위해서는 일반적으로 현탁 중합 방법을
많이 이용한다. 그러나, 현탁 중합 방법으로는 입자 내부에 높은 중공
부피비를 가지는 입자를 합성하는데 어려움이 있으므로, 코어-쉘 합
성 방법을 이용한 유화 중합으로 2.0 μm의 중공 유기 안료를 합성하
기 위해 500 nm의 코어를 합성하였다. 이를 이용하여 최종 중공 유
기 안료를 합성한 결과, Figure 5에서 볼 수 있듯이 2.0 μm의 입자
를 합성할 수 있었다. 이 경우 코어를 충분히 중화시키기 위해 1시간
동안 암모니아수로 중화를 시켰다. 그러나, 입자 크기가 2.0 μm 증가
되는 경우, 입자가 균일하게 형성되지 못하고 새로운 입자 형성이 많
아짐을 볼 수 있었으며, 쉘의 찌그러짐 현상도 많아짐을 볼 수 있었
다. 이러한 현상은 Figure 6에서 나타낸 외부 압력하에서 얇은 구형
쉘의 압력과 휨(pressure-bucking)의 관계식에 의해 설명될 수 있
다.12 즉 유도된 식에 따르면 쉘의 크기가 커지고 쉘의 두께가 얇아질
수록 쉘에 가해지는 압력이 커지며, 따라서 중공 입자의 크기가 커짐
에 따라 쉘에 가해지는 압력이 커짐을 알 수 있다. 따라서, 이러한 현
상으로 인해 2.0 μm의 중공 유기 안료 합성 시 쉘의 찌그러짐 현상이
많아지는 것으로 생각된다.
합성 고형분에 따른 변화. 마이크론 크기의 유기 중공 안료를 합성
함에 있어서 반드시 고려되어야 할 부분은 합성 고형분이다. Table 5
에서는 HPP의 크기에 따라 합성이 가능한 최대 고형분을 나타내고 있
다. 만약 각각의 HPP를 합성시 그 이상의 농도에서 합성을 진행하게
되면, gellation이나 coagulam이 많이 생성되므로 주의해야 한다. 또한,
Figure 7에서 HPP 크기와 합성 고형분에 대한 상관 관계를 그래프
로 나타내었다. 특히, 0.5 μm HPP에서 1.0 μm HPP로 입자 크기가 증
가 시 합성 가능한 고형분이 급격히 감소하는 현상을 볼 수 있다. 이
는 Table 4의 결과에서 볼 수 있듯이 중공 부피비(void volume ratio)
의 증가에 의한 것으로, 입자내 코어가 알카리로 중화되면서 입자 내부
는 물로 치환되게 되는데, 코어 크기가 증가되게 되면 최종 입자의
중공 부피비가 커지게 되므로 코어 크기가 작을 때보다 더 많은 양의
물이 입자 내부에 존재하게 된다. 따라서, 실제 합성 농도보다 입자 외
부에 존재하는 물의 양이 줄어들게 되므로, 입자내 중공 부피비가 커지
게 되면, 반드시 합성 고형분를 조절해 주어야 한다.
결 론
본 연구에서는 코어-쉘 중합 방법을 이용하여, 마이크론 크기의 중
공 유기 안료를 합성하기 위해, 코어 크기 별로 최종 입자 크기의 변화
를 살펴 보았다. 1.0 μm 이상의 중공 유기 안료를 합성하기 위해서는
적어도 코어 크기가 200 nm 이상이어야 한다. 그러나, 코어 크기가 증
가되는 경우 알카리에 의해 코어를 충분히 팽윤시켜 높은 은폐율을
갖기 위해서는 알카리가 코어에 충분히 확산되도록 중화 시간을 충분
히 해주거나, 사용한 코어의 분자량을 조절해 주어야 한다. 또한, 코어
크기가 증가되면 입자내 중공의 크기도 증가하게 되는데, 이 경우 알
카리에 의해 팽윤시 쉘에 가해지는 압력 때문에 쉘이 찌그러지는 현상
이 발생하게 되므로, 입자간 충돌을 완화시키기 위해 교반 속도를 적절
Figure 5. SEM image for 2.0 μm hollow plastic pigment.
ΔP ΔPcr
)v9v)(15(23
v7
3
2
2 22
2cr
−−−
==Eh
RΔPX
X:buckling load to the shell
ΔPcr:critical buckling pressure to the shell
R:radius of spherical shell
h:thickness of shell
E:tensile modulus of shell
Figure 6. Relation between pressure and bucking of the thinspherical shell.
Table 5. Maximum Solid Content at Different HPP Size