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고분자화학

'초산비닐수지'란?


초산비닐수지

초산비닐수지는 초산비닐모노머를 중합하여 만들어지는 열가소성 수지이다.
모노머의 공업생산은 1924년 독일에서 시작되고, 일본에서의 공업화는 1963년이다.
초기의 생산량은 미미한 것이었지만 폴리비닐 알콜계 합성섬유비닐론이 등장한 이래, 그 원료로서의 초산비닐의 생산량이 급속하게 증가하여 오늘에 이르고 있다. 모노머의 대부분은 단독중합에 의한 폴리초산비닐(PVAc)의 제조에, 일부분은 딴 모노머(염화비닐이나 에틸렌등)과의 공중합에 사용되고 있다. 그러나 위에서 기술했듯이 폴리초산비닐은 그 주된용도가 폴리비닐알콜의 대량으로 자가 소비되고 있어, 이른바 일반용의 초산비닐수지로서의 소비량은 모노머 생산에서 보면 약간이다. 게다가 그 용도는 에멀션계 접착제와 도료를 주체로 하여 다른 플라스틱과 같이 성형품으로써 사용되는 일은 드물다.

1. 제법

초산비닐모노머의 공업적 제품으로서 아세틸렌과 초산의 혼합기체를 반응탑에 통과하게 하는 아세틸렌 기상법이 종래 사용되어 왔다. 그러나 석유화학공업의 발달에 수반하여 원료가 에틸렌으로 전환되어 현재는 에틸렌법이 주류로 되어 있다.
에틸렌법에는 두가지가 있으며, 초산속에 촉매(팔라듐과 초산소다)를 넣어 그 속에 에틸렌가스를 통과시키는 액상법과, 에틸렌과 초산의 혼합기체를 반응탑에 통과시키는 기상법(촉매는 금속 팔라듐과 초산가리)이 채용되고 있다.
얻어진 모노머는 무색의 액체이며 빙점 73℃, 비중은 0.93이다. 이 모노머에 과산화물등의중합 촉매를 첨가 가열하면 용이하게 폴리초산비닐을 얻을 수 있다.
공업적으로는 유화중합법과 용액중합법이 채용되고 있는데 전자는 접착제나 도료용 수지의 제조에, 후자는 메탄올을 용매로 하여 폴리비닐알콜용 원료수지의 제조에 적용되고 있다.


2. 성질

PVAc는 측쇄에 커다란 초산기를 갖고 있기 때문에 분자주쇄의 규칙적 충전에 의한 결정화가 곤란하며, 전적으로 무정형(즉 비결정상태)이다. 비중 1.8∼1.20, 굴절률 1.45∼1.47, 유전율(60Hz) 2.7∼6.1의 투명재료이지만 유리 전이점(28℃)이하에서 취약성이 눈에 띠고 한편 열변형 온도도 낮아서(38℃), 성형재료로서는 적합하지 않다. 약산, 약알칼리에는 영향을 받지 않지만 강산, 강알칼리에는 침식되고 또한 에탄올, 벤젠, 아세톤, 기타 많은 유기용매에 녹는다. 단 물, 에틸렌글리콜, 글리세린, 시클로헥산, 솔벤트나프타, 테레빈유, N-부틸에테르등에는 녹지 않으며 프로필알콜, 부틸알콜, 에틸에테르, 크실렌등에는 팽윤한다. 폴리머끼리의 상용성에 관해서는 PVAc는 폴리메타아크릴산 메틸, 폴리아크릴산 메틸, 니트로셀룰로스등은 상용성이 있지만 폴리스티렌, 초산셀룰로스, 폴리염화비닐과는 상용성이 없다.

프탈산 디부틸과 같은 가소제를 첨가하면 유리전이점이 낮아지고 취약성이 개선된다. 또한 초산비닐 모노머에 에틸렌이나 아크릴산 에스테르를 공중합시키면 이른바 내부가소성이 일어나서 초산비닐 단독 폴리머에 비해서 전이점이 낮아지고 고무탄성이 부여된다.

측쇄의 초산기가 용이하게 감화(비누화)되어 갖가지의 감화도의 폴리비닐알콜로 바뀌는 것이 PVAc의 중요한 화학적 성질이라는 것은 말할 것도 없다.
유화중합으로 만들어진 에멀션(라텍스라고도 함)은 중합할 때에 첨가된 폴리비닐알콜에 의해서 표면이 보호된 폴리머 입자(1∼5μ)가 수중에 유탁상으로 분산된 것이며 장기간의 저장, 기계교반, 안료혼합 동결과 융해 등 갖가지 환경변화에 대해서 안정성을 갖고 롤, 나이프, 솔등에 의해 코팅가공에 적응한 점도특성을 부여받고 있다.
PVAc 단독 폴리머의 경우는 유리 전이점이 낮기 때문에 기체에 도포되었을 때 상온에서 건조함으로써 막을 만들 수 있다. 프탈산부틸과 같은 가소제를 첨가하면 상온에서의조막이 한층 더 용이해지며 충분한 피막강도가 얻어진다. 시판품의 모든 고형분은 55%전후이다. 도막은 투명성, 내광성, 접착성등이 뛰어나지만 내수, 내알칼리, 내후성에 결점이 있으며 이것을 개질하기 위해서 아크릴산 에스테르나 스티렌이 공중합 성분으로서 사용된다. 또한 각종 관능기를 도입하면 가교성이 부여된다. 또한 접착제는 탄산칼슘, 클레이, 무수규산등의 충전재 첨가되는 일이 있으며 도료에는 안료등이 첨가된다.


3. 용도


♠접착제
폴리비닐 알콜용원료 이외의 용도로서 가장 중요한 것으로서 에멀션 타입 및 용액 타입이 만들어지고 있다. 특히 전자는 합판의 제조, 가구의 조립등 목재접착이나 직, 제대, 포장 또한 직물이나 발포체, 라미네이트등의 접착분야에 대량으로 소비되고 있다. 후자는 금속접착, 플라스틱의 접착, 속건성이 요구되는 분야등에 사용된다.

♠도료
접착제에 이어 PVAc계 에멀션의 중요한 용도분야는 도료이다. 현재 합성수지 에멀션계도료의 소비량 대부부은 PVAc계로 점유되고 있다. 접착성, 내광성, 내마모성이 뛰어나고 가격도 싸기 때문에 주로 옥내도장용에, 몰탈, 콘크리트, 나무등에 응용되고 있다. 옥외에 사용하려면 다른 모노머에 의해 개질한 것, 예컨대 아크릴산 에스테르를 공중합시켜서 내수, 내알칼리성, 내후성을 개선한 것이 사용된다.
한편 소수면을 대상으로 한 경우라든가, 수계의 도료가 부적당한 곳에 용액타입의 도료가 사용되는데 소비량은 적다.

♠종이 가공
에멀션을 사용하여 종이의 사이징을 하고 강도, 내수성을 개량한다든지, 코팅에 의해서 방수성, 광택등을 개선한다. 일본 종이를 제조할 때에도 사용되고 창호지에 함침함으로써 강도, 내수성을 증가시킬 수 있다.

♠추잉껌베이스
추잉껌은 PVAc를 베이스로 가소제(부틸프타릴부틸글리콜레이트), 사탕, 물엿, 향료, 색소등을 첨가하여 만들 수 있고 천연치클에 비하여 싼 값이다. PVAc로서는 중합도 200∼600의 것이 좋다. 이것을 혼합하여 압출하여 작은 조각으로 절단하여 제품을 만든다.