KR20210041281A - 형광 수성 아크릴 에멀젼 조성물의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 a) 형광 염료, 자외선 흡수제, 아크릴 수지 중합이 가능한 모노머, 유화제 및 용매를 혼합하여 제1프리에멀젼을 제조하는 단계; b) 아크릴 수지 중합 가능한 모노머, 유화제 및 용매로 이루어진 제2프리에멀젼을 제조하는 단계; c) 상기 제1프리에멀젼과 중합개시제를 투입하여 1차 유화중합을 수행하는 단계; 및 d) 상기 1차 유화중합 반응 완료 후 제2프리에멀젼을 투입하여 2차 유화중합을 수행하는 단계를 포함하며, 유기 형광 염료와 자외선 흡수제를 유화중합 반응 초기에 투입함으로써 내광성, 색선명도 및 저장안정성이 뛰어난 형광 수성 아크릴 에멀젼을 제공할 수 있다.

Description

형광 수성 아크릴 에멀젼 조성물의 제조 방법 {METHOD FOR PREPARING A FLUORESCENT ACRYLIC EMULSION COMPOSITION}

본 발명은 형광 수성 아크릴 에멀젼 조성물의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아크릴 반응기를 2개 이상 포함하는 유기 형광 염료와 자외선 흡수제를 유화 중합 반응 초기에 투입하여 1차로 반응시킨 후, 순차적으로 2차 유화 중합을 수행함으로써 내광성, 색선명도 및 저장안정성이 뛰어난 형광 수성 아크릴 에멀젼 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

페인트를 비롯한 착색재료 시장의 급성장과 함께 이들 기초 원료에 대한 안정성 및 다양한 기능성이 요구되고 있으며, 특히 인체에 무해하면서도 컬러감이 뛰어난 수용성 착색 바인더 개발의 필요성이 높아지고 있다. 현재 대부분의 경우 수성 수지에 착색 안료가 수분산 되어 있는 칼라토너를 단순 혼합해서 최종 제품을 제조하고 있는 실정인데 이 경우 원래의 염료가 가지고 있는 색감이 떨어질 뿐만 아니라 착색안료의 분산성을 개선하기 위해 분산제를 추가로 투입해야 한다. 또한 시간이 경과하면서 착색 안료들의 응집 등이 발생해서 최종 제품의 저장 안정성이 현저하게 떨어진다.

안료를 사용하지 않는 기술들도 보고되어 있는데 예를 들면 미국등록특허 제5,131,916호에 형광 염료를 유화 중합 중에 투입하여 제조하는 마커펜(Marker Pen)용 칼라 에멀젼에 대해서 기술되어 있고, 또한 한국등록특허 10-1915865 에는 유화중합 과정 중에 반응형 형광염료와 비반응형 형광염료를 반응형 유화제와 함께 사용함으로써 네일 에나멜등의 화장품에 사용하기에 적합한 형광 수성 에나멜 조성물의 제조방법이 보고되었다. 하지만 유기 염료들, 특히 형광 염료의 경우 일반 염료에 비해 색발현성은 매우 뛰어난데 반해 빛에 대한 안정성 즉, 내광성(Light Fastness)은 매우 떨어지는데 상기 기술들은 수성 에멀젼의 내광성에 대해 자세히 기술하고 있지는 않다.

일반적으로 색조화장품 및 착색페인트의 경우 옥외에서 태양광 및 자외선에 노출되는 경우가 많기 때문에 내광성이 매우 중요하다. 착색 수지들이 장시간 외광에 노출 될 경우 착색제 자체가 자외선을 흡수하여 깨지기도 하지만 바인더 수지가 자외선에 의해 라디칼을 형성하고 이들 라디칼에 의해 착색제가 기능을 잃어버릴 수도 있다. 따라서 옥외 노출이 빈번한 도료 및 플라스틱의 경우 통상 자외선 흡수제를 첨가하는데 벤조페논(Benzopheneone), 벤조트리아졸(Benzotriazol) 또는 벤조트리아진(Benzotriazine) 등 다양한 종류의 자외선 흡수제가 상용화되어 있다. 통상 자외선 흡수제가 형광 염료를 보호하기 위해서는 자외선 흡수제의 함량이 형광염료의 함량 대비 월등히 높아야만 되는데, 이들을 동시에 투입하여 수성 에멀젼을 만들기 위해서는 형광 염료 및 자외선 흡수제 모두 아크릴 모노머 및 아크릴 수지에 대한 용해도가 매우 높아야 하므로 아크릴 수지 대비 형광 염료 및 자외선 흡수제의 함량을 증가시키기에는 한계가 있다.

일본특허 JP 2016-169181에는 화학 결합을 통하여 나프탈이미드계 형광염료와 벤조트리아졸계 자외선 흡수제를 한 분자화한 일체형 형광염료에 대한 제조 방법 및 이를 이용해서 제조한 필름에 대한 내광성에 대해 기술하고 있는데 이 경우 일체형 염료를 제조하는데 시간이 많이 소요 될 뿐만 아니라 일체형 염료의 제조원가가 매우 상승하는 단점이 있다.

이와 같이, 아직까지 형광 염료 및 자외선 흡수제를 사용해서 내광성 및 저장안정성을 향상시킨 형광 수성 에멀젼을 제조하는 방법에 대해서는 구체적으로 알려져 있지 않다.

미국등록특허 제5,131,916호 한국등록특허 제10-1915865호 일본등록특허 제2016-169181

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내광성 및 저장안정성이 우수한 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 a) 형광 염료, 자외선 흡수제, 아크릴 수지 중합이 가능한 모노머, 유화제 및 용매를 혼합하여 제1프리에멀젼을 제조하는 단계; b) 아크릴 수지 중합 가능한 모노머, 유화제 및 용매로 이루어진 제2프리에멀젼을 제조하는 단계; c) 상기 제1프리에멀젼과 중합개시제를 투입하여 1차 유화중합을 수행하는 단계; 및 d) 상기 1차 유화중합 반응 완료 후 제2프리에멀젼을 투입하여 2차 유화중합을 수행하는 단계를 포함하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 형광 수성 에멀젼 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 본 발명에 따른 형광 수성 에멀젼 조성물은 아크릴 반응기를 가지는 형광 염료 및 자외선 흡수제를 유화중합 초기에 투입하는데 이때 형광염료는 가교제의 역할을 동시에 하기 때문에 아크릴 수지 내부 코어에서의 자외선 흡수제의 유동성 (mobility)이 억제 되고, 결과적으로 자외선 흡수제를 과량 사용하지 않더라도 최종 형광수성 에멀젼의 내광성이 향상 된다. 또한 형광 염료는 고분자 사슬에 화학적으로 결합됨과 동시에 자외선 흡수제의 유동성을 제어할 수 있게 되므로 형광 염료 및 자외선 흡수제의 재응집, 마이그레이션 (migration) 등의 문제는 전혀 발생되지 않는 특성을 가지게 된다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법은 a) 형광 염료, 자외선 흡수제, 아크릴 수지 중합이 가능한 모노머, 유화제 및 용매를 혼합하여 제1프리에멀젼을 제조하는 단계; b) 아크릴 수지 중합 가능한 모노머, 유화제 및 용매로 이루어진 제2프리에멀젼을 제조하는 단계; c) 상기 제1프리에멀젼과 중합개시제를 투입하여 1차 유화중합을 수행하는 단계; 및 d) 상기 1차 유화중합 반응 완료 후 제2프리에멀젼을 투입하여 2차 유화중합을 수행하는 단계를 포함하는 것이 특징이다.

이때, 제1프리에멀젼의 함량은 에멀젼 조성물 전체 중량의 20 내지 50 wt% 미만인 것이 바람직하다. 프리에멀젼의 함량이 전체 중량의 20wt% 미만이면 염료 함량을 크게 증가시켜야 하는 문제가 있을 뿐만 아니라 중심(Core)에 대한 가교 효과가 떨어져 자외선 흡수제의 유동성을 제어하는데 한계가 있게 된다. 반면에 50wt% 이상이 되면 너무 넓은 부분에서 가교반응이 진행되어 코팅 및 인쇄 후의 면상이 거칠어지는 등 후가공성이 현저히 저하된다.

또한 제1프리에멀젼 또는 제2프리에멀젼의 투입은 균등 분할 방식으로 수행되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 반응 시간 전체에 걸쳐 5% 이하의 소량씩 지속적으로 투입하는 방식으로 유화중합 반응을 진행하여 에멀젼 조성물을 얻는다.

또한 본 발명에서 1차 또는 2차 유화중합 반응은 50 내지 95℃ 범위에서 수행되는 것이 바람직하며, 60 내지 85℃에서 수행하는 것이 더욱 바람직하다. 반응 온도가 50℃ 미만이면 유화중합의 속도가 너무 느리며 반응이 잘 진행되지 않고, 반면 반응 온도가 너무 높을 경우 분자량 분포가 넓어지는 단점이 있다.

본 발명에 사용가능한 형광 염료는 모노머에 용해 가능하고 형광을 나타낼 수 있는 유기 염료로서, 예를 들면 페릴렌계, 나프탈이미드계, 시아닌계 염료 등을 들 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니며, 아크릴 중합 반응에 직접 참여할 수 아크릴 반응기를 2개 이상 가지는 형광 염료이면 어느 것이나 사용가능하다. 또한 형광 염료의 함량은 전체 모노머 100 중량부를 기준으로 0.02 내지 2 중량부인 것이 바람직하다. 형광 염료의 함량이 0.02 중량부 미만이면 색발현성이 너무 저하되고, 2 중량부를 초과할 경우 제1프리에멀젼의 형성이 불안정해져서 중합반응이 원활하게 진행되지 못한다.

또한 본 발명에서 자외선 흡수제는 벤조페논계, 벤조트리아졸계 또는 벤조트리아진계 화합물 중에서 1종 이상 선택하여 사용할 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니며 화장품이나 페인트 분야에 통상적으로 사용되는 자외선 흡수제는 어느 것이나 사용가능하다. 이때, 자외선 흡수제의 함량은 형광 염료 함량의 0.5 내지 3배인 것이 바람직하다. 자외선 흡수제의 함량이 형광 염료 함량의 0.5 배 미만이면 자외선 차단 효과가 낮아 내광성 향상에 기여하지 못하게 되며, 반면 형광 염료의 3 배 이상이면 제1프리에멀젼의 형성이 불안정해져서 중합반응을 방해하는 원인이 된다.

한편 본 발명에 사용가능한 모노머는 아크릴계 모노머 또는 (메타)아크릴산 에스테르계 모노머, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택할 수 있으며, 구체적으로 아크릴산, 2-에틸헥실아크릴레이트, 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타) 아크릴레이트, 부틸(메타) 아크릴레이트, 헥실(메타)아크릴레이트, n-옥틸(메타)아크릴레이트, 이소옥틸(메타) 아크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트 및 이소노닐(메타)아크릴레이트 및 이들의 혼합물 중에서 선택하여 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.

또한 본 발명에 사용가능한 중합개시제는 통상적으로 에멀젼 중합에 사용되는 임의의 중합개시제가 모두 가능하며 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어, 벤조일퍼옥사이드, 라우릴퍼옥사이드, 큐멘하이드로퍼옥사이드, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, t-부틸하이드로퍼옥사이드 등의 퍼옥사이드계 화합물; 2,2'-아조비스이소부틸로니트릴, 2,2'-아조비스-2,4-디메틸발레로니트릴, 2,2'-아조비스-2-메틸이소부티로니트릴 등의 아조계 화합물 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 이때, 중합개시제의 함량은 전체 모노머 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부인 것이 바람직하다. 중합개시제의 함량이 0.1 중량부 미만이면 반응 속도가 느려지고 또한 생성된 중합체의 분자량이 너무 증가하는 단점이 있고, 반면 중합개시제의 함량이 10 중량부를 초과하면 고분자의 중합체를 얻기 어려운 문제가 있다. 본 발명에서 중합개시제는 제1프리에멀젼과 함께 투입되어 1차 유화중합에 사용되며, 2차 유화중합에도 추가로 투입되어 사용될 수 있다.

한편 본 발명에 사용가능한 유화제로는 라디칼 중합가능한 반응성 유화제 및 비반응성 유화제 등 종래 공지의 것을 임의로 사용 할 수 있다. 예를 들면 비반응성 유화제로 폴리옥시에틸렌라우릴에테르, 폴리옥시에틸렌스테아릴에테르 등의 폴리옥시에틸렌알킬에테르계 화합물 사용할 수 있으며, 반응성 유화제의 경우 라디칼 중합반응기를 가지는 알킬페닐에테르계 혹은 알킬페닐에스테르계, 아크릴레이트황산에스테르계 화합물 등을 사용할 수 있다. 유화제의 사용량은 특별히 한정 되지는 않으나 전체 모노머 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 10 중량부의 범위 내에서 사용 하는 것이 적절하다. 유화제의 함량이 0.5 중량부 미만이면 모노머에 대한 유화가 충분치 않아 유화중합이 잘 진행되지 않으며 유화제가 10 중량부를 초과이면 작은 크기의 마이셀이 너무 많이 생성되는 등 최종 수지물성이 떨어 질 뿐만 아니라 유화제로 인해 수지의 저장안정성이 시간이 지남에 따라 급격히 저하되는 문제가 있다.

또한 본 발명은 수성 에멀젼 조성물로서, 용매로는 이온교환수 등의 물(H₂O)을 사용한다.

이와 같이, 본 발명은 아크릴 반응기를 2개 이상 포함하는 유기 형광 염료와 자외선 흡수제를 유화 중합 반응 초기에 투입하여 1차로 반응시킨 후, 순차적으로 2차 유화 중합을 수행함으로써 내광성, 색선명도 및 저장안정성이 뛰어난 형광 수성 아크릴 에멀젼 조성물을 제공하며, 이에 따라 제조된 형광 수성 아크릴 에멀젼 조성물은 광수성페인트 및 네일아트용 화장품 등에 적용하기에 적합하다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제시된 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

< 합성예 > 페릴렌계 형광 염료 (0-1)의 합성

페릴렌테트라카르복실 이무수물 (Perylenetetracarboxylic dianhydride) 4.08g, 디글리콜아민(diglycolamine) 10.08g을 넣고, 130도에서 3시간 교반하였다. 실온으로 냉각하고, 에탄올을 투입하여 결정을 석출하였다. 이를 여과한 후 메탄올로 여러 번 세척한 다음 건조하였다. 합성된 -OH 반응기를 가지는 오렌지(Orange) 형광체(N,N'-bis(2-[2-hedroxyethoxy]ethyl)perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid bisimide)에 비닐(vinyl)기를 도입하기 위해서 건조된 파우더 4g, 아크릴로일 클로라이드(acryloyl chloride) 0.5g, 다이옥산(dioxane) 40g을 넣고, 100도에서 3시간 동안 가열하였다. 반응물을 실온으로 냉각시킨 후 물로 결정을 석출하였다. 이를 여과시켜 건조함으로써 비닐기가 도입된 오렌지 형광체를 O-1을 얻을 수 있었다.

< 실시예 > 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조

교반기, 온도계, 환류기를 구비한 반응기에 이온교환수 53 중량부와 유화제로 Hitenol BC (다이이치코교세이야쿠사) 3 중량부를 투입한 후 교반하면서 80℃까지 승온하였다.

이온교환수 13.8 중량부, Hitenol BC 1.6 중량부 및 메틸메타아크릴레이트 20중량부, 아크릴산 0.8중량부, 2-에틸헥실아크릴레이트 19.2 중량부 및 상기 합성예서 합성한 형광 염료 1 중량부, 트리아진계 자외선 흡수제인 DORAFAST-S (아크로마코리아사) 1.5 중량부를 혼합하여 제1프리에멀젼을 제조했으며, 이온교환수 20.7 중량부, Hitenol BC 2.4 중량부 및 메틸메타아크릴레이트 30중량부, 아크릴산 1.2중량부 및 2-에틸헥실아크릴레이트 28.8 중량부를 혼합하여 제2프리에멀젼을 제조 하였다.

상기에서 제조된 제1프리에멀젼의 5%를 상기 반응 용기에 첨가한 후 중합개시제로 벤조일퍼옥사이드 0.3 중량부를 투입하여 반응이 시작되는 것을 확인한 후 제1프리에멀젼을 96분 동안 동안 균등 투입하여 유화중합을 진행시켰으며, 제1프리에멀젼 투입 종료 후 연속적으로 제2프리에멀젼을 계속해서 144분 동안 균등 투입하여 유화중합 반응을 종료하였다. 반응 종료 후 온도를 65℃까지 냉각시킨 다음 벤조일퍼옥사이드 0.004 중량부를 투입하고, 30분간 교반시킨 후 25% 암모니아수 3.9 중량부 첨가하여 pH=8, 고형분 50 중량%의 형광 수성 에멀젼 조성물을 얻었다.

< 비교예 1 >

실시예 1에서 제1프리에멀젼, 제2프리에멀젼을 분리해서 투입하지 않고 함께 혼합해서 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 형광 수성 에멀젼을 제조하였다.

< 비교예 2 >

실시예 1에서 자외선 흡수제를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 형광 수성 에멀젼을 제조하였다.

< 비교예 3 >

실시예 1에서 반응형 형광 염료 O-1 대신에 반응기가 없는 형광 오렌지 염료 (Lumogen Orange 240, BASF사)를 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 형광 수성 에멀젼을 제조하였다.

< 실험예 >

본 발명에 따른 실시예 및 비교예에서 제조된 형광 수성 수지 조성물의 특성은 다음 실험을 통해 평가하였으며 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.

(1) 내광성

상기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 형광 수성수지 조성물을 솔벤트 캐스팅(solvent casting)하여 두께 100 micron의 시트를 제조하였으며 Xenon-arc 또는 Carbon-arc를 이용한 일광견뢰도 측정시험(시험표준: KS K07000)을 통해 내광 등급을 결정하였다. 80시간 경과 후 빛에 노출된 부분과 빛에 노출되지 않는 부분의 색상 차이가 없을 경우에는 O로 표기하였으며 반면 빛에 노출된 부분과 빛에 노출되지 않는 부분의 색상 차이가 있을 경우 X 로 표기하였다.

(2) 저장 특성

상기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 형광 수성수지 조성물을 실온에서 30일간 방치한 후 수지의 상태를 육안으로 관찰하였다. 염료의 응집 등 입자가 관찰되지 않을 경우 O, 입자 등 부유물이 관찰 될 경우 X로 표기하였다.

상기 [표 1]에 나타낸 바와 같이 반응형 형광 염료와 자외선 흡수제를 유화중합 초기에 투입하는 경우 우수한 특성의 형광 수성 에멀젼을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 반면 비반응형 형광 염료를 사용하거나 자외선 흡수제를 사용하지 않는 경우, 또한 반응형 형광 염료를 사용하더라도 에멀젼 중합 초기에 투입하지 않는 경우에는 형광 수성 에멀젼 조성물의 내광특성 또는 저장특성이 떨어짐을 알 수 있다.

Claims (15)

1. a) 형광 염료, 자외선 흡수제, 아크릴 수지 중합이 가능한 모노머, 유화제 및 용매를 혼합하여 제1프리에멀젼을 제조하는 단계;
   b) 아크릴 수지 중합 가능한 모노머, 유화제 및 용매로 이루어진 제2프리에멀젼을 제조하는 단계;
   c) 상기 제1프리에멀젼과 중합개시제를 투입하여 1차 유화중합을 수행하는 단계; 및
   d) 상기 1차 유화중합 반응 완료 후 제2프리에멀젼을 투입하여 2차 유화중합을 수행하는 단계를 포함하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1프리에멀젼은 에멀젼 조성물 전체 중량의 20 내지 50 wt% 미만인 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 1차 또는 2차 유화중합 반응은 50 내지 95℃ 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1프리에멀젼 또는 제2프리에멀젼의 투입은 균등 분할 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 형광 염료는 2개 이상의 아크릴 반응기를 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 형광 염료는 페릴렌계, 나프탈이미드계, 시아닌계 화합물 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 형광 염료의 함량은 전체 모노머 100 중량부를 기준으로 0.02 내지 2 중량부인 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 자외선 흡수제는 벤조페논계, 벤조트리아졸계 또는 벤조트리아진계 화합물 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 자외선 흡수제의 함량은 형광 염료 함량의 0.5 내지 3배인 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 모노머는 아크릴계 모노머 또는 (메타)아크릴산 에스테르계 모노머, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 중합개시제는 벤조페논계, 벤조트리아졸계, 벤조트리아진계 화합물 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
12. 제1항에 있어서,
    상기 중합개시제의 함량은 전체 모노머 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부인 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
13. 제1항에 있어서,
    상기 유화제는 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 알킬페닐에테르 또는 알킬페닐에스테르, 아크릴레이트황산에스테르 화합물 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
14. 제1항에 있어서,
    상기 유화제의 함량은 전체 모노머 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 10 중량부인 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물의 제조방법.
15. 제1항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 형광 수성 에멀젼 조성물.