바이오 기반 반응성 계면활성제 합성 및 고내수성 유화 점착제 응용

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 수계 에멀젼 중합을 기반으로 제조되는 아크릴계 감압성 접착제(PSA)에서 일반 계면활성제의 이동(migration)으로 인해 발생하는 내수성 저하 및 계면 접착력 감소 문제를 개선하고자, 비식용 바이오매스 유래 10-undecenoic acid를 출발물질로 하여 반응성 계면활성제(IBS)를 합성하고 이를 PSA 시스템에 적용하였다. IBS는 중합 가능한 기능기를 포함하고 있어 고분자 사슬에 공유결합 형태로 도입될 수 있으며, 이러한 특성은 필름 형성 이후 계면활성제가 이동하지 않는 비이동성(non-migrating) 구조 확보에 기여할 것으로 예상된다.
합성된 IBS를 단독 안정제로 사용하여 제조한 아크릴 라텍스의 필름 표면을 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)로 분석한 결과, 기존 sodium dodecyl sulfate(SDS) 기반 PSA에서 확인된 표면 계면활성제 축적이 IBS 기반 PSA에서는 현저히 감소함을 확인하였다. 이는 반응성 계면활성제가 고분자 네트워크 내부에 효과적으로 고정됨을 시사한다. 또한 IBS 적용에 따라 필름의 물 흡수량이 감소하고 정적·동적 접촉각이 증가하는 등 내수성이 향상되었으며, 이는 계면 안정성 개선과 더불어 이온성 그룹에 기인한 미세 구조적 강화 효과가 동반된 결과로 해석된다.
접착 특성 평가에서도 IBS 기반 PSA는 기존 SDS 시스템과 비교하여 보다 높은 응집력(cohesion)을 나타냈으며, 특히 돈피(porcine skin) 기재에서의 박리시험 결과 파괴양상 (failure mode)이 계면 파괴(adhesion failure)에서 응집 파괴(cohesive failure)로 전환되는 거동을 보였다. 습윤 조건(생리식염수 침지)에서도 IBS 기반 PSA는 상대적으로 우수한 접착력 유지율을 보여, 고습 환경에서의 내구성이 향상되었음을 확인하였다.
이와 같은 일련의 결과는 비식용 바이오매스 기반 반응성 계면활성제가 에멀젼 중합형 PSA에서 기존 비반응성 계면활성제의 한계를 보완할 수 있음을 보여준다. 나아가 본 연구는 지속가능한 원료 기반 반응성 계면활성제를 활용하여 내수성 및 접착 내구성이 요구되는 PSA 개발에 적용할 수 있는 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a reactive surfactant (IBS) derived from inedible biomass, specifically 10-undecenoic acid, was synthesized and applied to the emulsion polymerization of acrylic pressure-sensitive adhesives (PSAs). Conventional PSAs stabilized with non-reactive surfactants often suffer from limited water resistance and reduced interfacial adhesion due to surfactant migration toward the film surface during or after film formation. IBS contains a polymerizable functional group that enables covalent incorporation into the polymer chains, which is expected to suppress such migration and improve the overall stability of the adhesive film.
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed that the surface accumulation of surfactant, clearly observed in sodium dodecyl sulfate (SDS)-based PSA films, was significantly reduced in the IBS-based system. This result indicates that the reactive surfactant is effectively immobilized within the polymer matrix. The use of IBS also improved the water resistance of the films, as evidenced by reduced water uptake and increased static and dynamic contact angles. These changes are attributed to enhanced interfacial stability and to microstructural reinforcement originating from ionic interactions within the polymer network.
Mechanical and adhesive performance tests further demonstrated the benefits of employing IBS. The IBS-based PSA exhibited higher cohesive strength than the SDS-based control, and peel tests conducted on porcine skin substrates showed a transition from interfacial failure to cohesive failure with increasing IBS content. Under wet conditions, including saline immersion, the IBS-based PSA maintained a higher fraction of its initial peel strength, indicating improved durability in humid or aqueous environments.
Overall, the findings of this study suggest that biomass-derived reactive surfactants can effectively overcome the limitations associated with conventional non-reactive surfactants in emulsion polymerization. The results highlight the potential of IBS as a promising stabilizer for developing water-resistant and durable PSAs suitable for applications that demand enhanced interfacial performance.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장. 서론 1
• 1.1 감압성 접착제(PSA)의 개념과 작용 원리 1
• 1.2 수계 PSA와 에멀젼 중합의 특징 4
• 1.3 기존 비반응성 계면활성제의 종류와 구조적 한계 9
• 1.4 Reactive Surfactant의 개념과 필요성 13
• 1.5 비식용 바이오매스 기반 반응성 surfactant의 필요성과 IBS의 개념 17
• 1.6 본 연구의 목적 20
• 제 2장. 실험 22
• 2.1 IBS 합성에 사용된 시약 및 재료 22
• 2.2 Inedible bio-based reactive surfactant 합성 25
• 2.2.1 Methyl undec-10-enoate의 합성 (Step 1: methylation) 25
• 2.2.2. Undec-10-en-1-ol의 합성 (Step 2: reduction) 25
• 2.2.3. 9-(Oxiran-2-yl)nonan-1-ol의 합성 (Step 3: epoxidation) 26
• 2.2.4. 2-(9-(Allyloxy)nonyl)oxirane의 합성 (Step 4: allylation) 27
• 2.2.5. 11-(Allyloxy)undecan-2-ol의 합성 (Step 5: ring-opening) 28
• 2.2.6. Sodium 11-(allyloxy)undecan-2-yl sulfate (IBS)의 합성 (Step 6: sulfation) 29
• 2.3 에멀젼 중합에 사용된 시약 및 재료 32
• 2.4 에멀젼 중합 방법 34
• 2.4.1 프리-에멀젼(pre-emulsion) 제조 34
• 2.4.2 IBS를 이용한 에멀젼 중합 35
• 2.4.3 SDS를 이용한 에멀젼 중합 (Control) 36
• 2.5 분석기기 및 분석 방법 38
• 2.5.1 일반 사항 및 시편 준비 38
• 2.5.2. 핵자기공명분석(NMR, 1H 및 13C NMR) 39
• 2.5.3. IBS 수용액의 표면장력 측정 40
• 2.5.4. 라텍스 입자 크기 분석(Dynamic Light Scattering, DLS) 41
• 2.5.5. 모노머 전환율(Conversion) 측정 42
• 2.5.6. Reactive surfactant(IBS) 전환율 측정(qNMR 분석) 43
• 2.5.7. 필름 표면의 접촉각(Contact Angle) 및 표면자유에너지(Surface Free Energy) 측정 45
• 2.5.8 원자힘현미경(AFM) 분석 47
• 2.5.9 X-선 광전자분광분석(XPS) 48
• 2.5.10 주사전자현미경(SEM) 및 에너지분산형분광분석(EDS) 49
• 2.5.11 점착특성 평가(Adhesion Performance) 50
• 2.5.12 레오미터 분석(Rheological Analysis) 52
• 2.5.13 수분흡수율(Water absorption) 측정 53
• 제 3장. 결과 및 고찰 54
• 3.1 IBS의 분자 구조 및 기본 특성 54
• 3.2 IBS를 이용한 에멀젼 중합 특성 59
• 3.3 에멀젼 PSA 필름의 물성 평가 64
• 3.4 에멀젼 PSA의 점착 특성(Adhesion Properties) 72
• 3.5 돈피(porcine skin) 기반 모델에서의 실제 적용 접착성 평가 76
• 3.5.1 생리식염수 환경에서의 젖은 접착성 내구성 평가 77
• 제 4장. 결론 80
• 참 고 문 헌 82
• 부록 86
• ABSTRACT 91