우레탄 폼용 정포제 기초 (Surfactant)

정포제(surfactant)는 코팅액이나 생활용품에도 사용이 되지만, 계면활성제와 구분하여 우레탄 폼(Urethane foam)에 많이 사용되는 첨가제(additive)입니다. 말 그대로 첨가제이므로, 주원료는 아니나 최종 제품의 물성에 비교적 영향이 크기 때문에 촉매(catalyst)와 함께 주요 원료 중 하나인데요, 간략하게 기초가 될 내용을 정리해 보겠습니다.

 

우레탄 폼의 일반적인 조성

우레탄 폼은 일반적으로 이소시아네이트(isocyanate)와 폴리올(polyol)을 합성하면서 발포제(blowing agent)로 물이나 다른 물질을 투입하고 촉매와 정포제가 추가 첨가제로 배합됩니다. 여기서 촉매는 blowing 촉매와 gelling 촉매로 크게 구분을 하고, trimerization 촉매를 별도 처방하기도 합니다. 그리고, 정포제가 들어가죠. 이를 잘 mixing하고 반응을 시키면 셀 구조를 형성하면서 우레탄 폼이 완성이 됩니다.

 

정포제(Surfactant)와 Amphiphile 분자

정포제는 영문으로 surfactant라고 하는데, Surface Active Agent라고 하면 물리적인 이해가 좀 더 쉽겠습니다. 기본적으로 amphiphile molecule인데요, amphiphile이라는 것은 양쪽이라는 뜻의 amphi와 좋아한다는 뜻의 phile가 합쳐진 단어니까 양쪽을 좋아한다는 뜻이 되겠죠. 이 말은 분자 구조가 최소 두 개의 분리된 부분이 존재해서 섞이지 않는(immiscible) 두 영역이 있을 때 각각의 부분에 상용성이 있다는 뜻입니다. 두 개의 분리된 부분이 상용성이 있는 상(phase)으로 확산되어서 표면의 활성(surface activity)을 높인다 정도로 정리할 수 있겠지요.

예를 들어서 설명을 해보면, 친수성(hydrophilic)과 소수성(친유성, hydrophobic)을 동시에 가지는 분자를 들 수 있는데요, 이러한 분자 구조를 물과 기름과 함께 혼합하게 된다면, 친수성 부분은 물과, 소수성 부분은 기름에 녹게 됩니다.

두 번째로 극성(polar)과 비극성(non-polar) 부분이 한 분자에 존재할 수도 있겠죠. 이런 경우 극성 부분은 polymer phase에, 비극성 부분은 gas phase에 녹는 방식으로 활용이 됩니다.

- amphiphile molecule 구조 -

 

 

우레탄 폼(PU foam)용 정포제

 

정포제의 기능

일반적으로 우레탄 폼에는 실리콘(silicone)계 정포제가 적용이 되는데요, 반드시 처방되어야 하고, 어떠한 종류의 제품이 처방이 되어야 하는지 알려면 어떠한 기능을 하는지도 이해를 하고 있어야 합니다. 간략하게 아래 정도로 정리할 수 있습니다.

• 우레탄 폼의 원료를 혼합할 때 Emulsification 향상 (유화작용) : 일반적으로 polyol과 발포제를 우선 혼합하고 여기에 isocyanate가 혼합이 되는데요, 폴리올과 발포제, 그리고 MDI(Methlene diphenyl isocyanate)가 잘 안 섞이는 경우가 많습니다. 이럴 때 정포제가 emulsification을 향상시켜 주는데요, foam 물성이 균일하게 제조하는데 필요합니다. 참고로, polyol과 발포제가 혼합된 용액을 PU system이라고 합니다.
• Nucleation 조절 : 이 부분은 제조 공정에서 foam의 cell size와 관련이 되는데요, mixing할 때 표면장력을 낮추어 주므로 작은 gas bubble이 생성되므로, 핵 생성에 유리하게 되는 것입니다. 참고로 PU foam의 cell size가 작으면 일반적으로 보다 낮은 열전도율을 나타냅니다. PU foam이 단열재에도 많이 사용되는 것을 생각한다면 굉장히 중요한 부분이죠.
• 기포가 생성되면서 폼의 셀의 성장할 때 이를 안정화시키고, 응집되지 않도록 합니다. 균일하고 미세한 기공 구조를 만듭니다.
• 기공 구조에서 셀들이 수축되거나 파괴되지 않고 셀이 잘 형성된 다음 유지되도록 합니다.

 

실리콘계 정포제의 구조

위에 일반적으로 실리콘계 정포제가 PU foam에 적용된다고 하였는데요, 실록산 결합이 된 실리콘에 side chain이 Si-C 구조가 대부분인데, Si-O-C 구조인 경우도 꽤 있습니다. 아래 이미지는 Si-C 구조 정포제입니다.

- PU foam용 실리콘 정포제 구조 (Si-C 연결) -

위에 이미지를 보면 알겠지만, 비극성의 PDMS(polydimethylsiloxane)에 폴리올과 상용성을 가지는 polyether chain이 연결되어 있습니다. polyether chain을 보면 EO(ethylene oxide)와 PO(propylene oxide)가 있죠. 여기서 우리는 변주를 어떻게 줄 수 있는지를 알아야 합니다. 만약에 PU foam을 개발하는 연구원이거나, PU foam 재료를 구매하는 구매담당자, 또는 생산 engineer이거나 품질 engineer라고 해봅시다. 그리고, 저 정포제가 어떠한 variation을 가질 수 있는지를 알고 정포제 공급 업체에 문의를 하는 것과 모르고 문의를 하는 것은 performance에서 큰 차이를 보이게 된다고 저는 생각을 합니다. 어떠한 제품을 개발하거나 생산할 때 이러이러한 용도로 쓸 수 있는 정포제가 있나요 이런 식으로 문의하는 것과, 이러이러한 용도에 사용하려고 하는데 기존에 어떠한 구조를 쓰니 어떤 물성을 만족을 못했다, 공정에서 어떤 문제가 있었고 개선 포인트가 있으니 이러이러한 구조로 된 정포제를 추천해 달라 내지 최소한 정포제를 추천하되 구조를 공개할 수 있는 범위에서 알려달라 이렇게 이야기를 하는 것은 정말 큰 차이입니다. 너무 꼰대 같은 소리를 또 늘어놓았군요. 하지만 일을 할 때 스스로 학습을 하고 접근을 어떻게 하느냐 하는 것은 나중에 정말 큰 차이를 가져온다는 말을 하고 싶습니다.

 

다시, 본론으로 들어서 저 구조에서 보듯이 실리콘계 정포제는 아래와 같이 여러 변주(variation)가 가능합니다.

• 구조가 Si-C이냐, Si-O-C이냐의 여부 (Si-C or Si-O-C structure)
• Siloxane과 polyether 비율(ratio)
• Siloxane chain length
• polyether의 분자량
• EO와 PO의 비율
• polyether capping group

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이 정도로 PU foam용 정포제에 대한 내용은 정리할 수 있을 것 같습니다. 우레탄 폼 촉매에 대한 내용은 아래 링크를 참조하시면 되겠습니다.

2023.12.07 - [Career Story/고분자 기초] - 우레탄 촉매 기초

우레탄 촉매 기초