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아크릴 점착제는 크게 단량체, 가교체, 첨가제로 구성되는데 이때 단량체는 아크릴 모노머를 주요 성분으로 하는 라디칼 중합체로, 우수한 내열성, 내후성을 가지며 고분자 그 자체로도 점착 특성을 발휘할 수 있다. 중합체의 주쇄의 성분, 관능기, 극성기 등을 선택적으로 구성하여 목적에 부합하는 점착제를 용이하게 제조할 수 있는데 주로 용제 중합, 벌크 중합, 에멀젼 중합 등이 사용된다.
점착제의 중합시 우선 고려해야 할 요소는 고분자의 유리전이 온도(Tg), 분자량, 분자량 분포이며, 필요에 따라 기능성을 보유한 단량체를 공중합하거나 변성 단량체를 도입할 수 있다. 또한 중합 조건을 조절하고 응용하여 특수한 고분자를 합성할 수 있다.
아크릴 점착제의 단량체
아크릴 중합체의 주요 구성은 점착성을 부여하는 주 단량체, 응집성을 부여하는 공 단량체, 점착성 부여 및 가교점 형성의 역할을 하는 관능기 함유 단량체로 이루어진다.
주 단량체는 Tg가 -50℃ 이하인 C1~C9의 아크릴산 알킬 에스테르, C10~C12의 메타크릴산 에스테르가 주로 사용된다. 현재 시판되는 아크릴 점착제는 주로 2-ethylhexyl acrylate, n-butyl acrylate, ethyl acrylate 등을 사용하고 있다.
공 단량체는 초산 비닐, 아크릴로니트릴, 스티렌, 메틸 아크릴레이트, 저급 알킬기의 아크릴산 에스테르, 메타크릴산 에스테르 등이 사용되며, 주 단량체와 공중합된 후 Tg를 높여줄 수 있는 모노머들이 선택된다. 이들은 응집력과 점착성을 높일 뿐 아니라 내수성, 투명성, 가공성 등을 개선하고 특수성을 발현하는 역할을 한다.
관능기 함유 단량체는 점착성을 높이고 가교점을 형성하기 위해 사용되는데, 아크릴산과 메타크릴산 등의 카르복실기를 함유한 모노머와 수산기, 에폭시기, 아미노기 등이 주로 선택된다. 특히 카르복실 산 중 가장 많이 사용되는 아크릴산(acrylic acid)은 높은 극성으로 인하여 점착성을 향상하는 효과가 있다. 다만 과량 사용 시 tack이 급격히 감소하고, 금속 재질의 피착재를 부식시킬 수 있어 10wt% 이내로 사용량을 제한하기도 한다.
일반적으로 아크릴산 알킬에스테르들은 반응성의 차가 작아 공중합하기 쉽고, 장치조성과 공중합 조성의 차가 비교적 작다. 그러나 공 단량체나 관능기 함유 단량체의 공중합성이 아크릴산 알킬 에스테르와 차이가 클 경우, 공중합체의 조성은 중합의 진행에 따라 변하고 불균일하게 된다. 또한 현재 시판되는 많은 점착제의 중합체는 랜덤 공중합체로 구성된 경우가 많으나, 공 단량체와 관능기 함유 단량체의 분포 형태에 따라 점착력, 응집력을 비롯한 점착 특성이 변화할 수 있어 블록, 그라프트 형태도 연구되고 있다.
아크릴계 점착제에 사용되는 대표적인 모노머를 아래 표에 나타내었다.
| 구분 | 모노머 | Tg |
| 주 단량체 | ethyl acrylate (EA) n-butyl acrylate (BA) 2-ethylhexyl acrylate (2-EHA) |
-22℃ -55℃ -70℃ |
| 공 단량체 | vinyl acetate (VAc) acrylonitrile (AN) styrene (St) methyl methacrylate (MMA) methyl acrylate (MA) |
32℃ 97℃ 80℃ 105℃ 8℃ |
| 관능기 함유 단량체 | acrylic acid (AA) methacrylic acid (MAA) 2-hydroxyethyl acrylate (HEA) 2-hydroxy methacrylate (HEMA) dimethylaminoethyl methacrylate (DM) acrylamide (AM) glycidyl methacrylate (GMA) |
106℃ 228℃ -15℃ 55℃ 13℃ 165℃ 46℃ |
분자량 및 분자량 분포
아크릴 점착제의 tack, 접착력, 응집력 등 점착 물성에 영향을 크게 미치는 요소 중에는 중합체의 분자량과 분자량 분포가 있다. 일반적으로 사용되는 용제형 아크릴 점착제의 중합체 분자량은 20~100만 수준으로 형성되고, 분자량 분포가 넓은 편이다. 또한 UV 라디칼 반응을 이용하여 벌크 중합한 UV 시럽은 100만 이상의 고분자량을 가질 수 있고, 분자량 분포는 매우 좁은 편이다. 분자량이 낮은 중합체는 흐름성을 용이하게 하여 피착재에 잘 젖을 수 있게 해주나 응집력이 낮고, 분자량이 높은 중합체는 응집력은 높으나 흐름성이 부족하다. 따라서 점착 물성, 내열성 및 도포 성능을 보다 높이기 위해서는 높은 분자량과 균형있는 분자량 분포가 필요하다.
분자량과 분자량 분포를 제어하기 위해서는 단량체의 조성외에도 개시제의 농도, 반응 온도, 반응 시간 등의 중합 조건을 조절해야 하는데, 예를 들어 개시제 농도를 늘리거나 중합 온도가 상승하면 분자량이 감소하는 경향을 보인다.
한편, UV 시럽의 경우 고분자량의 제조가 가능하나 빠른 반응 속도로 인하여 제어가 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 광원을 LED, BLB 등 적합한 것으로 선택하고, 반응열을 체크하며 광에 대한 노출 시간을 조절하거나 1-dodecanethiol 같은 chain transfer agent를 적용하기도 한다.
관능기와 가교
용제형 아크릴계 점착제는 점착력과 응집력이라는 상반되는 물성을 개선 및 향상하기 위하여 가교를 이용하는 경우가 많은데 이 중 중합체가 함유하는 관능기를 통한 가교 반응이 있다. 가교 구조는 주로 중합체의 분자량, 관능기량, 가교제의 분자구조에 의존하며, 가교점간 분자량이 크면 변형성이 크고 응력에 대해 유리하게 작용한다.
아크릴계 점착제의 중요한 뼈대가 되는 아크릴 중합체는 단량체의 종류, 구성, 중합 조건 등에 따라 목적에 부합하는 물성을 발휘할 수 있는 설계가 가능하다. 최근에는 중합체의 기능성이나 신뢰성을 높이기 위하여 4원 공중합체로 구성하거나 액상 이소프렌 등 특수한 단량체를 도입하는 연구가 진행되고 있다.
