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한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”
교수 정인우
경북대학교 응용화학과inwoo@knu ac kr
2011-05-12 12011-05-12 1
한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”
> Research Background
UV 광중합 공정에 의한 제조된 강판 코팅은 최근 전자 및 가전 기기의 외관의 수려함과 고급화에 필수적인 소재이다 다른 중합 기법에 의해 광중합은의 수려함과 고급화에 필수적인 소재이다. 다른 중합 기법에 의해 광중합은비교적 높은 광택도를 나타낸다. 그러나 광택성에 미치는 여러 가지 공정 변수에 대한 영향에 대한 체계적인 상관 관계에 대한 연구가 부족하다. 또한 최근 높은 내식성이나 항균성이 요구되는 코팅 공정에서 사용되는 첨가또한 최근 높은 내식성이나 항균성이 요구되는 코팅 공정에서 사용되는 첨가제들은 광택성을 저하시키는 주요 원인이 된다.
Research Scope(1) Optimization of UV coating formulation for better gloss(2) Effects of urushiol for gloss, anticorrosive and antibacterial properties( ) g , p p
2011-05-12 22011-05-12 22011-05-12 2
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> Research Background
Urushiol based lacquer
h l i f hi l d i i 60– The lacquer consists of urushiol derivatives (60-70%), water (~20%), other water or oil-soluble proteins, laccase, and gums (~10%).
– It has been well known that the urushiolderivates bring out allergy and they can be easily purified from the lacquer by solvent extraction with various nonpolar or polarextraction with various nonpolar or polar organic solvents.
– Physical propertiesPhysical properties• Boiling point : 210~220 °C• Appearance: Dark brown, viscous liquid• Derivatives: Catechols having unsaturated alkyl
chains
2011-05-12 32011-05-12 32011-05-12 3
chains
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> Research Background
Urushiol 관련 연구 동향
on 25
30
PatentArticle
46.5%16.6%6.4%
of P
ublic
atio
15
20
Num
ber o
5
10 30.5%
Year1920 1940 1960 1980 20000
2007 Scifinder® Scholarship
2011-05-12 42011-05-12 42011-05-12 4
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> Research Background
2011-05-12 52011-05-12 52011-05-12 5
IW Cheong et al., Prog. Org. Coat 65 (2009) 341.
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> Research Background
2011-05-12 62011-05-12 62011-05-12 6
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> Research Background
2011-05-12 72011-05-12 72011-05-12 7
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> Research Background
Free-radical polymerization of Pristine Urushiol p y
BeforeBefore UV irradiation
Under UV irradiation Thin film formation
on the surface
Urushiol Monomer
Under UV irradiation
Urushiol Monomer
Cross-sectional view
Volumecontraction
500
Volumecontraction
2011-05-12 82011-05-12 82011-05-12 8
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> Research Background
Free-radical polymerization of Pristine Urushiol
O
p y
OH
hR
OH
OH
R
h
OHO Inhibition
R
OH
h&
retardation
OO
R
2011-05-12 92011-05-12 92011-05-12 9
R
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> Research Background
UV Photo-polymerization of Pristine UrushiolUV Photo polymerization of Pristine Urushiol
Before
After
O-H
R
OHO
=C-HAfter C=O OHOH
R
hR
R
R
OHO
C-O
1000150020002500300035004000
R
• Decreases in OH & carbon double bonds
• Formation of carbonyl (C=O)
2011-05-12 102011-05-12 102011-05-12 10
Wave number (cm-1)
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> Results and Discussion: Chemical Modification of Urushiol
Modified of Urushiol with mono IsocyanateCH2
CH3OH
Chemical Modification of Urushiol
C
CH3
CH2
C
CH3
HNC
OOH 3-isopropenyl-α,α-dimethylbenzyl isocyanate
O
OH
R
benzyl
R
isocyanate
CNHO
H2C
O
CHNO
CHNO
Reaction conditionO
O CNH
H2C
O O
R
Reaction condition- Reaction temp.: 40 oC- Reaction time: ~2 hr- Catalyst: SnOct2- Solvent: THF
2011-05-12 112011-05-12 11
R
R Solvent: THF- Equimolar reaction
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> Results and Discussion: Chemical Modification of Urushiol
f f h l
Chemical Modification of Urushiol
Purification of Urushiol
1. Dissolve in methylene chloridey2. Stirring for 1 hr under N23. Decanting lower phase4. Filtration with a paper filter
%)
C=OO-H str.=C-H str.
mitt
ance
(%-CH2-
C-H
Aromatic
C=C str.
C-O str.Tr
ansm str.
=C-H
1000200030004000
C H bending
2011-05-12 122011-05-12 122011-05-12 12
Wavenumber(cm-1)
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> Results and Discussion: Chemical Modification of Urushiol
d l f f d
Chemical Modification of Urushiol
Proton NMR Spectra and GPC Elution of Purified Urushiol
UrushiolMn : 463Mw : 469PDI : 1.01
Monomeric units
400MHz@25oC, in CDCl3
Mn : 1260Mw : 1446PDI : 1.14
@40oC, in THF (1mL/min)
Oligomeric units
Retention Time (min)16 18 20 22 24
in THF (1mL/min)
2011-05-12 132011-05-12 132011-05-12 13
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> Results and Discussion: Chemical Modification of UrushiolChemical Modification of Urushiol
Elemental Analysis of Purified Urushiol
OHR =Molar(%) Exp. Calc. Atom #
Carbon 37 0 38 2 21 OH
R
Carbon 37.0 38.2 21
Hydrogen 59.2 58.2 32**
Oxygen 3.8 3.6 2
Nitrogen 0* 0 0
Total 100 100 55*0 02 molar% of nitrogen was found
where, R=C15H31-2n, n = 0,1,2,3
0.02 molar% of nitrogen was found.**It varies depending on the number of carbon double bond.
2011-05-12 142011-05-12 14
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> Results and Discussion: Chemical Modification of UrushiolChemical Modification of Urushiol
FT-IR Analysis
-OH
FT IR Analysis
-NH
-NH
PUHI-MUBI-MUTMI MU (1 2)
N=C=O C=O
Wavenumber (cm-1)1000200030004000
TMI-MU (1:2)TMI-MU (1:1)
2011-05-12 152011-05-12 15
Wavenumber (cm )
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> Results and Discussion: Chemical Modification of UrushiolChemical Modification of Urushiol
H-NMR Analysis
HI-MU 1H-NMR
H NMR Analysis
HN
H2C C
H2
H2C C
H2
H2C
O H2 H2 H2
CH3a
b ccc
de
O
C
O
CO NH
H2C C
H2
H2C C
H2
H2C CH3a c
cc d
b
e
* -CH -CH - -CH -
-CH3
-CH2-CH2-1.9
R**
*6.7
-CH2-CH2-2.5
-CH2-c1.3
-CH=CH-CH=CH-
-CH=CH-CH=
-1012345678910
b1.6 d 0.9a 3.2-3.3 e 6.6CDCl3
2011-05-12 162011-05-12 16
ppm
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> Results and Discussion: Chemical Modification of UrushiolChemical Modification of Urushiol
H-NMR Analysis
BI-MU 1H-NMRH2 a
H NMR Analysis
O
O
C
ONH
2C
C
O
NH2C
a
a
bc
R
NH bc*
**
a 7.0-7.3 * 6.7
-1012345678910
b 4.2c 6.6
2011-05-12 172011-05-12 17
ppm
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> Results and Discussion: Chemical Modification of Urushiol
H-NMR Analysis
Chemical Modification of Urushiol
H NMR Analysis
H-MU 1H-NMRH MU H NMR
C
OHN
CH3
C
CH3
CCH3
CH2
a
b
ed
c
O
OH
C CH3 bc
*
*
e 7.2-7.3
b 1.2R*
* 6.7
-1012345678910
c 1.5d 6.9 a 4.9,5.1
2011-05-12 182011-05-12 18
ppm
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> Results and Discussion: Chemical Modification of UrushiolChemical Modification of Urushiol
Microscopic Images of the UV-cured Films with HI- and BI-modified Urushiol (without UV Coating Solution, on Glass Substrate)Substrate)
HI-UR Film BI-UR Film
2011-05-12 192011-05-12 192011-05-12 19
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> Experimental: Materials
Oligomers
Oligomers : (1) Minimizing volume contraction, (2) viscosity control, (3) crosslinking reaction, (4) functionality and compatibility.g y p y
Type Advantages Disadvantages
High flexibilityUrethane acrylate
(UA)
High flexibilityHigh elasticity
High gloss
High costHigh viscosity
E l tFast curing
Epoxy acrylate(EA)
Fast curingChemical resistance
CheapHigh viscosity
Polyester acrylateLow viscosity
Polyester acrylate(PEA)
yHigh flexibility
CheapChemical resistance
2011-05-12 202011-05-12 202011-05-12 20
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> Experimental: Materials
Oligomers
General relationship between characteristics of oligomers and curing rate
Slow Curing Rate Fast
Small Molecular weight Large
and curing rate
Small Molecular weight Large
Low Viscosity High
Mono- Functionality Multi-
SmallFraction of monomer
Large
* 분자량 (통상 점도와 비례)이 클 수록 termination 속도 (통상 점도에 반비례)가 낮아져curing 속도가 증가한다. Free-radical 중합에서 중합 속도는 kp(f kd/kt)0.5의 속도 상수에비례함.
2011-05-12 212011-05-12 212011-05-12 21
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> Experimental: Materials
MonomersMonomer : They act as a reactive diluent to adjust formulation viscosity and that will be incorporated into the polymer network.
General characteristics of UV monomer
Functionality Reactivity Viscosity Adhesion
General characteristics of UV monomer
mono- monomerdi-monomer
multi-monomer
slow
fast
low
high
good
poor
same No. of
low Mw
high Mw
slow
fast
low
high
good
poor
function-ality
Acryl monomer
Methacrylmonomer
fast
slow
low
high
poor
good
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> Results and Discussion: Types of Urushiol
110
HI-MU 농도에 따른 광택도110
Urushiol의 농도에 따른 광택도
Types of Urushiol
70
80
90
100
OS
S(G
U)
60708090
100
OS
S(G
U)
30
40
50
60
1 wt % 4 wt % 7 wt % 10 wt %
GLO
30405060
1 wt % 4 wt % 7 wt % 10 wt %
GLO
110
TMI-MU 농도에 따른 광택도
1 wt.% 4 wt.% 7 wt.% 10 wt.%
110
BI-MU 농도에 따른 광택도
1 wt.% 4 wt.% 7 wt.% 10 wt.%
70
80
90
100
110
SS
(GU
)
70
80
90
100
110
SS
(GU
)
30
40
50
60
1 t % 4 t % 7 t % 10 t %
GLO
S
30
40
50
60
1 t % 4 t % 7 t % 10 t %
GLO
S
2011-05-12 232011-05-12 23
1 wt.% 4 wt.% 7 wt.% 10 wt.% 1 wt.% 4 wt.% 7 wt.% 10 wt.%
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> Experimental : Anticorrosive Analysis
h d lMethod: Salt Spray Test ISO 12944• Urushiol/UV coating samples were applied onto the electro-
galvanized steel plates (150mm×75mm donated by POSCO) withgalvanized steel plates (150mm×75mm,donated by POSCO) with a bar coater and dried in a convective oven at 80 ◦C for 12 h.
• The average thickness of coating layer was 5±0.5m. • The steel plates were wetted by spraying with a 5 wt.% aq. NaCl
solution for 24, 48, and 72 hrs at ambient conditions.
2011-05-12 242011-05-12 242011-05-12 24
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Anticorrosive Analysis
SST (2 t 72h)
y
(2 coat- 72h)
0% 5% 10% 30%
2011-05-12 252011-05-12 252011-05-12 25
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Anticorrosive Analysis
SST
y
(1 coat- 24h)
2011-05-12 262011-05-12 262011-05-12 26
0% 5%
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Anticorrosive Analysis
SST
y
(1 coat- 24h)
2011-05-12 272011-05-12 272011-05-12 27
10% 30%
한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”> Results and Discussion:
Anticorrosive Analysis
SST
y
(1 coat- 24h)
0%0%
2011-05-12 282011-05-12 282011-05-12 28
한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”> Results and Discussion:
Anticorrosive Analysis
SST
y
(1 coat- 24h)10um
30%
10um
30%
2011-05-12 292011-05-12 292011-05-12 29
한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”> Results and Discussion:
Anticorrosive Analysis
24 hrs
y
72 hrs
2011-05-12 302011-05-12 302011-05-12 30
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> Experimental : Antibacterial Analysis
h d S 2801 3 1 C f 2 hMethod: JIS Z 2801 at 37±1 ◦C for 24 h• Cell types: Staphylococcus aureus (ATCC6538P, S. aureus) and Escherichia
coli (ATCC8739, E. coli). • Antimicrobial activity (R) was calculated according to Equation:
where A is the average number of viable cells of bacteria immediatelyafter inoculation on the control (untreated) sample, B, the average number of viable cells of bacteria on the control sample after 24 h, and C is the average number of viable cells of bacteria on the Urushiol/UV coating samples after 24 h.
2011-05-12 312011-05-12 312011-05-12 31
한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”한국 접착 및 계면 학회 “2011년 정기총회 및 학술발표회”> Results and Discussion:
Antibacterial Analysisy
Antibacterial Analysis
PU-UV-PI 10%HI-UV-PI5%HI-UV-PIPU-UV-PI 10%HI-UV-PI5%HI-UV-PI[ (Test sample), After 24h / HI-MU ]
R=2.0(99.0%)[ (Test sample), After 24h / UV+5%UR ] R=2.7(99.8%)
[ (Test sample), After 24h / 10%UR ] R=1.0(90.1%)
10%BI-UV-PI 10%TMI-UV-PI
2011-05-12 322011-05-12 322011-05-12 32
[(Test sample), After 24h / TMI-MU ]R= 6.2(99.99%)
[(Test sample), After 24h / BI-MU ] R=0.9(88.1%)
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Antibacterial Analysisy
6
7C
)
5
R =
(logB
/C
3
4
1
2
0UV 5 wt.%
PU10 wt.% PU
5 wt.%HI-MU
5 wt.%BI-MU
10 wt.%HI-MU
10 wt.%BI-MU
10 wt.%TMI-MU
2011-05-12 332011-05-12 332011-05-12 33
U U HI MU TMI MU
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Acknowledgment: This work was supported by POSCO (광양제철소 표면처리연구소) from 2008 to 2010.
2011-05-12 342011-05-12 34