KR100522137B1 - A method for preparing polymer / clay nanocomposites by using reactive extrusion - Google Patents
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Abstract
본 발명은 범용 수지나 엔지니어링 플라스틱 (engineering plastics)에 나노 크기의 무기입자를 충전하는 복합재료에 관한 기술로서, 더욱 상세하게는 나일론 6 (Nylon 6)과 같은 반응 압출 (reactive extrusion)이 가능한 고분자를 중합하면서 무기 충전입자로 사용되는 소듐-몬모릴로나이트 (sodium-montmorillonite)와 같은 클레이들을 나노 스케일 단위로 고르게 분산시킨 나노복합재 (nanocomposites)를 제조하는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 모노머와 클레이를 미리 분자수준으로 혼합시킨 후 이축압출기 내에서 반응을 시키거나, 또는 이축압출기 내에서 고분자 중합 도중에 클레이를 첨가, 혼합시킴으로써 분산 상태가 향상된 나노복합재를 얻을 수 있으며, 이와 같이 제조된 나노복합재는 우수한 기계적, 열적 물성과 낮은 기체투과성을 나타내어 구조재나 포장재료에 응용될 수 있다. The present invention relates to a composite material for filling nano-sized inorganic particles into general-purpose resins or engineering plastics, and more particularly, to a polymer capable of reactive extrusion such as nylon 6 The present invention relates to a technology for preparing nanocomposites in which clays such as sodium-montmorillonite, which are used as inorganic fillers, are evenly dispersed in nanoscale units during polymerization. According to the present invention, a nanocomposite having an improved dispersion state can be obtained by mixing monomers and clays in advance at a molecular level and then reacting them in a twin screw extruder or by adding and mixing clays during polymer polymerization in a twin screw extruder. The nanocomposites thus prepared exhibit excellent mechanical and thermal properties and low gas permeability and can be applied to structural materials and packaging materials.
Description
복합재료는 기존 재료의 기계적, 열적 물성의 향상 뿐만 아니라, 수치안정성이나 내마모성을 높인 수 있는 가공방법으로서, 고분자, 금속, 그리고 세라믹 등의 재료관련 전 분야에서 많이 응용되고 있는 가공기술의 대표적인 분야라 할 수 있다.Composite material is a processing method that not only improves mechanical and thermal properties of existing materials but also increases numerical stability and wear resistance, and is a representative field of processing technology that is widely applied in all fields related to materials such as polymers, metals, and ceramics. can do.
고분자에 유리섬유나 탄소섬유와 같은 무기질의 보강재를 첨가함으로서 그 활용도를 높이기 위한 연구가 지난 수십년 동안 지속되었으며, 최근에 이르러서는 나노 크기의 보강재를 이용하여 제조한 나노복합재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 클레이와 같은 나노 크기의 무기 충전제를 사용할 경우, 5 ~ 20 중량% 이하의 적은 충전제 함량에서도 매우 우수한 물성을 지닌 복합재의 제조가 가능한 것으로 알려져 있다. 클레이는 무기 광물인 실리케이트층 (silicate layer)들이 적층되어 있는 형태로 자연 상태에서 존재하며, 각 실리케이트 층들은 두께 1 nm에 가로와 세로가 1 μm에 이르는 넓은 판 형태를 띠게 된다. 클레이 실리케이트층의 높은 종횡비율과 넓은 표면적은 고분자와의 혼합을 통해 효과적으로 보강재로서의 역할을 수행하며 높은 물성을 지닌 나노복합재의 제조를 가능하게 한다.Research on increasing the utilization of inorganic reinforcing materials such as glass fiber or carbon fiber to polymers has been conducted for several decades. Recently, research on nanocomposites made using nano-sized reinforcing materials has been actively conducted. It is becoming. When using nano-size inorganic fillers such as clay, it is known that the production of composites having very excellent physical properties is possible even at a small filler content of 5 to 20 wt% or less. Clay exists in a natural state in which silicate layers (silicate layers), which are inorganic minerals, are stacked, and each silicate layer has a wide plate shape having a thickness of 1 nm and a width of 1 μm. The high aspect ratio and the large surface area of the clay silicate layer effectively serve as reinforcing materials through the mixing with the polymer and enable the production of nanocomposites with high physical properties.
고분자에 클레이를 섞어 제조하는 나노복합재에 관한 연구는 1970년대 중반 일본의 도요다 자동차 연구소에서 나일론 6에 클레이를 충전시켜 제조한 나일론 6 / 클레이 나노복합재를 자동차의 타이밍벨트 상자로 사용한 것을 그 효시로 하고 있다. 최근까지 많은 연구가 수행되고 있는 고분자 / 클레이 나노복합재 제조기술은 크게 두가지로 요약될 수 있다. The research on nanocomposites made by mixing clay with polymers is based on the use of nylon 6 / clay nanocomposites manufactured by filling nylon 6 with clay at Toyota Motor Research Institute of Japan in the mid-1970s. have. Until now, a lot of research has been conducted on polymer / clay nanocomposite manufacturing technology.
첫번째는 클레이를 고분자와 이축압출기 (twin screw extruder)를 사용하여 용융혼합시킴으로써, 용융된 고분자의 사슬이 압출기의 전단응력 (shear stress)에 의해 클레이의 층과 층 사이로 확산되면서 클레이의 층간 거리를 넓히는 용융-인터컬레이션 (melt-intercalation) 방법이 있다. 이 경우 친수성을 나타내는 클레이에 소수성 작용기를 붙여 고분자와의 상용성을 높이거나, 고분자 재료와 반응할 수 있는 반응 작용기를 붙여 고분자와의 반응 상용성을 높임으로써 클레이의 층 사이로 고분자 사슬을 효과적으로 침투시키려는 시도가 수행되었다. 이 방법은 연속식 작업이 가능하다는 장점을 가지고는 있으나, 이미 분자 사슬이 충분히 긴 고분자를 이용하기 때문에 클레이의 층간 거리를 넓혀 박리된 구조의 나노복합재를 만들려는 초기의 목적을 달성하지 못하는 결과를 초래하였다.The first is to melt-mix the clay using a polymer and twin screw extruder, so that the chain of molten polymer spreads between layers of clay by shear stress of the extruder, thereby increasing the distance between the layers of clay. There is a melt-intercalation method. In this case, by adding hydrophobic functional groups to the hydrophilic clay to increase the compatibility with the polymer, or by adding a reactive functional group capable of reacting with the polymer material to enhance the reaction compatibility with the polymer, the polymer chain is effectively infiltrated between the layers of the clay. An attempt was made. This method has the advantage of being able to work continuously, but because it already uses polymers with sufficiently long molecular chains, the initial objective of making nanocomposites with exfoliated structures was not achieved by increasing the distance between layers of clay. Caused.
두 번째 방법으로는 단량체 (monomer) 상태에서 클레이를 분산시킨 후, 고분자를 중합시키는 인-시투 (in-situ) 중합법이 있다. 이 경우 클레이의 층과 층 사이에서 고분자의 중합이 일어나기 때문에 용융-인터컬레이션 방법보다는 클레이의 층간 거리를 넓히려는 초기 의도와 가장 부합되는 결과를 나타내게 되었다. 그러나, 인-시투 중합 방법은 높은 온도에서 배치 타입 (batch type)과 같은 비연속식 반응기를 통해 10 ~ 20 시간의 중합시간을 거쳐 중합되기 때문에, 생산성과 경제성 측면에서 매우 취약한 단점을 나타내게 되었다.The second method is an in-situ polymerization method in which clay is dispersed in a monomer state and then polymerized. In this case, the polymerization of the polymer occurs between the layers of clay, which results in the best agreement with the initial intention to increase the distance between the layers of clay rather than the melt-intercalation method. However, since the in-situ polymerization method is polymerized through a polymerization time of 10 to 20 hours through a non-continuous reactor such as a batch type at a high temperature, the in-situ polymerization method has a very weak disadvantage in terms of productivity and economy.
종래의 클레이를 이용한 나노복합재의 제조에 관한 특허문헌으로서, 한국 특허공개 제 2003-27157호에는, 알킬디아민기를 말단에 함유한 유기화제로 표면 처리된 유기화된 클레이를 사용하여 커플링제 및 나일론 6 고분자 수지와 용융 혼합하여 컴파운딩법으로 제조된 나일론 6 나노복합재는 230℃ ~ 250℃에서 새로운 녹는점이 나타나는 구조적인 변화로 인해 종래 나일론 6 나노복합재의 낮은 신도 및 충격 강도를 개선한 나노복합재의 제조방법이 개시되어 있다.As a patent document on the production of nanocomposites using conventional clays, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-27157 discloses a coupling agent and a nylon 6 polymer using an organicized clay surface-treated with an organic agent containing an alkyldiamine group at its end. Nylon 6 nanocomposite prepared by compounding by melt mixing with resin is a method for producing nanocomposite which improves the low elongation and impact strength of the conventional nylon 6 nanocomposite due to the structural change of the new melting point from 230 ℃ to 250 ℃ Is disclosed.
미국특허 제 6548587호에는 2개 이상의 유기 양이온을 사용하여 클레이의 층간 거리를 넓히고, 이를 사용하여 기체투과율이 낮아진 나노복합재의 제조방법이 설명되어 있다.US Pat. No. 65,485,87 describes a method for producing a nanocomposite having a low gas permeability by using two or more organic cations to increase the distance between layers of clay.
또한 미국특허 제 6552113호는 유기화 처리가 되어 있는 클레이와 고분자의 무정형 올리고머와 친화성을 이용하여 분산성이 향상된 고분자 / 클레이 나노복합재의 제조방법에 관해 설명하고 있다.In addition, US Pat. No. 6,552,113 describes a method for producing a polymer / clay nanocomposite having improved dispersibility by using an affinity and an amorphous oligomer of an organically treated clay.
현재까지 고분자 / 클레이 나노복합재의 제조 기술은 앞서 설명한 용융-인터컬레이션법과 인-시투 중합법으로 양분되어 연구되어 왔다. 그러나, 위의 제조 기술로는 나노복합재 제조시 생산성과 클레이의 박리 효율적 측면을 동시에 만족시키지 못하는 결과를 나타낸다. Up to now, the manufacturing technology of the polymer / clay nanocomposite has been studied by dividing into the melt-intercalation method and the in-situ polymerization method described above. However, the above manufacturing technique does not satisfy the productivity and the peeling efficiency of the clay at the same time in the production of nanocomposites.
따라서, 본 발명의 한가지 목적은 나노복합재 제조시 생산성과 클레이의 박리 효율을 모두 만족시킬 수 있는 고분자 / 클레이 나노복합재의 제조방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, one object of the present invention is to provide a method for producing a polymer / clay nanocomposite that can satisfy both the productivity and the peeling efficiency of the clay when manufacturing the nanocomposite.
더욱 구체적으로, 본 발명의 목적은 반응 압출 공정을 통한 나노복합재 생산기술의 일환으로서, 반응 압출이 가능한 고분자와 클레이와의 나노복합재를 제조하는 일련의 제조방법을 제공하는 것이다.More specifically, an object of the present invention, as part of the nanocomposite production technology through a reaction extrusion process, to provide a series of manufacturing method for producing a nanocomposite of the polymer and clay capable of reaction extrusion.
본 발명의 또 다른 목적은 고분자 / 클레이 나노복합재의 제조 조건을 최적화함으로써 기계적 물성 - 열적 특성이 개선된 나노복합재를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a nanocomposite having improved mechanical properties and thermal properties by optimizing the manufacturing conditions of the polymer / clay nanocomposite.
더욱 구체적으로, 본 발명의 목적은 클레이의 적층 구조를 효과적으로 깰 수 있는 공정 조건을 확립하여, 클레이가 고분자 내로 고르게 분산됨으로써 우수한 물성을 나타내는 나노복합재를 제공하는 것이다.More specifically, an object of the present invention is to provide a nanocomposite exhibiting excellent physical properties by establishing the process conditions that can effectively break the laminated structure of the clay, evenly dispersed in the polymer.
본 발명자들은 상기한 목적을 달성하기 위해 집중적으로 연구한 결과 반응 압출 공정을 통해 나노복합재를 제조하는 방법에 착안하게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present invention have been intensively studied to achieve the above object, and have come to complete the present invention by focusing on a method of manufacturing a nanocomposite through a reaction extrusion process.
즉, 본 발명은 반응 압출 공정을 이용하여 고분자 / 클레이 나노복합재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 현재까지 클레이 나노복합재의 제조법에서 어떠한 그룹도 반응 압출 공정을 통해 나노복합재를 제조한 예는 보고된 바 없다. In other words, the present invention relates to a method for producing a polymer / clay nanocomposite using a reaction extrusion process, to date, in the manufacturing method of the clay nanocomposite has been reported an example of producing a nanocomposite through a reaction extrusion process any group none.
본 발명에 따른 반응 압출 공정은 기존의 용융-인터컬레이션과 인-시투 중합법의 장점을 결합시킨 공정으로서, 압출기 내에서 고분자의 중합과 클레이의 분산을 동시에 수행함으로써, 중합된 고분자 / 클레이 나노복합재의 연속적 생산을 가능하게 한다. 또한, 기존 중합법의 경우 판매 유통을 위해, 일단 합성된 파우더 상태의 고분자를 다시 압출기에 돌려 취급이 용이한 펠렛 상태로 제조할 필요가 있으나, 반응 압출 공정의 경우에는 이러한 부가 단계를 필요로 하지 않으므로 생산 단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다. The reaction extrusion process according to the present invention combines the advantages of conventional melt-intercalation and in-situ polymerization, and simultaneously polymerizes and disperses clay in the extruder, thereby polymerizing polymerized / clay nanoparticles. It enables the continuous production of composites. In addition, in the case of the conventional polymerization method, it is necessary to turn the synthesized powdered polymer back into the extruder to produce pellets for easy handling, but the reaction extrusion process does not require such an additional step for sale distribution. Therefore, there is an advantage that the production cost can be lowered.
반응 압출 공정은 반응기 내에서 중합을 수행하는 기존의 고분자 중합과정과는 달리 압출기를 이용하여 고분자를 중합하는 공정으로, 압출기 내에서는 물질 체류시간이 수 분 정도이므로 반응이 빠른 경우에만 적용가능한 방법이다. 본 발명에 따라 반응 압출 공정이 적용가능한 고분자와 그 중합방법을 다음 표 1에 요약하였다.Unlike the existing polymer polymerization process that performs polymerization in a reactor, the reaction extrusion process is a process of polymerizing a polymer by using an extruder. In the extruder, a material residence time of about several minutes is applicable only when the reaction is fast. . The polymers applicable to the reaction extrusion process according to the present invention and the polymerization method thereof are summarized in the following Table 1.
이하에서는, 반응 압출 공정이 가능한 고분자로서 나일론 6을 이용하여 음이온 중합법을 이용한 나일론 6 / 클레이 나노복합재의 제조방법을 설명한다. 이하에서 반응 압출 공정이 가능한 고분자로서 나일론 6을 예로 들어 설명하나, 상기 표 1에 나열된 고분자들은 나일론 6과 실질적으로 동일한 중합 메커니즘을 공유하며, 아래의 구체예에서 설명된 제조방법상의 기술적 특이성이 표 1의 다른 고분자의 반응 압출 공정에도 응용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.Hereinafter, a method for producing nylon 6 / clay nanocomposites using anion polymerization using nylon 6 as a polymer capable of a reaction extrusion process will be described. Hereinafter, the nylon 6 is described as an example of a polymer capable of a reaction extrusion process, but the polymers listed in Table 1 share substantially the same polymerization mechanism as that of Nylon 6, and the technical specificity in the manufacturing method described in the following embodiments is shown in Table 1 It will be apparent to those skilled in the art that the present invention can also be applied to reaction extrusion of other polymers.
따라서, 아래의 구체예는 어디까지나 설명 목적을 위해 제시된 것에 불과한 것으로 본 발명의 반응 압출 공정에 의한 고분자 / 클레이 나노복합재의 제조방법이 나일론 6 / 클레이 나노복합재로 한정되는 것이 아님은 물론이다.Therefore, the following specific examples are provided only for the purpose of explanation, and of course, the manufacturing method of the polymer / clay nanocomposite by the reaction extrusion process of the present invention is not limited to the nylon 6 / clay nanocomposite.
반응 압출 공정에 의해 이온 중합법으로 나일론 6 / 클레이 나노복합재를Nylon 6 / Clay Nanocomposite by Ion Polymerization by Reaction Extrusion Process
제조하는 방법How to make
본 발명의 제조과정은 빠른 시간 내에 중합이 완결되어 반응 압출 공정이 가능한, 음이온 중합을 통한 나일론 6 / 클레이 나노복합재를 제조하는데 그 특징이 있다.The manufacturing process of the present invention is characterized in that the nylon 6 / clay nanocomposite through anionic polymerization, which can be completed in a short time to the reaction extrusion process is possible.
음이온 중합법으로 나일론 6 / 클레이 나노복합재 제조시 사용되는 촉매, 개시제, 및 클레이의 세부사항 및 제조과정은 다음과 같다.Details of the catalyst, initiator, and clay used in the production of nylon 6 / clay nanocomposites by anionic polymerization are as follows.
본 구체예에 따른 수지 조성물은 단량체인 카프로락탐 72 ~ 96 중량%, 촉매인 소듐-카프로락탐 2 ~ 5 중량%, 및 개시제인 N-아세틸카프로락탐 1 ~ 3 중량%와,중합하는 나일론 6에 대해 클레이를 0.01 ~ 20 중량%의 양으로 포함한다. 이 때 촉매와 개시제는 몰비로 1:1의 함량비로 첨가되어야 한다. 특히, 촉매와 개시제의 첨가량이 증가할수록 중합되는 나일론 6의 분자량은 감소하게되며, 상기 명시된 함량보다 많이 첨가될 경우 얻어진 나노복합재의 분자량이 너무 낮아 낮은 기계적-열적 물성을 나타내게 되고, 촉매와 개시제의 함량이 상기 명시된 함량보다 적을 경우에는 클레이에 함유된 수분에 의해 촉매의 작용기가 불활성화되어 나일론 6의 중합이 중도에 멈추는 결과를 초래하게 되어 바람직하지 못하다. 이러한 현상으로 인해, 클레이의 함량이 20 중량% 이상일 때에도 나일론 6의 중합이 중도에 정지되므로 클레이의 함량이 20 중량%를 초과하면 바람직하지 못하다. 단량체인 카프로락탐의 함량은 위에서 설명한 촉매, 개시제 및 클레이의 함량에 따라 결정된 양이므로 독자적인 함량 변화에 따른 특이성은 없다고 할 수 있다.The resin composition according to the present embodiment is 72 to 96% by weight of a monomer caprolactam, 2 to 5% by weight of sodium-caprolactam as a catalyst, and 1 to 3% by weight of N-acetylcaprolactam as an initiator, to nylon 6 to be polymerized. Clay in an amount of 0.01 to 20% by weight. At this time, the catalyst and the initiator should be added in a molar ratio of 1: 1. In particular, as the amount of the catalyst and the initiator is increased, the molecular weight of the polymerized nylon 6 decreases, and when it is added more than the above-mentioned content, the molecular weight of the obtained nanocomposite is too low to show low mechanical-thermal properties. If the content is less than the above-mentioned content, it is not preferable that the functionalities of the catalyst are inactivated by the moisture contained in the clay, which causes the polymerization of nylon 6 to be stopped halfway. Due to this phenomenon, the polymerization of nylon 6 is stopped halfway even when the content of clay is 20% by weight or more, so if the content of clay exceeds 20% by weight, it is not preferable. Since the content of the caprolactam as a monomer is an amount determined according to the contents of the catalyst, the initiator and the clay described above, it can be said that there is no specificity due to the change in the original content.
본 구체예에서는 음이온 중합법을 이용하여 나일론 6 / 클레이 나노복합재 제조 시, 공정조건의 변화를 통해 우수한 열적-기계적 물성을 나타내는 나노복합재의 제조방법을 제공한다.This embodiment provides a method for producing a nanocomposite exhibiting excellent thermal-mechanical properties through the change of process conditions in the production of nylon 6 / clay nanocomposites using an anion polymerization method.
보다 구체적으로, 상기의 나노복합재 제조 시, 클레이의 첨가 시기와 함량을 변화시켜 나노복합재를 제조한다.More specifically, when manufacturing the nanocomposite, the nanocomposite is prepared by changing the addition time and content of clay.
본 구체예에 사용되는 나일론 6의 단량체인 카프로락탐은 화학식 1로 표시되는 물질로서, 113 g/mole의 분자량을 지니며 80℃의 녹는점을 지닌 화합물로 상온에서 고체의 형태로 존재한다. 습윤성이 매우 높아 대기 중에 노출될 경우 과량의 수분을 흡수하여 스스로 액상의 형태로 용해되어 존재하기도 한다. 본 발명에서 상기 카프로락탐의 함량은 72 ~ 96 중량%이다.Caprolactam, a monomer of nylon 6 used in the present embodiment, is a substance represented by Chemical Formula 1, and has a molecular weight of 113 g / mole and a melting point of 80 ° C., which is present in the form of a solid at room temperature. Wetability is very high, when exposed to the atmosphere absorbs excess water and is dissolved in the form of a liquid itself. The content of the caprolactam in the present invention is 72 to 96% by weight.
본 구체예에서 사용되는 나일론 6 음이온 중합의 촉매인 소듐-카프로락탐은 하기 화학식 2로 표시되는 물질로서, 134 g/mole의 분자량을 지니며 80℃의 녹는점을 지닌 화합물로 상온에서 고체의 형태로 존재한다. 상기의 카프로락탐을 100℃의 비이커에서 용융시킨 후, 소듐-하이드라이드 (sodium-hydride: NaH)를 충분히 분산시킨 후 공기 중에서 서냉시킴으로써 제조한다. 상기의 카프로락탐과 동일하게 습윤성이 매우 높아, 대기 중에 노출될 경우 과량의 수분을 흡수하여 스스로 액상의 형태로 용해되어 존재하기도 한다. 본 구체예에서 상기와 같이 제조된 촉매의 함량은 2 ~ 5 중량%이다.Sodium-caprolactam, which is a catalyst of nylon 6 anion polymerization, used in this embodiment is a compound represented by the following Chemical Formula 2, which has a molecular weight of 134 g / mole and a melting point of 80 ° C. Exists as. After the caprolactam is melted in a beaker at 100 ° C, sodium-hydride (NaH) is sufficiently dispersed, and then prepared by slow cooling in air. Similarly to the caprolactam, the wettability is very high, and when exposed to the atmosphere, the excess water may be absorbed to dissolve in a liquid form. In this embodiment, the content of the catalyst prepared as described above is 2 to 5% by weight.
본 구체예명에서 사용되는 나일론 6 음이온 중합의 개시제인 N-아세틸카프로락탐은 하기 화학식 3으로 표시되는 물질로서, 155 g/mole의 분자량을 지니며 130℃의 끓는점을 지닌 화합물로 상온에서 액상의 형태로 존재한다. 본 구체예에서 상기와 같이 제조된 개시제의 함량은 1 ~ 3 중량%이다.N-acetylcaprolactam, an initiator of the nylon 6 anion polymerization used in the present embodiment, is a compound represented by the following formula (3), which has a molecular weight of 155 g / mole and has a boiling point of 130 ° C. in liquid form at room temperature. Exists as. In this embodiment, the content of the initiator prepared as described above is 1 to 3% by weight.
본 구체예에 사용되는 충전제인 클레이는 자연상태에서 존재하는 유기화 처리가 되어 있지 않은 소듐-몬모릴로나이트로서, 클레이 층간 거리가 1.1 nm이며 상온에서 분말형태로 존재한다. 높은 습윤성을 지니고 있으며, 클레이의 층과 층 사이가 강한 반데르발스 힘으로 결합되어 존재하고 있다. 본 구체예에서 상기 클레이는 중합되는 나일론 6의 함량에 대해 0 ~ 20 중량%로 함유된다.Clay, the filler used in this embodiment, is sodium-montmorillonite which is not subjected to organic treatment existing in nature, and has a clay interlayer distance of 1.1 nm and exists in powder form at room temperature. It has high wettability and is present in the bond between layers of clay with strong van der Waals forces. In this embodiment the clay is contained in an amount of 0 to 20% by weight based on the content of nylon 6 to be polymerized.
본 구체예의 음이온 중합법을 이용한 나일론 6 / 클레이 나노복합재는 여러가지 목적에 따라 첨가제가 첨가되거나 그 제조방법이 변경될 수 있으며, 이러한 첨가제의 종류와 제조방법은 이 분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 적절히 선택될 수 있다.Nylon 6 / clay nanocomposites using the anion polymerization method of the present embodiment may be added additives or the manufacturing method is changed according to various purposes, and the type and method of manufacturing such additives to those skilled in the art Can be appropriately selected.
본 발명에 따라 제조된 나일론 6 / 클레이 나노복합재는 기존의 용융 압출법이나 인-시투 중합법으로 제조된 나노복합재보다 우수한 클레이 분산성과 가공 편의성을 나타내어 우수한 열적-기계적 물성을 나타낸다.The nylon 6 / clay nanocomposite prepared according to the present invention exhibits excellent thermo-mechanical properties by exhibiting better clay dispersibility and processing convenience than nanocomposites prepared by conventional melt extrusion or in-situ polymerization.
본 구체예의 음이온 중합법을 이용한 나일론 6 / 클레이 나노복합재의 제조방법은 반응 압출과 같은 연속식 공정에 응용될 수 있으며, 제조 방법에 대해 특별히 한정하지는 않는다.The production method of the nylon 6 / clay nanocomposite using the anion polymerization method of the present embodiment can be applied to a continuous process such as reaction extrusion, it is not particularly limited to the production method.
상기한 바와 같이, 본 발명의 음이온 중합법을 이용한 나일론 6 / 클레이 나노복합재는 우수한 열적-기계적 물성을 나타낸다. 특히 본 발명의 제조기술은 분산성이 우수한 나노복합재의 연속식 생산을 가능하게 하는 공정에 응용될 수 있다.As described above, the nylon 6 / clay nanocomposites using the anion polymerization method of the present invention exhibit excellent thermal-mechanical properties. In particular, the manufacturing technology of the present invention can be applied to a process that enables the continuous production of nanocomposites having excellent dispersibility.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 당업자라면, 첨부된 특허청구의 범위 내에서 본 발명에 대한 다양한 변형과 보완이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following examples, and those skilled in the art will appreciate that various modifications and supplements to the present invention are possible within the scope of the appended claims.
실시예 1Example 1
카프로락탐 99 중량%를 공기가 차단된 닫힌 계 (closed system)에서 100℃의 오일 항온조 내에서 중탕시켜 용융시키면서, 카프로락탐의 효과적인 응용을 위해 기계적 교반장치를 사용하였다. 공기의 유입을 막기 위해 수분이 제거된 질소 (N2) 가스를 연속적으로 흘려보냄으로써 반응기 내부를 질소 분위기로 만들었다. 충분히 용융된 카프로락탐은 맑은 물과 같은 투명한 액상의 형태를 띠게 되며, 여기에 소듐 하이드라이드 1 중량%를 1 g/min의 속도로 천천히 주입하면서 교반을 지속하였다. 소듐-하이드라이드가 카프로락탐에 충분히 용융되어 소듐-카프로락탐이 형성되어 투명한 액상 형태를 나타낼 때까지 교반을 계속하였다.A mechanical stirrer was used for the effective application of caprolactam, while 99% by weight of caprolactam was melted in a 100 ° C oil bath in a closed system with air blocking. In order to prevent the inflow of air, the inside of the reactor was made into a nitrogen atmosphere by continuously flowing a dehumidified nitrogen (N 2 ) gas. The sufficiently molten caprolactam takes the form of a clear liquid such as clear water, and stirring was continued while slowly injecting 1% by weight of sodium hydride at a rate of 1 g / min. Stirring was continued until the sodium-hydride had sufficiently melted in caprolactam to form sodium-caprolactam resulting in a clear liquid form.
상기 반응에서 제조된 소듐-카프로락탐 용융물을 질소 분위기의 데시케이터에서 상온으로 냉각시켜 고체상태의 촉매를 제조하였다. 제조된 촉매는 수분과의 접촉을 피하기 위해 질소 분위기의 데시케이터에서 보관하였다.The sodium-caprolactam melt prepared in the reaction was cooled to room temperature in a nitrogen atmosphere desiccator to prepare a solid catalyst. The prepared catalyst was stored in a desiccator in a nitrogen atmosphere to avoid contact with moisture.
실시예 2Example 2
나일론 6의 단량체인 카프로락탐의 수분을 제거하기 위해 60℃의 오븐에서 7일 동안 건조시켰다. 카프로락탐 93.9 중량%, 촉매 1.9 중량%와 개시제 1.2중량%를 이축압출기의 첫 번째 호퍼에 넣고 외부공기가 차단된 불활성 기체 분위기에서 중합시켰다. 이축압출기에 개시제 첨가와 동시에 나일론 6의 중합 반응이 시작되었으며, 이 때 나일론 6의 중합 시간은 첨가제의 함량과 수분의 함유 정도에 따라 달라질 수 있다.In order to remove moisture of caprolactam, a monomer of nylon 6, it was dried in an oven at 60 ° C. for 7 days. 93.9% by weight of caprolactam, 1.9% by weight of catalyst and 1.2% by weight of initiator were placed in the first hopper of the twin screw extruder and polymerized in an inert gas atmosphere blocked by external air. At the same time as the initiator was added to the twin-screw extruder, the polymerization reaction of nylon 6 was started, wherein the polymerization time of nylon 6 may vary depending on the amount of additives and moisture content.
클레이 내부에 포함된 수분을 제거하기 위해 90℃의 진공 오븐에서 24시간 동안 건조시킨 후 클레이 3 중량%를 이축압출기의 두 번째 호퍼를 통해 첨가하였다. 클레이의 첨가 시점에 따른 나일론 6 / 클레이 나노복합재를 제조하기 위해 클레이 첨가 시점을 40초, 60초, 80초, 100초, 120초 및 140초로 증가시키면서 나노복합재를 제조하였다.After drying for 24 hours in a vacuum oven at 90 ℃ to remove the moisture contained in the clay 3% by weight of clay was added through the second hopper of the twin screw extruder. The nanocomposite was prepared by increasing the clay addition time to 40 seconds, 60 seconds, 80 seconds, 100 seconds, 120 seconds and 140 seconds to prepare nylon 6 / clay nanocomposites according to the clay addition time.
실시예 3Example 3
반응압출 공정을 통해 나일론 6 / 클레이 나노복합재를 제조하였다. 실시예 2에서와 같이 클레이의 첨가시점을 80초로 설정하기 위해, 단량체, 개시제 그리고 촉매는 첫 번째 호퍼 (first hopper)를 통해 이축압출기 (twin screw extruder)에 공급하였고, 클레이는 두 번째 호퍼 (second hopper)를 사용하여 공급하였다. 클레이보다 먼저 이축압출기에 투입된 단량체, 개시제 그리고 촉매는 중합을 시작하게 되며, 중합 시작 이후에 투입된 클레이에 의해 나일론 6 / 클레이 나노복합재를 연속식 공정을 통해 제조하였다. 압출기의 온도는 첫 번째 호퍼에서 다이 (die) 방향으로 100 - 180 - 200 - 220 - 240 - 240℃의 순서로 설정하였으며, 중합 공정 중 공기와의 접촉을 피하기 위해 아르곤 (argon : Ar) 가스 분위기에서 중합공정을 시도하였다.Nylon 6 / clay nanocomposites were prepared through a reaction extrusion process. In order to set the point of addition of clay to 80 seconds as in Example 2, the monomer, initiator and catalyst were fed to a twin screw extruder through a first hopper, and clay was supplied to a second hopper. hopper). The monomer, the initiator, and the catalyst, which were added to the twin screw extruder before the clay, started the polymerization, and nylon 6 / clay nanocomposites were prepared through the continuous process by the clay added after the polymerization. The temperature of the extruder was set in the order of 100-180-200-220-240-240 ° C in the die direction from the first hopper, and in an argon (Ar) gas atmosphere to avoid contact with air during the polymerization process. The polymerization process was attempted at.
중합공정에 사용된 단량체, 개시제, 촉매 그리고 클레이는 실시예 2와 동일하게 건조과정을 거쳤으며, 클레이의 첨가량을 1%와 5%로 변화시키면서 나노복합재를 제조하였다. 각각의 클레이 함량에 따른 나머지 성분의 함량은 다음과 같다. The monomer, initiator, catalyst and clay used in the polymerization process were dried in the same manner as in Example 2, and nanocomposites were prepared while changing the amount of clay to 1% and 5%. The content of the remaining components according to the clay content is as follows.
클레이 함량이 1 중량%일 경우: 카프로락탐 95.8 중량%, With 1% by weight of clay: 95.8% by weight of caprolactam,
촉매 2.0 중량%, 2.0 wt% of catalyst,
개시제 1.2 중량%1.2 wt% of initiator
클레이 함량이 3 중량%일 경우: 카프로락탐 93.9 중량%, With 3 weight percent clay: 93.9 weight percent caprolactam,
촉매 1.9 중량%, 1.9 wt% of catalyst,
개시제 1.2 중량%1.2 wt% of initiator
클레이 함량이 5 중량%일 경우: 카프로락탐 92.0 중량%, 5 wt% clay content: 92.0 wt% caprolactam,
촉매 1.9 중량%, 1.9 wt% of catalyst,
개시제 1.1 중량%Initiator 1.1 wt%
실시예 4Example 4
실시예 3의 나일론 6 중합 중에 클레이를 첨가하는 방식으로 반응압출을 통해 제조하는 나노복합재 제조공정의 비교예로서, 클레이를 첫 번째 호퍼를 통해 단량체, 개시제 그리고 촉매와 함께 첨가하며 클레이의 첨가량을 1%와 5%로 변화시키면서 나노복합재를 제조하였다. 중합 시 반응압출의 공정 조건은 실시예 3과 동일하게 설정한 후 공정을 수행하였다.As a comparative example of the nanocomposite manufacturing process prepared by reaction extrusion by adding clay during the polymerization of nylon 6 of Example 3, clay was added together with the monomer, the initiator and the catalyst through the first hopper, and the amount of clay added was 1 Nanocomposites were prepared with varying% and 5%. Process conditions of reaction extrusion during polymerization were set in the same manner as in Example 3, and then the process was performed.
시험예 1: WAXD 분석Test Example 1: WAXD Analysis
상기 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4에서 제조한 나노복합재 내의 클레이 층간 거리를 측정하기 위해, X-선 회절분석법을 이용하였다. 제조된 나노복합재를 압출성형을 통해 필름형태로 몰딩한 후, 100 mA, 40 kV의 조건으로 2 ~ 10 degree의 영역 범위에서 측정하였다.X-ray diffraction analysis was used to measure the distance between clay layers in the nanocomposites prepared in Examples 2, 3 and 4. The prepared nanocomposite was molded in the form of a film through extrusion, and then measured in a range of 2 to 10 degrees under conditions of 100 mA and 40 kV.
도 1은 실시예 2에서 클레이의 첨가시점을 변화시켜 제조한 나노복합재의 WAXD를 나타낸다. 클레이의 첨가시점이 증가함에 따라 WAXD의 피크 세기가 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 80초일 때 가장 작은 피크 세기를 나타내고 있었다. 일반적으로 WAXD 피크의 세기는 클레이의 층간 규칙성을 나타내며, 피크의 2θ값은 클레이의 층간 거리를 나타내게 되는데 2θ값이 감소할 수록 층간 거리는 증가하게된다. 클레이 첨가 시점이 80초 이전일 경우 피크의 2θ값은 일정한 값을 나타내게 되나, 100초로 증가함에 따라 피크의 2θ값도 증가하는 결과를 나타내고 있다. 이는, 클레이의 층간 거리가 감소한 것으로, 특히 클레이의 첨가 시점이 140초일 때는, 피크의 세기도 증가한 결과를 나타냄을 알 수 있다.Figure 1 shows the WAXD of the nanocomposite prepared by changing the time of adding the clay in Example 2. As the addition time of the clay was increased, the peak intensity of WAXD decreased, and the smallest peak intensity was shown at 80 seconds. In general, the intensity of the WAXD peak represents the interlayer regularity of clay, and the 2θ value of the peak represents the distance between the clays. As the value of 2θ decreases, the interlayer distance increases. If the clay addition time is before 80 seconds, the 2θ value of the peak shows a constant value, but as the value increases to 100 seconds, the 2θ value of the peak also increases. This indicates that the distance between the layers of clay is decreased, and particularly, when the addition time of the clay is 140 seconds, the peak intensity is also increased.
도 2는 실시예 3에서 클레이의 첨가량을 변화시켜 제조한 나노복합재의 WAXD를 나타낸 도면이다. 클레이의 첨가량이 1 중량%일 때는 피크의 세기가 너무 작아 육안으로는 피크가 사라진 것으로 보이지만, 클레이의 첨가량이 3 중량% 이상을 증가함에 따라 피크의 세기가 점점 강해지는 경향을 나타내고 있다. 피크의 2θ값은 클레이의 함량 변화에 관계없이 일정한 값을 나타님을 알 수 있다.Figure 2 is a view showing the WAXD of the nanocomposite prepared by varying the amount of clay added in Example 3. When the amount of clay added is 1% by weight, the peak intensity is so small that the peak disappears with the naked eye. However, as the amount of clay is increased by 3% by weight or more, the peak intensity tends to become stronger. It can be seen that the 2θ value of the peak shows a constant value regardless of the clay content change.
도 3은 실시예 4에서 클레이를 반응 초기부터 용융시켜 제조한 나노복합재의 WAXD를 나타낸 도면이다. 클레이의 첨가량이 1 중량%일 때부터 피크의 존재를 확인할 수 있으며, 상기 도 2처럼 클레이의 함량이 증가함에 따라 피크의 세기도 증가하는 경향을 나타내고 있었다. Figure 3 is a view showing the WAXD of the nanocomposite prepared by melting the clay from the initial reaction in Example 4. When the amount of clay added was 1% by weight, it was possible to confirm the presence of the peak. As shown in FIG. 2, the intensity of the peak also increased as the content of clay increased.
도 4는 클레이의 함량이 3 중량%일 경우 실시예 3으로 제작한 나노복합재와 실시예 4로 제작한 나노복합재의 WAXD 패턴을 나타낸 것으로, 실시예 4로 제작한 나노복합재가 강한 피크 세기를 나타냄을 알 수 있다. 이는 실시예 3으로 제작한 나노복합재의 클레이 층간 규칙성이 실시예 4로 제작한 나노복합재보다 많이 파괴된 결과를 나타내는 것으로, 클레이의 첨가시점 차이가 복합재 내부의 클레이 분산성에 많은 영향을 미치고 있음을 시사한다.Figure 4 shows the WAXD pattern of the nanocomposite prepared in Example 3 and the nanocomposite prepared in Example 3 when the content of clay is 3% by weight, the nanocomposite prepared in Example 4 shows a strong peak intensity It can be seen. This shows that the clay interlayer regularity of the nanocomposite fabricated in Example 3 was more destroyed than the nanocomposite fabricated in Example 4, and the difference in the time point of the addition of clay had a great influence on the clay dispersibility inside the composite. Suggest.
상기의 분석결과를 통해, 실시예 2에서와 같이 클레이를 중합 반응 중간에 첨가하는 방식으로 반응압출을 통해 제조한 나일론 6 / 클레이 나노복합재가 우수한 클레이 분산성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.Through the above analysis results, it can be seen that the nylon 6 / clay nanocomposite prepared by the reaction extrusion by adding the clay in the middle of the polymerization reaction as in Example 2 exhibits excellent clay dispersibility.
시험예 2: 나일론 6 / 클레이 나노복합재의 기계적 물성 측정Test Example 2: Measurement of mechanical properties of nylon 6 / clay nanocomposite
상기 실시예 3에서 제조한 나일론 6 / 클레이 나노복합재의 물성 측정을 위해, 사출 공정을 통해 시편을 제작하고 하기와 같이 측정하였다.In order to measure the physical properties of the nylon 6 / clay nanocomposite prepared in Example 3, the specimen was prepared through an injection process and measured as follows.
도 5 및 도 6에 상기 실시예 3으로 제조한 나노복합재의 기계적 물성 값을 나타내었다. 인장강도의 경우 클레이의 첨가량이 1 중량%일 때 물성값의 최고치를 나타내고 있었으며, 첨가량이 3 중량%로 증가함에 따라 소폭 감소한 결과를 나타내었다. 그러나, 클레이의 첨가량을 5 중량%로 증가시킴에 따라 물성값의 급격한 하략을 확인할 수 있었으며, 순수 나일론 6보다도 낮은 강도값을 나타내고 있었다. 굴곡강도의 경우도 상기의 인장강도와 비슷한 경향을 나타내고 있는데, 클레이의 첨가량이 3 중량%로 증가함에 따라 물성 값이 증가하는 경향을 나타내고 있었으며, 클레이 첨가량이 5 중량%일 때 물성값의 감소를 확인할 수 있었다. 클레이 첨가량이 5 중량% 일 때 나타난 기계적 물성값의 하락은 클레이 내부에 포함된 수분에 의한 나일론 6의 분자량 감소로 인해 나타난 현상이라 할 수 있다.5 and 6 show the mechanical properties of the nanocomposite prepared in Example 3. In the case of tensile strength, when the amount of clay added was 1% by weight, the maximum value of the physical property was shown, and the result was slightly decreased as the amount added to 3% by weight. However, as the addition amount of clay was increased to 5% by weight, it was possible to confirm a sharp drop in the physical property value, which was lower than that of pure nylon 6. The flexural strength also showed a similar tendency to the above tensile strength, and the physical property value increased as the amount of clay added to 3% by weight. When the amount of clay added was 5% by weight, the decrease in the physical property was confirmed. Could. When the amount of clay added is 5% by weight, the decrease in mechanical properties may be due to a decrease in molecular weight of nylon 6 due to moisture contained in the clay.
표 2에 실시예 3으로 제조한 나일론 6 / 클레이 나노복합재의 분자량을 측정한 결과를 나타내었다. 클레이의 첨가량이 증가함에 따라 나일론 6의 분자량이 감소하는 결과를 나타냈으며, 클레이의 함량이 5 중량%일 때 가장 낮은 분자량을 나타내었다.Table 2 shows the results of measuring the molecular weight of the nylon 6 / clay nanocomposite prepared in Example 3. As the amount of clay increased, the molecular weight of nylon 6 decreased, and the lowest molecular weight was shown when the content of clay was 5% by weight.
도 7은 실시예 3으로 제조한 나일론 6 / 클레이 나노복합재의 복합점도 (η)를 ARES로 측정한 결과를 나타낸 도면이다. 상기의 기계적 물성값 측정 결과와 동일하게 클레이 함량 3 중량%까지는 증가된 점도값을 나타내었으나, 클레이의 함량이 5 중량%일 때는 순수 나일론 6과 비슷하거나 낮은 점도값을 나타내고 있었다.7 is a view showing the results of measuring the composite viscosity (η) of the nylon 6 / clay nanocomposite prepared in Example 3 by ARES. In the same manner as the mechanical property value measurement results, the clay content showed an increased viscosity up to 3% by weight, but when the clay content was 5% by weight, the viscosity was similar to or lower than that of pure nylon 6.
시험예 3: 나일론 6 / 클레이 나노복합재의 열적 특성 측정Test Example 3 Measurement of Thermal Properties of Nylon 6 / Clay Nanocomposites
상기 시험예 3에서 제조된 시편에 대한 열적 물성을 측정하기 위해 TGA를 수행하였다. 질소분위기에서 각각의 나노복합재 시편의 열분해 온도를 측정하고 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다. TGA was performed to measure the thermal properties of the specimen prepared in Test Example 3. The pyrolysis temperature of each nanocomposite specimen in a nitrogen atmosphere was measured and the results are shown in Table 3 below.
상기 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 클레이 첨가량이 증가함에 따라 열 분해 온도도 동반 상승함을 알 수 있다. 이는 고분자에 분산된 무기물인 클레이에 의해 고분자 내에서의 기체 투과가 저하되기 때문으로, 이로 인해 나노복합재의 열분해가 높은 온도에서 일어나게 된다.As can be seen from Table 3, it can be seen that the thermal decomposition temperature also increases with the amount of clay added. This is because the gas permeation in the polymer is lowered by the clay, which is an inorganic material dispersed in the polymer, which causes thermal decomposition of the nanocomposite at a high temperature.
본 발명에 따라, 반응 압출과 같은 연속식 공정에 의해 고분자에 클레이가 나노 스케일로 고루게 분산된 나노복합재는 클레이 분산성, 기계적, 열적 특성이 매우 우수하므로 기자재 하우징용이나 구조재료 생산 분야에 응용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 반응 압출에 의한 연속식 공정은 우수한 물성을 지닌 클레이 나노복합재의 대량 생산을 가능케 하므로, 고분자 / 클레이 나노복합재의 대량 생산을 위한 원천기술로서 매우 중요하다.According to the present invention, the nanocomposite in which the clay is uniformly dispersed in the polymer at a nanoscale by a continuous process such as reaction extrusion has excellent clay dispersibility, mechanical and thermal properties, and thus is applied to equipment housing or structural material production. Can be. In addition, the continuous process by the reaction extrusion of the present invention enables the mass production of clay nanocomposites having excellent physical properties, it is very important as a source technology for mass production of polymer / clay nanocomposites.
도 1은 실시예 2에서 클레이의 첨가시점을 변화시켜 제조한 나노복합재의 WAXD를 나타낸 도면.1 is a view showing the WAXD of the nanocomposite prepared by changing the time of adding the clay in Example 2.
도 2는 실시예 3에서 클레이의 첨가량을 변화시켜 제조한 나노복합재의 WAXD를 나타낸 도면.Figure 2 is a view showing the WAXD of the nanocomposite prepared by varying the amount of clay added in Example 3.
도 3은 실시예 4에서 클레이를 반응 초기부터 용융시켜 제조한 나노복합재의 WAXD를 나타낸 도면. Figure 3 is a view showing the WAXD of the nanocomposite prepared by melting the clay from the initial reaction in Example 4.
도 4는 클레이의 함량이 3 중량%일 경우 실시예 3으로 제작한 나노복합재와 실시예 4로 제작한 나노복합재의 WAXD 패턴을 나타낸 도면.4 is a view showing the WAXD pattern of the nanocomposite prepared in Example 3 and the nanocomposite prepared in Example 3 when the content of clay is 3% by weight.
도 5는 실시예 3에서 클레이의 함량을 변화시켜 제조한 나노복합재의 인장강도를 나타낸 도면.5 is a view showing the tensile strength of the nanocomposite prepared by changing the content of clay in Example 3.
도 6은 실시예 3에서 클레이의 함량을 변화시켜 제조한 나노복합재의 굴곡강도를 나타낸 도면.6 is a view showing the bending strength of the nanocomposite prepared by changing the content of clay in Example 3.
도 7은 실시예 3으로 제조한 나일론 6 / 클레이 나노복합재의 복합점도 (η)를 ARES로 측정한 결과를 나타낸 도면.7 is a view showing the results of measuring the composite viscosity (η) of the nylon 6 / clay nanocomposite prepared in Example 3 by ARES.
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