KR100705402B1 - Novel Organic Modifier for Making Nanocomposite and process for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기와 같은 구조를 갖는 신규한 나노복합재용 유기화제 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel organic compounding agent for a nanocomposite having a structure as follows and a method of manufacturing the same.

특히, 본 발명의 신규한 나노복합재용 유기화제는 열안정성을 보다 향상시키기 위해 이미다졸늄(imidazolium) 이온이 도입된 유기화제를 설계하였다. 유기화제의 열안정성이 향상된 신규한 나노복합재용 유기화제는 박리형 PET 나노복합재 제조에 보다 유리하게 작용할 뿐만 아니라 최종적으로는 보다 큰 폭으로 PET 나노복합재의 여러 물성들을 향상시킨다. In particular, the novel organic compounding agent for nanocomposites of the present invention designed an organicizing agent in which imidazolium ions are introduced to further improve thermal stability. The novel organizing agent for nanocomposites with improved thermal stability of the organizing agent not only acts more advantageously for the production of peelable PET nanocomposites, but also finally improves various physical properties of the PET nanocomposites.

또한, 본 발명에서 설계한 유기화제는 히드록시 그룹을 가지므로 PET 수지와 수소결합에 의한 강한 상용작용이 가능할 것이라고 예상된다.In addition, since the organic agent designed in the present invention has a hydroxy group, it is expected that strong commercial action by hydrogen bonding with PET resin is possible.

Figure 112006073977069-pat00001
Figure 112006073977069-pat00001

나노복합재, 이미다졸늄, 유기화제, 점토, PET Nanocomposites, imidazoniums, organic agents, clays, PET

Description

신규한 나노복합재용 유기화제 및 그 제조방법{Novel Organic Modifier for Making Nanocomposite and process for preparing the same}Novel organic modifier for making nanocomposite and process for preparing the same

도 1은 본 발명에 따른 나노복합재의 제조에 사용되는 유기화제의 합성방법을 나타낸 도식도이다.1 is a schematic diagram showing a method of synthesizing an organic agent used in the production of nanocomposites according to the present invention.

도 2는 본 발명 유기화제의 1H NMR 스펙트라이다.2 is a 1 H NMR spectra of the present organic organizing agent.

도 3는 본 발명에 따른 유기화제를 이용하여 제조한 유기점토와 상업적으로 판매되는 유기점토인 클로사이트(Cloisite) 15A 및 클로사이트 30B에 대하여 수행한 TGA 시험 결과로서 온도 상승에 따른 각 시료의 무게 감소를 나타낸 그래프이다.Figure 3 is the weight of each sample according to the temperature rise as a result of the TGA test performed on the organic clay prepared by using the organic agent according to the present invention and commercially sold organic clays Clooisite 15A and Closite 30B It is a graph showing the decrease.

도 4는 본 발명에 따른 유기화제를 이용하여 제조한 유기점토와 점토, 상업적으로 판매되는 유기점토인 클로사이트 15A 및 클로사이트 30B의 XRD 패턴 그래프이다.Figure 4 is an XRD pattern of the organic clay and clay, commercially sold organic clay Closite 15A and Closite 30B prepared using the organic agent according to the present invention.

도 5는 PET 나노복합재의 XRD 패턴 그래프이다.5 is a XRD pattern graph of PET nanocomposites.

본 발명은 열안정성을 보다 향상시키기 위해 이미다졸늄(imidazolium) 이온이 도입된 신규한 유기화제에 관한 것으로 상기 유기화제는 박리형 PET 점토 나노복합재 제조에 보다 유리하게 작용할 뿐만 아니라 최종적으로는 보다 큰 폭으로 PET 점토 나노복합재의 여러 물성들을 향상시킨다.The present invention relates to a novel organic agent in which imidazolium ions are introduced to further improve thermal stability. The organic agent not only acts more advantageously in the manufacture of release PET clay nanocomposites but also finally, It improves the physical properties of PET clay nanocomposites in width.

금속이나 세라믹재료에 비해 낮은 비중을 갖는 고분자재료를 이용하여 금속이나 세라믹재료를 대체하는 것은 경제적인 측면뿐만 아니라 환경적인 관점에 있어서도 중요하다. 고분자재료가 금속이나 세라믹재료를 대체하기 위해서는 고분자재료의 기계적 혹은 열적 성질 등의 상대적으로 취약한 물성의 개선이 필요하다. 이러한 노력의 일환으로 최근에 들어 몬모릴로나이트 (montmorillonite, MMT) 등의 점토 층상화합물을 나노미터 수준으로 잘 분산시킨 고분자/점토 나노복합재의 제조를 통해 이를 해결하려는 노력들이 활발히 이루어지고 있다. 지금까지의 고분자/점토 나노복합재에 대한 연구결과를 종합해 보면 고분자/점토 나노복합재의 제조 기술은 적은 양의 점토 첨가만으로도 재료의 강도, 열안정성, 기체 차단성, 난연성등의 성질을 대폭 증가시킬 수 있는 차세대 복합재료 개발의 핵심기술임을 알 수 있다.It is important not only economically but also environmentally to replace metal or ceramic materials by using polymer materials having a lower specific gravity than metal or ceramic materials. In order for the polymer material to replace the metal or ceramic material, it is necessary to improve relatively weak physical properties such as mechanical or thermal properties of the polymer material. As part of such efforts, efforts have recently been actively made to solve this problem by preparing polymer / clay nanocomposites in which clay layered compounds such as montmorillonite (MMT) are well dispersed at the nanometer level. The results of the research on the polymer / clay nanocomposites up to now show that the manufacturing technology of the polymer / clay nanocomposites can greatly increase the properties of the material such as strength, thermal stability, gas barrier properties, and flame retardancy even with the addition of a small amount of clay. It can be seen that it is a core technology for developing next-generation composite materials.

특히, 대표적인 폴리에스터인 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate))(PET)의 고유의 우수한 기계적 물성들의 손실 없이 내열성이나 기체 차단성 등을 충분히 향상시키기 위해 PET에 점토를 분산, 박리시킨 박리형 PET/점토 나노복합재를 제조하려는 연구가 전 세계적으로 진행 중이다. Particularly, peelable PET in which clay is dispersed and peeled in PET in order to sufficiently improve heat resistance and gas barrier properties without losing the excellent mechanical properties inherent to the typical polyester polyethylene (poly (ethylene terephthalate)) (PET). Research into the manufacture of clay nanocomposites is underway worldwide.

고분자수지/점토 나노복합재를 제조하는 것은 기존의 마이크론(10-6m) 규모의 보강제를 첨가하여 물성을 향상시키는 방법에서 벗어나 무기 충전제/강화제의 입자크기를 나노미터 규모까지 분산시켜 기존 무기물 충전 복합재의 단점을 현저히 극복하는 것을 기본적인 목표로 하고 있으며, 원가대비 성능면에서 매우 유리한 방법으로 차세대 복합재료 시장의 판도에 큰 변화를 가져올 것으로 예측되는 핵심기술의 하나이다.The manufacture of polymer resin / clay nanocomposites is not a method of improving the physical properties by adding a micron (10 -6 m) reinforcing agent, but by dispersing the particle size of the inorganic filler / reinforcing agent to the nanometer scale. Its basic goal is to overcome the shortcomings of the system, and it is one of the key technologies that is expected to bring a big change in the next generation composite market in a very advantageous way in terms of cost performance.

1987년 일본 토요타 연구진들에 의해 적절한 방법으로 나일론 단량체를 규산염 층 사이에 삽입시키고 이를 층간 중합함으로써 층간 거리가 10 nm 가까이 증가하는 박리현상이 보고된 이래 미국·일본 등에서 연구가 진행되고 있으나 양이온 중합이 가능한 경우에만 이용될 수 있고 기존의 산업설비를 그대로 사용할 수 없다는 문제점이 있었다.In 1987, researchers in Japan and Japan have reported that peeling phenomenon of increasing the distance between layers by 10 nm by inserting nylon monomer between silicate layers by means of appropriate methods and polymerizing them interlayer has been studied in the United States and Japan. There was a problem that can be used only when possible and that existing industrial equipment cannot be used as it is.

1993년 일본의 야노 등은 유기화제로 처리된 MMT를 고분자 용액에 침지시킴으로서 용매가 규산염 층 사이를 침투하여 규산염 층을 분산시키고 이러한 분산을 유지하는 방법으로 폴리이미드/점토 나노복합재를 제조하였으나 제조과정에 다량의 용매가 사용되고 별도의 용매제거 공정이 필요하며, 폴리머가 유기화된 MMT의 층간으로 단순 삽입만 되거나 용매 건조과정 중에 층간거리가 다시 좁아진다는 문제점이 있었다.In 1993, Japan's Yano et al prepared polyimide / clay nanocomposites in such a way that solvents penetrated between the silicate layers to disperse the silicate layer and maintain this dispersion by immersing the MMT treated with the organic agent in the polymer solution. There is a problem that a large amount of solvent is used and a separate solvent removal process is required, and the polymer is simply inserted into the organic MMT layer or the interlayer distance is narrowed again during the solvent drying process.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 열안정성을 보다 향상시키기 위해 이미다졸늄(imidazolium) 이온이 도입된 신규한 유기화제를 설계 및 합성하고 이를 이용하여 PET 수지 내에 MMT를 이루는 규산염 층을 분산·박리시킨 PET/점토 나노복합재를 제조하는 기술을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to design and synthesize a novel organic agent in which imidazolium ions are introduced to further improve the thermal stability in order to solve the above problems, and by using the silicate layer to form the MMT in the PET resin To provide a technique for producing a PET / clay nanocomposite dispersed and separated.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 열안정성을 보다 향상시키기 위해 이미다졸늄(imidazolium) 이온이 도입된 신규한 나노복합재용 유기화제를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a novel organic compound for nanocomposites in which imidazolium ions are introduced to further improve thermal stability.

또한, 상기 나노복합재가 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)/점토 나노복합재인 것이 바람직하다.In addition, the nanocomposite is preferably a polyethylene terephthalate (PET) / clay nanocomposite.

또한, 본 발명은 1,2-에폭시-3-페녹시프로판과 2-브로모에탄올을 반응시켜 합성된 유기화제 중간체(BrEth)를 1,2-디메틸이미다졸과 반응시켜 상기 구조식(I)을 갖는 화합물을 제조하는 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is to react the organic compound intermediate (BrEth) synthesized by the reaction of 1,2-epoxy-3-phenoxypropane and 2-bromoethanol with 1,2-dimethylimidazole, the structural formula (I) It provides a method for producing a compound having a.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

점토는 지표면을 구성하는 광물의 하나로 그 구조가 기본적으로 규산염 층들의 층상 구조에 기초하고 있기 때문에 층상 화합물로 분류된다. 몬모릴로나이트(이 하 ‘MMT’), 사포나이트, 헥토라이트 등과 같이 다양한 종류가 있지만 본 발명에서는 Na-MMT를 사용하였다.Clay is a mineral that constitutes the earth's surface and is classified as a layered compound because its structure is basically based on the layered structure of silicate layers. There are various types such as montmorillonite (hereinafter, “MMT”), saponite, hectorite, etc., but Na-MMT is used in the present invention.

고분자/점토 나노복합재 제조에 가장 보편적으로 이용되는 점토 중에서 MMT는 자연계에 흔히 존재하는 층상 화합물로 광물학적으로는 스멕타이트 그룹에 속하는 운모형태의 층상 규산염 광물이다. 규산염 층 사이에 존재하는 Na+, Ca2+과 같은 양이온으로 인하여 팽윤성, 유기화합물과의 다양한 반응성, 이온교환능력 등의 무기화합물로서는 보기 드문 성질을 갖게 된다. MMT의 층간에 존재하는 이온교환 가능한 대부분의 양이온은 Na+이기 때문에 MMT를 일반적으로 Na-MMT로 지칭한다.Among the most commonly used clays for the production of polymer / clay nanocomposites, MMT is a layered compound commonly found in nature and is a mica-like layered silicate mineral belonging to the smectite group. Due to the cations such as Na + and Ca 2+ present between the silicate layers, inorganic compounds such as swelling property, various reactivity with organic compounds, ion exchange ability, etc. are rare. MMT is generally referred to as Na-MMT because most of the ion exchangeable cations present between the layers of MMT are Na + .

유기물의 층간침투를 용이하게 하기 위해서는 유기화제를 사용하여 Na-MMT의 친유성을 증대시켜야 한다. 일반적으로 점토는 규산염 층간의 강력한 반데르발스 인력 및 좁은 층간 거리로 인하여 고분자 수지에 박리·분산되기가 대단히 어려운데, 저분자량의 친유성 유기화제를 이온교환반응을 통해 규산염 층간에 삽입하는 전처리 과정을 통해 고분자 수지내로의 박리·분산을 유도할 수 있다. 이와 같은 전처리 과정을 거친 점토를 유기점토라고 한다.In order to facilitate intercalation of organics, an organic agent should be used to increase the lipophilic properties of Na-MMT. In general, clay is very difficult to exfoliate and disperse in polymer resin due to strong van der Waals attraction between the layers of silicate and narrow interlayer distance.The pretreatment process of inserting low molecular weight lipophilic organic agent into the silicate layer through ion exchange reaction Peeling and dispersion into the polymer resin can be induced through. Clay that has undergone such pretreatment is called organic clay.

본 발명에서는 PET수지와 상용성이 있으면서 열안정성이 우수한 새로운 유기화제를 도 1과 같이 설계·합성하고 이를 Na-MMT와 이온교환반응 시켜 유기점토를 제조하였다. 유기화제가 열안정성이 요구되는 것은 PET/점토 나노복합재 제조시 PET 수지의 높은 녹는점(260℃)으로 인해 PET/점토 나노복합재 제조시 고온의 용융혼합이 불가피하기 때문이다.In the present invention, a new organic agent having compatibility with PET resin and excellent thermal stability was designed and synthesized as shown in FIG. 1, and the organic clay was prepared by ion exchange reaction with Na-MMT. The thermal stability of the organic agent is required because the high melting point of the PET resin (260 ℃) in the production of PET / clay nanocomposites is inevitable high temperature melt mixing in the production of PET / clay nanocomposites.

본 발명에서는 유기화제의 열안정성을 보다 향상시키기 위해 이미다졸늄(imidazolium) 이온이 도입되도록 설계하였다.In the present invention, imidazolium ions are introduced to improve thermal stability of the organic agent.

이와 같이 설계한 유기화제를 다음과 같이 합성하였다.The organic agent designed as described above was synthesized as follows.

하기 반응식(1)에 유기화제의 합성경로를 나타내었다. 본 발명에서 합성된 유기화제는 바람직하게 1,2-에폭시-3-페녹시프로판(1,2-epoxy-3-phenoxypropane)과 2-브로모에탄올(2-bromoethanol)을 반응시켜 합성된 유기화제 중간체(BrEth)를 각각 1,2-디메틸이미다졸과 반응시켜 합성되었다. The synthesis route of the organic agent is shown in Reaction Scheme (1). The organic agent synthesized in the present invention is preferably an organic agent synthesized by reacting 1,2-epoxy-3-phenoxypropane and 2-bromoethanol. The intermediate (BrEth) was synthesized by reacting with 1,2-dimethylimidazole, respectively.

구체적인 예로 보다 상세히 설명하면, 둥근바닥 플라스크에 마그네슘 퍼클로레이트(magnesium perchlorate)를 넣고 질소가스를 흘려주면서 정제한 아세토니트릴을 넣고 잘 저어 주어 균일한 용액을 만든다. 여기에 1,2-에폭시-3-페녹시프로판 을 넣는다. 계속해서 2-브로모에탄올을 넣고 잘 저어 반응시킨다. 그 후 반응 생성물을 디에틸 에테르(diethyl ether)로 추출하고 증류수로 여러 번 세척한 후 디에틸 에테르층을 별도로 취하여 마그네슘 설페이트(magnesium sulfate (anhydrous))로 건조 후 디에틸 에테르를 제거하여 크루드(crude) 생성물을 얻었다. 이렇게 얻은 크루드 생성물을 헥산:에틸 아세테이트 (50:50/v:v) 전개용매 하에서 컬럼 크로마토그래피 법으로 분리하여 진한 노란색의 유기화제 중간체(BrEth)를 얻었다.As a specific example, the magnesium perchlorate (magnesium perchlorate) is put in a round bottom flask, and the purified acetonitrile is added while stirring with nitrogen gas to make a uniform solution. Add 1,2-epoxy-3-phenoxypropane. Then add 2-bromoethanol and stir well to react. Then, the reaction product was extracted with diethyl ether, washed several times with distilled water, the diethyl ether layer was taken separately, dried over magnesium sulfate (anhydrous), and diethyl ether was removed to remove crude. crude) to yield the product. The crude product thus obtained was separated by column chromatography under a hexane: ethyl acetate (50: 50 / v: v) developing solvent to give a dark yellow organic agent intermediate (BrEth).

유기화제(BrEthN)는 하기 반응식 (1)에서 보는 바와 같이 상기 유기화제 중간체인 BrEth와 1,2-디메틸이미다졸을 반응시켜 합성하였다. BrEth을 둥근바닥 플라스크에 넣고 질소가스를 흘려주면서 정제한 아세토니트릴을 넣고 잘 저어 주어 균일한 용액을 만든다. 여기에 1,2-디메틸이미다졸을 넣고 저어 반응시킨다. 반응 종료 후 반응 플라스크에 소량의 디메틸설폭사이드(DMSO)를 넣고 저어 주어 생성된 진한 갈색의 반응 생성물을 잘 녹인다. DMSO/반응 생성물 용액을 에틸 아세테이트에 조금씩 떨어뜨려 침전시킨다. 이 과정에서 염 형태의 유기화제 BrEthN는 침전되고 미반응 BrEth와 1,2-디메틸이미다졸은 에틸 아세테이트에 녹게 된다. 위 침전 용액을 필터링하고 여과지 위의 반응 생성물을 에틸 아세테이트로 충분히 씻어 준다. 그 후 여과지 위의 반응 생성물을 취해 진공 오븐에서 충분히 건조시켜 유기화제 BrEthN를 얻었다.The organizing agent (BrEthN) was synthesized by reacting BrEth, which is the organizing agent intermediate, with 1,2-dimethylimidazole, as shown in Scheme (1). BrEth is placed in a round bottom flask and nitrogen gas is flowed into the purified acetonitrile to stir well to make a uniform solution. 1,2-dimethylimidazole is added thereto and stirred. After the reaction was completed, a small amount of dimethyl sulfoxide (DMSO) was added to the reaction flask and stirred to dissolve the resulting dark brown reaction product. Dilute the DMSO / reaction product solution in ethyl acetate in small portions. In this process, the organic form BrEthN in salt form precipitates and unreacted BrEth and 1,2-dimethylimidazole are dissolved in ethyl acetate. Filter the above precipitate solution and wash the reaction product on the filter paper with ethyl acetate sufficiently. The reaction product on the filter paper was then taken and dried sufficiently in a vacuum oven to give the organizing agent BrEthN.

Figure 112005036008624-pat00002
반응식 (1)
Figure 112005036008624-pat00002
Scheme (1)

<유기 점토의 제조><Production of Organic Clay>

이온 교환 반응에 의한 유기 점토 제조 과정을 아래에서 자세히 설명한다.The process for preparing organic clay by ion exchange reaction is described in detail below.

Na-MMT를 증류수에 충분히 분산시킨다. 그리고 앞서 합성한 유기화제(BrEthN)를 DMSO:증류수(50:50/v:v) 혼합용매에 잘 녹인 후 앞서 준비한 증류수에 분산시킨 Na-MMT와 반응기에 넣고 잘 저어 준다. 이온 교환 반응이 충분히 일어날 수 있도록 진행시킨다. 반응이 끝난 후 반응 생성물을 필터링하고 여과지 위의 반응 생성물을 DMSO:증류수(50:50/v:v) 혼합용매 및 메탄올로 충분히 씻어 미반응 유기화제 등을 제거하였다. 그 후 여과지 위의 반응 생성물을 취해 충분히 건조시켜 본 발명에서 새롭게 제조한 유기점토인 BrEthNC를 얻었다. Na-MMT is sufficiently dispersed in distilled water. Then, the previously synthesized organic agent (BrEthN) is dissolved in DMSO: distilled water (50: 50 / v: v) mixed solvent, and then stirred in Na-MMT and reactor dispersed in the distilled water prepared above. The ion exchange reaction is allowed to proceed sufficiently. After the reaction was completed, the reaction product was filtered and the reaction product on the filter paper was sufficiently washed with a DMSO: distilled water (50: 50 / v: v) mixed solvent and methanol to remove the unreacted organic agent. Thereafter, the reaction product on the filter paper was taken and dried sufficiently to obtain BrEthNC, an organic clay newly prepared in the present invention.

고분자/점토 나노복합재를 제조하는 방법으로는 크게 용액법, 중합법, 컴파운딩법 등이 있는데 본 발명에서 사용된 컴파운딩법은 고분자 수지를 유기점토와 용융혼합 방법에 의해 규산염 층간에 삽입시켜 최종적으로는 고분자 수지 내에 규산염 층을 분산시키는 기술이다.The method of preparing the polymer / clay nanocomposite is largely a solution method, a polymerization method, a compounding method, etc. The compounding method used in the present invention is to finally insert the polymer resin into the silicate layer by the organic clay and melt mixing method. As a technique, the silicate layer is dispersed in the polymer resin.

구체적인 예로 미리 충분히 건조시킨 PET 수지에 유기점토를 0.1 내지 30 중량%로 예비혼합한 후 압출기에서 용융혼합하여 고분자/점토 나노복합재를 제조하였다. 압출기 혼합구역의 온도는 250 내지 320℃로 하는 것이 바람직하다.As a specific example, pre-mixed organic clay to 0.1 to 30% by weight of PET resin sufficiently dried in advance, followed by melt mixing in an extruder to prepare a polymer / clay nanocomposite. It is preferable that the temperature of an extruder mixing zone shall be 250-320 degreeC.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않으며, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 유기화제, Na-MMT에 본 발명의 유기화제를 처리하여 얻은 유기점토의 각종 물성 평가는 다음과 같은 방법으로 실시하였다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail based on the following Example. However, the following examples are not intended to limit the present invention, but are not limited thereto. Various physical properties of the organic clay obtained by treating the organic agent prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention and Na-MMT may be obtained. Evaluation was performed by the following method.

(1) 유기화제의 구조 분석(1) Structural Analysis of Organic Agent

합성한 유기화제의 구조를 확인하기 위해 1H NMR을 이용하였다. 1 H NMR was used to confirm the structure of the synthesized organic agent.

(2) 유기화제의 열안정성(2) Thermal Stability of Organic Agent

유기화제의 열안정성을 조사하기 위해 열중량분석기(TGA) 분석을 수행하였다. TGA 분석 전에 모든 시료는 진공 오븐(40℃)에서 충분히 건조시켰으며 모든 TGA 분석은 질소가스를 흘려주면서 30~800℃의 온도범위에 대해 10℃/min의 승온속도로 수행하였다.Thermogravimetric Analysis (TGA) analysis was performed to investigate the thermal stability of the organic agent. Prior to TGA analysis, all samples were dried sufficiently in a vacuum oven (40 ° C.) and all TGA analyzes were performed at a temperature rising rate of 10 ° C./min over a temperature range of 30 to 800 ° C. while flowing nitrogen gas.

(3) 유기점토 및 PET/점토 나노복합재의 구조 분석(3) Structural analysis of organic clay and PET / clay nanocomposites

유기점토 및 PET/점토 나노복합재의 구조는 엑스선 회절분석계(XRD)를 사용하여 유기점토 및 PET/점토 나노복합재 각각에 대한 d 간격을 측정함으로써 분석하였다. XRD 패턴을 얻기 위해 엑스선 소스로는 니켈-여과구리-칼륨 알파 방사선(파장=0.154 nm, 40kV, 30mA)을 사용하였고 1.5~10°영역에 대해 3°/min의 속도로 스캐닝하여 수행하였다. 또한, PET/점토 나노복합재의 구조를 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 분석하였다. 박편 절단기에 의해 준비된 PET/점토 나노복합재 샘플을 200 메쉬 구리망 위에 올리고 200kV의 가속전압 하에서 관찰하였다.The structures of the organoclay and PET / clay nanocomposites were analyzed by measuring the d spacing for each of the organoclay and PET / clay nanocomposites using an X-ray diffractometer (XRD). Nickel-copper-potassium alpha radiation (wavelength = 0.154 nm, 40 kV, 30 mA) was used as an X-ray source to obtain an XRD pattern, and scanning was performed at a rate of 3 ° / min for a 1.5 to 10 ° region. In addition, the structure of the PET / clay nanocomposites were analyzed using a transmission electron microscope (TEM). PET / clay nanocomposite samples prepared by the flake cutter were placed on a 200 mesh copper mesh and observed under an accelerating voltage of 200 kV.

[실시예 1]Example 1

유기화제의 제조Preparation of Organizer

둥근바닥 플라스크에 마그네슘 퍼클로레이트 0.133 mol (30 g)을 넣고 질소가스를 흘려주면서 정제한 아세토니트릴을 넣고 잘 저어 주어 균일한 용액을 만든다. 여기에 1,2-에폭시-3-페녹시프로판 0.133 mol (18 ml)을 넣는다. 계속해서 2-브로모에탄올 0.266 mol (19 ml)을 넣고 잘 저어준다. 반응은 80 °C에서 24시간 동안 진행되었다. 그 후 반응 생성물을 디에틸에테르로 추출하고 증류수로 여러 번 세척한 후 디에틸에테르층을 별도로 취하여 마그네슘 설페이트(무수)로 건조 후 디에틸에테르를 제거하여 크루드 생성물을 얻었다. 이렇게 얻은 크루드 생성물을 헥산:에틸 아세테이트 (50:50/v:v) 전개용매 하에서 컬럼 크로마토그래피법으로 분리하여 진한 노란색의 유기화제 중간체(BrEth)를 얻었다.0.133 mol (30 g) of magnesium perchlorate is added to a round-bottomed flask and purified acetonitrile is added while stirring with nitrogen gas to form a uniform solution. Add 0.133 mol (18 ml) of 1,2-epoxy-3-phenoxypropane. Then add 0.266 mol (19 ml) of 2-bromoethanol and stir well. The reaction proceeded for 24 hours at 80 ° C. Thereafter, the reaction product was extracted with diethyl ether, washed several times with distilled water, the diethyl ether layer was taken separately, dried over magnesium sulfate (anhydrous), and diethyl ether was removed to obtain a crude product. The crude product thus obtained was separated by column chromatography under a hexane: ethyl acetate (50: 50 / v: v) developing solvent to give a dark yellow organic agent intermediate (BrEth).

유기화제 BrEthN는 상기 유기화제 중간체인 BrEth와 1,2-디메틸이미다졸을 반응시켜 합성하였다. BrEth 0.003 mol (0.8 g)을 둥근 바닥 플라스크에 넣고 질소가스를 흘려주면서 정제한 아세토니트릴을 넣고 잘 저어 주어 균일한 용액을 만든다. 여기에 1,2-디메틸이미다졸 0.01 mol (1 g)을 넣고 저어 준다. 반응은 100 ℃에서 7일 동안 진행되었다. 반응 종료 후 반응 플라스크에 소량의 DMSO를 넣고 저어 주어 생성된 진한 갈색의 반응 생성물을 잘 녹인다. DMSO/반응 생성물 용액을 에틸 아세테이트에 조금씩 떨어뜨려 침전시킨다. 이 과정에서 염 형태의 유기화제 BrEthN는 침전되고 미반응 BrEth와 1,2-디메틸이미다졸은 에틸 아세테이트에 녹게 된다. 위 침전 용액을 필터링하고 여과지 위의 반응 생성물을 에틸 아세테이트로 충분히 씻어 준다. 그 후 여과지 위의 반응 생성물을 취해 진공 오븐(80 ℃)에서 충분히 건조 시켜 유기화제 BrEthN를 얻었다(수율: 72%). Organizer BrEthN was synthesized by reacting BrEth, the organizing agent intermediate, with 1,2-dimethylimidazole. BrEth 0.003 mol (0.8 g) is added to a round-bottomed flask, and purified acetonitrile is added while stirring with nitrogen gas to form a uniform solution. Add 0.01 mol (1 g) of 1,2-dimethylimidazole here and stir. The reaction proceeded at 100 ° C. for 7 days. After completion of the reaction, a small amount of DMSO was added to the reaction flask and stirred to dissolve the resulting dark brown reaction product. Dilute the DMSO / reaction product solution in ethyl acetate in small portions. In this process, the organic form BrEthN in salt form precipitates and unreacted BrEth and 1,2-dimethylimidazole are dissolved in ethyl acetate. Filter the above precipitate solution and wash the reaction product on the filter paper with ethyl acetate sufficiently. Then, the reaction product on the filter paper was taken and dried sufficiently in a vacuum oven (80 ° C.) to obtain an organic agent BrEthN (yield: 72%).

유기점토의 제조Preparation of Organic Clay

Na-MMT 3 g을 증류수 500 ml에 충분히 분산 시킨다. 그리고 앞서 합성한 유기화제 BrEthN 0.0028 mol(1.5 g)을 DMSO:증류수(50:50/v:v) 혼합용매에 잘 녹인 후 앞서 준비한 증류수에 분산시킨 Na-MMT를 반응기에 넣고 잘 저어 준다. 이온 교환 반응이 충분히 일어날 수 있도록 반응은 70 ℃에서 12 시간 동안 진행되었다. 반응이 끝난 후 반응 생성물을 필터링하고 여과지 위의 반응 생성물을 DMSO:증류수(50:50/v:v) 혼합용매 및 메탄올로 충분히 씻어 미반응 유기화제 등을 제거하였다. 그 후 여과지 위의 반응 생성물을 취해 진공 오븐(80 ℃)에서 충분히 건조시켜 본 발명에 따라 새롭게 제조된 유기점토인 BrEthNC를 얻었다. 3 g of Na-MMT is sufficiently dispersed in 500 ml of distilled water. Then, 0.0028 mol (1.5 g) of the synthesized organic agent BrEthN was dissolved in a DMSO: distilled water (50: 50 / v: v) mixed solvent, and then Na-MMT dispersed in the distilled water prepared in the above was stirred well. The reaction proceeded at 70 ° C. for 12 hours to allow sufficient ion exchange reactions to occur. After the reaction was completed, the reaction product was filtered and the reaction product on the filter paper was sufficiently washed with a DMSO: distilled water (50: 50 / v: v) mixed solvent and methanol to remove the unreacted organic agent. The reaction product on the filter paper was then taken and dried sufficiently in a vacuum oven (80 ° C.) to obtain BrEthNC, an organic clay newly prepared according to the present invention.

PET/점토 나노복합재의 제조Preparation of PET / clay nanocomposites

PET/BrEthNC 나노복합재는 컴파운딩법에 의해 제조되었으며 쌍축(twin screw) 압출기를 사용하여 용융-혼합(melt-mixing)했다. PET 나노복합재를 제조하기에 앞서 PET수지를 진공 오븐(120 ℃)에서 12시간 동안 충분히 건조시켜 사용하였다. 진공 오븐에서 충분히 건조시킨 PET수지 29.1 g과 BrEthNC 0.9 g을 미리 예비혼합(premixing)한 후 압출기에 주입하여 용융 혼합을 수행하였다. 압출기의 혼합구역(mixing zone)의 온도를 280 ℃로 맞추고 스크류의 회전속도는 50 rpm으로 고정하였다. 처음 10 g은 버리고 이후의 10 g을 PET/BrEthNC 나노복합재의 시료로 채취하였다. 상용화 유기점토인 클로사이트(Cloisite) 15A 및 클로사이트 30B를 동일한 조건에서 PET와 용융혼합해서 PET/15A 및 PET/30B 나노복합재를 제조하였다.PET / BrEthNC nanocomposites were prepared by compounding and melt-mixed using twin screw extruders. Prior to preparing the PET nanocomposite, the PET resin was sufficiently dried for 12 hours in a vacuum oven (120 ° C.). 29.1 g of PET resin sufficiently dried in a vacuum oven and 0.9 g of BrEthNC were premixed in advance and then injected into an extruder to perform melt mixing. The temperature of the mixing zone of the extruder was adjusted to 280 ° C. and the rotation speed of the screw was fixed at 50 rpm. The first 10 g was discarded and the subsequent 10 g was taken as a sample of PET / BrEthNC nanocomposite. The commercialized organic clay Closite 15A and Closite 30B were melt mixed with PET under the same conditions to prepare PET / 15A and PET / 30B nanocomposites.

[비교예 1]Comparative Example 1

사우썬 클레이 프라덕트사(Southern Clay Products)의 클로사이트 Na-MMT를 사용하여 유기점토를 제조하였고, 비교실험을 위해 상업적으로 판매되는 유기점토 중 클로사이트 15A 및 클로사이트 30B를 사용하여 비교하였다.Organic clays were prepared using Closite Na-MMT from Southern Clay Products and compared using Closite 15A and Closite 30B in commercially available organic clays for comparative experiments.

실시예 1에서 합성한 유기화제인 BrEthN이 성공적으로 합성되었는지를 1H NMR 및 원소분석법을 통하여 확인하였다. BrEthN 1H NMR 스펙트라에 대한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보는 바와 같이 BrEthN에 대한 1H NMR 스펙트라의 피크 위치와 면적 비가 이론값과 잘 일치함을 알 수 있다. Whether or not BrEthN, an organic agent synthesized in Example 1, was successfully synthesized was confirmed by 1 H NMR and elemental analysis. The results for BrEthN 1 H NMR spectra are shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, it can be seen that the peak position and area ratio of the 1 H NMR spectra with BrEthN agree well with the theoretical value.

실시예 1에서 합성한 유기화제인 BrEthN의 열안정성을 조사하기 위해 이들로부터 제조한 BrEthNC에 대한 열중량분석기(TGA) 실험을 수행하였다. 또한 본 발명에서는 비교를 위해 상업적으로 판매되는 클로사이트 15A 및 클로사이트 30B에 대해서도 동일한 조건에서 TGA 실험을 수행하였다. 도 3은 TGA 결과를 나타내는 것으로서 온도 상승에 따른 각 시료의 무게 감소를 나타낸다. TGA 결과에서 나타난 각 시료의 무게 감소는 온도 상승에 따른 유기물의 열분해에 기인한다. In order to investigate the thermal stability of BrEthN, an organic agent synthesized in Example 1, thermogravimetric analysis (TGA) experiments were performed on BrEthNC prepared from them. In the present invention, TGA experiments were also carried out under the same conditions for commercially available Closite 15A and Closite 30B for comparison. Figure 3 shows the TGA results showing the weight loss of each sample with increasing temperature. The weight loss of each sample in the TGA results is due to the thermal decomposition of organics with increasing temperature.

도 3의 결과로부터 BrEthNC는 300 ℃ 부근에서 열분해에 기인한 무게 감소가 시작됨을 볼 수 있다. 이 온도는 클로사이트 15A 및 30B의 열분해 시작 온도인 200 ℃와 비교했을 때 100 ℃ 정도 증가한 온도이다. BrEthNC에 대한 TGA 결과에서 관찰된 열분해 온도의 큰 증가는 열안정성이 보다 우수한 이미다졸늄 이온을 유기화제의 헤드 그룹(head group)에 도입한 결과라고 할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 열안정성이 더 뛰어난 이미다졸늄 이온을 한쪽 말단에 갖는 새로운 유기화제 BrEthN을 분자 설계하여 열안정성이 우수한 유기화제를 성공적으로 합성할 수 있었다. It can be seen from the results of FIG. 3 that BrEthNC begins to lose weight due to pyrolysis at around 300 ° C. This temperature is increased by about 100 ° C. compared to 200 ° C., which is the starting temperature of pyrolysis of Closite 15A and 30B. The large increase in pyrolysis temperature observed in the TGA results for BrEthNC can be attributed to the introduction of imidazonium ions with better thermal stability into the head group of the organic agent. As described above, in the present invention, the molecular design of the new organic agent BrEthN having imidazonium ions having more excellent thermal stability at one end was successfully synthesized.

실시예1에서 합성한 BrEthN가 성공적으로 Na-MMT의 실리케이트 층(silicate layers)의 층간으로 삽입이 되었는지를 규명하기 위해 BrEthNC에 대한 XRD 실험을 수행하였다. 비교를 위해 클로사이트 15A 및 30B에 대해서도 동일한 조건에서 XRD 실험을 수행하였고 그 결과를 도 4 에 각각 나타내었다.XRD experiments on BrEthNC were performed to determine whether BrEthN synthesized in Example 1 was successfully inserted into the interlayer of the silicate layers of Na-MMT. For comparison, XRD experiments were performed under the same conditions for CloSite 15A and 30B and the results are shown in FIG. 4, respectively.

도 4의 Na-MMT에 대한 XRD 패턴에서 2θ=7.5°에서 고유의 특성 피크가 나타남을 볼 수 있는데 이것은 Na-MMT를 이루는 실리케이트 층이 약 1 nm 정도의 d 간격(spacing)을 유지하면서 층상 구조를 이루고 있음에 기인한다. Na-MMT를 이루는 실리케이트 층(silicate layers)의 층간 거리는 유기화제와 같은 양이온 그룹을 갖는 화합물의 층간 삽입에 의해 증가될 수 있다. 이러한 실리케이트 층의 층간 거리 증가는 Bragg 법칙으로부터 알 수 있는 바와 같이 XRD 실험에서 나타난 피크의 위치를 나타내는 2θ 값이 소각(small angle)으로 이동하는 것으로부터 확인할 수 있다. 도 4에 본 발명에서 제조한 BrEthNC 뿐만 아니라 상용화 유기점토인 클로사이트 15A 및 클로사이트 30B 에 대한 XRD 패턴을 함께 나타내었다. 도 4의 BrEthNC에 대한 XRD 패턴으로부터 Na-MMT에서 보이던 2θ=7.5°피크는 사라지고 2θ=4.8°의 새로운 특성 피크가 생겼음을 알 수 있다. 이 결과는 2θ 값이 소각으로 이동했다는 것을 의미한다. 이러한 XRD 결과로부터 본 발명에서 합성한 BrEthN가 Na-MMT의 실리케이트 층 사이에 이온 교환 반응에 의해 삽입되어 유기점토인 BrEthNC가 성공적으로 제조되었음을 알 수 있다. 이들 BrEthNC는 실리케이트 층이 전체적인 층상구조는 유지하지만 층간 거리가 증가된 구조를 갖고 있다. The unique characteristic peak to view seen in FIG 2θ = 7.5 ° in the XRD pattern for the four of Na-MMT There This silicate layer while maintaining the d spacing (spacing) of about 1 nm layer structure constituting the Na-MMT Is due to The interlayer distance of the silicate layers of Na-MMT can be increased by intercalation of compounds with cationic groups such as organizing agents. The increase in interlayer distance of this silicate layer, as can be seen from Bragg's law, indicates that the 2θ represents the position of the peak in the XRD experiment. This can be seen by moving the value to a small angle. 4 shows the XRD patterns for the BrEthNC prepared in the present invention as well as the commercialized organic clays Closite 15A and Closite 30B. From the XRD pattern for BrEthNC of FIG. 4, it can be seen that the 2θ = 7.5 ° peak seen in Na-MMT disappeared and a new characteristic peak of 2θ = 4.8 ° occurred. This result means that the value of 2θ has shifted to incineration. From these XRD results, it can be seen that BrEthN synthesized in the present invention was inserted by ion exchange reaction between the silicate layers of Na-MMT to successfully prepare BrEthNC, an organic clay. These BrEthNCs have a structure in which the silicate layer maintains the overall layer structure but increases the interlayer distance.

실시예 1에서 제조된 PET/점토 나노복합재에 대한 XRD 패턴을 나타내었다. 각 PET 나노복합재의 구조를 직접적으로 비교하기 위해 모든 경우에 있어서 유기점토의 함량은 3 wt%로 고정하였다. The XRD pattern for the PET / clay nanocomposite prepared in Example 1 is shown. In order to directly compare the structure of each PET nanocomposite, the content of organoclay was fixed at 3 wt%.

도 5에 나타낸 바와 같이 BrEthNC로부터 제조된 PET 나노복합재에 대한 XRD 패턴에서는 2θ=7.5°의 Na-MMT의 특성 피크는 물론 2θ=4.8°에서 보이던 BrEthNC 자체의 특성 피크도 거의 사라짐을 볼 수 있다. 즉, 실리케이트 층이 그들의 층상 구조를 상당 부분 잃고 PET 매트릭스(matrix) 내에 잘 분산, 박리 되었다는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 5, in the XRD pattern of the PET nanocomposite prepared from BrEthNC, the characteristic peak of Na-MMT of 2θ = 7.5 ° as well as the characteristic peak of BrEthNC itself, which was seen at 2θ = 4.8 °, are almost disappeared. That is, it can be seen that the silicate layers lost much of their layered structure and were well dispersed and exfoliated in the PET matrix.

상기한 바와 같이, 본 발명은 이미다졸늄 이온이 도입되어 열안정성이 보다 향상된 신규한 유기화제 화합물 및 그 제조방법, 그리고 PET/점토 나노복합재에 관한 기술을 제공한다.As described above, the present invention provides a novel organicating agent compound, a method for producing the same, and a PET / clay nanocomposite material having imidazonium ions introduced to improve thermal stability.

본 발명의 유기화제를 이용하여 PET/점토 나노복합재를 제조하면, Na-MMT의 규산염 층들이 보다 미세하게 박리·분산되어 내충격성, 인성 및 투명성 등의 물성 저하 없이 PET/점토 나노복합재의 기계적 물성을 현저히 개선할 수 있다.When the PET / clay nanocomposite is manufactured using the organic agent of the present invention, the silicate layers of Na-MMT are more finely peeled and dispersed, so that the mechanical properties of the PET / clay nanocomposite are not reduced in physical properties such as impact resistance, toughness and transparency. Can be remarkably improved.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 기술되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.While the invention has been described in detail only with respect to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims. .

Claims (3)

하기 구조식(I)의 폴리에틸렌테레프탈레이트/점토 나노복합재용 유기화제.An organic agent for polyethylene terephthalate / clay nanocomposites of the following structural formula (I). [구조식(I)][Structure Formula (I)]
Figure 112006073977069-pat00003
Figure 112006073977069-pat00003
제 1항의 유기화제를 포함하는 폴리에틸렌테레프탈레이트/점토 나노복합재.Polyethylene terephthalate / clay nanocomposite comprising the organic agent of claim 1. 1,2-에폭시-3-페녹시프로판과 2-브로모에탄올을 반응시켜 합성된 유기화제 중간체(BrEth)를 1,2-디메틸이미다졸과 반응시키는 것을 특징으로 하는 나노복합재용 유기화제의 제조방법.The organic agent intermediate for nanocomposites characterized in that the organic compound intermediate (BrEth) synthesized by reacting 1,2-epoxy-3-phenoxypropane and 2-bromoethanol is reacted with 1,2-dimethylimidazole. Manufacturing method.
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