KR100852710B1 - 난연성 및 형상유지성이 강화된 폴리에스테르 - Google Patents

난연성 및 형상유지성이 강화된 폴리에스테르 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 폴리에스테르에 난연성 및 형상유지성을 강화하기 위한 조성물로서, (i) SiO2/Na2O의 몰비가 2.1~2.9인 규산나트륨 용액 55~75 중량%, (ii) 카르복시 메틸 셀룰로오스 0.5~7 중량%, (iii) 메틸렌 디페닐 이소시아네이트 70~80 중량% 폴리 메틸 글리콜 20~30 중량%의 우레탄계 수지 0.7~10 중량%, (iv) 부틸아크릴레이트 모노머 36~40 중량%, 메틸메타크릴레이트 10~13 중량%, 유화제 1~2 중량%, 아크릴산 3~5 중량%, 및 나머지 물을 포함하는 아크릴계 수지 혼합물 0.7~10 중량%, 및 (v) 100 중량%를 채우는 나머지 물을 포함하여 구성되는 조성물을 제공한다.
또한 본원 발명은 상기 조성물을 제조하는 방법, 및 상기 조성물을 폴리에스테르 수지에 적용하는 방법을 제공한다. 상기 조성물이 적용된 폴리에스테르 수지는 자동차용 NVH 부품, 특히 엔진룸의 흡음 단열 부품의 제조에 사용될 수 있다.
폴리에스테르, 난연성, 형상유지성, NHV 부품

Description

난연성 및 형상유지성이 강화된 폴리에스테르{Fire Retardancy and Shape Retention Reinforced Polyester}
도 1은 본원 발명의 조성물이 적용된 폴리에스테르 수지를 이용하여 제조할 수 있는 자동차용 NVH 부품들을 예시한 것이다.
본원 발명은 폴리에스테르에 난연성 및 형상유지성을 부여할 수 있는 조성물, 이를 폴리에스테르 수지에 적용하는 방법 및 상기 조성물이 적용된 폴리에스테르 수지에 관한 것이다.
현재의 자동차 시장에서는 인간의 감성에 해당하는 승차감을 좌우하는 NVH 기능은 상당히 강조되는 반면, 환경문제에 따라 소재의 선택은 제약을 받고 있다. 따라서 향상된 NVH 성능을 가지는 동시에 환경문제는 발생시키지 않는 소재의 개발이 요구되고 있다.
'NVH'란 탑승자의 승차감에 영향을 미치는 요소들, 즉, 영어로 'Noise', 'Vibration', 'Harshness'의 이니셜(Initial)을 합친 합성어이다. 그러므로 NVH 부품이란 위의 3 가지 요소들을 감소시켜 탑승자가 최적의 승차감을 느낄 수 있도록 보장하는 자동차의 부품들을 일컫는다.
(1) Noise : 외부 및 자동차 구동 중에 발생하는 불쾌한 소리, 소음
(2) Vibration : 자동차 구동 중 일정한 주기를 가지고 흔들리는 현상, 진동
(3) Harshness : 자동차 주행 시 요철 등을 지날 때의 노면 충격으로 인한 진동/소음
현재 자동차 등의 운반구에 사용되는 NVH 부품은 흡음 단열소재를 금형을 이용하여 열 또는 냉 프레스로 압착하여 성형하는데, 그 소재로는 EVR 시트, 우레탄 폼(urethane foam), 글라스울(glass wool), 레진 펠트(resin felt), 폴리에스테르(polyester) 등이 쓰이고 있다. 특히 엔진 룸(engine room)처럼 고열이 나는 곳에서는 일정 수준 이상의 난연성을 요구하므로 글라스울이 주로 사용되나 글라스울은 분진의 비산, 폐기물 처리 등으로 인한 공해문제를 야기하여 그 사용범위에 제약을 받고 있는 실정이다.
폴리에스테르는 인체에 무해하고 풍화에 의해 분진을 발생시키지 않으므로 친환경적이며, 뛰어난 단열성과 흡음성을 가지고 있다. 그러나 난연성이 낮으며, 강한 복원력으로 인해 성형하는 동안 뿐 아니라 성형 후 제품의 형상이 불안정한 단점이 있다. 제품의 형상을 안정적으로 유지하기 위하여 가소제의 사용이 필수적인데, 현재 형상유지를 위해 사용되는 가소제들은 유해물질로 규정된 납, 6가 크롬(Cr), 디이소옥틸프탈레이트(DOP), PVC, 페놀수지, 요소수지, P.P. 등이 포함되 어 있거나 화재시 유해가스가 나오는 등의 문제점이 있다.
본원 발명은 폴리에스테르에 난연성 및 형상유지성을 부여하는 조성물, 및 이러한 조성물을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원 발명은 또한 상기 조성물을 폴리에스테르 수지에 적용하는 방법, 및 상기 조성물이 적용되어 본연의 성질인 인체에 무해하고 친환경적이며 뛰어난 단열성과 흡음성을 갖는 특성을 유지하면서 난연성 및 형상유지성이 강화된 폴리에스테르 수지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본원 발명은 이렇게 제조된 폴리에스테르 수지를 이용하여 환경문제를 일으키지 않으면서 자동차의 승차감을 향상시킬 수 있는 NVH 부품을 제조하는 것을 그 목적으로 한다.
본원 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 하기 구성성분을 포함하는 폴리에스테르에 난연성 및 형상유지성을 부여하기 위한 조성물을 제공한다.
(i) SiO2/Na2O의 몰비가 2.1~2.9인 규산나트륨 용액 55~75 중량%,
(ii) 카르복시 메틸 셀룰로오스 0.5~7 중량%,
(iii) 메틸렌 디페닐 이소시아네이트 70~80 중량% 폴리 메틸 글리콜 20~30 중량%의 우레탄계 수지 0.7~10 중량%,
(iv) 부틸아크릴레이트 모노머 36~40 중량%, 메틸메타크릴레이트 10~13 중량%, 유화제 1~2 중량%, 아크릴산 3~5 중량%, 및 나머지 물을 포함하는 아크릴계 수지 혼합물 0.7~10 중량%, 및
(v) 100 중량%를 채우는 나머지 물
조성물 중 규산나트륨 용액은 폴리에스테르에 난연성을 부여하기 위한 구성성분으로 오래전부터 난연제의 주성분으로 널리 이용되어 왔다. 규산나트륨 용액은 고온에 노출되는 경우 산화나트륨과 이산화규소 간의 반응에 의하여 탄화규소막을 형성시키며, 이렇게 형성된 탄화규소막은 연소시 이산화탄소 및 일산화탄소 가스를 발생시키면서 팽창되어 단열성을 향상시키는 기능을 하게 된다.
본 발명에서는 사용되는 규산나트륨 용액의 SiO2/Na2O 몰비는 2.1~2.9인 것이 바람직하다. 상기 몰비는 산화나트륨에 대한 이산화규소의 몰비를 의미하며, SiO2/Na2O 중량비에 상수 1.032를 곱하여 구할 수 있다. 2.1~2.9의 몰비 범위의 규산나트륨 용액을 사용하는 이유는, 이 범위의 조성물이 폴리에스테르에 적용시 도포 및 탈수가 용이하며 건조효율이 높아 생산성을 향상시키고, 폴리에스테르 합성섬유의 표면에 균일한 난연막을 형성시켜 높은 난연성을 제공하기 때문이다.
규산나트륨 용액의 함량은 최종 폴리에스테르 제품의 중량 및 난연의 정도에 영향을 미친다. 그러므로 규산나트륨 용액은 총 조성물에 대하여 55~75 중량%로 포 함되는 것이 바람직한데, 이는 55 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 난연성 부여 효과가 충분치 못하게 되며, 75 중량% 초과로 포함하는 경우에는 조성물의 점도가 높아져 난연화를 위한 도포 및 건조 공정 등의 수행을 어렵게 하여 생산성이 저하되기 때문이다.
조성물 중 카르복시 메틸 셀룰로오스는 상기 규산나트륨 용액의 점도를 낮춰 상기 조성물이 난연 처리 소재에 잘 침투할 수 있게 하며, 조성물의 보관안정성을 높이는 기능을 한다.
카르복시 메틸 셀룰로오스는 조성물 전체의 함량을 기준으로 0.5~7 중량%로 포함하는 것이 바람직하다. 이는 카르복시 메틸 셀룰로오스의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는 조성물의 점도를 저하시키는 정도가 낮아서 조성물을 폴리에스테르 수지에 적용시 도포 및 건조를 용이하게 하며 보관안전성을 높이는 본연의 기능을 충분히 발휘하지 못하며, 7 중량%를 초과하는 경우에는 다른 성분들, 특히 규산나트륨 용액의 함량 저하로 난연성이 충분치 못하게 되는 문제점이 있기 때문이다.
조성물 중 우레탄계 수지 및 아크릴계 수지는 열을 가하여 경화(硬化) 성형하면 다시 열을 가해도 형태가 변하지 않는 열경화성 수지로 폴리에스테르의 열가소성 성질을 억제하여 성형의 형태를 유지하게 하는 역할을 한다.
본 발명에서 우레탄계 수지로 사용될 수 있는 것은 톨루엔 디이소시아네이트 (TDI), 및 메틸렌 디페닐 이소시아네이트 (MDI) 등과 같은 이소시아네이트류 화합물 70~80 중량%와 폴리 메틸 글리콜 20~30 중량%의 혼합물이다. 이소시아네이트류 화합물 중에서는 독성이 약한 메틸렌 디페닐 이소시아네이트를 사용하는 것이 바람 직하다.
아크릴계 수지 혼합물은 부틸아크릴레이트 모노머 36~40 중량%, 메틸메타크릴레이트 10~13 중량%, 유화제 1~2 중량%, 아크릴산 3~5 중량%, 및 나머지 물을 포함한다.
이러한 우레탄계 수지 및 아크릴계 수지 혼합물은 전체 조성물에 대하여 0.7~10 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 0.7 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 충분한 형상유지성을 폴리에스테르에 부여할 수 없으며 성형 후 폴리에스테르의 강도가 낮고, 10 중량% 초과로 포함되는 경우에는 소재의 중량이 높아지고 흡음성 또한 저하되는 문제점이 있기 때문이다.
본원 발명의 상기 조성물은 상기 구성성분 외에 100 중량%를 채우는 물을 포함한다.
또한 본원 발명은 하기 단계를 포함하는 상기 조성물을 제조하는 방법을 제공한다.
(a) 규산나트륨 용액과 우레탄계 수지를 섞는 단계,
(b) 아크릴계 수지 혼합물과 물을 섞는 단계,
(c) (b) 단계에서 얻은 혼합물을 (a) 단계에서 얻은 혼합물에 천천히 가하면서 섞는 단계,
(d) 카르복시 메틸 셀룰로오스를 (c) 단계에서 얻은 혼합물에 섞는 단계.
규산나트륨 용액을 물과 직접 혼합시키는 경우 부분적 응고 등이 발생하여 균질한 혼합물을 형성시킬 수 없다. 이에 우레탄계 수지와 아크릴계 수지 혼합물을 그 매개체로, 아크릴계 수지 혼합물과 물을 먼저 섞은 후 규산나트륨 용액과 우레탄계 수지를 섞은 혼합물에 천천히 교반하면서 가해야 균질한 혼합물의 형성이 가능하며, 생성된 조성물의 저장안정성도 높아진다.
또한 본원 발명은 이렇게 제조된 조성물을 폴리에스테르 수지에 적용하는 방법을 제공한다. 폴리에스테르 수지 하나하나에 상기 조성물을 완전히 도포시킬 수 있도록 함침의 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 함침의 방법을 사용하는 경우, 함침, 탈수, 및 건조의 공정을 거쳐 에스테르 수지에 적용할 수 있는데, 함침 공정은 고압노즐 방식으로 수행될 수 있고, 탈수는 롤러프레스, 진공흡입, 및 진동의 방법으로 수행될 수 있으며, 건조 공정은 고온의 경화과정 및 저온 건조 과정으로 나뉘어 수행될 수 있다.
조성물이 함침된 폴리에스테르 수지에 열을 가하면, 조성물의 점도와 비중이 낮아져 그 조성물이 아래로 쏠리는 경향이 있다. 그러므로 건조 공정의 초기에는 160 ℃이상의 고온에서 열 공기압 (3~7 ㎏/㎠)을 가하여 조성물의 하부로의 쏠림을 방지 하는 동시에 순간 경화시킨다. 이 고온 경화 과정 동안 폴리에스테르 수지는 건조율 약 70 %이상으로 건조시킨 후 110~130 ℃의 저온에서 잔여 수분을 건조하고 형태 유지를 위해 냉각공정을 거치게 된다.
또한 본원 발명은 상기 조성물이 적용된 폴리에스테르 수지를 제공한다. 조성물이 적용되는 폴리에스테르 수지의 형태에는 제약이 없으나, 2중 밀도구조를 가진 판상 폴리에스테르 수지인 것이 바람직하다. 이는 이중 밀도로 하여 강하게 접착시킨 경우 이를 이용하여 성형하는 것이 성형 후 제품의 형상을 보다 안정하게 유지시키기 때문이다.
이러한 2중 밀도구조의 판상 폴리에스테르 수지는 1차로 섬유를 웹(WEB) 상태로 만들어 적층시킨 후 펀칭바늘로 찍어 섬유끼리 짜여 주는 방법으로 제작할 수 있다. 짜여진 섬유 위에 다시 섬유를 웹 상태로 만들어 열융착 시켜 시트 상으로 만든다. 두께를 살리기 위하여 섬유를 웹 상태로 만들어 윗면만 펀칭으로 짜여주는 방식인 세미 펀칭 방법을 적용 할 수도 있다.
2중 밀도의 폴리에스테르 보드는 그 용도에 따라서 각각의 밀도의 범위를 자유롭게 조절 할 수 있다. 일례로 본 발명의 수지 조성물이 적용된 후 밀도를 기준으로 70 kg/m3 이상의 고밀도의 폴리에스테르와 10 kg/m3 이상의 저밀도의 폴리에스테르를 전체 평균 밀도가 15~50 kg/m3 되도록 부착시킨 보드를 사용할 수 있다.
본원발명의 조성물이 적용된 폴리에스테르 수지는 자동차용 NVH 부품의 소재로 이용될 수 있다. NHV 부품의 예로는 도 1에 나타낸 바와 같이, INSULATION HOOD, DASH INNER/OUTER, FENDER SEAL, HEAD LINER, TRUNK LID, TRUNK FLOOR, WHEEL HOUSE, BACK PLATE, REAR FLOOR, FRONT FLOOR, INTEG RATED CARPET 등이 있으나 이에 한정되지 않는다. 본원발명의 조성물이 적용된 폴리에스테르 수지는 이중에 특히 내열 및 단열을 요하는 엔진 룸(Engine Room)의 흡음 단열재로 이용되기에 적합하다.
이하 본원 발명의 바람직한 실시예를 기재하기로 한다. 그러나 이는 본원 발명을 예시하기 위한 것으로서 본원 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예1
(1) 조성물의 제조
규산소다(soda) 용액은 시판중인 액상 규산나트륨 2호(20℃의 Be' 52~54 중량%, Na2O 14~15 중량%, SiO2 34~35 중량%, Fe2O3 0.05 중량% 이하, 물불용분 0.2 중량% 이하)와 액상규산나트륨 3호 (20℃의 Be' 40~42 중량%, Na2O 9~10 중량%, SiO2 28~30 중량%, Fe2O3 0.03 중량% 이하, 물불용분 0.2 중량% 이하)를 몰 비(SiO2/Na2O 중량비 × 1.032)가 2.5가 되도록 배합하여 제조하였다.
여기에 카르복시 메틸 셀룰로오스 5 중량%; 메틸렌 디페닐 이소시아네이트 (MDI) 70 중량% 및 폴리메틸 글리콜 30 중량%의 우레탄계 수지 5 중량%; 부틸아크릴레이트 모노머 36 중량% , 메틸 메타크릴레이트 10 중량%, 유화제 1 중량%, 아크릴산 3중량%, 및 나머지 물을 포함하는 아크릴계 수지 혼합물 5 중량%; 및 100 중량%를 채우는 나머지 물을 부가하여 폴리에스테르에 난연성 및 형상유지성 부여하기 위한 조성물을 제조하였다.
(2) 폴리에스테르 보드의 제조 및 (1)의 조성물 적용
15.5 kg/m3의 저밀도층과 47 kg/m3의 고밀도층의 폴리에스테르를 접착시킨 후 (1)에서 제조한 조성물을 함침 건조시켜, 두께 27 mm와 밀도 32.5 kg/m3의 저밀 도층과 두께 3 mm와 74 kg/m3의 고밀도층을 갖는 전체 두께 30 mm 전체평균밀도 37 kg/m3의 이중밀도 폴리에스테르 보드를 제조하였다.
(3) 난연성 테스트
KSF 2271 테스트
(2)에서 제조한 폴리에스테르 보드의 난연성을 KSF 2271(건축물의 내장재료 및 구조의 난연성 시험방법)의 기준에 따라 한국방재시험연구원에서 실시하였다. 테스트 결과는 표 1 나타내었다. (2)에서 제조한 폴리에스테르 보드가 KSF 2271에서 규정한 난연 2급 기준치 이상의 난연성을 보이는 것을 확인하였다.
Figure 112007031608582-pat00001
UL 94 V-0 테스트
UL94(V0규격)은 시편을 장치하고 10 초간 버너로 불을 붙인 후 버너를 제거하고 시편에 불이 붙은 불이 꺼지기까지의 시간, 즉 시편이 타는 시간이 10 초를 초과해서는 안 되며, 시편 5 개를 1 세트로 한 것에 10 회간에 걸쳐 동일 시험을 하여, 합계 연소시간이 50 초를 초과해서는 안 된다. 이 때 연소 시 녹아 떨어지는 불똥에 의해 약 30 ㎝ 아래에 놓여 있는 탈지면에 불이 발화되어서는 안 된다. 이 때 만일 5 개 시편 중 하나라도 요구 조건을 만족시키지 못할 경우 또 다른 5 개의 시편으로 동일 시험을 해야 하며, 이 경우 합계 연소시간은 51~55 초 이내에 들어가야 한다.
(2)에서 제조한 폴리에스테르 보드로 상기와 같은 테스트를 수행한 결과 UL94(V0규격)의 기준에도 부합하는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2
(2)에서 제조한 폴리에스테르 보드를 건조하여, 부직포 및 알루미늄(AL)박을 대고 160~220 ℃로 금형이 장착된 열프레스로 15~45 초 압착하여 최종제품을 완성하였다.
이와 같이 본원 발명의 조성물을 적용시킨 폴리에스테르 수지는 난연 특성이 강화되었으며, 이 수지를 이용하여 제조한 NHV 부품은 그 형상 유지성이 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.
현재 NHV 부품의 소재로 많이 사용하는 글라스 울과 본원 발명의 폴리에스테르의 특성을 요약 비교하면 하기 표 2와 같다.
Figure 112007057650970-pat00004
본원 발명의 조성물은 폴리에스테르에 난연성 및 형상유지성을 동시에 부여할 수 있다. 또한 본원 발명의 조성물이 적용된 폴리에스테르는, 본연의 성질인 인체에 무해하고 친환경적이며 뛰어난 단열성과 흡음성을 갖는 특성을 유지하면서 난연성 및 형상유지성이 강화되어, 환경문제를 일으키지 않으면서 자동차의 승차감을 향상시킬 수 있는 NVH 부품을 제조하는 데 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 폴리에스테르에 난연성 및 형상유지성을 부여하기 위한 조성물로,
    (i) SiO2/Na2O의 몰비가 2.1~2.9인 규산나트륨 용액 55~75 중량%,
    (ii) 카르복시 메틸 셀룰로오스 0.5~7 중량%,
    (iii) 메틸렌 디페닐 이소시아네이트 70~80 중량% 폴리 메틸 글리콜 20~30 중량%의 우레탄계 수지 0.7~10 중량%,
    (iv) 부틸아크릴레이트 모노머 36~40 중량%, 메틸메타크릴레이트 10~13 중량%, 유화제 1~2 중량%, 아크릴산 3~5 중량%, 및 나머지 물을 포함하는 아크릴계 수지 혼합물 0.7~10 중량%, 및
    (v) 100 중량%를 채우는 나머지 물
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  2. 하기 단계를 포함하는 청구항 1의 조성물을 제조하는 방법:
    (a) 규산나트륨 용액과 우레탄계 수지를 섞는 단계,
    (b) 아크릴계 수지 혼합물과 물을 섞는 단계,
    (c) (b) 단계에서 얻은 혼합물을 (a) 단계에서 얻은 혼합물에 천천히 가하면서 섞는 단계,
    (d) 카르복시 메틸 셀룰로오스를 (c) 단계에서 얻은 혼합물에 섞는 단계.
  3. 함침, 탈수, 및 건조의 공정을 거쳐 청구항 1의 조성물을 폴리에스테르 수지에 적용하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 함침 공정은 고압노즐 방식이며, 상기 탈수는 롤러프레스, 진공흡입, 및 진동의 방법으로 수행되고, 상기 건조 공정은 고온의 경화 과정 및 저온 건조 과정으로 나뉘어 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 1의 조성물을 함침한 후, 탈수 및 건조 공정을 거쳐 제작되는 폴리에스테르 수지.
  6. 서로 다른 밀도를 갖는 폴리에스테르 수지층을 접착시켜 보드를 형성한 후, 상기 보드에 청구항 1의 조성물을 함침, 탈수 및 건조시켜 제작되는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 보드.
  7. 청구항 6의 폴리에스테르 보드를 이용하여 제조한 자동차용 NVH 부품.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 자동차용 NVH 부품이 엔진룸의 흡음 단열 부품인 것을 특징으로 하는 부품.
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