KR100909924B1

KR100909924B1 - 폴리아미드 나노복합재의 제조방법, 해당 팩키징 재료 및성형체

Info

Publication number: KR100909924B1
Application number: KR1020047011764A
Authority: KR
Inventors: 울리히 프레젠츠; 안드레 마쿠스 주터
Original assignee: 이엠에스-케미에 아게
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2009-07-29
Also published as: WO2003064503A1; EP1470179A1; KR20040089129A; CA2474604A1; CN1643039A; CA2474604C; CN1300224C

Abstract

본 발명은, 프론트-공급기와 사이드-공급기를 구비한 이축-스크류 압출기 내에서, 방향족 성분을 포함하는 베이스 폴리머 및 유기적으로-개질된 필로실리케이트로부터 제조된, 폴리아미드 나노복합재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 베이스 폴리머 과립의 8~15 중량%의 부분(A)를 이축-스크류 압출기의 프론트 사이드기에 도입하고, 상기 베이스 폴리머 과립의 주된 부분(B)를 이축-스크류 압출기의 사이드-공급기에 의하여 도입하고, 개질된 필로실리케이트 2~8중량%를 상기 베이스 폴리머 과립 부분(A)의 용융물에 도입하며, 상기 중량%의 비율은 최종 폴리아미드 나노복합재를 기준으로 한 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 높은 UV 흡수, 그리고 기체 및 향기에 대한 개선된 배리어 효과를 갖는 팩키징 재료가 상기 방법에 의해 제조된다. 더욱이, 상기 방법에 의해 제조된 해당 팩키징, 이의 용도 및 성형체가 기재된다.

Description

폴리아미드 나노복합재의 제조방법, 해당 팩키징 재료 및 성형체{METHOD FOR THE PRODUCTION OF POLYAMIDE NANOCOMPOSITES, CORRESPONDING PACKAGING MATERIALS AND MOULDED BODIES}

본 발명은 청구항 1의 전제부(preamble)에 따른, 폴리아미드와 필로실리케이트로부터 제조되는 폴리아미드 나노복합재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법에 따라 제조된 폴리아미드 나노복합재는 투명 팩키징 수단, 특히 개선된 가스 및 향(amoma)에 대한 배리어 효과 뿐만 아니라 고 UV 흡수 팩키징 수단의 생산에 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따라 제조된 폴리아미드 나노복합재는 두께 또는 벽 두께가 더 큰 성형체(moulded body), 중공체, 반-마감 제품(semi-finished product) 플레이트, 튜브 등의 생산을 추가적으로 가능하게 한다.

플라스틱 분야에서, 나노복합재 재료는 폴리머 매트릭스 내에 점토광물(clay minerals)과 같은 미세 분산된 필로실리케이트를 포함하는 폴리머 배합물(formulation)으로 이해된다. 이와 관련하여, 필로실리케이트는 개개의 층까지 박리되는 바, 즉 이들은 쪼개진 다음 분산된다. 이와 같은 나노복합재의 특성은 이미 수많은 특허 명세서 및 특정분야의 공표물에서 공개된 바 있다. 미세하게 분산된 점토광물 또는 필로실리케이트는 복합재에 증가된 기계적 강도, 산소 및 탄소에 대한 개선된 배리어 특성과 같은 향상된 특성을 부여하는 것으로 알려져 있다. 미세 분산된 점토재료에 의한 폴리머 매트릭스의 특성에 있어서의 개선은 미국특허 US 4,739,007호 및 US 4,810,734호에 이미 상세히 기재되어 있다.

나노 복합체는 이미 팩키징 분야에 등장하였다. 박리된(exfoliated) 점토광물은 팩키징 필름이 산소, 이산화탄소 또는 방향 성분(aromatics)과 같은 기체 분자들이 팩키징 재료를 통해 확산되는 것을 억제한다.

폴리아미드는 수년간 팩키징 분야에서 바람직한 열가소성 폴리머재로서 확립되어 왔다. 중요한 이유중 하나는 폴리아미드 재질의 팩키징 포일의 뛰어난 기계적 특성 뿐만 아니라 산소와 이산화탄소에 대한 유리한 배리어(barrier) 효과와 같은, 이러한 클래스(class) 재료의 특성 프로파일이다. 나노복합재 재료용 매트릭스로서 지방족 폴리아미드를 사용할 때, 이들 나노복합재 충진물질이 지방족 폴리아미드의 결정화를 증가시킬 수 있기 때문에 투명성의 감소가 관찰될 수 있고, 이는 한편으로 이러한 제품의 투명성을 크게 손상시킬 수 있다.

팩키징 분야의 원하는 목적은 폴리올레핀과 같은 다른 폴리머와 조합된 다층 필름의 일부로서의 폴리아미드 나노복합재이다. 서로 역 접착력(adverse adhesion)을 갖는 다양한 타입의 폴리머로 구성된 다층 필름은 적당한 결합층(bonding layer)에 의해 서로 단단히 연결될 수 있다. 이와 같은 다층 필름은 켄테이너, 병, 가방, 열성형성 물품, 튜브 등과 같은 매우 다양한 팩키징 제품의 생산에 사용될 수 있다. 제품은 염색된, 광-투과성 또는 투명한 외형을 가질 수 있다. 매우 다양한 제품들의 성공적인 마케팅을 가능하게 하기 위하여는, 소비자에 대한 이들 제품의 소개가 점점 더 중요한 역할을 한다. 소비자들이 포장물 안에 무엇이 들어있는가를 볼 수 있도록 하기 위해서, 투명성이 결정적으로 중요하다. 수많은 알맞는 배리어 물질들은 지방족 폴리머로 이루어져 있다. 이와 같은 화합물은 대부분 냉각 공정 동안 결정화하여 팩키징 재료의 투명성을 감소시킨다. 결정화 공정에 의한 투명성의 감소는 무정형(amorphous) 부분 방향족 폴리아미드를 사용함에 의해 치유될 수 있다.

팩키징된 부패하기 쉬운 식료품 및 다른 제품의 내구성은 팩키징의 산소 배리어에 의해 주로 정해진다. UV 장벽 또한 수많은 다른 팩키징 적용에서 결정적인 역할을 하는데 왜냐하면, UV 광선은 (산소와 같이) 민감한 식료품을 손상시킬 수 있기 때문이다. 주요 판매자의 냉동 선반에서의 고기와 같은 민감한 식료품을 저장할 때, 이들은 종종 UV 방사에 의한 손상을 받는데, 적용되는 광원의 대부분은 UV 스펙트럼의 광선을 방사하기 때문이다.

스위스, 바젤 소재의 시바 스페셜티 케미컬스 인코포레이티드 제품, Tinuvin^®234, 히드록시 페닐 젠조트리아졸 UV 흡수제와 같은 특별한 고가의 UV 흡수제가 상기 다층 복합체의 성분들을 나타내는 재료에 도입될 수 있다. 이들 UV 흡수제는 적용 상태에서 이동될 수 있으므로, 이들 성분들의 사용은 UV 흡수제가 팩키징된 제품 또는 대기 중으로 이동하는 것을 막기 위해 다층 복합체에 추가의 층을 종종 요구한다. 다층 필름에 추가층을 부가하는 것은 생산가능한 층의 수가 필름 압출 시스템의 배열(configuration)에 의해 정해지므로 모든 경우에 가능한 것은 아니다.

보다 장기간 유지되는 내구성을 갖는, 특히 부패하기 쉬운 식료품의 팩키징은 팩키징 시스템 및 시판중인 첨가제로 쉽게 해결될 수 없다. 특히 하기에서 나열된 단일 팩키징의 특성 전부를 결합할 수 있도록 하기 위하여는 추가의 개선을 요구한다. 이와 같은 특성은:

ㆍ고투명 팩키징

ㆍ높은 기계적 강도

ㆍ산소 및 이산화탄소에 대한 극히 우수한 가스 배리어 효과

ㆍ향기(aroma)에 대한 우수한 배리어 효과

ㆍ우수한 UV 보호

ㆍ추가로 연장되는 냉동 선반(cold shelves)에서의 내구성

ㆍ식료품 팩키징으로서의 공식 승인

그러므로, 본 발명은, 무엇보다도 높은 기계적 특성, 산소 및 이산화탄소에 대한 높은 배리어, 그리고 동시에 UV 조사에 대한 향상된 보호 특성을 제공할 수 있는 투명하고 깨끗한 팩키징 재료 또는 팩키징 수단을 제조할 수 있는 폴리아미드 나노복합재의 제조방법을 제공하고자 하는 목적에 기초한다.

폴리아미드 나노복합재의 제조방법에 관하여, 이러한 목적은 청구항 1의 특성에 따라 달성된다. 가스 및 향기에 대한 개선된 배리어 뿐만 아니라 높은 UV 흡수를 갖는 팩키징 수단에 관하여, 본 목적은 청구항 13의 특성에 따라 달성된다. 그 밖의 발명의 특성은 독립항들로부터 얻어진다.

본 발명에 따르면, 폴리아미드 나노복합재 재료는 이중-스크류 압출기(예를 들면, "WP ZSK 25", Werner & Pfleiderer)에 의한 컴파운딩 공정에서 유기적으로-개질된 필로실리케이트(organically-modified phyllosilicate)를 혼합(admixing)하여 생산된다. 본 발명에 관하여 실시된 시험을 위하여, 아래의 스크류의 기하학적 형상(geometry)이 스크류 면적당 스크류 부재의 퍼센트 수를 고려하여 사용된다.

적용된 스크류의 기하학적 형상

	스크류 D 스크류영역			스크류 E 스크류 영역			스크류 F 스크류 영역
웜(worm) 부재	K	L	M	K	L	M	K	L	M
컨베이어 부재	86	40	85	53	100	72	70	50	70
레프트 컨베이어 부재 (지연: retarding)	-	20	4	7	-	-	-	-	-
니딩 블럭(kneading blocks)	14	20	7	20	-	8	24	-	9
니딩 블럭(이송안함)	-	-	-	20	-	-	-	-	-
니딩 블럭(레프트 이송)	-	20	4	-	-	3	6	-	3
혼합 부재(레프트 이송(이송지연))	-	-	-	-	-	6	-	17	6
공간(spacing) 디스크 1 mm	-	-	-	-	-	11	-	23	12

표 1 해설

스크류 영역:K 프론트-공급기부터 개질된 층 미네랄(modified layer mineral; 유기적으로 개질된 필로실케이트)의 정량분주(dosing)까지

L 개질된 층 미네랄의 정량분주부터 사이드 공급기까지

M 사이드 공급기부터 다이까지

스크류 D의 경우, 용융물 내로 개질된 층 미네랄의 정량분주는 불가능하다.

필름 등급(film note; FN)를 결정하기 위해, 예를 들면, Brabender Co.사의 "Plasti-Corder"를 이용하여 그래뉼(granulate)로부터 평평한 필름(flat film)이 압출된다. 20분 동안, 상기 필름은 광학 시스템을 통과하는데, 상기 광학 시스템은 필름 내의 불순물을 감지하여 불순물의 수를 세고(m²에서의 수로 표시), 그 크기를 측정한다. 평가 프로그램이 구비된 광학 시스템은 "Folientest FT4"(Film Test FT4)라는 이름으로 OCS GmbH Witten사에서 판매된다.

불순물은 10개의 사이즈 클래스(size class)로 다시 나누어진다(표 2 참고). 이들 클래스는 다른 가중 인자(weighting factor)를 이용하여 가중치가 부여된다.

사이즈 클래스 [㎛]	가중 인자 (fi)	사이즈 클래스 [㎛]	가중 인자 (fi)
< 100	0.1	500 - 600	40
100 - 200	1	600 - 700	55
200 - 300	10	700 - 800	100
300 - 400	20	800 - 900	200
400 - 500	30	> 900	350

필름 등급(film note)은 사이즈 클래스 당 가중치가 부여된(weighted) 불순물의 총합을 더하고 1000으로 나눈 하기 식에 따라 계산된다.

여기서, xi = 불순물/m²/사이즈 클래스

fi = 가중 인자

본 발명의 용어에 있어서, 필로실리케이트는 2:1 뿐만 아니라 1:1 필로실리케이트로서 이해된다. 이와 같은 시스템에서, SiO₄사면체(tetrahedrons)의 층은 M(O, OH)₆ 팔면체(octahedrons)의 층과 규칙적으로 연결된다. 여기서, M은 Al, Mg, Fe와 같은 금속을 의미한다. 1:1 필로실리케이트에서는 하나의 사면체층과 하나의 팔면체층이 서로 연결된다. 예로서, 카올린(kaolin)과 세르펜틴(serpentine) 광물이 있다. 음전하는 층 사이의 공간에 칼륨, 나트륨 또는 리튬과 같은 일가 양이온 또는 칼슘과 같은 이가 양이온의 삽입에 의해 상쇄된다.
2:1 3층 필로실리케이트의 경우, 2개의 사면체 층은 각각 하나의 팔면체 층과 결합된다. 모든 팔면체 자리(places)가 SiO₄사면체 및 히드록사이드(hydroxide) 이온의 음전하를 상쇄하기 위하여 요구되는 양이온을 갖는 것이 아니라면, 하전된 층이 형성될 것이다. 이러한 음전하는 층들 사이의 공간에서 칼륨, 나트륨 또는 리튬과 같은 1가 양이온 또는 칼슘과 같은 2가 양이온의 삽입에 의해 상쇄된다. 2:1 필로실리케이트의 예는 활석, 운모, 질석, 일라이트 및 벤토나이트가 있고, 그 중에서도 몬모릴로나이트와 헥토라이드를 포함하는 벤토나이트는 그들의 층 전하의 결과 물로 쉽게 팽창될 수 있다. 더욱이, 양이온(cations)은 교환 과정을 위하여 쉽게 접근가능하다.

필로실리케이트의 층 두께(층의 상부 가장자리(edge)에서 층의 다음 상부 가장자리까지의 거리)는 보통 팽창 전에 0.5nm ~ 2.0nm이고, 특히 바람직하기는 0.8nm ~ 1.5nm이다. 필로실리케이트가 예를 들면, 25 ~ 300 ℃, 바람직하기는 80 ~ 280 ℃, 특히 80 ~ 160℃에서, 통상 약 5 ~ 120분, 바람직하기는 10 ~ 60분의 체류 시간(dwell time)에 걸쳐 폴리아미드 모노머로 전환되도록(팽창), 층 거리가 더욱 증가될 수 있다. 체류 시간과 선택된 모노머의 타입에 따라, 층 거리는 1nm ~ 15 nm, 바람직하기는 1 nm~ 5nm까지 추가적으로 증가할 수 있다. 판(platelets)의 길이는 보통 최대 800nm, 바람직하기는 최대 400 nm까지이다. 어떠한 기존에 존재하거나(existing) 또는 만들어낸(constituting) 프리-폴리머도 필로실리케이트의 팽창에 또한 기여한다.

팽창가능한 필로실리케이트는 그들의 이온교환능 CEC(meq/g) 및 층거리 d_L에 의해 특징된다. CEC에 대한 통상의 값은 0.7~0.8meq/g이다. 건조, 비처리된 몬모릴로나이트 내에서의 층 거리는 1nm이고 물 또는 유기 화합물에 적용을 이용한 팽창에 의해 5nm까지 증가된다.

교환 반응에 사용될 수 있는 양이온의 예는 헥산아민, 데칸아민, 도데칸아민, 스테아릴아민, 수소화된 지방산 아민과 같은 적어도 6개의 탄소를 갖는 1급(primary) 아민의 암모늄 염 또는 심지어 적어도 6개의 탄소 원자를 갖는 α-, ω-아미노산의 암모늄 염과 같은 4급 암모늄 화합물이다.

알맞는 음이온은 염화물, 황산염 또는 심지어 인산염이다. 암모늄염이외에도, 테트라페닐 또는 테트라부틸 포스포늄 할로겐화물과 같은 술포늄 또는 포스포늄 염을 사용할 수도 있다.

폴리머들과 미네랄(광물)들은 매우 다른 표면 장력을 가지므로, 본 발명에 따르면, 결합제들은 또한 양이온 교환이외에도 미네랄의 처리를 위해 사용될 수 있다. 티타네이트 또는 심지어 γ-아미노프로필 트리에톡시실란과 같은 하이드로실리콘이 이러한 목적에 적합하다.

본 발명은 하기 실시예 및 결과에 따라 더욱 상세히 설명될 것이다:

본 발명에 따른 실시예로서, 2개의 폴리아미드 나노복합재 배합물(formulation)이 유기적으로 개질된 필로실리케이트 5 중량% 및 8 중량%의 첨가에 의해 생산되었다. EMS-CHEMIE AG의 상품명 GRIVORY G21로 시판되고 있는, 무정형의, 부분 방향족 코폴리아미드 6I/6T(이소프탈산/테레프탈산=2/1)이 폴리아미드 매트릭스로서 사용되었다.

비교예로서, EMS-CHEMIE AG의 상품명 "Grilon F 40 NL"로 시판되고 있는 PA 6을 개질된 필로실리케이트 5 중량%로 제조하였다. 폴리아미드 나노복합재의 제조는 특별히 개질된 필로실리케이트의 첨가에 의해 이루어졌다.

본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이, 오니움(onium) 이온으로 개질된 필로실리케이트를 사용하는 것이 가능하다. 이와 같이 개질된 필로실리케이트는 Sudchemie(D), Southern Clay Products(USA), Nanocor(USA), CO-OP(JP)와 같은 몇몇 회사에서 시판되고 있다. 비교예와 본 발명에 따른 실시예에서 사용된 개질된 필로실리케이트는 4급 암모늄 이온으로 처리된 몬모릴로나이트에 관한 것이다. 질소의 리간드는 메틸, 히드록시에틸 및 경화 우지(hydrogenated tallow) 또는 비-경화 우지이다.

컴파운딩된 재료는 그 이후 과립화되고 진공 하, 90℃에서 24시간 동안 건조된다. 컴파운딩된 폴리아미드 필로실리케이트 재료는 Dr. Collin GmbH, 압출기 타입 "3300 D30 ×25D", 테이크-오프(take-off) 타입 "136/350"의 캐스팅 필름 유닛 상에서 다음과 같은 방법으로 필름으로 가공되었다. 과립(granulate)들은 250 ~ 260 ℃의 온도 프로파일을 갖는 종래의 단축-스크류(single-screw), 3-가열 영역 압출기 내에서 용융되었다. 용융물은 0.5mm의 다이 갭을 갖는 시트 다이를 통해 분당 8m의 테이크-오프 속도 및 130 ℃의 셋 온도(set temperature)를 갖는 냉각 롤러로 토출(drawing off)되었다.

약 50 ㎛의 두께를 갖는 필름이 상기 장치로 제조되었다.

비교예 Ⅰ(지방족 폴리아미드) 및 Ⅱ(부분적 방향족 폴리아미드)에서 필로실리케이트는 첨가되지 않았다. 실시예 Ⅳ 및 Ⅴ는 본 발명에 따른 부분 방향족 폴리아미드와 필로실리케이트의 조합을 나타낸다.

비교예 Ⅰ PA6 "Grilon F 40 NL"

비교예 Ⅱ PA6 + 필로실리케이트 5 중량%

비교예 Ⅲ PA 6I/6T "Grivory G21"

실시예 Ⅳ PA 6I/6T + 필로실리케이트 5 중량%

실시예 Ⅴ PA 6I/6T + 필로실리케이트 8 중량%

비교예의 재료와 실시예에 따라 제조된 필름에 대해 아래의 측정을 실시하였다.

산소 투과율(OTR)은 23℃에서 상대 습도 0% 및 상대 습도 85%에서 "Oxtrans 100" 타입의 Mocon 측정기로 측정하였다("r.h."; 표 3 참조).

UV 흡수값은 Perkin-Elmer Lambda "15 UV/VIS" 스펙트로포토메터로 측정하였다. 측정은 200nm ~ 400nm 범위의 파장 영역에서 실시되었다. 광투과는 0~100% 범위의 스케일 상에서 측정된 파장 영역 내에서 기록되었다. UV 배리어 개선은 다른 필름의 흡수 커브 하의 표면을, 필로실리케이트 첨가없이 오직 Grivory G21만을 함유하는 비교예 Ⅲ을 100이라 하여 비교함으로써 평가하였다.

이에 더하여, 광투과성은 또한 550 nm의 가시 파장 영역에서도 평가하였고, 이는 필름의 투명성을 가리킨다. 얻어진 값을 표 3에 나타내었다.

	산소 침투율		% 투과
	cm³/m² day bar 23℃/0% r.h.	cm³/m² day bar 23℃/85% r.h.	200 ~ 400 nm에서 Grivory G21으로 비교한 UV	550 nm에서의 광
비교예 I	25	70	63	70
비교예 II	12	30	55	65
비교예 III	30	10	100	92
실시예 IV	14	5	79	85
실시예 V	13	4	63	82

본 발명에 따른 두개의 실시예 Ⅳ 및 Ⅴ의 측정 결과가 나타낸 바에 따르면, 이들 필름은 비교예와 비교하여 산소 확산과 UV 흡수에 관하여 크게 개선된 값을 나타낸다. 비교예 Ⅰ과 Ⅱ에서 PA6 필름의 UV 흡수에 대한 표 3에 나타낸 비교적 양호한 값은 6I/6T 변화와 관련한 투명도 감소로 설명될 수 있다. 550 nm에서의 광투과값의 측정은 이러한 감소된 광투과 용량을 명확히 보여준다.

방향족 기를 함유하는 사용된 폴리아미드는, 비록 이들 폴리아미드가 높은 투명성을 갖고 있음에도 불구하고, 우수한 UV 배리어 효과를 갖는다. 이들 특정 폴리아미드에 필로실리케이트를 첨가하는 것은 이들 제품의 뛰어난 투명성에 실질적인 손상 없이 우수한 UV 배리어 특성을 더욱 증가시킨다.

하기 표는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 파라미터와 비교예의 파라미터를 비교한다.

베이스 폴리머 A

시험 No.	베이스 폴리머 A의 정량분주 지점	개질 필로실리케이트			처리량 [kg/h]	진공 [mbar]	스크류	필름 등급
시험 No.	베이스 폴리머 A의 정량분주 지점	타입	양 [wt.%]	정량분주 지점	처리량 [kg/h]	진공 [mbar]	스크류	필름 등급
비교예 1	프론트-공급기	G	5	프론트-공급기	10	150	D	*
비교예 2	프론트-공급기	G	5	SF	15	150	D	*
비교예 3	프론트-공급기	G	5	MB	20	150	D	*
비교예 4	프론트-공급기 + SF	G	5	프론트-공급기	20	150	D	*
비교예 5	프론트-공급기 + SF	G	5	프론트-공급기	20	150	E	9.19
실시예 1	프론트-공급기 + SF	G	5	용융	20	150	E	0.67
실시예 2	프론트-공급기 + SF	H	4.5	용융	20	150	E	0.21
실시예 3	프론트-공급기 + SF	G	5	용융	20	50	F	1.80
실시예 4	프론트-공급기 + SF	H	4.5	용융	20	50	F	0.80

베이스 폴리머로서 매회 PA 6I/6T가 사용되었다. 다른 스크류로의 변경은 비교예 5에서 필름 등급을 측정할 수 있는 정도로 필름의 등급을 개선하였다. 그러나 약 10의 필름 등급은 불충분하다. 필름 등급의 큰 개선은 본 발명에 따른 모든 수단의 조합에 의하여만 달성된다(실시예 1 내지 4 참조).

베이스 폴리머 B

시험 No.	베이스 폴리머의 정량분주 지점	개질 필로실리케이트			처리량 [kg/h]	진공 [mbar]	스크류	필름 등급
시험 No.	베이스 폴리머의 정량분주 지점	타입	양 [wt.%]	정량분주 지점	처리량 [kg/h]	진공 [mbar]	스크류	필름 등급
비교예 6	프론트-공급기	G	5	프론트-공급기	15	150	D	*
비교예 7	프론트-공급기 +SF	G	5	프론트-공급기	20	150	D	**
비교예 8	프론트-공급기 +SF	G	5	용융	20	150	E	11.62
실시예 5	프론트-공급기 + SF	G	5	용융	20	150	E	0.37
실시예 6	프론트-공급기 + SF	H	4.5	용융	20	150	E	0.62
실시예 7	프론트-공급기 + SF	G	5	용융	20	50	F	1.43

PA 6/PA 6I/6T 블렌드를 각각의 경우에 베이스 폴리머 B로서 사용하였다. 비교예 7에서, 베이스 폴리머 B를 2개의 부분으로 분할(spilt-up)하고 이를 상이한 지점에서 정량분주하는 것(dosing)은 이미 필름 품질에 개선을 가져온다. 필름 등급의 결정은 오로지 스크류의 기하학적 형상(geometry)이 또한 변화되었을 때만이 가능하다. 필름 등급에 있어서의 매우 큰 개선은 본 발명에 따른 모든 수단(measures)의 조합에 의하여만 달성된다(실시예 5 ~ 7).

베이스 폴리머 C

시험 No.	베이스 폴리머의 정량분주 지점	개질 필로실리케이트			처리량 [kg/h]	진공 [mbar]	스크류	필름 등급
시험 No.	베이스 폴리머의 정량분주 지점	타입	양 [wt.%]	정량분주 지점	처리량 [kg/h]	진공 [mbar]	스크류	필름 등급
비교예 9	프론트-공급기	G	5	프론트-공급기	10	150	D	*
비교예 10	프론트-공급기	G	5	SF	15	150	D	*
비교예 11	프론트-공급기+ SF	G	5	프론트-공급기	20	150	D	**
비교예 12	프론트-공급기 + SF	G	5	프론트-공급기	20	150	E	21.02
실시예 8	프론트-공급기 + SF	H	4.5	용융	20	150	E	3.40
실시예 9	프론트-공급기 + SF	G	5	용융	20	50	F	4.40
실시예 10	프론트-공급기	G	3.2	용융	20	50	F	5.61

PA MXD 6/MXDI를 각각의 경우에 베이스 폴리머 C로서 사용하였다. 베이스 폴리머를 2개의 부분으로 분할하고 이를 압출기의 상이한 지점에서 정량분주한 결과, 비교예 11에서 역시 필름 품질의 달성된다. 필름 등급의 결정은 스크류 기하학적 형상이 변화되었을 때만이 또한 가능하다. 사용된 필로실리케이트에 따라, 필름 등급의 큰 개선은 본 발명에 따른 스크류 기하학적 형상에 있어서의 새로와진 변화 및 모든 수단의 조합을 통해서만 달성된다(실시예 8 ~ 10).

표 4 ~ 6에 관련한 설명

SF: 사이드-공급기

MB: 마스터배치: 제1 압출: MB의 제조(과립:개질 필로실리케이트 비는

약 70/30이다). 둘 다 프론트-공급기 내.

제2 압출: 잔류 과립 내로 MB 혼입. 둘 다 프론트-공급기 내.

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개질 필로실리케이트: G 몬모릴로나이트(montmorillonite),
개질; 메틸, 비스-히드록시에틸, 경화 우지를 갖는

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4급 암모늄 화합물(quarternary ammonium compound with methyl, bis-hydroxyethyl, hydrogenated tallow)

H 몬모릴로나이트,
개질; 메틸, 비스-히드록시에틸, 우지를 갖는 4급 암모늄 화합물(quarternary ammonium compound with methyl, bis-hydroxyethyl, tallow)

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스크류: D 용융물(melt) 내에 개질된 필로실리케이트를 정량분주하는 것은 불가능;

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E 필로실시케이트 첨가와 사이드-공급기 사이에 우수한 혼합 효과 없음;

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F 필로실시케이트 첨가와 사이드-공급기 사이에 우수한 혼합 효과 있음;

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필름 등급: * 매우 나쁜 필름 품질: 필름 등급의 측정 불가능.

** 나쁜 필름 품질: 필름 등급의 측정 불가능.

베이스 필름 품질은, 베이스 폴리머 과립(granulate)의 소량 부분 A (바람직하게는 8 ~ 15중량%, 특히 바람직하게는 10 ~ 12중량%)이 프론트-공급기에 정량분주되나, 주된 부분 B가 사이드-공급기를 통하여 후에 첨가될 때, 달성되었다는 것은 놀라운 확인이었다. 개질 필로실리케이트(바람직하게는 2 ~ 8중량%, 더 바람직하게는 2 ~ 5중량%, 특히 바람직하게는 2.5 ~ 5중량%)는 과립 부분 A의 용융물 내로, 바람직하게는 사이드-공급기 사용없이, 간단히 중력에 의하여 정량분주된다. 중량%의 모든 데이터는 성분들의 총합 100%에 대한 것이다.

압출 파라미터(저온 프로파일, 고 속도, 고 처리량(throughput)) 및 스크류의 기하학적 형상은 바람직하게는 고 전단(shearing)이 달성되는 방식으로 선택된다. 스크류의 속도는 바람직하게는 200 분당회전수(rpm) 이상이 바람직하다. 더 바람직하게는 속도는 300 rpm이고, 특히 바람직하게는 속도는 400 rpm이다.

스크류의 기하학적 형상 또한 관련이 있다. 필로실리케이트가 첨가되기 전에, 예를 들면, 니딩(kneading) 블럭에 의하여 과립 부분 A의 적합한(favorable) 용융을 보장하는 것이 필요하다. 필로실리케이트의 첨가 후, 그리고 사이드-공급기 전에는 적합한(favorable) 혼합 효과를 다시 제공하는 것이 필요하다. 사이드-공급기 후에는, 충분한 니딩 및 혼합 효과를 제공하는 것이 필요하다. 체류 시간을 증가시키는 수단들은 또한 결과에 긍정적인 효과를 가지나, 베이스 폴리머들의 과도한 열화(degradation)를 유도하지 않아야 한다. 사용된 스크류의 기하학적 형상은 표 1에 정리되어 있다. 더욱이, 스크류는 바람직하게는 다이에 앞서, 탈-가스(degassing)를 하기 위하여 진공이 적용될 수 있는 방식으로 배치(configurate)되어야만 한다. 200mbar 미만의 압력 또는 진공이 바람직하다; 50mbar 미만의 압력 또는 진공이 특히 바람직하다.

고 처리량이 또한 바람직하다. 이러한 처방(recipes)과 조합된 20kg/h의 처리량은 사용된 이축-스크류 압출기(WP ZSK 25)의 경우에 가능한 최대량을 구성한다. 일반적으로, 조업은 처리량 및 사용된 압출기의 속도 한계의 상위(upper) 1/4에서, 바람직하게는 상위 처리량 및 속도 한계에서 수행되어야만 한다. 처리량 한계는 원하는 저온에서 최대 가능 토크(torque)에 의하여 결정된다.

압출기 상에 설정되는 온도는 폴리머의 용융점 및 용융 점도에 대하여 다소 낮게 선택되어야만 한다. 온도는 다른 충진 재료들의 혼입시 보다 10 ~ 20℃ 낮은 것이 바람직하다. 무정형 베이스 폴리머의 경우, 10 ~ 40℃가 대부분 적당하고, 바람직한 온도는 통상보다 20 ~ 40℃ 낮은 (압출기 상에서 전체 T-프로파일에 대하여) 것이다.

하기의 온도 프로파일은 PA 6I/6T, PA 6/PA 6I/6T - 블렌드 및 PA MXD6/MXDI의 가공을 위해 설정되었다: 프론트-공급기 10℃, 상승 온도 220 ~ 240℃, 다이 온도 240℃. 조업은 400rpm의 스크류 속도에서 수행되었다.

본 발명에 따라 제조된 폴리아미드 나노복합재는 종래의 플라스틱 가공 방법을 이용하여, 예를들면, 필름, 튜브, 가방, 병 및 용기와 같은 다른 성형품으로 가공될 수 있다. 그것들은 단일-압출 또는 공-압출법에 의해 생산될 수 있다. 적절한 플라스틱 가공 방법은 블로우 또는 캐스트 필름법, 압출 블로우 성형법, 이송 스트래치-블로우 성형(transfer stretch-blow moulding), 사출 블로우 성형, 파이프 압출법 및 적층법이다.

더욱이, 폴리아미드 나노복합재를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 사용은 심지어 더 큰 벽 두께를 갖는 성형체, 중공체(hollow bodies), 반-마감(semi-finished) 제품, 플레이트, 파이프 등의 생산 가능성을 제공한다. 바람직한 가공 방법은 일반적으로 알려져 있으며, 표준 압출, 3D 압출 및 진공 블로우 성형법에 의한 블로우 성형뿐만 아니라 사출 성형, 내부 가스 압력, 및 프로파일 압출법을 포함한다. 성형체는 예를들면, 차, 항공기, 배 등과 같은 운송 수단을 생산하는데 사용되는, 라디에이터 튜브, 냉각수 컨테이너, 보상 저장용기(compensating reservoirs) 및 튜브 및 다른 매질 (특히, 더 높은 온도를 갖는 매질)을 가이드하는 용기를 포함한다.

팩키징 제품은 단일-층 또는 다-층 팩키징으로서 배열될 수 있다. 다-층 팩키징의 경우, 폴리아미드 나노복합재가 외층, 중간층 또는 또한 제품과 직접적으로 접촉하는 최내부층으로서 사용될 수 있다.

본 발명의 추가 구현예는 다-층 복합재와 조합되는 상기 폴리아미드 나노복합재의 조합에 관한 것이다. 이 층의 배리어 효과는 배리어 층에 필로실리케이트를 사용함으로써 더 개선된다. 이것은 특정의 요구되는 배리어 효과를 달성하기 위한 배리어 층의 층 두께를 줄일 수 있게 한다. 다-층 복합재에서 배리어 재료는 대개 팩키징의 가장 비싼 성분이기 때문에, 따라서 전체 팩키징 시스템은 더 값싸게 만들어질 수 있다. 팩키징의 비용을 줄이기 위한 추가 가능성은 부분적 방향족 폴리아미드 나노복합재의 현저한 UV 배리어 효과이다. 비싸고 특수한 유기 UV 흡수제의 사용은 이들 폴리머 배합물을 사용함으로써 줄일 수 있거나, 완전히 제거할 수 있어서, 요구되는 팩키징 시스템의 추가 비용을 피할 수 있다. 유기 UV 흡수제는 또한 어느 정도 이행(migration)되어, 팩키징 재료의 식료품 적합성에 관한 문제를 야기한다.

팩키징 분야에서 본 발명의 가능한 적용 예는, 여기에 제한되지는 않지만, 반-마감 제품 및 식료품, 육류제품, 치즈 및 유제품, 치약, 화장품, 음료, 도료, 니스 또는 세제와 같은 제품용 팩키징이다. 그러한 팩키징은 치약 튜브, 화장품 및 식료품용 튜브, 화장품, 바디용품, 세제, 음료, 식료품 등의 팩키징을 포함한다.

놀랍게도, 복합 팩키징 문제는 매트릭스 폴리아미드로서 사용되는 특수한 폴리아미드를 사용함으로써, 그리고 특수 컴파운딩법에 의하여 해결될 수 있다는 것을 발견하였다. 유력한 폴리아미드는 방향족 구성성분등을 함유하는 것들이다, 이러한 타입의 적절한 폴리아미드는 PA 6I/6T, PA 6/PA 6I/6T 블렌드 또는 HMDA 및/또는 MXDA 및 지방족 및/또는 방향족 디카르복실산으로부터 생산된 코-폴리아미드를 포함할 수 있다. 더욱이, 락탐 (락탐-6, -11, -12)에 기초한 폴리아미드 또는 다른 폴리머의 본 발명에 따른 가공이 가능하다.

본 발명에 따른 방법을 사용하여 제조된 팩키징은 가스, 특히 산소 및 이산화탄소에 대한 팩키징 커버의 투과성에 민감한 부패하기 쉬운 팩키징된 상품에 대해 특히 내구성을 연장할 수 있다. 그러한 팩키징은 또한 증류 오일과 같은 양념 및 향미료에 대한 증진된 배리어 효과를 보인다. 팩키징은 또한 UV 광선의 투과에서 예상치 않은 감소를 보인다.

Claims

프론트-공급기 및 사이드-공급기가 구비된 이축-스크류 압출기 내에서 폴리아미드 베이스 폴리머 및 유기적으로-개질된 필로실리케이트로부터 폴리아미드 나노복합재를 제조하는 방법으로서,

폴리아미드 베이스 폴리머의 과립(granulate) 8 ~ 15중량% 부분(A)를 상기 이축-스크류 압출기의 프론트-공급기 내에 정량분주 방식으로 도입하고 상기 폴리아미드 베이스 폴리머 과립의 주부분(B)을 상기 이축-스크류 압출기의 사이드-공급기에 의하여 도입하며, 그리고

상기 유기적으로-개질된 필로실리케이트 2 ~ 8중량%를 상기 베이스 폴리머의 과립 부분(A)의 용융물에 정량분주 방식으로 도입하고,

이때 첨가하는 구성성분들의 함량 총합은 100중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 베이스 폴리머의 과립 10 ~ 12중량% 부분(A)를 상기 이축-스크류 압출기의 프론트-공급기 내에 정량분주 방식으로 도입하고, 그리고

상기 유기적으로-개질된 필로실리케이트 2 ~ 5중량%를 상기 폴리아미드 베이스 폴리머의 과립 부분(A)의 용융물에 정량분주 방식으로 도입하며,

이때 첨가하는 구성성분들의 함량 총합은 100중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 유기적으로-개질된 필로실리케이트가 상기 과립의 부분(A)의 용융물 내로 중력에 의하여, 그리고 사이드-공급기의 사용 없이 정량분주 방식으로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 스크류 영역 K, L 및 M을 갖는 E 또는 F 압출기 스크류가 사용되고,

여기서,

상기 스크류 영역 K는 프론트-공급기부터 유기적으로-개질된 필로실리케이트의 정량분주(dosing)까지이고, 상기 스크류 영역 L은 유기적으로-개질된 필로실리케이트의 정량분주부터 사이드-공급기까지이고, 그리고 상기 스크류 영역 M은 사이드-공급기부터 다이까지로서,

상기 스크류 영역 M은 적어도 하나의 이송 지연 혼합(conveying retarding mixing) 부재를 포함하고, 상기 적어도 하나의 이송 지연 혼합 부재는 상기 M 영역의 6%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 나노복합재의 용융물이 상기 이축-스크류 압출기에 앞서 200mbar 미만의 압력을 받게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 베이스 폴리머는 방향족 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 베이스 폴리머는 HMDA, MXDA, 및 지방족 및 방향족 디카르복실산 중 적어도 하나로부터 제조된 것임을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 베이스 폴리머는 락탐으로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, PA 6, PA 6I/6T 또는 PA 6/PA 6I/6T 블렌드 또는 PA MXD6/MXDI가 폴리아미드 베이스 폴리머로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서, 무정형, 부분적으로 방향족 코-폴리아미드 PA 6I/6T가 폴리아미드 베이스 폴리머로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 유기적으로 개질된 3-층 실리케이트가 유기적으로-개질된 필로실리케이트로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
높은 UV 흡수, 그리고 가스 및 향기에 대한 개선된 배리어(barrier) 효과를 갖는 투명 팩키징 재료의 제조방법으로서, 상기 방법은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 폴리아미드 나노복합재의 생산 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
프론트-공급기 및 사이드-공급기를 구비한 이축-스크류 압출기 내에서, 방향족 성분을 함유하는 베이스 폴리머 및 유기적으로-개질된 필로실리케이트로부터 폴리아미드 나노복합재를 제조하는 것을 포함하는 방법에 의하여 제조되며, 높은 UV 흡수 및 가스 및 향기에 대한 개선된 배리어 효과를 갖는 팩키징 재료로서,

상기 폴리아미드 나노복합재를 제조하기 위하여, 폴리아미드 베이스 폴리머의 과립 8 ~ 15중량% 부분(A)이 이축-스크류 압출기의 프론트-공급기에서 정량분주 방식으로 도입되고, 상기 베이스 폴리머 과립의 주부분(B)이 상기 이축-스크류 압출기의 사이드-공급기에 의해 도입되고, 그리고

유기적으로 개질된 필로실리케이트 2 ~ 8중량%가 상기 폴리아미드 베이스 폴리머의 과립 부분(A)의 용융물에 도입되고,

이때 첨가하는 구성성분들의 함량 총합은 100중량%인 것을 특징으로 하는 팩키징 재료.
제13항에 있어서, 단일층 또는 다층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 펙키징 재료.
제14항에 있어서, 다층 구조의 경우, 상기 폴리아미드 나노복합재가 외층, 중간층 또는 최내부층을 형성하고, 여기서 상기 최내부층은 팩키징될 제품과 직접 접촉하도록 배열된 것을 특징으로 하는 팩키징 재료.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 팩키징 재료를 필름, 가방, 병, 튜브 또는 파이프 형태로 포함하는 팩키징 제품.
삭제
식료품, 육류제품, 치즈 또는 유제품, 치약, 화장품, 음료, 도료, 니스 및 세제로 이루어진 군으로부터 선택되는 반-마감 제품 또는 제품의 팩키징에 사용하기 위한, 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 팩키징 재료.
제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 따른 폴리아미드 나노복합재를 제조하는 단계들을 포함하는 물품의 제조방법으로서, 상기 물품은 성형체, 중공체, 반-마감 제품, 플레이트 및 파이프로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
프론트-공급기 및 사이드-공급기를 구비한 이축-스크류 압출기 내에서 폴리아미드 베이스 폴리머 및 유기적으로-개질된 필로실리케이트로부터 폴리아미드 나노복합재를 제조하는 것을 포함하는 방법에 의하여 제조된 성형체로서,

상기 폴리아미드 나노복합재를 제조하기 위하여, 폴리아미드 베이스 폴리머의 과립 8 ~ 15중량% 부분(A)이 이축-스크류 압출기의 프론트-공급기 내에 정량분주 방식으로 도입되고, 상기 폴리아미드 베이스 폴리머 과립의 주부분(B)이 상기 이축-스크류 압출기의 사이드-공급기에 의해 도입되고, 그리고

유기적으로-개질된 필로실리케이트 2 ~ 8중량%가 상기 폴리아미드 베이스 폴리머의 과립 부분(A)의 용융물에 정량분주 방식으로 도입되고,

이때 첨가하는 구성성분들의 함량 총합은 100중량%인 것을 특징으로 하는 성형체.
제20항에 있어서, 상기 폴리아미드 베이스 폴리머는 방향족 성분을 함유하거나 또는 락탐으로 만들어진 것을 특징으로 하는 성형체.