KR101106635B1 - 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 뛰어난 단열성과 방음성을 갖는 신소재인 실리카 에어로겔 분말을 폴리프로필렌의 충진제로서 첨가함으로서 기존의 제품에 비해 단열성이 우수한 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품에 관한 것이다.

본 발명에 따른 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품은 폴리프로필렌 수지 100중량부에 대하여 충진제로서 실리카 에어로겔 분말을 20-50 중량부로 첨가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품은 실리카 에어로겔 분말의 단열성에 기인한 우수한 단열성을 나타내어, 일반 플라스틱 성형제품, 건축 내외장재 또는 포장용기 등으로 사용시, 뛰어난 단열성으로 인하여 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 또한, 실리카 에어로겔 분말의 기공구조로 인하여 우수한 방음성, 탈취성, 유해가스 흡착성 및 내충격성이 뛰어난 폴리프로필렌 제품을 만들 수 있다.

평균적으로 20-60μm 정도의 크기를 가지는 실리카 에어로겔 분말을 기존의 폴리프로필렌의 충진제로 사용하던 탈크(Talc)나 석회석 대신에 첨가하여 사용하면 제품의 품질은, 현재 상업적 유통의 기준이 되는 물리적 특성인 MI, ASH, IZOD, 인 장강도, 신율 등이 기존의 탈크 등의 충진제를 사용할 때의 기준치에 모두 근접하거나 더 뛰어나며 특히 기존의 제품이 갖지못했던 뛰어난 단열성과 방음성을 가질 수 있다.

충진제, 실리카 에어로겔, 탈크, 졸-겔 기술, 다공성

Description

충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품{MANUFACTURING METHOD OF POLYPROPYLENE WITH SILICA AEROGEL POWDER AS FILLER AND POLYPROPYLENE PRODUCT}

본 발명은 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 뛰어난 단열성과 방음성을 갖는 신소재인 실리카 에어로겔 분말을 폴리프로필렌의 충진제로서 첨가함으로서 기존의 제품에 비해 단열성이 우수한 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품에 관한 것이다.

일반적으로, 폴리프로필렌은 거의 모든 산업분야와 일상생활용품 등에 매우 광범위하게 활용되고 있는 제품이다. 보통 폴리프로필렌의 제조에 있어서는 경제성이나 제품의 특성을 고려하여 순수한 폴리프로필렌과 일정량의 충진제를 혼합하여 제조하게 된다. 이때 사용되는 충진제는 요구되는 제품의 특성에 따라 그 종류와 사용량 등이 결정되는데 가장 일반적으로 사용되는 것은 경제성이 가장 우수한 탄산칼슘이나 탈크(Talc), 월라스토나이트, 카본블랙 등이다.

한편, 본 발명에서 기존의 충진제 대용으로서 사용하고자하는 실리카 에어로겔 분말은 폴리프로필렌 100 중량부에 단열성이 우수한 실리카 에어로겔 분말(밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입도 21~60㎛)을 20-50 중량부를 사용하여 기존의 폴리프로필렌이 가지지 못하는 뛰어난 단열성을 부여하는 것으로, 이에 따라 제공되는 충진제로서 실리카 에어로겔 분말을 함유한 폴리프로필렌은 나노다공성, 표면이 소수성인 실리카 에어로겔 분말의 단열특성을 최대한 유지할 수 있음은 물론, 현재 상업적 유통의 기준이 되는 물리적 특성인 MI, ASH, IZOD, 인장강도, 신율 등이 기존의 탈크 등의 충진제를 사용할 때의 기준치에 모두 근접하거나 더 뛰어나며 특히 기존의 제품이 갖지 못했던 뛰어난 단열성과 방음성을 가질 수 있다.

본 발명에 의한 실리카 에어로겔 분말이 충진제로 사용되는 폴리프로필렌에는 일반적으로 알려져 있는 어떠한 실리카 에어로겔도 사용될 수 있다. 실리카 에어로겔 분말은 일반적으로 졸-겔화 공정으로 제조된다. 상기 졸-겔화 공정은 이 기술분야에 알려진 임의의 적합한 졸-겔기술[R.K.Colloid Chemistry of Silica and Silicates 1954, chapter 6; C.J. Brinker, G.W. Scherer, Sol-Gel Science, 1990, Chaps 2 and 3 참조]을 기초로 하여 행할 수 있다.

즉, 에어로겔 전구체의 졸-겔화 공정으로 습윤겔을 제조하고 습윤겔을 건조하므로써 에어로겔이 얻어진다. 습윤겔은 구체적으로는 졸-겔화 공정도중의 에어로겔 전구체와 물의 반응에 의한 가수분해, 축합반응 및 숙성과정을 거처 얻어진다. 예를들어, 알코올 용매 중에서 에어로겔 전구체와 물에 촉매를 첨가함으로써 가수분해가 진행되며, 가수분해물의 축합반응이 진행되어 "졸" 상태의 화합물이 형성된다. 이때, 축합반응은 염기 또는 산 촉매 존재하에 행할 수 있으나, 메탈알콕사이드를 사용하는 경우 염기 촉매를 사용하는 것이 좀더 바람직하다. 졸 상태의 용액이 겔화된 후 충분한 시간 동안 숙성시켜 습윤겔로 제조된다.

이로써 한정하는 것은 아니지만, 보다 구체적으로 예를 들면, 에어로겔은 에어로겔 전구체를 사용하여 습윤겔을 제조하는 공정과 습윤겔을 건조시키는 공정에 의해 제조될 수 있다. 습윤겔 제조시 졸-겔화 공정이 이용된다. 졸-겔화 공정에서는 먼저, 에어로겔 전구체가 가수분해에 의한 수화반응 및 축합반응이 진행되고(1 단계)되고 그 후, 겔화 및 숙성과정을 거쳐 습윤겔이 형성된다(2 단계). 이로써 한정하는 것은 아니지만, 1 단계에서는 에탄올에 용해된 에어로겔 전구체 용액에 촉매로서 염산 등을 가하고 증류수를 적하하여 부분 가수분해시킨다. 그 후, 2 단계에서는 1 단계에서 생성된 용액에 증류수와 메탄올을 첨가하고 암모니아수 등의 촉매를 사용하여 습윤겔을 형성할 수 있다.

실리카 에어로겔 분말은 그 특성상 충진제로 사용되기 위한 여러 가지 유리한 조건을 가지고 있다. 특히 가장 중요한 입도와 조성 면에서 충진제로서 지녀야 할 조건을 충분히 가지고 있다고 볼 수 있다. 다음의 표 1에는 기존에 사용되고 있는 충진제들에 대한 적용범위 및 특성들이 기재되어 있는데, 이중 그 성분이나 조성 및 기능상의 여건으로 보아, 실리카 에어로겔 분말은 폴리프로필렌에 단열성 및 방음성을 부여함은 물론, 기존 충진제의 특성을 대체하거나 개선할 수 있는 물질로 서, 충진제로서 탈크(talc), 탄산 칼슘이나 석문, 카오린 등의 증량성, 불연성, 강도 등의 물성을 충분히 만족시키고, 카본 블랙의 강도, 경량성 등의 물성에 대한 대체가 가능할 것이다.

표 1 기존의 충진제 적용범위 및 특성

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 단열성이 매우 뛰어난 충진제로서 실리카 에어로겔 분말을 사용하면서 에어로겔의 특성인 단열성, 저밀도, 나노기공성, 방음성 등의 특성이 최대한 폴리프로필렌 내에서 발현되도록 하며 에어로겔 입자의 분산을 고르게 하며 장기간 사용하더라도 단열성 및 방음성능이 그대로 유지되는 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품은 폴리프로필렌 수지 100중량부에 대하여 충진제로서 실리카 에어로겔 분말을 20-50 중량부로 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 폴리프로필렌 수지 100중량부에 상용화제인 MAH(무수말레인산) 1중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실리카 에어로겔 분말은 열전도도가 5~30mW/mk이고, 밀도가 0.05~0.3g/cm³이며, 입도가 21~60㎛이고, 내부가 나노다공성 구조이며, 입자의 표면 이 반영구적 소수성을 갖는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품은 실리카 에어로겔 부말의 단열성에 기인한 우수한 단열성을 나타낼 수 있어, 일반 플라스틱 성형제품, 건축 내외장재 또는 포장용기 등으로 사용시, 뛰어난 단열성으로 인하여 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다는 이점이 있다.

또한, 실리카 에어로겔 분말의 기공구조로 인하여 우수한 방음성, 탈취성, 유해가스 흡착성 및 내충격성을 나타낼 수 있다는 이점이 있다.

이하, 도면과 실시 예 및 비교 예를 참조하면서 본 발명에 따른 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법 및 그에 따른 폴리프로필렌 제품을 보다 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 폴리프로필렌에 실리카 에어로겔 분말을 충진제로서 활용하는 방법의 제조공정 도시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 충진제로서 실리카 에어로겔 분말(밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입도 21~60㎛)이 20-50 중량부 혼합된 폴리프로필렌 제조방법의 공정이 도시되었는데, 실리카 에어로겔 분말과 폴리머 및 상용화제를 준비하는 단계(S1)와; 이들 재료를 혼합하는 단계(S2)와; 이들 혼합물을 200~250℃ 온도에서 용융압출하는 단계(S3)와; 이 용융압출된 혼합물을 냉각시키는 단계(S4)와; 냉각된 혼합물을 절단하는 단계(S5) 및; 절단된 혼합물을 사출 성형하는 단계(S6)를 거쳐 최종제품이 완성된다.

통상적으로, 실리카 에어로겔 분말을 폴리프로필렌에 충진제로서 사용했을 경우, 그 효과와 역할에 중요한 영향을 미치는 요인은 실리카 에어로겔 분말의 입도와 기공구조, 폴리프로필렌과의 상용화제의 사용이며, 이들 조건을 적절히 조절하여야만 고품질 및 단열성, 방음성을 갖는 고분자재료의 충진제로서 실리카 에어로겔 분말의 사용이 가능하다.

도 2는 본 발명에 사용된 실리카 에어로겔 분말의 구조 및 기공도에 대한 SEM이며, 도 3은 본 발명에 따라 실리카 에어로겔 분말을 폴리프로필렌의 충진제로 활용하여 구성한 펠렛(pellet)의 단면에 대한 광학현미경 사진이다.

상업적으로 기존의 제품에 사용되는 충진제인 탈크는 이를 제품에 투입한 후, 이런 방식으로 생성된 제품이 물리적 특성치의 기준치를 통과하여야만 상업적으로 인정받아 통용될 수 있다.

실리카 에어로겔 분말을 충진제로 사용하여 이들 물리적 특성치의 기준치에 도달하기 위해서는 앞서 언급된 실리카 에어로겔 분말의 입도와 상용화제의 사용 등의 조건을 적절히 조절해 주어야 한다. 다음의 실시 예에는 이에 대한 실험과 결과치를 나타내었다.

이하 본 발명을 다음 실시 예 및 비교 예로 설명하고자 하며, 이로써 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

실시 예 1

실리카 에어로겔 NEB-217^TM((주)넵의 소수성 실리카 에어로겔 분말; 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛)의 입도를 각각 10~20μm, 21~40μm, 41~60μm, 61~80μm로 체가름을 한 후 이를 충진제로서, 각각 폴리프로필렌(호남석유화학, J-350, 흐름성 g/10min.)에 30wt% 혼합한다. 용융 압출성형기를 이용하여 200~250℃ 온도에서 압출 혼합한 후에 이를 표준 사출기에서 시편을 제조한 뒤 MI, ASH, IZOD, FM, 인장강도, 신율 등의 물리적 특성에 대해 탈크(Talc)를 충진제로 사용했을 경우와 비교해 보았다.

표 2 실리카 에어로겔 분말과 탈크를 충진제로 사용한 경우의 대비

표 2에서 알 수 있듯이, 실리카 에어로겔 분말의 입도는 여러 가지 물성치에 매우 중대한 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 21~60μm의 실리카 에어로겔 분말을 사용했을 시에는 대부분의 물성치가 기준치에 매우 근접하거나 더욱 우수한 것으로 나타났다. 이로서 실리카 에어로겔 분말을 폴리프로필렌 제품에 충진제로 사용하기에는 충분한 조건을 가지는 것으로 판명되었다.

실시 예 2

앞서 실시 예 1에서와 실리카 에어로겔 분말의 입도는 동일한 상태에서 폴리프로필렌 100중량부에 상용화제인 MAH을 1중량부로 혼합하여 제품을 제조한 뒤 이에 대한 물성치를 조사하였다.

표 3 폴리프로필렌 100중량부와 상용화제인 MAH을 1중량부를 혼합한

제품의 물성치(실리카 에어로겔 분말의 입도는 표 2와 동일함)

폴리프로필렌과 상용화제(MAH:무수말레인산)를 함께 혼합한 후의 실리카 에어로겔 분말을 충진제로 활용한 플라스틱 제품의 특성을 표 3에서와 같이 탈크의 경우에 비교해보면 모든 물성치가 더욱 우수하게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 폴리프로필렌과 상용화제(MAH)를 적절히 혼합한 후 실리카 에어로겔 분말을 충진제로 사용하면 탈크보다 더욱 우수한 물성을 갖는 플라스틱 제품으로 사용이 가능하다는 것을 보여준다.

실시 예 3

앞서 실시 예 1에서와 실리카 에어로겔 분말의 입도는 동일한 상태에서 폴리프로필렌 100중량부에 상용화제인 MAH 1중량부로 혼합하여 실리카 에어로겔 분말을 0~60중량부로 용융압출 성형한 뒤 이를 30x30x1㎤(가로x세로x높이)로 시험판을 제조하여 KS L 9106 규격방식에 따라 HC-074-314((주)태크녹스사 제품)을 사용하여 열전도율(단위: mW/mk)을 측정하였다.

표 4 폴리프로필렌 100중량부와 상용화제인 MAH 1중량부를 혼합하여

실리카 에어로겔 분말을 0~60중량부로 용융압출 성형한 시험판의 열전도율

폴리프로필렌과 상용화제(MAH)를 함께 혼합한 후의 실리카 에어로겔 분말을 충진제로 활용한 플라스틱 제품의 열전도율은 표 4에서와 같이 실리카 에어로겔 분말은 충진량이 증가함에 따라 열전도율 값이 감소하는 것을 알수 있었다. 이로서 실리카 에어로겔 분말을 폴리프로필렌에 충진제로 활용할 경우 단열성을 극대화할 수 있으며 다만, 충진량이 15중량부 이하에서는 단열성의 효과가 없으며, 50중량부 이상이 되면 혼합에도 어려움이 있으며 제품을 구성하기가 불가능했다. 입도 또한 중요한 요인으로 60μm이상의 입도에서는 열전도율의 효과가 발현되지 못하고 충진량이 조금만 증가해도 제품을 성형하기가 불가능하므로 적절하지 못했다.

비교 예 3-1

실리카 에어로겔 분말을 대신하여 탈크(경기화학, KG-2000), Glass bubble(3M, 평균입도 20㎛)를 충진제로 사용한 것을 제외하고는 앞서 실시 예3에서와 같이 동일한 조건으로 비교하여 나타내었다.

표 5 폴리프로필렌 100중량부와 상용화제인 MAH 1중량부를 혼합하여

탈크를 0~60중량부로 용융압출 성형한 시험판의 열전도율

본 발명에서는 단열성능이 우수한 실리카 에어로겔 분말을 폴리프로필렌의 고분자 재료와 적용하여 플라스틱 제품에 사용될 수 있는 충진제로서 사용될 수 있도록, 실리카 에어로겔 분말에 대한 처리기술을 개발하는 것이다. 이러한 처리 기술은 실리카 에어로겔 분말의 적절할 입도 조절과 상용화제의 사용 등이 관련된다. 실리카 에어로겔 분말의 입도는 기존의 탈크 충진제의 입도와 비슷한 수준인 10∼60μm 내에 들어가야만이 MI, ASH, IZOD, FM, 인장강도, 신율 등의 물리적 특성에 있어서 기존의 충진제인 탈크의 경우에 비해 뒤떨어지지 않게 된다. 또한 기존 충진제들이 갖지 못하는 우수한 단열성능을 갖는 폴리프로필렌 제품을 구성할 수 있다. 본 기술에는 적절한 상용화제가 이용될 수 있는데, 상용화제는 폴리프로필렌과 MAH(무수말레인산)을 혼합한 것을 사용하였는데, 이러한 상용화제를 사용했을 경우 앞서 모든 물리적 특성치가 만족할 만한 수치를 나타내게 된다.

이상과 같이 본 발명은 양호한 실시 예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시 예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예 1에 따라 폴리프로필렌에 실리카 에어로겔 분말을 충진제로서 활용하는 방법의 제조공정 도시도.

도 2는 본 발명의 실시 예에서 사용한 실리카 에어로겔 분말의 구조 및 기공도에 대한 SEM.

도 3는 본 발명에 따라 실리카 에어로겔 분말을 폴리프로필렌의 충진제로 활용하여 구성한 펠렛(pellet)의 단면에 대한 광학현미경 사진.

Claims (4)

1. 폴리프로필렌 수지 100중량부에,

   충진제로서 실리카 에어로겔 분말을 20-50 중량부로 첨가하고,

   상용화제인 MAH(무수말레인산) 1 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 실리카 에어로겔 분말은 열전도도가 5~30mW/mk이고, 밀도가 0.05~0.3g/cm³이며, 입도가 21~60㎛이고, 내부가 나노다공성 구조이며, 입자의 표면이 반영구적 소수성을 갖는 것을 특징으로 하는 충진제로서 실리카 에어로겔 분말이 혼합된 폴리프로필렌 제조방법.
4. 제 1항에 따른 제조방법에 의해 제조된 폴리프로필렌 제품.

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