KR101344729B1

KR101344729B1 - 재생 폴리프로필렌을 함유하는 폴리머 조성물의 제조방법

Info

Publication number: KR101344729B1
Application number: KR1020120100229A
Authority: KR
Inventors: 문영지; 옥성현; 류태현; 가원순
Original assignee: (주)대웅
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-12-24

Abstract

본 발명은 재생 폴리프로필렌을 함유하는 폴리머 조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 재생 폴리프로필렌, 탈크, 및 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'을 기계적으로 혼합한 후 용융 압출하는 방식으로 제조되는 폴리머 조성물의 제조방법에 관한 것이다. 상기 폴리머 조성물의 제조방법은 재생 폴리프로필렌 수지의 단점인 낮은 기계강도 및 불량한 용융가공특성을 개선시킴으로써 폐 플라스틱의 재활용을 활성화시키는 효과가 있다.

Description

재생 폴리프로필렌을 함유하는 폴리머 조성물의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF POLYMER COMPOSITION CONTAINING RECYCLED POLYPROPYLENE}

본 발명은 재생 폴리프로필렌을 함유하는 폴리머 조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 재생 폴리프로필렌을 기초 수지로 하되 탈크, 액상 폴리부텐, 및 나노다이아몬드를 첨가하여 인장강도 등의 기계적 물성이 향상됨과 동시에 용융가공특성이 개선된 폴리머 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

플라스틱 재료는 저렴하면서도 가벼우므로 현대 사회에서 널리 사용되면서 사용 후 폐기물 발생량이 증가 하고 있다. 폐플라스틱 폐기물 처리 과정은 대기, 토양 등 환경오염을 유발되므로 환경오염 방지와 자원절약을 위하여 재활용을 촉진하는 기술개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특히 폐자동차의 수량 증가는 사회적 문제로 대두되어, 국내뿐만 아니라 유럽을 중심으로 폐자동차 재료 재활용 촉진을 위하여 재활용률을 일정 수준 이상으로 정하여 강제하는 규제가 강화되고 있다.

폐자동차에서 발생되는 폐플라스틱 중 가장 많은 것이 폴리프로필렌을 기초 수지로 하는 것이다. 일반적으로 재료 재활용이 곤란한 혼합 플라스틱은 가연성 물질로 고체연료 용도로 사용되나 재생 폴리프로필렌은 기능이 간단한 농어업자재, 토목자재, 건축용자재로 널리 사용되고 있다. 그러나 폴리프로필렌을 재활용하여 사용하는 경우는 재료의 노화 및 이물질의 혼입으로 인하여 용융가공특성이 저하되며 충격강도, 인장강도 등의 기계적 특성이 신 재료에 비하여 현저히 감소해지는 것이 일반적이다. 재생 폴리프로필렌은 특히 사출성형 가공성이 좋지 않은데, 신 재료를 성형하는데 사용하는 금형을 그대로 사용하여 재생 폴리프로필렌을 사출 성형할 경우 성형불량이 발생하는 경우가 많아 성형이 용이한 형태의 금형을 다시 제작해야하는 어려움이 있다.

따라서 충격강도, 인장강도 등의 기계적 특성의 저하를 보완하면서도 용융가공성이 우수한 재생 폴리프로필렌을 기초 수지로 하는 폴리머 조성물의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 신 재료의 폴리프로필렌과 거의 동일한 수준의 기계적 특성 및 용융가공성을 가지는, 재생 폴리프로필렌을 기초 수지로 하는 폴리머 조성물의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 재생 폴리프로필렌에 탈크, 그리고 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'을 기계적으로 혼합한 후 용융 압출하여 제조되는 폴리머 조성물은 재생 폴리프로필렌 수지에 비하여 인장강도, 굴곡탄성률 등의 기계강도가 향상됨과 동시에 충격강도 및 용융흐름성이 개선되는 특성을 가짐을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 재생 폴리프로필렌, 탈크, 및 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'을 포함하는 혼합물을 용융 압출하는 것을 특징으로 하는 폴리머 조성물의 제조방법을 제공한다. 상기 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'은 폭발법 나노다이아몬드를 유기용매에 초음파를 가하여 나노 분산시킨 용액을 액상 폴리부텐과 함께 감압 하에 가열하는 방식으로 유기용매를 제거함으로써 제조될 수 있다.

본 발명에 개시된 제조방법에 따라 제조된 폴리머 조성물은 재생 폴리프로필렌 100 중량부 당 탈크 10~40 중량부, 액상 폴리부텐 0.1~10 중량부, 및 나노다이아몬드 0.001~0.1 중량부를 함유할 수 있다.

본 발명에 의하면 재생 폴리프로필렌, 탈크, 그리고 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'을 기계적으로 혼합한 후 용융 압출하는 방식으로 제조되는 폴리머 조성물은 상기 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'을 사용하지 않은 비교예에 비하여 용융흐름성 및 충격강도가 각각 27%, 32% 향상되면서도 인장강도 및 굴곡탄성률 등의 기계적 물성을 거의 동일한 수준으로 유지할 수 있는바, 폐 폴리프로필렌의 광범위한 재활용을 가능하도록 해주는 효과를 기대할 수 있다.

이하, 발명의 구체적인 구현 예에 따른 폴리머 조성물의 제조방법을 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 하나의 예시로서 제시되는 것이며, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것이 아님은 당업자에게 자명하다.

본 발명은 재생 폴리프로필렌을 기초 수지로 하는 폴리머 조성물의 제조방법을 제공한다. 본 발명에서 사용하는 재생 폴리프로필렌은 폐플라스틱 부품으로부터 선별, 분쇄, 세척, 및 건조하는 방식으로 얻어지는 재활용 폴리프로필렌을 의미한다. 분쇄된 재생 폴리프로필렌의 평균 크기는 0.1~10 mm의 범위에서 조정될 수 있다. 상기 재생 폴리프로필렌에는 프로필렌을 단량체로 하여 합성되는 호모폴리머 및 코폴리머를 주성분으로 하되, 폐품이 수집되는 소스에 따라 폴리아미드, 고무 등을 포함하는 다양한 폴리머 성분이 혼합되어 있을 수 있으며 탈크, 탄산칼슘 등의 충진제, 유리섬유 등의 보강제, 그리고 열안정제, 착색제 등의 다양한 첨가제 등이 혼입되어 있을 수 있다.

본 발명에 따라 제조되는 폴리머 조성물은 재생 폴리프로필렌 외에도 탈크를 더 포함한다. 일반적으로 탈크 함량이 증가하면 인장강도, 굴곡탄성율 등의 기계적 강도는 향상되나 신율 및 충격강도가 감소되며 용융가공성이 저하되는 경향이 있다.

본 발명에서, 재생 폴리프로필렌 및 탈크와 함께 사용되는 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'을 제조하는 방법은 다음과 같다; 나노다이아몬드 분말을 에탄올 또는 테트라하이드로푸란 등의 유기용매에 투입한 후 초음파를 가하여 분산시킨 후, 이를 액상 폴리부텐과 함께 혼합한다. 이 용액을 가열하면서 감압하여 유기용매를 제거한 후 상온으로 냉각하여 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'를 제조한다.

본 발명에서 사용되는 나노다이아몬드 소재로는 TNT 및 RDX 등의 폭발 시 고온 고압 분위기하에 생성된 3~7 nm 크기의 결정성 다이아몬드 핵을 포함하는 수트(soot) 물질을 강산으로 정제하여 얻는 폭발법 나노다이아몬드를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 액상 폴리부텐은 나노다이아몬드를 재생 폴리프로필렌 매트릭스에 균질하게 분산시키는 역할을 하는 동시에 폴리머 조성물의 충격강도를 개선하는 역할을 한다. 상기 액상 폴리부텐으로는 수평균분자량이 300~1500인 것이 바람직하다. 상기 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액' 중 나노다이아몬드와 액상 폴리부텐의 무게 함량비는 1:10 내지 1:100이 바람직하다.

감압 하에 가열 증류하는 반응 용액에 6 내지 20개의 탄소원자를 갖는 알킬모노아민을 가할 경우 나노다이아몬드 표면의 카르복실기와 알킬모노아민의 아민기가 반응하여 아미드 결합을 형성함으로써 액상 폴리부텐에서의 나노다이아몬드의 분산성이 개선될 수 있다. 첨가되는 알킬모노아민의 양은 무게비로 나노다이아몬드의 0.1~10배가 바람직하다.

본 발명에 따른 폴리머 조성물은 상기 재생 폴리프로필렌, 탈크, 및 상기 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'을 헨셀 믹서에 넣어 기계적으로 혼합한 후 압출장치를 통하여 용융 혼합함으로써 얻어질 수 있다.

본 발명에서는, 재생 폴리프로필렌 100 중량부 당 10~40 중량부의 탈크를 첨가하는 것이 바람직하다. 탈크 함량이 10 중량부 이하일 경우 기계적 강도 등의 물성 향상이 미미하며, 40 중량부 이상일 경우 용융가공성이 현저히 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명에서 따라 제조되는 폴리머 조성물 중 액상 폴리부텐의 함량이 너무 적으면 나노다이아몬드를 분산시키는데 어려움이 따르며, 그 함량이 너무 높으면 제조비용이 상승하여 재생 폴리프로필렌을 사용하는 경제적 이점이 상쇄되는 문제점이 있다. 바람직하게는, 재생 폴리프로필렌 100 중량부 당 0.1 내지 10 중량부의 액상 폴리부텐을 사용하는 것이 바람직하다.

나노다이아몬드가 폴리머 조성물에 낮은 함량으로 분산되어 있을 경우 용융상태의 폴리머 조성물의 점도를 낮추는 역할 함으로써 용융가공특성을 개선시키는 역할을 한다. 그러나 나노다이아몬드 함량이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 용융가공특성의 개선효과는 미미해지는 대신 폴리머 조성물의 기계적 성질이 증가하는 경향이 있다. 본 발명에서의 나노다이아몬드의 첨가는 폴리머 조성물의 용융가공특성을 개선시키는 데 일차 목표를 두고 있는바, 컴파운딩 실험 결과 바람직한 나노다이아몬드의 함량은 재생 폴리프로필렌 100 중량부당 0.001 내지 0.1 중량부임을 알 수 있었다. 나노다이아몬드 함량이 0.001 중량부 이하일 경우 용융가공특성의 개선효과가 미미하며, 0.1 중량부 이상일 경우 조성물의 전체 제조원가의 상승에 따른 압박이 커지는 문제점을 극복하기 어려워진다.

본 발명의 제조방법에 따른 폴리머 조성물은 성형품의 가공 또는 사용 중에 산소와의 화학적 반응을 억제 또는 차단 시켜 폴리프로필렌이 분해되는 것을 방지하기 위한 산화방지제, 고온에서 혼합 또는 성형할 경우 생기는 폴리프로필렌의 열적 분해를 억제 또는 차단해 주는 기능을 하는 열안정제를 더 포함할 수 있다. 이 외에도 착색제, 이형제, 윤활제, 광안정제, 고무와 같은 다양한 첨가제를 추가로 함유할 수 있으며, 이들 첨가제의 사용량은 원하는 최종 용도 및 특성을 포함한 다양한 요인에 따라 적절히 조정되어 적용될 수 있다.

이하, 본 발명은 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명되나, 본 발명이 이러한 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

<재생 폴리프로필렌의 준비>

폐플라스틱을 수거한 다음 수지 종류별로 선별하여 폴리프로필렌 재료만 회수하였다. 그 표면에 이물질이 있는 것을 분리 제거한 다음 평균 3 mm 크기로 분쇄한 후 세척하였다. 세척된 폐 플라스틱 분쇄물을 건조한 다음 압출하여 펠릿 상태의 재생 폴리프로필렌을 얻었다.

<나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액>

정제된 폭발법 나노다이아몬드 분말 10g을 무수 에탄올 100mL에 투입한 후 3시간동안 초음파를 가하여 분산시킨 후 액상 폴리부텐 (대림석유화학, PB450) 1000g과 함께 혼합하였다. 이 혼합용액에 n-도데실아민 3g을 첨가한 후 80도로 가열, 교반하면서 감압 증류하여 에탄올을 제거한 후 상온으로 냉각하여 나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액을 얻었다.

<본 발명의 내용에 따른 폴리머 조성물의 제조>

상기 재생 폴리프로필렌 3000g, 탈크 1000g, 그리고 상기 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액' 30g을 헨셀 믹서에 투입하여 800rpm에서 2분간 혼합한 후, 배럴 온도를 160~220로, 주축 회전속도를 420rpm으로 조정한 이축압출기를 이용하여 용융 압출하여 펠렛을 얻었다.

상기에서 제조한 펠렛을 이용하여 MI(ASTM D-1238)를 측정하고, 사출성형기를 이용하여 시편으로 제작하여 충격강도(ASTM D-256), 인장강도(ASTM D-638), 및 굴곡탄성률(ASTM D-790)을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

<비교예 1: 나노다이아몬드가 사용되지 않은 폴리머 조성물의 제조>

상기 재생 폴리프로필렌 3000g, 탈크 1000g을 헨셀 믹서에 투입한 후 실시예 3과 동일한 방법을 이용하여 펠렛을 얻은 다음 MI를 측정하고, 사출성형기를 이용하여 시편으로 제작하여 충격강도, 인장강도, 및 굴곡탄성률을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

<비교예 2: 분말 상태의 나노다이아몬드를 사용한 폴리머 조성물의 제조>

상기 재생 폴리프로필렌 3000g, 탈크 1000g, 그리고 나노다이아몬드 분말 0.3g을 헨셀 믹서에 투입한 후 실시예 3과 동일한 방법을 이용하여 펠렛을 얻은 다음 MI를 측정하고, 사출성형기를 이용하여 시편으로 제작하여 충격강도, 인장강도, 및 굴곡탄성률을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	MI g/10min	충격강도 kgfcm/cm	인장강도 kgf/cm²	굴곡탄성률 kgf/cm²
실시예 3	13.0	4.9	230	27000
비교예 1	10.2	3.7	235	27700
비교예 2	10.5	3.4	210	25000

표 1에 의하면, 본 발명의 제조방법에 따라 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'을 포함하는 폴리머 조성물(실시예 3)은 나노다이아몬드가 첨가되지 않은 폴리머 조성물(비교예 1)에 비하여 인장강도 및 굴곡탄성률은 거의 동일한 수준으로 유지하면서, MI 및 충격강도가 상당한 수준으로 증가함을 알 수 있다. 한편 폴리부텐의 사용 없이 나노다이아몬드 분말을 그대로 사용하여 용융 압출한 폴리머 조성물(비교예 2)의 경우에는 나노다이아몬드가 첨가되지 않은 폴리머 조성물(비교예 1)에 비하여 용융가공성 및 기계적 물성의 개선이 거의 이루어지지 않음을 알 수 있다.

Claims

재생 폴리프로필렌을 베이스로 하는 폴리머 조성물의 제조방법으로서,
(A)재생 폴리프로필렌을 준비하는 단계;
(B)폭발법 나노다이아몬드를 유기용매에 분산시킨 용액을 액상 폴리부텐과 혼합한 후 감압하에서 가열 증류함으로써 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액'을 제조하는 단계; 및
(C)상기 재생 폴리프로필렌, 상기 '나노다이아몬드가 분산된 폴리부텐 용액', 및 탈크를 포함하는 혼합물을 용융압출하는 단계;
로 이루어지는 폴리머 조성물의 제조방법
제 1 항에 있어서, 감압 하에 가열 증류하기 전의 상기 유기용매, 나노다이아몬드, 및 액상 폴리부텐의 혼합물에 6 내지 20개의 탄소원자를 갖는 알킬모노아민을 첨가하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 조성물의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 폴리머 조성물은 재생 폴리프로필렌 100 중량부 당 탈크 10~40 중량부, 액상 폴리부텐 0.1~10 중량부, 및 나노다이아몬드 0.001~0.1 중량부를 함유하는 것을 특징으로 하는 폴리머 조성물의 제조방법.