KR101456330B1 - 친환경 고강도 수지 복합재 - Google Patents

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Abstract

고강도 및 경량화 특성을 가지면서 아울러 친환경적인 고강도 수지 복합재에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 친환경 고강도 수지 복합재는 제1기재; 상기 제1기재 상에 형성되며, 섬유 강화제를 포함하는 보강재층; 및 상기 보강재층 상에 형성되는 제2기재;를 포함하고, 상기 제1기재와 제2기재 중 하나 이상은 PLA 수지와 PHA 수지를 포함하는 생분해성 수지로 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

친환경 고강도 수지 복합재 {ECO-FRIENDLY HIGH STRENGTH RESIN COMPOSITE}
본 발명은 고강도 수지 복합재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PLA(Poly Lactic Acid) 수지와 PHA(polyhydroxyalkanoate) 수지가 혼합된 블렌드(blend) 수지를 기재(matrix)로 이용하여 고강도, 경량화를 가지면서도 친환경적인 수지 복합재에 관한 것이다.
고강도 수지 복합재는 열가소성 수지와 같은 수지에 섬유가 보강된 소재를 의미한다. 이러한 고강도 수지 복합재는 경량화 및 고강도 특성이 있다.
통상 고강도 수지 복합재라 하면, 섬유강화플라스틱(FRP)을 의미하는데, 섬유강화플라스틱의 경우, 수지 내에 탄소섬유와 같은 섬유가 함침되어 있는 형태이다. 그러나, 섬유강화플라스틱의 경우, 탄소섬유의 함량이 증가할수록 인장강도가 현저히 저하되고, 성형성이 좋지 않은 문제점이 있다.
또한, 고강도 수지 복합재에서 수지는 통상 폴리프로필렌(PP) 수지, 나일론 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지와 같은 상용 열가소성 수지가 이용된다.
그러나, 상용 열가소성 수지의 경우, 사용 후 폐기되었을 때 분해가 되지 않아 환경 오염의 요인이 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 생분해성 수지를 고강도 수지 복합재에 적용하려고 하고 있다. 그러나, 생분해성 수지의 경우, 대체로 강도 등의 물성이 상용 열가소성 수지에 비하여 좋지 않은 문제점이 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로, 대한민국 특허공개공보 제10-2009-0099215호(2009.09.22. 공개)에 개시된 연속섬유가 보강된 고강도 열가소성 복합재의 제조공정이 있다.
본 발명의 목적은 기존의 상용 열가소성 수지를 기반으로 하는 수지 복합재와 비교하여 동등 이상의 고강도를 나타낼 수 있으며, 아울러 자연적으로 분해가 가능하여 친환경성을 갖는 고강도 수지 복합재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 친환경 고강도 수지 복합재는 기재; 및 상기 기재의 일면 또는 양면에 형성되며, 섬유 강화제를 포함하는 보강재층;을 포함하고, 상기 기재는 PLA(Poly Lactic Acid) 수지와 PHA(polyhydroxyalkanoate) 수지를 포함하는 생분해성 수지로 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 생분해성 수지는 상기 PLA 수지 100 중량부에 대하여, 상기 PHA 10~50 중량부가 혼합되어 있는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 생분해성 수지는 아이오노머를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 PHA 수지는 하기 [화학식 1]로 표시되는 반복 단위를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112012028030718-pat00001
(상기 화학식 1에서, R1은 수소 원자이거나 치환 또는 비치환된 탄소수 1~15의 알킬기, n은 1 또는 2)
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 친환경 고강도 수지 복합재는 제1기재; 상기 제1기재 상에 형성되며, 섬유 강화제를 포함하는 보강재층; 및 상기 보강재층 상에 형성되는 제2기재;를 포함하고, 상기 제1기재와 제2기재 중 하나 이상은 PLA 수지와 PHA 수지를 포함하는 생분해성 수지로 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1기재와 제2기재 모두 생분해성 수지를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 친환경 고강도 수지 복합재는 PLA 수지와 PHA 수지가 혼합된 블렌드 수지를 기재로 이용하고, 섬유 강화제를 이용하여 기재 상에 보강재층을 별도로 형성한다.
그 결과, 기존의 상용 열가소성 수지 기반의 고강도 수지 복합재 대비 동등 이상의 물성을 확보할 수 있었으며, 또한, 폐기 후에는 기재의 생분해가 가능하여 친환경성을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 고강도 수지 복합재를 개략적으로 나타낸 것으로, 기재 일면에 보강재층이 형성되어 있는 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 고강도 수지 복합재를 개략적으로 나타낸 것으로, 기재 양면에 보강재층이 형성되어 있는 예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 고강도 수지 복합재를 개략적으로 나타낸 것으로, 제1기재와 제2기재 사이에 보강재층이 형성되어 있는 예를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명에 따른 친환경 고강도 수지 복합재에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 고강도 수지 복합재를 개략적으로 나타낸 것으로, 기재 일면에 보강재층이 형성되어 있는 예를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 친환경 고강도 수지 복합재는 기재(110) 및 보강재층(120)을 포함한다.
본 발명에 따른 수지 복합재에 있어, 기재(110)는 외력에 의한 하중을, 수지 복합재와 접하거나 연결되는 부품 등에 효과적으로 전달해주는 역할을 하면서, 아울러 보강재층(120)에 포함된 섬유 강화제를 지지하는 역할을 한다.
기재(110)는 필름, 직포(Woven Fabric), 부직포(Nonwoven Fabric), 펠트(pelt) 등의 형태가 될 수 있다. 또한, 기재(110)는 단층 형태 혹은 2층 이상 적층된 형태가 될 수 있다.
이때, 기재(110)는 생분해성 수지를 포함한다. 이때, 생분해성 수지는 PLA(Poly Lactic Acid) 수지와 PHA(polyhydroxyalkanoate) 수지가 혼합된 블렌드(blend) 수지를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 발명자들은 PLA 수지와 PHA 수지가 혼합된 블렌드 수지의 경우, 폴리프로필렌(Polypropylene) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate) 수지 등과 같은 상용 열가소성 수지 대비, 동등 수준의 기계적 물성을 나타낼 수 있음을 알아내었다.
따라서, 본 발명에 따른 수지 복합재는 상기의 PLA 수지와 PHA 수지가 혼합된 블렌드 수지를 기재로 이용함으로써, 강도 등의 특성이 매우 우수하고, 아울러 폐기 후 생분해가 가능한 장점이 있다.
PHA 수지는 하기 [화학식 1]로 표시되는 반복 단위를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112012028030718-pat00002
(화학식 1에서, R1은 수소 원자이거나 치환 또는 비치환된 탄소수 1~15의 알킬기, n은 1 또는 2)
보다 구체적으로, 상기 화학식 1에 부합하는 반복 단위는 n이 1이고, R1이 메틸기인 3-히드록시부티레이트(3-hydroxy butyrate), n이 1이고 R1이 에틸기인 3-히드록시발러레이트(3-hydroxy valerate), n이 1이고 R1이 프로필기인 3-히드록시헥사노에이트(3-hydroxy hexanoate), n이 1이고 R1이 펜틸기인 3-히드록시옥타노에이트(3-hydroxy octanoate), n이 1이고 R1이 탄소수 15의 알킬기인 3-히드록시 옥타데카노에이트(3-hydroxy octadecanoate) 등이 제시될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수지 복합재에서 PLA 수지는 강도 확보의 역할을 하며, PHA 수지는 PLA 수지의 취성을 개선하는 역할을 한다. 이러한 점에서 PLA 수지의 함량비가 증가할수록 강도가 높아지고, PHA 수지의 함량비가 증가할수록 인성이 증가한다고 볼 수 있다.
본 발명에서, PLA 수지와 PHA 수지의 혼합비는 특별히 한정되는 것은 아니다. 다만, 실험 결과, PLA 수지 100 중량부에 대하여, PHA 10~50 중량부가 혼합되어 있는 경우가 그 외의 경우에 비하여 물성이 보다 우수하였다.
반면, PHA 수지가 PLA 수지 100 중량부에 대하여 10중량부 미만으로 함유된 경우, PLA 수지의 취성 개선이 다소 불충분할 수 있다. 또한, PHA 수지가 PLA 수지 100 중량부에 대하여 50 중량부를 초과하는 경우, PHA 수지의 응집이 발생하여 수지 복합재의 강도가 다소 저하될 수 있다.
따라서, PHA 수지는 PLA 수지 100 중량부에 대하여, 10~50중량부로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 생분해성 수지는 아이오노머(ionomer)를 더 포함할 수 있다. 아이오노머는 반응성 상용화제로 작용할 수 있다.
아이오노머는 비극성의 고분자 사슬에 소량의 이온기가 함유되어 있는 한 특별히 한정되지 않으며, 그 예로, α-올레핀과 α,β-불포화 카르본산의 공중합체, 폴리스티렌에 술폰산기가 도입되어 있는 중합체, α-올레핀, α,β-불포화 카르본산 및 이와 각각 공중합 가능한 단량체간의 공중합체 또는 이들의 혼합물을 1∼4가의 금속 이온으로 중화한 것을 이용할 수 있다.
상기 아이오노머는 PLA 수지와 PHA 수지 합산 100 중량부에 대하여, 20 중량부 이하로 포함되는 것이 좋다. 아이오노머의 첨가량가 20중량부를 초과하는 경우에는 미반응된 아이오노머가 잔류하여 내열성이나 강도를 저하시킬 우려가 있다.
보강재층(120)은 기재 일면에 형성된다. 또한, 보강재층(120)은 섬유 강화제를 포함한다.
보강재층(120)은 섬유 강화제를 포함하는 시트가 기재(110)에 접착 또는 압착되어 형성될 수 있다. 또한 시트로 제작된 것이 아닌 섬유 강화제 자체도 프레싱 등에 의하여 기재에 압착되면서 보강재층(120)이 될 수 있다.
본 발명에 따른 수지 복합재에 있어서, 보강재층에 포함되는 섬유 강화제는 외력에 의한 하중을 지지하는 역할을 한다. 이러한 섬유 강화제는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유(Aramid Fiber), UHMWPE(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 등의 산업용 섬유가 1종 이상 포함될 수 있다.
상기 보강재층(120)에 포함되는 섬유 강화제은 기재(110) 100 중량부 대비 10~100중량부가 사용될 수 있다. 그러나 섬유 강화제의 사용량은 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 사용 용도에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
상기 도 1에 도시된 예에서는 기재(110) 일면에 보강재층(120)이 형성되어 있다. 그러나, 보강재층(120)은 도 2에 도시된 예와 같이, 기재(110) 양면에 형성되어 있을 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 고강도 수지 복합재를 개략적으로 나타낸 것으로, 제1기재와 제2기재 사이에 보강재층이 형성되어 있는 예를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 도시된 친환경 고강도 수지 복합재는 제1기재(310), 보강재층(320) 및 제2기재(330)를 포함한다.
도 3의 도시된 예의 경우, 구조적으로는 제1기재(310)와 제2기재(330) 사이에 보강재층(320)이 개재되어 있는 형태를 갖는다.
제1기재(310)와 제2기재(330)는 필름, 직포, 부직포 및 펠트 중에서 1종의 형태이거나, 또는 2종 이상이 적층된 형태를 가질 수 있다.
이때, 제1기재(310) 또는 제2기재(330), 보다 바람직하게는 제1기재(310) 및 제2기재(330) 모두는 생분해성 수지를 포함한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 이러한 생분해성 수지로 PLA 수지와 PHA 수지가 혼합된 블렌드 수지를 이용한다. 또한 생분해성 수지에는 아이오노머가 포함되어 있을 수 있다.
보강재층(320)는 제1기재 상에 형성되며, 섬유 강화제를 포함한다.
섬유 강화제는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, UHMWPE 등의 산업용 섬유가 1종 이상 포함되어 있을 수 있다.
도 3에 도시된 예의 경우, 보강재층(320)이 제1기재(310)와 제2기재(330) 사이에 형성되어 있으므로, 보강재층(320)이 기재로부터 이탈되는 것을 최대한 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 친환경 고강도 수지 복합재는 경량화 및 고강도 특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 기재로서 PLA 수지와 PHA 수지가 혼합된 블렌드 수지를 이용함으로써 생분해 특성을 인하여 폐기 후 자연적인 분해가 가능하여 환경 오염 예방 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 친환경 고강도 수지 복합재의 경우, 압착이나 접착 등의 방법만으로도 제조가 가능하다. 따라서, 기재 내부에 섬유 강화제가 함침되는 형태의 섬유강화플라스틱(FRP)에 비하여 제조 공정이 가능하다.
또한, 섬유강화플라스틱의 경우 섬유 강화제의 함량이 과도하게 높아지는 경우, 인장강도가 현저히 저하되고, 성형성이 좋지 않은 문제점이 있으나, 본 발명에 따른 친환경 고강도 수지 복합재의 경우, 섬유 강화제를 포함하는 보강재층이 기재와 별도의 층에 형성되므로, 보강재층에서의 섬유 강화제의 함량 혹은 밀도를 충분히 높일 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 수지 복합재 시편의 제조
(1) 실시예 1
10cm x 10cm x 0.5mm 사이즈의 필름 상에 탄소 섬유(필름 중량의 25%)를 배열한 후, 프레싱을 통하여 수지 복합재 시편을 제조하였다. 이때, 필름은 PLA 수지 100 중량부에 PHA 수지가 25중량부 블렌드되어 있는 것을 이용하였다.
(2) 실시예 2
10cm x 10cm x 0.5mm 사이즈의 필름 상에 탄소 섬유(필름 중량의 25%)를 배열한 후, 다시 동일한 필름을 올려 놓은 후, 프레싱을 통하여 수지 복합재 시편을 제조하였다. 이때, 2장의 필름은 PLA 수지 100 중량부에 PHA 수지가 25중량부 블렌드되어 있는 것을 이용하였다.
(3) 실시예 3
2장의 필름 각각에 PLA 수지 100 중량부에 대하여 설린1706(아이오노머, 듀폰 제조) 10중량부가 더 포함된 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 수지 복합재 시편을 제조하였다.
(4) 실시예 4
탄소 섬유의 사용량을 필름 중량의 100%로 한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 수지 복합재 시편을 마련하였다.
(5) 비교예 1
2장의 필름 소재로 PET 필름(LG화학 제조)을 이용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 수지 복합재 시편을 마련하였다.
(6) 비교예 2
PLA 수지 100 중량부와 PHA 수지 25중량부가 블렌딩된 용융수지에 탄소섬유 30중량부를 교반하여 압출한 후, 실시예 1과 동일한 사이즈로 탄소섬유가 PLA 수지에 함침된 형태의 수지 복합재 시편을 마련하였다.
(7) 비교예 3
탄소섬유를 PLA 수지 100 중량부에 대하여100중량부 사용한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 수지 복합재 시편을 마련하였다.
2. 물성 평가 방법
실시예 1~4 및 비교예 1~3에 따른 시편들에 대하여 인장강도 및 굴곡강도를 측정하였다.
인장강도(Kgf/cm2)는 ASTM D638에 의하여 측정하였다.
굴곡강도(Kgf/cm2)는 ASTM D790에 의하여 측정하였다.
3. 물성 평가 결과
실시예 1~4 및 비교예 1~3에 따른 시편들에 대한 물성평가 결과를 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112012028030718-pat00003
표 1을 참조하면, PET 수지 기반의 비교예 1에 따른 수지 복합재 시편의 물성과 비교하여 볼 때, 실시예 1~4에 따른 수지 복합재 시편의 경우, 동등 이상의 물성을 나타내었다. 이때, 비교예 2에 따른 수지 복합재의 기재가 생분해가 되지 않는 PET 필름을 기반으로 하는 것을 고려할 때, 실시예 1~4에 따른 수지 복합재는 동등 이상의 물성을 가지면서 생분해가 가능하여 충분히 친환경 소재로서 활용할 수 있다. 특히, PLA 수지 필름을 이용하면서 도 3에 도시된 형태의 실시예 2 내지 실시예 4에 따른 수지 복합재 시편의 경우, 강도가 보다 우수하였으며, 아이오노머가 포함된 실시예 3에 따른 수지 복합재 시편의 경우 물성이 가장 우수하였다.
한편, FRP 형태의 비교예 2에 따른 시편의 경우, 실시예 1 대비 강도가 다소 낮았으며, 탄소 섬유 함량이 높은 비교예 3에 따른 시편의 경우, 인장강도가 매우 낮게 나타났다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 기재 120 : 보강재층
310 : 제1기재 320 : 보강재층
330 : 제2기재

Claims (11)

  1. 기재; 및
    상기 기재의 일면 또는 양면에 형성되며, 섬유 강화제를 포함하는 보강재층;을 포함하고,
    상기 기재는 PLA(Poly Lactic Acid) 수지 100 중량부에 대하여 PHA(polyhydroxyalkanoate) 수지 10~50 중량부가 혼합된 생분해성 수지로 형성되며상기 생분해성 수지 100 중량부에 대하여, 아이오노머를 0 중량부 초과 20 중량부 이하로 더 포함하고, 상기 아이오노머는 α-올레핀과 α,β-불포화 카르본산의 공중합체, 폴리스티렌에 술폰산기가 도입되어 있는 중합체, α-올레핀, α,β-불포화 카르본산 및 이와 각각 공중합 가능한 단량체 간의 공중합체 또는 이들의 혼합물을 1∼4가의 금속이온으로 중화한 것 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 친환경 고강도 수지 복합재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PHA 수지는
    하기 [화학식 1]로 표시되는 반복 단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 고강도 수지 복합재.
    [화학식 1]
    Figure 112012028030718-pat00004

    (화학식 1에서, R1은 수소 원자이거나 치환 또는 비치환된 탄소수 1~15의 알킬기, n은 1 또는 2)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기재는
    필름, 직포(Woven Fabric), 부직포(Nonwoven Fabric) 및 펠트(pelt) 중에서 1종의 단층 형태이거나, 또는 2종 이상이 적층된 형태인 것을 특징으로 하는 친환경 고강도 수지 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화제는
    탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유(Aramid Fiber) 및 UHMWPE(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 중에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 고강도 수지 복합재.
  7. 제1기재;
    상기 제1기재 상에 형성되며, 섬유 강화제를 포함하는 보강재층; 및
    상기 보강재층 상에 형성되는 제2기재;를 포함하고,
    상기 제1기재와 제2기재 중 하나 이상은 PLA(Poly Lactic Acid) 수지 100 중량부에 대하여 PHA(polyhydroxyalkanoate) 수지 10~50 중량부가 혼합된 생분해성 수지로 형성되며상기 생분해성 수지 100 중량부에 대하여, 아이오노머를 0 중량부 초과 20 중량부 이하로 더 포함하고, 상기 아이오노머는 α-올레핀과 α,β-불포화 카르본산의 공중합체, 폴리스티렌에 술폰산기가 도입되어 있는 중합체, α-올레핀, α,β-불포화 카르본산 및 이와 각각 공중합 가능한 단량체 간의 공중합체 또는 이들의 혼합물을 1∼4가의 금속이온으로 중화한 것 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 친환경 고강도 수지 복합재.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1기재 및 제2기재는
    필름, 직포, 부직포 및 펠트 중에서 1종의 단층 형태이거나, 또는 2종 이상이 적층된 형태인 것을 특징으로 하는 친환경 고강도 수지 복합재.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 섬유 강화제는
    탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 및 UHMWPE 중에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 고강도 수지 복합재.
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