KR101526597B1

KR101526597B1 - 리그닌 중합체, 이를 이용한 친환경 자동차 내장재용 복합재 및 이들의 제조방법

Info

Publication number: KR101526597B1
Application number: KR1020090109196A
Authority: KR
Inventors: 김대식; 장경훈; 남재도
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2015-06-05
Also published as: KR20110052242A

Abstract

본 발명은 리그닌 중합체, 이를 이용한 친환경 자동차 내장재용 복합재 및 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게 설명을 하면, 본 발명은 리그닌(lignin)과 세바코일 클로라이드(sebacoyl chloride)를 수산기(-OH)와 카르복실클로라이드기(-COCl)가 특정 몰비가 되도록 혼합하여, 중합한 리그닌 중합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 상기 리그닌 중합체를 이용하여 제조한 친환경 자동차 내장재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 폐기물인 리그닌을 재활용하기 때문에 자원을 재활용하는 장점이 있으며, 이를 이용하여 제조한 자동차 내장재는 휘발성 유기물질을 거의 발생시키지 않을 뿐만 아니라, 인장강도, 신율 등의 기계적 물성 또한 우수하다. 또한, 기존 석유화학소재의 자동차 내장재 보다 분해성이 뛰어나기 때문에, 환경친화적이다.

리그닌, 세바코일 클로라이드

Description

리그닌 중합체, 이를 이용한 친환경 자동차 내장재용 복합재 및 이들의 제조방법 {Lignin polymer, Composites for environmental-friendly interior materials of vehicle and Preparing method thereof}

본 발명은 폐기물로 버려지던 리그닌을 재활용한 소재에 관한 것으로서, 리그닌과 세바코일 클로라이드를 수산기(-OH)와 카르복실클로라이드기(-COCl)가 특정 몰비가 되도록 혼합하여 중합한 리그닌 중합체 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 또한, 상기 리그닌 중합체를 이용하여 제조한 친환경 자동차 내장재용 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

새로운 환경 법규, 사회적 관심 그리고 점점 높아지고 있는 환경에 대한 인식의 변화로 최근 산업계에서는 친환경 소재에 대한 중요성이 크게 증대되고 있다.

자원의 재활용 개념은 20 세기 말엽부터 더욱 중요하게 강조되어 왔으며, 세계 경제를 이끌고 있는 선진국의 많은 산업체들은 줄어들고 있는 석유를 바탕으로 하는 화학소재 공급원을 천연소재 및 농작물 자원을 이용한 환경친화적인 소재로 대체하고자 노력하고 있다.

친환경 재료를 이용한 자동차 부품 연구 및 적용은 현재 많은 자동차 업체에서 경쟁잭으로 이루어지고 있으며, 현재 자동차 분야의 식물기반 친환경 재료는 메이커별로 선행 개발 단계에 있으며, 주로 컨셉카 및 일부 하이브리드 차량에 적용 되고 있으나 향후 그 적용량은 점차 증가할 것으로 예상되고 있다. 친환경 소재의 주요 연구 방향은 바이오매스함량 증대, 저가소재, 비식량계 자원 활용 등인데, 이러한 기존 친환경 소재의 문제점은 자동차 소재로 사용하기에 기계적 물성이 떨어지는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 새로운 친환경 소재를 개발하고자 노력한 결과, 제지 공업에서, 펄프(pulp)재를 찌거나 삶았을 때 남는 액체인 흑액으로부터 추출한 리그닌을 이용한 새로운 리그닌 중합체를 안출하게 되었으며, 자동차 내장재용 소재 중 하나인 폴리프로필렌과 상기 리그닌 중합체을 이용하여 자동차 내장재를 제조하기 위한 최적의 조성비 및 제조조건을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

즉, 본 발명은 신규한 리그닌 중합체, 이를 이용한 친환경 자동차 내장재 및 이들의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 리그닌의 수산기(-OH)와 세바코일 클로라이드의 카르복실클로라이드기(-COCl)를 1 : 1 ~ 3 몰비가 되도록, 리그닌과 세바코일 클로라이드를 중합한 것을 특징으로 하는 리그닌 중합체를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 폴리프로필렌 60 ~ 80 중량%, 목분 5 ~ 30 중량% 및 상기 리그닌 중합체 5 ~ 30 중량%를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차 내장재를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 리그닌 중합체의 제조방법 및 상기 친환경 자동차 내장재의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 펄프 제조과정에서 발생하는 부산물, 즉 폐기물로서, 버려지던 리그닌을 재활용하여 새로운 소재로 이용하기 때문에 자원을 재활용하는 장점이 있으며, 이를 이용하여 제조한 자동차 내장재는 휘발성 유기물질을 거의 발생시키지 않을 뿐만 아니라, 인장강도, 신율 등의 기계적 물성 또한 우수하다. 또한, 기존 석유화학소재의 자동차 내장재 보다 분해성이 뛰어나기 때문에, 환경친화적이다.

이하에서는 본 발명을 더욱 자세하게 설명을 하겠다.

본 발명은 신규한 리그닌 중합체에 관한 것으로서, 리그닌의 수산기(OH)와 세바코일 클로라이드의 카르복실클로라이드기(-COCl)를 1 : 1 ~ 3 몰비가 되도록, 리그닌과 세바코일 클로라이드를 중합한 것을 특징으로 한다.

상기 리그닌의 수산기와 상기 세바코일 클로라이드의 카르복실클로라이드기가 1 : 1 ~ 3 몰비가 되도록, 더욱 바람직하게는 1 : 1.5 ~ 2.5 몰비가 되도록, 리그닌과 세바코일 클로라이드를 혼합 및 중합시키는 것이 좋은데, 상기 몰비를 벗어나면 미반응 모노머의 잔류로 분자량을 충분히 증가시킬 수 없는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 리그닌은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으나, 펄프 제조과정에서 발생하는 흑액으로부터 추출한 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기 리그닌 중합체는 상기 리그닌과 세바코일 클로라이드를 혼합한 후, 100 ~ 130℃의 반응온도에서 에스테르 중합반응시켜서 제조할 수 있다. 이때, 상기 반응온도가 100℃ 미만이면 에스테르 중합반응이 잘 일어나지 않아서 중합체의 분자량이 너무 낮을 수 있으며, 130℃를 초과하며, 에스테르 반응은 쉽게 이루어지나, 반응열 조절이 어렵고 반응속도가 너무 빨라서 분자량을 증가시키기 오히려 힘들어지는 문제가 있을 수 있으므로, 상기 온도 범위 내에서 반응을 수행하는 것이 좋다.

그리고, 상기 제조방법으로 제조된 본 발명의 상기 리그닌 중합체는 중량평균분자량이 9,000 ~ 40,000인 것을, 더욱 바람직하게는 20,000 ~ 40,000인 것 특징으로 한다. 이때, 리그닌 중합체의 중량평균분자량이 9,000 미만이면 리그닌 중합체를 이용한 제품의 물성이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 중량평균분자량이 40,000을 초과하면, 폴리프로필렌과의 상용성이 떨어질 수 있으므로 상기 범위 내인 것을 사용하는 것이 좋다.

본 발명은 친환경 자동차 내장재에 관한 것으로서, 폴리프로필렌 60 ~ 80 중량%, 목분 5 ~ 20 중량% 및 상기 리그닌 중합체 5 ~ 30 중량%를 포함하고 있는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 상기 친환경 자동차 내장재는 충전제, 산화방지제, 노화방지제, 염료, 및 안료 등 중에서 선택된 1 종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 상기 충전제, 산화방지제, 노화방지제, 염료 및 안료 각각은 당업계에서 일반적으로 사용하는 것을 사용할 수 있으며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다.

상기 폴리프로필렌은 당업계에서 사용하는 것을 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지는 않으나, 중량평균분자량이 120,000 ~ 150,000인 것을 사용하는 것이 좋으며, 중량평균분자량이 120,000 미만인 폴리프로필렌을 사용하면 자동차 내장재의 기계적 물성이 떨어질 수 있으며, 중량평균분자량이 150,000을 초과하는 폴리프로필렌을 사용하면 성형성이 떨어질 수 있으므로 상기 범위 내의 중량평균분자량을 갖는 폴리프로필렌을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 본 발명에 있어서, 상기 폴리프로필렌의 사용량은 상기 친환경 자동차 내장재 전체 중량에 대하여, 60 ~ 80 중량%, 더욱 바람직하게는 65 ~ 75 중량%를 사용하는 것이 좋은데, 상기 범위를 벗어나서 사용하면 자동차 내장재의 물성이 떨어질 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.

상기 목분은 본 발명에 있어서, 보강재 역할을 하며, 그 종류는 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다. 상기 목분의 사용량은 상기 친환경 자동차 내장재 전체 중량에 대하여, 5 ~ 20 중량%, 더욱 바람직하게는 10 ~ 15 중량%를 사용하는 것이 좋은데, 5 중량% 미만으로 사용하면 자동차 내장재의 강도가 떨어질 수 있고, 20 중량%를 초과하여 사용하면 상대적으로 상기 리그닌 중합체의 사용량이 감소하여 다른 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.

상기 리그닌 중합체는 본 발명에 있어서, 목분과 PP와의 상용성을 향상시키는 역할을 하며, 그 사용량은 상기 친환경 자동차 내장재 전체 중량에 대하여, 5 ~ 30 중량%를 사용할 수 있으며, 이때, 5 중량% 미만으로 사용하면 그 사용량이 너무 적어서 리그닌 중합체를 사용하는 효과를 볼 수 없으며, 30 중량%를 초과하여 사용 하면 물성을 저하시키는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.

또한, 본 발명은 상기 친환경 자동차 내장재의 제조방법에 관한 것으로서, 폴리프로필렌 60 ~ 80 중량%, 목분 5 ~ 30 중량% 및 상기 리그닌 중합체 5 ~ 30 중량%를 혼합 및 교반하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액을 180 ~ 200℃의 온도에서 압출가공하여 제조한 것을 그 특징으로 한다.

상기 압출가공을 180℃ 미만의 온도에서 수행하게 되면, 압출가공 자체가 어려울 수 있으며, 200℃를 초과하는 온도에서 수행하게 되면, 리그닌의 일부가 열분해되어 탄화가 일어나는 문제가 있으므로, 상기 온도 범위 내에서 압출가공을 수행하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ~ 5 및 비교예 1

흑액으로부터 추출한 리그닌과 세바코일 클로라이드를 하기 표 1에 나타낸 리그닌의 수산기와 세바코일 클로라이드의 카르복실클로라이드기의 몰비가 되도록, 칭량하여 혼합한 후, 이를 120℃에서 중합시켜서 리그닌 중합체를 제조하여, 실시예 및 비교예를 각각 실시하였다.

그리고, GPC 방법을 통하여, 제조한 리그닌 중합체의 중량평균분자량을 측정 하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	온도 (℃)	리그닌의 수산기(OH) : 세바코일 클로라이드의 카르복실클로라이드기(COCl) 몰비	중량평균분자량
실시예 1	120	1 : 1	9,600
실시예 2	120	1 : 2	39,700
실시예 3	120	1 : 3	30,300
실시예 4	110	1 : 1.5	21,400
실시예 5	100	1 : 2.5	37,800
비교예 1	100	1 : 0.75	7,200

상기 표 1의 중량평균분자량을 살펴보면, 수산기와 카르복실클로라이드기의 몰비가 1 : 1 미만인 경우, 중량평균분자량이 9,000 미만인 것을 확인할 수 있었고, 이는 상품성이 떨어져서 사용할 수 없다. 그리고, 상기 몰비가 1 : 1 부터 1 : 2 까지 중량평균분자량이 증가하다가, 1 : 2 몰비부터 1 : 3 몰비까지 중량평균분자량이 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 특히 1 : 3인 경우, 중량평균분자량이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

제조예 1 ~ 4 및 비교제조예 1 ~ 2

상기 실시예 중 중량평균분자량이 가장 높은 실시예 2를 이용하여 하기 표 2의 조성을 갖는 복합재를 제조하여 제조예 1 ~ 4를 실시하였다. 상기 복합재를 하기 표 2에 표시된 온도 하의 압출기에 투입한 후, 이를 이용하여 자동차 내장재 시편을 제조하였다. 그리고, 비교제조예 1은 리그닌 중합체를 사용하지 않았으며, 비교제조예 2는 상기 비교예 1의 리그닌 중합체를 이용하여 상기 제조예와 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.

구분	자동차 내장재 복합재 조성 (중량%)			압출기 온도 (℃)
구분	폴리프로필렌	목분	리그닌 중합체	압출기 온도 (℃)
제조예 1	70	20	10	180
제조예 2	70	20	10	200
제조예 3	70	10	20	180
제조예 4	70	10	20	200
비교제조예 1	70	30	-	180
비교제조예 2	70	10	20	180

실험예

상기 제조예 및 비교제조예의 시편의 인장강도와 신율을 하기 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

인장실험은 ASTM D 638(Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics)에 따라, 만능시험기를 이용하여 상온에서 실시하였으며, 인장강도(Tensile Strength) 및 신율을 측정하였다(인장강도[Pa]= 최대 load[N] / 초기 시료의 단면적[㎡], 신율[%] = 파단점까지의 늘어난 길이 / 초기길이)

구분	인장강도(Mpa)	신율(%)
제조예 1	45	9.5
제조예 2	48	10.2
제조예 3	37	8.9
제조예 4	40	9.2
비교제조예 1	27	6.8
비교제조예 2	29	7.0

상기 표 3의 물성측정결과를 살펴보면, 본 발명의 제조예 1 ~ 4의 자동차 내장재 시편은 인장강도가 30 MPa 이상 그리고, 신율이 9 % 이상으로 물성이 우수하나, 비교제조예 1과 비교제조예 2의 경우에는 좋지 않은 것을 확인할 수 있었다.

상기 실시예, 제조예 및 실험예를 통하여 본 발명의 리그닌 중합체로 제조한 자동차 내장재용 복합재의 우수성을 확인할 수 있었다.

Claims

폴리프로필렌 60 ~ 80 중량%, 목분 5 ~ 30 중량% 및 리그닌 중합체 5 ~ 30 중량%를 포함하고,

상기 리그닌 중합체는 리그닌의 수산기(-OH)와 세바코일 클로라이드의 카르복실클로라이드기(-COCl)가 1 : 1 ~ 3 몰비가 되도록, 리그닌과 세바코일 클로라이드를 혼합하여, 중합한 것인 친환경 자동차 내장재용 복합재.
제 1 항에 있어서, 상기 리그닌은 흑액으로부터 추출한 것을 특징으로 하는 친환경 자동차 내장재용 복합재.
제 1 항에 있어서, 상기 리그닌 중합체는 중량평균분자량이 9,000 ~ 40,000인 것을 특징으로 하는 친환경 자동차 내장재용 복합재.
흑액으로부터 추출한 리그닌과 세바코일 클로라이드를 상기 리그닌의 수산기(-OH)와 상기 세바코일 클로라이드의 카르복실클로라이드기(-COCl)가 1 : 1 ~ 3 몰비가 되도록 혼합한 후, 100 ~ 130℃의 온도에서 에스테르 중합반응시켜서 리그닌 중합체를 제조하고,

폴리프로필렌 60 ~ 80 중량%, 목분 5 ~ 20 중량% 및 상기 리그닌 중합체 5 ~ 30 중량%를 혼합 및 교반하여 혼합액을 제조한 후, 상기 혼합액을 180 ~ 200℃의 온도에서 압출가공하여 제조한 것을 특징으로 하는 친환경 자동차 내장재용 복합재의 제조방법.
삭제
제 1 항에 있어서, 충전제, 노화방지제, 산화방지제, 안료 및 염료 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차 내장재용 복합재.
삭제