KR101526742B1 - 성형성이 우수한 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물 - Google Patents

성형성이 우수한 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성형성이 우수한 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특정 조건의 폴리프로필렌 수지에 무수 말레산이 그라프트된 변성 폴리프로필렌을 상용화제로 첨가하여 탄소섬유를 보강시킴으로서 성형성과 인장강도, 굴곡강도 등이 우수하게 개선된 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물에 관한 것이다.

Description

성형성이 우수한 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물{A resin composition of carbon fiber reinforced polypropylene with excellent molding property}
본 발명은 성형성이 우수한 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특정 조건의 폴리프로필렌 수지에 무수 말레산이 그라프트된 변성 폴리프로필렌을 상용화제로 첨가하여 탄소섬유를 보강시킴으로서 성형성과 인장강도, 굴곡강도 등이 우수하게 개선된 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 폴리프로필렌을 기재 수지로 하는 수지 조성물은 각종 엔지니어링 플라스틱으로 널리 사용되고 있다.
이러한 폴리프로필렌 수지 조성물의 물성을 강화시키기 위해 기존에는 강화섬유 등을 혼합하여 섬유강화 복합재로 제조하여 사용되고 있는바, 이러한 섬유강화 폴리프로필렌 수지 복합재는 강성과 내열성에서 통상의 엔지니어링 플라스틱과 비교하여 개선된 물성을 갖기 때문에 각종 산업분야에서 기능성 엔지니어링 플라스틱으로 사용되고 있으며, 특히 자동차 분야, 전기산업 분야 등에서 널리 사용되고 있다. 그러나 아직도 각종 물성에서 많은 문제점이 나타나고 있어서 계속적인 개선이 이루어지고 있다.
다른 한편으로, 장섬유 강화 열가소성 수지의 성형방법 및 성형장치는 미국특허등록 제6,482,515호 및 제7,592,388호 등에 소개되어 있다. 이들 발명에서는 주로 유리섬유를 사용한 복합재료가 소개되어 있다.
섬유강화 폴리프로필렌 수지조성물은 일반적으로는 폴리프로필렌 수지에 유리섬유나 탄소섬유 등의 강화섬유를 충전하여 강성이나 내열성을 향상시키는 것이 주류를 이루고 있다. 이 중에서도 폴리프로필렌 수지와 강화섬유와의 상용성을 개선시키기 위해 말레산 등을 폴리프로필렌과 그라프트시켜 제조된 변성 폴리올레핀을 첨가함으로써 강화섬유와의 상용성을 증가시켜 강성과 내열성 등의 필요한 물성을 개선하고 있다. 그 예로서, 미국특허등록 제4,469,138호에서는 폴리프로필렌과 말레산 첨가에 의한 산변성 폴리프로필렌 및 탄소섬유를 포함하는 조성물에 관하여 제안하고 있으며, 미국특허등록 제4,395,362호에서는 폴리프로필렌 100 중량부, 말레산 변성 폴리프로필렌 10~50중량부, 탄소섬유 5~65중량부 및 전기전도성 카본블랙 5~65중량부를 포함하는 수지 조성물이 제안되어 있다. 또한, 일본특허공개 제1999-181181호에서는 폴리프로필렌 100중량부, 무수 말레산 변성 폴리프로필렌 수지 0.5~20중량부에 카본섬유 또는 카본블랙, 유리섬유, 무기필러를 포함하는 수지 조성물이 제안되어 있기도 하다.
그러나 이러한 기존의 섬유강화 폴리프로필렌 수지 조성물의 경우 강성이나 내열성 등에서는 우수한 성질을 나타내지만 인장강도나 굴곡강도 등에서는 문제가 있어서 외부 충격에 견뎌야 하는 성형물로 사용하기에는 문제가 많았다. 따라서 이러한 기존의 섬유강화 폴리프로필렌 수지 조성물은 특히 충격 흡수 능력이 떨어지기 때문에 자동차용 성형물로 대표되는 범퍼나 내외장재로 사용하는 경우 쉽게 파손되는 원인이 되고 있다.
이를 개선하기 위해, 일부에서는 고무성분을 추가하거나 특정 성분의 폴리프로필렌을 사용하여 물성 개선을 시도하는 경우도 있지만(일본특허공개 제2005-213478호 등), 이러한 경우 역시 폴리프로필렌의 특정 사용으로 인해 강성 등 물성이 개선되는 효과에 비해 인장강도나 충격 흡수 능력 등에서 개선의 여지가 많아서 제품 불량 문제를 해소하지 못하고 있다.
이런 문제를 해소하기 위해, 한국특허공개 제2008-61077호에서는 고무 탄성체를 적용하면서 폴리프로필렌 수지로서 아이소택틱 인덱스(NMR 기준) 87~92 중량%이고 용융지수가 0.5~35g/10분(230℃)인 프로필렌 단량체를 사용하는 것으로 특정하고 있으나, 이러한 조성물 역시 인장강도나 굴곡강도 등이 좋지 못한 문제를 해결하지 못하고 있다.
1. 미국특허등록 제4,469,138호 2. 미국특허등록 제4,395,362호 3. 일본특허공개 제1999-181181호 4. 일본특허공개 제2005-213478호 5. 한국특허공개 제2008-61077호
위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 오랫동안 연구 검토한 결과 특정 물성의 폴리프로필렌 수지를 기재로 사용하고 여기에 상용화제로 무수 말레산 변성 폴리프포필렌을 용융 혼련시키고 탄소섬유를 함침시키는 경우 폴리프로필렌 수지 조성물의 물성이 우수하고 특히 성형성과 인장강도, 굴곡강도 등이 개선된다는 사실을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 성형성과 인장강도, 굴곡강도 등의 물성이 개선된 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 폴리프로필렌에 탄소섬유가 함침된 성형성이 우수한 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 탄소섬유 사이에 열가소성 수지가 침투되어 분산성 및 기계적 물성이 우수한 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 성형성이 우수한 탄소섬유 보장 폴리프로필렌 수지 조성물로 성형하여 제조된 성형품을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 과제 해결을 위해, 본 발명은 프로필렌의 단독 중합체 또는 프로필렌 에틸렌 공중합체로서 용융지수(MI)가 20~100 g/10분(230oC) 이고, 분자량 분포(MWD)가 5~10이며, 아이소택틱 인덱스(Isotactic Index)가 97~100인 폴리프로필렌 수지 50~80중량%와 상용화제로서 무수 말레산(Maleic Anhydride) 그라프트비(graft ratio)가 0.5~15중량%인 변성 폴리프로필렌 1~10중량%, 탄소섬유 15~40중량%를 포함하는 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 프로필렌의 단독 중합체 또는 프로필렌 에틸렌 공중합체로서 용융지수(MI)가 20~100 g/10분(230oC) 이고, 분자량 분포(MWD)가 5~10이며, 아이소택틱 인덱스(Isotactic Index)가 97~100인 폴리프로필렌 수지 50~80중량%와 상용화제로서 무수 말레산(Maleic Anhydride) 그라프트비(graft ratio)가 0.5~15중량%인 변성 폴리프로필렌 1~10중량%의 용융 혼합물에 탄소섬유 15~40중량%가 함침되어 이루어진 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 폴리프로필렌 수지 조성물로 성형하여 제조된 성형품을 제공한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물은 특정 프로필렌 수지를 사용하고 상용화제로 무수 말레산이 그라프트되 변성 폴리프로필렌을 사용함으로서 강성이나 각종 기계적 강도가 우수함은 물론 고유동성을 가지며 인장강도와 굴곡강도 등의 물성이 크게 개선되어 성형성은 물론 탄성율 등이 우수하기 때문에 각종 엔지니어링 플라스틱으로 매우 유용한 효과가 있다.
특히, PP 수지 자체의 강도가 우수하고 유동성이 좋아서, 탄소섬유 복합재의 제조공정 도중에 탄소섬유의 번들 (Bundle) 사이로 침투가 용이해서 분산성 향상에 따른 추가적인 물성 향상효과를 기대할 수 있다. 아울러 사출 또는 압출 성형공정으로 부품을 성형할 때 작업성이 좋아지고 싸이클 타임 감소 및 표면 외관 품질 향상 효과를 기대할 수 있다.
따라서 각종 산업 부품의 적용시 우수한 효과를 발휘하고, 특히 자동차용 부품으로 적용하는 경우 우수한 물성을 발휘한다.
또한, 기술은 상대적으로 적은 탄소섬유 함량에서 강도 향상이 가능하므로 고가의 탄소섬유를 소량 사용할 수 있으므로 재료비 절감 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 탄소섬유 보강 수지 복합재 제조시 사용되는 수지에 보강섬유를 함침시키는 함침공정을 보여주는 공정 개략도 이다.
도 2은 상기 도 1의 함침공정에서 사용되는 통상의 함침다이(Die) 내부구조를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 폴리프로필렌 수지 조성물로 이루어진 폴리프로필렌 수지 복합재의 인장시편에 대한 파단면을 주사현미경으로 촬영한 사진으로서, 실시예 2의 경우(a)와 비교예 2의 경우(b)에 대한 사진이다.
이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 특정한 물성의 폴리프로필렌 수지를 사용하고 여기에 무수 말레산이 그라프트된 변성 폴리프로필렌 수지를 가한 상태로 탄소섬유를 사용함으로서 물성을 크게 개선시킨 폴리프로필렌 수지 조성물을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 프로필렌 수지로서는 프로필렌의 단독 중합체 또는 프로필렌 에틸렌 공중합체로서 용융지수(MI)가 20~100 g/10분(230oC) 이고, 분자량 분포(MWD)가 5~10이며, 아이소택틱 인덱스(Isotactic Index)가 97~100인 폴리프로필렌 수지를 사용한다. 여기서 용융지수가 너무 낮으면 수지 흐름성의 저하로 성형성에 문제가 있고 너무 높으면 내충격성 또는 내열성 저하의 문제가 있다. 또한, 분자량 분포가 5 미만이면 가공성 저하의 문제가 있고, 10보다 크면 강도가 감소하는 문제가 있어서 좋지 못하다. 또한, 아이소택틱 인덱스는 탄소섬유 복합재의 성형성 및 기계적 물성 최적화를 위해 상기 범위가 가장 바람직하다.
본 발명에서는 상기와 같은 조건을 만족하는 특정의 폴리프로필렌 수지를 사용함으로서, 다른 일반적인 기존의 폴리프로필렌 수지를 사용하는 것과는 달리 우수한 물성을 가지면서도 탄소섬유와의 상용화제 첨가시 상용성 개선에 도움이 되고 성형성은 물론 인장강도와 굴곡강도 등이 우수한 효과를 기대할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 폴리프로필렌 수지는 50~80중량%, 더욱 바람직하게는 60~70 중량%로 사용하는 바, 그 사용량이 너무 과다하면 각종 물성이 저하되는 문제가 있고 너무 적으면 성형성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따르면 상기 폴리프로필렌 수지와 탄소섬유를 사용함에 따른 물성 강화와 더불어서 탄소섬유와 수지와의 상용성 개선 효과 등을 위해 상용화제로서 무수 말레산(Maleic Anhydride) 그라프트비(graft ratio)가 0.5~15중량%인 변성 폴리프로필렌을 사용한다. 이때 사용되는 변성 폴리프로필렌에서 무수 말레산의 그라프트비가 너무 적으면 물성 개선 효과가 없고 복합재 함침성이 떨어지며, 너무 과다하면 각종 물성 저하의 문제가 있다. 본 발명에서는 변성 폴리프로필렌을 1~10중량%, 더욱 바람직하게는 2~7중량%로 사용하는바, 그 사용량이 너무 적으면 함침성이 나빠지고 너무 과량 사용하면 물성 저하의 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 물성 강화를 위해 보강 섬유로서 탄소섬유를 15~40중량%, 더욱 바람직하게는 25~35중량%로 사용하는바, 그 사용량이 너무 적으면 기계적 물성과 내열성이 저하되고 너무 과량 사용하면 흐름성 저하로 인한 성형성의 문제가 있고 섬유량의 증가로 인한 분산성의 문제가 발생할 수 있다.
또한, 첨가제로 상기 성분들 이외에 산화방지제, 열안정제, 가공조제 및 자외선 안정제 등과 같은 첨가제 중에서 하나 이상을 소량으로 적절하게 첨가할 수 있다.
본 발명에 따른 폴리프로필렌 수지 조성물의 경우 복합재로 사용하기 위해서는 상기와 같은 특정의 폴리프로필렌 수지 50~80중량%와 상용화제로서 상기와 같은 변성 폴리프로필렌 1~10중량%을 용융시킨 용융 혼합물에 탄소섬유 15~40중량%를 함침시켜서 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재로 제조하여 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 상기 폴리프로필렌 수지 조성물로 구성된 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재를 포함한다.
본 발명에 따르면 상기 폴리프로필렌 수지 조성물을 이용한 탄소섬유와의 복합재의 제조과정은 다음과 같다.
본 발명에 따르면 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재는 상기와 같은 폴리프로필렌 수지 조성물을 적용하되 도 1에 도시한 바와 같이 수지에 보강섬유를 함침시키는 함침공정을 보여주는 공정을 거쳐 통상적인 장섬유 강화 열가소성 수지 성형공정을 사용하여 복합재를 제조할 수 있다. 이러한 함침공정으로 보면, 수지성분이 이축압출기를 통해 공급된 후 함침다이(Die)에서 탄소섬유와 같은 보강섬유가 공급되어 수지에 함침이 이루어지고 함침된 후에는 인취공정을 거쳐 복합재가 제조될 수 있다. 이러한 제조과정에서는 도 2의 함침다이 내부구조에서 알 수 있는 바와 같이, 수천~수만 가닥의 탄소섬유가 함침용 핀을 지나면서 펼쳐져서 섬유 사이 사이에 열가소성 수지를 침투시킴으로서 분산성 및 기계적 물성이 우수한 복합재를 제조할 수 있는 것이다.
여기서, 일반적으로 함침용 핀의 수가 많아질수록 섬유 펼침이 커져 함침성이 증가하지만 섬유에 걸리는 인장력(tension)이 과도하여 섬유 단사가 발생할 수 있으므로 섬유의 손상을 최소화하면서도 함침도를 높일 수 있는 최적의 핀 조합이 열가소성 탄소섬유 복합재 제조에서는 필수적이다. 일반적으로 유리섬유를 이용한 복합재 제조의 경우 9~10개의 함침용 핀을 사용하는데, 본 발명에서는 섬유에 걸리는 인장력을 낮추면서 적절한 함침성을 유지하고자 바람직하게는 7~8 개의 핀을 사용하여 연속 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 프로필렌의 단독 중합체 또는 프로필렌 에틸렌 공중합체로서 용융지수(MI)가 20~100 g/10분(230oC) 이고, 분자량 분포(MWD)가 5~10이며, 아이소택틱 인덱스(Isotactic Index)가 97~100인 폴리프로필렌 수지 50~80중량%에 상용화제로서 무수 말레산(Maleic Anhydride) 그라프트비(graft ratio)가 0.5~15중량%인 변성 폴리프로필렌 1~10중량%를 가하는 단계; 이를 이축압출기로 220~260℃에서 250~400rpm, 더욱 좋기로는 280~320rpm으로 혼련하여 용융시키는 단계; 얻어진 용융 혼합물에 함침다이 온도 250~320℃, 더욱 좋기로는 260~280℃에서 탄소섬유 15~40중량%를 함침시키는 단계를 포함하여 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재를 제조할 수 있다. 이러한 복합재는 열가소성 탄소섬유 복합재이다.
따라서 본 발명은 이러한 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재의 제조방법도 포함한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 폴리프로필렌 수지 조성물을 이용하여 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재를 제조함으로써 탄소섬유와 수지와의 함침성을 개선시킬 수 있고, 이를 통해 저가의 고강도 탄소섬유 복합재를 제조할 수 있다. 특히, 이렇게 제조된 복합재에 대해 인장 시편의 파단면을 주사전자현미경으로 촬영하여 확인해 보면, 기존의 복합재는 탄소섬유가 폴리프로필렌 기재에서 빠져나온 구멍 (hole)들이 선명하게 관찰되는데, 비해 본 발명에 따른 복합재는 탄소섬유 주위가 상용화제로 감싸져 있는 상태를 보이면서 폴리프로필렌 수지 기재 내에 잘 함침(Impregnation)되어 있는 구조는 가진다. 그러므로 본 발명에 의하면 기존의 복합재 구성에 비해 탄소섬유-폴리프로필렌 기재간의 계면인력을 극대화시킬 수 있으며 최적의 기계적물성을 발현시킬 수 있게 되는 것이다. 특히, 본 발명에 따른 복합재의 경우 기존에 비해 인장강도의 경우 2배 이상 향상될 수 있고, 굴곡강도나 탄성율도 현저하게 개선시킬 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 폴리프로필렌 수지 조성물의 경우 상기와 같이 우수한 물성의 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수제 복합재로 제조할 수 있으므로, 자동차부품 적용에 필요한 고유동성과 기계적 물성이 우수한 수지 조성물로 적용 가능하다. 또한, 본 발명에서는 특정한 폴리프로필렌을 사용하고 상용화제의 분자구조를 조절한 변성 폴리프로필렌을 추가로 사용함으로써 성형성이 우수하고 강도 및 탄성율이 동시에 우수한 특성을 발현한다.
이와 같이, 본 발명의 수지 조성물은 기존에 비해 우수한 특성으로 각종 산업분야에 적용하는 경우 바람직한 물성을 나타내게 되는 것이다.
일반적으로 폴리프로필렌 수지 조성물을 이용하여 성형시킬 경우 수지의 유동성을 높이기 위해서는 압출공정 중 과산화물 (Peroxide) 첨가를 통한 분자 사슬 절단법을 적용하는 경우가 있으나, 이는 원료 수지의 물성을 전반적으로 감소시키는 단점이 있다. 그러나 본 발명에서는 이러한 방법을 배제하고, 단량체의 중합 반응 단계에서 분자량 분포를 증가시켜 유동성이 높으면서도 물성이 우수한 특정의 폴리프로필렌을 사용함으로써 저분자량의 폴리프로필렌 성분이 탄소섬유 번들 내부로 침투가 용이하게 되고 아울러 부품 성형을 할 때도 마찬가지로 우수한 성형성을 나타내게 된다.
또한, 탄소섬유는 일반적으로 극성을 갖는 에폭시 수지나 우레탄 수지 등으로 사이징 (Sizing) 처리되어 있는데, 이를 비극성의 폴리프로필렌과 용융 압출시키면 계면접착력이 충분히 발현되지 않고 이는 인장 또는 굴곡강도가 충분히 증가되지 못하는 원인으로 작용하게 된다. 본 발명에서는 극성을 가지는 탄소섬유 보강제와 무극성의 폴리프로필렌 사이에 일정 함량의 극성기를 가지는 폴리프로필렌계열의 상용화제를 사용하여 친화성을 현저히 향상시킴으로써 상대적으로 적은 탄소섬유 함량에서 강도 향상이 가능하므로 고가의 탄소섬유를 소량 사용할 수 있으므로 재료비 절감 효과를 얻을 수 있게 된 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 특정한 물성을 가지는 고유동, 고결정성 폴리프로필렌 수지에 무수 말레산이 일정량 그라프트된 변성 폴리프로필렌을 상용화제로 소량 사용함으로써, 함침성이 개선된 폴리프로필렌 수지 기재에 탄소섬유가 매우 바람직한 형태로 함침된 특성을 나타낸다. 즉, 본 발명에서 사용한 폴리프로필렌 수지는 강도가 우수하고 유동성이 좋게 되어서, 탄소섬유를 함침시킬 때 탄소섬유의 번들(Bundle) 사이로 폴리프로필렌 수지의 침투가 용이해서 분산성 향상에 따른 추가적인 물성 향상효과를 기대할 수 있다. 아울러서 본 발명에 따른 폴리프로필렌 수지 조성물로 복합화된 복합재를 사출 또는 압축 성형공정으로 각종 산업용 부품을 성형할 때 작업성이 좋아지고 싸이클 타임 감소 및 표면 외관 품질이 크게 향상된 효과를 기대할 수 있는 것이다.
이러한 본 발명에 따른 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물은 복합재 제조되어 산업용 성형물에 적용되는데, 특히 바람직하게는 자동차용 부품으로 성형하여 사용할 수 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 탄소섬유 보장 폴리프로필렌 수지 조성물로 성형하여 제조된 성형품을 포함한다.
이러한 성형품으로서는 자동차용 부품이 바람직하게 제조될 수 있다. 여기서 자동차용 부품으로서는 범퍼 빔, 프론트 엔드 모듈 캐리어, 도어 임팩트 빔, 시트 백 등과 같은 내외장재, 샤시, 차체 부품 등으로 제조하여 사용할 수 있다.
이하 본 발명은 실시예를 들어 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
수지성분이 이축압출기를 통해 공급된 후 함침다이(Die)에서 탄소섬유와 같은 보강섬유가 공급되어 수지에 함침이 이루어지고 함침된 후에는 인취공정을 거쳐 복합재를 제조하는 도 1과 같은 공정설비를 이용하여 수지 조성물을 제조하였다. 이때 함침 다이 내의 함침용 핀은 7개를 사용하였다.
수지 조성물 제조에 사용된 성분은 하기 표 1과 같이 용융지수가 15이고 분자량 분포가 4이며, 아이소택틱 인덱스가 96.4 인 PP-2(폴리프로필렌 수지) 67중량%와 그라프트비가 1%인 상용화제-1(롯데케미칼 CM1120H, 변성 폴리프로필렌) 3중량%를 혼합하여 이축압출기로 240℃에서 300 rpm 으로 용융 혼련하였으며, 함침다이 온도 270 ℃에서 탄소섬유(CF-1, Grade 명 T700SC-24000-50C) 30중량%를 함침시켜 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물을 얻었다.
실시예 2 ~ 4
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 그라프트비가 각각 5%, 9% 및 11%인 상용화제-2 (롯데케미칼(주), PH200), 상용화제-3 (Mitsui Chemical Hi-Wax 0555A) 및 상용화제-4 (롯데케미칼(주), GenPoly GMP7550N)를 각 3중량% 혼합하여 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물을 얻었다.
실시예 5 ~ 6
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, PP-2 를 65중량% 사용하고, 상용화제-1 및 2를 각각 5 중량% 혼합하여 탄소섬유 보강 프로필렌 수지 조성물을 얻었다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 용융지수가 60이고 분자량분포가 7이며, 아이소택틱 인덱스가 98.8 인 PP-1을 70중량% 사용하고, 상용화제 사용없이 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물을 얻었다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되 PP-2를 70 중량% 사용하고 상용화제 사용없이 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물을 얻었다.
비교에 3 ~ 4
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되 PP-2 를 70중량% 사용하고, 상용화제 사용없이, 탄소섬유로서는 도레이社의 탄소섬유(CF-2, Grade 명 T700SC-24000-60E) 및 도레이社의 탄소섬유(CF-3, Grade 명 T700SC-24000-F0E)를 각각 30중량% 사용하여 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물을 얻었다.
Figure 112013115533354-pat00001
실험예 1
상시 실시예 1-6과 비교예 1-4에 대하여 각각 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율 및 Spiral flow를 측정하고, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
Figure 112013115533354-pat00002
상기 표 2에서 실험방법은 다음과 같다.
*1) 인장물성 : ASTM D638
*2) 굴곡강도 및 굴곡탄성율 : ASTM D790
*3) Spiral flow : ASTM D 3123(사출압 100kg/cm2, 사출온도 250oC, Spiral mold width 3mm)
상기 실험 결과, 본 발명에 해당하는 실시예의 경우 비교예에 비해 인장강도 및 굴곡강도에서 대략 2배 이상 향상된 결과를 나타낸다는 사실을 확인할 수 있었다.
실험예 2
상기 실시예 2와 비교예 2에서 제조된 폴리프로필렌 수지 조성물에 대하여 구조적 특징을 확인하기 위해, 강도가 가장 우수한 실시예 2와 성분구성만 다르고 조건 설정이 동일한 비교예 2에 대하여 인장시편의 파단면을 주사전자현미경으로 촬영하여 그 결과인 비교 사진을 도 3에 나타내었다.
도 3의 사진을 비교한 결과, 실시예 2의 경우(a)에서는 탄소섬유 주위가 상용화제로 감싸져 있으며 폴리프로필렌 수지 기재 내에 탄소섬유가 잘 함침되어 있는 구조를 보여주는데 반하여, 비교예 2의 경우(b)에서는 탄소섬유가 폴리프로필렌 수지 기재에서 빠져나온 구멍들이 선명하게 관찰됨을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물은 강성이나 각종 기계적 강도가 우수함은 물론 고유동성을 가지며 인장강도와 굴곡강도 등의 물성이 크게 개선되어 성형성은 물론 탄성율 등이 우수하기 때문에 각종 엔지니어링 플라스틱으로 유용하다.
특히, 강성이나 내충격성, 내구성, 내유연성 등이 요구되는 자동차 부품이나 전기 전자제품의 부품 등에 성형물로 적용하기에 바람직한 소재로 사용 가능하다.

Claims (8)

  1. 프로필렌의 단독 중합체 또는 프로필렌 에틸렌 공중합체로서 용융지수(MI)가 20~100 g/10분(230oC) 이고, 분자량 분포(MWD)가 5~10이며, 아이소택틱 인덱스(Isotactic Index)가 97~100인 폴리프로필렌 수지 50~80중량%;
    상용화제로서 무수 말레산(Maleic Anhydride)의 그라프트비(graft ratio)가 1.0~15중량%인 변성 폴리프로필렌 1~10중량%; 그리고
    장섬유의 탄소섬유 15~40중량%
    를 포함하는 폴리프로필렌 수지 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서, 폴리프로필렌 수지 60~70중량%, 변성 폴리프로필렌 2~7중량%, 탄소섬유 25~35중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 폴리프로필렌 수지 조성물.
  3. 프로필렌의 단독 중합체 또는 프로필렌 에틸렌 공중합체로서 용융지수(MI)가 20~100 g/10분(230oC) 이고, 분자량 분포(MWD)가 5~10이며, 아이소택틱 인덱스(Isotactic Index)가 97~100인 폴리프로필렌 수지 50~80중량%와 상용화제로서 무수 말레산(Maleic Anhydride)의 그라프트비(graft ratio)가 1.0~15중량%인 변성 폴리프로필렌 1~10중량%의 용융 혼합물에 장섬유의 탄소섬유 15~40중량%가 함침되어 이루어진 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재.
  4. 프로필렌의 단독 중합체 또는 프로필렌 에틸렌 공중합체로서 용융지수(MI)가 20~100 g/10분(230oC) 이고, 분자량 분포(MWD)가 5~10이며, 아이소택틱 인덱스(Isotactic Index)가 97~100인 폴리프로필렌 수지 50~80중량%에 상용화제로서 무수 말레산(Maleic Anhydride) 그라프트비(graft ratio)가 1.0~15중량%인 변성 폴리프로필렌 1~10중량%를 가하는 단계;
    이를 이축압출기로 220~260℃에서 250~400rpm으로 혼련하여 용융시키는 단계; 및
    얻어진 용융 혼합물에 함침다이 온도 250~320℃에서 장섬유의 탄소섬유 15~40중량%를 함침시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 복합재의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 함침다이는 7~8개의 함침용 핀을 사용하는 것임을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 상기 청구항 1 또는 2에 따른 탄소섬유 보강 폴리프로필렌 수지 조성물로 성형하여 제조된 성형품.
  7. 청구항 6에 있어서, 자동차용 부품인 것을 특징으로 하는 성형품.
  8. 청구항 7에 있어서, 자동차용 범퍼인 것을 특징으로 하는 성형품.
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