KR101607894B1 - 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물 및 이의 제조 방법 - Google Patents

고분자량 폴리에틸렌 수지조성물 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 및 층상 무기입자로 구성되는 혼합물을 혼련하여 수득된 수지조성물로, 상기 혼련에 의해 상기 층상 무기입자가 판상의 무기입자 박편으로 박리되어 분산된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물에 관한 것이다. 또한, a) 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 및 평균 직경이 1 ~ 50 ㎛인 층상 무기입자로 구성되는 혼합물을 준비하는 단계; b) 상기 혼합물을 혼련하여 상기 층상 무기입자를 판상의 무기입자 박편으로 박리하는 단계; 및 c) 혼련된 혼합물을 펠렛화 하는 단계;를 포함하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고분자량 폴리에틸렌 수지조성물 및 이의 제조 방법{high molecular weight polyethylene resin composition, and method for manufacture thereof}
본 발명은 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 널리 사용되는 폴리에틸렌(HDPE, LDPE, LLDPE 등)은 주로 중량평균분자량이 5만 ~ 17만 g/mol 정도인 플라스틱으로, 대부분의 플라스틱과 유사하게 컴파운딩 공정을 통해 착색 및 필러(유리 필러, 탄소 필러, CNT, 기타 무기물 등)를 이용한 기능성 부여가 가능하다. 이렇게 컴파운딩 생산되어 펠렛(pellet) 형태로 만들어진 플라스틱은 사출 또는 압출 성형의 방법으로 제품화 되어 생활용품, 자동차 부품, 전기전자 부품으로 사용된다.
이러한 폴리에틸렌의 중량평균분자량을 100만 g/mol 이상으로 높이게 되면 기존 폴리에틸렌과 매우 차별화된 물성이 나타나게 되는데 특히 내마모성, 내충격성이 현저히 향상된다. 이러한 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE, Ultra High Molecular Weight Polyethylene)은 월등한 내마모성 및 내충격성으로 인해 범용 플라스틱이 아닌 엔지니어링플라스틱으로 분류되기도 한다.
그러나 초고분자량 폴리에틸렌은 이러한 장점에도 불구하고 높은 분자량으로 인해 사용상에 한계가 있는데 이는 용융 시 점도가 높아 유동성이 없다는 점이다. 따라서 초고분자량 폴리에틸렌은 기존의 사출 및 압출 등을 통한 성형이 불가능하고, 오로지 파우더(powder) 상태로 압축하여 소결하는 방식으로만 성형이 가능하게 된다. 이는 복잡한 형상을 사출을 통해 쉽게 만들 수 있다는 플라스틱만의 주요한 특성을 가지지 못하게 되는 치명적인 약점이 되고 있다.
상기 언급한 초고분자량 폴리에틸렌의 단점을 극복하기 위해 초고분자량 폴리에틸렌보다 분자량을 낮춘 고분자량 폴리에틸렌(HMWPE, High Molecular Weight Polyethylene)이 개발되어 있다. 고분자량 폴리에틸렌은 30만 ~ 100만 g/mol 정도의 중량평균분자량을 가진 소재로서, 높은 전단 영역에서는 전단 유동화(shear thinning) 효과로 인해 일정 수준의 유동성을 가진다. 따라서 높은 전단력이 가해지는 사출기에서는 용융 유동이 이루어져 사출 성형이 다소 어려우나 가능하게 되었다. 그러나 사출보다 낮은 전단력이 가해지는 컴파운딩(compounding) 공정은 불가능하며, 이에 따라 착색이나 기능성 필러 충전이 불가능하다.
또한 고분자량 폴리에틸렌은 초고분자량 폴리에틸렌보다 낮은 분자량으로 인해 내마모성도 초고분자량 폴리에틸렌보다 저하되는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서 시험해 본 결과 고분자량 폴리에틸렌의 마모량은 초고분자량 폴리에틸렌의 약 2.5배 수준인 것으로 확인되었다.
이에 대한 유사 선행문헌으로는 일본 등록특허 4183804호가 제시되었다. 이 경우, 섬유상 및 판상 충전제와 함께 추가적으로 폴리올레핀에 유기산기를 결합시킨 폴리올레핀 수지조성물을 제공하고 있으나 충전제의 균일한 분산이 어렵고 내마모성이 초고분자량 폴리에틸렌에 비해 다소 낮은 문제점이 있다.
일본 등록특허공보 제4183804호(2008.09.12)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌의 유동성을 증가시킴으로써 원할한 컴파운딩이 가능하며, 내마모성이 향상된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 및 층상 무기입자로 구성되는 혼합물을 혼련하여 수득된 수지조성물로, 상기 혼련에 의해 상기 층상 무기입자가 판상의 무기입자 박편으로 박리되어 분산된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 양태는 a) 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 및 평균 직경이 1 ~ 50 ㎛인 층상 무기입자로 구성되는 혼합물을 준비하는 단계; b) 상기 혼합물을 혼련하여 상기 층상 무기입자를 판상의 무기입자 박편으로 박리하는 단계; 및 c) 혼련된 혼합물을 펠렛화 하는 단계;를 포함하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물은 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌에 층상 무기입자를 첨가하여 혼련한 것만으로 유동성을 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 컴파운딩을 원활하게 할 수 있다.
이에 더하여 본 발명에 따른 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물은 향상된 내마모성 및 기계적 물성을 가진다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 SEM 사진이며,
도 2는 본 발명의 실시예 4에서 제조된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 SEM 사진이며,
도 3은 비교예 2에서 제조된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 SEM 사진이며,
도 4는 비교예 3에서 제조된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 SEM 사진이다.
먼저, 본 발명의 특징은 기존에 불가능하였던 고분자량 폴리에틸렌에 층상 무기입자를 첨가하여 혼련한 것만으로 컴파운딩을 가능하게 하는데 있다. 이는 적층 구조를 가진 층상 무기입자를 특정 분자량의 고분자량 폴리에틸렌에 첨가하여 혼련함에 따라, 적층 무기입자가 판상의 무기입자 박편으로 박리되어 수지조성물 내에 분산되어 윤활 역할을 함으로써 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 유동성이 증가하였기 때문이다.
이러한 유동성의 증가로 인하여 착색 및 다양한 필러 첨가를 통한 소재 개질 컴파운딩을 가능하게 할 수 있다. 또한, 사출이 용이해지고, 내마모성 및 인장강도, 굴곡강도 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 예에 따른 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물은 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 및 층상 무기입자로 구성되는 혼합물을 혼련하여 수득된 수지조성물로, 상기 혼련에 의해 상기 층상 무기입자가 판상의 무기입자 박편으로 박리되어 분산된 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 고분자량 폴리에틸렌은 일반적으로 사용되는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등과 같은 폴리에틸렌보다는 분자량이 높고, 초고분자량 폴리에틸렌보다는 분자량이 낮은 플라스틱으로, 상기 일반적인 폴리에틸렌과 초고분자량 폴리에틸렌의 중간적인 물성을 가진다. 즉, 초고분자량 폴리에틸렌에서는 나타나지 않는 유동성이 생기며, 이로 인해 사출 성형이 가능하다는 장점이 있으나, 그 유동성이 일반적인 폴리에틸렌에 비해 낮기 때문에 낮은 전단력이 가해지는 컴파운딩은 불가능하여 착색 또는 기능성 충전제의 첨가는 어렵다는 단점이 있다. 또한 분자량에 비례하는 내마모성 및 내충격성 등의 물성 또한 초고분자량 폴리에틸렌에 비해 다소 낮다는 단점이 있다.
이러한 이유로 본 발명에서는 고분자량 폴리에틸렌에 층상 무기입자를 첨가하여 혼련한 것만으로, 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 유동성을 증가시켜 컴파운딩을 가능하도록 하였으며, 동시에 초고분자량 폴리에틸렌에 비해 떨어지는 내마모성 등의 기계적 물성을 향상시켰다.
일 예에 따른 고분자량 폴리에틸렌은 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 이 분자량 범위에서 혼련 시 충분한 전단력이 제공되어 층상 무기입자가 얇은 박편으로 박리되도록(delamination)할 수 있다. 박리된 박편은 수지조성물 내에서 윤활 작용을 함으로써 유동성을 증가시킴에 있어 탁월한 효과를 보일 수 있다. 이와 달리, 분자량이 작은 저분자량 폴리에틸렌(중량평균분자량 200,000 g/mol 이하)은 이미 유동성이 충분히 있으므로 층상 무기입자의 첨가가 필요하지 않으며, 층상 무기입자의 첨가 시 오히려 흐름성이 저해될 수 있다. 분자량이 매우 큰 초고분자량 폴리에틸렌(중량평균분자량 1,000,000 g/mol 이상)은 유동성이 전혀 없으며 오직 압출 소결 방식으로만 생산이 가능한 것으로, 유동성이 전혀 없기 때문에 층상 무기입자를 첨가하여 분산시키는 것이 불가능하거나, 지나친 국부적 마찰로 인해 국부적 탄화가 발생하는 단점이 있다.
일 예에 따른 고분자량 폴리에틸렌은 전체 조성물 중 60 ~ 99 중량%로 사용하는 것이 좋고, 더욱 좋게는 70 ~ 90 중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위 내에서 층상 무기입자를 첨가하였을 때, 유동성이 증가되어 컴파운딩이 원활히 진행되고 기계적 물성이 떨어지지 않는다.
본 발명의 일 예에 따른 층상 무기입자는 적층 구조를 갖는 무기입자로, 고분자량 폴리에틸렌에 첨가되어 혼련에 의한 전단력에 의해 여러 층으로, 얇게 박리됨으로써, 박리된 판상의 무기입자 박편 자체가 윤활 작용을 하여 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 유동성을 향상시켜 컴파운딩이 가능하도록 해주는 것이다. 구체적으로 예를 들면, 층상 무기입자는 판상 형태일 수 있으나, 혼련에 의한 전단력에 의해 층층이 갈라질 수 있는 적층 구조를 가진 무기입자라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 반면, 적층 구조를 가지지 않는 무기입자를 사용할 경우 유동성의 증가가 미미하거나 오히려 유동성이 감소할 수 있다.
보다 구체적인 일 예로, 적층 구조를 가진 층상 무기입자는 활석(talc), 마이카(mica), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 버미큘라이트(vermiculite), 사포나이트(saponite), 벤토나이트(bentonite), 세피오라이트(sepiolite), 바이델라이트(beidellite) 및 카올리나이트(kaolinite)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.
일 예에 따른 층상 무기입자는 평균 직경 1 ~ 50 ㎛인 것을 사용하는 것이 좋으며, 전체 조성물 중 1 ~ 40 중량%로 사용하는 것이 좋고, 바람직하게는 10 ~ 30 중량%로 사용하는 것이 좋다. 상기 범위 내에서 고분자량 폴리에틸렌의 유동성이 증가되어 가공성이 우수하며 사출이 용이해지고, 내마모성, 인장강도 및 굴곡강도 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
일 예에 따른 층상 무기입자의 두께(A) 및 박리된 무기입자 박편의 두께(B)는 하기 관계식 1을 만족하는 것일 수 있다. 관계식 1을 만족하도록 무기입자가 박리됨으로써 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 유동성을 증가시킬 수 있다.
[관계식 1]
A/B ≥ 2.0
보다 좋게는 층상 무기입자의 두께(A) 및 박리된 무기입자 박편의 두께(B)는 하기 관계식 2를 만족하는 것일 수 있으며, 바람직하게는, 관계식 3을 만족하는 것일 수 있다.
[관계식 2]
A/B ≥ 5.0
[관계식 3]
A/B ≥ 10.0
이와 같이, 보다 얇게 박리됨으로써 수지조성물 내에서 효과적으로 윤활 작용을 할 수 있으며, 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 유동성을 보다 더 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물은 고분자량 폴리에틸렌의 유동성을 더욱 향상시키기 위하여 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol; PEG)을 더 포함할 수 있다.
상기 폴리에틸렌글리콜은 6,000 ~ 20,000 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 것으로, 고분자량 폴리에틸렌 및 층상 무기입자 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 3 중량부로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 범위 내에서 고분자량 폴리에틸렌의 물성을 떨어뜨리지 않으며, 유동성은 더욱 증가시키고 압출기 스크류에 걸리는 토크 및 다이 압력은 감소시킨다.
이와 같은 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법은 a) 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 및 평균 직경이 1 ~ 50 ㎛인 층상 무기입자로 구성되는 혼합물을 준비하는 단계; b) 상기 혼합물을 혼련하여 상기 층상 무기입자를 판상의 무기입자 박편으로 박리하는 단계; 및 c) 혼련된 혼합물을 펠렛화 하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
앞서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법은 기존에 불가능하였던 고분자량 폴리에틸렌에 층상 무기입자를 첨가하는 것만으로 컴파운딩을 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 고분자량 폴리에틸렌 파우더와 층상 무기입자는 보통 잘 혼합되지 않으므로 적절한 혼합 과정이 필요하다. 이 과정이 적절하지 못한 경우, 고분자량 폴리에틸렌 파우더 내에 층상 무기입자가 균일하게 분산되지 못하여 내마모성 및 기계적 물성의 편차가 발생할 수 있다.
그러므로 컴파운딩 전에 슈퍼믹서를 이용하여 골고루 섞일 수 있게 혼합하는 것이 가장 중요하다. 슈퍼믹서로 교반 시에 적정 교반 속도를 유지하여 혼합 중에 용융되지 않게 하는 것도 중요하다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물 및 이의 제조 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
하기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 물성을 다음과 같이 측정하였다.
마모 시험 방법
(절대마모량)
Ring-on-Ring Type(Thrust Washer) 마모 시험을 통하여 내마찰마모성을 측정하여 상대 재질(금속)에 대한 마모성을 측정하였다. 시험 조건은 하중 11.9 kgf, 회전속도 300 mm/s, 마모시간 180분으로 시험을 실시하였다.
물성 측정 방법
(인장강도)
- ISO 527-1, ISO 527-2 표준규격에 따라 인장강도를 측정하였으며, ISO 인장시편을 Crosshead speed 50 ㎜/min 으로 각 Sample 당 5회 평가하여 평균값을 계산하였다.
(굴곡강도)
- ISO 178-1, ISO 178-2 표준규격을 이용하여 굴곡강도를 측정하였으며, ISO 굴곡시편을 Crosshead speed 2 ㎜/min 으로 각 Sample 당 5회 평가하여 평균값을 계산하였다.
(샤르피 충격강도)
- ISO 179-1, ISO 179-2 표준규격을 이용하여 샤르피 충격강도를 측정하였으며, 상온(25℃)에서 노치(NOTCH)된 시편을 사용하여 각 Sample 당 5회 충격강도를 평가하여 평균값을 계산하였다.
(열변형온도; HDT)
- ISO 75-2 표준규격에 따라 열변형온도를 측정하였으며, 시험편 표면에 대해 수직으로 1.8 MPa의 응력을 사용하여 측정하였다.
(용융 지수 ; Melt Index)
- ISO 1133 표준규격을 이용하여 용융 지수를 측정하였으며, 190 ℃의 시험 온도에서 21.6 ㎏의 하중으로 측정하였다.
수지조성물 내 활석 입자의 직경 측정 방법
- 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 측정하였다.
[실시예 1]
전체 100 중량% 중, 중량평균분자량이 400,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 파우더 75 중량%와 평균 직경 5 ㎛인 활석 입자 25 중량%를 슈퍼믹서를 이용하여 10분 정도 혼합하였다.
혼합된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물을 소형 이축 컴파운딩 압출기(Twin Screw Compounding Extruder)를 사용하여 혼련한 후 펠렛을 제조하였다. 컴파운딩의 온도는 호퍼에서 다이 순으로 240~230 ℃의 조건으로 설정하였다.
고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 펠렛화 실시 후 80℃의 질소 오븐에서 4시간 이상 건조시켰다. 이후 사출기(형체력 100 톤)를 사용하여 온도조건은 호퍼부에서 노즐 순으로 210/205/200/195℃로, 사출압력은 1000 ㎏/㎠로 조절하되 보압 시간을 충분히 주면서 시편을 제조하였으며 Ring-on-Ring 시편, ISO 물성 시편을 제조하였다. 제조된 각 시편의 물성은 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
[실시예 2 내지 4]
중량평균분자량이 상이한 고분자량 폴리에틸렌을 사용한 것 외의 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 실시예 2는 중량평균분자량이 440,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 파우더를, 실시예 3은 중량평균분자량이 590,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 파우더를, 실시예 4는 중량평균분자량이 670,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 파우더를 사용하였다.
[실시예 5]
중량평균분자량 20,000 g/mol인 폴리에틸렌글리콜을 더 추가한 것 외의 모든 공정을 실시예 4와 동일하게 진행하였다. 이때, 폴리에틸렌글리콜은 고분자량 폴리에틸렌과 활석 입자 100 중량부에 대하여 2 중량부로 사용되었다.
[비교예 1]
활석 입자를 미사용한 것 외의 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[비교예 2]
중량평균분자량이 320,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 파우더를 사용한 것 외의 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[비교예 3]
윤활제(Lion chemtech 사, L-C 102N (LDPE 계 Wax)를 더 추가한 것 외의 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 이때, 윤활제는 고분자량 폴리에틸렌과 활석 입자 100 중량부에 대하여 0.5 중량부로 사용되었다.
HMWPE 중량평균분자량
(g/mol)		 토크
(%)		 다이 압력
(kgf/㎠)		 용융지수
(g/10min)
실시예 1 40만 32 37~39 15.3
실시예 2 44만 32~33 38~40 15.1
실시예 3 59만 33~35 41~42 13.8
실시예 4 67만 35~36 42~43 12.6
실시예 5 67만 34 41~42 13.2
비교예 1 40만 50~51 70 0.43
비교예 2 32만 41 51~52 10.1
비교예 3 40만 40 49~50 10.9
(Twin Screw Compounding Extruder 이용 , L 40/ D19
Main screw RPM : 250 , Feeder screw RPM : 130 )
상기 표 1은 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 압출기 스크류에 걸리는 토크(Torque) 및 다이 압력(Die pressure), 그리고 용융 지수(Melt Index)를 비교한 자료이다.
표 1에 나타난 바와 같이, 활석입자를 첨가한 실시예 1 내지 4의 경우, 활석입자를 첨가하지 않은 비교예 1에 비하여 토크 및 다이 압력이 낮아진 것을 알 수 있으며, 융융지수 또한 현저히 상승한 것을 확인할 수 있다. 이는 적층구조를 가진 활석 입자가 혼련 시 얇게 박리되어 수지조성물 내에 균일하게 분산되어 자체적으로 윤활작용을 함으로써 고분자량 폴리에틸렌의 유동성을 증가시켰기 때문일 수 있다.
반면, 비교예 1의 경우, 컴파운딩 중 압출기에 걸리는 과도한 토크 및 다이 압력으로 인하여 고분자량 폴리에틸렌 수지 조성물에 국부적인 탄화가 발생하였다. 이러한 국부적 탄화는 컴파운딩 연속 생산을 불가능하게 한다.
비교예 2의 경우, 활석입자를 첨가한 것이긴 하나 고분자량 폴리에틸렌의 중량평균분자량이 32만에 불과한 것으로, 실시예 1 내지 4에 비하여 토크 및 다이 압력이 높을 것을 확인할 수 있다. 이는 고분자량 폴리에틸렌의 중량평균분자량이 낮아 혼련 시 충분한 전단력이 가해지지 않음으로 인하여 활석 입자가 부분적으로 얇게 박리되지 않아 충분한 윤활 작용을 하지 못 하였기 때문일 수 있다.
비교예 3의 경우, 활석입자와 함께 윤활제를 첨가한 것으로, 이 또한 실시예 1 내지 4에 비하여 높은 토크 및 다이 압력을 나타냄을 알 수 있다. 이는 윤활제에 의하여 혼련 시 전단력이 낮아져 모든 활석 입자가 골고루 얇게 박리되지 않고, 부분적으로만 박리되었기 때문일 수 있다.
이를 확인하기 위하여 SEM 사진을 측정하였다. 도 1은 실시예 2에 따른 수지조성물의 SEM 사진이며, 도 2는 실시예 4에 따른 수지조성물의 SEM 사진으로 활석 입자가 직경 1 ㎛ 이하로 얇게 갈라졌음을 확인할 수 있다. 반면 도 3은 비교예 2에 따른 수지조성물의 SEM 사진으로 활석 입자가 제대로 갈라지지 못 하여 4 ㎛ 이상의 직경을 가짐을 확인할 수 있으며, 도 4는 비교예 3에 따른 수지조성물의 SEM 사진으로 활석 입자가 제대로 갈라지지 못 하여 3.4 ㎛ 이상의 직경을 가짐을 확인할 수 있다.
절대마모량
(㎣)		 상대마모량
(%)
실시예 1 0.00007 41
실시예 2 0.00007 41
실시예 3 0.00006 35
실시예 4 0.00005 29
실시예 5 0.00009 53
UHMWPE
(압출 후 가공시험편 이용, 사출성형 불가)		 0.00005 29
비교예 1 0.00017 100
비교예 2 0.00010 59
비교예 3 0.00011 65
상기 표 2는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 내마모성을 비교한 자료이다. 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5는 비교예 1 내지 3과 비교하여 내마모성이 매우 우수함을 알 수 있다. 또한 내마모성이 우수하다고 알려진 초고분자량 폴리에틸렌과 비교하여도 큰 차이가 나지 않는 것을 알 수 있다.
인장강도
(MPa)		 굴곡강도
(MPa)		 샤르피충격강도
(kJ/㎡)		 HDT
(℃)
실시예 1 32 33 52 69
실시예 2 32 33 54 70
실시예 3 33 34 53 70
실시예 4 34 34 54 70
실시예 5 29 30 39 67
비교예 1 17 15 81 42
비교예 2 29 30 48 65
비교예 3 22 24 34 62
상기 표 3은 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 물성을 비교한 자료이다. 표3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5는 비교예 1 내지 3과 비교했을 때, 인장강도 및 굴곡강도가 높으며, 열변형온도(HDT)가 높아 우수한 물성을 나타냄을 알 수 있다.
[비교예 4]
중량평균분자량이 860,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 파우더를 사용한 것 외의 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
비교예 4의 경우, 활석 입자를 첨가함으로써 토크 및 다이 압력은 비교예 1에 비해 다소 감소하였으나, 개선된 범위가 컴파운딩 연속 생산을 하기에는 충분하지 않았다. 또한, 비교예 1과 마찬가지로 부분적인 탄화 현상이 발생하여 양질의 펠렛을 수득하기가 어려웠으며, 압출기에 걸리는 과도한 힘으로 인해 압출기가 손상될 수 있어 좋지 않았으며, 사출을 통한 Ring-on-Ring 시편 및 ISO 물성 시편을 얻을 수 없었다.

Claims (14)

  1. 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 및 평균 직경 1 ~ 50㎛의 층상 무기입자로 구성되는 혼합물을 혼련하여 수득된 수지조성물로, 상기 혼련에 의해 상기 층상 무기입자가 판상의 무기입자 박편으로 박리되어 분산된 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물은 전체 수지조성물 중 고분자량 폴리에틸렌 60 ~ 99 중량% 및 층상 무기입자 1 ~ 40 중량%로 구성되는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 층상 무기입자는 활석, 마이카, 몬모릴로나이트, 헥토라이트, 버미큘라이트, 사포나이트, 벤토나이트, 세피오라이트, 바이델라이트 및 카올리나이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 층상 무기입자의 두께(A) 및 박리된 무기입자 박편의 두께(B)는 하기 관계식 1을 만족하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물.
    [관계식 1]
    A/B ≥ 2.0
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 층상 무기입자의 두께(A) 및 박리된 무기입자 박편의 두께(B)는 하기 관계식 2를 만족하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물.
    [관계식 2]
    A/B ≥ 5.0
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 층상 무기입자의 두께(A) 및 박리된 무기입자 박편의 두께(B)는 하기 관계식 3을 만족하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물.
    [관계식 3]
    A/B ≥ 10.0
  8. 제 1항 내지 3항, 및 제 5항 내지 7항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물은 고분자량 폴리에틸렌 및 층상 무기입자 100 중량부에 대하여 중량평균분자량 6,000 ~ 20,000 g/mol인 폴리에틸렌글리콜 0.1 ~ 3 중량부를 더 포함하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물.
  9. a) 중량평균분자량 400,000 ~ 700,000 g/mol인 고분자량 폴리에틸렌 및 평균 직경이 1 ~ 50 ㎛인 층상 무기입자로 구성되는 혼합물을 준비하는 단계;
    b) 상기 혼합물을 혼련하여 상기 층상 무기입자를 판상의 무기입자 박편으로 박리하는 단계; 및
    c) 혼련된 혼합물을 펠렛화 하는 단계;
    를 포함하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물은 전체 수지조성물 중 고분자량 폴리에틸렌 60 ~ 99 중량% 및 층상 무기입자 1 ~ 40 중량%로 구성되는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 층상 무기입자는 1 ~ 50 ㎛의 평균 직경을 가지는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 층상 무기입자의 두께(A) 및 박리된 무기입자 박편의 두께(B)는 하기 관계식 1을 만족하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법.
    [관계식 1]
    A/B ≥ 2.0
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 층상 무기입자의 두께(A) 및 박리된 무기입자 박편의 두께(B)는 하기 관계식 2를 만족하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법.
    [관계식 2]
    A/B ≥ 5.0
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 층상 무기입자의 두께(A) 및 박리된 무기입자 박편의 두께(B)는 하기 관계식 3을 만족하는 고분자량 폴리에틸렌 수지조성물의 제조 방법.
    [관계식 3]
    A/B ≥ 10.0
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