KR101730220B1 - 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

클로로에틸렌계 나노복합체 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 클로로에틸렌계 수지; 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘; 및 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 나노 탄산칼슘의 수분산 효과를 개선하여 균일하게 분산된 수분산 현탁액을 제공할 수 있고, 이를 클로로에틸렌계 현탁중합에 사용하여 우수한 충격강도를 보이고, 가공성과 내열성이 우수한 클로로에틸렌 나노복합체를 제공하는 효과가 있다.

Description

클로로에틸렌계 나노복합체 조성물 및 그 제조방법{CHLOROETHYLENE NANOCOMPOSITE COMPOSITION AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 기재는 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 클로로에틸렌계 수지; 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘; 및 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하고 충격강도, 가공성 및 내열성이 우수한 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
폴리클로로에틸렌계의 대표적인 클로로에틸렌계 수지는 가격이 저렴하면서도, 품질 밸런스가 우수하여 광범위하게 이용되고 있다.
클로로에틸렌계 수지는 크게 페이스트 수지와 스트레이트 수지로 나누어지며, 페이스트 수지는 단량체, 물, 계면활성제 등을 균질화 장치로 균질화한 후, 중합장치로 옮겨 중합시키는 유화중합방법으로 제조되며, 벽지, 장판 등의 용도로 사용된다. 스트레이트 수지는 현탁중합 방법에 의해 제조되며, 용도에 따라 연질과 경질제품으로 구분된다. 통상의 연질제품은 다량의 가소제를 사용하여 전선 피복, 랩 필름, 시트 등의 분야에서 사용되며, 경질 제품은 충격보강제, 열안정제, 가공조제, 안료 및 무기필러 등 각종 첨가제를 혼합하여 파이프, 필름, 창틀 등의 광범위한 분야에서 사용되고 있다.
클로로에틸렌계 수지는 내열성, 내충격성 및 기계적 강도가 약한 단점이 있어 이를 보완하기 위해 열안정제, 충격보강제 또는 무기 물질 등을 첨가하고 있으며, 최근에는 다양한 무기 물질을 이용한 나노 스케일의 복합체를 제조하는 기술이 개발되고 있다.
상기 나노 스케일의 복합체(nanocomposites, 이하 나노복합체라 함)는 2종류 이상의 구조 또는 물질로 구성되고 상(phase) 크기가 나노 규모(10-9m)에 해당하는 것을 지칭한다. 특히 고분자 재료에 1nm 내지 500nm 크기의 나노 탄산칼슘을 박리 및 분산시켜 내열성 및 내충격성 등의 기계적 강도를 크게 향상시킨 고분자 나노복합체는 고분자 자체의 유연성 및 가공성 등과 함께 나노 탄산칼슘 자체의 기계적 강도 및 내열성 등의 조합이 가능하여 다양한 응용 분야에서 큰 관심을 받고 있다.
하지만, 나노복합체는 고분자에 나노 무기물질이 균일하게 분산되어야 요구된 물성을 충족시킬 수 있으나, 클로로에틸렌계 수지의 경우 나노 무기물질이 균일하게 분산되지 않으므로 나노복합체 제조가 매우 어려워서, 대부분 일반 무기물질을 기계적으로 혼합한 클로로에틸렌계 무기복합체 제조에 국한되었다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 기재는 충격강도, 가공성 및 내열성이 우수한 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 기재의 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물은 클로로에틸렌계 수지에 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘; 및 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함한다.
또한 본 기재는 상기의 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 제조방법에 의하여 제조된 클로로에틸렌계 나노 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 기재의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 기재에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 기재는 클로로에틸렌계 수지; 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘; 및 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자;를 포함하는 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물을 제공한다.
또한, 본 기재는 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘과 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 및 물을 교반하여 수분산 현탁액을 제조하는 단계; 상기 수분산 현탁액에 보호 콜로이드 조제 및 클로로에틸렌계 단량체를 투입하고 교반하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액에 개시제를 투입하고 현탁 중합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 기재는 상기 제조방법에 의하여 제조되는 클로로에틸렌계 나노복합체를 제공한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 기재에 따르면 나노 탄산칼슘의 수분산 효과가 개선된 수분산 현탁액을 제공할 수 있고, 이를 클로로에틸렌계 현탁중합에 사용함으로써 충격강도, 가공성 및 내열성이 우수한 클로로에틸렌 나노복합체 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
이하 본 기재를 상세하게 설명한다.
본 기재의 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물은 클로로에틸렌계 수지; 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘; 및 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하고, 이 범위 내에서 나노 탄산칼슘의 수분산 효과가 개선되어 충격강도, 가공성 및 내열성이 우수한 효과가 있다.
본 기재의 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물에서 사용된 용어 커플링제는 달리 특정되지 않는 한, 상용성이 없는 두 물질 사이에 작용하여 분자다리를 형성하여 상용성을 부여하는 물질을 지칭한다.
상기 커플링제는 일례로 티타늄계[Titanate(Ti)], 지르코늄계[Zirconate(Zn)] 및 알루미늄계[Aluminate(Al)] 커플링제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.
또다른 일례로, 상기 커플링제는 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
Figure 112014035184381-pat00001
상기 RO는 가수분해기 또는 기질 반응성기로, 상기 R은 탄소수 14개 이하, 또는 1 내지 14개이고, 상기 Z는 티타늄, 지르코늄 또는 알루미늄이고, 상기 X는 포스페이토, 피로포스페이토, 술포닐 또는 카복실의 결합작용기이고, 상기 R'는 탄소수 14개 이상 또는 탄소수 14 내지 60인 알리파틱, 나프테닉 또는 방향족의 열가소성 작용기이고, 상기 Y는 아릴, 메타크릴, 메르캅토 또는 아미노의 열경화성 작용기이고, 상기 n은 1 내지 3인 정수이다.
상기 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘은 일례로 평균입경이 1 내지 300nm, 또는 10 내지 200nm인 것으로, 이 범위 내에서 충격강도, 가공성 및 내열성이 우수하다.
상기 커플링제는 일례로, 나노 탄산칼슘 100중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 10중량부, 0.5 내지 5중량부, 또는 1 내지 3중량부로 포함되고, 이 범위 내에서 경제적이면서 나노 탄산칼슘의 분산 효과, 인장강도 및 투명성이 우수한 효과가 있다.
상기 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘은 일례로 유기 설폰산 또는 유기 카르복실산으로 개질하여 클로로에틸렌계 단량체와의 상용성을 더 향상시킬 수 있다.
상기 나노 탄산칼슘은 일례로 평균입경 100nm 이상의 조대입자 대 평균입경 5nm 이하의 미세입자 중량비가 95:5 내지 99:1 범위 내일 수 있고, 이 범위 내에서 물성밸런스가 우수한 효과가 있다.
상기 불포화유기산계 수지는 일례로, 아크릴산 수지, 메타크릴산 수지, 이타콘산 수지, 푸마르산 수지, 말레인산 수지, 숙신산 수지, 올레산 수지 및 젤라틴으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.
상기 폴리카르복시산계 수지는 주쇄가 하기 화학식 2를 포함하는 단일 고분자 또는 공중합체이다.
[화학식 2]
Figure 112014035184381-pat00002
상기 R1, R2 및 R3는 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 5인 알킬기이고, 상기 M1은 수소, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 탄소수 1 내지 10인 알킬암모늄기, 또는 탄소수 1 내지 10인 알킬알콜암모늄기이고, 상기 m1은 0 내지 2인 정수이다.
또한, 상기 M1에서 알칼리 금속은 일례로, 나트륨 또는 칼륨이고, 알칼리 토금속은 일례로 마그네슘 또는 칼슘이며, 탄소수 1 내지 10의 알킬암모늄기는 일례로, 디메틸암모늄, 메틸에틸암모늄, 디에틸암모늄, 트리메틸암모늄, 트리에틸암모늄 또는 테트라메틸암모늄이고, 이 경우 수분산 효과를 향상시키고 물성 밸런스가 우수한 효과가 있다.
상기 탄소수 1 내지 10의 알킬알콜암모늄기는 일례로, 트리에탄올암모늄 또는 디이소프로판올암모늄이고, 이 경우 수분산 효과를 향상시키고 물성 밸런스가 우수한 효과가 있다.
상기 폴리카르복시산계 수지는 일례로, 카르복시산, 아크릴산, 메틸(메타)아크릴산, 에틸(메타)아크릴산, 트리메틸아크릴산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산, 크로톤산, 시트라콘산, 비닐초산, 4-펜텐산 및 이들의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여 중합된 중합체이다(단, 상기 불포화유기산계 수지와 동일하지 않다).
또한, 상기 폴리카르복시산계 수지는 일례로 중량평균 분자량이 10,000 내지 100,000g/mol, 또는 30,000 내지 70,000g/mol이며, 이 범위 내에서 나노 탄산칼슘의 분산 효과 및 클로로에틸렌계 단량체와의 상용성이 우수하다.
상기 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자는 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘 100중량부를 기준으로 일례로, 0.1 내지 15중량부, 0.5 내지 10중량부, 또는 1 내지 5 중량부로 포함되며, 이 범위 내에서 클로로에틸렌계 나노복합체에서 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지의 잔류량이 감소되고, 나노 탄산칼슘의 분산 효과가 우수하여 백색도 또는 투명도가 향상된다.
또한, 상기 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물을 사용하여 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 제조방법은 일례로 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘과 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 및 물을 교반하여 수분산 현탁액을 제조하는 단계; 상기 수분산 현탁액에 보호 콜로이드 조제 및 클로로에틸렌계 단량체를 투입하고 교반하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액에 개시제를 투입하고 현탁 중합하는 단계;를 포함한다.
상기 수분산 현탁액은 일례로 물 100중량부를 기준으로 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘을 1 내지 20중량부, 또는 4 내지 12중량부로 포함할 수 있으며, 이 범위 내에서 물성 밸런스가 우수하고, 현탁중합 과정 중에 나노 탄산칼슘 분산 효과가 향상되어 클로로에틸렌계 나노복합체의 물성을 향상시킨다.
상기 수분산 현탁액은 일례로 물 100중량부를 기준으로 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자를 0.01 내지 1.5중량부, 또는 0.1 내지 0.5중량부로 포함할 수 있으며, 이 범위 내에서 물성밸런스가 우수하고, 나노 탄산칼슘의 분산 효과가 우수하다.
상기 수분산 현탁액은 클로로에틸렌계 단량체의 현탁중합에 사용되어 스트레이트 클로로에틸렌계 나노복합체를 제조할 수 있다.
상기 수분산 현탁액을 제조하는 단계에서 교반은 일례로 0.1 내지 3시간, 또는 0.5 내지 1.5시간 실시한다.
상기 혼합용액은 일례로 클로로에틸렌계 단량체 100중량부를 기준으로, 수분산 현탁액 100 내지 200중량부, 보호 콜로이드 조제 0.001 내지 5중량부, 및 개시제 0.0001 내지 0.5중량부를 포함한다.
상기 보호 콜로이드 조제는 일례로 0.001 내지 5중량부 또는 0.01 내지 2중량부이며, 이 범위 내에서 보호 콜로이드성이 양호하고, 미세입자 또는 조립자 형성이 감소되어 입자 형성이 안정화되는 효과가 있습니다.
상기 보호 콜로이드 조제는, 일례로 수화도가 30 내지 98중량%이고 상온에서 4% 수용액의 점도가 5 내지 100cps인 비닐알콜계 수지, 메톡시기가 15 내지 40중량%이고 수산화프로필기가 3 내지 20중량%이며 상온에서 2% 수용액의 점도가 10 내지 20,00cps인 셀룰로오스 및 불포화 유기산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 보호 콜로이드 조제는 바람직하게는 수화도가 70 내지 98%인 비닐알콜계 수지, 수화도가 35 내지 60%인 비닐알콜계 수지, 또는 이들의 혼합일 수 있고, 보다 바람직하게는 수화도가 85 내지 98%인 비닐알콜계 수지, 수화도가 50 내지 60%인 비닐알콜계 수지, 또는 이들의 혼합일 수 있다.
상기 개시제는 일례로, 디아실퍼옥사이드류, 퍼옥시다카보네이트류, 퍼옥시 에스테르류, 아조 화합물, 설페이트류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 클로로에틸렌계 단량체는 클로로에틸렌계 단량체 뿐만 아니라, 클로로에틸렌계 단량체와 공중합 가능한 비닐계 단량체와의 혼합물일 수 있으며, 혼합물의 경우 클로로에틸렌계 단량체의 함량이 50중량% 이상인 것이 바람직하다.
상기 클로로에틸렌계 단량체와 공중합 가능한 비닐계 단량체로는 일례로 에틸렌 또는 프로필렌 등과 같은 올레핀 화합물, 초산 비닐 또는 프로피온산 비닐 등과 같은 비닐 에스테르류, 아크릴로니트릴 등과 같은 불포화 니트릴류, 비닐 메틸 에테르 또는 비닐 에틸 에테르 등과 같은 비닐 알킬 에테르류가 있으며, 이들로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 클로로에틸렌계 단량체와 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 현탁중합은 일례로 반응 종결제 투입에 의해 종결하고 슬러리를 통상의 건조단계로 수행할 수 있다. 상기 반응 종결은 반응기 압력이 6 내지 8Kg/cm2인 시점, 즉, 중합 전환율이 80 내지 90%, 또는 83 내지 88%에 수행할 수 있다.
상기 반응 종결제는 클로로에틸렌계 수지 제조에 일반적으로 사용되는 종류이면 가능한데, 일례로, 페놀 화합물, 아민 화합물, 니트릴 화합물 또는 유황 화합물일 수 있다.
상기 페놀 화합물로는 일례로 트리에틸렌 글리콜-비스-3-(3-t-부틸-4-하이드록시-5-메틸페닐)프로피오네이트, 하이드로퀴논, p-메톡시 페놀, t-부틸하이드록시아니솔, n-옥타데실-3-(4-히드록시-3,5-디-t-부틸페닐)프로피오네이트, 2,5-디-t-부틸 하이드로퀴논, 4,4-부틸리덴비스(3-메틸-6-t-부틸 페놀), t-부틸 카테콜, 4,4-티오비스(6-t-부틸-m-크레졸) 또는 토코페롤이 있고, 아민 화합물로는 일례로 N,N-디페닐-p-페닐렌디아민 또는 4,4-비스(디메틸벤질)디페닐 아민이 있고, 니트릴 화합물로는 일례로 2-페닐 니트론일 니트록시드, 3-이미다졸린 니트록사이드, 또는 4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸-피페리딘-1-옥실이 있고, 유황화합물로는 일례로 도데실 메르캅탄 또는 1,2-디페닐-2-티올이 있으며, 상기 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용한다.
추가로 중합 조절제, 연쇄 이동제, pH 조절제, 산화방지제, 가교제, 대전 방지제, 스케일 방지제 또는 계면활성제 등을 중합 개시 전, 중합 후 또는 중합 과정 중에 분할 투입하거나 연속 투입할 수 있다.
본 기재의 현탁중합에 의한 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 제조방법은, 일례로 불포화유기산 또는 폴리카르복시산계 고분자가 함유된 나노 탄산칼슘 현탁액을 만들고, 보호 콜로이드 조제 및 중합 개시제 존재 하에 반응 전공정에서 중합 온도를 목표로 하는 평균 중합도에 따른 중합 기준 온도로 유지시키면서 클로로에틸렌계 단량체를 현탁중합하여 클로로에틸렌계 나노복합체를 제조하는 것일 수 있다.
상기 중합 기준 온도란 목표하고자 하는 평균 중합도에 의해 결정되는 것으로 중합 기준 온도는 30 내지 80℃ 범위이다.
상기 중합 기준 온도는 설비 특성 또는 제조업체별로 다르기 때문에 목표로 하는 평균 중합도의 모든 경우에 대하여 조건을 일일이 선정하기는 어렵지만, 몇 가지 예를 들면, 평균 중합도 800을 목표로 할 경우 중합 기준 온도는 63 내지 65℃, 평균 중합도 900을 목표로 할 경우 60 내지 62℃, 1000을 목표로 할 경우 중합 기준 온도는 56 내지 58℃, 평균 중합도 1300을 목표로 할 경우 중합 기준 온도는 52 내지 54℃, 그리고 평균 중합도 1700을 목표로 할 경우 47 내지 49℃ 범위 내로 한다. 또한, 중합 기준 온도 30℃ 미만, 또는 80℃ 초과인 경우, 목표로 하는 평균 중합도를 700 미만, 또는 1700 초과도 가능하다.
또한, 상기 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 중합도는 중합 온도에 따라 다양할 수 있으며, 일례로, 680 내지 2500 또는 680 내지 1100 일 수 있다.
본 기재에 사용된 반응기로는 클로로에틸렌계 수지의 현탁중합에 일반적으로 사용되고 있는 교반장치를 사용하며, 일례로 교반기로는 교반 날개 타입이 패들(paddle)형, 피치 패들(pitched paddle)형, 블르머진(bloomers gin)형, 파우도라(pfaudler)형, 터빈(turbine)형, 프로펠러(propeller)형 등을 단독 또는 2종 이상의 교반 날개와 조합된 교반기를 사용할 수 있으며, 배플로는 판형, 원통형, D형, 루프형 또는 핑거형을 사용할 수 있다.
상기 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 슬러리는 통상의 반응 조건으로 유동층 건조기로 수분을 제거하여 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물을 제조한다.
본 기재에 의하면, 나노 탄산칼슘이 균일하게 분산된 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 상기의 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 제조방법에 의하여 제조된 클로로에틸렌계 나노 복합체를 제공한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
커플링제가 결합된 나노탄산칼슘의 제조
커플링제가 결합된 나노탄산칼슘은 시판되는 나노탄산칼슘을 물 또는 유기 용제에 분산시켜 슬러지화하여 교반하면서 시판되는 커플링제를 가한 다음, 여과 및 건조하는 방법으로 제조하였다.
실시예 1
환류 응축기를 가지는 내부 용적 1m3의 반응기에 탈이온수 390Kg을 투입하고, 폴리카르복시산계 수지로 폴리말레산비닐아세테이트 수지 1.5Kg, 티타늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 80nm인 나노 탄산칼슘 30Kg을 투입한 다음 1시간 동안 교반시켜 수분산 현탁액을 준비하였다.
상기 수분산 현탁액과 함께 수화도가 87.5%인 폴리비닐알콜 150g, 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스 150g을 반응기에 투입하고, 클로로에틸렌계 단량체 300Kg을 투입한 후 1시간 동안 교반시켜 혼합 용액을 제조한 다음, 디-2-에틸헥실퍼옥시디카보네이트 30g, t-부틸퍼옥시 네오데카노네이트 120g을 투입하고 현탁 중합반응을 개시하였다.
중합 반응 전 과정 동안 반응 온도를 목표로 하는 평균 중합도 1000을 달성하기 위해 57℃로 유지하면서 반응을 진행시키고, 중합반응기 압력이 6.0Kg/cm2에 도달한 시점에 반응 종결제로서 4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸-피페리딘-1-옥실 15g, 트리에틸렌글리콜-비스-3-(3-t-부틸-4-하이드록시-5-메틸페닐)프로피오네이트를 60g 첨가한 다음 미반응 단량체를 회수하고 수지 슬러리를 중합반응기에서 회수하였다.
얻어진 슬러리를 통상의 방법으로 유동층 건조기에서 건조하여 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물을 수득하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 티타늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 80nm인 나노 탄산칼슘 대신 지르코늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 120nm인 나노 탄산칼슘 20Kg, 불포화 유기산 수지로 폴리푸마르산 1.0Kg을 사용한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 조건 하에 중합을 수행하여 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물을 수득하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 티타늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 80nm인 나노 탄산칼슘 대신 알루미늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 20nm인 나노 탄산칼슘 40Kg, 불포화 유기산 수지로 폴리푸마르산 1.5Kg을 사용한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 조건 하에 중합을 수행하여 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물을 수득하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 티타늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 80nm인 나노 탄산칼슘 대신 티타늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 50nm인 나노 탄산칼슘 15Kg, 불포화 유기산 수지로 폴리푸마르산 1.0Kg을 사용한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 조건 하에 중합을 수행하여 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물을 수득하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 티타늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 80nm인 나노 탄산칼슘 대신 지르코늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 30nm인 나노 탄산칼슘 30Kg, 불포화 유기산 수지로 폴리푸마르산 1.0Kg을 사용한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 조건 하에 중합을 수행하여 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물을 수득하였다.
비교예 1
환류 응축기를 가지는 내부 용적 1m3의 반응기에 탈이온수 390Kg을 투입하고, 수화도가 78%인 폴리비닐알콜 150g, 수화도가 40%인 폴리비닐알콜 120g, 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스 30g을 반응기에 일괄 투입하고, 염화비닐 단량체 300Kg을 투입한 후 디-2-에틸헥실퍼옥시디카보네이트 30g, t-부틸퍼옥시네오데카노네이트 120g을 투입한 후 중합반응 온도를 평균 중합도 1000을 달성하기 위해 중합반응 전과정 동안 57℃로 유지하면서 반응을 진행하였다.
중합반응기 압력이 6.0Kg/cm2에 도달한 시점에 반응 종결제로서 4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸-피페리딘-1-옥실 15g, 트리에틸렌글리콜-비스-3-(3-t-부틸-4-하이드록시-5-메틸페닐)프로피오네이트를 60g 첨가한 다음 미반응 단량체를 회수하고 수지 슬러리를 중합반응기에서 회수하였다. 이렇게 하여 얻어진 슬러리를 통상의 방법으로 유동층 건조기에서 건조하여 클로로에틸렌계 수지를 수득하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에 있어서 티타늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 80nm인 가지는 나노 탄산칼슘 대신 커플링제가 결합되지 않은 평균입경이 30nm인 나노 탄산칼슘 30Kg, 불포화 유기산 수지로 폴리말레산비닐아세테이트 1.0Kg을 사용한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 클로로에틸렌계 수지를 수득하였다.
비교예 3
상기 실시예 1에 있어서 티타늄계 커플링제가 결합된 평균입경이 80nm인 나노 탄산칼슘 대신 커플링제가 결합되지 않은 평균입경이 70nm인 나노 탄산칼슘 20Kg, 불포화 유기산 수지로 폴리푸마르산 1.0Kg을 사용한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 클로로에틸렌계 수지를 수득하였다.
비교예 4
상기 실시예 1에 있어서 불포화 유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지를 사용하지 않은 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였으나, 중합 중 거대 스케일이 발생하여 중합에 실패하여 물성 측정이 불가하였다.
비교예 5
상기 실시예 1에 있어서 커플링제가 결합되지 않은 평균입경이 80nm인 나노 탄산칼슘 30Kg을 사용한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 클로로에틸렌계 수지를 수득하였다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 물성과 시편에 대한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
* 중합도 측정: ASTM D1 243-79에 의해 측정하였다.
* 겉보기 비중 측정: ASTM D1 895-89에 의해 측정하였다.
* 스케일(scale) 부착상태: 중합 반응기내의 스케일의 부착 상태를 육안으로 관찰하고 다음과 같은 기준으로 평가하였다.
○: 스케일의 부착이 보이지 않음
△: 스케일의 부착이 소량 보임
X : 스케일의 부착이 다량 보임
* 충격강도 측정: 클로로에틸렌계 수지 100중량부에 열안정제와 활제를 포함하는 복합안정제(WPS-60) 5중량부, 가공조력제(PA-828) 1.5중량부, 티타늄 옥사이드 2중량부를 첨가하고, 롤 밀을 이용하여 185℃에서 5분간 캘린더 한 후, 프레스로 압력 10K/G 및 온도 185℃하에서 2분간 압착하여 경질 시편을 제조하고, 얻어진 시편을 이용하여 ASTM D256에 의거하여 충격강도 측정용 시편을 제조하였다.
* Fusion Time 측정: 클로로에틸렌계 수지 100중량부에 열안정제와 활제를 포함하는 복합안정제(WPS-60) 5중량부, 가공조력제(PA-828) 1.5중량부, 티타늄 옥사이드 2중량부를 첨가하여 혼합물을 제조하고, Brabender Mixer를 이용하여 180℃에서 40rpm의 속도로 혼합물 55g을 투입하여 fusion 시간을 측정한다.
* 내열성 평가: 얻어진 수지 100중량부에, 주석계 안정제 1.5중량부, 가소제 45중량부를 배합하고, 롤을 이용하여 150℃로 5분간 혼련한 뒤 시트를 얻었다. 색차계를 이용하여 상기 시트의 L값과 b값을 측정한 후, 하기 식을 이용하여 White Index(WI)를 구한다.
WI = L(L-5.7 X b)/100-4
* 평균입경: TEM으로 측정하였다.
측정항목 중합도 부피비중 스케일 상태 충격강도 Fusion Time 내열성
단위 g/cc Kgf•cm/cm2 Sec WI
실시예1 1032 0.667 ○ 115 87 74.3
실시예2 1031 0.637 ○ 109 92 75.2
실시예3 1028 0.690 ○ 126 83 71.8
실시예4 1033 0.625 ○ 107 89 72.4
실시예5 1031 0.659 ○ 121 80 76.9
비교예1 1029 0.532 ○ 3.2 165 70.5
비교예2 1030 0.592 △ 96 103 69.7
비교예3 1027 0.586 △ 85 107 69.8
비교예4 중합실패
비교예5 1030 0.588 △ 94 104 69.5
상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 클로로에틸렌계 수지; 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘; 및 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 경우, 겉보기 비중이 높으며, 스케일의 부착이 보이지 않고 충격강도가 대폭 향상되었고, fusion time이 낮아져 가공이 용이하고, 내열성 또한 향상되었다. 비교예 1은 일반적인 클로로에틸렌계 수지의 제조방법으로 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘; 및 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지를 사용하지 않은 것으로 충격강도가 매우 낮았고 fusion time이 길어서 가공이 어려웠다.
또한, 커플링제가 결합되지 않은 나노 탄산칼슘; 및 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지를 사용한 비교예 2 및 3은 스케일 상태가 불량하였고, 충격강도 및 내열성이 저하되었다.

Claims (16)

  1. i) 클로로에틸렌계 수지;
    ii) 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘; 및
    iii) 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자;
    를 포함하되,
    상기 불포화유기산계 수지는 이타콘산 수지, 푸마르산 수지, 말레인산 수지 및 숙신산 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
    상기 폴리카르복시산계 수지는 말레산, 푸마르산, 이타콘산, 시트라콘산 및 이들의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여 중합된 중합체(단, 상기 불포화유기산계 수지와 동일하지 않다)이며,
    상기 커플링제는, 지르코늄계 및 알루미늄계 커플링제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
    상기 나노 탄산칼슘은 평균입경 100nm 이상의 조대입자 대 평균입경 5nm 이하의 미세입자 중량비가 95:5 내지 99:1 범위 내인 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘의 평균 입경이 1 내지 300nm인 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘은, 유기 설폰산 또는 유기 카르복실산으로 개질한 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 커플링제는, 하기 화학식 1을 포함하는 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물.

    [화학식 1]
    Figure 112016100775720-pat00003

    상기 RO는 가수분해기 또는 기질 반응성기로, 상기 R은 탄소수 14개 이하, 또는 1 내지 14개이고, 상기 Z는 지르코늄 또는 알루미늄이고, 상기 X는 포스페이토, 피로포스페이토, 술포닐 또는 카복실의 결합작용기이고, 상기 R'는 탄소수 14개 이상 또는 탄소수 14 내지 60인 알리파틱, 나프테닉 또는 방향족의 열가소성 작용기이고, 상기 Y는 아릴, 메타크릴, 메르캅토 또는 아미노의 열경화성 작용기이고, 상기 n은 1 내지 3인 정수이다.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 커플링제는, 나노 탄산칼슘 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 10중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리카르복시산계 수지는, 주쇄가 하기 화학식 2를 포함하는 단일 고분자 또는 공중합체인 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물.

    [화학식 2]
    Figure 112016100775720-pat00004

    상기 R1, R2 및 R3는 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 5인 알킬기이고, 상기 M1은 수소, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 탄소수 1 내지 10인 알킬암모늄기, 또는 탄소수 1 내지 10인 알킬알콜암모늄기이고, 상기 m1은 0 내지 2인 정수이다.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자는, 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘 100중량부를 기준으로 0.1 내지 15중량부인 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물.
  11. 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘과 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 및 물을 교반하여 수분산 현탁액을 제조하는 단계;
    상기 수분산 현탁액에 보호 콜로이드 조제 및 클로로에틸렌계 단량체를 투입하고 교반하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합 용액에 개시제를 투입하고 현탁 중합하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 불포화유기산계 수지는 이타콘산 수지, 푸마르산 수지, 말레인산 수지 및 숙신산 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
    상기 폴리카르복시산계 수지는 말레산, 푸마르산, 이타콘산, 시트라콘산 및 이들의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여 중합된 중합체(단, 상기 불포화유기산계 수지와 동일하지 않다)이며,
    상기 커플링제는, 지르코늄계 및 알루미늄계 커플링제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
    상기 나노 탄산칼슘은 평균입경 100nm 이상의 조대입자 대 평균입경 5nm 이하의 미세입자 중량비가 95:5 내지 99:1 범위 내인 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수분산 현탁액은, 물 100중량부에 대해 커플링제가 결합된 나노 탄산칼슘 1 내지 20중량부 및 불포화유기산계 수지 또는 폴리카르복시산계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 0.01 내지 1.5중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노복합체 조성물의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 혼합용액은, 클로로에틸렌계 단량체 100중량부 기준으로 수분산 현탁액 100 내지 200중량부, 보호 콜로이드 조제 0.001 내지 5중량부 및 개시제 0.0001 내지 0.5중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 보호 콜로이드 조제는, 수화도가 30 내지 98중량%이고 상온에서 4% 수용액의 점도가 5 내지 100cps인 비닐알콜계 수지, 메톡시기가 15 내지 40중량%이고 수산화프로필기가 3 내지 20중량%이며 상온에서 2% 수용액의 점도가 10 내지 20,00cps인 셀룰로오스 및 불포화 유기산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 개시제는, 디아실퍼옥사이드류, 퍼옥시디카보네이트류, 퍼옥시에스테르류, 아조 화합물 및 설페이트류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체 조성물의 제조방법.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 의한 제조방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 클로로에틸렌계 나노 복합체.
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