KR102021786B1

KR102021786B1 - 내마모성이 우수한 폴리케톤 조성물

Info

Publication number: KR102021786B1
Application number: KR1020180011558A
Authority: KR
Inventors: 이성옥; 윤성균; 김성환; 김중인
Original assignee: 효성화학 주식회사
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: KR20190092131A

Abstract

본 발명은 폴리케톤 및 탈크를 포함하는 조성물로서, 상기 탈크가 상기 조성물의 총 중량의 1 내지 5 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 폴리케톤 조성물로서, 이를 이용하여 제조된 플라스틱 구조물은 기계적 강성의 열화 없이 대금속 내마모성이 향상될 수 있다.

Description

내마모성이 우수한 폴리케톤 조성물{COMPOSITION OF POLYKETONE WITH HIGH TRIBOLOGICAL PROPERTIES}

본 발명은 폴리케톤(polyketone) 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 플라스틱 구조물의 대금속 내마모성을 향상시킬 수 있는 폴리케톤 조성물에 관한 것이다.

폴리케톤(polyketone, PK)은 폴리아미드, 폴리에스터 및 폴리카보네이트 등의 일반 엔지니어링 플라스틱 소재에 비해 원료 및 중합 공정비가 저렴한 소재이면서 내열성, 내화학성, 내충격성 및 내연료 투과성 등이 우수하다.

상기와 같은 특성을 지닌 폴리케톤은 일산화탄소(CO)와 에틸렌(ethylene) 및 프로필렌(propylene)과 같은 올레핀(olefin)을 촉매로 팔라듐(Pd)이나 니켈(Ni) 등과 같은 전이 금속 착체(complex)를 이용하여 중합시킴으로써 일산화탄소와 올레핀이 서로 번갈아 결합함으로써 얻어진다는 것은 이미 공지되어 있다(공업 재료, 12월호, 5페이지, 1997년).

상기 폴리케톤은 범용 고성능 플라스틱에 포함되며, 종래 엔지니어링 플라스틱과 대등한 수준의 강도를 가지고 고무와의 친화성이 좋다는 장점을 가진다. 이와 같은 폴리케톤의 특성으로 인하여 종래 파라핀계 아라미드 섬유가 독점적으로 사용되는 타이어 코드(tire cord)나 고무 자재용 등으로 폴리케톤이 사용될 수 있다.

그러나 폴리케톤은 자동차 타이밍 체인가이드, 베어링 및 도어체크 기어 등에 사용되기에는 종래 엔지니어링 플라스틱에 비해 상대적으로 마찰이 크며, 내마모성이 약하다는 단점이 있어서 사용에 제약이 있었다.

따라서, 폴리케톤의 단점인 내마모성을 향상시키기 위한 노력이 계속되고 있으며, 미국특허 제 4,870,133호에는 폴리케톤에 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluorethylene)을 블렌딩(blending)하여 폴리케톤의 용융강도(Melt strength)를 증가시켰다는 언급은 있지만, 폴리케톤의 내마모성을 증가시켰다는 언급은 없다.

또한, 미국특허 제 5,618,870호에는 폴리케톤에 실리콘 오일(silicon oil)을 블렌딩하여 폴리케톤의 내마모성을 증가시켰다는 언급이 있지만 다른 성분에 대한 언급은 없다. 그리고 첨가되는 실리콘 오일의 가격은 매우 고가여서 실제 산업용에 사용되기에는 한계가 있다.

또한, 한국공개특허공보 제 2012-0071814호에는 폴리케톤의 제조 공정을 조절하여 폴리케톤의 내마모성을 증가시켰다는 언급은 있지만 내마모성과 관련된 성분에 대한 언급은 없다.

그러므로, 내마모성이 부족한 폴리케톤의 내마모성을 더욱 향상시키기 위한 개술 개발이 필요하게 되었다.

본 발명은 기계적 강성의 열화 없이 대금속 내마모성이 향상시킬 수 있는 폴리케톤 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 내마모성이 우수한 폴리케톤 조성물은 폴리케톤 및 탈크를 포함하고, 상기 탈크는 상기 조성물의 총 중량의 1 내지 5중량%로 포함된다.

또한, 상기 탈크의 평균 입경은 2 내지 9㎛ 일 수 있다.

또한, 바람직하게 상기 탈크의 평균 입경은 2.2 내지 4 ㎛ 일 수 있다.

또한, 상기 폴리케톤은 상기 조성물의 총 중량의 95 중량% 내지 99 중량%로 포함될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 내마모성이 우수한 폴리케톤 조성물은 폴리케톤 및 탈크를 포함하고, 상기 탈크의 입경은 2.2 내지 4 um 이다.

또한, 상기 탈크는 상기 조성물의 총 중량의 1 내지 5중량%로 포함될 수 있다.

또한, 상기 폴리케톤 조성물은 자동차용 저소음 기어, 자동차 타이밍 체인가이드, 베어링, 도어체크 기어, 파워스티어링 웜기어 및 도어 레귤레이터 기어로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 플라스틱 구조물에 적용될 수 있다.

본 발명의 폴리케톤 조성물은 일정 입자 크기의 탈크를 소량으로 포함하여, 이를 이용하여 제조된 플라스틱 구조물의 기계적 강성을 유지하면서 대금속 내마모성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하 본 발명에 관하여 더욱 구체적으로 설명한다

본 발명의 일 측면에 따른 내마모성이 우수한 폴리케톤 조성물은 폴리케톤 및 탈크(Talc)를 포함할 수 있다. 탈크는 플라스틱 보강재로써 수지의 강성 및 치수 안정성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 본 발명의 탈크를 포함하는 폴리케톤 조성물을 이용하여 제조된 플라스틱 구조물(예컨대, 자동차용 저소음 기어)의 대금속 내마모성을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 탈크의 함량은, 조성물의 총 중량을 기준으로, 1 내지 5wt%일 수 있다. 상기 탈크의 함량이 1 중량% 미만일 경우, 플라스틱 구조물의 내마모성 향상 효과가 미미할 수 있으며, 5 중량% 초과일 경우, 플라스틱 구조물의 기계적 물성 및 열 안정성이 열화될 수 있고, 플라스틱 구조물의 표면에서 박리 현상이 일어날 수 있다.

바람직하게, 탈크의 평균 입경은 2 내지 9㎛일 수 있다. 상기 평균 입경이 2㎛ 미만인 경우, 탈크의 제조 과정이 복잡하여 제조 단가가 상승되는 단점이 있고, 평균 입경이 9㎛ 초과인 경우, 이를 이용하여 제조된 플라스틱 구조물의 대금속 내마모성이 유효하게 증가되지 않을 수 있다. 더욱 바람직하게, 탈크의 평균 입경은 2.2 내지 4㎛일 수 있다.

상기 폴리케톤은 일산화탄소, 에틸렌 및 프로필렌이 단량체로 중합된 삼중공중합체(terpolymer) 일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 폴리케톤 함량은, 조성물의 총 중량을 기준으로 95 내지 99 중량% 일 수 있다. 상기 폴리케톤의 함량이 95중량% 미만일 경우, 조성물의 기계적 물성, 열안정성 및 유동성 등이 감소될 수 있으며, 99중량% 초과일 경우, 첨가되는 탈크의 함량이 상대적으로 적어 폴리케톤 조성물을 이용하여 제조된 플라스틱 구조물의 내마모성 향상 효과가 미미할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 폴리케톤 및 탈크 1 내지 5 중량%를 포함하는 조성물로 제조된 폴리케톤 플라스틱 제품은 마모량(g)의 값이 0.006 이하일 수 있다. 마모량의 값은 낮을수록 좋으나, 마모량을 낮추기 위해서 첨가되는 보강 필러 등의 첨가제를 많이 넣어야 하고, 그러한 경우 폴리케톤 제품의 다른 물성을 저해할 수 있으므로 기계적 물성을 강화하기 위해서 탈크 등 무기 필러를 과도하게 넣는 것은 바람직하지 못하다.

본 발명에서 기대하는 적정한 마모량은 대략 0.001 내지 0.006 g의 범위이다. 실시예를 통하여 확인된 바와 같이 마모량이 0.006g 이하로 유지되어어야 내마모 특성이 우수한 폴리케톤 플라스틱 제품으로서 활용이 가능하다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 폴리케톤 및 탈크 1 내지 5 중량%를 포함하는 조성물로 제조된 폴리케톤 플라스틱 제품은 마모량 × 마찰계수 × 100의 값이 0.1 내지 0.5 이하일 수 있다. 이러한 특성은 폴리케톤 수지 조성물에 기계적 물성을 강화하기 위한 탈크 등의 무기 필러를 적정량 첨가한 결과이다. 또한, 상기 범위의 특성을 나타내기 위해서는 무기 필러의 양 뿐만 아니라, 위에서 살펴 본 바 대로 무기 필러로 사용되는 탈크의 입자 사이즈의 선택도 중요하다.

마모량 × 마찰계수 × 100의 값이 0.5를 초과하게 되면 기계적 물성 및 내마모성이 약하게 되어 강한 기계적 물성을 요구하거나 내마모성을 요구하는 제품에는 사용하기가 어렵다. 따라서, 상기 값이 0.5를 넘지 않도록 적정한 범위에서 무기 필러인 탈크의 첨가 양과 탈크의 입자 사이즈를 조절하는 것이 중요하다. 마모량과 마찰계수는 일정 정도 비례 관계에 있으므로 일반적으로 마찰계수가 크면 마모량이 높게 된다. 따라서, 마모량 × 마찰계수 × 100의 값이 작으면 작을수록 좋기는 하지만, 폴리케톤 수지의 고유 특성 상 일정 수준 이하(0.1 미만)의 값을 가지기는 힘들다. 본 발명에서는 상기 수식의 값이 0.1 내지 0.5로 유지되는 경우 폴리케톤 복합 수지로 제조한 각종 소재가 내마모성 측면에서 우수한 물성을 가지는 것으로 확인되었다.

선택적으로, 본 발명의 폴리케톤 조성물은 가공성이나 물성을 개선하기 위하여 종래 알려져 있는 첨가제, 예를 들면 산화방지제, 안정제, 충전제, 내화재료, 이형제, 착색제 및 기타 재료를 추가적으로 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 내마모성이 우수한 폴리케톤 조성물은 공지의 기술을 참조하여 당업자가 적절히 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 내마모성이 우수한 폴리케톤 조성물은 자동차용 저소음 기어뿐만 아니라 종래 내마모성 폴리아미드계 소재가 적용되었던, 자동차 타이밍 체인가이드, 베어링, 도어체크 기어, 파워스티어링 웜기어 및 도어 레귤레이터 기어 중에서 선택된 적어도 하나의 플라스틱 구조물의 제조에 사용될 수 있다. 본 발명의 폴리케톤 조성물을 이용하여 제조된 플라스틱 구조물은 내마모성이 향상될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 및 비교예: 플라스틱 시편 제조

하기 표 1의 조성비를 갖는 폴리케톤 조성물을 이용하여, 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 2의 시편을 다음의 과정을 통해 제조하였다.

폴리케톤 및/또는 탈크를 포함하는 폴리케톤 조성물을 220~230℃ 조건에서 동방향 이축압출기(co-rotating twin-screw extruder)를 이용하여 용융 블렌딩(blending) 후 펠렛(pellet)을 만들었으며, 상기 만들어진 펠렛을 다시 사출온도 235~240℃ 및 금형온도 80℃ 조건에서 사출 성형하여 시편을 제조하였다. 폴리케톤은 (주)효성社의 M330A 제품을 사용하였고, 탈크는 MONDO MINERALS社의 M05SL와 (주)코츠社의 KC-3000C, KCM-6300C 및 KCNAP-400 제품을 사용하였다. 사용된 탈크의 입경도 같이 나타내었다.

시편	조성비(중량%)		탈크 입경(㎛)
시편	폴리케톤(PK)	탈크	탈크 입경(㎛)
실시예 1	M330A 99wt%	KC-3000C 1wt%	4.0±0.5
실시예 2	M330A 98wt%	KC-3000C 2wt%	“
실시예 3	M330A 95wt%	KC-3000C 5wt%	“
실시예 4	M330A 95wt%	M05SL 5wt%	2.2 ± 0.2
실시예 5	M330A 95wt%	KCM-6300C 5wt%	5.5 ± 1.0
비교예 1	M330A 100wt%	-	-
비교예 2	M330A 95wt%	KCNAP-400 5wt%	11.0 ± 2.0

실험예 1: Talc 함량에 따른 기계적 물성 측정

상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조한 플라스틱 시편들에 대해 ASTM D638, D790, D256에 따라 기계적 물성을 측정하고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.

플라스틱 시편	조성비(wt%)		측정 결과
플라스틱 시편	폴리케톤	탈크	굴곡강도	굴곡 모듈러스 (GPa)	인장 강도 (MPa)	파단신율 (%)	충격강도 (J/m)
실시예1	M330A 99wt%	KC-3000C 1wt%	62.5	1.69	61.9	107.2	77.8
실시예2	M330A 98wt%	KC-3000C 2wt%	62.2	1.73	61.4	66.6	77.2
실시예3	M330A 95wt%	KC-3000C 5wt%	64.6	1.89	59.2	52.2	80.4
실시예4	M330A 95wt%	M05SL 5wt%	63.8	1.77	59. 8	57.4	81.4
실시예5	M330A 95wt%	KCM-6300C 5wt%	65.7	1.88	61.6	38.3	71.6
비교예1	100	0	60.9	1.62	60.6	196.4	86.5
비교예2	M330A 95wt%	KCNAP-400 5wt%	66.6	1.94	60.4	28.4	69.7

상기 표 2를 참조하면, 비교예와 대비하여, 실시예 1 내지 5의 인장 강도는 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다. 즉, 소량의 탈크를 포함한 폴리케톤 조성물을 이용하여 플라스틱 시편들을 제조하더라도 이들의 기계적 강성이 크게 열화되지 않는 것을 알 수 있다. 다만, 실시예 3(탈크의 함량이 5wt%)의 경우, 실시예 1 및 2의 경우에 비해 작은 인장 강도 및 작은 파단신율 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 폴리케톤 조성물에 포함되는 탈크의 함량은 일정량 이하(예컨대, 5wt% 이하)인 것이 바람직한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 탈크의 평균입경이 9㎛를 초과하는 경우(비교예 2), 실시예들에 비해서 낮은 파단신율(%)을 가지는 것으로 확인되었다.

실험예 2: Talc 함량에 따른 마찰 계수 및 대금속 마모량 측정

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예의 플라스틱 시편들을 이용하여 탈크의 함량에 따른 금속에 대한 마찰 계수(coefficient of kinetic friction), 마모성(wear property) 및 표면 조도를 측정하고 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다. 마모성 및 마찰 계수는 JIS K7218에 의거하여 측정(테스트 조건: 100rpm, 80N의 조건에서 3.0km 마모)하고, 표면 조도는 Kosaka Lab의 SE3500를 이용하여 3D-Roughness parameter를 측정하였다.

시편	조성비(wt%)		측정 결과
시편	폴리케톤 M330A	탈크 KC-3000C	마찰계수	마모량 (g)	표면 조도 (Ra, nm)	마찰계수× 마모량×100
실시예1	99%	1%	0.89	0.0055	36.7	0.49
실시예2	98%	2%	0.79	0.0058	37.4	0.46
실시예3	95%	5%	0.46	0.0027	39.3	0.12
비교예1	100	0	0.93	0.0085	35.6	0.79

마찰계수는 운동 마찰의 정도를 나타낼 수 있는 값으로, 상기 마찰계수가 클수록 마찰력이 크다는 것을 뜻하고, 반대로 그 값이 작을수록 마찰력이 작다는 것을 뜻한다.

또한, 마모성(wear property)은 마모가 되는 정도를 나타낸 값으로, 상기 마모성이 클수록 마모가 쉽게 발생하기 때문에 내마모성이 작다는 것을 뜻하고, 반대로 그 값이 작을수록 마모가 쉽게 발생하기 못하기 때문에 내마모성이 크다는 것을 뜻한다. 즉 상기 표에서 마모량이 많을수록 내마모성이 작다는 것을 의미하고, 마모량이 적을수록 내마모성이 크다는 것을 의미할 수 있다.

상기 표 3을 참조하면, 비교예와 대비하여 실시예 1 내지 3의 경우, 플라스틱 시편의 마찰계수 및 마모량이 모두 감소한 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 3(탈크의 함량이 5 wt%)의 경우 마찰계수는 0.46으로 가장 작은 값을 나타내었고, 이에 따라 마모량 역시 0.0027g으로 최저값을 기록하였다. 한편, 탈크의 함량이 증가할수록 플라스틱 시편의 표면조도는 증가하는 것을 알 수 있다.

결론적으로, 일정 함량(예컨대, 탈크의 함량이 1wt% 내지 5wt%이상)의 탈크를 포함하는 폴리케톤 조성물로 플라스틱 시편을 제조할 때, 플라스틱 시편의 대금속 내마모성이 유효하게 증가(달리 얘기하면, 마모량 감소)하는 것을 유추할 수 있다.

실험예 3: Talc 입자 크기에 따른 대금속 마모량 및 표면 거칠기 측정

상기 실시예 3 내지 5 및 비교예의 플라스틱 시편들을 이용하여 탈크의 입경에 따른 금속에 대한 마찰 계수(coefficient of kinetic friction), 마모성(wear property) 및 표면 조도를 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.

상기 표 4를 참조하면, 탈크의 함량이 일정한 경우(예컨대, 5wt%), 탈크의 입경이 증가할수록 마모량 및 표면 조도 값이 커지는 것을 확인할 수 있다. 한편, 비교예 2의 경우(탈크의 입경이 11.0 ± 2㎛), 비교예와 대비하여 마모량의 감소는 매우 적고, 표면조도 값도 매우 큰 것을 알 수 있다.

이를 통해, 탈크를 소량으로 포함하는 경우 플라스틱 시편의 내마모성은 증가하지만, 탈크의 입경이 커질수록 표면조도가 증가하여 플라스틱 시편의 내마모성이 열화되는 것을 알 수 있다. 결론적으로, 일정 입경 범위(예컨대, 2 내지 9㎛, 바람직하게는 2.2 내지 4㎛)의 탈크를 포함하는 폴리케톤 조성물을 이용하여 플라스틱 시편을 제조할 때, 플라스틱 시편의 대금속 내마모성이 유효하게 증가(달리 얘기하면, 마모량 감소)하는 것을 유추할 수 있다.

상기 실험예 1 내지 3의 결과를 종합하면, 폴리케톤 조성물을 이용하여 제조된 플라스틱 구조물의 기계적 물성의 열화 없이 대금속 내마모성을 유효하게 증가시키기 위해서는, 폴리케톤 조성물에 포함된 탈크의 함량은 1 내지 5중량%인 것이 바람직하고, 탈크의 입경은 2 내지 9㎛ 인 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

위의 표 3, 4에서 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 5의 플라스틱 시편들은 마찰계수가 0.46 내지 0.72의 범위를 나타내고, 마모량은 0.0027 내지 0.0059의 범위를 나타내었다. 이에 반해 비교예 1, 2는 마찰계수가 0.77 내지 0.93, 마모량은 0.0084 내지 0.0085의 값을 나타내고 있어서 마찰계수와 마모량의 값이 실시예에 비해 상대적으로 높은 값을 나타내었다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

Claims

폴리케톤 95 내지 99중량%; 및 평균 입경이 2.2 내지 4㎛인 탈크 1 내지 5중량%를 포함하는 조성물로 제조되며,
마모량(g)의 값이 0.001 내지 0.006, 마모량 × 마찰계수 × 100의 값이 0.1 내지 0.5인 내마모성이 우수한 폴리케톤 플라스틱 제품.
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제1항에 있어서,
상기 폴리케톤 플라스틱 제품은 자동차용 저소음 기어, 자동차 타이밍 체인가이드, 베어링, 도어체크 기어, 파워스티어링 웜기어 및 도어 레귤레이터 기어로 이루어진 군에서 선택된 1종인 폴리케톤 플라스틱 제품.