KR102025136B1 - 이성분계를 활용한 나노클레이 분산 방법 - Google Patents

이성분계를 활용한 나노클레이 분산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리올레핀, 유기 층상구조 점토 및 중공상 유리 미소구의 혼합물을 준비하는 단계; 및 상기 혼합물을 용융 압출기에 넣고 전단응력을 가하며 용융 압출하며, 중공상 유리 미소구의 볼 밀링 거동에 의해 유기 층상구조 점토를 분산시키고 폴리올레핀 사슬 간에 유기 층상구조 점토를 삽입하는 단계(단계 2)를 포함하는, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법; 이에 따라 제조한 나노복합체; 및 이로부터 제조된 배리어 필름에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 중공상 유리 미소구를 사용함으로써 무게가 절감되고, 유기 점토의 분산도가 높고, 층상 유기 점토의 층간 거리가 증가하고, 인장응력, 인장강도, 연신률 등의 기계적 특성 및 열적 안정성이 향상되고, 가스차단성이 높은 나노복합체를 제조할 수 있다.

Description

이성분계를 활용한 나노클레이 분산 방법{Method for dispersing nanoclay using a binary system}
본 발명은 이성분계를 활용한 나노클레이 분산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이성분계를 활용한 나노클레이 분산 방법을 이용하는 가스차단성 폴리올레핀-유기 점토 나노복합체, 이의 제조방법, 및 이로부터 제조된 배리어 필름에 관한 것이다.
지난 10 년 동안 호모 폴리머에 비해 우수한 특성 향상을 갖는 고분자-층상 규산염(점토) 나노복합체의 개발이 활발하게 이루어졌다. 고분자-점토 나노복합체는 넓은 표면적의 점토와 고분자 매트릭스 사이의 결합이 강화 단계로의 응력 전달을 촉진시켜 인장 강도와 인성을 향상시키기 때문에 기계적 특성을 향상시킬 수 있고, 불투수성 점토층에 의해 생성된 투과 물질에 대한 비뚤어진 경로로 인해 배리어 특성을 향상시킬 수 있어 배리어 필름의 제조에 이용할 수 있다.
배리어 필름은 보통 산소나 수분을 차단하여 제품의 수명 및 성능을 보호하는 필름을 말하며, 최근 식품 포장재 영역을 넘어 태양 전지의 봉지 필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재, 그리고 플렉시블 디스플레이 기판 및 배리어 필름 등으로 적용 영역을 넓히고 있다. 그러나 폭넓은 수요가 있는 고분자 소재의 경우 산소 및 수분 차폐 특성이 요구 수준을 만족하지 못하기 때문에 이를 극복하기 위해 다양한 금속 박막, 폴리머, 나노 입자를 복합화하여 요구 수준을 달성하기 위해 다양하고 폭넓은 시도가 이루어지고 있다.
폴리 비닐 알콜(Poly vinyl alcohol, PVA) 필름이나, 에틸렌(Ethylene)과 비닐 알콜(Vinyl alcohol)의 공중합체인 EVOH 필름 혹은 PVDC 필름이 현재 기체 차단성 물질로 가장 많이 사용되지만, 이러한 순수 고분자 필름에 비해 몬모릴로나이트(montmorillonite)와 같은 층상 나노점토(nano clay)를 필러(filler)로 사용하여 고분자 나노 복합체(polymer nanocomposite)를 제조해 기체 차단성 물질로 사용하면, 기체 차단성을 갖는 클레이(clay) 층으로 인해 기체의 투과 경로가 길어져 순수 고분자 물질보다 기체 차단성 특성이 더 향상된다. 기체 차단성을 높이는데 있어서 핵심은 기체 투과 경로를 조절하는 것이다. 이를 위해 종횡비가 우수한 나노 점토광물을 다량 첨가하거나 적은 양의 층수가 얇게 조절되어 비표면적이 넓은 나노 점토광물을 첨가하는 방법을 사용할 수 있다. 하지만 나노 점토광물의 층수를 조절해 고분자 속에서 분산성을 유지하는 것이 쉽지 않다.
고분자-점토 나노복합체의 제조 과정은 층상구조 점토를 고분자 매트릭스에 분산하는 과정으로 요약될 수 있다. 이에 용액 삽입(solution intercalation), 인시츄 삽입 중합반응(intercalative polymerization), 용융 삽입(melt intercalation), 인시츄 직접 합성 등과 같은 기술이 사용되어왔다. 그러나, 층상 구조의 나노 점토입자는 매우 많은 양의 이온과 극성을 가지는 작용기를 갖고 있어 친수성이 매우 높으므로 대부분의 소수성인 폴리올레핀 등의 고분자 사이로 분산되기 매우 어려운 문제가 있었으며 이를 해결하고자 하는 다양한 시도가 이루어지고 있다.
예를 들어, 점토와 고분자 매트릭스 사이의 친화성을 향상시키기 위해 말레산 무수물(Maleic anhydride) 또는 히드록실기 등의 관능화된 단량체를 그래프팅하거나 혼입하여 주쇄에 관능기를 첨가하는 방법을 사용할 수 있다. 다르게는 무기 교환성 양이온을 유기 오늄 이온으로 대체하여 천연 점토를 개질시켜 점토 층 사이의 인력을 감소시키고 점토와 고분자 매트릭스 사이의 상용성을 향상시키는 방법을 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 가공 연속성이 떨어지며 나노복합체의 기계적 특성 및 장벽 특성 향상 효과가 미흡한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 인장응력, 인장강도, 연신률 등의 기계적 특성 및 장벽 특성이 향상되어 가스배리어 필름의 재료로 사용할 수 있는 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체로를 이용하는 배리어 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1양태는 폴리올레핀, 유기 층상구조 점토 및 중공상 유리 미소구 함유 혼합물을 준비하는 단계(단계 1); 및
상기 혼합물을 용융 압출기에 넣고 전단응력을 가하며 용융 압출하는 동시에, 중공상 유리 미소구의 볼 밀링 거동에 의해 유기 층상구조 점토를 분산시키고 폴리올레핀 사슬 간에 유기 층상구조 점토를 삽입하는 단계(단계 2)를 포함하는, 가스차단성 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제2양태는 제1양태에 따라 제조되어 폴리올레핀; 상기 폴리올레핀 사슬에 용융 삽입되는 유기 층상구조 점토; 및 상기 유기 층상구조 점토를 분산시키는데 사용된 중공상 유리 미소구를 포함하는, 가스차단성 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체를 제공한다.
본 발명의 제3양태는 제2양태의 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체로부터 제조된 배리어 필름을 제공한다.
본 발명의 제4양태는 제3양태의 배리어 필름을 포함하는 플라스틱 기판을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
현재 중공상 유리 미소구(Hollow Glass Microsphere, HGM)가 고분자 기질에 분산되어 있는 합성 발포체(synthetic foams)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 중공상 유리 미소구(Hollow Glass Microsphere, HGM)는 내부 불활성 가스와 외부 단단한 유리로 만들어지며 열전도 계수가 낮고 무게가 가벼운 것과 같은 몇 가지 장점이 있어 다양한 산업 분야에서 매력을 얻고 있는 무기 충전제이다. 본 발명자들은 폴리올레핀-유기 점토 나노복합체의 인장응력, 인장강도, 연신률 등의 기계적 특성 및 장벽 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 방법에 대하여 연구하던 중에, 중공상 유리 미소구를 폴리올레핀 및 유기 점토와 혼합하여 용융 압출한 결과, 중공상 유리 미소구의 볼 밀 거동에 의해 폴리올레핀 매트릭스 내에 유기 점토의 분산도 및 층상 유기 점토의 층간 거리가 증가함으로써 인장응력, 인장강도, 연신률 등의 기계적 특성 및 열적 안정성이 향상되고, 가스배리어 특성이 현저히 향상된 나노복합체를 제조할 수 있음을 확인하였다. 본 발명은 이에 기초한 것이다.
나노복합체(nano composite)는 나노미터 크기의 분산상과 매트릭스(母體/matrix)로 이루어지는 복합재로서, 2종류 이상의 구조 또는 물질로 구성되고 상(phase) 크기가 나노 규모(10-9 m)인 복합재를 의미한다. 보다 구체적으로, 본 발명에서 나노복합체(nanocomposite)는 올리고머, 고분자, 또는 이들의 블렌드 등의 고분자 매트릭스(matrix polymer)에 나노 크기의 층상 점토화합물이 박리(exfoliated), 층간 삽입(intercalated) 형태로 박층(들)(patelets)이 분산되어 있는 박리체(exfoliated nanocomposite), 적층형 층간 삽입체(tactoidal nanocomposite), 또는 이들의 혼합물이 분산된 복합체를 의미한다.
본 발명은 용융 삽입법을 이용하여 고분자-유기 점토 나노복합체를 제조한다. 종래 방법은 매우 많은 양의 이온과 극성을 가지는 작용기가 존재하여 친수성이 매우 높은 점토 층 사이로 폴리올레핀 등의 고분자를 삽입하기 어려운 문제가 있었으며, 그 결과 인장응력, 인장강도, 연신률 등의 기계적 특성이 향상되고 가스배리어 막의 재료로 사용할 수 있는 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체를 제조하기에는 미흡하였다. 본 발명의 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법은 폴리올레핀 및 유기 층상구조 점토 혼합물에 중공상 유리 미소구를 첨가하고 용융 압출시킴으로써 중공상 유리 미소구의 볼 밀링 거동에 의해 유기 층상구조 점토를 분산시키고 폴리올레핀 사슬 간에 유기 층상구조 점토를 삽입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 폴리올레핀은 폴리프로필렌, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌과 C3-C20 알파올레핀의 공중합체 등일 수 있다. 바람직하게는, 상기 폴리올레핀은 폴리프로필렌일 수 있다, 상기 폴리프로필렌은 프로필렌 단독중합체이거나 또는 프로필렌과 20 wt% 이하의 알파올레핀의 공중합체, 특히 바람직하게는 20 wt% 이하의 에틸렌을 포함하는 프로필렌-에틸렌 공중합체일 수 있다. 나노복합체의 강성, 내열성, 및 내충격성을 동시에 향상시키기 위해서는 일반 폴리프로필렌 단독중합체와 고강성 또는 고결정성 프로필렌/α-올레핀 블록공중합체를 블랜드하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 폴리올레핀의 용융지수는 0.1~500g/10분(230 ℃, 2.16 ㎏)의 범위를 가지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5~200g/10분의 범위인 것이다. 상기 용융지수가 0.1g/10분 미만일 경우에는 흐름성이 감소하여 성형성 저하가 발생한다는 문제점이 있으며, 500g/10분을 초과할 경우에는 내충격성이 급격히 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명에서, 폴리올레핀은 혼합물의 총 중량에 대하여 50 내지 99 wt%로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 80 내지 95 wt%로 포함된다.
상기 폴리올레핀의 중량평균분자량은 5,000 내지 5,000,000의 범위인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10,000 내지 1,000,000의 범위인 것이다. 상기 폴리올레핀의 중량평균분자량이 5,000 미만일 경우에는 유기 점토와의 상용성이 부족하여 물성이 저하되며, 5,000,000을 초과할 경우에는 나노복합체의 가공성 및 분산성 저하가 발생한다는 문제점이 있다.
본 발명에서, 중공상 유리 미소구는 용융 압출 공정에서 볼 밀의 거동을 나타내어 유기 점토를 분산시키고 유기 점토 층간 거리를 확장시키는 역할을 한다. 본 발명에 적용되는 중공상 유리 미소구는 본 기술 분야에 공지된 기술에 의해 제조될 수 있다. 전형적으로, 중공상 유리 미소구를 제조하기 위한 기술은 발포제를 함유하는 밀링된 프릿(milled frit)을 가열하는 단계를 포함한다. 프릿은 용융된 유리가 형성될 때까지 고온에서 유리의 광물 성분들을 가열시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 중공상 유리 미소구는 임의의 조성을 가질 수 있지만, 전형적으로, 상기 입자는 전체 중량 기준으로 50 내지 90 wt%의 SiO2, 2 내지 20 wt%의 알칼리 금속 산화물을 포함한다. 기타의 성분으로 B2O3, 황, 2가 금속 산화물 (예를 들어, CaO, MgO, BaO, SrO, ZnO 또는 PbO), 3가 금속 산화물 (예를 들어, Al2O3, Fe2O3 또는 Sb2O3), SiO2와 다른 4가 금속 산화물 (예를 들어, TiO2, MnO2 또는 ZrO2), 5가 원자의 산화물 (예를 들어, P2O5 또는 V2O5)등을 포함할 수 있다.
다양한 크기의 중공상 유리 미소구가 유용할 수 있다. 일 실시 형태에서, 중공상 유리 미소구는 14 내지 45 ㎛ 범위의 평균 직경을 갖는 것일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 15 내지 40 ㎛, 20 내지 45 ㎛, 또는 20 내지 40 ㎛ 범위로 평균직경을 가지는 것일 수 있다.
중공상 유리 미소구는 혼합물의 총 중량에 대하여 1 내지 7 wt%로 포함되는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 3 내지 7 wt%로 포함된다. 중공상 유리 미소구의 함량이 1wt% 미만인 경우에는 중공상 유리 미소구는 유기 점토의 응집을 유도하는 핵형성제(nucleating agent)로 작용하여 유기 점토의 분산을 저해할 수 있으며, 7 wt%를 초과하는 경우에는 중공상 유리 미소구의 응집이 발생하고, 유기 점토 분산 효과가 미흡할 수 있다. 중공상 유리 미소구의 함량이 1 ~ 7 wt%인 경우 중공상 유리 미소구와 유기 점토는 사슬 운동성을 감소시키는 고분자 사슬의 움직임을 제한함으로써, 용융 온도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 중공상 유리 미소구를 포함하는 하이브리드 복합체는 중공상 유리 미소구 함량이 증가함에 따라 용융 온도는 약 13.5℃ 증가하였고, 5 wt% 중공상 유리 미소구 및 유기 점토를 포함하는 하이브리드 복합체가 가장 높은 161℃의 Tm 값을 가짐을 확인하였다.
본 발명에서, 유기 층상구조 점토는 점토 입자를 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온을 제공하는 유기화제로 처리하여, 점토 입자의 양이온을 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온으로 치환시킨 것을 말한다.
유기 층상구조 점토는 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 카올린나이트, 마이카, 헥토라이트, 불화헥토라이트, 사포나이트, 베이델라이트, 논트로나이트, 스티븐사이트, 버미큘라이트, 할로사이트, 볼콘스코이트, 석코나이트, 마가다이트, 케냐라이트 및 파이로필라이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 점토를 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온을 제공하는 유기화제로 처리한 것일 수 있다. 즉, 유기 층상구조 점토는 점토의 양이온이 유기화제의 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온으로 치환된 것일 수 있다.
상기 유기화제는, 디메틸 탈수화 탈로우 암모늄(Dimethyl dihydrogenated-tallow ammonium), 디메틸벤질 탈수화 탈로우 암모늄(Dimethyl benzyl hydrogenated-tallow ammonium) 및 디메틸벤질 탈수화 탈로우 (2-에틸헥실)암모늄(Dimethyl hydrogenated-tallow (2-ethylhexyl)ammonium)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
바람직하게는 유기 점토로서 스멕타이트 유형의 몬모릴로나이트(montmorillonite, MMT)를 사용할 수 있다. MMT는 알루미나가 2 개의 실리카 4면체 시트 사이에 샌드위치된 8 면체 시트로 중앙에 위치하는 약 1nm의 두께를 갖는 여러 개의 적층된 층으로 구성된다. 이 층들 사이의 규칙적인 간격은 d-간격 또는 기저 간격(d001)이라고 불리며, X-선 회절 패턴으로부터 얻어진(001) 고조파로부터 계산된다.
유기 층상구조 점토는 혼합물의 총 중량에 대하여 0.1 내지 20 wt%로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 10 wt%로 포함된다. 함량이 0.1 wt% 미만일 경우에는 점토층 분산으로 인한 물성 증가효과가 미미하며, 20 wt%를 초과할 경우에는 점토입자간의 응집현상이 발생하여 나노 크기로의 분산성이 감소하고 그에 따른 물성증가 효과가 감소한다는 문제점이 있다.
유기 층상구조점토는 점토층의 분산으로 인한 나노복합체의 물성 증가를 극대화하기 위해서는 큰 종횡비가 요구된다. 바람직하게는 유기 층상구조점토의 종횡비가 200~500의 범위일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 적어도 500일 수 있다.
폴리올레핀 사슬 간에 유기 층상구조를 성공적으로 삽입하기 위해선 전단 에너지 및 체류 시간이 충분해야 한다. 따라서, 본 발명에서, 용융 압출은 180℃ 내지 230℃의 배럴 온도, 30 내지 80 rpm의 회전속도 및 3분 내지 10분의 체류시간으로 실행되는 것이 바람직하다.
용융 압출시 배럴 온도는 180℃ 내지 230℃일 수 있다. 배럴 온도가 180℃ 미만인 경우 가공이 가능한 용융점에 도달하지 않아 원활한 가공이 되지 않을 수 있으며, 230℃ 초과인 경우 고분자의 열분해에 따른 분자량 감소 및 기계적 물성 저하가 일어날 수 있다. 점토층 사이의 열역학적 친화력을 이기고 한층 한층의 나노 스케일로 분산시키기 위해서는 높은 전단응력이 요구되며, 따라서 폴리프로필렌 수지의 용융온도 근처의 온도에서 고속으로 혼련하여 제조하는 것이 더욱 바람직하다.
체류시간이 3분 미만인 경우 분산성이 감소할 수 있으며, 10분 초과인 경우 고분자의 열분해가 발생할 수 있다.
본 발명의 폴리올레핀-유기 점토 나노복합체 제조에는 스크류 또는 로터의 회전에 의하여 전단응력을 작용시킬 수 있는 단축압출기, 동방향 회전 양축압출기, 이방향 회전 양축압출기, 연속 교반기, 니이더 등의 혼련기를 이용할 수 있다.
상기 제조방법에 따라 폴리올레핀; 상기 폴리올레핀 사슬에 용융 삽입되는 유기 층상구조 점토; 및 상기 유기 층상구조 점토를 분산시키는데 사용된 중공상 유리 미소구를 포함하는, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 나노복합체는 HGM을 포함하여 유기 점토의 분산도 향상을 통해 유기 점토의 층간 거리를 현저히 향상시켜 비뚤어진 경로를 증가시킴으로써 배리어 특성이 현저히 향상된 가스배리어성 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체일 수 있다.
본 발명의 나노복합체는 유기 점토의 층간 거리가 33.19 ~ 33.44Å일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 유기 점토만 첨가한 나노복합체의 경우 층간 거리 값은 31.75Å이었으나, 중공상 유리 미소구를 첨가한 나노복합체의 경우 점토의 층간 거리가 33.19 ~ 34.22Å로 현저히 증가함을 확인하였다(표 4 참조). 이로부터 고분자 매트릭스에 포함된 중공상 유리 미소구는 용융 압출 공정시 볼 밀로 작용하여 매트릭스 내의 점토 분산을 위한 전단력을 부여함으로써 유기 점토를 분산시키고 층간 거리를 증가시킴을 알 수 있다.
본 발명의 나노복합체는 항복점에서의 인장응력이 32.58 ~ 33.40 MPa이고, 인장강도가 33.06 ~ 36.92 MPa이고, 연신률이 255 ~ 330%일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, PPN 복합체에 HGM을 첨가하면, PPNG7 샘플을 제외하고 항복점에서의 인장 응력이 유의하게 증가함을 확인하였다(표 5 참조). 이러한 강도의 증가는 HGM의 PP 매트릭스 보강 효과뿐만 아니라 HGM 점토 분쇄 효과로 인해 점토의 중간층이 증가한 것에 기인한다. 또한, HGM의 표면으로 인해 충전제와 PP 매트릭스 사이의 계면 접착력이 향상되어 인장 응력이 향상됨을 확인하였다(도 5 참조).
본 발명의 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체는 필요에 따라 산화방지제, 열안정제, 대전방지제, 핵제, 난연제, 내후안정제, 활제, 안료, 또는 염료 등의 첨가제를 추가로 포함할 수 있으며, 그 함량은 본 발명의 특징에 어긋나지 않는 범위 내에서 첨가될 수 있다.
본 발명은 상기 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체로부터 제조된 배리어 필름을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 배리어 필름은 두께 1㎛에 있어서의 20℃, 90% RH에서의 산소 투과도가, 80 cc·mm/m2·day·atm 이하일 수 있다.
본 발명의 배리어 필름은 고도로 분산된 층상의 유기 점토가 폴리올레핀 사슬에 용융 삽입된 나노복합체를 포함함으로써, 기계적 특성 및 열적 안정성이 향상되고, 가스차단성이 현저히 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 상기 배리어 필름을 포함하는 플라스틱 기판을 제공한다. 본 발명의 플라스틱 기판은 상기 배리어 필름을 포함함으로써 상술한 바와 같은 기계적 특성 및 열적 안정성을 확보하게 되어 기판의 수명을 연장시킬 수 있으며, 가스차단성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따라 중공상 유리 미소구를 사용함으로써 무게가 절감되고, 유기 점토의 분산도가 높고, 층상 유기 점토의 층간 거리가 증가하고, 인장응력, 인장강도, 연신률 등의 기계적 특성 및 열적 안정성이 향상되고, 가스차단성이 높은 나노복합체를 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면 기계적 특성 및 열적 안정성을 확보하고, 가스차단성이 우수한 배리어 필름 및 이를 포함하는 플라스틱 기판을 제조할 수 있다.
도 1은 순수 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 나노복합체의 (a)T m , (b) Tc 곡선이다.
도 2는 순수 폴리프로필렌, 폴리프로필렌/유기 점토 복합체(PPN) 및 폴리프로필렌/유기 점토/PP-g-MA 복합체(PPMN)의 유동계 결과이다:(a) 저장 탄성률,
Figure 112017118190945-pat00001
(b) 손실 탄성률,
Figure 112017118190945-pat00002
(c) 및 (d) 체류 시간의 함수로서 순수 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 복합체의 점도,
Figure 112017118190945-pat00003

도 3은 순수 폴리프로필렌(PP), 폴리프로필렌/유기 점토 복합체(PPN) 및 폴리프로필렌/유기 점토/HGM 복합체(PPNG)의 유변학적 분석 결과이다: (a) 저장 탄성률,
Figure 112017118190945-pat00004
(b) 손실 탄성률,
Figure 112017118190945-pat00005
(c) 복합 점도,
Figure 112017118190945-pat00006

도 4는 중공상 유리 미소구의 SEM 이미지 및 EDX 스펙트럼이다: (a) HGM, (b) HGM 표면 상의 폴리프로필렌.
도 5는 PP 나노복합체(PPN, PPMN)(확대배율 x 2.50k) 및 PP 하이브리드 복합체(PPNG)의 SEM 현미경 사진이다(확대배율 x 400, x 2.50k).
도 6은 유기 점토 및 HGM로 구성된 이성분계 충전 시스템의 모식도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
사용된 물질들
폴리프로필렌(PP)(RF402 급, 용융 지수: 7g/10min, 230℃, 2.16kg ASTM D1238)은 삼성 토탈(한국)로부터 입수하였고, 말레산 무수물 그래프트 폴리프로필렌(PP-g-MA) 수지(QB510T 등급, 용융 지수: 3g/10min, 230℃)는 Mitsui Chemicals(Japan)로부터 구입하였다. 유기 점토[Cloisite® 20A, 몬모릴로나이트]는 Southern Clay Products(미국)에서 입수한 대로 사용했다. Cloisite® 20A의 경우, 점토의 유기 개질제로 사용된 4 차 암모늄은 디메틸 탈수화 탈로우 암모늄이고, 이중 결합의 대부분이 수소화되었다. Cloisite® 20A의 개질 농도는 95meq/100g 점토였다. 중공상 유리 미소구(HGM)는 3M(미국)으로부터 구입한 Glass Bubble(iM30K)로, 평균직경이 18 마이크론이고, 이소스태틱 파쇄 강도(Isostatic Crush Strength)는 28,000 psi이었다. 모든 충전제를 80℃에서 12 시간 진공 건조시켜 잔류 수분을 제거한 후 사용하였다.
실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 6 : 나노복합체의 제조
50g의 배럴 용량과 42mm(L/D = 6)의 스크류 직경을 갖는 소규모의 원추형, 역회전 쌍스크류 콤파운더로 설계된 Brabender 마이크로 콤파운더 TSC 42/6(Brabender®, Duisburg, Germany)를 나노복합체의 제조에 사용하였다.
제조자가 제공한 폴리프로필렌의 규격과 예비 실험에 근거하여, 충진제를 배합하기 전에 진공 오븐에서 80℃에서 12 시간 동안 건조시켰다.
나노복합체의 형성에 PP-g-MA 및 HGM이 미치는 영향을 평가하기 위해, 하기 표 1에 기재된 대로, 유기 점토의 함량을 5 wt%로 고정한 채, PP-g-MA 및 HGM의 함량을 달리하며 PP/유기 점토 나노복합체(PPN)(비교예2), PP/유기 점토/PP-g-MA 나노복합체(PP 나노복합체, PPMN)(비교예3 내지 6) 및 PP/유기 점토/HGM 복합체(PP 하이브리드 복합체, PPNG)(실시예 1 및 4)를 200℃의 배럴 온도에서 50 rpm의 회전속도 및 5분의 체류시간으로 용융 압출 공정에 의해 제조하였다. 하기 표 1에서 PPMN5는 PP-g-MA 함량이 5 wt%인 PP/유기 점토/PP-g-MA 나노복합체를 의미하고, PPNG5는 HGM의 함량이 5 wt%인 PP/유기 점토/HGM 나노복합체를 의미한다.
시료 PP(wt%) PP-g-MA (wt%) 유기 점토 (wt%) HGM (wt%)
비교예1(순수 PP) 100 - - -
비교예2(PPN) 95 - 5 -
비교예3(PPMN5) 90 5 5 -
비교예4(PPMN10) 85 10 5 -
비교예5(PPMN15) 80 15 5 -
비교예6(PPMN20) 75 20 5 -
실시예1(PPNG1) 94 - 5 1
실시예2(PPNG3) 92 - 5 3
실시예3(PPNG5) 90 - 5 5
실시예4(PPNG7) 88 - 5 7
펠릿화 후, 복합체 입자 내 충진제의 잔류량을 열중량 분석기(TGA)(Model : Q500, TA Instruments, USA)를 사용하여 분석하였다.
80℃에서 12 시간 동안 건조시킨 후, 복합체 입자를 필름으로 압축 성형하고 산소 배리어 특성을 측정한 후, 사출 성형하여 기계적, 형태학적 및 유변학적 특성을 측정하였다.
QMESYS 고온 프레스 시스템(QM900A, Quality & Measurement System, 한국)을 사용하여, 4분의 예비 가열, 1분의 가압 및 4분의 냉각 과정에 의해 200℃에서 압축 성형을 수행하였다.
특성 평가를 위해 Xplore Micro 10 cc 사출 성형기(Xplore Instruments, Geleen, The Netherlands)를 사용하여 200℃에서 직경 25.4 mm 및 두께 1 mm인 디스크 형태, 및 길이 50 mm, 폭 4 mm 및 두께 2 mm인 "도그 본(dogbone)" 형태를 갖는 시편을 사출 성형하였다.
실험예 1: 열적 특성 평가
열중량 분석(모델: Q500, TA Instruments, USA)을 사용하여 나노복합체 시료의 점토 잔량을 평가했다.
시험은 질소 분위기에서 최대 600℃의 온도에서 10℃/min의 가열 속도로 실행되었다. 결정화도(Xc)를 시차 주사 열량계(모델: Q2000, TA, USA)로 분석하였다.
시료를 포장된 알루미늄 팬에 넣은 다음 10℃/분의 가열 및 냉각 속도로 20℃에서 300℃까지 가열 및 냉각시켰다.
다음 방정식을 사용하여 Xc를 산출하였다:
Figure 112017118190945-pat00007
여기서 ΔH는 시료의 융점에서의 융해열을 분석하고(J/g), ΔH100은 100% α-결정질 중합체에 대한 융해열을 나타내는 기준치이다. PP의 경우 ΔH100은 209J/g이고, 는 필러의 중량분율이다.
복합체 시료의 TGA 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
시료 500℃에서의 점토 잔류량(wt%) 시료 500℃에서의 점토 잔류량(wt%)
비교예1(순수 PP) - 비교예2(PPN) 2.00 ± 0.27
비교예3(PPMN5) 2.89 ± 0.12 실시예1(PPNG1) 3.88 ± 0.07
비교예4(PPMN10) 2.90 ± 0.08 실시예2(PPNG3) 4.58 ± 0.08
비교예5(PPMN15) 2.80 ± 0.12 실시예3(PPNG5) 6.00 ± 0.35
비교예6(PPMN20) 2.84 ± 0.15 실시예4(PPNG7) 7.57 ± 0.19
초기 가공 단계에서, 모든 PPMN(비교예3 내지 6) 및 PPNG(실시예 1 내지 4) 시료의 경우 5 wt%의 유기 점토가 PP 매트릭스에 첨가되었다.
상기 표 2에서 보는 바와 같이, PP-g-MA 함유 PP/점토 나노복합체(PPMN)(비교예3 내지 6)는 PP-g-MA 미함유 PP/점토 나노복합체(PPN)(비교예2)에 비해 점토 함량이 약 1 wt% 더 많다. 이는 극성의 MA가 유기적으로 개질된 점토와 상호 작용하여 혼합 중 나노 복합체가 더 많은 양의 점토를 포함할 수 있게 하기 때문일 것이다.
반면, 본 발명에 따른 PP/유기 점토/HGM 복합체(PPNG)는 점토 잔량이 최대 7.57 wt%인 것으로 나타났다. 이는 HGM이 PP 매트릭스 내에 점토를 분산시켜 나노 복합체가 더 많은 양의 점토를 포함할 수 있게 하기 때문일 것이다.
복합체 시료의 시차 주사 열량 분석(DSC) 결과를 하기 표 3에 나타냈다.
시료 결정 온도
T c (℃)		 용융 온도
T m (℃)		 융합 열
ΔH m (J/g)		 결정화도
X c (%)
비교예1(순수 PP) 100.33 ± 0.40 147.51 ± 0.62ab 62.5 ± 0.71 29.90 ± 0.34bc
비교예2(PPN) 103.25 ± 0.14 145.85 ± 0.21a 63.5 ± 2.12 30.38 ± 1.01c
비교예3(PPMN5) 111.93 ± 0.30 148.87 ± 1.46ab 56.0 ± 2.83 26.79 ± 1.35a
비교예4(PPMN10) 112.56 ± 0.17 148.79 ± 3.18ab 58.7 ± 1.15 28.07 ± 0.55ab
비교예5(PPMN15) 112.97 ± 0.08 149.17 ± 2.46ab 58.0 ± 1.00 27.75 ± 0.48a
비교예6(PPMN20) 114.19 ± 0.63 150.62 ± 1.27b 56.5 ± 3.54 27.03 ± 1.69a
실시예1(PPNG1) 113.32 ± 0.47 150.45 ± 0.51b 58.5 ± 2.12 28.10 ± 1.02ab
실시예2(PPNG3) 115.32 ± 0.20 159.47 ± 0.94cd 63.5 ± 0.71 30.52 ± 0.34c
실시예3(PPNG5) 117.85 ± 0.40 161.00 ± 0.08d 65.5 ± 0.71 31.53 ± 0.34c
실시예4(PPNG7) 112.67 ± 0.36 155.99 ± 0.98c 56.5 ± 0.71 27.24 ± 0.34a
상기 표에서, 데이터 뒤에 위첨자로 표시한 문자와 관련하여, 동일한 컬럼의 서로 다른 문자는 95%의 신뢰도 수준에서(α=0.05) 통계적으로 유의미하게 다른 것임을 표시한 것이다.
상기 표 3에서 보는 바와 같이, PP/유기 점토 나노복합체(PPN)(비교예2)보다 PP/유기 점토/PP-g-MA 나노복합체(PPMN)(비교예3 내지 6)의 결정 온도가 높았다. 이러한 결정 온도의 증가는 폴리프로필렌에서 핵형성제로 작용하는 말레산 무수물 및 폴리프로필렌에 대한 카르보닐기의 반응에 기인한다.
PPNG 나노복합체(실시예1 내지 4)에서, HGM 함량이 증가함에 따라 용융 온도는 약 13.5℃ 증가하였고, 5 wt% HGM 및 유기 점토를 포함하는 하이브리드 복합체가 가장 높은 161℃의 Tm 값을 갖는다.
HGM 함량 3 ~ 5 wt% 이하에서 HGM와 점토는 사슬 이동도를 감소시키는 고분자 사슬의 이동을 제한할 수 있고, HGM의 함량이 7 wt%인 경우 HGM 중에 HGM 클러스터가 형성되고, HGM 클러스터는 분자 사슬 사이에서 더 많이 미끄러져서 용융 온도를 감소시킬 수 있다고 추측된다.
결정화도(Xc)는 점토 및 HGM의 첨가에 따라 감소하였으며, 이는 PP-g-MA 및 HGM 둘 다 중합체 사슬의 이동을 방해하여 중합체 사슬이 재배열되지 않게 하기 때문일 수 있다.
실험예 2: 구조 특성 평가
복합 재료의 구조 측정을 파장 1.5406Å의 Cu Kα 방사선을 사용하는 X 선 회절(모델 : D/Max-2500, Rigaku, Japan)으로 실행하였다. 회절 스펙트럼은 2~10°의 2θ 범위에서 얻어지며, 층간 간격(d001)은 브래그 방정식을 사용하여 계산된다:
Figure 112017118190945-pat00008
여기서 λ는 파장이고, Θ는 회절각이고, d는 점토 사이의 층간 간격이다.
하기 표 4는 순수 폴리프로필렌, 폴리프로필렌 나노복합체(PPN, PPMN) 및 폴리프로필렌 하이브리드 복합체(PPNG)의 X 선 회절 분석 결과를 나타낸다.
시료 2Θ angle (°) 층간거리(d001(Å))
비교예1(순수 PP) 3.56 24.80
비교예2(PPN) 2.78 31.75
비교예3(PPMN5) 2.58 34.22
비교예4(PPMN10) 2.58 34.22
비교예5(PPMN15) 2.60 33.95
비교예6(PPMN20) 2.62 33.69
실시예1(PPNG1) 2.58 34.22
실시예2(PPNG3) 2.64 33.44
실시예3(PPNG5) 2.66 33.19
실세예4(PPNG7) 2.64 33.44
용융 처리 전 순수 폴리프로필렌(PP)의 층간 거리는 약 24.8Å이나, 폴리프로필렌(PPN)(비교예2) 나노복합체의 경우, 층간 거리 값은 31.75Å로 현저히 증가하였다. 이는 폴리프로필렌 매트릭스에서 유기 점토의 삽입이 발생했음을 시사한다. 모든 유형의 나노 충진제의 분산에는 두 가지 주요 메커니즘이 있다: 침식(erosion)과 파열(rupture). 침식 메커니즘은 혼합 시간이 긴 저 전단 응력 하에서 지배적인 반면, 파열 메커니즘은 고 전단 응력 하에서 발생했다. 이 두 메커니즘은 유기 점토의 중간층의 삽입에 영향을 미쳤다. 상용화된 시료의 경우, 2θ 각 값은 감소하는 경향을 나타내는데, 이는 층간 거리의 증가를 시사한다.
상용화제의 양은 층간 거리의 증가에 유의미한 영향을 미치지 않았다. 반면, 복합체에 HGM을 첨가한 결과(실시예1 내지 4) 점토의 층간 거리가 31.75Å에서 33.19 ~ 34.22Å로 증가함에 있어 동일한 효과를 보였다. 따라서, 고분자 매트릭스 중에서 HGM은 볼 밀로 거동하여 매트릭스 내의 점토 분산을 위한 전단 응력을 부여할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 3: 유변학적 특성 평가
선형 점탄성(LVE) 영역에서의 진동 전단 측정 및 응력 완화를 200℃에서 이전에 사출성형된 디스크 시편으로 평행판 구조(직경 25 mm 및 갭 1 mm)를 사용하여 Anton Paar 진동 레오미터(모델: Physica MCR 302, Anton Paar GmbH, Austria)에서 실행하였다. 100 rad/s에서 0.1 rad/s까지 감소하는 주파수와 1%에서의 변형률을 갖는 대략 3분의 온도 평형 후에 주파수 스위프(sweep)를 실행하였다.
도 2 및 도 3은 유변학적 분석으로 고분자 복합체에서 충전제 분산의 점도 거동의 변화를 나타낸 것이다. PPNG7을 제외한 모든 시료는 낮은 주파수에서 복합 점도 곡선에서 뉴턴식 고원을 보였으나 높은 진동수에서 의가소성(pseudo-plastic) 경향을 보였다. 그러나 PPNG7 시료는 모든 진동수 영역에서 의가소성 거동으로 관찰되었다. 너무 많은 HGM이 PP 매트릭스에 분포되면 HGM 응집 또는 HGM 클러스터가 생성되고 응집으로 인해 점도 거동에 차이가 발생할 수 있음이 추론될 수 있다.
PP 매트릭스 내에 5 wt%의 유기 점토를 포함하는 PP/유기 점토 나노복합체(PPN) 시료의 탄성률 및 복합 점도는 모든 진동수 범위에서 극적으로 감소하는 것으로 관찰되었다. 이것은 가공 중의 사슬 분열 또는 분자 엇갈림에 기인할 수 있다. 도 2(d)는 고 전단 응력 및 온도에서 5 분 동안 압출기에서 혼합되는 동안 PP의 복합 점도를 나타낸다. 동일한 효과가 나노 클레이를 포함하는 복합체에 나타났다. 그리고 PP/유기 점토 나노복합체 중 PP-g-MA와 HGM 함량이 증가함에 따라, 저 진동수에서의 저장 탄성률은 동일한 경사면에서 점차 증가하였다.
손실 저장의 저 진동수 의존도는 도 3(b)에서 보여지는 유사한 경향을 보이지만, G''의 해당 증가는 G'보다 높다. PPN 시료에서 PP-g-MA의 함량이 증가함에 따라 저 진동수에서 저장 및 저 탄성률이 약간 증가한다. 이는 폴리머 매트릭스에서 계면 상호 작용 및 나노 클레이 분산에 대한 상용화제의 효과를 보여준다.
실험예 4: 형태학적 특성 평가
폴리프로필렌 복합체의 형태를 전계 방출 주사 전자 현미경(Model: SU8020, Hitachi, Japan)로 관찰하였다. 사출 성형된 샘플을 액체 질소에서 동결시킨 후 파쇄하였다. 파쇄된 모든 단면은 이온 스퍼터(E-1045, Hitachi, Japan)를 사용하여 Pt/Pd 합금으로 코팅한 후 2kV의 가속 전압으로 고진공 하에서 특성 평가 시험을 수행하였다.
구체적으로 HGM의 화학적 조성을 EMAX 에너지 분산상 X 선 분광계(EDX)(HORIBA scientific, Japan)를 사용하여 평가하였다. 도 4는 폴리프로필렌 매트릭스에 분산되어 있는 HGM 분말의 SEM 현미경 사진과 EDX로, HGM 분말이 폴리프로필렌 매트릭스에 분산됨을 SEM으로 확인하였으며, EDX로 폴리프로필렌이 HGM의 표면에 붙어있는 것을 확인했다. 또한, EDX 스펙트럼을 통해 탄소 함량이 HGM 분말과 비교하여 유의하게 증가한다는 것을 알 수 있었다. 따라서 HGM과 폴리프로필렌 매트릭스 사이에는 우수한 계면 접착이 형성되었음을 확인하였다.
PP/유기 점토 나노복합체(PPN)(비교예2), PP/유기 점토/PP-g-MA 나노복합체(PPMN)(비교예3 내지 6) 및 PP/유기 점토/HGM 복합체(PPNG)(실시예 1 및 4)에 대한 시험 후 개-뼈 표본의 파단면에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 촬영하여 도 5에 나타내었다. 유기 점토는 폴리프로필렌 매트릭스에 단단히 매립되어 있으며 HGM의 중량 분율이 증가함에 따라 HGM의 수가 더 많아지고 PP 매트릭스에 분산된 HGM의 표면에 부착물이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
실험예 5: 기계적 특성 평가
30kN 셀 포스(cell force)를 설치한 인스트론 3367 만능 시험기(INSTRON, MA, USA) 장착)를 사용하여 사출성형된 도그본(Dog-bone) 형태의 시편(길이 50 mm, 폭 4 mm 및 두께 2 mm)을 대상으로 기계적 특성을 평가하였다. 10mm/min에서 각 시료의 변위에 대한 힘을 측정하여 도그본(Dog-bone) 형태의 사출 성형 시료의 인장 강도 및 파단점과 같은 기계적 특성을 측정하였다. 각 혼합 시료에 대해 적어도 5 개의 시료를 시험하였고, 최대 및 최소값을 제외하고 3 개의 값을 적용하였다. 하기 표 5는 그 결과이다.
시료 항복점에서 인장 응력(MPa) 인장강도(MPa) 파단 연신률(%)
비교예1(순수 PP) 26.84 ± 0.36ab 33.50 ± 0.75c 342.98 ± 13.22cd
비교예2(PPN) 27.61 ± 0.86ab 36.01 ± 0.19d 389.95 ± 14.35e
비교예3(PPMN5) 27.65 ± 0.87abc 32.13 ± 0.82abc 353.12 ± 3.14cd
비교예4(PPMN10) 27.50 ± 0.50ab 32.29 ± 0.60bc 352.80 ± 16.01cd
비교예5(PPMN15) 27.08 ± 0.76ab 32.69 ± 0.56c 371.66 ± 9.20de
비교예6(PPMN20) 28.51 ± 0.47bc 33.30 ± 0.23c 364.49 ± 5.86de
실시예1(PPNG1) 29.44 ± 0.95c 30.49 ± 0.51a 303.55 ± 3.94b
실시예2(PPNG3) 32.90 ± 0.21d 36.03 ± 0.89d 320.46 ± 10.46bc
실시예3(PPNG5) 32.99 ± 0.41d 33.59 ± 0.53c 266.63 ± 11.37a
실시예4(PPNG7) 25.85 ± 0.47a 30.87 ± 0.34ab 303.07 ± 23.16b
상기 표에서, 데이터 뒤에 위첨자로 표시한 문자와 관련하여, 동일한 컬럼의 서로 다른 문자는 95%의 신뢰도 수준에서(α=0.05) 통계적으로 유의미하게 다른 것임을 표시한 것이다.
상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 폴리프로필렌에 5 wt%의 유기 점토를 첨가하면(PPN) 인장 응력이 7.49% 향상되고 파단 연신률이 13.7% 향상되었다. 이는 폴리프로필렌 매트릭스 상에서 유기 점토의 보강 효과 때문인 것으로 보인다.
종래의 말레산 무수물(MA) 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MA)의 극성기 및 유기 점토 사이에 달성된 더 높은 상호 작용에 기인한 연구로부터, 폴리머 매트릭스 중 PP-g-MA와 같은 작용기를 갖는 폴리머의 첨가에 의해 기계적 특성이 개선될 수 있다고 보고되었다. 그러나 실험 결과 복합체에 PP-g-MA를 첨가한 모든 PPMN 시료의 경우 순수 폴리프로필렌에 비해 인장 강도가 유의하게 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 결정화 거동이 폴리프로필렌 상의 말레산 무수물(MA)의 사슬 분지에 의해 방해를 받아 결정화도 퍼센트의 감소를 가져오는 것으로 추정될 수 있다.
폴리프로필렌 복합체 중 HGM의 효과를 평가한 결과, 표 5에서 보는 바와 같이 PPNG7(실시예4) 시료를 제외하고 항복점에서의 인장 응력이 유의하게 증가하였다. 이러한 강도의 증가는 폴리프로필렌 매트릭스에서의 HGM의 보강 효과뿐만 아니라 HGM의 점토 분산 효과로 인해 XRD 분석에서 확인된 바와 같이 점토의 층간 층이 증가하기 때문에 가능하다. 또한, HGM의 표면으로 인해 충전제와 폴리프로필렌 매트릭스 사이의 계면 접착력이 향상되었다(도 5). HGM의 함량이 7 wt%를 초과하면 인장 응력이 저하되었는데, 이는 HGM의 응집에 기인한 것일 수 있다.
실험예 6: 산소 배리어 특성 평가
ASTM 3985에 준거한 OX-TRAN(모델: 702, MOCON, USA)에 의해 PP 복합체 필름의 산소 투과도 측정을 실시하고, 알루미늄 마스크(5 cm2)를 사용하여 시료를 제조하고, 투과 시험을 대기압에서 23℃ 및 0℃의 상대 습도(RH) 조건하에서 실행하였다. 각 시료를 1 시간 동안 챔버 내에서 컨디셔닝하고 안정된 데이터에 도달할 때까지 24 시간에서 48 시간까지 산소 투과율(OTR)을 측정하였다.
시료 O2 투과도
(cc·mm/m2·day·atm)		 시료 O2 투과도
(cc·mm/m2·day·atm)
비교예1(순수 PP) 94.62 ± 3.73f 비교예2(PPN) 76.91 ± 5.61bc
비교예3(PPMN5) 95.34 ± 5.01fg 실시예1(PPNG1) 85.47 ± 0.62de
비교예4(PPMN10) 102.39 ± 7.22g 실시예2(PPNG3) 64.79 ± 1.96a
비교예5(PPMN15) 88.77 ± 0.88ef 실시예3(PPNG5) 72.83 ± 1.76b
비교예6(PPMN20) 80.60 ± 1.76cd 실시예4(PPNG7) 74.97 ± 0.69bc
*동일한 열에 있는 다른 위첨자는 95% 신뢰 수준에서 통계적으로 유의미한 차이가 있음을 나타낸다(α = 0.05).
표 6은 순수 폴리프로필렌 필름 및 폴리프로필렌 복합체 필름의 O2 투과도를 보여준다. 순수 폴리프로필렌으로 제조된 필름은 O2 장벽특성이 열악하다는 것은 널리 알려져 있다. 순수 폴리프로필렌 필름은 94.62 ± 3.73 cc·mm/m2·day·atm의 산소 투과도를 나타낸다.
폴리프로필렌에 5 wt%의 유기 점토를 첨가한 PPN 필름의 경우 산소 투과도가 23% 감소하는 것으로 관찰되었으며, PPMN 필름은 PP-g-MA의 함량을 달리하여도 투과성에 유의한 변화가 관찰되지 않았다. 따라서 PP-g-MA는 PP/점토 나노복합체의 투과성에 유의한 영향을 미치지 않는 것임을 확인하였다. PP-g-MA는 나노 점토의 분산에 긍정적인 영향을 미치지만, 분지된 MA로 인한 고분자 매트릭스의 자유 부피 증가 때문에 산소 장벽을 감소시킨다. 반면, HGM를 포함하는 PP 나노복합체 필름은 산소 배리어를 향상시키는데 중대한 영향을 미치는데, 특히 PPNG3 시료(HGM 3 wt%)에서는 순수 PP와 비교하여 산소 투과성을 46%로 감소시키는 최선의 성능을 보였다.
폴리머와 HGM의 계면 간의 공동과 균열은 배리어 특성을 감소시킬 수 있지만 폴리머와 HGM 간의 계면 부착은 도 5에서 확인된 바와 같이 배리어 특성을 향상시키기에 충분할 것으로 확인되었다. HGM의 양이 증가함에 따라, O2 투과도는 원래의 PPN 필름의 O2 투과도에 가깝게 감소하는데, 이는 HGM의 응집, 즉 HGM 클러스터가 폴리머와 HGM의 계면에서 더 큰 공간을 만들어 내기 때문일 수 있다.

Claims (13)

  1. 폴리올레핀, 유기 층상구조 점토 및 중공상 유리 미소구 함유 혼합물을 준비하는 단계(단계 1); 및
    상기 혼합물을 용융 압출기에 넣고 전단응력을 가하며 용융 압출하는 동시에, 중공상 유리 미소구의 볼 밀링 거동에 의해 유기 층상구조 점토를 분산시키고 폴리올레핀 사슬 간에 유기 층상구조 점토를 삽입하는 단계(단계 2)를 포함하는, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법으로,
    상기 유리 미소구는 혼합물의 총 중량에 대하여 1 내지 7 wt%로 포함되는 것인, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기 층상구조 점토는 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 카올린나이트, 마이카, 헥토라이트, 불화헥토라이트, 사포나이트, 베이델라이트, 논트로나이트, 스티븐사이트, 버미큘라이트, 할로사이트, 볼콘스코이트, 석코나이트, 마가다이트, 케냐라이트 및 파이로필라이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 점토를 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온을 제공하는 유기화제로 처리한 것인, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유기화제는 디메틸 탈수화 탈로우 암모늄(Dimethyl dihydrogenated-tallow ammonium), 디메틸벤질 탈수화 탈로우 암모늄(Dimethyl benzyl hydrogenated-tallow ammonium) 및 디메틸벤질 탈수화 탈로우 (2-에틸헥실) 암모늄(Dimethyl hydrogenated-tallow (2-ethylhexyl) ammonium)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    유기 층상구조 점토는 혼합물의 총 중량에 대하여 0.1 내지 20 wt%로 포함되는 것인, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    폴리올레핀은 혼합물의 총 중량에 대하여 50 내지 99 wt%로 포함되는 것인, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    용융 압출은 180℃ 내지 230℃의 배럴 온도, 30rpm 내지 80rpm의 회전속도 및 3분 내지 10분의 체류시간으로 실행되는 것인, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 따라 제조되고,
    폴리올레핀; 상기 폴리올레핀 사슬에 용융 삽입되는 유기 층상구조 점토; 및 상기 유기 층상구조 점토를 분산시키는데 사용된 중공상 유리 미소구를 포함하는, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체로,
    상기 중공상 유리 미소구는 나노복합체 전체 중량을 기준으로 1 내지 7 wt%의 함량으로 포함되는 것인, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    유기 점토의 층간 거리가 33.19 ~ 33.44Å 이고, 항복점에서의 인장응력이 32.58 ~ 33.40 MPa이고, 인장강도가 33.06 ~ 36.92 MPa이고, 연신률이 255 ~ 330%인, 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체.
  11. 제8항의 폴리올레핀-유기 점토 하이브리드 나노복합체로부터 제조된 배리어 필름.
  12. 제11항에 있어서, 두께 1㎛에 있어서의 20℃, 90% RH에서의 산소 투과도가, 80 cc·mm/m2·day·atm 이하인, 배리어 필름.
  13. 제12항의 배리어 필름을 포함하는 플라스틱 기판.
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