KR102180931B1 - Graphene oxide filler with aminated flame retardant, and polypropylene nanocomposite using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 그래핀 옥사이드 충전제에 관한 것으로, 상용화제 및 난연제를 포함하는 그래핀 옥사이드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히 상기 난연제는 상기 그래핀 옥사이드의 표면 또는 가장자리에 존재하는 작용기에 결합되어 있고, 상기 상용화제는 상기 그래핀 옥사이드 또는 상기 난연제에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 충전제로서, 기저 고분자에 대한 우수한 상용성 및 분산성으로 인해 기저 고분자의 물성 향상을 위해 필요한 충전제 첨가량을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 그래핀 옥사이드 충전제를 포함하는 난연성 폴리프로필렌 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상기 그래핀 옥사이드 충전제를 통해 기존의 폴리프로필렌에 비하여 우수한 난연성 및 기계적 성질을 갖는 난연성 폴리프로필렌 조성물을 얻을 수 있다.
The present invention relates to a graphene oxide filler, and to a graphene oxide including a compatibilizer and a flame retardant and a method for preparing the same. In particular, the flame retardant is bonded to a functional group present on the surface or edge of the graphene oxide, and the compatibilizer is a filler, characterized in that it is bonded to the graphene oxide or the flame retardant, excellent compatibility with the base polymer And due to the dispersibility, it is possible to reduce the amount of filler added to improve the physical properties of the base polymer.
In addition, the present invention relates to a flame-retardant polypropylene composition comprising the graphene oxide filler and a method for manufacturing the same, and provides a flame-retardant polypropylene composition having excellent flame retardancy and mechanical properties compared to conventional polypropylene through the graphene oxide filler. Can be obtained.

Description

아민화된 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드 충전제 및 이를 이용한 폴리프로필렌 나노복합재료조성물 {GRAPHENE OXIDE FILLER WITH AMINATED FLAME RETARDANT, AND POLYPROPYLENE NANOCOMPOSITE USING THE SAME}Graphene oxide filler modified with aminated flame retardant and polypropylene nanocomposite composition using the same {GRAPHENE OXIDE FILLER WITH AMINATED FLAME RETARDANT, AND POLYPROPYLENE NANOCOMPOSITE USING THE SAME}

본 발명은, 그래핀 옥사이드 충전제에 관한 것으로, 특히 상용화제 및 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a graphene oxide filler, and in particular, to a graphene oxide modified with a compatibilizer and a flame retardant, and a method for preparing the same.

또한, 본 발명은 그래핀 옥사이드 충전제를 포함하는 난연성 폴리프로필렌 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상기 충전제를 통해 기존의 폴리프로필렌에 비하여 우수한 난연성 및 기계적 성질을 갖는 폴리프로필렌 복합 재료를 얻을 수 있다. In addition, the present invention relates to a flame-retardant polypropylene composition comprising a graphene oxide filler and a method for producing the same, and through the filler, a polypropylene composite material having excellent flame retardancy and mechanical properties compared to conventional polypropylene can be obtained.

본 발명의 난연성 폴리프로필렌 조성물은 건설, 자동차, 전자, 가구, 패키징 등과 같은 최종 완제품 산업에서 이용될 수 있다. The flame retardant polypropylene composition of the present invention can be used in the final finished product industries such as construction, automobile, electronics, furniture, packaging, and the like.

범용 수지로 많이 사용되는 폴리프로필렌은 일상 가전 제품, 건축 자재, 자동차 소재 등 다양한 부문에서 사용된다. 그러나 폴리프로필렌은 가연성의 물질로서 화재의 위험 등을 방지하기 위한 방안이 필요하다.Polypropylene, which is widely used as a general-purpose resin, is used in various fields such as everyday home appliances, building materials, and automotive materials. However, as polypropylene is a combustible material, a plan is needed to prevent the risk of fire.

일반적으로 사용되는 난연제로는 할로겐계 난연제, 무기계 난연제, 및 인계 난연제 등이 있다. 할로겐계 난연제는 난연성이 우수하여 가장 널리 사용되는 난연제이다. 그러나 연소되는 과정에서 독성가스가 발생하여 환경 및 인체에 치명적인 문제를 유발하기 때문에 사용이 금지되고 있는 추세이다. 이에 반해 무기계 난연제는 할로겐을 함유하지 않아 무독성이나, 무기계 난연제는 30 중량% 이상의 첨가가 요구되고, 이러한 고함량의 난연제의 첨가는 기저 고분자의 점성을 증가시켜 가공성을 낮추며, 기계적 성질에도 악영향을 미치는 문제점이 있다. 인계 난연제 또한 환경 및 인체 유해성 문제를 해결할 수 있는 난연제이지만 기저 고분자에 첨가되었을 때 기계적 물성을 떨어뜨린다는 문제점이 있어 이를 보완하기 위한 방안이 요구된다. Commonly used flame retardants include halogen-based flame retardants, inorganic flame retardants, and phosphorus-based flame retardants. Halogen-based flame retardants are the most widely used flame retardants because of their excellent flame retardancy. However, since toxic gas is generated during combustion, which causes fatal problems to the environment and human body, its use is prohibited. On the other hand, inorganic flame retardants do not contain halogen and are non-toxic, but inorganic flame retardants require the addition of 30% by weight or more, and the addition of such a high content flame retardant increases the viscosity of the base polymer, lowering processability, and adversely affecting mechanical properties. There is a problem. Phosphorus-based flame retardants are also flame retardants that can solve environmental and human hazard problems, but there is a problem that mechanical properties are deteriorated when added to the base polymer, so a plan to compensate for this is required.

한편, 그래핀은 탄소 원자로만 이루어진 흑연, 풀러렌, 탄소나노튜브 등의 탄소 동소체들 중 하나이다. 그래핀은 하나의 탄소 원자가 세 개의 탄소 원자와 sp2 공유 결합을 하고 있으며, 2 차원의 판상 구조를 가지고 있다는 점이 특징이다. 그래핀은 2 차원 판상 구조로 인해 우수한 전기적, 열적, 및 기계적 특성을 가지나, 순수한 그래핀은 고분자 수지와 혼합되는 경우 상용성이 낮은 문제가 있다. 한편, 산화 과정을 거친 그래핀으로서 그래핀 옥사이드는 표면에 다양한 작용기가 존재하여 2 차적인 화학반응을 통해 개질이 용이한 물질이다.On the other hand, graphene is one of carbon allotropes such as graphite, fullerene, and carbon nanotubes composed of only carbon atoms. Graphene is characterized by the fact that one carbon atom has a sp 2 covalent bond with three carbon atoms and has a two-dimensional plate-like structure. Graphene has excellent electrical, thermal, and mechanical properties due to a two-dimensional plate structure, but pure graphene has a problem of low compatibility when mixed with a polymer resin. Meanwhile, as graphene that has undergone an oxidation process, graphene oxide is a material that can be easily modified through a secondary chemical reaction because various functional groups exist on the surface.

이러한 그래핀 및 그래핀 옥사이드를 이용하여 고분자 복합재료의 물성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그래핀에 난연제를 도입하기 위한 시도가 있다. 한국등록특허 제 1665680 호는 인 성분이 도핑된 산화그래핀을 포함하는 난연제에 관한 것으로서, 인산 또는 폴리인산을 통해 산화 그래핀의 표면을 개질하였다. 또한, 중국공개특허 제 107325324 호는 난연성 대전 방지 폴리프로필렌 발포 비드에 관한 것으로서, 열가소성 수지에 포스핀 옥사이드 및 그래핀 탄소나노섬유 등을 첨가하여 난연성을 부여하였다. Research has been actively conducted to improve the physical properties of polymer composite materials using such graphene and graphene oxide, and there are attempts to introduce flame retardants into graphene. Korean Patent No. 1665680 relates to a flame retardant containing graphene oxide doped with a phosphorus component, and the surface of graphene oxide is modified through phosphoric acid or polyphosphoric acid. In addition, Chinese Laid-Open Patent No. 107325324 relates to a flame-retardant antistatic polypropylene foam bead, in which phosphine oxide and graphene carbon nanofibers are added to a thermoplastic resin to impart flame retardancy.

그러나, 상기 발명과 같이 난연제로만 개질된 산화그래핀을 고분자 수지에 첨가할 경우 상용성이 낮아 분산성이 떨어지고 고함량의 그래핀이 필요하여 고분자 복합재료의 물성에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 소량의 첨가로도 기지재에 우수한 난연성을 부여할 수 있고, 기계적 물성도 향상시킬 수 있는 충전제의 개발이 요구된다.However, when graphene oxide modified only with a flame retardant as described above is added to a polymer resin, its compatibility is low, dispersibility is poor, and a high content of graphene is required, which may adversely affect the physical properties of the polymer composite material. Therefore, it is required to develop a filler capable of imparting excellent flame retardancy to the matrix material even with a small amount of addition and improving mechanical properties.

한국등록특허 제 1665680 호 (2016.10.06 등록)Korean Patent No. 1665680 (registered on Oct. 6, 2016) 중국공개특허 제 107325324 호 (2017.11.07 공개)Chinese Patent Publication No. 107325324 (published on November 7, 2017)

본 발명의 그래핀 옥사이드 충전제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 난연제 및 상용화제를 포함하는 그래핀 옥사이드 충전제 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The graphene oxide filler of the present invention was devised to solve the above problems, and an object thereof is to provide a graphene oxide filler including a flame retardant and a compatibilizer, and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명은 폴리프로필렌 및 상기 그래핀 옥사이드 충전제를 포함하는 난연성 폴리프로필렌 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide a flame-retardant polypropylene composition comprising polypropylene and the graphene oxide filler, and a method of manufacturing the same.

본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 이러한 목적 및 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.The present invention can also aim to achieve these objects and other objects that can be easily derived by a person skilled in the art from the general description of the present specification, in addition to the above-described clear objects.

본 발명의 그래핀 옥사이드 충전제는 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, Graphene oxide filler of the present invention in order to achieve the object as described above,

난연제로 개질된 그래핀 옥사이드 100 중량부, 및100 parts by weight of graphene oxide modified with a flame retardant, and

상용화제 20 내지 1000 중량부, 바람직하게는 80 내지 800 중량부, 더욱 바람직하게는 100 내지 500 중량부를 포함하고, 20 to 1000 parts by weight of a compatibilizer, preferably 80 to 800 parts by weight, more preferably 100 to 500 parts by weight,

상기 난연제는 상기 그래핀 옥사이드의 표면 또는 가장자리에 존재하는 작용기에 결합되어 있고,The flame retardant is bonded to a functional group present on the surface or edge of the graphene oxide,

상기 상용화제는 상기 그래핀 옥사이드 또는 상기 난연제에 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.The compatibilizer is characterized in that it is bound to the graphene oxide or the flame retardant.

또한, 상기 상용화제는 반응성 상용화제인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the compatibilizer may be characterized in that it is a reactive compatibilizer.

그리고, 상기 상용화제는 말레무수산이 그래프트된 폴리프로필렌 또는 말레무수산이 그래프트된 폴리에틸렌인 것이 바람직하다.In addition, the compatibilizer is preferably polypropylene grafted with maleic anhydride or polyethylene grafted with maleic anhydride.

또한, 상기 난연제는 아민기를 갖는 인계 난연제인 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the flame retardant may be characterized in that it is a phosphorus-based flame retardant having an amine group.

또한, 상기 난연제는, 포스페이트계 난연제, 포스포네이트계 난연제, 포스피네이트계 난연제, 포스파젠계 난연제, 멜라민포스페이트계 난연제, 암모늄 폴리포스페이트계 난연제, 암모늄 포스피네이트계 난연제, 포스포페난트렌계 난연제, 포스핀 옥사이드계 난연제 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. In addition, the flame retardant is a phosphate-based flame retardant, a phosphonate-based flame retardant, a phosphinate-based flame retardant, a phosphazene-based flame retardant, a melamine phosphate-based flame retardant, an ammonium polyphosphate-based flame retardant, an ammonium phosphinate-based flame retardant, a phosphophenanthrene-based flame retardant. , It may be selected from the group consisting of a phosphine oxide-based flame retardant and a mixture thereof.

그리고, 상기 난연제는 아민화된 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드(triphenylene phosphine oxide)일 수 있다.Further, the flame retardant may be an aminated triphenylene phosphine oxide.

또한, 상기 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드는,In addition, the graphene oxide modified with the flame retardant,

그래핀 옥사이드 35 내지 65 중량%, 바람직하게는 40 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 45 내지 55 중량%, 및Graphene oxide 35 to 65% by weight, preferably 40 to 60% by weight, more preferably 45 to 55% by weight, and

난연제 35 내지 65 중량%, 바람직하게는 40 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 45 내지 55 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it contains 35 to 65% by weight of the flame retardant, preferably 40 to 60% by weight, more preferably 45 to 55% by weight.

한편, 본 발명의 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법은,On the other hand, the manufacturing method of the graphene oxide filler of the present invention,

(A) 방향족 인계 난연제에 아민기(-NH2)를 형성하는 단계;(A) forming an amine group (-NH 2 ) in the aromatic phosphorus-based flame retardant;

(B) 그래핀 옥사이드를 용매 상에 분산시키고, 초음파 처리를 하는 단계;(B) dispersing graphene oxide in a solvent and performing ultrasonic treatment;

(C) 상기 그래핀 옥사이드 용액에 상기 아민기가 형성된 난연제를 첨가하여 그래핀 옥사이드를 난연제로 개질시키는 단계; 및(C) modifying graphene oxide with a flame retardant by adding a flame retardant in which the amine group is formed to the graphene oxide solution; And

(D) 상기 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드를 상용화제와 혼합하여 그래핀 옥사이드에 상기 상용화제를 도입시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.(D) mixing the graphene oxide modified with the flame retardant with a compatibilizer to introduce the compatibilizer to the graphene oxide; characterized by comprising a.

그리고, 상기 방향족 난연제는 방향족 인계 난연제일 수 있다.In addition, the aromatic flame retardant may be an aromatic phosphorus-based flame retardant.

그리고, 상기 방향족 난연제는 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드(triphenylene phosphine oxide)인 것이 바람직하다.In addition, the aromatic flame retardant is preferably triphenylene phosphine oxide (triphenylene phosphine oxide).

그리고, 상기 상용화제는 말레무수산이 그래프트된 폴리프로필렌인 것이 바람직하다.And, it is preferable that the compatibilizer is polypropylene grafted with maleic anhydride.

그리고, 상기 용매는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran)일 수 있다.In addition, the solvent may be tetrahydrofuran.

또한, 상기 단계 A는,In addition, the step A,

(a) 방향족 난연제에 니트로기(-NO2)를 형성하는 단계; 및(a) forming a nitro group (-NO 2 ) in the aromatic flame retardant; And

(b) 상기 니트로기가 형성된 방향족 난연제를 환원시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.(b) reducing the aromatic flame retardant in which the nitro group is formed; may be characterized by including.

그리고, 상기 단계 a는,And, the step a,

방향족 난연제 100 중량부, 및 100 parts by weight of an aromatic flame retardant, and

질산 200 내지 800 중량부, 바람직하게는 250 내지 600 중량부, 더욱 바람직하게는 300 내지 500 중량부를 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.Nitric acid 200 to 800 parts by weight, preferably 250 to 600 parts by weight, more preferably 300 to 500 parts by weight may be characterized by mixing.

또한, 상기 단계 a는 반응온도를 18 내지 40 ℃, 바람직하게는 20 내지 35 ℃, 더욱 바람직하게는 22 내지 30 ℃로 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, step a may be characterized in that the reaction temperature is maintained at 18 to 40°C, preferably at 20 to 35°C, and more preferably at 22 to 30°C.

또한, 상기 단계 a는 반응시간이 2 내지 7 시간, 바람직하게는 3 내지 6 시간, 더욱 바람직하게는 4 내지 5 시간인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the step a may be characterized in that the reaction time is 2 to 7 hours, preferably 3 to 6 hours, more preferably 4 to 5 hours.

그리고, 상기 단계 a 이후, 단계 b 이전에 단계 a의 생성물을 얼음물에 넣어 추출시킨 후 필터링하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In addition, after step a and before step b, the product of step a is added to ice water for extraction, and filtering may be further included.

또한, 상기 단계 b는, In addition, the step b,

상기 니트로기가 형성된 난연제 100 중량부, 및100 parts by weight of the flame retardant formed with the nitro group, and

SnCl2(Tin(II)chloride) 200 내지 1000 중량부, 바람직하게는 300 내지 900 중량부, 더욱 바람직하게는 400 내지 800 중량부를 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.SnCl 2 (Tin(II)chloride) 200 to 1000 parts by weight, preferably 300 to 900 parts by weight, more preferably 400 to 800 parts by weight, may be characterized by mixing.

또한, 상기 단계 b는,In addition, the step b,

염산 100 중량부, 및 100 parts by weight of hydrochloric acid, and

에탄올 100 내지 400 중량부, 바람직하게는 150 내지 300 중량부, 더욱 바람직하게는 180 내지 250 중량부를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 할 수 있다.100 to 400 parts by weight of ethanol, preferably 150 to 300 parts by weight, more preferably 180 to 250 parts by weight, may be further added.

또한, 상기 단계 b는,In addition, the step b,

반응온도를 18 내지 40 ℃, 바람직하게는 20 내지 35 ℃, 더욱 바람직하게는 22 내지 30 ℃로 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.It may be characterized by maintaining the reaction temperature at 18 to 40°C, preferably at 20 to 35°C, and more preferably at 22 to 30°C.

또한, 상기 단계 b는, 반응시간이 2 내지 8 시간, 바람직하게는 3 내지 7 시간, 더욱 바람직하게는 4 내지 6 시간인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, step b may be characterized in that the reaction time is 2 to 8 hours, preferably 3 to 7 hours, and more preferably 4 to 6 hours.

그리고, 상기 단계 A 이후, 단계 B 이전에 수산화나트륨을 통해 단계 B의 생성물을 추출하고 필터링하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.And, it may be characterized in that it further comprises the step of extracting and filtering the product of step B through sodium hydroxide after step A and before step B.

또한, 상기 단계 C는 반응온도를 40 내지 100 ℃, 바람직하게는 50 내지 90 ℃, 더욱 바람직하게는 60 내지 80 ℃로 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the step C may be characterized in that the reaction temperature is maintained at 40 to 100 ℃, preferably 50 to 90 ℃, more preferably 60 to 80 ℃.

또한, 상기 단계 C는 반응시간이 3 내지 10시간, 바람직하게는 4 내지 9시간, 더욱 바람직하게는 5 내지 8시간인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the step C may be characterized in that the reaction time is 3 to 10 hours, preferably 4 to 9 hours, more preferably 5 to 8 hours.

그리고, 상기 단계 C 이후, 단계 D 이전에 단계 C의 생성물을 필터링을 통해 걸러내고, 용매를 이용하여 세척하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In addition, after step C and before step D, filtering the product of step C through filtering and washing with a solvent may be further included.

또한, 상기 단계 D는, 반응온도를 100 내지 300 ℃, 바람직하게는 150 내지 250 ℃, 더욱 바람직하게는 170 내지 220 ℃로 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the step D may be characterized in that the reaction temperature is maintained at 100 to 300 °C, preferably 150 to 250 °C, more preferably 170 to 220 °C.

또한, 상기 단계 D는, 반응시간이 2 내지 16 분, 바람직하게는 4 내지 12 분, 더욱 바람직하게는 6 내지 10분인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the step D may be characterized in that the reaction time is 2 to 16 minutes, preferably 4 to 12 minutes, more preferably 6 to 10 minutes.

또한, 상기 단계 D는 혼합기를 사용하고, 상기 혼합기의 회전속도가 30 내지 120 rpm, 바람직하게는 40 내지 100 rpm, 더욱 바람직하게는 50 내지 80 rpm인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the step D may be characterized in that a mixer is used, and a rotational speed of the mixer is 30 to 120 rpm, preferably 40 to 100 rpm, more preferably 50 to 80 rpm.

한편, 본 발명의 난연성 폴리프로필렌 조성물은,On the other hand, the flame retardant polypropylene composition of the present invention,

폴리프로필렌 76 내지 98 중량%, 바람직하게는 79 내지 95 중량%, 더욱 바람직하게는 82 내지 94 중량%, 및 76 to 98% by weight of polypropylene, preferably 79 to 95% by weight, more preferably 82 to 94% by weight, and

상기 그래핀 옥사이드 충전제 2 내지 24 중량%, 바람직하게는 5 내지 21 중량%, 더욱 바람직하게는 6 내지 18 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The graphene oxide filler is characterized in that it comprises 2 to 24% by weight, preferably 5 to 21% by weight, more preferably 6 to 18% by weight.

또한, 상기 난연성 폴리프로필렌 조성물은, 상기 그래핀 옥사이드 충전제 및 폴리프로필렌을 용융 혼합하여 제조한 것이 바람직하다.In addition, the flame-retardant polypropylene composition is preferably prepared by melt-mixing the graphene oxide filler and polypropylene.

그리고, 상기 용융 혼합은 압출기를 사용하여 혼합하고, 상기 압출기의 회전속도는 50 내지 500 rpm, 바람직하게는 100 내지 400 rpm, 더욱 바람직하게는 150 내지 300 rpm 으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.And, the melt mixing is mixed using an extruder, and the rotation speed of the extruder may be characterized in that 50 to 500 rpm, preferably 100 to 400 rpm, more preferably 150 to 300 rpm.

그리고, 상기 용융 혼합은, 반응온도를 80 내지 300 ℃, 바람직하게는 100 내지 250 ℃, 더욱 바람직하게는 160 내지 220 ℃ 로 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the melt mixing may be characterized in that the reaction temperature is maintained at 80 to 300 °C, preferably 100 to 250 °C, more preferably 160 to 220 °C.

그리고, 난연지수는 7 내지 25, 바람직하게는 10 내지 20, 보다 바람직하게는 12 내지 17일 수 있다.And, the flame retardant index may be 7 to 25, preferably 10 to 20, more preferably 12 to 17.

본 발명에 따른 그래핀 옥사이드 충전제는 난연제로 표면이 개질된 그래핀 옥사이드로서 난연성을 가지고, 또한 상용화제로 표면이 개질되어 기저 고분자와의 상용성이 우수하여 분산성이 우수하다. The graphene oxide filler according to the present invention is graphene oxide whose surface is modified with a flame retardant and has flame retardancy, and has excellent dispersibility due to excellent compatibility with the base polymer because the surface is modified with a compatibilizer.

또한, 본 발명의 그래핀 옥사이드 충전제는 아민기를 형성시킨 개질된 난연제를 도입시켜 제조하는 것으로서, 그래핀 옥사이드 표면에 최대한 많은 양의 난연제를 부착할 수 있다. In addition, the graphene oxide filler of the present invention is prepared by introducing a modified flame retardant formed with an amine group, and a large amount of the flame retardant can be attached to the surface of the graphene oxide.

한편, 본 발명에 따른 난연성 폴리프로필렌 조성물은 상기 그래핀 옥사이드 충전제를 포함하는 폴리프로필렌으로서, 충전제의 난연제로 인한 난연성을 가지고, 특히 인계 난연제를 사용할 경우 난연제로 인한 인체 및 환경에 대한 독성 문제도 해결할 수 있다.On the other hand, the flame retardant polypropylene composition according to the present invention is a polypropylene containing the graphene oxide filler, has flame retardancy due to the flame retardant of the filler, and in particular, when using a phosphorus-based flame retardant, also solves the toxicity problem to the human body and the environment due to the flame retardant I can.

또한, 본 발명의 난연성 폴리프로필렌 조성물은 상용성 및 분산성이 우수한 충전제를 포함함으로써 상기 충전제의 소량 첨가만으로도 기계적 성질이 향상될 수 있고, 특히 우수한 인장 탄성률과 인장 강도를 갖는다. 이를 통해 종래에 문제가 되었던 고함량의 충전제 첨가에 따른 복합 소재의 가공성 및 기계적 성질 감소 문제를 개선할 수 있을 것이다.In addition, since the flame-retardant polypropylene composition of the present invention includes a filler having excellent compatibility and dispersibility, mechanical properties can be improved only by adding a small amount of the filler, and has particularly excellent tensile modulus and tensile strength. Through this, it is possible to improve the problem of reducing processability and mechanical properties of the composite material due to the addition of a high content filler, which has been a problem in the prior art.

한편, 복합 소재의 성능 향상에 우수한 효과를 나타내는 본 발명의 그래핀 옥사이드 충전제는 폴리프로필렌에 대한 충전제로 한정되지 않으며 자동차 소재, 건축 소재 등 다양한 분야에서의 응용이 기대된다.On the other hand, the graphene oxide filler of the present invention, which has an excellent effect on improving the performance of composite materials, is not limited to a filler for polypropylene, and is expected to be applied in various fields such as automobile materials and construction materials.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드를 제조하는 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조한 아민화된 TPPO로 개질된 그래핀 옥사이드의 적외선 분광 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조한 아민화된 TPPO로 개질된 그래핀 옥사이드의 X선 광전자 분광 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조한 폴리프로필렌 조성물의 한계산소지수를 나타낸 그래프이다.
1 shows a method of preparing graphene oxide modified with a flame retardant as an embodiment according to the present invention.
2 is an infrared spectral spectrum of graphene oxide modified with aminated TPPO prepared according to the present invention.
3 is an X-ray photoelectron spectral spectrum of graphene oxide modified with aminated TPPO prepared according to the present invention.
4 is a graph showing the limiting oxygen index of the polypropylene composition prepared according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

다만, 아래는 특정 실시예들을 예시하여 상세히 설명하는 것일 뿐, 본 발명은 다양하게 변경될 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있기 때문에, 예시된 특정 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, the following is only for describing in detail by exemplifying specific embodiments, and since the present invention may be variously changed and may have various forms, the present invention is not limited to the illustrated specific embodiments. It is to be understood that the present invention includes all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

또한, 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 설명되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the following description, there are many specific matters such as specific elements, etc., which are provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention can be practiced without these specific matters. It is self-evident to those who have the knowledge of Further, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

그리고, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Unless otherwise defined, all terms, including technical and scientific terms, used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.

본 출원에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In this application, expressions in the singular include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 출원에서, '포함하다', '함유하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소(또는 구성성분) 등이 존재함을 지칭하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.In the present application, terms such as'include','include', or'have' are intended to refer to the presence of features, elements (or constituents), etc. described in the specification, but one or more other features or It does not mean that the component or the like does not exist or cannot be added.

본 출원에서 '난연지수'란 하기 식으로 정의된다:In this application, the'flame retardant index' is defined by the following formula:

난연지수 = ( 난연제 반응시간 / 상용화제 반응시간 ) Flame retardant index = (flame retardant reaction time / compatibilizer reaction time)

× ( 상용화제 혼합 rpm / 수지 혼합 rpm ).× (compatibilizer mixing rpm / resin mixing rpm).

본 발명은 그래핀 옥사이드 충전제에 관한 것으로, 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드 및 상용화제를 포함하고, 상기 난연제는 상기 그래핀 옥사이드의 표면 또는 가장자리에 존재하는 작용기에 결합되어 있고, 상기 상용화제는 상기 그래핀 옥사이드 또는 상기 난연제에 결합되어 있는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a graphene oxide filler, including graphene oxide and a compatibilizer modified with a flame retardant, the flame retardant is bonded to a functional group present on the surface or edge of the graphene oxide, and the compatibilizer is the It is characterized in that it is bonded to graphene oxide or the flame retardant.

상기 그래핀 옥사이드 충전제는 그래핀 옥사이드가 난연제 및 상용화제와 결합을 이루어 그래핀 옥사이드의 표면이 개질된 것을 말한다. 그래핀 옥사이드는 판상형 구조로서 그 표면에 다양한 작용기가 존재하며, 상기 작용기는 카르복실기, 카르보닐기, 하이드록시기, 에폭시기 등 여러가지 산소 기능기들을 말한다. 이러한 작용기는 난연제 및 상용화제의 작용기 또는 비공유 전자쌍 등과 반응하여 공유 결합 등을 형성할 수 있고, 그 결과 난연제 및 상용화제가 그래핀 옥사이드 표면에 다량 존재하는 그래핀 옥사이드 충전제를 형성할 수 있다. The graphene oxide filler refers to that the surface of the graphene oxide is modified by combining graphene oxide with a flame retardant and a compatibilizer. Graphene oxide has a plate-like structure and has various functional groups on its surface, and the functional groups refer to various oxygen functional groups such as a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxy group, and an epoxy group. Such a functional group may react with a functional group of a flame retardant and a compatibilizer or a non-shared electron pair to form a covalent bond, and as a result, a graphene oxide filler in which a flame retardant and a compatibilizer are present in a large amount on the graphene oxide surface may be formed.

상기 그래핀 옥사이드 충전제는 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드 100 중량부에 대하여, 상용화제 20 내지 1000 중량부, 바람직하게는 80 내지 800 중량부, 더욱 바람직하게는 100 내지 500 중량부를 포함할 수 있다. 상용화제의 함량이 상기 범위 미만인 경우, 상용화제의 역할이 충분히 작용하지 못하여 충전제의 분산성이 떨어지고, 상기 범위를 초과하는 경우, 상용화제로 인해 복합재료의 물성에 악영향을 미칠 수 있다.The graphene oxide filler may include 20 to 1000 parts by weight of a compatibilizer, preferably 80 to 800 parts by weight, more preferably 100 to 500 parts by weight, based on 100 parts by weight of graphene oxide modified with a flame retardant. When the content of the compatibilizer is less than the above range, the dispersibility of the filler is deteriorated because the role of the compatibilizer does not sufficiently function, and when it exceeds the above range, the physical properties of the composite material may be adversely affected by the compatibilizer.

상용화제(Compatibilizer)는 서로 다른 원료 사이에 호환성을 부여하는 역할을 하는 화합물로서, 본 발명의 상용화제는 반응성 상용화제일 수 있고, 통상의 기술자가 적절한 상용화제를 채택할 수 있다. 특히, 상용화제로서 말레무수산이 그래프트된 폴리프로필렌(Maleic anhydride grafted polypropylene, MAPP) 또는 말레무수산이 그래프트된 폴리에틸렌(Maleic anhydride grafted polyethylene, MAPE)을 사용할 경우 우수한 분산성을 가지는 그래핀 옥사이드 충전제를 얻을 수 있다.A compatibilizer is a compound that serves to impart compatibility between different raw materials, and the compatibilizer of the present invention may be a reactive compatibilizer, and a person skilled in the art may adopt an appropriate compatibilizer. In particular, when using maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP) or maleic anhydride grafted polyethylene (MAPE) as a compatibilizer, graphene oxide fillers having excellent dispersibility are used. Can be obtained.

그리고, 상기 난연제는 할로겐계 난연제 또는 비할로겐계 난연제일 수 있으나, 인체 및 환경에 유해한 가스의 생성을 막을 수 있는 인계 난연제를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서, 상기 난연제는 포스페이트계 난연제, 포스포네이트계 난연제, 포스피네이트계 난연제, 포스파젠계 난연제, 멜라민포스페이트계 난연제, 암모늄 폴리포스페이트계 난연제, 암모늄 포스피네이트계 난연제, 포스포페난트렌계 난연제, 포스핀 옥사이드계 난연제 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. Further, the flame retardant may be a halogen-based flame retardant or a non-halogen-based flame retardant, but it is preferable to use a phosphorus-based flame retardant capable of preventing the generation of gases harmful to the human body and the environment. In this aspect, the flame retardant is a phosphate-based flame retardant, a phosphonate-based flame retardant, a phosphinate-based flame retardant, a phosphazene-based flame retardant, a melamine phosphate-based flame retardant, an ammonium polyphosphate-based flame retardant, an ammonium phosphinate-based flame retardant, a phosphophenanthrene-based It may be selected from the group consisting of a flame retardant, a phosphine oxide-based flame retardant, and a mixture thereof, but is not limited thereto.

또한, 상기 난연제는 아민기를 갖는 인계 난연제일 수 있는데, 아민기를 갖는 경우, 그래핀 옥사이드 표면 또는 가장자리에 존재하는 작용기와 반응이 용이하고, 특히 에폭시기 및 카르복실기와 반응하여 결합을 형성할 수 있다. 따라서 그래핀 옥사이드 표면 또는 가장자리에 최대한 많은 난연제를 부착할 수 있어, 고분자에 첨가되는 경우, 소량의 그래핀 옥사이드 충전제로도 기지재인 고분자의 난연성을 극대화할 수 있다. 이에 따라, 다량의 그래핀 옥사이드 충전제의 첨가로 인한 기지재의 가공성 및 기계적 물성 하락 문제를 방지할 수 있다. In addition, the flame retardant may be a phosphorus-based flame retardant having an amine group, and if it has an amine group, it is easy to react with a functional group present on the surface or edge of the graphene oxide, and in particular, it may react with an epoxy group and a carboxyl group to form a bond. Therefore, it is possible to attach as many flame retardants as possible to the surface or edge of the graphene oxide, and when added to the polymer, the flame retardancy of the polymer as a matrix material can be maximized even with a small amount of graphene oxide filler. Accordingly, it is possible to prevent the problem of deterioration in processability and mechanical properties of the matrix material due to the addition of a large amount of graphene oxide filler.

상기 아민기를 갖는 인계 난연제는, 아민화된 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드(aminated triphenylene phosphine oxide, aTPPO)로 개질된 그래핀 옥사이드일 수 있고, 상기 물질이 도입되는 경우 우수한 난연성을 나타낼 수 있다. The phosphorus-based flame retardant having an amine group may be graphene oxide modified with aminated triphenylene phosphine oxide (ATPPO), and when the material is introduced, excellent flame retardancy may be exhibited.

또한, 본 발명의 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드는, 그래핀 옥사이드 35 내지 65 중량%, 바람직하게는 40 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 45 내지 55 중량%, 및 난연제 35 내지 65 중량%, 바람직하게는 40 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 45 내지 55 중량% 를 포함할 수 있고, 상기 중량% 범위 내에서 충분한 난연성을 나타낼 수 있다.In addition, the graphene oxide modified with the flame retardant of the present invention, graphene oxide 35 to 65 wt%, preferably 40 to 60 wt%, more preferably 45 to 55 wt%, and a flame retardant 35 to 65 wt%, It may include preferably 40 to 60% by weight, more preferably 45 to 55% by weight, and may exhibit sufficient flame retardancy within the above weight% range.

난연성을 평가하는 방법으로서, 한계산소지수(Limiting Oxygen Index, LOI)를 측정할 수 있다. 한계산소지수는 시료의 연소가 지속되기 위해 필요한 최소산소농도이며, 한계산소지수가 클수록 난연성이 우수함을 의미한다. 질소를 포함하는 혼합 공기 중의 산소 농도는 약 20 % 이므로, 20 이하의 산소지수를 갖는 물질은 쉽게 연소되는 물질이라고 볼 수 있다.As a method of evaluating flame retardancy, the Limiting Oxygen Index (LOI) can be measured. The limiting oxygen index is the minimum oxygen concentration required to sustain the combustion of a sample, and the larger the limiting oxygen index, the better the flame retardancy. Since the oxygen concentration in the mixed air containing nitrogen is about 20%, a material having an oxygen index of 20 or less can be regarded as a material that is easily combusted.

한편, 본 발명의 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법은, On the other hand, the manufacturing method of the graphene oxide filler of the present invention,

(A) 방향족 난연제에 아민기(-NH2)를 형성하는 단계;(A) forming an amine group (-NH 2 ) in the aromatic flame retardant;

(B) 그래핀 옥사이드를 용매 상에 분산시키고, 초음파 처리를 하는 단계;(B) dispersing graphene oxide in a solvent and performing ultrasonic treatment;

(C) 상기 그래핀 옥사이드 용액에 상기 아민기가 형성된 난연제를 첨가하여 그래핀 옥사이드를 난연제로 개질시키는 단계; 및(C) modifying graphene oxide with a flame retardant by adding a flame retardant in which the amine group is formed to the graphene oxide solution; And

(D) 상기 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드를 상용화제와 혼합하여 그래핀 옥사이드에 상기 상용화제를 도입시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.(D) mixing the graphene oxide modified with the flame retardant with a compatibilizer to introduce the compatibilizer to the graphene oxide; characterized by comprising a.

상기 방향족 난연제는 비할로겐계 난연제인 인계 난연제인 것이 바람직하고, 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드(triphenylene phosphine oxide, TPPO)일 수 있다. 상기 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드에 아민기가 형성된 경우, 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드의 아민기가 그래핀 옥사이드 표면 또는 가장자리에 존재하는 작용기와 반응이 잘 일어날 수 있기 때문이다. 특히, 아민기는 그래핀 옥사이드의 에폭시기 및 카르복시기 모두와 반응이 일어날 수 있어, 그래핀 옥사이드에 많은 양을 부착시킬 수 있고, 상용화제와도 반응이 쉽게 일어날 수 있어 제조가 용이하다.The aromatic flame retardant is preferably a phosphorus flame retardant that is a non-halogen flame retardant, and may be triphenylene phosphine oxide (TPPO). This is because when an amine group is formed in the triphenylene phosphine oxide, the amine group of the triphenylene phosphine oxide can react well with a functional group present on the surface or edge of the graphene oxide. In particular, the amine group can be reacted with both the epoxy group and the carboxy group of the graphene oxide, so that a large amount can be attached to the graphene oxide, and the reaction can easily occur even with a compatibilizer, making it easy to manufacture.

그리고, 상기 상용화제는 반응성 상용화제인 것이 바람직하고 특히 말레무수산이 그래프트된 폴리프로필렌(Maleic anhydride grafted polypropylene, MAPP) 또는 말레무수산이 그래프트된 폴리에틸렌(Maleic anhydride grafted polyethylene, MAPE)을 사용할 경우 폴리프로필렌에 대하여 우수한 상용성을 나타낼 수 있다.In addition, the compatibilizer is preferably a reactive compatibilizer, and in particular, when using maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP) or maleic anhydride grafted polyethylene (MAPE), polypropylene It can exhibit excellent compatibility with.

방향족 난연제에 아민기를 형성하는 단계는 방향족 화합물에 아민기를 형성하는 다양한 아민화반응을 이용할 수 있고, 특히 니트로화반응 및 환원반응을 순차적으로 진행하여 아민기를 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 단계 A는,In the step of forming an amine group in the aromatic flame retardant, various amination reactions for forming an amine group in the aromatic compound may be used, and in particular, the nitration reaction and the reduction reaction may be sequentially performed to form an amine group. Accordingly, the step A,

(a) 방향족 난연제에 니트로기(-NO2)를 형성하는 단계; 및(a) forming a nitro group (-NO 2 ) in the aromatic flame retardant; And

(b) 상기 니트로기가 형성된 방향족 난연제를 환원시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. (b) reducing the aromatic flame retardant in which the nitro group is formed; may be characterized by including.

방향족 난연제에 니트로기를 형성하는 단계에 있어서, 방향족 난연제 100 중량부, 및 질산 200 내지 800 중량부, 바람직하게는 250 내지 600 중량부, 더욱 바람직하게는 300 내지 500 중량부를 혼합하는 것일 수 있다. 난연제에 대하여 질산이 상기 범위 미만인 경우 난연제에 니트로기가 충분히 형성되지 않을 수 있고, 반면에 질산이 상기 범위를 초과하는 경우 지나친 강산 조건이 형성되어 난연제가 손상될 수 있기 때문이다. In the step of forming a nitro group in the aromatic flame retardant, 100 parts by weight of the aromatic flame retardant, and 200 to 800 parts by weight of nitric acid, preferably 250 to 600 parts by weight, and more preferably 300 to 500 parts by weight may be mixed. This is because when nitric acid is less than the above range for the flame retardant, the nitro group may not be sufficiently formed in the flame retardant, whereas when the nitric acid exceeds the above range, excessive strong acid conditions may be formed and the flame retardant may be damaged.

또한, 니트로화반응의 반응온도는 18 내지 40 ℃, 바람직하게는 20 내지 35 ℃, 더욱 바람직하게는 22 내지 30 ℃로 유지될 수 있다. 반응온도가 상기 범위 미만인 경우 반응이 진행되기 어렵고, 반면에 반응온도가 상기 범위를 초과하는 경우 지나친 열에 의해 난연제가 손상될 수 있다.In addition, the reaction temperature of the nitration reaction may be maintained at 18 to 40°C, preferably 20 to 35°C, and more preferably 22 to 30°C. When the reaction temperature is less than the above range, the reaction is difficult to proceed, whereas when the reaction temperature exceeds the above range, the flame retardant may be damaged by excessive heat.

또한, 니트로화반응의 반응시간은 2 내지 7 시간, 바람직하게는 3 내지 6 시간, 더욱 바람직하게는 4 내지 5 시간일 수 있다. 반응시간이 상기 범위 미만인 경우 니트로기가 충분히 형성되지 않을 수 있고, 반면에 반응시간이 상기 범위를 초과하는 경우 상기 반응시간 내에 반응이 모두 완료되어 추가적인 반응이 일어나지 않아 시간 및 에너지가 낭비될 수 있다.In addition, the reaction time of the nitration reaction may be 2 to 7 hours, preferably 3 to 6 hours, more preferably 4 to 5 hours. When the reaction time is less than the above range, the nitro group may not be sufficiently formed. On the other hand, when the reaction time exceeds the above range, the reaction is all completed within the reaction time and no further reaction occurs, which may waste time and energy.

그리고, 방향족 난연제의 니트로기가 환원된 후 생성물을 얼음물에 넣어 추출시킨 후 필터링하는 것이 바람직하다.In addition, after the nitro group of the aromatic flame retardant is reduced, it is preferable to extract the product by putting it in ice water and then filtering it.

한편, 니트로기의 환원단계에 있어서, 환원제는 금속과 산, 금속과 알칼리, 또는 황화물을 사용하거나 이외의 환원 방법을 이용할 수 있고, 특히 HCl/SnCl2 존재 하에 환원이 쉽게 진행될 수 있다. On the other hand, in the reduction step of the nitro group, the reducing agent may use a metal and an acid, a metal and an alkali, or a sulfide, or other reduction methods may be used. In particular, the reduction may easily proceed in the presence of HCl/SnCl 2 .

SnCl2를 이용하여 환원시키는 경우, 상기 단계 b는 상기 단계 a에 따라 형성된 니트로기가 형성된 난연제 100 중량부, 및 SnCl2(Tin(II)chloride) 200 내지 1000 중량부, 바람직하게는 300 내지 900 중량부, 더욱 바람직하게는 400 내지 800 중량부를 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다. SnCl2의 함량이 상기 범위 미만일 경우 반응시간이 지나치게 길어질 수 있고, 반면에 SnCl2의 함량이 상기 범위를 초과할 경우 반응 완료 후에 생성물을 정제하는 과정에서 대량의 SnCl2를 제거하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 수율이 떨어질 우려가 있을 수 있다.In the case of reduction using SnCl 2 , the step b includes 100 parts by weight of the flame retardant formed with the nitro group formed according to the step a, and 200 to 1000 parts by weight of SnCl 2 (Tin(II)chloride), preferably 300 to 900 parts by weight. Parts, more preferably 400 to 800 parts by weight may be characterized by mixing. When the content of SnCl 2 is less than the above range, the reaction time may be too long, whereas when the content of SnCl 2 exceeds the above range, it is difficult to remove a large amount of SnCl 2 in the process of purifying the product after completion of the reaction. In addition, there may be a concern that the yield may decrease.

이 때, 첨가되는 염산과 에탄올에 있어서, 염산 100 중량부에 대하여 에탄올 100 내지 400 중량부, 바람직하게는 150 내지 300 중량부, 더욱 바람직하게는 180 내지 250 중량부를 첨가할 수 있다. 에탄올의 중량부가 상기 범위 미만일 경우 SnCl2를 모두 녹이지 못할 수 있고, 반면에 에탄올의 중량부가 상기 범위를 초과할 경우 용매의 양이 지나치게 되어 반응물의 농도가 낮아지고, 반응이 효과적으로 이루어지지 않을 수 있다.In this case, with respect to the hydrochloric acid and ethanol to be added, 100 to 400 parts by weight of ethanol, preferably 150 to 300 parts by weight, more preferably 180 to 250 parts by weight of ethanol may be added based on 100 parts by weight of hydrochloric acid. If the weight part of ethanol is less than the above range, all SnCl 2 may not be dissolved. On the other hand, if the weight part of ethanol exceeds the above range, the concentration of the reactant decreases due to excessive amounts of the solvent, and the reaction may not be carried out effectively. have.

또한, 상기 니트로기를 환원시키는 반응은 반응온도를 18 내지 40 ℃, 바람직하게는 20 내지 35 ℃, 더욱 바람직하게는 22 내지 30 ℃로 유지하는 것일 수 있다. 반응온도가 상기 범위 미만일 경우 반응이 일어나기 어렵고, 반면에 반응온도가 상기 범위를 초과할 경우 열에 의해 난연제가 손상될 수 있다.In addition, the reaction for reducing the nitro group may be to maintain the reaction temperature at 18 to 40°C, preferably at 20 to 35°C, and more preferably at 22 to 30°C. When the reaction temperature is less than the above range, the reaction is difficult to occur, whereas when the reaction temperature exceeds the above range, the flame retardant may be damaged by heat.

또한, 상기 니트로기를 환원시키는 반응은 반응시간이 2 내지 8 시간, 바람직하게는 3 내지 7 시간, 더욱 바람직하게는 4 내지 6 시간일 수 있다. 반응시간이 상기 범위 미만인 경우 니트로기가 충분히 환원되지 않을 수 있고, 반면에 반응시간이 상기 범위를 초과할 경우 이미 환원이 완료되어 시간 및 에너지가 낭비된다.In addition, the reaction for reducing the nitro group may have a reaction time of 2 to 8 hours, preferably 3 to 7 hours, and more preferably 4 to 6 hours. When the reaction time is less than the above range, the nitro group may not be sufficiently reduced. On the other hand, when the reaction time exceeds the above range, the reduction is already completed and time and energy are wasted.

그리고, 아민기가 형성된 난연제가 생성되면 수산화나트륨을 통해 생성물을 추출하고 필터링하는 것이 바람직하다.In addition, when a flame retardant having an amine group is generated, it is preferable to extract and filter the product through sodium hydroxide.

본 발명의 난연제에 아민기를 도입하는 일 실시예로서, 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드에 아민기를 도입하는 두 단계의 반응은 반응식 1과 같이 표시될 수 있다.As an example of introducing an amine group into the flame retardant of the present invention, the reaction of the two steps of introducing an amine group into triphenylene phosphine oxide may be represented as in Scheme 1.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112018132384015-pat00001
Figure 112018132384015-pat00001

한편, 건조 분말 상태의 그래핀 옥사이드는 판상형의 구조가 겹겹이 겹쳐있는 형태로서, 그래핀 옥사이드를 용매 상에 분산시킨 다음 초음파처리(ultrasonication)를 통해 낱장으로 박리시킬 수 있다. 상기 용매는 통상의 기술자가 적절한 용매를 채용할 수 있으나, 테트라하이드로퓨란을 이용하는 것이 바람직하다.On the other hand, the graphene oxide in a dry powder state is a form in which a plate-like structure is overlapped, and the graphene oxide is dispersed in a solvent, and then the graphene oxide can be separated into a single sheet through ultrasonication. As the solvent, a suitable solvent may be used by a person skilled in the art, but it is preferable to use tetrahydrofuran.

그래핀 옥사이드에 초음파 처리를 한 후, 그래핀 옥사이드 용액에 난연제를 첨가하여 그래핀 옥사이드와 난연제의 반응을 유도하고 결합이 형성되도록 한다. 이 때, 반응온도를 40 내지 100 ℃, 바람직하게는 50 내지 90 ℃, 더욱 바람직하게는 60 내지 80 ℃로 유지하는 것일 수 있다. 반응온도가 상기 범위 미만인 경우 반응이 일어나기 어렵고, 반면에 반응온도가 상기 범위를 초과할 경우 열에 의해 그래핀 옥사이드 표면의 작용기가 손상될 수 있다. After sonicating the graphene oxide, a flame retardant is added to the graphene oxide solution to induce a reaction between the graphene oxide and the flame retardant, and to form a bond. At this time, the reaction temperature may be maintained at 40 to 100 °C, preferably 50 to 90 °C, more preferably 60 to 80 °C. When the reaction temperature is less than the above range, the reaction is difficult to occur. On the other hand, when the reaction temperature exceeds the above range, the functional groups on the surface of the graphene oxide may be damaged by heat.

또한, 난연제로 그래핀 옥사이드를 개질하는 단계는, 반응시간이 3 내지 10시간, 바람직하게는 4 내지 9시간, 더욱 바람직하게는 5 내지 8시간일 수 있다. 반응시간이 상기 범위 미만인 경우 그래핀 옥사이드가 난연제로 충분히 개질되지 않고, 반면에 반응시간이 상기 범위를 초과할 경우 이미 반응이 완료된 것일 수 있다.In addition, in the step of modifying the graphene oxide with a flame retardant, the reaction time may be 3 to 10 hours, preferably 4 to 9 hours, more preferably 5 to 8 hours. If the reaction time is less than the above range, the graphene oxide is not sufficiently modified with a flame retardant, whereas if the reaction time exceeds the above range, the reaction may have already been completed.

난연제로 그래핀 옥사이드를 개질하는 단계의 일 실시예로서, 아민화된 TPPO를 난연제로 사용한 경우, 반응은 하기 반응식 2와 같이 표현될 수 있다.As an example of the step of modifying graphene oxide as a flame retardant, when aminated TPPO is used as a flame retardant, the reaction may be expressed as in Scheme 2 below.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112018132384015-pat00002
Figure 112018132384015-pat00002

이와 같은 그래핀 옥사이드의 개질 단계가 완료되면, 생성물은 필터링을 통해 걸러내고, 용매를 이용하여 3 회 이상 세척하는 것이 바람직하고, 상기 용매는 테트라하이드로퓨란일 수 있다.When the step of reforming the graphene oxide is completed, the product is filtered through filtering and washed three or more times using a solvent, and the solvent may be tetrahydrofuran.

난연제로 개질된 그래핀 옥사이드는 상용화제와 혼합되고, 이 때 상용화제는 상기 난연제의 아민기와 반응하여 결합되거나, 그래핀 옥사이드의 표면의 작용기와 반응하여 결합되는 방법으로 그래핀 옥사이드에 도입될 수 있다. 이와 같은 반응의 일 실시예로서, 상용화제인 말레무수산이 그래프트된 폴리프로필렌(MAPP)과 난연제(아민화된 TPPO)로 개질된 그래핀 옥사이드의 반응이 하기 반응식 3와 같이 표현될 수 있다. MAPP의 말레무수산과 난연제의 아민기는 반응을 통해 아미드 결합(-CONH-)을 형성할 수 있어 쉽게 다량의 상용화제를 부착할 수 있다.The graphene oxide modified with a flame retardant is mixed with a compatibilizer, and at this time, the compatibilizing agent may be introduced into the graphene oxide by reacting with the amine group of the flame retardant or by reacting with the functional group on the surface of the graphene oxide. have. As an example of such a reaction, the reaction between polypropylene (MAPP) grafted with maleic anhydride as a compatibilizer and graphene oxide modified with a flame retardant (aminated TPPO) may be expressed as shown in Scheme 3 below. The maleic anhydride of MAPP and the amine group of the flame retardant can form an amide bond (-CONH-) through reaction, so that a large amount of compatibilizer can be easily attached.

[반응식 3][Scheme 3]

Figure 112018132384015-pat00003
Figure 112018132384015-pat00003

상용화제를 도입하는 반응은, 반응온도를 100 내지 300 ℃, 바람직하게는 150 내지 250 ℃, 더욱 바람직하게는 170 내지 220 ℃로 유지하는 것일 수 있다. 반응온도가 상기 범위 미만인 경우 반응이 일어나기 어렵고, 반면에 반응온도가 상기 범위를 초과할 경우 열에 의해 반응물이 손상될 수 있다.The reaction of introducing the compatibilizer may be to maintain the reaction temperature at 100 to 300°C, preferably 150 to 250°C, more preferably 170 to 220°C. When the reaction temperature is less than the above range, the reaction is difficult to occur, whereas when the reaction temperature exceeds the above range, the reaction product may be damaged by heat.

또한, 반응시간이 2 내지 16 분, 바람직하게는 4 내지 12 분, 더욱 바람직하게는 6 내지 10분일 수 있다. 반응시간이 상기 범위 미만인 경우 반응이 충분히 진행되기 어렵고, 반면에 반응시간이 상기 범위를 초과하는 경우 상용화제의 열화(thermal degradation)가 발생할 수 있다. In addition, the reaction time may be 2 to 16 minutes, preferably 4 to 12 minutes, more preferably 6 to 10 minutes. When the reaction time is less than the above range, it is difficult to sufficiently proceed the reaction, whereas when the reaction time exceeds the above range, thermal degradation of the compatibilizer may occur.

또한, 상용화제와 그래핀 옥사이드를 혼합하기 위하여 혼합기를 사용하고, 상기 혼합기는 밀폐식 혼합기(internal mixer)일 수 있다. 상기 혼합기의 회전속도는 30 내지 120 rpm, 바람직하게는 40 내지 100 rpm, 더욱 바람직하게는 50 내지 80 rpm일 수 있다. 회전속도가 상기 범위 미만인 경우 뭉쳐있는 그래핀 옥사이드에 가해지는 전단응력(shear stress)이 약해 그래핀 옥사이드의 박리가 효과적이지 않을 수 있고, 반면에 회전속도가 상기 범위를 초과하는 경우 혼합물의 균일성이 떨어져 그래핀 옥사이드와 상용화제의 반응이 충분히 일어나지 않을 수 있다.In addition, a mixer is used to mix the compatibilizer and graphene oxide, and the mixer may be an internal mixer. The rotational speed of the mixer may be 30 to 120 rpm, preferably 40 to 100 rpm, more preferably 50 to 80 rpm. If the rotation speed is less than the above range, the shear stress applied to the aggregated graphene oxide may be weak, so that the peeling of the graphene oxide may not be effective. On the other hand, if the rotation speed exceeds the above range, the uniformity of the mixture Apart from this, the reaction between the graphene oxide and the compatibilizer may not occur sufficiently.

한편, 본 발명의 난연성 폴리프로필렌 조성물은, 폴리프로필렌 76 내지 98 중량%, 바람직하게는 79 내지 95 중량%, 더욱 바람직하게는 82 내지 94 중량%, 및 상기 그래핀 옥사이드 충전제 2 내지 24 중량%, 바람직하게는 5 내지 21 중량%, 더욱 바람직하게는 6 내지 18 중량% 를 포함할 수 있다. 폴리프로필렌에 대하여 그래핀 옥사이드 충전제의 함량이 상기 범위 미만인 경우 충전제의 역할을 충분히 할 수 없을 수 있고, 반면에 상기 범위를 초과하는 경우 폴리프로필렌의 가공성을 저하시킬 수 있으며, 상기 범위 내일 때 경제적, 상업적 측면에서 적절한 난연성을 나타낼 수 있다. On the other hand, the flame-retardant polypropylene composition of the present invention, polypropylene 76 to 98% by weight, preferably 79 to 95% by weight, more preferably 82 to 94% by weight, and the graphene oxide filler 2 to 24% by weight, Preferably it may include 5 to 21% by weight, more preferably 6 to 18% by weight. When the content of the graphene oxide filler for polypropylene is less than the above range, it may not be able to sufficiently play the role of the filler. On the other hand, when it exceeds the above range, the processability of the polypropylene may be deteriorated. It can exhibit appropriate flame retardancy in a commercial aspect.

이와 같은 난연성 폴리프로필렌 조성물은, 그래핀 옥사이드 충전제에 포함된 난연제로 인하여 우수한 난연성을 가지고, 특히 인계 난연제를 사용하였을 경우 인체 및 환경에 대한 독성을 방지할 수 있다. 또한, 그래핀 옥사이드 충전제에 포함된 상용화제로 인하여 상기 충전제와 기저 고분자인 폴리프로필렌의 상용성이 증대되어 충전제의 분산성이 향상된다. 일반적으로 충전제의 함량이 증가할수록 고분자의 점성이 상승하여 고분자의 성형 및 충전제의 분산에 악영향을 미치는데, 본 발명의 충전제는 기저 고분자에 대한 우수한 분산성으로 인해 소량의 첨가만으로도 충분한 효과를 나타낼 수 있고, 고함량 충전제의 첨가에 따른 문제를 방지할 수 있다. Such a flame retardant polypropylene composition has excellent flame retardancy due to the flame retardant included in the graphene oxide filler, and particularly, when a phosphorus flame retardant is used, toxicity to the human body and the environment can be prevented. In addition, due to the compatibilizing agent included in the graphene oxide filler, the compatibility of the filler and the base polymer, polypropylene, is increased, thereby improving the dispersibility of the filler. In general, as the content of the filler increases, the viscosity of the polymer increases, which adversely affects the molding of the polymer and the dispersion of the filler.The filler of the present invention can exhibit a sufficient effect with only a small amount of addition due to its excellent dispersibility in the base polymer. And, it is possible to prevent a problem due to the addition of a high content filler.

한편, 그래핀 자체의 우수한 기계적 물성으로 인해 본 발명의 그래핀 옥사이드 충전제를 포함하는 난연성 폴리프로필렌 조성물은 기계적 물성이 우수하며, 특히 기존의 폴리프로필렌에 비하여 우수한 인장 탄성률(Young's modulus) 및 인장 강도(Tensile strength)를 갖는다. 상기 인장 탄성률은 재료의 강성도를 나타내는 값으로서, 응력(stress)과 변형도(strain)의 비율로 정의된다. 또한, 상기 인장 강도는 파단이 일어날 때까지의 최대 하중을 재료의 단면적으로 나눈 값이다.On the other hand, due to the excellent mechanical properties of graphene itself, the flame-retardant polypropylene composition including the graphene oxide filler of the present invention has excellent mechanical properties, and in particular, it has excellent tensile modulus (Young's modulus) and tensile strength ( Tensile strength). The tensile modulus is a value representing the stiffness of a material, and is defined as a ratio of stress and strain. In addition, the tensile strength is a value obtained by dividing the maximum load until fracture occurs by the cross-sectional area of the material.

그리고, 상기 난연성 폴리프로필렌 조성물은 상기 그래핀 옥사이드 충전제 및 폴리프로필렌을 용융 혼합(melt blending)하여 제조할 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 충전제 및 고분자를 복합시키기 위한 공지된 방법을 이용할 수 있다. 다만, 상기 용융 혼합법은 용매가 필요하지 않고 대량생산에 유리한 방법으로서 본 발명의 난연성 폴리프로필렌 제조에 있어 바람직한 방법이다.In addition, the flame-retardant polypropylene composition may be prepared by melt blending the graphene oxide filler and polypropylene, but is not limited thereto, and a known method for combining the filler and the polymer may be used. However, the melt mixing method does not require a solvent and is an advantageous method for mass production, and is a preferred method for producing the flame-retardant polypropylene of the present invention.

상기 용융 혼합은 압출기를 사용하여 혼합할 수 있고, 상기 압출기는 이축압출기(Twin screw extruder)인 것이 바람직하며, 압출기의 회전속도는 50 내지 500 rpm, 바람직하게는 100 내지 400 rpm, 더욱 바람직하게는 150 내지 300 rpm으로 할 수 있다. 회전속도가 상기 범위 미만일 경우 혼합물에 가해지는 전단 응력이 약해 기지재 내 충전제의 효과적인 분산이 어려우며, 반면에 상기 범위를 초과하는 경우 혼합물의 점성이 낮아 압출하는데 어려움이 있을 수 있다.The melt mixing may be mixed using an extruder, the extruder is preferably a twin screw extruder, and the rotational speed of the extruder is 50 to 500 rpm, preferably 100 to 400 rpm, more preferably It can be 150 to 300 rpm. When the rotational speed is less than the above range, the shear stress applied to the mixture is weak, making it difficult to effectively disperse the filler in the matrix. On the other hand, when the rotational speed exceeds the above range, the viscosity of the mixture may be low, making extrusion difficult.

또한, 상기 용융 혼합은 반응온도를 반응온도를 140 내지 350 ℃, 바람직하게는 150 내지 300 ℃, 더욱 바람직하게는 160 내지 240 ℃로 유지할 수 있다. 반응온도가 상기 범위 미만일 경우 폴리프로필렌이 용융되지 않을 수 있고, 반면에 상기 범위를 초과하는 경우 열화가 발생할 수 있다.In addition, the melt mixing may maintain the reaction temperature at 140 to 350 °C, preferably 150 to 300 °C, more preferably 160 to 240 °C. When the reaction temperature is less than the above range, polypropylene may not be melted, whereas when the reaction temperature exceeds the above range, deterioration may occur.

본 발명에 따른 난연성 폴리프로필렌 조성물의 일 실시예로서, 폴리프로필렌에 아민화된 TPPO 및 상용화제가 도입된 그래핀 옥사이드를 첨가하였을 때 반응은 하기 반응식 4와 같이 표현될 수 있다.As an embodiment of the flame-retardant polypropylene composition according to the present invention, when the aminated TPPO and graphene oxide into which a compatibilizer is introduced are added to polypropylene, the reaction can be expressed as shown in Scheme 4 below.

[반응식 4][Scheme 4]

Figure 112018132384015-pat00004
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본 발명에서는 수지의 난연성을 제조공정 중에서 담보하기 위해 '난연지수'라는 새로운 운전변수를 도입하였다. 상기 '난연지수'는 하기 식으로 정의된다:In the present invention, in order to ensure the flame retardancy of the resin in the manufacturing process, a new operating variable called'flame retardant index' was introduced. The'flame retardant index' is defined by the following formula:

난연지수 = ( 난연제 반응시간 / 상용화제 반응시간 ) Flame retardant index = (flame retardant reaction time / compatibilizer reaction time)

× ( 상용화제 혼합 rpm / 수지 혼합 rpm ).× (compatibilizer mixing rpm / resin mixing rpm).

식 중, 난연제 반응시간이란 그래핀 옥사이드와 난연제가 반응하는 시간을 가리키고, 상용화제 반응시간이란 상기 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드가 상용화제와 반응하는 시간을 가리킨다. 그리고, 상용화제 혼합 rpm이란 상기 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드가 상용화제와 반응할 때의 혼합 rpm을 가리키고, 수지 혼합 rpm이란 상용화제까지 반응시킨 그래핀 옥사이드 충전제를 폴리프로필렌 등의 수지와 혼합할 때의 rpm을 가리킨다.In the formula, the flame retardant reaction time refers to the reaction time of the graphene oxide and the flame retardant, and the compatibilizer reaction time refers to the reaction time of the graphene oxide modified with the flame retardant with the compatibilizer. In addition, the compatibilizer mixing rpm refers to the mixing rpm when the graphene oxide modified with the flame retardant reacts with the compatibilizer, and the resin mixing rpm refers to the graphene oxide filler reacted with the compatibilizer to be mixed with a resin such as polypropylene. It indicates the rpm of the time.

본 발명에서 상기 난연지수는 7 내지 25, 바람직하게는 10 내지 20, 보다 바람직하게는 12 내지 17일 수 있다. 난연지수가 상기 범위 미만이면 충분한 난연성을 담보할 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 상용성이 떨어지고 운전비가 과다해지는 문제점이 있다.In the present invention, the flame retardant index may be 7 to 25, preferably 10 to 20, more preferably 12 to 17. If the flame retardancy index is less than the above range, sufficient flame retardancy cannot be ensured. Conversely, if the flame retardant index exceeds the above range, compatibility is poor and operation costs are excessive.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.

실시예Example

제조Produce Yes 1: 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드의 아민화 1: Amination of triphenylene phosphine oxide

트라이페닐렌 포스핀 옥사이드(triphenylene phosphine oxide, TPPO)에 니트로기(-NO2)를 생성하기 위하여 TPPO 및 질산을 1 : 4의 몰비로 상온에서 4 시간 동안 진행하였으며, 약 84 %의 수율을 보였다. 반응이 완료된 혼합액은 얼음물에 넣어 생성물을 추출시킨 후 필터링 방법을 이용해 걸러냈다. In order to generate nitro group (-NO 2 ) in triphenylene phosphine oxide (TPPO), TPPO and nitric acid were performed at room temperature in a molar ratio of 1:4 for 4 hours, and a yield of about 84% was shown. . After the reaction was completed, the mixture was put in ice water to extract the product, and then filtered using a filtering method.

그 후, 환원반응을 통해 니트로기를 아민기로 환원시키기 위하여, SnCl2(Tin(II)chloride)을 니트로기가 생성된 TPPO와 혼합하였으며 이 때 TPPO와 SnCl2의 무게비는 1 : 6 로 하였다. 또한, 염산과 에탄올을 부피비 1 : 2 로 혼합하여 상온에서 5 시간 동안 진행하였으며, 약 65 %의 수율을 나타냈다. 반응이 완료된 혼합 용액은 수산화나트륨(NaOH)에 부어서 생성물을 추출하였고 필터링을 통해 걸러내어 아민화된 TPPO(aTPPO)를 얻었다.Then, in order to reduce the nitro group to the amine group through a reduction reaction, SnCl 2 (Tin(II)chloride) was mixed with TPPO where the nitro group was generated, and the weight ratio of TPPO and SnCl 2 was 1:6. In addition, hydrochloric acid and ethanol were mixed in a volume ratio of 1: 2 and proceeded at room temperature for 5 hours, and a yield of about 65% was shown. The mixed solution after the reaction was completed was poured into sodium hydroxide (NaOH) to extract the product, and filtered through filtering to obtain aminated TPPO (aTPPO).

제조예 2: 아민화된 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드로 개질된 그래핀 옥사이드의 제조Preparation Example 2: Preparation of modified graphene oxide with aminated triphenylene phosphine oxide

건조된 분말 상태의 그래핀 옥사이드를 테트라히드로퓨란 용매 상에 분산시킨 후, 초음파처리(ultrasonication)를 통해 낱장으로 박리시켰다. 여기에 상기 제조예 1에 따라 제조된 아민화된 TPPO를 용해시키고 60 ℃를 유지한 상태에서 6 시간 동안 반응시켜 그래핀 옥사이드와 아민화된 TPPO 사이의 공유 결합을 유도하였다. 6 시간 후, 개질된 그래핀 옥사이드는 필터링을 통해 걸러내고, 미반응 물질은 테트라히드로퓨란을 이용해 3 회 이상의 세척과정을 거쳐 제거하여 아민화된 TPPO로 개질된 그래핀 옥사이드를 얻었다.After the dried powdered graphene oxide was dispersed in a tetrahydrofuran solvent, it was peeled off into sheets through ultrasonication. Here, the aminated TPPO prepared according to Preparation Example 1 was dissolved and reacted for 6 hours at 60° C. to induce a covalent bond between the graphene oxide and the aminated TPPO. After 6 hours, the modified graphene oxide was filtered through filtering, and the unreacted material was removed through three or more washing processes using tetrahydrofuran to obtain a modified graphene oxide with aminated TPPO.

시험예 1: 아민화된 TPPO로 개질된 그래핀 옥사이드의 분석Test Example 1: Analysis of graphene oxide modified with aminated TPPO

제조예 2에 따라 제조한 아민화된 TPPO로 개질된 그래핀 옥사이드(aTPPO-GO)에 대하여, 적외선 분광 스펙트럼을 통하여 분석하였다(도 2). 반응시간이 지남에 따라 그래핀 옥사이드의 에폭시기 피크(920 내지 1010 cm-1)와 카르복실산기 피크(1690 내지 1780 cm-1)가 사라지고, 아민기 피크(680 내지 720 cm-1)와 아미드기(1570 내지 1610 cm-1)에 해당하는 피크가 생성된 것을 확인하였다. 이것은 그래핀 옥사이드 표면의 카르복실산기 및 에폭시기와 아민화된 TPPO의 반응이 진행됨에 따른 결과이다.The graphene oxide (aTPPO-GO) modified with aminated TPPO prepared according to Preparation Example 2 was analyzed through an infrared spectral spectrum (FIG. 2). As the reaction time passed, the epoxy group peak (920 to 1010 cm -1 ) and the carboxylic acid group peak (1690 to 1780 cm -1 ) disappeared, and the amine group peak (680 to 720 cm -1 ) and the amide group disappeared. It was confirmed that a peak corresponding to (1570 to 1610 cm -1 ) was generated. This is a result of the reaction of the aminated TPPO with the carboxylic acid group and the epoxy group on the surface of the graphene oxide.

한편, 제조예 1에 따라 제조된 aTPPO-GO에 대하여, X선 광전자 분광법을 통해 분석하였다(도 3). 이를 통해 반응시간이 지남에 따라 개질된 그래핀 옥사이드의 인 원자량이 증가하였으며, 이를 통해 그래핀 옥사이드가 aTPPO로 잘 개질되었음을 알 수 있다.Meanwhile, aTPPO-GO prepared according to Preparation Example 1 was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (FIG. 3). Through this, the amount of phosphorus atoms of the modified graphene oxide increased as the reaction time passed, and it can be seen that the graphene oxide was well modified with aTPPO.

제조예 3: 말레무수산이 그래프트된 폴리프로필렌을 도입한 그래핀 옥사이드 충전제의 제조Preparation Example 3: Preparation of graphene oxide filler incorporating polypropylene grafted with maleic anhydride

상기 제조예 2에 따라 제조된 아민화된 TPPO로 개질된 그래핀 옥사이드를 말레무수산이 그라프트된 폴리프로필렌과 반응 상용화(reactive compatibilization)를 통해 최종적으로 개질하여 그래핀 옥사이드 충전제를 제조하였다. 이 반응은 밀폐식 혼합기(internal mixer)를 사용하여 190 ℃, 60 rpm으로 8 분 동안 진행하였다. The graphene oxide modified with the aminated TPPO prepared according to Preparation Example 2 was finally modified with polypropylene grafted with maleic anhydride through reactive compatibilization to prepare a graphene oxide filler. This reaction was carried out for 8 minutes at 190° C. and 60 rpm using an internal mixer.

실시예 1: 난연성 폴리프로필렌 조성물의 제조Example 1: Preparation of flame retardant polypropylene composition

상기 제조예 3에 따라 제조된 그래핀 옥사이드 충전제를 폴리프로필렌과 용융 혼합(melt blending)하여 복합재료를 제작하였다. 이 방법은 이축 압출기(twin-screw extruder)를 사용해 190 ℃ 에서 200 rpm 으로 제작되었다. 최종적으로 제작된 복합재료의 조성비는 표 1에 나타내었다. The graphene oxide filler prepared according to Preparation Example 3 was melt blended with polypropylene to prepare a composite material. This method was fabricated at 200 rpm at 190°C using a twin-screw extruder. The composition ratio of the finally produced composite material is shown in Table 1.

비교예 1 내지 4: 폴리프로필렌 및 아민화된 TPPO가 도입된 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리프로필렌 조성물Comparative Examples 1 to 4: Polypropylene composition comprising graphene oxide into which polypropylene and aminated TPPO are introduced

비교예 1은 순수한 폴리프로필렌이며, 비교예 2 내지 4는 상기 실시예 1과 같은 방법을 통해 하기 표 1의 조성비와 같이 제조하였다. Comparative Example 1 is pure polypropylene, and Comparative Examples 2 to 4 were prepared in the same manner as in Example 1 as shown in the composition ratio of Table 1 below.

PP(wt%)PP(wt%) aTPPO-GO(wt%)aTPPO-GO (wt%) MAPP(phr)MAPP(phr) 비교예 1Comparative Example 1 100.0100.0 00 00 비교예 2Comparative Example 2 99.599.5 0.50.5 00 비교예 3Comparative Example 3 99.099.0 1.01.0 00 비교예 4Comparative Example 4 98.098.0 2.02.0 00 실시예 1Example 1 98.098.0 2.02.0 5.05.0

시험예 2: 폴리프로필렌 조성물의 인장 탄성률 및 인장 강도 측정Test Example 2: Measurement of tensile modulus and tensile strength of polypropylene composition

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 대하여 인장 탄성률(Young’s modulus)과 인장 강도(tensile strength)를 측정하였다(표 2).The tensile modulus (Young's modulus) and tensile strength (tensile strength) were measured for Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 (Table 2).

Young's modulus(GPa)Young's modulus(GPa) 증가율
(%)
Rate of increase
(%)
Tensile strength(MPa)Tensile strength(MPa) 증가율
(%)
Rate of increase
(%)
비교예 1Comparative Example 1 1.261.26 -- 28.728.7 -- 비교예 2Comparative Example 2 1.311.31 44 29.329.3 22 비교예 3Comparative Example 3 1.381.38 88 30.730.7 66 비교예 4Comparative Example 4 1.401.40 1212 31.331.3 99 실시예 1Example 1 1.521.52 2828 34.534.5 2020

아민화된 TPPO로 개질된 그래핀 옥사이드의 함량이 증가할수록 인장 탄성률 및 인장 강도가 모두 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시예 1과 같이 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드와 더불어 상용화제 MAPP를 사용할 경우, 인장 탄성률 및 인장 강도의 증가율이 가장 높은 것을 알 수 있었으며, 이는 폴리프로필렌과 충전제 사이의 상용성이 증가하여 분산성이 증가함에 따라 나타나는 결과이다.It was confirmed that both the tensile modulus and tensile strength increased as the content of the aminated TPPO-modified graphene oxide increased. In addition, when using the compatibilizer MAPP together with the graphene oxide modified with the flame retardant as in Example 1, it was found that the increase rate of the tensile modulus and tensile strength was the highest, which increases the compatibility between the polypropylene and the filler. This is a result that appears as the dispersibility increases.

시험예 3: 실시예 1 및 비교예 1 내지 4의 한계산소지수 비교Test Example 3: Comparison of the limiting oxygen index of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 대하여 한계산소지수(Limiting Oxygen Index, LOI)를 측정하였다(표 3).Limiting Oxygen Index (LOI) was measured for Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 (Table 3).

한계산소지수(%)Marginal Oxygen Index (%) 증가율(%)Increase rate (%) 비교예 1Comparative Example 1 18.018.0 -- 비교예 2Comparative Example 2 20.120.1 2.12.1 비교예 3Comparative Example 3 20.620.6 2.62.6 비교예 4Comparative Example 4 21.121.1 3.13.1 실시예 1Example 1 22.122.1 4.14.1

비교예 5 내지 8: 순수한 그래핀 옥사이드를 포함하는 폴리프로필렌 조성물Comparative Examples 5 to 8: Polypropylene composition containing pure graphene oxide

실시예 1과 동일한 방법을 통해 비교예 5 내지 8을 제조하였고, 각각의 조성비는 하기 표 4와 같다. 비교예 5 내지 7은 폴리프로필렌(PP) 및 순수한 그래핀 옥사이(GO)드를 포함하는 조성물이고, 비교예 8은 폴리프로필렌, 순수한 그래핀 옥사이드, 및 MAPP를 포함하는 조성물이다.Comparative Examples 5 to 8 were prepared through the same method as in Example 1, and each composition ratio is shown in Table 4 below. Comparative Examples 5 to 7 are compositions comprising polypropylene (PP) and pure graphene oxide (GO), and Comparative Example 8 is a composition comprising polypropylene, pure graphene oxide, and MAPP.

PP(wt%)PP(wt%) GO(wt%)GO(wt%) MAPP(phr)MAPP(phr) 비교예 5Comparative Example 5 99.599.5 0.50.5 00 비교예 6Comparative Example 6 99.099.0 1.01.0 00 비교예 7Comparative Example 7 98.098.0 2.02.0 00 비교예 8Comparative Example 8 98.098.0 2.02.0 5.05.0

시험예 4: 실시예 1, 비교예 1, 및 5 내지 8의 한계산소지수 비교Test Example 4: Comparison of the limiting oxygen index of Example 1, Comparative Examples 1, and 5 to 8

상기 실시예 1, 비교예 1, 및 5 내지 8에 대하여 한계산소지수(Limiting Oxygen Index, LOI)를 측정하였다(표 5).The limiting oxygen index (LOI) was measured for Example 1, Comparative Examples 1, and 5 to 8 (Table 5).

한계산소지수(%)Marginal Oxygen Index (%) 증가율(%)Increase rate (%) 비교예 1Comparative Example 1 18.018.0 -- 비교예 5Comparative Example 5 18.818.8 0.80.8 비교예 6Comparative Example 6 19.519.5 1.51.5 비교예 7Comparative Example 7 20.520.5 2.52.5 비교예 8Comparative Example 8 20.420.4 2.42.4 실시예 1Example 1 22.122.1 4.14.1

비교예 5 내지 7로부터, 순수한 그래핀 옥사이드의 함량이 증가할수록 폴리프로필렌 나노복합재료의 한계산소지수(Limiting Oxygen Index, LOI)가 증가하였다. 이는 판형으로 이루어진 그래핀 옥사이드가 연소 시 열 차단 막을 형성할 수 있어 자체적인 난연성을 갖고 있기 때문이다. From Comparative Examples 5 to 7, the limiting oxygen index (LOI) of the polypropylene nanocomposite material increased as the content of pure graphene oxide increased. This is because the plate-shaped graphene oxide can form a heat barrier film during combustion, and thus has its own flame retardancy.

또한, 폴리프로필렌 및 순수한 그래핀 옥사이드를 포함하고, MAPP의 유무에만 차이가 있는 비교예 7 및 8은 한계산소지수에 큰 차이가 없었으나, 실시예 1과 같이 MAPP를 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드와 함께 사용하는 경우에는 한계산소지수가 증가하였다. 도 4는 상기 비교예 1 내지 8 및 실시예 1의 한계산소지수를 비교한 그래프이다.In addition, Comparative Examples 7 and 8 containing polypropylene and pure graphene oxide, which differ only in the presence or absence of MAPP, did not have a significant difference in the limiting oxygen index, but graphene oxide modified with MAPP as a flame retardant as in Example 1. When used together, the limiting oxygen index increased. 4 is a graph comparing the limiting oxygen index of Comparative Examples 1 to 8 and Example 1.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 위의 실시예에 국한해서 해석되어서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and those of ordinary skill in the art can implement various modifications without departing from the gist of the present invention. Of course it is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as limited to the above embodiments, and should be defined by the claims and equivalents to the claims described later.

GO: 그래핀 옥사이드(graphene oxide)
PP: 폴리프로필렌(polypropylene)
MAPP: 말레무수산이 그래프트된 폴리프로필렌(Maleic anhydride grafted polypropylene, MAPP)
TPPO: 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드(triphenylene phosphine oxide)
aTPPO: 아민화된 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드(aminated triphenylene phosphine oxide)
aTPPO-GO: 아민화된 트라이페닐렌 포스핀 옥사이드로 개질된 그래핀 옥사이드
GO: graphene oxide
PP: polypropylene
MAPP: Maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP)
TPPO: triphenylene phosphine oxide
aTPPO: aminated triphenylene phosphine oxide
aTPPO-GO: graphene oxide modified with aminated triphenylene phosphine oxide

Claims (20)

난연제로 개질된 그래핀 옥사이드 100 중량부, 및
상용화제 20 내지 1000 중량부를 포함하고,
상기 난연제는 상기 그래핀 옥사이드의 표면 또는 가장자리에 존재하는 작용기에 결합되어 있고,
상기 상용화제는 상기 그래핀 옥사이드 또는 상기 난연제에 결합되어 있고,
상기 난연제는 아민기를 갖는 인계 난연제인 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제.
100 parts by weight of graphene oxide modified with a flame retardant, and
Including 20 to 1000 parts by weight of a compatibilizer,
The flame retardant is bonded to a functional group present on the surface or edge of the graphene oxide,
The compatibilizer is bound to the graphene oxide or the flame retardant,
The flame retardant is a phosphorus-based flame retardant having an amine group, characterized in that, graphene oxide filler.
청구항 1에 있어서,
상기 상용화제는 반응성 상용화제인 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제.
The method according to claim 1,
The compatibilizer is a reactive compatibilizer, characterized in that, graphene oxide filler.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 난연제는, 포스페이트계 난연제, 포스포네이트계 난연제, 포스피네이트계 난연제, 포스파젠계 난연제, 멜라민포스페이트계 난연제, 암모늄 폴리포스페이트계 난연제, 암모늄 포스피네이트계 난연제, 포스포페난트렌계 난연제, 포스핀 옥사이드계 난연제 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제.
The method according to claim 1,
The flame retardant is a phosphate-based flame retardant, phosphonate-based flame retardant, phosphinate-based flame retardant, phosphazene-based flame retardant, melamine phosphate-based flame retardant, ammonium polyphosphate-based flame retardant, ammonium phosphinate-based flame retardant, phosphophenanthrene-based flame retardant, phos Pin oxide-based flame retardant and characterized in that selected from the group consisting of a mixture thereof, graphene oxide filler.
청구항 1에 있어서,
상기 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드는,
그래핀 옥사이드 35 내지 65 중량%, 및
난연제 35 내지 65 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제.
The method according to claim 1,
Graphene oxide modified with the flame retardant,
35 to 65% by weight of graphene oxide, and
It characterized in that it comprises 35 to 65% by weight of a flame retardant, graphene oxide filler.
(A) 방향족 난연제에 아민기(-NH2)를 형성하는 단계;
(B) 그래핀 옥사이드를 용매 상에 분산시키고, 초음파 처리를 하는 단계;
(C) 상기 그래핀 옥사이드 용액에 상기 아민기가 형성된 난연제를 첨가하여 그래핀 옥사이드를 난연제로 개질시키는 단계; 및
(D) 상기 난연제로 개질된 그래핀 옥사이드를 상용화제와 혼합하여 그래핀 옥사이드에 상기 상용화제를 도입시키는 단계;를 포함하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
(A) forming an amine group (-NH 2 ) in the aromatic flame retardant;
(B) dispersing graphene oxide in a solvent and performing ultrasonic treatment;
(C) modifying graphene oxide with a flame retardant by adding a flame retardant in which the amine group is formed to the graphene oxide solution; And
(D) mixing the graphene oxide modified with the flame retardant with a compatibilizer to introduce the compatibilizer to the graphene oxide; including, a method for producing a graphene oxide filler.
청구항 6에 있어서,
상기 단계 A는,
(a) 방향족 난연제에 니트로기(-NO2)를 형성하는 단계; 및
(b) 상기 니트로기가 형성된 방향족 난연제를 환원시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 6,
Step A,
(a) forming a nitro group (-NO 2 ) in the aromatic flame retardant; And
(b) reducing the aromatic flame retardant in which the nitro group is formed; characterized in that it comprises, a method for producing a graphene oxide filler.
청구항 7에 있어서,
상기 단계 a는 반응온도를 18 내지 40 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 7,
The step a is characterized in that maintaining the reaction temperature at 18 to 40 ℃, the method of producing a graphene oxide filler.
청구항 7에 있어서,
상기 단계 a는 반응시간이 2 내지 7 시간인 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 7,
The step a is characterized in that the reaction time is 2 to 7 hours, the method of producing a graphene oxide filler.
청구항 7에 있어서,
상기 단계 b는,
상기 니트로기가 형성된 난연제 100 중량부, 및
SnCl2(Tin(II)chloride) 200 내지 1000 중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 7,
Step b,
100 parts by weight of the flame retardant formed with the nitro group, and
SnCl 2 (Tin(II)chloride), characterized in that mixing 200 to 1000 parts by weight, a method for producing a graphene oxide filler.
청구항 10에 있어서,
상기 단계 b는,
염산 100 중량부, 및
에탄올 100 내지 400 중량부를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 10,
Step b,
100 parts by weight of hydrochloric acid, and
A method for producing a graphene oxide filler, characterized in that 100 to 400 parts by weight of ethanol are additionally added.
청구항 7에 있어서,
상기 단계 b는,
반응온도를 18 내지 40 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 7,
Step b,
The method for producing a graphene oxide filler, characterized in that maintaining the reaction temperature at 18 to 40 ℃.
청구항 7에 있어서,
상기 단계 b는, 반응시간이 2 내지 8 시간인 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 7,
The step b, characterized in that the reaction time is 2 to 8 hours, a method of producing a graphene oxide filler.
청구항 6에 있어서,
상기 단계 C는 반응온도를 40 내지 100 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 6,
The step C is characterized in that maintaining the reaction temperature at 40 to 100 ℃, the method of producing a graphene oxide filler.
청구항 6에 있어서,
상기 단계 C는 반응시간이 3 내지 10 시간인 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 6,
The step C is characterized in that the reaction time is 3 to 10 hours, the method of producing a graphene oxide filler.
청구항 6에 있어서,
상기 단계 D는, 반응온도를 100 내지 300 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 6,
The step D, characterized in that maintaining the reaction temperature at 100 to 300 ℃, the method for producing a graphene oxide filler.
청구항 6에 있어서,
상기 단계 D는, 반응시간이 2 내지 16 분인 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 6,
The step D, characterized in that the reaction time is 2 to 16 minutes, the method of producing a graphene oxide filler.
청구항 6에 있어서,
상기 단계 D는 혼합기를 사용하고, 상기 혼합기의 회전속도가 30 내지 120 rpm인 것을 특징으로 하는, 그래핀 옥사이드 충전제의 제조방법.
The method of claim 6,
The step D is a mixer, characterized in that the rotation speed of the mixer is 30 to 120 rpm, the method for producing a graphene oxide filler.
폴리프로필렌 76 내지 98 중량%, 및
청구항 1, 청구항 2, 청구항 4, 또는 청구항 5 중 어느 한 청구항의 그래핀 옥사이드 충전제 2 내지 24 중량%를 포함하는, 난연성 폴리프로필렌 조성물.
76 to 98% by weight of polypropylene, and
A flame-retardant polypropylene composition comprising 2 to 24% by weight of the graphene oxide filler of any one of claims 1, 2, 4, or 5.
청구항 19에 있어서,
상기 난연성 폴리프로필렌 조성물은, 상기 청구항 1, 청구항 2, 청구항 4, 또는 청구항 5 중 어느 한 청구항의 그래핀 옥사이드 충전제 및 폴리프로필렌을 용융 혼합하여 제조한 것을 특징으로 하는, 난연성 폴리프로필렌 조성물.
The method of claim 19,
The flame-retardant polypropylene composition is characterized in that it is prepared by melt-mixing the graphene oxide filler and polypropylene of any one of claims 1, 2, 4, or 5.
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