KR102329828B1 - 폴리아미드 수지 조성물 및 이로부터 제조된 성형품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리아미드 수지 조성물 및 이로부터 제조된 성형품에 관한 것이다.
상기 폴리아미드 수지 조성물은 조성물 총 중량 기준, 상대점도가 2.0 내지 2.8인 특징으로 하는 폴리아미드 6 수지 45 내지 79 중량%; 폴리아미드 공중합체 10 내지 20 중량%; 무수말레인산으로 그래프팅된 폴리올레핀계 화합물 10 내지 30 중량%를 및 층상실리케이트 화합물 1 내지 5 중량%를 포함하고, 상기 폴리아미드 6 수지는 상대점도가 2.0 내지 2.8인 특징으로 한다.
본 발명의 폴리아미드 수지 조성물은 우수한 저온충격성을 확보하면서도 연료가스 차단성을 나타내며 사출 성형 가공에 유리하다.
또한, 본 발명의 폴리아미드 수지 조성물은 각종 연료가스 차단성이 요구되는 성형품에 적합하며, 특히 자동차 연료계 부품에 적합하다.

Description

폴리아미드 수지 조성물 및 이로부터 제조된 성형품{POLYAMIDE RESIN COMPOSITION AND MOLDED ARTICE MANUFACTURED THEREFROM}
본 발명은 폴리아미드 수지 조성물 및 이로부터 제조된 성형품에 관한 것이다.
자동차 배출 가스의 규제 강화, 소재의 경량화 및 친환경 소재의 요구가 증가되면서, 우수한 기계적 물성 및 저온 충격성이 만족하면서 연료가스 차단성을 향상시킬 수 있는 플라스틱이 개발되고 있다.
폴리아미드 6 수지는 내열성, 탄성률, 강도가 우수하고 기존 자동차 부품에 비해 경량에 해당하여, 자동차 부품 분야에서 폭넓게 이용되고 있지만 저온충격성 및 연료가스 차단성이 저하되는 단점을 가지고 있다.
폴리아미드 6 수지의 저온충격강도를 개선시키는 방법으로 폴리아미드 6에 내충격제를 블렌드하는 방법이 알려져 있다. 상기 방법은 양 고분자의 상용성을 제어함으로 분산 상의 내충격제의 분산 사이즈나 분산상태를 최적화한 폴리머 알로이(Alloy) 기술로 내충격제의 연료가스분자가 쉽게 투과될 수 있다. 이에, 조성물의 충격강도는 크게 개선되지만 연료가스 차단성은 저하된다.
폴리아미드 6 수지의 저온충격강도 및 연료가스 차단성을 향상시키기 위해 최근에는 다층구조소재를 개발하고 있다. 통상적으로 사용되는 폴리아미드 수지는 에틸렌-비닐알코올 공중합체(EVOH, ethylene-vinyl alcohol), 아이오노머(ionomer), 및 폴리비닐알코올(PVA) 등 차단성 수지와 다층구조를 형성하여 사용될수 있다. 그러나 다층구조를 형성하기 위해서는 고가의 다중 압출기 장비를 사용해야 하며, 복잡한 설계 능력이 필요한 단점이 있다.
또 폴리아미드는 튜브, 파이프 또는 탱크와 같이 유체를 저장하거나 이송하는 용도의 단층 또는 다층 구조의 물품을 사출이나 압출-블로우 성형에 의해 제조하는데 사용되지만, 가스 또는 유체에 대해 만족스러울 정도의 차단성을 부여하기 위해서는 이들 재료를 개선할 필요가 있다. 상기 플라스틱 연료탱크 제작 시 가스차단성 나노복합체 조성물은 스크류를 통해 유체를 금형으로 밀어넣는 방법인 사출 성형에 의해 성형품으로써 제조되며, 사출 성형에서도 상대점도(relative viscosity)가 낮은 수지가 보다 유리할 수 있다.
한국 등록특허 제10-1565860호에서는 압출 공정에서 어려움 없이 가공될 수 있는 성형 조성물을 제공하기 위해 폴리아미드-형성 모노머로 이루어진 코폴리아미드, 거대분자 가소제 및 첨가제를 가지는 폴리아미드 성형 조성물에 대한 발명을 개시하고 있으나, 폴리아미드 수지의 상대점도가 높지는 경우, 표면 특성이 사출성형에 적합하지 않는 문제가 존재한다.
따라서, 사출성형성에 있어서 가공성이 떨어지지 않도록 폴리아미드 수지 조성물의 조합을 찾으면서, 저온충격성 및 연료가스 차단성이 우수한 폴리아미드 수지 조성물에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 저온충격성 및 연료가스 차단성이 우수할 뿐만 아니라, 동시에 사출 성형에 용이하게 사용할 수 있는 폴리아미드 수지 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 바람직한 일 구현예로서, 폴리아미드 수지 조성물 총 중량기준, 폴리아미드 6 수지 45 내지 79 중량%; 폴리아미드 공중합체 10 내지 20 중량%; 무수말레인산으로 그래프팅된 폴리올레핀계 화합물 10 내지 30 중량%; 및 층상실리케이트 화합물 1 내지 5 중량%를 포함하고, 상기 폴리아미드 6 수지는 상대점도가 2.0 내지 2.8인 특징으로 하는 폴리아미드 수지 조성물을 제공한다.
상기 폴리아미드 공중합체는 1,6-hexamethylene diamine(HMDA), isophthalic acid (IPA)과 terephthalic acid (TPA)로부터 제조되는 공중합체이며 하기 구조식 1로 표시되는 결합구조를 포함하는 것임을 특징으로 한다.
<구조식 1>
Figure 112017095160924-pat00001
n은 4 내지 12의 정수, m은 50 내지 500 이다.
상기 무수말레인산으로 그래프트된 폴리올레핀계 화합물은 무수말레인산이 그래프트된 에틸렌-옥텐 공중합체, 무수말레인산이 그래프트된 에틸렌-프로필렌-디엔-모노머 및 이들의 혼합물인 열가소성 탄성체 고무 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 층상실리케이트 화합물은 판상의 몬트모릴로나이트 (Montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite) 및 버미큘라이트(vermiculite)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유기화 전처리된 클레이인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 다른 일 구현예로서, 폴리아미드 수지 조성물로부터 제조된 성형품을 제공한다.
본 발명에 따르면 우수한 저온충격성을 확보하면서도 연료가스 차단성을 나타내며 사출 성형 가공에 유리한 폴리아미드 수지 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 폴리아미드 수지 조성물은 각종 연료가스 차단성이 요구되는 성형품에 적합하며, 특히 자동차 연료계 부품에 적합하다.
본 발명의 일 구현예는, 폴리아미드 수지 조성물 총 중량기준, 폴리아미드 6 수지 45 내지 79 중량%; 폴리아미드 공중합체 10 내지 20 중량%; 무수말레인산으로 그래프팅된 폴리올레핀계 화합물 10 내지 30 중량%; 및 층상실리케이트 화합물 1 내지 5 중량%를 포함하고, 상기 폴리아미드 6 수지는 상대점도가 2.0 내지 2.8인 특징으로 하는 폴리아미드 수지 조성물을 제공하는 것이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
(A) 폴리아미드 6 수지
본 발명의 폴리아미드 6 수지는 20℃, 96% 황산 100㎖ 중에 폴리아미드 6 수지 1g을 첨가하였을 때, 측정된 용액의 상대점도가 2.0 내지 2.8 인 것으로, 상대적으로 점도가 낮은 폴리아미드인 것이 바람직하다.
상기 폴리아미드 6 수지는 상대점도가 2.0 내지 2.8이며, 주 베이스 수지 역할을 하는 성분으로, 기존의 고점도 폴리아미드(상대점도가 3.0 내지 3.4인 폴리아미드) 성분에 의해서는 수지의 유동성 낮은 이유로 사출성형이 어려웠던 문제를 저점도 폴리아미드 6을 통해 해소할 수 있다.
상기 폴리아미드 6 수지의 상대점도가 2.0 미만이면 인장강도 및 충격강도가 저하되는 문제가 있을 수 있고, 상대점도가 2.8을 초과하는 경우 높은 점도로 인해 사출시 금형 내에서 용체의 흐름성이 좋지 않아서 사출 성형이 어려워지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 폴리아미드 6 수지는 폴리아미드 수지 조성물 총 중량기준, 45 내지 79 중량% 사용되는 것이 바람직하며, 폴리아미드 6 수지가 45 중량% 미만으로 사용되면 인장강도 및 굴곡강도가 저하되고, 79 중량%를 초과하여 사용되면 상온 상온충격 및 저온충격의 저하가 발생된다.
(B) 폴리아미드 공중합체
본 발명의 폴리아미드 공중합체는 1,6-hexamethylene diamine(HMDA), isophthalic acid (IPA)과 terephthalic acid (TPA)로부터 제조되는 공중합체이며 하기 구조식 1로 표시되는 결합구조를 포함하는 것임을 특징으로 하는 폴리아미드 공중합체이다.
<구조식 1>
Figure 112017095160924-pat00002
n은 4 내지 12의 정수, m은 50 내지 500 이다.
상기 폴리아미드 공중합체는 단독으로 사용할 수 있으나, 물성을 저하시키지 않는 범위에서 폴리아미드 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리스티렌 수지, 열가소성 엘라스토머, 고무 성분 등을 적어도 1종 이상 포함하는 비결정성 폴리아미드 수지의 폴리머 얼로이(alloy)를 사용할 수 있다.
상기 폴리아미드 공중합체는 폴리아마이드 6와 혼합 시 적층 구조(laminar structure) 형태의 분산층을 이루어 기체 차단성이 우수한 특성이 있다. 또 상기 폴리아미드 공중합체는 비결정성 특성이 있어서 혼합물로 사용되는 경우 폴리아미드 6과 폴리아미드 공중합체 혼합물의 결정화온도 및 결정화속도가 동시에 떨어져서, 사출 성형시 폴리아미드 수지 조성물의 고분자가 균일하게 결정될 수 있다.
본 발명에서 상기 폴리아미드 공중합체는 폴리아미드 수지 조성물 총 중량기준, 10 내지 20 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 함량이 10 중량%에 미치지 못할 경우, 가스차단성 및 조성물의 저온충격성 부족한 문제가 발생할 수 있고, 함량이 20 중량%를 초과할 경우, 조성물 결정화속도가 낮아지며 제품 생산 속도가 느려지게 된다.
(C) 내충격제
본 발명에서 사용하는 내충격제는 바람직하기로는 무수말레인산으로 그래프트된 폴리올레계 화합물일 수 있다. 특히, 무수말레인산으로 그래프트한 폴리올레핀(Maleic Anhydride Grafted (MAH) Polyolefin)계 화합물을 사용하면 폴리아미드의 말단 관능기와 말레인산기 반응하여 충격에너지를 흡수 가능한 분자구조 형성 돼 수 있어서 우수한 상온 내충격성 및 저온 내충격 효과를 획득할 수 있다.
상기 무수말레인산으로 그래프트된 폴리올레핀(Maleic Anhydride Grafted (MAH) Polyolefin)계 화합물은 무수말레인산이 그래프트된 에틸렌-옥텐 공중합체, 무수말레인산이 그래프트된 에틸렌-프로필렌-디엔-모노머 및 이들의 혼합물인 열가소성 탄성체 고무 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 내충격제는 폴리아미드 수지 조성물 총 중량기준 10 내지 30 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 내충격제가 10 중량% 미만으로 사용되면 상온내충격성 및 저온충격성 저하한 문제가 있을 수 있고, 30 중량%를 초과하여 사용되면 수지의 흐름성이 좋지 않아서 성형이 어려워지는 문제 및 인장강도 저하 문제가 있을 수 있다.
(D) 층상실리케이트 화합물
본 발명에서 사용하는 층상실리케이트 화합물은 판상의 몬트모릴로나이트 (Montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite) 및 버미큘라이트(vermiculite)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유기화 전처리된 클레이일 수 있다.
상기 유기화 전처리된 클레이는 클레이 제조 시 유기물로 전처리하여 제조할 수 있다. 상기 유기물은 3 내지 4차 암모늄, 포스포늄, 말레에이트, 석시네이트, 아크릴레이트, 벤질릭 하이드로젠, 디메틸디스테아릴 암모늄 및 옥사졸린으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 작용기를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 층상실리케이트 화합물은 불연속상인 폴리아미드 수지 내부에 균일하게 분산되어 가스 차단효과를 발휘한다. 즉, 폴리아미드와 층상실리케이트화합물을 혼련하여 수지내에 층상실리케이트 화합물을 나노크기로 분산시키면, 층상실리케이트 화합물이 차단막 기능을 함은 물론, 고분자 사슬과 층상실리케이트 화합물에 대한 접촉 면적을 최대화하여 가스투과 억제능을 극대화시키는 것이다. 또한, 폴리아미드 내부에 미세하게 분산된 층상실리케이트 화합물은 수지 자체의 가스 차단성은 물론이고, 기계적 물성을 향상시키는 역할까지 하게 된다.
이때 층상실리케이트 화합물이 1 중량% 미만이면 가스투과 억제능이 충분하지 않을 수 있고, 5 중량%를 초과하면 층상실리케이트 화합물을 수지중 충분히 분산시키지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
즉, 본 발명은 우수한 저온충격성을 확보하면서도 연료가스 차단성을 나타내며, 압출이나 사출 성형 가공에 유리한 폴리아미드 수지 조성물을 제공할 수 있는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 폴리아미드 수지 조성물은 각종 가스 차단성이 요구되는 성형품에 적합하며, 특히, 자동차 연료계 부품에 적합하다.
[ 실시예 ]
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
폴리아미드 6(Polyamide 6, 독일 DOMO사, Domamid® 24, 상대점도: 2.40 내지 2.50) 78 중량%, 폴리아미드 공중합체(미국 Dupont사, Selar® PA 3426) 10 중량%, 내충격제로 Maleic Anhydride Grafted(MAH) Polyolefin(미국 Dupont사, Fusabond® N493) 10 중량%, 층상실리케이트 화합물(BYK사, Cloisite 93A) 2 중량% 를 이축압출기(TEK-30, SM PLATEK)의 주호퍼에 투입한 후, 폴리아미드 복합 수지 조성물을 제조하였다. 이때 압출 온도는 240-245-250-255-260-260-260-260 ℃로 변화시키며 압출해주었고, 스크류 속도는 300 rpm이고, 토출조건을 40 ㎏/hr였다.
실시예 2 내지 7
하기 표 1에 표시된 것과 같이 각 조성물의 함량을 다르게 설정한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 각각 실시예 2 내지 7의 폴리아미드 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 1 내지 6
하기 표 1에 표시된 것과 같이, 비교예 1의 경우 폴리아미드 공중합체를 첨가하지 않았고, 비교예 2 내지 3의 경우 내충격제의 종류를 무수말레인산으로 그래프팅된 폴리올레핀계 화합물이 아닌 아이오노머(미국 Dow사, Surlyn® 9020)로 변경하되, 이와 같은 조건으로 상대점도 3.26~3.34인 폴리아미드 6(Polyamide 6, 독일 DOMO사, Domamid® 32)로 대체하여 각각 비교예 3 내지 6을 상기 실시예 1과 같은 방법으로 제조하였다.
저점도 PA61)
(중량%)		 고점도 PA62)
(중량%)		 PA 공중합체3)
(중량%)		 내충격제 14)
(중량%)		 내충격제 25)
(중량%)		 층상실리케이트
화합물6 )
(중량%)
실시예1 78 - 10 10 - 2
실시예2 68 - 10 20 - 2
실시예3 58 - 10 30 - 2
실시예4 68 - 20 10 - 2
실시예5 58 - 20 20 - 2
실시예6 48 - 20 30 - 2
실시예7 75 - 10 10 - 5
실시예8 65 - 10 20 - 5
실시예9 55 - 10 30 - 5
비교예1 90 - - 10 - -
비교예2 78 - 10 - 10 2
비교예3 48 - 20 - 30 2
비교예4 - 78 10 10 - 2
비교예5 - 58 10 30 - 2
비교예6 - 65 20 10 - 5
1)저점도 PA6: 독일 DOMO사, Domamid® 24, 상대점도: 2.40~2.50
2)고점도 PA6: 독일 DOMO사, Domamid® 32, 상대점도: 3.26~3.34
3)PA 공중합체: 미국 Dupont사, Selar® PA 3426
4)내충격제: 미국 Dupont사, Fusabond® N493
5)내충격제: 미국 ExxonMobil사, ExxelorTM VA1803
6)층상실리케이트: 미국 BYK사, Cloisite 93A
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 폴리아미드 수지 조성물에 대하여, 아래와 같은 방법으로, 유동지수, 충격강도 및 가스투과도를 측정하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
<물성측정방법>
(1) 유동지수: ASTM D1238에 의거하여 2160g하중, 260℃에서 유동지수 측정하였다.
(2) 충격강도: ASTM D256에 의거하여 1/4인치의 시편을 제작한 후, 상온(23℃) 및 영하 40℃에서 4시간 에이징(aging)한 저온 아이조드 노치(Izod Notched) 충격강도 측정하였다.
(3) 가스투과도: SAE J2665에 의거하여 3mm X 3인치의 시편을 제작하고, 60℃에서 6주간 무게 측정하였다.
(4) 상대점도: 20℃에 폴리아미드 6 수지 1g을 96% 황산 100㎖ 중에 첨가하여 CanonFenske형 점도계로 측정하였다.

구분		 유동지수
(g/10min)
260℃, 2160g		 충격강도
(J/m) 23℃		 충격강도
(J/m) -40℃		 가스투과도
(g/day)
실시예 1 21.9 278.8 53 0.055
실시예 2 19.8 N.B(921) 98 0.058
실시예 3 16.5 N.B(921) 201 0.059
실시예 4 20.2 283.6 64 0.046
실시예 5 18.1 N.B(921) 103 0.048
실시예 6 15.4 N.B(921) 230 0.049
실시예 7 18.5 N.B(921) 460 0.037
실시예 8 15.6 N.B(921) 470 0.036
실시예 9 13.2 N.B(921) 475 0.036
비교예 1 18.1 156 65 0.226
비교예 2 27.5 125 38 0.160
비교예 3 30.3 430 145 0.162
비교예 4 0.2 N.B(921) 70 0.043
비교예 5 0.1 N.B(921) 470 0.045
비교예 6 0.1 N.B(921) 150 0.026
물성평가결과는 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 9의 폴리아미드 수지 조성물은 폴리아미드 6 수지, 폴리아미드 공중합체, 무수말레인산으로 그래프팅된 폴리올레핀계 화합물 및 층상실리케이트 화합물을 각각 최적의 범위로 포함함으로써, 우수한 유동지수 및 낮은 가스투과도를 가지며, 상온 충격강도와 저온 충격강도가 매우 우수하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
비교예 1은 폴리아미드 공중합체를 포함하지 않아, 유동지수가 저조하며, 충격강도 및 가스투과도가 저조되며, 내충격제의 종류를 달리한 비교예 2 및 3은 유동지수 및 저온충격이 우수하게 나타나지만, 가스투과도가 높게 형성되어 연료가스 차단성이 낮은 것으로 판단할 수 있고, 특히 상온충격강도가 급격히 저하되었다.
비교예 4 내지 6은 가스투과도가 낮게 형성되지만, 유동지수가 저조하게 나타나, 사출성형을 진행함에 문제가 발생되는 것을 확인할 수 있다.

Claims (5)

  1. 폴리아미드 수지 조성물 총 중량기준, 폴리아미드 6 수지 45 내지 79 중량%; 폴리아미드 공중합체 10 내지 20 중량%; 무수말레인산으로 그래프팅된 폴리올레핀계 화합물 10 내지 30 중량%; 및 층상실리케이트 화합물 1 내지 5 중량%를 포함하고,
    상기 폴리아미드 6 수지는 상대점도가 2.4 내지 2.5이며,
    상기 폴리아미드 공중합체는 분자 구조 내에 하기 구조식 1로 표시되는 결합구조를 포함하는 것임을 특징으로 하는 폴리아미드 수지 조성물.
    <구조식 1>
    Figure 112021091093144-pat00003

    n은 4 내지 12의 정수, m은 50 내지 500 이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 무수말레인산으로 그래프트된 폴리올레핀계 화합물은 무수말레인산이 그래프트된 에틸렌-옥텐 공중합체, 무수말레인산이 그래프트된 에틸렌-프로필렌-디엔-모노머 및 이들의 혼합물인 열가소성 탄성체 고무 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리아미드 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 층상실리케이트 화합물은 판상의 몬트모릴로나이트 (Montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite) 및 버미큘라이트(vermiculite)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유기화 전처리된 클레이인 것을 특징으로 하는 폴리아미드 수지 조성물.
  5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항의 폴리아미드 수지 조성물로 제조된 성형품.
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