KR102373249B1 - 강화수지 조성물, 이를 포함하는 수지 성형체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물품의 성형에 사용되는 수지 조성물로서, 수지; 및 상기 수지에 블렌딩되어 있고 현무암을 용융하여 추출된 세라믹 분말을 포함하는 성형용 강화수지 조성물을 제공한다. 상기 세라믹 분말은 현무암 파쇄 분말을 완전용융 온도 이하인 800℃ 내지 1000℃의 온도 하에서 용융하고 냉각시켜 추출된 분말이다. 상기 수지 조성물은 수지 고유의 물성을 개질함으로써 해당 수지 조성물을 이용하여 제조된 성형체의 내마모성, 내스크레치성, 내열성, 내후성 등의 물성을 현저히 증가시킬 수 있다.

Description

강화수지 조성물, 이를 포함하는 수지 성형체 {REINFORCED REISN COMPOSITION, FABRICATED BODY OF RESIN COMPRISING THE SAME}
본 발명은 수지 분야의 기술로서, 구체적으로는 수지에 강화재료를 첨가하여 수지 제품의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 복합 수지 소재의 제조 기술에 관한 것이다.
일반적으로 강화수지는 고분자 수지가 갖는 고유의 물성을 유지하면서 기계적 물성을 보다 개선하기 위하여 각종 필러나 강화 재료를 점가하여 제조된 수지를 의미한다.
이러한 수지는 일종의 복합 소재로서, 이러한 강화 수지의 강화재료로서는 유리섬유 등의 각종 단섬유 또는 장섬유들이 사용되거나, 기타 무기 필러 등이 사용되고 있다. 특히, 최근에는 경량화 추세에 맞추어 다양한 탄소 섬유들을 포함하는 탄소섬유 복합재료 등이 다양하게 개발되고 있다.
강화 재료는 수지의 종류, 수지의 적용 물품, 요구되는 물성 등을 고려하여 무수히 많은 재료를 포함할 수 있으며 수지를 복합재료화 하는 강화재료의 발굴은 꾸준히 지속될 수 밖에 없는 현실이다.
본 발명은 다양한 복합소재 개발을 위하여 새로운 강화재료에 대한 꾸준한 니즈가 있음을 인식하여 개발된 발명으로서, 본 발명은 극심한 환경에서도 수지 성형체의 내구성, 내후성 및 내열성을 획기적으로 향상시킬 수 있으며 플라스틱 소재의 크랙 또는 균열을 억제할 수 있는 새로운 강화재료를 포함하는 수지 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 상기 수지 조성물을 이용하여 제조되고 전술한 우수한 기계적 특성을 갖는 수지 성형체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가 본 발명은 상기 강화재료를 플라스틱 성형 공정의 특정 시점에 첨가하는 단계를 포함하는 플라스틱 성형방법을 제공하는 것을 목적을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형용 강화수지 조성물은 물품의 성형에 사용되는 수지 조성물로서, 수지 및 상기 수지에 블렌딩되어 있고 현무암을 용융하여 추출된 세라믹 분말을 포함한다.
상기 수지의 종류로서는, 프로필렌 수지, 폴리 이미드 수지, 폴리카보네이트 등의 열가소성 수지가 사용될 수 있으며, 상기 수지들은 2종 이상 조합되어 사용될 수도 있다.
상기 수지 조성물은 수지 종류에 따라서는 상온에서 비드 형상의 고형 조성물일 수 있다.
상기 세라믹 분말은, 현무암 파쇄 분말을 완전용융 온도 이하인 800℃ 내지 1000℃의 온도 하에서 용융하고 냉각시켜 추출된 분말이다.
한편, 상기 강화수지 조성물은, 상기 조성물 내에 상기 조성물 100 중량부 대비 하기 화학식(1)으로 표시되는 화합물 0.01 내지 10 중량부를 더 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112020040095295-pat00001
상기 화학식 1에서 Ar은 아릴기이고, X1은 O, S 또는 NR기 이고, 상기 Y1은 수소, 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 24의 아릴기이고, 상기 R1~R6는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, m 및 n은 1 내지 4의 정수이며, 상기 p 및 q는 각각 0 내지 300의 정수이며, 5 < p+q < 300 이다.
또한, 상기 강화수지 조성물은, 내후성 향상을 위하여 상기 조성물 내에 상기 조성물 100 중량부 대비 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 UV 안정제 0.1 내지 1.0 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수지 성형체는 전술한 성형용 강화수지 조성물을 이용하여 제조된 수지 성형체로서, 성형체 내에, 현무암 파쇄 분말을 완전용융 온도 이하인 800℃ 내지 1000℃의 온도 하에서 용융하고 냉각시켜 추출된 세라믹 분말을 분산된 형태로 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 성형방법은 플라스틱 성형 과정에서, 현무암 파쇄 분말을 완전용융 온도 이하인 800℃ 내지 1000℃의 온도 하에서 용융하고 냉각시켜 추출된 세라믹 분말을 첨가하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 성형용 강화수지 조성물은 액상 조성물로서 또는 비드로 가공되어 수지 성형체의 소재로 사용될 수 있으며, 수지의 고유 물성을 획기적으로 개선할 수 있다. 특히, 상기 조성물은 수지 성형체의 내마모성, 내스크레치성 등 내구성을 현저히 증가시킬 수 있으며, 수지 제품이 극심한 환경에서도 견딜 수 있도록 하는 고내후성 및 고내열성을 제공할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 수지 조성물은 크랙이나 균열 발생시 큰 문제를 야기할 수 있는 각종 파이프라인 등의 제품 성형에 적용됨으로써 파이프라인 제품의 운용 안정성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 수지 조성물은 수지 코팅 공정에 적용될 경우, 코팅 대상인 모재와의 완벽한 코팅막을 형성함으로써, 코팅막 자체가 갖는 내스크레치성 외에도 모재 자체의 강도를 증가시킬 수 있는 시너지 기능을 발휘할 수 있다.
한편, 상기 수지 조성물은 기계적 물성 외에 현무암 유래의 세라믹 분말의 고유 특성에 기인하여 항균, 살균 및 탈취 특성이 매우 우수하다. 따라서 본 발명의 수지 조성물이 레토르트 용기 등 식품 용기 제조에 활용될 경우, 효과적인 유해균 차단 및 원활한 선도 유지를 가능케 함으로써, 식품용기의 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것이다.
본 발명의 수지 조성물은 플라스틱 소재를 필요로 하는 각종 산업분야의 다양한 구조체들에 적용되어 제품의 물성 및 안정성을 증가시키는 데 일조할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 분말을 제조하는 방법을 개념적으로 보여주는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 분말 모습을 보여주는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 분말을 2차 가공의 편의성 제공을 위하여 소성하여 비드로 제조한 모습을 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 비드 타입의 강화수지 조성물을 보여주는 사진이다.
도 5는 상기 도 4의 강화수지 조성물을 이용하여 제조된 용기를 보여주는 사진이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 성형용 강화수지 조성물에 대하여 자세하게 설명하도록 한다. 하기 설명들은 본 발명의 기술사상을 구체화하여 설명하기 위한 예시적인 설명들이며, 하기 설명들에 의하여 본 발명의 기술사상이 제한되지 않는다. 하기 설명 이외의 다양한 실시예들이 가능함이 당연하며, 본 발명의 기술사상은 오직 후술하는 청구범위에 의하여 해석되고 제한될 수 있을 뿐이다.
본 발명의 성형용 강화수지 조성물은 각종 수지 기반의 성형체를 제조하는 데 사용되는 수지 복합 소재이며, 수지의 종류에 따라서 상기 조성물을 액상 조성물로 사용할 수도 있고 비드 타입 등의 고형 조성물로 가공하여 사용할 수도 있다. 따라서 상기 강화수지 조성물의 제형은 특별히 제한되지 않는다.
상기 강화수지 조성물은 베이스인 수지와 강화재료로서의 현무암 유래 세라믹 분말을 포함한다. 상기 강화수지 조성물은 수지에 블렌딩 또는 분산된 형태로 상기 세라믹 분말을 포함할 수 있다. 상기 세라믹 분말은 현무암 파쇄 분말을 완전용융 온도인 1400℃ 이하인 800℃ 내지 1000℃의 온도 하에서 용융하고 냉각시켜 추출된 분말이다. 상기 용융온도는 상기 세라믹 분말의 물성을 발현하는 중요한 인자이며, 상기 온도 조건을 벗어나거나 통상의 현무암 용융온도로 용융단계가 이루어질 경우에는 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
상기 베이스로 사용되는 수지는 적용되는 제품의 특성, 작업자의 요구에 따라 다양한 수지가 사용될 수 있다. 그러나 상기 세라믹 분말과의 혼용성 및 기계적 물성의 시너지 효과를 고려할 때, 적어도 일부의 수지로서 프로필렌 수지, 폴리 이미드 수지, 폴리카보네이트 수지 등이 사용되는 것이 바람직하다. 상기 수지들은 당연히 단독으로 또는 둘 이상의 혼합 수지로 사용될 수 있다.
상기 세라믹 분말의 함량은 특정하지 않는다. 이는 적용되는 제품의 다양성을 고려할 때 매우 가변적인 요소이기 때문이다. 세라믹 분말의 함량은 수지로 이루어진 성형체의 구조적 안정성을 고려하여 결정되면 될 것이다.
이하에서는 상기 현무암 유래 세라믹 분말을 제조하는 단계를 자세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 분말을 제조하는 방법을 개념적으로 보여주는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 현무암 유래 세라믹 분말의 제조방법(S100)을 수행하기 위해서 우선 현무암을 준비하고 세척하는 현무암 준비 및 세척단계(S110)를 수행한다. 현무함 시료는 시중에서 구매한 시료이며 형태적 제한은 특별히 없다. 다만, 후속되는 파쇄단계의 입자 크기 조절을 위하여 상기 현무암 시료로서 분말화된 형태의 시료를 구매하지 않는 것이 바람직하다. 세척은 현무암 표면에 존재하는 불순물을 선결적으로 제거함으로써, 향후 용융단계의 온도를 변화시키는 인자로 작용할 수 없도록 하는 조치이다. 상기 불순물 제거 방식으로는 비중 차이를 이용한 방식 등이 활용될 수 있다.
현무암이 세척되고 건조된 후, 현무암 파쇄단계(S120)를 수행한다. 상기 파쇄단계(S120)를 통하여 현무암 파쇄물이 준비되는데, 상기 파쇄물 입자의 평균 입경은 대략 0.1mm ~ 0.5mm 수준으로 유지되도록 파쇄가 진행되는 것이 바람직하다. 용융 효율을 위해서는 현무암을 더욱 미세하게 파쇄하는 것이 유리하나, 파쇄된 입자의 평균 입경이 0.1mm 미만일 경우 용융이 너무 급격하게 일어나 이상 열처리에 따른 온전한 특성 발현이 어려워질 수 있다. 현무암 파쇄단계(s120)에서도 현무암 내부에 포함되어 분쇄된 이물질을 다양한 방법으로 분리해 낸다. 이물질은 후술하는 용융단계(S130)의 용융온도 이상화를 초래할 수 있기 때문이다.
현무암 파쇄물이 준비되면, 상기 현무암 파쇄물에 대하여 가열하여 용융시키는 저온 용융단계(S130)를 수행한다. 현무암 파쇄물은 통상의 완전 용융 온도인 1400℃ 이상의 온도가 아닌 800 내지 1000℃의 상대적 저온 환경에서 용융되어야 하며, 상기 온도 하에서 용융됨으로써 강화소재로서 요구되는 물성이 달성될 수 있다. 한편, 상기 용융단계(S140)를 수행하는 과정에서, 유황, 또는 산성용액이 첨가될 수 있다. 이러한, 유황 및 산성용액의 첨가는 강화소재로서의 현무암 유래 세라믹 분말을 포함하는 강화수지 조성물이 코팅막으로 적용될 때, 코팅 특성을 개선할 수 있는 인자로서 작용할 수 있다.
저온 용융단계(S130)가 완료되면 용융물을 냉각시키는 냉각단계(S140)를 수행한다. 상기 냉각은 상온에서 충분히 이루어지도록 한다. 상기 냉각단계(S1040)가 완료되면 냉각된 용융물을 분말화하는 분말화 단계(S150)를 수행함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 현무암 유래 세라믹 분말이 준비될 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 분말 모습을 보여주는 사진이다.
한편, 상기 현무암 유래 세라믹 분말은 그 자체로서 수지에 블렌딩(분산화)됨으로써, 강화수지 조성물을 형성한다. 경우에 따라서 상기 현무암 유래 세라믹 분말은 추가적인 소성 과정을 거쳐 성형되어 비드 형상의 고형물로 활용될 수도 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 분말을 2차 가공의 편의성 제공을 위하여 소성하여 비드로 제조한 모습을 보여주는 사진이다. 이렇게 준비된 세라믹 비드는 분말과 달리 흑색을 띈다. 이러한 비드 타입의 세라믹 소재는 2차 가공자의 수지 성형과정에서 가공자의 니즈에 따라 분쇄되어 사용되거나 용융되어 바로 수지 조성물에 포함될 수도 있다.
상기 현무암 유래 세라믹 분말은 세부적인 용융 온도 조건이나 첨가물의 추가 여부는 상기 세라믹 분말의 조성이 하기 조성을 갖도록 가변적으로 이루어질 수 있다. 상기 세라믹 분말은 시험결과(한국재료연구소) SiO2 100 중량부; Al2O3 25 내지 32 중량부; CaO 18 내지 22 중량부; MgO 18 내지 22 중량부; Fe2O3 18 내지 22 중량부; 및 Ti, Y, La, Ce 및 Nd 등의 금속성분을 포함하는 것으로 확인하였다.
하기 표 1은 상기 세라믹 분말의 조성을 예시한 표이다.
SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 Ti Y La Ca Nd
bal 15.33 10.19 10.07 10.18 1.19 0.0043 0.0095 0.0131 0.0071
상기 세라믹 분말은 모재 표면에 직접 용융 코팅시 적어도 9.0H의 스크래치 강도 및 적어도 7.3의 모스경도를 가지며, 각각 500℃의 온도 및 -70℃의 온도 하에서 박리 및 파괴 현상이 없는 코팅막을 형성할 수 있는 물성을 갖는 분말이다.
한편, 상기 강화수지 조성물은 상기 강화소재인 현무암 유래 세라믹 분말의 물성 발휘를 극대화하기 위하여, 하기 화학식(1)의 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 하기 화합물은 강화수지 조성물에 포함되는 현무암 유래 세라믹 분말의 분산성과 유동성을 극대화함에 따라, 최종 성형체의 내구성 발휘 효율을 극대화할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112020040095295-pat00002
상기 화학식 1에서 Ar은 아릴기이고, X1은 O, S 또는 NR기 이고, 상기 Y1은 수소, 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 24의 아릴기이고, 상기 R1~R6는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, m 및 n은 1 내지 4의 정수이며, 상기 p 및 q는 각각 0 내지 300의 정수이며, 5 < p+q < 300 이다.
상기 화합물은 전체 강화수지 조성물 100 중량부 대비 0.01 내지 10 중량부가되도록 사용되는 것이 바람직하다.
한편, 제조되는 수지 성형체가 악조건의 기후환경에서 사용되는 제품일 경우, 상기 강화수지 조성물은 내후성 향상을 위하여 UV 안정제를 포함할 수 있다. 상기 UV 안정제의 사용을 통하여 환경 변화에 따른 제품의 내구성 저하를 효과적으로 방지할 수 있다. 상기 UV 안정제로서는 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 UV 안정제가 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 UV 안정제로서는 Ciba-gagi사의 Chimasorbⓡ 및 Tinuvinⓡ이 동량으로 혼합되어 사용될 수 있다.
상기 UV 안정제는 상기 강화수지 조성물 100 중량부 대비 0.1 내지 1.0 중량부가 되도록 사용되는 것이 바람직하다.
위와 같이 제조된 강화수지 조성물은 다양한 제형으로 준비되어 성형 작업자의 니즈에 맞게 성형체의 소재로 활용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 비드 타입의 강화수지 조성물을 보여주는 사진이다.
도 4를 참조하면, 상기 비드 타입의 강화수지 조성물은 폴리프로필렌 수지와 전술한 세라믹 분말을 블렌딩하여 경화 및 성형하여 제조되었다. 이러한 비드 타입의 조성물은 이를 이용하여 후속 가공 작업을 하는 작업자의 사용 편의성을 극대화 시킬 수 있을 뿐만 아니라 유통의 편의성 면에서 장점을 갖는다. 상기 비드 타입의 강화수지 조성물은 식품 용기 등 성형체의 제조를 위해서 용융 사출 등 다양한 방법으로 가공될 수 있다.
도 5는 상기 도 4의 강화수지 조성물을 이용하여 제조된 용기를 보여주는 사진이다.
도 5를 참조하면, 상기 도 4의 비드는 압출 또는 사출 성형을 통하여 도 5에서 보는 바와 같은 식품 용기로 제조되어질 수 있다. 본 실시예에서, 식품 용기에 투명성을 부여하기 위해서, 상기 비드는 전술한 바와 같이 폴리프로필렌 베이스의 수지를 포함한다.
이상에서는, 상기 현무암 유래 세라믹 분말이 상기 강화수지 조성물에 포함되어 완성된 형태의 조성물로 활용되는 경우를 설명하였으나, 이와 다르게 상기 현무암 유래 세라믹 분말은 플라스틱 성형 공정 중에 특정 단계에서 첨가되는 첨가제로 활용될 수도 있다. 예를 들어, 프로필렌 수지의 압출 성형공정에서, 호퍼에 프로필렌 수지와 함께 첨가되어 혼합된 후, 바로 압출 성형이 이루어질 수 있다.

Claims (8)

  1. 폴리프로필렌 수지, 폴리 이미드 수지 및 폴리카보네이트 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 열가소성 수지; 및 상기 열가소성 수지에 블렌딩되어 있고 현무암 파쇄 분말을 완전용융 온도 미만인 800℃ 내지 1000℃의 온도 하에서 용융하고 냉각시킨 세라믹 분말을 포함하고, 상기 세라믹 분말은 SiO2 100 중량부; Al2O3 25 내지 32 중량부; CaO 18 내지 22 중량부; MgO 18 내지 22 중량부; Fe2O3 18 내지 22 중량부를 포함하며, 물품의 성형에 사용되는 비드 형상의 강화수지 조성물로서,
    환경 변화에 따른 상기 물품의 내구성 저하를 방지하기 위하여,
    상기 조성물 내에 상기 조성물 100 중량부 대비 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)계 UV 안정제 0.1 내지 1.0 중량부를 더 포함하고,
    상기 조성물 내에 상기 조성물 100 중량부 대비 하기 화학식(1)으로 표시되는 화합물 0.01 내지 10 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    성형용 강화수지 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112022008950651-pat00003

    (상기 화학식 1에서 Ar은 아릴기이고, X1은 O, S 또는 NR기 이고, 상기 Y1은 수소, 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 24의 아릴기이고, 상기 R1~R6는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, m 및 n은 1 내지 4의 정수이며, 상기 p 및 q는 각각 0 내지 300의 정수이며, 5 < p+q < 300 이다.)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항의 성형용 강화수지 조성물을 이용하여 제조된 수지 성형체로서,
    성형체 내에, 현무암 파쇄 분말을 완전용융 온도 미만인 800℃ 내지 1000℃의 온도 하에서 용융하고 냉각시킨 세라믹 분말이 분산되어 있는 것을 특징으로 하는,
    수지 성형체.
  8. 삭제
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