KR102559916B1 - 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생명 활동을 위해 에너지를 공급하는 유기 화합물인 아데노신 삼인산(ATP)을 난연제로 포함하는 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물에 관한 것으로, 폴리프로필렌 수지, 및 난연제로서 아데노신 삼인산(ATP)을 포함한다.
Description
본 발명은 생명 활동을 위해 에너지를 공급하는 유기 화합물인 아데노신 삼인산(ATP)을 난연제로 포함하는 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물에 관한 것이다.
열가소성 고분자 수지인 폴리프로필렌(polypropylene, PP)은 전 세계적으로 가장 많이 생산되는 범용 플라스틱 중 하나로, 기계적 강도가 높고, 탄력성이 우수하며, 밀도가 낮아서 다른 가벼운 성형 재료와 함께 사용할 수 있으므로 각종 포장재, 섬유, 필름, 자동차 부품, 의료, 생활용품 등에 활용되고 있다.
상기 폴리프로필렌은 열에 견디는 내열성이 일정 수준까지 보장이 되지만, 본질이 열가소성 플라스틱이기 때문에 고온의 열에 취약한 단점이 있어, 난연성이 요구되는 환경이나 산업계 분야에서 폴리프로필렌의 사용은 극히 제한되고 있다.
따라서, 종래에는 할로겐 기반의 난연제를 사용하여 폴리프로필렌의 난연성을 높이는 시도가 이루어졌으나, 이러한 할로게 기반 난연제는 연소 시에 인체에 유해한 독성 가스가 발생되는 문제점으로 인해 국제환경기구의 규제로 사용이 금지되고 있다.
따라서, 친환경적이고 인체에 해롭지 않고, 폴리프로필렌과 같은 플라스틱 소재의 특성을 살리고 난연성을 가지며, 국제환경기구의 규격을 준수할 수 있는 친환경 난연성 고분자 소재의 개발 및 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 일 목적은 아데노신 삼인산(ATP)을 난연제로 포함하는 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 폴리프로필렌 수지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물은 폴리프로필렌 수지, 및 난연제로서 아데노신 삼인산(ATP)을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 조성물은 폴리프로필렌 수지 69 내지 71 중량%, 및 난연제로서 아데노신 삼인산(ATP)을 1 내지 2 중량%로 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 조성물은 인계 난연제 28 내지 29 중량%를 추가로 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 인계 난연제는 피페라진 피로포스페이트(PPP) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 조성물은 상기 피페라진 피로포스페이트(PPP) 26 내지 27중량%, 폴리테트라플루오로에틸렌 2 중량%를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 폴리프로필렌 수지는 비드(bead) 형태의 폴리프로필렌일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 제조 방법은, 상기 조성물을 160 내지 180℃의 온도에서 압출하여 펠렛(pellet) 형태로 제조하고, 제조한 펠렛을 핫프레스(hot press) 공정으로 압축시켜 원하는 모양의 샘플로 성형할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 핫프레스 공정으로 압축시키는 단계는 140 내지 160 MPa, 및 160 내지 170℃ 의 온도로 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태로 상기 방법으로 제조된 난연성 폴리프로필렌 수지를 들 수 있다.
일 실시예에서, 상기 난연성 폴리프로필렌 수지는 연소 시에 유리 파편 형태의 차르(char)를 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 난연성 폴리프로필렌 수지는 연소 시에 초기 부피 대비 10배 이상의 부피 팽창이 일어날 수 있다.
본 발명의 폴리프로필렌 수지 조성물에 포함된 아데노신 삼인산(ATP)은 분자 자체에 난연 소재에서 필수적인 3대 구성 요소인 인(P), 질소(N) 및 탄소(C)를 포함하기 때문에, 삼인산기, 리보오스 및 질소 함유 염기 각각의 멀티 시너지 효과를 통해 우수한 난연 특성을 나타낼 수 있다.
즉, 본 발명의 수지 조성물은, 친환경 난연제인 아데노신 삼인산(ATP)과 인계 난연제를 포함하기에, 플라스틱의 특성을 유지하면서 난연성을 가지는 폴리프로필렌 수지를 제조 가능하다.
특히, 본 발명은 아데노신 삼인산(ATP)을 총 중량 대비 1 내지 2 중량%로 포함하여 기존 인계 난연제만을 활용한 경우보다 더 높은 UL-94 화염 분류 등급을 얻을 수 있다. 또한, 상기 아데노신 삼인산(ATP)은 생물의 세포 호흡에 관여하는 생체 유기 화합물이므로, 생체 친화적이면서 무독성이기 때문에 기존의 폴리프로필렌이 활용되었던 다양한 생활용품 및 산업계에 적용 가능한 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물은 폴리프로필렌 수지, 및 난연제로서 아데노신 삼인산(ATP)을 포함한다.
본 발명의 수지 조성물에 포함되는 폴리프로필렌 수지는 탄소와 수소로만 이루어진 지방족 탄화수소인 프로필렌 단량체들이 중합을 통해 사슬 모양으로 성장하면서 만들어진 전형적인 고분자 수지로, 화염에 노출될 경우 열분해에 의한 중합체가 다시 분해되면서 단위체를 형성하는 해중합 과정을 거치게 되면서 변형이 일어나고, 드롭 (drop)을 형성하게 된다. 여기서, 드롭(drop)이란, 수직 배치 시험을 통해 난연성 평가를 진행할 때 시편이 타고 떨어지는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명의 수지 조성물은 친환경 난연제 물질인 아데노신 삼인산(ATP)을 포함하여 추가적인 불길의 번짐, 플라스틱 소재의 변형, 그리고 드롭을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 수지 조성물에 포함되는 폴리프로필렌은 특별히 제한되는 것은 아니나, 비드(bead) 형태의 폴리프로필렌인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 수지 조성물에 포함되는 아데노신 삼인산(ATP)은 흥분, 근육 수축 및 화학 합성의 신경 전도를 포함하여 살아있는 유기체의 다양한 생화학적 과정에 에너지를 제공하는 중요한 생체 분자이다.
아데노신 삼인산(ATP)는 삼인산기(three phosphate groups), 리보오스(Ribose) 및 아데닌(Adenine) 염기로 구성되어 있으며, 분자 자체에 난연 소재에서 필수적인 3대 구성 요소인 인(P), 질소(N) 및 탄소(C)를 포함하고 있어서 우수한 난연성을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 아데노신 삼인산(ATP)은 연소 시에 유리 파편 형태의 차르(char)를 형성하여 폴리프로필렌 수지의 난연성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 아데노신 삼인산(ATP)은 연소 시에 초기 부피 대비 최소 10 배 이상, 바람직하게는 70 내지 80배의 부피 팽창이 일어나 우수한 난연성을 나타낼 수 있다.
이는 아데노신 삼인산(ATP)에 함유된 삼인산기, 아데닌 염기 및 리보오스가 멀티 시너지 효과를 발휘하기 때문이다.
구체적으로, 삼인산기는 산 공급원(acid source)으로 작용하며, 상대적으로 낮은 온도(약 160 내지 200℃)에서 방출되어 유리 파편 형태의 차르(char) 형성을 촉진할 수 있다.
리보오스는 차르 공급원(char source)으로 작용하며, 연소 시에 유리 파편 형태의 차르(char)를 형성할 수 있다.
아데닌은 질소를 함유하는 염기로, 발포제(blowing agent)로 작용하여 연소 시에 암모니아 등의 불연성 가스를 방출하게 된다.
따라서, 본 발명의 아데노신 삼인산(ATP)은 삼인산기, 리보오스 및 아데닌 염기 각각의 멀티 시너지 효과를 통해 우수한 난연 특성을 나타낼 수 있으며, 폴리프로필렌 수지와 혼합되어 폴리프로필렌 수지의 난연성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 수지 조성물에 함유된 아데노신 삼인산(ATP)은 세포에서 다양한 생명 활동을 수행하기 위해 매일 생성되는 유기 화합물이기에 무독성으로서 식품용기, 의료용기 등에 적용 가능한 장점이 있다.
한편, 본 발명의 수지 조성물은 폴리프로필렌 수지 69 내지 71 중량%, 및 난연제로서 아데노신 삼인산(ATP)을 1 내지 2 중량%로 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 아데노신 삼인산(ATP)은 총 조성물 중량 대비, 1 내지 2 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 아데노신 삼인산(ATP)이 1 중량% 미만으로 함유되는 경우, 난연 효과가 저하되어 난연 평가 최고 등급인 V-0 등급을 얻을 수 없게 된다. 반면, 아데노신 삼인산(ATP)이 2 중량%를 초과하는 경우 오히려 난연성이 저하되는 문제점이 발생한다. 이는, 수지 조성물 내에 아데노신 삼인산(ATP)이 과량으로 존재하면 폴리프로필렌 수지 자체의 형성이 잘 이루어지지 않기 때문이며, 또한, 압출 공정 및 핫프레스 공법 중에 발생하는 아데노신 삼인산(ATP)의 탄화 문제 때문이다.
폴리프로필렌 수지는 고온 압출 공정을 통해 가닥(strand)을 뽑아내는 과정을 거쳐 형성되는데, 아데노신 삼인산(ATP)의 함량이 2 중량%를 초과하게 되면 이러한 과정에 어려움이 생기며, 폴리프로필렌이 발포되어 기계적 물성이 저하되는 문제점이 발생한다.
따라서, 수지 조성물 내에 아데노신 삼인산(ATP)은 1 내지 2 중량%로 포함되는 것이 가장 바람직하다.
한편, 상기 수지 조성물은 인계 난연제 28 내지 29 중량%를 추가로 포함하여 난연 효과를 극대화시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 인계 난연제는 폴리프로필렌 수지의 난연성을 추가로 향상시키기 위한 물질로, 바람직하게는 피페라진 피로포스페이트(PPP) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 수지 조성물은 상기 피페라진 피로포스페이트(PPP) 26 내지 27중량%, 폴리테트라플루오로에틸렌 2 중량%를 포함하는 것이 바람직한데, 각각의 함량을 벗어나는 경우, 폴리프로필렌의 기계적 물성이 저하되는 문제점이 발생한다.
본 발명의 수지 조성물은, 친환경 난연제인 아데노신 삼인산(ATP)과 인계 난연제를 포함하기에, 플라스틱의 특성을 유지하면서 난연성을 가지는 폴리프로필렌 수지를 제조 가능하다.
특히, 본 발명은 아데노신 삼인산(ATP)을 총 중량 대비 1 내지 2 중량%로 포함하여 기존 인계 난연제만을 활용한 경우보다 더 높은 UL-94 화염 분류 등급을 얻을 수 있다. 또한, 상기 아데노신 삼인산(ATP)은 생물의 세포 호흡에 관여하는 생체 유기 화합물이므로, 생체 친화적이면서 무독성이기 때문에 기존의 폴리프로필렌이 활용되었던 다양한 생활용품 및 산업계에 적용 가능한 장점이 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 제조 방법은, 상기 폴리프로필렌 수지 조성물을 160 내지 180℃의 온도에서 압출하여 펠렛(pellet) 형태로 제조하는 단계(S 100), 및 제조된 펠렛(pellet)을 핫프레스(hot press) 공정으로 압축시키는 단계(S 200)를 포함할 수 있다.
상기 폴리프로필렌은 미세 구조에 따라 녹는점이 조금씩 다르지만, 일반적으로 160 내지 170℃에서 녹기 때문에, 수지 조성물의 압출은 160 내지 180℃ 의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 핫프레스 공정으로 압축시키는 단계(S 200)는 140 내지 160 MPa, 및 160 내지 170℃로 수행하는 것이 바람직하며, 상기 압축을 통해 폴리프로필렌 수지를 원하는 모양의 샘플로 성형할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 난연성 폴리프로필렌 수지는, 연소 시에 유리 파편 형태의 차르(char)를 형성할 수 있고, 연소 시에 초기 부피 대비 10배 이상의 부피 팽창이 일어나 우수한 난연성을 나타낼 수 있다.
즉, 본 발명의 난연성 폴리프로필렌 수지는 아데노신 삼인산(ATP)을 난연제로 포함하기 때문에 추가적인 불길의 번짐, 플라스틱 소재의 변형, 드롭(drop)을 방지할 수 있어, 높은 Ul-94 화염 분류 등급을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 난연성 폴리프로필렌 수지는 난연성이 요구되는 각종 산업계나 생활 제품에 적용 가능한 장점이 있다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
비드(bead) 형태의 폴리프로필렌(70 wt%), 분말 형태의 아데노신 삼인산(0.5~4wt%), 피페라진 피로포스페이트(24~30 wt%), 그리고 폴리테트라플루오로에틸렌 (2~2.5 wt%)을 하기 표 1에 나타난 것과 같은 비율로 혼합하여 수지 조성물을 제조하였다.
이후, 일정한 크기의 샘플 제작을 위해 스테인리스 강(stainless steel) 소재의 틀에 준비한 수지 조성물을 넣고, 틀을 온도 165℃, 압력 150 MPa 의 조건에서 핫 프레스 장비를 이용하여 고온 압축시켜 폴리프로필렌 수지 샘플을 제작하였다. 대조군으로는 기존의 폴리프로필렌 수지만을 포함하는 샘플을 사용하였다.
| 물질 | 대조군 | 샘플1 | 샘플2 | 샘플3 | 샘플4 | 샘플5 | 샘플6 | 샘플7 |
| PP | 100 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| PPP | 30 | 28 | 28 | 27 | 27 | 26 | 24 | |
| PTFE | 2 | 2.5 | 2 | 2 | 2 | |||
| ATP | 2 | 0.5 | 1 | 2 | 4 |
폴리프로필렌 수지의 난연 특성 평가
실시예 1에 따라 제조된 샘플 1 - 7과, 대조군을 수직으로 배치한 후 아래에서 불을 붙인 후, UL-94 시험법에 따라 화염 등급을 분류하였다. 결과는 하기 표 2에 나타냈다.
| 물질 | 대조군 | 샘플1 | 샘플2 | 샘플3 | 샘플4 | 샘플5 | 샘플6 | 샘플7 |
| PP | 100 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| PPP | 30 | 28 | 28 | 27 | 27 | 26 | 24 | |
| PTFE | 2 | 2.5 | 2 | 2 | 2 | |||
| ATP | 2 | 0.5 | 1 | 2 | 4 | |||
| Rating | No rating | V-2 | V-2 | V-2 | V-1 | V-0 | V-0 | V-1 |
표 2를 참조하면, 가연성이 있어 폴리프로필렌 단독(대조군)으로는 등급을 매길 수 없는 것에 반해 난연제가 첨가된 샘플 1 - 7의 경우 그 함량에 따라 화염 등급이 달라짐을 확인할 수 있다.
구체적으로, 기존 인계 난연제로만 구성된 샘플 1 - 3은 불길이 닿으면 샘플이 녹으면서 드롭(drop)이 생기는 V-2 등급을 획득하였으나, 아데노신 삼인산(ATP)을 0.5wt%, 4wt%로 각각 포함하는 샘플 4, 7의 경우 더 높은 등급인 V-1 등급을 획득할 수 있었다.
특히, 아데노신 삼인산(ATP)을 1 내지 2wt% 로 포함하는 샘플 5, 6의 경우 가장 높은 등급인 V-0 등급을 얻은 결과를 확인할 수 있고, 이는 화염으로 인한 드롭(drop)이 생기지 않음을 의미한다.
따라서, 본 발명의 수지 조성물은 아데노신 삼인산(ATP)을 1 내지 2wt% 로 함유하는 것이 가장 바람직하며, 이때 가장 높은 화염 등급을 얻을 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 폴리프로필렌 수지, 및 난연제로서 아데노신 삼인산(ATP)을 포함하되,
폴리프로필렌 수지 69 내지 71 중량%; 및
난연제로서 아데노신 삼인산(ATP)을 1 내지 2 중량%로 포함하는,
난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
인계 난연제 28 내지 29 중량%를 추가로 포함하는, 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물.
- 제3항에 있어서,
상기 인계 난연제는 피페라진 피로포스페이트(PPP) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는, 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물.
- 제4항에 있어서,
상기 피페라진 피로포스페이트(PPP) 26 내지 27중량%, 폴리테트라플루오로에틸렌 2 중량%를 포함하는, 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 폴리프로필렌 수지는 비드(bead) 형태의 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는, 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물.
- 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 폴리프로필렌 수지 조성물을 160 내지 180℃의 온도에서 압출하여 펠렛(pellet) 형태로 제조하는 단계; 및
제조된 펠렛(pellet)을 핫프레스(hot press) 공정으로 압축시키는 단계;를 포함하는,
난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 압축시키는 단계는 140 내지 160 MPa, 및 160 내지 170℃ 의 온도로 수행하는 것을 특징으로 하는,
난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 제조 방법.
- 제8항에 따른 방법으로 제조된 난연성 폴리프로필렌 수지로서,
상기 난연성 폴리프로필렌 수지는 연소 시에 유리 파편 형태의 차르(char)를 형성함을 특징으로 하는,
난연성 폴리프로필렌 수지.
- 제9항에 있어서,
상기 난연성 폴리프로필렌 수지는 연소 시에 초기 부피 대비 10배 이상의 부피 팽창이 일어나는 것을 특징으로 하는,
난연성 폴리프로필렌 수지.
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