KR102563871B1 - The high-efficiency reinforced thermoplastics comprised of comprise of milled cellulose fibers - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열가소성 수지에 소량의 라이오셀 섬유 분말(milled lyocell fiber)을 혼합하여 물성 성능을 향상시킨 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물은 친환경적인 복합재료로, 열가소성 수지에 라이오셀 섬유 분말을 포함함으로써 장섬유를 사용하지 않더라도 혼련과정의 생산성을 증진하면서 물성을 극대화시킬 수 있다. 특히, 0.1 내지 30 wt%의 소량의 라이오셀 첨가만으로도 굴곡강도와 인장강도는 동일한 수준으로 유지하면서 탄성율을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition in which a small amount of milled lyocell fiber is mixed with a thermoplastic resin to improve physical properties, and the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition according to the present invention is an eco-friendly composite material Thus, by including the lyocell fiber powder in the thermoplastic resin, it is possible to maximize the physical properties while improving the productivity of the kneading process even without using long fibers. In particular, even with the addition of a small amount of lyocell of 0.1 to 30 wt%, the elastic modulus can be improved while maintaining the same level of flexural strength and tensile strength.

Description

미분 셀룰로스섬유를 포함하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물{The high-efficiency reinforced thermoplastics comprised of comprise of milled cellulose fibers}The high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition comprising finely divided cellulose fibers {The high-efficiency reinforced thermoplastics comprised of comprising of milled cellulose fibers}

본 발명은 열가소성 수지에 소량의 라이오셀 섬유 분말(milled lyocell fiber)을 혼합하여 물성 성능을 향상시킨 미분 셀룰로스섬유를 포함하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition comprising finely divided cellulose fibers having improved physical properties and performance by mixing a small amount of milled lyocell fiber with a thermoplastic resin.

셀룰로오스계 탄소직물은 유연성이 좋으며, 낮은 열전도성, 초고온 내삭마성 등의 특성으로 로켓 노즐, 미사일 탄두 등 주로 우주항공 분야의 고온 단열재로 사용되고 있다. 전구체로서 주로 레이온(Rayon) 섬유가 사용되고 있으나, 섬유 제조 시 황산(H2SO4) 및 이황화탄소(CS2)와 같은 인체에 유해한 화학약품이 사용되므로 제조 시설이 점차 축소되고 있으며, 이에 전세계적으로 레이온을 대체할 수 있는 친환경적인 라이오셀(Lyocell)에 대한 연구가 증가하고 있다. 라이오셀은 기존 레이온 섬유와 비교하여 제조 공정이 간단하고, 환경 및 인체에 무해하며, 형태안정성이 뛰어난 특성을 가지고 있다. Cellulose-based carbon fabrics have good flexibility, low thermal conductivity, and ultra-high temperature abrasion resistance, so they are mainly used as high-temperature insulation materials in the aerospace field, such as rocket nozzles and missile warheads. Rayon fiber is mainly used as a precursor, but since chemicals harmful to the human body such as sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and carbon disulfide (CS 2 ) are used in fiber manufacturing, manufacturing facilities are gradually being reduced. Research on eco-friendly Lyocell, which can replace rayon, is increasing. Compared to existing rayon fibers, Lyocell has a simple manufacturing process, is harmless to the environment and human body, and has excellent shape stability.

라이오셀(Lyocell)은 천연 펄프 및 아민 옥사이드 수화물로부터 제조되는 섬유로서, 재생 섬유에 비해 우수한 인장특성과 촉감 등의 섬유 특성을 가지면서도, 생산 공정에서 일체의 오염 물질을 발생시키지 않으며, 사용되는 아민 옥사이드계 용매가 재활용 가능하고 폐기시 생분해되어, 친환경적인 섬유로서 다양한 분야에 사용되고 있다. Lyocell is a  fiber made from natural pulp and amine oxide hydrate, and has excellent  fiber characteristics such as tensile and tactile properties compared to regenerated fibers, but does not generate any contaminants in the production process, and the amine used Oxide-based solvents are recyclable and biodegradable when discarded, so they are used in various fields as eco-friendly fibers.

또한, 라이오셀과 같은 천연섬유는, 고분자수지의 보강 섬유로 널리 쓰여 왔던 기존의 유리섬유와 비교할 때 천연 섬유의 인장강도와 인장탄성률이 낮으므로 획기적인 기계적 물성의 향상을 기대하기는 어려우나, 천연섬유 밀도(1.2~1.5 g/cm3)는 유리섬유(2.5~2.6 g/cm3)보다 상대적으로 낮아 비강도 및 비탄성률 관점에서 유리섬유에 비견할 만한 복합재료의 물성을 얻을 수 있으므로 경량소재 개발에 매우 유용할 것으로 예상된다.In addition, natural fibers such as lyocell have lower tensile strength and tensile modulus than conventional glass fibers, which have been widely used as reinforcing fibers for polymer resins, so it is difficult to expect dramatic improvements in mechanical properties. The density (1.2~1.5 g/cm 3 ) is relatively lower than that of glass fiber (2.5 ~ 2.6 g/cm 3 ), so it is possible to obtain the physical properties of a composite material comparable to glass fiber in terms of specific strength and specific modulus, thus developing lightweight materials. expected to be very useful.

고분자수지의 보강 섬유 또는 복합재료와 관련하여, 대한민국 공개특허 제2014-0080481호에는 (A) 열가소성 수지 및 (B) 레이온 섬유를 포함하는 수지 함침 장섬유다발을 포함하는 섬유 강화 수지 조성물로서, (B) 성분의 레이온 섬유가 섬유 직경이 5∼30㎛이고, X선 배향도가 86% 이상의 것이고, 상기 수지 함침 장섬유다발이 (B) 성분의 레이온 섬유를 길이방향으로 일치시킨 상태에서 2,000∼30,000개 묶은 것에 (A) 성분의 열가소성 수지를 용융시킨 상태에서 함침시켜 일체화한 후에, 3∼30mm의 길이로 절단하여 경량이고 기계적 강도가 높은 성형품이 얻어지는 섬유 강화 수지 조성물에 관하여 개시하고 있다.Regarding reinforcing fibers or composite materials of polymer resin, Korean Patent Publication No. 2014-0080481 discloses a fiber-reinforced resin composition comprising a resin-impregnated long fiber bundle including (A) a thermoplastic resin and (B) rayon fiber, ( The rayon fibers of component B) have a fiber diameter of 5 to 30 μm and an X-ray orientation of 86% or more, and the resin-impregnated long fiber bundle has a 2,000 to 30,000 Disclosed is a fiber-reinforced resin composition in which a molded product having a light weight and high mechanical strength is obtained by impregnating and integrating the bundled thermoplastic resin of component (A) in a melted state and then cutting it into a length of 3 to 30 mm.

또한, 대한민국 공개특허 제2017-0139108호에는 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 아라미드 섬유 등의 연속 강화 섬유와 열가소성 수지를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 조성물로서, 상기 열가소성 수지가 사이아노기 함유 바이닐 모노머 및 방향족계 바이닐 모노머의 공중합체를 포함하는 섬유 강화 열가소성 수지 조성물에 관하여 개시하고 있다. In addition, Korean Patent Publication No. 2017-0139108 discloses a fiber-reinforced thermoplastic resin composition containing continuous reinforcing fibers such as glass fibers, carbon fibers, or aramid fibers and a thermoplastic resin, wherein the thermoplastic resin is a cyano group-containing vinyl monomer and an aromatic-based resin. A fiber-reinforced thermoplastic resin composition comprising a copolymer of vinyl monomers is disclosed.

그러나 상기 방법들은 장섬유다발을 사용함에 따라 섬유끼리의 상호 뭉침 등으로 섬유 분산이 어려워 균일한 양을 투입하기가 어려운 문제가 있고, 연속 섬유를 활용하는 복합재료의 경우 제조공정이 매우 불편하며 성형성이 좋지 못하여 공정비용이 상승하는 문제가 있다.However, since the above methods use long fiber bundles, it is difficult to disperse the fibers due to mutual agglomeration of the fibers, so it is difficult to input a uniform amount. In the case of composite materials using continuous fibers, the manufacturing process is very inconvenient and molding There is a problem that the process cost increases due to poor performance.

이에 따라, 열가소성 수지와 혼합하여 제조하는 공정이 간단하고, 섬유의 응집이 발생하지 않으면서 향상된 물성을 갖는 복합재료의 개발이 필요하다.Accordingly, it is necessary to develop a composite material having improved physical properties without aggregation of fibers and a simple manufacturing process by mixing with a thermoplastic resin.

대한민국 공개특허 제2014-0080481호Republic of Korea Patent Publication No. 2014-0080481 대한민국 공개특허 제2017-0139108호Republic of Korea Patent Publication No. 2017-0139108

본 발명은 열가소성 수지에 소량의 라이오셀 섬유를 혼합하여 물성 성능을 향상시킨 미분 셀룰로스섬유를 포함하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition containing finely divided cellulose fibers whose physical properties and performance are improved by mixing a small amount of lyocell fibers with a thermoplastic resin.

또한, 라이오셀 섬유 분말(milled lyocell fiber)을 포함함으로써 장섬유를 사용하지 않더라도 혼련과정의 생산성을 증진하면서 물성을 극대화시킬 수 있는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물을 제공하고자 한다.In addition, it is intended to provide a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition capable of maximizing physical properties while improving productivity in a kneading process even without using long fibers by including milled lyocell fiber.

상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problem,

본 발명은 일실시예에서, In one embodiment, the present invention

열가소성 수지; 및 라이오셀 섬유 분말(milled lyocell fiber)을 포함하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물을 제공한다.thermoplastic resin; And it provides a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition comprising milled lyocell fiber.

상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리락트산, 또는 폴리아미드6인 것일 수 있다.The thermoplastic resin may be polypropylene, polylactic acid, or polyamide 6.

상기 라이오셀 섬유 분말은 0.1 내지 30 wt%를 포함하는 것일 수 있다.The lyocell fiber powder may contain 0.1 to 30 wt%.

상기 라이오셀 섬유 분말은, 섬유 길이가 0.1 내지 3.0 mm이고, 종횡비가 3 내지 200인 것일 수 있다.The lyocell fiber powder may have a fiber length of 0.1 to 3.0 mm and an aspect ratio of 3 to 200.

상기 열가소성 수지 이외에 폴리락트산을 더 포함하는 것일 수 있다.In addition to the thermoplastic resin, polylactic acid may be further included.

상기 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물은 가수분해방지제 또는 산화방지제를 0.3 phr 이상 더 포함하는 것일 수 있다.The high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition may further include 0.3 phr or more of a hydrolysis inhibitor or an antioxidant.

상기 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물은 제습기능성 필러인 CaCO3 또는 CaO를 0.5 wt% 이상 더 포함하는 것일 수 있다.The high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition may further include 0.5 wt% or more of CaCO 3 or CaO as a dehumidifying functional filler.

상기 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물은 무수말레인산 그라프트된 폴리프로필렌(Maleic anhydride-grafted polypropylene) 수지를 3 wt% 이상 더 포함하는 것일 수 있다.The high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition may further include 3 wt% or more of maleic anhydride-grafted polypropylene resin.

본 발명에 따른 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물은 친환경적인 복합재료로, 열가소성 수지에 라이오셀 섬유 분말(milled lyocell fiber)을 포함함으로써 장섬유를 사용하지 않더라도 혼련과정의 생산성을 증진하면서 물성을 극대화시킬 수 있다. 특히, 0.1 내지 30 wt%의 소량의 라이오셀 첨가만으로도 굴곡강도와 인장강도는 동일한 수준으로 유지하면서 탄성율을 향상시킬 수 있다.The high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition according to the present invention is an eco-friendly composite material, and by including milled lyocell fiber in the thermoplastic resin, it can maximize the physical properties while improving the productivity of the kneading process without using long fibers. there is. In particular, even with the addition of a small amount of lyocell of 0.1 to 30 wt%, the elastic modulus can be improved while maintaining the same level of flexural strength and tensile strength.

또한, 본 발명에 따른 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 열가소성 수지는 열경화성 수지와 달리 분자 구조로 인해 열 및 압력의 인가에 의해서 반복하여 연화, 성형 및 재사용될 수 있어 친환경적이며, 라이오셀은 레이온(rayon)을 대체할 수 있는 친환경적인 물질로 종래 레이온 섬유와 비교하여 제조 공정이 간단하고, 환경 및 인체에 무해하며, 형태안정성이 뛰어난 특성을 가질 수 있다.In addition, unlike thermosetting resins, the thermoplastic resin of the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition according to the present invention is eco-friendly because it can be repeatedly softened, molded, and reused by applying heat and pressure due to its molecular structure, and Lyocell is rayon ), it is an eco-friendly material that can replace conventional rayon fibers, has a simple manufacturing process, is harmless to the environment and human body, and has excellent shape stability.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서, 사용 수지에 대한 부피 분율 환산 계산 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 있어서, 연속 섬유의 범버리 믹서(bumbury's mixer) 혼련 및 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 있어서, 라이오셀 섬유 분말의 범버리 믹서 혼련 및 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, (a) 라이오셀 직물의 열분해특성, TGA 곡선 및 (b) 라이오셀 섬유의 열수축 거동, TMA 곡선이다[Polymer(Korea), Vol. 42, No. 1, pp. 125-132 (2018)].
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 열가소성 수지별 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 성형품 사진이다[(a) PP/라이오셀 섬유 분말, (b) PLA/라이오셀 섬유 분말, (c) PA6/PLA/라이오셀 섬유 분말].
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, PA6/PLA/라이오셀 섬유 분말 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 대한 모듈러스 vs. 밀도(modulus vs. density)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, 밀도별 영률(Young's modulus)을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 있어서, PP/라이오셀 섬유 분말 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 밀도 대비 굴곡강도 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 있어서, PA6/PLA/라이오셀 섬유 분말 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 대한 굴곡 강도 vs. 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 있어서, PLA/라이오셀 섬유 분말 및 PLA/다양한 길이분포를 갖는 라이오셀 섬유 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 대한 인장강도 및 굴곡강도 vs. 라이오셀 섬유 길이를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 있어서, PLA/다양한 길이분포를 갖는 라이오셀 섬유 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 대한 인장강도 vs. 라이오셀 섬유 길이를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the volume fraction conversion calculation method for the resin used in an embodiment of the present invention.
2 is a photograph of a continuous fiber mixer (bumbury's mixer) kneading and a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition in an embodiment of the present invention.
3 is a photograph of the Bumbury mixer kneading of lyocell fiber powder and a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition in an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows (a) thermal decomposition characteristics and TGA curves of lyocell fabrics and (b) heat shrinkage behavior and TMA curves of lyocell fibers [Polymer (Korea), Vol. 42, no. 1, p. 125-132 (2018)].
5 is a photograph of a molded article of a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition for each thermoplastic resin in an embodiment of the present invention [(a) PP/Lyocell fiber powder, (b) PLA/Lyocell fiber powder, (c) PA6/ PLA/Lyocell fiber powder].
Figure 6 shows the modulus vs. the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition of PA6/PLA/Lyocell fiber powder in an embodiment of the present invention. It is a graph showing modulus vs. density.
7 is a graph showing Young's modulus by density in an embodiment of the present invention.
8 is a graph of flexural strength versus density of a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition with PP/Lyocell fiber powder in an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows the flexural strength vs. of the PA6/PLA/Lyocell fiber powder high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition in an embodiment of the present invention. It is a graph showing density.
10 shows tensile strength and flexural strength vs. high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin compositions of PLA/Lyocell fiber powder and PLA/Lyocell fiber having various length distributions in an embodiment of the present invention. It shows the lyocell fiber length.
Figure 11 shows the tensile strength vs. PLA/Lyocell fiber high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition having various length distributions in an embodiment of the present invention. It shows the lyocell fiber length.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the term "comprises" or "has" is intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

라이오셀 섬유의 높은 비탄성율과 비강도를 활용하기 위하여 라이오셀을 범용 수지와 혼합하여 복합재료를 제조함에 있어서, 일반적으로 종횡비(Aspect ratio)가 클수록 복합재료의 물성 성능이 크게 개선되며, 특히 연속 섬유를 사용할 때 극대화 가능하다. 따라서, 통상적으로 라이오셀의 종류로서 연속 섬유, 길이 5 내지 100 mm 이내의 스테이플 및 촙(chop) 섬유 등을 주로 사용한다. In manufacturing a composite material by mixing lyocell with a general-purpose resin in order to utilize the high specific modulus and specific strength of lyocell fiber, in general, the larger the aspect ratio, the greater the improvement in physical properties of the composite material. This can be maximized when using fibers. Therefore, as a type of lyocell, continuous fibers, staples and chopped fibers with a length of 5 to 100 mm or less are usually mainly used.

그러나, 이와 같은 연속 섬유 복합재 및 스테이플 섬유를 활용하는 복합재료의 제조공정이 매우 불편하고, 성형성이 좋지 못하며, 공정 비용이 과다하게 상승하고, 특히 라이오셀 원료의 생산 단가도 상승하는 문제점이 있다.However, there are problems in that the manufacturing process of such continuous fiber composites and composite materials using staple fibers is very inconvenient, poor formability, excessively high process cost, and especially high production cost of lyocell raw materials. .

또한, 라이오셀 섬유는 유리섬유에 비하여 분산 시 직진성이 낮아서 섬유가 구부러지는 특성이 있어 섬유의 종횡비가 커져도 물성에 긍정적인 효과가 떨어지고 오히려 섬유강화 효율이 떨어지는 문제점이 있고, 라이오셀 섬유의 분해 온도가 일반적으로는 300℃ 이상 이라고 하지만, 대개의 경우 200℃ 내외에서 열분해가 개시되는 문제점이 있다.In addition, compared to glass fibers, Lyocell fibers have a characteristic of bending due to lower straightness when dispersed, so even if the aspect ratio of the fibers increases, the positive effect on the physical properties is lowered, and the fiber reinforcement efficiency is lowered, and the decomposition temperature of the Lyocell fibers Although it is generally said to be 300 ℃ or more, in most cases there is a problem that thermal decomposition starts around 200 ℃.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition that can effectively solve the above problems.

이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 열가소성 수지; 및 라이오셀 섬유 분말(milled lyocell fiber)을 포함하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물을 제공한다.The present invention is a thermoplastic resin; And it provides a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition comprising milled lyocell fiber.

본 발명에 따른 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물은 친환경적인 복합재료로, 열가소성 수지에 라이오셀 섬유 분말(milled lyocell fiber)을 포함함으로써 장섬유를 사용하지 않더라도 혼련과정의 생산성을 증진하면서 물성을 극대화시킬 수 있다. 특히, 0.1 내지 30 wt%의 소량의 라이오셀 첨가만으로도 굴곡강도와 인장강도는 동일한 수준으로 유지하면서 탄성율을 향상시킬 수 있다.The high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition according to the present invention is an eco-friendly composite material, and by including milled lyocell fiber in the thermoplastic resin, it can maximize the physical properties while improving the productivity of the kneading process without using long fibers. there is. In particular, even with the addition of a small amount of lyocell of 0.1 to 30 wt%, the elastic modulus can be improved while maintaining the same level of flexural strength and tensile strength.

상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리락트산(Polylactic acid, PLA), 또는 폴리아미드6(Polyamide6, PA6)인 것일 수 있다.The thermoplastic resin may be polypropylene (PP), polylactic acid (PLA), or polyamide 6 (PA6).

상기 열가소성 수지 이외에 폴리락트산을 더 포함하는 것일 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 열가소성 수지로 폴리프로필렌 또는 폴리아미드6를 이용할 경우, 폴리락트산을 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 폴리락트산을 더 포함함으로써 탄성율을 향상시킬 수 있고, 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물을 가공하는 경우 가공 온도를 강하시킬 수 있어, 상기 열가소성 수지의 고온 성형 시 열화를 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리락트산, 폴리아미드6, 폴리프로필렌 및 폴리락트산, 또는 폴리아미드6 및 폴리락트산인 것일 수 있다. In addition to the thermoplastic resin, polylactic acid may be further included. More specifically, when polypropylene or polyamide 6 is used as the thermoplastic resin, polylactic acid may be further included. By further including the polylactic acid, the elastic modulus can be improved, and the processing temperature can be lowered when processing the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition, thereby preventing deterioration during high-temperature molding of the thermoplastic resin. For example, the thermoplastic resin may be polypropylene, polylactic acid, polyamide 6, polypropylene and polylactic acid, or polyamide 6 and polylactic acid.

상기 열가소성 수지 이외에 폴리락트산을 5 내지 50 wt% 더 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리락트산은 8 내지 50 wt%, 8 내지 40 wt% 또는 35 내지 50 wt% 더 포함하는 것일 수 있다.In addition to the thermoplastic resin, 5 to 50 wt% of polylactic acid may be further included. For example, the polylactic acid may further contain 8 to 50 wt%, 8 to 40 wt%, or 35 to 50 wt%.

상기 열가소성 수지는 30 내지 99.9 wt%를 포함하는 것일 수 있으며, 이는 추가로 포함되는 상기 폴리락트산을 제외한 수치이다.The thermoplastic resin may contain 30 to 99.9 wt%, which is a value excluding the polylactic acid additionally included.

상기 라이오셀 섬유 분말은 0.1 내지 30 wt%를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 라이오셀 섬유 분말은 0.1 내지 20 wt%, 0.1 내지 10 wt%, 0.1 내지 5 wt%, 0.5 내지 30 wt%, 0.5 내지 20 wt%, 0.5 내지 10 wt% 또는 0.5 내지 5 wt%를 포함하는 것일 수 있고, 소량을 포함함으로써 가성비를 향상시킬 수 있고, 비탄성율 및 비강도를 극대화시킬 수 있다.The lyocell fiber powder may contain 0.1 to 30 wt%. For example, the lyocell fiber powder is 0.1 to 20 wt%, 0.1 to 10 wt%, 0.1 to 5 wt%, 0.5 to 30 wt%, 0.5 to 20 wt%, 0.5 to 10 wt% or 0.5 to 5 wt% %, and by including a small amount, the cost ratio can be improved, and the specific modulus and specific strength can be maximized.

상기 라이오셀 섬유 분말은, 섬유 길이가 0.1 내지 3.0 mm이고, 종횡비(aspect ratio)가 3 내지 200인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 길이는 0.1 내지 2.5 mm, 0.1 내지 2.0 mm, 0.1 내지 1.0 mm, 0.5 내지 3.0 mm, 0.5 내지 2.0 mm, 0.5 내지 1.0 mm, 1.0 내지 3.0 mm, 1.0 내지 2.0 mm 또는 2.0 내지 3.0 mm일 수 있고, 종횡비는 3 내지 150, 3 내지 100, 3 내지 50, 5 내지 200, 5 내지 100, 5 내지 50, 10 내지 200, 10 내지 100 또는 50 내지 100일 수 있다. The lyocell fiber powder may have a fiber length of 0.1 to 3.0 mm and an aspect ratio of 3 to 200. For example, the fiber length is 0.1 to 2.5 mm, 0.1 to 2.0 mm, 0.1 to 1.0 mm, 0.5 to 3.0 mm, 0.5 to 2.0 mm, 0.5 to 1.0 mm, 1.0 to 3.0 mm, 1.0 to 2.0 mm, or 2.0 to 2.0 mm. 3.0 mm, and the aspect ratio may be 3 to 150, 3 to 100, 3 to 50, 5 to 200, 5 to 100, 5 to 50, 10 to 200, 10 to 100 or 50 to 100.

본 발명에 따른 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에서 라이오셀 섬유 분말은 잔존섬유 길이의 응력 저항성이 우수하여 장섬유를 사용하지 않더라도 적절한 물성을 발휘할 수 있으며, 상기 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 혼련과정의 생산성을 증진시키면서 물성을 향상시킬 수 있다.In the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition according to the present invention, the lyocell fiber powder has excellent stress resistance of the remaining fiber length, so that it can exhibit appropriate physical properties even without using long fibers, and the productivity of the kneading process of the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition While improving the physical properties can be improved.

상기 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물은 가수분해방지제 또는 산화방지제를 0.3 phr 이상 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 열가소성 수지는 약 190 내지 260℃의 가공 온도를 가지며, 이러한 가공 온도에서 계면의 개선 및 고온에서의 분해라디칼 발생 등을 고려하여 상기 가수분해방지제 또는 산화방지제를 첨가하여 물성 및 외관을 더욱 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 가수분해방지제 또는 산화방지제는 0.3 내지 1.0 phr 더 포함하는 것일 수 있다.The high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition may further include 0.3 phr or more of a hydrolysis inhibitor or an antioxidant. The thermoplastic resin has a processing temperature of about 190 to 260 ° C. At this processing temperature, the physical properties and appearance can be further improved by adding the hydrolysis inhibitor or antioxidant in consideration of the improvement of the interface and the generation of decomposition radicals at high temperatures. can For example, the hydrolysis inhibitor or antioxidant may be further included in an amount of 0.3 to 1.0 phr.

상기 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물은 무수말레인산 그라프트된 폴리프로필렌(Maleic anhydride-grafted polypropylene) 수지를 3 wt% 이상 더 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 무수말레인산 그라프트된 폴리프로필렌 수지는 3 내지 7 wt% 또는 5 wt% 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 무수말레인산 그라프트된 폴리프로필렌 수지를 첨가함으로써 물성 및 외관을 더욱 개선시킬 수 있으며, 상기 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 복합재료 제조 시 유리 또는 탄소섬유 등과의 계면 접착성을 높여 특성을 향상시킬 수 있다.The high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition may further include 3 wt% or more of maleic anhydride-grafted polypropylene resin. For example, the maleic anhydride-grafted polypropylene resin may further contain 3 to 7 wt% or 5 wt%. Physical properties and appearance can be further improved by adding the maleic anhydride-grafted polypropylene resin, and properties can be improved by increasing the interfacial adhesion with glass or carbon fiber when manufacturing a composite material of the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition. there is.

상기 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물은 제습기능성 필러인 CaCO3 또는 CaO를 0.5 wt% 이상 더 포함하는 것일 수 있다.The high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition may further include 0.5 wt% or more of CaCO 3 or CaO as a dehumidifying functional filler.

본 발명에 따른 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 열가소성 수지는 열경화성 수지와 달리 분자 구조로 인해 열 및 압력의 인가에 의해서 반복하여 연화, 성형 및 재사용될 수 있어 친환경적이며, 라이오셀은 레이온(rayon)을 대체할 수 있는 친환경적인 물질로 종래 레이온 섬유와 비교하여 제조 공정이 간단하고, 환경 및 인체에 무해하며, 형태안정성이 뛰어난 특성을 가질 수 있다.Unlike thermosetting resins, the thermoplastic resin of the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition according to the present invention is eco-friendly because it can be repeatedly softened, molded, and reused by applying heat and pressure due to its molecular structure. It is an eco-friendly material that can be replaced and has a simple manufacturing process compared to conventional rayon fibers, is harmless to the environment and human body, and has excellent shape stability.

이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and the like according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the examples presented below.

실시예 Example

제조예 1: 재료의 물성 Preparation Example 1: Physical properties of materials

1) 라이오셀 섬유 물성1) Lyocell fiber properties

본 실시예에서 섬유 밀도 1.5 g/cm3, 섬경 10 내지 15μm, 섬유 분말 길이 100 내지 250μm인 ㈜효성에서 제조된 라이오셀 섬유 분말을 사용하였다.In this example, Lyocell fiber powder manufactured by Hyosung Co., Ltd. having a fiber density of 1.5 g/cm 3 , a fiber diameter of 10 to 15 μm, and a fiber powder length of 100 to 250 μm was used.

본 실시예에서 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)은 롯데케미칼의 J-150을 사용하였고, 폴리락트산(Polylactic acid, PLA)은 Total-Corbion의 고온, 고점도 제품으로 필름 압출 성형용 grade인 Luminy LX575을 사용하였으며, 폴리아미드6(Polyamide6, PA6)는 상대 점도가 2.24인 ㈜효성 제품을 사용하였다.In this embodiment, J-150 of Lotte Chemical was used for polypropylene (PP), and Luminy LX575, a high-temperature, high-viscosity product of Total-Corbion for film extrusion, was used for polylactic acid (PLA). and polyamide 6 (PA6), a product of Hyosung Co., Ltd., which has a relative viscosity of 2.24, was used.

제조예 2: 라이오셀 섬유의 적정 함량 계산Preparation Example 2: Calculation of proper content of lyocell fiber

사용된 수지에 대한 부피 분율 환산 계산 방법은 도 1에 나타냈으며, 기재수지별 복합 조성물 예상물성 비교상수는 하기 표 1에 나타내었다.The volume fraction conversion calculation method for the resin used is shown in FIG. 1, and the expected physical property comparison constants of the composite composition for each base resin are shown in Table 1 below.

- 섬유의 적정 분율은 부피 분율을 기준으로 물리적인 혼합이 가능한 범위와 통상적인 사출/압출용 복합재료의 섬유 분율(통상 5~30%)에 해당하는 범위에서 산정하기 위함- The proper fiber fraction is to be calculated in the range where physical mixing is possible based on the volume fraction and the fiber fraction (usually 5 to 30%) of conventional composite materials for injection/extrusion.

- 실험된 복합재료의 물성 분석 결과에 대한 고찰 시, rule of mixture 근거한 평가를 하기 위하여 부피 분율 환산이 필요함- When considering the results of physical property analysis of the tested composite material, it is necessary to convert the volume fraction in order to evaluate based on the rule of mixture

- Direct LFT(Direct long-fiber thermoplastic)를 활용한 실험에서는 압출기로의 feeding 및 사출 시 장애가 없이 생산이 용이한 10, 20wt%로 실시하기로 함- In experiments using Direct LFT (Direct long-fiber thermoplastic), 10 and 20 wt%, which are easy to produce without problems during feeding and injection into the extruder, were decided.

- Ribbon Blender Mixer를 이용한 섬유 분말(Milled fiber), 촙 섬유(Chopped fiber), 얀 섬유(yarn fiber)의 경우에는 30wt%, 60wt%의 혼련을 실시함- In the case of milled fiber, chopped fiber, and yarn fiber using a Ribbon Blender Mixer, kneading is performed at 30wt% and 60wt%

[표 1][Table 1]

실험예 1: 라이오셀 섬유 분말(Lyocell milled fiber), 촙 섬유(Chopped fiber), Lyocell long-fiber-reinforced thermoplastic composite (LFT)에 따른 열가소성 수지의 섬유의 분산, 분포 능력 분석Experimental Example 1: Analysis of dispersion and distribution ability of thermoplastic resin fibers according to Lyocell milled fiber, chopped fiber, and Lyocell long-fiber-reinforced thermoplastic composite (LFT)

범버리 믹서[Bumbury's mixer(haake rheomix os)]의 온도 및 혼련 시간에 따른 토크(torque) 변화 분석 결과, 섬유 길이 증가에 따라 토크(torque)가 급격히 증가되었고, 섬유의 신율과 인성이 높은 연속 섬유상 투입 시 shear scissoring(혼련 공정에서 전단력에 의한 섬유의 절단)이 잘 발생하지 않았다.As a result of analyzing the torque change according to the temperature and kneading time of Bumbury's mixer [Bumbury's mixer (haake rheomix os)], the torque increased rapidly as the fiber length increased, and the fiber elongation and toughness were high. Shear scissoring (cutting of fibers by shear force in the kneading process) did not occur well during input.

이로 인하여 연속 섬유간의 뭉침이 매우 심하여 섬유 분산이 어려움을 확인하였고, 연속 섬유의 범버리 믹서(bumbury's mixer) 혼련 및 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물 사진을 도 2에 나타내었다.As a result, the aggregation between the continuous fibers was very severe, confirming the difficulty in dispersing the fibers, and pictures of kneading of the continuous fibers in a bumbury's mixer and a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition are shown in FIG. 2 .

이러한 뭉침 현상은 섬유의 길이가 길어질수록 급격히 증가하며 섬유 길이가 증가할수록 예상되는 보강 효과를 충분히 발현하지 못하고, 오히려 물성에 방해요인으로 작용하게 됨을 알 수 있었다. 동일한 현상이 섬유 혼합 분율에 따른 물성 결과에도 나타났으며, It was found that this agglomeration phenomenon rapidly increased as the length of the fiber increased, and as the length of the fiber increased, the expected reinforcing effect could not be fully expressed, but rather acted as an obstacle to physical properties. The same phenomenon was also shown in the physical property results according to the fiber mixing fraction,

즉 섬유의 분율이 증가하더라도 예상만큼의 물성을 구현하도록 하는 것이 어렵고 오히려 소량의 섬유 분말에서 기대 이상의 물성 증가 현상 나타났다. 라이오셀 섬유 분말의 범버리 믹서 혼련 및 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물 사진을 도 3에 나타내었다.In other words, even if the fraction of fiber increases, it is difficult to realize the expected physical properties, and rather, a phenomenon of increasing physical properties more than expected in a small amount of fiber powder. 3 shows photographs of Lyocell fiber powder kneading with a Bumbery mixer and a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition.

상기의 이유로 인하여 섬유 분말의 경우 장섬유보다 섬유의 안정적인 분산을 유도하기 쉬우며, 혼합과정에서의 섬유 파쇄가 비교적 적어서 혼련 시 시간에 따른 토크(torque)의 변화(감쇄)가 비교적 적은 편이었다.For the above reasons, in the case of fiber powder, it is easier to induce stable dispersion of fibers than long fibers, and the change (attenuation) of torque over time during kneading was relatively small because the fiber breakage during the mixing process was relatively small.

실험예 2: 라이오셀 섬유의 성상별 feeding 문제 해결 방안 도출Experimental Example 2: Derivation of a solution to the feeding problem for each property of lyocell fiber

길이 5 내지 10 mm의 라이오셀 섬유의 경우에는 섬유 분말(milled fiber)과는 달리 개섬 섬유(opened fiber) 공정을 거친 것처럼 솜뭉침 현상이 심하여 연속적인 혼합공정을 통한 복합재료의 제조가 불가능하여 라이오셀 장섬유를 활용하는 선행연구들을 참고해 본 결과, 모두 카딩/개섬(carding/opening)을 통한 fiber-fiber, 또는 fiber-powder 혼합분산공정을 사용하고 있는 것을 알 수 있었다. 이러한 공정을 활용할 경우에는 높은 종황비를 유지하기는 좋으나 섬유와 수지간의 이상적인 혼합을 통한 복합수지 물성의 향상을 기대하기가 어렵다. 그런데 라이오셀 섬유의 경우에는 신율이 작지 않으며 인성이 높아서 혼련 공정 중의 섬유 길이의 감쇄가 비교적 적은 편이다. 이와 같이 앞서 섬유의 Shear scissoring에 대한 저항력이 큰 특성을 이해하였으므로, 이와 같은 특성을 갖는 라이오셀의 경우에는 범버리 믹서 등을 활용하면 섬유 투입의 어려움을 해소할 수 있는 공정적인 편리성과 섬유의 분산 최적화 등을 통한 물성의 최적화에도 크게 유리한 것을 알 수 있었다. 이를 통하여 섬유 함량을 최대 60%까지 혼합할 수 있었다.In the case of lyocell fiber with a length of 5 to 10 mm, unlike milled fiber, it is difficult to manufacture a composite material through a continuous mixing process due to severe cotton aggregation as if it had gone through an open fiber process. As a result of referring to previous studies using cell long fibers, it was found that all of them used a fiber-fiber or fiber-powder mixing and dispersing process through carding/opening. When using this process, it is good to maintain a high aspect ratio, but it is difficult to expect improvement in the physical properties of the composite resin through the ideal mixing between fibers and resin. However, in the case of lyocell fiber, the elongation is not small and the toughness is high, so the attenuation of the fiber length during the kneading process is relatively small. In this way, since the characteristics of high shear scissoring resistance of fibers were understood, in the case of Lyocell having such characteristics, using a Bumbury mixer, etc. provides process convenience and fiber dispersion that can solve the difficulty of fiber input. It was found that the optimization of physical properties through optimization was also greatly advantageous. Through this, it was possible to mix the fiber content up to 60%.

실험예 3: 라이오셀 섬유의 공정 특성 분석Experimental Example 3: Analysis of Process Characteristics of Lyocell Fiber

1) 라이오셀 섬유의 함습성 및 건조 조건 1) Moisture content and drying conditions of Lyocell fiber

하기 표 2를 참조하면, 섬유 분말의 함습율은 약 6%의 수분을 포함하고 있어서 촙 섬유(7%), 연속 섬유(10%)에 비교하여 낮은 편이었으며, 모든 섬유는 실험 기간 동안 초기 110℃에서 3시간 건조 후 80℃(이슬점 -60℃)로 턴벡션 건조 공기 순환방식으로 보관하면서 실험을 진행하였다.Referring to Table 2 below, the moisture content of the fiber powder contained about 6% of moisture, so it was low compared to chopped fiber (7%) and continuous fiber (10%), and all fibers had an initial 110 After drying at ° C for 3 hours, the experiment was conducted while storing at 80 ° C (dew point -60 ° C) in a turnvection drying air circulation method.

Wittmann DRYMAX Aton2 F7 건조기, 110℃(이슬점 -60℃) 및 80℃(이슬점 -60℃)의 조건으로 건조하고, 건조 전후의 질량을 비교하여 함습율을 계산하였다.Wittmann DRYMAX Aton2 F7 dryer, dried under conditions of 110 ° C (dew point -60 ° C) and 80 ° C (dew point -60 ° C), and the moisture content was calculated by comparing the mass before and after drying.

[표 2][Table 2]

2) 열분해 특성 및 컴파운딩(Compounding)시 온도 제어2) Thermal decomposition characteristics and temperature control during compounding

라이오셀 섬유의 특징을 선행 논문[Polymer(Korea), Vol. 42, No. 1, pp. 125-132 (2018)]을 통해 분석하였다. The characteristics of lyocell fiber were described in a preceding paper [Polymer (Korea), Vol. 42, no. 1, p. 125-132 (2018)].

도 4는 (a) 라이오셀 직물의 열분해특성, TGA 곡선 및 (b) 라이오셀 섬유의 열수축 거동, TMA 곡선을 나타낸 것이다[Polymer(Korea), Vol. 42, No. 1, pp. 125-132 (2018) 인용].Figure 4 shows (a) thermal decomposition characteristics of lyocell fabric, TGA curve and (b) heat shrinkage behavior of lyocell fiber, TMA curve [Polymer (Korea), Vol. 42, no. 1, p. 125-132 (2018)].

도 4를 참조하면, TGA 곡선을 통한 라이오셀 직물의 열분해 특성은 본 실시예에 사용한 동등 제품인 라이오셀은 100℃ 이후 약 1~2%의 중량이 감소하며 약 270℃ 부근부터 열분해를 시작하여 약 390℃까지 급격하게 감소하였다. TMA 곡선을 통한 열수축 특성은 30 내지 160℃까지 약 2% 열수축률을 보였으며(원인: 물분자가 제거되면서 발생), 200℃ 이상에서 다소 팽창한 후 본래의 치수를 유지하다가, 280℃ 부근에서 열분해 시작에 의한 치수 수축 발생하였다. 최종 열수축률은 약 320℃ 부근에서 27%의 수축율을 보였으며, TMA의 열수축 거동은 TGA에서의 중량 감소 거동과 일치하였다.Referring to FIG. 4, the thermal decomposition characteristics of the lyocell fabric through the TGA curve show that the equivalent product used in this example, lyocell, loses about 1 to 2% in weight after 100 ° C and starts thermal decomposition from around 270 ° C to about It decreased rapidly to 390 °C. The heat shrinkage characteristics through the TMA curve showed about 2% heat shrinkage from 30 to 160℃ (cause: caused by the removal of water molecules), and after slightly expanding at 200℃ or higher, the original dimensions were maintained, and at around 280℃ Dimensional shrinkage occurred due to the onset of thermal decomposition. The final heat shrinkage rate showed a shrinkage rate of 27% around 320 ℃, and the heat shrinkage behavior of TMA was consistent with the weight loss behavior of TGA.

이에, 본 실시예에서 실험을 준비하기 위한 적용을 위해, 본격적인 중량 감소는 320℃ 부근에서 발생하지만, 300℃ 이하에서도 꾸준한 중량 감소를 나타냈다. 이때 중량 감소는 크지 않지만, 증기압이 큰 수분 및 gas 등은 성형보강재와 계면간의 기공을 형성하고, 또한 탄수화물(carbohydrate)류의 열분해 과정에서 발생하는 oxidative Radical acids류(셀룰로오스계의 탄수화물이 분해되면서 발생하는 아세트산 또는 포름산 등 여러 형태의 혼합된 산성 물질)는 물성을 감소시키고 장비를 부식시키기 쉽다. 따라서 성형 온도는 낮을수록 좋으며 적어도 200℃ 이하를 유지하는 것으로 실험 진행하였다.Therefore, for the application to prepare for the experiment in this example, a full-fledged weight loss occurred around 320 ° C., but a steady weight loss was shown even at 300 ° C. or less. At this time, the weight loss is not large, but moisture and gas with high vapor pressure form pores between the molding reinforcement and the interface, and oxidative radical acids generated during the thermal decomposition of carbohydrates (generated as cellulose-based carbohydrates are decomposed) Acetic acid or formic acid, etc.) can reduce physical properties and corrode equipment. Therefore, the lower the molding temperature, the better, and the experiment was conducted to maintain at least 200 ℃ or less.

실험예 4: 열가소성 수지별(PP, PA6, PLA) 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 공정 특성 분석Experimental Example 4: Analysis of process characteristics of high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin compositions for each thermoplastic resin (PP, PA6, PLA)

1) PP(poly propylene)/라이오셀 섬유 분말1) PP (poly propylene)/Lyocell fiber powder

PP의 성형 온도가 190 내지 200℃이므로 가공 온도로 인한 성형 불량 문제는 없었으나, 계면의 개선 및 고온에서의 분해라디칼 발생 등을 고려하여 산화방지제를 처방하고, 무수말레인산 그라프트된 폴리프로필렌(Maleic anhydride-grafted polypropylene, MAH-PP) 수지를 첨가하여 물성 및 외관이 더욱 개선되었다. Since the molding temperature of PP is 190 to 200 ° C, there was no molding defect problem due to the processing temperature. Physical properties and appearance were further improved by adding anhydride-grafted polypropylene (MAH-PP) resin.

2) PLA(ploy lactic acid)/라이오셀 섬유 분말2) PLA (ploy lactic acid) / lyocell fiber powder

PLA의 가공 온도인 190℃로 성형하였고 산화방지제를 과량 처방하였음에도 불구하고, 20 wt% 라이오셀의 투입 후 심한 갈변과 함께 산성 가스의 발생이 현저히 증가하여 양품의 성형품을 얻기 어려웠다.It was molded at 190 ° C, which is the processing temperature of PLA, and despite an excessive amount of antioxidants, after adding 20 wt% Lyocell, severe browning and generation of acid gas significantly increased, making it difficult to obtain a good molded product.

3) PA6 (poly amide 6)/라이오셀 섬유 분말3) PA6 (poly amide 6)/Lyocell fiber powder

통상 230℃ 이상 최고 260℃에서 사출하고 있는 상대 점도 2.2의 PA6를 기재로 하여 사출을 시도한 결과, 라이오셀이 탄소화된 것처럼 검은색의 boiled 점성액체로 사출이 됨에 따라, 사출 온도를 강하시키기 위하여 20 wt% PLA와 dry blend하여 215℃에서 사출을 실시하여 아이보리 색상을 유지하는 안정적인 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물을 수득하였다.As a result of attempting injection based on PA6 with a relative viscosity of 2.2, which is usually injected at 230℃ or higher and a maximum of 260℃, as a result of injection as a black boiled viscous liquid as if lyocell was carbonized, in order to lower the injection temperature A stable, high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition maintaining an ivory color was obtained by performing injection at 215° C. by dry blending with 20 wt% PLA.

상기 열가소성 수지별 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 성형품 사진은 도 5에 나타내었다[(a) PP/라이오셀 섬유 분말, (b) PLA/라이오셀 섬유 분말, (c) PA6/PLA/라이오셀 섬유 분말].Pictures of molded products of the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition for each thermoplastic resin are shown in FIG. 5 [(a) PP/Lyocell fiber powder, (b) PLA/Lyocell fiber powder, (c) PA6/PLA/Lyocell fiber powder].

라이오셀의 열분해로 인한 수지의 가수분해 및 탄화 및 산성 가스 발생 등의 불안정 요소를 확인할 수 있었고, 이를 해결하기 위한 방안으로 고온 성형 시 열화 방지를 위하여 가공 온도 강하를 유도할 수 있는 수지 혼합으로 안정적인 성형성 확보가 가능하다.Instability factors such as hydrolysis and carbonization of resin and generation of acid gas due to thermal decomposition of lyocell were confirmed. As a solution to this problem, stable mixing of resin that can induce a drop in processing temperature to prevent deterioration during molding at high temperatures was found. It is possible to secure formability.

실험예 5: 측정 데이터 분석Experimental Example 5: Analysis of measurement data

1) 라이오셀 섬유 분말 함량/사용 수지별 밀도 측정/이론적 계산값과 비교1) Lyocell fiber powder content/density measurement for each resin used/comparison with theoretical calculation values

도 6은 PA6/PLA/라이오셀 섬유 분말 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 대한 모듈러스 vs. 밀도(modulus vs. density)를 나타낸 그래프이고, 표 3은 라이오셀 섬유 분말 함량/사용 수지별 밀도 측정값을 나타낸 것이다.Figure 6 shows the modulus vs. PA6 / PLA / Lyocell fiber powder high efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition. It is a graph showing modulus vs. density, and Table 3 shows the density measurement values for each lyocell fiber powder content/used resin.

도 6 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 밀도별 탄성율(Tensile/Flexural modulus)을 비교하여 보면 비탄성율 면에서 PP 기반 MAH-PP, PLA 첨가 등에서 기대치 이상의 값이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 특히 PP/PLA 혼합에 의한 개선 효과가 매우 우수하게 나타나는 것을 알 수 있었다. 탄성율 값으로만 볼 때 PLA 기반 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에서 가장 높은 값을 보이고 있으나, 편차 또한 상당히 크게 나타난 것으로 나타났다. 이는 고결정성인 PLA의 특성을 유지함에 따른 결과로 보인다.As shown in FIG. 6 and Table 3, when comparing Tensile/Flexural modulus by density, it was confirmed that PP-based MAH-PP, PLA addition, etc. showed a value higher than expected in terms of specific elastic modulus. In particular, it was found that the improvement effect by the PP/PLA mixture was very excellent. In terms of the elastic modulus value alone, the PLA-based high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition showed the highest value, but the deviation was also significantly large. This seems to be the result of maintaining the characteristics of PLA, which is highly crystalline.

[표 3][Table 3]

2) 라이오셀 섬유 함량별 굴곡 물성 비교2) Comparison of bending properties by lyocell fiber content

하기 표 4는 라이오셀 섬유 함량별 굴곡탄성률(Flexural modulus, FM) 및 굴곡강도(Flexural strength, FS)를 나타낸 것이다. Table 4 below shows the flexural modulus (FM) and flexural strength (FS) for each lyocell fiber content.

도 7은 밀도별 영률(Young's modulus)을 나타낸 그래프이고, 도 8은 PP/라이오셀 섬유 분말 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 밀도 대비 굴곡강도 그래프이다.7 is a graph showing Young's modulus by density, and FIG. 8 is a graph of flexural strength versus density of a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition made of PP/Lyocell fiber powder.

도 7 및 도 8을 참조하면, 영률 값을 밀도별로 플롯(plot)하여 라이오셀이 첨가되지 않은 Virgin 수지의 탄성율 동향과 비교하여 보았다. 그 결과 비강도의 개선 성과가 낮은 함량의 라이오셀을 사용하거나, PP/PLA 혼합 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에서 월등히 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIGS. 7 and 8 , Young's modulus values were plotted for each density and compared with trends in elastic modulus of a virgin resin to which lyocell was not added. As a result, it was confirmed that the performance of improving the specific strength was significantly higher when using a low content of lyocell or in a PP/PLA blended high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition.

[표 4][Table 4]

3) 라이오셀 섬유 함량 별 굴곡강도 측정 결과3) Measurement results of flexural strength by lyocell fiber content

도 9는 본 발명의 실시예에 있어서, PA6/PLA/라이오셀 섬유 분말 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 대한 굴곡 강도(Tensile/Flexural strength) vs. 밀도를 나타낸 그래프이다.9 is an example of the present invention, Tensile / Flexural strength vs. PA6 / PLA / Lyocell fiber powder high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition. It is a graph showing density.

도 9에 나타낸 바와 같이, PLA/PA6 수지를 사용한 그룹들의 경우만 굴곡강도를 비교하여 살펴 보면, 밀도와 함께 탄성율이 선형적으로 증가하는 구간이 나타났는데, 이 구간에서는 PLA의 결정성 유지 비율이 차이가 있으며, 그에 따라 굴곡강도가 선형적인 증가를 보이는 구간으로 사료된다.As shown in FIG. 9, when comparing the flexural strengths of only the groups using the PLA/PA6 resin, a section in which the elastic modulus increases linearly with the density was found. In this section, the crystallinity retention ratio of PLA was There is a difference, and accordingly, it is considered to be a section showing a linear increase in flexural strength.

라이오셀 섬유의 함량 증가에 따른 굴곡 강도 및 인장 강도의 개선 효과가 두드러지지 않았으며, 대체로 소량의 라이오셀 섬유 사용(1 내지 10 wt%)에서의 인장강도의 변화가 크게 나타났고, 그 이상의 함량에서는 추가적인 물성 개선 효과가 나타나지 않는 특성을 보였다.The effect of improving the flexural strength and tensile strength according to the increase in the content of lyocell fiber was not remarkable, and the change in tensile strength was large when a small amount of lyocell fiber was used (1 to 10 wt%). showed no additional physical property improvement effect.

PLA/라이오셀 섬유 분말 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 인장 및 굴곡강도 경우에는 라이오셀 섬유 사용량이 1 wt%에서 10 내지 20 wt%로 증가할 경우 오히려 강도가 감소하는 것을 볼 수 있었다.In the case of the tensile and flexural strength of the PLA/Lyocell fiber powder high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition, it was found that the strength rather decreased when the amount of Lyocell fiber increased from 1 wt% to 10 to 20 wt%.

4) 라이오셀 섬유 함량별 인장강도 측정 결과4) Measurement results of tensile strength by lyocell fiber content

하기 표 5는 라이오셀 섬유 함량별 인장강도(TS) 측정 결과를 나타낸 것이다. Table 5 below shows the results of measuring tensile strength (TS) for each lyocell fiber content.

표 5를 참조하면, 인장강도에서도 앞서 굴곡 강도에서 살펴 본 것과 대체로 동일한 경향이 나타났다. 이는 소량의 라이오셀 섬유 함량을 증가시켜서 얻을 수 있는 보강 효과 보다는, PLA의 결정형성에 대한 방해나 라이오셀 섬유 분산 방해 및 분해가스 등의 발생으로 인한 물성 저하 요인의 제어가 쉽지 않은 결과인 것으로 사료된다.Referring to Table 5, the tensile strength also exhibited generally the same trend as previously observed in the flexural strength. It is believed that this is a result of the difficulty in controlling the factors of deterioration in physical properties due to interference with crystal formation of PLA, interference with dispersion of lyocell fibers, and generation of decomposition gas, rather than the reinforcing effect obtained by increasing the content of a small amount of lyocell fiber. do.

[표 5][Table 5]

5) 라이오셀 섬유 함량별 비강도 및 비탄성율5) Specific strength and specific modulus of elasticity by lyocell fiber content

하기 표 6을 참조하면, 비강도 및 비탄성율의 비교에서도 소량의 라이오셀 섬유를 함유한 경우에서 가장 효율적인 결과를 나타내었다.Referring to Table 6 below, even in comparison of specific strength and specific modulus, the most efficient results were obtained when a small amount of lyocell fibers were contained.

[표 6][Table 6]

6) 라이오셀 섬유 섬유 길이별 인장강도 및 굴곡강도 측정6) Measurement of tensile strength and flexural strength by fiber length of lyocell fiber

상기에서 수득된 라이오셀 섬유 분말의 물성과 비교하여, 스테이플 섬유와 열가소성 섬유를 카딩(carding) 공정으로 섬유 간 혼련하였고, 이를 용융 믹싱(mixing)하여 얻은 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 섬유 길이별 실험 결과와 비교하였다. Compared to the physical properties of the lyocell fiber powder obtained above, staple fibers and thermoplastic fibers were kneaded between fibers in a carding process, and high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin compositions obtained by melting and mixing them Experiments by fiber length The results were compared.

20 wt%의 동일한 함량의 라이오셀 섬유를 포함하고 있으며 모두 사출 성형을 통하여 시편을 성형하였다.It contained the same amount of lyocell fibers of 20 wt%, and all specimens were molded through injection molding.

도 10은 PLA를 기재한 다양한 길이분포를 갖는 20 중량% 라이오셀 섬유 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 대한 인장강도 및 굴곡강도 vs. 라이오셀 섬유 길이를 나타낸 것이다.10 shows tensile strength and flexural strength vs. 20 wt % lyocell fiber high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition having various length distributions based on PLA. It shows the lyocell fiber length.

도 10에 나타낸 바와 같이, 섬유의 길이가 0.1 mm, 6 mm, 30 mm, 60 mm인 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물의 인장강도를 비교한 결과, 섬유의 길이와 무관하게 유사한 수준을 보이고 있으며, 굴곡강도의 경우에는 섬유의 길이가 짧을수록 오히려 높은 값을 나타내었다. As shown in FIG. 10, as a result of comparing the tensile strength of the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin compositions having fiber lengths of 0.1 mm, 6 mm, 30 mm, and 60 mm, they show a similar level regardless of the length of the fiber, and the bending In the case of strength, the shorter the length of the fiber, the higher the value.

이러한 예상치 못한 결과가 나온 이유는 라이오셀 섬유는 인성이 높고 응력 파쇄가 잘 일어나지 않으므로 섬유의 길이가 길수록 오히려 섬유의 뭉침이 증가하며 그 결과 분산이 방해되고 복합재료 내의 강화 섬유의 네트워킹이 좋지 않은 상태가 되기 때문인 것으로 판단되며, 특히, 라이오셀의 경우에는 유리섬유나 탄소섬유 등과는 달리 사출 후 잔존 섬유의 길이가 길게 유지되기 쉬운 것으로 나타났다. 즉, 유리섬유의 경우에는 LFT를 사출하더라도 잔존 섬유의 평균 길이가 약 3 mm 이하이며 탄소섬유의 경우에는 유리섬유 대비 약 5~10분의 1에 지나지 않는다.The reason for this unexpected result is that Lyocell fiber has high toughness and does not easily undergo stress fracture, so the longer the fiber length, the more the aggregation of the fiber, which hinders dispersion and poor networking of the reinforcing fibers in the composite material. It is judged to be because it becomes, and in particular, in the case of lyocell, unlike glass fiber or carbon fiber, etc., it was found that the length of the remaining fiber after injection is easily maintained long. That is, in the case of glass fiber, the average length of remaining fibers is less than about 3 mm even if LFT is injected, and in the case of carbon fiber, it is only about 5 to 1/10 of glass fiber.

즉, 라이오셀의 경우에는 잔존 섬유 길이의 응력 저항성이 우수하여 장섬유를 사용하지 않더라도 적절한 물성을 발휘할 수 있는 것으로 나타났다. 즉, 라이오셀 섬유 분말을 그대로 사용하는 것이 혼련 과정의 생산성을 증진하면서 물성의 극대화를 이룰 수 있는 것으로 파악된다. That is, in the case of lyocell, it was found that the stress resistance of the remaining fiber length was excellent, so that appropriate physical properties could be exhibited even without using long fibers. That is, it is understood that using the lyocell fiber powder as it is can achieve maximization of physical properties while improving the productivity of the kneading process.

7) 압축성형에 의한 라이오셀 섬유 복합재료 시편의 섬유 함량별 인장강도 비교7) Comparison of tensile strength by fiber content of Lyocell fiber composite specimens by compression molding

도 11은 본 발명의 실시예에 있어서, PLA/다양한 길이분포를 갖는 라이오셀 섬유 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물 및 PLA/라이오셀 연속섬유(continuous)에 대한 인장강도 vs. 라이오셀 섬유 길이를 나타낸 것이고, 하기 표 9는 측정 결과 수치를 나타낸 것이다.11 is a graph showing tensile strength vs. PLA/Lyocell fiber-reinforced thermoplastic resin compositions having various length distributions and PLA/Lyocell continuous fibers in an embodiment of the present invention. It shows the lyocell fiber length, and Table 9 below shows the measurement result values.

도 11 및 표 7에 나타낸 바와 같이, 길이에 따른 함량별 물성을 비교해 볼 때 역시 예상과는 다르게 인장강도의 개선이 크지 않음을 알 수 있음. 심지어 50 wt%의 라이오셀 연속 섬유로 제조하여 실험한 경우에도 인장강도가 95 MPa 인 것으로 볼 때, PLA/라이오셀 섬유 분말 1 내지 20 wt%를 통한 60 내지 70 MPa의 인장강도를 발현하는 것은 매우 효율적인 결과임을 알 수 있었다.As shown in Figure 11 and Table 7, when comparing the physical properties by content according to the length, it can be seen that the improvement in tensile strength is not large, unlike expected. Even when tested with 50 wt% of Lyocell continuous fiber, considering that the tensile strength is 95 MPa, it is not possible to express a tensile strength of 60 to 70 MPa through 1 to 20 wt% of PLA/Lyocell fiber powder. It was found to be a very effective result.

[표 7][Table 7]

Claims (8)

고효율 섬유강화열가소성수지 조성물에 있어서,
열가소성 수지; 및
라이오셀 섬유 분말(milled lyocell fiber)을 포함하고,
상기 라이오셀 섬유 분말은 1 내지 10 wt%를 포함하며,
상기 라이오셀 섬유 분말은 직경이 10 내지 15 ㎛이고, 길이가 100 내지 250 ㎛인 것이며,
상기 열가소성 수지 이외에 폴리락트산을 5 내지 50 wt% 더 포함함으로써 탄성율을 향상시키고, 상기 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물을 가공하는 경우 가공 온도를 강하시킬 수 있어 상기 열가소성 수지의 고온 성형 시 열화를 방지하는 것을 특징으로 하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물.
In the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition,
thermoplastic resin; and
Contains milled lyocell fiber,
The lyocell fiber powder contains 1 to 10 wt%,
The lyocell fiber powder has a diameter of 10 to 15 μm and a length of 100 to 250 μm,
By further including 5 to 50 wt% of polylactic acid in addition to the thermoplastic resin, the modulus of elasticity is improved, and when processing the high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition, the processing temperature can be lowered to prevent deterioration during high-temperature molding of the thermoplastic resin. A high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition.
제 1 항에 있어서,
상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리락트산, 또는 폴리아미드6인 것을 특징으로 하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물.
According to claim 1,
The thermoplastic resin is a high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition, characterized in that polypropylene, polylactic acid, or polyamide 6.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
가수분해방지제 또는 산화방지제를 0.3 phr 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물.
According to claim 1,
A high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition, characterized in that it further comprises 0.3 phr or more of a hydrolysis inhibitor or antioxidant.
제 1 항에 있어서,
제습기능성 필러인 CaCO3 또는 CaO를 0.5 wt% 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물.
According to claim 1,
A high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition further comprising 0.5 wt% or more of CaCO 3 or CaO as a dehumidifying functional filler.
제 1 항에 있어서,
무수말레인산 그라프트된 폴리프로필렌(Maleic anhydride-grafted polypropylene) 수지를 3 wt% 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 섬유강화열가소성수지 조성물.
According to claim 1,
A high-efficiency fiber-reinforced thermoplastic resin composition, characterized in that it further comprises 3 wt% or more of maleic anhydride-grafted polypropylene resin.
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