KR102617911B1 - 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents
실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체는 섬유, 상기 섬유 표면에 형성된 실란을 포함하는 섬유 복합체 및 상기 섬유 복합체와 결합되는 플라스틱 수지;를 포함하여, 경량이면서도 기계적 강도가 우수하다.
Description
본 발명은 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 실란올 자가-축합에 의해 겔 형성이 이루어지지 않아 섬유의 분산이 원할하지 않는 문제를 해결하여, 경량이면서도 고강도를 갖는 플라스틱 수지 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
복합체란 서로 다른 성분 및 물성을 갖는 물질들을 인위적으로 혼합 또는 결합시켜 각각의 물질의 특성을 극대화하거나 단일 물질에서는 발현되지 않는 새로운 특성을 갖도록 만든 소재를 의미한다.
복합체는 기본적으로 강도, 내식성, 피로수명, 내마모성, 내충격성, 경량성 등의 물성이 기존 소재에 비해 월등히 우수하므로 우주항공 분야를 비롯해 스포츠 용품, 선박, 건설, 자동차, 에너지 분야에 이르기까지 다양한 분야에서 각광받고 있는 대표적인 21세기 산업용 소재이다.
복합체는 소재에 걸리는 하중을 담당하는 강화재(reinforced material) 및 강화재와 결합하여 하중을 강화재에 전달하는 모재(matrix)를 기본 구조로 하는 것이 일반적이며, 강화재로는 보통 유리섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등의 다양한 섬유형 강화재가 많이 사용되고, 모재로는 페놀, 에폭시 등을 포함하는 열경화성 수지나 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드 등을 포함하는 열가소성 수지와 같은 수지(resin)형 모재가 많이 사용된다.
이러한 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic)은 합성 수지와 섬유 강화재를 복합하여, 플라스틱의 내부식성, 성형의 용이성과 같은 장점을 그대로 유지하면서도, 첨가되는 섬유 강화재로 인한 인장 강도, 내충격성, 내열성 등의 장점을 추가로 얻을 수 있는 복합 재료이다.
이와 같은 섬유 강화 플라스틱은 가격이 저렴하고 무게가 가볍기 때문에 여러 가전제품뿐만 아니라, 소형 선박의 선체, 욕조, 정화조 등의 다양한 분야에 사용되고 있으며, 그 사용되는 기술 분야가 점차 증가하고 있는 추세이다.
관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2018-0031783호(공개일: 2018년 03월 28일)는 중공 유리 미소구체를 포함하는 폴리올레핀 조성물에 관한 것으로, 폴리올레핀, 중공 유리 미소구체, 극성 반결정질 열가소성 첨가제 및 충격 개질제 또는 상용화제를 포함하는 조성물을 개시하고 있다.
또한, WO 공개특허 WO2015/146718호(공개일: 2015년 10월 01일)는 폴리아릴렌 설파이드계 수지 조성물 및 인서트 성형체에 관한 것으로, PAS계 수지 조성물이 카르복실기 말단을 가지는 폴리아릴렌 설파이드 수지와 올레핀계 공중합체와 유리섬유와 탄산칼슘을 포함하며, 유리섬유가 실란 커플링제로 표면 처리되는 것을 개시하고 있다.
또한, 미국 공개특허 2008/0011194호(공개일: 2008년 01월 17일)는 목재 섬유 합성수지 복합재에 관한 것으로, 셀룰로오스성 물질, 실란 함유 폴리머, 열가소성 수지 및 금속 스테아레이트를 포함하는 윤활제의 혼합물 또는 반응 생성물을 포함하며, 실란 함유 폴리머는 에틸렌형 불포화 실란 및 알파 올레핀을 공중합하여 제조된 것임을 개시하고 있다.
그러나, 전술한 선행문헌들에는 섬유와 화학적 결합을 하고 수지와 강한 결합을 하여 섬유와 수지 사이의 계면 결합력을 높이기 위해 실란 커플링제를 사용하고 있으나, 실란올의 자가-축합(self-condensation)에 의해 겔이 형성되어 섬유의 분산이 어려운 문제가 있다(도 1 참고).
따라서, 본 발명은 강도 보강재로 경량의 섬유를 사용하고, 강도 보강재를 첨가함으로써 나타나는 강도 저하를 상쇄시키기 위해 섬유를 실란으로 처리하여 경량이면서도 강도가 우수한 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 실란올의 자가-축합을 방지하여 플라스틱 복합체의 강도를 유지하면서도 경량인 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 보강재인 섬유 및 상기 섬유 상에 실란올의 자가-축합에 의한 겔 형성이 이루어지지 않아 섬유 상에 실란이 균일하게 형성된 섬유 복합체, 및 경량 플라스틱 제조용 모재인 플라스틱 수지를 포함하는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체를 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체는 종래와는 차별되는 방법으로 섬유 상에 실란올을 형성시키지 않으면서 실란을 섬유 상에 균일하게 형성시킬 수 있고, 이러한 균일하게 형성된 실란으로 인해 플라스틱 수지와의 결합력이 향상되어 강도를 향상시키면서 경량일 수 있다.
이때, 상기 섬유는 라이오셀 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 실란은 상기 섬유 복합체 총 중량의 0.5 ~ 5.0 중량%로 포함될 수 있다.
또한, 상기 플라스틱 수지는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 섬유 복합체는 상기 플라스틱 수지 복합체 전체 부피에 대해 15 ~ 35 부피%로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 증류수, 메탄올 및 약산을 포함하는 혼합 용액에 실란 화합물을 첨가하는 단계, 상기 실란 화합물이 첨가된 혼합 용액에 섬유를 침지시킨 후 열처리하는 단계, 및 상기 실란이 형성된 섬유를 플라스틱 수지와 혼합하는 단계를 포함하는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 메탄올은 상기 증류수 부피에 대해 3 ~ 5 부피비로 포함될 수 있다.
상기 약산은 아세트산(CH3COOH) 또는 탄산(H2CO3)일 수 있고, 상기 약산은 상기 혼합 용액의 pH를 4 ~ 5의 범위로 조절하기 위해 포함된다.
상기 실란 화합물은 알콕시기를 갖는 것으로, 구체적으로 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라프로폭시실란, 테트라이소프로폭시실란, 테트라-n-부톡시실란, 테트라-sec-부톡시실란, 테트라-tert-부톡시실란, 트리메톡시실란, 트리에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 프로필트리메톡시실란, 프로필트리에톡시실란, 이소부틸트리에톡시실란, 시클로헥실트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 알릴트리메톡시실란 알릴트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디페닐디메톡시실란 및 디페닐디에톡시실란 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 실란 화합물은 상기 혼합 용액 총 중량의 0.5 ~ 5.0 중량%로 포함될 수 있다.
상기 열처리는 90 ~ 130 ℃에서 2 ~ 8분 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법은 상기 실란이 형성된 섬유를 플라스틱 수지와 혼합한 후 글라스 버블을 추가하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 실란이 형성된 섬유, 플라스틱 수지 및 글라스 버블 각각은 5 ~ 15 중량%, 60 ~ 80 중량% 및 15 ~ 25 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래와는 차별되는 방법으로 섬유 상에 실라올을 형성시키지 않으면서 실란을 섬유 상에 균일하게 형성시킬 수 있고, 균일하게 형성된 실란으로 인해 플라스틱 수지와의 결합력이 향상되어 강도를 향상시키면서 경량인 플라스틱 수지 복합체를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체는 경량이 필요한 플라스틱 부품 소재에 다양하게 적용될 수 있고, 이로 인해 작동 시 무게 저감에 따른 전력 소모량을 줄일 수 있다.
덧붙여, 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체는 사람이 직접 들고 움직이는 상중심 청소기, 드론, 드라이어 등의 제품의 경우 손목 등 사용자의 몸에 가해지는 부하를 줄일 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래 방법으로 제조된 섬유 상에서 실란올의 자가-축합에 의한 겔 형성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 실란으로 처리되지 않은 라이오셀 섬유를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진 및 에너지 분산 X선 분광(EDS) 분석 결과이다.
도 4는 실란으로 처리된 라이오셀 섬유를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진 및 에너지 분산 X선 분광(EDS) 분석 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 인장강도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 실란으로 처리되지 않은 라이오셀 섬유를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진 및 에너지 분산 X선 분광(EDS) 분석 결과이다.
도 4는 실란으로 처리된 라이오셀 섬유를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진 및 에너지 분산 X선 분광(EDS) 분석 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 인장강도를 나타낸 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 플라스틱 수지 복합체 및 플라스틱 수지 복합체의 제조방법을 설명하도록 한다.
본 발명은 섬유 및 상기 섬유 표면에 형성된 실란을 포함하는 섬유 복합체; 및
상기 섬유 복합체와 결합되는 플라스틱 수지;를 포함하는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체를 제공한다.
종래에는 플라스틱의 무게를 줄이기 위해 글라스 버블과 같은 여러 가지 첨가재를 사용할 수 있는데, 이때 일반적으로 강도가 저하되는 문제가 발생한다.
따라서, 강도 보강을 위해 강화재로 섬유를 사용할 수 있으나, 섬유를 단독으로 사용하면 강도 보강 효과가 없어, 강도 보강을 위해 실란을 섬유 표면에 형성시킨다.
그러나, 섬유 표면에 형성되는 실란이 물과 결합하여 가수분해되면, 실란에 포함된 알콕시기가 떨어져 나가면서 메탄올이 형성되고, 실란놀의 자가-축합에 의해 겔이 형성되어 섬유의 분산이 어려워 강도 보강 효과가 나타나지 않는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 착안된 것으로, 실란 화합물이 용해되는 혼합 용액에 메탄올을 고농도로 첨가하여 실란놀이 자가-축합되지 않아 겔이 형성되지 않는다.
본 발명에 따르면 종래와는 차별되는 방법으로 섬유 상에 실라놀을 형성시키지 않으면서 실란을 섬유 상에 균일하게 형성시킬 수 있고, 균일하게 형성된 실란으로 인해 플라스틱 수지와의 결합력이 향상되어 강도를 향상시키면서 경량인 플라스틱 수지 복합체를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체는 경량이 필요한 플라스틱 부품 소재에 다양하게 적용될 수 있고, 이로 인해 작동 시 무게 저감에 따른 전력 소모량을 줄일 수 있다.
덧붙여, 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체는 사람이 직접 들고 움직이는 상중심 청소기, 드론, 드라이어 등의 제품의 경우 손목 등 사용자의 몸에 가해지는 부하를 줄일 수 있다.
이때, 상기 섬유는 천연 섬유 또는 인공 섬유일 수 있고, 상기 섬유가 천연 섬유인 경우 라이오셀(Lyocell)이라 칭하는 자연에서 추출한 섬유로, 실크처럼 부드러운 감촉, 자연스러운 색깔, 견고한 내구성, 쾌적한 착용감, 고급스러움과 실용감을 동시에 겸비한 신소재 섬유로 다양한 분야에서 최근 각광받고 있다.
본 발명에서 이용되는 라이오셀 섬유는 유칼립투스 나무 펄프를 원재료로 사용하여 흡수성이 뛰어나고 촉감이 부드러워서 아동복, 이너웨어, 침구류에 주로 사용되고 있는 원단으로, 생산 과정이 레이온에 비해 친환경적이고, 폐기 시에도 땅에 묻으면 한달 정도만에 생분해되는 특징을 갖는다.
또한, 라이오셀 섬유는 공정이 유연하고, 고결정성, 침상결정(long crystallites), 고결정배향성, 그리고 비결정 영역의 고배향 등을 가지기 때문에 건식 및 습식 인장강도가 높고 습윤 강도가 높으며, 루프 강도(loop tenacity)가 높다.
따라서, 상기 섬유가 인조 섬유인 경우 유리 섬유 또는 아라미드 섬유 등을 사용할 수 있으나, 플라스틱 수지와의 결합력과 생분해가 가능한 천연 섬유인 점에서 라이오셀 섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 섬유 복합체는 플라스틱 수지와의 결합력을 향상시키기 위해 상기 섬유 표면 상에 실란을 형성시키고, 상기 실란은 상기 섬유 복합체 총 중량의 0.5 ~ 5.0 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 실란이 0.5 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 플라스틱 수지 복합체의 강도가 향상되지 않는 문제가 있고, 5.0 중량%를 초과하는 경우에는 과량의 실란이 섬유 표면에 형성되어 실란의 뭉침 현상으로 인해 플라스틱 수지와의 결합이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 플라스틱 수지는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리알킬렌 카보네이트 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 플라스틱 수지 중 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌은 폴리스티렌의 결점 및 AS 수지 또는 내충격성 폴리스티렌의 단점을 보강한 열가소성 수지로서, 폴리스틸렌의 뛰어난 투과성, 가공성, 전기적 특성을 유지하면서 기계적 강도, 내열, 내유, 내후성 등을 개선되고, 가공이 쉬우며 내충격성, 내열성이 강해 가전제품뿐만 아니라 자동차용 내외장재에 금속 대체용으로도 많이 사용되는 이점이 있다.
상기 섬유 복합체는 상기 플라스틱 수지 복합체 전체 부피에 대해 15 ~ 35 부피%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 섬유 복합체가 15 부피% 미만으로 포함되는 경우에는 강도 향상 효과가 미미하고, 35 중량%를 초과하는 경우에는 섬유의 낮은 분산성으로 인해 내부에 결함이 발생할 확률이 높아지는 문제가 있다.
본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체는 섬유 상에 실란올이 형성되지 않아 실란이 섬유 상에 균일하게 형성되므로 플라스틱 수지와의 계면 결합력이 향상되고 따라서 플라스틱 수지 복합체의 기계적 강도가 향상될 수 있다.
또한, 본 발명은 증류수, 메탄올 및 약산을 포함하는 혼합 용액에 실란 화합물을 첨가하는 단계;
상기 실란 화합물이 첨가된 혼합 용액에 섬유를 침지시킨 후 열처리하는 단계; 및
상기 실란이 형성된 섬유를 플라스틱 수지와 혼합하는 단계;를 포함하는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법을 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법은 증류수, 메탄올 및 약산을 포함하는 혼합 용액에 실란 화합물을 첨가하는 단계(S100)를 포함한다.
이때, 상기 메탄올은 상기 증류수 부피에 대해 3 ~ 5 부피비로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 메탄올이 3 부피비 미만으로 포함되는 경우에는 실란이 서로 뭉치는 현상이 심해지는 문제가 있고, 5 부피비를 초과하는 경우에는 섬유 상에 실란이 제대로 형성되지 않는 문제가 있다.
상기 약산은 아세트산(CH3COOH) 또는 탄산(H2CO3)일 수 있고, 상기 약산은 상기 혼합 용액의 pH를 4 ~ 5의 범위로 조절하기 위해 포함되고, 상기 pH가 전술한 범위를 벗어나는 경우에는 가수분해가 제대로 이루어지지 않으며, 실란올의 안정화가 저하되는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법은 상기 실란 화합물이 첨가된 혼합 용액에 섬유를 침지시킨 후 열처리하는 단계(S200)를 포함한다.
상기 섬유 표면 상에 실란이 형성됨으로써 섬유와 플라스틱 수지 사이의 결합력이 향상될 수 있다.
이때, 상기 실란 화합물은 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라프로폭시실란, 테트라이소프로폭시실란, 테트라-n-부톡시실란, 테트라-sec-부톡시실란, 테트라-tert-부톡시실란, 트리메톡시실란, 트리에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 프로필트리메톡시실란, 프로필트리에톡시실란, 이소부틸트리에톡시실란, 시클로헥실트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 알릴트리메톡시실란 알릴트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디페닐디메톡시실란 및 디페닐디에톡시실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 실란 화합물은 상기 혼합 용액 총 중량의 0.5 ~ 5.0 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 실란 화합물의 한정 이유는 전술한 바와 동일하다.
또한, 상기 열처리는 90 ~ 130 ℃에서 2 ~ 8분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 열처리가 전술한 범위를 벗어나는 경우에는 섬유 상에 실란 화합물이 형성되지 않는 문제가 있다.
본 발명에 따른 수지 복합체의 제조방법은 상기 실란이 형성된 섬유를 플라스틱 수지와 혼합하는 단계(S300)를 포함한다.
상기 섬유는 상기 섬유 상에 실란으로 인해 상기 플라스틱 수지와의 계면 결합력이 향상되어 플라스틱 수지 복합체의 강도가 향상될 수 있다.
상기 섬유 복합체는 상기 플라스틱 수지 복합체 전체 부피에 대해 15 ~ 35 부피%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 섬유 복합체가 15 부피% 미만으로 포함되는 경우에는 강도 향상 효과가 미미하고, 35 중량%를 초과하는 경우에는 플라스틱 수지 대비 섬유 복합체가 과량으로 함유되어 최종 플라스틱 제품의 물성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 본 발명에 따른 실란을 포함하는 수지 복합체의 제조방법은 실란이 형성된 섬유를 플라스틱 수지와 혼합한 후 글라스 버블을 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 실란이 형성된 섬유, 플라스틱 수지 및 글라스 버블 각각은 5 ~ 15 중량%, 60 ~ 80 중량% 및 15 ~ 25 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 글라스 버블이 15 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 플라스틱 수지 복합체의 인장강도가 향상되지 않는 문제가 있고, 25 중량%를 초과하는 경우에는 글라스 버블과 수지 간의 계면 결합력이 저하되는 부분이 증가하여 인장강도가 저하되고 섬유 함량 저하로 인장강도 보강 효과가 저하되는 문제가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 상세하게 설명하기 위하여 예시로 제시한 것에 불과하다. 따라서 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1: 플라스틱 수지 복합체 제조 1
1. 실란 화합물의 혼합 용액 제조
증류수, 메탄올 및 아세트산을 혼합하여 아세트산 혼합 용액을 제조한 후 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란을 1 중량%로 첨가하고 혼합 용액이 투명해질 때까지 교반하여 실란 화합물의 혼합 용액을 제조하였다.
2. 실란이 형성된 섬유의 제조
실란 화합물의 혼합 용액에 라이오셀 섬유를 두시간 동안 침지시켜 라이오셀 섬유 세포벽 내까지 실란 화합물의 혼합 용액을 침투시켰다. 라이오셀 섬유를 건져낸 뒤, 110 ℃에서 5분 동안 가열하여 라이오셀 섬유에 실란이 결합되게 하고, 섬유 상에 남아 있는 실란 화합물의 혼합 용액은 메탄올을 이용하여 제거한 후 섬유를 건조시켰다.
3. 플라스틱 수지 복합체의 제조
상기에서 제조된 실란이 형성된 라이오셀 섬유(섬유 복합체)를 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)에 15 부피%로 첨가하여 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
실시예 2: 플라스틱 수지 복합체 제조 2
상기 실시예 1에서 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란을 0.5 중량%로 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
실시예 3: 플라스틱 수지 복합체의 제조 3
상기 실시예 1에서 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란을 5.0 중량%로 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
실시예 4: 플라스틱 수지 복합체의 제조 4
상기 실시예 1에서 실란이 형성된 라이오셀 섬유를 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)에 22 부피%로 첨가하여 플라스틱 수지 복합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
실시예 5: 플라스틱 수지 복합체의 제조 5
상기 실시예 4에서 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란을 0.5 중량%로 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
실시예 6: 플라스틱 수지 복합체의 제조 6
상기 실시예 4에서 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란을 5.0 중량%로 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
실시예 7: 플라스틱 수지 복합체의 제조 7
상기 실시예 1에서 실란이 형성된 라이오셀 섬유를 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)에 35 부피%로 첨가하여 플라스틱 수지 복합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
실시예 8: 플라스틱 수지 복합체의 제조 8
상기 실시예 7에서 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란을 0.5 중량%로 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
실시예 9: 플라스틱 수지 복합체의 제조 9
상기 실시예 7에서 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란을 5.0 중량%로 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
실시예 10: 플라스틱 수지 복합체 제조 10
실시예 1에서 제조된 실란이 형성된 라이오셀 섬유 5 ~ 15 중량%, 글라스 버블 15 ~ 25 중량% 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 60 ~ 80 중량%를 혼합하여 플라스틱 수지 복합체를 제조하였다.
비교예 1
2mm 직경의 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌을 사용하였다.
비교예 2
3mm 직경의 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌을 사용하였다.
비교예 3
산화아연 나노로드가 형성되지 않은 라이오셀 섬유와 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌을 78:22의 부피%로 혼합하여 복합 수지를 제조하였다.
하기 표 1은 상기 실시예 1 내지 10 및 비교예 1 내지 3의 구성 물질을 구체적으로 나타낸 것이다.
| 예 | ABS | 라이오셀 섬유 | 글라스 버블 |
총합 (부피%) |
||
| 무처리 | 실란 함량 | 실란 형성 | ||||
| 실시예 1 | 85부피% | - | 1.0중량% | 15부피% | - | 100 |
| 실시예 2 | 85부피% | - | 0.5중량% | 15부피% | - | 100 |
| 실시예 3 | 85부피% | - | 5.0중량% | 15부피% | - | 100 |
| 실시예 4 | 78부피% | - | 1.0중량% | 22부피% | - | 100 |
| 실시예 5 | 78부피% | - | 0.5중량% | 22부피% | - | 100 |
| 실시예 6 | 78부피% | - | 5.0중량% | 22부피% | - | 100 |
| 실시예 7 | 65부피% | - | 1.0중량% | 35부피% | - | 100 |
| 실시예 8 | 65부피% | - | 0.5중량% | 35부피% | - | 100 |
| 실시예 9 | 65부피% | - | 5.0중량% | 35부피% | - | 100 |
| 실시예 10 | 60~80중량% | - | 1.0중량% | 5~15 중량% |
15~25 중량% | - |
| 비교예 1 | 100 부피% | - | - | - | 100 | |
| 비교예 2 | 100 부피% | - | - | - | 100 | |
| 비교예 3 | 78 부피% | 22 부피% | - | - | 100 | |
<실험예>
실험예 1: 실란 용액의 처리 전과 후의 섬유 복합체 분석
본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체에서 실란 용액의 처리 전과 후의 섬유 복합체를 SEM 및 EDS로 분석하고 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3의 (a)는 실란을 포함하지 않는 라이오셀 섬유의 SEM 사진이고, 도 3의 (b)는 EDS 분석 결과로, 도 3에 나타낸 바와 같이 라이오셀 섬유만이 검출되는 것을 알 수 있다.
도 4의 (a)는 실란을 포함하는 라이오셀 섬유의 SEM 사진이고, 도 4의 (b)는 EDS 분석 결과로, 실란 처리 후 라이오셀 섬유에 Si 원소가 있음을 확인하였고, 실란 표면 처리가 제대로 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
또한, 실란 처리 후 겔이 형성되지 않아 섬유의 분산이 용이함을 확인하였다.
실험예 2: 플라스틱 수지 복합체의 인장강도 분석
본 발명에 따른 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지의 인장강도를 분석하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
인장강도는 ASTM D638 방법에 의하여, 테스트 기기인 U.T.M (제조사; Instron, 모델명; 4466)을 이용하여 크로스헤드 스피드(cross head speed)를 200 ㎜/min(1T)으로 당긴 후, 시편이 절단되는 지점을 측정하였다. 인장강도는 다음과 같이 계산하였다:
인장 강도(kgf/㎟) = 로드(load)값(kgf) / 두께(㎜) x 폭(㎜).
도 5에 나타낸 바와 같이, 순수한 라이오셀 섬유의 인장 강도는 각각 23.8 MPa 및 22.5 MPa로 나타났고, 라이오셀이 첨가된 비교예 3의 수지 복합체는 순수한 라이오셀 섬유와 비교하면 인장 강도가 16.3 MPa로 오히려 더 낮아졌다.
반면, 실시예 1의 복합 수지는 실란 처리된 라이오셀 섬유가 첨가된 것으로 순수한 라이오셀 섬유보다 인장강도가 27.5 MPa로 나타나 라이오셀 섬유의 인장 강도 대비 22% 향상된 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 플라스틱 수지 복합체는 섬유 상에 실란이 균일하게 형성되어 플라스틱 수지와의 계면 결합력이 향상되어 플라스틱 수지 복합체의 강도가 향상될 수 있는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
Claims (14)
- 섬유 및 상기 섬유 표면에 형성된 실란을 포함하는 섬유 복합체; 및
상기 섬유 복합체와 결합되는 플라스틱 수지;를 포함하는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체로서,
상기 섬유는 라이오셀 섬유를 사용하고, 상기 플라스틱 수지는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)를 사용하며,
상기 실란은 상기 섬유 복합체 총 중량의 1.0 ~ 5.0 중량%로 포함되고,
상기 섬유 복합체는 상기 플라스틱 수지 복합체 전체 부피에 대해 15 ~ 35 부피%로 포함되고,
상기 플라스틱 수지 복합체는 23.8MPa 초과 내지 27.5MPa 이하의 인장강도를 갖는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 증류수, 메탄올 및 약산을 포함하는 혼합 용액에 실란 화합물을 첨가하는 단계;
상기 실란 화합물이 첨가된 혼합 용액에 섬유를 침지시킨 후 열처리하는 단계; 및
상기 실란이 형성된 섬유를 플라스틱 수지와 혼합하는 단계;를 포함하는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법으로서,
상기 섬유는 라이오셀 섬유를 사용하고, 상기 플라스틱 수지는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)를 사용하며,
상기 실란 화합물은 상기 혼합 용액 총 중량의 1 ~ 5 중량%로 포함되고,
상기 실란이 형성된 섬유로 구성된 섬유 복합체는 상기 플라스틱 수지 복합체 전체 부피에 대해 15 ~ 35 부피%로 포함되고,
상기 플라스틱 수지 복합체는 23.8MPa 초과 내지 27.5MPa 이하의 인장강도를 갖는 실란을 포함하는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 메탄올은 상기 증류수 부피에 대해 3 ~ 5 부피비로 포함되는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 약산은 아세트산(CH3COOH) 또는 탄산(H2CO3)인 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 약산은 상기 혼합 용액의 pH를 4 ~ 5 범위로 조절하기 위해 포함되는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 실란 화합물은 3-(메타크릴옥시프로필)트리메톡시실란, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라프로폭시실란, 테트라이소프로폭시실란, 테트라-n-부톡시실란, 테트라-sec-부톡시실란, 테트라-tert-부톡시실란, 트리메톡시실란, 트리에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 프로필트리메톡시실란, 프로필트리에톡시실란, 이소부틸트리에톡시실란, 시클로헥실트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 알릴트리메톡시실란 알릴트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디페닐디메톡시실란 및 디페닐디에톡시실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 열처리는 90 ~ 130 ℃에서 2 ~ 8분 동안 수행되는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법. - 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 실란이 형성된 섬유를 플라스틱 수지와 혼합한 후 글라스 버블을 추가하는 단계를 더 포함하는 실란을 포함하는 플라스틱 수지 복합체의 제조방법. - 삭제
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