KR20030027157A - Nanocomposite of Nylon 6 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나일론 6 나노복합체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알킬디아민기를 말단에 함유한 유기화제로 표면 처리된 몬모릴로나이트를 사용하여 커플링제 및 나일론 6 고분자 수지와 컴파운딩법으로 혼합하여 제조된 나일론 6 나노복합체에 관한 것이다.The present invention relates to a nylon 6 nanocomposite, and more particularly, nylon 6 prepared by mixing a coupling agent and a nylon 6 polymer resin with a compounding method by using montmorillonite surface-treated with an organic agent containing an alkyldiamine group at the end. It relates to a nanocomposite.
점토 광물을 이용한 고분자 나노복합체 제조기술은, 몬모릴로나이트와 같은 실리케이트 층상 구조를 가진 점토 광물을 나노 스케일의 판상 기본 단위로 박리하여 고분자 수지에 분산시키는 기술로서, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 무극성 범용 고분자의 낮은 기계적 물성을 엔지니어링 플라스틱 수준까지 개선시킬 수 있는 방법이다.Polymer nanocomposite manufacturing technology using clay minerals is a technology in which clay minerals having a silicate layered structure such as montmorillonite are peeled into nanoscale plate-based units and dispersed in polymer resins. It is a way to improve the mechanical properties to the level of engineering plastics.
그러나, 상기와 같이 판상의 몬모릴로나이트를 고분자 수지에 박리·분산시키는 것은 매우 힘들기 때문에 이를 해결하기 위하여 저분자량의 유기화제를 점토 광물 사이에 삽입시켜 판상의 실리케이트 간의 간격을 넓힘으로써 고분자 수지의 침투를 용이하게 하는 방법을 이용하고 있다.However, since it is very difficult to peel and disperse the plate-shaped montmorillonite in the polymer resin as described above, in order to solve this problem, the penetration of the polymer resin is enhanced by inserting a low molecular weight organizing agent between the clay minerals and widening the gap between the plate silicates. The method of making it easy is used.
점토 광물을 나노 스케일의 판상 기본 단위로 박리하여 고분자 수지에 분산시키는 방법으로는 용액법, 중합법, 컴파운딩법이 있으며, 이들 중 중합법과 컴파운딩법은 각각 80년대와 90년대에 기초 연구가 진행되어 현재 미국, 일본을 비롯한 서구 선진국에서는 상업화까지 이루어진 기술이다.The method of separating clay minerals into nano-scale plate-shaped basic units and dispersing them in a polymer resin includes a solution method, a polymerization method, and a compounding method. Among them, the polymerization method and the compounding method have been studied in the 80s and 90s, respectively. It is a technology that has been commercialized in advanced countries such as the US and Japan.
특히, 컴파운딩법은 용융 상태의 고분자쇄를 점토 광물 실리케이트 층 사이에 삽입시킨 다음 이를 기계적으로 혼합시켜 점토 광물을 분산시키는 기술로서, 1993년 코넬대 연구팀이 폴리스티렌 용융체를 직접 삽입시켜 층간 나노복합체를 제조하였으며, 1997년 일본 토요타 연구소에서 컴파운딩법에 의해 박리형 폴리프로필렌 나노복합체 제조 기술을 발표함으로써 이에 대한 연구가 세계적으로 진행되고 있다.In particular, the compounding method is to insert the polymer chain in the molten state between the clay mineral silicate layer and then mechanically mix it to disperse the clay mineral.In 1993, Cornell's research team inserted polystyrene melt directly to produce interlayer nanocomposites. In 1997, the Toyota Research Institute of Japan announced the technology of manufacturing peelable polypropylene nanocomposites by compounding method.
토요타 연구진의 기술에 의하면, 고분자의 기계적, 열적 특성을 향상시키기 위하여 컴파운딩시 일반적으로 첨가되던 기존의 무기물 충진재들이 고분자 사슬 내에 1마이크로 이상의 입자 크기로 덩어리져 분산되어 있기 때문에, 첨가된 무기물충진재의 양에 비해 기계적, 열적 강도의 향상이 미약한 단점을 개선할 수 있었다.According to Toyota's technique, the conventional inorganic fillers, which are usually added during compounding to improve the mechanical and thermal properties of the polymer, are agglomerated and dispersed in the polymer chain with a particle size of 1 micron or more. Compared with the amount, the improvement of the mechanical and thermal strength was weak.
한편, 이러한 나노복합체를 제조하는 종래 기술을 살펴보면, 일본 특허공개 소 60-108463호와 일본 특허공개소 60-47061호에서는 알킬아미노산계의 유기화제로 점토 광물의 표면을 개질시킨 후 나일론 단량체와 반응시킨 중합형 나일론 나노복합체를 제조하였으나, 신도와 충격 특성이 크게 떨어지는 단점이 있었다.On the other hand, looking at the prior art of manufacturing such a nanocomposite, in Japanese Patent Publication No. 60-108463 and Japanese Patent Publication No. 60-47061, after modifying the surface of the clay mineral with an alkylamino acid-based organic agent, reacted with nylon monomers The polymerized nylon nanocomposite was prepared, but there was a disadvantage in that elongation and impact properties were greatly reduced.
또한, 미국 특허 제 4,874,728호에서는 알킬아미노산계의 유기화제와 알콕시, 아세톡시, 또는 할로실릴계의 유기실란과 같은 커플링제로 표면을 개질시킨 점토 광물을 사용하였으나, 이 또한 신도와 충격 강도를 개선하지는 못하였다.In addition, US Pat. No. 4,874,728 uses clay minerals whose surface is modified with an alkylamino acid-based organic agent and a coupling agent such as alkoxy, acetoxy, or halosilyl-based organic silane, but this also improves elongation and impact strength. I could not.
즉, 폴리아미드 고분자를 이용하여 제조된 나노복합체는 소량의 무기물의 첨가로도 우수한 강성과 내열성을 발현하는 특징을 가지고 있기는 하지만, 신도 및 충격 강도는 기존의 무기물 충진재에 비해 현저히 떨어지는 단점 때문에 그 용도에 제한이 있는 바, 이에 따른 문제점을 해결하는 것이 시급한 실정이다.In other words, the nanocomposites prepared using polyamide polymers have excellent stiffness and heat resistance even with the addition of a small amount of inorganic materials, but their elongation and impact strength are significantly lower than those of conventional inorganic fillers. Since there is a limitation in use, it is urgent to solve the problem accordingly.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력하던 중, 알킬디아민기를 말단에 함유한 유기화제로 표면 개질된 몬모릴로나이트를 이용하고 말레익언하이드라이드가 그라프트된 폴리올레핀계 커플링제를 컴파운딩하여 제조된 나일론 6 나노복합체는 종래 나일론 6에 없던 230∼250℃의 녹는점에서의 결정이 생성되는 구조적인 변화가 일어남으로써 신도 및 충격 강도가 우수해짐을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors, while trying to solve the above problems, by using montmorillonite surface-modified with an organicating agent containing an alkyldiamine group at the end and compounding a polyolefin-based coupling agent grafted maleic hydride The prepared nylon 6 nanocomposite was found to have excellent elongation and impact strength by forming a structural change in which crystals were formed at a melting point of 230 to 250 ° C., which was not found in the conventional nylon 6, thereby completing the present invention.
따라서, 본 발명의 목적은 알킬기의 양 말단에 반응성이 우수한 아민기를 함유한 유기화제로 표면처리된 유기화된 몬모릴로나이트와 말레익언하이드라이드가 그라프트된 폴리올레핀계 커플링제를 컴파운딩하여 신도 및 충격 강도를 개선시킬 수 있는 나일론 6 나노복합체를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to compound the organic montmorillonite and maleic hydride-grafted polyolefin-based coupling agent surface-treated with an organic agent containing an amine group having excellent reactivity at both ends of the alkyl group to increase the elongation and impact strength It is to provide a nylon 6 nanocomposite that can be improved.
이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 나일론 6 나노복합체는 유기화된 몬모릴로나이트, 커플링제 및 나일론 6 수지로부터 제조되는 것으로서, 여기서 나노복합체는 230∼250℃의 녹는점을 나타내는 결정이 존재하는 것을 그 특징으로 한다.The nylon 6 nanocomposite of the present invention for achieving this purpose is prepared from organicized montmorillonite, coupling agent and nylon 6 resin, wherein the nanocomposite is characterized by the presence of crystals having a melting point of 230 to 250 ° C. It is done.
도 1은 실시예 1에 따라 얻어진 나일론 6 나노복합체의 시차주사열분석(DSC) 결과를 나타내는 그림이고,1 is a diagram showing the results of differential scanning thermal analysis (DSC) of the nylon 6 nanocomposite obtained according to Example 1,
도 2는 실시예 2에 따라 얻어진 나일론 6 나노복합체의 시차주사열분석(DSC) 결과를 나타내는 그림이고,2 is a diagram showing the results of differential scanning thermal analysis (DSC) of the nylon 6 nanocomposite obtained according to Example 2,
도 3은 실시예 3에 따라 얻어진 나일론 6 나노복합체의 시차주사열분석(DSC) 결과를 나타내는 그림이고,3 is a diagram showing the results of differential scanning thermal analysis (DSC) of the nylon 6 nanocomposite obtained according to Example 3,
도 4는 실시예 4에 따라 얻어진 나일론 6 나노복합체의 시차주사열분석(DSC) 결과를 나타내는 그림이고,4 is a diagram showing the results of differential scanning thermal analysis (DSC) of the nylon 6 nanocomposite obtained according to Example 4,
도 5는 비교예 1에 따라 얻어진 나일론 6 나노복합체의 시차주사열분석(DSC)결과를 나타내는 그림이고,5 is a diagram showing the results of differential scanning thermal analysis (DSC) of the nylon 6 nanocomposite obtained according to Comparative Example 1,
도 6은 비교예 2에 따라 얻어진 나일론 6 나노복합체의 시차주사열분석(DSC)결과를 나타내는 그림이고,6 is a diagram showing the results of differential scanning thermal analysis (DSC) of the nylon 6 nanocomposite obtained according to Comparative Example 2,
도 7은 비교예 3에 따라 얻어진 나일론 6 나노복합체의 시차주사열분석(DSC)결과를 나타내는 그림이고,7 is a diagram showing the results of differential scanning thermal analysis (DSC) of the nylon 6 nanocomposite obtained according to Comparative Example 3,
도 8은 비교예 4에 따라 얻어진 나일론 6 나노복합체의 시차주사열분석(DSC)결과를 나타내는 그림이다.8 is a diagram showing the results of differential scanning thermal analysis (DSC) of the nylon 6 nanocomposite obtained according to Comparative Example 4.
이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.
본 발명에 따른 나일론 6 나노복합체는 유기화제로 표면처리된 몬모릴로나이트 및 커플링제를 나일론 6와 컴파운딩법을 통해 용융 혼합하여 얻어지는 바, 그 구체적인 조성을 살펴보면 다음과 같다.The nylon 6 nanocomposite according to the present invention is obtained by melting and mixing montmorillonite and a coupling agent surface-treated with an organic agent through nylon 6 through a compounding method, and looking at the specific composition thereof as follows.
(1) 알킬디아민기를 말단에 함유한 유기화제로 표면처리된 유기화된 몬모릴로나이트(1) Organicated montmorillonite surface-treated with an organic agent containing an alkyldiamine group at the terminal
본 발명의 나일론 6 나노복합체를 제조하기 위하여, 먼저 알킬디아민기를 말단에 함유한 유기화제로 표면처리된 유기화된 몬모릴로나이트를 제조해야 한다.In order to prepare the nylon 6 nanocomposite of the present invention, first, an organicized montmorillonite surface-treated with an organic agent containing an alkyldiamine group at the end should be prepared.
여기서 사용된 알킬디아민 타입의 유기화제는 다음 화학식 1로 나타낸 바와 같이, 알킬기의 양 말단에 반응성이 우수한 아민기가 결합되어 있기 때문에 본 발명에서 사용된 커플링제 내의 말레익언하이드라이드기와의 반응성이 우수하여 신도 및 충격 강도의 개선 효과가 뛰어나다.As used herein, the alkylating agent of the alkyldiamine type has excellent reactivity with the maleic hydride group in the coupling agent used in the present invention because the amine group having excellent reactivity is bonded to both ends of the alkyl group as shown in the following formula (1). The effect of improving elongation and impact strength is excellent.
여기서, n은 6∼20 사이의 정수이다.Where n is an integer between 6 and 20.
한편, 상기와 같은 유기화된 몬모릴로나이트의 첨가량은 전체 나노복합체 중 2∼10 중량%인 것이 바람직한 바, 만일 그 함량이 2중량% 미만이면 나노 점토 광물의 분산이 너무 활발하여 굴곡탄성률이 저하되는 문제가 있고, 10 중량%를 초과하면 신도와 충격 강도가 떨어지는 문제점이 있기 때문이다.On the other hand, it is preferable that the added amount of the organicized montmorillonite is 2 to 10% by weight of the total nanocomposite. If the content is less than 2% by weight, the dispersion of nano clay minerals is so active that the flexural modulus decreases. If it exceeds 10% by weight, elongation and impact strength are inferior.
(2) 커플링제(2) coupling agent
커플링제는 베이스 고분자인 나일론 6 수지와 무기충진재인 유기화된 몬모릴로나이트 간의 상용성을 증진시킬 목적으로 사용되는 것인 바, 구체적으로는 수평균 분자량이 10,000 이하인 올레핀계 올리고머 수지에 유기화된 몬모릴로나이트의 표면과 베이스 고분자인 나일론 6 수지를 화학적으로 결합시킬 수 있는 말레익언하이드라이드가 그라프트된 것으로서, 그 첨가량은 전체 나노복합체 중 0.5∼5 중량%이다. 본 발명에서는 수평균 분자량이 5,700인 이스트만사의 에폴렌 C-18(Epolene C-18)을 사용하였다.The coupling agent is used for the purpose of improving compatibility between the nylon 6 resin, which is a base polymer, and the organicized montmorillonite, which is an inorganic filler, and specifically, the surface of montmorillonite organicized with an olefin oligomer resin having a number average molecular weight of 10,000 or less. The maleic hydride which can chemically bond the nylon 6 resin which is a base polymer is grafted, and the addition amount is 0.5 to 5 weight% of all nanocomposites. In the present invention, Eastman's Epolene C-18 having a number average molecular weight of 5,700 was used.
만일, 상기 올레핀계 올리고머 수지의 수평균 분자량이 10,000을 초과할 경우에는 베이스 고분자인 나일론 6 수지와의 상용성이 떨어져 신도와 충격 강도가 낮아지는 문제가 있다.If the number average molecular weight of the olefin-based oligomer resin exceeds 10,000, there is a problem in that elongation and impact strength are lowered due to poor compatibility with nylon 6 resin, which is a base polymer.
또한, 상기 커플링제의 첨가량이 0.5중량% 미만일 경우 첨가량이 미비해 신도와 충격 강도의 개선효과가 미흡하며, 5 중량%를 초과할 경우 굴곡탄성률이 낮아져 나노복합체로서의 목적을 달성할 수 없는 문제점이 있는 바, 그 첨가량은 전체 수지 조성 100 중량%에 대하여 0.5∼5중량%인 것이 바람직하다.In addition, when the amount of the coupling agent is less than 0.5% by weight, the addition amount is insufficient, and the effect of improving the elongation and impact strength is insufficient, and when the amount of the coupling agent is more than 5% by weight, the flexural modulus is lowered, so that the purpose of the nanocomposite cannot be achieved. The addition amount thereof is preferably 0.5 to 5% by weight based on 100% by weight of the total resin composition.
(3) 나일론 6 수지(3) nylon 6 resin
본 발명의 나노복합체의 베이스 고분자인 나일론 6 수지는 통상의 것을 사용할 수 있으며, 통상적으로 나일론 6 수지는 약 210℃의 녹는점에서의 γ-결정과 약 220℃에서의 α-결정을 가진다.Nylon 6 resin, which is the base polymer of the nanocomposite of the present invention, can be used conventionally, and typically nylon 6 resin has a? -Crystal at a melting point of about 210 ° C and an α-crystal at about 220 ° C.
한편, 본 발명의 목적을 손상하지 않는 범위 내에서 열안정제, 이형제, 내후제 또는 안료 등을 첨가할 수 있다.On the other hand, a heat stabilizer, a releasing agent, a weathering agent, or a pigment can be added within a range not impairing the object of the present invention.
이와같이 얻어진 나노복합체는 녹는점이 230∼250℃ 내의 값을 갖는 새로운 결정이 나타난다. 이러한 구조적인 변화와 함께 신도와 충격강도 등의 물성이 우수해진다.The nanocomposite thus obtained has a new crystal having a melting point of 230 to 250 ° C. With these structural changes, physical properties such as elongation and impact strength are excellent.
한편, 본 발명의 나일론 6 나노복합체의 제조 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.On the other hand, the manufacturing process of the nylon 6 nanocomposite of the present invention will be described in detail.
먼저 이축 압출기를 이용하여 나일론 6 수지, 커플링제 및 유기화된 몬모릴로나이트를 투입하여 용융 혼련시켜 칩(CHIP) 형태로 제조한다. 제조된 칩을 건조시킨 다음, 스크류식 사출기를 이용하여 각각의 시편을 제작한다.First, a nylon 6 resin, a coupling agent, and organicized montmorillonite are introduced into a twin screw extruder, and melt-kneaded to prepare a chip (CHIP). After drying the prepared chip, each specimen is manufactured using a screw-type injection machine.
제작된 시편의 물성평가는 다음과 같은 방법으로 수행한다.Evaluation of physical properties of the fabricated specimens is carried out as follows.
1) 신도 : ASTM D638에 준하여 1/8 인치의 덤벨형 시편을 제작한 후, 50mm/분의 속도에서 측정하였다.1) Elongation: Dumbbell-type specimens of 1/8 inch were prepared according to ASTM D638, and measured at a speed of 50 mm / min.
2) 충격 강도 : ASTM D256에 준하여 1/4 인치의 시편을 제작하여 상온에서 아이조드 노치(Izod Notched) 충격강도를 측정하였다.2) Impact strength: According to ASTM D256, 1/4 inch specimens were prepared, and the Izod Notched impact strength was measured at room temperature.
3) 굴곡탄성률 : ASTM D790에 준하여 1/4 인치의 시편을 제작한 후, 5mm/분의 속도에서 측정하였다.3) Flexural modulus: A 1/4 inch specimen was prepared according to ASTM D790, and measured at a speed of 5 mm / min.
4) 녹는점 측정 : 시차 주사 열분석기(DSC)를 이용하여 25∼280℃ 까지 20℃/분의 승온속도로 측정하였다.4) Melting point measurement: using a differential scanning thermal analyzer (DSC) was measured at a temperature increase rate of 20 ℃ / min to 25 ~ 280 ℃.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the Examples.
실시예 1 ∼ 4Examples 1-4
나일론 6 고분자 수지, C-18 커플링제 및 도데실디아민(H2N(CH2)12NH2)으로 유기화된 몬모릴로나이트를 245℃로 가열된 이축 압출기 내에서 용융 혼련하여 칩(chip) 형태로 제조하였다. 나일론 6, 커플링제 및 유기화된 몬모릴로나이트의 조성 및 함량은 다음 표 1과 같다. 또한 각 실시예에서 사용된 유기화제는 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.The montmorillonite organicated with nylon 6 polymer resin, C-18 coupling agent and dodecyldiamine (H 2 N (CH 2 ) 12 NH 2 ) was melt-kneaded in a twin screw extruder heated at 245 ° C. to form a chip. It was. The composition and content of nylon 6, the coupling agent and the organicized montmorillonite are shown in Table 1 below. In addition, the organic agent used in each example is as shown in Table 1 below.
제습형 건조기를 사용하여 5시간 동안 건조시킨 다음, 가열된 스크류식 사출기를 이용하여 용융 혼련과 같은 온도에서 시편을 제작하였다.After drying for 5 hours using a dehumidifying dryer, a specimen was prepared at the same temperature as melt kneading using a heated screw-type injection machine.
제작된 시편을 이용하여 상기와 같은 방법으로 신도, 충격 강도, 굴곡탄성률, 녹는점 등을 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 2에 나타내었다.Elongation, impact strength, flexural modulus, melting point, and the like were measured using the prepared specimens in the same manner as described above, and the results are shown in Table 2 below.
한편, 실시예 1∼4에 따라 얻어진 나노복합체의 DSC 결과를 도 1∼4에 나타내었다.On the other hand, the DSC results of the nanocomposites obtained in Examples 1 to 4 are shown in Figs.
비교예 1 ∼ 4Comparative Examples 1 to 4
비교예 1∼4는 본 발명의 조성 범위를 벗어난 나노복합체 제조의 예로서, 그 함량은 다음 표 3과 같으며, 상기 실시예에서와 동일한 방법으로 물성을 평가하였으며, 그 결과를 다음 표 4에 나타내었다.Comparative Examples 1 to 4 are examples of preparation of nanocomposites outside the composition range of the present invention, the contents of which are shown in Table 3 below, and the physical properties were evaluated in the same manner as in the above Examples, and the results are shown in Table 4 below. Indicated.
한편, 비교예 1∼4에 따라 얻어진 나노복합체의 DSC 결과를 도 5∼8에 나타내었다.On the other hand, the DSC results of the nanocomposites obtained according to Comparative Examples 1 to 4 are shown in Figs.
상기 표 2와 4의 결과로부터, 본 발명의 나일론 6 나노복합체는 230∼250℃에서 새로운 녹는점을 가짐에 따른 구조적인 변화와 함께, 신도 및 충격 강도가 우수한 것을 확인할 수 있다.From the results of Tables 2 and 4, it can be seen that the nylon 6 nanocomposite of the present invention is excellent in elongation and impact strength with structural changes according to the new melting point at 230 ~ 250 ℃.
또한, 도 1∼4 및 도 5∼8로부터 본 발명의 나일론 6 나노복합체가 230∼250℃의 녹는점을 나타내는 결정을 가짐을 보다 명확히 확인할 수 있다.In addition, it can be clearly seen from FIGS. 1 to 4 and 5 to 8 that the nylon 6 nanocomposite of the present invention has a crystal showing a melting point of 230 to 250 ° C.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 나일론 6 수지, 수평균 분자량 10,000 이하인 올레핀계 올리고머 수지에 말레익 언하이드라이드가 그라프트된 커플링제 및 알킬디아민 타입의 유기화제로 표면처리된 유기화된 몬모릴로나이트를 사용하여 나일론 6 나노복합체를 제조한 결과, 230∼250℃에서 새로운 녹는점이 나타나는 구조적인 변화뿐만 아니라 종래 나일론 6 나노복합체의 낮은 신도 및 충격 강도 등을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.As described in detail above, according to the present invention, organic montmorillonite surface-treated with a nylon 6 resin, an olefin oligomer resin having a number average molecular weight of 10,000 or less, and a coupling agent and an alkylating agent of an alkyldiamine type are grafted with maleic anhydride. As a result of preparing the nylon 6 nanocomposite, it was confirmed that not only the structural change in which the new melting point appeared at 230 to 250 ° C. but also the low elongation and impact strength of the conventional nylon 6 nanocomposite could be improved.
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