KR20050070831A

KR20050070831A - 유리섬유 사이징 조성물

Info

Publication number: KR20050070831A
Application number: KR1020030101327A
Authority: KR
Inventors: 윤상식; 이병기; 조범석
Original assignee: 주식회사 케이씨씨
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2005-07-07

Abstract

본 발명은 주결합제, 보조결합제, 윤활제 및 필름형성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 사이징 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 유리섬유 사이징 조성물은 유리섬유 강화 열가소성플라스틱을 제조하는데 있어서 각종성형 작업 시 향상된 부착성을 부여하여, 이로부터 제조된 유리섬유 로빙은 유리섬유 강화 열가소성플라스틱에서 우수한 기계적강도를 가질 수 있다.

Description

유리섬유 사이징 조성물{Sizing composition for glass fiber}

본 발명은 유리섬유에 피복되는 유리섬유 사이징(sizing) 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 주결합제, 보조결합제, 윤활제 및 필름형성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 사이징 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 유리섬유 로빙은 열가소성수지와 함께 유리섬유강화 열가소성플라스틱(FRTP)의 재료로 사용되며, 본 발명에 따른 사이징 조성물을 피복한 유리섬유 로빙은 암레스트 코아, 범퍼백빔, 엔진 언더카바, 또는 루프 핸들과 같은 자동차 부품 및 드럼 세탁기 터브, 세탁기 홀더글라스, 에어컨 팬, 잉크젯 프린터 커버, 임펠러 팬, 또는 프린터 급지 프레임과 같은 생활가전 부품, 그리고 고온열수 접촉 부품 및 일반 산업재 부품 등의 분야에 사용할 수 있다.

유리섬유를 제조하는 공정에 있어서, 유리가 용융되어 섬유화 되는 단계에서 나온 수천 가닥의 필라멘트(Filament)에 유기 화합물의 혼합액을 코팅(분무법, 침지법, 또는 로울러 코팅법 등의 적절한 방법)한 후 스트랜드 (Strand)의 형태로 합사시키는데, 이 때 사용되는 유기 화합물의 혼합액을 사이징이라고 하며, 이는 상기 합사과정에서 유리섬유의 마찰을 감소시킬 뿐만 아니라 최종 제품의 물성에도 중요한 영향을 미친다.

열가소성수지인 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등과 같은 폴리올레핀 매트릭스 수지(Matrix resin)에 강화제인 유리섬유 찹스트랜드(chopped strand)을 혼련하여 사용하는 유리섬유 강화 열가소성 플라스틱 성형품의 대표적인 성형방법인 압출, 사출 성형의 예는 다음과 같다. 압출 공정에서는 강화제인 유리섬유 찹스트랜드, 열가소성 메트릭스 수지 및 각종 첨가제를 배합한 균일한 혼합물을 고온의 압출기에 통과시키면서 열가소성 메트릭스 수지와 유리섬유 찹스트랜드를 혼련시키고, 이 과정에서 열가소성 매트릭스 수지는 유리섬유 찹스트랜드에 함침되어 부착반응한 후, 이들을 압출기 말단의 일정 단면적을 가진 몰드(Mold)에 통과시켜 일정 길이로 절단된 펠렛(pellet)을 제조한다. 이를 사출기에 재 투입하여 사출 성형시켜서 제조하고자 하는 일정 형태의 유리섬유강화열가소성프라스틱 성형품을 제조한다. 상기 압출 과정에서 유리섬유 찹스트랜드는 압출기 내의 전단응력(shear stress)을 받아 그 형태가 부분적으로 파괴되는 손상을 입게 된다. 이러한 과정에서 발생하는 유리섬유의 미세한 파편들은 압축기 내부에서 잔털(fuzz)뭉치 발생의 원인이 된다. 이러한 잔털(fuzz)뭉치는 유리섬유와 메트릭스 수지의 분산성을 감소시키고, 이는 최종 성형품의 기계적 강도의 저하 현상뿐만 아니라 성형품의 표면에 뭉침 자국을 발생시킨다.

열가소성 매트릭스 수지에 대한 유리섬유 로빙의 형태로 유리섬유 찹스트랜드보다 유리섬유의 파괴 현상을 보다 적게 하기 위해서는 열가소성 매트릭스 수지에 대한 높은 상용성과 빠른 함침성을 갖는 사이징 조성물로 피복하여야 한다.

이에 본 발명의 목적은 유리섬유 강화 열가소성 플라스틱을 제조하는데 있어서 고온압출 작업 시에 향상된 함침성 및 상용성을 가질 수 있는 유리섬유 로빙의 사이징 조성물을 제공하는 것이다.

이하 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 주결합제로서 오르가노 실란; 보조결합제로서 유기 산; 필름형성제로서 폴리프로필렌 에멀젼, 우레탄 에멀젼, 또는 폴리프로필렌 에멀젼 및 우레탄 에멀젼; 및 윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 로빙의 사이징 조성물에 관한 것이다.

일반적인 사이징 조성물의 구성은 기능에 따라 필름형성제, 윤활제, 결합제 및 첨가제(대전방지제, 유화안정제, 산화방지제, 열안정제)로 나누어지게 된다. 그러나 본 발명의 사이징 조성물은 상기 구성 외에 부가적인 보조결합제를 사용하여, 매트릭스 수지의 표면에 강한 극성을 발생시켜 보다 강한 부착을 유지시킬 수 있기 때문에 이와 같이 제조된 유리섬유 로빙은 유리섬유 강화 열가소성 플라스틱에서 향상된 높은 기계적 강도를 가질 수 있다.

본 발명의 유리섬유 사이징 조성물 각각의 구성 성분을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

필름형성제

수성 사이징 조성물의 필름형성 고분자 성분은 수성매질 속에 분산 또는 용해될 수 있고 또한 유리섬유에 가해진 사이징 조성물이 건조될 때 필름을 형성하는 적절한 고분자가 될 수 있다. 만족한 효과를 얻기 위한 필름형성제 성분의 선택은 사이즈시킨 유리섬유를 보강제로 삽입시킬 매트릭스 수지와의 조화를 고려하여야 한다.

본 발명의 수성 사이징 조성물의 필름형성제로는 저분자량(중량평균분자량 4000-20000)의 폴리프로필렌 에멀젼, 고분자량(중량평균분자량 35000-100000)의 폴리프로필렌 에멀젼, 또는 알리파틱 이소시아네이트 타입의 우레탄 에멀젼 수지를 사용한다. 이들은 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 유리섬유 사이징 조성물의 총 중량에 대하여, 2.0 내지 15.0 중량%을 사용할 수 있다. 상기 필름형성제의 함량이 유리섬유 사이징 조성물의 총 중량에 대하여, 2.0중량% 미만이면, 부착성이 저하되는 문제가 발생하고, 15.0중량%을 초과하면, 잔털뭉치가 다량 발생하여 작업성에 문제가 생긴다. 상기와 같이 저분자량의 변성 프로필렌 에멀젼을 사용하면 매트릭스 수지와의 상용성을 향상 시킬 수 있으며, 수성 우레탄 에멀젼을 사용하는 경우 함침성, 윤활성, 잔털(fuzz)뭉치 발생 등의 물성을 향상시킬 수 있다.

윤활제

본 발명의 수성 사이징 조성물의 윤활성분은 액상 또는 고상 윤활성 물질을 사용할 수 있다. 고상 윤활성분으로는 모노 스테아레이트 계열을 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜 모노 스테아레이트의 비이온계 윤활제를 사용할 수 있다. 액상 윤활성분으로서는 비이온계 윤활제, 양이온계 윤활제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 패티 에스터의 양이온 윤활제를 사용할 수 있다. 양이온계 윤활제는 내부 윤활제로서 유리섬유 각각의 필라멘트를 보호하며 원사의 인장강도를 향상시키며 잔털(Fuzz)뭉치 및 필라멘트(Broken filament)의 단사를 감소시키는 작용을 한다.

본 발명의 수성 사이즈 조성물의 윤활 성분은 유리섬유 사이징 조성물의 총 중량에 대하여 0.2 내지 1.0 중량%을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 비이온계 윤할제로 폴리에틸렌글리콜 모노 스테아레이트 및 양이온 윤활제로 패티 에스터를 사용할 수 있다. 상기 윤활제의 함량이 유리섬유 사이징 조성물의 총 중량에 대하여, 0.2 중량% 미만이면, 잔털 뭉치가 발생하는 문제가 발생하고, 1.0중량%를 초과하면, 부착성이 저하되는 문제가 생긴다.

주결합제

본 발명의 수성 사이징 조성물의 주결합제 성분은 실란의 실리콘 원자에 대해 쉽게 가수분해하는 결합을 형성하는 오르가노 실란 또는 이것의 가수분해 생성물이다.

본 발명의 수성 사이징 조성물에 바람직한 오르가노 실란은 아미노오르가노 실란, 감마-아미노프로필트리에톡시실란, 또는 노르말-베타아미노에틸-감마-아미노프로필트리메톡시실란이다. 이들은 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 유리섬유 사이징 조성물의 총 중량에 대하여 0.1 내지 6.0 중량%을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.1 내지 2.0중량%의 아미노오르가노 실란, 0.1 내지 2.0중량%의 감마-아미노프로필트리에톡시 실란 및 0.1 내지 2.0 중량%의 노르말-베타-감마-아미노프로필메톡시 실란을 1 또는 2개 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 상기 주결합제의 함량이 유리섬유 사이징 조성물의 총 중량에 대하여, 0.1 중량%미만이면, 부착성이 저하되는 문제가 발생하고, 6.0중량%을 초과하면, 사이징제의 안정성이 저하된다.

보조결합제

본 발명의 수성 사이징 조성물은 상기의 주결합제 이외에 보조결합제로서 유기 산 또는 유기산 무수물을 사용한다. 이러한 보조결합제는 열가소성 매트릭스 표면에 극성을 부여하여 보다 강한 부착을 발생하게 한다.

본 발명의 수성 사이징 조성물에 보조결합제로 바람직한 유기산은 말레익산, 무수말렉익산, 이소프타릭산, 프탈릭산, 테레프탈릭산, 또는 C₁₀-C₁₈지방산 에멀젼이다. 이들은 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 유리섬유 사이징 조성물의 총 중량에 대하여 1.0 내지 6.0 중량%을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 1.0-3.0 중량%의 무수말렉익산, 1.0-3.0 중량%의 C₁₀-C₁₈지방산 에멀젼, 1.0-3.0 중량%의 테레프탈릭산을 단독 또는 2종이상을 조합하여 사용할 수 있다. 상기 보조결합제의 함량이 유리섬유 사이징 조성물의 총 중량에 대하여, 1.0 중량%미만이면, 부착성이 저하되는 문제가 발생하고, 6.0중량%을 초과하면, 사이징제의 안정성이 저하된다.

기타 첨가제로써 암모니아를 사용하는데 보조결합제로 사용하는 유기산을 중화시키는 중화제 역할을 하며, 그 함량은 0.5 내지 1.5중량%가 적절하다.

또한 본 발명의 수성 사이징 조성물의 주결합제 및 보조결합제는 유리섬유 사이징 조성물에 대하여 1 내지 6 중량 %인 것이 바람직하고, 유리섬유에 코팅되는 피복량은 유리섬유 로빙이 건조된 후, 총 유리섬유 로빙에 대하여 유기물 함량 0.2 내지 2.0 중량%가 적합하다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 것일 뿐 이들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예

조성물의 배합은 각각 먼저 프리믹스 되어 진행된다. 프리믹스 탱크에서 균일해지도록 충분히 교반 한 후 메인탱크에 더해진다. 최종 사이징 조성물의 고형분은 전체량에서 4.0 내지 10.0중량%가 되도록 제조하였다.

그 조성 및 함량은 하기 표에 나타낸 바와 같다.

비교예 1

품 명	중량백분율
감마-아미노프로필에톡시실란	0.5
아미노오르가노실란	0.3
저분자량의 프로필렌에멀젼	3
우레탄 에멀젼	2
비이온계 윤활제	0.3
양이온계 윤활제	0.2
물	93.7
주)-. 저분자량의 프로필렌에멀젼: 중량평균분자량 8000, 고형분 약40중량%-. 우레탄에멀젼: 알리파틱 이소시아네이트 변성타입, 고형분 약45중량%

실시예1

품 명	중량백분율
감마-아미노프로필에톡시실란	0.5
아미노오르가노실란	0.3
저분자량의 프로필렌에멀젼	3
우레탄 에멀젼	2
테레프탈릭산	2
암모니아	1.0
비이온계 윤활제	0.3
양이온계 윤활제	0.2
물	90.7
주)-. 저분자량의 프로필렌에멀젼: 중량평균분자량 8000, 고형분 약40중량%-. 우레탄에멀젼: 알리파틱 이소시아네이트 변성타입, 고형분 약45중량%-. 암모니아: 고형분 약28중량%이상

실시예2

품 명	중량백분율
감마-아미노프로필메톡시실란	0.5
아미노오르가노실란	0.3
저분자량의 프로필렌에멀젼	2
고분자량의 프로필렌에멀젼	2
우레탄에멀젼	2
테레프탈릭산	2
암모니아	1.0
비이온계 윤활제	0.3
양이온계 윤활제	0.2
물	89.7
주)-. 고분자량의 프로필렌에멀젼 중량평균분자량 80000, 고형분 약35중량%-. 저분자량의 프로필렌에멀젼, 우레탄 에멀젼, 암모니아는 실시예 1과 같다.

실시예3

품 명	중량백분율
감마-아미노프로필에톡시실란	0.5
아미노오르가노실란	0.3
고분자량의 프로필렌에멀젼	3
우레탄에멀젼	2
테레프탈릭산	2
말레익산	1
암모니아	1.0
비이온계 윤활제	0.3
양이온계 윤활제	0.2
물	89.7
-. 고분자량의 프로필렌에멀젼, 우레탄 에멀젼, 암모니아는 실시예 1과 같다.

결과 예1

시 험 항 목	비교 예1	실시 예1	실시 예2	실시 예3	비 고
잔털(Fuzz)발생	보통	우수	우수	우수	육안상대비교
함침성	보통	우수	우수	우수	육안상대비교
성형품 표면뭉침	보통	보통	우수	우수	육안상대비교
충격강도(Notch Izod)	우수31	양호28	우수32	우수34	ASTM D256(kgf.cm/cm)
인장강도	보통980	우수1065	우수1070	우수1060	ASTM D638(kg_f/mm²)
주) 함침성, 수지함침 충격 및 인장강도의 경우 매트릭스 수지는 폴리프로필렌(현대석유화학) 유리섬유강화열가소성프라스틱의 유리함량은 30%함유 기준임

본 발명의 유리섬유 사이징 조성물은 유리섬유 강화 열가소성플라스틱(FRTP) 제조 시 사용하는 강화제인 유리섬유 로빙과 매트릭스 수지와의 고온 압출 시 유리섬유의 파괴 현상을 감소시켜서 잔털(fuzz)뭉치 발생을 차단할 뿐만 아니라, 유리섬유 로빙과 메트릭스 수지간의 부착력을 강화시킴으로써 양자간의 균일한 분산성을 제공하여 최종 성형품의 높은 기계적 강도를 제공하고, 최종 성형품 표면의 뭉침현상을 방지할 수 있다.

Claims

주결합제로서 0.1 내지 6.0중량%의 오르가노 실란; 보조결합제로서 1.0 내지 6.0 중량%의 유기 산 또는 유기산 무수물; 필름형성제로서 2.0 내지 15.0 중량%의 중량평균분자량 4000-20000의 폴리프로필렌 에멀전, 중량평균분자량 35000-100000의 폴리프로필렌 에멀젼 및 알리파틱 이소시아네이트 타입의 우레탄 에멀젼으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질; 및 0.2 내지 1.0 중량%의 윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 사이징 조성물.
제1항에 있어서, 주결합제가 아미노오르가노실란, 감마-아미노프로필렌에톡시실란, 및 노르말-베타-감마-아미노프로필렌메톡시실란으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는 유리섬유 사이징 조성물.
제1항에 있어서, 보조결합제가 말레익산, 무수말렉익산, 이소프탈릭산, 프탈릭산, 테레프탈릭산, 및 C₁₀-C₁₈지방산 에멀젼으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는 유리섬유 사이징 조성물.
제1항에 있어서, 주결합제 및 보조결합제의 함량이 유리섬유 사이징 조성물의 총 중량에 대하여 1.0 내지 6.0 중량%인 것을 특징으로 하는 유리섬유 사이징 조성물.