KR20070032766A - 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 잠열 기능을 가지는 상전이 물질을 심물질(core)로 하고, 벽물질(sheeth)의 조성을 개선하여 캡슐화하고 이를 생분해성 합성수지와 혼합함으로써, 기존의 생분해성 합성수지가 낮은 열적 특성을 가지고 기계적 물성이 열악한 문제점을 개선하고, 잠열 기능의 도입으로 인한 온도 제어가 가능하여 생분해 합성수지의 열적 안정성을 더욱 강화시킬 수 있어, 다양한 산업분야에 적용할 수 있으며, 또한 생분해성이 충분히 발현되어 자연 친화적인 효과를 기대할 수 있는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
생분해성 수지, 잠열, 캡슐화
Description
도 1은 실시예 1에 의하여 제조된 본 발명의 잠열 파우더의 전자현미경 사진이다.
도 2는 실시예 2에 의하여 제조된 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지와 비교예 1의 생분해성 수지를 사용하여 실험예 3에 의하여 잠열기능성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 사용된 상전이 물질 자체(파라핀, 열저장 용량 226.5 J/g)의 온도변화에 따른 열량테스트(DSC) 결과를 나타낸 그래프로서, 방열온도구간은 15 ∼ 25 ℃이고, 잠열 온도구간은 25 ∼ 35 ℃ 인 것으로 나타났다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 잠열파우더(열저장용량 53.07 J/g)의 온도변화에 따른 열량테스트 결과를 나타낸 그래프로서, 방열온도구간은 32 ∼ 22 ℃이고, 잠열온도구간은 27 ∼ 37 ℃ 인 것으로 나타났다.
도 5는 본 발명의 실시예 2 에 의하여 제조된 잠열기능성 생분해 수지(열저장 용량 34.82 J/g)의 온도변화에 따른 열량 테스트 결과를 나타낸 그래프로서, 방열온도구간은 18 ∼ 30 ℃ 이고, 잠열온도구간은 23 ∼ 36 ℃ 인 것으로 나타났다.
도 6은 본 발명의 잠열 파우더 제조방법을 간단하게 나타낸 공정도이다.
본 발명은 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 잠열 기능을 가지는 상전이 물질을 심물질로 하고, 벽물질의 조성을 개선하여 캡슐화하고 이를 생분해성 합성수지와 혼합함으로써, 기존의 생분해성 합성수지가 낮은 열적 특성을 가지고 기계적 물성이 열악한 문제점을 개선하고, 잠열 기능의 도입으로 인한 온도 제어가 가능하여 생분해 합성수지의 열적 안정성을 더욱 강화시킬 수 있어, 다양한 산업분야에 적용할 수 있으며, 또한 생분해성이 충분히 발현되어 자연 친화적인 효과를 기대할 수 있는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 화석 연료인 석탄, 석유, 천연가스 등의 원료를 인공적으로 합성시켜 얻어진 고분자 화합물인 합성수지는 가공성, 강도, 경도, 내식성, 내후성, 내수성, 내구성 등의 특성이 있고 착색이 자유롭고 색상 또한 미려하여 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
그러나 상기와 같은 우수한 특성에도 불구하고, 자연상태에서 분해되지 않아 이들이 적용된 각종 제품의 폐처리시 심각한 환경오염을 일으키는 문제와, 화석연료의 고갈로 인하여 선진국을 중심으로 국제적인 규제를 통해 그 사용량을 점차 적으로 줄이거나 제한하고 있는 추세이며, 우선적으로 일부 제품에 한하여는 수출입을 금지하고 있고, 또한 고유가로 인한 합성수지 원료의 가격상승으로 합성수지를 대체할 수 있는 소재의 개발이 시급한 실정이다.
상기한 문제점을 가지는 화석연료를 원료로하여 제조되는 고분자 합성수지를 대체할 소재로는 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 각종 곡물을 이용한 생분해성 합성수지가 있다.
그러나, 상기 생분해성 합성수지는 현재 다양한 개발이 이루어져 있고, 이미 일부 제품에 활용되고 있으나 이는 일회용품에 국한되어 있다.
이는 상기한 생분해성 합성수지가 다른 물질과의 합성이 어렵고, 또 합성이 이루어지더라도 원하는 물성을 맞추기 위한 과정에서 요구되는 조건들이 매우 복잡하고 민감한 제조방법상의 문제점을 가지며, 이들의 제조시 고가의 정밀기기들을 필요로 함으로 인한 낮은 생산성과 제품의 가격상승이 문제점으로 지적되고 있다.
이로 인해 생분해성 합성수지는 특정분야의 제품에만 채택 사용되고 있다. 따라서, 다양한 분야의 제품에 적용할 수 있는 범용성은 해결해야할 과제로 남아 있다.
또한, 생분해성 수지로 알려진 지방족 폴리에스테르 수지는 주쇄(main chain)의 구조상 낮은 결정성으로 인해 60 ∼ 70 ℃의 비교적 낮은 온도에서도 쉽게 연화되고, 열을 받으면 쉽게 비결정화되는 문제점이 있었다.
한편, 상전이에 의한 열에너지의 저장 및 방출 등의 잠열 특성을 가지는 상전이물질(phase change material, PCM)은 물질의 종류에 따라 다양한 잠열온도 특 성을 가지고 있어 그 온도 특성에 맞게 선택적으로 활용되고 있으며, 이러한 잠열의 이용과 관련된 기술은 널리 알려져 있다.
상기한 상전이물질의 사용과 관련된 기술로서는 다음과 같은 것이 공지되어 있다.
한국공개특허 제2004-81115호는 상전이물질과 고분자 수지의 복합재로서 전기 및 전자 부품의 냉각 장치에 적용하는 용도에 대하여 개시하고 있다.
한국등록특허 제10-0337025호에는 상전이물질을 열저장과 열공급매체로 사용하기 위하여 멜라민-포름알데히드 수지로 캡슐화한 마이크로캡슐형 잠열미립자 슬러리의 제조방법을 개시하고 있다.
한국등록특허 제10-0263361호에는 상기 상전이물질이 용해 및 응고과정에서 높은 잠열 밀도와 미립화에 의한 열교환율을 향상시키고 반복되는 상변화시에도 미립자의 뭉침을 방지하고 열교환율을 유지하도록 열화특성이 적은 우레아(Urea), 멜라민(Melamine), 젤라틴(Gelatin) 등으로 마이크로캡슐화하여 냉, 난방분야에 활용 할 수 있도록 한 것이 소개되어 있다.
그러나 상기한 기술들은 상전이물질과 고분자 수지를 단순히 혼합하여 복합화한 것으로 단순히 상전이물질의 잠열 및 열흡수와 방출의 기능을 이용하는 것에 불과하거나, 상전이물질을 (마이크로)캡슐화시 안정성만을 고려한 것으로 판단된다.
이에 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 연구 노력하였다.
그 결과 상전이물질을 심물질(core)로 하여 벽물질(sheeth)로 캡슐화시키면서, 상기 벽물질의 외면을 폴리비닐아세테이트(poly vinyl acetate, PVA)로 다시 코팅하여 제조한 잠열파우더를 생분해성 합성수지와 혼합하여 수지를 제조하면 상기 생분해성 합성수지의 낮은 기계적 물성을 개선할 수 있음은 물론 우수한 잠열효과와 생분해성을 나타냄을 알게되어 본 발명을 완성하였다.
특히 생분해성 합성수지로서 폴리락트산(poly lactic acid, PLA)를 도입할 경우 고온에서도 연화 및 비결정화가 진행되지 않으며, 상기 잠열파우더와 혼용성이 우수함을 확인하였다.
이러한 본 발명에 의하면 생산성 향상 및 가격인하 등의 요건을 만족시켜 경제성을 높임과 동시에 잠열 기능을 부여하여 온도의 유지가 요구되는 기기, 발열로 인한 성능저하가 우려되는 기기 등의 다양한 산업분야에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 본 발명에 의하면 시대적으로 요구되는 환경오염 방지의 목적을 동시에 만족시킬 수 있는 잠열 기능성 생분해 합성수지를 제조할 수 있다.
따라서 본 발명은 잠열특성과 기계적 강도가 향상된 상전이물질이 캡슐화된 잠열파우더 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기한 상전이물질이 캡슐화된 잠열파우더가 적용된 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물과 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상전이 물질을 심물질(core)로 하고, 젤라틴, 멜라민 수지, 음이온성 아크릴 수지, 카세인 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 벽물질(sheeth)로 하며, 상기 벽물질 외면이 폴리비닐아세테이트(poly vinyl acetate, PVA)로 코팅된 전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더를 특징으로 한다.
또한 본 발명은 1) 젤라틴, 멜라민 수지 및 음이온성 아크릴 수지 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 포함하는 부벽재용 소재의 수용액을 제조하는 단계; 2) 상기 1) 단계의 수용액에 심물질용 상전이 물질을 첨가하여 혼합 교반하는 단계; 3) 상기 2) 단계의 혼합물에 젤라틴, 멜라민 수지, 카제인 및 음이온성 아크릴 수지 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 포함하는 주벽재용 소재의 수용액을 혼합하고, 여기에 상기 부벽재 및 주벽재용 소재의 수용액과 심물질용 상전이물질의 합량과 동량의 정제수를 첨가한 후 9,000 ∼ 11,000 rpm을 유지하면서 10 ∼ 30 분 동안 교반하여 유화시키는 단계; 4) 상기 3) 단계의 유화물을 45 ∼ 75 ℃ 범위에서 2,000 ∼ 3,000 rpm을 유지하면서 중합시키는 단계; 및, 5) 상기 4) 단계의 중합이 종료된 후 전체 중합물 100 중량부에 대하여 폴리비닐아세테이트 고형분 1 ∼ 2 중량부를 첨가하고 2,000 ∼ 3,000 rpm을 유지하면서 온도를 35 ∼ 40 ℃까지 냉각시킨 후 pH를 8 ∼ 8.5 범위로 조정하여 반응을 종료한 다음 건조하여 분말화하는 단계를 포함하는 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더의 제조방법을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 생분해성 합성수지 90 ∼ 50 중량%와, 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더 10 ∼ 50 중량%를 포함하여 이루어진 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 생분해성 합성수지 90 ∼ 50 중량%와, 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더 10 ∼ 50 중량%를 포함하는 조성물을 각각 제습한 후 가열혼합 및 압출하여 펠렛화시키는 단계와, 상기 펠렛을 결정화시키는 단계를 포함하는 이루어지는 잠열 기능성 생분해 합성수지의 제조방법을 포함한다.
이하 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 잠열 기능을 가지는 상전이 물질을 벽물질의 조성을 개선하여 캡슐화하고 이를 생분해성 합성수지와 혼합함으로써, 기존의 생분해성 합성수지가 낮은 열적 특성을 가지고 기계적 물성이 열악한 문제점을 개선하고, 잠열 기능의 도입으로 인한 온도 제어가 가능하여 생분해 합성수지의 열적 안정성을 더욱 강화시킬 수 있어, 다양한 산업분야에 적용할 수 있으며, 또한 생분해성이 충분히 발현되어 자연 친화적인 효과를 기대할 수 있는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
이하 본 발명의 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더를 구성성분 별로 구체적으로 설명한다.
본 발명의 잠열파우더는 상전이 물질을 심물질(core)로 하고, 젤라틴, 멜라민 수지, 음이온성 아크릴 수지, 카세인 등 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 벽물질(sheeth)로 하며, 상기 벽물질 외면이 폴리비닐아세테이트로 코팅 되어 구성된다.
상기 상전이 물질은 용융점이 15 ∼ 40 ℃ 범위이고, 열저장용량 200 ∼ 260 J/g인 파라핀계 탄화수소를 사용할 수 있으며, 특히 용융점이 15 ∼ 37 ℃ 범위이고, 열저장용량 200 ∼ 260 J/g 범위인 것을 사용하는 것이 좋다.
상기 벽물질은 젤라틴, 멜라민 수지 및 음이온성 아크릴 수지 등 중에 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 부벽재용 소재와, 젤라틴, 멜라민 수지, 카제인 및 음이온성 아크릴 수지 등 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 주벽재용 소재로 구성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 잠열파우더는 상기 벽물질의 외면에 폴리비닐아세테이트(poly vinyl acetate, PVA)이 코팅된 것이 특징이며, 이러한 폴리비닐아세테이트의 코팅에 의하여 잠열파우더의 기계적 외력에 의한 안정성이 향상되어 다양한 용도에 적용시킬 경우 캡슐이 깨어지는 위험을 방지할 수 있게 되어, 그 적용 범위를 확대시킬 수 있다.
본 발명의 잠열파우더는 일반적으로 마이크로 크기의 직경을 가지는데 통상적으로 1 ∼ 10 ㎛ 범위의 직경을 가질 경우 플라스틱 수지 등에 적용되었을 경우 기계적 강도와 외관상 표면 평활성 유지 측면에서 좋다.
이러한 본 발명의 잠열파우더를 제조하는 방법을 각 단계별로 구체적으로 설명하며, 첨부도면 도 6에 본 발명의 잠열파우더 제조공정도를 간단하게 나타내었다.
1) 단계로서 젤라틴, 멜라민 수지 및 음이온성 아크릴 수지 등 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 포함하는 부벽재용 소재의 수용액을 제조한다.
상기 수용액은 부벽재용 소재를 18 ∼ 22 중량%로 함유하도록 제조되는 것이 잠열파우더의 수율면과 제조공정상의 편이성의 측면에서 바람직하다.
2) 단계로서 상기 1) 단계의 수용액에 심물질용 상전이 물질을 첨가하여 혼합 교반한다.
상기한 심물질용 상전이 물질로서 본 발명에서는 파라핀계 탄화수소를 사용하는데, 상기 상전이 물질은 용융점이 15 ∼ 40 ℃ 범위이고, 열저장용량 200 ∼ 260 J/g인 파라핀계 탄화수소를 사용할 수 있으며, 특히 용융점이 15 ∼ 37 ℃ 범위이고, 열저장용량 200 ∼ 260 J/g 범위인 것을 사용하는 것이 좋다.
3) 단계로서 상기 2) 단계의 혼합물에 젤라틴, 멜라민 수지, 카제인 및 음이온성 아크릴 수지 등 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 포함하는 주벽재용 소재의 수용액을 혼합하고, 여기에 상기 부벽재 및 주벽재용 소재의 수용액과 심물질용 상전이물질의 합량과 동량의 정제수를 첨가한 후 교반하여 유화시킨다.
이때, 부벽재용 소재와 주벽재용 소재 및 심물질용 상전이물질의 사용비율은 고형분 기준으로 19 ∼ 22: 19 ∼ 22 : 56 ∼ 58 중량비 범위로 포함되는 것이 좋다. 이때 부벽재와 주벽재를 포함하는 벽물질의 비율이 적으면 캡슐화가 제대로 일어나지 않으며 생분해성 수지와 혼합하여 사출 및 압출을 수행할 때 벽이 약해 심물질로 사용된 상전이물질이 흘러나오는 문제점이 있고, 이와 반대로 벽물질 의 비율이 높으면 캡슐벽이 두꺼워져 외부열에 대한 상전이 반응이 어려워지는 문제가 있으며, 상대적으로 심물질의 함량이 적어지게 되므로 충분한 잠열효과를 얻지 못하게 된다.
상기 유화는 고속으로 교반하면서 이루어지는데, 9,000 ∼ 11,000 rpm을 유지하면서 10 ∼ 30 분 동안 교반하여 유화시키는 것이 바람직하다. 이때 교반속도가 상기 범위 미만이면 유화에 의하여 생성되는 캡슐의 크기가 커서 마이크로화를 달성할 수 없을 뿐 아니라 사출 및 압출시 캡슐이 파괴되는 문제가 있으며, 교반속도가 지나치게 빨라서 상기 범위를 초과하면 캡슐의 연속상(벽물질)과 비연속상(심물질)의 경계가 모호해져 캡슐화 되지 않는 문제점과 사출 및 압출된 제품 표면으로 상전이물질이 흘러나오는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 유화는 상기 교반속도를 유지하면서 10 ∼ 30 분 동안 유지하는데, 유화시간이 10 분 미만이면 캡슐이 커지거나 상전이물질을 벽물질인 주벽재와 부벽재로 충분히 감싸지 못하게 되고, 30 분을 초과하면 벽물질의 두께가 얇아지거나 캡슐의 크기가 지나치게 작아져서 상전이물질이 캡슐화된 캡슐로서 기능하지 못하는 문제점이 있다.
4) 단계로서 상기 3) 단계의 유화물을 일정 온도 범위에서 교반하면서 유지하면서 중합시킨다.
상기 중합은 45 ∼ 75 ℃ 범위에서 2,000 ∼ 3,000 rpm을 유지하면서 수행되는 것이 바람직하며, 중탕기를 이용하여 가열중합하면 온도는 천천히 올리는데 바람직하기로는 7 ∼ 10 ℃/시간의 비율로 승온하는 것이 좋다. 상기 교반은 2,000 ∼ 3,000 rpm으로 유지하도록 하며, 교반속도가 상기 범위 미만이면 유화된 캡슐이 서로 달라붙어 응고되며, 유화된 캡슐의 심물질과 벽물질로 분리되는 문제가 있고, 상기 범위를 초과하면 캡슐의 연속상인 벽물질의 크기가 지속적으로 작아져 심물질인 상전이물질이 제대로 캡슐화되지 않는 문제점이 있다. 이러한 유화중합은 온도와 시간 및 교반 등의 조건을 반응성을 관찰하면서 일정시간 동안 수행하는데, 4 ∼ 5 시간동안 수행하는 것이 좋다.
5) 단계로서, 상기 4) 단계의 중합이 종료된 후 폴리비닐아세테이트를 첨가하여 교반하면서 냉각시킨 후 pH를 조정하여 반응을 종료한 다음 건조하여 분말화한다.
상기 4) 단계의 유화중합의 진행상황을 관찰하면서 중합반응온도를 45 ℃에서 서서히 상승시켜 70 ℃가 되는 시점에서 유화중합이 완료되면 여기에 폴리비닐아세테이트를 첨가하는데, 이때 전체 중합물 100 중량부에 대하여 폴리비닐아세테이트 고형분 첨가량은 1 ∼ 2 중량부가 되도록 한다. 상기한 폴리비닐아세테이트 고형분을 첨가하고 교반 속도를 2,000 ∼ 3,000 rpm로 유지하면서 냉각시키는데, 상기 냉각은 서서히 이루어지는 것이 바람직하여 10 ∼ 15 ℃/시간의 속도를 유지하면서 냉각시키는 것이 좋다. 이러한 냉각이 진행되면서 반응물의 온도가 약 40 ℃에 도달하면 pH를 8.0 ∼ 8.5 범위의 약 알칼리성으로 조정하여 반응을 종료시킨다. 상기한 pH의 조정은 알칼리제를 사용하여 수행되며, 암모니아 수용액을 사용하여 수행하기도 한다. 반응이 종료되면 이들은 건조 및 분말화하여 본 발명의 상전이물질이 캡슐화된 잠열파우더를 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물을 성분별로 구체적으로 설명한다.
본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물은 생분해성 합성수지 90 ∼ 50 중량%와, 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더 10 ∼ 50 중량%를 포함하여 이루어진다.
상기 생분해성 합성수지는 생분해성을 가지는 합성수지에 모두 적용 가능하나, 바람직하기로는 지방족 폴리에스테르 수지, 지방족 폴리에스테르 수지와 방향족 폴리에스테르의 공중합체, 폴리락트산(polylactic acid) 및 폴리카프로락톤[poly(ε-caprolactone)] 등 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 사용하는 것이 좋다.
상기 생분해성 합성수지를 혼합하여 사용할 경우는 지방족 폴리에스테르 수지와 폴리락트산을 100 : 0.01 ∼ 50 중량비로 포함하여 사용하여도 좋다.
생분해성 합성수지로서 폴리에스테르 수지는 지방족 폴리에스테르 수지 단독, 지방족 폴리에스테르 수지와 방향족 폴리에스테르 수지의 공중합체를 사용하여도 좋다.
예컨대 상기한 지방족 폴리에스테르 수지로는 에틸렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올 및 1,6-헥산디올 등과 같이 알콜기 사이에 -CH2 - 가 1 ∼ 6개 도입된 디올(Diol)과, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 피멜산 등과 같이 카르복시산기 사이에 -CH2 - 가 1 ∼ 6개 도입된 히드록시 산이 에스테르 결합을 이루고 있는 것을 사용하는 것이 좋다. 상기 방향족 폴리에스테르 수지는 알콜기 사이에 -CH2 -가 1 ∼ 6개 도입된 디올과, 카르복시산기 사이에 벤젠고리가 도입된 디메틸테레프탈레이트 또는 테레프탈레이트와, -CH2 -가 1 ∼ 6 개 도입된 디카르복시산이 에스테르 결합을 이루고 있는 것을 사용할 수 있다.
상기 생분해성 합성수지의 사용량은 전체 조성물 중 50 ∼ 90 중량%이며, 생분해성 합성수지의 사용량이 50 중량% 미만이면 상대적으로 잠열파우더의 사용량이 많아지게 되어 다양한 산업적 용도에 적합한 기계적 물성을 만족시킬 수 없게 되며, 생분해성 합성수지의 사용량이 90 중량%를 초과하게 되면 잠열기능에 대한 효율성이 저하되는 한 문제점이 있고, 또한 상대적으로 잠열파우더의 사용량이 적어지게 되어 잠열기능이 충분히 발현되지 않는다.
본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물은 기존의 생분해성 합성수지가 낮은 결정성과 비교적 낮은 온도에서도 쉽게 연화되고, 열을 받으면 비 결정화되어 강도가 저하되는 문제점을 잠열파우더를 사용하여 해소시킴과 동시에 잠열기능성이 부여됨에 특징이 있다.
즉, 상기 잠열파우더는 상전이물질이 캡슐화된 것으로서 캡슐의 벽물질을 구성하는 성분을 선택사용하고, 특히 벽물질의 외면을 폴리비닐아세테이트로 다시 코팅함으로서 잠열기능을 유지하면서도 강도가 보강되어 쉽게 깨어지지 않는 특성이 부여된 것으로, 이를 생분해성 합성수지에 부가함으로써 상기한 효과를 달성할 수 있다.
추가적으로 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물에는 특이하게 제조된 보강제를 첨가할 경우 강도의 향상을 더욱 기대할 수 있다.
즉, 상기 생분해성 합성수지와 잠열파우더 합량 100 중량부에 대하여 5 ∼ 10 중량부의 보강제를 추가적으로 사용할 수 있는데, 상기 보강제는 고분자 수지와 분말상의 탄산칼슘(CaCO3)의 혼합물을 분말상, 펠렛상 등의 제형으로 제조하여 사용할 수 있다. 상기 고분자 수지는 생분해성 합성수지의 특성에 따라 선택사용가능하며, 구체적으로 상기 고분자 수지는 폴리락트산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리히드록시 부틸산(poly-hydroxy butyric acid) 및 D-히드록시 부틸산(D-3-Hydroxy butyric acid) 등 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히 상기한 탄산칼슘의 크기를 1 ∼ 10 ㎛ 범위로 조절하여 사용하게 되면 생분해 수지의 흐름성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있는데, 이때 탄산칼슘의 크기가 상기 범위 미만으로 너무 작으면 제조상 분말이 날리거나 미세화시키는 공정이 까다로운 문제가 있고, 크기가 너무 크면 고분자 수지와의 혼합성이 떨어지거나 기계적 특성을 약화시키는 문제가 있을 수 있다.
이러한 보강제를 사용할 경우 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물의 기계적 강도가 향상될 뿐만 아니라 용융지수(melt index, MI)의 향상되어 흐름성이 좋아진다. 또한, 상기 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더가 열을 흡수하거나 방출할 경우 부피의 변화가 초래되는데, 상기 보강제를 사용할 경우 보강제에 포함된 탄산칼슘의 다공에 흡수되어 캡슐이 깨어지지 않도록 보호하는 역할도 수행하게 된 다.
상기 보강제는 고분자 수지 80 ∼ 90 중량%와 평균 크기 1 ∼ 10 ㎛ 범위의 탄산칼슘(CaCO3) 10 ∼ 20 중량%를 포함하여 구성되며, 이때 혼합물 중 고분자 수지의 사용량이 적을 경우에는 상대적으로 탄산칼슘의 사용량이 많아지게 되므로 무기물인 탄산칼슘과 생분해성 수지의 혼용성이 저하되며 흐름성이 과도하게 증가하여 사출 및 압출성형이 어려운 문제점이 있고, 고분자 수지의 사용량이 많은 경우에는 탄산칼슘 사용에 의한 강도 보강과 흐름성 개선, 캡슐의 보호능이 충분하지 못하며 사출 및 압출시 압력 증가로 캡슐이 깨지거나 기계에 무리가 가는 문제점이 있다.
추가적으로 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물에는 경화제를 첨가할 경우 기계적 강도의 향상을 더욱 기대할 수 있다.
이러한 경화제는 천연라텍스(라바), 폴라카프로락톤(PCL) 및 지방족 폴리에스테르 등 중에서 선택된 것을 사용할 수 있은데, 상기 지방족 폴리에스테르로서는 고무성질이 강한 것을 사용하는 것이 좋으며, 경화제는 상기 생분해성 합성수지와 잠열파우더 합량 100 중량부에 대하여 0.5 ∼ 2.0 중량부를 사용할 수 있다. 경화제를 사용할 경우 생분해성 합성수지와 잠열파우더를 혼합브랜딩할 경우 발생되는 충격강도를 저하시킬 수 있어 더욱 바람직한데, 사용량이 2.0 중량부를 초과하여 많을 경우에는 사출성형시 경도를 저하시킬 수 있다.
상기한 보강제와 경화제 외에, 당업계에서 통상적으로 사용하는 첨가제를 조성물의 용도에 따라 당업자의 선택에 의하여 적절히 첨가할 수 있다.
이러한 첨가제로는 안정화제, 산화방지제, 자외선(UV) 안정화제, 슬립제, 충전제, 분산제, 및 커플링제 등을 사용할 수 있으며, 첨가제의 사용량은 상기한 생분해성 합성수지와 잠열파우더의 합량 100 중량부에 대하여 전체 사용량은 50 중량부 이내에서 조절하여 첨가하는 것이 바람직하다.
이들을 구체적으로 설명하면, 상기 안정화제로는 트리메틸포스페이트, 포스페릭산, 트리페릭산, 트리페닐포스페이트 등을 사용할 수 있으며, 사용량은 상기한 생분해성 합성수지와 잠열파우더의 합량 100 중량부에 대하여 0.01 ∼ 10 중량부이다.
상기 산화방지제로는 시판되는 것으로 이가녹스(Irganox)계열, 울트라녹스(Ultranox)계열 등을 사용할 수 있으며, 사용량은 상기한 생분해성 합성수지와 잠열파우더의 합량 100 중량부에 대하여 0.01 ∼ 10 중량부이다.
상기 자외선 안정화제로는 할스계열(HALS, 입체장애 아민)의 자외선 안정화제를 사용할 수 있으며, 사용량은 상기한 생분해성 합성수지와 잠열파우더의 합량 100 중량부에 대하여 0.01 ∼ 10 중량부이다.
상기 슬립제(slipping agent)로는 스테아린산 칼슘, 스테아린산 아연, 폴리에틸렌계 왁스(PE WAX), 일반 왁스(WAX) 등을 사용할 수 있으며, 사용량은 상기한 생분해성 합성수지와 잠열파우더의 합량 100 중량부에 대하여 0.01 ∼ 10 중량부이다.
상기 충전제(Filler)로는 탈크(Talc), 탄산칼슘, 라임스톤(Limestone), 이산 화티탄(TiO2), 카본블랙 등을 사용할 수 있으며, 이들의 평균 입경은 0.01 ∼ 10 ㎛인 것을 선택사용하는 것이 좋고, 사용량은 상기한 생분해성 합성수지와 잠열파우더의 합량 100 중량부에 대하여 0.01 ∼ 50 중량부이다.
상기 분산제(dispersant)는 사용 수지 간의 상용성을 위해 부가하게 되는데, 카르복시화 폴리에틸렌, 프탈산, 스테아르산 등을 사용할 수 있으며, 사용량은 상기한 생분해성 합성수지와 잠열파우더의 합량 100 중량부에 대하여 0.01 ∼ 10 중량부이다.
이하 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명한다.
즉, 생분해성 합성수지 90 ∼ 50 중량%와, 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더 10 ∼ 50 중량%를 포함하는 조성물을 각각 제습한 후 가열혼합 및 압출하여 펠렛화시키는 단계와, 상기 펠렛을 결정화시키는 단계를 거쳐 잠열 기능성 생분해 합성수지를 제조한다.
생분해성 합성수지는 습기에 매우 취약한 특성이 있으므로 본 발명에서는 상기한 습기에 의한 물성의 저하를 방지하기 위하여 생분해성 합성수지와 잠열파우더를 비롯한 합성 원료들을 각각 제습한다. 상기 제습은 수분함량이 0.1 중랑% 미만이 되도록 하는 것이 좋으며, 제습의 방법은 특별히 한정하지 않으나 일반적으로 제습건조기를 사용하는 것이 편리하다.
상기 가열혼합은 70 ∼ 90 ℃ 온도범위에서 10 ∼ 30 rpm 속도를 유지하면서 4 ∼ 7 시간 동안 수행되도록 한다. 가열온도가 낮으면 결정화가 어렵고, 높으면 캡슐화된 심물질(상전이물질)이 캡슐의 외부로 유출되는 문제점이 있으므로 주의하도록 하며, 교반속도가 상기 범위 미만이면 초기 결정화단계에 펠렛이 서로 달라붙는 문제점이 생기고, 상기 범위를 초과하면 충격에 의해 캡슐이 손상될 수 있다. 가열혼합시간은 4 시간 보다 적으면 결정화가 어렵고, 7 시간 보다 많으면 캡슐에 손상이 갈 수 있다.
상기한 혼합은 통상적으로 당분야에서 사용하는 혼합기를 사용하여 수행하며, 바람직하기로는 (수퍼)믹서를 사용하는 것이 좋다.
상기 혼합물을 압출기를 통해 가늘게 압출하고 냉각시킨 후 잘게 절단하는 공정을 통해 펠렛화하는 단계를 거친다. 압출시 압출온도는 200 ℃를 넘지 않는 범위에서 수행되는 것이 좋은데, 바람직하기로는 140 ∼ 153 ℃, 더욱 바람직하기로는 152 ∼ 153 ℃를 유지하는 것이 바람직하다. 이때, 압출온도가 200 ℃를 초과할 경우에는 캡슐의 손실이 커진다. 상기 압출은 60 ∼ 110 kg/㎠의 압력범위로 수행하는 것이 좋다. 상기와 같은 압출에 의하여 펠렛화가 수행되며, 상기한 펠렛화 후 70 ∼ 90 ℃ 범위에서 서서히 교반(10 ∼ 30 rpm)하여 제습건조시켜 펠렛끼리 붙지 않도록 한다.
상기 펠렛화 후 결정화를 수행하는데 이러한 결정화는 70 ∼ 90 ℃에서 4 ∼ 7 시간 제습 건조시키면서 수행되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물은 다양한 IT용 기기의 케이스 및 부품의 성형에도 이용될 수 있는데, 이들을 사용시 과열로 인한 성능저하가 발생되기 이전의 용융온도를 가지는 상전이물질을 캡슐화한 잠열파우더로서 사용할 경우에는 적용된 기기의 온도를 원하는 범위, 즉, 약 28 ∼ 35℃ 범위로 조절할 수 있어 좋다.
사용될 수 있는 기기를 한정하는 것은 아니지만 모바일폰, 노트북, 컴퓨터, 각종 모니터 등과 같은 IT용 기기의 케이스나 내부 부품 등에 사용할 수 있는데, 특히 이들 기기에서 발생되는 전자파가 상전이물질에 의해 차폐되는 효과를 갖는다.
이는 캡슐화된 상전이물질이 상변이에 의해 액상으로 있거나 또는 고체상태로 있다 하더라도 젤에 가까운 상태로 있기 때문에 기기로부터 발생되는 전자파(EMI)가 부품 또는 케이스 내에 있는 상기 상전이물질을 지나면서 그 파장이 상쇄되어 결국 다량의 전자파가 차폐되는 효과를 가지는 것으로 판단된다.
이외에도 상기와 같이 제조된 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물은 과도한 열의 상승에 의하여 야기되는 수지의 변형 등을 충분히 억제할 수 있으므로, 열이 발생되어 물성이 저하되는 문제점을 가지거나, 일정 범위로 온도가 유지되기를 원하는 기기 등에 다양하게 적용할 수 있어 그 산업적 이용성이 우수할 것으로 기대된다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 잠열파우더의 제조
음이온성 아크릴 수지(70 % 수용액) 수용액 29 g에 심물질용 상전이 물질로서 파라핀(열저장 용량 226.5 J/g)를 30 g 첨가하여 혼합교반하고, 여기에 멜라민 수지(70 % 수용액) 수용액 29 g을 혼합한 후 정제수 12 g을 첨가하여 10,000 rpm을 유지하면서 10 ∼ 12 분간 고속 교반하여 유화시켰다.
상기 유화물을 중탕기를 사용하고, 2,000 rpm을 유지하며 교반하면서 상온에서 70 ℃ 까지 4 시간동안 서서히 가열 중합시켰다.
상기 중합이 종료되면 전체 중합물 폴리비닐아세테이트 고형분 2 g을 첨가하고 3,000 rpm을 유지하면서 중합물의 온도를 40 ℃까지 2 시간 동안 서서히 냉각시킨 후 암모니아 수용액을 가하여 pH 8.0로 고정시키고 반응을 중지시켰으며, 제습건조 드라이로 수분을 증발시켜 분말화하여 본 발명의 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더(수분 함량 0.1 % 미만)을 얻었다.
상기 제조된 잠열파우더를 전자현미경으로 관찰하여 평균 크기 5 ㎛의 마이크로크기의 캡슐이 형성되었음을 확인하였고, 그 결과를 첨부도면 도 1 에 나타내었다.
실험예 1: 잠열파우더의 물성측정
상기 실시예 1에서 제조된 잠열파우더의 물성을 다음과 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
| 구 분 | 물성치 | 측정방법 |
| 인장강도(MPa) | 29.8 | ASTM D 638:2003 |
| 신장율(%) | 11 | |
| 굴곡강도(MPa) | 38.6 | ASTM D 790:2003 |
| 충격강도(J/m) | 31.4 | ASTM D 256:2003 |
실시예 2 : 잠열 기능성 생분해 합성수지의 제조
상기 실시예 1에 의하여 제조된 잠열파우더 15 g과 생분해성 수지로서 폴리락트산(PLA) 35 g을 각각 70 ℃ 조건의 1시간 동안 제습건조기로 제습한 다음 80 ℃ 에서 10 ∼ 30 rpm 속도를 유지하면서 5 시간 동안 가열혼합하고, 140 ∼ 153 ℃의 온도범위, 60 ∼ 110 kg/㎠ 의 압력범위로 가늘고 길게 압출하여 평균 4 ㎜ 크기로 펫렛화시킨 다음 70 ∼ 90 ℃에서 4 ∼ 7 시간동안 제습건조 및 결정화시켜 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지를 제조하였다.
실시예 3 : 잠열 기능성 생분해 합성수지의 제조
상기 실시예 2와 동일한 방법으로 잠열 기능성 생분해 합성수지를 제조하되, 평균 크기 6 ㎛의 탄산칼슘 분말 5 g을 가열혼합단계에서 첨가하였다.
실시예 4 ∼ 5 : 잠열 기능성 생분해 합성수지의 제조
상기 실시예 2와 동일한 방법으로 잠열 기능성 생분해 합성수지를 제조하되, 평균 크기 6 ㎛의 탄산칼슘 분말 5 g(실시예 4)과, 10 g(실시예 5) 을 가열혼합단계에서 첨가하였다.
비교예 1 ∼ 3 : 생분해성 합성 수지의 제조
실시예 2에서 사용한 것과 동일한 생분해성 수지를 그대로 적용한 비교예 1과, 실시예 2에 의하여 제조된 잠열 기능성 생분해 합성수지에 실시예 3에서 사용한 것과 동일한 탄산칼슘을 각각 15 g(비교예 2), 20 g(비교예 3) 첨가하여, 실시예 2와 동일한 방법으로 생분해성 합성수지를 제조하였다.
실험예 2: 물성측정
상기 실시예 2 ∼ 3 에서 제조된 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지와 비교예 1의 생분해성 수지의 물성을 다음과 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
| 구 분 | 비교예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 측정방법 |
| 인장강도(kgf/㎠) | 590 | 540 | 585.3 | ASTM D 638:2003 |
| 신장율(%) | 7.6 | 11.2 | 7.5 | |
| 굴곡강도(kgf/㎠) | 730 | 862.4 | 1070.7 | ASTM D 790:2003 |
| 충격강도(J/m) | 51.1 | 460.2 | 587.7 | ASTM D 256:2003 |
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 의하여 제조된 잠열 기능성 생분해 합성수지가 굴곡강도 및 충격강도가 획기적으로 향상됨을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 3의 잠열 기능성 생분해 합성수지의 경우 굴곡강도 및 충격강도는 더욱더 향상됨을 확인할 수 있다.
실험예 3 : 잠열기능 확인 실험
상기 실시예 2 ∼ 3과, 비교예 1의 폴리락트산을 사용하여 다음과 같은 방법으로 물성을 측정하였다.
100 g용 비커에 비교예 1과 실시예 2에 의하여 제조된 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지 50 g을 각각 담은 다음 온도계를 설치한 후 중탕기에서 가열하였다. 이때 중탕기의 물을 비커의 수지가 담겨진 구역까지 충분히 닿도록 채워주어 수지에 열이 골고루 전달되게 하였으며, 상기 수지가 외기와 공기에 노출되지 않도록 알루미늄 호일로 막아주었다.
중탕기의 온도를 20 ℃에서 40 ℃ 까지 서서히 상승시키면서 각 온도계가 40 ℃에 도달되는 시간을 확인하였으며, 그 결과를 첨부도면 도 2에 나타내었다.
도 2에 의하면 비교예 1의 경우 20 ℃에서 40 ℃에 도달하는 시간이 17 분 정도 소요되었고, 실시예 2의 경우 21 분이 소요되었으며, 특히 27 ℃ 에 도달하였을 경우 약 4분간 이 온도 범위를 유지시키는 흡열효과를 나타내었는데, 상기한 결과로서 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지가 잠열기능을 발현함을 확인할 수 있었다.
실험예 4 : 흐름성 측정
상기 실시예 2 ∼ 3 에 의하여 제조된 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지와 비교예 2 ∼ 3 에 의하여 제조된 생분해 합성수지의 흐름성(용융지수,MFI)을 측정하여 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.
| 구분 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 2 | 비교예 3 |
| 용융지수 (g/10min) (MFI, 190 ℃, 2160 g) | 4 | 15 | 20 | 30 |
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 보강제의 함량이 증가할수록 흐름성이 향상되는 것을 알 수 있다. 이는 범용성 사출제품을 용이하게 할 수 있는 결과를 나타내며, 기계적 물성을 조절할 수 있는 면에서 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 생분해성 합성수지와 혼용성이 우수한 잠열파우더를 제조할 수 있다.
또한 상기 잠열파우더를 생분해성 합성수지에 적용하여 기계적 물성이 향상되며, 잠열특성 및 생분해성이 우수한 진보적인 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물을 종래의 방법보다 손쉽고 저렴한 가격으로 제조할 수 있다.
이러한 본 발명에 의하면 생산성 향상 및 가격인하 등의 요건을 만족시켜 경제성을 높임과 동시에 잠열 기능을 부여하여 온도의 유지가 요구되는 기기, 발열로 인한 성능저하가 우려되는 기기 등의 다양한 산업분야에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
특히 본 발명의 잠열 기능성 생분해 합성수지는 전자파를 차폐하는 효과를 가지는 것으로 확인되어 이의 적용용도는 더욱 다양해질 수 있을 것으로 판단된다.
Claims (12)
- 생분해성 합성수지 90 ∼ 50 중량%와, 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더 10 ∼ 50 중량%를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 생분해성 합성수지는 지방족 폴리에스테르 수지, 지방족 폴리에스테르 수지와 방향족 폴리에스테르의 공중합체, 폴리락트산(polylactic acid) 및 폴리카프로락톤[poly (ε-caprolactone)] 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 생분해성 합성수지와 잠열파우더 합량 100 중량부에 대하여 5 ∼ 10 중량부의 보강제가 포함되는 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물.
- 제 3 항에 있어서, 상기 보강제는 고분자 수지 80 ∼ 90 중량%와 평균입경 1 ∼ 10 ㎛ 범위의 탄산칼슘(CaCO3) 10 ∼ 20 중량% 혼합물인 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물.
- 제 4 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리락트산(PLA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리히드록시 부틸산(poly-hydroxy butyric acid) 및 D-히드록시 부틸산(D-3-Hydroxy butyric acid) 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 생분해성 합성수지와 잠열파우더 합량 100 중량부에 대하여 0.5 ∼ 2.0 중량부의 경화제가 포함되는 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물.
- 제 6 항에 있어서, 상기 경화제는 천연라텍스, 폴라카프로락톤(PCL) 및 지방족 폴리에스테르 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지 조성물.
- 생분해성 합성수지 90 ∼ 50 중량%와, 상전이 물질이 캡슐화된 잠열파우더 10 ∼ 50 중량%를 포함하는 조성물을 각각 제습한 후 가열혼합 및 압출하여 펠렛화시키는 단계와, 상기 펠렛을 결정화시키는 단계를 포함하는 이루어지는 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 가열혼합은 70 ∼ 90 ℃ 온도범위에서 10 ∼ 30 rpm 속도를 유지하면서 4 ∼ 7 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 압출은 140 ∼ 153 ℃의 온도범위, 60 ∼ 110 kg/㎠ 의 압력범위로 수행되는 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 결정화는 70 ∼ 90 ℃에서 4 ∼ 7 시간 동안 제습건조하면서 수행되는 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성수지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상전이 물질은 용융점이 15 ∼ 40 ℃ 범위이고, 열저장용량 200 ∼ 260 J/g 범위인 파라핀계 탄화수소인 것을 특징으로 하는 잠열 기능성 생분해 합성 수지 조성물.
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