KR20070115133A - 상용화제로 나일론 6과 무수말레인산-폴리프로필렌을 이용한 나노입자상 클레이 함유 폴리프로필렌 섬유의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 나노입자상 클레이 함유 폴리프로필렌 섬유 - Google Patents

상용화제로 나일론 6과 무수말레인산-폴리프로필렌을 이용한 나노입자상 클레이 함유 폴리프로필렌 섬유의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 나노입자상 클레이 함유 폴리프로필렌 섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무기나노입자의 균일한 분산효과를 이용하여 내열성, 난연성, 소음 및 액체 차단성, 내충격성이 우수한 것을 특징으로 하는 나노-유기복합섬유를 제조하는 방법 및 그에 의해 제조된 나노-유기복합섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노입자상 클레이의 균일한 분산을 목적으로 이축압출기를 이용한 용융 컴파운딩법으로 열가소성 수지에 나노입자상의 클레이를 균일하게 혼합/분산하여 섬유용 방사칩을 제조하는 단계; 상기 나노-유기복합체를 제조하는 단계에서 나노 클레이와 열가소성수지 사이의 친화성을 부여하기 위하여 무수말레인산 폴리프로필렌과 나일론6을 상용화제로 첨가하는 단계; 상기 제조된 섬유 방사용 나노-유기복합체 칩을 이용하여 직연신 용융방사장치에 의해 나노-유기복합섬유를 제조하는 단계; 상기 제조된 나노-유기복합섬유를 권축 및 커팅을 통해 부직포용 나노-유기복합체 스테이플 섬유로 제조하는 단계;로 구성된 것을 특징으로 하는 나노-유기복합섬유의 제조방법 및 그에 의해 제조된 나노-유기복합섬유에 관한 것이다. 이와 같이 제조된 나노-유기복합섬유는 나노 클레이의 첨가에도 불구하고 기계적 물성의 저하 없이 내열성, 내충격성, 난연성 등의 특성이 우수하여 자동차 내외장재, 산업용 소재, 건축용 소재로 적용시키는 것을 목적으로 한다.
나노-유기복합섬유, 내충격성, 결정배향성, 나노 클레이, 몬모릴로나이트, 폴리프로필렌, 폴리아미드

Description

상용화제로 나일론 6과 무수말레인산-폴리프로필렌을 이용한 폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합 섬유의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 나노-유기복합섬유{The processing method of polypropylene/clay nanocomposite fiber and nanocomposite fiber produced thereof using Nylon 6 and anhydride maleic polypropylene as compatibilizer}
도 1은 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합섬유의 투과 전자현미경(TEM) 사진이다.
도 2는 폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합섬유의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
본 발명은 상용화제로 나노클레이와 우수한 친화성을 가지는 나일론 6과 무수말레인산 폴리프로필렌을 이용하여 무기나노입자의 균일한 분산효과를 유도하여 내열성, 난연성, 소음 차단성, 액체 및 기체 차단성, 내충격성이 우수한 것을 특징으로 하는 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합섬유를 제조하는 방법 및 그에 의해 제조된 나노-유기복합섬유에 관한 것으로서, 보다 상세하게 나노 클레이의 균일한 분산을 목적으로 이축압출기를 이용한 용융 컴파운딩법으로 열가소성 수지에 나노입자상의 클레이(몬모릴로나이트)를 균일하게 혼합/분산하여 섬유용 방사칩을 제조하는 단계; 상기 나노-유기복합체를 제조하는 단계에서 나노 클레이와 열가소성수지 사이의 친화성을 부여하기 위하여 그라프트율이 1~2 wt%이상인 무수말레인산 폴리프로필렌과 나일론6을 상용화제로 사용하는 단계; 상기 제조된 섬유 방사용 나노-유기복합체 칩을 이용하여 직연신 용융방사장치에 의해 나노-유기복합섬유를 제조하는 단계; 상기 제조된 나노-유기복합섬유를 권축 및 커팅을 통해 부직포용 나노-유기복합체 스테이플 섬유로 제조하는 단계;로 구성된 것을 특징으로 하는 나노-유기복합섬유의 제조방법 및 그에 의해 제조된 나노-유기복합섬유에 관한 것이다.
나노입자상의 클레이를 이용한 나노-유기복합재료는 열가소성 유기고분자 재료에 나노 사이즈로 클레이입자를 분산/박리시킴으로써 내충격성, 내인성 및 투명성의 손상이 없이 강도와 강성도, 기체나 액체에 대한 차단성, 내마모성, 고온안정성이 대폭 향상된 신개념의 차세대 복합소재이다. 이와 같은 나노-유기복합기술은 기존의 무기 충전제 보강 복합소재보다 적은 양의 3~5 wt% 나노 입자상의 무기 충전제를 사용하여도 더 우수한 물성을 얻을 수 있으며 강화제를 나노 사이즈까지 박리, 분산시켜 기계적 물성의 극대화 및 투과 억제능 등의 신기능을 부여할 수 있으며, 성능/원가 면에서 매우 유리하다. 이러한 특성을 바탕으로 자동차, 전자정보, 건축 토목 등에 응용이 기대되는 신소재로서 전 세계적으로 주목을 받고 있다.
현재 자동차의 부품 및 산업용 소재로는 석유화학 원료로부터 생산되는 PP (polypropylene) 또는 TPO (thermoplastic olefin) 등과 같은 고분자 물질과 이를 무기입자 및 유리섬유로 강화한 복합재료, 폴리카보네이트, ABS 등의 재료가 사용되고 있다. 그 가운데 폴리프로필렌(PP)은 우수한 신장특성과 굴곡특성을 가지고 있지만 충격강도가 낮기 때문에 이의 향상을 위해 고무를 혼합하여 사용하게 되는데, 고무화는 순수한 수지의 신장특성과 굴곡특성을 저하시키는 문제가 있다. 이러한 물성의 저하를 방지하기 위해 고분자 수지에 나노입자 강화제를 첨가하면 그 기계적 물성과 난연 특성이 향상되는데, 이것이 나노복합재료이다. 나노복합재료의 제조 기술은 일반적으로 실리케이트 층상 구조의 점토광물을 나노 스케일의 시트상의 기본 단위로 박리하여 고분자 수지에 분산시킴으로써 범용성 고분자의 낮은 기계적 물성의 한계를 엔지니어링 플라스틱 수준으로 향상시키는 제조 기술이다.
나노복합체의 재료로 주목받고 있는 점토광물은 일반 무기물 결정이나 무기화합물 결정과 달리 팽윤성, thixotropy, 유기화합물과의 다양한 반응성 및 이온교환능력 등 무기화합물로서는 가지기 어려운 유기고분자의 성질을 가지고 있다. 따라서 이러한 특성을 극한값으로 변환시킴에 따라 다른 소재에서는 얻을 수 없는 기능을 가지는 신소재화가 가능해지는 것이다. 점토광물 중에서 자연계에서 흔히 존재하는 클레이(몬모릴로나이트,montmorillonite; MMT)는 광물학적으로 스멕타이트(smectite) 그룹에 속하는 운모 형태의 층상 규산염 광물로서, 그 결정 내에서의 팽윤으로 인하여 자체 부피를 증가시킬 수 있다. 이와 같이 클레이는 물을 가하는 것만으로도 팽윤하는 독특한 특성을 가지고 있으므로 층간가교 나노복합재료의 호스트층으로 적합하여 물리적 특성이 다양한 신소재로서 중요하게 취급되고 있다.
최근 자동차는 전자화, 고급화, 안전화 등에 대한 수요자들의 요구 다양화에 따라 부대장비가 늘어나 자동차 중량이 계속 증가하는 추세이며, 세계적으로 환경오염 문제가 대두되면서 기업별 평균연비 및 자동차 배기 가스규제 강화에 대비한 연비개선이 절실히 요구되고 있다. 자동차의 연비개선 대책은 엔진, 구동계의 효율향상, 주행저항 저감 등이 있으나 기술적으로 거의 한계에 도달하여 대폭적인 효율향상은 기대하기 어려운 실정이다. 따라서 경량소재로의 변경에 대한 연구가 요구되고 있으며, 그 대안으로서 고분자 복합소재로의 대체가 가장 바람직하다고 할 수 있다.
또한 이를 제품화하기 위해서는 방사공정을 통한 섬유화가 필요한데, 섬유 형성능을 가진 고분자 물질을 용해 또는 용융하여 방사구의 노즐을 따라 압출하여 고화시킴으로써 섬유화하는 방법을 방사공정이라고 한다. 용융상태나 진한 용액상태에서 결정시킨 결정물은 대부분 구정이 주체가 된 괴상구조(bulk structure)로서 거의 배향되어 있지 않으므로 섬유구조를 얻기 위하여서는 응력하에서 연신하여 결정을 배향시키는 것이 결정배향화의 방법이다. 이때 배향과 결정화의 정도는 방사속도 및 온도와 분자의 결정형성능에 따라 달라진다. 나일론의 경우 분자의 mobility가 좋고 결정역을 이루는 분자항력이 강한 수소결합이므로 방사하는 사이 결정역을 형성하여 냉연신으로 배향결정화가 이루어진다. 나일론과 같이 방사 시 결정화되는 고분자는 냉연신에 의하여 분자를 배향시키는데 이때 네킹(necking)현상이 일어난 다. 네킹이란 연신에 의하여 섬유가 균일하게 가늘어지는 것이 아니고 섬유의 어느 부분이 급속히 가늘어져서 이 부분에 연속하여 다른 부분이 가늘어져서 전체가 가늘게 연신되는 현상으로 이러한 네킹 현상의 방지를 위해서는 적절한 연신비를 통한 방사조건의 설정이 문제가 된다.
이처럼 나노복합재료에 관해서 다양한 연구가 진행되고 있으나, 폴리프로필렌, 나일론 등의 고분자 수지와 무기나노입자와의 상용화를 위해서는 고분자 수지 내에 나노입자의 분산정도가 중요한데, 이 때, 고분자수지와 나노입자의 비율 및 상용화제의 종류와 양에 따라서 그 분산특성이 달라지는 한계가 있다. 또한 폴리프로필렌(PP)과 폴리아미드(PA)는 각각 163oC 그리고 223oC의 상이한 용융점 및 MFI (melt flow index)을 가지고 있을 뿐만 아니라 결정화 속도에 있어서도 폴리프로필렌(PP)은 상당히 빠른 결정화 속도를 가지고 있는 것에 반해 폴리아미드는 폴리프로필렌에 비해 상대적으로 느린 속도를 가지고 있어서 두 가지를 혼합한 복합섬유의 제조에 있어 방사성을 제어하는 것은 상당히 어려운 문제로 알려져 오고 있을 뿐 아니라 나노입자상의 무기물인 몬모릴로나이트를 첨가한 대량방사 및 상업화는 거의 알려져 있지 않고 있다.
이에, 상기와 같은 제반 문제점들을 해소하기 위하여 안출된 본 발명은 고분자 수지 특히, 폴리프로필렌에 나노입자상 클레이(몬모릴로나이트)의 열악한 분산성 및 친화성으로 인해 섬유방사 시 절사되는 문제점을 개선하기 위한 방법으로, 나노입자상 클레이와 친화성 및 분산성이 우수한 나일론6을 상용화제로 사용하여 나노입자상 클레이의 층상구조를 분산/박리시키고 또한, 폴리프로필렌과 나노 입자상 클레이 사이의 균일한 친화성 및 분산을 보다 증대시킬 목적으로 1~2 중량% 무수말레인산을 함유한 폴리프로필렌을 또한 상용화제로 병행 사용하는 방법을 목적으로 한다.
이와 같은 방법의 실행은 우선, 유기화 클레이(MMT, 나노입자상 clay): 나일론6을 10~15 : 90~85 중량비로 용융 컴파운딩하여 유기화 클레이의 나일론6에 균일한 분산 및 박리를 유도한 나일론6/클레이 마스터 배치를 제조하고, 제조된 나일론6/클레이 마스터 배치와 폴리프로필렌과의 친화성 및 분산성을 증대시킬 목적으로 20~30 중량% 무수말레인산 폴리프로필렌을 상용화제로 사용하여 2차 용융 컴파운딩하여 3~5 중량% 클레이를 함유한 폴리프로필렌/나일론6/무수말레인산 폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합 방사칩을 제조한다.
이와 같은 혼합방법에 의해 나노 클레이의 폴리프로필렌에 대한 분산성의 한계를 극복하고 나노 클레이에 대한 나일론6의 비율 및 마스터 배치에 대한 폴리프로필렌의 비율을 최적화하며, 더욱이 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합체를 이용한 대량 현장방사에서 절사됨이 없이 섬유화하기에 적합한 연신비 등 연신조건을 부여함으로써 결정배향성을 향상시키고, 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합섬유를 이용하지 않은 것보다 충격강도, 굴곡특성, 내열성, 난연성 등의 제반 물성에서 월등히 우수한 나노복합섬유의 제조방법 및 그에 의해 제조된 나노-유기복 합섬유를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은 나일론6에 나노입자상 클레이를 혼합한 후, 이축압출기를 이용한 용융 컴파운딩법으로 나일론6과 클레이로 구성된 마스터배치를 제조하는 단계; 상기 마스터배치 제조 단계에서 제조한 마스터배치에 그라프트율이 1~2wt%인 무수말레인산 폴리프로필렌을 상용화제로서 사용하고 호모폴리프로필렌을 첨가하여 이축압출기로 2차 용융 컴파운딩하여 마스터배치와 클레이로 구성된 나노-유기복합체 펠렛을 제조하는 단계; 상기 나노복합체 펠렛의 제조단계에서 제조한 펠렛을 회전형 진공 오븐에서 6시간 동안 건조하는 단계; 상기 건조단계에서 건조한 나노복합체 펠렛을 방사하여 나노-유기복합섬유를 제조하는 단계; 상기 제조된 나노-유기복합섬유를 권축 및 커팅을 통해 부직포용 나노-유기복합체 스테이플 섬유로 제조하는 단계로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 나노-유기복합섬유의 제조단계에서 방사는 직연신 용융방사 장치를 이용하여 방사 다이온도는 230~240℃, 노즐은 250 홀, 노즐 직경은 0.8mm 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는 상기 나노-유기복합섬유의 제조단계에서 연신비가 200~400%임을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 나노-유기복합섬유의 방법에 의해 제조된 나노-유기복합섬유를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 상기 나노-유기복합섬유는 결정배향성, 내열성 및 내충격성이 우수한 것을 특징으로 하는 나노-유기복합섬유를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 상기 나노-유기복합섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내ㆍ외장재를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 나노-유기복합섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 건축용· 산업용 소재를 제공하는데 있다.
이하, 본 발명의 구성을 실시 예를 통하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
<실시예 1>
폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합섬유 제조
열가소성 고분자 수지로 폴리프로필렌 (MI=25, 호남석유화학)를 사용하였고 여기서, 무수말레인산 폴리프로필렌은 나노입자상 유기화 클레이와 폴리프로필렌간의 열악한 친화성 및 분산성으로 인해 이것을 개선시킬 목적으로 상용화제로 천가하여 사용하였다. 또한, 무기입자상 유기화 클레이는 sothern clay사(closite 15A)를 사용하였다.
무수말레인산 폴리프로필렌과 나노 클레이를 80℃에서 진공 하에 24시간 각각 건조시킨 후, 나노입자상 클레이를 무수말레인산 폴리프로필렌에 15 : 85 중량비율로 80 ℃에 5분 동안 혼합하여 파우더(powder)상 몬모릴로나이트를 무수말레인산 폴리프로필렌에 흡착시킨 후 용융 이축압출기(Twin screw extruder, DCT-65, L/D=75)로 압출, 냉각수에 의한 크웬칭(quenching), 열풍에 의한 건조, 3~4 mm 크기로 절단하여 펠렛 형태의 무수말레인산 폴리프로필렌/클레이 마스터 배치를 만들었다. 이 때, 용융 압출기 용융온도는 230~240 oC로 하였다. 제조된 15 중량% 클레이를 함유한 무수말레인산 폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합 펠렛은 다시 80 ℃ 진공 하에서 24시간 건조 후 호모폴리프로필렌을 첨가하여 230~240 oC온도에서 2차 용융 컴파운딩에 의해 3~5 중량% 나노입자상 클레이가 함유되도록 한 폴리프로필렌/무수말레인산-폴리프로필렌/클레이 방사용 나노-유기복합 펠렛을 제조하였다.
상기 나노-유기복합 펠렛들은 회전형 진공 오븐에서 약 6 시간 동안 진공 건조 후 일축압출기(single screw extruder, L/D=32)형의 직연신 용융방사기를 이용하여 나노-유기복합섬유들을 제조하였다. 본 발명에 의한 폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합체 펠렛의 방사조건은 다이(Die) 부분의 방사 온도는 230~240 ℃, 노즐 250 홀, 노즐의 직경은 0.8 mm로 사용하고, 200~400 %의 직연신하여 보빈에 권취하였다. 권취된 폴리프로필렌/클레이 나노복합섬유는 12,500 가닥으로 합사하여 예열, 크림핑(crimping), 건조, 그리고 65 mm로 절단하여 부직포용 스테이플 섬유를 제조하였다. 예열은 100 oC 의 핫(hot) 증기, 크림핑(crimping)시 온도는 65 oC로 하여 크림프(crimp)를 부여하고, 그리고 130 oC에서 건조하였다. 표 1은 나노입자상 클레이(몬모릴로나이트)의 함량에 따른 물성이고, 그리고 표 2는 연신비에 따른 물성의 변화를 나타내었다.
Clay Content (%) Denier Tensile Strength (g/d) Tensile Modulus (g/d) Elongation (%) Melting Point (oC) Heat of Fusion (J/g)
0 9.0 4.19 32.4 163.2 166.5 80.4
3 9.2 4.21 33.2 158.4 169.1 85.6
8.9 4.05 30.8 145.3 170.5 89.4
4
9.3 3.95 28.5 127.5 172.2 91.3
5
Drawing Ratio (%) Denier Tensile Strength (g/d) Tensile Modulus (g/d) Elongation (%) Melting Point (oC) Heat of Fusion (J/g)
200 11.7 2.47 19.3 272.1 170.7 83.3
300 8.2 3.79 23.9 209.9 171.7 88.5
400 8.0 4.51 32.1 148.7 172.2 91.3
<실시예 2>
폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합섬유 제조
열가소성 고분자 수지로 나일론 6 (MI=20, 코오롱)과 폴리프로필렌 (MI=25, 호남석유화학)를 사용하였고 여기서, 나일론 수지는 폴리프로필렌의 충격강도 개선 및 나노 클레이의 분산성 향상을 목적으로 사용하였고, 무수말레인산 폴리프로필렌은 나노입자상 클레이와 폴리프로필렌간의 친화성을 더욱 증진시킬 목적으로 사용하였다. 또한, 무기입자상 유기화 클레이는 sothern clay사(closite 15A)를 사용하였다.
나일론 6과 클레이를 80℃에서 진공 하에 24시간 각각 건조시킨 후, 나노입자상 클레이 15 wt%를 나일론 6에 첨가하여 80 ℃에 5분 동안 혼합하여 파우더(powder)상 클레이를 나일론 6에 흡착시킨 후 용융 이축압출기(Twin screw extruder, DCT-65, L/D=75)로 압출, 냉각수에 의한 크웬칭(quenching), 열풍에 의한 건조, 3 mm 크기로 절단하여 펠렛 형태의 마스터 배치를 만들었다. 이 때, 용융 압출기 용융온도는 230~240 oC로 하였다. 제조된 15 wt% 클레이를 함유한 나일론6/클레이 나노복합 펠렛은 다시 80 ℃ 진공 하에서 24시간 건조 후 무수말레인산 폴리프로필렌 과 호모폴리프로필렌을 첨가하여 230~240 oC 온도로 2차 용융 컴파운딩에 의해 3~5 wt% 나노입자상 클레이가 함유되도록 한 폴리프로필렌/무수말레인산-폴리프로필렌/나일론6/클레이 방사용 나노-유기복합 펠렛을 제조하였다.
상기 나노-유기복합 펠렛은 회전형 진공 오븐에서 약 6 시간 동안 진공 건조 후 일축압출기(single screw extruder, L/D=32)형의 직연신 용융방사기를 이용하여 나노복합섬유를 제조하였다. 본 발명에 의한 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합체 펠렛의 방사 조건은 다이(Die) 부분의 방사 온도는 230~240 ℃, 노즐 250 홀, 노즐의 직경은 0.8 mm로 사용하고, 250~400 %의 직연신하였다. 권취된 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합섬유는 12,500 가닥으로 합사하여 예열, 크림핑(crimping), 건조, 그리고 65 mm로 절단하여 부직포용 스테이플 섬유를 제조하였다. 예열은 100 oC 핫(hot) 증기, 크림핑(crimping)시 온도는 65 oC로 하여 크림프(crimp)를 부여하고, 그리고 130 oC에서 건조하였다. 표 3에는 연신비에 따른 물성의 변화를 나타내었다.
Figure 112006038652846-PAT00001
<실시예 3>
나노-유기복합섬유 내에서 나노 클레이의 배향상태 확인
상기 실시예 1에서 제조한 나노-유기복합섬유내의 무기나노입자인 클레이의 분산상태를 확인하기 위하여 투과 전자현미경(TEM)(Transmission Electron Microscope, JEM 3011, JEOL, Japan) 측정을 수행하였다. 가속전압은 300kv이며, 배율 100만~200만으로 측정하였다.
도 1은 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합섬유의 400% 연신 후 투과 전자현미경(TEM) 사진이고, 도 2는 폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합섬유의 400% 연신 후 사진이다.
도 1의 경우에서 볼 수 있듯이 나노입자상 클레이가 섬유 내에 균일하게 분산되어 있고, 또한 클레이가 나노-유기복합섬유 내에서 섬유 축 방향으로 층간 박리가 이루어져 배향되어 있음을 보여 준다. 도 1의 경우가 도 2 보다 클레이의 분산 및 박리가 균일하게 섬유축 방향으로 발생함을 보여준다. 이와 같은 결과로부터 나일론 6이 클레이의 분산 및 박리에 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
<실시예 4>
나노복합섬유의 충격강도 측정
폴리프로필렌, 폴리프로필렌/나일론6 복합체, 폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합체, 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합체의 충격강도를 측정하여 표 4에 나타내었다. 여기서, 폴리프로필렌/나일론 6의 복합체는 85:15 중량비로 용융 컴파운딩하였고, 폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합체의 경우 나노입자상 클레이의 함량이 5 wt%로 용융 컴파운딩하였고, 그리고 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합체의 경우 80:15:5 중량비율로 혼합하여 용융 컴파운딩한 복합체를 제조하여 상호 비교분석하였다.
폴리프로필렌/나일론6 복합체의 충격강도는 순수한 폴리프로필렌의 충격강도보다 약 13% 정도 증가하고 있으며, 5 wt% 몬모릴로나이트를 첨가하여 융융 컴파운딩한 폴리프로필렌/클레이 나노-유기복합체의 경우 약 30%, 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합체 경우 72%의 추가적인 충격강도의 증가를 관찰할 수 있었다. 이는 고분자 수지 내의 무기 나노입자(클레이)가 외부에서 주어지는 하중을 흡수하여 충격강도가 향상된 것으로 해석할 수 있다. 또한, 나일론 6의 첨가의 경우 충격강도의 값이 더 큼을 알 수 있는데, 이는 클레이의 박리 및 분산정도에 따른 기계적 특성의 향상에 기인한다고 할 수 있다. 표 4에는 나노복합섬유의 충격강도 측정결과를 나타내었다.
Sample Impact Strength (MPa)
Polypropylene 5.75
Polypropylene/Nylon6 6.48
Polypropylene/clay 7.45
Polypropylene/Nylon6/Clay 9.89
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 나노-유기복합섬유의 제조방법 및 그에 의해 제조된 나노-유기복합섬유는, 고분자 수지(폴리프로필렌)에 나노 클레이(몬모릴로나이트)의 열악한 분산성 및 친화성으로 인해 섬유방사 시 절사되는 문제점을 개선하기 위해 클레이와 나일론6을 컴파운딩한 마스터 배치를 제조한 후 폴리프로필렌과 혼합함으로써 클레이의 폴리프로필렌에 대한 분산성의 한계를 극복하고 클레이에 대한 나일론6의 비율 및 마스터 배치에 대한 폴리프로필렌의 비율을 최적화함으로써 분산성, 난연성 및 내충격성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노복합체를 이용한 대량 현장방사에서 섬유화하기에 적합한 연신비 등 연신조건을 부여하고 자동차 부품의 경량화와 고강도 복합재료의 개발에 초점을 맞추어 나노복합섬유의 방사공정과 섬유의 열적, 기계적 특성을 조사하여 가장 적절한 비율 및 첨가제를 선별함으로써 폴리프로필렌/나일론6/ 클레이 나노복합섬유를 이용하지 않은 것보다 충격강도, 고속충격강도, 굴곡특성, 내열성, 난연성 등의 제반 물성에서 월등히 우수한 나노복합섬유를 고강도의 소재가 요구되는 자동차 내외장제, 건축 구조재, 전기전자 재료 등으로 다양하게 응용할 수 있는 기능 효과를 기대할 수 있다.

Claims (11)

1) 15~20 중량% 유기화 클레이를 나일론 6에 첨가하여 80 oC에서 교반하여 흡착시킨 후, 이축압출기를 이용한 용융 컴파운딩에 의해 나일론6/클레이 나노-유기복합체 마스터 배치를 제조하는 단계;
2) 상기 나노-유기복합체 제조 단계에서 제조한 마스터 배치에 20~40 중량% 무수말레인산 폴리프로필렌과 60~80 중량% 순수 폴리프로필렌을 첨가하여 이축압출기로 용융 컴파운딩하여 3~5 중량% 몬모릴로나이트를 함유한 폴리프로필렌/무수말레인산 프로필렌/나일론 6/클레이 섬유용 나노-유기복합체 펠렛을 제조하는 단계;
3) 상기 나노복합체 펠렛의 제조단계에서 제조한 펠렛을 회전형 진공 오븐에서 6시간 동안 건조하는 단계;
4) 상기 건조단계에서 건조한 나노복합체 펠렛을 방사하여 나노복합섬유를 제조하는 단계;
5) 상기 제조된 나노복합섬유를 권축 및 커팅을 통해 부직포용 나노복합체 스테이플 화이바로 제조하는 단계;
로 구성된 것을 특징으로 하는 나노복합섬유의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1) 및 상기 단계 2)의 유기화 클레이의 균일한 분산 및 박리를 위해 나일론 6과 무수말레인산 폴리프로필렌을 상용화제로 사용하는 것을 특징으로 하는 나노복합섬유의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2)의 폴리프로필렌/무수말레인산 폴리프로필렌/나일론6/클레이 나노-유기복합체 펠렛의 폴리프로필렌 : 무수말레인산 : 폴리프로필렌 : 나일론6 : 클레이가 45~55 : 20~30 : 15~20 : 3~5 중량비율로 조성되는 것을 특징으로 하는 나노복합섬유의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 4)에서의 방사는 직연신 용융방사 장치를 이용하여 방사 다이온도는 230~240 ℃, 노즐은 250 홀, 노즐 직경은 0.8 mm를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노복합섬유의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 4)에서 방사는 연신비가 200~400 %임을 특징으로 하는 나노복합섬유의 제조방법.
상기 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 나노복합섬유 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 나노복합섬유.
제6항에 있어서,
상기 나노복합섬유는 결정배향성, 내열성 및 내충격성이 우수한 것을 특징으로 하는 나노복합섬유.
제6항의 나노복합섬유를 주요 성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내ㆍ외장재.
제7항의 나노복합섬유를 주요성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 내ㆍ외장재.
제6항의 나노복합섬유를 주요 성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 건축 구조 재.
제7항의 나노복합섬유를 주요 성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 건축 구조재.
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