KR20080060731A - 가공조제를 포함하는 아크릴계 충격보강제 및 이를포함하는 염화비닐 수지 조성물 - Google Patents

가공조제를 포함하는 아크릴계 충격보강제 및 이를포함하는 염화비닐 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공조제를 포함하는 아크릴계 충격보강제 및 이를 포함하는 염화비닐 수지 조성물에 관한 것으로, 고무성 코어(core) 및 염화비닐 수지와 상용성을 가지는 쉘(shell)을 포함하는 코어-쉘 타입의 아크릴계 충격보강제에 있어서 상기 전체 고무 함량을 70 내지 80 중량%, 쉘의 분자량을 80만 내지 300만이 되도록 하면 가공조제의 및 충격보강제의 특성을 동시에 가질 수 있어 충격보강제와 가공조제를 따로 첨가해야 하는 시간 및 수고를 줄일 수 있는 장점이 있고, 이를 염화비닐 수지에 사용하게 되면 넓은 가공온도 범위에서 충격강도가 매우 우수하고 표면광택과 색상이 우수한 특성을 가지는 효과가 발생하게 된다.
가공조제, 충격보강제, 염화비닐 수지, 코어-쉘

Description

가공조제를 포함하는 아크릴계 충격보강제 및 이를 포함하는 염화비닐 수지 조성물{Acrylic impact modifiers including Processing aid and PVC having the same}
본 발명은 가공조제를 포함하는 아크릴계 충격보강제 및 이를 포함하는 염화비닐 수지 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고무성 코어(core)와, 염화비닐 수지와 상용성을 가지는 쉘(shell)을 포함하는 코어-쉘 타입의 아크릴계 충격보강제에 상기 코어의 고무 함량과 쉘의 분자량을 조절함으로써 이를 염화비닐에 첨가할 경우 넓은 가공온도 범위에서 충격강도가 매우 우수하고 표면광택과 색상이 우수한 특성을 가지는 가공조제를 포함하는 아크릴계 충격보강제 및 이를 포함하는 염화비닐 수지 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 염화비닐 수지는 내충격성을 향상시키기 위하여 충격보강제를 첨가하는바, 상기 충격보강제는 메틸 메타크릴레이트 부타디엔 스티렌(MBS)계 수지, 염화 에틸렌(CPE)계 수지, 아크릴계 수지 등이 있다. 이들 중 상기 아크릴계 수지는 내후성이 우수하여 일광 노출 시간이 많은 옥외용 플라스틱 제품의 충격보강제로 널리 사용되고 있다.
또한, 염화비닐 수지의 성형가공시 겔화를 촉진하거나, 성형체의 표면품질 및 기계적 물성을 향상시키기 위하여 가공조제를 투입할 필요가 있다. 그러나, 상기 충격보강제와 가공조제를 별도로 하여 투입하게 되면 제조공정상의 상당한 불편함이 따르는바, 최근 들어 상기 충격보강제와 가공조제의 기능을 동시에 가지는 첨가제가 요구되고 있는 실정이다.
유럽 등록특허 제1,111,001호는 염화비닐수지의 첨가제로 충격보강제와 가공조제를 라텍스 상태로 혼합한 후 응집과 건조를 실시하여 충격보강제 입자와 가공조제 입자를 동시에 갖는 분말입자를 염화비닐수지에 첨가하여 충격강도를 증가시킬 수 있는 방법에 관하여 게재하고 있으나, 이러한 방법은 라텍스 상태의 혼합에 의해 이루어져야 하기 때문에 제조방법이 번거롭고 추가적인 시간을 필요로 하고, 충분한 충격강도를 제공하지 못하고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2005-0024038호는 염화비닐수지의 첨가제인 가공조제를 중합한 후 응집건조를 통해 분말을 제조한 다음 충격보강제와 함께 건조 분말 상태에서 혼합하여 가공 및 물성에 관하여 게재하고 있으나, 이 방법 또한 가공조제와 충격보강제의 벌크 밀도 차이로 인해 균일한 혼합이 불가능하여 일관된 물성을 얻는데 한계가 있고, 가공온도에 따른 가공 특성이 상이하게 틀려질 수 있어 충격 효율을 떨어뜨릴 수 있는 문제점을 여전히 지니고 있다.
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하고자, 염화비닐 수지의 내충격성과 가공성을 동시에 향상시킬 수 있는 아크릴계 충격보강제를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 특징은 상기 아크릴계 충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지 조성물을 제공하는 데 있다.
본 발명은
ⅰ) 알킬 아크릴레이트 단량체 및 가교성 단량체를 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 0.3 내지 10 중량% 투입하여 중합시킨 시이드;
ⅱ) 상기 시이드에 알킬 아크릴레이트 단량체 및 가교성 단량체를 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 50 내지 89.7 중량% 투입하여 그라프트 공중합시킨 고무성 코어; 및
ⅲ) 상기 고무성 코어에 알킬 메타아크릴레이트 단량체, 알킬 아크릴레이트 단량체 및 가교성 단량체를 단량체를 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 10 내지 40 중량% 투입하여 그라프트 공중합시킨 쉘로 이루어지며,
상기 쉘의 분자량이 80만 내지 300만이고, 제조되는 아크릴계 충격보강제의 고무함량이 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 70내지 80중량%인 것을 특징으로 하는 아크릴계 충격보강제에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 염화비닐 수지 100중량부 및 상기 아크릴계 충격보강제 6.5 내지 10 중량부를 포함하는 염화비닐 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명자들은 알킬 아크릴레이트 단량체 및 가교성 단량체를 포함하여 중합시킨 시이드(seed) 라텍스에 알킬 아크릴레이트 및 가교성 단량체를 포함하여 중합시킨 코어를 제조하고 상기 코어에 알킬 메타크릴레이트, 알킬아크릴레이트 및 가 교성 단량체를 포함하여 그라프트 중합시킨 쉘을 제조하여 형성한 코어-쉘 구조의 아크릴계 충격보강제에 있어서, 상기 코어의 고무함량과 쉘의 분자량을 조절하게되면 염화비닐 수지의 내충격성을 향상시키면서 동시에 가공성도 좋아지게 됨을 확인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 아크릴계 충격보강제는 알킬아크릴레이트 단량체를 유화중합으로 가교 반응시켜 제조한 시이드 라텍스에 알킬 아크릴레이트를 유화중합으로 가교 반응시켜 상기 시이드 라텍스를 둘러싸도록 제조한 고무성 코어를 제조하되, 상기 고무성 코어에 알킬메타크릴레이트 및 알킬아크릴레이트를 그라프트 중합하여 제조한 쉘을 제조하되, 상기 쉘의 분자량을 80만 내지 300만이고, 제조되는 아크릴계 충격보강제의 고무함량이 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 70내지 80 중량%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 아크릴계 충격보강제를 자세히 설명하면 다음과 같다.
a) 시이드 라텍스 제조
본 발명의 아크릴계 충격보강제에 포함되는 상기 시이드는
알킬 아크릴레이트 단량체와 가교성 단량체가 시이드 단량체 중량 기준으로 90:10 내지 99.5:0.5의 중량%로 투입되어 유화중합으로 가교 반응시켜 제조할 수 있다.
상기 ⅰ)의 알킬 아크릴레이트 단량체는 에틸 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트 또는 2-에틸 헥실 아크릴레이트 등을 사용할 수 있다.
상기 ⅱ)의 가교성 단량체는 디비닐벤젠, 3-부탄디올 디아크릴레이트, 1,3- 부탄디올 디메타크릴레이트, 1,4-부탄디올 디아크릴레이트, 1,4-부탄디올 디메타크릴레이트, 알릴 아크릴레이트, 알릴 메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 또는 테트라에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 등을 사용할 수 있다.
시이드 단량체 기준으로 상기 투입된 가교성 단량체의 중량비가 0.5 중량% 미만일 경우에는 이후 라텍스의 시이드 라텍스 입자안정성이 나빠지게 된다는 문제점이 있으며, 10 중량%초과일 경우에는 충격강도가 저하된다는 문제점이 있을 수 있다.
또한, 상기 시이드 라텍스 제조시 상기와 같은 단량체들을 유화중합으로 가교반응시킬 때 통상의 중합개시제, 유화제 또는 활성화 용액 등을 사용할 수 있음은 물론이다.
상기와 같이 제조된 시이드 라텍스는 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 0.3 내지 10 중량% 포함되는 것이 바람직하다.  그 함량이 10 중량% 초과 할 경우에는 이후 라텍스내 소구경 입자가 과량으로 존재하여 그만큼 쉘 두께가 감소하고, 고무성 코어가 충분히 감싸주지 못하므로 응집특성이 불량해지는 문제점이 있으며, 0.3 중량% 미만일 경우에는 라텍스내 입자수가 줄어들어 입자간의 간격이 커져서 충격강도가 저하된다는 문제점이 있을 수 있다.
상기와 같이 제조되는 시이드 라텍스의 평균입경은 50 내지 250 ㎚인 것이 이후 단계의 중합 및 그라프트에 유리하며, 이에 의하여 내충격성도 극대화 되기 때문에 바람직하다 할 수 있다.
b) 고무성 코어 제조
본 발명의 아크릴계 충격보강제에 포함되는 상기 고무성 코어는 상기 제조한 시이드 라텍스를 둘러싸며, 상기 시이드 라텍스에 ⅰ)알킬 아크릴레이트 및 ⅱ)가교성 단량체를 유화중합하여 제조한다.
상기 ⅰ)의 알킬 아크릴레이트는 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 이소프로필 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 헥실 아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트, 또는 2-에틸헥실 아크릴레이트 등을 사용할 수 있다.
상기 ⅱ)의 가교성 단량체는 상기 시이드 라텍스 제조에 사용된 가교성 단량체와 동일한 성분을 사용할 수 있다.
상기 고무성 코어는 고무성 코어 단량체 중량 기준으로 알킬 아크릴레이트와 가교성 단량체가 97:3내지 99.9:0.1의 중량비로 중합하는 것이 바람직하다. 상기 가교성 단량체의 중량비가 고무성 코어 단량체 중량 기준으로 0.1 중량% 미만일 경우에는 가공 중에 매트릭스와 구형의 입자가 변형될 수 있다는 문제점이 있으며, 3.0 중량% 초과일 경우에는 코어가 취성(brittle)의 특성을 나타내어 충격보강효과가 저하된다는 문제점이 있다.
상기와 같이 제조된 고무성 코어는 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 50 내지 89.7 중량% 포함되는 것이 바람직하다.  그 함량이 50 중량% 미만일 경우에는 충격을 흡수 할 수 있는 고무적 성질이 적어 충격이 저하되는 문제점이 발생할 수 있고, 89.7 중량% 초과할 경우 상대적으로 쉘 함량이 적어져 매트릭스 수지와의 상용성과 분산성이 떨어져 결과적으로 가공의 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 고무성 코어 라텍스 제조시 상기와 같은 단량체들을 유화중합시킬 때 통상의 중합개시제 또는 유화제 또는 활성화 용액 등을 사용할 수 있음은 물론이다.
c) 쉘 제조
본 발명의 아크릴계 충격보강제에 포함되는 상기 쉘은 상기 고무성 코어를 둘러싸며, 상기 고무성 코어에 ⅰ) 알킬 메타크릴레이트 및 ⅱ) 아킬아크릴레이트를 유화 그라프트 중합하여 형성된다.
상기 유화 그라프트 중합시 중합온도를 달리하면서 수회 나누어 중합반응을 진행시킬 수 있다.
이때 형성된 쉘의 분자량은 80만 내지 300만 범위이어야 한다. 그 분자량이 80 미만일 경우에는 가공 시 염화비닐계 수지와의 상용성이 저하되어 충격강도가 저하되는 된다는 문제점이 있으며, 분자량이 300만을 초과할 경우에는 압출 가공 시 압출기의 높은 부하로 인해 가공에 있어 문제점을 야기할 수 있다.
상기 ⅰ)의 알킬 메타크릴레이트는 염화비닐 수지의 매트릭스와의 상용성을 향상시키고, 가공 시 충격보강제 입자의 분산을 촉진시키는 작용을 할 뿐만 아니라, 가공조제의 작용도 하게 된다.
상기 알킬 메타크릴레이트는 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 아크릴로니트릴, 또는 메타크릴로니트릴 등을 사용할 수 있다.
상기 ⅱ)의 알킬아크릴레이트는 상기 시이드 라텍스 및 코어에 사용된 것과 동일한 성분일 수 있다.
상기 쉘은 쉘 단량체 중량을 기준으로 알킬 메타크릴레이트와 알킬 아크릴레이트가 76:24 내지 99.99:0.01의 중량비로 중합되는 것이 바람직하다. 알킬아크릴레이트의 중량비가 0.01 미만일 경우에는 매트릭스와의 강한 결합력을 형성하지 못해 충격이 저하된다는 문제점이 있으며, 24 초과일 경우에는 응집특성이 저하된다는 문제점이 있다.
또한, 상기 쉘 형성 시 상기와 같은 단량체들을 유화 그라프트시킬 때 통상의 중합 개시제 또는 유화제 등을 사용할 수 있음은 물론이다.
상기와 같이 제조된 c)의 쉘은 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 10 내지 40 중량%인 것이 바람직하다. 그 함량이 10 중량% 미만일 경우에는 분자량이 목표한 대로 증가하지 않을 뿐만 아니라 이로 인해 쉘이 가공조제 역할을 제대로 수행하지 못해 충격저하나 최종물의 표면특성에 악영향을 끼친다. 그리고 40 중량%를 초과할 경우에는 상대적으로 코어의 함량이 줄어들어 충격강도가 저하된다는 문제점이 있다.
상기와 같이 최종 라텍스로 제조된 본 발명의 아크릴계 충격보강제는 최종 분말로 제조되기 위하여 응집, 탈수 및 건조의 과정을 거치게 된다.
상기와 같이 제조되는 최종 아크릴계 충격보강제의 고무함량은 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 70 내지 80 중량%이어야 하는바,
그 함량이 70 중량% 미만일 경우에는 충격강도가 저하된다는 문제점이 있으며, 80 중량% 초과할 경우에는 상대적으로 쉘의 함량이 줄어들어 가공조제 역할을 할 수 있기 위한 분자량이 안 만들어지며, 코어 라텍스를 충분히 감싸지 못해 충격 보강제의 분말특성이 나빠진다는 문제점이 발생하기 때문이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예-1 (최종 고무함량 80 중량%, 쉘분자량 80만)
1) 시이드 라텍스 중합
시이드 라텍스를 중합하는 단계로, 먼저 교반기와 온도계, 질소 투입구와 순환 콘덴서를 장착한 4구 플라스크의 반응기를 준비하고 탈이온수(deionized water; DDI water) 61.61g 과 소디움라우릴설페이트 (Sodium lauryl sulfate; SLS) 23.33g 을 반응기 내부에 투입하고 온도를 60℃까지 상승시킨다. 이온교환수의 온도가 60℃에 도달하면 미리 제조한 탈이온수 438.33g, 부틸 아크릴레이트(Butylacrylate; BA) 895.5g, 아릴 메타크릴레이트(Allylmethacrylate; AMA) 4.5g, 소디움라우릴설페이트 (Sodium lauryl sulfate; SLS) 166.67g, t-부틸 하이드로퍼옥사이드 (t-butyl hydroperoxide ,TBHP 3wt%) 3g를 함유한 단량체 프리 에멀젼과 탈이온수(deionized water; DDI water) 192.96g, 소디움포름알데히드설폭실레이트 (Sodium formaldehyde sulfoxylate; SFS) 7.04g, 디소디움에틸렌디아민테드라아세테이트 (dixodium ethylendiaminetetraacetate; EDTA) 1.55g, 페로스 설페이트(Ferrous sulfate; FES) 0.09g으로 이루어진 미리 제조한 4 wt% 활성화 용액 60g을 온도 60℃에서 4시간 동안 동시에 투입하여 반응을 진행시켰다. 반응기내 온도 를 60℃로 유지하면서 시이드 라텍스를 중합하였다. 중합된 라텍스의 입자 크기는 레이져 광 산란(Laser light scattering) 장치인 NICOMP를 사용하여 측정하였고, 입자 크기는 85nm 이었다.
2) 코어 중합
상기에서 제조한 시이드 라텍스 132.29g 및 탈이온수 122.4g을 차례로 반응기에 첨가하여, 질소 세척과 함께 온도를 55℃까지 승온시켰다.  고무성 코어를 형성시키기 위하여 탈이온수(deionized water; DDI water) 162.43g, 부틸 아크릴레이트(Butylacrylate; BA) 473g, 아릴 메타크릴레이트(Allylmethacrylate; AMA) 3.34g, 소디움라우릴설페이트 (Sodium lauryl sulfate; SLS 3wt%) 67.81g 를 함유한 단량체 프리 에멀젼과 별도의 t-부틸 하이드로퍼옥사이드 (t-butyl hydroperoxide ,TBHP 3wt%) 7.172g, 활성화 용액 32.6g 를 온도 55℃에서 3단계로 나누어 투입하였다. 각 단계마다 반응기의 온도는 55℃로 일정하게 유지하였으며, 질소 세척은 반응이 종결될 때까지 연속적으로 수행하였고, 단량체 프리에멀젼과 t-부틸 하이드로퍼옥사이드 투입이 끝난 후 온도 55℃에서 1시간 숙성시키고 코어 부분을 완성하였다.
3) 쉘 중합
반응기의 내부 온도를 60℃로 조절한 후 이온교환수 110.81g, 소디움라우릴설페이트 (Sodium lauryl sulfate; SLS 3wt%) 3.48g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 92:8 (20.86g, 1.86g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 첨가하여 에멀션을 만들었다.
에멀션을 만든 후 상기에서 제조한 고무성 코어 라텍스 1038g을 반응기에 첨가한다. 반응기의 내부 온도를 70℃로 유지하고 질소분위기로 치환한 후 개시제로 포타슘 퍼설페이트 용액 (Potassium persulfate; KPS 3wt%) 1.74g와 활성화 용액 1.96g를 첨가하여 1차 반응을 진행 시켰다. 반응이 종료된 후 1시간 정도 동일 조건에서 교반 시킨 후 반응기 온도를 65℃로 낮추었다. 여기에 이온교환수 56.22g, 소디움라우릴설페이트 (Sodium lauryl sulfate; SLS 3wt%) 12.17g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 90:10 (67.16g, 7.82g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제로 포타슘퍼설페이트 용액 (Potassium persulfate; KPS 3wt%) 2.17g와 활성화 용액 0.46g를 첨가하여 2차 반응을 수행하였다. 2차 반응이 종료된 후 1.5시간 동안 더욱 교반시키고, 반응기의 내부 온도를 70℃로 승온 시킨한 후 이온교환수 46.02g, 소디움라우릴설페이트 (Sodium lauryl sulfate; SLS 3wt%) 3.48g, 메틸 메타크릴레이트와 부틸 아크릴레이트를 각각 35:65 (11.41g, 21.19g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제로 포타슘퍼설페이트 용액 (Potassium persulfate; KPS 3wt%) 6.97g와 활성화 용액 4.24g를 첨가하여 3차 반응을 수행하였다. 3차 반응이 종료된 후 1시간 동안 더욱 교반시킨 후 라텍스를 제조하였다. 제조된 라텍스를 염화칼슘으로 응집, 탈수 및 건조 시켜 분말상의 아크릴 충격보강제를 제조하였다.
실시예-2 (최종 고무함량 75 중량%, 쉘분자량 100 만)
고무성 코어 제조시 탈이온수 153.89g, 부틸 아크릴레이트 440g, 아릴 메타크릴레이트 3.11g, 소디움라우릴설페이트 용액 63.16g 를 함유한 단량체 프리 에멀 젼과 별도의 t-부틸 하이드로퍼옥사이드 6.72g, 활성화 용액 30.56g 를 투입한 것을 제외하고 실시예-1과 동일하게 수행하였다.
경성 쉘 제조시 상기에서 제조한 고무성 코어 라텍스 992g을 반응기에 첨가한다. 차례로 이온교환수 130.4g, 소디움라우릴설페이트 4.13g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 92:8 (26.01g, 2.41g)비율로 혼합한 단량체 혼합물을 첨가하였다. 그리고 중합 개시제로 포타슘 퍼설페이트 용액 2.17g와 활성화 용액 2.61g를 첨가하여 1차 반응을 진행 시켰다. 2차 반응에서는 이온교환수 72.76g, 소디움라우릴설페이트 용액 15.21g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 90:10 (83.78g, 8.78g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제로 포타슘퍼설페이트 용액 2.61g와 활성화 용액 0.52g를 첨가하여 2차 반응을 수행하였다. 3차 이온교환수 55.82g, 소디움라우릴설페이트 용액 4.35g, 메틸 메타크릴레이트와 부틸 아크릴레이트를 각각 35:65 (14.21g, 20.47g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제로 포타슘퍼설페이트 용액 8.69g와 활성화 용액 5.38g를 첨가하여 3차 반응을 수행한 것을 제외하고 실시예-1과 같은 방법으로 반응을 진행 시켰다.
실시예-3 (최종 고무함량 70 중량%, 쉘분자량 110 만)
고무성 코어 제조시 탈이온수 134.84g, 부틸 아크릴레이트 408g, 아릴 메타크릴레이트 3.34g, 소디움라우릴설페이트 용액 58.52g 를 함유한 단량체 프리 에멀젼과 별도의 t-부틸 하이드로퍼옥사이드 6.28g, 활성화 용액 28.53g 를 투입한 것을 제외하고 실시예-1과 동일하게 수행하였다.
경성 쉘 제조시 상기에서 제조한 고무성 코어 라텍스 939g을 반응기에 첨가한다. 차례로 이온교환수 155.2g, 소디움라우릴설페이트 용액 5.00g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 92:8 (31.3g, 2.93g)비율로 혼합한 단량체 혼합물을 첨가하였다. 그리고 중합 개시제로 포타슘 퍼설페이트 용액 2.61g와 활성화 용액 3.10g를 첨가하여 1차 반응을 진행 시켰다. 2차 반응에서는 이온교환수 85.99g, 소디움라우릴설페이트 용액 18.26g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 90:10 (100.73g, 11.74g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제로 포타슘퍼설페이트 용액 3.26g와 활성화 용액 0.65g를 첨가하여 2차 반응을 수행하였다. 3차 이온교환수 66.92g, 소디움라우릴설페이트 용액 5.22g, 메틸 메타크릴레이트와 부틸 아크릴레이트를 각각 35:65 (17.15g, 31.82g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제로 포타슘퍼설페이트 용액 10.43g와 활성화 용액 6.52g를 첨가하여 3차 반응을 수행한 것을 제외하고 실시예-1과 같은 방법으로 반응을 진행 시켰다.
실시예-4 (최종 고무함량 75 중량%, 쉘 분자량 200만)
쉘 중합 1차 중합 반응 온도를 60℃, 2차 중합 반응온도를 55℃, 3차 중합 반응온도를 60℃에서 실시하고 중합 개시제 포타슘 퍼설페이트 용액 7.07g와 활성화 용액 4.89g를 각각 반응에 나누어 첨가하여 제조하는 것을 제외하고 실시예-2와 동일한 방법으로 반응을 진행 시켰다.
실시예-5 (최종 고무함량 75 중량%, 쉘 분자량 300만)
쉘 중합 1차 중합 반응 온도를 50℃, 2차 중합 반응온도를 45℃, 3차 중합 반응온도를 50℃에서 실시하고 중합 개시제 포타슘 퍼설페이트 용액 4.35g와 활성화 용액 4.09g를 각각 반응에 나누어 첨가하여 제조하는 것을 제외하고 실시예-2와 동일한 방법으로 반응을 진행 시켰다.
비교예-1 (최종 고무함량 90 중량%, 쉘분자량 20 만)
상기에서 제조한 시이드 라텍스 132.29g 및 탈이온수 122.4g을 차례로 반응기에 투입 하고, 고무성 코어를 형성시키기 위하여 탈이온수 186.02g, 부틸 아크릴레이트 537g, 아릴 메타크릴레이트 3.8g, 소디움라우릴설페이트 용액 77.1g 를 함유한 단량체 프리 에멀젼과 별도의 t-부틸 하이드로퍼옥사이드 8.07g, 활성화 용액 36.68g 를 온도 55℃에서 3단계로 나누어 투입하였다. 각 단계마다 반응기의 온도는 55℃로 일정하게 유지하였으며, 질소 세척은 반응이 종결될 때까지 연속적으로 수행하였고, 단량체 프리에멀젼과 t-부틸 하이드로퍼옥사이드 투입이 끝난 후 온도 55℃에서 1시간 숙성시키고 코어 부분을 완성한다.
경성 쉘 제조시 1차 반응에서 이온교환수 55.4g, 소디움라우릴설페이트 용액 1.74g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 92:8 (10.43g, 0.98g)비율로 혼합한 단량체 혼합물을 첨가하였다. 그리고 중합 개시제로 포타슘 퍼설페이트 용액 0.87g와 활성화 용액 0.98g를 첨가하여 반응을 진행 시켰고, 2차 반응에서는 이온교환수 28.11g, 소디움라우릴설페이트 용액 6.09g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 90:10 (33.58g, 3.91g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제로 포타슘퍼설페이트 용액 1.09g와 활성화 용액 0.23g를 첨가하여 2차 반응을 수행하였다. 3차 반응에서는 이온교환수 23.01g, 소디움라우 릴설페이트 용액 1.74g, 메틸 메타크릴레이트와 부틸 아크릴레이트를 각각 35:65 (5.71g, 10.6g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제로 포타슘퍼설페이트 용액 3.48g와 활성화 용액 2.12g를 첨가하여 3차 반응을 수행한 것을 제외하고 실시예-1과 같은 방법으로 반응을 진행 시켰다.
비교예-2 (최종 고무함량 60 중량%, 쉘분자량 130 만)
상기에서 제조한 시이드 라텍스 132.29g 및 탈이온수 122.4g을 차례로 반응기에 투입 하고, 고무성 코어를 형성시키기 위하여 탈이온수 121.77g, 부틸 아크릴레이트 343g, 아릴 메타크릴레이트 2.43g, 소디움라우릴설페이트 용액 49.33g 를 함유한 단량체 프리 에멀젼과 별도의 t-부틸 하이드로퍼옥사이드 5.38g, 활성화 용액 24.45g 를 온도 55℃에서 3단계로 나누어 수행하였다.
경성 쉘 제조시 1차 반응에서 이온교환수 155.76g, 소디움라우릴설페이트 용액 6.95g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 92:8 (41.73g, 3.91g)비율로 혼합한 단량체 혼합물을 첨가하였다. 그리고 중합 개시제로 포타슘 퍼설페이트 용액 3.48g와 활성화 용액 3.91g를 첨가하여 반응을 진행 시켰고, 2차 반응에서는 이온교환수 70.05g, 소디움라우릴설페이트 용액 15.65g, 메틸 메타크릴레이트와 에틸 아크릴레이트를 각각 90:10 (134.31g, 15.65g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제로 포타슘퍼설페이트 용액 4.35g와 활성화 용액 0.91g를 첨가하여 2차 반응을 수행하였다. 3차 반응에서는 이온교환수 66.62g, 소디움라우릴설페이트 용액 6.95g, 메틸 메타크릴레이트와 부틸 아크릴레이트를 각각 35:65 (22.82g, 42.38g)의 비율로 혼합한 단량체 혼합물을 투입한 후 중합 개시제 로 포타슘퍼설페이트 용액 13.91g와 활성화 용액 8.38g를 첨가하여 3차 반응을 수행하였다.
비교예-3 (최종 고무함량 75 중량%, 쉘 분자량 40만)
쉘 중합 1차 중합 반응 온도를 75℃, 2차 중합 반응온도를 70℃, 3차 중합 반응온도를 75℃에서 실시하고 중합 개시제 포타슘 퍼설페이트 용액 20.65g와 활성화 용액 14.34g를 각각 반응에 나누어 첨가하여 제조하는 것을 제외하고 실시예-2와 동일한 방법으로 반응을 진행 시켰다.
비교예-4 (최종 고무함량 75 중량%, 쉘 분자량 300만)
쉘 중합 1차 중합 반응 온도를 43℃, 2차 중합 반응온도를 40℃, 3차 중합 반응온도를 43℃에서 실시하고 중합 개시제 포타슘 퍼설페이트 용액 3.26g와 활성화 용액 1.63g를 각각 반응에 나누어 첨가하여 제조하는 것을 제외하고 실시예-2와 동일한 방법으로 반응을 진행 시켰다.
위에서 제시한 실시예-1 내지 5, 그리고 비교예 1 내지 4 제조하기 위한 쉘 반응온도, 개시제의 양과 반응 완료 후 고무함량 및 측정된 쉘 분자량에 대한 정보를 표 1에 나타내었다.
이와 같은 실시예 1의 아크릴계 충격보강제와 실시예 2 내지 5, 그리고 비교예 1 내지 4의 아크릴계 충격보강제를 제조하기 위한 각 반응단계에서의 주요성분을 표 1에 나타내었다.
아크릴계 충격보강제의 쉘 중량평균분자량 측정은 제조된 분말상의 아크릴계 충격보강제 3g을 아세톤 80ml에 50시간 동안 녹인 후 14,000rpm 으로 4시간 동안 원심 분리시켜 젤(gel)과 졸(sol)을 분리한 후 졸을 상온 건조 시켜 얻어진 졸(sol)을  테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran; THF)에 24시간 동안 녹인 후, 겔 침투 크로마토그래피 (Gel permeation chromatography; GPC)를 이용하여 중량평균분자량을 구하였다.
[표 1]
Figure 112006097101457-PAT00001
실시예-6
(충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지의 제조)
염화비닐수지(LS 100, LG화학 제조) 100g, 틴계 열안정제(BT-107) 2.0g, 칼슘스테아레이트(Ca-St) 1.2g, 폴리에틸렌왁스(PE-WAX) 1.0g 및 충진제(CaCO3) 14g 및 실시예-1에서 제조한 분말 상의 충격보강제 10g을 혼합한 후 115℃까지 승온하면서 헨셀 믹서기를 이용하여 혼련시켜 염화비닐 수지를 제조하였다.
실시예-7
충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지를 제조하기 위해 충격보강제로 실시예-2에서 제조한 분말을 혼합한 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
실시예-8
충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지를 제조하기 위해 충격보강제로 실시예-3에서 제조한 분말을 혼합한 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
실시예-9
충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지를 제조하기 위해 충격보강제로 실시예-4에서 제조한 분말을 혼합한 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
실시예-10
충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지를 제조하기 위해 충격보강제로 실시예-5에서 제조한 분말을 혼합한 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-5
충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지를 제조하기 위해 충격보강제로 비교예-1 에서 제조한 분말을 혼합한 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-6
충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지를 제조하기 위해 충격보강제로 비교예-2 에서 제조한 분말을 혼합한 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-7
충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지를 제조하기 위해 충격보강제로 비교예-3 에서 제조한 분말을 혼합한 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-8
충격보강제를 포함하는 염화비닐 수지를 제조하기 위해 충격보강제로 비교예-4 에서 제조한 분말을 혼합한 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
- 가공조제 중합 -
(1) 가공조제 중합 (분자량 100만)
교반기, 온도계, 질소 투입구, 순환 콘데서를 장착한 3L, 4구 플라스크에 탈이온수 480g, 유화제로 3 중량%로 물에 용해한 소디움라우릴설페이트 용액 15.6g, 메틸 메타크릴레이트 96g, 에틸 아크릴레이트 9g을 넣고 에멀젼을 만들었다. 그 다음 반응기의 내부온도를 70℃로 유지하고 질소 분위기로 치환한 다음, 중합 개시제로 3 중량%로 물에 용해한 포타슘퍼설페이트 용액 7.8g, 3 중량% 활성화 용액 9.3g을 첨가하여 1차 배취 반응을 시켰다. 반응이 종료된 후 1시간 정도 동일 조건에서 교반 시키고, 반응기 내부 온도를 60℃로 낮추었다. 여기에 탈이온수 267g, 소디움라우릴설페이트 용액 55.8g, 메틸 메타크릴레이트 309g 및 에틸 아크릴레이트 36g으로 이루어진 단량체 혼합물과 포타슘 퍼설페이트 용액 9.96g 및 활성화 용액 1.98g 을 투입하여 2차 배치 반응을 수행 하였다. 반응이 종료된 후 1.5시간 동안 더욱 교반시키고, 반응기 내부 온도를 70℃로 승온 시킨 후 탈이온수 210g, 소디움라우릴설페이트 용액 16g, 메틸 메타크릴레이트 52.5g 및 에틸 아크릴레이트 97.5g으로 이루어진 단량체 혼합물과 포타슘퍼설페이트 용액 32g, 활성화 용액 20g을 차례로 투입하여 3차 배치 반응을 시켰다. 반응 후 1시간 정도 더 교반 시키고 종료 하였다. 제조된 라텍스를 염화칼슘으로 응집, 탈수 및 건조 시켜 분말상의 가공조제를 제조하였다.
(2) 가공조제 중합 (분자량 200만)
1차, 2차, 3차 반응 시 각각 반응기 온도를 60℃, 50℃, 60℃로 유지하고, 중합 개시제로 소디움퍼설페이트 용액을 각각 반응 시 4.9g, 4.32g, 12,g 및 활성화 용액 6.2g, 11.9g, 14g을 투입하는 것을 제외하고 상기 (1)과 같은 방법으로 제조 하였다.
(3) 가공조제 중합 (분자량 300만)
1차, 2차, 3차 반응 시 각각 반응기 온도를 43℃, 40℃, 43℃로 유지하고, 중합 개시제로 소디움퍼설페이트 용액을 각각 반응 시 2.5g, 3.32g, 7,g 및 활성화 용액 4.2g, 9.9g, 8g을 투입하는 것을 제외하고 상기 (1)과 같은 방법으로 제조 하였다.
비교예-9
비교예-1에서 제조한 분말상 충격보강제 8.9g, 상기 (1)에서 제조한 가공조제 분말(분자량 100만) 1.1g을 포함 하는 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-10
비교예-1에서 제조한 분말상 충격보강제 8.3g, 상기 (1)에서 제조한 가공조제 분말(분자량 100만) 1.7g을 포함하는 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-11
비교예-1에서 제조한 분말상 충격보강제 7.8g, 상기 (1)에서 제조한 가공조제 분말(분자량 100만) 2.2g을 포함하는 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-12
비교예-1에서 제조한 분말상 충격보강제 8.3g, 상기 (2)에서 제조한 가공조제 분말(분자량 200만) 1.7g을 포함하는 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-13
비교예-1에서 제조한 분말상 충격보강제 8.3g, 상기 (3)에서 제조한 가공조제 분말(분자량 300만) 1.7g을 포함하는 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-14
충격보강제와 가공조제 분말을 제조하기 위해서, 상기 비교예 1에서 제조한 라텍스 89중량%와 상기 (1)에서 제조한 가공조제 라텍스 11중량%를 혼합한 후 탈이온수를 투입하여 중합 라텍스 고형분 함량을 10 중량%로 낮추고, 소디움라우릴설페이트 용액 8.3 중량%을 투입 후, 온도를 각각 40℃ 내지 70℃로 상승시킨다. 이 희석 용액에 응집제인 염화칼슘 (CaCl2) 수용액 16 중량%을 교반하면서 투입하여 중합체 입자들을 응집시켜 슬러리를 제조하고 탈수 및 건조를 통해 분말상의 충격보강제와 가공조제를 제조하였다. 이렇게 제조된 분말 10g을 사용해 염화비닐 수지를 제조한 것을 제외하고 실시예-6과 동일한 방법으로 수행하였다.
비교예-15
충격보강제와 가공조제 분말을 제조하기 위해서 비교예-1에서 제조한 라텍스 83중량%와 상기(1)에서 제조한 가공조제 라텍스 17중량%를 혼합한 것을 제외하고는 상기 비교예-14와 동일한 방법으로 분말을 수행하였다.
비교예-16
충격보강제와 가공조제 분말을 제조하기 위해서 비교예-1에서 제조한 라텍스 78중량%와 상기(1)에서 제조한 가공조제 라텍스 22중량%를 혼합한 것을 제외하고는 상기 비교예-14와 동일한 방법으로 분말을 수행하였다.
비교예-17
충격보강제와 가공조제 분말을 제조하기 위해서 비교예-1에서 제조한 라텍스 83중량%와 상기(2)에서 제조한 가공조제 라텍스 17중량%를 혼합한 것을 제외하고는 상기 비교예-14와 동일한 방법으로 분말을 수행하였다.
비교예-18
충격보강제와 가공조제 분말을 제조하기 위해서 비교예-1에서 제조한 라텍스 83중량%와 상기(3)에서 제조한 가공조제 라텍스 17중량%를 혼합한 것을 제외하고는 상기 비교예-14와 동일한 방법으로 분말을 수행하였다.
충격보강제 및 가공조제가 포함된 염화비닐 수지를 제조하기 위하여 위에서 제시한 실시예-6 내지 10, 그리고 비교예 5 내지 18 제조하기 위한 혼합물의 상태, 충격보강제 및 가공조제의 중량부와 최종 고무함량 및 쉘 분자량을 표 2에 나타내었다.
[표 2]
구분 충격보강제 가공조제 혼합형태 고무함량 쉘 분자량
중량부 중량부 분자량 중량부
실시예-6 10 0 - - 80 80
실시예-7 10 0 - - 75 100
실시예-8 10 0 - - 70 110
실시예-9 10 0 - - 75 200
실시예-10 10 0 - - 300
비교예-5 10 0 - - 90 20
비교예-6 10 0 - - 60 130
비교예-7 10 0 - - 75 40
비교예-8 10 0 - - 300
비교예-9 8.9 1.1 100 분말 혼합 80 20
비교예-10 8.3 1.7 75
비교예-11 7.8 2.2 70
비교예-12 8.3 1.7 200 75
비교예-13 300
비교예-14 8.9 1.1 100 라텍스 혼합 80
비교예-15 8.3 1.7 75
비교예-16 7.8 2.2 70
비교예-17 8.3 1.7 200 75
비교예-18 300
(가공성 및 물성 평가)
제조된 충격보강제 및 가공조제를 포함한 염화비닐 수지 분말의 가공성 및 물성을 평가하기 위해 Haake mixer를 이용해 일정한 온도(190℃) 회전속도(35rpm)로 수지의 용융시간을 측정하였고, Haake Extruder를 이용해 일정한 가공온도 C1/C2/C3/Die = 170℃/175℃/180℃/180℃ 조건에서 압출하여 압출량 및 압출 부하를 측정하였고, 윈도우 프로파일을 제작 하여 광택, 칼라를 측정하였고, 상기와 같이 만들어진 프로파일은 충격강도를 측정하기 위해 IS0 180 규격에 따라 정교하게 절단하여 충격 시험편을 제작한 후 샤르피(Charpy) 충격강도를 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.
[표 3]
구분 용융시간 압출부하 압출량 광택 Color Charpy충격강도 (Kg*f-cm/cm2)
Nm g/min 60o YI 23℃ -10℃
실시예-6 102 122 74.02 40.4 13.8 31.2 16.5
실시예-7 110 123 74.10 39.2 14.0 30.0 15.5
실시예-8 115 125 73.5 41.5 14.5 28.5 14.6
실시예-9 116 124 75.0 41.1 14.6 31.0 15.4
실시예-10 120 127 73.8 42.0 13.2 29.1 15.9
비교예-5 93 120 72.2 32.4 17.5 31.8 14.7
비교예-6 120 123 72.1 34.5 18.1 24.1 12.1
비교예-7 99 121 71.8 33.9 17.8 26.2 12.0
비교예-8 120 131 73.1 37.0 15.2 26.3 13.1
비교예-9 107 126 72.5 33.2 17.2 27.1 13.2
비교예-10 105 127 72.4 34.9 16.5 26.4 13.1
비교예-11 108 129 72.9 34.8 16.4 26.1 12.2
비교예-12 112 125 72.4 35.2 16.0 27.9 13.7
비교예-13 117 132 73.3 36.9 15.8 27.0 13.0
비교예-14 105 126 72.9 34.1 16.8 27.9 14.0
비교예-15 104 124 72.9 35.1 16.2 27.5 13.5
비교예-16 101 126 73.4 36.3 16.3 26.8 12.8
비교예-17 117 132 73.2 36.4 16.7 27.0 13.0
비교예-18 123 133 73.4 37.8 17.0 27.2 13.2
상기 표 3 에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 아크릴계 충격보강제 고무함량 70 내지 80 중량%, 쉘 분자량 80만 내지 300만 범위에서 사용했을 때, 가장 효율적인 가공 특성과 충격강도를 나타낸다. 가공 특성으로는 압출량이 많을수록 좋은 것이고 용융시간은 사용조건에 따라 다를 수 있으나, 압출 조건을 고려할 때, 100 내지 120초가 적당하며, 광택은 높을수록, YI값은 낮을수록 좋은 것이다. 상기 비교예 5에서 고무함량이 90 중량% 일 때 가장 우수한 충격을 보이기는 하나, 광택 및 YI값을 고려할 때, 상기 실시예의 충격보강제 가공 특성 및 물성에는 미치지 못함을 알 수 있다. 상기 비교 예 9내지 18에서는 혼합 형태에 상관없이 실시 예 6 내지 10과 유사한 충격보강제의 물성을 보이는 것을 확인 할 수 있으나. 이는 상기 실시 예들에서 나타내는 가공 특성과 충격강도에는 미치지 못함을 알 수 있다. 
본 발명에 의한 가공조제를 포함한 아크릴계 충격보강제는 가공조제를 따로 첨가해야 하는 시간 및 수고를 줄일 수 있고, 염화비닐계에 일정한 비율로 첨가되어 염화비닐계의 가공성 및 물성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. ⅰ) 알킬 아크릴레이트 단량체 및 가교성 단량체를 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 0.3 내지 10 중량% 투입하여 중합시킨 시이드;
    ⅱ) 상기 시이드에 알킬 아크릴레이트 단량체 및 가교성 단량체를 단량체를 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 50 내지 89.7 중량% 투입하여 그라프트 공중합시킨 고무성 코어; 및
    ⅲ) 상기 고무성 코어에 알킬 메타아크릴레이트 단량체, 알킬 아크릴레이트 단량체 및 가교성 단량체를 단량체를 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 10 내지 40 중량% 투입하여 그라프트 공중합시킨 쉘로 이루어지며,
    상기 쉘의 분자량이 80만 내지 300만이고, 제조되는 아크릴계 충격보강제의 고무함량이 전체 투입된 단량체 총중량 기준으로 70 내지 80 중량%인 것을 특징으로 하는 아크릴계 충격보강제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 ⅰ) 시이드의 알킬 아크릴레이트 단량체와 가교성 단량체는 시이드 단량체 중량 기준으로 90:10 내지 99.5:0.5의 중량비로 투입하여 중합되고,
    상기 ⅱ) 고무성 코어의 알킬 아크릴레이트 단량체와 가교성 단량체는 고무성 고어 단량체 중량 기준으로 97:3 내지 99.9:0.1의 중량비로 투입되어 중합되며,
    상기 ⅲ) 쉘의 알킬 메타아크릴레이트 단량체와 알킬 아크릴레이트 단량체는 쉘 단량체 중량 기준으로76:24 내지 99.99:0.01의 중량비로 투입되어 중합되는 것을 특징으로 하는 아크릴계 충격보강제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알킬 아크릴레이트는 부틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 2에티헥실 아크릴레이트 및 프로필 아크릴레이트로 이루어진 군 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 아크릴계 충격보강제.
  4. 제1항에 있어서,
    가교성 단량체는 디비닐벤젠, 3-부탄디올 디아크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1,4-부탄디올 디아크릴레이트, 1,4-부탄디올 디메타크릴레이트, 알릴 아크릴레이트, 알릴 메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 또는 테트라에틸렌글리콜 디메타크릴레이트인 것을 특징으로 하는 아크릴계 충격보강제.
  5. 염화비닐 수지 100중량부 및 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 아크릴계 충격보강제 6.5 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 염화비닐 수지 조성물.
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