KR20080094791A - 합성 플라스틱 물질 - Google Patents

Abstract

합성 플라스틱 물질을 제조하기 위한 조성물은 폴리머, 목재 섬유 및 마이크로실리카를 포함한다. 마이크로실리카, 즉 실리카 퓸(fume)은 물질의 내연성, 기계적 성능 및 가공성을 유지시키거나 개선시키면서 물 흡수를 감소시키기 위하여 첨가된다. 합성 물질을 위한 의도된 폴리머로는 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 있다. 복합체는 압출 또는 가열-몰딩을 통해 모형화될 수 있다.

Description

합성 플라스틱 물질 {COMPOSITE PLASTICS MATERIAL}

본 발명은 합성 플라스틱 물질, 특히 천연 유기 충전제 또는 천연 유기 섬유-강화된 플라스틱 물질에 관한 것이다. 본 발명은 열경화성 및 열가소성 물질에 적용가능하며 도입된 충전제 또는 섬유의 비율은 통합적일 수 있다. 본 발명은 구체적으로 목재 분말(wood flour) 또는 섬유로 강화된 열가소제와 관련이 있다.

섬유 강화된 플라스틱은 이들의 특정 성질, 예를 들어 열적 안정성, 내충격성 및 인장 강도로 인해 빌딩 산업, 자동차 산업, 및 여러 다른 고성능 분야에서 광범위하게 사용된다. 최근에, 천연 섬유, 주로 목재 분말(또는 섬유)의 사용은 특히 유리 섬유와 비교하여 이의 입수가능성, 낮은 가격 및 낮은 밀도로 인해 특히 각광을 받고 있다. 그러나, 이러한 천연 섬유는 또한 예를 들어 유리 섬유에 비해, 가공의 어려움(온도 민감성), 높은 가연성, 낮은 기계적 성질 및 현저하게 높은 물 흡수를 포함한 특정 단점을 갖는다. 그러므로 유사한 분야에서 유리 섬유를 천연 섬유로 대체하기 위하여, 추가 물질을 합성 물질에 첨가하므로써 최종 물품의 성능을 개선시킬 필요가 있다.

난연성 첨가제는 특정 적용 구역에 대해 요구될 것이다. 충전제, 예를 들어, 탈크, 칼슘 카르보네이트 또는 규회석, 또는 이들과 합성 섬유(예를 들어, 유리 또는 탄소 섬유)와의 조합물은 대개 열등한 기계적 성질을 개선시키는데 사용될 것이지만, 이러한 물질의 도입은 다른 네가티브 효과를 초래할 수 있다. 이러한 단점 중 하나는 감소된 가공 속도를 초래하는 높은 화합물 점도이다. 이에 따라 화합물 성질 및 이러한 플라스틱 화합물로부터 이루어진 최종 물품의 가공 거동 및 성능을 최적화하기는 매우 어렵다.

그러나, 천연 유기 충전제 또는 섬유, 특히 목재 섬유를 함유한 플라스틱 물질이 갖는 중요한 문제점은 물 흡수이다. 플라스틱 물질이 물 또는 습기로 처리될 때, 이러한 물질은 천연 섬유의 함유량으로 인해 물을 흡수하고 악화시킬 것이다.

이러한 문제점은 종래 기본적으로 두개의 방법으로 제시되었다:

a) 폴리머 수지에 첨가하기 전에 천연 유기 섬유의 코팅. 이러한 코팅은 개개의 섬유 또는 충전제 입자 상에 방수 코팅을 제공하기 위하여, 소위 상용화제인 개질된 폴리머로 섬유를 처리하므로써 수행된다. 이러한 공정은 매우 비용이 많이 들고 최종 생성물의 비용을 추가한다.

b) 최종 합성 플라스틱 물질을 방수 코팅으로 코팅. 이러한 공정은 또한 최종 생성물의 비용을 추가한다.

본 발명의 목적은 개선된 성질을 갖는 합성 플라스틱 물질, 및 이러한 물질을 제조하기 위한 조성물을 제공하기 위한 것이다. 보다 특징적인 목적은 감소된 물 흡수성을 갖는 천연 충전제 또는 천연 섬유 강화된 플라스틱 물질, 및 이러한 물질을 제조하기 위한 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따라, 폴리머, 천연 충전제 및/또는 천연 섬유, 및 부가적으로 마이크로실리카를 포함하는 합성 플라스틱 물질을 제조하기 위한 조성물을 제공한다.

본 명세서 및 본 출원의 청구범위에서 사용되는 용어 마이크로실리카는 실라카(석영)을 SiO-가스로 환원시키고, 환원 생성물을 기체 상에서 산화시켜 비정질 실리카를 형성시키는 공정으로부터 수득된 미립자 비정질 SiO₂이다. 마이크로실리카는 적어도 80 중량% 실리카(SiO₂)를 함유할 수 있고 2.1 내지 2.3 g/㎤의 비밀도 및 15 내지 50 ㎡/g의 표면적을 갖는다. 본래 입자는 실질적으로 구형이고, 약 0.15 ㎛의 평균크기를 갖는다. 마이크로실리카는 바람직하게는 전기환원로에서 실리콘 또는 실리콘 합금의 생산에서 공동생성물로서 수득된다. 마이크로실리카는 백하우스(baghouse) 필터 또는 다른 수집 장치를 이용하여 통상적인 방식으로 회수되고, 굵은 입자의 제거, 표면 개질 등에 의해 추가 가공될 수 있다.

바람직하게는 마이크로실리카는 90 중량% 초과의 SiO₂를 함유하고, 0.1 중량% 미만의, 45 ㎛ 초과의 입자크기를 갖는 입자를 갖는다.

물 흡수의 문제점은 폴리머에 마이크로실리카를 첨가하므로써 본 발명에 의해 해소된다. 심지어 침전된 실리카 및 발열성 실리카와 같은 다른 타입의 비정질 실리카가 다공성이고 물을 흡수하는 것으로 알려져 있지만, 놀랍게도 마이크로실리카의 첨가는 천연 섬유를 함유한 합성 플라스틱 물질에서의 물 흡수를 강력하게 감소시키는 것으로 밝혀졌다.

폴리머는 열경화성 또는 열가소성일 수 있다. 적합한 물질은 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함한다. 천연 충전제 및 천연 섬유는 충전제 및 섬유, 예를 들어, 목재 섬유 또는 목재 분말(wood flour), 목재 조각(wood flake), 톱밥, 케나프(kenaf), 아마(flax), 대마 및 이들의 조합을 포함하며, 상기 기술된 것 이외에 다른 충전제, 예를 들어, 탈크, CaCO₃, 규회석, 알루미늄 삼수화물 및 이들의 조합이 사용될 수 있다.

이러한 조성물은 첨가제, 예를 들어, 안료, 안정화제, 윤활제, 및 열경화성 또는 열가소성 폴리머에서 사용되는 기타 통상적인 첨가제를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 존재하는 천연 충전제 및/또는 섬유의 비율은 40 내지 80 중량%, 더욱 바람직하게는 45 내지 60 중량%, 예를 들어 50 내지 60 중량%이다.

바람직하게는, 존재하는 폴리머의 비율은 10 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 50 중량%, 예를 들어 30 내지 50 중량%이다.

바람직하게는, 마이크로실리카의 비율은 3 내지 20 중량%, 더욱 바람직하게는 5 내지 15 중량%, 예를 들어 5 내지 10 중량%이다.

열경화성 폴리머의 경우에서, 통상적인 가교제가 사용된다.

본 발명에 따른 조성물이 합성 물질을 제조하기 위해 사용될 때, 물질의 성질이 개선됨을 발견하였다.

현저한 내연성을 제공하면서 현저하게 물 흡수를 감소시킬 수 있으며 동시에 물질의 기계적 성능 및 가공성을 개선시킬 수 있음을 발견하였다. 이러한 유리한 효과는 마이크로실리카의 존재에 기인한 것이다. 마이크로실리카의 사용이 조성물의 물 흡수를 강력하게 감소시키기 때문에, 폴리머와 혼합시키거나 방수 코팅을 최종 생성물에 도포하기 전에 충전제 또는 섬유를 코팅할 필요가 없으며, 이에 따라 얻어진 합성 물질은 현존하는 대체물 보다 비용이 덜 들 것이다. 또한, 비교적 값비싼 폴리머의 비율을 감소시킬 수 있다.

본 발명은 폴리머가 열가소성플라스틱인 경우, 규정된 조성물을 가열-압출시켜, 또는 폴리머가 열경화성이거나 가교 폴리머의 다른 형태인 경우, (임의적으로) 조성물을 형성하고 폴리머를 경화시켜, 합성 물질을 제조하는 방법을 제공한다.

가공 조건은 크게 변경될 것이지만, 마이크로실리카의 첨가가 화합물의 가공을 현저하게 변경시키지 않음을 발견하였다. 그러므로 통상적인 가공 균등물 및 가공 조건이 사용될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 조성물로부터 이루어진 합성 물질을 제공한다.

본 발명은 실제로 여러 방법으로 수행될 수 있고, 하기 비-제한적인 실시예에서 기술될 것이다. 첨부된 도면에서,

도 1은 목재 섬유 충전된 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 SEM이며;

도 2는 10 중량% 마이크로실리카를 포함한, 목재 섬유 충전된 HDPE의 SEM이며;

도 3은 마이크로실리카를 지니거나 지니지 않고, HDPE를 포함하는 합성 물질에 대한 인장률 및 인장 강도를 나타낸 그래프이며;

도 4는 굴곡률 및 굴곡 강도를 나타내는, 도 3과 유사한 그래프가다.

실시예 1 - 목재 섬유 충전된 HDPE에 비정질 실리카의 첨가

샘플을 하기 표 1의 파라미터에 따라 제조하였다.

표 1

혼합물을 가공할 때, 온도는 수분이 배출되도록 한다. 이러한 이유로, 전체 중량%는 100%가 아니다.

사용된 HDPE는 AD 60-007(Exxon)이다.

사용된 마이크로실리카는 SIDISTAR(Elkem)이다.

윤활제는 STRUKTOL(Schill & Seilacher)이다.

섬유 및 윤활제의 농도를 일정하게 유지하였으며, 이에 따라 실리카의 첨가는 폴리머의 양을 감소시켰다. 이는 10% 실리카 첨가에서 화합물이 단지 32% 폴리머를 함유함을 의미한다. 이러한 물질이 어려움 없이 가공될 수 있음을 발견하였다. 압출 파라미터는 하기 표 2에 나타내었다.

표 2: 나뮤 섬유 강화된 HDPE의 압출 파라미터

또한 놀랍게도 일정한 압출기 속도 및 용융 온도에서, 용융 압력이 실리카의 양이 증가함에 따라 감소되는 것으로 나타났다. 압출기 하중의 증가는 실리카 응집물을 파쇄하기 위해 요구되는 에너지의 결과이다. 본래 구형의 입자로 파쇄하자 마자, 이들의 유동성이 개선되고, 이에 따라 용융 압력이 감소된다.

인장 강도와 관련한 성질은 하기 표 3에 나타내었다. ISO 527-1에 따라, 23℃의 온도에서 2 mm/분의 일정한 속도를 이용하여 시험을 수행하였다. 평균값 및 표준편차를 샘플 당 5회 시험에 대해 제공하였다. 결과를 도 3에 그래프로 나타내었다.

표 3

샘플의 굴곡 강도와 관련한 성질을 하기 표 4에 나타내었다. ISO 178에 따라, 2 mm/분의 일정한 속도, 23℃의 온도 및 64 mm의 샘플 길이를 사용하여 시험을 수행하였다. 평균값 및 표준 편차는 샘플당 5회 시험에 대해 제공하였다. 결과는 도 4에 그래프로 나타내었다.

표 4

챠피(Charpy) 충격 강도와 관련한 성질을 하기 표 5에 나타내었다. 완전하게 파쇄될 때까지 23℃에서 ISO 179에 따라 시험을 수행하였다. 평균값 및 표준 편차는 샘플당 10회 시험에 대해 제공하였다. 결과는 도 5에 그래프로 나타내었다.

도 5는 마이크로실리카를 지니거나 지니지 않고, HDPE를 포함하는 합성 물질에 대한 챠피 충격 강도를 나타낸 그래프이며;

도 6은 물 흡수를 나타낸, 도 5와 유사한 그래프이며;

도 7은 마이크로실리카를 지니거나 지니지 않고, PVC를 포함하는 합성 물질에 대한 인장률 및 인장 강도를 나타낸 그래프이며;

도 8은 굴곡률 및 굴곡 강도를 나타낸, 도 7과 유사한 그래프이며;

도 9는 마이크로실리카를 지니거나 지니지 않고, PVC를 포함하는 합성 물질에 대한 챠피 충격 강도를 나타낸 그래프이며;

도 10은 물 흡수를 나타낸, 도 9와 유사한 그래프이다.

도 1은 1200 배율로 목재 섬유 충전된 HDPE를 나타낸 것이다. 이러한 물질은 60 중량% 목재 섬유 및 40 중량% HDPE를 포함한다.

도 2는 동일한 배율로 목재 섬유 충전된 HDPE를 나타낸 것으로서, 폴리머 대신에 10 중량% 마이크로실리카를 첨가하여, 그 결과 10 중량% 마이크로실리카, 30 중량% HDPE 및 60 중량% 목재 섬유 조합물을 제공한다. 마이크로실리카는 목재 섬유 강화된 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)에 균일하게 분산된 것으로 보여질 수 있다. 양호한 분산은 최종 생성물의 성질에서 요망되는 개선을 달성하기 위해 필수적이다라는 것이 중요하다.

알 수 있는 바와 같이, 표 3, 4 및 5에서의 이러한 기계적 성질은 마이크로실리카가 첨가된 샘플의 경우에 더욱 나빠지지 않았으며, 일부 예에서 개선되었다.

표 6 및 7은 물 흡수와 관련된 성질을 나타낸 것이다. 각 경우에, 샘플을 계측하고, 물에 침지시킨 후, 제거하고, 15 분 동안 배수하였다. 이들을 이후 다시 계측하였다. 표 6에서의 결과는 2시간의 침지에 대응하며, 표 7에서의 결과는 24 시간의 침지에 관한 것이다.

결과들은 도 6에 그래프로 나타내었다.

표 6

표 7

알 수 있는 바와 같이, 마이크로실리카를 함유한 샘플은 2 시간 및 24 시간 동안의 침지 후 모두에서, 마이크로실리카를 지니지 않은 샘플 보다 현저하게 낮은 물 흡수를 나타낸다.

실시예 1에서, 시험 샘플을 134 mm(폭) × 9 mm(두께)의 가로치수를 갖는 압출로부터 길이 절단하였다.

실시예 2: 목재 섬유 강화된 PVC에 비정질 실리카의 첨가

실리카를 상이한 첨가 수준으로 목재 섬유 강화된 PVC 화합물에 첨가하고, 목재 섬유만을 함유한 화합물과 비교하였다(표 8 및 9 참조). PVC 화합물은 통상적인 윤활제/안정화제 시스템을 포함한다.

표 8: 목재 섬유 강화된 PVC의 포뮬레이션

표 9: 실리카를 첨가한 목재 섬유 강화된 PVC의 포뮬레이션

시험 결과를 도 7 내지 10의 그래프에서 요약하였다.

도 7 내지 10에서, 각 경우에서의 x-축의 숫자는 목재 섬유 및 마이크로실리카 함유량의 합을 나타낸 것이다. 혼합물 1 내지 4의 경우에, 목재 섬유 대 마이크로실리카의 비율이 9:1에서 일정하게 유지되는, 즉 혼합물 중 마이크로실리카 함유량은 10 중량%로 일정하게 나타날 것이다. 혼합물 5의 경우에, PVC 화합물 함유량은 50 중량%이지만, 나머지 50 중량% 중 목재 섬유 대 마이크로실리카 비율은 17:3이며, 즉 목재 섬유/마이크로실리카 혼합물 중 마이크로실리카 함유량은 15 중량%로 증가된다. 혼합물 5 수치는 도면의 오른쪽 맨끝에 별도로 나타내었다.

도 7은 다양한 포뮬레이션, 대조군 1 내지 4 및 본 발명에 따른 혼합물 1 내지 5의 인장률 및 인장 강도를 나타낸 것이다.

도 8은 대조군 1 내지 4 및 혼합물 1 내지 5의 굴곡률 및 굴곡 강도를 나타낸 것이다.

도 9는 대조군 1 내지 4 및 혼합물 1 내지 5의 챠피 충격 강도를 나타낸 것이다.

도 10은 대조군 1 내지 4 및 혼합물 1 내지 5의 물 흡수를 나타낸 것으로 샘플들은 2 시간 동안 물에 침지되었다.

도 7 내지 10에 도시된 결과를 결정하기 위해 수행된 시험을 실시예 1에 기술된 HDPE와 결합하여 수행된 상응하는 시험과 동일한 방법으로 수행하였다.

마이크로실리카, 전체 농도 80% 이하의 섬유/실리카 배합물을 함유한 화합물 모두는 마이크로실리카를 함유하는 않은 것에 비해 우수한 측정된 성질을 나타냄을 알 수 있다. 이는 단지 20%의 폴리머를 함유한 화합물이 생산될 수 있을 뿐만 아니라 이러한 타입의 공지된 합성 물질의 성질에 비해 뛰어난 우수한 성질을 가짐을 의미한다.

또한 소량의 폴리머 및 특정 양의 비-가연성 미네랄을 함유한 이러한 복합체의 내연 효과가 현저하게 양호하게 될 것이다.

할로겐 또는 인 함유 내연제를 사용하지 않고도 높은 모듈러스, 높은 충격 강도 및 현저하게 개선된 내연성의 조합을 제공한다. 그러나, 가장 중요하게는, 현저하게 감소된 물 흡수는 광범위한 생성물의 개발을 위해, 예를 들어 자동차, 구조물 및 전기 산업을 위해 새로운 범위의 물질 성질을 제공한다.

Claims (12)

1. 폴리머, 천연 (유기) 충전제 및/또는 천연 (유기) 섬유, 및 부가적으로 마이크로실리카를 포함하는 합성 플라스틱 물질을 제조하기 위한 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 폴리머가 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)인 조성물.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 천연 충전제가 목재 섬유 또는 목재 분말(wood flour), 목재 조각(wood flake), 톱밥, 케나프(kenaf), 아마(flax), 대마 및 이들의 조합인 조성물.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 비-유기 충전제를 부가적으로 포함하는 조성물.
5. 제 4항에 있어서, 비-유기 충전제가 탈크, 칼슘 카르보네이트, 규회석, 알루미늄 삼수화물 및 이들의 조합인 조성물.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로실리카의 비밀도(specific density)가 2.1 내지 2.3 g/㎤인 조성물.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로실리카의 비표면적이 15 내지 50 ㎡/g인 조성물.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리머가 조성물에서 10 내지 60 중량%를 차지하는 조성물.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 천연 충전제 및/또는 천연 섬유가 조성물에서 40 내지 80 중량%를 차지하는 조성물.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로실리카가 조성물에서 3 내지 20 중량%를 차지하는 조성물.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 가열-압출시킴을 포함하여, 합성 물질을 제조하는 방법.
12. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 조성물의 형태를 만들고, 폴리머를 경화시킴을 포함하여, 합성 물질을 제조하는 방법.

Images