KR20090013851A - 폴리락트산 수지 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

우수한 강성(굴곡강도)과 내충격 강도를 가지는 폴리락트산 수지 조성물 및 그 제조방법이 제시되어 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 폴리락트산 수지 및 장섬유 충전제를 합한 100 중량부를 기준으로, 장섬유 충전제 10 내지 70 중량부를 포함하는 폴리락트산 수지 조성물 및 그 제조방법이 개시된다. 상기 수지 조성물로부터 높은 강성과 충격강도를 보이는 성형품을 얻을 수 있으며, 이는 친환경 생분해 특성이 요구되는 이동통신 기기, 전기전자 부품 등의 다양한 성형품 등의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.

폴리락트산, 장섬유, 충격 강도, 강성

Description

폴리락트산 수지 조성물 및 그 제조방법 {POLYLACTIC ACID RESIN COMPOSITION AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 우수한 강성(굴곡강도)과 내충격 강도를 가지는 폴리락트산 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 장섬유가 보강되어 우수한 강성과 내충격 강도를 가지는 폴리락트산 수지 조성물에 관한 것이다.

얼마 전까지 고분자 유기 재료의 연구 방향은 주로 고강도, 고충격, 고내열에 관한 물성적 측면의 것이 주를 이루었다. 그러나 폐 고분자에 의한 환경오염 문제가 사회문제로 대두됨에 따라 최근 환경친화성 고분자 재료가 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하여 여러 가지 물질이 제시되고 있는데, 그 대표적 물질로 폴리락트산 수지(Polylactic acid, PLA)가 있다.

이 폴리락트산 수지는 지방족 폴리에스테르 고분자로 가공성이 우수하고, 분해 특성 조절이 용이하다. 전세계적으로 약 15 만톤 규모의 시장을 형성하고 있으며, 식품 포장재 및 용기, 일부 외장 케이스 등의 일반 플라스틱이 사용되었던 분 야까지 그 적용 범위가 확대되고 있다.

그러나 충격강도와 강성이 떨어지고 결정화 속도가 느리다는 문제로 인해 기존 고성능 수지가 사용되어 왔던 외장 재료에의 적용에는 어려움이 있다.

이와 같은 문제는 유리 섬유와 같은 충전제 물질을 폴리락트산 수지에 혼입시킴으로써 개선될 수 있다. 즉, 수지 제품에 강화 섬유를 혼입하는 것은 강성과 함께 인장 강도, 크리프, 내피로도 강도와 열 팽창에 대한 저항을 향상시킨다.

그러나, 이러한 물성 증가의 폭이 미미하여 내부 회로 등을 보호할 외장재로의 사용에 있어 여전히 한계가 있다.

본 발명자 등은 상기와 같은 문제점을 해소하고자 예의 노력한 결과, 폴리락트산 수지에 장섬유 충전제를 첨가하여 장섬유 충전된 폴리락트산 수지 조성물을 제조할 경우에 높은 강성과 우수한 내충격 강도가 발현되는 사실을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 폴리락트산 수지의 장섬유 충전을 통해 우수한 내충격 강도와 높은 강성을 동시에 확보하여, 친환경 생분해 특성 및 고충격과 고강성이 요구되는 제품에 적용 가능한 수지를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 측면에 따르면,

폴리락트산 수지 및 장섬유 충전제를 합한 100 중량부를 기준으로, 장섬유 충전제 10 내지 70 중량부를 포함하는 폴리락트산 수지 조성물을 제시할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면,

i) 폴리락트산 수지에, 최종 수지 조성물 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부가 포함되도록 장섬유 충전제를 첨가하는 단계; 및

ii) 단계 i)의 수지 조성물로부터 펠렛을 형성하는 단계를 포함하는 장섬유 보강된 폴리락트산 수지 조성물의 제조방법을 제시할 수 있다.

아울러, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 폴리락트산 수지 조성물로 제조되는 플라스틱 성형품을 제시할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 우선, 본 발명의 수지 조성물을 이루는 구성성분을 살펴보기로 한다.

(A) 폴리락트산 수지

본 발명의 수지 조성물의 일 구성성분인 폴리락트산 수지는 락티드(Lactide)로 불리는 락트산(Lactic acid)을 모노머로 하여 에스테르 반응에 의해 만들어지는 폴리에스테르계 수지로서 상업적 구입이 용이하다.

일반적으로 락트산은 감자, 옥수수, 고구마, 타피오카 등의 식물성 물질의 전분을 분해하여 얻을 수 있다.

본 발명의 수지 조성물의 제조에 사용 가능한 폴리락트산 수지로는 락트산의 단일중합체 및 공중합체가 있으며, 2종 이상의 락트산 중합체의 혼합물도 사용가능하다. 이들은 이성질체 L-락트산, D-락트산, 또는 이들의 혼합물로 구성된다.

또한 본 발명의 폴리락트산 수지는 상기 L-락트산 및/또는 D-락트산을 주된 구성 성분으로 하는 폴리머이지만, 락트산 이외의 다른 모노머 성분을 포함할 수도 있다.

다른 모노머 단위로서는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부탄디올, 헵탄디올, 헥산디올, 옥탄디올, 노난디올, 데칸디올, 1.4-시클로헥산디메탄올, 네오펜틸글리콜, 글리세린, 펜타에리트리톨, 비스페놀 A, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 및 폴리테트라메틸렌글리콜 등의 글리콜 화합물, 옥살산, 아디프산, 세파신산, 아젤라산, 도데칸디온산, 말론산, 글루타르산, 시클로헥산디카르복실산, 테레프탈산, 이소프탈산, 프탈산, 나프탈렌디카르복실산, 비스(p-카르복시페닐) 메탄, 안트라센디카르복실산, 4,4'-디페닐에테르디카르복실산, 5-나트륨술포이소프탈산, 5-테트라부틸포스포늄이소프탈산 등의 디카르복실산, 글리콜산, 히드록시프로피온 산, 히드록시부티르산, 히드록시발레르산, 히드록시카프로산, 히드록시벤조산 등의 히드록시 카르복실산, 카프로락톤, 발레로락톤, 프로피오락톤, 운데카락톤, 1,5-옥세판-2-온 등의 락톤류를 들 수 있다.

폴리락트산 수지는, 기지의 중합 방법을 이용하여 제조할 수 있으며, 락트산으로부터의 직접 중합법, 락티드를 통한 개환중합법 등을 이용할 수 있다.

본 발명의 수지 조성물의 제조에 사용되는 폴리락트산은 중량평균분자량이 8,000∼600,000 g/mol인 것이 바람직한데, 이 중량평균분자량의 범위에서 장섬유 첨가 작업이 용이하고, 물성 저하의 발생이 적기 때문이다.

(B) 장섬유 충전제

본 발명의 수지 조성물의 강성 향상을 위해 충전제로 사용되는 장섬유로는 장유리 섬유, 장탄소 섬유, 장현무암 섬유, 장금속 섬유, 장보론 섬유, 장아라미드 섬유, 장천연 섬유 등이 적용될 수 있으며 최종 제품의 물성에 따라 이들을 단독으로 또는 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.

본 발명의 폴리락트산 수지 조성물은 폴리락트산 수지 및 장섬유 충전제를 합한 100 중량부를 기준으로, 장섬유 충전제 10 내지 70 중량부를 포함하는 것이 바람직한데, 상기 함량 범위에서 성형성이 좋고, 강성 보강의 효과도 우수하다. 상기 장섬유 충전제 함량은 요구되는 제품의 강성 및 충격강도에 따라 다양한 비율로 사용할 수 있고, 15 내지 60 중량부를 포함하는 것이 보다 바람직하다.

상기 장섬유 충전제는 5 내지 30 mm의 길이를 가지는 것이 바람직하며, 사용 목적에 따라 길이를 다양하게 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 수지 조성물에는 탈크, 실리카, 마이카, 알루미나 등의 첨가제를 넣어 사용할 수 있으며, 이와 같이 무기충진재를 첨가할 경우 기계적인 강도 및 열변형온도 등의 물성을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명의 수지 조성물은 자외선 흡수제, 열안정제, 산화방지제, 난연제, 활제, 염료 및/또는 안료 등을 더 포함할 수 있다. 이들 첨가제들은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 그 사용량이나 사용법이 공지되어 있다.

본 발명의 폴리락트산 수지 조성물의 제조방법에 있어서는, 장섬유 충전제의 수지로의 충전을 위해서, 특수하게 제작된 다수의 다발화된 섬유 스트랜드가 사용되는 유리조방사 장치를 이용한다.

기존의 섬유 충전 방식은 주로 3~5 mm의 길이의 충전제를 수지 혼합물과 같은 압출기 투입구에 넣어 첨가하여 제작하거나 수지 혼합물과 별도의 압출 투입구에 넣는 방식이었다. 이에 비하여 다수의 다발화된 섬유 스트랜드가 사용되는 유리조방사 장치는 로빙(roving) 형태의 충전제를 연속적으로 용융된 수지물에 함침시켜 충전하는 방법이다. 용융 수지물의 점도에 따라 이때 충전된 섬유 길이는 로빙 길이에 따라 필요하다면 무한에 가깝게 제조가 가능하다.

상기 유리조방사 장치를 이용하여 제조된 펠렛은 섬유 길이 5 내지 30 mm, 바람직하게는 10 내지 15 mm 길이로 제조하는 것이 바람직한데, 상기 5 내지 30 mm 범위에서 수지의 강성, 내충격 강도의 보강 효과가 우수하며, 생산 투입시의 문제 발생의 우려도 적다.

상기와 같이 하여 장유리 섬유가 보강된 폴리락트산 수지 조성물은 펠렛 형성 후, 다른 수지와 블렌딩하거나 혹은 단독으로 금형에 사출하는 공정 및 성형된 부품을 회수하는 일반적인 공정을 거쳐 성형품을 제조할 수 있다.

본 발명의 폴리락트산 수지 조성물은 고유한 생분해 특성만이 아니라 장섬유의 보강으로 인하여 향상된 강성 및 내충격 강도를 가지므로 이러한 특성이 요구되는 이동통신 기기, 전기전자 부품 등의 다양한 성형품 등의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 장섬유가 보강된 폴리락트산 수지 조성물은 높은 강성과 충격강도를 나타내므로, 친환경 생분해 특성이 요구되는 이동통신 기기, 전기전자 부품 등의 다양한 성형품 등의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

본 발명의 수지 조성물을 제조하기 위하여 사용한 구성성분의 세부 사양은 다음과 같다.

(A) 폴리락트산 수지

본 발명의 실시예 및 비교실시예에서 사용된 폴리락트산 수지는 미국 NatureWorks LLC사에서 제조된 2002D를 사용하였다.

(B) 장섬유 충전제

본 발명의 실시예에서 사용된 장섬유 충전제는 미국 Owens Corning사의 SE-2350을 사용하였다.

실시예 1~3

상기에서 언급된 구성성분들을 이용하여 표 1의 실시예의 조성(단위는 중량이다)으로 실시예의 수지 조성물을 제조하였으며, 이들의 물성도 표 1에 나타내었다. 유리조방사 장치를 이용하여 폴리락트산 수지에 장유리 섬유를 첨가하고, 장유리 섬유 보강된 폴리락트산 수지 펠렛을 섬유 길이 12 mm로 제조하였다.

수득한 펠렛들은 10 oz 사출기에서 성형온도 190~220℃ 조건으로 사출하여 물성 평가 시편을 제조하였다. 제조된 시편에 대하여 ASTM D256에 따라 노치 아이조드 충격강도(1/8")와 ASTM D790에 따라 굴곡 강도를 측정하였다.

비교예 1~3

상기에서 언급한 구성성분들을 이용하여 표 1의 비교실시예의 조성(단위는 중량이다)과 같은 수지 조성물을 제조하였으며, 이들의 물성을 표 1에 나타내었다. 비교실시예의 수지 조성물은 기존의 단순 단섬유 충전방법에 의해 제조되었다. 구체적으로, 폴리락트산 수지에 길이가 3 mm, 직경 12 ㎛인 단섬유를 첨가하여, L/D=35, Φ=45mm인 이축 압출기를 이용하여 190℃의 고정 온도, 200 rpm의 스크류루 회전 속도, 약 -600 mmHg의 제 1 벤트 (vent) 압력, 및 60 kg/h의 자가 공급 속도의 조건 하에서 압출하였다. 압출된 스트랜드를 물에서 냉각시킨 후, 회전 절단기로 펠렛으로 절단하였다.

수득한 펠렛들은 10 oz 사출기에서 성형온도 190~220℃ 조건으로 사출하여 물성 평가 시편을 제조하였다. 제조된 시편에 대하여 ASTM D256에 따라 노치 아이조드 충격강도(1/8")와 ASTM D790에 따라 굴곡 강도를 측정하였다.

[표 1]

			실시예			비교실시예
조 성			1	2	3	1	2	3
	섬유	장섬유	20%	30%	40%	-	-	-
		단섬유	-	-	-	20%	30%	40%
	폴리락트산 수지		80%	70%	60%	80%	70%	60%
물 성	아이조드 충격강도(㎏·㎝/㎝)		6.8	8.2	10.8	3.9	5.1	6.9
	굴곡강도(Kg/cm2)		97,300	133,100	160,000	74,300	104,000	131,000

상기 표 1에서 실시예와 비교실시예의 수지 조성물의 조성 및 물성을 살펴보면, 같은 양의 폴리락트산 수지를 함유한 경우에 단섬유가 충진된 수지 조성물(비교예 1 내지 3)보다 장섬유가 충진된 수지 조성물(실시예 1 내지 3)이 충격 강도 및 굴곡강도 양쪽 모두 훨씬 높은 값을 가짐을 알 수 있다. 또한, 장섬유가 충전된 수지 조성물 중에서도 충전된 장섬유 함량이 증가할수록(실시예 1→3) 충격강도와 굴곡강도가 증가하는 것으로 나타났다.

그러므로, 본 발명에서 개시하는 폴리락트산 수지 조성물로부터 높은 강성과 충격강도를 보이는 성형품을 얻을 수 있으며, 이는 친환경 생분해 특성이 요구되는 이동통신 기기, 전기전자 부품 등의 다양한 성형품 등의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.

이상 첨부된 표를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims (10)

1. 폴리락트산 수지 및 장섬유 충전제를 합한 100 중량부를 기준으로, 장섬유 충전제 10 내지 70 중량부를 포함하는 폴리락트산 수지 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 폴리락트산 수지는 8,000~600,000g/mol의 중량평균분자량을 가지는, 폴리락트산 수지 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 장섬유 충전제는 장유리 섬유, 장탄소 섬유, 장금속 섬유, 장아라미드 섬유, 장보론 섬유, 장현무암 섬유 및 장천연 섬유로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 섬유인, 폴리락트산 수지 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 장섬유 충전제는 5 내지 30 mm의 길이를 가지는, 폴리락트산 수지 조성물.
5. i) 폴리락트산 수지에 최종 수지 조성물 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부가 포함되도록 장섬유 충전제를 첨가하는 단계; 및

   ii) 단계 i)의 수지 조성물로부터 펠렛을 형성하는 단계를 포함하는 폴리락트산 수지 조성물의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 단계 i) 및 ii)의 공정은 유리조방사 장치를 이용하여 수행되는, 폴리락트산 수지 조성물의 제조방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 펠렛은 5 내지 30 mm의 길이로 형성되는, 폴리락트산 수지 조성물의 제조방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 폴리락트산 수지는 8,000~600,000 g/mol의 중량평균분자량을 가지는, 폴리락트산 수지 조성물의 제조방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 장섬유 충전제는 장유리 섬유, 장탄소 섬유, 장금속 섬유, 장아라미드 섬유, 장보론 섬유, 장현무암 섬유 및 장천연 섬유로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 섬유인, 폴리락트산 수지 조성물의 제조방법.
10. 제1항의 폴리락트산 수지 조성물로부터 제조되는 성형품.