KR20100046502A

KR20100046502A - 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20100046502A
Application number: KR1020080105362A
Authority: KR
Inventors: 이정욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2010-05-07

Abstract

본 발명은 동물성 단백질 섬유와 열가소성 수지 혼합물을 이용한 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 혼합하여 경량화 및 친환경성이 우수한 복합재를 제조하는 방법으로 인장강도, 굴곡탄성률 등의 기계적 물성을 최적화하여 자동차 내장재로 사용할 수 있는 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

케라틴 섬유, 폴리에틸렌 수지, 천연섬유 강화 복합재, 단백질 섬유

Description

자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재 및 이의 제조 방법{Automatic keratin fiber/polyethylene complex and thereof synthetic method}

본 발명은 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 케라틴 섬유(keratin fiber)와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 혼합하여 경량화 및 친환경성이 우수한 복합재를 제조함으로써 인장강도, 굴곡탄성률 등의 기계적 물성을 최적화하여 자동차 내장재로 사용할 수 있는 동물성 단백질인 자동차용 케라틴 섬유 강화 복합재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 환경문제에 대한 관심이 고조됨에 따라 유리섬유 등의 무기 물을 대체하기 위해 천연섬유를 이용한 복합재 제조에 관한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 전자제품의 외장재, 가구 및 자동차 부품의 보강재로는 대부분 유리섬유 등의 무기물이 사용되고 있으나 소재 자체의 높은 비중으로 인하여 이를 이용한 제품의 경량화가 힘들다. 또한 인체 유해성으로 인하여 작업자 및 소비자에게 직ㆍ간접적으로 거부감을 일으키고 있으며, 자연환경에서 거의 영구적으로 분해가 되지 않기 때문에 이들을 이용한 복합재료 폐기물은 심각한 환경문제를 야기하고 있다.

이와 같은 무기물 기반 보강재의 문제점을 극복하기 위해 천연섬유를 보강재로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되어 상용화 단계에 이르렀다. 천연섬유 강화 복합재는 유리섬유에 비해 약 40 %의 낮은 밀도를 갖고 있기 때문에 경량소재 개발에 유용하며, 가격적으로도 저렴하다. 또한 자연적으로 분해가 되기 때문에 환경친화성이 우수하여 다양한 분야에 응용되고 있다.

현재까지 천연섬유 보강재로는 주로 황마, 아마(flax), 대마(hemp), 양마(kenaf), 대나무, 바나나, 콩 등의 식물성 천연섬유가 이용되어 왔다. 이들은 비중이 낮고, 친환경적인 장점이 있으나 식량 자원을 이용하여 추출되기 때문에 곡물값 폭등 등의 식량문제를 야기 하고 있으며, 기후에 영향을 많이 받기 때문에 작황 사정에 따라 가격 변동이 크고, 수급 사정이 원활하지 못한 단점을 가지고 있다. 또한 셀룰로오스(cellulose)계 식물성 천연섬유는 녹는점이 낮기 때문에 고온 상태에서 제품을 생산하는 종래의 무기물 섬유 강화 복합재 제조 공정을 그대로 이용할 수 없으며, 녹는점이 높은 수지와 혼합하여 사용할 수 없는 단점을 지니고 있다.

이에 비해 동물성 단백질 섬유, 특히 케라틴 섬유는 도축 과정에서 발생되는 폐기물인 닭, 오리 등의 조류 깃털이나 소, 양 등의 털 및 가죽에서 추출되기 때문에 기후에 영향을 거의 받지 않아 수급이 원활하여 대량 생산 제품에 폭 넓게 이용 될 수 있다. 또한 닭 깃털에서 추출되는 케라틴 섬유의 경우에는 녹는점이 240 ℃ 내외로서 대부분이 고온 공정인 종래의 프레스 성형에 바로 이용될 수 있으며, 고융점 수지의 보강재로도 사용될 수 있는 장점을 가지고 있다.

따라서 자동차 내외장재, 전자제품, 가구 등에 응용할 수 있는 친환경성을 실현하면서도 수급 문제와 기존의 공정에 활용할 수 있는 케라틴 섬유 강화 복합보드 개발이 필요하다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 점을 감안하여 연구 노력한 결과, 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 특정 비율로 배합하고, 혼합 시간, 속도, 프레스 온도 및 압력 등의 제조 공정 인자를 최적화하여 복합보드를 제조함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 인장강도, 굴곡탄성률, 굴곡강도 등의 기계적 물성을 향상시키 위하여 최적화된 제조 공정인자 등의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 자동차 내외장재 등으로 사용 가능한 자동차용 케라틴 천연섬유 강화 복합보드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재는 케라틴 섬유;와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재의 제조 방법은 0.5 ~ 1 mm의 케라틴 섬유를 준비하는 제 1 단계; 상기 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 130 ~ 140 ℃ 에서 믹싱 헤드 속도 70 ~ 75 rpm 으로 6 ~ 7 분 동안 컴파운딩하여 혼합물을 제조하는 제 2 단계; 및 상기 혼합물을 190 ~ 200 ℃ 에서 2 ~ 3 분간 프레스(press) 성형하는 제 3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재 및 이의 제조방법은 케라틴 섬유- 고밀도 폴리에틸렌 수지간의 매트릭스 형성을 통해 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성률 등의 기계적 물성이 향상되며, 종래의 유리 섬유 등의 무기물 보강재를 대체하여 친환경적인 효과를 갖고 있다. 따라서 자동차 내외장재 등으로 사용이 가능하다.

본 발명의 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재는 케라틴 섬유;와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌;을 포함하고,

케라틴 섬유 강화 복합재의 제조 방법은 0.5 ~ 1 mm의 케라틴 섬유를 준비하는 제 1 단계; 상기 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 130 ~ 140 ℃ 에서 믹싱 헤드 속도 70 ~ 75 rpm 으로 6 ~ 7 분 동안 컴파운딩하여 혼합물을 제조하는 제 2 단계; 및 상기 혼합물을 190 ~ 200 ℃ 에서 2 ~ 3 분간 프레스(press) 성형하는 제 3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 0.5 ~ 1 mm 케라틴 섬유 20 ~ 40 중량% 와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지 60 ~ 80 중량%를 포함한다.

본 발명은 0.5 ~ 1 ㎜의 케라틴 섬유로 준비하는 제 1 단계;

상기 케라틴 섬유 20 ~ 40 중량%와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지 60 ~ 80 중량%를 온도 130 ~ 140 ℃, 믹싱 헤드 속도 70 ~ 75 rpm 으로 6 ~ 7 분 동안 컴파운딩하여 혼합물을 제조하는 제 2 단계; 및

상기 혼합물을 190 ~ 200 ℃, 2 ~ 3 분간 프레스(press) 성형하는 제 3 단계;를포함하는 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재의 제조 방법을 그 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재 및 이의 제조 방법에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

케라틴(keratin)이란 손톱, 발톱, 머리털 및 뿔 등의 성분이 되는 경단백질로 각질이라고도 한다. 상기 케라틴은 머리털, 양털, 깃털, 뿔, 손톱, 말굽 등을 구성하는 진성 케라틴과, 피부, 신경조직 등에 존재하는 유사 케라틴으로 구별된다. 케라틴의 분리는 원료를 가루로 만들어 뜨거운 유기용매 또는 뜨거운 물로 처리한 다음, 단백질 분해효소로 단백질을 제거하여 케라틴을 남긴다. 주요 구성 성분은 글루탐산, 알기닌, 시스틴 등의 아미노산이며, 그 중에서도 시스틴의 함유량이 많다. 진성 케라틴의 시스틴 함유량은 11 ~ 12 %, 유사 케라틴에서는 4 ~ 8 %이다. 시스틴 함유량이 많기 때문에 펩티드사슬(-CO-NH-)은 많은 디술피드결합(-S-S-)이 망상으로 이어진 선상구조를 가지는 것으로 생각된다.

제 1 단계에서 사용된 상기 케라틴 섬유는 동물성 단백질 섬유로서, 닭, 오리 등의 조류 깃털이나 소, 양 등의 털 및 가죽에서 추출된 섬유를 사용 할 수 있다. 즉 진성 케라틴과 유사 케라틴 중에서 선택된 1종 이상이 사용가능하다.

일반적으로 추출된 케라틴 섬유의 길이는 32 ㎜ ~ 130 ㎜ 이며, 원심 그라인더(centrifugal grinder)로 분쇄하고 걸러내어 0.5 ~ 1 ㎜ 길이의 균일성 있는 촙 섬유(chop fiber) 형태로 만든다. 이때 케라틴 섬유의 길이가 1 ㎜ 이상이 되면 컴파운딩시 수지내 분산성이 약화되어 기계적 물성이 저하되고, 0.5 ㎜ 이하가 되면 분산성은 좋으나 수지와 보강재간 접촉 면적이 작아져 네트워크 형성이 약화되어 기계적 물성이 저하되므로 상기의 범위가 적당하다. 이때 용기와 케라틴 섬유 간의 마찰을 최소화 할 수 있는 원심 그라인더(centrifugal grinder)의 속도는 1500 rpm 이 바람직하다.

폴리에틸렌(Polyethylene, PE)밀도에 따라 분류할 수 있으며 일반적으로 저밀도 폴리에틸렌의 밀도는 0.910 ~ 0.935이고, 고밀도 폴리에틸렌의 밀도는0.940 ~ 0.965 이며, 중밀도 폴리에틸렌의 밀도는 0.926 ~ 0.940 으로 분류한다.

폴리에틸렌 수지는 결정화도 40% ~ 90%의 반결정성 고분자로 연질의 저밀도 폴리에틸렌(Low Density Polyethylene, LDPE) 수지에서 경질의 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene, HDPE) 수지까지 다양한 물성을 가지고 있는 범용수지이다. 성형방법으로는 압출성형, 중공성형, 사출성형, 압출코팅, 전선피복 등 거의 모든 방법으로 가공되고 있다. 밀도가 0.910 ~ 0.935인 저밀도 폴리에틸렌 수지의 경우 필름압출이 전체 수요의 70% 정도를 차지하고 있는데 압출코팅, 전선피복, 사출성형 순으로 사용되고 있으며, 밀도가 0.940 ~ 0.965인 고밀도 폴리에틸렌 수지의 경우 필름압출 및 중공성형이 60% 정도를 차지하고 있고 파이프압출, 사출성형 순으로 사용되고 있다.

폴리에틸렌(polyethylene, PE) 수지는 현재 세계에서 가장 많이 보급된 합성 고분자 물질로서 전기적 성질, 기계적 성질 및 가공성이 우수하고 가격이 비교적 저렴하여 광범위한 분야에 사용되고 있다. 그러나 용도, 수요가 증대됨에 더 우수하고 특수한 성능이 요구되고 있다. 일례로 고속 가공성, 내응력, 균열성, 충격강도, 내열성, 난연성, 인쇄성, 접착성 등이 있다. 이들의 제 성질을 개량하기 위한 방법으로는 폴리머블렌드, 충진제 및 첨가제를 배합하는 물리적 방법과 공중합, 그라프트, 가교 및 기타 화학반응 등의 화학적 방법이 있다. 상기 폴리에틸렌 수지는 제조방법에 따라 고밀도, 저밀도, 직쇄형, 선형 등으로 나뉜다. 본 발명에서는 자동차 내장재로서 주로 경질의 폴리에틸렌 수지를 사용하기 때문에 밀도가 0.940 ~ 0.965인 고밀도 폴리에틸렌을 사용하였다.

제 2 단계에서는 상기 케라틴 섬유 20 ~ 40 중량%와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지 60 ~ 80 중량%를 130 ~ 140 ℃온도에서 70 ~ 75 rpm 믹싱 헤드 속도로 6 ~ 7 분 동안 컴파운딩한다.

상기 케라틴 섬유가 20 중량% 미만일 경우 자동차 내장재로서 요구되는 강성에 미달되는 문제가 발생하고 40 중량% 초과인 경우 고분자 매트릭스내의 보강재 공간 점유율이 높아져 고분자간 결합구조를 제한하여 이 역시 강성이 하락하는 문제가 발생 할 수 있다. 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지의 중량%가 60 중량% 미만일 경우 고분자 매트릭스의 공간 점유율이 낮아져 강성이 저하될 수 있고, 표면상에 분화구와 같은 미성형부가 발생 할 수 있고, 80 중량% 초과시는 보강재의 상대적 비율이 작아져 소기의 강건성을 발휘할 수 없는 문제가 발생 할 수 있다.

실험 조건에서 온도를 130 ℃ 미만시 수지의 흐름성이 낮아 케라틴 섬유와의 혼합이 불균일하게 되는 문제가 발생 할 수 있고 140 ℃ 초과시에는 케라틴 섬유 분자 구조가 분해되어 보강재의 역할을 수행할 수 없게 하는 문제가 발생 할 수 있다.

믹싱 헤드 속도가 70 rpm 미만시에는 고분자-케라틴 섬유 간의 충분한 혼합이 이루어지지 않아 매트릭스 내 케라틴 섬유의 불균일한 분포를 초래할 수 있으며, 75 rpm 분 초과시 임펠러와 용융액 간 마찰열로 인해 케라틴 섬유의 분해를 촉진할 수 있는 문제가 발생한다.

마지막으로 컴파운딩 시간이 6 분 미만시 고분자-케라틴 섬유 간의 충분한 혼합이 이루어지지 않아 매트릭스 내 케라틴 섬유의 불균일한 분포를 초래할 수 있으며, 7 분 초과시 컴파운딩 용액의 온도 상승, 불필요한 공정비 추가와 같은 문제가 발생 할 수 있다.

이때, 케라틴 섬유와 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지의 중량비는 1 : 1.5 ~ 4 가 바람직하다. 상기 중량비가 1 : 1.5 미만인 경우 보강재의 함량이 적기 때문에 함량 증가에 따라 선형적으로 기계적 물성이 증가는 하지만 정점에 도달하지는 못하는 문제가 발생하고, 중량비가 1 : 4 초과인 경우 보강재간 수지 침투가 어려워 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지간의 네트워크 형성 이 감소되어 기계적 물성을 저하시키는 문제가 발생한다.

마지막 제 3 단계에서는 상기 컴파운딩된 케라틴 섬유-밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지 혼합물을 190 ~ 200 ℃에서 2 ~ 3 분간 프레스(press) 성형하여 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재를 완성하게 된다. 이때, 몰딩 온도가 190 ℃ 미만이면 컴파운딩 수지를 완전 경화시키는데 3 분 이상의 시간이 소요되어 성형 사이클 타임(cycle time)의 증가로 인해 경제성이 약화되는 문제가 발생하고 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지의 용융점에 미달되어 미성형부가 발생하게 된다. 반면 몰딩 온도가 200 ℃ 초과하면 고온으로 인한 케라틴 섬유의 분해로 인해 소기의 복합 강도를 구현할 수 없고 외관 품질 역시 고온으로 인한 표면 산화로 색상 불량 및 기포발생의 문제를 수반하게 된다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1

0.5 ~ 1 ㎜ 길이의 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 1 : 4의 중량비로 혼합한 후 믹싱헤드 속도 50 rpm, 압출기 온도 140 ℃ 로 15 분간 컴파운딩하였다. 컴파운딩된 복합수지를 컴프레션 몰드에 200 ℃, 2 분간 프레스한 후 복합재를 제조하였다.

실시예 2

0.5 ~ 1 ㎜ 길이의 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 1 : 4의 중량비로 혼합한 후 믹싱헤드 속도 75 rpm, 압출기 온도 140 ℃로 7 분간 컴파운딩하였다. 컴파운딩된 복합수지를 컴프레션 몰드에 200 ℃, 2 분간 프레스한 후 복합재를 제조하였다.

실시예 3

0.5 ~ 1 ㎜ 길이의 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 1 : 1.5의 중량비로 혼합한 후 믹싱헤드 속도 75 rpm, 압출기 온도 140 ℃로 7 분간 컴파운딩하였다. 컴파운딩된 복합수지를 컴프레션 몰드에 200 ℃, 2 분간 프레스한 후 복합재를 제조하였다.

실시예 4

0.5 ~ 1 ㎜ 길이의 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 1 : 1.5의 중량비로 혼합한 후 믹싱헤드 속도 75 rpm, 압출기 온도 140 ℃로 7 분간 컴파운딩하였다. 컴파운딩된 복합수지를 컴프레션 몰드에 200 ℃, 5 분간 프레스한 후 복합재를 제조하였다.

비교예 5

제조예 1 ~ 4에서 사용한 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 이용 한 일반 보드를 이용하였다.

[물성측정방법]

인장시험

ASTM D-638에 따라 만능시험기를 이용하여 50 mm/분의 속도로 상온에서 실시하였으며, 3.2 mm 두께의 시편의 인장강도를 측정하였다.

굴곡탄성률 및 굴곡강도

ASTM D-790에 따라 만능시험기를 이용하여 30 mm/분의 속도로 상온에서 실시하였으며, 3 mm 두께의 시편의 굴곡 특성을 측정하였다.

각 종류당 5개의 시편에 대하여 측정하여 평균값을 취하였으며, 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 고밀도 폴리에틸렌 수지는 케라틴 섬유와의 컴파운딩을 통해 인장강도, 굴곡탄성률, 굴곡강도 등이 향상 되었음을 알 수 있다. 실시예 1과 실시예 2를 보면 적정 믹싱 속도 및 시간을 통해 기계적 물성을 향상시킬 수 있으며, 실시예 2와 실시예 3을 통해서 천연섬유의 함량을 증가시키면 기계적 물성도 향상됨을 알 수 있다.

Claims

길이가 0.5 ~ 1 mm인 케라틴 섬유와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재.
제 1 항에 있어서,

상기 케라틴 섬유 20 ~ 40 중량% 및 상기 폴리에틸렌 수지 60 ~ 80 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 케라틴 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재.
케라틴 섬유의 길이를 0.5 ㎜ ~ 1 ㎜ 로 준비하는 제 1 단계;

상기 케라틴 섬유 20 ~ 40 중량%와 밀도가 0.940 ~ 0.965인 폴리에틸렌 수지 60 ~ 80 중량%를, 혼합기 온도 130 ~ 140 ℃, 믹싱 헤드 속도 70 ~ 75 rpm 으로 6 ~ 7분 동안 컴파운딩하여 혼합물을 제조하는 제 2 단계; 및

상기 혼합물을 190 ~ 200 ℃ 에서 2 ~ 3 분간 프레스(press) 성형하는 제 3 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 케라틴 자동차용 섬유/폴리에틸렌 수지 복합재의 제조방법.