KR20100050171A - 자기점착성을 가지며 플라이애쉬를 이용한 투습성이 양호한복합 필름 및 쉬트 - Google Patents

Abstract

자기점착성을 가지며 화력발전소 등에서 발생되는 환경오염물인 fly ash를 재활용함으로써 수분차단성이 우수한 필름 개발.

자기점착성, fly ash, 복합필름

Description

자기점착성을 가지며 플라이애쉬를 이용한 투습성이 양호한 복합 필름 및 쉬트{Self-adhesive and Permeability of film Use for fly ash}

복합 기능성인 자기점착성과 동시에 fly ash로 인한 습기차단성이 우수하며, 기존 표면 보호필름보다 내/외부 환경영향에 뛰어난 효과를 발휘하는 표면 보호필름.

현재 국내에서 다용되고 있는 표면 보호필름은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드 등을 주성분으로 한 기개 필름에 고무계 점착제인 천연고무, 합성고무와 점착부여 수지를 주체로 한 것이며, 여기에 용도에 따라 산화방지제, 가소제, 안료 등을 첨가하여 제작되고 있다.

아크릴계 점착제의 경우는 고무계 점착제를 대체하여 급속히 늘어나고 있는 점착제이며, 용제형, 수계 emulsion형, hot melt형, 100% 반응형 점착제 등 폭넓은 형태로 사용이 가능한 점착제이다. 고무계 점착제에 비하여 내후성, 내열성, 내한성, 내유성 등이 뛰어나고 여러 가지 목적 및 용도에 맞추어 비교적 쉽게 만들 수 있다.

Silicone계 점착제는 넓은 온도 범위에서 넓은 범위의 재료에 접착되고 내후성, 내수성, 내열성, 전기특성 등이 뛰어나다. 현재 국내에서는 이러한 점착제를 중합 후 기재 필름에 코팅을 하여 표면 보호필름을 제조하고 있다.

폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 법용 수지는 우수한 성형성과 기계적 물성 및 수분차단성 때문에 여러 분야에서 사용되고 있다. 이들은 가스에 대해서도 우수한 차단성능을 갖고 있으나, 산소차단성이 요구되는 식품포장이나 내 화학 차단성이 요구되는 농약용기, 식품 등의 적용에는 한계를 가지고 있다. 따라서 식품포장 또는 용기(bottle) 등을 제조할 때는 공압출(co-extrusion), 합지(lamination), 코팅(coating) 등을 통하여 다층으로 제조되고 있다. 우수한 가스차단성과 투명성으로 에틸렌비닐알코올 공중합체 및 폴리아마이드계 수지는 다층 성형 플라스틱 제품에 가스 차단 기능을 제공한다. 그러나 상기 에틸렌비닐알코올 공중합체 및 폴리아미드계 수지가 일반 범용수지보다 가격이 비싸기 때문에 제품내의 함량이 제한되고 있으며, 다층 용기의 비용 증가를 줄이기 위해 에틸렌비닐알코올 및 폴리아마이드계 수지는 가능한 얇게 만들어 진다.

이와 같이 다양한 기능성을 주기 위하여 resin 등에 clay를 컴파운딩 시키거나 중합하는 기술들이 소개되고 있지만 fly ash를 이용한 관련 국내 기술은 폴리프로필렌 수지 조성물(특허 1992-0025833) 1건으로 미미한 수준이다.

국외 표면 보호필름에 사용되는 기제필름의 경우는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드 등으로 국내와 유사하나, 국외의 경우 무공해형 점착제로서 무용제화에 대한 관심과 연구가 진행되어 왔다. 수계 emulsion형 점착제는 오래전부터 무용제형 점착제의 선두로 등장 하였고, 이 중에서도 반 이상이 아크릴계이며 현재 점착제 시장에 완전히 정착되어 있다.

Clay 나노복합재료의 제조법으로 1960년대 이후로 주로 사용하던 방법은 용액법이다. 그러나 최근에는 Toyota 연구진에 의하여 개발된 clay/nylon 복합재의 경우는 컴파운딩에 의한 방법으로, 4.2wt% clay의 첨가에 의해서 충격강도의 저하 없이 인장강도와 탄성계수가 약 100% 정도가 증가한다.

일반적인 무기물 충전제에 의해서는 인장강도와 탄성계수가 거의 변화가 없거나 다소 감소하는 경향을 나타낸다. 미국 코낼대의 Giannelis 교수팀에서 중합법에 의하여 clay/폴리카프로락톤 박리형 나노복합재료를 개발하여 수증기 투과능을 clay 5 vol% 첨가로 400% 정도의 수증기 투과 억제능 향상 효과를 얻었다.

Montel North America사와 GM사에서 공동 연구를 통하여 clay/TPO 나노복합재료를 이용하여 자동차의 도어와 후면 판넬을 사출 성형 제작하였으며, 미국 오하이오주의 고분자 관련 대학 5개(Akron대학, Case Western Reserve 대학, Ohio 주립대, Teledo 대학, Cincinnati대학)의 30명의 교수진들로 이루어진 EPIC 나노복합재료 컨소시움을 결성하였다. 이와 같이 clay 나노복합 재료에 대한 기술은 상당한 발전을 이루고 있으나, fly ash를 이용한 복합재료 컴파운딩 기술은 미미한 수준이다.

자기 점착성을 가지는 fly ash 첨가 필름은 기존의 표면 보호필름이 피착제로부터 박리 될 때 발생하는 잔류물을 충분히 제거하여 피착제에 초청정성을 부여할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 기존 기술이 clay를 이용한 나노 복합재의 개발에 제한적으로 사용되었다면, 기술개발 영역을 확대하여 화력발전소에서 발생되는 fly ash를 재활용하여 환경오염방지 및 기계적 물성 등을 향상시키고자 한다.

현재 fly ash 입자 사이즈의 균일화, 기계적 물성 등 기술적으로 세밀한 부분을 보완한다면 제품화를 위한 좋은 결과를 확보할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 적용시킨 무기물은 fly ash 뿐이었으나, 재활용 할 수 있는 다른 폐기물에(슬러지 등) 대한 기술 개발도 가능하리라 판단된다. D사, T사 모두 fly ash 컴파운딩 시, fly ash 입자가 컴파운딩 하려는 resin에 비하여 입자가 작아 호퍼(hopper)에 투입 시, 균일하게 혼합되지 않고 호퍼 바닥으로 가라앉는 현상이 발생하여, 컴파운딩 비율을 높이는데 많은 어려움을 겪었다. 이러한 것을 해결하기 위하여 기존 양산 업체 들은 다양한 방법을 사용하고 있지만, 많이 사용되는 방법은 사이드 피더(side feeder)를 이용하는 방법이다. 결과적으로 좀 더 높은 비율로 fly ash를 투입 할 수 있는 방법으로 향후 side feeder 등을 이용하면 좀 더 정확하면서 구체적인 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

필름의 수분차단 특성을 양호하게 하기 위해서 필름을 다층필름으로 제작하여 수분 차단의 기능을 주게 된다. 또한 수분 차단의 재료로 금속분이 많이 사용되는데 금속분을 필름에 진공증착 시켜 분산도를 향상시킴으로써 수분 차단성을 높이게 된다. 이러한 방법 등은 재료비나 기타 제조비용을 높여 경제적/환경 오염적인 측면을 증대시키게 되는데, 이러한 수분차단의 효과를 높이기 위하여 버려지는 폐기물인 fly ash를 이용할 수 있다. 또한 기술개발을 통하여 향후 무기계 슬러지(제지, 도금, 염색 슬러지 등)를 활용하여 다양한 제품 생산을 기대할 수 있다.

실시예 1.

Table 1. 컴파운딩 배합 비율.(단위 : wt%)

종류	D사 FLY ASH	T사 FLY ASH	POLYOLEFIN	첨가제
DFL-10	10		90	5
DFL-20	20		80	5
TFL-5		5	95	5
TFL-10		10	90	5
TFL-15		15	85	5
TFL-20		20	80	5

Table 2. 공압출 작업 조건.

	실린더1	실린더2	실린더3	실린더4	다이스1	다이스2	다이스3
온도(℃)	180	180	180	180	215	215	215
내측작업RPM	65	외측작업 RPM		65	기타

Table 3. 필름 성형 배합 비율.(단위 : wt%)

종류	DFL-10	DFL-20	TFL-5	TFL-10	TFL-15	TFL-20
EVA	50 : 50	50 : 50	50 : 50	50 : 50	50 : 50	50 : 50
첨가제	5	5	5	5	5	5
비고

1)기계적물성 분석

Fig 1. T사, D사 fly ash(10%,20%) + EVA(50%) 첨가 필름 인장강도(kg/cm2).

Fig 2. T사, D사 fly ash(10%, 20%) + EVA(50%) 첨가 필름 신장률(%).

Fig 3. T사, D사 fly ash(10%, 20%) + EVA(50%) 첨가 필름 인열강도(kg/cm).

Fly ash 첨가에 따른 필름의 기계적 물성 측정을 진행 했다. 인장강도 결과는 Fig. 1과 같다. 인장강도가 최대인 것은 fly ash 10% 첨가 일 때이며, 인장강도가 최소인 것은 fly ash 20% 첨가 일 때이다.

신장률은 Fig. 2와 같으며, 신장률은 fly ash 첨가량이 5% ~ 15% 일 때가 거의 비슷하게 관찰되고, fly ash 첨가량이 20% 일 때가 신장률이 가장 낮게 관찰 된다.

인열강도의 경우는 Fig. 3과 같으며, 인열강도는 fly ash 첨가량이 10% 일 때 인열강도가 가장 높게 관찰 되며, fly ash 첨가량이 20% 일 때 인열강도가 가장 낮게 관찰 된다. 전체적으로

fly ash의 함량이 증가 할수록 기계적 물성(인장, 인열, 신율)은 감소하는 경향을 나타내는데, 이는 fly ash 성분이 높아질수록 resin 과 컴파운딩 시 고분자 사슬에 영향을 미쳐 기계적 물성이 낮아진 것으로 예상된다. 이러한 결과는 fly ash를 첨가하여 HIPS를 재생한 결과와도 일치하게 된다. 또한 T사의 fly ash가 D사의 fly ash에 비하여 기계적 물성이 높게 관찰 된다. 이는 T사의 fly ash SEM 사진에서 관찰 되듯이, T사의 fly ash가 D사의 fly ash보다 입자가 구형을 띄어 컴파운딩 시 균일하게 분배/분산된 결과로 예상 할 수 있다.

Fig 4. 투습도 측정 데이터(g/㎡?24h, 40±1℃, 90±2%).

투습 특성을 분석하기 위하여 투습컵을 이용하여 측정하였으며, 투습도 측정 데이터는 Fig. 4와 같다. 시험 결과를 보면 fly ash 컴파운드 함량이 10% 일 때 투습 성능이 가장 양호한 것으로 관찰 되며, fly ash 컴파운드 함량이 20%일 때 투습 성능이 가장 미흡한 것으로 관찰 된다. Fly ash가 10% 일 때 D사의 fly ash가 투습이 T사 대비 뛰어난 것으로 관찰 되는데, 이는 입자분포 데이터에서 관찰 할 수 있듯이 T사의 fly ash가 D사의 fly ash에 비하여 입자분포가 균일하지 않기 때문으로 관찰된다. 결과적으로 입자분포의 균일성이 투습 성능에 영향을 미친다고 추측 되어 진다. Fly ash가 20% 첨가된 경우에는 fly ash가 10% 첨가된 경우에 비하여 fly ash의 양이 많은데 투습 성능면에서는 떨어지는 것을 관찰 할 수 있다. 이는 fly ash의 함량에 따른 차이는 투습에 영향을 미치지 않는 것으로 보이며, 입자의 형태가 구형이든 침상형이든 관계없이 입자분포가 투습에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한 base film 대비 fly ash 첨가 필름이 투습 성능이 향상되는 것도 관찰이 된다.

(a) D사 (b) T사

Fig 5. Fly ash 컴파운딩 필름 표면

(a) D사 (b) T사

Fig 6. Fly ash의 미세구조.

D사의 fly ash를 첨가하여 성형한 필름의 단면을 살펴보면, D사, T사 모두 고분자 사슬이 fly ash와 유기적 결합을 잘 이루고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 D사의 fly ash를 이용하여 필름 성형 작업 시에 필름에 hole이 발생하여 필름 성형이 잘되지 않았는데, 이는 SEM 사진에서도 관찰 되듯이 D사의 입자가 원형이 아닌 침상형을 띤 형태라서 필름 성형 시 fly ash가 resin 밖으로 튀어나와 hole이 생긴 것으로 추측 할 수 있다. 따라서 필름 성형의 경우에는 D사의 침상형 fly ash 입자보다는 T사와 같이 입자의 표면이 원형인 것이 고분자물질과 잘 결합하여 재활용가치가 우수할 것으로 판단된다.

Fig 7. 점착력 분석 데이터(g/25㎜).

Claims (3)

1. Fly ash를 첨가하여 압출 작업을 하는 방법 및 필름 성형, 쉬트 성형 등을 하는 방법.
2. 투습 방지 특성 및 물성 계량을 위하여 fly ash를 사용하는 방법.
3. Fly ash를 첨가하여 성형된 제품 및 자기점착성 과 투습성을 동시에 주는 방법.