KR20100122637A - Method for preparing an organically modified layered clay using a supercritical fluid state of carbon dioxide - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of organically modified layered clay is provided to easily manufacture the organically modified layered clay for manufacturing a polymer-clay nanocomposite by improving the compatibility with a polymer. CONSTITUTION: A manufacturing method of organically modified layered clay comprises the following steps: adding carbon dioxide and layered clay to a solution dissolved with an organic polymer or an oligomer, and dispersing the added material; adsorbing the organic polymer or the oligomer to the surface of the clay, by swelling the clay through changing the carbon dioxide into a supercritical fluid state; and interlayer exfoliating the clay by vaporizing the carbon dioxide.

Description

초임계 유체상태의 이산화탄소를 이용한 유기화 층상 클레이의 제조방법 {METHOD FOR PREPARING AN ORGANICALLY MODIFIED LAYERED CLAY USING A SUPERCRITICAL FLUID STATE OF CARBON DIOXIDE}Manufacturing method of organic layered clay using carbon dioxide in supercritical fluid state {METHOD FOR PREPARING AN ORGANICALLY MODIFIED LAYERED CLAY USING A SUPERCRITICAL FLUID STATE OF CARBON DIOXIDE}

본 발명은 초임계 유체상태의 이산화탄소를 이용하여, 고분자-클레이 나노복합체의 제조에 유용하게 사용되는 유기화 층상 클레이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an organic layered clay which is usefully used for the preparation of polymer-clay nanocomposites using carbon dioxide in a supercritical fluid state.

나노재료란 초미세 크기의 단위 구조로 이루어진 재료를 말하며, 상기 단위 구조의 크기는 100nm 이내로서 이는 머리카락 굵기의 1000분의 1 미만에 해당한다. 이는 기존의 마이크로미터 크기의 물질과 비교해 볼 때 새롭고 다양한 기능을 갖는 고도화된 기술로서, 현대 산업기술이 요구하는 미세 부품 및 다기능성에 부응하는 첨단 신재료라 할 수 있다.Nanomaterial refers to a material consisting of a unit structure of ultra-fine size, the size of the unit structure is within 100nm, which corresponds to less than one thousandth of the hair thickness. This is a new and versatile advanced technology compared to conventional micrometer-sized materials, and is an advanced new material that meets the fine parts and versatility required by modern industrial technology.

무기/금속입자-분산 고분자 나노복합체(nanocomposite)는 열가소성 수지, 열경화성 수지 등의 고분자 재료에 무기/금속입자를 나노 스케일로 박리, 분산시킴으 로써 기계적 물성이 개선된, 즉 내충격성, 인성 및 투명성의 손상 없이 ① 강도 및 강성, ② 가스 및 액체 투과억제성능, ③ 난연성 및 방염성, ④ 내마모성, ⑤ 고온안정성이 대폭 향상된, 신개념의 차세대 복합소재이다. 무기/금속입자-분산 고분자 나노복합체는 이러한 특성을 바탕으로 자동차, 항공우주 및 선박, 포장재 및 용기, 도료 및 코팅, 전자정보, 건축토목, 의료분야 등 사회 전반에 걸쳐 응용될 것으로 기대되고 있다.Inorganic / metal particle-dispersed polymer nanocomposite (nanocomposite) has improved mechanical properties, ie impact resistance, toughness and transparency by peeling and dispersing inorganic / metal particles at a nano-scale in polymer materials such as thermoplastic resins, thermosetting resins, etc. It is a new concept of next generation composite material with much improved ① strength and stiffness, ② gas and liquid permeation inhibitory performance, ③ flame retardancy and flame resistance, ④ abrasion resistance, ⑤ high temperature stability. Based on these characteristics, inorganic / metal particle-dispersed polymer nanocomposites are expected to be applied to society, such as automobiles, aerospace and ships, packaging materials and containers, paints and coatings, electronic information, civil engineering, and medical fields.

이러한 무기/금속입자-분산 고분자 나노복합체의 우수한 물성을 유지하면서 경량화 및 재활용성을 더욱 증가시키기 위한 일환으로서 최근 고분자-클레이 나노복합체가 부각되고 있다. 고분자-클레이 나노복합체 제조기술은, 실리케이트 층상 구조를 갖는 클레이의 층 사이로 고분자 수지를 침투시킴으로써 층상 구조의 박리를 유발시켜, 나노 스케일의 층상 실리케이트를 고분자 수지에 박리, 분산시킴으로써 기계적 물성이 좋지 않은 범용 고분자의 물성을 향상시킬 수 있는 기술이다. 이러한 고분자-클레이 나노복합체는 실리케이트 층 사이에 고분자를 삽입시키는 삽입형 나노복합체(intercalated nanocomposite)와 실리케이트 층을 완전히 분산시키는 박리형 나노복합체(exfoliated nanocomposite)로 크게 구분된다.The polymer-clay nanocomposites have recently emerged as part of increasing weight reduction and recyclability while maintaining excellent physical properties of the inorganic / metal particle-dispersed polymer nanocomposites. The polymer-clay nanocomposite manufacturing technology induces delamination of a layered structure by infiltrating a polymer resin between layers of clay having a silicate layered structure, and peels and disperses nanoscale layered silicate in a polymer resin, thereby making it a general purpose that the mechanical properties are poor. It is a technology that can improve the physical properties of polymers. Such polymer-clay nanocomposites are broadly classified into intercalated nanocomposites that insert polymers between silicate layers and exfoliated nanocomposites that completely disperse the silicate layers.

층상 클레이를 구성하는 층상 실리케이트는 기본적으로 실리카 4면체 시트(silica tetrahedral sheet)와 알루미나 8면체 시트(alumina octahedral sheet)의 조합으로 이루어져 있고, 그 층간에는 Na+, Li+ 등의 이온이 채워져 있으며, 시트의 말단에는 OH 기가 존재한다. 즉, 층상 클레이는 매우 극성인 친수성 구조를 갖는다.The layered silicate constituting the layered clay is basically composed of a combination of silica tetrahedral sheet and alumina octahedral sheet, and the layers are filled with ions such as Na + , Li + , At the end of the sheet is an OH group. That is, the layered clay has a very polar hydrophilic structure.

그러나, 상술한 바와 같은 층상 클레이의 강한 친수성에 기인하여 클레이의 층과 층 상호간에 강력한 인력이 존재함으로 인해서, 고분자-클레이 나노복합체 제조시, 친유성인 대부분의 고분자를 층상 클레이의 층 내에 삽입시키고 층상 실리케이트를 고분자 수지에 박리, 분산시키는 것이 매우 어렵다는 문제점이 있었다.However, due to the strong hydrophilicity of the layered clays as described above, due to the presence of strong attractive forces between the layers of the clay and the layers, the polymer-clay nanocomposites were made to incorporate most of the lipophilic polymer into the layer of the layered clay. There was a problem that it is very difficult to peel and disperse the layered silicate in the polymer resin.

예를 들어, 실리케이트 층상 구조를 갖는 클레이의 일종인 몬트모릴로나이트(montmorillonite(MMT), 화학식 [(Al3.15Mg0.85)Si8O20(OH)4X0.85ㆍnH2O])의 경우, 4면체 실리카 층에서 Si4+ 대신에 원자가가 낮은 Al3+ 이온이 치환되고, 8면체 알루미나 층에서 Al3+ 대신에 원자가가 낮은 Fe2+, Mg2+ 이온이 치환되어 전체 층 전하는 부(-)가 되며 이를 보상하기 위하여 층간에 양이온이 존재한다. 층간에 존재하는 양이온으로는 Ca2+, Mg2+ 이온이 대부분이고 Na+, H+, K+ 등도 소량 존재하는데, 2가의 양이온은 1가의 양이온에 비해 4면체 실리케이트 층과 결합력이 강하여 이온교환능이 작고, 결과적으로 물과 접촉시 낮은 팽윤도를 발휘한다. 통상적인 몬트모릴로나이트의 구조를 도 1에 모식도로서 나타내었다.For example, in the case of montmorillonite (MMT), a formula [(Al 3.15 Mg 0.85 ) Si 8 O 20 (OH) 4 X 0.85 nH 2 O], which is a kind of clay having a silicate layered structure, The lower valence Al 3+ ions are substituted for Si 4+ in the tetrahedral silica layer, and the lower valence Fe 2+ and Mg 2+ ions are substituted for Al 3+ in the octahedral alumina layer so that the total layer charge is negative. -) And cations exist between layers to compensate for this. Most cations present between layers are Ca 2+ and Mg 2+ ions, and Na + , H + , K +, etc., are present in small amounts. The divalent cations have a stronger bond with the tetrahedral silicate layer than the monovalent cations. It is small and consequently exhibits a low degree of swelling upon contact with water. The structure of a typical montmorillonite is shown as a schematic diagram in FIG.

따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위해, 극성 실리케이트의 층상 구조 사이에 저분자량의 유기화제(intercalant)를 삽입하여 유기화 층상 클레이(OLS: organically modified layered clay)를 제조하는 기술이 소개되었다. 이 유기화 층상 클레이는 실리케이트 층간에 존재하던 양이온이 유기화제의 양이온으로 치환됨 으로써 그 표면이 개질되어, 추후 클레이-고분자 나노복합체 제조시 고분자의 침투를 용이하게 해 주는 등 고분자와의 상용성이 우수하다는 잇점을 갖는다.Therefore, in order to remedy this problem, a technique for preparing an organically modified layered clay (OLS) by introducing a low molecular weight intercalant between the layered structures of the polar silicates has been introduced. The organic layered clay has excellent compatibility with polymers such as the cations present between the silicate layers are replaced by cations of organic agents, thereby improving the surface and facilitating the penetration of polymers in the preparation of clay-polymer nanocomposites. Has the advantage.

이에, 고분자와의 상용성이 증대된 유기화 층상 클레이를 보다 용이하게 제조하고자 하는 노력이 지속적으로 연구되고 있다.Accordingly, efforts to more easily manufacture organic layered clay having increased compatibility with polymers have been continuously studied.

따라서, 본 발명의 목적은 고분자와의 상용성이 증대되어 고분자-클레이 나노복합체 제조시 유용하게 사용될 수 있는 유기화 층상 클레이를 보다 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for more easily preparing an organic layered clay that can be usefully used in preparing a polymer-clay nanocomposite due to increased compatibility with a polymer.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above object,

(1) 유기물 고분자 또는 올리고머가 용해된 용액에 이산화탄소 및 층상 클레이를 첨가하여 분산시킨 후, (1) After dispersing by adding carbon dioxide and layered clay to a solution in which an organic polymer or oligomer is dissolved,

(2) 상기 이산화탄소를 초임계 유체상태로 만들어 상기 클레이를 팽윤시킴으로써 클레이의 표면에 상기 유기물 고분자 또는 올리고머를 흡착시킨 다음, (2) adsorbing the organic polymer or oligomer to the surface of the clay by making the carbon dioxide into a supercritical fluid state and swelling the clay,

(3) 상기 초임계 유체상태의 이산화탄소를 기화시켜 상기 클레이를 층간 박리시키는 것을 포함하는,(3) vaporizing the carbon dioxide in the supercritical fluid state to delaminate the clay,

유기화 층상 클레이의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing an organic layered clay.

본 발명의 제법에 의하면, 고분자와의 상용성이 증대되어 고분자-클레이 나노복합체 제조시 유용하게 사용될 수 있는 유기화 층상 클레이를 보다 용이하게 제조할 수 있으며, 이와 같이 제조된 본 발명의 유기화 층상 클레이는 고분자 수지의 내충격성, 인성, 투명성에 손상을 주지 않고 강도, 강성도, 가스투과 억제능, 방염성, 내마모성 및 고온안정성이 우수한 고분자-클레이 나노복합체를 제공할 수 있다.According to the manufacturing method of the present invention, the compatibility with the polymer is increased, so that the organic layered clay which can be usefully used in the preparation of the polymer-clay nanocomposite can be produced more easily, and the organic layered clay of the present invention thus prepared is It is possible to provide a polymer-clay nanocomposite excellent in strength, stiffness, gas permeability, flame resistance, abrasion resistance and high temperature stability without damaging the impact resistance, toughness and transparency of the polymer resin.

본 발명에 따른 유기화 층상 클레이 제법은, (1) 유기물 고분자 또는 올리고머를 용매에 용해시킨 후 이 용액에 이산화탄소 및 층상 클레이를 첨가하여 분산시키는 단계; (2) 상기 이산화탄소를 초임계 유체 상태로 만들어 상기 클레이를 팽윤시킴으로써 클레이의 표면에 유기물 고분자 또는 올리고머를 흡착시키는 단계; 및 (3) 상기 초임계 유체 상태의 이산화탄소를 기화시켜 기화하는 순간의 팽창되는 힘을 이용하여 상기 클레이를 층간 박리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는, 상기 이산화탄소가 기화된 후에도 상기 유기물 고분자 또는 올리고머가 상기 클레이의 표면에 흡착되어 존재함으로써 클레이의 박리 상태를 유지시킬 수 있다.The organic layered clay manufacturing method according to the present invention comprises the steps of: (1) dissolving an organic polymer or oligomer in a solvent and then dispersing by adding carbon dioxide and layered clay to the solution; (2) adsorbing an organic polymer or oligomer to the surface of the clay by swelling the clay by making the carbon dioxide into a supercritical fluid state; And (3) delaminating the clay using an expanding force at the moment of vaporizing and vaporizing carbon dioxide in the supercritical fluid state. In the present invention, even after the carbon dioxide is vaporized, the organic polymer or oligomer is adsorbed on the surface of the clay, thereby maintaining the peeled state of the clay.

본 발명에 따르면, 상기 단계 (1)에 앞서, 층상 클레이를 증류수(H2O)에 분산시키거나, 층상 클레이에 대해 초음파(sonicator) 처리를 하거나, 또는 층상 클레이를 증류수에 분산시킨 상태에서 초음파 처리를 수행함으로써, 층상 클레이를 예비적으로 분산 및 팽윤시킬 수 있다. According to the present invention, prior to the step (1), the ultrasonic wave in the state of dispersing the layered clay in distilled water (H 2 O), sonicator (sonicator) for the layered clay, or dispersed in the distilled water By carrying out the treatment, the layered clay can be preliminarily dispersed and swelled.

클레이의 입자는 결정성 규산염의 작은 판들로 이루어진 층들 또는 적층물들에 의해 형성된다. 층들은 전기화학적 인력에 의해 강하게 결합되는데, 이들이 증류수에 노출될 경우, 증류수가 층들 사이의 입자들에 확산되어 층들을 분리시킴으로써 층들이 강하게 결합하지 못하게 한다. 즉, 증류수를 가하는 것으로 클레이는 팽윤하는 특성을 갖는다. 또한, 물리적 박리법의 하나로서 초음파 처리를 이용할 수 있는데, 초음파의 처리시간이 길어질수록 크기가 일정하지 않은 층상 클레이의 입자가 박리되면서 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. The particles of clay are formed by layers or stacks of small plates of crystalline silicates. The layers are tightly bound by electrochemical attraction, when they are exposed to distilled water, the distilled water diffuses into the particles between the layers and separates the layers so that the layers do not bind strongly. That is, the clay has the property of swelling by adding distilled water. In addition, ultrasonic treatment may be used as one of the physical peeling methods, and as the treatment time of the ultrasonic wave becomes longer, it may be confirmed that the size of the layered clay having a non-uniform size is reduced while peeling.

본 발명의 방법의 단계 (1)에서는, 유기물 고분자 또는 올리고머를 용매에 용해시킨 후 이 용액에 이산화탄소 및 층상 클레이를 첨가하여 분산시킨다.In step (1) of the process of the invention, the organic polymer or oligomer is dissolved in a solvent and then dispersed by adding carbon dioxide and layered clay to this solution.

상기 층상 클레이는 몬트모릴로나이트(montmorillonite, MMT), 벤토나이트(bentonite), 카올리나이트(kaolinite), 마이카(mica), 헥토라이트(hectorite), 불화헥토라이트(fluorohectorite), 사포나이트(saponite), 베이델라이트(beidelite), 논트로나이트(nontronite), 스티븐사이트(stevensite), 버미큘라이트(vermiculite), 할로사이트(hallosite), 볼콘스코이트(volkonskoite), 석코나이트(suconite), 마가다이트(magadite), 케냐라이트(kenyalite) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 몬트모릴로나이트를 사용할 수 있다. The layered clay is montmorillonite (MTMT), bentonite, kaolinite, kaolinite, mica, hectorite, fluorohectorite, saponite, saponite, vadel Beidelite, nontronite, stevensite, vermiculite, halosite, volkonskoite, suconite, sugite, magadite, kenya Kenyalite and mixtures thereof may be selected, and montmorillonite may be preferably used.

몬트모릴로나이트는 높은 에스펙트비(aspect ratio : 500 내지 1000)를 가진 대표적인 2:1 스멕타이트(smectite)계 층상 구조의 광물이다. 일반적인 몬트모릴로나이트의 층간 거리는 1nm 미만 정도이나, 양이온의 종류 및 수분 함량에 따라 층간 거리가 변하게 된다. 판상의 Na+ 몬트모릴로나이트가 뭉쳐있는 자연상태에서는 층 사이에 Na+ 나 Ca2+ 등이 수분과 함께 존재하며, 층간 거리는 대략 1nm 미만 정도이다.Montmorillonite is a representative 2: 1 smectite based layered mineral with a high aspect ratio (500 to 1000). In general, the montmorillonite has an interlayer distance of less than 1 nm, but the interlayer distance varies depending on the type of cation and water content. In the natural state where the plated Na + montmorillonite is aggregated, Na + or Ca 2+ is present between the layers with moisture, and the distance between layers is about 1 nm or less.

상기 유기물 고분자 또는 올리고머는 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에틸렌-프로필렌 디엔 고무(EPDM), 열가소성 올레핀(TPO), 무수말레산 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The organic polymer or oligomer is in the group consisting of ethylene vinyl acetate (EVA), ethylene-propylene diene rubber (EPDM), thermoplastic olefin (TPO), maleic anhydride grafted polypropylene (PP-g-MA) and mixtures thereof Can be selected.

상기 유기물 고분자 또는 올리고머가 용해된 용액의 용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 디메틸아세트아미드, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디클로로메탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 톨루엔을 사용할 수 있다.The solvent of the solution in which the organic polymer or oligomer is dissolved is methanol, ethanol, isopropyl alcohol, methyl formamide, dimethyl sulfoxide, dimethyl acetamide, xylene, toluene, benzene, acetone, dichloromethane and mixtures thereof. It may be selected from, preferably toluene can be used.

상기 층상 클레이 100 중량부를 기준으로, 상기 이산화탄소를 바람직하게는 30 내지 100 중량부, 더욱 바람직하게는 50 내지 60 중량부의 양으로 사용할 수 있고, 상기 유기물 고분자 또는 올리고머를 바람직하게는 80 내지 200 중량부, 더욱 바람직하게는 90 내지 110 중량부의 양으로 사용할 수 있다.Based on 100 parts by weight of the layered clay, the carbon dioxide may be used in an amount of preferably 30 to 100 parts by weight, more preferably 50 to 60 parts by weight, and preferably 80 to 200 parts by weight of the organic polymer or oligomer. More preferably 90 to 110 parts by weight.

본 발명의 방법의 단계 (2)에서는, 이산화탄소를 초임계 유체상태로 만들어 클레이를 팽윤시킴으로써 클레이의 표면에 유기물 고분자 또는 올리고머를 흡착시킨다.In step (2) of the method of the present invention, the organic polymer or oligomer is adsorbed on the surface of the clay by swelling the clay by making carbon dioxide into a supercritical fluid state.

초임계 유체(supercritical fluid, SCF)는 일정한 고온과 고압의 한계를 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점의 유체를 가리킨다. 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가진다. 또 확산이 빨라 열전도성이 높아 화학반응에 유용하게 사용된다. Supercritical fluid (SCF) refers to a fluid at a time when liquid and gas cannot be distinguished by reaching a state beyond the limits of constant high temperature and high pressure. The density of the molecule is close to liquid, but the viscosity is low, and thus close to gas. In addition, it has fast thermal diffusion and is useful for chemical reaction.

도 2에서 보는 바와 같이, 임계점 이하의 압력 및 온도 조건에서는 물 또는 이산화탄소가 기체, 액체, 그리고 고체상으로 존재하고 있으며, 각 곡선은 두 가지 상이 평형을 이루며 공존하는 압력이나 온도 조건을 의미한다. 즉, 액체와 기체 간의 곡선은 각 압력 조건 하의 끓는점을 의미하며, 이 선을 따라 온도나 압력을 증가시키면 임계점에 도달하게 된다. 온도나 압력의 증가에 따라 액체상은 열팽창 (thermal expansion)으로 인하여 밀도가 감소하고, 기체상은 압력 증가에 따라 밀도가 증가하는 상반된 변화를 계속하다가, 임계점 이상의 고온, 고압 조건에 도달하게 되면 두 상의 밀도가 동일한 값을 가지게 되고 두 가지 상 간의 구분이 없어지게 된다. 이러한 상태를 초임계 상태(supercritical state)라고 하며, 고체와 달리 변형이 쉽고 자유로이 흐르는 유체의 특성을 가지기 때문에 초임계 유체(SCF)라고 불리게 되었다. 참고적으로, 물의 임계점은 221 bar, 374℃이며, 이산화탄소의 임계점은 73.8 bar, 31.1℃이다. As shown in FIG. 2, water or carbon dioxide exists in a gas, a liquid, and a solid phase at pressure and temperature conditions below a critical point, and each curve means pressure or temperature conditions in which two phases are in equilibrium. In other words, the curve between liquid and gas means the boiling point under each pressure condition, and increasing the temperature or pressure along this line will reach the critical point. As the temperature or pressure increases, the liquid phase decreases in density due to thermal expansion, and the gas phase continues in opposing changes where the density increases with increasing pressure. Has the same value and there is no distinction between the two phases. This state is called a supercritical state, and since it is easy to deform and has the characteristics of a free flowing fluid, unlike a solid, it is called a supercritical fluid (SCF). For reference, the critical point of water is 221 bar, 374 ° C, and the critical point of carbon dioxide is 73.8 bar, 31.1 ° C.

초임계 유체상태의 이산화탄소는 다른 초임계 유체와는 달리 낮은 임계 치(73.8 bar, 31.1℃)를 갖는다. 또한, 초임계 유체상태의 이산화탄소는 온도와 압력을 조절함으로써 쉽게 용해력을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 확산계수가 일반 유기용매 및 물과 비교하여 10-100 배 정도 낮고 표면 장력이 없다.Supercritical fluid carbon dioxide has a low threshold (73.8 bar, 31.1 ° C) unlike other supercritical fluids. In addition, carbon dioxide in the supercritical fluid state can not only easily control the dissolving power by adjusting the temperature and pressure, but also has a diffusion coefficient of about 10-100 times lower than that of the general organic solvent and water and has no surface tension.

본 발명에서는 통상적인 초임계 유체 장치(오토클레이브 기능)를 사용하여 이산화탄소를 초임계 유체상태로 만들 수 있으며, 통상적인 초임계 유체 장치의 모식도 및 사진을 도 3에 나타내었다.In the present invention, a conventional supercritical fluid apparatus (autoclave function) can be used to make carbon dioxide into a supercritical fluid state, and a schematic diagram and photograph of a conventional supercritical fluid apparatus are shown in FIG. 3.

본 발명의 방법의 단계 (3)에서는, 초임계 유체상태의 이산화탄소를 기화시켜 기화하는 순간의 팽창되는 힘을 이용하여 상기 클레이의 층간 박리를 가속화한다.In step (3) of the method of the present invention, the delamination of the clay is accelerated using the expanding force at the moment of vaporizing and vaporizing carbon dioxide in a supercritical fluid state.

상기 초임계 유체상태의 이산화탄소의 기화 또한 오토클레이브 기능을 갖는 초임계 유체 장치 중에서 압력 및/또는 온도를 증가시킴으로써 달성할 수 있다.The vaporization of carbon dioxide in the supercritical fluid state can also be achieved by increasing the pressure and / or temperature in a supercritical fluid device having an autoclave function.

이러한 본 발명의 방법의 하나의 실시양태에 따른 층상 클레이의 유기화 처리예를 도 4에 모식도로서 나타내었다.An example of the organic treatment of layered clay according to one embodiment of such a method of the present invention is shown as a schematic diagram in FIG. 4.

이와 같은 본 발명의 방법에 의해 유기화 처리되어 얻어진 유기화 층상 클레이는 그 표면에 흡착된 유기물 고분자 또는 올리고머의 존재에 기인하여 층간 박리 상태가 유지됨으로써 추후 고분자-클레이 나노복합체 제조시 우수한 고분자 상용성을 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 유기화 층상 클레이는 고분자 수지의 내충격성, 인성, 투명성에 손상을 주지 않고 강도, 강성도, 가스투과 억제능, 방염성, 내마모성 및 고온안정성이 우수한 고분자-클레이 나노복합체를 제공할 수 있다.The organic layered clay obtained by the organic treatment by the method of the present invention maintains the delamination state due to the presence of the organic polymer or oligomer adsorbed on the surface, thereby exhibiting excellent polymer compatibility in the preparation of the polymer-clay nanocomposite in the future. Can be. In addition, the organic layered clay of the present invention can provide a polymer-clay nanocomposite excellent in strength, stiffness, gas permeability, flame resistance, abrasion resistance and high temperature stability without damaging the impact resistance, toughness and transparency of the polymer resin.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1]Example 1

에틸렌-프로필렌 디엔 고무(EPDM)를 톨루엔에 용해시킨 후 이 용액에 몬트모릴로나이트 Na+ ® (나노코(주))를 첨가하고 초임계 유체 장치(일신오토클레이브)에 도입하여, 140 bar의 압력 및 110℃의 온도 조건하에서 이산화탄소를 초임계 유체상태로 만들어 몬트모릴로나이트를 팽윤시켜 표면에 EPDM을 흡착시킨 다음, 상압 및 110℃의 온도 조건하에서 초임계 유체상태의 이산화탄소를 기화시켜 몬트모릴로나이트를 층간 박리시킴으로써 몬트모릴로나이트의 유기화 처리를 수행하였다. 이때, 몬트모릴로나이트 100 중량부에 대해서 이산화탄소 및 EPDM을 각각 60 중량부 및 100 중량부의 양으로 사용하였다. After dissolving ethylene-propylene diene rubber (EPDM) in toluene, montmorillonite Na + ® (Nanoco Co., Ltd.) was added to the solution and introduced into a supercritical fluid device (ILSIN Autoclave). Under pressure and temperature conditions of 110 ° C, carbon dioxide is made into a supercritical fluid state, swelling montmorillonite to adsorb EPDM on the surface, and then vaporizing the supercritical fluid carbon dioxide under atmospheric pressure and temperature conditions of 110 ° C. The organic treatment of montmorillonite was carried out by delaminating the lilonite. At this time, carbon dioxide and EPDM were used in amounts of 60 parts by weight and 100 parts by weight, respectively, based on 100 parts by weight of montmorillonite.

얻어진 생성물을 X-선 회절(XRD) 분석한 결과 유기화 처리가 유효하게 이루어졌음을 확인할 수 있으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.As a result of X-ray diffraction (XRD) analysis of the obtained product, it was confirmed that the organic treatment was effectively performed, and the results are shown in Table 1 below.

[실시예 2][Example 2]

에틸렌-프로필렌 디엔 고무(EPDM) 용액에 몬트모릴로나이트를 첨가하기에 앞서, 몬트모릴로나이트를 2차 증류수(H2O)에 분산시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 몬트모릴로나이트의 유기화 처리를 수행하였다.Before adding montmorillonite to the ethylene-propylene diene rubber (EPDM) solution, montmorillonite was dispersed in secondary distilled water (H 2 O) by the same method as in Example 1 above. The organic treatment of montmorillonite was performed.

얻어진 생성물을 XRD 분석한 결과 유기화 처리가 유효하게 이루어졌음을 확인할 수 있으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.As a result of XRD analysis of the obtained product, it can be confirmed that the organic treatment was effectively performed, and the results are shown in Table 1 below.

[비교예 1]Comparative Example 1

톨루엔을 사용하지 않고 EPDM 및 몬트모릴로나이트를 단순 혼합한 후 그 혼합물을 초임계 유체 장치에 도입한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 몬트모릴로나이트의 유기화 처리를 수행하였다.The organic treatment of montmorillonite was carried out in the same manner as in Example 1, except that EPDM and montmorillonite were simply mixed without toluene and then the mixture was introduced into a supercritical fluid apparatus. .

얻어진 생성물을 XRD 분석한 결과 EPDM이 용해되지 않아 유기화 처리가 미흡함을 확인할 수 있으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.As a result of XRD analysis of the obtained product, it was confirmed that EPDM was not dissolved and the organication treatment was insufficient, and the results are shown in Table 1 below.

[비교예 2]Comparative Example 2

EPDM을 사용하지 않고 몬트모릴로나이트를 2차 증류수에 분산시켜 사용한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법에 의해 몬트모릴로나이트의 유기화 처리를 수행하였다.The montmorillonite organic treatment was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that montmorillonite was dispersed in secondary distilled water without using EPDM.

얻어진 생성물을 XRD 분석한 결과 유기화 처리가 이루어지지 않았음을 확인할 수 있으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.As a result of XRD analysis of the obtained product, it was confirmed that no organic treatment was performed, and the results are shown in Table 1 below.

구분division d(Å)d (Å) 실시예 1Example 1 7.267.26 12.1712.17 실시예 2Example 2 7.827.82 11.3011.30 비교예 1Comparative Example 1 8.248.24 10.7210.72 비교예 2Comparative Example 2 8.028.02 11.0211.02

상기 표 1에 제시된 "d값"은 클레이 사이의 간격을 나타내는 것인바, d값이 커질수록 나노복합체 안에서 박리가 잘 된 상태로 분산되어 있다는 것을 의미하며, 박리가 잘 된 상태로 분산된 나노복합체는 적은 양의 클레이로 높은 물성 향상을 보이므로, 이 d값은 물성 판단의 중요한 척도가 된다."D value" shown in Table 1 indicates the interval between clays, which means that the larger the d value, the more dispersed the nanocomposite is in the nanocomposite, and the nanocomposite dispersed in the exfoliated state Since d shows a high physical property improvement with a small amount of clay, this d value is an important measure of physical property judgment.

따라서, 상기 표 1의 결과로부터, 실시예 1 및 2에서 얻어진 생성물이 유효하게 유기화 처리되어 박리가 잘 된 상태로 분산되어 있음을 알 수 있다.Therefore, from the results of Table 1, it can be seen that the products obtained in Examples 1 and 2 are effectively organicized and dispersed in a well-peeled state.

도 1은 통상적인 몬트모릴로나이트의 구조를 모식도로서 나타낸 것이고,1 is a schematic view showing the structure of a typical montmorillonite,

도 2는 압력 및 온도 변화에 따른 이산화탄소의 상 다이어그램이고,2 is a phase diagram of carbon dioxide according to pressure and temperature changes,

도 3은 통상적인 초임계 유체 장치의 모식도 및 사진이고,3 is a schematic and photograph of a conventional supercritical fluid apparatus,

도 4는 본 발명의 방법의 하나의 실시양태에 따른 층상 클레이의 유기화 처리예를 모식도로서 나타낸 것이다.4 is a schematic view showing an example of the organic treatment of layered clay according to one embodiment of the method of the present invention.

Claims (8)

(1) 유기물 고분자 또는 올리고머가 용해된 용액에 이산화탄소 및 층상 클레이를 첨가하여 분산시킨 후, (1) After dispersing by adding carbon dioxide and layered clay to a solution in which an organic polymer or oligomer is dissolved, (2) 상기 이산화탄소를 초임계 유체상태로 만들어 상기 클레이를 팽윤시킴으로써 클레이의 표면에 상기 유기물 고분자 또는 올리고머를 흡착시킨 다음, (2) adsorbing the organic polymer or oligomer to the surface of the clay by making the carbon dioxide into a supercritical fluid state and swelling the clay, (3) 상기 초임계 유체상태의 이산화탄소를 기화시켜 상기 클레이를 층간 박리시키는 것을 포함하는,(3) vaporizing the carbon dioxide in the supercritical fluid state to delaminate the clay, 유기화 층상 클레이의 제조방법.Process for producing organic layered clay. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 (1)에 앞서, 상기 층상 클레이를 증류수(H2O)에 분산시키거나, 층상 클레이에 대해 초음파(sonicator) 처리를 하거나, 또는 층상 클레이를 증류수에 분산시킨 상태에서 초음파 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는, 유기화 층상 클레이의 제조방법.Prior to step (1), the layered clay is dispersed in distilled water (H 2 O), sonicated (sonicator) treatment for the layered clay, or the ultrasonic treatment is performed while the layered clay is dispersed in distilled water A method for producing an organic layered clay, characterized in that the. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 층상 클레이가 몬트모릴로나이트(montmorillonite, MMT), 벤토나이트(bentonite), 카올리나이트(kalinite), 마이카(mica), 헥토라이트(hectorite), 불화헥토라이트(fluorohectorite), 사포나이트(saponite), 베이델라이트(beidelite), 논트로나이트(nontronite), 스티븐사이트(stevensite), 버미큘라이트(vermiculite), 할로사이트(hallosite), 볼콘스코이트(volkonskoite), 석코나이트(suconite), 마가다이트(magadite), 케냐라이트(kenyalite) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 유기화 층상 클레이의 제조방법.The layered clay is montmorillonite (MMT), bentonite, bentonite, kalinite, mica, hectorite, fluorohectorite, saponite, saponite, vadel Beidelite, nontronite, stevensite, vermiculite, halosite, volkonskoite, suconite, sugite, magadite, kenya A method for producing an organic layered clay, characterized in that selected from the group consisting of kenyalite and mixtures thereof. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유기물 고분자 또는 올리고머가 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에틸렌-프로필렌 디엔 고무(EPDM), 열가소성 올레핀(TPO), 무수말레산 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 유기화 층상 클레이의 제조방법.The organic polymer or oligomer in the group consisting of ethylene vinyl acetate (EVA), ethylene-propylene diene rubber (EPDM), thermoplastic olefin (TPO), maleic anhydride grafted polypropylene (PP-g-MA) and mixtures thereof The method for producing an organic layered clay, characterized in that selected. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유기물 고분자 또는 올리고머가 용해된 용액이, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 디메틸아세트아미드, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디클로로메탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기화 층상 클레이의 제조방법.The solution in which the organic polymer or oligomer is dissolved is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, methylformamide, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, xylene, toluene, benzene, acetone, dichloromethane and mixtures thereof. A method for producing an organic layered clay, characterized in that it comprises a solvent selected. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 이산화탄소 및 유기물 고분자 또는 올리고머를 각각 층상 클레이 100 중량부 를 기준으로 30 내지 100 중량부 및 80 내지 200 중량부의 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 유기화 층상 클레이의 제조방법.The carbon dioxide and the organic polymer or oligomer are used in an amount of 30 to 100 parts by weight and 80 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the layered clay, respectively. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된, 표면에 유기물 고분자 또는 올리고머가 흡착된 유기화 층상 클레이.An organic layered clay obtained by adsorbing an organic polymer or oligomer on a surface prepared by the method according to any one of claims 1 to 6. 제 7 항의 유기화 층상 클레이 및 고분자 물질을 혼합하여 얻어진 고분자-클레이 나노복합체.A polymer-clay nanocomposite obtained by mixing the organic layered clay of claim 7 and a polymer material.
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