KR20120089967A - 폴리에스테르 수지 조성물 - Google Patents

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KR20120089967A
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Abstract

본 발명은 유리섬유 강화 플라스틱 수지 조성물로서, 폴리에스테르 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(PET), 유리 섬유 및 랜덤 에틸렌-메틸아크릴레이트-글리시딜메타아크릴레이트 삼원 공중합체(EMG)을 포함하는 폴리에스테르 수지에 관한 것이다.

Description

폴리에스테르 수지 조성물 {Polyester Resin Composition}
본 발명은 유리섬유 강화 플라스틱 수지 조성물로서, 폴리에스테르 수지 조성물에 관한 것이다.
폴리에스테르계 수지는 비교적 높은 결정화도를 가지고, 기계적 성질과 내열성이 비교적 뛰어나며, 온도의 변화에 대한 뛰어난 치수안정성을 나타내는 엔지니어링 플라스틱이다. 수분흡수율이 적어서 고온습도 하에서도 비교적 장시간 동안의 사용이 가능하고 내약품성과 내화학성이 우수하여 외관이 미려하여 여러 가지 용도에 널리 사용되고 있다.
폴리에스테르계 수지 중 PBT는 특히 비교적 낮은 체적저항을 갖고, 절연파괴강도, 내아크성, CTI 등의 전기적 특성이 다른 엔지니어링 플라스틱에 비해 비교적 뛰어나다. 결정화 속도도 빠르기 때문에 사이클 타임(Cycle time)을 줄일 수 있어 생산성이 뛰어나고 흐름성이 우수하기 때문에 복잡한 모양의 제품이나 소형제품의 사출이 용이한 장점을 가지고 있다. 따라서 PBT는 위와 같은 특성으로 인해 전기, 전자재료로서 각종 커넥터, 콘덴서, 스위치 등의 조명기기의 케이스 등 에 광범위하게 적용되고 있고, 그 적용 범위는 계속하여 확대되어 포커스 팩(Focus Pack), 점화 플러그, 각종 커넥터(Connector)류 등 높은 전기적 특성을 요구하는 자동차용 소재로도 사용되고 있다.
PBT는 이와 같이 뛰어난 전기적 특성과 낮은 수분 흡수율로 전기, 전자재료로 사용되기에 적합하지만, 역시 고온과 다습한 환경하에서 장시간 사용하게 되면 분해가 일어나게 되어, 기계적 물성과 전기적 특성 저하가 일어나게 된다. 그런데 자동차 부품에 있어 전기, 전자부품이 점차 발전하고 그 용도가 다양해 짐에 따라 더 가혹한 조건과 더 높은 사용전압 하에서 장시간 동안 전기적 특성을 유지할 수 있어야 하고, 기계적 물성 유지력 또한 높게 요구된다. 따라서 이러한 경우 유리섬유(Glass Fiber)를 사용하여 소재를 강화시킴으로써 기계적 물성을 대폭 높일 수 있다.
하지만 유리섬유 강화 PBT의 경우, PBT본래의 특성이 폴리에스테르계 수지 중 구조상 유사한PET수지에 비해 결정화 속도가 빠른 편이고, 특히 유리섬유를 첨가하는 경우에는 유리섬유 자체가 핵제 효과를 발현하여 결정화 속도가 더욱더 빨라지는 특징이 있다. 결정화 속도가 빠르다는 것은 사출, 압출 등 플라스틱 성형품 가공 시에 공정 사이클이 단축되어 생산량이 증대된다는 장점이 있다. 따라서 PBT는 PET에 비해 공정상, 성형상의 장점(이점)을 가지고 있지만, 결정화 속도가 빠름으로 인해 발생하는 문제점의 하나는 성형품의 구조가 복잡하여 사출 시 금형으로 용융물이 2개 이상의 주입구로 삽입될 경우이다. 반대로 하나의 주입구로 삽입될 경우에는 성형품이 연속적으로 이루어져 있기 때문에 다음 문제가 발생하지 않지만 2개 이상으로 삽일 될 경우에는 2개의 주입구에서 용융물이 만나는 접합 부분에 웰드 라인(Weld-Line)이 발생하는 문제점이 있다. 이것은 성형물의 구조상 어쩔 수 없는 문제이지만 본 사항에 대한 문제점으로는 성형물에 미세한 선이 생기는 외관상의 문제점이 있고, 특히 웰드 라인에서의 강도는 다른 부분에 비해 매우 취약한 단점을 가지고 있다.
유리섬유를 미포함한 비강화 소재의 경우에는 다소 결정화 속도가 늦은 편이고, 추가로 결정화 속도가 느린 수지를 적절하게 혼합하는 기술 또한 존재한다. 웰드 라인에서 발생하는 웰드 라인 강도를 보강하기 위한 기술적 사례로는 특히 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 수지에 관한 특허들이 국내외로 많이 존재한다. 한국 공개특허 2010-0070005호에서는 웰드강도가 우수한 폴리카보네이트 수지 조성물에서 폴리카보네이트 수지 외에 비닐계 공중합체, 비결정성 열가소성 폴리에스테르 수지를 첨가하여 웰드라인 강도를 증진시키고 내충격, 내열성도 보강한 사례이지만 본 발명이 제시하는 폴리에스테르 유리섬유 강화 소재의 경우와 무관한 사례이다. 이와 비슷한 사례로 유럽 특허 0155989호 또한 폴리카보네이트 수지 혼합물에 관한 것으로 비결정성 폴리에스테르 공중합체, 내충격제를 혼합하여 웰드라인 강도 및 충격강도를 보강하였다고 한다.
상기와 같은 기술을 검토해 보면, 대체적으로 비결정성 수지, 비강화 수지의 웰드라인 특성을 보완한 조성물 특허가 대부분이다. 그러나, PBT 등과 같은 폴리에스테르 수지를 사용한, 그 중 특히 유리섬유 강화 폴리에스테르 수지 같은 경우의 조성물 특허는 전무한 실정이다.
본 발명은 결정화 속도가 빠른 PBT 유리섬유 강화 수지의 성형품에서 발생하는 웰드 라인의 강도 및 반복 cycle 특성을 향상시킨 폴리에스테르 수지 조성물을 제공하고자 한다.
이에 본 발명은 바람직한 제1 구현예로서, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지(PBT) 100 중량부에 대하여, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(PET) 20 내지 50 중량부; 유리 섬유 70 내지 130 중량부; 및 하기 화학식 1로 표시되는 단위구조를 포함하는 랜덤 에틸렌-메틸아크릴레이트-글리시딜메타아크릴레이트 삼원 공중합체(EMG) 3 내지 15 중량부를 포함하는 폴리에스테르 수지 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
여기서 R은 수소원자, 알킬기 또는 아릴기이며, x와 y는 2~50의 정수 이다.
상기 구현예에 의한 PBT 수지는 그 고유점도가 0.8~1.4dl/g이고, PET 수지는 그 고유점도가 0.6~1.2dl/g일 수 있다.
상기 구현예에 의한 유리 섬유는 공칭 지름이 10 내지 13㎛이고, 공칭 길이가 3 내지 5mm인 촙(chop) 형태일 수 있다.
상기 구현예에 의한 폴리에스 테르 수지 조성물은 인장강도가 1,300~1,600 Kg/cm2, 굴곡 강도가 2,200~2,600 Kg/cm2, 충격강도가 7~14 Kg?cm/cm, 웰드라인 강도가 500~700 Kg/cm2, 웰드라인 반복 cycle test(5mm반복 cycle)에서 2,000회 이상 시편이 손상되지 않는 특성을 나타내는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 폴리에스테르 수지 조성물은 Weld-Line부분의 강도 및 반복cycle특성을 우수하여, 각종 전기 제품의 커넥터 부품 및 가정용구품에 적용 가능하다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 성형품의 웰드 라인(Weld-Line)의 강도 및 반복 사이클 특성을 향상시킬 수 있는 폴리에스테르 수지 조성물로서, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지(PBT) 100 중량부에 대하여 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(PET) 20 내지 50 중량부; 유리 섬유 70 내지 130 중량부; 및 하기 화학식 1로 표시되는 단위구조를 포함하는 랜덤 에틸렌-메틸아크릴레이트-글리시딜메타아크릴레이트 삼원 공중합체(EMG) 3 내지 15 중량부를 포함하는 폴리에스테르 수지 조성물에 관한 것이다.
[화학식 1]
Figure pat00002
여기서 R은 수소원자, 알킬기 또는 아릴기이며, x와 y는 2~50의 정수 이다.
구체적으로, 폴리부티렌테레프탈레이트(Poly butylene terephthalate, PBT)를 주성분으로 한 유리섬유 강화 플라스틱 수지 조성물로서, 폴리에티렌테레프탈레이트(Poly butylene terephthalate, PET)를 함께 사용하여 결정화 속도 부분을 낮추고, 랜덤 에틸렌-메틸아크릴레이트-글리시딜메타아크릴레이트 삼원 공중합체(EMG)를 사용하여 기계적 강도를 개선한 폴리에스테르 수지 조성물에 관한 것이다.
한편, 상기 폴리에스테르 수지 조성물을 각 구성 성분 별로 상세히 설명하면 다음과 같다. 상기 조성물은 두 가지 폴리에스테르 수지를 포함한다. 이러한 폴리에스테르 수지로는 PBT 수지와 PET 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용된 PBT 수지는 1.4-부탄디올과 테레프탈산 또는 디메틸테레 프탈레이트를 단량체로 사용하여 직접에스테르화 반응 또는 에스테르교환 반응을 통하여 축중합에 의해서 제조된 것일 수 있으며, 그 고유점도가 0.8~1.4dl/g인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용된 PET 수지는 에틸렌글리콜과 테레프탈산 또는 디메틸테레 프탈레이트를 단량체로 사용하여 직접에스테르화 반응 또는 에스테르교환 반응을 통하여 축중합에 의해서 제조된 것일 수 있으며, 그 고유점도는 0.6~1.2dl/g인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
PET 수지는 결정화 온도가 낮아 폴리에스테르 수지 조성물 자체의 결정화 속도를 늦춰주는 역할을 하며, 이러한 결정화 속도를 고려하여, PET 수지의 함량은 PBT 수지 100 중량부에 대하여 20 내지 50 중량부인 것이 바람직하다.
본 발명에 사용된 유리섬유는 촙 형태를 가지는 것으로 직경이 10~13㎛이고 길이는 3~3.5㎜이며, 표면은 커플링 처리제로 처리되어 있는 유리섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 커플링 처리제는 비닐기, 에폭시기, 머캅탄기, 아민기 등의 유기 관능기를 갖는 실란계 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 유리 섬유는 폴리에스테르 수지 조성물 및 이로부터 얻어진 플라스틱 성형품의 기계적 물성, 특히, 기계적 강도를 보강하는 역할을 할 수 있다. 이러한 유리 섬유는 PBT 수지의 100 중량부에 대해, 70~130 중량부의 함량으로 포함되는 것이 바람직 하다. PBT 수지에 비해 유리섬유의 중량부가 커질 수 있는 이유는 사용한 폴리에스테르 수지가 PBT, PET의 두 가지로 사용하였고, 본 발명은 PBT 수지가 중심 물질로 사용하였으므로 위와 같은 사항이 발생할 수 있다. 이러한 유리 섬유의 함량이 지나치게 작아지면 전체적인 기계적 물성이 저하될 수 있고, 반대로 지나치게 커지면 신도가 저하되며, 특히 성형품의 웰드라인 강도 및 반복 cycle 특성이 매우 낮아 진다.
본 발명에 사용된, 화학식 1로 표시된 랜덤 에틸렌-메틸아크릴레이트-글리시딜메타아크릴레이트 삼원 공중합체(EMG)은 웰드라인 부분의 강도 및 반복 cycle 특성을 보완하는 역할을 한다.
이때, PBT수지 100중량부에 대하여 랜덤 에틸렌-메틸아크릴레이트-글리시딜메타아크릴레이트 삼원 공중합체(EMG)를 3~15 중량부 범위로 사용되는 것이 바람직하지만, 더욱 바람직하게는 EMG를 5~10중량부 범위로 사용되는 되는 것이 바람직하다. 3중량부 미만 사용시 첨가 효과가 미미 하며, 15중량부 초과 사용 시 웰드라인 부분의 특성 및 충격강도는 매우 향상되지만, 인장강도, 굴곡강도 등의 강도의 저하가 크고, 수지 조성물의 흐름성 또한 나빠지는 단점이 있다.
본 발명에 따른 폴리에스테르 수지 조성물은 요구 되는 특성에 따라 종래에 사용되어 왔던 열안정제와 윤활제를 포함할 수 있다. 열안정제로서는 열안정성을 발현하기 위한 산화방지제로서의 역할을 하며, 힌더드 페놀 (Hindered phenol)계통인 내열제가 사용될 수 있고, 그 함량은 PBT수지 100중량부에 대해서0.1 ~0.3중량부 정도가 바람직하다. 윤활제로서 상기수지 의 유동성 및 성형 후의 금형과의 이형성을 증가 시키는 역할을 하는 스테아르산염 계통인 에틸렌-비스-스테아르아마이드 (ethylene bis stearamide)등을 사용하며 그 함량은 PBT 수지 100중량부에 대해서 0.1~0.7중량부 정도가 바람직하다.
본 발명에 따른 폴리에스테르 수지 조성물은 인장강도가 1,300~1,600 Kg/cm2, 굴곡 강도가 2,200~2,600 Kg/cm2, 충격강도가 7~14 Kg?cm/cm, 특히 웰드라인 강도가 500~700 Kg/cm2, 웰드라인 반복 cycle test(5mm반복 cycle)에서 2,000회 이상 시편이 손상되지 않는 특성을 나타내는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 각 구성 성분은 압출기를 사용, 용융 혼련 압출하여 성형용 칩을 제조하는 컴파운딩 공정에서 제조할 수 있다. 폴리에스테르 수지 조성물의 혼련을 최대화하기 위하여 혼합기로는 2축 스크류 압출기를 사용하여 255? 내지 270?에서 혼련하여 제조될 수 있는데, 상기 수지 조성물의 혼련을 최대화하기 위하여 투입구가 2개인 압출기를 이용하여 1차 투입구에 PBT수지, PET수지, EMG을 2차 투입구에 유리 섬유를 투입할 수 있다. 또한, 용융 혼련시에 조성물의 열분해를 방지하기 위해 체류시간을 최소화할 수 있으며, 본 조성물에서 분산성을 고려하여 최적의 스크류 회전수 조절이 필요한데 200 ~ 300 rpm 정도의 회전수로 실시할 수 있다.
이와 같이 제조된 폴리에스테르 수지 조성물은 PBT 수지의 본래 특성인 전기 절연성이 우수하며, 유리섬유 강화를 통한 기계적 강도가 우수하고, 더불어 EMG를 포함함으로써 웰드라인의 강도 및 반복 cycle특성이 우수하다. 특히, 본 발명에 따른 폴리에스테르 수지 조성물은 각종 전기 제품의 커넥터 부품 및 가정용구품에 적용이 가능하다..
이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 하기 실시예는 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐이며, 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~6 및 비교예 1~6
하기 표 1에 기재된 조성에 따라 각 성분들을 255~280℃로 가열된 이축 압출기내에서 용융 혼련한 후 칩(Chip)상태로 폴리에스테르 수지 조성물을 제조하고, 130 ℃, 6 시간 제습형 건조기를 이용 건조하였다.
그 후, 스크류식 사출기를 이용하여 제조 온도 조건에서 각각의 시편을 제작하여 다음의 방법으로 제반 물성의 평가를 실시하였다.
1.　인장강도 : ASTM-D-638에 의거하여 1/8인치 덤벨형 시편을 제작하고, 인장 강도 측정 속도를 5mm/분으로 설정하여 측정하였다.
2.　굴곡강도 : ASTM D790에 의거하여 1/8인치 시편을 제작하고, 굴곡 강도 측정 속도를 3mm/분으로 설정하여 측정하였다.
3. 충격강도 : ASTM D256에 의거하여 1/4인치 시편을 제작하여 상온(23℃)에서 아이조드 노치(Izod Notched) 충격강도를 측정하였다
4. 웰드 라인 강도 : 측정에 사용되는 시편은 굴곡강도 시편과 모양은 동일하나 사출 성형 시 시편의 가장 중간부분에 웰드 라인이 발생하게끔 사출하여 굴곡강도 측정법과 동일하게 측정하였다.
5. 웰드 라인 반복 cycle test : 측정에 사용되는 시편은 인장강도 시편과 모양은 동일하나 사출 성형 시 시편의 가장 중간부분에 웰드 라인이 발생하게끔 사출하여 굴곡강도를 측정하는 지그에 움직이지 못하게끔 고정시킨 후 굴곡강도 측정과 유사하게 시편의 정가운데인 웰드 라인 부분을 눌러주며 측정하였다. 그런데 여기서 시편을 누를 때 시편에 닿는 점부터 시작하여 4~5mm를 눌렀다가 다시 원상태로 복귀하여 누르는 반복적인 테스트를 하게 된다. 시편에 손상이 가면 해당 시험은 끝나는 것이며, 그 상한 한도를 4mm 반복 test시에는 15,000회, 5mm반복 test 시에는 2,000회로 제한하고 측정하였다.
가열된 스크류식 사출기를 이용, 용융 혼련 때와 동일한 온도로 각각의 시편을 제작하여 평가하였으며 결과는 다음 표 2에 나타내었다.
(단위: 중량부)
구분 성분별 함량
PBT PET 유리섬유 EMG
실시예1 100 35 115 5
실시예2 100 20 115 5
실시예3 100 50 115 5
실시예4 100 35 100 3
실시예5 100 35 125 8
실시예6 100 35 100 8
비교예1 100 35 115 0
비교예2 100 35 115 20
비교예3 100 20 115 0
비교예4 100 50 115 0
비교예5 100 0 115 5
비교예6 100 35 0 5
PBT : 고유점도(IV)가 0.8인 PBT 수지 (코오롱 사제)
PET : 고유점도가(IV)가 0.7인 PET 수지 (코오롱 사제)
유리섬유 : 직경 10~13㎛, 길이 3~3.5㎜인 유리 섬유 (KCC사제)
EMG : 랜덤 에틸렌-메틸아크릴레이트-글리시딜메타아크릴레이트 삼원 공중합체 (Dupont사제)
구분 인장강도 (kg/Cm2) 굴곡강도 (kg/Cm2) 충격강도 (kg?cm/cm) 웰드 라인 강도 (kg/Cm2) 반복 cycle test (횟수, at 5mm)
실시예1 1425 2349 10.5 655 2000↑
실시예2 1457 2389 11.1 619 2000↑
실시예3 1392 2305 9.8 670 2000↑
실시예4 1320 2217 8.1 553 2000↑
실시예5 1413 2307 13.8 667 2000↑
실시예6 1213 2076 11.7 645 2000↑
비교예1 1505 2413 7.5 368 115
비교예2 1165 2013 15.8 786 2000↑
비교예3 1539 2458 7.8 397 129
비교예4 1468 2386 7.4 380 135
비교예5 1430 2315 10.2 570 896
비교예6 735 1089 4.2 879 2000↑
상기 표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 6의 시편은 우수한 기계적 물성을 나타낼 뿐 아니라, 웰드라인 강도 및 반복 cycle test에서도 최상한치의 값을 나타내는 것을 확인하였다.
이에 비해, 비교예 1 내지 6의 시편은 기계적 강도가 낮거나 웰드라인 강도 및 반복 cycle test에서도 낮은 수치의 결과를 나타냄으로써 본 발명의 용도로는 사용하지 못하는 것으로 확인되었다.
따라서, 실시예 1 내지 5의 폴리에스테르 수지 조성물은 우수한 Weld-Line부분의 강도 및 반복 cycle특성이 요구되는 각종 전기 제품의 커넥터 부품 및 가정용구품에 적용 가능하리라는 것을 알 수 있다.

Claims (4)

  1. 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지(PBT) 100 중량부에 대하여
    폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(PET) 20 내지 50 중량부;
    유리 섬유 70 내지 130 중량부; 및
    하기 화학식 1로 표시되는 단위구조를 포함하는 랜덤 에틸렌-메틸아크릴레이트-글리시딜메타아크릴레이트 삼원 공중합체(EMG) 3 내지 15 중량부를 포함하는 폴리에스테르 수지 조성물.
    [화학식 1]
    Figure pat00003

    여기서 R은 수소원자, 알킬기 또는 아릴기이며, x와 y는 2~50의 정수 이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    PBT 수지는 그 고유점도가 0.8~1.4dl/g이고,
    PET 수지는 그 고유점도가 0.6~1.2dl/g인 폴리에스테르 수지 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리 섬유는 공칭 지름이 10 내지 13㎛이고, 공칭 길이가 3 내지 5mm인 촙(chop) 형태인 폴리에스테르 수지 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    인장강도가 1,300~1,600 Kg/cm2,
    굴곡 강도가 2,200~2,600 Kg/cm2,
    충격강도가 7~14 Kg?cm/cm,
    웰드라인 강도가 500~700 Kg/cm2,
    웰드라인 반복 cycle test(5mm반복 cycle)에서 2,000회 이상 시편이 손상되지 않는 특성을 나타내는 폴리에스테르 수지 조성물.
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CN109867919A (zh) * 2017-12-04 2019-06-11 广州汽车集团股份有限公司 聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料、制品和制备方法
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WO2022071693A1 (ko) * 2020-09-29 2022-04-07 롯데케미칼 주식회사 열가소성 수지 조성물 및 이를 이용한 성형품

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