KR20160027285A - 강도가 향상된 재생 폴리프로필렌 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재생 폴리프로필렌 칩에 신재 폴리프로필렌과 첨가제를 블렌딩하여 재활용 칩을 제조함으로써, 인장강도, 냄새, 회분률이 우수한 자동차용 복합 PP의 용도에 적합하고, 재활용 PP를 활용하여 친환경적이면서도, 강성, 용융흐름지수 등이 우수하며, 냄새와 ash 함량이 적은 우수한 폴리프로필렌 수지를 얻을 수 있으며, 제조된 재활용 고강성 폴리프로필렌은 자동차 내장재 등 다양한 기구에 적용 가능하다.

Description

강도가 향상된 재생 폴리프로필렌{Recycled polypropylene reinforced strength}

본 발명은 강도가 향상된 재생 폴리프로필렌 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 재생 폴리프로필렌 칩에 신재 폴리프로필렌과 첨가제를 블렌딩하여 제조된 재활용 칩 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.

플라스틱은 가볍고 튼튼하며 강하고 오래 사용할 수 있어서, 산업 현장 혹은 일반 가정에서 많이 사용되고 있으나, 플라스틱 쓰레기는 위생물질로 분해되지 않고, 공기 중이나 수중에서 안정하며 분해 또는 용해되지 않으므로, 환경오염을 유발시키는 문제점이 있다. 또한 플라스틱을 처리하기 위하여 연소시키면 고열을 방출하며, 연소 시에는 공기를 다량 필요로 하고 유해 가스나 매연을 내며 코크스화 하거나 용융하여 완전 연소가 곤란한 등의 문제점이 있다. 따라서, 폐플라스틱을 재생하여 재활용하는 것은 공해 문제 해결뿐만 아니라 자원의 재활용이라는 측면에서 많은 연구개발이 진행되고 있다.

한편, 자동차 무게 100kg을 줄이면 연비 2-3%을 절감하고 차량 가속성 8.5%를 향상시킬 수 있으며, 이산화탄소 3.2%를 줄일 수 있으므로, 친환경 제품 및 사업장 스크랩을 재활용하여 고강성 경량화 폴리프로필렌(칩) 제품을 연구, 개발을 해서 자동차 부품 사업에 양산 적용하고 있으며, 최근 자동차업계에서는 무게가 많이 나가는 철강 대신 경량화 고강성 제품 및 합성수지 제품으로 대체하고 연구개발하고 있다.

종래 자동차에 많이 사용되던 철, 알루미늄 등과 같은 금속은 많은 부분이 합성수지들로 대체되어 가고 있으며, 또한 기존의 열경화성 합성수지들도 올레핀 계열의 저비중 플라스틱 소재로 대체한 경량화 연구가 계속 진행되고 있다. 특히 폴리올레핀은 경량화 및 재활용의 용이성, 상대적으로 낮은 가격 등으로 인해 다른 플라스틱 소재에 비해 수요가 급격히 늘고 있으나, 현재보다 좀 더 높은 강도를 요구하는 부분이 점차 증가하고 있어 이에 대한 기술개발이 필요한 실정이다.

폴리프로필렌은 프로필렌의 중합에 의해 만들어지는 열가소성 고분자로서 현재 가장 많이 사용되는 열가소성 고분자 중 하나이다. 폴리프로필렌은 저가임에도 비중이 작기 때문에 제품의 경량화에 유리하고 내약품성과 성형 가공성이 우수하며, 인장강도, 굴곡강도 등과 같은 기계적 강도가 우수하고, 높은 열변형 온도 등과 같은 열적성질이 우수하여 자동차 내외장재 재료로 많이 사용되고 있다.

자동차 재료로 사용되는 폴리프로필렌은 위와 같은 장점들로 인해 그 사용량이 꾸준히 증가되고 있어 사용 후 재활용을 포함하여 폐기 및 소각처리 시 발생하는 비용을 줄이기 위한 노력이 필요하게 되었다.

폴리프로필렌은 자체적으로 PE 등에 비해서는 강도가 높은 고분자로 알려져 있으나, 재활용을 위해 컴파운딩을 하면, 점도가 떨어지는 면이 있고, 강도도 역시 neat 수지보다는 약하게 되는 경향이 있다. 이러한 이유로 재활용 PP칩은 강도가 낮은 것으로 인식되고 있고, 국내에서도 이러한 재활용 PP를 활용하여 강도를 높이는 연구가 개별 기업을 중심으로 진행되고 있으나, 아직 많이 알려져 있지는 않은 상황이다.

즉, 일반적으로 재생 폴리프로필렌은 한번 사용한 폴리프로필렌 필름, 시트, 병 등의 조각을 압출기를 통하여 200℃ 이상의 고온에서 압출하여 칩 형태로 제조하기 때문에 신재 폴리프로필렌보다 열분해에 의해 분자량이 많이 저하된다.

따라서, 분자량이 저하된 재생 폴리프로필렌은 인장강도가 저하되고, 용융흐름지수는 또한 증대되며 냄새발생량은 많아지게 된다. 이러한 인장강도의 저하 현상을 극복하여 자동차 내장재 등에 적용할 수 있는 고강도의 재활용 PP를 개발하는 것이 요구된다.

또한, 충격 강도를 요하는 자동차용 소재에 재활용 폴리프로필렌 복합체를 적용하기 위하여는 충격강도의 향상이 필요하여, 한국등록특허공보 제0431873호 혹은 한국공개특허공보 2002-0094121호에서 무기충전제 또는 유리 섬유 등의 충격강도 보강재를 폴리프로필렌 수지에 보강하는 방법이 이용되는 것이 개시되어 있으나, 충전제의 과량 사용으로 인한 단가 상승 문제와 과량의 무기충전제 첨가시 폴리프로필렌의 유연성이 낮아져서 열가소성 성형품 제조시 압출이나 사출 공정이 어려운 문제점이 있었다.

이에, 본 발명자들은 핵제 등의 첨가제를 컴파운드하여 물성이 향상되고 공정성이 우수한 재생 폴리프로필렌을 얻을 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 재생 폴리프로필렌 칩에 신재 폴리프로필렌과 첨가제를 블렌딩하여 재활용 칩을 제조함으로써, 인장강도, 냄새, 회분률이 우수한 자동차용 복합PP의 용도에 적합하고, 재생수지를 사용함으로써 친환경적인 것을 특징으로 하는 재생 폴리프로필렌을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 재생 폴리프로필렌은, 압출기에서 압출되는 재생용 폴리프로필렌 수지 97중량% ~ 99.95중량%에 핵제 0.05 중량% ~ 3중량%가 첨가되며, 상기 핵제는 AL-PTBBA( Aluminum hydroxy dipara t-butyl benzoate)이 사용될 수 있다.

또한, 압출기에 재생용 폴리프로필렌 수지를 도입하는 도입단계; 상기 압출기에 도입된 상기 재생용 폴리프로필렌 수지를 가열하여 반용융 상태로 압출하는 제1 압출단계; 상기 제1 압출단계에서 압출되는 폴리프로필렌 수지를 펠릿 형태로 냉각하는 냉각단계; 상기 펠릿 형태의 폴리프로필렌 수지를 압출기로 도입하여 압출하는 제2 압출단계; 상기 제2 압출단계에서 압출되는 반용융 상태의 폴리프로필렌에 핵제를 첨가하는 첨가단계를 포함한다.

본 발명에 의해서, 재활용 PP를 활용하여 친환경적이면서도, 강성, 용융흐름지수 등이 우수하며, 냄새와 ash 함량이 적은 우수한 폴리프로필렌 수지를 얻을 수 있으며, 제조된 재활용 고강성 폴리프로필렌은 자동차 내장재 등 다양한 기구에 적용 가능하다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 강도가 향상된 재생 폴리프로필렌 및 그 제조방법의 일 실시예를 설명한다.

본 발명은 재활용 PP의 강성을 높인 고강성 재활용 PP 제조기술을 개발하기 위하여, 핵제 등의 첨가제를 함께 컴파운드하여 물성향상을 꾀하고자 한다.

핵제와 컴파운드 된 폴리프로필렌 복합수지는 핵제의 함량이 증가할수록 강성은 향상되지만, 핵제제의 비중이 높아질수록 무게가 증가되고 냄새등급이 높아지고, ash 함량이 많아지는 단점이 있다.

이를 위해 최적의 핵제 종류, 함량이 필요하고, 가격이 고가인 점을 고려하여 핵제의 비중이 낮은 무기물과 혼합하고, 계면특성을 부여하여 자동차의 내외장재로 사용될 수 있는 고강성 재활용 폴리프로필렌을 제조하고자 한다.

본 발명에서, PP(Polypropylene, 폴리프로필렌)칩을 자동차 내장 부품에 적용하고자 하였으나, 기존의 재활용 PP만을 활용하여서는 인장 강도와 냄새가 기준 값에 못 미치는 이유로, 새로운 스크렙을 재활용하여 고강성 재활용 PP칩을 만들고자 하였고, 수십 차례 제품을 시험한 결과 기준값을 상회하는 인장강도와 냄새의 결과치를 얻을 수 있었다.

핵제 등 첨가제와 PP의 혼합에 의해 인장강도가 기준값인 220 kgf/cm² 이상이면서 용융흐름지수 또한 10 이상이며 냄새등급이 3등급 이상의 우수한 성능의 제품을 개발하고자 하였다.

본 발명은 폴리프로필렌 수지 조성물에 핵제(nucleating agent)로서 하기 화학식 1로 표시되는 AL-PTBBA( Aluminum hydroxy dipara t-butyl benzoate)이 첨가된다.

상기 핵제는 고분자의 결정화과정 중 핵발생을 일으키기 용이하도록 하는 것으로, 핵 밀도가 높아지고, 핵 생성 부위의 수가 커지며 더욱 질서있는 영역의 생성이 많아지고, 각각의 크기는 작아지는 것에 의하여, 강성이 올라가고 투명도는 높아지게 된다.

재활용 폴리프로필렌의 핵제로 사용될 수 있는 핵제에는 AL-PTBBA외에도 DBS(Di Benzylidene Sorbitol)과 탈크 (Talc, Mg(Si₂O₁₀)(OH)₂))등이 사용될 수 있으나, DBS는 융점이 낮고, 냄새발생의 가능성이 있으며, Talc는 많은 함량을 사용하여야 하므로, ash 불순물의 함량이 증가되므로 적용에 부적합하다.

상기 핵제의 첨가량은 0.05% ~3 .0 중량%이다. 상기 함량이 0.05중량% 미만인 경우에는 강도 향상의 효과가 나타나지 않는다. 또한, 3.0중량%를 초과하는 경우에는 핵제가 ash 테스트 시 ash 불순물 함량을 기준치보다 높이는 문제점을 초래할 수 있다.

폴리프로필렌의 재생을 위한 가공 방법으로는 용융주형법, 압출가공법, 압축가공법, 발포가공법등이 이용되고 있다.

용융주형법은 폴리프로필렌을 가열하여 용융상태로 하고 형에 넣어 일정한 형태로 냉각시키는 방법이며, 압출가공법은 폴리프로필렌의 성형에 사용하는 압출기와 비슷한 것을 사용하여 가열하고 반용융상으로 된 것을 잘 혼련하면서 스크루우로 압출한 후 냉각시켜 원하는 모양으로 가공하는 방법이다.

압축가공법은 가공유에 폐플라스틱을 투입하여 연화시킨 후 프레스가공하는 방법과 폴리프로필렌 시이트나 필름에 충진제를 가한 후 프레스가공하는 방법이 이며, 발포가공은 금형 내에서 가교성인 폴리올레핀 발포조성물과 가교하지 않는 폴리올레핀을 외부로 압출하여, 내부는 가교올레핀층으로 하고 표피는 가교하지 않는 폴리올레핀층으로 하여 이 양자를 강하게 결합하여 샌드위치 제조의 매우 강한 복합재료를 만드는 방법이며 합성목재로 이용된다.

이러한 방법 중 압출가공법은 펠렛으로 만들거나 또는 다이의 형태에 따라 원하는 단면 모양의 연속 제품을 생산할 수 있고, 펠렛은 다시 압축 성형 또는 사출 성형 제품의 원료로 사용되어 다양한 제품을 생산할 수 있는 장점이 있어서, 압출가공법이 가장 많이 이용되고 있다.

본 발명은 재생 폴리프로필렌을 제조하기 위하여, 압출가공법을 사용하였으며, 폴리프로필렌 스크랩을 가열하여 반융융 상태로, 이축 압출기에서 L/D 값이 25~35인 단일축 압출기를 사용하여 압출한 후 펠렛 형태로 냉각하였다. 제조된 컴파운딩 펠렛을 이축 압출기에서 L/D 값이 25~35인 단일축 압출기를 사용하여 1회에서 5회까지 다중 압출을 수행하였다. 단일축 압출기의 온도는 상단부에서 후단부까지 220~230℃/240~250℃/255~265℃이며, 공기 상태 하에서 20rpm ~ 35rpm의 축회전 속도로 압출하였다. 핵제는 사이드피더를 통해 주입하였다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되지 않음은 명백하다.

실시예 1)

호모폴리프로필렌 OPP(Oriented polypropylene) 필름을 가공하면서 생기는 스크랩을 베이스 수지로 L/D가 34인 이축압출기로 압출하면서 핵제인 AL-PTBBA를 0.5 중량%로 첨가하여 펠렛상의 시편을 제조하였다. 이에 따른 물성 및 냄새, ash 함량 평가를 행하여 표 1에 나타내었다.

실시예 2)

상기 실시예 1에서 사용된 베이스수지에 핵제(AL-PTBBA) 1.0 중량%를 첨가한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 수행하였으며, 이에 따른 물성 및 냄새, ash 함량 평가를 행하였다.

실시예 3)

상기 실시예 1에서 사용된 베이스수지에 핵제(AL-PTBBA) 3.0%중량%를 첨가한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 수행하였으며, 이에 따른 물성 및 냄새, ash 함량 평가를 행하였다.

비교예 1)

상기 실시예 1에서 사용된 베이스수지에 핵제(AL-PTBBA) 0.2 중량%를 첨가한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 수행하였으며, 이에 따른 물성 및 냄새, ash 함량 평가를 행하였다.

비교예 2)

상기 실시예 1에서 사용된 베이스수지에 핵제(AL-PTBBA) 5.0중량%를 첨가한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 수행하였으며, 이에 따른 물성 및 냄새, ash 함량 평가를 행하였다.

비교예 3)

베이스 수지를 에틸렌이 0.5% 포함된 폴리프로필렌을 사용한 EPP(expanded polypropylene)의 재활용품으로 한 것을 제외하고는 모든 조건을 실시예 1과 동일하게 수행하였으며, 이에 따른 물성 및 냄새, ash 함량 평가를 행하였다.

비교예 4)

상기 실시예 1에서 사용된 베이스수지에 첨가제로 탈크(Talc)를 5.0중량 %사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였으며,이에 따른 물성 및 냄새, ash함량 평가를 행하였다.

	물성평가				냄새 및 Ash 함량
	용융흐름지수(g/10min)	비고 1	인장강도 (kgf/cm2)	비고2	냄새(MS)	비고3	ash 함량(%)	비고4
실시예1	11	우수	220	우수	2등급	우수	0.01	우수
실시예2	10	우수	220	우수	3등급	우수	0.02	우수
실시예3	10	우수	235	우수	3등급	우수	0.08	우수
비교예1	11	우수	215	불량	3등급	우수	0.0	우수
비교예2	9	불량	245	우수	4등급	불량	2.0	불량
비교예3	10	우수	210	불량	3등급	우수	0.02	우수
비교예4	9	불량	220	우수	3등급	우수	3.0	불량

* 냄새는 현대자동차 MS 300-34법으로 측정하였다.

이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 압출기에서 압출되는 재생용 폴리프로필렌 수지 97중량% ~ 99.95중량%에 핵제 0.05 중량% ~ 3중량%가 첨가된 재생 폴리프로필렌.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 핵제는 AL-PTBBA( Aluminum hydroxy dipara t-butyl benzoate)인 재생 폴리프로필렌.
3. 압출기에 재생용 폴리프로필렌 수지를 도입하는 도입단계;
   상기 압출기에 도입된 상기 재생용 폴리프로필렌 수지를 가열하여 반용융 상태로 압출하는 제1 압출단계;
   상기 제1 압출단계에서 압출되는 폴리프로필렌 수지를 펠릿 형태로 냉각하는 냉각단계;
   상기 펠릿 형태의 폴리프로필렌 수지를 압출기로 도입하여 압출하는 제2 압출단계;
   상기 제2 압출단계에서 압출되는 반용융 상태의 폴리프로필렌에 핵제를 첨가하는 첨가단계를 포함하는 재생 폴리프로필렌 제조방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 핵제는 AL-PTBBA( Aluminum hydroxy dipara t-butyl benzoate)인 재생 폴리프로필렌 제조방법.