KR20160083518A - 우수한 충격성 및 굴곡 탄성율과 낮은 비중을 갖는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 그로부터 제조된 성형품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 그로부터 제조된 성형품에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열가소성 수지와 함께 장섬유 및 유리 버블을 포함함으로써, 충격강도와 유동특성, 인장강도 및 굴곡 탄성률 등의 뛰어난 물성과 가공성을 확보할 수 있고, 비중이 낮아 제품의 경량화를 구현할 수 있는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 그로부터 제조된 성형품에 관한 것이다.

Description

우수한 충격성 및 굴곡 탄성율과 낮은 비중을 갖는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 그로부터 제조된 성형품{Hybrid long fiber reinforced thermoplastic composition with good impact strength, flexural modulous and low specific gravity and article prepared therefrom}
본 발명은 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 그로부터 제조된 성형품에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열가소성 수지, 장섬유 및 유리 버블을 포함함으로써, 충격강도와 유동특성, 인장강도 및 굴곡 탄성률 등의 뛰어난 물성과 가공성을 확보할 수 있고, 비중이 낮아 제품의 경량화를 구현할 수 있는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 그로부터 제조된 성형품에 관한 것이다.
앞서 전술된 바와 같이 열가소성 수지 복합체로 만들어진 플라스틱 제품의 사용량이 증가함에 따라 강도 이외에도 중요하게 요구되는 것이 경량화이다. 특히 자동차 산업 분야에서는 이산화탄소 규제와 같은 환경 문제 때문에 친환경 부품 사용이나 연비 절감과 같은 부분에 대해 큰 이슈가 되고 있다. 연비 절감의 경우 파워 트레인의 고효율화와 함께 차체 전반에 적용되는 소재의 무게를 줄이고, 이에 따라 경량화를 구현하는 이슈가 지속적으로 연구되고 있다. 또한 소비자들의 편의 및 안전에 대한 요구가 높아지면서 차량 부품 수가 지속적으로 늘어남에 따라 차량 중량은 증가할 수 밖에 없는데 이 역시 경량화와 연결되는 문제이다. 따라서 자동차 산업 분야에서는 자동차 부품으로 사용되는 플라스틱 제품의 경량화는 필수적인 것으로, 이를 통해 주행성능의 향상 및 에너지 절약이 가능하다. 그리고 자동차 산업 분야 이외에도 각종 생활 가전 및 전자 산업 분야에서도 다양한 이유로 플라스틱 제품의 경량화에 대한 요구가 끊임없이 증가하고 있다.
플라스틱 제품의 경량화의 경우, 초기에는 수지 자체의 비중이 낮은 것으로 대체하거나 제품 구조 디자인을 변경 하는 방법을 주로 사용하였고, 최종 제품의 조립 및 후 공정에서 융 접합 등의 방법을 도입함으로써 경량화를 구현해 왔다. 하지만 근래에 들어서 유리 버블, 포밍 에이전트, 우드 섬유 및 화산재 등과 같은 다양한 경량화 필러를 수지와 혼합하여 플라스틱 제품의 경량화를 구현하는 방법이 중점적으로 적용 되고 있고, 그에 따른 다양한 연구가 진행되고 있다. 그 중 하나인 유리 버블은 중합체 화합물에 대한 첨가제로 산업계에서 널리 쓰이는 물질 중 하나로서, 일반적으로 "유리 마이크로버블", "중공 유리 미소구체", 또는 "중공 유리비드"로도 알려진 평균 직경이 약 500 마이크로미터 미만의 속이 빈 중공 구 형태의 물질을 의미한다. 특히 유리 버블의 경우는 화합물의 중량을 낮추는 것 이외에도 가공성 및 치수 안정성 등을 개선하는 데에도 유용하다. 하지만 유리 버블의 경우 제품을 만드는 가공 동안에 부서지거나 깨지는 경우가 생기는 문제점이 존재한다. 특히 열가소성 수지에 유리 버블을 적용시키기 위해 고압 분무, 혼련, 압출, 인발성형, 소결, 또는 압축 성형, 사출 성형, 블로우 성형, 회전 성형, 열성형 및 사출-압축 성형과 같은 성형과정에서 유리 버블은 파손되어 제 역할을 못하는 경우가 생긴다.
전술한 다양한 산업적 이슈와 문제점을 해결 및 극복하기 위하여 뛰어난 강도 및 밸런스된 기계적 물성을 가짐과 동시에 낮은 비중을 가지는 열가소성 수지 조성물에 대한 요구는 지속적으로 존재하고, 이에 따라 연구가 진행되어 왔다. 대한민국 공개특허공보 제2007-0088483호에서는 무기물이 함유된 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 제조하는 기술에 대해서 개시하고 있다. 열가소성 수지에 무기물이 함유된 펠렛과 열가소성 수지에 길이가 5 내지 50mm인 섬유 강화제가 포함된 장섬유 열가소성 펠렛을 건식 블렌드 후 사출하여 최종 성형품을 제조하는 방식을 개시하고 있는데, 상기 방식은 장섬유 강화 열가소성 수지 펠렛을 무기물과 함께 새로이 재압출하지 않고, 단순 블렌드 후에, 사출하는 과정을 진행하기 때문에 최종 성형품에서 길이가 보다 길고 덜 파손된 강화 섬유가 존재함을 알 수 있다. 이와 같이 강화 섬유가 파손되지 않은 채로 성형품 내에 존재할 수 있기 때문에 우수한 기계적 물성을 나타내는 무기물 함유 장섬유 강화 펠렛을 제공할 수 있다. 그러나 이 발명은 열가소성 고분자 수지 내에서 무기물의 함량이 증가할수록 기계적 강성이 향상되고 이에 기인하여 기존 사용 소재 대비 향상된 강성을 바탕으로 무기물의 함량을 줄여서 경량화를 구현하는 방식으로서, 소재 자체를 경량화 하는 방법에 비해 분명한 한계가 존재한다. 즉, 경량화를 구현하기 위해 상대적으로 적은 무기물을 사용하게 된다면, 본연의 기계적 특성이 다시 저하됨은 물론이고, 일반적인 무기물의 경우 그 비중이 수지에 비해 높은 편이므로, 최종 성형품의 경량화를 위해서는 무기물 및 기타 가공 과정에서 새로운 문제점이 나타날 가능성이 높다.
또한 대한민국 공개특허공보 제2011-0147895호에서는 열가소성 수지 중 결정성 고분자인 폴리아마이드 수지에 유리섬유, 유리 버블 및 기타 난연제를 첨가시켜 강도, 내열성, 치수안정성 및 난연성이 우수한 폴리아미드 수지 조성물 펠렛을 얻는 방법에 대해 설명하고 있다. 이를 통해 우수한 기계적 물성과 난연성을 가지면서, 낮은 비중을 가져 다양한 부품에 적합 사용가능한 폴리아미드 수지 조성물 펠렛을 구현할 수 있다. 하지만 장섬유 강화 조성물 형태가 아닌 단섬유 강화 조성물 형태로 수지 및 모든 첨가제를 한꺼번에 압출 후 성형 하는 과정을 거쳤기 때문에, 최종 성형품 내에 파손되어 길이가 1mm 이하인 강화 섬유만 존재할 가능성이 크다. 이러한 경우, 강화 섬유가 그 역할을 제대로 하지 못하게 되어 장섬유 강화 조성물에 비해 현저하게 낮은 기계적 물성 및 내열 특성 등을 가지게 되고, 보다 높은 강도의 제품을 요구하는 산업 분야에는 적용하기 어렵다. 이를 해결하기 위해 충격보강제와 같은 각종 첨가제를 넣을 경우 가격 상승을 동반함과 동시에 압출과 사출과정을 진행 시에 다량의 가스가 발생하여 가공성이 현저하게 감소하는 문제점이 있다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제2011-0123099호에서는 인라인 컴파운딩 공법을 이용하여 폴리프로필렌과 유리섬유 및 유리 버블을 포함한 자동차 부품 중 하나인 언더커버 기저를 제조하는 방법이 기술되어 있다. 인라인 컴파운딩 시, 펠렛화하는 압출과정과 사출물을 성형하는 과정이 하나의 공정에서 수행되기 때문에 재료와 각 구성 부위의 이송이 단축되어 성형 치수의 오차, 이송 과정상의 변질 및 오염의 위험을 감소시킬 수 있고, 유리섬유가 파손되는 비율을 줄여 우수한 기계적 물성을 얻을 수 있으며, 유리 버블을 혼합하여 동등 중량 조건하에서 낮은 비중을 갖는 성형품을 제조할 수 있다. 그러나 펠렛화하여 제조하는 경우에 비해 한정된 구조의 부품만을 성형할 수 있고, 월등한 설비 투자를 야기할 수 있다. 특히 폴리프로필렌과 같이 낮은 온도에서의 성형이 가능하지 않고, 표면 색상 변화를 최소화하기 위해 세밀한 열에너지 콘트롤이 필요한 폴리아미드, 폴리카보네이트, 아크릴레이트, 변성스티렌, 폴리에텔렌테레프탈레이트 등의 소재에는 동일한 방식으로 적용하기에 어려움이 있을 것이라 판단된다.
따라서, 전술한 다양한 산업적 이슈와 종래 기술의 문제점을 극복할 수 있는 새로운 형태의 열가소성 수지 조성물의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 열가소성 수지와 함께 장섬유 및 유리 버블을 포함함으로써, 충격강도와 유동특성, 인장강도 및 굴곡 탄성률 등의 뛰어난 물성과 가공성을 확보할 수 있고, 비중이 낮아 제품의 경량화를 구현할 수 있는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 그로부터 제조된 성형품을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, (A) 열가소성 수지 35~85 중량%, (B) 5 내지 30 mm 길이의 장섬유 10~50 중량% 및 (C) 유리 버블 5~15 중량%를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 최종 생성물 수지 100 중량부를 기준으로, 열가소성 수지 35~85 중량부에 5 내지 30 mm 길이의 장섬유 10~50 중량부를 첨가하여 장섬유 강화 열가소성 수지 복합체 펠렛을 형성하는 단계; 및 (b) 최종 생성물 수지 100 중량부를 기준으로, 버블 5~15 중량부와 형성된 장섬유 강화 열가소성 수지 복합체 펠렛을 건식 블렌딩하는 단계를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 수지 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물로 제조된 성형품이 제공된다.
본 발명의 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물은 충격강도와 유동특성, 인장강도 및 굴곡 탄성률 등의 뛰어난 물성 밸런스 및 성형품 제조 시에 우수한 가공성을 구현한다. 또한, 본 발명의 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물은 중공을 갖는 유리 버블을 포함함으로써 중량 절감 또는 동등 중량에서 기계적 특성 향상의 효과를 나타낸다. 본 발명의 수지 조성물로부터 제조된 성형품은 다양한 산업 분야에 널리 적용이 가능하며, 특히 세탁기의 아웃터브, 풀리, 윈도우 글라스, 에어컨의 팬, 하우징 및 브라켓, 전자레인지의 팬 및 하우징, 카메라/캠코더의 내장 소형부품, 핸드폰의 내부 소형부품, TV의 받침대, 프린터의 급지프레임, 하우징 및 소형부품, 자동차의 내 외장 부품 등의 자동차 부품, 전기 제품 또는 전자 제품에 유용하게 적용될 수 있다.
이하에서 본 발명을 구성 요소 별로 상세히 설명한다.
본 발명의 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물은 (A) 열가소성 수지 35~85 중량%, (B) 5 내지 30 mm 길이의 장섬유 10~50 중량% 및 (C) 유리 버블 5~15 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(A) 열가소성 수지
본 발명의 장섬유 강화 열가소성 주지 조성물에서 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리카보네이트(PC), 스티렌-아크릴로니트릴(SAN), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에틸렌 테라프탈레이트(PET), 폴리우레탄(PU), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리페닐렌 에테르(PPE), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 액정 고분자(LCP), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리설폰(PSU), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 폴리메틸펜텐(PMP), 폴리에테르설폰(PES), 폴리이미드(PI) 및 폴리카보네이트 실록세인 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자 수지를 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물에서 상기 열가소성 수지는 제품에 요구되는 기계적 물성 및 가공성 등에 따라 함량을 조절가능하고, 전체 조성물을 기준으로 할 때 35 내지 85 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 조성물에 포함되어 있는 열가소성 수지가 35 중량% 미만일 경우 성형성이 저하되고, 상대적으로 강화 섬유의 함량이 높아져 전체 성형품의 비중이 상승하는 문제가 생긴다. 또한 85 중량% 초과할 경우, 충격강도 및 굴곡특성과 같은 기계적 물성이 저하되는 문제점이 존재하게 된다.
(B) 장섬유
본 발명의 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물에 포함되는 장섬유의 길이는 5 내지 30 mm의 길이를 가질 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 25 mm, 보다 바람직하게는 15 내지 20 mm일 수 있다. 5mm 미만인 경우 변현량이 증대하고 웰드라인 부분의 강도가 떨어질 수 있으며, 30mm을 초과하는 경우 성형기 호퍼에서 실린더로의 투입이 잘 이루어지지 않아 사출 가공성이 떨어질 수 있기 때문에 사용목적에 따라 길이를 다양하게 사용할 수 있다.
상기 장섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 금속섬유, 아라미드섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유, 폴리에테르 에테르케톤(PEEK) 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌(UltraHigh Molecular Weight Polyethylene)섬유, 액정 폴리머 (LCP)섬유, 폴리아크로니트릴(PAN) 섬유, 아릴레이트 섬유, 레이온 섬유, 천연섬유 및 이들의 혼합물 등을 예시할 수 있으며, 환경적으로는 천연섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 이들은 각각 고유의 장점 및 기능을 지니고 있으므로, 최종 성형품에 요구되는 특성에 따라 적절히 선정 및 배합하여 사용한다. 상기 장섬유는 최종 제품에 요구되는 기계적 물성 및 가공성에 따라 다양한 함량으로 사용할 수 있고, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 총 중량을 기준으로 10 내지 50 중량%를 포함할 수 있다. 10중량% 미만인 경우 성형품의 비중은 낮아지나 변현량이 커지고 강도나 내구성 등의 기계적 물성 보강 효과가 감소할 수 있으며, 50 중량%를 초과하는 경우에는 우수한 기계적 특성을 구현할 수 있으나, 성형품의 비중이 상승하고 가공시에 장섬유 강화제가 절단될 수 있으며, 성형가공성이 저하됨과 더불어 열가소성 수지 표면으로 강화제가 도출되고, 강화제의 분산도가 떨어질 수 있기 때문이다.
장섬유 강화제는 수지로의 함침을 위해서 특수하게 제작된 다수의 다발화된 섬유 스트랜드가 사용되는 장치를 사용하며, 용융 함침 방법, 분말 대전 방식 등 다양한 방법에 의하여, 로빙 형태의 장섬유 강화제를 연속적으로 열가소성 수지에 연속적으로 함침시킬 수 있다. 이 때 함침된 섬유 길이는 로빙 길이에 따라, 필요하다면 무한에 가깝게 제조할 수 있다. 또한 열가소성 수지와의 혼화성을 증대시키기 위해, 상기 장섬유 강화제에 적절한 표면처리제를 사용할 수 있다. 예를 들어 실란, 티타네이트, 크로뮴, 지르코늄, 보란, 알루미늄 및 이들을 조합을 포함하는 커플링제를 사용하거나 산처리 등을 가할 수 있다.
(C) 유리 버블
본 발명에서 사용되는 유리 버블을 제조하는 기술은 밀링된 프릿 (milledfrit), 일반적으로는 "피드"로 지칭되는 물질을 가열하는 단계를 포함한다. 상기 밀링된 프릿은 황 또는 산소 및 황의 화합물로 이루어진 발포제를 함유한다. 밀링된 프릿은 일반적으로 생성물의 크기 분포에 영향을 주는 입자 크기 범위를 가지며, 가열되는 동안에 보다 큰 입자는 평균 크기의 입자들에 비해 낮은 붕괴 강도를 가져 쉽게 파손되는 유리 버블을 형성하는 경향이 있고, 반대로 보다 작은 입자의 경우 유리 버블 전체 분포의 비중을 증가시키는 경향이 있다. 피드 내의 황의 양 및 입자가 노출되는 가열 시간 및 양은 유리 버블의 비중을 조절할 수 있는 요소이다.
상기 프릿 또는 피드는 유리 버블을 형성할 수 있는 임의의 조성을 가질 수 있지만, 일반적으로, 총 중량 기준으로, 프릿은 50 내지 90중량%의 SiO2, 2 내지 20 중량%의 알칼리 금속 산화물, 1 내지 30 중량%의 B2O3, 0.005 내지 0.5 중량%의 황 (예를 들어, 원소상 황, 황산염 또는 아황산염), 0 내지 25 중량%의 2가 금속 산화물(예를 들어, CaO, MgO, BaO, SrO, ZnO, 또는 PbO), 0 내지 20 중량%의 3가 금속 산화물(예를 들어, Al2O3, Fe2O3, 또는 Sb2O3), SiO2 이외의 0 내지 10 중량%의 4가 금속 산화물(예를 들어, TiO2, MnO2, 또는 ZrO2), 0 내지 10 중량%의 5가 원자의 산화물(예를 들어, P2O5 또는 V2O5), 및 0 내지 5 중량%의 불소를 포함한다.
본 발명에 사용되는 유리 버블은 커플링제로 처리됨으로써 유리 버블과 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 사이의 혼화성을 증가시킬 수 있다. 이를 위해 선택된 조성물에 알맞는 작용기와의 적합한 반응성과 부합되거나 이를 제공하는 커플링제를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어 실란, 티타네이트, 크로뮴, 지르코늄, 보란, 알루미늄 및 이들을 조합을 포함하는 커플링제를 사용할 수 있다. 특히 실란 커플링제를 사용하게 되면, 실란이 축합 반응을 통하여 유리 표면에 커플링되어 실리카질 충전제와의 실록산 결합을 형성하여 유리 버블 표면에 대한 물질의 접착력을 향상시킨다. 이는 무기 충전제와 유기 매트릭스 사이에 공유 결합, 이온 결합, 또는 쌍극자 결합을 일으키는 메커니즘을 제공한다. 상기 커플링제는 일반적으로 버블의 총 중량을 기준으로 1 내지 3 중량%의 양으로 포함될 수 있다.
본 발명의 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물에서 사용되는 유리 버블은 붕괴 강도가 16000psi 이상이며, 바람직하게는 16000~18000psi, 보다 바람직하게는 16000~17000psi 이다. 또한, 비중은 0.45~0.50g/cm3, 바람직하게는 0.45~0.47g/cm3 이다. 붕괴 강도는 유리 버블을 이루는 벽의 두께 및 평균 반경, 두 가지 인자로 결정되는데, 다른 인자들이 동일한 경우, 유리 버블의 이론적인 붕괴 강도는 비중이 증가함에 따라, 그리고 크기가 감소함에 따라 증가할 것으로 예상된다. 하지만 크기 및 비중 단독으로는 유리 버블의 붕괴 강도를 예측할 수 없다. 유리 버블의 붕괴강도가 16000psi 미만인 경우, 앞서 기술한 바와 같이 유리 버블을 가공하는 동안, 즉, 고압 분무, 혼련, 압출, 인발성형, 소결 또는 성형을 하는 경우 유리 버블이 파손되어 제 역할을 하지 못하여 전체 성형품의 경량화 효과의 폭이 크지 않을 것으로 예상된다. 또한 유리 버블의 비중은 "진밀도 (true density)"를 의미하며, 유리 버블들의 샘플의 질량을 기체 비중병에 의해 측정된 그 질량의 유리 버블들의 진부피로 나눔으로써 얻어진 값이다. "진부피"는 유리 버블의 벌크 부피가 아니라 총합 부피(aggregate total volume)이다. 또한 유리 버블의 비중을 나타날 때 "약 0.46g/cm3"는 0.46g/cm3 ± 1%를 의미한다. 본 발명에서 유리 버블을 사용할 경우, 총 조성물 중량에 대하여, 5 내지 15 중량%이어야 바람직한데, 5 중량% 미만인 경우 경량화 효과가 미미하고, 반대로 15 중량%를 초과하는 경우 성형성이 저하되고 유리 버블의 파손되는 정도가 증가하여 비중 절감의 효과가 감소되고, 동시에 기계적 물성이 떨어지는 문제가 생길 수 있다.
(D) 기타 임의의 추가 성분
상기 공지된 물질들 이외에, 본 발명 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물은 내열성 및 치수 안정성을 향상 시키거나, 장섬유 강화제의 분산성을 향상시키거나, 성형 시 가공성을 향상시키기 위한 것으로서, 그 목적을 크게 벗어나지 않는 범위에서 첨가제를 추가적으로 포함할 수 있다. 하나의 구체적인 일 예로, 중화제, 무기 충진제, 윤활제, 산화방지제, 핵제, 광안정제, 가수분해안정제, 이형제, 난연제, 대전방지제, 자외선 안정제, 난연제, 광택제, 전도성부여제, 자성부여제, 가교제, 항균제, 가공조제, 내마찰제, 내마모제, 착색제 및 커플링제로 이루어진 군으로부터 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 조성물에 첨가할 수 있다. 이들 첨가제의 총 사용량은 첨가 조성물 100 중량%에 대하여 0.1 내지 5 중량% 의 함량으로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, (a) 최종 생성물 수지 100 중량부를 기준으로, 장섬유 10~50 중량부에 열가소성 수지 35~85 중량부를 함침시켜 이 장섬유 강화 열가소성 수지 복합체 펠렛을 형성하는 단계; 및 (b) 최종 생성물 수지 100 중량부를 기준으로, 버블 5~15 중량부와 형성된 장섬유 강화 열가소성 수지 복합체 펠렛을 건식 블렌딩하는 단계를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 수지 제조 방법이 제공된다. 상기 장섬유는 장섬유 펠렛의 길이 방향과 평행하게 배열되도록 함침되어 있어 상기 펠렛의 길이와 실질적으로 거의 동일하며, 특별히 한정하지 않으나 장섬유 강화 열가소성 수지 복합체 펠렛의 길이는 5 내 30mm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물로 제조된 성형품이 제공된다. 본 발명의 수지 조성물로부터 제조된 성형품은 다양한 산업 분야에 널리 적용이 가능하며, 특히 세탁기의 아웃터브, 풀리, 윈도우 글라스, 에어컨의 팬, 하우징 및 브라켓, 전자레인지의 팬 및 하우징, 카메라/캠코더의 내장 소형부품, 핸드폰의 내부 소형부품, TV의 받침대, 프린터의 급지프레임, 하우징 및 소형부품, 자동차의 내 외장 부품 등의 자동차 부품, 전기 제품 또는 전자 제품에 유용하게 적용될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 및 비교예 ]
본 실시예 및 비교예에서 사용한 성분들은 구체적으로 다음과 같다.
(A) 열가소성 수지
황산용매에 대한 상대 점도 2.4인 폴리아미드 66 수지를 사용하였다.
(B) 장섬유
직경이 10 내지 15㎛이며, 에폭시 레진으로 집속되어 있고, 실란으로 표면 처리된, 필라멘트 number 2000을 가지는 유리 장섬유 로빙을 사용하였다.
(C) 단섬유 강화제
단섬유 강화제로는 직경이 9 내지 13㎛ 이며, 평균 길이는 3 내지 5mm이고, 실란으로 표면 처리된, 촙트(chopped) 유리섬유를 사용하였다.
(D) 유리 버블 : 붕괴 강도가 16000psi이고 비중이 약 0.46g/cm3인 유리버블
붕괴 강도 및 비중은 이하의 방법으로 측정하였다.
(a) 붕괴 강도: 유리 버블의 붕괴 강도를 ASTM D3102 -72 "Hydrostatic Collapse Strength of Hollow Glass Microspheres"을 사용하여 측정하였다. 붕괴 강도는 전형적으로 약 ±5%의 정밀도로 측정될 수 있다. 따라서, 상기 제공된 각각의 붕괴 강도 값의 오차는 ±5%일 수 있다.
(b) 비중 (진밀도)측정: ASTM D2840- 69, "Average True Particle Density of HollowMicrospheres"에 따라 비중병을 사용하여 측정하였다. 비중병은 미국 조지아주 노크로스 소재의 마이크로메리틱스로부터 상표명 "아큐피크(Accupyc) 1330 피크노미터"를 사용하였다. 평균 진밀도는 전형적으로 0.001 /cm3의 정밀도로 측정될 수 있다. 따라서, 상기 제공된 비중 값들의 각각의 오차는 ±1%일 수 있다.
하기 표 1에 나타낸 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 4의 성분 및 함량으로 폴리아미드66 수지를 인발성형(pultrusion) 장비의 수지 주입부에 투입, 다이스에 통과시키면서 로브 형태의 장섬유 강화제를 풀링 및 스퀴징의 공정을 거쳐 최종 생성물인 장섬유 강화 열가소성 수지 대비, 10 내지 50 중량%로 함침시켰다. 상기 함침된 상태로 연속상의 스트랜드를 인발(pultrusion)하여 냉각하고 30mm 길이의 펠렛 형태로 절단하여 장섬유 강화 폴리아미드66 펠렛을 제조하였다.
제조된 펠렛을 하기 표 1에 나타낸 실시예 1~4와 비교예 1~4의 유리 버블과 건식 블렌드 후, 110~120℃에서 4시간 동안 열풍 건조한 뒤, 240~250℃의 온도와 80℃의 금형온도로 사출 성형하여 시편을 제조하였다. 제조된 각 시편의 물성을 하기의 방법으로 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.
비교예 4의 경우, 폴리아미드66 수지에 기재된 함량의 단섬유 강화제를 첨가한 후, L/D=48, Φ=25mm인 이축 용융 혼합 압출기에서 용융 온도 250℃, 200 rpm의 스크류 회전 속도, 약 -600 mmHg의 제 1 벤트 (vent) 압력, 및 20kg/h의 자가 공급 속도의 조건 하에서 압출하였다. 압출된 스트랜드를 물에서 냉각시킨 후, 회전 절단기로 펠렛으로 절단하였다. 그 후, 상기 실시예 1~4, 비교예 1~4에서와 마찬가지로 유리 버블과 건식 블렌드 후, 같은 조건으로 사출 성형하여 시편을 제조하였다.
(1) IZOD 충격강도: ASTM D256에 따라 노치 IZOD 충격강도로 평가되었다. 시편의 두께는 1/8inch로 측정하였으며, IZOD 충격강도가 높을수록 최종 제품에서 구현되는 충격성이 높은 것으로 판단할 수 있다.
(2) 인장강도: ASTM D638에 의거하여 상온에서 평가되었다. 인장강도가 높을수록 최종 제품에서 구현되는 충격성이 높은 것으로 판단할 수 있다.
(3) 굴곡 탄성률: ASTM D790에 의거하여 평가되었다. 굴곡 탄성률이 높을수록 최종 제품에서 구현되는 강성이 높은 것으로 판단할 수 있다.
(4) 비중: ASTM D792에 의거하여 평가되었다.
(5) 비중 감소율: 실시예 및 비교예에서 명시된 조성에서 유리 버블이 포함되지 않은 경우에서의 비중을 측정하고, 이에 비해 실시예 및 비교예에서 얼마나 비중이 감소되었는지 측정한다. 비중감소율이 클수록 경량화 효과가 크다고 볼 수 있다(단, 비교예 3의 경우 유리 버블이 포함되지 않았으므로, 비중감소율이 존재하지 않는다).
(6) 스파이럴 길이 (Spiral length): 성형 시 발생되는 유동특성을 파악하기 위해 스파이럴(Spiral) 시편을 제작하였다. 온도에 의한 유동 특성의 변화가 존재하지 않도록 동일 실린더 온도(240℃)와 동일 금형온도(80℃)를 숏 넘버(shot number)에 관계없이 지속적으로 유지하였으며, 이를 위해 접촉식 온도계를 사용하여 개별 숏 넘버에 따른 금형 온도를 지속적으로 파악하였다. 또한, 보압의 영향을 받지 않도록 동일한 조건의 사출압으로만 성형을 실시하였고, 공정 시간도 동일하게 유지하여 동일 조건 하에서 연속적으로 사출 성형된 스파이럴 시편의 길이를 측정하였다. 스파이럴 길이가 길수록 유동성이 조성물의 유동성이 뛰어나고, 이로 인해 안정적인 성형 가공이 가능할 것으로 판단하였다.
Figure pat00001
Figure pat00002
상기 표 2로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 수지 조성물은 측정한 모든 특성이 우수하게 균형 잡힌 상태를 나타내었다. 장섬유 함량이 적은 실시예 4를 제외한 모든 실시예의 물성에서 약 9 kgfcm/cm 이상의 충격강도, 1700 kgf/cm2 이상의 인장강도 및 85000 kgf/cm2 이상의 굴곡 탄성률을 나타내어 주요 기계적 특성에서 균형 잡힌 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 모든 실시예에서 기존 대비 비중감소율이 약 5~10 % 정도를 나타나 경량화 효과를 나타내고 있다.

Claims (11)

  1. (A) 열가소성 수지 35~85 중량%, (B) 5 내지 30 mm 길이의 장섬유 10~50 중량% 및 (C) 유리 버블 5~15 중량%를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서, (A) 열가소성 수지가 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리카보네이트, 스티렌-아크릴로니트릴, 폴리옥시메틸렌, 폴리에틸렌 테라프탈레이트, 액정 고분자, 폴리우레탄, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 액정고분자, 폴리아릴레이트, 폴리설폰, 폴리에테르 에테르케톤, 폴리메틸펜텐, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 폴리카보네이트 실록세인 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, (B) 장섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 금속섬유, 아라미드섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에테르 에테르케톤 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 액정 폴리머 섬유, 폴리아크로니트릴 섬유, 아릴레이트 섬유, 레이온 섬유, 천연섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, (B) 장섬유는 실란, 티타네이트, 크로뮴, 지르코늄, 보란, 알루미늄 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 포함하는 커플링제로 표면 처리된 것인, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서, (C) 유리 버블은 붕괴 강도가 16000psi 이상이고, 비중이 0.45~0.50g/cm3 인 것을 특징으로 하는, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서, (C) 유리 버블은 실란, 티타네이트, 크로뮴, 지르코늄, 보란, 알루미늄 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 포함하는 커플링제로 표면 처리된 것인, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 중화제, 무기 충진제, 윤활제, 산화방지제, 핵제, 광안정제, 가수분해안정제, 이형제, 난연제, 대전방지제, 자외선 안정제, 난연제, 광택제, 전도성부여제, 자성부여제, 가교제, 항균제, 가공조제, 내마찰제, 내마모제, 착색제, 커플링제 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  8. (a) 최종 생성물 수지 100 중량부를 기준으로, 장섬유 10~50 중량부에 열가소성 수지 35~85 중량부를 함침시켜 장섬유 강화 열가소성 수지 복합체 펠렛을 형성하는 단계; 및
    (b) 최종 생성물 수지 100 중량부를 기준으로, 버블 5~15 중량부와 형성된 장섬유 강화 열가소성 수지 복합체 펠렛을 건식 블렌딩하는 단계
    를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 수지 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 장섬유 강화 열가소성 수지 복합체 펠렛의 길이는 5 내 30mm인, 장섬유 강화 열가소성 수지 제조방법.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물로 제조된 성형품.
  11. 제10항에 있어서, 자동차 부품, 전기 제품 또는 전자 제품인, 성형품.
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