KR20190055623A - 고분자 섬유가 보강된 폴리머 알로이 및 이의 제조방법 - Google Patents

고분자 섬유가 보강된 폴리머 알로이 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20190055623A
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정선경
고윤기
이평찬
황예진
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Abstract

본 발명은 고분자 섬유가 보강된 폴리머 알로이 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 열가소성 고분자를 포함하는 제1 고분자 및 융점이 상기 제1 고분자의 융점 이상이고, 상기 제1 고분자 매트릭스의 적어도 일부에 섬유상 구조를 형성하는 제2 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고분자 섬유가 보강된 폴리머 알로이 및 이의 제조방법 {POLYMER FIBER REINFORCED POLYMER ALLOY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 고분자 섬유가 보강된 폴리머 알로이 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 제1 고분자 매트릭스에 제2 고분자 섬유가 보강되어 물성이 향상된 폴리머 알로이 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
복합재료소재는 일반 고분자 소재의 물리적인 강성을 향상시킬 수 있기 때문에 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그 중에서도, 섬유보강소재인 유리섬유복합재(Glass fiber reinforced complex) 및 탄소섬유복합재(Carbon fiber reinforced complex)가 대표적인 예이다.
복합재료소재는 강화재로 사용되는 섬유의 길이 방향으로 주된 물성이 발휘되기 때문에 섬유 강화재의 종류 및 구성에 따라 발현되는 물성 범위가 달라진다. 즉, 매트릭스 수지에 섬유 강화재 또는 기능성 첨가제를 혼합하고 함량 및 배열을 조절하여 원하는 물성을 부여할 수 있다.
복합재료소재의 매트릭스 수지로 사용될 수 있는 폴리프로필렌은 가격, 물성, 내화학성 등이 우수하여 널리 사용되는 플라스틱이다. 그러나, 내열도나 물리적인 강성이 엔지니어링 플라스틱에 비하여 열세이기 때문에 고강도의 용도로 사용되기에는 한계가 있다. 반면에 나일론 66은 높은 강성, 높은 내열특성을 가지지만, 수분에 취약하여 수축, 휨 등의 문제점이 발생된다.
한편, 복합소재재료의 일종인 폴리머 알로이는 두 종 이상의 고분자를 혼합하여 매트릭스 고분자의 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 폴리프로필렌의 부족한 기계적 강도를 향상시키기 위해 우수한 강성을 가지는 나일론 66을 혼합하여 압출성형을 통해 폴리머 알로이를 제조하는 것이 가능하다. 그러나, 두 소재의 특성이 크게 다른 경우, 상용성에 한계가 있었는데, 단순한 압출성형의 방법으로는 두 종의 고분자가 서로 분리가 되거나 부분적으로만 알로이(alloy)화 되어 폴리머 알로이의 전 영역에 원하는 물성이 나타나지 않는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 제1 고분자 매트릭스에 제2 고분자가 섬유상 구조를 형성하는 폴리머 알로이를 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 2회의 압출가공을 통해 제2 고분자가 단섬유 형태의 섬유상 구조를 형성하고, 제1 고분자에 균일하게 분포되는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 열가소성 고분자를 포함하는 제1 고분자 및 융점이 상기 제1 고분자의 융점 이상이고, 상기 제1 고분자 매트릭스의 적어도 일부에 섬유상 구조를 형성하는 제2 고분자를 포함하는 폴리머 알로이가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유상 구조는 상기 제1 고분자 및 상기 제2 고분자를 판상으로 압출가공하고 이를 절단하여 형성되고, 상기 압출가공의 가공온도는 상기 제1 고분자의 융점(Tm1) 내지 상기 제2 고분자의 융점(Tm2)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유상 구조는 직경이 1㎛ 내지 3㎛일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 고분자는, 폴리에틸렌, 에틸렌바이닐아세테이트 공중합체(Ethylene-vinyl acetate copolymer), ABS수지(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene, ABS), ASA수지(Acrylonitrile-Styrene-Acrylate, ASA) 및 폴리프로필렌(Polyproylene, PP) 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate, PET), 폴리프로필렌옥사이드(Polypropyleneoxide, PPO), 테플론(Teflon), 폴리아마이드(Polyamide, PA) 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene Sulfide, PPS), 폴리에터술폰(Polyethersulfone PES), 나일론 6T, 나일론 10T 및 나일론66(Nylon 66)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 고분자는 펠렛형 또는 시트형으로 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 관점에 따르면, (a) 열가소성 고분자를 포함하는 제1 고분자, 및 제2 고분자를 혼합하고 제1 압출가공하여 고분자 필름을 제조하는 단계, (b) 상기 고분자 필름을 절단하는 단계 및 (c) 상기 절단된 고분자 필름과 상기 제1 고분자를 더 혼합하고 제2 압출가공하는 단계를 포함하는 폴리머 알로이의 제조방법 이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계에서 제1 압출가공은 적어도 제1 고분자 및 제2 고분자의 융점 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계에서 상기 제1 압출가공은 판상으로 수행되고, 상기 제2 고분자는 상기 제1 고분자 매트릭스의 적어도 일부에 섬유상 구조를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서 상기 제1 고분자는 용융되어 매트릭스(Matrix)를 형성하고, 상기 제2 고분자는 용융되지 않고 상기 매트릭스에 분산될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서 상기 제2 압출가공의 가공 온도는 하기의 (식1)을 만족할 수 있다.
(식1): Tm1<TE2<Tm2
Tm1: 제1 고분자의 융점, TE2: 제2 압출가공의 가공 온도 Tm2: 제2 고분자의 융점
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 열가소성 고분자를 포함하는 제1 고분자 매트릭스에 제2 고분자가 섬유상 구조를 형성하여 물성이 향상된 폴리머 알로이를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 2회의 압출가공을 통해 제2 고분자가 단섬유 형태의 섬유상 구조를 형성하고, 제1 고분자에 균일하게 분포되어 제1 고분자의 물성을 향상시키는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이의 형상을 나타내는 개략도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이의 제조방법를 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 따른 폴리프로필렌(PP) 및 나일론 66(PA66) 시편을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따른 폴리프로필렌 및 나일론66을 제1 압출가공하여 제조한 고분자 필름을 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실험예에 따른 나일론66이 보강된 펠렛형의 PP/PA66 폴리머 알로이를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실험예인 PP/PA66 폴리머 알로이, 폴리프로필렌 및 나일론66의 IR 스펙트럼(Infrared Spectrum) 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 PP/PA66 폴리머 알로이의 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하여 폴리머 알로이(1)에 대하여 설명한다. 도 1의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 섬유가 보강된 펠렛(pellet) 형태의 폴리머 알로이(1)를 나타내는 개략도, 도 1의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이(1)의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리머 알로이(1)는, 열가소성 고분자를 포함하는 제1 고분자(10) 및 융점이 상기 제1 고분자(10)의 융점 이상이고, 제1 고분자(10) 매트릭스의 적어도 일부에 섬유상 구조를 형성하는 제2 고분자(20)를 포함할 수 있다.
종래의 폴리머 알로이의 경우, 2종 이상의 고분자를 혼합할 때, 제2 고분자는 제1 고분자 상에 크기가 다양하고 규칙적인 배열이 없이 형성된다. 그 결과, 보강되는 제2 고분자의 밀도가 폴리머 알로이 전 부분에서 균일하지 않는 문제가 있어 특성이 부분적으로 다를 수 있다. 또한, 보강되는 제2 고분자의 형태가 일정하지 않기 때문에 효과적으로 특성이 향상되지 않을 수 있다.
반면에, 도 1에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이(1)는, 제1 고분자(10)가 매트릭스(Matrix)를 형성하고, 제2 고분자(20)는 제1 고분자(10) 매트릭스의 적어도 일부에 섬유상 구조를 형성할 수 있다. 제1 고분자(10)가 제2 고분자(20)보다 많은 비율로 폴리머 알로이(1)에 포함될 수 있는데, 바람직하게는, 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)의 무게비율은 10:1 일 수 있고, 제2 고분자(20)는 제1 고분자(10) 매트릭스에 균일하게 분포될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 섬유상 구조는 제1 고분자(10) 및 제2 고분자(20)를 판상으로 압출가공하고 이를 절단하여 형성되고, 압출가공의 가공온도는 제1 고분자(10)의 융점(Tm1) 내지 제2 고분자(20)의 융점(Tm2)일 수 있다.
폴리머 알로이(1)는 2회의 압출공정을 통해 제1 고분자(10)가 매트릭스를 형성하고, 제2 고분자(20)가 섬유상 구조를 형성할 수 있다. 섬유상 구조는 가로의 길이가 세로의 두께보다 큰 형상으로 형성되는 구조를 의미한다. 이때, 제2 고분자(20)가 섬유상 구조를 형성하기 위해서는, 적어도 1회의 압출가공은 판상으로 압출가공하고 이를 절단하는 공정을 통해 형성될 수 있다. 일반 압출가공의 경우, 제2 고분자(20)가 제1 고분자(10) 매트릭스에서 섬유상 구조로 형성될 수 없고, 형태가 제어되지 않는다. 즉, 제2 고분자(20)가 섬유상 구조를 형성하기 위해서 적어도 1회의 압출가공은 판상으로 수행하고, 이를 절단하는 단계가 필요하다.
또한, 압출가공 중 용융에 의해 섬유상 구조가 변화는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서, 제1 고분자(10)는 용융되고, 제2 고분자(20)는 용융되지 않고 압출가공을 하기 위해, 제2 고분자(20)의 융점(Tm2)은 제1 고분자(10)의 융점(Tm1) 이상일 수 있고, 압출가공은 제1 고분자(10)의 융점(Tm1) 이상 제2 고분자(20)의 융점(Tm2) 이하의 온도에서 수행하여야 한다. 이때, 보강 효과를 발휘하는 제2 고분자(20)가 형성하는 섬유상 구조를 유지하며 폴리머 알로이(1)의 가공이 가능하다.
또한, 제2 고분자(20)는 가로의 길이가 짧은 단섬유 형태의 섬유상 구조를 형성할 수 있다. 폴리머 알로이(1)의 제조 공정시 절단하는 공정을 거치기 때문에, 제2 고분자(20)가 절단되어 균일한 길이를 가진 단섬유 형태의 섬유상 구조를 형성할 수 있다. 제2 고분자(20)가 단섬유 형태일 경우, 가로의 길이가 긴 장섬유에 비해 제1 고분자(10) 매트릭스 상에서 더 균일하게 분포되는 효과가 있다.
그리고, 제2 고분자(20)가 형성하는 섬유상 구조는 압출방향에 따라 일정한 배향으로 형성될 수 있다. 섬유상 구조가 일정한 배향 없이 무분별하게 형성될 경우, 폴리머 알로이(1)의 물성 향상에 효과적이지 않다. 도 1의 (b)를 참조하면, 균일한 형태 및 크기의 제2 고분자(20) 섬유상 구조가 동일한 배향을 가지고 제1 고분자(10)에 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 종래의 폴리머 알로이에 비해 최종 제품의 우수한 특성 향상과 동일한 품질을 기대할 수 있는 것을 의미한다.
도 1에 따르면, 섬유상 구조는 직경이 1㎛ 내지 3㎛일 수 있다. 바람직하게는, 직경이 2㎛일 수 있다.
제1 고분자(10)의 매트릭스 상에 제2 고분자(20)의 크기를 제어하여 마이크로 미터 단위의 섬유상 구조를 형성할 경우, 섬유상의 제2 고분자를 직접 첨가하는 방식에 비해 제1 고분자(10) 매트릭스 상에 섬유상 구조를 균일하게 형성할 수 있다. 균일하게 분포되는 섬유상 구조는 제2 고분자(20)에 의한 폴리머 알로이(1)의 특성 향상을 극대화 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 고분자(10)는, 폴리에틸렌, 에틸렌바이닐아세테이트 공중합체(Ethylene-vinyl acetate copolymer), ABS수지(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene, ABS), ASA수지(Acrylonitrile-Styrene-Acrylate, ASA) 및 폴리프로필렌(Polyproylene, PP) 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 일 수 있고, 제2 고분자(20)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate, PET), 폴리프로필렌옥사이드(Polypropyleneoxide, PPO), 테플론(Teflon), 폴리아마이드(Polyamide, PA) 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene Sulfide, PPS), 폴리에터술폰(Polyethersulfone PES), 나일론 6T, 나일론 10T 및 나일론66(Nylon 66)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 일 수 있다.
제1 고분자(10)는 통상적으로 사용가능 한 고분자일 수 있다. 복합소재의 제조시 사용될 수 있도록 물성 또는 화학성 특성에 있어서 상용성이 높은 고분자가 적합하다. 특히, 압출가공이 용이하도록 열가소성 수지를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 제1 고분자(10)는 폴리프로필렌일 수 있다.
제2 고분자(20)는 제1 고분자(10)상에 함침되어 물성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다. 제2 고분자(20)는 제1 고분자(10)의 약한 물성을 보완하기 위해 비교적 소량이 첨가된다. 따라서, 소량의 첨가만으로도 물성향상이 가능하기 위해, 제1 고분자(10)가 가지지 않은 기계적 특성이 제2 고분자(20)에게 요구된다. 바람직하게는, 제2 고분자(20)는 나일론 66일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리머 알로이(1)는 펠렛형 또는 시트형일 수 있다.
통상적으로 사용되는 펠렛형의 폴리머 알로이(1)를 제조할 수 있고, 필요에 따라 시트형의 폴리머 알로이(1)의 제조가 가능하다. 제2 고분자(20)가 마이크로 미터 단위의 섬유상 구조를 형성하며 보강되기 때문에, 폴리머 알로이(1)의 형상이 달라지더라도 균일하게 분포될 수 있다. 이는, 폴리머 알로이(1)의 형상에 제약이 없는 것을 의미한다. 바람직하게는, 상용성을 높이기 위해 펠렛형으로 제조될 수 있다.
다음으로, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이(1)의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이(1)의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이(1)의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 2에 따르면, 폴리머 알로이(1)의 제조방법은, (a) 열가소성 고분자를 포함하는 제1 고분자(10), 및 제2 고분자(20)를 혼합하고 제1 압출가공하여 고분자 필름(5)을 제조하는 단계(S10), (b) 고분자 필름(5)을 절단하는 단계(S20) 및 (c) 절단된 고분자 필름(5)과 제1 고분자(10)를 더 혼합하고 제2 압출가공하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)를 혼합하여 제1 압출가공 온도(TE1)까지 가열할 경우, 제2 고분자(20)가 제1 고분자(10) 매트릭스 상에 임의의 구조를 형성할 수 있다. 제1 압출가공온도(TE1)는 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)의 융점 이상일 수 있다. 이때, 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)는 용융 되어 가공이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 단계에서 제1 압출가공은 적어도 제1 고분자(10) 및 제2 고분자(20)의 융점(Tm1, Tm2) 온도에서 수행될 수 있다. 바람직하게는, 250℃ 내지 300℃에서 수행될 수 있다.
폴리머 알로이(1)에 포함되는 제2 고분자(20)는 제1 고분자(10)에 비해 융점이 더 높기 때문에(Tm2>Tm1), 제1 고분자(10) 및 제2 고분자(20)가 유동성을 가지고 가공이 가능하기 위해 제1 압출가공온도(TE1)는 적어도 제1 고분자(10) 및 제2 고분자(20)의 융점(Tm1, Tm2)에서 수행될 수 있다. 바람직하게는, 제2 고분자(20)로 사용될 수 있는 고분자의 평균적인 융점보다 높은 250℃ 내지 300℃에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 단계에서 제1 압출가공은 판상으로 수행되고, 제2 고분자는 제1 고분자 매트릭스의 적어도 일부에 섬유상 구조를 형성할 수 있다.
도3의 (b)를 참조하면, 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)를 혼합하여 제1 압출가공하여 고분자 필름(5)을 제조(S10)할 수 있다. 바람직하게는, 고분자 필름(5)은 시트형태의 필름으로 제조될 수 있다. 고분자 필름(5)은 제1 고분자(10) 매트릭스의 적어도 일부에 제2 고분자(20)가 일정한 배열 방향을 가지며 섬유상 구조가 형성할 수 있다.
제1 압출가공은 높은 융점을 가진 제2 고분자(20)의 융점(Tm2) 온도 이상에서 수행되기 때문에 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)가 유동성을 가진 상태에서 압출될 수 있다. 따라서, 제1 압출가공에 의해 제1 고분자(10)가 시트형의 매트릭스를 형성하고, 매트릭스의 적어도 일부에 제2 고분자(20)가 압출 방향에 따라 일정한 배열을 가지며 섬유상 구조가 형성할 수 있다. 제2 고분자(20)가 섬유상 구조를 형성하기 위해, 제1 압출가공은 판상으로 수행되어야 한다. 일반적인 압출가공의 경우, 제2 고분자(20)의 형태가 제어되지 않고 다양할 수 있으나, 판상으로 제1 압출가공을 수행하여 제2 고분자(20)가 섬유상 구조를 형성하는 것이 가능하다. 한편, 제2 고분자(20)는 제1 압출가공에 의해 섬유상 구조를 형성할 수 있으나, 제1 고분자(10) 매트릭스 상에 균일하게 분포되기 위해서는 이하의 단계가 필요하다.
도 3의 (c)를 참조하면, 고분자 필름(5)을 절단하는 단계(S20)에서, 제2 고분자(20)가 형성하는 섬유상 구조의 크기가 조절될 수 있다. 제1 압출공정에 의해 제조된 고분자 필름(5)은 제2 고분자(20)가 형성하는 섬유상 구조의 크기가 일정하지 않다. 또한, 제1 압출가공만 수행된 경우, 제2 고분자(20)는 길이가 긴 섬유상 구조를 형성한다. 섬유상 구조의 길이는 비교적 짧고, 직경이 마이크로 미터 단위일 때 제1 고분자(10) 매트릭스 상에서 균일하게 분포되어 폴리머 알로이(1)의 특성 향상에 효과적이다. 따라서, 고분자 필름(5)을 절단하는 단계(S20)을 통해, 제2 고분자(20)의 섬유상 구조의 크기를 조절할 필요가 있다. 절단하는 공정을 통해 제2 고분자(20)가 단섬유 구조를 가지게 되고, 가로의 길이가 긴 장섬유에 비해 제1 고분자(10) 매트릭스 상에서 더 균일하고 조밀하게 분포되는 효과가 있다.
도 3의 (d)를 참조하면, 절단된 고분자 필름(5)을 제1 고분자(10)와 더 혼합하여 제2 압출가공하는 단계(S30)에서, 제1 고분자(10)는 용융되어 매트릭스(Matrix)를 형성하고, 제2 고분자(20)는 용융되지 않고 매트릭스의 적어도 일부에 섬유상 구조를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 섬유상 구조의 직경은 1㎛ 내지 3㎛일 수 있다.
2회의 압출가공을 거쳐 제조된 폴리머 알로이(1)는 제1 고분자(10)의 적어도 일부에 제2 고분자(20)가 균일하게 분포될 수 있다. 또한, 제2 압출가공 공정 이전에 고분자 필름(5)을 절단하는 단계(S20)에 의해 제2 고분자(20)의 크기가 일정하게 제어되고, 제1 고분자(10)를 더 혼합하여 제2 압출가공을 수행하기 때문에, 폴리머 알로이(1)에 제2 고분자(20)가 균일하게 분포하여 전 영역에서 동일한 특성 향상을 기대할 수 있다. 종래의 폴리머 알로이는 함침되는 고분자가 균일하게 분포하지 않고, 보강 고분자에 의해 형성되는 구조의 형태가 일정하지 않아 물성이 저하되는 문제점이 있었다. 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이(1)는 보강 고분자인 제2 고분자(20)가 일정한 형태로 균일하게 분포하기 때문에 제1 고분자(10)의 물성향상에 효과적이다. 제2 압출가공시 폴리머 알로이(1)에 포함되는 제2 고분자(20)의 밀도를 조절하기 위해 절단된 고분자 필름(5)과 더 혼합되는 제1 고분자(10)의 비율을 조절할 수 있다. 바람직하게는, 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)의 비율이 10:1 일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (c) 단계에서 제2 압출가공의 가공 온도는 하기의 (식1)을 만족할 수 있다. 바람직하게는, 제2 압출가공은 150℃ 내지 200℃에서 수행될 수 있다.
(식1): Tm1<TE2<Tm2
Tm1: 제1 고분자(10)의 융점, TE2: 제2 압출가공온도 Tm2: 제2 고분자(20)의 융점
제2 압출가공은 제1 고분자(10)가 매트릭스를 형성하고 제2 고분자(20)가 섬유상 구조를 형성하기 위해 압출 온도가 조절되어야 한다. 제2 압출가공이 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)의 융점(Tm1, Tm2) 이상의 고온에서 수행될 경우, 고분자가 모두 용융되어 유동성을 가지게 되고, (b) 단계에서 절단되어 균일한 길이를 가지게 된 제2 고분자(20)가 뭉치거나 변형되어 다양한 구조를 가지게 될 수 있다. 반면에, 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)의 융점(Tm1, Tm2) 이하의 저온에서 수행될 경우, 제1 고분자(10)가 용융되지 않아 매트릭스를 형성하지 못한다. 따라서, 제1 고분자(10)만 용융되어 매트릭스를 형성하고, 제2 고분자(20)는 용융되지 않고 (b) 단계에서 형성한 균일한 길이를 유지할 수 있도록 제2 압출가공의 가공온도(TE2)가 제어되어야 한다. 따라서, 제2 압출가공의 가공온도(TE2)는 제1 고분자(10)의 융점(Tm1) 내지 제2 고분자(20)의 융점(Tm2)일 수 있다.
바람직하게는, 제2 압출가공은 제1 고분자(10)와 제2 고분자(20)로 사용될 수 있는 고분자의 평균적인 융점 온도의 중간 범위인 150℃ 내지 200℃에서 수행될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 제1 고분자(10)로 폴리프로필렌(PP)을, 제2 고분자로 나일론66(PA66)을 이용하여 제조된 PP/PA66 폴리머 알로이에 대하여 설명한다.
실험예 : 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 및 나일론66(Nylon 66, PA66)을 포함하는 PP/PA66 폴리머 알로이
도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실험예에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 따른 폴리프로필렌(PP) 및 나일론 66(PA66) 시편을 나타내는 사진이다.
열가소성 고분자를 포함하는 제1고분자(10)로 폴리프로필렌(PP)을 사용하고, 제1 고분자(10) 상에 섬유상 구조를 형성하는 제2 고분자(20)로 나일론 66(PA66)을 사용하여 PP/PA66 폴리머 알로이를 제조하였다.
폴리프로필렌(PP)은 열가소성 고분자로, 열변형온도가 150℃ 내지 180℃이다. 폴리프로필렌은 물성 및 내화학성이 뛰어나 범용소재로 사용되지만, 내열성 및 물리적 강성이 엔지니어링 플라스틱에 비해 부족하기 때문에 다른 고분자와 혼합되어 물성을 향상시킬 필요가 있다. 나일론 66(PA66)은 폴리아마이드의 일종으로, 열변형온도가 230℃ 내지 250℃ 이다. 나일론 66은 물리적 강성 및 내열성이 우수하나 수분에 의해 수축, 휨 현상이 발생하는 단점이 있다.
먼저, 고분자 필름(5)을 제조하기 위해, 폴리프로필렌과 나일론 66을 혼합하고 제1 압출가공을 수행하였다. 폴리프로필렌과 나일론 66은 3:1의 비율로 압출가공기에 투입하였다. 제1 압출가공의 가공온도는 나일론66의 융점보다 높은 270℃에서 수행하였다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따른 폴리프로필렌 및 나일론66을 제1 압출가공하여 제조한 고분자 필름(5)을 나타내는 사진이다.
도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 폴리프로필렌 매트릭스 상에 나일론66이 일부 섬유상 구조를 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 압출가공 공정을 1회 수행하였기 때문에 나일론 66은 장섬유의 구조를 형성하고 있으며, 폴리프로필렌 매트릭스 상에서 비교적 균일하게 분포되지 않은 것을 알 수 있다. 도 5의 (c)는 폴리프로필렌 및 나일론66을 이용하여 제조된 고분자 필름(5)의 현미경 사진이다. 폴리프로필렌을 매트릭스로 하여 나일론66이 섬유상 구조를 일부 형성하고 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, 제1 압출가공으로 제조된 고분자 필름(5)을 절단하고, 폴리프로필렌은 더 혼합하여 제2 압출가공을 통해 나일론66이 보강된 PP/PA66 폴리머 알로이를 제조하였다. 폴리프로필렌은, 제조된 PP/PA66 폴리머 알로이에서 폴리프로필렌 : 나일론 66의 무게비율이 10:1이 되도록 더 혼합하였다.
도 6은 본 발명의 일 실험예에 따른 나일론66이 보강된 펠렛형의 PP/PA66 폴리머 알로이를 나타내는 사진이다.
도 6을 참조하면, 마이크로 미터 단위의 나일론66이 보강되어 있는 펠렛형의 PP/PA66 폴리머 알로이를 제조할 수 있다. 또한, 고분자 필름(5)을 절단하는 공정을 수행하였기 때문에, 도 5와 달리 나일론 66이 단섬유의 구조를 형성하고 있으며, 폴리프로필렌 매트릭스 상에서 균일하게 분포되어 있는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실험예인 PP/PA66 폴리머 알로이, 폴리프로필렌 및 나일론66의 IR 스펙트럼(Infrared Spectrum) 분석결과를 나타내는 그래프이다. 폴리프로필렌 펠렛(PP pellet), 폴리프로필렌-나일론66 필름(PP/PA film), 나일론66 펠렛(PA66 pellet), 폴리프로필렌 필름(PP film) 시편을 제조하여 IR 스펙트럼을 분석하였다.
나일론66은 폴리아마이드의 일종이기 때문에, 고분자 사슬 내에 아마이드기(-CONH)를 포함하고 있다. 특히, N-H기는 IR 스펙트럼에서 약 3200~3400cm-1의 파수를 흡수할 수 있다. 도 7을 참조하면, 나일론 66 펠렛과 폴리프로필렌-나일론66 필름의 IR 스펙트럼에서, N-H기를 포함하는 것을 의미하는 3298cm-1 피크가 나타나는 것을 알 수 있다. 반면에, 폴리프로필렌 펠렛과 필름의 경우, 3200cm-1 내지 3400cm-1에서 흡수하는 피크가 나타나지 않았다. 즉, 본 발명의 일 실험예에 따라 제조된 폴리프로필렌-나일론66 폴리머 알로이에서 N-H 피크가 나타나는 것으로 보아 나일론 66이 보강되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 폴리프로필렌의 C-H기가 흡수하는 파장대인 2900~3000cm-1의 피크가 폴리프로필렌 펠렛, 폴리프로필렌 필름 및 폴리프로필렌-나일론66 폴리머 알로이에서 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 상기의 실험예에 따른 폴리머 알로이(1)는 폴리프로필렌 매트릭스에 나일론66이 섬유상 구조를 형성하며 보강되어 있는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 PP/PA66 폴리머 알로이의 단면을 나타내는 SEM 사진이다. 도 8을 참조하면, 폴리프로필렌 매트릭스에 나일론66이 섬유상 구조를 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 나일론66이 폴리프로필렌 매트릭스의 전 영역에 균일하게 분포되어 있고, 단섬유 형태로 섬유상 구조를 형성하고 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, PP/PA66 폴리머 알로이의 물성평가에 대하여 설명한다. [표 1]은 본 발명의 일 실험예 및 비교예에 따른 폴리머 알로이의 물리적 강도 및 수분흡수율을 측정한 결과를 나타낸다. 비교예 1은 폴리프로필렌 펠렛, 비교예 2는 폴리프로필렌과 나일론 66을 일반압출하여 제조한 폴리머 알로이 펠렛, 실험예 1은 본 발명의 일 실험예에 따른 폴리프로필렌 상에 나일론 66이 섬유상 구조를 형성한 PP/PA66 폴리머 알로이 펠렛을 의미한다.
[표 1]
Figure pat00001
[표 1]을 참조하면, 실험예 1의 PP/PA66 폴리머 알로이는 비교예 1인 폴리프로필렌과 비슷한 수준의 낮은 수부흡수율을 가지면서 물리적 강도가 향상된 것을 알 수 있다. 이는, 나일론66에 의해 폴리프로필렌의 강성이 향상되면서, 나일론 66의 취약한 수분흡수율이 보완된 것을 의미한다. 반면에, 비교예 2의 폴리머 알로이의 경우, 인장응력은 폴리프로필렌 보다 향상되지만, 수분흡수율은 비교적 높은 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이는, 나일론 66의 수분에 취약한 특성이 폴리프로필렌에 의해 보완되지 못하는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 알로이(1)는, 2회의 압출가공 공정을 통해 제1 고분자(10) 매트릭스의 적어도 일부에 제2 고분자(20)가 마이크로 미터 단위의 섬유상 구조를 형성하고, 단섬유 형태로 균일하게 분포되어 제1 고분자(10)의 물성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
1: 폴리머 알로이
5: 고분자 필름
10: 제1 고분자
20: 제2 고분자

Claims (11)

  1. 열가소성 고분자를 포함하는 제1 고분자; 및
    융점이 상기 제1 고분자의 융점 이상이고, 상기 제1 고분자 매트릭스의 적어도 일부에 섬유상 구조를 형성하는 제2 고분자
    를 포함하는 폴리머 알로이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유상 구조는 상기 제1 고분자 및 상기 제2 고분자를 판상으로 압출가공하고 이를 절단하여 형성되고,
    상기 압출가공의 가공온도는 상기 제1 고분자의 융점(Tm1) 내지 상기 제2 고분자의 융점(Tm2)인, 폴리머 알로이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 섬유상 구조는 직경이 1㎛ 내지 3㎛인, 폴리머 알로이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자는, 폴리에틸렌, 에틸렌바이닐아세테이트 공중합체(Ethylene-vinyl acetate copolymer), ABS수지(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene, ABS), ASA수지(Acrylonitrile-Styrene-Acrylate, ASA) 및 폴리프로필렌(Polyproylene, PP) 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 인, 폴리머 알로이.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate, PET), 폴리프로필렌옥사이드(Polypropyleneoxide, PPO), 테플론(Teflon), 폴리아마이드(Polyamide, PA) 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene Sulfide, PPS), 폴리에터술폰(Polyethersulfone PES), 나일론 6T, 나일론 10T 및 나일론66(Nylon 66)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 인, 폴리머 알로이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자는 펠렛형 또는 시트형으로 형성되는, 폴리머 알로이.
  7. (a) 열가소성 고분자를 포함하는 제1 고분자, 및 제2 고분자를 혼합하고 제1 압출가공하여 고분자 필름을 제조하는 단계;
    (b) 상기 고분자 필름을 절단하는 단계; 및
    (c) 상기 절단된 고분자 필름과 상기 제1 고분자를 더 혼합하고 제2 압출가공하는 단계
    를 포함하는 폴리머 알로이의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 제1 압출가공은 적어도 제1 고분자 및 제2 고분자의 융점 온도에서 수행되는, 폴리머 알로이의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 제1 압출가공은 판상으로 수행되고,
    상기 제2 고분자는 상기 제1 고분자 매트릭스의 적어도 일부에 섬유상 구조를 형성하는, 폴리머 알로이의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 제1 고분자는 용융되어 매트릭스(Matrix)를 형성하고,
    상기 제2 고분자는 용융되지 않고 상기 매트릭스에 분산되는, 폴리머 알로이의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 제2 압출가공의 가공 온도는 하기의 (식1)을 만족하는, 폴리머 알로이의 제조방법.
    (식1): Tm1<TE2<Tm2
    Tm1: 제1 고분자의 융점, TE2: 제2 압출가공의 가공 온도 Tm2: 제2 고분자의 융점
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