KR20200142188A

KR20200142188A - 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법 및 표면 개질된 유리 섬유를 포함하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재

Info

Publication number: KR20200142188A
Application number: KR1020190069084A
Authority: KR
Inventors: 황석호; 신은섭; 이승준; 강범모; 박규환
Original assignee: 단국대학교 산학협력단; 에이치디씨현대이피 주식회사
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-22
Also published as: KR102266290B1

Abstract

본 발명은 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법 및 표면 개질된 유리 섬유를 포함하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 a) 실란 커플링제와 유리 섬유의 반응을 통해 유리 섬유의 표면을 1차 개질하는 단계 및 b) 상기 1차 개질된 유리 섬유와 무수말레인산-그라프트-올레핀 수지를 화학 결합시켜 유리 섬유를 2차 개질하는 단계를 포함하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법 및 이에 따라 혼화성과 계면 접착력이 향상된 표면 개질 유리 섬유와 폴리올레핀 수지를 포함하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재에 관한 것이다.

Description

표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법 및 표면 개질된 유리 섬유를 포함하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재 {METHOD FOR PREPARING SURFACE MODIFIED GLASS FIBER AND GLASS FIBER REINFORCED POLYMERIC COMPOSITE MATERIAL COMPRISING THE GLASS FIBER}

본 발명은 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법 및 표면 개질된 유리 섬유를 포함하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리 섬유의 표면이 무수말레인산이 그라프트된 올레핀 수지로 개질되어 올레핀 수지와 복합재를 형성할 때 계면 접착력을 향상된 표면 개질 유리 섬유 및 이를 포함하는 기계적 특성이 우수한 유리 섬유 강화 고분자 복합재에 관한 것이다.

일반적으로 복합재료는 화학적 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 재료가 보강재와 매트릭스(matrix)로서 거시적으로 상호간에 구분되는 계면을 가지도록 조합되어 유효한 성능을 가지는 재료를 의미한다. 이러한 복합재료는 조합되는 각 구성 성분의 특성에 따라 다양한 물성을 가지는 재료로 개질할 수 있기 때문에 항공, 우주, 자동차, 산업기계 분야 등 다양한 산업군에 적용되고 있다. 다양한 복합재료들 중에 섬유 강화 복합재료는 보강재로서 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 실리콘 카바이드 섬유와 같은 섬유형태의 보강재를 사용하여 제조된 것으로서 무게대비 강도가 크고, 성형성이 우수한 장점 등으로 인해 복합재료들 중에서도 각광받고 있는 복합재료이다. 특히, 섬유형태의 보강재들 중 유리섬유가 복합재료 제조에 폭넓게 사용되어지고 있는데, 그 이유는 유리섬유의 저비용, 높은 인장 강도, 내충격성, 치수 안정성, 내마모성, 높은 내화학성 및 절연 특성이 우수하기 때문이다.

열가소성 고분자인 폴리프로필렌은 저비용, 쉬운 가공성 및 우수한 내식성으로 인해 유리 섬유 강화 고분자 복합재료분야에 매트릭스 수지로 사용되고 있는데, 이러한 유리 섬유 강화 폴리프로필렌 복합재료는 고강도를 요구하는 자동차 산업을 비롯한 다양한 분야에 적용되고 있다. 통상 유리 섬유 강화 폴리프로필렌 복합재료는 매트릭스로 사용되는 폴리프로필렌 수지와 유리 섬유 보강재를 혼합한 후 용융시켜 압출 등의 가공공정을 통해 제조된다. 이러한 공정에서 폴리프로필렌 수지의 미세구조사이에 유리 섬유가 침투하여 매트릭스 내에 보강재로서 균일하게 분산되는데, 이때 유리 섬유 보강재와 폴리프로필렌 수지사이의 약한 계면 접착력으로 인해 매트릭스 폴리프로필렌 수지의 미세구조사이에 유리 섬유 보강재 침투가 용이하지 않아 복합재료의 물성 증가가 미비하였다.

많은 연구 그룹들이 매트릭스 수지와 보강재용 섬유 간의 계면특성을 안정화하기 위해 노력하고 있으며, 가공시 상용화제를 사용하는 방법이 가장 일반화되어 있다. 최근에는 유리 섬유 복합재의 성능을 더 향상시키기 위해 유리 섬유의 표면을 개질하여 계면 접착력을 좀 더 개선하려는 연구가 진행되고 있으며, 열처리, 산성 또는 알카리성 에칭방법 및 커플링제를 이용한 유리 섬유 개질 등이 진행되고 있다. 그러나 -Si-O-Si- 의 가수분해에 의한 표면개질은 오히려 계면강도를 감소시키는 경향이 있다는 보고가 있다.

또한 폴리프로필렌 수지와 유리 섬유간의 접착력을 개선하는 방법으로서, 카르복실산, 무수카르복실산 혹은 불포화카르복실산으로 개질한 폴리프로필렌에 유리섬유를 첨가하는 방법 또는 불포화 카르복실산 또는 그 무수물을 결정성 폴리프로필렌 수지에 그라프트 반응시켜서 얻어진 그라프트 폴리프로필렌 수지와 유리 섬유를 혼합하는 방법 등이 제안된 바 있으나, 사용가능한 올레핀 수지의 종류가 제한되는 문제점과 산업 현장에서 요구되는 기계적 특성을 충족하지 못하는 한계가 있었다.

미국 등록특허공보 제4,003,874호 한국 공개특허공보 제1993-0000588호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유리 섬유가 올레핀 수지에 혼합될 때, 유리 섬유의 자체 응집을 배제하고, 효과적으로 분산되어 균일하게 혼합될 수 있도록 표면이 개질된 계면 접착력과 혼화성이 우수한 유리 섬유 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상기 올레핀 수지에 대한 혼화성과 분산성이 향상된 표면 개질 유리 섬유를 포함하는 기계적 특성이 우수한 유리 섬유 강화 고분자 복합재를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 a) 실란 커플링제와 유리 섬유의 반응을 통해 유리 섬유의 표면을 1차 개질하는 단계; 및 b) 상기 1차 개질된 유리 섬유와 무수말레인산-그라프트-올레핀 수지를 화학 결합시켜 유리 섬유를 2차 개질하는 단계를 포함하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 유리 섬유를 제공한다.

또한 본 발명은 상기와 같이 표면이 개질된 유리 섬유와 폴리올레핀 수지를 포함하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재를 제공한다.

본 발명에 따라 표면이 개질된 유리 섬유는 올레핀 수지 중에 혼합하여 복합재를 형성할 경우, 매트릭스를 구성하는 올레핀 수지와 혼화성이 우수하고, 분산성이 뛰어나다. 즉 유리 섬유의 표면 개질을 통해, 유리 섬유간의 응집을 배제함으로써 분산성을 확보할 수 있으며, 올레핀 수지와의 혼화성(친화성)이 증대되어 계면 접착력이 향상된다.

본 발명에 의해 개질된 유리 섬유를 올레핀 수지와 혼합하여 복합재가 형성되면, 추가적으로 상용화제가 필요하지 않게 되어 적은 상용화제만으로도 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며, 또한 상용화제의 분포가 유리 섬유 부위로 한정되어 상용화제에 의한 매트릭스를 구성하는 올레핀 수지의 극성화를 최소화 할 수 있다. 일반적으로 극성화도가 증가된 올레핀 수지는 내화학성 및 내후성을 약화시킬 수 있기 때문이다. 또한 본 발명에 따라 개질된 유리 섬유를 올레핀 수지에 첨가하여 복합재를 제조하면 인장 강도와 인장 탄성율이 향상되어 기계적 특성이 우수한 올레핀 수지 복합재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유리 섬유의 개질 과정을 보여주는 모식도로서, (A)는 APS 실란 커플링제를 사용하여 유리 섬유를 1차 개질하는 과정을 나타내며, (B)는 1차 개질된 유리 섬유와 MAPP를 반응시켜 2차 개질된 유리 섬유를 제조하는 과정을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 APS 실란 커플링제를 사용하여 1차 개질된 유리 섬유(A)와 MAPP를 사용하여 2차 개질된 유리섬유 (B)의 SEM 사진과 각각의 EDX 에너지 스펙트럼(a, b)이다.
도 3은 개질전 유리 섬유와 MAPP로 개질된 유리 섬유를 사용한 폴리프로필렌 복합재의 모폴로지를 보여주는 SEM 사진이다.
도 4와 도 5는 개질전 유리 섬유(bare GF)와 개질된 유리 섬유(MAPP-a-GF)로 보강된 폴리프로필렌 복합재내 유리 섬유 함량에 따른 유리 섬유 강화 폴리프로필렌 복합재의 인장 강도(tensile strength) 및 인장 탄성율(tensile modulus)을 보여주는 그래프이다.

이하, 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서는 실란올(silanol)기를 가진 유리 섬유 표면에 무수말레인산이 그라프트된 폴리올레핀 수지를 화학적으로 결합시키는 과정을 통해 유리 섬유의 표면 개질을 유도함으로써 유리 섬유 보강재와 폴리올레핀 수지 매트릭스 간의 계면 접착력을 향상시켰다. 이를 위해, 본 발명에서는 유리 섬유 표면에 아민기(1차 또는 2차 아민)를 가지며 가수분해가 가능한 실란기와 화학적으로 결합된 유리 섬유를 1차적으로 제조하는 단계를 수행한다. 그 다음, 1차 개질된 유리섬유는 친핵성 치환반응인 아마이드 반응을 통해 무수말레인산-그라프트-올레핀 수지와 화학적으로 결합된 유리 섬유를 제조한다. 또한 이와 같이 표면 개질된 유리 섬유와 폴리올레핀 수지를 포함하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재를 제공한다.

본 발명에 따른 표면 개질 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법은 a) 실란 커플링제와 유리 섬유의 반응을 통해 유리 섬유의 표면을 1차 개질하는 단계 및 b) 상기 1차 개질된 유리 섬유와 무수말레인산-그라프트-올레핀 수지를 화학 결합시켜 유리 섬유를 2차 개질하는 단계를 포함하는 것이 특징이다.

이때, 본 발명에 사용가능한 유리 섬유는 직경이 1 내지 50 ㎛ 이고, 길이가 1 내지 10 ㎜ 인 것이 바람직하다. 올레핀계 유리 섬유 강화 복합재 제조에 단섬유을 사용하면 가공시 유리 섬유 투입을 압출기 호퍼부분 또는 사이드 피더를 이용한 측면부분이 모두 가능하여 다양한 그레이드 제품을 제조하는데 유리하다.

또한 본 발명의 1차 개질에 이용되는 실란 커플링제는 아미노기를 포함하는 실란화합물이 적합하며, 예를 들어, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란, 아미노-메톡시실란, N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, N-(β-아미노에틸)-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-(β-아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-아미노프로필트리디메톡시실란, γ-아미노프로필디메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, γ-아미노프로필디에톡시실란 중에서 1종 이상 선택하여 사용할 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것을 아니다.

또한 본 발명에서 유리 섬유의 2차 개질에 사용되는 무수말레인산-그라프트-올레핀 수지로는 예를 들어, 무수말레인산-그라프트-폴리프로필렌, 무수말레인산-그라프트-폴리에틸렌, 폴리스티렌-(무수말레인산-그라프트-폴리에틸렌)-폴리부텐 삼블럭 공중합체, 폴리스티렌-(무수말레인산-그라프트-폴리부텐)-폴리에틸렌 삼블럭 공중합체, 및 무수말레인산-그라프트-폴리부타디엔 등을 들 수 있으나, 1차 개질된 유리 섬유와 화학 결합이 가능한 올레핀 수지라면 어느 것이나 사용가능하며, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서는 먼저 아미노기를 포함하는 실란 커플링제와 유리 섬유의 실릴레이션(silylation) 반응을 통해 유리 섬유의 표면을 1차 개질하는 단계를 거치게 된다. 이때, 유리 섬유는 유기 용매를 이용하여 유기물을 제거하는 전처리 과정을 수행하는 것이 바람직하다. 상품으로 제공되는 유리 섬유는 일반적으로 섬유 마찰 특성이나 계면 접착력 향상을 위해 방사 후 유기물로 사이징(sizing)하는 후처리 공정을 거친다. 따라서 끓는 자이렌 용매 등을 이용하여 유기물을 제거시키면 순수한 유리 섬유를 얻을 수 있다.

본 발명에서 유리 섬유의 1차 표면 개질 단계는 실란 커플링제가 가수분해된 용액에 유리 섬유를 함침시킨 후 건조시켜 수행된다. 또한, 2차 개질 단게는 상기 2차 개질 단계는 1차 개질된 유리 섬유와 무수말레인산이 그라프트된 올레핀 수지를 80 ℃ 내지 180 ℃의 고온 유기 용매에 분산시켜 반응시킨 후 여과, 세척, 건조시켜 수행된다. 무수말레인산이 그라프트된 올레핀 수지의 용매로 공업용 자이렌(오르쏘-자이렌, 메타-자이렌, 파라-자이렌 혼합물)의 끓는점은 약 130 ℃이며, 80 ℃ 부근부터 녹기 시작한다. 트리클로로벤제 용매도 많이 사용되어지며 130℃ 부근부터 무수말레인산이 그라프트된 올레핀 수지가 녹기 시작한다.

구체적으로 본 발명에서 사용가능한 유기 용매의 예로는 오르쏘-자이렌, 메타-자이렌, 파라-자이렌 또는 이들의 혼합 자이렌, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 테트라린(tetralin), 데칼린(decalin) 등을 들 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니며, 그라프트된 올레핀 수지를 유리 섬유와 화학 결합시키는데 적합한 유기 용매는 어느 것이나 사용가능하다.

이와 같이, 본 발명에 따라 1차 개질 단계와 2차 개질 단계를 거쳐 표면 개질된 유리 섬유는 올레핀 수지에 대해 분산성과 혼화성이 우수하고, 올레핀 수지에 첨가하여 복합재를 형성할 경우 기계적 특성이 향상되는 장점이 있다. 따라서, 본 발명은 1차, 2차 개질 단계에 따라 표면이 개질된 유리 섬유와 폴리올레핀 수지를 포함하는 유리 섬유 강화 올레핀 수지 복합재를 제공할 수 있으며, 이때 사용가능한 폴리올레핀 수지는 호모-폴리프로필렌, 랜덤-폴리프로필렌, 터폴리프로필렌, 블록-폴리프로필렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 선형저밀도폴리에틸렌 등을 들 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 유리 섬유 강화 올레핀 수지 복합재 중의 유리 섬유의 함량은 5 내지 50 중량%인 것이 바람직하며, 이를 초과하여 더 많은 유리 섬유를 함유하면 압출시 과도한 토그 유발로 일정 이상의 유리 섬유 투입이 어려운 문제가 있다.

이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제시된 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 실험에 사용한 유리 섬유는 Owens Corning사로부터 열가소성 복합재료용 유리 섬유(CS04-144A; 길이 4 mm, 필라멘트 14 μm)를 제공받아 사용하였다. 폴리프로필렌을 SK 종합화학 제품(YUPLENE H730F; MFI=3.5 g/10 min)을 사용하였다. MAPP는 롯데케미칼 제품인 PH-200(MFI>100 g/10 min, 밀도=0.36 g/cm³, MA content>1 wt-%)를 제공받아 사용하였다. 표면개질용 실란 커플링제는 Gelest사의 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxy silane)을 구입하여 정제과정 없이 사용하였다. 그 외 일반적인 용매는 정제과정 없이 바로 사용하였다.

실시예 1: 유리 섬유 1차 표면개질(APS-GF)

상품으로 제공되는 유리 섬유는 일반적으로 섬유 마찰 특성이나 계면 접착력 향상을 위해 방사 후 유기물로 사이징(sizing)하는 후처리 공정을 거친다. 따라서 순수한 유리 섬유를 얻기 위해 끓는 자이렌(xylene) 용매하에서 유기물을 제거한 유리 섬유를 사용하였다. 폴리프로필렌 수지와 무수말레인산을 그라프트(graft)시켜 제조된 변성 폴리올레핀 내 무수말레인산과의 친핵성 치환반응을 위해 유리 섬유 표면에 실란 커플링제로 1차 표면 개질을 수행하였다. 실란 커플링제(2 wt-%)를 메탄올과 증류수의 공용매(95:5 w/w)에 희석시킨 후, 아세트산을 사용하여 pH를 약 4.0~5.0에 고정시킨 후 30분간 가수분해하였다. 유리섬유를 가수분해된 용액에 약 30분간 함침시킨 후 대류오븐 80 ^oC에서 30분간 건조시킨 후 30 ^oC에서 24시간 건조하였다. (도 1A)

실시예 2: 유리 섬유 2차 표면개질(MAPP-a-GF)

유리 섬유 표면에 무수말레인산-그라프트-폴리프로필렌 (MAPP: Polypropylene-graft-maleic anhydride)을 화학적으로 결합시키기 위해 1차 개질된 유리 섬유와 MAPP를 끓는 자이렌(xylene) 용매에 분산시킨 후 2시간동안 교반하였다. 교반 후 뜨거운 상태로 필터링 과정을 거친 후 뜨거운 자이렌 용매로 수차례 세척한 다음 60 ^oC의 진공오븐에서 48시간 건조하였다. (도 1B)

실시예 3: 유리 섬유 강화 폴리프로필렌 복합재 제조

유리 섬유 강화 고분자 복합재의 용융 혼합은 HAAKE Rheomix 600p 용융혼합기를 사용하여 180 ^oC에서 40 rpm 속도로 10분간 수행하였으며 시편성형은 Carver hydraulic hot press (Model 3912)를 사용하여 180 ^oC, 5톤 압력에서 제조한 후 기계적 강도를 측정하기 위해 재단하여 사용하였다. 복합재내 유리 섬유의 함량은 각각 10, 20 wt-%로 고정하여 유리 섬유 강화 폴리프로필렌(PP) 복합재를 제조하였다.

실험예: 유리 섬유의 표면 개질 확인 및 복합재의 특성 분석

유리 섬유 강화 복합재의 열분석은 TA Instruments사 DSC Q2000을 사용하였으며, 질소분위기하에서 20 ^oC/min 속도로 승온 및 강온하여 용융점을 측정하였다. 기계적 물성을 측정하기 위해, LR30K-Plus universal testing machine (AMETEK Ltd.)을 이용하였다. 복합재 샘플을 100(L) × 5(W) × 1(T) mm로 절단한 후 5 mm/min의 테스트 속도로 기계적 물성을 측정하였다. 5개의 시편을 제작하여 반복 측정한 후 평균값을 사용하였다. 복합재의 형태학적 고찰을 위하여, 액체 질소 분위기에서 복합재 시편을 파단하여 파단면을 금으로 코팅한 후 X-ray spectrometer(Noran Instruments: EDX)가 부착된 주사전자현미경(SEM, Hitachi S-4700)을 사용하였다.

실시예 1에서 유리 섬유 표면 개질을 위한 전처리 반응으로 유리 섬유의 표면에 분포하고 있는 많은 실란올(silanol)기와 실란 커플링제(APS; 3-aminopropyl triethoxy silane)를 실릴레이션(silyation) 반응을 통해 1차 유리 섬유 표면 개질을 수행하였다. 실릴레이션 반응은 가수분해-축합 반응으로 잘 알려져 있는 반응으로 가수분해될 수 있는 알콕시기가 물분자 존재하에서 실란올이 되고, 가수분해된 실란올이 다시 유리 섬유 표면에 있는 실란올기와 축합반응을 통하여 유리 섬유 표면에 안정한 ‘-O-Si-O-’공유결합을 형성하게 된다. 개질된 유리 섬유의 표면에는 실란 커플링제에서 유래한 실리콘 원소뿐만 아니라 탄소와 질소 원소가 분포해야 하기 때문에 SEM/EDX를 이용하여 유리 섬유 표면의 탄소와 질소 원소의 유무를 확인하였다. 도 2에 APS 실란 커플링제를 사용하여 1차 개질된 유리 섬유(A)와 MAPP를 사용하여 2차 개질된 유리섬유 (B)의 SEM 사진과 각각의 EDX 에너지 스펙트럼(a, b)이 나타나있다.

하기 [표 1]은 1차 및 2차 개질된 유리섬유의 표면에 분포하는 원소와 각 원소의 함유량을 나타내었다. APS 실란 커플링제로 개질된 유리 섬유 표면의 에너지 스펙트럼상 1.75 eV에서 실리콘 원소의 고유 에너지 피크뿐만 아니라 실란 커플링제에서 의한 탄소 및 질소 원소의 에너지 피크가 발견되는 것으로 확인하였다. 이는 유리 섬유 표면에 실란 커플링제가 성공적으로 개질되었음을 간접적으로 의미한다고 할 수 있다. 2차 개질된 유리 섬유의 표면 에너지 스펙트럼에서도 MAPP에 의한 탄소 원소의 에너지피크가 크게 발견되는 것으로 보아 유리 섬유 표면에 MAPP가 화학적으로 결합되어 있음을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터 1차 및 2차 유리 섬유 표면개질반응이 성공적으로 진행되었음을 확인할 수 있었다.

하기 [표 2]는 유리 섬유 강화 폴리프로필렌(PP) 복합재내 유리 섬유의 함량에 따른 폴리프로필렌의 용융온도와 강온 결정화온도를 나타내고 있다. 유리 섬유 강화 폴리프로필렌 복합재의 용융온도는 유리 섬유 유무와 개질 여부에 따라 일정한 경향성이 없었다. 그러나 강온 결정화온도는 순수한 폴리프로필렌 보다 유리 섬유가 포함된 복합재에서 높은 강온 결정화온도를 보여주고 있다. 또한 MAPP로 개질한 유리 섬유를 포함 복합재가 미세하게 개질 하지 않은 유리 섬유를 포함한 복합재보다 높은 강온 결정화온도를 보여주었다. 이러한 결과들은 유리 섬유 보강재를 사용한 폴리프로필렌 매트릭스내 분산된 유리 섬유들이 폴리프로필렌의 재결정시 유리 섬유의 기핵제 역할로 인해 강온 결정화온도가 증가하는 것으로 판단된다.

일반적으로 마이크로 크기의 보강재를 함유한 고분자 복합재료들은 두 물질의 계면사이 접착력에 따라 복합재의 파단면 모폴로지가 달라지게 된다. 폴리프로필렌 매트릭스에 유리 섬유의 분산 상태를 확인하기 위하여 SEM 모폴로지 분석을 통하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에서 보는 바와 같이 개질전 유리 섬유와 MAPP로 개질된 유리 섬유를 사용한 폴리프로필렌 복합재에서 유리 섬유의 분산도와 계면접착 정도의 차이를 확인할 수 있었다. MAPP로 개질한 유리 섬유를 사용한 복합재에서 유리 섬유 계면간 간극이 거의 사라져 접착력이 향상되었음을 확인할 수 있다. 하지만 개질전 유리 섬유를 함께 사용한 경우, 폴리프로필렌 매트리스와 유리 섬유 사이 간극이 뚜렷하게 보이는 것이 확인되어 있었다. 이러한 결과로부터 MAPP로 개질된 유리 섬유가 폴리프로필렌 매트릭스와 상용성이 크게 향상되어 유리섬유와 매트릭스 계면간 간극을 최소화 하는데 개질전 유리 섬유보다 훨씬 효과적임을 보여주고 있다.

도 4와 도 5는 개질전 유리 섬유(bare GF)와 개질된 유리 섬유(MAPP-a-GF)로 보강된 폴리프로필렌 복합재내 유리 섬유 함량에 따른 유리 섬유 강화 PP 복합재의 인장 강도 (tensile strength)와 인장 탄성율 (tensile modulus)을 나타내고 있다. 복합재내에 유리 섬유의 함량이 증가할수록 인장 강도는 약 30 MPa에서 약 35 MPa로 증가하였고, 인장 탄성율은 1.25 GPa에서 1.5 GPa로 증가하였다. MAPP로 개질된 유리 섬유를 사용할 경우, 도 4와 도 5에서 보는 바와 같이 개질전 유리 섬유를 사용한 경우보다 증가된 인장 강도와 인장 탄성율를 보여주고 있다. 이러한 결과는 MAPP로 개질된 유리 섬유와 폴리프로필렌 매트릭스 사이의 계면접착력을 개질전 유리 섬유보다 더욱 효과적으로 증가시킨 결과로 판단된다.

정리하면 본 발명에서는 유리 섬유와 폴리프로필렌 매트릭스 수지와의 계면 결합력 향상을 위해 MAPP를 이용하여 유리 섬유 표면에 2단계 개질반응을 통해 MAPP-a-GF을 제조하였으며, 유리 섬유 표면개질효과를 비교하기 위해 개질전 유리 섬유 강화 PP 복합재를 대조군으로 함께 비교하였다. 제조된 유리 섬유 강화 폴리프로필렌 복합재의 열적 특성은 강온 결정화온도를 상승시키지만, 용융온도 변화는 미미하였다. MAPP-a-GF에 의한 PP 복합재의 인장 강도와 인장 탄성율은 개질전 유리 섬유를 사용하였을 때 비해 증가하였다. 이러한 결과들을 바탕으로 MAPP-a-GF는 PP 복합재에 계면 결합력이 우수한 보강재 역할을 하여 복합재의 기계적 물성이 향상되어 고기능성을 요구하는 고분자 복합재 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

Claims

a) 실란 커플링제와 유리 섬유의 반응을 통해 유리 섬유의 표면을 1차 개질하는 단계; 및 b) 상기 1차 개질된 유리 섬유와 무수말레인산-그라프트-올레핀 수지를 화학 결합시켜 유리 섬유를 2차 개질하는 단계를 포함하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 유리 섬유는 직경이 1 내지 50 ㎛ 이고, 길이가 1 내지 10 ㎜ 인 것을 특징으로 하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 실란 커플링제는 아미노기를 포함하는 실란화합물인 것을 특징으로 하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 실란 커플링제는 3-아미노프로필트리에톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란, 아미노-메톡시실란, N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, N-(β-아미노에틸)-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-(β-아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-아미노프로필트리디메톡시실란, γ-아미노프로필디메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, γ-아미노프로필디에톡시실란으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 무수말레인산-그라프트-올레핀수지는 무수말레인산-그라프트-폴리프로필렌, 무수말레인산-그라프트-폴리에틸렌, 폴리스티렌-(무수말레인산-그라프트-폴리에틸렌)-폴리부텐 삼블럭 공중합체, 폴리스티렌-(무수말레인산-그라프트-폴리부텐)-폴리에틸렌 삼블럭 공중합체 및 무수말레인산-그라프트-폴리부타디엔으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 1차 개질에 사용되는 유리 섬유는 유기 용매를 이용하여 유기물을 제거하는 전처리 과정을 거친 유리 섬유인 것을 특징으로 하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 1차 개질 단계는 실란 커플링제가 가수분해된 용액에 유리 섬유를 함침시킨 후 건조시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 2차 개질 단계는 1차 개질된 유리 섬유와 무수말레인산-그라프트-올레핀 수지를 80 내지 180 ℃의 고온 유기 용매에 분산시켜 반응시킨 후 여과, 세척, 건조시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 유기 용매는 오르쏘-자이렌, 메타-자이렌, 파라-자이렌 또는 이들의 혼합 자이렌, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 테트라린, 데칼린으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 표면 개질된 유리 섬유의 제조 방법.
제1항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 표면 개질된 유리 섬유.
제10항에 따른 표면 개질된 유리 섬유와 폴리올레핀 수지를 포함하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재.
제11항에 있어서,
상기 폴리올레핀 수지는 호모-폴리프로필렌, 랜덤-폴리프로필렌, 터폴리프로필렌, 블록-폴리프로필렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 선형저밀도폴리에틸렌 으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재.
제11항에 있어서,
상기 유리 섬유의 함량은 5 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 유리 섬유 강화 고분자 복합재.