KR20220109623A - 경량 복합체 조성물 및 경량 복합체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경량 복합체 조성물 및 경량 복합체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물은 폴리올레핀 수지 50 ~ 80 중량%; 무기 첨가제 10 ~ 30 중량%; 보강재 5 ~ 10 중량% 및 상용화제 3 ~ 10 중량%를 포함하여, 원 소재 대비 중량을 크게 감소시키면서 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.

Description

경량 복합체 조성물 및 경량 복합체의 제조방법{COMPOSITION OF LIGHT WEIGHT COMPOSITE AND MANUFACTURING METHOD OF LIGHT WEIGHT ORGANIC COMPOSITE}
본 발명은 종래보다 경량이면서 기계적 물성이 향상된 경량 복합체를 제조하기 위한 복합체 조성물 및 경량 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
플라스틱(합성 수지)은, 비중이 가볍고, 강도가 뛰어나며, 게다가 성형이 용이하여 임의의 형상으로 성형 가능하기 때문에, 모바일 단말(휴대전화 등), 휴대형 게임 단말, 휴대형 포터블 플레이어 등의 소형 전자기기, PC(본체 및 모니터), 텔레비전, 각종 녹화 기기, 라디오, 프린터, 복사기, 팩시밀리 등의 사무용의 전자기기 등의 AV기기, OA기기 등의 각종 전자기기의 덮개(케이스, 하우징 등) 및 청소기에도 범용되고 있다.
플라스틱에는 많은 종류가 있으며, 용도에 따라서, 내후성, 내충격성, 투명성, 표면 고도, 탄성, 인성 등에 뛰어난 각종 플라스틱이 사용되고 있다.
최근에는, 금속을 대체하기 위해 플라스틱을 사용하는 경향이 많으며, 이를 위해서는 경량화뿐만 아니라, 안정성을 위해서는 경량화되더라도 높은 강도가 요구된다.
이러한 플라스틱을 제조하기 위해 폴리머 수지에 유리 섬유(Glass Fiber) 매트가 강화제로 보강된 판상 형태의 복합소재인 강화 열가소성 플라스틱(Glass fiber Mat reinforced Thermoplastics, GMT) 및 폴리머 수지와 유리섬유를 혼합한 저중량 강화 열가소성 플라스틱(low weight reinforced thermoplastics, LWRT) 등이 개발되었다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0123319호(공개일: )에는 중공 유리 미소구체를 포함하는 폴리아미드 조성물 및 이와 관련된 물품 및 방법이 개시되어 있으나, 폴리아미드 수지는 내약품성 및 리싸이클성이 폴리올레핀계 수지, 특히 프로필렌계 수지에 비해 열세인 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 베이스 수지로 성형성 및 내부식성이 우수하고 비중이 적으면서 저가인 폴리올레핀계 수지를 사용하면서 경량이면서 기계적 물성이 향상된 경량 복합체 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 무기 첨가제의 파손율을 최소화하면서 경량 및 고강도를 나타내는 경량 복합체의 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 용융지수를 최대한 높게 유지하여 경량을 위해 첨가되는 무기 첨가제의 압력을 최소화할 수 있는 폴리올레핀계 수지, 경량화를 위한 무기 첨가제, 기계적 물성 향상을 위한 보강재 및 상기 베이스 수지, 무기 첨가제 및 보강재의 결합을 위한 상용화제를 포함하는 것을 구성적 특징으로 하는 경량 복합체 조성물을 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물은 폴리올레핀 수지 50 ~ 80 중량%, 0.1 ~ 0.6 g/cm3의 비중을 갖는 무기 첨가제 10 ~ 30 중량%, 200 ~ 1000의 종횡비를 갖는 보강재 5 ~ 10 중량%; 및 상용화제 3 ~ 10 중량%;를 포함한다.
이때, 상기 무기 첨가제 및 보강재가 동시에 경량 복합체 조성물에 포함되는 경우 무기 첨가제의 함량을 증가시키면 중량 감소 효과가 증가하나 기계적 물성은 저하되고, 상기 보강재의 함량을 증가시키면 기계적 물성은 향상되나 중량 감소 효과가 감소할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물에서 무기 첨가제는 경량 복합체 총 중량의 10 ~ 30 중량%로 포함하도록 설계하고 보강재는 5 ~ 10 중량%로 포함하도록 설계하여, 중량 감소 효과 및 기계적 물성 향상 효과를 최적화할 수 있다.
또한, 상기 경량 복합체 조성물은 ASTM D1238에 의하여 측정된 용융 지수가 14 ~ 20 g/10min인 것이 바람직하다.
상기 폴리올레핀 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 및 폴리부틸렌(PB)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 첨가제는 중공 유리, 탄산칼슘, 산화티탄 및 실리카로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 상기 보강재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유일 수 있다.
또한, 상기 상용화제는 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산, 1,3-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일옥시)헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-(t-부틸퍼옥시)-3-헥산, n-부틸-4, 4-비스(t-부틸퍼옥시)발러레이트, a,a'-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠 및 말레익안하이드라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 본 발명은 무기 첨가제의 파손을 최소화하여 경량 및 고강도를 유지할 수 있는 경량 복합체 조성물의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물의 제조방법은 폴리프로필렌과 상용화제를 메인 피더에 공급하는 단계; 상기 메인 피더의 하류에 구비된 제1 사이드 피더에 중공 유리를 공급하여 상기 폴리프로필렌과 상용화제의 혼합물과 혼합하는 단계; 상기 제1 사이드 피더의 하류에 구비된 제2 사이드 피더에 유리 섬유를 공급하여 상기 혼합물과 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 압출 다이를 통해 압출시키는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 혼합물의 압출 로딩은 50% 미만으로 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 경량 복합체 조성물은 성형성 및 내부식성이 우수하고 비중이 적으면서 저가인 폴리올레핀계 수지를 베이스 수지로 사용하여 다양한 제품이 적용될 수 있고, 경량이 필요한 완제품의 부품 소재로 적용되어 작동시 무게 저감에 따른 전력 소모량 감소를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물은 사람이 들고 이동해야 하는 제품에서도 근육에 부가되는 부하를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경량 복합체의 제조방법은 용융지수가 최대화하고, 압출 로딩을 50% 미만으로 수행하여 무기 첨가제의 파손율을 최소화할 수 있으며, 복합체의 경량 및 기계적 물성 향상을 신뢰성 있게 구현할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 경량 복합체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물에서 보강재로 유리 섬유를 사용할 때와 보강재로 마이크로 셀룰로오스를 사용할 때의 비중 및 인장강도를 나타낸 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물 및 경량 복합체의 제조방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 폴리올레핀계 수지 50 ~ 80 중량%;
0.1 ~ 0.6 g/cm3의 비중을 갖는 무기 첨가제 10 ~ 30 중량%;
200 ~ 1000의 종횡비를 갖는 보강재 5 ~ 10 중량%; 및
상용화제 3 ~ 10 중량%;를 포함하는 경량 복합체 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 경량 복합체 조성물은 범용 소재인 폴리올레핀계 수지를 베이스 수지로 사용하여 다양한 제품이 적용될 수 있고, 경량이 필요한 완제품의 부품 소재로 적용되어 작동시 무게 저감에 따른 전력 소모량 감소를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물은 사람이 들고 이동해야 하는 제품에서도 근육에 부가되는 부하를 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 경량 복합체 조성물에서 폴리올레핀계 수지는 화학적 안정성 및 내부식성이 우수할 뿐만 아니라, 소재의 경량화에 유용하다. 상기 폴리올레핀계 수지는 중량 평균 분자량이 100,000 ~ 150,000인 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리부틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 폴리프로필렌 단일중합체 또는 폴리프로필렌 공중합체일 수 있다.
상기 폴리프로필렌 단일중합체는 프로필렌 단량체를 99 중량% 이상 함유하는 아이소택틱 폴리머(Isotactic polymer)가 바람직하며, 이는 아이소택틱 폴리머가 고결정성, 고융점 및 높은 기계적 강도를 가지기 때문이다.
상기 폴리프로필렌 공중합체는 프로필렌 단량체 및 에틸렌 단량체의 공중합체이며, 에틸렌 단량체의 함량이 0.5 ~ 10 중량%, 바람직하게는 1 ~ 5 중량%이며, 이를 통하여 높은 기계적 강도를 유지하면서, 내충격 특성을 크게 증대시킬 수 있다.
상기 폴리올레핀계 수지는 경량 복합체 조성물 총 중량의 50 ~ 80 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 폴리프로필렌계 수지가 50 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 복합체의 압출 성형성 및 복합체의 기계적 강도가 저하되는 문제가 있고, 80 중량%를 초과하는 경우에는 중량이 크게 감소된 경량 복합체를 제조할 수 없는 문제가 있다.
또한, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물의 중량을 감소시키기 위해 무기 첨가제가 포함될 수 있으며, 낮은 비중을 갖기 때문에 탁월한 무게 감소 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 경량 복합체 조성물에서 상기 무기 첨가제는 중공 유리, 탄산칼슘, 산화티탄 및 실리카로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 무기 첨가제는 평균 직경이 10 ~ 1,000 ㎛인 것을 사용할 수 있고, 비중이 0.1 ~ 0.6 g/cm3인 것을 사용할 수 있다. 상기 무기 첨가제는 평균 직경 및 비중의 차이에 의해서 충진률, 수축률의 감소, 비틀림 방지 효과 등에 영향을 미칠 수 있다.
상기 무기 첨가제는 경량 복합체 조성물 총 중량의 10 ~ 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 중공 유리가 10 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 원 소재 대비 중량이 감소되지 않는 문제가 있고, 30 중량%를 초과하는 경우 인장 강도, 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율, 충격강도와 같은 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다.
여기서, 원 소재 대비 중량이 감소된다는 것은 동일 부피에 대한 중량의 비, 즉 밀도로 나타낼 수 있으며, 동일 부피에서 중량이 감소되는 것을 나타낸다. 즉, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물로 제조된 복합체는 폴리올레핀계 수지만으로 제조된 물질의 부피와 동일한 부피에서 전체 중량이 감소된다.
또한, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물의 강성을 향상시키고, 성형 가공성을 향상시키기 위해 보강재가 첨가될 수 있고, 상기 보강재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유일 수 있다.
유리 섬유가 사용되는 경우, 상기 유리 섬유의 직경은 10 ~ 24 ㎛이고, 탄성률이 70 GPa 이상일 수 있다. 또한 탄소 섬유가 사용되는 경우, 상기 탄소 섬유는 피치계 탄소 섬유로서 폴리아크릴로니트릴 또는 실리콘 카바이드를 전구체로 사용하여 제조되고, 탄소 섬유의 직경이 5 ~ 20 ㎛이고, 탄성률이 230 GPa 이상일 수 있다.
상기 보강재는 경량 복합체 조성물 총 중량의 5 ~ 10 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 보강재가 5 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 경량 복합체의 기계적 강도가 향상되지 않고, 10 중량%를 초과하는 경우에는 상기 보강재 대비 무기 첨가제의 함량이 낮아져 경량의 복합체를 제조할 수 없는 문제가 있다.
특히, 상기 무기 충전제 및 보강재가 동시에 경량 복합체 조성물에 포함되는 경우 무기 충전제의 함량을 증가시키면 중량 감소 효과가 증가하나 기계적 물성은 저하되고, 상기 보강재의 함량을 증가시키면 기계적 물성은 향상되나 중량 감소 효과가 감소한다.
따라서, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물에서 상기 무기 첨가제는 경량 복합체 총 중량의 10 ~ 30 중량%로 포함하도록 설계하고 보강재는 5 ~ 10 중량%로 포함하도록 설계하여, 중량 감소 효과 및 기계적 물성 향상 효과를 최적화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물에서 베이스 수지는 유기 소재이고, 경량 및 보강을 위해 첨가되는 무기 첨가제 및 보강재는 무기 소재로 상이한 재질이 혼합됨으로써 물리적 결합만 하게 된다.
이에, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물에서 상기 폴리올레핀 수지, 상기 무기 첨가제 및 상기 보강재의 결합력을 확보하기 위해 상용화제를 포함하고, 상기 상용화제는 경량 복합체 조성물 총 중량의 3 ~ 10 중량%로 포함할 수 있다.
상기 상용화제는 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산, 1,3-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일옥시)헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-(t-부틸퍼옥시)-3-헥산, n-부틸-4, 4-비스(t-부틸퍼옥시)발러레이트, a,a'-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠 및 말레익안하이드라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물은 균일한 혼합을 위해 분산제를 더 포함할 수 있고, 상기 분산제는 스테아린산 등을 사용할 수 있으며, 상기 분산제는 경량 복합체 조성물 총 중량의 0.5 중량% 이하로 투입할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경량 복합체 조성물은 산화 방지를 위해 산화 방지제를 더 포함할 수 있고, 상기 산화 방지제는 페놀계, 인계, 황계, 아민계 등을 사용할 수 있다. 이때, 상기 산화 방지제는 0.1 중량% 이하로 투입할 수 있다.
본 발명에 따른 경량 복합체 조성물은 ASTM D1238에 의하여 측정된 용융 지수가 14 ~ 20 g/10min인 것이 바람직하다. 상기 용융 지수가 14 g/10min 미만인 경우에는 경량 복합체 조성물의 흐름성이 저하되어 무기 첨가제가 파손되는 문제가 있고, 20 g/min을 초과하는 경우에는 용융된 복합체가 금형 틈 밖으로 나와 버(burr)가 발생되는 문제가 있다.
또한, 본 발명은 폴리프로필렌과 상용화제를 메인 피더에 공급하는 단계;
상기 메인 피더의 하류에 구비된 제1 사이드 피더에 중공 유리를 공급하여 상기 폴리프로필렌과 상용화제의 혼합물과 혼합하는 단계;
상기 제1 사이드 피더의 하류에 구비된 제2 사이드 피더에 유리 섬유를 공급하여 상기 혼합물과 혼합하는 단계; 및
상기 혼합물을 압출 다이를 통해 압출시키는 단계;를 포함하는 경량 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 경량 복합체의 제조방법은 용융지수가 최대화하고, 압출 로딩을 50% 미만으로 수행하여 무기 첨가제의 파손율을 최소화할 수 있으며, 복합체의 경량 및 기계적 물성 향상을 신뢰성 있게 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 경량 복합체의 제조방법을 나타낸 순서도이다. 이하, 도 1을 참고하여 상세히 설명한다.
본 발명에 경량 복합체의 제조방법은 폴리프로필렌과 상용화제를 메인 피더에 공급하는 단계(S100)를 포함한다.
본 발명에 따른 경량 복합체는 유무기 재료들이 포함되어 물리적 결합력만으로 결합되므로 결합력이 낮으나, 상용화제를 포함하여, 베이스 수지인 폴리프로필렌, 무기 충전제 및 보강재의 결합력을 극대화시킬 수 있다.
또한, 상기 폴리프로필렌과 상용화제를 메인 피더에 공급할 시 분산제 및 산화방지제가 추가로 공급될 수 있고, 메인 피더의 하류에는 니딩 영역을 추가로 포함하여 상기 폴리프로필렌과 상용화제를 더욱 균일하게 혼합할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 경량 복합체의 제조방법은 상기 메인 피더의 하류에 구비된 제1 사이드 피더에 중공 유리를 공급하여 상기 폴리프로필렌과 상용화제의 혼합물과 혼합하는 단계(S200)를 포함한다.
본 발명에 따른 경량 복합체의 제조방법에서 압출 과정에서 베이스 수지인 폴리프로필렌 내부에 저비중 첨가제인 중공 유리, 높은 종횡비를 갖는 보강재의 혼합을 원활하게 하기 위해 2개의 사이드 피더를 사용한다.
이때, 상기 제1 사이드 피더에는 중공 유리가 공급되어, 폴리프로필렌과 상용화제의 혼합물을 중공 유리와 혼합한다.
본 발명에 따른 경량 복합체의 제조방법은 상기 제1 사이드 피더의 하류에 구비된 제2 사이드 피더에 유리 섬유를 공급하여 상기 혼합물과 혼합하는 단계(S300)를 포함한다.
상기 유리 섬유는 압출 공정이 시작하는 지점의 직전에 구비되는 제2 사이더 피더에 공급되어, 취성 재료인 중공 유리의 파손율을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 경량 복합체의 제조방법에서 폴리프로필렌은 경량 복합체 총 중량의 50 ~ 80 중량%, 중공 유리는 10 ~ 30 중량% 및 유리 섬유는 5 ~ 10 중량%로 포함시켜, 경량화 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경량 복합체의 제조방법은 상기 혼합물을 압출 다이를 통해 압출시키는 단계(S400)를 포함한다.
이때, 상기 압출은 상기 혼합물의 로딩을 50% 미만으로 하여 중공 유리의 파손을 최소화할 수 있다. 상기 압출의 로딩이 50% 이상인 경우에는 중공 유리가 파손되어, 제조되는 복합체의 경량 효과가 없어지는 문제가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 상세하게 설명하기 위하여 예시로 제시한 것에 불과하다. 따라서 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1: 경량 복합체의 제조 1
스크류 방식의 압출기의 메인 피더에 폴리프로필렌(폴리미래사, 제품명 HA5029) 65 중량% 및 무수말레산이 그라프트된 폴리프로필렌(코츠사) 5 중량%를 공급하였고, 중공 유리는 취성재료이므로 초기 투입부에 투입할 경우 파손율이 높아지기 때문에 메인 피더의 하류에 구비된 제1 사이드 피더에 중공 유리(3M사, 제품명 im-16k) 20 중량%를 공급하여 상기 폴리프로필렌과 상용화제의 혼합물과 혼합하였다.
제1 사이드 피더의 하류에 구비된 제2 사이드 피더에 유리 섬유(오웬스 코닝사, 제품명 995-10p) 10 중량%를 공급한 후 상기 폴리프로필렌, 무수말레산이 그라프트된 폴리프로필렌, 중공 유리 및 유리 섬유를 압출 다이를 통해 압출시켜 경량 복합체를 제조하였다.
이때, 상기 혼합물의 압출 로딩은 50% 미만으로 수행하였다.
실시예 2: 경량 복합체의 제조 2
폴리프로필렌 67 중량%, 무수말레산이 그라프트된 폴리프로필렌 5 중량%, 중공 유리 20 중량% 및 유리 섬유 8 중량%로 공급하여 압출시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 복합체를 제조하였다.
실시예 3: 경량 복합체의 제조 3
폴리프로필렌 62 중량%, 무수말레산이 그라프트된 폴리프로필렌 10 중량%, 중공 유리 20 중량% 및 유리 섬유 8 중량%로 공급하여 압출시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 복합체를 제조하였다.
실시예 4: 경량 복합체의 제조 4
폴리프로필렌 63 중량%, 무수말레산이 그라프트된 폴리프로필렌 10 중량%, 중공 유리 19 중량% 및 유리 섬유 8 중량%로 공급하여 압출시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 복합체를 제조하였다.
실시예 5: 경량 복합체의 제조 5
폴리프로필렌 61 중량%, 무수말레산이 그라프트된 폴리프로필렌 10 중량%, 중공 유리 20 중량% 및 유리 섬유 9 중량%로 공급하여 압출시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 복합체를 제조하였다.
비교예 1
폴리프로필렌(롯데케미칼사, 제품명 JM-350)으로 사출 성형하여 성형품을 제조하였다.
비교예 2
폴리프로필렌에 탈크를 5 중량% 첨가하여 성형품을 제조하였다. 상기 조성은 기존 청소기 부품으로 사용되는 폴리프로필렌 소재이다.
비교예 3
폴리프로필렌(폴리미래사, 제품명 HA5029)으로 사출 성형하여 성형품을 제조하였다.
비교예 4
폴리프로필렌(폴리미래사, 제품명 HA5029) 80 중량% 및 중공 유리(3M사, 제품명 im-16k) 20 중량%를 혼합하여 사출 성형하였다.
비교예 5
폴리프로필렌(폴리미래사, 제품명 HA5029) 75 중량%, 무수말레산이 그라프트된 폴리프로필렌(코츠사) 5 중량% 및 유리 섬유 20 중량%를 혼합하여 사출 성형하였다.
하기 표 1은 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에 포함된 각각의 구성 성분 및 함량을 나타낸 것이다.
예 수지
(중량%)		 상용화제
(중량%)		 무기 첨가제
(중량%)		 강화재
(중량%)		 총합
(중량%)
실시예 1 65 5 20 10 100
실시예 2 67 5 20 8 100
실시예 3 62 10 20 8 100
실시예 4 63 10 19 8 100
실시예 5 61 10 20 9 100
비교예 1 100 - - - 100
비교예 2 95 - 5 - 100
비교예 3 100 - - - 100
비교예 4 80 - 20 - 100
비교예 5 75 5 20 - 100
<실험예>
실험예 1: 경량 복합체의 물성 분석
본 발명의 실시예들에 따른 경량 복합체의 강도 및 밀도를 분석하기 위해 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도, 굴곡 탄성율 및 밀도를 분석하고 그 결과를 하기 표 2 및 표 3에 나타내었다.
상기 실시예 1 내지 8에서 제조된 경량 복합체는 펠릿(pellet) 형태로 압출되며, 물성을 측정하기 위해 ASTM 규격에 맞게 사출 공정을 진행한 후 측정되었다. 이때, 측정 값의 오차를 줄이기 위해 사출 후 72시간 이후의 샘플을 이용하여 측정하였다.
용융지수(MI): ASTM D1238에 의하여 측정하였으며, 구체적으로 220 ~ 230 ℃에서 수지가 충분히 녹은 상태에서 일정한 속도로 밀어낼 때 나오는 양(g)을 측정하여 값을 측정하였다.
IZOD 충격강도(kgf·cm/cm): ASTM D256에 의해 1/4노치(Notched) 조건에서 상온(23℃)의 온도조건에 대하여 측정하였다.
인장강도(MPa): ASTM D638에 의거하여 측정하였다.
비중: ASTM D792에 의거하여 측정하였다.
신율(%): ASTM D638 에 의거하여 측정하였다.
굴곡강도(kgf/cm2): ASTM D790에 의거하여 측정하였다.
굴곡탄성율(kgf/cm2): ASTM D790 규정에 의거하여 측정하였다.
경도: ASTM D785에 의거하여, 압자로 샘플 표면에 압입한 후 선단이 들어간 깊이로 재료의 경도를 측정하였다.
열변형온도(HDT): 플라스틱에 일정한 하중을 주었을 때 온도 상승에 따른 변형이 나타나는 온도로서, ASTM D648의 표준화 시험 절차에 따라 온도를 측정하였다.
예 용융지수
(g/10min)		 IZOD
(kgf·cm/cm)		 인장 강도
(MPa)		 비중
(kg/cm3)
조건
10kg, 220℃ 23℃, notched, 3.2mm 50 mm/min -
실시예 1 14.25 2.3 30.8 0.833
실시예 2 16 2.4 24.8 0.807
실시예 3 19 2.1 31.4 0.812
비교예 1 10 8.5 23 0.9
비교예 2 12.3 5.7 28.9 1.061
비교예 3 72 2.4 36.8 0.915
비교예 4 25.5 1.6 15.6 0.789
비교예 5 28 1.5 18.2 0.81
상기 표 2를 참고하면, 폴리프로필렌(제품명 JM 350(롯데 케미칼))만으로 압출된 샘플(비교예 1) 대비 실시예 1 내지 3는 폴리프로필렌(폴리미래사, 제품명 HA5029), 무수말레산이 그라프트된 폴리프로필렌, 중공 유리 및 유리 섬유를 포함하여, 용융 지수, IZOD, 인장강도 및 비중이 종합적으로 우수한 것을 알 수 있다.
구체적으로, 용융지수가 높을수록 흐름성이 좋아서 파손율이 적어지는데, 현재 상업적으로 이용되고 있는 조성인 비교예 2와 비교하여 용융지수가 높아 흐름성이 좋을 것을 알 수 있고, 충격강도가 다소 낮아질 수 있으나, 충격강도 및 인장강도는 실제 제품 적용시에 적합한 강도를 나타내며, 특히 비중이 낮아 경량인 것을 알 수 있다.
실험항목 조건 단위 실시예 4 실시예 5
MI 2.16kg230℃ g/10min 20 17
IZOD 23℃, notched, 3.2mm kgf·cm/cm 2.4 2.3
인장강도 50mm/min MPa 30 33
신율 % 3.7 3.8
굴곡강도 30mm/min kg/cm2 548 585
굴곡탄성율 31308 28425
경도 R-scale - 102.1 96
비중 - kg/cm3 0.837 0.834
HDT 4.6kg ℃ 157.3 157.1
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 4 및 5에서 중공 유리와 유리 섬유의 양을 조금씩 변경하였으나 비중 및 인장강도가 여전히 우수한 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서 적용된 함량으로 경량이면서 강도가 우수한 복합체를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 2: 보강재에 따른 복합체의 비중 및 인장강도 분석
본 발명에 따른 경량 복합체 조성물에서 보강재로 유리 섬유를 사용할 때와 보강재로 마이크로 셀룰로오스를 사용할 때의 비중 및 인장강도를 분석하고 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 도시된 물질들은 유리 섬유를 첨가함으로써 나타나는 효과에 대한 대비가 명확해지도록 복합체를 구성하는 폴리프로필렌, 무수말레산 폴리프로필렌, 중공 유리의 물질의 종류 및 함량을 동일하게 하였으며, 마이크로 셀룰로오스, 표면 처리된 마이크로 셀룰로오스, 유리 섬유를 첨가하여 분석하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 표면 처리된 마이크로 셀룰로오스, 마이크로 셀룰로오스, 유리 섬유가 포함된 복합체 중 유리 섬유가 포함된 복합체에서 인장강도가 가장 크게 나타난 것을 알 수 있다.
따라서, 복합체 제조시 유리 섬유를 사용하는 것이 인장강도 보강 효과가 높은 것을 알 수 있다.
또한, 용융지수가 유사한 값을 나타내나, 유리 섬유를 사용함으로써, 중공 유리의 파손율을 낮출 수 있는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (15)

  1. 폴리올레핀 수지 50 ~ 80 중량%;
    0.1 ~ 0.6 g/cm3의 비중을 갖는 무기 첨가제 10 ~ 30 중량%;
    200 ~ 1000의 종횡비를 갖는 보강재 5 ~ 10 중량%; 및
    상용화제 3 ~ 10 중량%;를 포함하는 경량 복합체 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경량 복합체 조성물은 ASTM D1238에 의하여 측정된 용융 지수가 14 ~ 20 g/10min인 것을 특징으로 하는 경량 복합체 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 및 폴리부틸렌(PB)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 경량 복합체 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기 첨가제는 중공 유리, 탄산칼슘, 산화티탄 및 실리카로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 경량 복합체 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보강재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유인 것을 특징으로 하는 경량 복합체 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상용화제는 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산, 1,3-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일옥시)헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-(t-부틸퍼옥시)-3-헥산, n-부틸-4, 4-비스(t-부틸퍼옥시)발러레이트, a,a'-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠 및 말레익안하이드라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 경량 복합체 조성물.
  7. 폴리프로필렌과 상용화제를 메인 피더에 공급하는 단계;
    상기 메인 피더의 하류에 구비된 제1 사이드 피더에 중공 유리를 공급하여 상기 폴리프로필렌과 상용화제의 혼합물과 혼합하는 단계;
    상기 제1 사이드 피더의 하류에 구비된 제2 사이드 피더에 유리 섬유를 공급하여 상기 혼합물과 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합물을 압출 다이를 통해 압출시키는 단계;를 포함하는 경량 복합체의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혼합물의 압출 로딩은 50% 미만으로 수행되는 것을 특징으로 하는 경량 복합체의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌은 상기 경량 복합체 총 중량의 40 ~ 80 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 경량 복합체의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 상용화제는 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산, 1,3-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일옥시)헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-(t-부틸퍼옥시)-3-헥산, n-부틸-4, 4-비스(t-부틸퍼옥시)발러레이트 및 a,a'-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상 것을 특징으로 하는 경량 복합체의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 상용화제는 상기 경량 복합체 총 중량의 3 ~ 10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 경량 복합체의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 중공 유리는 0.1 ~ 0.6 g/cm3의 비중을 갖는 것을 특징으로 하는 경량 복합체의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 중공 유리는 상기 경량 복합체 총 중량의 10 ~ 30 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 경량 복합체의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 유리 섬유의 종횡비는 200 ~ 1000인 것을 특징으로 하는 경량 복합체의 제조방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 유리 섬유는 상기 경량 복합체 총 중량의 5 ~ 10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 경량 복합체의 제조방법.
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