KR20220112987A - 친환경 가소제 조성물, 및 이를 포함하는 수지 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재생 원료로부터 유래한 가소제 조성물을 포함하여 탄소 배출 저감할 수 있으며, 친환경 적이고, 우수한 내이행성, 열 안정성, 겔링 속도를 구현하는 가소제 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 프탈레이트 가소제를 포함하지 않으면서, 재생 원료를 포함하여 친환경적인 가소제 조성물, 및 이를 포함하는 수지 조성물에 관한 것이다.
폴리머 첨가제로서 가소제는 경성 또는 연성을 조절하고, 내오염성을 부여하고, 인장 특성(예컨대, 강도, 연신율, 또는 탄력성) 및 가공성을 개질하기 위하여 사용된다.
가소제는 분자 구조식에 따라 프탈레이트계, 에폭시계, 폴리에스터계로 분류 된다. 그 중 프탈레이트계 가소제는 염화비닐 수지와 상용성이 우수하여 가소화 효율이 높아 가장 보편적으로 사용되던 대표적인 가소제이다. 프탈레이트계 가소제는 프탈레이트 구조에 다양한 알킬기가 치환된 물질이다. 프탈레이트계 가소제로는 DEHP(di-2-ethylhexyl phthalate), DINP(di-isononyl phthalate), DIDP(di-isodecyl phthalate), DBP(di-butyl phthalate) 등을 들 수 있다.
상기의 장점에도 불구하고, 프탈레이트계 가소제는 환경호르몬 물질로 인체에 유해하다는 연구 결과가 있었고, 위험 물질로 규정되어 대체 성분이 요구되었고, 대표적으로 테레프탈레이트계 가소제, 에폭사이드계 가소제, 식물성 유지계 가소제, 사이클로헥산계 가소제 및 이들의 혼합 가소제에 관한 연구가 진행되었다. 그 중 범용 제품으로는 테레프탈산을 기본으로 하는 DOTP(di-octyl terephthalate)가 있다. 그러나 여전히 유해성이 문제되고 품질적으로 프탈레이트계 가소제를 대체할 수 없어 최근에는 사이클로헥산계 가소제에 관한 연구가 진행되고 있다.
또한, 최근 환경 보호 및 자원 재활용을 위하여, 폐합성 수지나 합성 수지 제조 공정 중에 발생하는 부산물로부터 유용한 자원을 회수하고, 합성 수지 제품 생산 시 발생되는 탄소 배출량을 줄이기 위한 연구도 활발히 진행되고 있다. 일례로, 폐폴리에스테르를 촉매 존재 하 해중합하여 원료 물질을 회수하는 방법이 공지되어 있고, 재생 원료를 에스테르화 반응 또는 트랜스 에스테르화 반응을 통해 테레프탈레이트계 가소제 성분으로로 전환시킬 수 있다. 다만, 이와 같은 재생 공정을 통해 회수된 가소제 성분은 재생 과정에서 불순물로 인해 품질이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 프탈레이트계 가소제를 대체할 수 있으며, 자원 재활용 및 제조 공정에서 탄소 배출량을 저감 시킬 수 있는 우수한 가소제 조성물 개발이 요구된다.
본 발명은 프탈레이트계 가소제를 대체하고, 재생 화합물을 통해 제조하여 탄소 배출량을 저감 시켜, 기존 프탈레이트계 가소제와 비교하여 친환경적이면서 동등 이상의 물성을 구현할 수 있는 가소제 조성물, 이를 포함하는 수지 조성물, 및 염화비닐 수지 성형품을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 가소제 조성물의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 i) 재생 프탈레이트계 화합물 유래 하기 화학식 1로 표시되는 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물, 및 ii) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는, 가소제 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 C4-12 알킬이고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R3은 수소 또는 아세틸이고,
R4 내지 R6는 각각 독립적으로 C2-8 알킬이다.
또한, 본 발명은 상기 가소제 조성물, 및 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 실리콘, 변성 실리콘, 에틸렌 초산비닐 수지 및 열가소성 엘라스토머로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 수지를 포함하는 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품을 제공한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합을 설명하기 위한 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 이들의 조합 또는 부가 가능성을 배제하는 것은 아니다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 i) 재생 프탈레이트계 화합물 유래 상기 화학식 1로 표시되는 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물, 및 ii) 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는, 가소제 조성물을 제공한다.
사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물은 하기 화학식 1의 구조를 가진다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 C4-12 알킬이다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 사이클로헥산에 카르복실레이트기 치환 위치에 따라 하기 화학식 1-1 내지 화학식 1-3으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
[화학식 1-1]
[화학식 1-2]
[화학식 1-3]
상기 화학식 1-1은 사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트계 화합물이고, 상기 화학식 1-2는 사이클로헥산-1,3-디카르복실레이트계 화합물이며, 상기 화학식 1-3은 사이클로헥산-1,2-디카르복실레이트계 화합물이다.
또한, 상기 화학식 1-1 내지 1-3에서, R11 내지 R16은 각각 독립적으로 부틸기, 이소부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기, 옥틸기, 2-에틸헥실기, 노닐기, 이소노닐기, 2-프로필헵틸기, 데실기, 또는 이소데실기이다.
예를 들어, 사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트계 화합물에서 R11과 R12가 동일할 경우 디(부틸)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트, 디(이소노닐)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트 등일 수 있고; R11과 R12가 상이할 경우 부틸(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트, 부틸(이소노닐)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트 등일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 가소제 조성물의 구성 성분 중 상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물은 사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트계 화합물에, R11과 R12가 모두 2-에틸헥실기인 화합물일 수 있다. 이 화합물은 하기 화학식 1-4의 구조를 가지며, 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트(DEHCH)이다.
[화학식 1-4]
본 발명의 일 구현예에 따르면, 가소제 조성물 중, 상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물은 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트, 디이소노닐사이클로헥산-1,2-디카르복실레이트, 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,2-디카르복실레이트, 부틸(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트, 및 디부틸사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물은 재생 프탈레이트계 화합물로부터 얻을 수 있다. 일예로, DEHCH는 프탈레이트계 화합물인 디옥틸테레프탈레이트(dioctylterephthalate, DOTP)의 수소 첨가 반응을 통해 얻을 수 있다. 그러나, 이 경우 DOTP에서 추가적인 공정을 거치기 때문에 추가 공정에서 사용하는 전력, 가스, 스팀 등으로 인하여 DOTP 대비 탄소 배출량이 다소 증가하는 문제가 있다. 이를 극복하기 위해, 본 발명에서는 재생 프탈레이트계 화합물로부터 제조한 DEHCH(R-DEHCH)를 이용하였다.
본 발명에서 사용되는 재생 프탈레이트계 화합물은 공지의 방법을 이용하여 폐기물로부터 수득할 수 있다. 일례로, 상기 재생 프탈레이트계 화합물은 폐폴리에스테르를 해중합하여 방향족 디카르복실산 또는 이의 에스테르를 얻고, 이를 적절한 알코올과 반응시켜 얻어진 것일 수 있다. 또는, 폴리에스테르 섬유의 알칼리 감량 가공 시에 배출되는 폐수나, 순수한 테레프탈레이트계 화합물을 제조하는 공정에서 발생하는 폐수, 여과 후 잔존물 등의 폐기 물질로부터 프탈산을 추출하고, 이를 알코올과 반응시켜 재생 프탈레이트계 화합물을 얻을 수 있다.
본 발명에 사용되는 재생 프탈레이트계 화합물의 물성은 특별히 제한되는 것은 아니나, 보다 고품질의 가소제를 얻기 위하여 산가가 낮은 재생 프탈레이트계 화합물을 사용하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
구체적으로, 가소제의 품질을 향상시키기 위한 재생 프탈레이트계 화합물의 산가는 0.20 KOH mg/g 이하, 0.15 KOH mg/g 이하, 또는 0.10 KOH mg/g 이하인 것이 바람직하다. 산가는 낮을수록 품질이 우수한 것으로 하한에 제한은 없으며, 이론적으로는 0 KOH mg/g일 수 있다. 특히, 상기 화학식 1로 표시되는 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물의 원료 물질인 재생 프탈레이트계 화합물의 산가가 높은 경우에는 조성물의 색상이 무색 투명에서 노랑, 또는 갈색으로 변하거나, 냄새가 심할 수 있다. 또한, 원료 물질의 산가가 높을 경우, 가소제가 사용된 완제품의 내이행성이 열세할 가능성이 있어, 상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물은 상술한 산가 범위를 가지는 재생 프탈레이트계 화합물로부터 수득하는 것이 바람직하다.
이때 산가는 시료 1g 중 함유되어 있는 산을 중화하는 데 필요한 수산화칼륨(KOH)의 중량(mg)으로서, 0.1N 알코올성 KOH 용액으로 시료 용액을 적정하여 구할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 가소제 조성물 중 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물의 원료 물질인 상기 재생 프탈레이트계 화합물은 재생 디부틸 프탈레이트, 재생 디헥실 프탈레이트, 재생 디옥틸 프탈레이트, 재생 디-n-옥틸 프탈레이트, 재생 디이소노닐 프탈레이트, 재생 디이소데실 프탈레이트, 재생 디부틸 이소프탈레이트, 재생 디옥틸 이소프탈레이트, 재생 디이소노닐 이소프탈레이트, 재생 디이소데실 이소프탈레이트, 재생 디부틸 테레프탈레이트, 재생 디옥틸 테레프탈레이트, 재생 디이소노닐 테레프탈레이트, 및 재생 디이소데실 테레프탈레이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물은 내후성, 경도 특성이 우수하며, 수지 조성물에 포함 시 점도 개선 효과를 바탕으로 우수한 코팅 특성을 구현할 수 있다. 다만, 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물을 단독으로 사용할 경우 기존 범용 가소제 DOTP 대비 휘발 특성, 열 안정성, 연신율이 열세한 문제가 있으며, 재생 프탈레이트계 화합물로부터 상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물을 수득할 경우 잔존하는 불순물에 의해 열 안정성, 내이행성이 저하될 수 있다.
이에, 본 발명의 가소제 조성물은 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함한다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R3은 수소 또는 아세틸이고,
R4 내지 R6는 각각 독립적으로 C2-8 알킬이다.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 시트레이트계 화합물로, 재생 원료로부터 수득한 화학식 1로 표시되는 가소제 조성물의 열 안정성을 보완하고, 겔링 속도를 상승시키며, 가소제 이행성을 낮추기 위하여 포함된다. 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 시트르산과 C2-8 알코올의 에스테르화 반응을 통해 제조될 수 있다.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 대표적인 예로는, 트리부틸시트레이트, 트리(부틸옥틸)시트레이트, 트리옥틸시트레이트 또는 아세틸트리부틸시트레이트로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 여기서, 트리(부틸옥틸)시트레이트는, 상기 화학식 2의 R4 내지 R6 중 일부는 부틸이고, 일부는 옥틸인 화합물들을 총칭하는 것이다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 트리부틸시트레이트(tributylcitrate, TBC)일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 가소제 조성물 100 중량부에 대하여, 적절한 점도, 및 경도 범위와 겔링 속도, 가소제 이행량, 및 열 안정성 향상 효과를 위하여 상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물을 10 내지 95 중량부로, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 5 내지 90 중량부로 포함할 수 있다.
상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물 및 화학식 2로 표시되는 화합물이 상기 범위로 포함될 경우, 겔링 속도, 내 이행성, 및 열 안정성을 증가 시킬 수 있으며, 점도, 경도 등의 물성에 큰 저하가 없어 가소제 조성물로 사용에 적합하다.
바람직하게는 겔링 속도, 내 이행성, 및 열 안정성의 향상 효과와, 점도, 및 경도 등의 물리적 물성의 최적화를 위하여, 가소제 조성물 100 중량부에 대하여 상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물을 15 중량부 이상, 또는 20 중량부 이상, 25 중량부 이상, 또는 30 중량부 이상, 또는 40 중량부 이상, 또는 50 중량부 이상이면서, 92 중량부 이하, 또는 90 중량부 이하로 포함하고, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 8 중량부 이상, 또는 10 중량부 이상이면서, 85 중량부 이하, 또는 80 중량부 이하, 또는 75 중량부 이하, 또는 70 중량부 이하, 또는 60 중량부 이하로 포함될 수 있다.
가장 바람직하게는, 가소제 조성물 100 중량부에 대하여 상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물을 40 내지 95 중량부로, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 5 내지 60 중량부로 포함할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 가소제 조성물의 구성 요소인 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물을 재생 원료로부터 얻음으로써 탄소 배출량을 저감할 수 있다. 탄소 배출량은 각종 제품 생산 과정에서 발생하는 탄소의 양을 측정한 것으로, 제품 제조 시에 사용된 가스, 전기, 스팀 등 각종 연료의 연간 사용량과 각 연료의 배출 계수, 발열량을 바탕으로 계산된 수치이다. 프탈레이트계 화합물을 재생 원료로부터 수득함으로써, 일반적인 프탈레이트계 화합물의 원료인 테레프탈산을 제조하는데 소모되는 에너지 소모량, 온실가스 배출량을 저감시키는 효과가 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 가소제 조성물은 탄소 배출량 저감율이 3% 이상, 또는 3% 이상 내지 30% 이하일 수 있다. 상기 가소제 조성물의 탄소 배출량 저감율은 재생 프탈레이트계 화합물로부터 수득한 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물 대신 순수 프탈레이트계 화합물로부터 수득한 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물을 포함한 가소제 조성물과 대비시 산측한 값으로, 재생 프탈레이트계 원료를 사용에 따른 탄소 배출량 저감율에 해당한다.
구체적으로, 상기 가소제 조성물의 탄소 배출량 저감율(%)은 하기 식 1과 같이 계산할 수 있다.
[식 1]
탄소 배출량 저감율(%) = 100 - [(A1/A2)*100]
상기 식 1에서,
A1은 본 발명에 따른 상기 가소제 조성물에 대한 탄소 배출량(tCO2 eq/MT)을 나타낸 것이고,
A2는 대조군의 가소제 조성물에 대한 탄소 배출량(tCO2 eq/MT)을 나타낸 것이다.
구체적으로, A1은 가소제 조성물에 포함된 각 성분의 조성비에 따른 탄소 배출량(tCO2 eq/MT)의 총합에 해당하는 것이고, A2는 A1에서 산측한 가소제 조성물과 동일한 조성이되 재생 프탈레이트계 화합물로부터 수득한 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물 대신 순수 프탈레이트계 화합물로부터 수득한 대조군 가소제 조성물의 각 성분의 조성비에 따른 탄소 배출량(tCO2 eq/MT)의 총합에 해당하는 것이다. 여기서, 탄소 배출량의 단위는 메트릭 톤(metric ton)당 전체 CO2 배출량의 중량 당량(eq)으로 나타낸 것이다.
일예로, R-DEHCH 및 TBC가 90:10으로 포함된 가소제 조성물의 탄소 배출량(A1)은, 이러한 조성비에 따른 각 성분의 탄소 배출량 총합, 즉 R-DEHCH의 탄소 배출량 * 0.9 + TBC의 탄소 배출량 * 0.1로 계산하여 0.566 tCO2 eq/MT 이다. 상기 가소제 조성물에 대한 대조군의 가소제 조성물은 DEHCH 및 TBC가 90:10으로 포함된 가소제 조성물이며, 이의 탄소 배출량(A2)은 DEHCH의 탄소 배출량 * 0.9 + TBC의 탄소 배출량 * 0.1로 계산하여 0.643 tCO2 eq/MT 이다. 따라서, 상기 식 1에 따르면, R-DEHCH 및 TBC가 90:10으로 포함된 가소제 조성물의 탄소 배출량 저감율은 11.98%이다.
이때, 상기 가소제 조성물에 사용되는 각 성분의 탄소 배출량은 다음과 같다.
- 재생 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트(R-DEHCH): 0.565 tCO2 eq/MT
- 순수 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트(DEHCH, 또는 Pure-DEHCH): 0.651 tCO2 eq/MT
- 트리부틸시트레이트(TBC): 0.571 tCO2 eq/MT
- 디(옥틸)테레프탈레이트(DOTP): 0.571 tCO2 eq/MT
상기 가소제 조성물에 사용되는 각 성분의 탄소 배출량은 제조사에서 제공한 값을 참조하거나, 각 성분의 제조 공정과 화학 반응에 기초하여 산측하여 계산할 수 있다. 이러한 탄소 배출량 저감율의 구체적인 산측 방법은 후술되는 실험예를 참조할 수 있다.
바람직하게는, 상기 가소제 조성물의 탄소 배출량 저감율은 5% 이상, 또는 6% 이상이면서, 20% 이하, 15% 이하일 수 있다.
상술한 본 발명의 가소제 조성물은 재생 원료로부터 획득한 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물을 사용하여 탄소 배출량을 저감하여 친환경적이면서, 화학식 2의 화합물을 동시에 포함하여 우수한 열 안정성, 내이행성, 겔링 속도 등을 나타낸다.
또한, 본 발명은 상기 가소제 조성물; 및 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 실리콘, 변성 실리콘, 에틸렌 초산비닐 수지 및 열가소성 엘라스토머로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 수지를 포함하는 수지 조성물이 제공된다.
상기 수지 조성물에서 수지 및 가소제의 함량은 제한되지 않으며, 사용되는 수지와 목적하는 물성에 따라 적절히 조절될 수 있으나, 일례로 상기 수지 조성물은 수지 조성물 100 중량부에 대하여 상술한 가소제 조성물을 10 내지 200 중량부, 또는 30 내지 200 중량부, 또는 50 내지 150 중량부로 포함할 수 있다.
상기 수지 조성물은 첨가제, 예를 들어 안정제, 충전제 및 안료로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 수지 조성물에서 향상시키고자 하는 물성에 따라 적합하게 선택될 수 있다.
상기 안정제는 수지의 물성 변화를 예방하는 목적으로 첨가되는 것으로, Ca-Zn계 화합물, K-Zn계 화합물, Ba-Zn계 화합물, 유기 Tin계 화합물; 메탈릭 비누계 화합물, 페놀계 화합물, 인산 에스테르계 화합물 또는 아인산 에스테르계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 포함한다.
본 발명에서 사용될 수 있는 안정제로 보다 구체적인 예는 Ca-Zn계 화합물; K-Zn계 화합물; Ba-Zn계 화합물; 머캡티드(Mercaptide)계 화합물, 말레인산계 화합물 또는 카르복실산계 화합물과 같은 유기 Tin계 화합물; Mg-스테아레이트, Ca-스테아레이트, Pb-스테아레이트, Cd-스테아레이트, 또는 Ba-스테아레이트 등과 같은 메탈릭 비누계 화합물; 페놀계 화합물; 인산 에스테르계 화합물; 또는 아인산 에스테르계 화합물 등을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 충전제는 수지 조성물의 생산성, 건조 상태의 감촉(Dry touch)감 등을 향상시키는 목적으로 사용되며, 탄산칼슘, 탈크, 이산화티탄, 카올린, 실리카, 알루미나, 수산화마그네슘 또는 점토로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 포함한다.
상기 안료는 이산화티타늄, 카본블랙, 카드뮴계 안료 등일 수 있다.
본 발명에 따른 수지 조성물은 수지, 가소제 조성물 및 선택적으로 첨가제를 사용하여 당업계에 일반적으로 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있으며, 그 방법에 있어서 특별히 한정되지는 않는다.
일 구현예에서, 상기 수지 조성물은 폴리염화비닐을 포함하는 수지 조성물일 수 있다. 상기 수지 조성물은, 본 발명에 따른 가소제 조성물을 포함하여 우수한 겔링 특성, 내이행성, 및 열 안정성을 나타낼 수 있다.
상기 폴리염화비닐은 염화비닐 단량체가 단독 중합된 호모 중합체이거나, 또는 염화비닐 단량체 및 이와 공중합 가능한 공단량체가 중합된 공중합체일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘의 혼합물이 염화비닐 수지 조성물의 제조에 사용될 수 있다.
상기 염화비닐 단량체와 공중합 가능한 공단량체는 구체적으로, 초산 비닐, 프로피온산 비닐, 스테아린산 비닐 등의 비닐 에스테르류; 메틸 비닐 에테르, 에틸 비닐 에테르, 옥틸 비닐 에테르, 라우닐 비닐 에테르 등의 알킬기를 가지는 비닐 에테르(viny ether)류; 염화 비닐리덴 등의 할로겐화 비닐리덴류; 아크릴산, 메타크릴산, 푸마르산, 말레인산, 이타콘산, 무수 말레산, 무수 이타콘산 등의 불포화 카르본산 및 이들의 산무수물; 아크릴산 메틸, 아크릴산 에틸, 말레인산 모노 메틸, 말레인산 디메틸, 말레인산 부틸벤질 등의 불포화 카르본산 에스테르(ester)류; 스티렌, α-메틸 스티렌, 디비닐 벤젠 등의 방향족 비닐 화합물; 아크릴로니트릴 또는 메타크릴로니트릴 등의 불포화 니트릴류; 에틸렌 또는 프로필렌 등의 올레핀류; 또는 디알릴 프탈레이트 등의 가교성 단량체 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 이중에서도, 염화비닐 단량체와의 상용성이 우수하고, 또 중합 후 수지 조성물을 구성하는 가소제에 대한 상용성을 향상시킬 수 있는 점에서 상기 공단량체는 초산 비닐 등을 포함하는 것이 보다 바람직할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 폴리염화비닐은 염화비닐 단량체 단독, 또는 염화비닐 단량체 및 이와 공중합 가능한 공단량체를 중합 반응시켜 제조될 수 있다. 이때 중합 방법은 특별히 제한되지 않으며, 현탁 중합, 괴상 중합, 유화 중합, 또는 시드 유화 중합 등 본 발명이 속하는 기술분야에 알려진 통상의 중합 방법에 따라 수행될 수 있다.
상기 폴리염화비닐의 평균 입자 크기 및 균일도는 중합 시 조건의 조절을 통해 제어할 수 있다. 구체적으로, 현탁 중합 또는 괴상 중합에 의하여 제조되는 스트레이트 염화비닐 수지는 평균 입자 크기(D50)가 200 내지 400 ㎛ 범위일 수 있고, 유화 중합 또는 미세 현탁 중합에 의하여 제조되는 페이스트 염화비닐 수지는 평균 입자 크기(D50)가 100 ㎛ 미만, 바람직하게는 0.1 내지 40 ㎛일 수 있다. 상기 염화비닐 수지의 평균 입자 크기(D50)는 광학현미경 관찰법, 광산란 측정법 등의 통상의 입자 크기 분포 측정방법에 따라 측정될 수 있다.
상기 폴리염화비닐의 중합도 및 중량평균 분자량은 수지 조성물을 구성하는 성분들, 특히 가소제와의 상용성 및 수지 조성물의 가공성에 영향을 미칠 수 있는데, 중합 시 중합 조건의 제어를 통해 적절히 조절될 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리염화비닐은 중합도가 500 내지 3,000 이거나, 또는 중량평균 분자량(Mw)이 25,000 내지 300,000 g/mol일 수 있다. 상기와 같은 범위의 중합도 및 중량평균 분자량을 가질 경우 분산성이 우수하고, 가소제와의 상용성이 양호하며, 수지 조성물의 가공성을 개선시킬 수 있다.
폴리염화비닐의 중합도가 500 미만이거나 중량평균 분자량이 25,000 g/mol 미만일 경우 물성이 부족해 가공성 및 가공 후 제품의 내구성이 저하될 우려가 있고, 중합도가 3,000 초과이거나 중량평균 분자량이 300,000 g/mol 초과일 경우 분자량이 너무 높아 성형 또는 가공이 어려울 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 염화비닐 수지는 중합도가 700 이상 1,700 미만이거나 또는 중량평균 분자량(Mw)가 45,000 내지 250,000 g/mol일 수 있다.
폴리염화비닐의 중량평균 분자량(Mw)은 겔투과 크로마토그래피에 의한 표준 폴리스티렌 환산 값이다. 또, 폴리염화비닐의 중합도는 JIS K 6720-2에 의하여 측정될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 수지 조성물을 포함하는 성형품이 제공된다.
상기 성형품은 벽지, 장갑, 바닥재, 매트, 인조 가죽, 인조 미끼, 완구, 병마개 라이너, 기타 용도 마개, 타포린, 파이프, 랩, 시트, 샷시, 식품 포장용 필름(예를 들어, 랩), 공업용 필름, 컴파운드, 데코타일, 연질시트, 경질시트, 전선 및 케이블, 발포매트, 실란트, 냉장고 등의 가스켓, 호스, 의료기기, 지오그리드, 메쉬타포린, 완구용품, 문구용품, 절연테이프, 의류 코팅제, 의류 또는 문구용 등으로 사용되는 라벨, 전자기기 내 부품(예를 들어, sleeve), 자동차 내장재, 접착제, 차음제, 코팅제 등의 제조에 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 가소제 조성물은 프탈레이트를 포함하지 않아 인체에 유해하지 않고, 재생 화합물을 통해 제조하여 탄소 배출량을 저감시켜 친환경적이다. 또한, 본 발명의 가소제 조성물을 포함하는 수지 조성물은 내이행성, 열 안정성, 겔링 속도 등이 우수하여, 각종 제품에 사용이 가능하다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다. 또한, 이하의 실시예, 비교예에서 함유량을 나타내는 "%" 및 "부"는 특별히 언급하지 않는 한 중량 기준이다.
<실시예>
실시예 1
가소제 조성물 제조
재생 디옥틸테레프탈레이트(R-DOTP, Runzenenguyuan, 0.175 KOH mg/g)를 수소화 하여 재생 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트(R-DEHCH)를 제조하였다.
제조한 R-DEHCH를 트리부틸시트레이트(TBC)와 R-DEHCH:TBC가 90:10 중량비가되도록 혼합하여 가소제 조성물을 제조하였다.
염화비닐 수지 조성물의 제조
상기 제조한 가소제 조성물을 이용하여 두 가지 염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.
1) Plastisol 염화비닐 수지 조성물: 염화비닐 수지(EL-103, 한화솔루션) 100 중량부에 대하여, 상기 제조한 R-DEHCH:TBC가 90:10 중량비로 혼합된 가소제 조성물 60 중량부, 안정제(LFX 910D) 3 중량부를 Mathis mixer에서 10분 동안 혼합하여 염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.
2) Suspension 염화비닐 수지 조성물: 염화비닐 수지(P-1000F, 한화솔루션) 100 중량부에 대하여, 상기 제조한 R-DEHCH:TBC가 90:10 중량비로 혼합된 가소제 조성물 25 중량부, 안정제(송원산업 BZ-150T; 1.5 중량부, 송원산업 BP-251S; 0.5 중량부) 2.0 중량부, 및 에폭시 보조 열 안정제(송원산업, E-700) 2 중량부를 Hobart mixer에서 10분 동안 혼합하여 염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 2 내지 4
상기 실시예 1에서, R-DEHCH:TBC의 중량비를 하기 표 1에 나타낸 중량비로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가소제 조성물, 또는 염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서, 가소제 조성물 100 중량부에 대하여 R-DEHCH를 100 중량부로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가소제 조성물, 또는 염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 2
상기 비교예 1에서, R-DEHCH를 DEHCH로 대신한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 가소제 조성물, 또는 염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1에서, R-DEHCH를 DEHCH로 대신한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가소제 조성물, 또는 염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 4
상기 실시예 2에서, R-DEHCH를 DEHCH로 대신한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 가소제 조성물, 또는 염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 5
상기 실시예 1에서, R-DEHCH, TBC 대신 DOTP만을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가소제 조성물, 또는 염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.
상기와 같이 제조한 가소제 조성물의 조성을 하기 표 1에 정리하였다.
R-DEHCH | DEHCH | TBC | |
실시예 1 | 90 | - | 10 |
실시예 2 | 80 | - | 20 |
실시예 3 | 50 | - | 50 |
실시예 4 | 20 | - | 80 |
비교예 1 | 100 | - | - |
비교예 2 | - | 100 | - |
비교예 3 | - | 90 | 10 |
비교예 4 | - | 80 | 20 |
비교예 5 | DOTP 사용 |
<실험예>
상기 실시예, 비교예의 각 가소제 조성물에 대하여 탄소 배출 저감량, 점도, 휘발감량, 겔링 속도, 내이행성, 열안정성, 경도를 하기와 같이 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
(1) 탄소 배출량 저감율
상기 실시예, 비교예의 가소제 조성물에 대하여 하기 식 1에 따라 탄소 배출량 저감율(%)을 계산하였다.
[식 1]
탄소 배출량 저감율(%) = 100 - [(A1/A2)*100]
상기 식 1에서,
A1은 본 발명에 따른 상기 가소제 조성물에 대한 탄소 배출량(tCO2 eq/MT)을 나타낸 것이고,
A2는 대조군의 가소제 조성물에 대한 탄소 배출량(tCO2 eq/MT)을 나타낸 것이다.
구체적으로, 상기 식 1에서, A1은 가소제 조성물에 포함된 각 성분의 조성비에 따른 탄소 배출량(tCO2 eq/MT)의 총합에 해당하는 것이고, A2는 A1에서 산측한 가소제 조성물과 동일한 조성이되 재생 프탈레이트계 화합물로부터 수득한 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물 대신 순수 프탈레이트계 화합물로부터 수득한 대조군 가소제 조성물의 각 성분의 조성비에 따른 탄소 배출량(tCO2 eq/MT)의 총합에 해당하는 것이다. 여기서, 탄소 배출량의 단위는 메트릭 톤(metric ton)당 전체 CO2 배출량의 중량 당량(eq)으로 나타낸 것이다.
일예로, 실시예 1의 가소제 조성물은 R-DEHCH 및 TBC가 90:10으로 포함된 것으로, 이러한 조성비에 따른 각 성분의 탄소 배출량 총합(A1, 즉 R-DEHCH의 탄소 배출량 * 0.9 + TBC의 탄소 배출량 * 0.1)은 0.566 tCO2 eq/MT 이다. 이에 대한 대조군은 비교예 3의 가소제 조성물이며, 이의 탄소 배출량(A2)은 0.643 tCO2 eq/MT 이다. 따라서, 상기 식 1에 따르면, 실시예 1의 가소제 조성물의 탄소 배출량 저감율(100 - [(0.566/0.643)*100])은 11.98%이다.
여기서, 실시예, 비교예의 가소제 조성물에 사용되는 각 성분의 탄소 배출량은 다음과 같다.
- 재생 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트(R-DEHCH): 0.565 tCO2 eq/MT
- 순수 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트(DEHCH, 또는 Pure-DEHCH): 0.651 tCO2 eq/MT
- 순수 디(옥틸)테레프탈레이트(DOTP, 또는 Pure-DOTP): 0.571 tCO2 eq/MT
- 트리부틸시트레이트(TBC): 0.571 tCO2 eq/MT
이 중에서, R-DEHCH, DEHCH, 및 DOTP의 탄소 배출량은 제조사에서 제공한 값을 참조하였다. 또한, TBC의 탄소 배출량은 DOTP와 유사한 화학 반응으로 생산되어 DOTP와 동일하다고 가정하여 계산하였다.
(2) 휘발감량
가소제 조성물을 200 ℃, 1시간 방치 후, 전/후의 무게 변화를 측정하였다.
휘발 감량 (%) = [(초기 가소제 조성물 무게 - 방치 후 가소제 조성물 무게)/ 초기 가소제 조성물 무게] * 100
(3) 점도
Plastisol 염화비닐 수지 조성물을 25 ℃ 에서 1시간 안정화시킨 후의 점도와, 25 ℃ 에서 1일간 방치한 후의 점도를 측정하였다.
구체적으로 Brookfield viscometer (#4 spindle, 20 rpm)으로 점도를 각각 측정하였다.
(4) 내이행성
Plastisol 염화비닐 수지 조성물을 Mathis oven을 사용하여 약 180 ℃에서 50초이상 겔링 시켜 두께 1 mm 내외의 시트를 제조하였다. 제조된 시트를 지름 약 4 cm의 원형 시편으로 절단하였다. 시편의 상/하부에 Polypropylene 재질의 유분 흡수용 기름종이를 위치시키고, 5 kg 하중, 60 ℃에서 7 일간 방치하여 가소제 이행을 촉진시켰다. 가소제 이행 실험 종료 후 시편과 기름종이의 무게 변화율을 측정하였다.
시편의 무게 변화율은 [(시편의 무게변화/시험전 시편의 무게) *100]으로 계산하였고, 기름종이의 무게 변화율은 [(기름종이의 무게변화/시험전 기름종이의 무게) *100]으로 계산하였다. 시편의 무게 감소량은 기름종이의 무게 증가량과 동일하여, 본 실험에서는 시편의 무게 변화율만으로 가소제 내이행성(%)을 평가하였다.
(5) 열 안정성
Plastisol 염화비닐 수지 조성물을 Coater로 코팅한 후 Mathis Oven을 이용하여, 220℃에서 시간 별로 Gelling시켜 열 변색 정도를 비교하였다(매우 우세 5>4>3>2>1 매우 열세).
(6) 겔링 속도
Suspension 염화비닐 수지 조성물 54 g을 95 ℃ Brabender Mixer에 투입, 30 rpm으로 10분간 믹싱하였다. 믹서에서의 가공시간 동안 토크 변화를 통해 수지의 겔링 시간을 분석하였다(매우 빠름 5>4>3>2>1 매우 느림).
(7) 경도
Suspension 염화비닐 수지 조성물을 Roll mill 가공(175℃, 3분)과 Press 가공(180℃, 8분)을 순차적으로 진행하여 두께 6 mm 평판을 제조하였다.
ASTM D2240 방법에 근거하여, 경도 시험기(A Type)의 침을 시편의 한 곳에 완전히 내려 5초 후의 경도값을 읽었으며, 각각의 시편에 대해 3곳을 시험한 후 그 평균값을 취하였다. 가소화 효율을 나타내는 지표로서 사용된다.
실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | 비교예 4 | 비교예 5 | |
가소제 조성물의 탄소 배출량 (tCO2 eq/MT) | 0.566 | 0.566 | 0.568 | 0.570 | 0.565 | 0.651 | 0.643 | 0.635 | 0.571 |
가소제 조성물의 탄소 배출량 저감율(%) | 11.98 | 10.87 | 7.04 | 2.90 | 13.21 | - | - | - | - |
휘발 감량 (%) |
0.64 | 0.81 | 1.34 | 1.91 | 0.49 | 0.44 | 0.62 | 0.75 | 0.34 |
점도*1(cps) | 2180 | 2520 | 4820 | 7650 | 1805 | 1995 | 2240 | 2590 | 3380 |
내이행성*1(%) | 1.0 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | 1.9 | 1.6 | 0.9 | 0.8 | 3.1 |
열 안정성*1 | 3.0 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 2.0 | 3.0 | 3.0 | 4.0 | 4.0 |
겔링 속도*2 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.0 | 3.0 | 2.5 | 4.0 | 4.5 | 1.0 |
경도*2 (Shore A) |
93.8 | 93.2 | 90.6 | 88.5 | 94.2 | 94.4 | 94.0 | 93.3 | 96.3 |
*1: Plastisol PVC 측정
*2: Suspension PVC 측정
상기 표 2를 참조하면, 본 발명의 가소제 조성물은 재생 프탈레이트계 화합물로부터 유래한 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물을 사용하여 탄소 배출량을 저감하여 친환경적이다. 또한, 본 발명의 가소제 조성물을 포함하는 수지 조성물은 기존 가소제를 포함하는 수지 조성물과 비교 시 점도, 경도는 유사한 수준이며, 동등 이상의 내이행성, 열 안정성, 및 겔링 속도를 나타냄을 확인할 수 있다.
Claims (13)
- 제1항에 있어서,
상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계 화합물은 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트, 디이소노닐사이클로헥산-1,2-디카르복실레이트, 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,2-디카르복실레이트, 부틸(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트, 및 디부틸사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 가소제 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 재생 프탈레이트계 화합물은 산가가 0.20 KOH mg/g 이하인,
가소제 조성물.
- 제1항에 있어서,
R4 내지 R6은 각각 독립적으로 부틸 또는 옥틸인,
가소제 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 2로 표시되는 화합물은, 트리부틸시트레이트, 트리(부틸옥틸)시트레이트, 트리옥틸시트레이트 및 아세틸트리부틸시트레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인,
가소제 조성물.
- 제1항에 있어서,
가소제 조성물 100 중량부에 대하여,
상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계화합물을 10 내지 95 중량부로,
상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 5 내지 90 중량부로 포함하는,
가소제 조성물.
- 제1항에 있어서,
가소제 조성물 100 중량부에 대하여,
상기 사이클로헥산 디카르복실레이트계화합물을 40 내지 95 중량부로,
상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 5 내지 60 중량부로 포함하는,
가소제 조성물.
- 제1항에 있어서,
탄소 배출량 저감율이 3% 이상인,
가소제 조성물.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 가소제 조성물; 및
폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 실리콘, 변성 실리콘, 에틸렌 초산비닐 수지 및 열가소성 엘라스토머로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 수지를 포함하는,
수지 조성물.
- 제10항에 있어서,
수지 조성물 100 중량부에 대하여 가소제 조성물을 10 내지 200 중량부로 포함하는,
수지 조성물.
- 제10항의 수지 조성물을 포함하는,
성형품.
- 제12항에 있어서,
상기 성형품은 벽지, 장갑, 바닥재, 매트, 인조 가죽, 인조 미끼, 완구, 병마개 라이너, 기타 용도 마개, 타포린, 파이프, 랩, 시트, 샷시, 필름, 데코시트, 전선, 완구류, 또는 차음제인,
성형품.
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CN117801694A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-04-02 | 恒天嘉华非织造有限公司 | 一种无纺布用减粘胶带 |
-
2021
- 2021-02-05 KR KR1020210016586A patent/KR20220112987A/ko not_active Application Discontinuation
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