KR20240008615A - 구조물 연결부재용 복합소재 조성물 - Google Patents

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Abstract

구조물 연결부재용 복합소재 조성물이 개시된다. 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 조성물은 120 MPa~300 MPa 범위의 인장강도 및 압축강도, 고온고습환경(85℃, 85%, 1000h 기준)에서 30% 미만의 인장강도 변화율, UL94 기준 V0 등급(1.6T 기준)의 난연성을 갖는 구조물 연결부재를 제공할 수 있다.

Description

구조물 연결부재용 복합소재 조성물{COMPOSITE MATERIAL COMPOSITION FOR CONNECTORS OF STRUCTURE}
본 발명은 건축 구조물 등의 구조물들 사이에 사용되는 연결부재 제조를 위한 복합소재 조성물에 관한 것이다.
건축물에는 수 많은 건축 부재들이 사용되고 있으며, 이러한 건축 부재들은 건축물 구조 전체에 대해 법적, 경제적, 사회적, 기술적으로 요구되는 품질 수준을 충족시키기 위한 다양한 특성 지표를 갖는다. 특성 지표는 건축 자재의 목적과 용도에 따라 각기 다르게 정해진다.
건축 부재 중 하나인 구조물 연결부재는 건축물에서 구조물들 사이에 사용되는 부재를 말한다. 예를 들면 소정 간격 이격된 상부 구조물과 하부 구조물 사이에 수직으로 결합되어 상부 구조물을 지지하는 포스트 부재, 소정 간격 이격된 두 개의 측 구조물 사이에 수평으로 결합되는 외측 구조물을 내측 구조물에 연결시킴과 동시에 외측 구조물을 지지하는 수평 부재 등이 있다.
이와 같은 구조물 연결부재에서 요구되는 대표적인 특성 지표로는 내풍압 성능 확보를 위한 인장강도(Tensile Strength), 내설압이나 분포압 강도 성능 확보를 위한 압축강도(Compressive strength), 내충격 성능 확보를 위한 충격강도(impact strength) 등이 있다. 또한 이러한 강도들이 온습도에 의해 크게 변화되지 않도록 낮은 물성변화율도 요구되고 있다.
현재 구조물 연결부재로 주로 사용되는 소재는 6063 알루미늄 합금 또는 아연도 강판(KS D 3506)이다. 6063 알루미늄 합금(3T 기준)의 인장강도는 150~240MPa, 아연도강판(1.6T 기준)의 인장강도는 340~360MPa로 높은 내구성을 가지며, 온습도에 의한 물성변화 또한 낮은 편이기 때문이다.
한편 건축분야에서는 시공의 편의성을 높이고 건축물을 보다 경량화하기 위하여, 내구성이 우수하면서도 가벼운 건축재료에 관한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 구조물 연결부재 역시 마찬가지로 기존의 금속 재료를 대체하기 위한 플라스틱 기반의 복합소재를 개발하고자 하는 시도들이 있어 왔다. 예를 들어 구조물들 사이에 규격화된 단열재들이 배치되는 경우 그 틈새에 위치하여 열교(Heat Bridge)를 차단하는 열교차단 부재로 폴리아미드 수지 기반의 복합소재가 개발된바 있다.
이와 같이 기존 금속 재료를 대체하기 위한 플라스틱 기반의 복합소재는 금속 재료와 동등한 수준의 강도 특성(특히 높은 인장강도 및 압축강도)과, 강도 특성이 온습도에 의해 크게 변화되지 않는 낮은 물성변화율을 필수적인 특성 지표로 하고 있다. 또한 플라스틱 재료는 기본적으로 불에 잘 타는 성질이 있으므로 건축물 구조 연결부재에 사용되는 복합소재는 UL94 기준 V0 등급(1.6T 기준)에 해당하는 난연성도 갖추어야만 한다.
본 발명은 높은 인장강도, 낮은 인장강도 변화율 및 난연성(UL94 기준 V0)을 갖는 구조물 연결부재를 제조할 수 있는 복합소재 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 폴리아미드계 베이스 수지; 폴리프로필렌 또는 실리콘 레진 중에서 선택되는 첨가제; 난연제; 및 유리섬유를 포함하는 구조물 연결부재용 복합소재 조성물이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 첨가제는 폴리프로필렌이고, 상기 복합소재 조성물은 폴리아미드계 베이스 수지 20~60 중량부; 폴리프로필렌 3~7 중량부; 난연제 13~17 중량부; 및 유리섬유 20~60 중량부를 포함할 수 있다.
또는, 상기 첨가제는 실리콘 레진이고, 상기 복합소재 조성물은 폴리아미드계 베이스 수지 35~45 중량부; 실리콘 레진 1~2 중량부; 난연제 12~16 중량부;및 유리섬유 40~50 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 폴리아미드계 베이스 수지; 폴리프로필렌 및 실리콘 레진을 포함하는 첨가제; 난연제; 및 유리섬유를 포함하는 구조물 연결부재용 복합소재 조성물이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 복합소재 조성물은 폴리아미드계 베이스 수지 30~40 중량부; 폴리프로필렌 3~5 중량부; 실리콘 레진 1~2 중량부; 난연제 13~17 중량부; 유리섬유 40~50 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 조성물은 120 MPa~300 MPa 범위의 인장강도 및 압축강도, 고온고습환경(85℃, 85%, 1000h 기준)에서 30% 미만의 인장강도 변화율, UL94 기준 V0 등급(1.6T 기준)의 난연성을 갖는 구조물 연결부재를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명을 구체적인 예시를 들어 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 설명에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 '구조물 연결부재'는 건축물에서 구조물들 사이에 사용되는 부재를 의미한다. 예를 들면 구조물 연결부재는 건축물의 일 부분에 있어서 소정 간격 이격된 상부 구조물과 하부 구조물 사이에 수직으로 결합되어 상부 구조물을 지지하는 부재(또는 이와 같이 상부 구조물을 지지하는 부재의 일부를 이룰 수도 있음), 또는 구조물들 사이에 규격화된 단열재들이 배치되는 경우 그 틈새에 위치되는 열교차단 부재일 수 있다. 물론 구조물 연결부재는 건축물의 구조물들 사이에 사용 가능한 부재면 충분하고, 상기에서 예시된 부재로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구조물 연결부재용 복합소재 조성물(이하, 복합소재 조성물)는 폴리아미드계 베이스 수지; 첨가제; 난연제 및 유리섬유를 포함한다.
폴리아미드계 베이스 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12, 폴리아미드 610, 폴리아미드 612, 폴리아미드 6I, 폴리아미드 6T, 폴리아미드 4T, 폴리아미드 410, 폴리아미드 510, 폴리아미드 1010, 폴리아미드 10T, 폴리아미드 1212, 폴리아미드 12T, 폴리아미드 MXD6 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
첨가제는 복합소재 조성물의 목적하는 기계적 물성을 충족시키기 위한 것으로, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 조성물에서 첨가제는 폴리프로필렌 및 실리콘 레진 중에서 1 이상 선택될 수 있다. 즉, 첨가제는 폴리프로필렌 또는 실리콘 레진을 사용하거나, 폴리프로필렌 및 실리콘 레진을 모두 사용할 수 있다. 폴리프로필렌과 실리콘 레진은 폴리아미드계 베이스 수지의 수분 흡수성을 낮추고 내충격강도를 향상시키는 첨가제로 작용함으로써 복합소재 조성물의 기계적 물성을 높이는 기능을 한다. 구체적으로 폴리프로필렌 및 실리콘 레진은 복합소재 조성물의 충격강도를 향상시키고, 유동성을 개선하여 분산성을 향상시켜 복합소재 조성물의 수분 흡수를 방지하고 열에 의한 가수분해 방지를 통해 인장강도 변화율을 낮출 수 있다.
우선 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)은 폴리아미드계 베이스 수지의 수분 흡수성을 낮추는 기능을 할 수 있다. 폴리프로필렌의 종류로는 단일중합체인 HOMO PP, 공중합체인 Block PP, Random PP, TER PP 등이 있으며, 특정 종류로 한정되지는 않는다. 다만 복합소재 조성물로부터 제조되는 복합소재의 특성 지표 중 인장강도 변화율을 낮추기 위해서는 HOMO PP를, 충격강도를 높이기 위해서는 Block PP가 보다 바람직할 수 있다. 한편 복합소재 조성물은 베이스 수지 이외에 첨가제, 유리섬유, 난연제 등이 추가되는 것이므로 상대적으로 유동성이 높은 폴리프로필렌을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로는 용융지수가 10 g/10min(230℃, 2.16 kgf) 범위 내에 있는 폴리프로필렌, 보다 구체적으로는 용융지수가 15~45 g/10min(230℃, 2.16 kgf) 범위 내에 있는 폴리프로필렌이 바람직할 수 있다.
실리콘 레진은 실록산 결합(Si-O-Si)으로 구성된 수지로, 반응성 관능기(실리놀기 Si-OH,비닐기 Si-CH=CH2, 하이드로실릴기 Si-H)로 구성되는 3차원 망상 구조로 되어 있는 실리콘 화합물이다. 실리콘 레진의 종류로는 메틸계, 메틸/페닐계, 프로필/페닐계, 에폭시 수지변성계, 알키드 수지변성계, 폴리에스테르 수지 변성계, 고무계 등이 있으며, 특정 종류로 한정되지는 않는다.
이와 같은 폴리프로필렌이나 실리콘 레진은 공지된 방법을 통해 수득하거나, 또는 입수 가능한 상품을 사용할 수 있다.
난연제는 복합소재에 난연성을 부여하기 위한 것으로, 일반적으로 폴리아미드계 수지는 엔지니어링 플라스틱으로서 강성, 유연성, 내마모성 등에서 우수한 특성을 가지고 있으나 UL94 기준 V0 등급 수준의 높은 난연성이 요구될 경우에는 난연제가 첨가될 필요가 있기 때문이다. 난연제는 무기계 난연제, 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 멜라민계 난연제 중 1 이상을 포함할 수 있다. 무기계 난연제의 예로는 수산화알루미늄, 산화안티몬(삼산화, 오산화), 수산화마그네슘, 주석산아연, 몰리브덴산염, 지르코늄 등이 있고, 할로겐계 난연제의 예로는 염소계 또는 브롬계가 있고, 인계 난연제의 예로는 적인, 암모늄 포스페이트, 암모늄 폴리포스페이트, 할로알킬 포스페이트 등이 있다. 물론 난연제의 종류는 상기에서 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다. 보다 구체적인 일 예시로서, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재에 있어 난연제는 적인 난연제 또는 멜라민계 난연제를 사용할 수 있다.
마지막으로 유리섬유는 폴리아미드계 베이스 수지의 기계적 물성을 보완하는 기능을 한다. 여기에서 유리섬유는 원료를 고온에서 용융시켜 필라멘트(filament) 형태로 제조되는 무기질 섬유를 의미한다. 유리섬유는 봉형, 바늘형 또는 섬유상형으로 형성될 수 있고, 공지된 방법을 통해 제조되거나 상용화 된 제품을 사용할 수 있다. 사용되는 유리섬유의 평균 길이, 직경 및 종횡비 등은 특정되지 않는다.
본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 조성물의 구체적인 조성에 대해 설명한다.
(1) 첨가제로 폴리프로필렌만 사용되는 경우, 복합소재 조성물은 폴리아미드계 베이스 수지 20~60 중량부; 폴리프로필렌 3~7 중량부; 난연제 13~17 중량부; 및 유리섬유 20~60 중량부를 포함할 수 있다.
(2) 첨가제로 실리콘 레진만 사용되는 경우, 복합소재 조성물은 폴리아미드계 베이스 수지 35~45 중량부; 실리콘 레진 1~2 중량부; 난연제 12~16 중량부;및 유리섬유 40~50 중량부를 포함할 수 있다.
(3) 첨가제로 폴리프로필렌 및 실리콘 레진이 모두 사용되는 경우, 복합소재 조성물은 폴리아미드계 베이스 수지 30~40 중량부; 폴리프로필렌 3~5 중량부; 실리콘 레진 1~2 중량부; 난연제 13~17 중량부; 유리섬유 40~50 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 조성물은 기존 건축물의 구조물 연결부재로 사용되는 소재인 6063 알루미늄 합금 또는 아연도 강판을 대체하기 위한 것으로, 상기 복합소재 조성물을 성형하여 제공되는 복합소재가 120 MPa~300 MPa 범위의 인장강도 및 압축강도, 고온고습환경(85℃, 85%, 1000h 기준)에서 30% 미만의 인장강도 변화율, UL94 기준 V0 등급(1.6T 기준)의 난연성을 갖는 것을 목적으로 한다. 보다 구체적으로는, 상기 복합소재가 120 MPa~280 MPa 범위의 인장강도 및 압축강도, 고온고습환경(85℃, 85%, 1000h 기준)에서 20% 미만의 인장강도 변화율, UL94 기준 V0 등급(1.6T 기준)의 난연성을 갖는 것을 목적으로 한다.
종래 알려진 열교차단 부재용 폴리아미드 수지 기반의 복합소재는 폴리아미드계 베이스 수지, 난연제, 보강제(주로 유리섬유) 및 첨가제가 혼합되어 제조되고 있으나, 기계적 물성(인장강도, 압축강도, 충격강도 등)에서 6063 알루미늄 합금 또는 아연도 강판을 대체하기에 충분치 않거나, 기계적 물성 및 UL94 기준 V0 등급(1.6T 기준)의 난연성을 동시에 충족하지 못하고 있다. 또한 고온고습환경(85℃, 85%, 1000h 기준)에서의 인장강도 변화율이 40%를 초과하는 수준이어서 내구성 확보에 문제가 있다. 그러나 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재는 첫째, 첨가제로 폴리프로필렌 및 실리콘 레진 중에서 1 이상 선택한 것을 사용함에 따라 목적하는 기계적 물성 및 난연성을 동시에 충족하는 것을 특징으로 한다. 또한, 둘째, 목적하는 기계적 물성 및 난연성을 충족 가능한 폴리아미드계 베이스 수지, 첨가제(폴리 프로필렌 및 실리콘 레진 중에서 1 이상 선택됨), 난연제 및 유리섬유의 최적 조성을 제시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상술한 구조물 연결부재용 복합소재로부터 제조되는 성형물을 추가적으로 제공할 수 있다. 상기 성형물은 구조물 연결부재로 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 성형물은 본 발명의 실시예들에 따른 구조물 연결부재용 복합소재 조성물을 압출 성형 또는 사출 성형하여 제조될 수 있다. 이 때 압출 성형 또는 사출 성형을 위한 공정 조건은 당업계에서 통상적으로 실시되는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 구조물 연결부재용 복합소재 조성물 또는 이로부터 제조되는 성형물은 다음의 특성 지표를 갖출 수 있다.
가. 인장강도(MPa): KS M ISO 527-2에 따른 인장시험 결과, 120 MPa~280 MPa 범위, 보다 구체적으로는 120 MPa~260 MPa 범위 내에 있음.
나. 압축강도(MPa): KS M ISO 604에 따른 압축강도 시험 결과, 120 MPa~300 MPa 범위, 보다 구체적으로는 130 MPa~280 MPa 범위 내에 있음.
다. 충격강도(KJ/m2): KS M ISO 180에 따른 IZOD 충격강도 시험 결과, 10~20 KJ/m2 범위, 보다 구체적으로는 14~20 KJ/m2 범위 내에 있음.
라. 인장강도 변화율(%): 하기 식 1로 표시되는 인장강도 변화율이 30% 미만, 보다 구체적으로는 20% 미만 범위 내에 있음.
[식 1]
인장강도 변화율(%) = |(TS2 - TS1)/TS1| × 100
여기에서 TS1은 KS M ISO 527-2에 따른 인장시험에서 측정된 시편의 초기 인장강도(MPa), TS2는 상기 시편을 고온고습환경(85℃, 85%, 1000h 기준)에서 에이징한 후에 KS M ISO 527-2에 따른 인장시험에서 측정된 시편의 인장강도(MPa)를 의미함.
마. 난연등급: UL94 규정에 따라 측정한(1.6T 기준) 시편의 난연등급으로, V0 등급 이상. 참고로 UL94 규정에 따른 난연등급은 HB, V2, V1, V0 등으로 분류되며, V0가 가장 우수한 난연성을 보인다.
이하에서는 시험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명이 하기 시험예로 한정되지 않음은 자명하다.
시험예
1. 실시예 및 비교예의 준비
하기 표 1에 기재된 조성을 혼합하고(단위: wt%), L/D 44, Φ 45mm인 이축 압출기를 통해 펠렛 형태의 복합소재 시편을 제조하였다(한편, 폴리아미드는 폴리아미드66을 사용하였음). 펠렛이 토출되는 다이 온도는 275℃로 설정되었고, 복합소재가 혼련되는 구간은 270℃로 설정되었다. 이 때, 비교예 4에서는 펠렛 형태의 압출 성형이 불가함을 확인하였다.
구분 폴리아미드 폴리프로필렌 실리콘 레진 유리섬유 적인 성형결과
실시예1 55 5 25 15 양호
실시예2 45 5 35 15 양호
실시예3 35 5 45 15 양호
실시예4 25 5 55 15 양호
실시예5 40 1 45 14 양호
실시예6 35 4 1 45 15 양호
비교예1 60 25 15 양호
비교예2 50 35 15 양호
비교예3 40 45 15 불량
비교예4 30 55 15 불가
상기 표 1을 통해 다음의 사실을 확인할 수 있었다. 첫째, 베이스 수지가 40wt% 이하이고별도의 첨가제 없이 유리섬유만 사용하였을 경우에는(비교예 3,4 참고), 성형 결과가 불량하거나 아예 성형이 되지 않았다. 둘째, 베이스 수지가 40wt% 이하이더라도 첨가제로 폴리프로필렌 및 실리콘 레진 중 1이상 선택하여 첨가한 경우에는(실시예 3, 4, 5, 6 참고) 성형 결과가 양호하였다.
2. 물성 평가
상기 표 1에서 성형이 불가하였던 비교예 4를 제외한 나머지 시편들에 대해서 다음의물성 평가를 수행하고, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
가. 인장강도(MPa): KS M ISO 527-2에 따라, 시편 유형 1A에 해당하는 시험편 10개에 대하여 50mm/min의 속도로 인장시험을 수행하고 평균값을 사용하였다.
나. 압축강도(MPa): KS M ISO 604에 따라, 시편 5개(길이 10mm, 너비 10mm, 두께 4mm)에 대하여 1mm/min의 속도로 압축강도 시험을 수행하고 평균값을 사용하였다.
다. 충격강도(KJ/m2): KS M ISO 180에 따라, 시편 10개(길이 80mm, 너비 10mm, 두께 4mm)에 대하여 IZOD 충격강도 시험을 수행하고 평균값을 사용하였다.
라. 인장강도 변화율(%):식 1로 표시되는 인장강도 변화율을 산출하였다.
[식 1]
인장강도 변화율(%) = |(TS2 - TS1)/TS1| × 100
여기에서 TS1은 KS M ISO 527-2에 따른 인장시험에서 측정된 시편의 초기 인장강도(MPa), TS2는 상기 시편을 고온고습환경(85℃, 85%, 1000h 기준)에서 에이징한 후에 KS M ISO 527-2에 따른 인장시험에서 측정된 시편의 인장강도(MPa)를 의미함.
마. 난연등급: UL94 규정에 따라 난연등급을 측정하였다(1.6T 기준).
구분 인장강도(MPa, TS1) 압축강도(MPa) 충격강도(KJ/m2) 인장강도 변화율(%) 난연등급
TS2 변화율(%)
실시예1 124 134 14 105 15.3 VO
실시예2 172 189 14 151 12.2 VO
실시예3 211 235 16 187 11.4 VO
실시예4 257 277 18 231 10.1 VO
실시예5 204 228 18 187 8.3 VO
실시예6 234 256 20 221 5.6 VO
비교예1 122 133 6 68 44.3 VO
비교예2 167 184 8 89 46.7 VO
비교예3 131 145 6 62 52.7 V0
상기 표 2를 참고하면, 실시예들은 본 발명에서 목적하는 물성을 모두 충족시키고 있음에 반해, 비교예들은 인장강도, 압축강도 및 난연등급에서는 목적하는 물성을 충족시켰으나 충격강도 및 인장강도 변화율에서는 목적하는 물성을 충족하지 못함을 확인하였다. 또한 비교예 1 내지 비교예 3과, 실시예 1 내지 실시예 3을 직접 비교하면, 폴리아미드계 베이스 수지의 일부를 폴리프로필렌 첨가제로 대체하였을 때 인장강도, 압축강도, 충격강도 및 인장강도 변화율 모두에서 물성이 우수해짐을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.

Claims (6)

  1. 폴리아미드계 베이스 수지;
    폴리프로필렌 또는 실리콘 레진 중에서 선택되는 첨가제;
    난연제; 및
    유리섬유를 포함하는 구조물 연결부재용 복합소재 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 첨가제는 폴리프로필렌이고,
    상기 복합소재 조성물은 폴리아미드계 베이스 수지 20~60 중량부; 폴리프로필렌 3~7 중량부; 난연제 13~17 중량부; 및 유리섬유 20~60 중량부를 포함하는 구조물 연결부재용 복합소재 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 첨가제는 실리콘 레진이고,
    상기 복합소재 조성물은 폴리아미드계 베이스 수지 35~45 중량부; 실리콘 레진 1~2 중량부; 난연제 12~16 중량부;및 유리섬유 40~50 중량부를 포함하는 구조물 연결부재용 복합소재 조성물.
  4. 폴리아미드계 베이스 수지;
    폴리프로필렌 및 실리콘 레진을 포함하는 첨가제;
    난연제; 및
    유리섬유를 포함하는 구조물 연결부재용 복합소재 조성물.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 복합소재 조성물은 폴리아미드계 베이스 수지 30~40 중량부; 폴리프로필렌 3~5 중량부; 실리콘 레진 1~2 중량부; 난연제 13~17 중량부; 유리섬유 40~50 중량부를 포함하는 구조물 연결부재용 복합소재 조성물.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 구조물 연결부재용 복합소재 조성물로부터 제조되는 성형물.
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