KR100683230B1 - 폴리프로필렌 복합소재 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리프로필렌 50-80중량%, 탈크(talc) 6-30중량%, 고무 10-30중량%, 글래스버블(Glass Bubble) 3-15중량%, 말레산무수물 폴리프로필렌(MAH-PP) 0.5-7중량%를 포함하는 폴리프로필렌 복합소재 조성물을 제공한다.
본 발명에 의하는 경우, 글래스버블과 폴리프로필렌의 상용성(相溶性)을 개선할 수 있게 됨으로써, 폴리프로필렌 복합소재 조성물에서, 글래스버블을 효과적으로 사용할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 의한 조성물을 자동차 내장재 등과 같은 자동차부품으로 사용시 소재 경량화에 따른 차량의 연비가 개선될 뿐만 아니라, 글래스버블의 무색 무취 특성으로 인하여 기존 탈크를 사용한 내장재에서 발생하는 냄새도 개선되어 환경친화적이다.
나아가, 본 발명에 의한 조성물에서는 글래스버블에 의한 표면 엠보싱 효과로 인하여, 폴리우레탄 폼 부착력도 개선되어 공정 단순화도 가능하게 된다.
글래스버블, 경량화, 결합제, 상용성, 모폴로지
Description
도 1은 글래스버블 함량별 및 말레산무수물 폴리프로필렌의 첨가 여부에 따른 폴리프로필렌 복합소재의 비중 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 글래스버블 함량별 및 말레산무수물 폴리프로필렌의 첨가 여부에 따른 폴리프로필렌 복합소재의 IZOD 충격강도 및 굴곡탄성율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 평균입자크기가 18㎛인 글래스버블을 사용한 경우의 폴리프로필렌 복합소재의 모폴로지를 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 평균입자크기가 30㎛인 글래스버블을 사용한 경우의 폴리프로필렌 복합소재의 모폴로지를 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 말레산무수물 폴리프로필렌을 첨가하지 않은 경우의 폴리프로필렌 복합소재의 모폴로지를 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 말레산무수물 폴리프로필렌을 첨가한 경우의 폴리프로필렌 복합소재의 모폴로지를 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
본 발명은 폴리프로필렌 복합소재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경량화를 위하여 충진재로서 글래스버블이 사용되는 경우의 폴리프로필렌 복합소재 조성물에 관한 것이다.
최근 자동차 산업은 연구개발의 세분화를 통해 보다 편리하고, 친환경적인 산업으로 발전하고 있으며, 이와 병행하여, 자동차부품산업의 주요 이슈는 경량화, 모듈화, 전자화의 3가지 주제로 집중되고 있다. 기존 운송 수단의 용도로만 사용되었던 자동차가 현대에 와서는 단순한 교통 기관이 아닌 안락함이나 정숙함 그리고 감성 등의 다양한 기능을 갖춘 복합 기능의 생활 필수품이 되었다. 하지만, 연비 향상, 대기 오염 문제 개선 및 고유가에 따른 하이브리드 자동차의 확산과 맞물려 자동차의 경량화 및 고기능화가 급속히 요구되고 있으며, 특히 유리 섬유(Glass Fiber), 탄소 섬유(Carbon Fiber)를 이용한 플라스틱 소재의 고성능화를 통해 자동차 트렁크(TRUNK)나 후드(HOOD)와 같은 차체의 일부분까지 경량화가 확산되고 있다. 또한 자동차의 경우 유럽을 중심으로 카드뮴(Cd), 납(Pb), 수은(Hg), 육가크롬(Cr+6) 등과 같은 중금속에 대한 환경 유해 물질의 함량 규제 및 재활용 법규 강화로 차량 1대에 사용되는 플라스틱 소재의 중량이 계속 증가되고 있다.
자동차 소재의 플라스틱 사용 증가와 동시에 최근에는 도요타, 닛산을 중심으로 한 소재의 통합화, 단일화와 올레핀 계열의 저비중 플라스틱 소재 대체를 통 한 경량화 연구가 계속 진행되고 있다.
한편, 자동차 내장재의 대표 부품인 인스트루먼트 패널(Instrument Panel)은 발포형 타입과 일체형 하드(Hard) 타입의 두 종류로 구분된다. 하드 타입 인스트루먼트 패널은 PPF(PP에 고무와 탈크(Talc)라는 무기 충진제(filler)를 컴파운드한 소재)라 불리는 소재를 사출 성형한 후 도장 처리하여 사용하고, 발포 타입 인스트루먼트 패널은 구조물인 코어(CORE) 재질을 엔지니어링 플라스틱인 PC+ABS 블렌드 소재를 사출하여 사용하고 있다. 발포용 코어 소재의 경우 소재 통합화 및 원가 절감, 경량화 측면에서 최근 PPF소재를 적용한 제품이 증가하고 있지만, 탈크에 의한 중량 절감 효과가 미미하고, 수지 흐름성 저하 및 치수안정성에 의한 발포 성형 불량 증가 등의 문제가 발생되고 있다. 그리하여, 탈크를 대체할 수 있는 충진제에 대한 관심이 증가되고 있으며, 이로 인해 현재 경량화를 위한 충진제로서 주목을 받고 있는 것이 바로 3M사의 글래스버블(Glass Bubble)이다.
글래스버블은 3차원의 중공구조의 구형(Microsphere)으로서 소다석회 붕규산염(Soda-lime borosilicate)을 주성분으로 한 충진제의 한 종류로, 입자 크기는 14 ~ 135㎛이며 비중은 0.125 ~ 0.6g/㎤이다. 플라스틱에 사용되는 충진제의 종류 및 그 비중을 글래스버블과 비교하면, 하기 표 1과 같다.
| 충진제 | 비중(g/㎤) | 충진제 | 비중(g/㎤) | |
| CaCO2 | 2.70 | Glass Fiber | 2.50 | |
| 탈크 | 2.90 | TiO2 | 4.10 | |
| Kaolin | 2.60 | Al2O3 | 2.50 | |
| BaSO4 | 4.60 | Glass Beads | 2.50 | |
| Mica | 2.75 | 글래스버블 | 0.125~0.60 | |
상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 플라스틱에 사용되는 다른 충진제 대비 낮은 비중 특성 때문에 글래스버블은 PVC 코팅용 가소제나, 에폭시 구조 발포체(Epoxy Structural Foam), SMC(Sheet Molding Compound), BMC(Bulk Molding Compound), RIM(Reaction Injection Molding)에 사용되는 탈크, 유리섬유(Glass Fiber)와 같은 고중량 충진제의 부분 대체를 통한 부품 경량화에 일부 사용되고 있다. 이와 같이, 글래스버블 사용시 비중에 의한 경량화뿐만 아니라, 수지 사용량 감소, 치수안정성 및 성형 후 변형 개선, 가공성 및 성형성 개선, 단열 성능 및 수분 저항성 향상 등을 기대할 수 있게 되기 때문이다. 글래스버블이 적용가능한 부품으로는 바디 사이드몰딩(Body Side Molding, TPU), 헤드라이트 하우징(Headlight Housing(PC)), 가스 탱크 플로트(Gas Tank Float(Nylon)), 팬 쉬라우드(Fan Shroud(Nylon)), FEM 캐리어(Nylon) 등이 있다.
그러나, 폴리프로필렌과 글래스버블을 충진제로 사용할 경우 글래스버블과 폴리프로필렌과의 상용성이 적어 IZOD 충격강도, 굴곡탄성율, 굴곡강도, 인장강도, 신율, 열변형온도 등 폴리프로필렌 컴파운드 소재의 기계적 물성이 저하된다는 문제점이 있어서, 글래스버블이 충진제로 사용되는 복합소재가 상용화되는데는 한계가 있었다.
그리하여, 자동차용 부품 경량화를 위한 복합소재 조성물, 특히 폴리프로필렌과 글래스버블의 상용성을 개선할 수 있는 복합소재 조성물에 대한 필요성이 절실히 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 폴리프로필렌과 글래스 버블간 상용성(Compatibility) 개선을 통해 인장강도, 굴곡탄성율 등 기계적 물성을 향상시킨 폴리프로필렌 복합소재 조성물을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폴리프로필렌 50-80중량%, 탈크(talc) 6-30중량%, 고무 10-30중량%, 글래스버블(Glass Bubble) 3-15중량%, 말레산무수물 폴리프로필렌(MAH-PP) 0.5-7중량%를 포함하는 폴리프로필렌 복합소재 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 조성물을 이용하여 성형되는 자동차부품을 제공한다.
이하에서 본 발명의 구성을 더욱 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명은 폴리프로필렌 50-80중량%, 탈크 6-30중량%, 고무 10-30중량%, 글래스버블 3-15중량%, MAH-PP 0.5-7중량%를 포함하는 폴리프로필렌 복합소재 조성물을 제공한다.
본 발명에 의한 조성물은 충진제로서 글래스버블을 포함한다. 글래스버블은 비중이 0.125~0.60g/㎤ 에 불과하여, 특히 경량화를 위한 소재를 위한 충진제로서 적합하다.
이때, 사용되는 글래스버블의 경우 탈크 대비 글래스 버블의 입자크기가 너무 크게 되면, IZOD 충격강도, 굴곡탄성율 등의 물성이 저하되게 되므로, 글래스버블의 평균 입자크기는 14~18㎛인 것이 바람직하다.
상기와 같이, 폴리프로필렌이 매트릭스로 사용되는 조성물에서 도메인으로 글래스버블이 사용되는 경우, 이들의 상용성을 향상시키기 위한 첨가제를 사용하는 것이 바람직하며, 이때 첨가제로는 MAH-PP가 사용될 수 있다. 이때, 사용될 수 있는 MAH-PP로는 특별한 제한이 없다고 할 것이나, 그 중에서도 평균분자량이 100-5,000인 것이 바람직하다.
이와 같이 첨가제로서 MAH-PP가 사용되는 경우, MAH-PP의 하이드로카본 구조가 글래스 버블과 반응하고, MAH-PP의 나머지 부분은 폴리프로필렌과 반응하여 폴리프로필렌과 글래스 버블 사이에 MAH-PP가 가교역할을 하여 폴리프로필렌 복합소재의 상용성이 개선되고, 접착력이 향상되어 기계적 물성이 향상되게 된다. 또한, MAH-PP가 첨가됨으로써, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 글래스 버블 표면에 폴리프로필렌이 상대적으로 많이 붙어있는 형태를 나타내게 되어, 모폴로지 상으로도 바람직하게 된다.
본 발명에 의한 조성물에는 탈크(talc)가 포함되는데, 이때 사용될 수 있는 탈크로는 특별히 제한되지 않는다고 할 것이나, 그 중에서도 평균입자크기가 1㎛ 이하인 미세 탈크 또는 평균입자크기가 1~1.5㎛인 강성보강용 탈크를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 미세탈크를 사용하면 폴리프로필렌 수지 내에 탈크가 고르게 분포되고, 폴리프로필렌 및 글래스버블과의 접촉 면적이 최대화되어 IZOD 충격강도가 크게 개선되게 되고, 강성보강용 탈크를 사용하면 IZOD 충격강도를 유지하면서 폴리프로필렌 복합 소재의 강성 개선에 효과적이기 때문이다.
본 발명은 또한, 상기 조성물을 이용하여 성형되는 자동차부품을 제공한다. 상기와 같은 자동차부품은 특별히 제한되지 않는다고 할 것이나, 그 중에서도 자동차용 내장재가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 자동차 내장재 중에서도 인스트루먼트 패널용으로 사용되는 것이다. 이 경우, 글래스버블이 충진제로서 사용되므로, 폴리프로필렌 복합 수지 내에 분산된 글래스버블이 표면에 존재하여 엠보싱(Embosing) 효과를 내어 폴리프로필렌 소재의 단점인 도장 부착성이 개선되게 된다. 그리하여, 프라이머 도장 공정이나 화염처리 등 도장 부착성 개선을 위한 별도의 공정이 필요 없어 부품 제조 공정이 단순화되게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여, 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이에 따라 본 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니며, 다만 하나의 예시로 제시된 것이다.
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실시예
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실시예
1 : 폴리프로필렌 복합소재 조성물의 제조
폴리프로필렌 58중량%, 고무 20중량%, 탈크 15중량%, 글래스버블 5중량%, MAH-PP 2중량%로 이루어진 폴리프로필렌 복합소재 조성물을 제조하였으며, 그 제조방법은 하기와 같다.
즉, 이축압출기(twin screw extruder)를 이용하여 메인 호퍼에 폴리프로필렌, 탈크, 고무, MAH-PP를 투입하고, 사이드 피딩 호퍼(Side feeding hopper)에 글래스버블을 투입하여 상기와 같은 조성을 지닌 폴리프로필렌 복합소재 조성물을 제조하였다.
실험예
1 :
글래스버블
함량 및
MAH
-PP 첨가에 따른 물성 확인 실험
MAH-PP의 첨가에 따른 폴리프로필렌 복합 소재(이하 PPF)의 물성변화를 확인하기 위해 탈크와 글래스버블의 함량을 변경하면서 기초 물성을 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 2 및 도 1과 도 2에 나타내었다.
이때, PPF의 고무 함량은 15 wt%로 고정한 상태에서 물성 변화를 비교하였다 .
| 단위 | 대조군 | A-1 | A-2 | A-3 | A-4 | A-5 | |
| 폴리프로필렌 | wt% | 60 | 67.9 | 71.8 | 75.7 | 78.3 | 76.3 |
| 탈크 | wt% | 25 | 15 | 10 | 5 | - | - |
| 글래스버블 | wt% | - | 2.1 | 3.2 | 4.3 | 6.7 | 6.7 |
| 고무 | wt% | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| MAH-PP | wt% | - | - | - | - | - | 2 |
| 용융지수(MI) | g/10min | 25.1 | 27.3 | 28.7 | 29.8 | 30.3 | 29.6 |
| 비중 | g/㎤ | 1.08 | 0.97 | 0.92 | 0.88 | 0.84 | 0.84 |
| 인장강도 | kgf/㎠ | 136 | 147 | 143 | 137 | 124 | 153 |
| 굴곡강도 | kgf/㎠ | 244 | 243 | 230 | 209 | 188 | 232 |
| 굴곡탄성율 | kgf/㎠ | 13,500 | 11,500 | 10,600 | 8,500 | 7,600 | 8,400 |
| Izod 충격강도 | kgf.cm/cm | 12.3 | 6.4 | 6.8 | 7.2 | 6.1 | 7.0 |
상기 표 1, 도 1 및 도 2에서 알 수 있듯이, A-1부터 A-4까지 글래스버블의 함량이 증가(탈크의 함량이 감소)됨에 따라 PPF 소재의 비중은 선형적으로 감소하며, Izod 충격강도와 굴곡탄성율이 저하되는 현상을 보이고 있다. 특히 Izod 충격강도는 글래스버블 함량 증대에 따른 물성 저하가 완만한반면 굴곡탄성율은 글래스버블 함량에 비례하여 선형적으로 저하되는 현상을 보이고 있다. 글래스버블 함량이 6. 7%인 A-4와 A-5를 비교하면, A-5에는 첨가제로 MAH-PP(변성 PP) 2%를 추가하여 충격 강도, 굴곡탄성율, 인장강도 등이 향상된 결과를 보이고 있음을 알 수 있다. 따라서, 첨가제인 MAH-PP가 폴리프로필렌(PP)과 글래스버블간 접착성(Adhesion)을 개선하는데 긍정적 역할을 보여 전체적인 물성이 향상되는 효과를 보이는 것으로 판단된다.
실험예
2 :
글래스버블
입자 크기에 따른 물성 비교 실험
글래스버블에 의한 PPF의 물성 저하를 개선하기 위해, 기존에 사용했던 S60HS(평균 입자 크기: 30㎛) 외에 입자 크기를 개선한 신규 글래스버블(평균 입자 크기: 18㎛)을 사용하여, 물성을 비교하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
| 단위 | B-1 | B-2 | |
| 폴리프로필렌 | wt% | 60 | 60 |
| 고무 | wt% | 20 | 20 |
| 탈크 | wt% | 15 | 15 |
| GB | wt% | - | 5 |
| S-GB | wt% | 5 | - |
| MI | g/10min | 12.5 | 12.1 |
| 비중 | - | 0.98 | 0.98 |
| T/S | kg/㎟ | 190 | 194 |
| 신율 | % | 437 | 425 |
| F/S | kg/㎠ | 308 | 300 |
| F/M | kg/㎠ | 18800 | 18900 |
| Izod | kg.cm/cm | 22.2 | 15.8 |
| HDT | 15.8℃ | 129 | 129 |
(*GB:글래스버블, S-GB: 적은 입자크기의 글래스버블)
상기 표 3에서 볼 수 있는 바와 같이, B-1과 B-2를 비교하면 글래스버블의 입자 크기에 따른 물성 변화를 비교할 수 있다. 즉, S-GB(평균 입자크기: 18㎛)를 사용한 B-1의 경우 S60HS(평균 입자크기가 30㎛)를 사용한 B-2와 유사한 굴곡탄성율(F/M)과 인장강도(T/S)를 나타내면서 Izod 충격강도는 40% 이상 향상된 물성을 보이고 있다. 따라서, 상기 결과로부터 글래스버블을 이용한 경량화 PPF 소재의 경우 글래스버블 입자 크기가 작을수록 폴리프로필렌 매트릭스내에 고르게 분산되게 되어, 충격 특성이 향상되는 것으로 판단된다.
또한, 도 3 내지 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 입자크기가 적은 글래스버블을 사용하는 경우(도 3) 모폴로지에서도 더욱 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
실험예
3 :
MAH
-PP의 첨가에 따른
모폴로지
비교 실험
폴리프로필렌과 글래스버블 간 상용성(Compatibility) 개선을 위해 MAH-PP를 첨가한 경우 모폴로지 확인을 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 표면 특성 변화를 관찰하였다. 그 결과를 도 5 내지 도 6에 나타내었다.
도 5의 경우는 MAH-PP를 첨가하지 않은 경우이고, 도 6의 경우에는 MAH-PP를 첨가한 경우의 모폴로지를 나타내는 사진이다.
도 5 내지 도 6의 결과로부터 확인할 수 있는 바와 같이, MAH-PP를 첨가한 경우가 글래스버블 표면에 폴리프로필렌이 상대적으로 많이 붙어 있는 형태를 보이고 있어, 글래스버블과 폴리프로필렌간의 상용성이 개선되었음을 알 수 있었다.
실험예
4 :
탈크
입자 크기에 따른 물성 변화 비교 실험
글래스버블과 폴리프로필렌을 컴파운딩할 때, 탈크의 입자크기에 따른 기계적 물성 변화를 평가하였다. 즉, 동일한 양의 폴리프로필렌, 고무, 글래스버블을 사용하고, 탈크 입자의 크기에 따라 일반 탈크(평균 입자크기 :4~5㎛), 미세탈크(평균 입자크기 : 1㎛이하), 강성 보강용 탈크(평균입자크기: 1~1.5㎛)를 각각 사용하였으며, 그 결과를 하기 표 4로 나타내었다.
| 단위 | C-1 | C-2 | C-3 | |
| 폴리프로필렌 | wt% | 58 | 58 | 58 |
| 고무 | wt% | 20 | 20 | 20 |
| 일반탈크 | wt% | 15 | - | - |
| 미세탈크 | wt% | - | 15 | - |
| 강성보강용탈크 | wt% | - | - | 15 |
| S-GB | wt% | 5 | 5 | 5 |
| MAH-PP | wt% | 2 | 2 | 2 |
| MI | g/10min | 17.3 | 17.0 | 10.1 |
| 밀도 | g/cc | 0.98 | 0.98 | 0.98 |
| 인장강도(Y) | kg/㎠ | 184 | 185 | 204 |
| 신율 | % | 202 | 300 | 483 |
| Izod 23℃ | kg.cm/cm | 28.7 | 30.5 | 28.1 |
| Izod -10℃ | kg.cm/cm | 5.9 | 5.9 | 5.6 |
| F/M | kg/㎠ | 18200 | 18160 | 19100 |
| F/S | kg/㎠ | 285 | 285 | 316 |
| R.H | R Scale | 58 | 55 | 60 |
| HDT | ℃ | 124 | 122 | 132 |
상기 표 4의 결과로부터, 강성 보강용 탈크의 경우 IZOD 충격강도를 유지하면서 굴곡강도, 굴곡탄성율, 열변형온도에 있어서 개선된 물성을 나타내며, 미세탈크의 경우 일반 탈크와 강성 보강용 탈크 대비 폴리프로필렌 수지내에 고르게 분포되고, 폴리프로필렌 및 글래스 버블과 접촉 면적이 최대화되어 IZOD 충격강도가 크게 개선됨을 알 수 있었다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하는 경우, MAH-PP를 첨가제로 사용함으로써 MAH-PP의 하이드로 카본 기와 글래스버블이 화학적으로 반응하고, 나머지 저분자량의 폴리프로필렌 부분이 폴리프로필렌과 결합하여 글래스 버블과 폴리프로필렌간 접착력을 개선하여 기계적 물성이 향상되게 된다.
또한, 매트릭스인 폴리프로필렌에 분산상인 글래스 버블의 접착력이 개선되 어 기계적 물성이 향상됨으로써 고비중 충진제인 탈크의 사용량을 줄일 수 있어 폴리프로필렌 복합소재의 경량화가 가능하다.
이에 더하여, 글래스 버블 경량화 소재를 자동차 내장재로 사용시 소재 경량화에 따른 차량의 연비 개선 및 글래스 버블의 무색 무취 특성으로 기존 탈크를 사용한 내장재에서 발생하는 냄새도 개선되어 환경친화적이다.
나아가, 본 발명에 의한 조성물에서는 글래스버블이 사용됨으로써 표면 엠보싱 효과에 따른 폴리우레탄 폼 부착력도 개선되어 공정 단순화가 가능하다.
Claims (5)
- 폴리프로필렌 50-80중량%, 탈크(talc) 6-30중량%, 고무 10-30중량%, 글래스버블(Glass Bubble) 3-15중량%, 말레산무수물 폴리프로필렌(MAH-PP) 0.5-7중량%를 포함하는 폴리프로필렌 복합소재 조성물.
- 제 1 항에 있어서,상기 말레산무수물 폴리프로필렌은 평균분자량이 100-5,000인 폴리프로필렌 복합소재 조성물.
- 제 1 항에 있어서,상기 글래스버블의 평균 입자크기는 14~18㎛인 폴리프로필렌 복합소재 조성물.
- 제 1 항에 있어서,상기 탈크는 평균입자크기가 1㎛ 이하인 미세 탈크이거나, 평균입자크기가 1~1.5㎛인 강성보강용 탈크인 폴리프로필렌 복합소재 조성물.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 의한 조성물을 이용하여 성형되는 자동차부품.
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