KR102082916B1

KR102082916B1 - 소수화 셀룰로오스 파우더를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 고분자 복합재료

Info

Publication number: KR102082916B1
Application number: KR1020190054432A
Authority: KR
Inventors: 박시한; 이종훈; 문은식
Original assignee: 무림피앤피 주식회사
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2039-05-09

Abstract

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 펄프를 희석수와 혼합하여 0.1 내지 20 중량% 농도의 펄프 슬러리를 제조하는 단계; 상기 펄프 슬러리에 소수화제를 투입하여 소수화 반응을 진행하는 단계; 상기 소수화 반응이 진행된 상기 펄프 슬러리를 건조하여 소수화 셀룰로오스 건조물을 제조하는 단계; 상기 소수화 셀룰로오스 건조물을 분쇄하여 소수화 셀룰로오스 파우더를 제조하는 단계; 및 상기 소수화 셀룰로오스 파우더를 고분자 수지와 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

소수화 셀룰로오스 파우더를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 고분자 복합재료{METHOD FOR PREPARING POLYMER COMPOSITE HAVING HYDROPHOBIZED CELLULOSE POWDER AND POLYMER COMPOSITE PRAPARED THEREFROM}

본 발명은 소수화 셀룰로오스 파우더를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 고분자 복합재료에 관한 것이다.

셀룰로오스(cellulose)는 자연계에서 가장 풍부한 천연 고분자 물질로서, 주로 목재 및 비목재 식물과 박테리아를 이용한 합성 등을 통해서 얻을 수 있다. 셀룰로오스는 우수한 기계적 물성을 가질 뿐만 아니라, 셀룰로오스는 리그닌과 함께 존재하는 섬유의 여러 세포벽 층 속에서 높은 강도를 갖는 재생 가능한 유기 고분자 재료이므로, 이러한 셀룰로오스를 화학적 및 기계적 방법에 의한 분리, 추출하여 선택적으로 분리되어진 셀룰로오스를 고분자 복합재료에 적합하게 적용하여 활용하는 기술이 활발하게 연구되고 있다.

대한민국 공개특허 제2014-0080275호는 셀룰로오스 나노섬유와 열가소성 합성고분자 섬유를 이용한 열가소성 나노섬유 컴포지트 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 1) 마이크로피브릴화 공정을 통하여 평균 직경 30 nm 내지 70 nm의 셀룰로오스 나노섬유를 제조하는 단계; 2) 상기 단계 1)에서 제조된 셀룰로오스 나노섬유와 열가소성 합성 고분자 섬유를 물에 분산하여 분산액을 제조하는 단계; 3) 상기 단계 2)의 분산액을 이용하여 습식 부직포 공정을 통해 시트상 나노컴포지트를 제조 및 건조하는 단계; 4) 상기 단계 3)의 시트상 나노 컴포지트에 150℃ 내지 250℃의 온도, 2 MPa 내지 300 MPa의 압력을 가하여 합성 고분자 섬유를 용융시켜 컴포지트 구성의 매트릭스로 전환하는 단계를 포함하는 셀룰로오스 나노섬유가 강화된 열가소성 나노 컴포지트의 제조방법에 대한 내용을 개시하고 있다.

대한민국 등록특허 제1627016호는 고분산성 탄소나노구조체와 그 제조방법 및 고분산성 탄소나노구조체를 포함하는 고분자 복합체에 관한 것으로서, 탄소나노구조체 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 10 중량부의 친수성 고분자를 함침시켜 얻은 고분산성 탄소나노구조체가 고분자 매트릭스에 분산되어 있으며, 상기 친수성 고분자가 아크릴산 중합체, 아크릴레이트 중합체, 셀룰로오스 중합체 또는 폴리비닐피롤리돈이고, 상기 친수성 고분자의 중량평균분자량이 5,000 ~ 500,000이며, 상기 고분자 매트릭스와 고분산성 탄소나노구조체의 중량비는 10 ~ 100 :1인 것인, 고분산성 탄소나노구조체를 포함하는 고분자 복합체에 관한 내용을 개시하고 있다.

그러나, 셀룰로오스를 이용하여 고분자 복합재료를 제조하는 경우, 고분자의 연신율이 감소되는 문제가 발생한다. 이로 인하여 셀룰로오스의 함량을 소량으로밖에 사용할 수 없어, 목적하는 기계적 강도 등을 얻을 수 없는 문제가 발생하고 있고, 최근 바이오 플라스틱에 대한 중요도가 높아지는 시점에서 바이오 플라스틱으로의 적용을 어렵게 하는 요소로 작용하고 있다.

그러므로, 셀룰로오스의 함량을 증대시키면서, 고분자 복합재료의 연신율 저하를 최소한으로 할 수 있는 고분자 복합재료의 제조방법 및 고분자 복합재료의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허 제2014-0080275호 (2014.06.30) 대한민국 등록특허 제1627016호 (2016.05.27)

본 발명은 셀룰로오스의 함량을 증대시켜, 바이오 복합재료에 적용이 가능하고, 연신율의 저하를 억제할 수 있는 고분자 복합재료의 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 연신율의 저하가 억제되고, 셀룰로오스가 높은 함량으로 포함되어 바이오 복합재료로서 유용하게 사용이 가능한 고분자 복합재료를 제공하고자 한다.

본 발명은 펄프를 희석수와 혼합하여 0.1 내지 20 중량% 농도의 펄프 슬러리를 제조하는 단계; 상기 펄프 슬러리에 소수화제를 투입하여 소수화 반응을 진행하는 단계; 상기 소수화 반응이 진행된 상기 펄프 슬러리를 건조하여 소수화 셀룰로오스 건조물을 제조하는 단계; 상기 소수화 셀룰로오스 건조물을 분쇄하여 소수화 셀룰로오스 파우더를 제조하는 단계; 및 상기 소수화 셀룰로오스 파우더를 고분자 수지와 혼합하는 단계;를 포함하는 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 전술한 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법으로 제조된 고분자 복합재료를 제공한다.

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 높은 함량의 셀룰로오스를 사용할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 공정 시간의 감축이 가능한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법으로 제조된 고분자 복합재료는, 연신율의 저하가 최소화됨으로써 기계적 강도가 우수한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료는, 셀룰로오스를 다량 포함하고 있기 때문에 바이오 복합재료로서 유용하게 사용이 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 몇몇 실시형태에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 고분자 복합재료의 결과 데이터이다.

본 발명에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 대하여 도 1을 참고하여 더욱 상세히 설명한다.

<소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법>

본 발명의 한 양태는, 펄프를 희석수와 혼합하여 0.1 내지 20 중량% 농도의 펄프 슬러리를 제조하는 단계; 상기 펄프 슬러리에 소수화제를 투입하여 소수화 반응을 진행하는 단계; 상기 소수화 반응이 진행된 상기 펄프 슬러리를 건조하여 소수화 셀룰로오스 건조물을 제조하는 단계; 상기 소수화 셀룰로오스 건조물을 분쇄하여 소수화 셀룰로오스 파우더를 제조하는 단계; 및 상기 소수화 셀룰로오스 파우더를 고분자 수지와 혼합하는 단계;를 포함하는 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은, 고분자 복합재료 내의 셀룰로오스의 함량을 증대시킬 수 있고, 공정 시간의 감축이 가능한 이점이 있다.

펄프 슬러리를 제조하는 단계

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 펄프를 희석수와 혼합하여 0.1 내지 20 중량% 농도의 펄프 슬러리를 제조하는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, "펄프(pulp)"는 목재나 그 밖의 섬유 식물에서 기계적·화학적 또는 그 중간 방법에 의하여 얻을 수 있는 셀룰로오스 섬유의 집합체로, 원래는 많은 수분을 포함하고 있어서 죽 모양으로 되어 있거나, 압착 등의 방법에 의하여 탈수한 습윤물을 의미하며, 일반적으로 펄프의 원료로는 나무와 대나무·짚·에스파르토·버개스 등과 같은 벼과 식물의 줄기, 마닐라삼의 줄기, 대마·악마·닥·삼아·안피 등의 나무껍질을 들 수 있다.

상기 희석수는 물 또는 증류수일 수 있으며, 상기 물 또는 증류수는 청수 또는 공정수일 수도 있으나 이에 한정되지 않으며, 본 발명에 따른 펄프 슬러리는 상기 희석수와 상기 펄프를 혼합함으로써 얻어질 수 있다.

상기 펄프 슬러리는 바람직하게는 1 내지 20 중량% 농도, 더욱 바람직하게는 5 내지 15 중량% 농도일 수 있으며, 이 경우 약품 반응성 향상 및 희석수의 절감이 가능한 이점이 있어 바람직하다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 펄프를 평균입도 20 내지 70㎛로 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일반적으로 종이를 제조하는 경우 상기 펄프는 수 mm 내지 수십 mm의 평균입도를 가지지만, 본 발명에 따른 펄프는 평균입도가 상기 범위 내이기 때문에 고분자 복합재료를 제조하는 것이 용이하며, 소수화 반응이 용이하여 그 성능 또한 우수한 고분자 복합재료를 얻을 수 있다.

구체적으로 상기 펄프는 평균입도 20 내지 70㎛, 바람직하게는 25 내지 60㎛, 더욱 바람직하게는 30 내지 50㎛로 분쇄하는 단계를 거친 뒤, 상기 희석수와 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 펄프가 상기 범위의 평균입도를 가지도록 분쇄된 후 투입되는 경우, 희석수와 혼합이 용이하고, 후술할 소수화 반응에서의 반응성이 우수해지므로 바람직한 이점이 있다.

상기 펄프와 상기 희석수의 혼합은 교반 등을 통하여 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 당업계에서 통상적으로 수행하는 방법을 이용할 수 있다. 이때, 교반 시간, 온도와 같은 교반 조건 역시 본 발명에서는 한정하지 않는다. 예컨대 상기 교반은 5 내지 60분, 바람직하게는 5 내지 30분, 더욱 바람직하게는 8 내지 15분 동안 이루어질 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

소수화 반응을 진행하는 단계

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 상기 펄프 슬러리에 소수화제를 투입하여 소수화 반응을 진행하는 단계를 포함한다.본 발명에 있어서, 상기 소수화제는 셀룰로오스를 소수성으로 개질시키는 역할을 수행한다.

상기 소수화제는 예컨대, ASA(alkenyl succinic anhydride), AKD(alkyl keten dimer) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

다만, 상기 소수화제로서 ASA, AKD를 사용하는 경우에는 사이즈 효과가 빠른 이점이 있어 바람직하다. 특히 ASA는 올레핀에 무수말레인산을 부가한 불포화지방산무수물로서, 다른 소수화제에 비하여 사이즈 효과가 빠른 이점이 있다. 상기 ASA는 예컨대 양성전분 또는 양성고분자와 저전단 또는 고전단하에서 에멀젼화하여 제조하여 사용이 가능하나 이에 한정되는 것은 아니다.

더욱 구체적으로, 상기 ASA는 셀룰로오스와 반응성이 높아 에스테르 결합을 형성하게 되며, 건조의 과정을 거치면서 소수성이 발현되어 상기 셀룰로오스가 소수성으로 개질된다.

구체적으로, 본 발명에 따른 소수화제는 ASA일 수 있다.

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 상기 펄프 슬러리에 소수화제를 투입하고, 소수화 반응을 진행하는 단계를 포함함으로써, 일반적으로 고분자 수지에 셀룰로오스 파우더를 혼합하여 고분자 복합소재를 제조할 경우 연신율이 저하되는 현상을, 셀룰로오스 파우더를 소수화하여 적용함으로써 억제할 수 있는 이점이 있다.

상기 소수화제는 상기 펄프 전체 100 중량부에 대하여 0.05 내지 3 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 1 중량부, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있으며, 상기 소수화제가 상기 범위 내로 포함되는 경우 소수성 발현을 위한 적정 투입으로 소수화 처리의 제조원가를 줄이고, 발생하는 폐수의 성상을 향상하는 이점이 있어 바람직하다. 다만, 이때 상기 펄프는 "전건 펄프"를 의미하는 것으로서, 본 발명에 있어서, "전건 펄프"란 수분을 제외한 순수한 질량의 펄프를 일컫는다.

상기 펄프 슬러리에 소수화제를 투입하여 소수화 반응을 진행하는 단계는 상기 소수화제가 투입된 상기 펄프 슬러리를 교반하는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 펄프 슬러리에 ASA를 투입하여 소수화 반응을 진행하는 단계는 상기 펄프 슬러리에 ASA를 투입한 뒤, 상기 펄프 슬러리를 교반함으로써 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 소수화 반응을 진행하는 단계는 1 내지 120분, 바람직하게는 5 내지 60분, 더욱 바람직하게는 10 내지 30분 동안 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은, 상기 펄프의 평균 입도가 작기 때문에 매우 짧은 시간 안에 소수화 반응이 이루어질 수 있기 때문에 공정시간의 감축이 가능하다.

상기 교반은 교반기를 통하여 이루어질 수 있으며, 이때 100 내지 3000RPM, 바람직하게는 200 내지 2000RPM, 더욱 바람직하게는 500 내지 1500RPM으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 다만, 상기 교반이 상기 범위의 RPM으로 이루어질 경우 반응시간을 최소화하면서도 반응효율이 향상되는 이점이 있어 바람직하다.

소수화 셀룰로오스 건조물을 제조하는 단계

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 상기 소수화 반응이 진행된 상기 펄프 슬러리를 건조하여 소수화 셀룰로오스 건조물을 제조하는 단계를 포함한다.

상기 건조는 건조기를 통하여 이루어질 수 있으며, 20 내지 90℃, 바람직하게는 30 내지 90℃, 더욱 바람직하게는 50 내지 80℃의 온도에서 5 내지 72 시간, 바람직하게는 10 내지 48 시간, 더욱 바람직하게는 15 내지 24시간으로 수행할 수 있다.

상기 건조가 상기 범위 내로 이루어지는 경우, 상기 건조물의 물성 저하를 억제하고, 건조 후 재분쇄하여 파우더화가 용이하기 때문에 상기 온도에서 건조하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 소수화 셀룰로오스 건조물을 제조하는 단계를 포함함으로써 상기 셀룰로오스가 소수성으로 개질될 수 있다.

구체적으로, 상기 소수화 셀룰로오스 건조물은 90 내지 120° 수준의 접촉각의 발현이 가능한, 소수성을 띠며 이로 인하여, 고분자 복합재료를 제조하는 경우 발생하는 연신율 저하를 최소한으로 할 수 있는 이점이 있다.

상기 건조물을 제조하는 단계 이전에 상기 펄프 슬러리를 탈수하는 단계를 더 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 다만, 상기 펄프 슬러리를 탈수하는 단계를 먼저 수행하는 경우, 상기 건조물의 건조 시간의 단축이 가능하기 때문에 바람직하다.

상기 탈수는 당업계에서 통상적으로 사용되는 탈수기 등을 이용하여 수행할 수 있으나, 본 발명에서는 이를 한정하지는 않는다.

상기 탈수 이전에 상기 펄프 슬러리를 세척하는 단계를 더 포함할 수도 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 세척은 상기 슬러리 제조 시 투입한 물의 양만큼의 증류수를 투입하여 이루어질 수 있으나, 역시 이에 한정되지 않는다.

소수화 셀룰로오스 파우더를 제조하는 단계

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 상기 소수화 셀룰로오스 건조물을 분쇄하여 소수화 셀룰로오스 파우더를 제조하는 단계를 포함한다.

상기 분쇄는 분쇄기를 통하여 수행될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

상기 분쇄는 상기 수소화 셀룰로오스 건조물의 평균입도가 20㎛ 내지 70㎛, 바람직하게는 25㎛ 내지 60㎛, 더욱 바람직하게는 30㎛ 내지 50㎛가 되도록 수행될 수 있으며, 이 경우 일정 수준의 고분자 복합재료의 물성 발현이 가능 하므로 바람직하다.

전술한 평균입도를 가지도록 분쇄된 펄프를 이용하여 펄프 슬러리를 제조하고, 소수화 반응시킨 후 건조하여 제조된 셀룰로오스 건조물은 다소 뭉침 현상이 발생할 수 있으므로, 상기 분쇄를 통하여 상기 건조물을 제조하기 전의 평균입도를 가지도록 하는 단계를 포함한다.

상기 분쇄 시간은 상기 입도 범위를 가지도록 수행될 수 있으며, 예컨대 5 내지 200초, 바람직하게는 10 내지 100초, 더욱 바람직하게는 10 내지 30초 동안 수행될 수 있다.

상기 소수화 셀룰로오스 파우더는, 소수화 전 펄프파우더에 비하여 고분자 수지와의 혼련 작업성이 우수하고 혼합성이 증가하기 때문에 고분자와 혼합하여 고분자 복합재료를 제조하는 경우, 연신율의 저하를 최소한으로 할 수 있는 이점이 있다.

소수화 셀룰로오스 파우더를 고분자 수지와 혼합하는 단계

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 상기 소수화 셀룰로오스 파우더를 고분자 수지와 혼합하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 소수화 셀룰로오스 파우더 대 상기 고분자 수지의 중량비는 10:90 내지 70:30일 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 소수화 셀룰로오스 파우더 대 상기 고분자 수지의 중량비는 20:80 내지 60:40일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30:70 내지 50:50일 수 있다.

상기 소수화 셀룰로오스 파우더 대 상기 고분자 수지의 중량비가 상기 범위 내인 경우 생분해성이 높아짐에 따라 부가가치가 상승하며 바이오플라스틱으로의 활용도가 상승하는 이점이 있어 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은, 상기 소수화 셀룰로오스 파우더를 이용하기 때문에 상기 소수화 셀룰로오스 파우더를 다량으로 포함할 수 있다. 이로 인하여, 연신율의 저하를 최소화할 수 있고, 생분해성이 높아 친환경적이며, 바이오 플라스틱으로 활용이 가능한 이점이 있다.

상기 고분자 수지는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아마이드, 폴리벤조옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리바이닐알콜, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌 및 폴리메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1 이상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

본 발명에 따른 고분자 수지는 "올리고머", "엘라스토머"를 포괄할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리프로필렌과 폴리올레핀계 엘라스토머의 혼합물일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 다만, 이 경우 제조된 고분자 복합재료의 제조 원가를 절감할 수 있으면서도 강도 등의 성능이 우수한 이점이 있어 바람직하다.

예컨대, 상기 폴리올레핀계 엘라스토머는 폴리에틸렌계 엘라스토머일 수 있으며, 그 시판품으로는 DOW사의 Engage 8452 TDS, Engage 8480 TDS, Engage 8150 TDS 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

상기 고분자 수지는 중량 평균 분자량이 500 내지 50000, 바람직하게는 1000 내지 50000, 더욱 바람직하게는 3000 내지 50000일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

상기 고분자 수지와 상기 소수화 셀룰로오스 파우더를 혼합한 후, 압출기를 이용하여 압출하여 고분자 복합재료의 제조가 가능하다.

상기 혼합 및 압출은 당업계에 알려진 통상의 방법에 따를 수 있다.

예컨대, 1축 압출기, Co-rotating 2축 압출기, 밴 배리 믹서, 열 롤 등의 혼련기를 이용하는 방법 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

더욱 구체적으로, 150 ℃ 내지 180 ℃ 조건으로 5분 내지 20 분, Coroatating 2축 압출기를 이용하여 셀룰로오스 고분자 복합재료, 구체적으로 셀룰로오스-폴리프로필렌 고분자 복합재료를 제조할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

상기 고분자 복합재료는 예컨대, 스트랜드상, 시트상, 평판상, 스트랜드를 적당한 길이로 재단한 펠릿상 등을 들 수 있으며, 성형 가공에 적용하기 위해서는 얻어진 성형체의 생산 안전성의 관점에서 형상으로서 바람직하게는 길이가 1~50mm의 펠릿 상일 수 있다.

본 발명에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법은 소수화 셀룰로오스 파우더를 이용하기 때문에 제조되는 고분자 복합재료의 연신율 저하를 최소화할 수 있고, 소수화 셀룰로오스 파우더를 다량으로 포함시킬 수 있어 친환경적이며 바이오 플라스틱으로서 활용이 가능한 고분자 복합재료의 제조가 가능하다.

<고분자 복합재료>

본 발명의 다른 양태는, 전술한 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법으로 제조된 고분자 복합재료에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고분자 복합재료는, 펄프를 희석수와 혼합하여 0.1 내지 20 중량% 농도의 펄프 슬러리를 제조하는 단계; 상기 펄프 슬러리에 소수화제를 투입하여 소수화 반응을 진행하는 단계; 상기 소수화 반응이 진행된 상기 펄프 슬러리를 건조하여 소수화 셀룰로오스 건조물을 제조하는 단계; 상기 소수화 셀룰로오스 건조물을 분쇄하여 소수화 셀룰로오스 파우더를 제조하는 단계; 및 상기 소수화 셀룰로오스 파우더를 고분자 수지와 혼합하는 단계;를 포함하는 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법으로 제조되기 때문에 연신율 저하가 최소화되고, 소수화 셀룰로오스를 다량 함유할 수 있기 때문에 바이오 플라스틱으로 적용이 가능한 이점이 있다.

상기 펄프, 희석수, 소수화제, 셀룰로오스는 전술한 내용을 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 고분자 복합재료는, 연신율의 저하를 최소화할 수 있기 때문에 자동차용 내외장재, 가전제품, 산업재, 생활용품, 특히 식품 포장재 및 음식 용기 등과 같은 바이오 플라스틱으로 활용이 가능하다.

상기 바이오 플라스틱은, 생분해성 플라스틱(Biodegradable)과 바이오 기반의 플라스틱(Bio based.)으로 분류될 수 있으며, 바이오 플라스틱으로의 분류는 펄프(셀룰로오스)와 같은 바이오 매스의 함유량에 따라 분류된다. 상기 바이오 플라스틱은 바이오 소재를 30% 이상 또는 50% 이상 함유하는 것으로, 유럽이나 일본 등의 많은 국가에서는 자동차 내장재로서 바이오 플라스틱의 사용을 의무화하고 있다.

본 발명에 따른 고분자 복합재료는 소수화 셀룰로오스를 사용함에 따라 소수화 셀룰로오스의 함량이 상기 범위 이상으로 포함되기 때문에 바이오 플라스틱으로 적용이 가능하다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 고분자 복합재료는 전체 100 중량부에 대하여 소수화 셀룰로오스를 10 내지 70 중량부, 바람직하게는 20 내지 60 중량부, 더욱 바람직하게는 30 내지 50 중량부로 포함할 수 있다.

상기 고분자 복합재료가 상기 범위 내의 소수화 셀룰로오스를 포함하는 경우 연신율의 저하가 억제되면서도, 바이오 플라스틱으로의 활용이 가능한 이점이 있어 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 고분자 복합재료는 연신율이 10 내지 100 %, 바람직하게는 20 내지 90 %, 더욱 바람직하게는 30 내지 80 % 일 수 있다. 상기 연신율은 만능강도 시험기(UTM, universal testing machine)를 이용하여 연신 속도 10 mm/min 조건에서 측정한 것일 수 있다.

일반적으로 셀룰로오스를 이용하여 고분자 복합재료를 제조하는 경우, 연신율이 셀룰로오스를 포함하지 않는 고분자 재료만을 이용한 경우보다 1/20 내지 1/100 정도로 저하되는 현상을 보인다.

그러나, 본 발명에 따른 고분자 복합재료는 연신율이 1/5 내지 1/15 정도로, 연신율 저하를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지는 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 이하에서 함유량을 나타내는 "%" 및 "부"는 특별히 언급하지 않는 한 중량 기준이다.

실시예 1

표백크라프트 펄프(무림피앤피)를 평균 입도 40 ㎛로 분쇄하여 만들어진 펄프 파우더 400 g을 증류수 3600 ml와 혼합하여 10 중량% 농도의 펄프 슬러리를 제조하였다.

그 후, 펄프 슬러리에 ASA를 펄프파우더 전건 대비 0.1 중량% 투입하여 15분간 교반하고, 상온에서 소수화 반응을 진행하였다.

슬러리 제조 시 투입한 물의 양만큼의 증류수를 투입하여 세척한 후 탈수를 진행하였다. 탈수된 소수화 펄프를 고르게 편 후 60 ℃ 열풍 건조기에서 약 24 hr 건조 실시하였다.

건조된 펄프를 분쇄기를 이용하여 6 초간 분쇄하여 소수화 처리 전 펄프 파우더의 입도와 대등한 수준이 되도록 하였다. 소수화된 펄프 파우더를 고분자수지(폴리프로필렌 및 엘라스토머(Engage 8452, DOW), 80:20의 비율)와 50:50의 비율로 Co-rotating 이축압출기를 사용하여 고분자 복합재료를 제조하였다. 이축압출기는 Screw 속도 250 rpm 온도는 원료 투입부 140℃, 혼합/이송부 150℃, 혼련(kneading)부 180℃, Die 부 190℃ 에서 컴파운딩 후 펠릿화 하였다.

실시예 2

펄프 슬러리에 ASA를 펄프파우더 전건 대비 0.1 중량% 투입한 것 대신 0.3 중량%를 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 복합재료를 제조하였다.

비교예

소수화된 펄프와 비교 평가하기 위해 동일한 수화, 탈수, 건조의 과정을 거쳤다. 표백크라프트 펄프(무림피앤피)를 평균 입도 40 ㎛로 분쇄함으로써 만들어진 펄프 파우더 400g을 증류수 3600 ml와 혼합하여 10 중량% 농도의 펄프 슬러리를 제조하였다.

그 후, 펄프 슬러리를 탈수를 진행하였다. 탈수된 펄프를 고르게 편 후 60 ℃ 열풍 건조기에서 약 24 hr 건조 실시하였다. 건조된 펄프를 분쇄기를 이용하여 6초간 분쇄하여 처리 전 펄프파우더의 입도와 대등한 수준이 되도록 하였다. 펄프파우더를 고분자수지(폴리프로필렌 및 엘라스토머(Engage 8452, DOW), 80:20의 비율)와 50:50의 비율로 Co-rotating 이축압출기를 사용하여 고분자 복합재료를 제조하였다.

이축압출기는 Screw 속도 250 rpm 온도는 원료 투입부 140℃, 혼합/이송부 150 ℃, 혼련(kneading)부 180 ℃, Die 부 190 ℃ 에서 컴파운딩 후 펠릿화 하였다.

실험예

실시예 및 비교예에 따라 제조된 고분자 복합재료를, 항온항습실(조건, 23 도씨, 50%RH)에서 하루 동안 숙성한 후 사출 시편성형기를 이용하여 190 ℃ 온도에서 5cc의 고분자 복합재료 펠릿을 5분간 용융시킨 후 시편 금형으로 투입하여 ASTM D368 시험법에 준하여 인장강도 시험 시편을 각각 10개 제조하였다. 그 후, 만능강도 시험기(UTM, universal testing machine, 동일시마즈)을 이용하여 연신 속도 10 mm/min 조건에서 연신율을 10회 측정한 후, 평균값을 내고, 그 결과를 도 2(좌측 데이터)에 나타내었다.

또한, 실시예 1, 2, 비교예에 따른 고분자 복합재료를 동일한 방법으로 제조하고, 상기의 방법과 동일한 방법으로 연신율을 10회 측정한 후, 평균값을 내고, 그 결과를 도 2(우측 데이터)에 나타내었다.

도 2를 참고하면 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 고분자 복합재료는, 비교예에 비하여 연신율이 개선됨을 확인할 수 있었다.

Claims

펄프를 희석수와 혼합하여 0.1 내지 20 중량% 농도의 펄프 슬러리를 제조하는 단계;
상기 펄프 슬러리에 ASA(alkenyl succinic anhydride)를 투입하여 소수화 반응을 진행하는 단계;
상기 소수화 반응이 진행된 상기 펄프 슬러리를 건조하여 소수화 셀룰로오스 건조물을 제조하는 단계;
상기 소수화 셀룰로오스 건조물을 분쇄하여 소수화 셀룰로오스 파우더를 제조하는 단계; 및
상기 소수화 셀룰로오스 파우더를 고분자 수지와 혼합하는 단계;
를 포함하고,
상기 ASA는 상기 펄프 전체 100 중량부에 대하여 0.1 내지 0.3 중량부로 포함되며,
상기 소수화 셀룰로오스 파우더 대 상기 고분자 수지의 중량비는 30:70 내지 50:50인,
소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 펄프를 평균입도 20 내지 70㎛로 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것인 고분자 복합재료의 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 소수화 반응을 진행하는 단계는 5 내지 60분 동안 수행되는 것인 고분자 복합재료의 제조방법.
제1항, 제3항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 소수화 셀룰로오스를 포함하는 고분자 복합재료의 제조방법으로 제조된 고분자 복합재료.
제7항에 있어서,
상기 고분자 복합재료는 전체 100 중량부에 대하여 소수화 셀룰로오스를 10 내지 70 중량부로 포함하는 것인 고분자 복합재료.
제7항에 있어서,
상기 고분자 복합재료는 연신율이 10 내지 100% 인 것인 고분자 복합재료.