KR100508148B1 - 내마모성 및 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체 조성물 - Google Patents

내마모성 및 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내마모성 및 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체 조성물에 관한 것으로
열가소성 탄성체 조성물에 있어서, 이피디엠(EPDM) 고무 50 내지 100 중량부; 호모 폴리프로필렌(Homo Polypropylene) 300 내지 500 중량부; 충진제 10 내지 40 중량부; 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 1 내지 10 중량부; 지방족 아미드 5 내지 20 중량부; 가교제 2 내지 10 중량부; 및 가교활성제 1 내지 6 중량부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물을 포함하여 이루어지며, 본 발명에 의한 열가소성 탄성체 조성물에 의하여 압출·사출제품의 탁월한 내마모성 및 슬립성이 우수한 효과가 있다.

Description

내마모성 및 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체 조성물{Thermoplastic Elastomer Composition Having Anti-Abrasion and Excellent Slip Property}
본 발명은 내마모성 및 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 가교구조를 가지는 이피디엠(EPDM) 고무와 호모 폴리프로필렌(Homo Polypropylene)사이에 계면장력을 감소시켜 계면접착력을 높임으로써 이피디엠(EPDM) 고무 크기를 작게 줄이는 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 혼합함으로써 뛰어난 내마모성 및 낮은 마찰계수를 가지고, 슬립성이 우수하여 다른 열가소성 탄성체와 동시에 압출 · 사출을 할 수 있는 열가소성 탄성체 조성물에 관한 것이다.
종래에는 낮은 마찰계수를 실현하기 위해 열가소성 탄성체의 표면을 폴리우레탄으로 코팅했었다. 그러나 상기 폴리우레탄 코팅물은 내마모성이 열악하기 때문에 지속적으로 낮은 마찰계수를 실현할 수가 없다는 문제점이 있었다.
또한, 미합중국특허 등록번호 제6,440,492호에서는 내마모성과 낮은 마찰계수를 실현하기 위해 결정성 폴리올레핀분말로 고무를 코팅하는 방법을 게재하고 있다.
또한, 일본국 특허공개공보 공개번호 평7-346094호에서는 열가소성 탄성체에 폴리올레핀 수지를 배합한 다음, 지방산 아미드 및 오르가노폴리실록산과 같은 충진제를 배합하는 방법을 게재하고 있으나, 내마모성 저하와 마찰계수를 현저히 낮추는 것이 어려우며, 슬립성이 떨어지는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 가교구조를 가지는 이피디엠 고무와 호모 폴리프로필렌 사이에 계면장력을 낮추어 계면 접착력을 증대시키는 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 혼합함으로써 호모 폴리프로필렌 메트릭스(PP Matrix)내 가교구조를 가지는 이피디엠 고무성분의 입자경이 작아져 형태(Morphology)가 향상됨에 따라 내마모성의 향상과 낮은 마찰계수를 실현할 수 있으며, 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이피디엠(Ethylene-Propylene-Dine Monomer) 고무 50 내지 100 중량부; 호모 폴리프로필렌(Homo Polypropylene) 300 내지 500 중량부; 충진제 10 내지 40 중량부; 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 1 내지 10 중량부; 지방족 아미드 5 내지 20 중량부; 가교제 2 내지 10 중량부; 및 가교활성제 1 내지 6 중량부;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 내마모성 및 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체 조성물을 제공한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
열가소성 탄성체는 이피디엠 고무, 호모 폴리프로필렌 및 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 등을 포함하는 조성물에 가교제 및 가교활성제를 첨가하여 연속 압출기를 이용하여 높은 전단응력과 열 처리하에서 동적가교반응에 의해 제조할 수 있다.
상기 이피디엠 고무는 에틸렌과 프로필렌을 주성분으로하여 이루어진 3원 공중합체이며, 불포화결합을 갖는 디엔 공중합체인 에틸리덴노보넨(Ethylidene-norbonene), 디시클로로펜타디엔(dicyclopentadiene) 및 1,4-헥사디엔(1,4-hexadiene) 등을 사용할 수 있으며, 가교속도가 빠른 상기 에틸리덴노보넨 공중합체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 이피디엠(EPDM) 고무는 열가소성 탄성체 전체 중에서 50 내지 100 중량부의 범위로 사용될 수 있다.
상기 호모 폴리프로필렌의 성질은 분자량, 분자량분포 및 입체 규칙성에 의해 큰 영향을 받는다. 상기 호모 폴리프로필렌은 결정성이며, 아이소택틱시티 (Isotacticity)가 96 이상이 될 수 있으며, 상기 결정성를 높히기 위하여 용융지수(230℃, 2.16kg)는 2 내지 25 g/min 의 범위로 사용할 수 있으며, 11g/10min 의 범위로 사용하는 것이 바람직하다. 시험방법은 에이에스 티엠 디-1238 (ASTM D 1238)을 이용하여 측정한다.
상기 호모 폴리프로필렌(Homo Polypropylene)는 열가소성 탄성체 전체중에서 300 내지 500 중량부의 범위로 사용될 수 있다.
상기 충진제는 보강·증량의 목적으로 사용되며, 카본블랙, 경탄, 탈크, 실리카, 미스트론 베이퍼 등으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있다. 상기 충진제는 열가소성 탄성체 전체중에서 10 내지 40 중량부의 범위로 사용될 수 있다.
상기 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체는 삼원 공중합체를 사용할 수 있으며, 상기 스티렌-에틸렌-부타디엔 삼원 공중합체의 스티렌 함량은 20 내지 50 중량부의 범위로 사용할 수 있으며, 30 내지 40 중량부의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중체는 열가소성 탄성체 전체중에서 1 내지 10 중량부의 범위로 사용할 수 있으며, 1 내지 5 중량부의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중체는 상기 이피디엠(EPDM) 고무와 호모 폴리프로필렌(Homo Polypropylene)사이에 계면장력을 감소시켜 계면접착력을 높임으로써 이피디엠(EPDM) 고무 크기를 작게 줄여서 뛰어난 내마모성 및 낮은 마찰계수를 가지고, 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체를 제조한다.
상기 지방족 아미드는 본 발명에 따른 열가소성 탄성체의 슬립성을 높이기 위하여 사용되는 것으로서, 상용적으로 구입하여 사용할 수 있는 올레아미드(Oleamide)계열의 액조 노벨(AKZO NOBEL)사의 아모슬립(Armoslip)을 사용할 수 있다. 상기 지방족 아미드는 열가소성 탄성체 전체중에서 5 내지 20 중량부의 범위로 사용될 수 있다.
상기 가교제와 가교활성제는 황과 가황촉진제의 혼합물, 페놀수지와 할로겐 공여체의 혼합물 및 과산화물과 과산화물 활성조제의 혼합물들 중에서 사용할 수 있다. 상기 가교제와 가교활성제 중에서 페놀수지와 할로겐 공여체의 혼합물은 스케네터디(Schenctady)사의 에스피-1045와 염화주석의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 가교제는 열가소성 탄성체 전체중에서 2 내지 10 중량부의 범위로 사용될 수 있다. 또한, 상기 가교활성제는 열가소성 탄성체 전체중에서 1 내지 6 중량부의 범위로 사용될 수 있다.
이외에도 고분자 가공 산업에서 주로 사용되는 스테아린산, 공정오일, 상용화제, 산화방지제 등의 일반 첨가제들을 더 사용할 수 있으며, 사용량은 가교결합에 크게 영향을 주지 않는 범위내에서 사용할 수 있다. 즉, 상기 스테아린산은 열가소성 탄성체 전체중에서 0.1 내지 2 중량부의 범위로 사용될 수 있으며, 상기 공정오일은 열가소성 탄성체 전체중에서 60 내지 100 중량부의 범위로 사용될 수 있다. 또한, 상기 상용화제는 열가소성 탄성체 전체중에서 1 내지 10 중량부의 범위로 사용될 수 있다.
상기와 같은 조성을 포함하는 열가소성 탄성체의 경도는 40 내지 60 쇼어 디(Shore D) 범위이며, 45 내지 55 쇼어 디(Shore D)의 범위가 바람직하다.
본 발명에서 사용할 수 있는 혼련 장치로는 반바리 믹서(banbury mixer), 일축 압출기(single screw extruder) 및 이축 압출기(twin screw extruder) 등을 사용할 수 있으며, 연속형 혼련장치를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명을 도면을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용한 열가소성 탄성체의 가교 이피디엠 고무의 크기를 나타낸 것으로, 상기 가교 이피디엠 고무의 크기는 1 내지 3㎛ 이다.
도 2는 본 발명과 달리 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용하지 않은 열가소성 탄성체의 가교 이피디엠 고무의 크기를 나타낸 것으로, 상기 가교 이피디엠 고무의 크기는 3 내지 5㎛ 이다.
따라서, 본 발명에 따른 상기 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용한 열가소성 탄성체의 가교 이피디엠 고무의 크기가 더 작음을 알 수 있으며, 가교 이피디엠 고무의 크기가 작다는 것은 표면에서의 거침성이 줄어들어 우수한 마찰계수를 가질 수 있으며, 내마모성 및 슬립성이 우수한 효과가 있음을 알 수 있다.
이하 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
오일순환에 의해 온도를 조절할 수 있는 브라벤더 혼합기(brabender mixer)에서 180℃ 의 온도에서 80rpm 으로 이피디엠 고무 100 중량부를 1분간 혼합한 다음 호모 폴리프로필렌 390 중량부를 투입하여 2분간 더 혼합하였다. 상기에 스테아린산 1.5 중량부, 산화아연 1.8 중량부, 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 9.0 중량부, 지방족 아미드 10.0 중량부 및 파라핀계 공정오일 75.0 중량부를 투입하고 3분간 혼합한 다음, 페놀수지 4.0 중량부를 투입하고 1분간 혼합한 후, 가교활성제 1.0 중량부를 투입하고, 5분간 더 혼합하여 최종의 균일한 열가소성 탄성체 조성물을 제조하였다.
[실시예 2]
호모 폴리프로필렌 380 중량부 및 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 7 중량부를 적용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 혼합하여 최종의 균일한 열가소성 탄성체 조성물을 제조하였다.
[실시예 3]
호모 폴리프로필렌 370 중량부 및 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 5 중량부를 적용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 혼합하여 최종의 균일한 열가소성 탄성체 조성물을 제조하였다.
[실시예 4]
호모 폴리프로필렌 360 중량부 및 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 3 중량부를 적용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 혼합하여 최종의 균일한 열가소성 탄성체 조성물을 제조하였다.
[실시예 5]
호모 폴리프로필렌 350 중량부 및 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 2 중량부를 적용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 혼합하여 최종의 균일한 열가소성 탄성체 조성물을 제조하였다.
[비교예 1]
본 발명의 열가소성 탄성체 조성물과 대비하기 위하여 미국 듀폰(Dupont)사의 테프론(Teflon) PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 이용하여 각 물성치를 측정하였다.
테프론 코팅은 불소수지를 도료화하여 페인트처럼 표면에 적당량을 스프레이한 후, 일정한 온도에서 가열 및 소성을 거치면서 비활성의 단단한 코팅층을 형성한다.
[비교예 2]
본 발명의 열가소성 탄성체 조성물과 대비하기 위하여 미국 다우(Dow)사의 TPU 2355시리즈 95AE(Thermoplastic polyurethanes)를 이용하여 각 물성치를 측정하였다.
[비교예 3]
스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 제외하고 실시예 1과 동일하게 혼합하여 최종의 균일한 열가소성 탄성체 조성물을 제조하였다.
[시험예 1]
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3의 조성물을 회수하여 일부는 210℃ 로 압축성형하여 시험편을 제작하였으며, 일부는 리본형태의 시트로 압출기를 이용하여 압출하여 물성을 측정할 수 있는 시험편을 제작한 다음 물성시험을 하고 평가하였다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3의 물성 측정 결과를 하기의 표 1에 정리하였다.
구분 경도(Shore D) 인장강도 (MPa) 신장율 (%) 정적마찰계수 동적마찰계수 DIN 마모량(㎣)
실시예 1 52 25.5 480 0.17 0.14 35
실시예 2 51 25.1 493 0.18 0.16 38
실시예 3 50 23.5 520 0.20 0.16 38
실시예 4 49 22.6 550 0.21 0.17 40
실시예 5 48 20.6 587 0.21 0.18 42
비교예 1 52 35 320 0.25 0.20 43
비교예 2 52 38.9 450 0.30 0.25 48
비교예 3 51 23.0 500 0.29 0.22 47
주: 1) 인장강도 및 신율은 에이 에스 티엠 디-638(ASTM D-638)을 이용하여 측정
2) 동적마찰계수 및 정적마찰계수는 에이 에스 티엠 디-1894 (ASTM D 1894)를 이용하여 '플라스틱 필름 및 시트의 정적 및 동적마찰계수에 대한 표준 테스트 방법'으로 측정
　　3) 내마모성은 케이 에스 엠 6518 (KS M 6518)을 이용하여 'DIN 마모량' 시험으로 측정
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 내마모성 및 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체 조성물인 실시예들은 이피디엠 고무에 대한 호모 폴리프로필렌 및 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체의 함량이 증가할수록 신장율, 정적 마찰계수, 동적 마찰계수 및 DIN 마모량은 감소하며, 인장강도의 경우 증가함을 알 수 있었다. 또한, 경도의 경우 호모 폴리프로필렌 및 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체의 함량을 증가시킨 결과 경도가 높아짐을 알 수 있었으며, 원하는 경도를 얻기 위하여 호모 폴리프로필렌 및 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체의 함량을 조절하는 것이 가능함을 알 수 있었다. 따라서, 이피디엠 고무, 호모 폴리프로필렌 및 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체의 혼합비를 적절히 조절하는 것에 의해 여러 물성을 갖는 열가소성 탄성체 조성물을 수득할 수 있음을 알 수 있었다.
결과적으로, 내마모성을 위한 DIN 마모량의 경우 비교예 1 내지 3과 비교하여 실시예들의 DIN 마모량이 감소하므로 열가소성 탄성체 조성물의 내마모성이 우수함을 알 수 있었으며, 슬립성을 위한 정적 및 동적 마찰계수가 비교예 1 내지 3과 비교하여 실시예들의 정적 및 동적 마찰계수가 감소하므로 열가소성 탄성체 조성물의 슬립성이 우수함을 알 수 있었다.
[시험예 2]
상기 실시예 1과 비교예 3의 열가소성 탄성체의 모폴로지 특성 평가는 시료를 잘게 자른 다음, 일정량(30g)을 자일렌으로 10분간 환류(reflux)시킨 후, 100℃의 드라이 오븐에서 자일렌을 증발시킨다. 상기 시료를 전자현미경(SEM)으로 관찰하여, 가교 이피디엠 고무의 크기를 측정하였다. 상기 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 사용과 미사용에 따른 표면상태를 비교 관찰하여, 하기의 도 1 및 도 2에 나타내었다.
도 1은 본 발명에 따른 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용한 열가소성 탄성체의 가교 이피디엠 고무의 크기를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명과 달리 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용하지 않은 열가소성 탄성체의 가교 이피디엠 고무의 크기를 나타낸 것이다.
상기 도 1의 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용한 가교 이피디엠 고무의 크기는 1 내지 3㎛ 이었고, 도 2의 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용하지 않은 가교 이피디엠 고무의 크기는 3 내지 5㎛ 로 나타났다.
하기의 도 1 내지 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용한 열가소성 탄성체가 가교 이피디엠 고무의 크기가 더 작음을 알 수 있었으며, 가교 이피디엠 고무의 크기가 작다는 것은 표면에서의 거침성이 줄어들어 우수한 마찰계수를 가질 수 있으며, 내마모성 및 슬립성이 우수함을 알 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 내마모성 및 슬립성이 우수한 열가소성 탄성체 조성물은 가교구조를 가지는 이피디엠(EPDM) 고무와 호모 폴리프로필렌(Homo Polypropylene) 사이에 계면장력을 감소시켜 계면접착력을 높임으로써 이피디엠(EPDM) 고무 크기를 작게 줄이는 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 혼합함으로써 뛰어난 내마모성 및 낮은 마찰계수를 가지고, 슬립성이 우수한 효과가 있는 유용한 발명인 것이다.
상기에서 본 발명은 기재된 구체예를 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용한 열가소성 탄성체의 가교 이피디엠 고무의 크기를 전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명과 달리 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체를 사용하지 않은 열가소성 탄성체의 가교 이피디엠 고무의 크기를 전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.

Claims (10)

  1. 이피디엠(EPDM) 고무 50 내지 100 중량부;
    호모 폴리프로필렌(Homo Polypropylene) 300 내지 500 중량부;
    충진제 10 내지 40 중량부;
    스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체 1 내지 10 중량부;
    지방족 아미드 5 내지 20 중량부;
    가교제 2 내지 10 중량부; 및
    가교활성제 1 내지 6 중량부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이피디엠(EPDM) 고무는 에틸렌과 프로필렌을 주성분으로 하여 이루어진 3원 공중합체이며, 불포화결합을 갖는 디엔 공중합체로서 에틸리덴노보넨(Ethylidene-norbonene),디시클로로펜타디엔(dicyclopentadiene) 및 1,4-헥사디엔(1,4-hexadiene)인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 호모 폴리프로필렌의 아이소택틱시티(Isotacticity)가 96 이상인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 호모 폴리프로필렌의 용융지수(230℃, 2.16kg)는 2 내지 25 g/min 인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진제는 카본블랙, 경탄, 탈크, 실리카, 미스트론 베이퍼로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스티렌-에틸렌-부타디엔 공중합체는 삼원 공중합체인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스티렌-에틸렌-부타디엔 삼원 공중합체의 스티렌은 20 내지 50 중량부인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가교제와 가교활성제는 황과 가황촉진제의 혼합물, 페놀수지와 할로겐 공여체의 혼합물 및 과산화물과 과산화물 활성조제의 혼합물인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 탄성체 조성물은 스테아린산 0.1 내지 2 중량부, 상용화제 1 내지 10 중량부 및 공정오일(Process Oil) 60 내지 100 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 탄성체 조성물의 경도는 40 내지 60 쇼어 디(Shore D) 인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
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