KR100860828B1 - 난연성이 우수한 고분자 나노복합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 난연성이 우수한 고분자 나노복합체에 관한 것으로서 보다 상세하게는 고분자 재료에 나노클레이와 탄소나노튜브를 포함하도록 하여 난연성을 향상시킬 수 있는 고분자 나노복합체에 관한 것이다.
본 발명에서는 환경문제를 유발하지 않고, 독성물질을 포함하지 않으면서 난연성을 향상시킬 수 있는 고분자 나노복합체의 제공을 목적으로 한다.

Description

난연성이 우수한 고분자 나노복합체{Polymer nanocomposite having excellent flame retardant}
도 1은 비교예 1에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
도 2는 비교예 2에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
도 3은 비교예 3에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 비교예 4에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
본 발명은 난연성이 우수한 고분자 나노복합체에 관한 것으로서 보다 상세하게는 고분자 재료에 나노클레이와 탄소나노튜브를 포함하도록 하여 난연성을 향상시킬 수 있는 고분자 나노복합체에 관한 것이다.
나노복합체는 우수한 가공성과 물성을 지니고 있어, 건축자재나 자동차제품에 많이 사용되고 있다.
건축자재나 자동차제품기기 등에 사용되는 재료는 화재를 대비하여 불에 잘 타지 않아 연기를 적게 발생시키는 난연성이 우수해야 한다. 특히 화재시에는 대부분의 인명 사고가 화재에 의한 것 보다는 화재에 의해 물체가 타면서 발생하는 연기에 의한 질식사고의 위험이 더 많기 때문에 건축자재나 사고에 의해 화재가 발생하기 쉬운 자동차제품기기 등은 화재의 발생시에도 불에 잘 타지 않는 난연성의 성질이 우수해야 한다.
건축자재나 자동차제품기기 등에 사용되는 재료에 난연성을 향상시키는 방법으로는 할로겐계 화합물을 난연제로 사용하는 것이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 이때 테트라브로모비스페놀에이와 브롬화 에폭시 등이 가장 보편적으로 사용되는 할로겐계 난연제이며 안티몬 화합물이 난연성을 상승시키는 역할을 한다는 것도 널리 알려져 있다.
그러나 할로겐 화합물은 가공시 금형을 부식시키는 가스를 발생시키고 연소할 때에는 분해되어 인체에 유해한 유독성가스를 방출하는 것으로 알려져 있다. 특히 브롬계 화합물은 연소시 다이옥신이나 퓨란과 같은 환경호르몬을 발생시킬 수 있기 때문에 많은 논란이 되고 있으며 환경문제에 많은 관심을 가지는 국가, 특히 유럽을 중심으로 사용의 규제를 받고 있다.
한편 안티몬 화합물 또한 독성 물질로 분류되어 있어 안티몬 화합물을 포함하는 난연성 재료 역시 그 사용에 많은 문제를 가지고 있다.
따라서 환경문제를 유발하지 않고, 독성물질을 포함하지 않는 새로운 난연성 재료가 필요한 실정이다.
본 발명에서는 환경문제를 유발하지 않고, 독성물질을 포함하지 않으면서 난연성을 향상시킬 수 있는 고분자 나노복합체의 제공을 목적으로 한다.
상기에서 언급한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 고분자 나노복합체에 있어서, 고분자 재료에 나노클레이(Nanoclay)와 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 고분자 나노복합체를 나타낸다.
본 발명의 고분자 나노복합체는 고분자 나노복합체에 있어서, 고분자 재료 100중량부에 대하여 나노클레이 1∼50중량부, 탄소나노튜브 1∼50중량부 포함할 수 있다.
본 발명의 고분자 나노복합체에서 고분자 재료 100중량부에 대하여 나노클레이 및 탄소나노튜브를 각각 1중량부 미만 사용하면 고분자 나노복합체의 난연성이 감소하는 문제가 있다.
본 발명의 고분자 나노복합체에서 고분자 재료 100중량부에 대하여 나노클레이 및 탄소나노튜브를 각각 50중량부 초과하여 사용하면 고분자 나노복합체의 난연성 향상에 대한 뚜렷한 효과의 상승이 미미하다.
본 발명의 고분자 나노복합체에서 고분자 재료는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 고무 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기에서 열가소성 수지는 폴리에틸렌 수지(Polyethylene resin), 폴리프로필렌 수지(Polyproplene resin), 폴리에스테르 수지(Polystyrene resin), 폴리아미드 수지, 아크릴수지(acrylic resin), 염화비닐수지, 셀룰로이드수지 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기에서 열경화성 수지는 페놀수지(phenolic resin), 요소수지(urea resin), 멜라민수지(melamine resin), 알키드수지(alkyd resin), 실리콘수지(silicone resin), 에폭시수지(epoxy resin), 우레탄수지(urethane resin), ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 수지 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기에서 고무는 천연고무(NR), 부타디엔 고무(BR), 스티렌부타디엔 고무(SBR), 실리콘 고무, 이피디엠(EPDM) 고무 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 고분자 나노복합체에서 나노클레이는 고분자 나노복합체의 기계적 물성과 내열성을 향상시키기 위해 사용한다.
상기에서 나노클레이는 나노 스케일의 층상 구조의 실리케이트에 기초하는 것으로서, 천연점토 또는 합성점토를 사용할 수 있다.
상기에서 나노클레이는 음이온적으로 하전된 알루미늄 또는 마그네슘 실리케이트 층과, 이 음이온적으로 하전된 알루미늄 또는 마그네슘 실리케이트 층들의 사이를 채우고 있는 나트륨 이온(Na+) 또는 칼륨 이온(K+)과 같은 양이온으로 이루어진 것을 사용할 수 있다.
상기에서 나노클레이는 몬모릴로나이트(montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite), 베이델라이트(beidellite), 논트로나이트(nontronite), 버미큘라이트(vermiculite), 할로이사이트(halloysite) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기에서 나노클레이는 순수한 나노클레이 이외에 나노클레이의 표면을 소수화시키고, 층간격을 벌리는 전처리를 실시한 유기화처리된 나노클레이를 사용할 수 있다.
상기의 나노클레이의 유기화 처리는 나노클레이의 층간 사이에 존재하는 나트륨 이온 또는 칼륨 이온을 소수성 물질로 치환시키면 나노클레이의 층간격이 벌려지면서 나노클레이가 박리되어 치환된 소수성 물질에 의해 나노클레이가 소수성의 성질을 가지게 된다.
상기에서 소수성 물질의 일예로 탄소수가 1 내지 10개인 알킬기를 함유한 알킬암모늄 이온을 가지는 물질 또는 ω-아미노산(NH2(CH2)n-1COOH)(n은 2∼18)을 사용할 수 있다.
본 발명에서 나노클레이의 유기화 처리에 사용할 수 있는 유기화제로는 디메틸 디하이드로지네이티드-탤로우 암모늄(Dimethyl dihydrogenated-tallow ammonium), 디메틸벤질 하이드로지네이트-탤로우 암모늄 (Dimethyl benzyl hydrogenated-tallow ammonium) 또는 디메틸 하이드로지네이티드-탤로우 (2-에틸헥실) 암모늄(Dimethyl hydrogenated-tallow (2-ethylhexyl) ammonium)을 사용하여 나노클레이를 유기화 처리할 수 있다.
즉 본 발명에 따른 유기화 처리로 개질된 나노클레이는 강력한 반데르발스 인력을 가지는 나노클레이에에 유기화제를 삽입시켜 나노클레이의 내부에 위치하는 나트륨 이온 또는 칼륨 이온을 상기의 유기화제로 치환시킴으로써, 나노클레이가 유기친화적으로 되고 나노클레이 내부에 유기화제가 첨가됨으로써 나노클레이의 층간거리(d-spacing)가 넓어지게 된다.
본 발명의 고분자 나노복합체에서 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 고분자 나노복합체에서 탄소나노튜브는 고분자 재료와의 상용성을 높이기 위해 탄소나노튜브를 물리적, 화학적 처리를 한 것을 사용할 수 있다.
상기에서 탄소나노튜브의 물리적 처리의 일예로서 볼밀 또는 초음파 처리를 통해 탄소나노튜브를 분쇄하여 고분자 재료와의 상용성을 향상시킬 수 있다.
상기에서 물리적 처리의 하나인 볼밀에 의해 탄소나노튜브를 분쇄함으로써 탄소나노튜브의 직경, 길이를 최소화하여 고분자 재료와의 상용성을 향상시킬 수 있다. 일예로 3∼24시간 동안 볼밀을 하여 길이가 1∼5nm인 탄소나노튜브를 얻어 이를 고분자 나노복합체의 재료로 사용할 수 있다.
상기에서 물리적 처리의 하나인 초음파에 의해 탄소나노튜브를 분쇄함으로써 탄소나노튜브의 직경, 길이를 최소화하여 고분자 재료와의 상용성을 향상시킬 수 있다. 일예로 탄소수가 1 내지 10개인 알코올 용매에 탄소나노튜브를 넣고 초음파 처리를 하여 길이가 1∼5nm인 탄소나노튜브를 얻어 이를 고분자 나노복합체의 재료로 사용할 수 있다.
상기에서 탄소나노튜브의 화학적 처리의 일예로 극성기를 함유하는 물질을 탄소나노튜브 표면에 처리하여 탄소나노튜브의 표면에 극성기를 도입시킬 수 있다. 이때 극성기는 -OH기와 같은 극성기를 도입시키고, 극성기를 함유하는 물질은 진한 황산, 질산 또는 진한 황산과 질산이 혼합된 용액의 산성물질을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 고분자 나노복합체에서 사용하는 나노클레이, 탄소나노튜브는 현재 시중에서 상품으로 판매되고 있는 것을 사용하거나, 선행기술로서 널리 알려진 방법에 의해 얻을 수 있는 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 고분자 나노복합체는 상기에서 언급한 고분자 재료, 나노클레이, 탄소나노튜브 이외에 고분자 나노복합체에 사용되는 보강충진제, 노화방지제, 활성제, 공정오일, 가류제, 가류촉진제와 같은 각종 첨가제를 필요에 따라 적의 선택하여 소정의 함량으로 사용할 수 있다. 그러나 이들은 고분자 나노복합체에 사용되는 일반적인 성분으로서 본원발명의 필수 구성성분이 아니므로 이하 자세한 내용은 생략하기로 한다.
본 발명은 상기의 고분자 나노복합체로 이루어진 건축자재 또는 자동차제품기기를 포함한다.
이하 본 발명의 내용을 비교예, 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<비교예 1>
천연고무 100중량부를 톨루엔에 용해시켰다. 용해된 천연고무는 교반기를 이용하여 3시간 동안 교반한 다음 건조하였다.
상기의 천연고무 100중량부에 대하여 활성화제로서 산화아연(zinc oxide) 5중량부, 스테아린산(stearic acid) 2중량부를 투롤밀(two-roll mill)에 첨가하여 혼합한 다음 가류제로서 유황 2중량부, 가류촉진제로서 N-터트-부틸-2-벤조티아질설펜아미트(N-tert-Butyl-2-benzothiazylsulfenamide, TBBS) 0.8중량부를 첨가하고 150℃에서 20분 동안 가류하여 고무 나노복합체 시편을 제조하였다.
하기의 표 1에 비교예 1의 조성을 나타내었다.
<비교예 2>
천연고무 100중량부를 톨루엔에 용해시켰다.
카본블랙(N220) 5중량부를 톨루엔에 분산시켰다.
상기의 유기용매에 용해된 천연고무와 유기용매에 용해된 카본블랙을 혼합하고 교반기를 이용하여 3시간 동안 교반한 다음 건조하여 유기용매를 제거한 천연고무와 카본블랙의 혼합물과 산화아연 5중량부, 스테아린산 2중량부를 투롤밀에서 혼합한 후 가류제로서 유황 2중량부, 가류촉진(TBBS) 0.8중량부를 첨가하고 150℃에서 20분 동안 가류하여 고무 나노복합체 시편을 제조하였다.
하기의 표 1에 비교예 2의 조성을 나타내었다.
<비교예 3>
천연고무 100중량부를 톨루엔에 용해시켰다.
탄소나노튜브(CN-95, 일진나노텍, 대한민국) 톨루엔에 분산시켰다.
상기의 유기용매에 용해된 천연고무와 유기용매에 용해된 탄소나노튜브를 혼합하고 교반기를 이용하여 3시간 동안 교반한 다음 건조하여 유기용매를 제거한 천연고무와 카본블랙의 혼합물과 산화아연 5중량부, 스테아린산 2중량부를 투롤밀에서 혼합한 후 가류제로서 유황 2중량부, 가류촉진(TBBS) 0.8중량부를 첨가하고 150℃에서 20분 동안 가류하여 고무 나노복합체 시편을 제조하였다.
하기의 표 1에 비교예 3의 조성을 나타내었다.
<비교예 4>
천연고무 100중량부를 톨루엔에 용해시켰다.
나노클레이(Cloisite 20A, ROCKWOOD, 미국) 5중량부를 톨루엔에 분산시켰다.
상기의 유기용매에 용해된 천연고무와 유기용매에 용해된 나노클레이를 혼합하고 교반기를 이용하여 3시간 동안 교반한 다음 건조하여 유기용매를 제거한 천연고무와 나노클레이의 혼합물과 산화아연 5중량부, 스테아린산 2중량부를 투롤밀에서 혼합한 후 가류제로서 유황 2중량부, 가류촉진(TBBS) 0.8중량부를 첨가하고 150℃에서 20분 동안 가류하여 고무 나노복합체 시편을 제조하였다.
하기의 표 1에 비교예 4의 조성을 나타내었다.
<실시예>
천연고무 100중량부를 톨루엔에 용해시켰다.
나노클레이(Cloisite 20A, ROCKWOOD, 미국) 2.5중량부 및 카본나노튜브(CN-95, 일진나노텍, 대한민국) 2.5중량부를 톨루엔에 분산시켰다.
상기의 유기용매에 용해된 천연고무와 유기용매에 용해된 나노클레이 및 탄소나노튜브를 혼합하고 교반기를 이용하여 3시간 동안 교반한 다음 건조하여 유기용매를 제거한 천연고무와 나노클레이의 혼합물과 산화아연 5중량부, 스테아린산 2중량부를 투롤밀에서 혼합한 후 가류제로서 유황 2중량부, 가류촉진(TBBS) 0.8중량부를 첨가하고 150℃에서 20분 동안 가류하여 고무 나노복합체 시편을 제조하였다.
하기의 표 1에 실시예 1의 조성을 나타내었다.
표 1. 실시예 및 비교예의 조성(단위 : 중량부)
항목 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 실시예
천연고무 100 100 100 100 100
카본블랙 - 5 - - -
탄소나노튜브 - - 5 - 2.5
나노클레이 - - - 5 2.5
산화아연 5 5 5 5 5
스테아린산 2 2 2 2 2
유황 2 2 2 2 2
가류촉진제 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
<시험예 1>
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 각각의 고무 나노복합체 시편에 대하여 ASTM관련 규정에 의해 경도 인장강도, 신장율을 측정하고, 그 결과를 아래의 표2에 나타내었다.
표 2. 실시예 및 비교예 시편의 물성
항목 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 실시예
경도 41 43 47 45 46
300%모듈러스 (MPa) 0.8 1.0 1.7 1.5 1.6
인장강도(MPa) 15 17 20 17 19
신장율(%) 590 576 558 565 572
<시험예 2>
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 각각의 고무 나노복합체 시편의 난연성을 분석하기 위하여 45°각도로 황색 팁(Tip)이 없는 불꽃이 나오게 조정된 버너로 60초 동안 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 각각의 고무 나노복합체 시편을 각각 연소시킨 후 나노복합체를 관찰하고 그 결과를 도 1 내지 도 5에 나타내었다.
도 1은 비교예 1에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
도 2는 비교예 2에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
도 3은 비교예 3에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 비교예 4에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예 1에서 제조한 고무 나노복합체의 난연성을 측정결과를 나타낸 사진이다.
도 1 내지 도 5의 결과에서처럼 실시예의 나노클레이와 탄소나노튜브를 포함하는 본 발명의 고무 나노복합체는 비교예의 고무 나노복합체에 비해 보다 난연성이 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기 시험예의 결과에서처럼 탄소나노튜브와 나노클레이를 함께 적용한 본 발명의 고분자 나노복합체는 탄소나노튜브와 나노클레이간 시너지 효과로 인해 우 수한 물성을 가지면서 또한 난연성이 우수함을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 고분자 나노복합체에 있어서,
    고분자 재료에 나노클레이와 극성기를 함유하는 물질을 탄소나노튜브 표면에 처리하여 탄소나노튜브의 표면에 극성기를 도입시킨 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 고분자 나노복합체.
  2. 제1항에 있어서, 고분자 재료 100중량부에 대하여 나노클레이 1∼50중량부, 탄소나노튜브 1∼50중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 고분자 나노복합체.
  3. 제1항에 있어서, 고분자 재료는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 고무 중에서 선택된 어느 하나 이상 임을 특징으로 하는 난연성이 우수한 고분자 나노복합체.
  4. 제1항에 있어서, 나노클레이는 몬모릴로나이트(montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite), 베이델라이트(beidellite), 논트로나이트(nontronite), 버미큘라이트(vermiculite), 할로이사이트(halloysite) 중에서 선택된 어느 하나 이상 임을 특징으로 하는 난연성이 우수한 고분자 나노복합체.
  5. 제1항에 있어서, 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 중에서 선택된 어느 하나 이상 임을 특징으로 하는 난연성이 우수한 고분자 나노복 합체.
  6. 제1항에 있어서, 탄소나노튜브는 볼밀 또는 초음파 처리를 하여 길이가 1∼5nm이 되도록 분쇄한 것 임을 특징으로 하는 난연성이 우수한 고분자 나노복합체.
  7. 삭제
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