KR101950594B1 - 가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물 - Google Patents

가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가방 또는 지갑용으로 사용되는 외피 소재를 제조할 때, 원단에 접착되는 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물로서, 상기 조성물은 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 기준으로 100㎚ 이하의 입자 크기를 가지는 나노실리카를 1~5phr(parts per hundred resin) 포함하여 이루어진다. 본 발명의 가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물은 가방이나 지갑용 외피 소재를 제조할 때. 기존의 PVC 시트를 사용하지 않고 우수한 물성을 가지는 TPU 시트를 원단에 접착하여 제조함으로써 친환경적이면서도 가방이나 지갑의 접히는 부분에서 우수한 성형성(접힘성)을 구현할 수 있는 장점이 있으며, 또한 터치감과 느낌이 좋고 마모가 잘되지 않는 가방이나 지갑을 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물{THERMOPLASTIC POLYURETHANE SHEET COMPOSITION APPLY TO BAG OR PURSE}
본 발명은 나노실리카를 사용한 가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열가소성 폴리우레탄 시트를 원단에 접착하여 가방 또는 지갑용 외피로 제조할 때 열가소성 폴리우레탄의 물성을 변화시키지 않고 양호한 성형성을 가질 수 있도록 하는 가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물에 관한 것이다.
통상적으로, 현재 가방이나 지갑용 외피 소재로 사용중인 자재는 원단에 폴리염화비닐(PVC: Polyvinyl Chloride) 시트를 핫멜트 필름으로 접착하고 그 표면에 문양을 코팅하여 진행하는 것이 대부분이었으나, PVC가 환경규제 물질로 지정됨에 따라 이를 열가소성 폴리우레탄(TPU: Thermoplastic Polyurethane) 시트로 대체하고 있는 실정이다.
이러한 TPU 시트는 우수한 물성과 친환경 물질로서의 장점이 있지만, 성형성이 좋지 않아 가방이나 지갑용 외피 소재로 사용하기에는 제약이 있다. 즉, TPU의 경우 원소재 특성이 탄성 및 복원력이 뛰어난 소재이기 때문에 TPU 시트를 핫멜트 필름으로 가방용 또는 지갑용 원단에 접착하여 성형하게 되면 가방이나 지갑 모양으로 접히는 부분에서 성형이 잘 되지 않아 TPU 시트를 가방이나 지갑용 소재로 사용하기에는 한계가 있었다.
등록특허공보 등록번호 제10-0968854호(발명의 명칭: 투명한 느낌의 선명한 색상과 광택을 가지며 탈색이 방지되는 열가소성 폴리우레탄 또는 폴리염화비닐 시트구조 및 제조방법. 공고일자: 2010년 07월 09일) 공개특허공보 공개번호 제10-2003-0078273호(발명의 명칭: 소파용 또는 가방용 탄성 시트 조성물 및 이로부터 제조된 소파용 또는 가방용 시트. 공개일자: 2003년 10월 08일) 등록특허공보 등록번호 제10-0959883호(발명의 명칭: 전도성 열가소성 폴리우레탄 시트 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전도성 열가소성 폴리우레탄 시트. 공고일자: 2010년 05월 27일) 등록실용신안공보 등록번호 제20-0406173호(고안의 명칭: 열가소성 폴리우레탄 시트. 공고일자: 2006년 01월 20일)
본 발명은 가방이나 지갑용 외피 소재를 제조할 때, 원단에 접착되는 열가소성 폴리우레탄(TPU) 시트에 나노실리카를 소량 함유함으로써 TPU의 물성을 변화시키지 않고 접히는 부분에서 양호한 성형성(접힘성)을 가질 수 있도록 하는 가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물은 가방 또는 지갑용으로 사용되는 외피 소재를 제조할 때, 원단에 접착되는 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물로서, 상기 조성물은 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 기준으로 100㎚ 이하의 입자 크기를 가지는 나노실리카를 1~5phr(parts per hundred resin) 포함하여 이루어지며, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 열가소성 폴리우레탄(TPU)는 폴리에스테르 폴리올 베이스 TPU인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 가방이나 지갑용 외피 소재를 제조할 때 기존의 PVC 시트를 사용하지 않고 우수한 물성을 가지는 TPU 시트를 원단에 접착하여 제조함으로써 친환경적이면서도 가방이나 지갑의 접히는 부분에서 우수한 성형성(접힘성)을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 TPU 시트를 사용하여 가방이나 지갑용 외피 소재를 제조함으로써 터치감과 느낌이 좋고 마모가 잘되지 않으며, 특히 환경규제 물질인 PVC를 사용하지 않아 친환경적인 가방이나 지갑을 제조할 수 있는 장점이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 후술될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.
본 발명에서는 환경규제 물질인 PVC 시트를 사용하지 않고 우수한 물성과 친환경 물질인 TPU 시트를 사용하여 가방이나 지갑용 외피를 제조함으로써 TPU 시트의 원자재 특성인 우수한 탄성 및 복원력으로 인해 가방이나 지갑 모양으로 접히는 부분에서 성형이 어려운 단점을 해결함은 물론 TPU의 물성을 변화시키지 않고 양호한 성형성(접힘성)을 가질 수 있도록 하는 가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물을 구현하고자 한다.
위와 같이 본 발명은 가방이나 지갑 모양으로 접히는 부분에서 성형성이 떨어지는 문제점을 해결하기 위해서, 구체적으로는 TPU의 물성을 변화시키지 않으면서 TPU 본연의 성질인 탄성 및 복원력을 없애는 부분이 진행되어야 하는데, 본 발명에서는 이를 위해 무기물을 종류별로 TPU에 혼합, 컴파운드하여 테스트를 진행하였다. 여러 가지 무기물을 시험해 본 결과 나노실리카를 중합시 혼합 또는 컴파운드하여 제조된 TPU 시트가 물성 변화없이 가방 모양으로 접히는 부분에서 양호한 성형성(접힘성)을 가지는 것으로 확인되었다.
아래에서는 상기와 같은 관련 시험 데이터 및 기술 구성을 구체적으로 제시하고자 한다.
본 발명에서는 TPU 시트를 제조할 때, 컬러 안료 및 나노실리카를 배합하게 되는데, 상기 나노실리카는 일차 입자 크기(primary particle size)가 100nm 이하인 것을 말하며, 나노실리카의 함량은 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 1~5phr(parts per hundred resin)을 배합하는 것이 바람직하다. 상기 나노실리카를 적용하는 방법으로는 TPU를 중합시 혼합하는 방법과 마스터배치를 제조한 후 컴파운드하는 방법이 있다. 이때, 상기 TPU 시트를 제조하는 중에 컬러 안료를 배합하지 않아도 무방하고 상기 TPU 시트 위에는 문양을 코팅 처리할 수 있으며, 상기 TPU 시트를 핫멜트 필름을 사용하여 원단에 접착함으로써 가방 또는 지갑용 외피 소재로 사용할 수 있다.
한편, 아래의 표 1에서는 PVC 시트와 유사한 접힘 부분 성형을 가지기 위해 일반 TPU 시트에 무기물을 종류별로 컴파운드(Compound)하여 평가를 진행하였다. 이때 평가방법은 가방용 시트 평가 항목을 적용하였다.
비교항목 Talc 탄산칼슘 일반 실리카 나노실리카 비고
TPU Grade BY-85AT BY-85AC BY-85AS BY-85ANS
무기물 함량(phr) 30phr 30phr 20phr 3phr 적정 투입량
Melt Flow Index(g/10min) 5.5 3.8 7.3 9.7 200℃, 2.16kgf
Tfb(Flow
Beginning
Temp.℃) 		162.3 163.5 158.2 157.5
인장강도 150kgf/㎠ 130kgf/㎠ 180kgf/㎠ 250kgf/㎠ SPEC min
200kgf/㎠
인장강도
(가수분해 2주 후)		 70kgf/㎠ 60kgf/㎠ 100kgf/㎠ 220kgf/㎠ SPEC min
160kgf/㎠
(기존의 80% 유지)
경도(Shore A) 85±3 85±3 84±3 83±3
내한굴곡성
(-10℃, cycle)		 30,000
fail		 30,000
fail		 50,000
fail		 100,000
pass		 SPEC 100,000
cycle pass
성형성
(접힘성)		 접힘성 개선 안됨 30phr 이상 투입시 양호 20phr 이상 투입시 양호 1phr 이상 투입시 양호


상기 표 1을 참조하면, 탈크(Talc)를 사용했을 때는 가방 모양으로 접히는 부분에서 성형성(접힘성)이 개선되지 않았고, 탈크의 함량을 올려도 성형성(접힘성)이 개선되지 않았다. 탄산칼슘을 사용한 경우에는 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 30phr 이상 투입시에 가방 모양으로 접히는 부분에서 성형성이 양호하였으나 물성은 좋지 않았다. 일반 실리카를 사용하였을 경우에는 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 20phr 이상 투입시에 가방 모양으로 접히는 부분에서 성형성(접힘성)이 양호하였으나 물성이 좋지 않았다.
하지만, 본 발명과 같이 나노실리카를 사용하였을 경우에는 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 1phr 이상 투입시에 가방 모양으로 접히는 부분에서 성형성(접힘성)이 양호하였으며, 상기와 같이 나노실리카를 소량으로 사용함에 따라 성형성이 양호함은 물론 TPU의 물성에도 영향을 주지 않았다.
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아래에서는, 상기 표 1에서 보는 바와 같이 가방 모양으로 접히는 부분에서 성형성(접힘성)에 문제가 없는 나노실리카를 사용하여 TPU 시트용 수지를 제조하는 방법을 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명에서 사용하는 TPU는 버진(virgin) 형태의 TPU로서, 폴리에스테르 클리콜(polyester polyol), 폴리에테르 글리콜(polyether polyol), 폴리카프로락톤(polycarprolactone) 등을 사용하여 짧은 사슬 글리콜(short chain glycol: ex. 1,4 butanediol)을 체인 익스텐더(chain extender)로 하고 방향족 이소시아네이트(aromatic isocyanate)와 지방족 이소시아네이트(aliphatic isocyanate) 등과 중합하여 만든 버진(virgin) TPU이다.
또한, 본 발명은 버진 TPU(virgin TPU) 이외에 신발용으로 사용되는 TPU를 고주파 작업 후 남은 스크랩(scrap)이나 핫멜트 TPU 가공 후 남은 스크랩 등과 같이 다양한 종류의 TPU 스크랩을 단독으로 사용하거나 또는 이들을 버진 TPU와 혼합하여 사용할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 가방이나 지갑용 외피 소재로 PVC 시트를 사용하지 않고 TPU 시트를 사용할 때, 가방(또는 지갑) 모양으로 접히는 부분에서 성형성을 개선하기 위해 첨가제로 무기물을 사용하게 되며, 그 중에서도 100nm 이하의 입자 크기를 가지는 나노실리카를 사용한다.
즉, 일반 무기물(예를 들어, Talc, 탄산칼슘, 실리카)로는 TPU 본연의 특성인 탄성 및 우수한 복원력을 감소시켜 성형성(접힘성)을 개선하기 위해 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 20~30phr 이상의 함량이 들어가야만 하며, 이로 인해 표 1에서 제시한 인장강도, 내가수분해성, 내한굴곡성 등과 같은 가방용에서 요구되는 물성을 충족하지 못하는 결과를 초래하였다. 따라서 본 발명에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 나노실리카를 투입하여 적용한 결과, 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 1phr 이상의 적은 양만 투입해도 성형성(접힘성)이 개선되는 것을 확인하였고 물성 또한 문제가 없음을 확인하였다.
한편, 이와 같은 특징을 가지는 나노실리카는 크게 두가지 방법으로 TPU와 배합되는데, 첫 번째로 나노실리카 파우더(powder)를 TPU 펠릿(pellet) 중합시 액상 원료인 폴리올(polyol), 이소시아네이트(ioscyanate), 짧은 사슬 글리콜(short chain glycol) 중 어느 하나에 투입하여 충분히 교반한 뒤 TPU 펠릿 중합하는 방법이다. 이때, 상기 나노실리카의 함량은 최대 10%가 바람직하고, 나노실리카를 10% 이상 투입하게 되면 교반이 어려운 문제점이 있다.
두 번째로, 나노실리카 파우더를 일반 TPU에 농축하여 컴파운드한 마스터배치(masterbatch)를 제조한 후 이를 TPU 수지에 함량별로 투입하여 컴파운드를 진행하는 방법이다. 이때, 마스터배치를 제조할 때 나노실리카의 함량은 최대 40%가 바람직하며, 만약 나노실리카를 40% 이상 투입하게 되면 TPU와 컴파운드가 되지 않아 마스터배치를 제조할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 100nm 이하의 나노실리카를 TPU와 컴파운드할 때 최대 40%를 투입하게 되는데, 가장 이상적인 마스터배치를 제조하기 위해서는 나노실리카의 함량이 30%가 바람직하다.
한편, 하기에서는 본 발명에 따른 나노실리카를 TPU에 중합시 액상 원료에 투입하여 TPU 시트용 수지를 제조하는 방법과, 나노실리카와 TPU를 컴파운드하여 마스터배치를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
첫 번째로, 본 발명에 따른 TPU 시트용 수지의 제조방법, 구체적으로는 TPU 펠릿 중합시에 액상 원료에 투입하여 이를 중합시켜 TPU 시트용 수지를 제조하는 방법을 제시한다.
먼저. 통상적인 TPU 펠릿 중합을 위한 액상 원료를 준비하는데, 바람직하게는 폴리올(polyol), 이소시아네이트(isocyanate), 짧은 사슬 글리콜(short chain glycol)을 준비한다. 이후, 상기 단계에서 제시한 액상 원료 중에서 어느 하나를 선택하여 100nm 이하의 입자 크기를 가지는 나노실리카를 투입하고, 이를 혼련시킨다. 이때, 온도는 80~100℃이고, 교반속도는 20~30rpm이 바람직하다. 예를 들어, 본 발명에서는 나노실리카를 폴리올과 혼합시킨 후 이를 혼련시켰다.
다음, 상기 혼련 과정에서 나노실리카가 충분히 분산된 액상 원료와 나머지 두가지 원료를 동시에 반응형 압출기에 투입하여 TPU 펠릿 중합시킨 후, 상기 중합된 TPU 펠릿을 건조 및 숙성시킴으로써 TPU 시트용 수지를 제조한다.
두 번째로, 본 발명에 따른 나노실리카가 배합된 마스터배치를 제조하는 방법을 구체적으로 제시한다.
먼저, 상기에서 언급한 TPU(예를 들어, virgin TPU 또는 TPU 스크랩 혹은 이들을 혼합한 TPU 등)와 100nm 이하의 입자 크기를 가지는 나노실리카를 함량별로 계량한다. 이때, 나노실리카의 함량이 최대 40%가 초과하지 않도록 한다. 이후, 상기 나노실리카와 TPU를 통상의 니더(kneader)에 투입한 다음, 이를 100~120℃의 온도에서 20~30rpm의 속도로 혼련시킨다.
다음, 상기 나노실리카와 혼련된 TPU를 냉각시킨 후 이를 직경이 10mm 미만이 되도록 분쇄시킨 다음, 이를 다시 통상의 이축 압출기(twin extruder)에 재투입한다. 이때, 이축 압출기의 온도는 150~200℃이다.
이후, 상기 이축 압출기에서 컴파운드된 수지를 15~20℃의 냉각수에 투입하여 펠릿 형태로 만들고, 이를 건조 및 숙성시킴으로써 마스터배치를 제조한다. 상기와 같이 제조된 마스터배치를 통상의 TPU와 혼합하고, 이를 컴파운드하여 TPU 시트용 수지를 제조한다.
한편, 본 발명에서는 위와 같은 방법으로 제조된 TPU 시트의 물리적 특성을 확인하기 위하여, 구체적으로는 1) 100nm 이하의 나노실리카가 함유된 TPU 시트용 수지와, 2) 100nm 이하의 나노실리카가 함유된 마스터배치로 제조된 TPU 시트용 수지를 각각 구분하여 물리적 특성을 아래의 표 2와 표 3에서 제시하였다.
첫 번째로, 통상의 TPU에 나노실리카를 함량별로 투입 중합하여 TPU 시트용 수지를 만들어 시험(TEST)을 진행하였으며, 그 결과는 표 2와 같다.
즉, 나노실리카가 함유된 TPU 시트용 수지를 만들 때, 나노실리카를 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 각각 0.5phr, 1phr. 3phr, 5phr, 10phr로 각각 투입하여 TPU 펠릿 중합시 시트 압출성과 가방 성형성(접힘성) 등을 각각 비교하였다. 이때, 본 발명에서는 경도가 shore 85A인 폴리에스테르 폴리올 베이스 TPU를 사용하였다.
Test Grade MFI
(200℃, 2.16kg)		 Tfb 나노실리카
투입 함량		 시트 압출성 및
가방 성형성(접힘성) 평가
(g/10min) (℃) 시트 압출성 성형성(접힘성)
BY-85ANS-1 12.3 155.2 0.5phr 작업 양호 접힘부분 복원,
성형성 좋지 않음
BY-85ANS-2 10.5 156.3 1phr 작업 양호 접힘부분 복원없이
성형성 양호
BY-85ANS-3 9.7 157.5 3phr 작업 양호 접힘부분 복원없이
성형성 양호
BY-85ANS-4 7.5 158.2 5phr 작업 양호 접힘부분 복원없이
성형성 양호
BY-85ANS-5 4.4 160.5 10phr 표면이 너무 미끄러워 작업성 좋지 않음 성형성 양호하나
많이 미끄러움


상기 표 2에서 「Test Grade」란에 기재된 ‘BY-85ANS-1, BY-85ANS-2, BY-85ANS-3, BY-85ANS-4, BY-85ANS-5’는 TPU 시트용 수지의 상품명으로서, 구체적으로는 100㎚ 이하의 나노실리카가 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 각각 0.5phr, 1phr. 3phr, 5phr, 10phr 함량으로 포함된 TPU 시트용 수지를 말한다.
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 나노실리카가 투입되어 중합된 TPU 시트용 수지를 제조할 때, 나노실리카의 적정 투입 함량은 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 1~5phr이 바람직하다는 것을 실험을 통해서 확인하였다. 그리고 나노실리카를 10phr 이상 투입하게 되면 액상 원료에 혼련이 되지 않아 투입에 어려움이 있었다.
두 번째로, 통상의 TPU와 컴파운드되는 나노실리카가 함유된 마스터배치의 함량별로 시험을 진행하였으며, 그 결과는 아래의 표 3과 같다.
즉, 본 발명의 마스터배치(나노실리카 30중량% 농축 함량)를 통상의 TPU와 컴파운드하여 TPU 시트를 제조할 때, 상기 마스터배치를 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 각각 2phr, 5phr, 10phr, 20phr, 30phr로 각각 컴파운드하면서 TPU 시트의 압출성과 가방 성형성(접힘성)을 비교하였다. 이때, 본 발명에서는 경도가 shore 85A인 폴리에스테르 폴리올 베이스 TPU를 사용하였다.
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Test Grade MFI
(200℃, 2.16kg)		 Tfb 마스터배치
투입함량
(실제함량)		 시트 압출성 및 가방 성형성(접힘성) 평가
(g/10min) (℃) 시트 압출성 성형성(접힘성)
BY-85ANS-M1 14.7 155.3 2phr
(0.6phr)		 작업 양호 접힘부분 복원,
성형성 좋지 않음
BY-85ANS-M2 12.4 157.3 5phr
(1.5phr)		 작업 양호 접힘부분 복원없이
성형성 양호
BY-85ANS-M3 11.9 157.7 10phr
(3phr)		 작업 양호 접힘부분 복원없이
성형성 양호
BY-85ANS-M4 9.8 158.6 20phr
(6phr)		 작업 양호 접힘부분 복원없이
성형성 양호
BY-85ANS-M5 8.4 159.5 30phr
(9phr)		 표면이 너무 미끄러워 작업성 좋지 않음 성형성 양호하나
많이 미끄러움


상기 표 3에서 「Test Grade」란에 기재된 ‘BY-85ANS-M1, BY-85ANS-M2, BY-85ANS-M3, BY-85ANS-M4, BY-85ANS-M5’는 TPU 시트용 수지의 상품명으로서, 구체적으로는 100㎚ 이하의 나노실리카가 배합된 마스터배치가 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 각각 2phr, 5phr. 10phr, 20phr, 30phr 함량으로 포함된 TPU 시트용 수지를 말한다.
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 나노실리카가 함유된 마스터배치와 TPU를 컴파운드하여 TPU 시트를 제조할 때, 마스터배치의 적정 투입 함량은 열가소성 폴리우레탄을 기준으로 5~20phr이 가장 바람직하다는 것을 실험을 통해서 확인하였다. 그리고 마스터배치를 30phr 이상 투입하게 되면 TPU 시트가 미끄럽고 블루밍(blooming) 현상이 심하게 나타나는 것을 확인하였다.
삭제

Claims (3)

  1. 가방 또는 지갑용으로 사용되는 외피 소재를 제조할 때, 원단에 접착되는 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물에 있어서,
    상기 조성물은 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 기준으로 100㎚ 이하의 입자 크기를 가지는 나노실리카를 1~5phr(parts per hundred resin) 포함하여 이루어지되,
    상기 열가소성 폴리우레탄(TPU)는 폴리에스테르 폴리올 베이스 TPU인 것을 특징으로 하는 가방 또는 지갑용 열가소성 폴리우레탄 시트의 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
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