KR20110056037A - 생분해성 ａｂｓ 복합재 및 이를 포함하는 충격강도가 우수한 자동차 내장재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생분해성 ABS 복합재 및 이를 이용하여 제조한 자동차 내장재에 관한 것으로서, 본 발명을 더욱 자세하게 설명을 하면, 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS, Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, 이하 'ABS'로 칭한다.) 수지와 생분해성 고분자 수지를 함유하는 고분자 혼합 수지 및 폴리카프로락톤을 포함하는 ABS 복합재에 관한 것이다. 본 발명의 상기 생분해성 ABS 복합재는 폴리카프로락톤을 상용화제로 도입함으로써, 기존의 ABS 복합재의 물성 저하 문제를 해결하였기 때문에, 본 발명의 상기 ABS 복합재로 제조한 자동차 내장재는 기계적 물성, 특히 충격강도가 우수하다.

ABS, 생분해성, 폴리락트산, 폴리카프로락톤

Description

생분해성 ＡＢＳ 복합재 및 이를 포함하는 충격강도가 우수한 자동차 내장재{Acrylonitrile-butadiene-styrene composition for bio-degradable property and interior materials of vehicle having superior impact strength}

본 발명은 폴리카르로락톤을 상용화제로 도입한, ABS 수지와 생분해성 고분자 수지를 함유하는 고분자 혼합 수지 및 폴리카프로락톤을 포함하는 ABS 복합재 및 이를 이용하여 제조한 충격강도가 우수한 자동차 내장재에 관한 것이다.

ABS 수지는 많이 사용되는 열가소성 고분자로서, 비중이 작기 때문에 제품의 경량화가 가능하고 우수한 성형 가공성이 우수며, 인장강도, 충격강도 등과 같은 기계적 성질이 우수하고, 열팽창 계수 및 높은 열변형 온도 등과 같은 열적성질이 우수하며 저가라는 장점을 지니고 있어 자동차 내장 재료로 사용되고 있다.

자동차 재료로 사용되는 에이비에스는 그 사용량이 꾸준히 증가되고 있어 사용 후 폐기 및 소각처리 시 발생하는 비용을 줄이기 위한 노력이 필요하게 되었다. 이를 위하여 생분해성 고분자를 소량 첨가하여 사용 후의 플라스틱에 대한 붕괴되 는 속도를 조절하여 사용시에는 기계적 물성 등에 영향을 미치지 않고 해체가 곤란한 부위에 사용함으로서, 사용 후의 폐기시 소각 등으로 인하여 발생하는 비용을 부담하지 않고 단순 매립하므로 폐기비용을 최소화할 수 있도록 하는 연구가 활발히 진행 중이다.

최근 생붕괴성을 부여하기 위한 생분해성 고분자로 폴리락트산이 주목받고 있다. 생분해성 수지 중에서 폴리락트산은 투명성이 양호하며, 생분해성 수지 중에서는 내열성이 우수하면서도, 옥수수나 고구마 등의 식물 유래 원료로부터 대량 생산 가능하기 때문에 비용이 낮고, 석유 원료 사용 절감에도 공헌할 수 있다는 점에서 유용성이 높다. 또한, 자연상태에서 미생물과 효소에 의해 100 % 분해되는 생분해성을 가지며, 기존의 석유자원을 원료로 하는 고분자 소재는 사용 후 소각처리하면 대기 중의 이산화탄소 농도를 증가시키지만, 폴리락트산의 경우 소각이나 생분해하여 이산화탄소가 배출되어도 그 이산화탄소는 원래가 대기 중의 이산화탄소이기 때문에 대기 중의 이산화탄소 농도는 증가시키지 않는 자원순환형 소재이다. 폴리락트산은 일회용품과 쓰레기봉투 등에 사용되고 있으며, 공기청정기, 핸드폰, 의자 등 전자 제품의 외장과 가구 및 자동차용 부품 등 실생활의 다양한 분야에 활용 가능성이 활발하게 연구되고 있다.

ABS 수지와 폴리락트산 등의 생분해성 고분자 수지를 블렌드함으로써 환경 친화적 소재로의 응용이 가능한데, 생분해성 고분자인 폴리락트산 등은 에이비에스 수지와 화학적 결합을 가능하게 하는 관능기를 갖고 있지 않고, 물리적으로만 결합하기 때문에 블렌드하였을 때 기계적 물성이 저하되는 현상이 발생하는 문제가 있 다.

상용성이 없는 두 수지로 이루어진 고분자 혼합수지의 상용성을 증가시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있으나, 생분해성을 유지하면서도 기계적 물성이 우수하여, 자동차 부품재 등으로 사용하기에 적합한 친환경 ABS 복합수지가 아직 개발되지는 못했다.

이에, 본 발명자들은 기존 에이비에스 복합재의 문제점을 해결하고자 노력한 결과, 기존의 ABS 복합재의 경우, ABS 수지와 생분해성 고분자 수지와의 상용성이 떨어져서 ABS 복합재의 기계적 물성이 떨어지는 것을 알게 되었고, ABS 복합재의 생분해성을 유지하기 위해서, 비분해성 상용화제가 아닌 또 다른 생분해성 수지를 상용화제로 도입하는 방법을 안출하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

즉, 본 발명은 기계적 물성, 특히 충격강도가 우수한 생분해성 ＡＢＳ 복합재 및 이를 이용하여 제조한 자동차 내장재를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 ABS 수지와 폴리락트산 및 폴리하이드록시 부틸레이트 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 생분해성 고분자 수지를 함유한 고분자 혼합 수지; 및 폴리카프로락톤을 포함하는 생분해성 ABS 복합재를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 생분해성 ABS 복합재를 포함하는 자동차 내장재를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 상기 생분해성 ABS 복합재는 생붕괴성을 부여하기 위한 생분해성 고분자 수지와 ABS 수지 간의 상용성 문제로 인하여 발생하는 물성 저하를 해결하였기 때문에, ABS 수지의 유연성, 내화학성 및 내열성을 갖는 성질을 유지하면서도 생붕괴성을 나타낼 뿐만 아니라, 기계적 물성, 특히 충격강도가 우수하다. 따라서, 상기 생분해성 ABS 복합재로 제조된 성형품, 특히, 자동차 내장재는 높은 물성과 생분해성을 갖기 때문에 친환경 부품을 제공할 수 있으며, 생분해성 소재의 활용도를 폭 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 각종 환경규제에도 능동적으로 대체할 수 있으며, 차후 재료 처리 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있는 부가적 효과도 있다.

이하에서는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명을 하겠다.

본 발명은 생분해성 ABS 복합재에 관한 것으로서, ABS 수지와 폴리락트산 및 폴리하이드록시 부틸레이트 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 생분해성 고분자 수지를 함유한 고분자 혼합 수지; 및 폴리카프로락톤(polycaprolactone)을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 ABS 수지는 일반적으로 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이며, 성형가공성, 내열성 및 내화학성이 우수하다. 본 발명의 상기 ABS 복합재에서는 매트릭스 구조를 형성하게 된다.

상기 생분해성 고분자 수지는 ABS 수지에 생분해성 또는 생붕괴성을 부여하는 역할을 하는데, 이러한 성능을 부여함으로써, ABS 수지로 제조한 제품의 처리 비용을 감소시킬 수 있다. 본 발명에서 사용하는 생분해성 고분자 수지는 폴리락트산 또는 폴리하이드록시 부틸레이트 중에서 선택된 1 종 또는 2 종을 혼합하여 사용할 수 있으며, 특히, 투명성이 양호하고, 내열성이 좋으며, 자연상태에서 미생물과 효소에 의해 100% 분해되는 생분해성을 가지며, 대기 중의 이산화탄소 농도를 증가시키지 않은 자원순환형 소재인 폴리락트산을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 고분자 혼합 수지는 상기 ABS 수지 50 ~ 90 중량%와 생분해성 고분자 수지를 10 ~ 50 중량%를 함유하고 있는데, 이때, 상기 ABS 수지가 고분자 혼합 수지 전체 중량 중 50 중량% 미만이면, 본 발명의 복합재로 제조한 성형품의 기계적 물성이 떨어질 수 있으며, 90 중량%를 초과하여 사용하면 상대적으로 생분해성 고분자 수지의 사용량이 크게 감소하여, 생분해 효과를 보기 어려울 수 있으므로, 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 그리고, 상기 생분해성 고분자 수지의 사용량은 ABS 수지의 사용량에 따라 상대적으로 정해진 값이다.

상기 폴리카프로락톤은 본 발명에 있어서 상기 ABS 수지와 상기 생분해성 고분자 수지의 상용성을 증대시켜서 인장강도, 충격강도 등의 기계적 강도를 향상시 키는 상용화제 역할을 수행한다. 즉, 상기 폴리카프로락톤은 상기 ABS 수지와 생분해성 수지간의 성질차이를 완화시켜서 마이크로상 분리구조를 형성시키고, 상기 마이크로상 분리구조를 안정화시켜서, ABS 수지와 생분해성 수지의 다리역할을 하여, 이들간의 계면장력(interfacial tension)을 낮추어서 상용성을 향상시키는 역할을 하는 것이다. 그리고, 본 발명의 생분해성 ABS 복합재의 구조는 상기 ABS수지가 매트릭스를 형성하고, 상기 폴리락트산 및/또는 폴리하이드록시 부틸레이트의 생분해성 고분자 수지의 입자가 상기 ABS 매트릭스 안에 분산상을 형성하며 분산되어 미소 상분리 구조이다. 이는, 상기 폴리카프로락톤으로 인하여 ABS 매트릭스 상과 상기 생분해성 고분자 수지의 입자의 접착을 견고히 하고, 생분해성 고분자 수지 입자끼리의 합체를 차단함으로써, 미세한 크기의 분산상이 ABS 매트릭스에 골고루 분산될 수 있기 때문이다.

상기 폴리카프로락톤은 상기 고분자 혼합 수지 100 중량부에 대하여, 1 ~ 15 중량부를, 욱 바람직하게는 5 ~ 10 중량부를 사용하는 것이 좋은데, 1 중량부 미만으로 사용하면 그 사용량이 너무 적어서, 상용성 증대 효과가 떨어지게 되어, 제품의 기계적 물성이 좋지 않을 수 있으며, 15 중량부를 초과하여 사용하면 고분자 계면이 너무 두껍게 형성되어 ABS 수지와 생분해성 수지간의 계면결합력을 오히려 낮춰서 오히려 기계적 물성이 떨어질 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.

또한, 본 발명의 상기 생분해성 ABS 복합재는 그 용도에 따라, 충전제, 유연제, 노화방지제, 내열노화방지제, 산화방지제, 염료, 안료, 촉매 및 분산제 중에서 선택된 1 종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 ABS 복합재는 직경 0.1 ~ 2 ㎛ 크기의, 더욱 바람직하게는 직경 0.1 ~ 1 ㎛ 크기의 분산상이며, 상기와 같이 미세하고 균일한 크기의 분산상을 가짐으로써, 상용성이 향상되고, 결과적으로, ABS 복합재의 기계적 물성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 상기 생분해성 ABS 복합재를 이용하여 제조한 기계적 물성이 향상된 성형품, 특히 자동차 내장재에 관한 것으로서, 압축성형, 압출성형, 사출성형, 취입성형, 진공성형 등을 사용하여 성형품을 제조할 수 있다. 구체적으로 본 발명의 상기 생분해성 ABS 복합재로 성형품을 제조하는 방법의 일례를 소개하면, ABS 수지, 폴리락톤 수지 및 PCL각각을 건조하여 적절한 비율로 드라이 믹싱한 후에, 200 ~ 220℃의 온도 하에서 용융블렌드함으로써 형성될 수 있다. 만약, 에이비에스 복합체의 제조시 이축압출기를 이용하는 경우에는, 상기 온도는 220℃ 정도로 설정하여 용융 블렌드(blend)를 수행할 수 있다.

본 발명의 ABS 복합재는 열가소성 수지 소재로 널리 이용되고 있는 ABS 수지를 포함하는 성형품을 대체하여 사용 가능하고, 내충격성, 고인장력 등이 요구되는 성형품에도 적용가능하여 그 활용성이 매우 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 성형품은 저비용으로 용이하게 제조될 수 있어서, 공정효율이 매우 우수하다.

이하에서는 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 자세하게 설명을 하겠다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

70℃의 진공 오븐에서 ABS 수지, 폴리락트산 수지 및 폴리카프로락톤 각각을 각각 24 시간 동안 건조한 후, 건조된 ABS 수지 80 g 및 건조된 폴리락트산 수지 20 g을 혼합하여, 고분자 혼합수지를 제조하였다. 다음으로 상기 고분자 혼합 수지에 건조된 폴리카프로락톤 5 g을 혼합한 다음, 동방향 이축 압출기(Co-rotating twin screw extruder)에 주입하여 220℃ 온도에서 120 rpm의 속도로 용융압출(melting extrusion)하여 ABS 복합재를 제조하였다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 폴리카프로락톤 10 g을 사용하여 ABS 복합재를 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 폴리카프로락톤을 사용하지 않고서 ABS 복합재를 제조하였다.

비교예 2 ~ 3

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 폴리카프로락톤 대신 말레산 무수물 그래프트 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체(maleic anhydride grafted styrene ethylene butylene styrene block copolymer, 이하 'SEBS-g-MAH'라고 한다.) 5 g과 10 g을 사용하여 ABS 복합재를 각각 제조하여, 비교예 2와 비교예 3을 실시하였다.

실험예 : 충격강도 측정실험

충격강도의 측정은, 상기 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에서 제조된 생분해성 ABS 복합재를 각각 사출성형하여, 가로 75 mm×세로 12.5 mm×높이 3 mm로 잘라서 시편을 제조한 후, ASTM D-256에 의거하여 상온 조건에서 아이조드 방식으로 충격강도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

상기 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3의 충격강도 측정값을 상기 표 1에 나타내었다.

구분	고분자 혼합수지(중량%)		상용화제 함량(중량부)		충격강도 (kgf· cm/cm)
	ABS 수지	폴리락트산 수지	폴리카프로락톤	SEBS-g-MAH
실시예 1	80	20	5	-	5.5
실시예 2	80	20	10	-	7.5
비교예 1	80	20	-	-	2.2
비교예 2	80	20	-	5	2.9
비교예 3	80	20	-	10	4.3

상기 표 1의 결과를 살펴보면, 폴리카프로락톤을 첨가하지 않은 비교예 1의 경우, 충격강도가 매우 낮음을 확인할 수 있고, 이는 ABS 수지와 폴리락트산 수지간의 상용성이 부족으로 인한 결과임을 알 수 있다.

또한, SEBS-g-MAH를 상용화제로 사용한 비교예 2와 비교예 3의 경우, 비교예 1과 비교해 보면, 충격강도가 약간 상승하지만, 본 발명인 실시예 1 ~ 2와 비교해보면, 충격강도 향상 효과가 저조함을 확인할 수 있다.

실험예 2 : 전자주사현미경 관찰 실험

상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 따른 에이비에스 복합체를 사출기를 이용하여 가로 75 mm×세로 12.5 mm×높이 3 mm의 시편으로 제조한 후에, 액체질소에 넣어서 생성된 파단면을 에틸렌아마이드를 이용하여 폴리락톤산을 에칭한 후, 전자주사현미경으로 측정하여 ABS 수지의 모폴리지를 관찰하였으며, 이를 도 1 ~ 3에 각각 나타내었다.

도 1 ~ 도 3을 참조하면, 폴리카프로락톤을 첨가하지 않은 비교예 1의 ABS 복합재의 분산상 크기가 가장 크게 나타났으며, 실시예 1(평균직경 0.5 ㎛)과 실시예 2(평균직경 0.39 ㎛)의 분산상 크기는 비교예1(평균직경 1.47 ㎛)에 비교하여 작은 것을 확인할 수 있다.

이 결과로부터 폴리카프로락톤의 첨가로 인하여 상용성이 없는 고분자 혼합 수지, 즉, ABS 수지와 폴리락톤산 수지 상호 간에 상용성이 증가되었음을 확인할 수 있으며, 이러한 상용성의 증가는 충격강도의 증가와도 일치하는 경향을 보임을 알 수 있다.

상기 실시예 및 실험예를 통하여, 본 발명의 생분해성 ABS 복합재로 제조한 성형품의 기계적 물성이 우수함을 확인할 수 있으며, 상기 성형품의 물성은 자동차 내장재로 사용하기에 적합한 바, 친환경적인 자동차 내장재를 제조하는데 폭 넓게 활용될 것으로 기대된다.

도 1은 실시예 1에서 제조한 ABS 복합재를 이용하여 제조한 성형품의 전자주사현미경 사진이다.

도 2는 상기 실시예 2에서 제조한 ABS 복합재를 이용하여 제조한 성형품의 전자주사현미경 사진이다.

도 3은 비교예 1에서 제조한 ABS 복합재를 이용하여 제조한 성형품의 전자주사현미경 사진이다.

Claims (5)

1. 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS, Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer 수지와 폴리락트산 및 폴리하이드록시 부틸레이트 중에서 선택된 단종 또는 2 종의 생분해성 고분자 수지를 함유한 고분자 혼합 수지; 및 폴리카프로락톤;을 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 ABS 복합재.
2. 제 1 항에 있어서, 고분자 혼합 수지는 상기 ABS 수지 50 ~ 90 중량% 및 상기 생분해성 고분자 수지 10 ~ 50 중량%를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 생분해성 ABS 복합재.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리카프로락톤은 상기 고분자 혼합 수지 100 중량부에 대하여, 1 ~ 10 중량부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 생분해성 ABS 복합재.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재는 직경 0.1 ~ 2 ㎛의 분산상인 것을 특징으로 하는 생분해성 ABS 복합재.
5. 제 1 항 또는 제 4 항 중에서 선택된 어느 한 항의 생분해성 ABS 복합재를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 내장재.

Images