KR20210082708A - 폴리카보네이트 수지 조성물 및 이로부터 제조되는 성형품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리카보네이트 수지 조성물 및 이로부터 제조되는 성형품에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물은 폴리카보네이트 60 내지 80 중량부; 탄소 섬유(Carbon Fiber) 5 내지 40 중량부; 및 커플링제 0.2 내지 3 중량부;를 포함할 수 있고, 본 발명에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물은 우수한 기계적 특성 및 높은 생산성을 가질 수 있다.
Description
본 발명은 폴리카보네이트 수지 조성물 및 이로부터 제조되는 성형품에 관한 것으로, 보다 구체적으로 우수한 기계적 특성 및 높은 생산성을 가지는 폴리카보네이트 수지 조성물 및 이로부터 제조되는 성형품에 관한 것이다.
열가소성 수지 조성물은 적용례가 광범위하며, 다양한 성형 부품을 생산하는데 사용될 수 있다. 이중 엔지니어링 플라스틱은 높은 강도, 우수한 내열성, 내충격성 및 내약품성 등이 우수하여 가정용품, 전기전자 부품, 자동차, 항공기 등 각 분야에서 사용될 수 있다.
특히, 폴리카보네이트는 상온에서 높은 내충격성을 가지는 등 기계적 물성이 우수하고, 난연성, 내열성 등 열적 물성이 우수하며 치수 안정성이 높은 비결정성 열가소성 수지로 전기전자 제품의 외장재, 자동차 부품, 건축 소재, 광학 부품 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.
더욱 우수한 물성을 구현하기 위하여 폴리카보네이트 수지에 무기 충진제, 탄소 섬유, 유리 섬유 등 다양한 충진제를 혼합하는 연구들이 진행되고 있다. 또한, 폴리에스테르 수지와 폴리카보네이트 수지를 블렌딩 하는 방법이 있으나, 폴리에스테르 수지와 폴리카보네이트 수지는 용융 점도 및 분자 구조가 서로 상이하기 때문에, 이들을 단순히 블렌딩하는 것으로는 내열성을 향상시키는 데 일정한 한계가 있다.
또한, 폴리카보네이트의 기계적 물성, 특히 내열성을 유지하면서 내화학성을 증대시키기 위하여 다양한 방법이 사용되고 있으나, 내화학성의 향상 정도가 실제 산업상 적용할 수 있을 정도로 충분하지 못했으며, 제조되는 제품의 외관 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
최근 성형품은 점차 박육화, 대형화되고 있고, 높은 수준의 외관 품질이 요구되고 있다. 특히, TV, 냉장고 등의 하우징과 같은 대형 부품의 경우, 사출 성형 및 제품 조립 후 수지의 후수축이 발생하면서 치수변화 및 금속재와의 접촉에 따른 스트레스(stress) 증가로 체결 불량, 크랙(crack) 발생 등과 같은 문제가 발생하여, 후수축을 저감시킬 수 있는 소재의 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-2043095호는 폴리카보네이트 수지 50 내지 80 중량%, 방향족 비닐 화합물-공액디엔계 화합물-비닐시안 화합물 공중합체 5 내지 20 중량%, 인계 난연제 5 내지 30 중량%, 및 판상형, 구형 또는 이들의 혼합 무기 충진제 0.1 내지 7 중량%를 포함하는 폴리카보네이트 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품을 개시하고 있다.
한국공개특허 제2019-0123168호는 폴리카보네이트 및 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체와 함께 메틸메타아크릴레이트-부타디엔 공중합체를 충격 보강제로 포함하는 폴리카보네이트계 수지 조성물을 개시하고 있다.
한국공개특허 제2019-0125583호는 폴리카보네이트 수지, 폴리실록산-폴리카보네이트 공중합체 수지, 실리콘 검(gum), 금속 무기화합물, 인계 난연제, 및 무기 충진제를 포함하는 폴리카보네이트 수지 조성물을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 우수한 기계적 특성 및 높은 생산성을 가지는 폴리카보네이트 수지 조성물 및 이로부터 제조되는 성형품을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 폴리카보네이트 60 내지 80 중량부; 탄소 섬유(Carbon Fiber) 5 내지 40 중량부; 및 커플링제 0.2 내지 3 중량부;를 포함하는 폴리카보네이트 수지 조성물을 제공한다.
상기 탄소 섬유는 길이가 15 내지 30mm일 수 있다.
상기 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴계일 수 있다.
상기 탄소 섬유는 입경이 5 내지 10㎛일 수 있다.
상기 커플링제는 제1 티타늄계 커플링제 0.1 내지 1.5 중량부 및 제2 중합성 에틸렌계 커플링제 0.1 내지 1.5 중량부를 포함할 수 있다.
상기 커플링제는 하기 화학식으로 표시되는 티타늄계 커플링제를 포함할 수 있다.
[화학식]
상기 커플링제는 중합성 에틸렌계 커플링제를 포함하고, 상기 중합성 에틸렌계 커플링제는 산기(Acid radical) 50 내지 70 mgKOH/g를 포함할 수 있다.
상기 폴리카보네이트는 비스페놀 A(bisphenol A, 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)propane)와 포스겐(phosgene)을 반응시켜 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물로 형성되는 성형품을 제공한다.
상기 성형품은 정밀 기계, 자동차, 전기전자기기, 가전기기, 사무기기 또는 생활용품용 내외부 부품일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물은 우수한 기계적 특성 및 높은 생산성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물은 유동성이 증가되어 폴리카보네이트와 탄소섬유(Carbon Fiber)의 혼합시 발생되는 생산기계의 부하수치를 낮추어 생산성을 높일 수 있고, 폴리카보네이트 수지 성형품의 인장 강도, 굴곡 강도, 충격 강도, 굴곡 탄성률이 우수한 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 티타늄계 커플링제에 의하여 폴리카보네이트와 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유의 계면에 자유전자가 증대될 수 있고, 강한 화학적 결합이 유도되어 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
또한 중합성 에틸렌계 커플링에 의하여 폴리카보네이트와 탄소 섬유의 혼합시 발생되는 생산기계의 부하수치를 낮추고, 분산성을 높여주며 폴리카보네이트의 인성(Toughness)을 높여 줄 수 있다. 이에 따라 충격 강도를 향상시키고, 길이가 긴 탄소 섬유를 사용함에 따라 저하될 수 있는 생산성을 높이고, 품질 균일성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물은 고가의 수입품을 대체할 수 있을 것으로 예상되며, 이에 따라 비용 절감이 가능할 것으로 기대된다.
이하, 본원의 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시형태를 들어 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 단계가 다른 단계와 “상에”또는 “전에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 단계가 다른 단계와 직접적 시계열적인 관계에 있는 경우 뿐만 아니라, 각 단계 후의 혼합하는 단계와 같이 두 단계의 순서에 시계열적 순서가 바뀔 수 있는 간접적 시계열적 관계에 있는 경우와 동일한 권리를 포함할 수 있다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 용어 “~ (하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명은 폴리카보네이트 수지 조성물 및 상기 조성물로 제조되는 성형품에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물은 유동성이 증가되어 폴리카보네이트와 탄소섬유(Carbon Fiber)의 혼합시 발생되는 생산기계의 부하수치를 낮추어 생산성을 높일 수 있고, 폴리카보네이트 수지 성형품의 인장 강도, 굴곡 강도, 충격 강도, 굴곡 탄성률이 우수한 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 측면은 폴리카보네이트 60 내지 80 중량부; 탄소 섬유(Carbon Fiber) 5 내지 40 중량부; 및 커플링제 0.2 내지 3 중량부;를 포함하는 폴리카보네이트 수지 조성물에 관한 것이다.
폴리카보네이트는 열가소성 수지로, 비결정성이기 때문에 투명하고, 기계적 강도가 높으며, 내열성ㆍ전기 절연성이 뛰어나다. 충격강도는 열가소성 수지 중 가장 높으며, 흡습으로 인한 치수 변화가 적고, 온도 변화에 따른 물리적 특성이 안정된 환경 변화에 강한 엔지니어링 플라스틱이다.
본 발명의 일 실시형태에서는 비스페놀 A(bisphenol A, 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)propane)와 포스겐(phosgene)을 반응시켜 제조된 폴리카보네이트를 사용할 수 있다.
본 발명에서는 커플링제를 사용함에 따라 폴리카보네이트와 탄소 섬유의 강한 결합력을 유도하여 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있다.
상기 폴리카보네이트는 60 내지 80 중량부가 사용될 수 있다. 상기 함량이 60 중량부 미만이면 외관 품질이 저하될 수 있고, 상기 함량이 80 중량부를 초과하면 기계적 특성이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 탄소 섬유(Carbon Fiber)는 입경(particle diameter)이 5 내지 10㎛일 수 있다. 또한 탄소 섬유는 길이가 15 내지 30mm일 수 있다.
길이가 짧은 탄소 섬유, 즉 쇼트칩(Short Chip, 예를 들면, 3 내지 6mm)을 사용하면 생산성이 안정되고, 품질 안정성이 확보될 수 있으나, 우수한 물성을 얻기 어려울 수 있다.
그러나 길이가 긴 탄소 섬유를 사용하면 상대적으로 짧은 탄소 섬유를 사용한 경우보다 높은 물성을 나타내지만 생산이 매우 불안정하게 되고, 전체적인 물성의 균일성이 떨어져 품질 안정성에 취약할 수 있다. 또한 성형품 표면이 매우 거칠고 균일하지 않을 수 있다. 즉, 높은 물성과 함께 품질 안정성을 확보하기 어려울 수 있다.
그러나 본 발명의 일 실시형태에 따르면 15 내지 30mm일의 장섬유를 사용할 수 있다. 길이가 긴 탄소 섬유를 사용하더라도 중합성 에틸렌계 커플링제에 의하여 유동성(MFI)이 증가되어 압출기의 과부하를 줄여 높은 생산성을 유지할 수 있고, 우수한 기계적 물성을 제공할 수 있다.
상기 탄소 섬유의 길이가 15 mm 미만이면 우수한 기계적 물성을 달성하기 어려울 수 있고, 30mm를 초과하면 압출기의 과부하 발생 또는 외관 품질이 저하될 수 있다. 또한, 탄소 섬유(Carbon Fiber)의 입경(particle diameter)이 5 내지 10㎛의 범위를 벗어나면 압출기의 과부하 발생 또는 외관 품질이 저하될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴계(Polyacrylonitrile, PAN) 탄소 섬유일 수 있다.
상기 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유는 화학반응이 일어나지 않는 불활성 상태에서 1000℃ 내지 1500℃의 열로 탄화시켜 제조된 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유일 수 있다.
폴리카보네이트 수지 성형품의 물성은 폴리카보네이트와 강화재로 사용되는 탄소 섬유의 물성에 영향을 받지만, 폴리카보네이트와 탄소 섬유의 화학적 결합, 카르복실(-COOH), 카르보닐(C=O), 하이드록실(-OH) 등의 관능기의 계면과 계면의 결합이 기계적 특성을 결정하는 중요한 역할을 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 티타늄계 커플링제에 의하여 폴리카보네이트와 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유의 계면에 자유전자가 증대될 수 있고, 강한 화학적 결합이 유도되어 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 탄소 섬유는 5 내지 40 중량부를 사용할 수 있다. 상기 함량이 5 중량부 미만이면 우수한 기계적 물성을 얻기 어려울 수 있고, 40 중량부를 초과하면 성형품의 외관 품질이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 커플링제는 0.2 내지 3 중량부를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 2종류의 커플링제를 사용할 수 있다. 제1 커플링제는 티타늄계 커플링제일 수 있다.
상기 제1 커플링제는 0.1 내지 1.5 중량부를 사용할 수 있다.
상기 티타늄계 커플링제는 헤테로 원자를 포함함으로써 폴리카보네이트와 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소 섬유의 계면에서 강한 결합력을 유도할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 티타늄계 커플링제는 하기 화학식으로 표시될 수 있다.
[화학식]
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 티타늄계 커플링제의 분자식은 C60H123O15P3Ti 일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 제2 커플링제는 중합성 에틸렌계(Polymerization ethylene, PE)일 수 있다. 또한 상기 제2 커플링제는 산기(Acid radical) 50 내지 70mgKOH/g, 구체적으로 60 mgKOH/g를 포함할 수 있다.
상기 제2 커플링제는 핵제(Nucleating agent)로써 폴리카보네이트와 탄소 섬유의 혼합시 발생되는 생산기계의 부하수치를 낮추고, 분산성을 높여주며 폴리카보네이트의 인성(Toughness)을 높여 줄 수 있다. 이에 따라 충격 강도를 향상시키고, 길이가 긴 탄소 섬유를 사용함에 따라 저하될 수 있는 생산성을 높이고, 품질 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리카보네이트 수지 조성물은 상기 성분 이외에 폴리카보네이트 수지 조성물의 제조에 통상적으로 사용되는 산화방지제 또는 윤활제를 추가로 포함할 수 있다.
이에 제한되지 않으나, 예를 들면, 산화방지제는 포스파이트 계열을 사용할 수 있고, 윤활제는 모노글리세라이드 계열, 스테아레이트 계열, 또는 지방산 계열을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 폴리카보네이트 수지 조성물로 제조되는 성형품에 관한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물은 우수한 기계적 특성 및 높은 생산성을 가질 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물은 유동성이 증가되어 생산기계의 부하수치를 낮추어 생산성을 높일 수 있고, 우수한 인장 강도, 굴곡 강도, 충격 강도, 굴곡 탄성률을 가질 수 있다.
이에 제한되지 않으나, 본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물을 압출 및 사출하여 성형품을 제조할 수 있다. 상기 압출 및 사출 방법은 당업계에 통상적으로 사용되는 방법을 사용할 수 있다.
상기 성형품은 이에 제한되지 않으나, 예를 들면 정밀 기계, 자동차, 전기전자기기, 가전기기, 사무기기 또는 생활용품용 내외부 부품일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예
폴리카보네이트(SABIC PC143R) 68중량%, 탄소섬유(TORAY T700) 30중량%, 커플링제 2종류(일본 Mitsui Chemicals, Hi wax 1105A, 미국 Kenrich Petrochemical사, Lica) 2%를 혼합하여 시험편을 제작하였다.
압출기는 트윈(Twin) 2축 압출기를 이용하였고, 압출 온도는 투입구 240℃~260℃, 믹싱 존 260℃~290℃, 다이스 290℃~320℃로 온도를 설정하고, 탄소 섬유의 투입은 압출기 전체의 2/3지점에서 사이드 피딩(side feeding)하여 탄소 섬유의 깨짐을 방지하였으며, 내부의 스크류(screw) 조합은 사이드 존(side zone) 구간에서부터는 소프트(soft)배열을 하고, 스크류 속도(screw speed)는 300rpm을 유지하며 250kg/hrs 케이퍼빌리티(Capability)로 생산하였다.
비교예
상기 실시예와 같이 시험편을 제작하되, 사용되는 탄소 섬유의 길이 및 커플링제의 사용 유무는 하기 표 1에 나타내었다.
실시예1 | 실시예 2 | 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 | 비교예4 | 비교예5 | 비교예6 | |
탄소섬유 | 15mm | 30mm | 3mm | 6mm | 15mm | 30mm | 3mm | 6mm |
커플링제 | 사용 | 사용 | 미사용 | 미사용 | 미사용 | 미사용 | 사용 | 사용 |
[결과 및 평가]
1. 물성측정
상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 시험편에 대하여 ASTM 방법으로 물성을 측정하였으며, 이를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예1 | 실시예 2 | 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 | 비교예4 | 비교예5 | 비교예6 | |
인장강도 (kgf/㎠) |
1,880 | 2,320 | 1,100 | 1,250 | 1,520 | 1,800 | 1,250 | 1,510 |
굴곡강도 (kgf/㎠) |
2,940 | 3,270 | 1,850 | 2,480 | 2,760 | 2,920 | 2,450 | 2,670 |
충격강도 (kgf·㎝/㎝) |
13 | 15 | 6 | 8 | 10 | 12 | 7 | 11 |
외관형태 (육안검사) |
◎ | ○ | ◎ | ◎ | △ | X | ◎ | ◎ |
상기 표 2를 참조하면, 15mm~30mm의 장섬유와 커플링를 사용하는 경우 기계적 물성과 외관 형태가 우수한 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로 비교예 3 및 비교예 4는 장섬유를 사용하였으나, 커플링제를 사용하지 않아 기계적 물성이 우수한 편이나, 외관 형태가 불량하였다. 또한, 비교예 5 및 비교예 6은 커플링제를 사용했지만 탄소섬유의 길이가 짧아 충분한 기계적 물성을 얻지 못하였다. 또한, 비교예 1 및 비교예 2는 단섬유를 사용하여 외관 형태는 우수하나, 기계적 물성이 좋지 않다.
2. 타사제품과 비교
상기 실시예 1 및 2와 외국 제품(미국 RTP사, RTP PC CF30)과 비교하였다.
실시예1 | 실시예 2 | R사 | |
비중(kg/㎥) | 1.32 | 1.32 | 1.32 |
인장강도(kgf/㎠) | 1,880 | 2,320 | 1,620 |
굴곡강도(kgf/㎠) | 2,940 | 3,270 | 2,455 |
충격강도(kgf·㎝/㎝) | 13 | 15 | 11 |
외관형태(유관검사) | ◎ | ○ | ◎ |
상기 표 3을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 제품은 R사의 제품과 비교하여 인장강도, 굴곡강도,충격강도가 매우 우수한것을 알 수 있다. R사의 제품은 당업계에서 세계 최고 수준의 품질을 가지는 것으로 알려져 있으며, 많이 사용되고 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물은 고가의 수입품을 대체할 수 있을 것으로 예상되며, 이에 따라 비용 절감이 가능할 것으로 기대된다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 특정 구체예에 대한 다수의 균등물에 대해, 당업자는 일상적 실험을 사용하여 이를 인식하거나, 또는 확인할 수 있을 것이다. 이러한 균등물은 다음의 청구범위에 포함되는 것으로 의도된다. 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석될 수 있다.
Claims (10)
- 폴리카보네이트 60 내지 80 중량부; 탄소 섬유(Carbon Fiber) 5 내지 40 중량부; 및 커플링제 0.2 내지 3 중량부;를 포함하는 폴리카보네이트 수지 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소 섬유는 길이가 15 내지 30mm인 폴리카보네이트 수지 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴계인 폴리카보네이트 수지 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소 섬유는 입경이 5 내지 10㎛인 폴리카보네이트 수지 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 커플링제는 제1 티타늄계 커플링제 0.1 내지 1.5 중량부 및 제2 중합성 에틸렌계 커플링제 0.1 내지 1.5 중량부를 포함하는 폴리카보네이트 수지 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 커플링제는 중합성 에틸렌계 커플링제를 포함하고, 상기 중합성 에틸렌계 커플링제는 산기(Acid radical) 50 내지 70 mgKOH/g를 포함하는 폴리카보네이트 수지 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 폴리카보네이트는 비스페놀 A(bisphenol A, 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)propane)와 포스겐(phosgene)을 반응시켜 제조된 것인 폴리카보네이트 수지 조성물.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 폴리카보네이트 수지 조성물로 형성되는 성형품.
- 제9항에 있어서,
상기 성형품은 정밀 기계, 자동차, 전기전자기기, 가전기기, 사무기기 또는 생활용품용 내외부 부품인, 성형품.
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Cited By (2)
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WO2023200245A1 (ko) * | 2022-04-13 | 2023-10-19 | 주식회사 엘지화학 | 재활용 플라스틱 합성용 단량체 조성물, 이의 제조방법, 그리고 이를 이용한 재활용 플라스틱, 및 성형품 |
WO2023200247A1 (ko) * | 2022-04-13 | 2023-10-19 | 주식회사 엘지화학 | 재활용 플라스틱 합성용 단량체 조성물, 이의 제조방법, 그리고 이를 이용한 재활용 플라스틱, 및 성형품 |
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