(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개특허공보 (A) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) B32B 27/12 (2006.01) B32B 17/10 (2006.01) C08L 67/04 (2006.01) (21) 출원번호 10-2012-0036605 (22) 출원일자 2012 년 04 월 09 일 심사청구일자 전체청구항수 : 총 11 항 2013 년 02 월 26 일 (54) 발명의명칭친환경고강도수지복합재 (11) 공개번호 10-2013-0114343 (43) 공개일자 2013년10월18일 (71) 출원인 ( 주 ) 엘지하우시스 서울특별시영등포구국제금융로 10, 원아이에프씨 ( 여의도동 ) (72) 발명자 임정섭 경기도군포시금정동진원타워오피스텔 605 호 이응기 경기도군포시산본 2 동동백우성아파트 1308 동 1602 호 ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 특허법인대아 (57) 요약 고강도및경량화특성을가지면서아울러친환경적인고강도수지복합재에대하여개시한다. 본발명에따른친환경고강도수지복합재는제 1 기재 ; 상기제 1 기재상에형성되며, 섬유강화제를포함하는보강재층 ; 및상기보강재층상에형성되는제 2 기재 ; 를포함하고, 상기제 1 기재와제 2 기재중하나이상은 PLA 수지와 PHA 수지를포함하는생분해성수지로형성된것을특징으로한다. 대표도 - 도 3-1 -
(72) 발명자 이민희 경기도군포시대야미동센트럴아이파크 102 동 1404 호 신창학 서울특별시서초구서초 2 동 1360-21 로얄주택 B20 1 호 박구일 경기도용인시수지구신봉동삼성쉐르빌 106-302 - 2 -
특허청구의범위청구항 1 기재 ; 및상기기재의일면또는양면에형성되며, 섬유강화제를포함하는보강재층 ; 을포함하고, 상기기재는 PLA(Poly Lactic Acid) 수지와 PHA(polyhydroxyalkanoate) 수지를포함하는생분해성수지로형성된것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. 청구항 2 제1항에있어서, 상기생분해성수지는상기 PLA 수지 100 중량부에대하여, 상기 PHA 10~50 중량부가혼합되어있는것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. 청구항 3 제1항에있어서, 상기생분해성수지는아이오노머를더포함하는것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. 청구항 4 제1항에있어서, 상기 PHA 수지는하기 [ 화학식 1] 로표시되는반복단위를포함하는것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. [ 화학식 1] ( 화학식 1 에서, R 1 은수소원자이거나치환또는비치환된탄소수 1~15 의알킬기, n 은 1 또는 2) 청구항 5 제1항에있어서, 상기기재는필름, 직포 (Woven Fabric), 부직포 (Nonwoven Fabric) 및펠트 (pelt) 중에서 1종의단층형태이거나, 또는 2종이상이적층된형태인것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. - 3 -
청구항 6 제1항에있어서, 상기섬유강화제는탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 (Aramid Fiber) 및 UHMWPE(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 중에서 1종이상을포함하는것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. 청구항 7 제1기재 ; 상기제1기재상에형성되며, 섬유강화제를포함하는보강재층 ; 및상기보강재층상에형성되는제2기재 ; 를포함하고, 상기제1기재와제2기재중하나이상은 PLA 수지와 PHA 수지를포함하는생분해성수지로형성된것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. 청구항 8 제7항에있어서, 상기생분해성수지는상기 PLA 수지 100 중량부에대하여, 상기 PHA 10~50 중량부가혼합되어있는것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. 청구항 9 제7항에있어서, 상기생분해성수지는아이오노머를더포함하는것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. 청구항 10 제7항에있어서, 상기제1기재및제2기재는필름, 직포, 부직포및펠트중에서 1종의단층형태이거나, 또는 2종이상이적층된형태인것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. 청구항 11 제7항에있어서, 상기섬유강화제는탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유및 UHMWPE 중에서 1종이상을포함하는것을특징으로하는친환경고강도수지복합재. - 4 -
명세서 [0001] 기술분야본발명은고강도수지복합재에관한것으로, 보다상세하게는 PLA(Poly Lactic Acid) 수지와 PHA(polyhydroxyalkanoate) 수지가혼합된블렌드 (blend) 수지를기재 (matrix) 로이용하여고강도, 경량화를가지면서도친환경적인수지복합재에관한것이다. [0002] [0003] [0004] [0005] [0006] [0007] 배경기술고강도수지복합재는열가소성수지와같은수지에섬유가보강된소재를의미한다. 이러한고강도수지복합재는경량화및고강도특성이있다. 통상고강도수지복합재라하면, 섬유강화플라스틱 (FRP) 을의미하는데, 섬유강화플라스틱의경우, 수지내에탄소섬유와같은섬유가함침되어있는형태이다. 그러나, 섬유강화플라스틱의경우, 탄소섬유의함량이증가할수록인장강도가현저히저하되고, 성형성이좋지않은문제점이있다. 또한, 고강도수지복합재에서수지는통상폴리프로필렌 (PP) 수지, 나일론수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 수지와같은상용열가소성수지가이용된다. 그러나, 상용열가소성수지의경우, 사용후폐기되었을때분해가되지않아환경오염의요인이된다. 이러한문제점을해결하기위하여, 최근에는생분해성수지를고강도수지복합재에적용하려고하고있다. 그러나, 생분해성수지의경우, 대체로강도등의물성이상용열가소성수지에비하여좋지않은문제점이있다. 본발명에관련된배경기술로, 대한민국특허공개공보제10-2009-0099215호 (2009.09.22. 공개 ) 에개시된연속섬유가보강된고강도열가소성복합재의제조공정이있다. 발명의내용 [0008] 해결하려는과제본발명의목적은기존의상용열가소성수지를기반으로하는수지복합재와비교하여동등이상의고강도를나타낼수있으며, 아울러자연적으로분해가가능하여친환경성을갖는고강도수지복합재를제공하는것이다. [0009] [0010] [0011] [0012] 과제의해결수단상기목적을달성하기위한본발명의실시예에따른친환경고강도수지복합재는기재 ; 및상기기재의일면또는양면에형성되며, 섬유강화제를포함하는보강재층 ; 을포함하고, 상기기재는 PLA(Poly Lactic Acid) 수지와 PHA(polyhydroxyalkanoate) 수지를포함하는생분해성수지로형성된것을특징으로한다. 이때, 상기생분해성수지는상기 PLA 수지 100 중량부에대하여, 상기 PHA 10~50 중량부가혼합되어있는것이보다바람직하다. 또한, 상기생분해성수지는아이오노머를더포함할수있다. 한편, 상기 PHA 수지는하기 [ 화학식 1] 로표시되는반복단위를포함할수있다. - 5 -
[0013] [ 화학식 1] [0014] [0015] ( 상기화학식 1 에서, R 1 은수소원자이거나치환또는비치환된탄소수 1~15 의알킬기, n 은 1 또는 2) [0016] [0017] 상기목적을달성하기위한본발명의다른실시예에따른친환경고강도수지복합재는제1기재 ; 상기제1기재상에형성되며, 섬유강화제를포함하는보강재층 ; 및상기보강재층상에형성되는제2기재 ; 를포함하고, 상기제1기재와제2기재중하나이상은 PLA 수지와 PHA 수지를포함하는생분해성수지로형성된것을특징으로한다. 이때, 상기제1기재와제2기재모두생분해성수지를포함하는것이바람직하다. [0018] [0019] 발명의효과본발명에따른친환경고강도수지복합재는 PLA 수지와 PHA 수지가혼합된블렌드수지를기재로이용하고, 섬유강화제를이용하여기재상에보강재층을별도로형성한다. 그결과, 기존의상용열가소성수지기반의고강도수지복합재대비동등이상의물성을확보할수있었으며, 또한, 폐기후에는기재의생분해가가능하여친환경성을나타낼수있다. [0020] 도면의간단한설명 도 1 은본발명의실시예에따른친환경고강도수지복합재를개략적으로나타낸것으로, 기재일면에보강재 층이형성되어있는예를나타낸것이다. 도 2는본발명의실시예에따른친환경고강도수지복합재를개략적으로나타낸것으로, 기재양면에보강재층이형성되어있는예를나타낸것이다. 도 3은본발명의실시예에따른친환경고강도수지복합재를개략적으로나타낸것으로, 제1기재와제2기재사이에보강재층이형성되어있는예를나타낸것이다. [0021] [0022] [0023] 발명을실시하기위한구체적인내용본발명의이점및특징, 그리고그것들을달성하는방법은상세하게후술되어있는실시예들및도면을참조하면명확해질것이다. 그러나, 본발명은이하에서개시되는실시예들에한정되는것이아니라서로다른다양한형태로구현될수있으며, 단지본실시예들은본발명의개시가완전하도록하며, 본발명이속하는기술분야에서통상의지식을가진자에게발명의범주를완전하게알려주기위해제공되는것이며, 본발명은청구항의범주에의해정의될뿐이다. 이하, 본발명에따른친환경고강도수지복합재에대하여상세히설명하기로한다. [0024] 도 1 은본발명의실시예에따른친환경고강도수지복합재를개략적으로나타낸것으로, 기재일면에보강재 층이형성되어있는예를나타낸것이다. - 6 -
[0025] [0026] [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] [0032] 도 1을참조하면, 본발명에따른친환경고강도수지복합재는기재 (110) 및보강재층 (120) 을포함한다. 본발명에따른수지복합재에있어, 기재 (110) 는외력에의한하중을, 수지복합재와접하거나연결되는부품등에효과적으로전달해주는역할을하면서, 아울러보강재층 (120) 에포함된섬유강화제를지지하는역할을한다. 기재 (110) 는필름, 직포 (Woven Fabric), 부직포 (Nonwoven Fabric), 펠트 (pelt) 등의형태가될수있다. 또한, 기재 (110) 는단층형태혹은 2층이상적층된형태가될수있다. 이때, 기재 (110) 는생분해성수지를포함한다. 이때, 생분해성수지는 PLA(Poly Lactic Acid) 수지와 PHA(polyhydroxyalkanoate) 수지가혼합된블렌드 (blend) 수지를이용하는것이바람직하다. 본발명의발명자들은 PLA 수지와 PHA 수지가혼합된블렌드수지의경우, 폴리프로필렌 (Polypropylene) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Polyethylene Terephthalate) 수지등과같은상용열가소성수지대비, 동등수준의기계적물성을나타낼수있음을알아내었다. 따라서, 본발명에따른수지복합재는상기의 PLA 수지와 PHA 수지가혼합된블렌드수지를기재로이용함으로써, 강도등의특성이매우우수하고, 아울러폐기후생분해가가능한장점이있다. PHA 수지는하기 [ 화학식 1] 로표시되는반복단위를포함할수있다. [ 화학식 1] [0033] [0034] [0035] ( 화학식 1 에서, R 1 은수소원자이거나치환또는비치환된탄소수 1~15 의알킬기, n 은 1 또는 2) 보다구체적으로, 상기화학식 1 에부합하는반복단위는 n 이 1 이고, R 1 이메틸기인 3- 히드록시부티레이트 (3- hydroxy butyrate), n이 1이고 R 1 이에틸기인 3-히드록시발러레이트 (3-hydroxy valerate), n이 1이고 R 1 이프로필기인 3-히드록시헥사노에이트 (3-hydroxy hexanoate), n이 1이고 R 1 이펜틸기인 3-히드록시옥타노에이트 (3- hydroxy octanoate), n이 1이고 R 1 이탄소수 15의알킬기인 3-히드록시옥타데카노에이트 (3-hydroxy octadecanoate) 등이제시될수있다. [0036] [0037] [0038] [0039] 한편, 본발명에따른수지복합재에서 PLA 수지는강도확보의역할을하며, PHA 수지는 PLA 수지의취성을개선하는역할을한다. 이러한점에서 PLA 수지의함량비가증가할수록강도가높아지고, PHA 수지의함량비가증가할수록인성이증가한다고볼수있다. 본발명에서, PLA 수지와 PHA 수지의혼합비는특별히한정되는것은아니다. 다만, 실험결과, PLA 수지 100 중량부에대하여, PHA 10~50 중량부가혼합되어있는경우가그외의경우에비하여물성이보다우수하였다. 반면, PHA 수지가 PLA 수지 100 중량부에대하여 10중량부미만으로함유된경우, PLA 수지의취성개선이다소불충분할수있다. 또한, PHA 수지가 PLA 수지 100 중량부에대하여 50 중량부를초과하는경우, PHA 수지의응집이발생하여수지복합재의강도가다소저하될수있다. 따라서, PHA 수지는 PLA 수지 100 중량부에대하여, 10~50중량부로혼합되는것이가장바람직하다. [0040] [0041] 또한, 상기생분해성수지는아이오노머 (ionomer) 를더포함할수있다. 아이오노머는반응성상용화제로작용할수있다. 아이오노머는비극성의고분자사슬에소량의이온기가함유되어있는한특별히한정되지않으며, 그예로, α -올레핀과 α,β-불포화카르본산의공중합체, 폴리스티렌에술폰산기가도입되어있는중합체, α-올레핀, - 7 -
α,β- 불포화카르본산및이와각각공중합가능한단량체간의공중합체또는이들의혼합물을 1 4 가의금속 이온으로중화한것을이용할수있다. [0042] 상기아이오노머는 PLA 수지와 PHA 수지합산 100 중량부에대하여, 20 중량부이하로포함되는것이좋다. 아 이오노머의첨가량가 20 중량부를초과하는경우에는미반응된아이오노머가잔류하여내열성이나강도를저하시 킬우려가있다. [0043] [0044] [0045] [0046] [0047] [0048] 보강재층 (120) 은기재일면에형성된다. 또한, 보강재층 (120) 은섬유강화제를포함한다. 보강재층 (120) 은섬유강화제를포함하는시트가기재 (110) 에접착또는압착되어형성될수있다. 또한시트로제작된것이아닌섬유강화제자체도프레싱등에의하여기재에압착되면서보강재층 (120) 이될수있다. 본발명에따른수지복합재에있어서, 보강재층에포함되는섬유강화제는외력에의한하중을지지하는역할을한다. 이러한섬유강화제는탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 (Aramid Fiber), UHMWPE(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 등의산업용섬유가 1종이상포함될수있다. 상기보강재층 (120) 에포함되는섬유강화제은기재 (110) 100 중량부대비 10~100중량부가사용될수있다. 그러나섬유강화제의사용량은반드시이에제한되는것은아니며, 사용용도에따라다양하게변화될수있다. 상기도 1에도시된예에서는기재 (110) 일면에보강재층 (120) 이형성되어있다. 그러나, 보강재층 (120) 은도 2 에도시된예와같이, 기재 (110) 양면에형성되어있을수있다. [0049] [0050] [0051] [0052] [0053] [0054] [0055] [0056] [0057] 도 3은본발명의실시예에따른친환경고강도수지복합재를개략적으로나타낸것으로, 제1기재와제2기재사이에보강재층이형성되어있는예를나타낸것이다. 도 3을참조하면, 도시된친환경고강도수지복합재는제1기재 (310), 보강재층 (320) 및제2기재 (330) 를포함한다. 도 3의도시된예의경우, 구조적으로는제1기재 (310) 와제2기재 (330) 사이에보강재층 (320) 이개재되어있는형태를갖는다. 제1기재 (310) 와제2기재 (330) 는필름, 직포, 부직포및펠트중에서 1종의형태이거나, 또는 2종이상이적층된형태를가질수있다. 이때, 제1기재 (310) 또는제2기재 (330), 보다바람직하게는제1기재 (310) 및제2기재 (330) 모두는생분해성수지를포함한다. 전술한바와같이, 본발명에서는이러한생분해성수지로 PLA 수지와 PHA 수지가혼합된블렌드수지를이용한다. 또한생분해성수지에는아이오노머가포함되어있을수있다. 보강재층 (320) 는제1기재상에형성되며, 섬유강화제를포함한다. 섬유강화제는탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, UHMWPE 등의산업용섬유가 1종이상포함되어있을수있다. 도 3에도시된예의경우, 보강재층 (320) 이제1기재 (310) 와제2기재 (330) 사이에형성되어있으므로, 보강재층 (320) 이기재로부터이탈되는것을최대한억제할수있다. [0058] [0059] [0060] 상술한바와같이, 본발명에따른친환경고강도수지복합재는경량화및고강도특성을나타낼수있을뿐만아니라, 기재로서 PLA 수지와 PHA 수지가혼합된블렌드수지를이용함으로써생분해특성을인하여폐기후자연적인분해가가능하여환경오염예방효과가있다. 또한, 본발명에따른친환경고강도수지복합재의경우, 압착이나접착등의방법만으로도제조가가능하다. 따라서, 기재내부에섬유강화제가함침되는형태의섬유강화플라스틱 (FRP) 에비하여제조공정이가능하다. 또한, 섬유강화플라스틱의경우섬유강화제의함량이과도하게높아지는경우, 인장강도가현저히저하되고, 성형성이좋지않은문제점이있으나, 본발명에따른친환경고강도수지복합재의경우, 섬유강화제를포함 - 8 -
하는보강재층이기재와별도의층에형성되므로, 보강재층에서의섬유강화제의함량혹은밀도를충분히높일 수있다. [0061] [0062] [0063] 실시예이하, 본발명의바람직한실시예를통해본발명의구성및작용을더욱상세히설명하기로한다. 다만, 이는본발명의바람직한예시로제시된것이며어떠한의미로도이에의해본발명이제한되는것으로해석될수는없다. 여기에기재되지않은내용은이기술분야에서숙련된자이면충분히기술적으로유추할수있는것이므로그설명을생략하기로한다. [0064] [0065] [0066] 1. 수지복합재시편의제조 (1) 실시예 1 10cm x 10cm x 0.5mm 사이즈의필름상에탄소섬유 ( 필름중량의 25%) 를배열한후, 프레싱을통하여수지복합재시편을제조하였다. 이때, 필름은 PLA 수지 100 중량부에 PHA 수지가 25중량부블렌드되어있는것을이용하였다. [0067] [0068] (2) 실시예 2 10cm x 10cm x 0.5mm 사이즈의필름상에탄소섬유 ( 필름중량의 25%) 를배열한후, 다시동일한필름을올려놓은후, 프레싱을통하여수지복합재시편을제조하였다. 이때, 2장의필름은 PLA 수지 100 중량부에 PHA 수지가 25중량부블렌드되어있는것을이용하였다. [0069] [0070] (3) 실시예 3 2 장의필름각각에 PLA 수지 100 중량부에대하여설린 1706( 아이오노머, 듀폰제조 ) 10 중량부가더포함된것을 제외하고는실시예 2 와동일한수지복합재시편을제조하였다. [0071] [0072] (4) 실시예 4 탄소섬유의사용량을필름중량의 100% 로한것을제외하고는실시예 2 와동일한방법으로수지복합재시편을 마련하였다. [0073] [0074] (5) 비교예 1 2 장의필름소재로 PET 필름 (LG 화학제조 ) 을이용한것을제외하고는실시예 2 와동일한방법으로수지복합재 시편을마련하였다. [0075] [0076] (6) 비교예 2 PLA 수지 100 중량부와 PHA 수지 25 중량부가블렌딩된용융수지에탄소섬유 30 중량부를교반하여압출한후, 실 시예 1 과동일한사이즈로탄소섬유가 PLA 수지에함침된형태의수지복합재시편을마련하였다. [0077] [0078] (7) 비교예 3 탄소섬유를 PLA 수지 100 중량부에대하여 100 중량부사용한것을제외하고는비교예 2 와동일한방법으로수지 복합재시편을마련하였다. - 9 -
[0079] [0080] [0081] [0082] 2. 물성평가방법실시예 1~4 및비교예 1~3에따른시편들에대하여인장강도및굴곡강도를측정하였다. 인장강도 (Kgf/cm 2 ) 는 ASTM D638에의하여측정하였다. 굴곡강도 (Kgf/cm 2 ) 는 ASTM D790에의하여측정하였다. [0083] [0084] [0085] 3. 물성평가결과 실시예 1~4 및비교예 1~3 에따른시편들에대한물성평가결과를표 1 에나타내었다. [ 표 1] [0086] [0087] [0088] 표 1을참조하면, PET 수지기반의비교예 1에따른수지복합재시편의물성과비교하여볼때, 실시예 1~4에따른수지복합재시편의경우, 동등이상의물성을나타내었다. 이때, 비교예 2에따른수지복합재의기재가생분해가되지않는 PET 필름을기반으로하는것을고려할때, 실시예 1~4에따른수지복합재는동등이상의물성을가지면서생분해가가능하여충분히친환경소재로서활용할수있다. 특히, PLA 수지필름을이용하면서도 3에도시된형태의실시예 2 내지실시예 4에따른수지복합재시편의경우, 강도가보다우수하였으며, 아이오노머가포함된실시예 3에따른수지복합재시편의경우물성이가장우수하였다. 한편, FRP 형태의비교예 2에따른시편의경우, 실시예 1 대비강도가다소낮았으며, 탄소섬유함량이높은비교예 3에따른시편의경우, 인장강도가매우낮게나타났다. [0089] [0090] 본발명은도면에도시된실시예를참고로하여설명되었으나, 이는예시적인것에불과하며, 당해기술이속하는분야에서통상의지식을가진자라면이로부터다양한변형및균등한타실시예가가능하다는점을이해할것이다. 따라서, 본발명의진정한기술적보호범위는아래의특허청구범위에의해서정하여져야할것이다. [0091] 부호의설명 110 : 기재 120 : 보강재층 310 : 제 1 기재 320 : 보강재층 330 : 제 2 기재 - 10 -
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