KR101856499B1 - 가압식 냉각수 리저버 탱크용 폴리프로필렌 수지 조성물 - Google Patents

가압식 냉각수 리저버 탱크용 폴리프로필렌 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리프로필렌 수지 50 내지 95 중량%; 유리 섬유 1 내지 5 중량%; 충전제 1 내지 15 중량%; 산화방지제 0.01 내지 1 중량%; 및 핵제 0.1 내지 3 중량%를 포함하는, 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물에 관한 것으로서, 상기 자동차용 가압식 냉각수 리저버 탱크용 폴리프로필렌 수지 조성물은 투명성을 유지하면서 기계적 강도 및 내열성을 향상시켜 140℃ 이상의 온도에서 냉각 기능을 유지할 수 있고, 종래의 폴리아마이드 66의 낮은 시인성을 개선하여 사용자가 냉각수의 수위를 육안으로 쉽게 확인할 수 있다.

Description

가압식 냉각수 리저버 탱크용 폴리프로필렌 수지 조성물{POLYPROPYLENE RESIN COMPOSITION FOR PRESSURE TYPE COOLANT RESERVOIR TANK}
본 발명은 기계적 강도, 크리프성, 투명성 및 내열성이 우수한 가압식 냉각수 리저버 탱크용 폴리프로필렌 수지 조성물에 관한 것이다.
최근 터보차저(turbo charger)와 같이 엔진의 성능 향상 기술이 발전함에 따라 엔진의 냉각 기술에 대한 개선의 필요성이 증대하고 있다. 가압식 엔진 냉각 시스템은 냉각 기술의 일종으로, 대부분의 엔진 냉각 시스템에 사용되고 있다.
상기 엔진 냉각 시스템에서 냉각수의 압력을 댐퍼(damper)하는 리저버 탱크 또한 가압식으로 전환되고 있는데, 최근에는 엔진의 성능 향상과 함께 가압식 리저버 탱크 내 냉각수의 온도가 기존 129℃ 에서 140℃ 이상까지 증대되고 있다. 이에 가압식 리저버 탱크의 내열성을 개선하기 위한 연구가 지속적으로 이루어졌다.
일례로, 일본공개특허 제2002-275327호에서는 폴리프로필렌 단독 중합체 30~50 wt%, 폴리프로필렌-α-올레핀 랜덤 공중합체 50~70 wt%를 포함하는 프로필렌 중합체 조성물에 관해 개시되어 있으나, 내열성이 취약한 단점이 있다.
최근 대부분의 자동차용 가압식 리저버 탱크 제조 관련 업체들은 내열성을 향상시키기 위해 핵제 처방 기술등을 이용하여 폴리프로필렌의 결정성을 향상시킨 고결정 폴리프로필렌 또는 일반 폴리프로필렌보다 열변형온도가 높은 분지형 폴리프로필렌(branched polypropylene)을 사용하거나, 원천적으로 내열성을 향상시키기 위해 폴리아마이드 66를 사용하고 있다.
그러나, 고결정의 폴리프로필렌 또는 분지형 폴리프로필렌의 열변형 온도는 일반 폴리프로필렌의 열변형온도 100℃보다 약 30℃ 정도 향상시켰을 뿐, 130℃를 초과하는 온도, 특히 140℃ 이상 온도에서의 내열성이 요구되는 가압식 리저버 탱크에 사용하기에는 한계가 있다.
또한, 폴리아마이드 66을 사용하는 경우에는 내열성을 비롯하여 기계적 물성까지 향상시킬 수 있으나, 광 투과율이 35% 미만으로 낮아 사용자가 냉각수의 수위를 육안으로 확인하는데 어려움이 있다. 또한, 상기 폴리아마이드 66은 폴리프로필렌에 비해 소재의 가격이 높아 경제적인 측면에서도 불리하다는 한계점이 있다.
일본공개특허 제2002-275327호
본 발명의 목적은 가압식 리저버 탱크의 사출 성형시, 폴리프로필렌의 투명성을 저해하지 않으면서 내열성 및 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공하고자 한다. 또한, 상기 폴리프로필렌 수지 조성물을 사용하여, 시인성, 내열성 및 기계적 강도가 향상된 리저버 탱크를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 일 실시예는,
폴리프로필렌 수지 50 내지 95 중량%; 유리 섬유 1 내지 5 중량%; 충전제 1 내지 15 중량%; 산화방지제 0.01 내지 1 중량%; 및 핵제 0.1 내지 3 중량%를 포함하는, 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물은 투명성을 유지하면서 기계적 강도 및 내열성을 향상시켜 140℃ 이상의 온도에서 냉각 기능을 유지할 수 있고, 종래의 폴리아마이드 66의 낮은 시인성을 개선하여 사용자가 냉각수의 수위를 육안으로 쉽게 확인할 수 있다. 또한, 폴리아마이드 66보다 낮은 가격을 갖는 폴리프로필렌을 주 원료로 사용함으로써 제품의 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 실시예는 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 폴리프로필렌 수지 50 내지 95 중량%; 유리 섬유 1 내지 5 중량%; 충전제 1 내지 15 중량%; 산화방지제 0.01 내지 1 중량%; 및 핵제 0.1 내지 3 중량%를 포함하는, 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물을 제공한다.
상기 폴리프로필렌 수지는 당 업계에서 사용하는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 전체 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 50 내지 95 중량%, 또는 80 내지 95중량%의 양으로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리프로필렌 수지는 230℃에서 1.0 내지 100.0g/10분, 또는 1.0 내지 10.0g/10분의 용융 지수(melt index;MI)를 가질 수 있다.
상기 폴리프로필렌 수지의 용융 지수가 상기 범위 내일 때, 가압식 리저버 탱크의 성형이 용이하다.
상기 유리 섬유는 당 업계에서 사용하는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 구체적으로 상기 유리 섬유의 평균 직경이 1 내지 30 ㎛이고, 상기 유리 섬유의 평균 길이는 100 내지 1,500 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유리 섬유는 전체 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%, 구체적으로 1 내지 20 중량%, 더욱 더 구체적으로 1 내지 5 중량%의 양으로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유리 섬유의 함량이 상기 범위일 때 상기 조성물의 광투과율을 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상으로 높일 수 있고, 헤이즈를 50% 이하, 바람직하게는 35% 이하로 감소시킬 수 있어, 상기 수지 조성물을 이용하여 제조한 리저버 탱크의 시인성을 우수하게 유지할 수 있다.
또한, 상기 유리 섬유는 실란 커플링제 또는 티타네이트 커플링제로 코팅된 것일 수 있다. 이 때, 상기 실란 커플링제 또는 티타네이트 커플링제는 상기 유리 섬유의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 1 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 유리섬유가 실란 커플링제 또는 티타네이트 커플링제로 상기 함량으로 코팅된 경우, VOC의 절감 및 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다.
상기 충전제는 나노 단위의 크기를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 충전제의 입자 크기는 10 내지 500 nm일 수 있다. 구체적으로 상기 충전제의 입자 크기는 10 내지 250 nm, 더욱 구체적으로는 10 내지 100 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 충전제의 입자 형태는 구형, 침상형, 판상형, 섬유형 및 버블형으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상일 수 있다.
상기 입자 크기는, 상기 충전제의 입자 형태가 구형인 경우 단면적 중 최대 면적의 지름을 의미하고, 상기 충전제의 입자 형태가 침상형인 경우 평균 지름을 의미하고, 상기 충전제의 입자 형태가 판상형인 경우 두께를 의미하고, 상기 충전제의 입자 형태가 섬유형인 경우 평균 지름을 의미하고, 상기 충전제의 입자 형태가 버블형인 경우 단면적 중 최대 면적의 지름을 의미한다.
또한, 상기 충전제의 입자 형태가 침상형, 판상형 및 섬유형으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상인 경우, 상기 충전제는 50 내지 5,000의 종횡비를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 50 내지 1,000의 종횡비를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 충전제는 전체 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 15 중량%, 구체적으로 2 내지 15 중량%, 더욱 더 구체적으로 4 내지 15 중량%의 양으로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
나아가, 상기 충전제는 무기 및/또는 유기 충전제를 포함할 수 있다.
상기 충전제는 무기 충전제를 포함할 수 있고, 상기 무기 충전제가 클레이, 탈크, 현무암 섬유 및 탄산칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 클레이일 수 있다. 상기 무기 충전제는 50 nm 입자 크기를 갖는 클레이일 수 있고, 더 구체적으로는 50 nm의 두께를 갖는 판상형 클레이일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 충전제는 유기 충전제를 포함할 수 있고, 상기 유기 충전제가 셀룰로오스 및 동물의 털로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 셀룰로오스는 아마(flax), 대마(hemp), 황마(jute), 케나프(kenaf), 아바카(abaca), 대나무(bamboo) 등의 식물성 셀룰로오스계 유기 섬유일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 유기 충전제는 셀룰로오스일 수 있다.
또한, 상기 충전제는 무기 충전제 및 유기 충전제를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무기 충전제가 상기 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 3 중량%의 양으로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 충전제의 함량이 상기 범위일 때, 인장 강도, 내크리프성 및 충격 강도 등 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 충전제는 무기 충전제 및 유기 충전제를 포함할 수 있고, 상기 무기 충전제가 클레이이고 상기 유기 충전제가 셀룰로오스일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 일 실시예는 산화방지제, 내스크레치제, 핵제, 활제, 자외선 안정제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제들을 추가적으로 포함함으로써 가압식 리저버 탱크의 내열성 및 시인성을 보다 더 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 산화방지제는 모노페놀계, 및 비스페놀계를 포함하는 페놀계, 및 고분자형 페놀아민계로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 산화방지제는 0.01 내지 1 중량%, 또는 0.01 내지 0.5 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 범위 내일 때, 가압식 리저버 탱크 압출, 사출 성형 등의 가공 시, 산화 및 열화 반응을 억제하여 불량 발생을 줄일 수 있다.
또한, 상기 산화방지제는 과산화물 분해제를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 산화 방지제는 과산화물 분해제를 상기 조성물의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 1.0 중량%, 또는 0.1 내지 0.5 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 또한 상기 과산화물 분해제는 디라우릴 티오디프로피오네이트, 또는 디스테아릴 티오디프로피오네이트일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 내열성 향상 및 가압식 리저버 탱크의 외관 품질을 보다 우수하게 유지할 수 있다.
상기 핵제는 예컨대, 솔비톨계일 수 있고, 구체적으로, 벤질리덴 솔비톨, 메틸벤질리덴 솔비톨, 에틸벤질리덴 솔비톨 및 디(p-메틸벤질리덴) 솔비톨) 등일 수 있다. 상기 핵제는 0.1 내지 10 중량%, 또는 0.1 내지 3 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 상기 범위 내일 때, 폴리프로필렌 수지 조성물의 투명성을 저해시키지 않으면서 조성물 내 폴리프로필렌 수지의 결정화 속도를 높일 수 있다.
상기 제조된 폴리프로필렌 수지 조성물은 당 업계에서 통용되는 가압식 리저버 탱크 일련의 제조 공정에 의해 사출 성형될 수 있으며, 구체적으로, 사출성형, 압출 성형 등의 공정을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 가압식 냉각수 리저버 탱크용 폴리프로필렌 수지 조성물은 투명성을 유지하면서 종래의 폴리프로필렌보다 인장강도, 인장탄성율, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 충격강도, 크리프성 등의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 내열성을 향상시켜 140℃ 이상의 온도에서 냉각 기능을 유지할 수 있고, 종래의 폴리아마이드 66의 낮은 시인성을 개선하여 사용자가 냉각수의 수위를 육안으로 쉽게 확인할 수 있다. 또한, 폴리아마이드 66보다 낮은 가격을 갖는 폴리프로필렌을 주 원료로 사용함으로써 제품의 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
상기 내용을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 실시예의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4 의 제조
하기 표 1에 기재된 구성 성분 및 함량을 혼합하여 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에 따른 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물을 제조하였다.
구성 성분
(단위 : g)		 실시예 비교예
1 2 3 1 2 3 4
폴리프로필렌 88.6 84.6 77.6 76.6 82.6 92.6 76.6
유리섬유 5.0 5.0 5.0 6.0 0.0 5.0 5.0
나노클레이 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 0.0 4.0
나노셀룰로오스 1.0 5.0 12.0 12.0 12.0 0.0 12.0
페놀계 산화방지제 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
과산화물분해제 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
핵제 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
평가예 1 : 비중
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지 조성물을 ASTM D-1238 방법에 의하여 상온에서 비중을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
평가예 2 : 인장강도
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지 조성물로 제조된 시편을 ASTM D-638 방법에 의하여 만능재료시험기(UTM ; Universal Testing Machine)를 이용하여 측정하였고 이때 만능재료시험기의 크로스-헤드 속도는 50 mm/min이고, 게이지 길이는 50mm로 설정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
평가예 3 : 신율
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지 조성물로 제조된 시편을 ASTM D-638 방법에 의하여 만능재료시험기(UTM ; Universal Testing Machine)를 이용하여 측정하였고 이때 만능재료시험기의 크로스-헤드 속도는 50 mm/min이고, 게이지 길이는 50mm로 설정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
평가예 4 : 굴곡강도
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지 조성물로 제조된 시편을 ASTM D-790 방법에 의하여 만능재료시험기(UTM ; Universal Testing Machine)를 이용하여 측정하였고 이때 만능재료시험기의 크로스-헤드 속도는 10 mm/min이고, 게이지 길이는 10mm로 설정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
평가예 5 : 굴곡탄성율
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지 조성물로 제조된 시편을 ASTM D-790 방법에 의하여 만능재료시험기(UTM ; Universal Testing Machine)를 이용하여 측정하였고 이때 만능재료시험기의 크로스-헤드 속도는 10 mm/min이고, 게이지 길이는 10mm로 설정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
평가예 6 : IZOD 충격강도
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지 조성물로 제조된 시편을 ASTM D-256 방법에 의하여 노치된 시편편을 이용하여 상온에서 아이조드 충격강도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
평가예 7 : 열변형온도
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지 조성물을 ASTM D-648 방법에 의하여 의거하여 시편에 18.6kgf/㎝2의 하중을 주고 주변 유체온도를 2℃/min의 속도로 상승시켰을 때 시편의 변형이 0.254㎜에 달한 때의 온도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다
평가예 8 : 광투과율
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지 조성물을 ASTM D-1003 방법에 의하여 3mm 시트를 기준으로 200~900nm의 파장범위에서 광투과율을 측정하여 최대값 및 최소값을 제외한 5개 값에 대한 평균치를 취하여 헤이즈를 구하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
평가예 9 : 헤이즈
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 수지 조성물을 ASTM D-1003 방법에 의하여 5cm × 5cm 크기로 절편하여 헤이즈 측정기에 넣고 555nm 파장의 빛을 투과시켜 헤이즈(Haze; %)를 측정하여 최대값 및 최소값을 제외한 5개 값에 대한 평균치를 취하여 헤이즈를 구하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
시험 항목 실시예 비교예
1 2 3 1 2 3 4
비중(g/ml) 0.98 0.98 0.98 0.99 0.95 0.96 0.99
인장강도(MPa) 67 72 78 85 60 62 81
신율(%) 10 12 15 18 7 9 17
굴곡강도(MPa) 81 94 102 115 72 78 108
굴곡 탄성율(MPa) 2850 3280 3590 3750 2250 2750 3610
IZOD 충격강도(J/m) 48 55 62 70 32 42 62
열변형온도(℃) 137 142 151 155 127 130 153
광투과율(%) 87 83 80 76 91 88 77
헤이즈(%) 28 32 35 45 22 26 43
상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 3은 비교예 1 내지 4에 비해, 인장강도, 신율, 굴곡강도, 굴곡 탄성율, IZOD 충격강도 및 열변형온도 등 기계적 물성이 우수하면서도, 광투과율이 높고 헤이즈가 낮아 시인성 또한 확보됨을 확인할 수 있었다.

Claims (11)

  1. 폴리프로필렌 수지 50 내지 95 중량%;
    유리 섬유 1 내지 5 중량%;
    나노 클레이 0.1 내지 3 중량%;
    나노 셀룰로오스 1 내지 12 중량%;
    산화방지제 0.01 내지 1 중량%; 및
    핵제 0.1 내지 3 중량%를 포함하고,
    상기 나노 클레이의 두께는 10 내지 100 nm이고,
    상기 나노 셀룰로오스의 평균 지름은 10 내지 100 nm이고,
    상기 나노 클레이 및 상기 나노 셀룰로오스의 종횡비는 50 내지 1,000인 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유리 섬유가 실란 커플링제 또는 티타네이트 커플링제로 코팅된 것인, 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실란 커플링제 또는 티타네이트 커플링제가 상기 유리 섬유의 총 중량에 대하여 0.1 내지 1 중량%의 양으로 포함되는, 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산화방지제가 모노페놀계, 및 비스페놀계를 포함하는 페놀계; 및 고분자형 페놀아민계로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산화방지제가 과산화물 분해제를 더 포함하는, 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 과산화물 분해제가 디라우릴 티오디프로피오네이트, 또는 디스테아릴 티오디프로피오네이트인, 자동차용 가압식 리저버 탱크용 수지 조성물.
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