In this study, low molecular weight amide-type lubricant was synthesized to improve flow properties of polyamide6(PA6)/glass fiber(GF) composites. Low molecular weight amide-type lubricant (N,N'-bis(2,2,6,6,-tetramethylpiperidin-4-yl)-1,3-dicarboxamide) was synthesized by condensation reaction under room temperature or high temperature condition. The performance analysis was performed according to the synthesis conditions. FTIR spectroscopy was used to examine the chemical bond of synthesized lubricants. The synthesized lubricants mixed in the polyamide resin decreased its axial force of twin screw compounder compared with the pristine polyamide resin. The PA6/GF35% composites with synthesized lubricants provided a 72% increase of the melt flow index, seemingly by decreasing bonding force among the molecular chains.

본 연구에서는 폴리아미드6(PA6)/유리섬유(GF) 복합소재의 사출 시 흐름성을 개선하기 위한 저분자량의 아미드계 활제를 합성하였다. 저분자량의 아미드계 활제(N,N'-bis(2,2,6,6,-tetramethylpiperidin-4-yl)-1,3-dicarboxamide)를 두가지 방법으로 합성하여 PA6/GF 복합소재의 흐름성을 향상시켰다. 아미드계 활제는 상온 축합반응과 가온 축합반응으로 진행하였으며, 합성 조건에 따른 성능 분석을 실시하였다. 폴리아미드 수지 내 혼합된 활제는 이축 스크류 배합기의 축력을 순수 폴리아미드 수지 대비 50% 수준 감소시켰다. 가온 축합반응으로 합성된 활제를 적용한 PA6/GF35% 복합소재의 물성은 일반 PA6/GF35% 복합소재 대비 흐름성 72%, 인장강도 10% 상승하는 것을 확인하였다. 이는 아미드계 활제가 소재 내에서 분자 사슬간의 결합력을 감소시켜서 가소제 역할을 하여 분자 사슬의 유동성을 증가시킨 것으로 판단된다.

Keywords: lubricant, high flow, polyamide, fiber-reinforced plastics, injection molding

폴리아미드(polyamide, PA)는 19세기 후반에서 20세기 초기에 합성되었으며, 사슬구조는 아미드(-CONH-) 단량체가 연결된 중합체로, 주사슬에 따라 지방족 폴리아미드(aliphatic PA), 방향족 폴리아미드(aromatic PA) 등으로 분류된다.^1-4 폴리아미드는 대표적인 엔지니어링 플라스틱으로써 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.² 실제 폴리아미드 중 지방족 폴리아미드의 상업적인 개발은 Dupont사에서 합성섬유의 개발을 위해 폴리에스터를 개발하던 중 이루어졌다.³
이 중 폴리아미드6는 카프로락탐(caprolactam)의 개환중합으로 합성되며 카프로락탐은 6개의 탄소를 가지고 있어 각 반복 단위에 6개의 탄소원자로 이루어지게 되며, 이로 인해 폴리아미드6로 명명되었다. 폴리아미드6는 모든 아미드 중 가장 상업적으로 중요한 제품으로, 높은 강인성, 강한 충격강도와 인장강도, 내마모성, 내약품성 등의 장점을 가지고 있다.³ 이러한 기계적, 열적 특성으로 인해 폴리아미드에 대한 연구는 활발히 이루어져 왔으며, 최근 들어 연비 절감을 위한 경량화 소재 및 기능성 자동차 부품으로써의 적용이 점점 증가하는 추세에 있다.⁴
고분자의 기계적, 열적 특성을 비롯한 기능성을 부여하기 위하여 다양한 복합소재가 사용된다.⁵ 그 중 기계적 물성 향상을 위하여 첨가되는 섬유 보강제로는 유리섬유(glass fiber, GF), 탄소섬유(carbon fiber, CF) 등이 있는데, 유리섬유는 가격적인 측면에서 많은 연구가 진행되어 왔다.^6,7 복합소재의 강도를 향상시키기 위해 다량의 유리섬유(30 wt% 이상)를 사용하는 경우, 사출공정 시 흐름성이 저하되어 사출 제품 표면에 유리섬유의 흐름자국(flow mark)이 생기는 등 외관상 문제점이 발생하게 된다. 이로 인해 복합소재의 사출 흐름성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 일반적으로 활제(lubricant)가 사용된다.^8,9
활제는 고분자 가공 시 마찰과 접착 특성을 조절하는데 사용되며, 복합소재 내 첨가제의 분산을 향상시키는 역할도 수행한다. 내부 활제는 고분자가 용융되거나 용융액이 전달될때 고분자 입자와 분자 사이의 마찰을 줄여주는 역할을 한다. 따라서 가공상의 에너지를 줄여주고, 용융 점도를 낮추며 흐름성을 향상시켜 생산성을 향상시킨다. 외부 활제는 성형장비의 뜨거운 금속 표면과 고분자 용융액과의 마찰 및 접착을 줄여주는 역할을 하여, 용융 흐름을 향상시킨다. 또한 사출품 표면의 광택 및 평활도를 향상시킨다.¹⁰ 폴리아미드에 사용되는 활제로서는 지방산(fatty acid)계, stearate계열, 실리콘 화합물 등이 있다.¹¹
본 연구에서는 폴리아미드6/GF 복합소재의 흐름성을 향상 시키기 위해 폴리아미드와 비교적 친밀도가 높은 저분자량의 아미드계열 극성활제로 N,N'-bis(2,2,6,6,-tetramethylpiperidin-4-yl)-1,3-dicarboxamide)를 합성하였다. 상온 축합반응과 가온 축합반응로 합성하였으며, 폴리아미드/GF 복합소재에 적용하여 용융 흐름성 및 기계적 물성을 분석하였다.