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한국섬유공학회지, Vol. 53, No. 6, 442-448https://doi.org/10.12772/TSE.2016.53.442

ISSN 1225-1089 (Print)

ISSN 2288-6419 (Online)

이온성 액체 첨가를 통한 폴리카보네이트의 난연성 향상 연구

이홍찬1 · 이시춘2†

1중원대학교 신재생에너지자원학과, 2중원대학교 항공재료공학과

Improvement of Flame Retardancy of Polycarbonate with Ionic Liquid Addition

Hong Chan Lee1 and Shichoon Lee2†

1Department of Renewable Energy and Resources Engineering, Jungwon University, Goesan 28024 , Korea2Department of Aero-Materials Engineering, Jungwon University, Goesan 28024 , Korea

1. 서 론

폴리카보네이트(bisphenol A polycarbonate, PC) 고분자는 우수한 투명성과 함께 기계적 물성과 내열성을 가지는엔지니어링 플라스틱이다. 광학재료 용도, 자동차용도, 건축용도의 시트 및 디스플레이 산업의 필름 등에 많이 이용된다. 전자제품의 하우징 재료는 난연성을 요구하고 있으며, 자동차나 건축자재로도 난연성을 요구하는 용도가 늘어가고 있다. 오랫동안 할로겐계 난연제를 사용하여 고분자를 난연화를 하였으나 할로겐 난연제의 유해성으로 사용이 금지되고 있다. 근래에는 PC 수지도 비할로겐 난연제를이용하여 난연화 한 제품이 상용화되어 있다. Resourcinoldiphosphate(RDP)와 bisphenol A bis(diphenol)phosphate(BDP)로 대표되는 방향족 인산에스테르(aromatic phosphate) 난연제가 많이 사용되고 있다[1]. 이들 난연제는 PC 수지에ABS(acrylronitrile-butadiene-styrene)와 같은 열가소성 수지와의 블렌드하여 전기전자제품의 하우징 재료로 널리 사용

되어지고 있다. 이외에도 멜라민(melamine), 포스파젠(phosphazene) 화합물이 할로겐프리 난연제(halogen freeflame retardant)로 개발되어 있다[2]. 이들 난연제들은 불이타는 과정에서 char가 만들어지게 하여 더 이상 불이 재료의 내부로 들어가지 않아 불이 타지 않게 하는 고상난연화(condensed phase flame retardancy) 원리로 난연성을 향상시킨다[3]. 그러나 이 난연제를 4% 이상 비교적 많은 양을사용하게 되면 표면으로 난연제가 표출되거나(bleeding), 내열도가 저하되고 기계적 물성이 떨어지므로 내열도를 필요로 하는 용도의 난연제로는 사용하기는 어렵다. 최근에는 전기전자 기기의 부품용으로 얇은 제품에도 높은 난연도와 함께 블리딩 문제나 물성저하가 적은 PC 난연수지도 개발되고 있다[4]. 이 방법으로는 소량의 금속 설포네이트(metal sulfonate)를 첨가하여 난연화하는 기술이널리 이용되고 있다. 금속 설포네이트 화합물로는 potassiumsulfone sulfonate(KSS)나 potassium perfluoro butane sulfonate(KFBS)가 대표적이고 유사한 구조를 가지는 난연제들도 개

†Corresponding Author: Shichoon LeeE-mail: tonygren@jwu.ac.kr

Received November 28, 2016Revised December 18, 2016Accepted December 20, 2016

ⓒ2016 The Korean Fiber Society

Abstract: Flame-retardant polycarbonates have been produced by addition of metal sul-fonate compounds. However, the process is to be validated for thin-walled products. In thisstudy, to improve flame retardancy of polycarbonate, an ionic liquid was additionallyadded. With a decrease in the second combustion time, a small quantity of the ionic liquidas less as 0.05 phr was enough to effectively meet the UL94 V0 protocol. Thermogravimet-ric experiments showed that the maximum weight loss rate increased with addition of theionic liquid, indicating the sudden decomposition of polycarbonate. This sudden decom-position increased the rate of formation of char components during flaming, resulting inimprovement of flame retardancy of polycarbonate.

Keywords: polycarbonate, flame retardancy, ionic liquid, char, thermogravimetric analysis

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발되어 있다. 이 난연제들을 0.1% 이하로 소량 사용하여도UL94 V0 급 난연성을 부여할 수 있음을 보고되었다[5,6].KSS나 KFBS을 혼용하여 사용하거나 여기에 아인산(phosphorus, H3PO3)을 사용하거나 실록산 화합물(siloxanecompounds)[7,8]이나 무기물을 첨가[9]하여 난연도를 올리는 처방이 개발되어 보고되었다. 금속설포네이트 난연제를 소량 사용하여 난연도를 올릴수 있지만, 얇은 두께에서는 이 난연제만으로 온전하게 난연도를 달성하기는 어렵다. 그러므로 소량 첨가하여 얇은두께에서도 난연성을 향상시킬 수 있는 보조적인 첨가제가필요하다. 난연성이 우수한 PC 수지를 제조하기 위해서는난연도를 향상시키는 것 못지않게 드립 방지 성능(anti-dripping characteristics)의 개선도 중요하다. 얇은 두께에서는 드립이 더 쉽게 일어나고 저 분자량 유기화합물의 첨가는 드립 발생을 심화시키기도 하므로 이들 문제를 고려하여 난연성 향상 보조제를 선정하여야 한다. 드립 방지를 위하여 오래전부터 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 수지를소량 사용하는 것이 일반적이다. 이외의 talc와 같은 무기물을 첨가하기도 한다[9].본 연구에서는 이온성 액체(ionic liquid)를 난연성 향상보조제로 적용하는 연구를 하였다. 이온성 액체는 이차전지의 전해질에 사용되거나[10], 그래핀 나노플레이트렛(nanoplatelets)을 만드는 나노화학 제품의 용매로서 사용되고 있다[11,12]. 고온에서도 휘발성이 없고 인화성이 없는환경에 안정적인 용매로 알려져 있다. 이온성 액체를 난연제로 적용한 연구는 아직 보고되지 않았다. 본 연구에서는이온성 액체를 소량 첨가하여 난연성을 향상시키는 연구를하고자 한다.

2. 실 험

2.1. 시약 및 재료 이 실험에 사용된 PC는 LG화학의 Lupoy 1201이고, 용융지수(melt flow index, MFI)는 14 g/10 min이었다. 3M사제품 KFBS를 금속 설포네이트 화합물 난연제로 첨가하였다. 이온성 액체는 씨트리(주)의 ILI14E(1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesufonyl) imide, IL)으로 몰 질량은 433 g/mol이다. 소수성질을 가지며 상온에서뿐만 아니라 넓은 온도범위에서 증기압이 매우 낮은 액체이다. Figure 1에서는 난연제로 실험한 KFBS와 IL의 화학구조식을 나타내었다. 드립 방지제로는 PTFE가 분산된 고분자(PTFE dispersed polymer)인 한나노텍㈜사의 Polyb FS-100을 사용하였다.

2.2. 압출가공SM Platek사의 직경 57 mm의 이축압출기를 사용하여

250 rpm, 270 oC 조건에서 용융 압출하여 펠렛을 만들었다.산화방지제와 가공조제(processing aids)로 Clariant 사의Hostavin B-CAP와 Montan wax를 각각 0.1 phr(parts perhundred resin)를 공통적으로 첨가하여 PC 조성물을 만들었다. 또한 기계적 강도(mechanical strength) 보완을 위하여 코츠㈜사의 talc를 5 phr 첨가되었다. Table 1에서는 KFBS를 0.5, 0.7 phr 사용한 조성과 KFBS가 0.5 phr 들어가 있는 조성에서 IL을 0.02, 0.05 phr 추가로 첨가한 조성으로실험하였다. PC 수지와 이들 첨가제들을 리본믹서에 넣고30분간 혼합한 후 이축압출기에 투입하여 용융 가공하였다.

2.3. UL94 난연도 분석 난연시편은 1.6 mm 두께로 사출 성형되었으며 UL94 수직연소(vertical burning, VB) 규정에 의해 난연도가 측정되었다. 5개의 시편을 UL94 VB 규정으로 테스트하였고 각각의 연소시간(burning time)을 재고 평균을 내었다. 1차 점화에서 10초 동안 불을 가하고 불을 제거한 후 1차 연소시

Table 1. Designations and their compositions

SamplePC

(phr)KFBS(phr)

IL(phr)

Talc(phr)

PTFE dispersedpolymer

(phr)KFBS 0.5 100 0.5 − 5 0.5KFBS 0.7 100 0.7 − 5 0.5KFBS 0.5+ IL 0.02 100 0.5 0.02 5 0.5KFBS 0.5+ IL 0.05 100 0.5 0.05 5 0.5Neat PC 100 − − − −

Figure 1. Chemical structure of additives for flame retardancy;(a) KFBS and (b) IL.

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간(combustion time)을 측정하고, 불이 꺼지면 바로 2차 점화를 하여 2차 연소시간을 측정하는 방법이다. 1차나 2차에서 각각의 연소시간이 10초를 초과하지 않아야 UL94 V0등급을 받을 수 있다. 또한 테스트하는 샘플의 300 mm 아래에 솜을 깔아서 드립이 발생하는 지와 이에 의해 솜이발화되는지 여부를 관찰하였다. 드립이 생겨 솜이 발화(dripflaming) 되는 경우는 UL 94 V2 등급으로 평가된다.

2.4. 열중량분석(Thermogravimetric analysis, TGA) TGA 기기는 TA Instruments사의 TGA2950 기기를 사용하였다. 분석은 20 oC/min의 승온속도와 130 ml/min의 유량으로 질소를 흘리면서 실험하였다.

2.5. 적외선 분광분석(Fourier Transform Infrared RadiationSpectroscopy, FT- IR)시료들은 UL94 난연도 테스트를 한 후 표면에 만들어진숯검정과 650 oC까지 TGA 실험을 한 후 남은 잔량 샘플을채취하였다. 이들 시료들을 KBr과 혼합하여 압착하여 시편을 만들었다. FT-IR은 Thermo Scientific사의 Nicolet IR-200FT-IR 기기를 사용하여 8 cm-1 해상도로 16회 반복스캔으로 측정하였다.

2.6. 기계적 물성 및 용융지수 측정인장강도 및 신율은 ASTM D638 규정에 의해 50 mm/

min의 크로스헤드 속도로 측정되었다. 굴곡강도는 ASTMD790에 의해 10 mm/min 속도로 시험되었다. 충격강도는ASTM D256에 의하여 6.4 mm 두께 시편에 노치를 낸 충격강도 시편으로 테스트하였다. 용융지수는 ASTM D1238에 의해 300 oC, 1.2 kgf의 조건에서 시험되었다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 난연도 측정 난연도는 UL94 VB 방법에 의해 측정되었는 바, 이 방법은 수지의 난연성의 측정에 가장 신뢰성 있는 방법으로 널리 사용되고 있다. Figure 2에서는 PC에서 KFBS의 함량을0.5에서 0.7 phr로 높이는 경우와, KFBS 0.5 phr에 IL을 소량 첨가할 경우의 난연성 변화를 보여준다. KFBS를 0.5 phr에서 추가 첨가(KFBS 0.7)하여도 난연성의 향상은 볼 수 없음을 알 수 있다. 특히 2차 점화에서 한 두 개의 시편이10초 이상 연소시간을 초과하는 것이 난연도 저하의 주요원인인데, KFBS를 더 사용하더라도 줄어들지 않은 것을 볼수 있었다. IL을 소량을 첨가한 경우를 보면 (KFBS 0.5+IL0.02) 2차 점화에서 error bar가 상당히 줄어들었으며, 연소시간이 10초를 초과하는 경우는 없음을 볼 수 있다. 이 정도의 연소시간 감소로 최소한의 UL94 V0를 맞출 수는 있

었으나 안정적이지는 않다. 여기에 IL를 0.05 phr로 증량시킬 경우(KFBS 0.5+IL 0.05) 2차 점화에서의 연소시간이 대폭 줄었음을 볼 수 있다. 이 조성에서 1차 점화에서의 평균연소시간이 2초 이하이고, 2차 점화에서의 평균 연소시간이 5초 이하로 매우 안정적인 난연도를 보여주었다.

Table 2에는 각각의 PC 조성에서 UL94 등급을 보여준다.PC 자체의 V2 난연 등급은 KFBS의 첨가에 따라 V1 등급으로 향상되었다. 그러나 KFBS의 추가 첨가(KFBS 0.7)로뚜렸하게 난연성 등급 향상을 보이지 않았다. 여기에 소량의 IL을 넣어도 난연도가 V0 수준으로 향상되었고, IL을0.05 phr 추가로 첨가할 경우(KFBS 0.5+IL 0.05)에는 안정적인 V0 등급을 받을 수 있었다.선행 논문에서는 KFBS의 함량이 0.1% 정도에서 가장 높은 산소지수(limiting oxygen index, LOI)를 보이는 것으로보고하였다[4]. 또 여기에 더 많은 양을 첨가하여도 산소지수는 높아지지 않음을 보여주었다. 이들 실험들은 3.2 mm두께에서 실험되었으며, 두께가 더 얇아지는 경우에는 KFBS0.5 phr의 함량에서 안정적인 UL94 V0 난연성을 나타내는것으로 알려져 있다[9]. 또한 KFBS와 KSS를 동시에 사용하는 경우 난연성의 시너지 효과를 보고한 경우도 있으나 향상효과는 크지 않는 것으로 알려져 있다[6,9]. 그래서 본 연

Figure 2. Burning times of UL94 test at different PC compositions.

Table 2. UL94 VB test at different PC compositions

SampleAverage

1st burning time (s)

Average2nd burning

time (s)

Dripflaming

UL94,1.6 mmrating

KFBS 0.5 5.2 6.0 no V1KFBS 0.7 1.7 7.6 no V1KFBS 0.5+ IL 0.02

1.1 5.5 no V0

KFBS 0.5+ IL 0.05

0.8 3.6 no V0

Neat PC 25.5 35.7 yes V2

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구에서는 KFBS 만을 0.5 phr를 첨가하는 것을 기준하고,얇은 두께에서도 이 수준 이상으로 난연성을 개선되는 조성물을 개발하는 것을 목적으로 삼았다. Figure 2에서 보듯이 KFBS의 추가 첨가로는 난연성의 향상을 기할 수 없었다(KFBS 0.7). 그러나 소량의 IL 첨가에 의해 난연성이 대폭 향상될 수 있음을 알 수 있었다.

3.2. 열중량 분석Figure 3은 TGA 분석에서 난연화되지 않은 PC 자체(neat

PC)와 여기에 첨가제 조성을 달리하며 온도에 따른 감량(weight loss) 실험을 보여준다. neat PC에서는 540 oC 온도부근에서 급속히 감량이 되나, KFBS 난연제를 첨가하게 되면 430 oC 정도로 급속한 감량이 발생하는 온도가 100 oC이상 떨어지는 것을 볼 수 있다(Figure 3). TGA 실험에서650 oC에서의 잔류량은 조성에 관계 없이 거의 유사하였다.이 같은 고온에서 TGA 실험에서의 가열잔량(residue)은char 발생량과 연관성이 크다[4,13]. Char (carbonaceous char)는 흑연과 유사한 구조를 갖는 것으로 graphitic structurecarbon이라고도 한다[14]. 불이 접촉한 표면에 이런 구조의불연막인 char가 만들어지게 되고 더 이상이 불이 내부로번지지 않았을 것이다. 이렇게 하여 난연화되는 것이 고상난연화의 원리이다(condensed phase flame retardancy). 그러나 본 실험에서는 IL의 첨가에 의해 char 발생량이증가하지는 않았지만 난연도가 향상되었음을 확인하였다.

Figure 4는 TGA 온도에 따른 감량변화율에 대한 그래프이다. neat PC에서는 543 oC에서 최대의 감량 변화율(maximum weight loss rate, MWR)을 보였으며, 이 온도에서 그 값은 -1.28%이였다(Figure 4(e)). Figure 4(a)−(d)는 각각 조성에서의 가열 감량 변화율을 보여준다. KFBS 0.5의경우는 MWR이 -1.8%로 neat PC에 비하여 높아졌음을 보여준다. KFBS 0.7인 경우는 -1.6%로 PC 자체에 비해서는

높았으나 KFBS의 추가 첨가로 인해 더 이상 MWR이 올라가지 않음을 보여준다. 선행 논문에서 KFBS 뿐만 아니라KSS와 같은 금속 설포네이트 화합물의 첨가에 의해 MWR이 상승됨이 보고되었다[4,6]. 본 연구 결과도 이와 일치하는 결과이다

Figure 4(c)−(d)에서는 KFBS에 추가로 IL을 소량 첨가했을 때(KFBS 0.5+IL 0.02) MWR이 -3.1% 이상으로 대폭 증가하는 것을 볼 수 있고, IL을 0.05 phr 첨가한 경우는 MWR이 -3.7% 이상으로 크게 높아짐을 볼 수 있다. MWR이KFBS만 쓸 때와 비교하여 IL의 첨가할 경우 유의미하게 증가하였음이 확실하다. 그러나 IL의 첨가에 의해 가열 감량변화율이 최대로 되는 온도는 크게 변하지 않았다.

Table 3에는 각각의 PC 조성에서 MWR과 최대 감량이 되는 온도(Tmax. weight loss), 초기 5%가 감량되는 온도(T5% weight loss)를 보여준다. 아울러 650 oC에서 잔량(residue) 및 UL94 VB등급을 보여준다. KFBS를 첨가하면 5% 감량이 발생하는온도가 대폭 낮아짐을 볼 수 있다. 이런 현상은 IL을 추가첨가하여도 크게 달라지지 않았다. 아울러 최대의 감량이발생하는 온도도 KFBS를 첨가하지 않을 경우와 비교하여100 oC 이상 떨어졌다. 이것은 KFBS의 첨가에 의해 PC 수지의 분해가 가속되었음을 보여주는 것이다. 즉 KFBS 첨가는 PC 수지의 분해가 낮은 온도에서 시작하게 하고, PC의 분해를 가속화 시킨다는 것을 의미한다.

Figure 3. Thermogravimetric analysis at different PC compositions:weight loss of (a) KFBS 0.5, (b) KFBS 0.7, (c) KFBS 0.5+IL 0.02,(d) KFBS 0.5+IL 0.05, and (e) neat PC.

Figure 4. Thermogravimetric analysis at different PC compositions:weight loss rate of (a) KFBS 0.5, (b) KFBS 0.7, (c) KFBS 0.5+IL 0.02,(d) KFBS 0.5+IL 0.05, and (e) neat PC.

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위의 실험들에서 IL의 첨가에 의해 char 발생량이 증가하지는 않았지만 난연도가 향상되었음을 확인하였다. IL의첨가가 감량이 시작하는 온도에는 크게 영향을 미치지 않으나, MWR 값을 크게 향상시키는 것을 알 수 있다. 이것은 IL의 첨가하면 PC 수지의 분해가 더 급속하게 일어남을 말해준다. MWR은 LOI와 거의 직선으로 비례할 정도로연관성이 있음이 보고되었다[4−6]. 그러므로 IL의 첨가에의해 수지의 급속한 감량이 발생하는 메커니즘에 의해 난연성이 향상된 것으로 연결되어 질 수 있다. 이와 같은 결과로부터 IL의 첨가는 PC 수지를 분해속도를 높이게 되고표면에 char를 빨리 만들어 수지의 난연성을 향상시키는것으로 해석된다.

3.3. 적외선 분광 분석UL94 VB 시험 후의 표면 검댕에 대해 IR 분광분석을 하였다(Figure 5(a)). UL94 시험한 숯검정 시료들의 IR 피크들은 거의 유사하였다. UL94 실험을 하지 않은 PC(콘트롤PC)와 비교해보면 3500 cm-1 주위에서 나타나는 phenol O-H스트레칭 피크가 크게 나타남을 볼 수 있다. 또한 숯검정시료들에서 3050 cm-1의 피크가 3000 cm-1 피크 대비 상대적으로 더 커지는 것을 볼 수 있다. 이것은 지방족 C-H 보다 방향족 C-H stretch 피크가 늘어난 것으로 불에 의하여char가 만들어지면서 방향족 C-H 성분이 상대적으로 늘어난다는 것을 의미한다. 1780 cm-1 위치는 C=O stretch 피크로 콘트롤 PC의 스펙트럼과 비교하여 큰 차이가 없이 강하게 나타났다. 1620 cm-1과 1650 cm-1의 밴드가 강하게 나타났다. 이들 피크들은 PC를 420−490 oC에서 열분해 시험(pyrolysis)을 하고 남은 숯검정 시료를 적외선 분광분석을

하였을 때 나타나는 밴드의 형태와 거의 유사하다[15]. 이들은 quadrant ring stretch 밴드로 지정되는데, C=O나 C=C이중결합을 갖는 성분들이 이 온도구간에서 증가하게 되며, 이들이 연결되어 벤젠 링 구조가 만들어져 간다는 것으로 해석된다. 1510 cm-1에서는 semicircle ring stretch 밴

드가 강하게 나타났다. 1200−1100 cm-1의 밴드는 방향족 C-H in-plane bend와 ring bend를 나타내는 것으로 이 영역에서는 콘트롤 PC와 크게 차이가 없었다. 1010 cm-1의 피크는 C-C in-plane bend로 숯검정에서도 강하게 나타나는것을 볼수 있다. 830 cm-1 주위의 방향족 C-H out-of-planestretch 가 강하게 나타남을 보여준다. 이 결과들을 바탕으로 UL94 VB 실험에서 500 oC 정도이거나 그 아래 온도에서 불이 꺼졌고 숯검정이 만들어졌음을 추정할 수 있다.

Figure 5(b)에는 질소분위기에서 600 oC 온도까지 TGA 실험을 한 후 남은 회분(ash)에 대한 적외선 분광스펙트럼을보여준다. 두 개 모두 유사한 스펙트럼을 보여주었다. UL94실험한 숯검정과 마찬가지로 3500 cm-1 phenol O-H stretch가 강하게 나타났다. 1620 cm-1 주위의 강한 피크가 나타나는데 이것은 quadrant ring stretch에 의한 밴드로 지정된다.1500−1200 cm-1사이의 분리되지 않는 밴드(unresolvedabsorption)는 char 성분에 의한 것으로 확인된다. 적외선 분광 실험에서 IL을 첨가했을 때와 하지 않았을때의 회분의 스펙트럼 차이는 거의 없었다. 그런데 UL94실험을 한 후의 숯검정과 TGA 실험을 한 후의 회분에 대한 스펙트럼간에는 차이가 많은데 TGA 실험을 한 후는 고

Figure 5. FT-IR spectra of (a) the UL VB tested and non-testedsamples and (b) the TGA tested sample (up to 600 oC).

Table 3. Results of TGA under N2 atmosphere at different PCcompositions

SampleT5% weight loss

(oC)Tmax. weight loss

(oC)

Max. weight

loss rate (%)

Residue at 650 oC

(%)

UL94,1.6 mm rating

KFBS 0.5 408 427 -1.83 24.9 V1KFBS 0.7 408 427 -1.66 25.0 V1KFBS 0.5+ IL 0.02

411 434 -3.10 23.5 V0

KFBS 0.5+ IL 0.05

411 428 -3.70 24.7 V0

Neat PC 506 543 -1.28 25.2 V2

이온성 액체 첨가를 통한 폴리카보네이트의 난연성 향상 연구 ▐ 447

분자 성분이 거의 char 성분으로 변했음을 말해준다. 반면에 UL94 실험을 한 후에는 char 성분이 늘어난 것은 확실하지만, 아직 PC 고분자 자체의 체인에서 나오는 적외선밴드들이 많이 남아있음을 보여준다. 이것은 불이 타는 과정에서 char가 만들어진 부분과 완전히 char가 되지 않는부분이 혼재한다는 것을 의미한다. 불이 타는 지점에서 char가 완전하게 만들어져 불이 꺼지게 하는 것은 어렵다는 것을 의미하는 것으로 판단된다. 그러므로 불이 타는 위치에서 어느 정도의 두께를 갖는 char layer가 빨리 고르게 형성되는 것이 중요하다는 것을 의미한다.

3.4. 물성측정 Figure 6은 각각의 PC 조성에서 기계적 물성과 용융지수의 변화를 보여준다. 항복점에서 인장강도와 굴곡강도(Figure6(a))는 조성에 관계없이 거의 유사함을 볼 수 있다. 충격강도(Figure 6(b))는 IL을 0.05 phr 첨가한 경우에 2 kgf cm/cm 정도 떨어지는 것을 보여준다. 연신율 물성(Figure 6(c))도 IL의 첨가에 의해 두드러지게 감소한 것을 볼 수 있었다. 그러나 IL 0.05 phr 이내로 첨가하면 물성저하로 인해부품의 구조재료로서 사용에는 크게 문제가 되지 않는 수준으로 보인다.

Figure 6(d)에서는 IL 0.05 phr 첨가하였을 때 IL을 첨가하지 않을 경우와 비교하여 2배 수준의 용융지수의 증가를보여준다. IL의 첨가에 의해 유동성이 올라갔다는 것은 IL의 첨가가 PC의 분해를 촉진시켰음을 말해준다. PC의 분해에 의하여 분자량이 낮아져 유동성이 크게 높아진 것으로 해석된다. 이것은 앞에서 설명한 IL을 첨가하면 MWR값이 최대가 된다는 TGA 결과와 일치한다. 결국 IL의 첨가는 PC의 분해를 가속화시키며, 표면에 급속도로 char 성분이 만들어지게 하여 불이 더 이상 타 들어가지 않게 하는 메커니즘으로 난연성을 향상시키는 것으로 해석된다.

4. 결 론

폴리카보네이트 수지에 이온성 액체를 첨가하여 난연성을 향상시키는 연구를 하였다. 이온성 액체를 0.1% 이하 소량 첨가하여도 기존에 사용중인 금속설포네이트 화합물 만으로는 올릴 수 없는 정도의 높은 난연성이 향상됨을 확인하였다. 이온성 액체가 사용될 경우 최대 감량 변화율이 첨가하지 않을 때 보다 2배 이상 증가함을 보여주었다. 이것은 이온성 액체를 첨가하면 수지가 빠르게 분해된다는 것을 의미하며, 이런 과정으로 표면에 char 구조가 급속하게

Figure 6. Properties at the different PC compositions; (a) yield strength and flexural strength, (b) izod impact strength, (c) elongation, and (d) meltflow index.

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만들어져 불이 더 이상 내부로 타 들어가지 않는 것으로해석된다. 이온성 액체의 소량 첨가에 의해 용융지수는 올라가고 충격강도가 떨어지는 경향이나 기계적 물성의 감소는 크게 없었다. 이들 결과는 난연성을 필요로 하는 얇은성형품에 이온성 액체를 난연성 향상 첨가제로 사용될 수있음을 의미한다.

References

1. S. V. Levchik and E. D. Wei, “A Review of Recent Progress inPhosphorous-based Flame Retardant”, J. Fire Sci., 2006, 24,345−364.

2. S.-Y. Lu and I. Hamerton, “Recent Developments in theChemistry of Halogen-free Flame-retardant Polymers”, Prog.Polym. Sci., 2002, 27, 1661−1712.

3. D. W. van Krevelen, “Properties of Polymers”, 4th Ed., ElsevierB.V., Amsterdam, 2009, pp 847−873.

4. A. Nodera and T. Kanai, “Thermal Decomposition Behaviorand Flame Retardancy of Polycarbonate Containing OrganicMetal Salts: Effect of Salt Composition”, J. Appl. Polym. Sci.,2004, 94, 2131−2139.

5. T. Ishikawa, I. Maki, T. Koshizuka, T. Ohkawa, and K. Takeda,“Effect of Perfluoroalkane Sulfonic Acid on the FlameRetardancy of Polycarbonate”, J. Macromol. Sci., Part A, PureAppl. Sci., 2004, A41, 523−535.

6. Y.-Z. Wang, B. Yi, B. Wu, B. Yang, and Y. Liu, “ThermalBehaviors of Flame-retardant Polycarbonates ContainingDiphenyl Sulfonate and Poly(sulfonyl phenylene phosphonate)”,J. Appl. Polym. Sci., 2003, 89, 882−899.

7. S. Liu, X. Lang, H. Ye, S. Zhang, and J. Zhao, “Preparation andCharacterization of Copolymerized Aminopropyl/phenyl-silsesquioxane Microparticles”, Eur. Polym. Sci., 2005, 41, 996−1001.

8. M. Lji and S. Serizawa, “Silicone Derivatives as New FlameRetardants for Aromatic Thermoplastics Used in ElectronicDevices”, Polym. Adv. Thechnol., 1998, 9, 593−600.

9. L. Ying, X. Yuzhen, R. Niles, Y. Jian, and S. Dake, “FlameRetardant Thermoplastic Polycarbonate Compositions andFilms Made Therefrom”, PCT/US2010/046445, 2010.

10. M. V. Fedorov and A. A. Kornyshev, “Ionic Liquids atElectrified Interfaces”, Chem. Rev., 2014, 114, 2978−3036.

11. N. Liu, F. Luo, H. Wu, Y. Liu, C. Zhang, and J. Chen, “One-stepIonic-liquid-assisted Electrochemical Synthesis of Ionic-liquid-functionalized Graphene Sheets Directly from Graphite”,Adv. Funct. Mater., 2008, 18, 1518−1525.

12. J. Lu, J.-X. Yang, J. Wang, A. Lim, S. Wang, and K. P. Loh,“One-pot Synthesis of Fluorescent Carbon Nanoribbons,Nanoparticles, and Graphene by the Exfoliation of Graphite inIonic Liquids”, ACS Nano, 2009, 3, 2367−2375.

13. D. D. Jiang, Q. Yao, M. A. Mckinny, and C. A. Wilkie, “TGA/FTIR Studies on the Thermal Degradation of Some PolymericSulfonic and Phosphonic Acids and Their Sodium Salts”,Polym. Degrad. Stab., 1999, 63, 423−434.

14. S. Zhang and A. R. Horrocks, “A Review of Flame RetardantPropylene Fibers”, Prog. Polym. Sci., 2008, 28, 1517−1538.

15. A. S. Politou, C. Morterra, and M. I. D. Low, “Infrared Studiesof Carbons. XII. The Formation of Char from aPolycarbonate”, Carbon, 1990, 28, 529−538.