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KR101211134B1 - 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법 - Google Patents

탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법 Download PDF

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KR101211134B1
KR101211134B1 KR1020120014515A KR20120014515A KR101211134B1 KR 101211134 B1 KR101211134 B1 KR 101211134B1 KR 1020120014515 A KR1020120014515 A KR 1020120014515A KR 20120014515 A KR20120014515 A KR 20120014515A KR 101211134 B1 KR101211134 B1 KR 101211134B1
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carbon
pellets
carbon nano
composite material
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류상효
주권
최남선
최상규
정명욱
송유현
장영찬
Original Assignee
금호석유화학 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노소재/고분자 복합소재 제조에 사용하는 첨가제를 탄소나노소재 분말과 혼합하여 펠릿화한 다음 이를 고분자 펠릿과 혼합하여 복합 소재를 제조함으로써, 탄소나노소재 분말의 비산 문제와 큰 밀도 차에 의한 탄소나노소재 분말과 고분자 펠릿의 층분리 문제를 해결하면서 물성이 우수한 복합소재를 제조할 수 있는 개선된 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법{A method for preparing carbon nano material/polymer composites}
본 발명은 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노소재/고분자 복합소재 제조에 사용하는 첨가제를 탄소나노소재 분말과 혼합하여 펠릿화한 다음 이를 고분자 펠릿과 혼합하여 복합 소재를 제조함으로써, 탄소나노소재 분말의 비산 문제와 큰 밀도 차에 의한 탄소나노소재 분말과 고분자 펠릿의 층분리 문제를 해결하면서 물성이 우수한 복합소재를 제조할 수 있는 개선된 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노소재는 소재의 모양에 따라 플러렌(Fullerene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 그래핀(Graphene), 흑연 나노 플레이트(Graphite Nano Plate) 등이 있다. 이중에서도 탄소나노튜브는 1개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 육각형 벌집 모양의 흑연면이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태를 갖고 있으며, 크기나 형태에 따라 독특한 물리적 성질을 갖는 거대 분자이다. 또 속이 비어 있어 가볍고 전기 전도도는 구리만큼 좋으며, 열전도도는 다이아몬드만큼 우수하고 인장력은 철강에 못지 않아 다양한 용도로 활용되고 있다. 탄소나노튜브는 말려진 형태에 따라서 단층벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube; SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube; MWCNT), 다발형 탄소나노튜브(Rope Carbon Nanotube)로 구분되기도 한다.
이러한 탄소나노튜브는 우수한 물리적 특성으로 인해 대전방지용 고분자 복합소재, 전자파 차폐용 고분자 복합소재, 방열 고분자 복합소재 및 고강도 고분자 복합소재 등 여러 가지 고분자 복합소재의 필러로써 가장 각광받고 있으며 특히 탄소나노튜브를 이용한 고분자 복합소재의 상용화를 위한 많은 연구와 개발이 진행되고 있다.
그러나 많은 연구와 개발에도 불구하고 탄소나노튜브를 고분자 복합소재에 사용함에 있어 탄소나노튜브의 낮은 겉보기밀도로 인한 비산 문제와 그로 인한 인체유해성 문제 및 고분자 펠릿과 함께 압출기에 투입할 때 탄소나노튜브와 고분자 펠릿의 큰 밀도 차에 의한 층분리 현상과 그로 인한 탄소나노튜브의 분산 문제가 아직까지 탄소나노튜브의 대량사용에 대한 걸림돌이 되고 있는 실정이다. 또한 용융된 고분자 내에서의 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키기 위해 첨가제를 사용하는 방법이 일반적으로 널리 사용되고 있으나, 동일한 양의 첨가제로 더 좋은 분산효과를 얻을 수 있는 방법에 대한 연구와 개발은 극히 미진한 상태이다.
현재까지 알려진 특허문헌에 개시된 탄소나노소재/고분자 복합소재를 제조함에 있어 효과적인 첨가제의 투입 방법으로는 다음과 같은 기술이 개시되어 있다.
(주)월드튜브의 한국특허등록 제10-0955295호에서는 ‘나노카본을 포함한 고형체의 제조방법’으로서, 나노카본, 금속(산화물 및 이온을 포함) 및 수지를 포함하는 나노카본 고형체를 개시하고 있다. 그러나 이 방법으로 제조된 나노카본 고형체는 금속 및 수지를 포함하고 있어 고분자 복합소재에 적용할 경우 매트릭스로 사용한 고분자와 나노카본 고형체에 포함된 금속 및 수지와의 반응성 또는 상용성에 따라 고분자 복합소재에 사용을 못하거나 나노카본의 중요한 물성 발현이 저하될 수도 있다는 문제점이 있다.
또한 한국특허공개 제2011-0065704호에서는 ‘나노카본 고형체의 제조방법, 이를 이용한 나노카본 고형체, 나노카본 분산액, 나노카본 소재의 제조방법’으로서, 나노카본 절단단계, 나노카본과 분산제 및 용매를 혼합시켜 분산기로 상기 나노카본을 분산하는 나노카본 분산단계, 분산된 나노카본액에 응집제를 더 첨가하여 나노카본 슬러지화하는 나노카본 응집단계, 나노카본 슬러지에서 액상성분을 제거한 후 분쇄하거나 파쇄하여 나노카본 분말로 만드는 나노카본 분말화 단계 및 나노카본 분말을 일정한 형상으로 제작 후 건조하여 고형체를 제조하는 나노카본 고형화 단계를 포함하는 나노카본 고형체의 제조 방법을 개시하고 있다. 그러나 이 방법에서는 나노카본 고형체에 금속 및 수지가 포함되지는 않지만 제조 과정에서 사용한 분산제 및 응집제가 나노카본 고형체에 잔류하는 문제가 있어 고분자 복합소재에 적용할 경우 매트릭스로 사용한 고분자와 분산제 및 응집제와의 반응성 또는 상용성에 따라 고분자 복합소재에 사용을 못하거나 나노카본의 중요한 물성 발현이 저하될 수도 있다는 단점이 있다.
그 이외에도, 탄소나노튜브/고분자 복합소재를 제조함에 있어서 탄소나노튜브의 용융된 고분자 내에서의 분산성을 향상시키기 위하여 특정 첨가제를 개발하거나, 기존에 사용하고 있는 첨가제들 중에서 몇가지를 조합하여 사용하는 방법 등이 제시되어 있으나, 탄소나노튜브의 용융된 고분자 내에서의 분산성을 향상시키기 위한 투입 방법에 대한 연구와 개발은 지극히 미진한 상태이다.
이러한 종래의 문제점을 개선하기 위해 오랫동안 연구 노력한 결과, 탄소나노소재 분말을 첨가제와 혼합하고 펠릿화하여 이를 고분자 복합소재의 제조에 사용하면 분산 효과가 우수하여 물성이 우수한 복합소재를 제조할 수 있다는 사실을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명은 탄소나노소재 분말을 첨가제와 혼합하여 펠릿화하고 고분자 복합소재의 제조에 사용하는 새로운 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한 본 발명은 펠릿화된 탄소나노소재와 고분자 펠릿을 혼합하여 고분자 복합소재의 제조에 사용함으로써 통상적인 탄소나노소재 분말과 고분자 펠릿을 사용하여 제조 시 나타나는 층분리 문제를 해결하고 물성을 개선시킬 수 있는 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
위와 같은 과제 해결을 위해, 본 발명은
탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조에 사용하는 첨가제를 탄소나노소재 분말과 혼합하여 혼합 분말을 준비하는 단계;
상기 혼합 분말을 펠릿 형태로 성형하는 단계; 및
상기 성형된 펠릿과 고분자 소재의 펠릿을 혼합하여 복합소재를 제조하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법을 이용하여 탄소나노소재/고분자 복합소재를 제조하는 경우 탄소나노소재 분말을 다른 첨가제 없이 통상의 복합소재 제조에 사용되는 첨가제만 혼합하고 펠릿 형태로 성형하여 사용함으로써 고분자와 혼합시 탄소나노소재 분말의 비산 문제를 해결할 수 있고, 또 펠릿 형태로 혼합함으로 인해 고분자 펠릿과의 동질성과 분산성이 우수하여 층분리 현상 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 탄소나노소재/고분자 복합소재 제조에 사용하는 첨가제를 탄소나노소재 분말과 균일하게 혼합하여 펠릿화하기 때문에 탄소나노소재 분말이 첨가제와 바로 인접해 있어 첨가제가 탄소나노소재 분말에 직접적으로 작용하게 됨으로 인해 동일한 양의 첨가제를 사용하더라도 탄소나노소재와 첨가제를 각각 분말로 사용하는 경우 보다 우수한 물성을 가지는 탄소나노소재/고분자 복합소재를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 실시예 1로부터 제조된 탄소나노소재 분말과 첨가제의 혼합 분말을 타정하여 제조한 펠릿의 확대 사진이다.
도 2는 본 발명의 제조 방법으로 제조된 탄소나노소재 분말과 첨가제 혼합 분말로 성형한 펠릿 형태를 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조에 사용하는 첨가제를 탄소나노소재 분말과 혼합하여 펠릿화하고, 이를 고분자 소재의 펠릿과 통상의 방법으로 혼합하여 복합소재를 제조한다.
이러한 공정은 구체적으로는 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조에 사용하는 첨가제를 탄소나노소재 분말과 혼합하여 혼합 분말을 준비하는 단계와 상기 혼합 분말을 펠릿 형태로 성형하는 단계, 그리고 상기 성형된 펠릿과 고분자 소재의 펠릿을 혼합하여 복합소재를 제조하는 단계로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조에 사용하는 첨가제를 탄소나노소재 분말과 혼합하여 혼합 분말을 준비하는 단계에서는 탄소나노소재 분말 100중량부에 대해 첨가제를 1 ~ 100중량부의 비율로, 더욱 바람직하게는 10 ~ 60중량부의 비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 만일, 첨가제가 너무 조금 사용되면 고분자 소재와의 상용성이 떨어지고, 너무 과량 사용하면 물성이 저하될 염려가 있다.
본 발명의 방법에서 사용되는 상기 탄소나노소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 흑연 나노 플레이트 중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 탄소나노튜브 분말을 사용하는 것이다.
또한 상기의 탄소나노소재 분말은 0.01 ~ 0.20g/mL의 겉보기밀도를 갖는 것이 바람직하다. 만일 겉보기 밀도가 너무 크면 첨가제와 혼합하여 펠릿 형태로 성형할 때 성형이 되지 않을 염려가 있고, 너무 작으면 탄소나노소재 분말과 첨가제를 혼합할 때 균일하게 혼합되지 않을 우려가 있다.
본 발명의 방법에서 사용되는 상기 첨가제는 분말 형태의 통상적으로 고분자 컴파운딩에서 분산조제로 사용하고 있는 첨가제를 탄소나노소재의 분산제로 사용하는 것으로서, 저분자량 폴리올레핀, 금속비누, 파라핀 왁스, 지방산 아미드, 지방산 에스테르, 폴리실록산 수지 및 테프론 왁스 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
이와 같이 탄소나노소재 분말과 첨가제를 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계에서는 바람직하게도 종래에 탄소나노소재 분말을 고형화하는 과정 중에 첨가되는 금속 및 수지 또는 분산제 등과 같은 다른 첨가제들은 전혀 사용할 필요가 없고 고분자 소재와의 혼합에 필수적으로 사용되는 상기 첨가제만을 혼합 사용할 수 있어서 잔류물로 인한 고분자 복합소재의 물성 저하가 없는 장점이 있다.
이렇게 탄소나노소재 분말과 분말상의 첨가제를 혼합하는 방법은 통상의 혼합기(헨셀 믹서, 텀블러 믹서 등)를 이용하여 균일하게 혼합할 수 있어서 첨가제가 탄소나노소재 분말과 균일하게 분산 혼합된 혼합분말을 얻을 수가 있다.
본 발명의 제조방법에서 상기 혼합 분말을 펠릿 형태로 성형하는 단계에서는 바람직하게는 로타리 타정기를 이용하여 펠릿 형태로 성형할 수 있다.
본 발명에 사용되는 로타리 타정기는 통상 의약품 또는 식품 등의 타블렛(tablet) 등의 제조에 사용되는 타정기를 사용하여 펠릿 형태로 압착하여 성형할 수 있다.
본 발명의 펠릿화 과정에서 압착은 상기 혼합 분말에 가해지는 압력을 100 ~ 700kg/cm2의 범위에서 조절하여 사용하는 것이 바람직하며 더욱 바람직하기로는 300 ~ 500kg/cm2의 범위가 좋다. 만일 그 압력이 너무 약하면 펠릿이 쉽게 부서질 수 있으며, 너무 강하면 펠릿화는 용이하나 과도한 압력으로 인해 탄소나노소재 펠렛을 고분자 복합소재 제조에 사용할 경우 탄소나노소재의 물성이 저하될 수 있다.
본 발명의 펠릿화 과정에서는 로타리 타정기의 펀치 크기와 턴테이블의 회전속도를 적절하게 선택하여 특정 크기와 겉보기밀도를 가지는 펠릿으로 제조한다. 이러한 펠릿 형상은 도 1(도 1a의 상면 사진, 도1b의 사시 사진) 및 도 2에 나타낸 바와 같은 원통형의 모양으로 제조될 수 있는데, 이때 바람직한 펠릿의 형태는 펠릿의 직경이 2 ~ 6mm이고 두께가 1 ~ 6mm이며, 겉보기밀도는 0.05 ~ 0.60g/mL로 제조하는 것이 바람직하고 더욱 바람직하기로는 펠릿의 직경이 2 ~ 6mm이고 두께가 2 ~ 5mm이며, 겉보기밀도는 0.1 ~ 0.5g/mL인 경우이다. 만일 직경이 너무 크게 제조되면 탄소나노소재 펠릿과 고분자 펠릿의 크기 차이에 의한 층분리가 다시 발생하게 되고 너무 작으면 로타리 타정기를 이용한 펠릿 제조에 있어서 생산성이 저하되어 경제성이 떨어지고 또한 층분리 문제도 다시 발생하게 된다. 두께가 너무 크게 되도 탄소나노소재 펠릿과 고분자 펠릿의 크기 차이에 의한 층분리가 다시 발생하게 되고 너무 작으면 펠릿 제조시 성형성이 안좋아지며 펠릿이 쉽게 부서지는 문제가 발생한다. 겉보기밀도는 고분자 복합소재에 사용할 경우 발현되는 탄소나노소재의 물성과 펠릿화에 의한 포장 및 물류에 영향을 주는데 너무 크면 고분자 복합소재에 적용시 물성이 저하되는 문제가 있고 너무 작으면 펠릿화에 의한 포장비 및 물류비 절감 효과가 미비해져 탄소나노소재의 펠릿화에 의한 경제적 이점이 없어지게 된다. 그 외에도 펠릿화에 사용하는 탄소나노소재 분말의 안식각은 10°~ 70°이 되도록 제조하여 준비되는 것이 로타리 타정기를 이용한 펠릿 성형 측면에서 바람직하다.
이러한 본 발명에 따른 형태의 펠릿을 제조하기 위해서 로타리 타정기의 적용 조건은 바람직하게는 펀치 크기가 1 ~ 8mm, 바람직하기로는 2 ~ 6mm인 것을 이용하고, 턴테이블의 회전속도는 10 ~ 60rpm, 바람직하기로는 20 ~ 50rpm으로 하는 것이 로타리 타정기를 이용한 펠릿의 생산성 및 펠릿의 직경, 두께, 겉보기밀도 등의 특성 측면에서 적당하다.
본 발명에 따라 제조된 탄소나노소재와 첨가제가 혼합된 펠릿은 바람직하기로는 펠릿의 직경이 2 ~ 6mm이고 두께가 1 ~ 6mm이며 겉보기밀도가 0.05 ~ 0.60g/mL인 형태로 제조될 수 있으며, 이때 바람직하기로는 사용한 탄소나노소재 분말의 안식각은 10°~ 70°이다. 이때 안식각은 로타리 타정기를 이용한 펠릿화 측면에서 바람직한 범위를 갖는 것이다.
본 발명에 따르면 상기 펠릿의 형태는 도 1의 원통 형태뿐만 아니라 구형, 타원구형, 타원기둥형, 4-6각기둥형, 삼각기둥형, 사면체 등으로 제조될 수도 있다.
본 발명에서 상기와 같이 제조된 탄소나노소재 함유 펠릿은 고분자 소재의 펠릿과 혼합하여 복합소재를 제조하는 단계를 거친다.
본 발명의 방법에서 사용되는 상기 고분자 소재는 열가소성 수지로써 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 비결정성 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 시클로헥산 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 변성 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리에테르 케톤, 폴리에테르 케톤 케톤, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 설폰, 설폰화된 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르아미드, 폴리아세탈, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리비닐플루오라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리우레탄, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체, 폴리 유산, 액정고분자, 폴리카보네이트/아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리카보네이트/시클로헥산 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌/폴리아미드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트/폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트/액정고분자, 폴리설폰/변성 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리프로필렌/폴리아미드, 폴리카보네이트/폴리 유산 또는 이들의 하나이상 혼합물 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
이러한 고분자 소재와 탄소나노소재 함유 펠릿을 혼합하여 복합소재를 제조하기 위해서는 통상적인 복합소재 제조 방법인 압출기, 니더 (Kneader) 등을 이용하는 방법으로 제조할 수 있다. 이 경우 상기 혼합 분말로 제조된 펠릿과 고분자 소재 펠릿만을 혼합하여 복합소재를 제조할 수도 있고, 여기에 상기 혼합 분말에 사용되는 첨가제를 추가로 사용할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 탄소나노소재 분말을 고형화하는 과정 중에 첨가되는 금속 및 수지 또는 분산제의 잔류로 인해 고분자 복합소재에 사용할 경우 원하지 않는 첨가물이 들어가 탄소나노소재의 우수한 물성이 저하되는 문제 및 탄소나노소재의 낮은 겉보기밀도로 인한 비산 문제와 그로 인한 인체유해성 문제 등을 해소할 수 있다.
또한, 탄소나노소재 분말을 펠릿 형태로 사용하므로써, 탄소나노소재를 분말 상태로 고분자 펠릿과 함께 압출기에 투입할 때 발생하는 탄소나노소재 분말과 고분자 펠릿의 큰 밀도 차에 의한 층분리 현상 문제를 해결할 수 있다.
특히, 본 발명의 방법에 의해 탄소나노소재/고분자 복합소재를 제조할 경우 첨가제와 탄소나노소재 분말이 바로 인접해 있어 첨가제가 탄소나노소재 분말에 직접적으로 작용하게 됨으로 인해 동일한 양의 첨가제를 사용하더라도 탄소나노소재와 첨가제를 각각 분말로 사용하는 경우보다 우수한 물성을 가지는 탄소나노소재/고분자 복합소재를 제조할 수 있다.
따라서 본 발명에 따라 제조된 복합소재는 기존에 탄소 나노소재를 분말 상으로 고분자 소재와 혼합하는 경우와는 달리 분말의 비산 문제가 해결되어 탄소나노소재 분말에 의한 인체 유해성이 없으며, 물성 측면에서도 동일한 양의 첨가제로 더 우수한 탄소나노소재의 물성을 발현시킬 수 있는 등의 특징을 가짐으로써 우수한 물성의 탄소나노소재/고분자 복합소재를 얻을 수가 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의해 설명하겠는바, 본 발명은 하기의 몇몇 실시예에 의해 예시되지만, 이러한 실시예는 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
제조실시예 1 : 탄소나노튜브:첨가제=5:1 혼합 분말의 펠릿 제조
겉보기밀도 0.042g/mL의 탄소나노튜브 분말과 고분자 복합소재 제조에 사용할 첨가제로 저분자량 폴리올레핀 (라이온 켐텍 LC 104N)을 무게비로 5:1이 되도록 잘 혼합한 후 로타리 타정기의 호퍼에 투입하고 직경 10mm 펀치를 이용하여 펠릿의 두께가 6mm가 되도록 설정한 후 로타리 타정기의 턴테이블 회전속도를 20rpm으로 하여 직경이 10mm이고, 두께가 6mm인 탄소나노튜브 분말과 첨가제 혼합 분말의 펠릿을 제조하였다. 제조된 혼합 분말 펠릿의 겉보기밀도는 0.102g/mL였다.
제조실시예 2 : 탄소나노튜브:첨가제=5:1 혼합 분말의 펠릿 제조
겉보기밀도 0.042g/mL의 탄소나노튜브 분말과 고분자 복합소재 제조에 사용할 첨가제로 저분자량 폴리올레핀 (라이온 켐텍 LC 104N)을 무게비로 5:1이 되도록 잘 혼합한 후 로타리 타정기의 호퍼에 투입하고 직경 10mm 펀치를 이용하여 펠릿의 두께가 4.5mm가 되도록 설정한 후 로타리 타정기의 턴테이블 회전속도를 20rpm으로 하여 직경이 10mm이고, 두께가 4.5mm인 탄소나노튜브 분말과 첨가제 혼합 분말의 펠릿을 제조하였다. 제조된 혼합 분말 펠릿의 겉보기밀도는 0.145g/mL였다.
제조실시예 3 : 탄소나노튜브:첨가제=3:1 혼합 분말의 펠릿 제조
겉보기밀도 0.042g/mL의 탄소나노튜브 분말과 고분자 복합소재 제조에 사용할 첨가제로 저분자량 폴리올레핀 (라이온 켐텍 LC 104N)을 무게비로 3:1이 되도록 잘 혼합한 후 로타리 타정기의 호퍼에 투입하고 직경 10mm 펀치를 이용하여 펠릿의 두께가 4.5mm가 되도록 설정한 후 로타리 타정기의 턴테이블 회전속도를 20rpm으로 하여 직경이 10mm이고, 두께가 4.5mm인 탄소나노튜브 분말과 첨가제 혼합 분말의 펠릿을 제조하였다. 제조된 혼합 분말 펠릿의 겉보기밀도는 0.153g/mL였다.
실시예 1 : 고분자 복합소재 제조
(1) 마스터배치의 제조
상기 제조실시예 1에서 제조된 혼합 분말의 펠릿과 금호석유화학의 SAN (분자량 140,000)을 탄소나노튜브가 15중량% 함유되도록 조절하여 함께 넣고 이축 반바리 믹서 또는 Kneader에서 10 ~ 40분 동안 블렌딩 시킨 후 펠릿 형상의 탄소나노튜브/SAN 마스터배치를 제조하였다.
(2) 탄소나노튜브/고분자 복합소재 제조
상기에서 제조된 탄소나노튜브/SAN 마스터배치와 금호석유화학의 PC/ABS 컴파운딩 제품 (HAC-8265)의 양을 탄소나노튜브가 3중량% 함유되도록 조절하고 균일한 배합을 위해 소형의 텀블러 믹서로 충분히 혼합한 후 Φ=30mm, L/D=36인 이축 압출기에서 압출 온도가 240 ～ 290℃ 범위에서 압출하여 냉각, 고화하여 펠릿 형태로 만든 후 80℃로 유지된 순환 열풍 건조기에서 4시간 건조 후 160톤 사출기에서 사출온도를 250 ~ 300℃까지 변화시키고, 금형온도를 65℃로 하여 가로 100mm, 세로 50mm, 두께 2mm의 테스트시편을 제작하였다. 제작된 테스트시편의 표면 저항은 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)로 측정하였다.
실시예 2 : 고분자 복합소재 제조
상기 실시예 1에서 제조실시예 2로 제조된 혼합 분말의 펠릿을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 3 : 고분자 복합소재 제조
상기 실시예 1에서 제조실시예 3으로 제조된 혼합 분말의 펠릿을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 1 : 고분자 복합소재 제조
(1) 마스터배치의 제조
겉보기밀도 0.042g/mL의 탄소나노튜브 분말 및 고분자 복합소재 제조에 사용할 첨가제인 저분자량 폴리올레핀 (라이온 켐텍 LC 104N)을 금호석유화학의 SAN (분자량 140,000)과 함께 탄소나노튜브가 15중량% 함유되고 첨가제가 3중량% 함유되도록 조절하여 넣고 이축 반바리 믹서 또는 Kneader에서 10 ~ 40분 동안 블렌딩 시킨 후 펠릿 형상의 탄소나노튜브/SAN 마스터배치를 제조하였다.
(2) 탄소나노튜브/고분자 복합소재 제조
상기에서 제조된 탄소나노튜브/SAN 마스터배치와 금호석유화학의 PC/ABS 컴파운딩 제품 (HAC-8265)의 양을 탄소나노튜브가 3중량% 함유되도록 조절하고 균일한 배합을 위해 소형의 텀블러 믹서로 충분히 혼합한 후 Φ=30mm, L/D=36인 이축 압출기에서 압출 온도가 240 ～ 290℃ 범위에서 압출하여 냉각, 고화하여 펠릿 형태로 만든후 80℃로 유지된 순환 열풍 건조기에서 4시간 건조 후 160톤 사출기에서 사출온도를 250 ~ 300℃까지 변화시키고, 금형온도를 65℃로 하여 가로 100mm, 세로 50mm, 두께 2mm의 테스트시편을 제작하였다. 제작된 테스트시편의 표면 저항은 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)로 측정하였다.
비교예 2 : 고분자 복합소재 제조
상기 비교예 1에서 마스터배치 제조시 첨가제가 5중량% 함유되도록 조절하여 넣은 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실험예 1
상기 제조실시예 1~3의 탄소나노튜브 분말과 첨가제 혼합 분말의 펠릿 제조 결과(표 1)와 실시예 1~3과 비교예 1의 고분자 복합소재 제조 결과(표 2)에 대해 각각 물성 등 제조과정에 따른 효과를 확인하기 위해 펠릿의 크기와 물성 등에 대해 측정한 결과를 다음 표 1과 2에 각각 나타내었다.
본 실험에서 시편의 표면저항은 2단자법 표면저항 측정기인 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)를 사용하여 측정하였다.
제조실시예
1 2 3
탄소나노튜브 분말과 첨가제의 비율 5:1 5:1 3:1
펠릿 직경 (mm) 10 10 10
펠릿 두께 (mm) 6 4.5 4.5
겉보기밀도 (g/mL) 0.102 0.145 0.153
실시예 비교예
1 2 3 1 2
탄소나노튜브 함량 (중량%) 3 3 3 3 3
첨가제 함량 (중량%) 0.6 0.6 1 0.6 1
열가소성 수지 함량 (중량%) 96.4 96.4 96 96.4 96
표면저항 (Log Ω/□) 4.20 4.18 4.08 4.29 4.18
탄소나노튜브 분말 비산 ◎ ◎ ◎ △ △
(범례) ◎-비산없음, ○-약간비산, △-비산, Х-심한비산
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브/고분자 복합소재 제조 방법을 이용하여 마스터배치를 제조한 후 고분자 복합소재에 적용할 경우(실시예 1~3) 탄소나노튜브 분말의 비산 문제를 해결할 수 있었으며, 제조된 탄소나노튜브/고분자 복합소재의 전기전도도 특성이 같은 양의 첨가제를 사용했으나 탄소나노튜브와 첨가제를 각각 분말로 사용한 경우(비교예 1, 2)에 비해 더욱 향상됨을 확인할 수 있었다.
제조실시예 4 : 탄소나노튜브:첨가제=2:1 혼합 분말의 펠릿 제조
겉보기밀도 0.059g/mL의 탄소나노튜브 분말과 고분자 복합소재 제조에 사용할 첨가제로 저분자량 폴리올레핀 (라이온 켐텍 LC 104N)을 무게비로 2:1이 되도록 잘 혼합한 후 로타리 타정기의 호퍼에 투입하고 직경 4mm 펀치를 이용하여 펠릿의 두께가 7mm가 되도록 설정한 후 로타리 타정기의 턴테이블 회전속도를 20rpm으로 하여 직경이 4mm이고, 두께가 7mm인 탄소나노튜브 분말과 첨가제 혼합 분말의 펠릿을 제조하였다.
제조실시예 5 : 탄소나노튜브:첨가제=3:1 혼합 분말의 펠릿 제조
겉보기밀도 0.059g/mL의 탄소나노튜브 분말과 고분자 복합소재 제조에 사용할 첨가제로 저분자량 폴리올레핀 (라이온 켐텍 LC 104N)을 무게비로 3:1이 되도록 잘 혼합한 후 로타리 타정기의 호퍼에 투입하고 직경 4mm 펀치를 이용하여 펠릿의 두께가 7mm가 되도록 설정한 후 로타리 타정기의 턴테이블 회전속도를 20rpm으로 하여 직경이 4mm이고, 두께가 7mm인 탄소나노튜브 분말과 첨가제 혼합 분말의 펠릿을 제조하였다.
실시예 4 : 고분자 복합소재 제조
상기 제조실시예 4에서 제조된 혼합 분말의 펠릿과 금호석유화학의 PC/ABS 컴파운딩 제품 (HAC-8265)의 양을 탄소나노튜브가 2중량% 함유되도록 조절하고 균일한 배합을 위해 소형의 텀블러 믹서로 충분히 혼합한 후 Φ=30mm, L/D=36인 이축 압출기에서 압출 온도가 240 ～ 290℃ 범위에서 압출하여 냉각, 고화하여 펠릿 형태로 만든후 80℃로 유지된 순환 열풍 건조기에서 4시간 건조 후 160톤 사출기에서 사출온도를 250 ~ 300℃까지 변화시키고, 금형온도를 65℃로 하여 가로 100mm, 세로 50mm, 두께 2mm의 테스트시편을 제작하였다. 제작된 테스트시편의 표면 저항은 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)로 측정하였다.
실시예 5 : 고분자 복합소재 제조
상기 실시예 4에서 제조실시예 5로 제조된 혼합 분말의 펠릿 사용하여 탄소나노튜브가 3중량% 함유되도록 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 3 : 고분자 복합소재 제조
겉보기밀도 0.059g/mL의 탄소나노튜브 분말 및 첨가제인 저분자량 폴리올레핀 (라이온 켐텍 LC 104N)과 금호석유화학의 PC/ABS 컴파운딩 제품 (HAC-8265)의 양을 탄소나노튜브가 2중량% 함유되고 첨가제가 1중량% 함유되도록 조절하고 균일한 배합을 위해 소형의 텀블러 믹서로 충분히 혼합한 후 Φ=30mm, L/D=36인 이축 압출기에서 압출 온도가 240 ～ 290℃ 범위에서 압출하여 냉각, 고화하여 펠릿 형태로 만든 후 80℃로 유지된 순환 열풍 건조기에서 4시간 건조 후 160톤 사출기에서 사출온도를 250 ~ 300℃까지 변화시키고, 금형온도를 65℃로 하여 가로 100mm, 세로 50mm, 두께 2mm의 테스트시편을 제작하였다. 제작된 테스트시편의 표면 저항은 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)로 측정하였다.
비교예 4 : 고분자 복합소재 제조
상기 비교예 3에서 탄소나노튜브가 3중량% 함유되도록 조절하여 넣은 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일한 방법으로 실시하였다.
실험예 2
상기 실시예 4, 5와 비교예 3, 4의 고분자 복합소재 제조 결과에 대해 각각 물성 등 제조과정에 따른 효과를 확인하기 위해 물성 등에 대해 측정한 결과를 다음 표 3에 나타내었다.
본 실험에서 시편의 표면저항은 2단자법 표면저항 측정기인 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)를 사용하여 측정하였다.
실시예 비교예
4 5 3 4
탄소나노튜브 함량 (중량%) 2 3 2 3
첨가제 함량 (중량%) 1 1 1 1
열가소성 수지 함량 (중량%) 97 96 97 96
표면저항 (Log Ω/□) 6.14 4.21 6.61 4.33
탄소나노튜브 분말 비산 ◎ ◎ Х Х
탄소나노튜브 분말 층분리 ◎ ◎ Х Х
(범례)
탄소나노튜브분말 비산 : ◎-비산없음, ○-약간비산, △-비산, Х-심한비산
탄소나노튜브분말 층분리 : ◎-분리없음, ○-약간분리, △-분리, Х-심한분리
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브/고분자 복합소재 제조 방법을 이용하여 탄소나노튜브/고분자 복합소재를 제조할 경우(실시예 4, 5) 탄소나노튜브 분말의 비산 문제와 큰 밀도 차에 의한 탄소나노소재 분말과 고분자 펠릿의 층분리 문제를 해결할 수 있으며 이렇게 제조된 탄소나노튜브/고분자 복합소재의 전기전도도 특성이 같은 양의 첨가제를 사용했으나 탄소나노튜브와 첨가제를 각각 분말로 사용한 경우(비교예 3, 4)에 비해 더욱 향상됨을 확인할 수 있었다.
제조실시예 6 : 탄소나노튜브:첨가제=2:1 혼합 분말의 펠릿 제조
겉보기밀도 0.059g/mL의 탄소나노튜브 분말과 고분자 복합소재 제조에 사용할 첨가제로 테프론 왁스를 무게비로 2:1이 되도록 잘 혼합한 후 로타리 타정기의 호퍼에 투입하고 직경 4mm 펀치를 이용하여 펠릿의 두께가 7mm가 되도록 설정한 후 로타리 타정기의 턴테이블 회전속도를 20rpm으로 하여 직경이 4mm이고, 두께가 7mm인 탄소나노튜브 분말과 첨가제 혼합 분말의 펠릿을 제조하였다.
제조실시예 7 : 탄소나노튜브:첨가제=2:1 혼합 분말의 펠릿 제조
겉보기밀도 0.059g/mL의 탄소나노튜브 분말과 고분자 복합소재 제조에 사용할 첨가제로 지방산아미드인 Ethylene bis stearamide를 무게비로 2:1이 되도록 잘 혼합한 후 로타리 타정기의 호퍼에 투입하고 직경 4mm 펀치를 이용하여 펠릿의 두께가 7mm가 되도록 설정한 후 로타리 타정기의 턴테이블 회전속도를 20rpm으로 하여 직경이 4mm이고, 두께가 7mm인 탄소나노튜브 분말과 첨가제 혼합 분말의 펠릿을 제조하였다.
실시예 6 : 고분자 복합소재 제조
상기 제조실시예 6에서 제조된 혼합 분말의 펠릿과 금호석유화학의 PC/ABS 컴파운딩 제품 (HAC-8265)을 탄소나노튜브가 1중량% 함유되고 첨가제가 0.5중량% 함유되도록 조절하여 함께 넣고 Haake Mixer에 넣고 250℃의 온도에서 이축 스크류 속도 50rpm으로 10분 동안 블렌딩하여 복합소재 덩어리를 얻은 후 Hot Press로 250℃의 온도에서 7.5tons/cm2의 압력으로 10분 동안 압축 성형하여 가로 75mm, 세로 55mm, 두께 2mm의 테스트시편을 제조하였다. 제작된 테스트시편의 표면 저항은 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)로 측정하였다.
실시예 7 : 고분자 복합소재 제조
상기 실시예 6에서 제조실시예 7로 제조된 혼합 분말의 펠릿을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다.
제조비교예 1 : 직경 4mm, 두께 5mm의 탄소나노튜브 펠릿 제조
로타리 타정기의 호퍼에 겉보기밀도 0.059g/mL의 탄소나노튜브 분말을 투입하고 직경 4mm 펀치를 이용하여 펠릿의 두께가 5mm가 되도록 설정한 후 로타리 타정기의 턴테이블 회전속도를 20rpm으로 하여 직경이 4mm이고, 두께가 5mm인 탄소나노튜브 펠릿을 제조하였다. 제조된 탄소나노튜브 펠릿의 겉보기밀도는 0.127g/mL였다.
비교예 5 : 고분자 복합소재 제조
상기 제조비교예 1에서 제조된 탄소나노튜브의 펠릿과 금호석유화학의 PC/ABS 컴파운딩 제품 (HAC-8265)을 탄소나노튜브가 1중량% 함유되고 첨가제로 테프론 왁스가 0.5중량% 함유되도록 조절하여 함께 넣고 Haake Mixer에 넣고 250℃의 온도에서 이축 스크류 속도 50rpm으로 10분 동안 블렌딩하여 복합소재 덩어리를 얻은 후 Hot Press로 250℃의 온도에서 7.5tons/cm2의 압력으로 10분 동안 압축 성형하여 가로 75mm, 세로 55mm, 두께 2mm의 테스트시편을 제조하였다. 제작된 테스트시편의 표면 저항은 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)로 측정하였다.
비교예 6 : 고분자 복합소재 제조
상기 비교예 5에서 첨가제로 지방산아미드인 Ethylene bis stearamide를 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 5와 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 7 : 고분자 복합소재 제조
겉보기밀도 0.059g/mL의 탄소나노튜브 분말과 금호석유화학의 PC/ABS 컴파운딩 제품 (HAC-8265)을 탄소나노튜브가 1중량% 함유되고 첨가제로 테프론 왁스가 0.5중량% 함유되도록 조절하여 함께 넣고 Haake Mixer에 넣고 250℃의 온도에서 이축 스크류 속도 50rpm으로 10분 동안 블렌딩하여 복합소재 덩어리를 얻은 후 Hot Press로 250℃의 온도에서 7.5tons/cm2의 압력으로 10분 동안 압축 성형하여 가로 75mm, 세로 55mm, 두께 2mm의 테스트시편을 제조하였다. 제작된 테스트시편의 표면 저항은 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)로 측정하였다.
비교예 8 : 고분자 복합소재 제조
상기 비교예 7에서 첨가제로 지방산아미드인 Ethylene bis stearamide를 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 7과 동일한 방법으로 실시하였다.
실험예 3
상기 실시예 6, 7과 비교예 5~8의 고분자 복합소재 제조 결과에 대해 각각 물성 등 제조과정에 따른 효과를 확인하기 위해 물성 등에 대해 측정한 결과를 다음 표 4에 나타내었다.
본 실험에서 시편의 표면저항은 2단자법 표면저항 측정기인 표면저항기(TRUSTAT-Worksurface tester)를 사용하여 측정하였다.
실시예 비교예
6 7 5 6 7 8
탄소나노튜브 함량 (중량%) 1 1 1 1 1 1
첨가제 함량 (중량%) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
열가소성 수지 함량 (중량%) 98.5 98.5 98.5 98.5 98.5 98.5
표면저항 (Log Ω/□) 3.13 3.23 3.31 3.45 3.36 3.48
탄소나노튜브 분말 비산 ◎ ◎ △ △ △ △
(범례) ◎-비산없음, ○-약간비산, △-비산, Х-심한비산
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브/고분자 복합소재 제조 방법을 이용하여 탄소나노튜브/고분자 복합소재를 제조할 경우 (실시예 6, 7) 탄소나노튜브 분말의 비산 문제를 해결할 수 있으며 제조된 탄소나노튜브/고분자 복합소재의 전기전도도 특성이 같은 양의 첨가제를 사용했으나 탄소나노튜브 분말의 펠릿과 첨가제 분말을 사용한 경우(비교예 5, 6) 및 탄소나노튜브와 첨가제를 각각 분말로 사용한 경우(비교예 7, 8)에 비해 더욱 향상됨을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조에 사용하는 분말형태의 분산조제를 겉보기 밀도 0.01 ~ 0.20g/mL의 탄소나노소재 분말 100중량부에 대해 10 ~ 100의 중량부로 혼합하여 혼합분말을 준비하는 단계;
    상기 혼합 분말을 로타리 타정기를 이용하여 펠릿형태로 성형하는 단계; 및
    상기 성형된 펠릿과 고분자 소재의 펠릿을 혼합하여 복합소재를 제조하는 단계
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노소재/고분자 복합소재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 탄소나노소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 흑연 나노 플레이트 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 분산조제는 저분자량 폴리올레핀, 금속비누, 파라핀 왁스, 지방산 아미드, 지방산 에스테르, 폴리실록산 수지 및 테프론 왁스 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서, 혼합 분말에는 상기 분산조제 이외에 용매, 금속 또는 분산제를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 고분자 소재는 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 비결정성 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 글리콜 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 시클로헥산 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 변성 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리에테르 케톤, 폴리에테르 케톤 케톤, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 설폰, 설폰화된 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르아미드, 폴리아세탈, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리비닐플루오라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리우레탄, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체, 폴리 유산, 액정고분자, 폴리카보네이트/아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리카보네이트/시클로헥산 변성 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌/폴리아미드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트/폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트/액정고분자, 폴리설폰/변성 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리프로필렌/폴리아미드, 폴리카보네이트/폴리 유산 또는 이들의 하나이상 혼합물 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 복합소재의 제조방법.
  10. 청구항 1의 방법으로 제조된 탄소나노소재/고분자 복합소재.
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