JP2017179369A - 衝撃強度に優れた電気伝導性樹脂複合体、電気伝導性樹脂組成物、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、衝撃強度に優れた電気伝導性樹脂複合体、電気伝導性樹脂組成物、及びその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明は、マトリックス樹脂、前記マトリックス樹脂中に分散された、5μm以下(但し、0を除く)の平均粒子サイズを有する衝撃補強剤のドメイン、及び前記マトリックス樹脂中に分散された電気伝導性フィラーを含む、衝撃強度に優れた電気伝導性樹脂複合体、電気伝導性樹脂組成物、及びその製造方法に関する。【選択図】図1
Description
本発明は、電気伝導性樹脂複合体、電気伝導性樹脂組成物、及びその製造方法に関し、より具体的には、衝撃強度が改善された電気伝導性樹脂複合体、電気伝導性樹脂組成物、及びその製造方法に関する。
通常、高分子は、分子設計により様々な物性を得ることができ、また、他の素材に比べて、優れた工程性、機械的強度、電気絶縁性、光学的透明性、大量生産性などを有するため、半導体、電気電子産業、宇宙航空、防衛産業、ディスプレイ、代替エネルギーなどの先端産業分野において重要な新素材として用いられている。しかし、このような高分子素材は、無機材料に比べて熱的、機械的特性が脆弱であるため、新素材として適用するためには、物性を改善する必要性がある。
このような側面から、高分子素材を電気伝導性が要求される分野に適用しようとする場合には、高分子素材に欠けている伝導性を付与するために、高分子素材に伝導性フィラーを添加することで物性を改善している。この際、高分子素材に電気伝導性を付与するために添加される伝導性フィラーとしては、カーボンナノチューブ(CNT)、グラファイトなどの炭素性物質が代表的に用いられてきた。
一方、高分子素材のこのような電気伝導性や機械的物性を改善するために添加剤を含ませる場合、その添加剤が、樹脂組成物中で不純物として作用し、通常、高分子素材の衝撃強度の低下をもたらすという問題が発生する。このような衝撃強度の改善のために、上記樹脂組成物に伝導性フィラーとともに衝撃補強剤を添加する。
従来は、衝撃補強剤と電気伝導性フィラーを含む樹脂複合体を製造し、この樹脂複合体を製造するための樹脂組成物として、マトリックス高分子樹脂と電気伝導性フィラー及び衝撃補強剤を混練して電気伝導性マスターバッチを製造してきた。その特許文献としては、韓国特許出願公開第2015‐0108153号、第2015‐0056130号などが挙げられる。
本発明は、マトリックス樹脂中に衝撃補強剤と電気伝導性フィラーを含む樹脂組成物において、衝撃補強剤が微細且つ均一に分散するようにするとともに、電気伝導性フィラーがネットワークを形成するようにすることで、樹脂複合体に対する耐衝撃性及び電気伝導性を向上させることを目的とする。
本発明は、衝撃強度に優れた電気伝導性樹脂複合体に関し、本発明の一実施形態による電気伝導性樹脂複合体は、マトリックス樹脂、前記マトリックス樹脂中に分散された、5μm以下(但し、0を除く)の平均粒子サイズを有する衝撃補強剤のドメイン、及び前記マトリックス樹脂中に分散された電気伝導性フィラーを含む。
上記衝撃補強剤のドメインは、サイズの標準偏差が3μm以下であることが好ましい。
上記電気伝導性フィラーは、電気伝導性フィラーの全重量の90%以上が、マトリックス中及びマトリックスと衝撃補強剤との界面に存在することが好ましい。
上記衝撃補強剤と電気伝導性フィラーとの界面エネルギーが、マトリックス樹脂と電気伝導性フィラーとの界面エネルギーより大きい値を有することが好ましい。
上記電気伝導性樹脂複合体は、衝撃補強剤、電気伝導性フィラー、及びマトリックス樹脂の合計重量を基準として、衝撃補強剤1〜40重量%、電気伝導性フィラー0.1〜20重量%、及び残部のマトリックス樹脂を含むことが好ましい。
上記マトリックス樹脂は、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンスルフィド、及びポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される少なくとも1つであることができる。上記マトリックス樹脂は、ポリカーボネートであることが好ましい。
上記衝撃補強剤は、ポリオレフィンエラストマー、ポリスチレンエラストマー、熱可塑性ポリウレタン、ポリエステルポリマー、塩化ビニル樹脂、及びアクリル共重合体からなる群から選択される少なくとも1つであることができ、上記ポリオレフィンエラストマーであることが好ましい。上記ポリオレフィンエラストマーは、エチレンとオクテンとの共重合体またはエチレンとブテンとの共重合体であることができる。
上記電気伝導性フィラーは、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、及び炭素繊維からなる群から選択される少なくとも1つの炭素物質であることができる。
上記電気伝導性樹脂複合体は、ノッチ付きアイゾッド衝撃強度が10〜65kgfcm/cmの値を有することが好ましい。
一方、本発明の他の形態によると、衝撃強度に優れた電気伝導性樹脂組成物を提供し、それによる組成物は、マトリックス樹脂用ポリマーと、衝撃補強剤と電気伝導性フィラーを含むマスターバッチと、を含み、前記衝撃補強剤は、前記マトリックス樹脂用ポリマーに比べて電気伝導性フィラーに対する界面エネルギーが大きい。
上記マスターバッチの含量は、上記マトリックス樹脂用ポリマーとマスターバッチの合計重量に対して0.1〜50重量%であり、上記マスターバッチに含まれる電気伝導性フィラーの含量は、衝撃補強剤と電気伝導性フィラーの合計重量に対して1〜50重量%であることができる。
上記マトリックス樹脂用ポリマーは、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンスルフィド、及びポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される少なくとも1つであることができる。
上記衝撃補強剤は、ポリオレフィンエラストマー、ポリスチレンエラストマー、熱可塑性ポリウレタン、ポリエステルポリマー、塩化ビニル樹脂、及びアクリル共重合体からなる群から選択される少なくとも1つの熱可塑性エラストマーであることができ、上記ポリオレフィンエラストマーは、エチレンとオクテンとの共重合体またはエチレンとブテンとの共重合体である。
上記電気伝導性フィラーは、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、及び炭素繊維からなる群から選択される少なくとも1つの炭素物質であることができる。
また、本発明は、衝撃強度に優れた電気伝導性樹脂複合体の製造方法を提供し、上記方法は、衝撃補強剤と電気伝導性フィラーが混合された衝撃補強剤‐電気伝導性フィラーのマスターバッチをマトリックス樹脂用ポリマーと混合して電気伝導性樹脂組成物を製造する段階と、前記電気伝導性樹脂組成物を溶融して成形することで、電気伝導性樹脂複合体を製造する段階と、を含み、前記電気伝導性樹脂複合体はマトリックス樹脂、前記マトリックス樹脂中に分散された、5μm以下(但し、0を除く)の平均粒子サイズを有する衝撃補強剤のドメイン、及び前記マトリックス樹脂中に分散された電気伝導性フィラーを含む。
前記衝撃補強剤と電気伝導性フィラーとを混合し、溶融混練して前記マスターバッチを製造する段階をさらに含むことができる。
前記衝撃補強剤、電気伝導性フィラー、及びマトリックス樹脂用ポリマーを混合し、溶融混練して前記マスターバッチを製造する段階をさらに含むことができる。
上記電気伝導性樹脂組成物は、衝撃補強剤、電気伝導性フィラー、及びマトリックス樹脂用ポリマーの合計重量を基準として、衝撃補強剤1〜40重量%、電気伝導性フィラー0.1〜20重量%、及び残部のマトリックス樹脂用ポリマーを含むことができる。
上記マトリックス樹脂用ポリマーは、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンスルフィド、及びポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される少なくとも1つであることができる。
上記電気伝導性樹脂組成物を製造する段階は、上記衝撃補強剤‐電気伝導性フィラーのマスターバッチにマトリックス樹脂用ポリマーを混合し、溶融混練することで衝撃補強剤‐電気伝導性フィラー‐ポリマーのマスターバッチを製造する段階と、上記衝撃補強剤‐電気伝導性フィラー‐ポリマーのマスターバッチにマトリックス樹脂用ポリマーを混合することで電気伝導性樹脂組成物を製造する段階と、を含むことができる。
上記衝撃補強剤は、ポリオレフィンエラストマー、ポリスチレンエラストマー、熱可塑性ポリウレタン、ポリエステルポリマー、塩化ビニル樹脂、及びアクリル共重合体からなる群から選択される少なくとも1つの熱可塑性エラストマーであることができ、上記ポリオレフィンエラストマーは、高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、エチレンオクテンゴム(EOR)またはエチレンブテンゴム(EBR)のエチレン‐α‐オレフィン共重合体、α、β‐不飽和ジカルボン酸とα、β‐不飽和ジカルボン酸誘導体の群から選択された化合物で変性した変性高密度ポリエチレン、変性低密度ポリエチレン、変性直鎖状低密度ポリエチレン、及び変性エチレン‐α‐オレフィン共重合体からなる群から選択される少なくとも1つであることができる。
前記ポリオレフィンエラストマーは、エチレンとオクテンとの共重合体またはエチレンとブテンとの共重合体であることができる。
上記電気伝導性フィラーは、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、及び炭素繊維からなる群から選択される少なくとも1つの炭素物質であることができる。
本発明の一実施形態によると、電気伝導性フィラーが高分子マトリックス樹脂中に、または高分子マトリックス樹脂と衝撃補強剤との界面に選択的に分散されて、優れた電気伝導性を確保することができる。
また、本発明の他の実施形態によると、電気伝導性フィラーがマトリックス及びマトリックスとドメインとの間の界面に微細な粒子状に均一に分散されることで、電気伝導性フィラーの凝集現象を抑えることができ、ドメインのサイズを小さくすることができる。これにより、電気伝導性フィラーの添加によって衝撃強度が低下する問題を解消することができる。
以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形でき、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張されることがある。
本発明は、電気伝導性を付与するために電気伝導性フィラーを含みながらも、優れた耐衝撃性を有する樹脂複合体を得ることのできる方法、それにより得られた樹脂複合体、及びそのための樹脂組成物を提供することを目的とする。
通常、ポリマー素材に電気伝導性を付与するために樹脂に電気伝導性フィラーを添加しているが、この場合、添加された電気伝導性フィラーによって耐衝撃性が著しく低下するという問題を引き起こす。そこで、耐衝撃性の低下を抑えるために、衝撃補強剤を添加して用いている。
従来の電気伝導性樹脂複合体は、通常、マトリックス樹脂、衝撃補強剤、及び電気伝導性フィラーを直接混合してコンパウンディングすることで製造されてきたが、衝撃補強特性の付与のための衝撃補強剤を単純に添加する場合には、マトリックス樹脂中にドメインとして存在する衝撃補強剤のサイズが一定ではなく、また、その分布が均一ではないため、樹脂複合体の電気的物性及び衝撃補強効果が十分に発現されなかった。
すなわち、従来は、電気伝導性樹脂複合体の耐衝撃性を向上させるために添加される衝撃補強剤の含量を調節したり、その他の添加剤をさらに配合したりすることで分散性を向上させようとしていただけで、樹脂複合体中における衝撃補強剤のモフォロジー、電気伝導性フィラーの配置形態などが電気伝導性及び耐衝撃性に与える影響については認識されていなかった。
しかし、本発明者の研究結果によると、電気伝導性及び耐衝撃性をさらに向上させるためには、電気伝導性フィラー及び衝撃補強剤がマトリックス中で特定のモフォロジーを有することが好ましく、このようなモフォロジーは、マトリックス樹脂、衝撃補強剤及び電気伝導性フィラーを特定の方法により配合する場合に得られることを確認し、本発明を成すに至った。
本発明による樹脂複合体は、マトリックス樹脂中に衝撃補強剤及び電気伝導性フィラーが均一に分散されて、耐衝撃性及び電気伝導性が向上する。
上記樹脂複合体におけるマトリックス樹脂は、樹脂複合体の主要成分であって、用途及び目的に応じて適宜選択して用いることができ、特に限定されない。例えば、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として用いることができ、具体的には、ポリアミド、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられ、これらのうち何れか1つを単独で使用してもよく、2つ以上を混合して使用してもよい。
上記衝撃補強剤は、特に限定されないが、ゴム(rubber)のような特性を有するものであって、他の樹脂に対する衝撃補強機能を担うことができるものであれば、本発明で好適に適用することができる。このようなゴムの特性を有する衝撃補強剤としては、熱可塑性エラストマー(TPE)を用いることができ、例えば、これに限定されないが、高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、エチレンオクテンゴム(EOR)及びエチレンブテンゴム(EBR)などのエチレン‐α‐オレフィン共重合体、α、β‐不飽和ジカルボン酸とα、β‐不飽和ジカルボン酸誘導体の群から選択された化合物で変性した変性高密度ポリエチレン、変性低密度ポリエチレン、変性直鎖状低密度ポリエチレン、及び変性エチレン‐α‐オレフィン共重合体からなる群から選択される少なくとも1つのポリオレフィンエラストマー(POE)、芳香族ビニル化合物及び共役ジエン化合物からなるブロック共重合体、芳香族ビニル化合物及び共役ジエン化合物からなるブロック共重合体を水素添加してなる水添ブロック共重合体、上記ブロック共重合体をα、β‐不飽和ジカルボン酸とα、β‐不飽和ジカルボン酸誘導体の群から選択された化合物で変性した変性ブロック共重合体、及び上記水添ブロック共重合体をα、β‐不飽和ジカルボン酸とα、β‐不飽和ジカルボン酸誘導体の群から選択された化合物で変性した変性水添ブロック共重合体からなる群から選択される少なくとも1つのポリスチレンエラストマー、スチレン‐エチレン‐ブタジエン‐スチレン(SEBS)、スチレン‐ブタジエン‐スチレン(SBS)、スチレン‐エチレン‐プロピレン‐スチレン(SEPS)、SEPS‐Vなどの熱可塑性スチレンブロック共重合体(TPS)、熱可塑性ポリウレタン(TPU)、熱可塑性ポリエステル系ポリマー(TPEE)、塩化ビニル系樹脂、エチレンエチルアクリレート(EEA)及びエチレンメタクリレート(EMA)などのアクリル共重合体、熱可塑性ポリアミド(TPAE)などが使用できる。
中でも、ポリオレフィンエラストマー(POE)がより好ましく、上記POEは、0.857〜0.885g/cm3の密度を有し、0.5〜30g/10min(190℃、2.16kg)の範囲の溶融指数(Melt index、MI)を有するものがさらに好ましい。
さらに、電気伝導性フィラーは、樹脂複合体に電気伝導性を提供するための添加剤であって、通常用いられるものであれば特に限定されないが、本発明では炭素性物質を用いることができる。このような炭素性物質としては、例えば、カーボンナノチューブ(CNT、carbon nanotube)、カーボンブラック(carbon black)、グラファイト(graphite)、グラフェン(graphene)、及び炭素繊維(carbon fiber)などが挙げられ、これらのうち何れか1つを単独で使用してもよく、2つ以上を組み合わせて使用してもよい。より好ましくは、カーボンナノチューブを使用してもよい。
上記衝撃補強剤は、マトリックス樹脂が電気伝導性フィラーを含むことにより脆弱化される耐衝撃性を補うために添加される。このような衝撃補強剤は、マトリックス樹脂中においてドメインを形成して存在するが、上記ドメインは、マトリックス中におけるサイズが小さいほど、且つ均一に分布するほど、マトリックス樹脂の耐衝撃性を向上させるために好ましい。
本発明において、上記衝撃補強剤は、マトリックス樹脂中でドメインの形態で存在する。すなわち、衝撃補強剤は粒子状態で存在し、ドメイン粒子が互いに離隔して断絶された状態で分散されている。
上記衝撃補強剤のドメインは、5μm以下(但し、0を除く)の平均粒子サイズを有してマトリックス樹脂中に存在することが好ましい。このような小さな粒子のドメインの形態で樹脂複合体中に均一に分散されて存在することで、樹脂複合体の耐衝撃性の向上に寄与することができる。上記ドメインのサイズは、例えば、1〜5μm、2〜4μmの平均粒子サイズを有することができる。
上記ドメインのサイズは様々な方法により測定することができるが、本発明では、5個のアイゾット衝撃(Izod Impact)試験片(ASTM D256)を液体窒素で破断した後、破断された各試験片の破断面に対して、任意に10枚のSEM写真を撮影(×5Kの倍率)し、全体50枚の写真からドメインのサイズを測定し、平均して計算した値を用いる。
この際、樹脂複合体中に、粒子サイズが5μmより大きいドメインが全く存在してはならないことを意味するのではなく、部分的に5μmより大きい粒子の形態で存在し得る。しかし、このような5μm以上の大きい粒子サイズを有するドメインは、全体ドメインの10重量%以内に制限されることが好ましく、少ないほど好ましい。例えば、5重量%以下、3重量%以下、1重量%以下、または0.5重量%以下であることが好ましく、存在しないことが最も好ましい。
粒子サイズ5μm以上のドメインが10重量%以上の含量で存在する場合には、樹脂複合体中のマトリックス樹脂と衝撃補強剤との相溶性がよくなく、結果として、ドメインが不均一に分布するようになる。これにより、機械的強度が著しく低下し、さらに、成形体の物性のバラツキが大きくなるため好ましくない。
さらに、上記ドメインのサイズは、標準偏差が小さいほど好ましく、標準偏差が3μm以下であることが好ましい。例えば、3μm以下、2μm以下、1μm以下であってもよく、0μmであってもよい。
本発明で提供される樹脂複合体を構成する樹脂として、マトリックス樹脂及び衝撃補強剤は、電気伝導性フィラーに対して互いに異なる親和度を有することが好ましい。さらに、衝撃補強剤に比べてマトリックス樹脂の電気伝導性フィラーに対する親和度がより高いことが好ましい。
マトリックス樹脂及び衝撃補強剤を含む複合体において電気伝導性フィラーが存在する態様を図1に概念的に示した。電気伝導性フィラーは、優れた電気伝導性を提供することができるため、マトリックス中に均一に分散されて互いにネットワークを形成していることが好ましい。しかし、図1の(a)に示したように、衝撃補強剤はマトリックス樹脂中でドメインを形成して存在するが、電気伝導性フィラーが衝撃補強剤のドメイン中に主に存在する場合には、電気伝導性フィラーがネットワークを形成することができず、電気伝導性の発現において好ましくない。
これに対し、マトリックス樹脂が、衝撃補強剤に比べて電気伝導性フィラーに対する親和性がより高い場合には、図1の(b)に示したように、電気伝導性フィラーが親和性の高いマトリックス樹脂中に主に位置するか、または、図1の(c)に示したように、マトリックス樹脂と衝撃補強剤のドメインとの界面に位置するようになる。電気伝導性フィラーがこのような形態で存在する場合には、電気伝導性フィラーが互いにネットワークを形成して、優れた電気伝導性を発現することができる。
したがって、本発明において電気伝導性フィラーに対する親和度は、マトリックス樹脂が衝撃補強剤に比べてより高いことが好ましい。このような上記親和度は、電気伝導性フィラーに対するマトリックス樹脂及び衝撃補強剤の界面エネルギーを用いて示すことができ、界面エネルギーが大きいほど、親和度が低い。
物質の界面エネルギーは、表面の種々の異なる原子または分子間の力の和によって決定されるものであって、極性成分(polar)と非極性成分(dispersion)に区分され得る。これにより、上記界面エネルギーは、接触角測定法を用いて次の関係式により測定することができ、この際、脱イオン水(DI Water)とジヨードメタン(diiodomethane)の2つの溶液を用いる。
上記式中、γs=γl・cosθ+γsl(Young equation)であって、
ここで、θは接触角であり、
γsは、固体表面エネルギー(solid surface free energy)であり、
γlは、液体表面エネルギー(liquid surface free energy)であり、
γslは、固体/液体界面エネルギー(solid/liquid interfacial free energy)であり、図2に概略的な関係を示した。
(上記式中、pはpolarを示し、dはdispersionを示す。)
ここで、θは接触角であり、
γsは、固体表面エネルギー(solid surface free energy)であり、
γlは、液体表面エネルギー(liquid surface free energy)であり、
γslは、固体/液体界面エネルギー(solid/liquid interfacial free energy)であり、図2に概略的な関係を示した。
(上記式中、pはpolarを示し、dはdispersionを示す。)
本明細書において、「マトリックスとドメインとの界面に電気伝導性フィラーが存在する」とは、図1の(c)に示したように、1つの電気伝導性フィラーを基準として、ドメインとマトリックスにわたって存在することを意味し、より具体的に、1つの電気伝導性フィラーの一部がマトリックスに存在し、且つ残りの一部がドメイン中に存在する場合を意味する。
一方、上記衝撃補強剤のドメインは、マトリックス樹脂中において隣接するドメイン間の間隔が、マトリックス樹脂に対する衝撃補強剤の含量によって変わり得るものであり、常に一定の間隔を有するものではないため、特に限定されない。すなわち、ドメインを形成する衝撃補強剤の含量が少ない場合には、そのドメイン間の間隔が大きく、ドメインのサイズが小さく形成される場合には、ドメイン間の間隔が小さい。ドメイン間の間隔を平均的な値で示すと、例えば、10μm以下、または2μm以上5μm以下であることができる。但し、ドメインのサイズが小さく、且つそのドメイン間の間隔が小さいと、複合体中に均一に分散されていると判断することができ、これにより、耐衝撃性をより向上させることができる。
一方、本発明において上記電気伝導性フィラーは、マトリックス樹脂中に存在するか、またはマトリックス樹脂と衝撃補強剤との界面に存在することが好ましい。上述のように、電気伝導性フィラーが互いにネットワークを形成することで、樹脂複合体に優れた電気伝導性を提供することができるため、マトリックス樹脂中に存在してネットワークを形成するか、またはマトリックス樹脂と衝撃補強剤との界面に存在してネットワークを形成することが好ましい。
出来るだけ大部分の電気伝導性フィラーがマトリックス樹脂中または界面に存在することが、少量の電気伝導性フィラーを用いながらも優れた電気伝導性を得る点で好ましいが、全ての電気伝導性フィラーが衝撃補強剤のドメインに存在してはならないわけではなく、10重量%以下のカーボンナノチューブが衝撃補強剤中に存在し得る。
本発明による樹脂複合体は、マトリックス樹脂及び衝撃補強剤と電気伝導性フィラーとの親和度による電気伝導性フィラーの挙動特性を用いて製造することができる。
上述のように、本発明では、電気伝導性フィラーに対して高い親和性を有するポリマーをマトリックス樹脂として用い、上記マトリックス樹脂に比べて相対的に低い親和性を有するポリマーを衝撃補強剤として用いる。
この際、上記の3つの成分、すなわち、マトリックス樹脂用ポリマー(以下、単に「ポリマー」ともいう)、衝撃補強剤、及び電気伝導性フィラーを混合してコンパウンディングすることで樹脂複合体を製造する場合、上記電気伝導性フィラーは、親和性の高いマトリックス樹脂中に存在するようになる。しかし、上記衝撃補強剤は、マトリックス樹脂用ポリマーとの相溶性の問題によって均一なドメインを形成できず、10μmを超える巨大なドメインが多量発生し、場合によっては、マトリックス樹脂はもちろん、衝撃補強剤もまた連続相として存在するだけで、ドメインを形成することができない。そのため、耐衝撃性を向上させることができなくなる。また、押出成形時にダイスウェリング(die swelling)現象が激しく発生するなどの問題が生じる。
そこで、本発明は、衝撃補強剤と電気伝導性フィラーを先にコンパウンディングしてマスターバッチを製造した後、マトリックス樹脂用ポリマーと混合することを提案する。
上記衝撃補強剤と電気伝導性フィラーを含むマスターバッチを用いる場合、マスターバッチ中に含まれた電気伝導性フィラーは、衝撃補強剤に比べてマトリックス樹脂用ポリマーに対する親和性が高いため、マトリックス樹脂用ポリマーに向かって移動(転移、migration)する。
このような電気伝導性フィラーの挙動を概念的に示すと、図3の通りである。
これにより、電気伝導性フィラーは、マトリックス樹脂中またはマトリックス樹脂とPOEなどの衝撃補強剤との界面に存在して互いにネットワークを形成し、上記POEなどの衝撃補強剤は、微細なドメインを形成しながらマトリックス中に均一に分散されるようになり、図4の(a)に示したような微細且つ均一なドメインが形成されたモフォロジーを有するポリマー複合体を得ることができる。
上記衝撃補強剤が微細なドメインを形成する理由は明確に明らかになっていないが、衝撃補強剤中にCNTなどの電気伝導性フィラーが含浸されることで衝撃補強剤の粘度が高くなるため、マトリックス樹脂中におけるドメインの形成が有利となる。また、CNTなどの電気伝導性フィラーがより高い親和度のマトリックス樹脂に向かって転移(migration)する過程で、界面に存在するCNTなどの電気伝導性フィラーがドメインの再凝集現象を防止する。また、これとともに、マトリックス樹脂に転移したCNTなどの電気伝導性フィラーがマトリックス樹脂の粘度を高めることで、せん断応力(shear stress)が増加し、衝撃補強剤のドメインのサイズを小さくする役割を担うと推測される。これにより、樹脂複合体のモフォロジーも安定して形成されることができる。
これに対し、本発明と異なって、マトリックス樹脂用ポリマー、衝撃補強剤、及び電気伝導性フィラーを同時に混合してコンパウンディングする場合、上述のように、電気伝導性フィラーとマトリックス樹脂との親和性によって互いに混和されるが、衝撃補強剤のドメインのサイズを微細化する機能を担うことができず、衝撃補強剤とマトリックス樹脂との相溶性の問題によって、衝撃補強剤が互いに凝集してドメインのサイズが大きく形成される。これは図5の(a)に示した通りであり、この場合、耐衝撃性を向上させる効果が著しく低い。
また、マトリックス樹脂用ポリマーと電気伝導性フィラーをコンパウンディングしてマスターバッチを形成した後に衝撃補強剤を混合する場合には、電気伝導性フィラーは親和性の高いマトリックス樹脂中にそのまま存在し、マトリックス樹脂と衝撃補強剤の相溶性の問題によって衝撃補強剤のドメインが安定して形成されず、図6に示したように、マトリックスはもちろん、衝撃補強剤も連続相に形成されて、耐衝撃性の改善効果が著しく低い。
したがって、本発明の樹脂複合体を製造するためには、マトリックス樹脂用ポリマーと、衝撃補強剤と電気伝導性フィラーを含むマスターバッチと、を含む組成物を用いることが好ましい。
衝撃補強剤と電気伝導性フィラーのマスターバッチの製造方法は特に限定されず、通常のマスターバッチの製造方法により製造することができ、一般に用いられるニーダー(kneader)、押出機(single、twin)などを用いることができる。例えば、二軸押出機を用いる場合、二軸押出機のメインフィーダーに衝撃補強剤を投入し、サイドフィーダーに電気伝導性フィラーを投入するか、または、メインフィーダーに衝撃補強剤及び電気伝導性フィラーをともに投入して溶融混練することで製造することができる。
次いで、押出機のダイから吐出された溶融ストランドを冷却水槽で冷却することで固体化したストランドを得た後、切断機によりペレット化したマスターバッチを得ることができる。上記マスターバッチの形態は特に限定されず、例えば、球形またはチップ形であることができる。
次に、上記製造された衝撃補強剤と電気伝導性フィラーのマスターバッチ(衝撃補強剤‐電気伝導性フィラーのマスターバッチ)をマトリックス樹脂用ポリマーと混合及び溶融してコンパウンディングすることで、樹脂複合体を製造することができる。
さらに、上記衝撃補強剤‐電気伝導性フィラーのマスターバッチとマトリックス樹脂を混合して2次マスターバッチ、すなわち、衝撃補強剤‐電気伝導性フィラー‐マトリックス樹脂用ポリマーのマスターバッチを製造した後、上記2次マスターバッチをマトリックス樹脂用ポリマーと混合してコンパウンディングすることで、本発明の一実施形態による電気伝導性樹脂複合体を製造してもよい。
この際、必要に応じて、2次マスターバッチを製造する過程で、CNTなどの電気伝導性フィラーを上記マトリックス樹脂用ポリマーとともにさらに添加して、所望の含量比に調節することができる。
このように、2次マスターバッチを追加製造する場合には、溶融混練(コンパウンディング)及びそれによる押出工程が追加されることで、電気伝導性フィラーがマトリックス樹脂用ポリマーに均一に分散される機会をさらに提供することができ、また、CNTなどの電気伝導性フィラーとドメインの分布をより均一にする効果を得ることができる。すなわち、上記のようなコンパウンディング過程で、上記マスターバッチ中に含まれた電気伝導性フィラーは、衝撃補強剤に比べて親和性が高いマトリックス樹脂に向かって移動し、これにより、電気伝導性フィラーがマトリックス樹脂中またはマトリックス樹脂と衝撃補強剤との界面に位置するようになる。また、新しく加えられた電気伝導性フィラーは、マトリックス樹脂中に分散される。
上記組成物において、上記衝撃補強剤と電気伝導性フィラーのマスターバッチは、得ようとする樹脂複合体に要求される電気伝導性及び耐衝撃性に応じて調節されることができ、特に限定されないが、マスターバッチ100重量%に対して1〜50重量%の電気伝導性フィラーを含むことができる。例えば、上記電気伝導性フィラーは、マスターバッチの重量に対して5〜40重量%、5〜30重量%、5〜25重量%、10〜30重量%、10〜25重量%、10〜20重量%などの範囲で含まれることができる。
一方、上記マスターバッチの含量は、上記マトリックス樹脂用ポリマーとマスターバッチの合計100重量%に対して0.1〜50重量%であることができる。例えば、上記マスターバッチは、1〜50重量%、1〜45重量%、5〜45重量%、5〜40重量%、5〜30重量%、5〜25重量%、10〜30重量%、10〜25重量%、15〜25重量%などの範囲で含まれることができる。
上記組成物は、必要に応じて、樹脂組成物に通常添加される添加剤をさらに含むことができる。本発明の組成物に添加できる組成物としては、特に限定されないが、例えば、強度補強のための補強剤(reinforced filler)、CNTなどの電気伝導性フィラーの分散性の改善のための分散剤、樹脂の相溶性の改善のための相溶化剤、酸化防止剤、紫外線安定剤などが挙げられる。また、複合体に要求される物性などを考慮して、マトリックス樹脂以外の他の樹脂を必要に応じてさらに含むことができる。
上記補強剤としては、樹脂組成物に一般に用いられるものであれば特に限定されず、例えば、ガラス繊維、タルク、炭酸カルシウム、クレーなどが挙げられる。
本発明により得られた樹脂複合体は、マトリックス樹脂用ポリマー、衝撃補強剤、及び電気伝導性フィラーの合計重量100重量%に対して、1〜40重量%の衝撃補強剤、0.1〜20重量%の電気伝導性フィラー、及び残部のマトリックス樹脂用ポリマーを含む。例えば、2〜20重量%の上記衝撃補強剤、0.5〜5重量%の電気伝導性フィラー、及び残部のマトリックス樹脂用ポリマーを含むことができる。
本発明により得られた樹脂複合体は、ノッチ付きアイゾット(Notched IZOD)によるアイゾット衝撃強度(Izod impact strength)を測定した時に、用いられた衝撃補強剤及び電気伝導性フィラーの含量によって異なるが、各組成成分を同時に添加して製造した樹脂複合体に比べて、衝撃補強剤及び電気伝導性フィラーの含量が同一の場合に、少なくとも10%、最大600%程度まで耐衝撃性が改善される結果を得ることができる。例えば、本発明による樹脂複合体は、ノッチ付きアイゾッド衝撃強度の値が10〜65kgfcm/cmであることができる。
さらに、本発明による複合体は、上記のような衝撃強度を有するとともに、電気抵抗の値が1.0×101〜1.0×109、より好ましくは1.0×101〜1.0×106であることができる。
以下、本発明を実施例を挙げてより具体的に説明する。しかし、以下の実施例は本発明の具体的な一実施例に関するものであって、これにより本発明は限定されない。
<実施例1〜7>
40Φ、L/D=48、総12個のバレル(barrel)の大きさの二軸押出機(Twin screw extruder)のメインフィーダーに衝撃補強剤としてPOE(SKGC、Solumer 875L)を供給し、サイドフィーダーに電気伝導性フィラーとしてMWCNT(Multi‐walled CNT、Wall数7‐10、純度84%、アスペクト比:350)を供給して溶融押出することで、POE/MWCNTのマスターバッチを製造した。
40Φ、L/D=48、総12個のバレル(barrel)の大きさの二軸押出機(Twin screw extruder)のメインフィーダーに衝撃補強剤としてPOE(SKGC、Solumer 875L)を供給し、サイドフィーダーに電気伝導性フィラーとしてMWCNT(Multi‐walled CNT、Wall数7‐10、純度84%、アスペクト比:350)を供給して溶融押出することで、POE/MWCNTのマスターバッチを製造した。
その後、同一の装置を用いて、マトリックス樹脂用ポリマーとしてポリカーボネート樹脂(PC、LOTTE HOPELEX PC‐1220)と上記POE/MWCNTのマスターバッチを溶融混練することで、ASTM規格に準じた射出成形品を製造した。
この際、PC、POE、MWCNTの含量は、表1に示したような含量比に調節した。
上記で得られた成形品に対して、引張強度(ASTM D 638)、屈曲弾性率(Flextual)(ASTM D 790)、衝撃強度(ASTM D 256)、及び表面電気抵抗(JIS K7194)を測定し、その結果を表3に示した。
実施例2により得られた成形品の表面をSEM撮影し、その結果を図4に示した。
この際、PC、POE、MWCNTの含量は、表1に示したような含量比に調節した。
上記で得られた成形品に対して、引張強度(ASTM D 638)、屈曲弾性率(Flextual)(ASTM D 790)、衝撃強度(ASTM D 256)、及び表面電気抵抗(JIS K7194)を測定し、その結果を表3に示した。
実施例2により得られた成形品の表面をSEM撮影し、その結果を図4に示した。
<比較例1>
表2に示したような含量比でPC、POE、及びMWCNTを同時に配合し、溶融混練することで射出成形品を製造した。
得られた成形品に対して実施例1と同一の物性を測定し、その結果を表4に示した。
これにより得られた成形品の表面をSEM撮影し、その結果を図5に示した。
表2に示したような含量比でPC、POE、及びMWCNTを同時に配合し、溶融混練することで射出成形品を製造した。
得られた成形品に対して実施例1と同一の物性を測定し、その結果を表4に示した。
これにより得られた成形品の表面をSEM撮影し、その結果を図5に示した。
<比較例2>
表2に示したように、ポリカーボネート樹脂100重量%を準備して射出成形品を製造した。
得られた成形品に対して実施例1と同一の物性を測定し、その結果を表4に示した。
表2に示したように、ポリカーボネート樹脂100重量%を準備して射出成形品を製造した。
得られた成形品に対して実施例1と同一の物性を測定し、その結果を表4に示した。
<比較例3>
表2に示したように、ブレンド樹脂組成物の総含量に対して、ポリカーボネート樹脂97重量%及びCNT3重量%を直接混合して(direct compound)、射出成形品を製造した。
得られた成形品に対して実施例1と同一の物性を測定し、その結果を表4に示した。
表2に示したように、ブレンド樹脂組成物の総含量に対して、ポリカーボネート樹脂97重量%及びCNT3重量%を直接混合して(direct compound)、射出成形品を製造した。
得られた成形品に対して実施例1と同一の物性を測定し、その結果を表4に示した。
<比較例4>
実施例1と同一の二軸押出機のメインフィーダーにマトリックス樹脂としてPCを供給し、サイドフィーダーに電気伝導性フィラーとしてMWCNT(Multi‐walled CNT)を供給して溶融押出することで、PC/MWCNTのマスターバッチを製造した。
その後、同一の装置を用いて、衝撃補強剤としてPOEと上記PC/MWCNTのマスターバッチをコンパウンディングすることで、射出成形品を製造した。
この際、用いられたPC、POE、MWCNT、及びその含量は実施例1と同一であって、表2に示した通りである。
上記で得られた成形品に対して実施例1と同一の物性を測定し、その結果を表4に示した。
また、これにより得られた成形品の表面をSEM撮影し、その結果を図6に示した。
実施例1と同一の二軸押出機のメインフィーダーにマトリックス樹脂としてPCを供給し、サイドフィーダーに電気伝導性フィラーとしてMWCNT(Multi‐walled CNT)を供給して溶融押出することで、PC/MWCNTのマスターバッチを製造した。
その後、同一の装置を用いて、衝撃補強剤としてPOEと上記PC/MWCNTのマスターバッチをコンパウンディングすることで、射出成形品を製造した。
この際、用いられたPC、POE、MWCNT、及びその含量は実施例1と同一であって、表2に示した通りである。
上記で得られた成形品に対して実施例1と同一の物性を測定し、その結果を表4に示した。
また、これにより得られた成形品の表面をSEM撮影し、その結果を図6に示した。
表3及び表4におけるドメインのサイズは、同一の5個のアイゾット衝撃試験片(ASTM D256)を液体窒素で破断した後、各試験片を、SEMを用いて5k(×5000)倍率で10枚をランダムに撮影し、全体50枚のSEM写真からドメインのサイズを測定し、そのサイズを平均して示した。この際、ドメインが円形ではない場合には、最大距離を基準として測定した。
上記表3から、ポリオレフィンエラストマーとCNTを用いてマスターバッチを製造した後にポリカーボネート系樹脂とブレンドした場合である実施例1〜7は、成形品の衝撃強度が大きく向上することが分かる。
一方、表4から、電気伝導性フィラーを含まない比較例2は、純粋なPCに近接した衝撃強度値を示すことを確認した。しかし、同一の含量でPOE及びCNTを含む比較例1及び比較例4の成形品は、衝撃強度値が著しく低下する結果を示した。
このようなことから、実施例1〜7は、衝撃補強剤がマトリックスに均一に分布して耐衝撃性を向上させていることが分かる。
また、実施例2の成形品の表面を撮影したSEM写真から、本発明による場合、衝撃補強剤が均一に分布していることを確認することができる。
しかし、比較例1の成形品の表面を示す図5から、CNTがマトリックスとしてのPCに主に選択的に存在しているが、POEドメインの分布及びサイズが不均一なモフォロジーを有していると判断され、これにより、耐衝撃性の改善効果が著しく低い結果を示すことが分かる。
また、比較例4の成形品の表面を示す図6から、POEが連続相として存在してドメインの形態を示さないことが分かる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には明らかである。
Claims (26)
- マトリックス樹脂、
前記マトリックス樹脂中に分散された、5μm以下(但し、0を除く)の平均粒子サイズを有する衝撃補強剤のドメイン、及び
前記マトリックス樹脂中に分散された電気伝導性フィラー
を含む、電気伝導性樹脂複合体。 - 前記衝撃補強剤のドメインは、サイズの標準偏差が3μm以下である、請求項1に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- 前記電気伝導性フィラーは、電気伝導性フィラーの全重量の90%以上が、マトリックス樹脂中またはマトリックスと衝撃補強剤との界面に存在する、請求項1または2に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- 前記衝撃補強剤と電気伝導性フィラーとの界面エネルギーが、マトリックス樹脂と電気伝導性フィラーとの界面エネルギーより大きい値を有する、請求項1〜3の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- 衝撃補強剤、電気伝導性フィラー、及びマトリックス樹脂の合計重量を基準として、衝撃補強剤1〜40重量%、電気伝導性フィラー0.1〜20重量%、及び残部のマトリックス樹脂を含む、請求項1〜4の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- 前記マトリックス樹脂は、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンスルフィド、及びポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項1〜5の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- 前記マトリックス樹脂は、ポリカーボネートである、請求項1〜6の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- 前記衝撃補強剤は、ポリオレフィンエラストマー、ポリスチレンエラストマー、熱可塑性ポリウレタン、ポリエステルポリマー、塩化ビニル樹脂、及びアクリル共重合体からなる群から選択される少なくとも1つである、請求項1〜7の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- 前記衝撃補強剤は、ポリオレフィンエラストマーである、請求項1〜8の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- 前記ポリオレフィンエラストマーは、エチレンとオクテンとの共重合体またはエチレンとブテンとの共重合体である、請求項9に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- 前記電気伝導性フィラーは、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、及び炭素繊維からなる群から選択される少なくとも1つである、請求項1〜10の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- ノッチ付きアイゾッド衝撃強度が10〜65kgfcm/cmである、請求項1〜11の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体。
- マトリックス樹脂用ポリマーと、
衝撃補強剤と電気伝導性フィラーを含むマスターバッチと、を含み、
前記衝撃補強剤は、前記マトリックス樹脂用ポリマーに比べて電気伝導性フィラーに対する界面エネルギーが大きい、電気伝導性樹脂組成物。 - 前記マスターバッチの含量は、前記マトリックス樹脂用ポリマーとマスターバッチの合計重量に対して0.1〜50重量%であり、
前記マスターバッチに含まれる電気伝導性フィラーの含量は、前記マスターバッチの全重量に対して1〜50重量%である、請求項13に記載の電気伝導性樹脂組成物。 - 前記マトリックス樹脂用ポリマーは、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンスルフィド、及びポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項13または14に記載の電気伝導性樹脂組成物。
- 前記衝撃補強剤は、ポリオレフィンエラストマー、ポリスチレンエラストマー、熱可塑性ポリウレタン、ポリエステルポリマー、塩化ビニル樹脂、及びアクリル共重合体からなる群から選択される少なくとも1つである、請求項13〜15の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂組成物。
- 前記ポリオレフィンエラストマーは、エチレンとオクテンとの共重合体またはエチレンとブテンとの共重合体である、請求項16に記載の電気伝導性樹脂組成物。
- 前記電気伝導性フィラーは、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、及び炭素繊維からなる群から選択される少なくとも1つである、請求項13〜17の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂組成物。
- 衝撃補強剤と電気伝導性フィラーが混合された衝撃補強剤‐電気伝導性フィラーのマスターバッチをマトリックス樹脂用ポリマーと混合して電気伝導性樹脂組成物を製造する段階と、
前記電気伝導性樹脂組成物を溶融して成形することで、電気伝導性樹脂複合体を製造する段階と、を含み、
前記電気伝導性樹脂複合体は、
マトリックス樹脂、
前記マトリックス樹脂中に分散された、5μm以下(但し、0を除く)の平均粒子サイズを有する衝撃補強剤のドメイン、及び
前記マトリックス樹脂中に分散された電気伝導性フィラー
を含む、電気伝導性樹脂複合体の製造方法。 - 前記衝撃補強剤と電気伝導性フィラーとを混合し、溶融混練して前記マスターバッチを製造する段階をさらに含む、請求項19に記載の電気伝導性樹脂複合体の製造方法。
- 前記衝撃補強剤、電気伝導性フィラー、及びマトリックス樹脂用ポリマーを混合し、溶融混練して前記マスターバッチを製造する段階をさらに含む、請求項19に記載の電気伝導性樹脂複合体の製造方法。
- 前記電気伝導性樹脂組成物は、前記電気伝導性樹脂組成物の合計重量を基準として、衝撃補強剤1〜40重量%、電気伝導性フィラー0.1〜20重量%、及び残部のマトリックス樹脂用ポリマーを含む、請求項19〜21の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体の製造方法。
- 前記マトリックス樹脂用ポリマーは、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンスルフィド、及びポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項19〜22の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体の製造方法。
- 前記衝撃補強剤は、ポリオレフィンエラストマー、ポリスチレンエラストマー、熱可塑性ポリウレタン、ポリエステルポリマー、塩化ビニル樹脂、及びアクリル共重合体からなる群から選択される少なくとも1つである、請求項19〜23の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体の製造方法。
- 前記ポリオレフィンエラストマーは、エチレンとオクテンとの共重合体またはエチレンとブテンとの共重合体である、請求項24に記載の電気伝導性樹脂複合体の製造方法。
- 前記電気伝導性フィラーは、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、及び炭素繊維からなる群から選択される少なくとも1つである、請求項19〜25の何れか一項に記載の電気伝導性樹脂複合体の製造方法。
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