KR100525210B1 - 전기전도성 조성물 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

전기전도성 조성물 (10) 및 예컨대 사출성형법과 같은 그의 제조방법. 본 발명의 조성물은 실제로 제 1 열가소성 성분 (12)로 된 매트릭스, 상기 제 1 열가소성 성분보다 극성이 더 높고, 복수개의 섬유 (14)를 캡슐화함으로 해서 상기 매트릭스 내에 캡슐화된 섬유들의 네트워크를 형성하는 제 2 열가소성 성분 (16), 및 상기 제 2 성분에 우선적으로 부착하여 상기 네트워크를 상기 매트릭스 내에서 전기전도성 네트워크롤 만들어주는 탄소 성분 (18)을 포함한다.

Description

전기전도성 조성물 및 그의 제조방법{ELECTRICALLY CONDUCTIVE COMPOSITIONS AND METHODS FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 유리섬유와 카본 블랙 및 카본 섬유와 상이한 극성을 갖는 2가지 열가소성 화합물의 혼합물에 기초한 전기전도성 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
전기전도성 폴리머를 기재로 한 조성물은 예컨대 전자부품을 전자기 간섭 (EMI: electromagnetic interference)으로부터 보호하기 위해 플라스틱 부분과 플라스틱 박스로부터 정전 전하를 소산시키기 위한 것과 같은 많은 산업 분야에서 이용되어 왔다. 정전기적 방전 (ESD: electrostatic discharge) 응용의 예로서 전자 패키징, 청소장비, 보관용 트레이, 워터 캐리어, 칩 캐리어 및 폭발방지 환경용 건축자재를 들 수 있다.
102 내지 1013 ohm/square의 일반적인 표면저항을 갖는 정전기를 소산시키기 위해 제조된 화합물과 EMI 차단 응용을 위한 특수한 화합물들은 일반적으로 10-2 내지 102 ohm-cm의 부피 저항을 나타낸다.
기술분야에는 정전기 소산 (static electricity dissipation)과 EMI 차단의 두 가지 모두에 대해 적절한 저항을 갖는 폴리머 기재 화합물이 알려져 있다. 이러한 한가지 부류의 화합물은 약 103 - 108 ohm/square의 표면 저항에 의해 특징지어지는 40 내지 60% 까지의 고탄소 로딩 수준을 갖는 폴리프로필렌 (PP) 또는 폴리에틸렌 (PE)을 기재로 한 화합물이다. EMI 차단을 요구하는 응용의 경우, 30 내지 50% PAN 카본 섬유의 중량 로딩 수준, 40% 알루미늄 플레이크, 15% 니켈-코팅된 카본 섬유 또는 5 내지 10% 스테인레스강 섬유가 동 부류의 폴리머에 사용되어 왔다.
폴리머의 전기전도성을 증가시키기 위해, 현재 금속 분말, 금속 섬유, 카본 블랙, 카본 섬유 및 최근에는 내재적으로 전도성인 폴리머 분말과 같은 특정 전도성 첨가제를 폴리머에 충전시키는 방법이 이용되고 있다. 이러한 재료의 특징적인 양태는 전기전도성과 충전재 농도 사이에 강한 비선형 관계가 존재한다는 것이다. 낮은 충전재 로딩에서는, 폴리머 화합물의 전기전도성이 일반적으로 매우 낮고; 그의 강도는 폴리머 매트릭스의 그것과 유사하다 (10-16 내지 10-11 ohm-1cm-1). 로딩값이 증가할수록, 좁은 농도 범위에서 전도성이 몇 차수의 강도로 급격히 증가한 다음, 10-4 내지 10-1 ohm-1cm-1의 응축된 충전재 분말 전도성 수준으로 서서히 증가한다. 이러한 양상은 임계 부피 분획 (critical volume fraction)에서 일어나는 절연-전도 전이를 설명해준다. 이러한 역치 (threshold)는 전체 표본 부피를 통해 연장되어 전류가 흐르도록 해주는 사슬모양의 입자 네트워크의 형성에 기인한 것이다.
미국특허 제 4,169,816호는 고탄소 함량의 전기전도성 단일 열가소성 소재 조성물이 개시되어 있는데, 이 조성물은 각각 폴리프로필렌-에틸렌 코폴리머 100 중량부당 카본 블랙 15-30부, 실리카 0.25 내지 1부 및 카본 섬유 또는 카본 섬유와 유리 섬유의 혼합물 중에서 선택된 섬유 강화제 1 - 10 중량부를 함유한다.
미국특허 제 5,004,561호는 고탄소 함량의 또 다른 단일 열가소성 소재에 기초한 전기전도성 조성물을 개시하고 있는데, 이 조성물은 폴리올레핀, 폴리스티렌 및 아크릴로니트릴/스티렌/부타디엔 (ABS) 코폴리머 수지, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT) 수지, 폴리페닐렌 에테르 및 폴리아미드 (PA) 수지 중에서 선택된 열가소성 수지 100 중량부 당 전기전도성 유리 섬유 30 - 300부, 카본 블랙 5 - 40부 및 그래파이트 5 - 40부를 함유한다.
러시아 특허 제 SU 1,643,568호에는 고탄소 기제 전기전도성 열가소성 조성물이 설명되어 있는데 이 조성물에서는 전기전도성이 매트릭스 중에 탄소를 분산시킴으로써 획득된다. 이 조성물은 폴리프로필렌 20 - 35 중량%, 폴리아미드 10 - 20 중량%, 카본 블랙 20 - 30 중량%, 그래파이트 10 - 20 중량% 및 유리 섬유 15 - 20 중량%를 함유한다.
전기전도성 열가소성 물품의 제조방법으로는 기술분야에 일반적으로 2가지 방법이 알려져 있다. 제조속도가 느린 압착 성형법에서는 소망되는 전도성을 달성하는데 보다 적은 양의 충전재 (예컨대 카본 블랙)이 요구되지만, 이러한 조성물의 기계적 특성은 대개 불만족스럽다. 제조속도가 빠른 사출성형법에서는 보다 양호한 기계적 특성이 얻어지고 복잡한 기하학적 형태를 갖는 물품을 생산할 수 있는 반면, 요구되는 전도성 충전재의 양이 많다. 전기전도성 화합물의 압착성형법의 한가지 단점은 비교적 느린 공정에 소요되는 비용이 비싸다는 것이다.
정전기 소산 및 EMI 차단 응용을 위한 종래 기술의 폴리머 기재 화합물의 주요한 단점은 전도성 폴리머 화합물을 형성하는데 요구되는 전도성 첨가재의 백분률이 높음으로 인해서 비용이 비싸고 가공성과 기계적 특성이 저조하며 탄소 오염이 심하여 특히 청정실 적용에 불리하다는 것이다.
발명의 요약
본 발명은 개선된 열가소성 전기전도성 조성물을 제공한다.
본 발명의 한가지 측면에 따라, 이 전기전도성 조성물은 연속 매트릭스를 형성하는 제 1 열가소성 성분과 상기 매트릭스의 극성보다 극성이 더 큰 제 2 열가소성 성분을 포함한다. 본 발명의 조성물은 또한 제 2 열가소성 성분에 in-situ 캡슐화되어 매트릭스 내에 네트워크를 형성하는 섬유 및 그의 고극성으로 인해, 제 2 성분에 우선적으로 부착되는 카본 블랙 성분도 포함한다. 카본 블랙을 포함하여, 입자의 바람직한 위치에서 캡슐화된 네트워크의 인-시투 형성에 의해 전기전도성 조성물이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 전도성 탄소 충전재와 제 2 성분의 비율은, 탄소 충전재의 실질적인 부분이 제 2 성분과 매트릭스 사이의 경계면에 위치함으로 해서 전기전도성을 부여하는데 충분히 높은 비율이다. 그럼에도 불구하고, 전체적인 탄소 농도는 종래 기술의 전기전도성 조성물보다 적어도 한 차수 강도 (an order of magnitude)만큼 작기 때문에, 본 발명의 조성물은 청정실 적용을 비롯한 다른 많은 응용에 유리하게 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 열가소성 전기전도성 조성물을 제조하는 고속 공정법을 사용하는 것이다. 최근 발명들의 전기전도성 열가소성 조성물을 제조하는데는 사출성형 (injection molding)이 이용되는 반면, 카본 블랙의 농도가 매우 낮아 본 발명 조성물의 기계적 특성은 개선된다.
본 발명의 전기전도성 조성물은 실제로 제 1 열가소성 성분으로 된 매트릭스, 제 1 열가소성 성분보다 극성이 더 크고, 복수개의 섬유를 캡슐화함으로 해서 상기 매트릭스 내에 캡슐화된 섬유들의 네트워크를 형성하는 제 2 열가소성 성분, 및 상기 제 2 성분에 우선적으로 부착됨으로 해서 상기 네트워크를 상기 매트릭스 내에서 전기전도성 네트워크로 만들어주는 탄소 성분을 함유한다.
본 발명의 한가지 구체예에서, 제 1 열가소성 성분은 부가적인 엘라스토머 성분을 갖거나 갖지 않는 폴리올레핀 화합물이다. 이 폴리올레핀은 호모폴리머나 코폴리머일 수 있는 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 중에서 선택된다. 제 2 성분은 폴리아미드 또는 EVOH이다. 바람직한 구체예에서, 본 발명의 조성물은 폴리아미드나 EVOH를 100 중량부 당 20 중량부 미만으로 포함한다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 제 1 성분은 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌이고 제 2 성분은 폴리아미드, 또는 EVOH이다.
또 다른 구체예에서, 제 1 성분은 폴리스티렌, 고충격 폴리스티렌 및 폴리페닐렌옥사이드/폴리스티렌이고 제 2 성분은 폴리아미드 또는 EVOH이다.
본 발명의 조성물의 섬유는 유리 섬유일 수 있다. 바람직한 구체예에서, 본 발명 조성물은 유리 섬유를 100 중량부 당 55 중량부 미만으로 함유한다.
본 발명의 조성물의 탄소 성분은 카본 블랙일 수 있다. 이에 대체하여, 또는 그와 조합하여, 탄소 성분은 카본 섬유일 수 있다. 바람직한 구체예에서, 본 발명의 조성물은 카본 블랙을 100 중량부 당 10 중량부 미만으로 함유한다. 또 다른 구체예에서, 본 발명의 조성물은 100 중량부 당 카본 섬유를 30부 미만으로 함유한다.
바람직한 구체예에서, 본 발명의 조성물은, 0.1 내지 109 ohm-cm 범위에서 하나 이상의 부피 저항, 약 11,000 MPa 이하의 굽힘 계수 (flexural modulus) 및 60 MPa 이하의 인장강도를 갖는다.
도면의 간단한 설명
이하의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하면 본 발명이 더욱 상세히 이해되고 인식될 수 있을 것이다. 도면의 설명은 다음과 같다:
도 1은 본 발명의 전기전도성 열가소성 조성물의 형태를 나타낸 개략도;
도 2A-2C는 본 발명의 사출성형된 조성물의 냉동 파쇄된 표면의 비제한적으로 예시된 SEM 마이크로그래프 (여러 배율에서의);
도 3은 본 발명의 전기전도성 열가소성 조성물의 제조방법의 개략적인 블록 다이아그램;
도 4A-4D는 탄소 화합물로서 카본 블랙을 사용한, 본 발명의 전기전도성 열가소성 조성물의 4가지 바람직한 제조방법의 개략적인 블록 다이아그램;
도 5A-5C는 탄소 화합물로서 카본 블랙과 카본 섬유 두 가지 모두를 사용한, 본 발명의 전기전도성 열가소성 조성물의 세 가지 바람직한 제조방법의 개략적인 블록 다이아그램.
도 1을 참조한다. 도 1은 본 발명의 전기전도성 다성분 열가소성 조성물을 개략적으로 도시한 도면이다.
통칭 (10)으로 표시된 본 발명의 전기전도성 다성분 열가소성 조성물은, 실제로 제 1 열가소성 화합물로 형성된 매트릭스 (12), 도 2의 SEM 마이크로그래프에도시되어 있는 카본 블랙을 내부와 표면에 갖는 제 2 열가소성 화합물 (16)로 캡슐화된 유리 섬유 (14)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 표면에 카본 블랙을 갖고 있는 제 2 열가소성 조성물 (16)으로 캡슐화된 유리 섬유 (14)는 폴리프로필렌 매트릭스 (12)내에 전도성 네트워크를 형성한다.
바람직한 구체예에서, 제 1 열가소성 성분은 폴리올레핀 기재 성분, 폴리스티렌 (PS) 기재 성분 또는 아크릴로니트릴/스티렌/부타디엔 (ABS) 터폴리머 기재 화합물로서 부가적인 엘라스토머 성분을 갖거나 갖지 않을 수 있으며 제 2 열가소성 성분은 폴리아미드 (PA) 또는 폴리에틸렌 비닐 알코올 (EVOH) 코폴리머이다. 바람직하게는, 엘라스토머 성분이 엘라스토머의 복합물인 것이 좋다. 화합물에 엘라스토머 성분을 첨가하면 조성물의 전기전도성에 크게 영향을 주지 않고 기계적 특성이 변화된다.
조성물 (10)의 용융 블렌딩이 일어나는 동안, 유리 섬유 (14)에 대한 폴리아미드 또는 EVOH (16)의 친화성은 제 1 열가소성 성분들에 대한 것보다 훨씬 강력하기 때문에, 제 2 열가소성 성분은 도 3에 자세히 도시되어 있는 바와 같이 유리 섬유 (14)를 우선적으로 in situ 캡슐화하고, 그에 따라, 매트릭스 (12) 내에 캡슐화된 섬유의 네트워크가 생성된다. 또한, 카본 블랙 입자는 제 2 열가소성 성분 상(phase)에 우선적으로 부착하여, 도면부호 (15)로 표시되는 바와 같이 제 2 열가소성 성분 (폴리아미드 또는 EVOH) 매트릭스 경계면에 위치하기 때문에, 종래 기술보다 훨씬 적은 양으로 카본 블랙을 사용하여 캡슐화된 섬유의 네트워크를 전기전도성으로 만들 수 있고, 후술하는 바와 같이 조성물 (10)의 기계적 특성을 개선시켜준다.
도 2A - 2C에 나타낸 서로 다른 배율의 3개의 주사 전자 현미경 (SEM: Scanning Electron Microscope)을 참고하면, 캡슐화된 섬유의 네트워크와, 제 2 열가소성 성분상 (16) 중의 카본 블랙 (18)의 우선적인 분포를 명확히 볼 수 있다.
본 발명의 한가지 특징은 조성물 (10)이 유사한 전기전도성 수준에서 종래 기술에 따른 조성물보다 카본 블랙을 훨씬 낮은 농도로 포함한다는 것이다. 이것은 전기전도성 카본 블랙 입자가, 제 2 열가소성 성분상과 매트릭스 사이의 경계면을 따라 연속적인 경로를 형성하기 때문이다 (제 1 침투 레벨). 또한, 카본 블랙 입자의 매립부 (embodded part)가 제 2 열가소성 성분 (16)의 무정형상 내에 위치하기 때문에 (제 2 침투 레벨), 전도성 경로의 형성이 용이하다. 이것은 제 2 열가소성 성분에 캡슐화된 유리 섬유로 형성된 네트워크에 의해 더욱 용이해진다 (제 3 침투 레벨).
본 발명의 전기전도성 열가소성 조성물의 바람직한 제조방법을 도시하고 있는 도 3 내지 도 5C를 참조하여 설명한다. 도 3은 일반적인 방법을, 도 4A-4C 및 도 5A-5C는 각각 2가지 비제한적인 예의 조성물의 대체적인 제조방법을 도시하고 있다.
좌측으로부터 우측으로의 시간 경과에 따라 도시된 도 3의 방법은 화합 (compounding) 단계 (32), 펠릿화 단계 (34) 및 사출성형 단계 (36)를 포함한다. 한가지 바람직한 구체예에서 화합 단계 (32)는 도면 부호 (31)로 표시된 제 2 열가소성 성분과 폴리프로필렌과의 건식 혼합 (dry blending)에 이어 (33)으로 표시된 유리 섬유를 용융 및 용융혼합한 다음 이를 카본 섬유, 카본 블랙 또는 두가지 모두와 용융 혼합하는 단계를 포함한다. 후술하는 비제한적인 예에서, 화합 단계 (32)는 쌍날 화합기 (Berstrf, Germany)상에서 약 200-285℃ (폴리머 성분의 융점에 해당함)의 온도 범위에서 55 rpm의 스크류 속도로 수행된다. 얻어진 화합물을 펠릿화 (단계 (34))시킨 다음 200-285℃ 온도, 3개의 캐비티 American Standard Testing Material (ASTM) 성형기 (인장 막대, 굽힘 막대 및 강하 다트 충격 디스크)가 구비된 Battenfeld 사출성형장치에서 사출성형시켰다 (단계 (36)).
도 4A - 4D는 조성물 (10)의 또 다른 4가지 바람직한 제조방법을 도시한 것으로서, 여기서 조성물은 탄소 화합물로서 카본 블랙을 포함한 것이다. 도 4A - 4D는 조성물 (10)의 비제한적인 예를 도시한 것으로, 이 조성물은 폴리프로필렌 100 중량부, 폴리아미드 12 중량부, 유리 섬유 30 중량부 및 카본 블랙 2 중량부를 함유한다.
도 4A에 도시된 구체예에서는, 화합 단계 (32)가 아니라 도면 부호 (37)로 표시된 사출성형 단계에서 카본 블랙 농축물이 첨가되어 537 Ohm-cm의 저항과 4819 ± 161 MPa의 굽힘 계수를 갖게된다.
도 4B는 카본 블랙 농축물이 폴리프로필렌과 폴리아미드와 함께 건식 혼합되어 432 Ohm-cm의 저항과 굽힘 계수 4649±32 MPa를 갖게된다. 도 4C는 또 다른 대체방법으로서 여기서는 카본 블랙 농축물이 화합단계 동안 첨가되어 214 Ohm-cm의 저항과 4491±51 MPa의 굽힘 계수를 갖게 된다.
도 4D의 구체예에서는 유리 섬유를 폴리프로필렌 및 폴리아미드와 함께 혼합되는 반면 카본 블랙 농축물은 화합단계 동안 첨가되어 431 Ohm-cm의 저항과 3790 ± 63 MPa의 굽힘 계수를 갖게 된다.
도 5A - 5C는 조성물 (10)의 또 다른 바람직한 제조방법을 도시하고 있는데 여기서는 조성물이 탄소 화합물로서 카본 섬유나 또는 카본 블랙과 탄소섬유의 혼합물을 함유한다. 도 5A - 5C는 조성물 (10)의 비제한적인 예를 도시하고 있으며 폴리프로필렌 100 중량부, 폴리아미드 12 중량부, 유리 섬유 30 중량부, 카본 블랙 2 중량부 및 카본 섬유 20 중량부를 함유한다.
도 5A의 한 대체예에서는 카본 블랙과 카본 섬유의 두가지 모두를 사출성형 단계에 첨가하여 고전도성 (0.465 Ohm-cm) 및 고굽힘 계수 (9770 ±428 MPa)를 얻는다.
도 5B의 또 다른 예에서는 다른 대체예의 단계 (31)로 표시되는 건식 혼합 대신 단계 (39)로 표시되는 바와 같이 카본 블랙을 폴리올레핀 및 폴리아미드와 건식 혼합하는 한편, 카본 섬유는 화합단계에서 첨가하여 (단계 (35)) 2 Ohm-cm의 저항과 9550 ± 350 MPa의 굽힘 계수를 얻는다.
도 5C의 또 다른 예에서는, 카본 섬유를 화합 단계에서 첨가하여 8 Ohm-cm의 저항과 8931 ± 267 MPa의 굽힘 계수를 얻는다.
사출성형을 위해 조성물 (10)을 형성하는 화합물을 제조하는데 사용된 특정방법은 이제까지 설명된 비제한적인 구체예 뿐만 아니라 그 밖의 많은 다른 변형법중에서 선택될 수 있고 따라서, 조성물 (10)의 기계적 특성 (상술한 굽힘 계수)과 특수한 전기전도성이 서로 달라질 수 있음을 이해하여야 한다. 모든 방법에 있어서, 본 발명은 사출성형 후에 고전기전도성과 강한 기계적 특성을 제공한다.
다음의 실시예는 본 발명의 특정 측면을 설명해주는 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
모든 실시예에서, 사출성형된 복합 샘플 (12.6 cm x 1.27 cm x 0.32 cm)은 ASTM D 257-93 및 ASTM D 4496-87에 따라 Keithley 장치를 이용하여 부피 저항을 측정함으로써 그의 전기 특성에 대해 특징화시켰다. 샘플과 전극 사이의 접촉 저항을 제거하기 위해 은 페인트 (silver paint)를 사용하였다.
상응하는 ASTM 테스트법을 기계적 특성 평가에 사용하였다. 특히, ASTM D 0638은 인장강도, ASTM D790은 굽힘성, ASTM D256은 IZOD 충격, 그리고 ASTM D570은 물 흡수성을 측정하는데 이용되었다.
각각의 표본 중의 유리 섬유 함량과 카본 블랙 함량은 ASTM D 5630-94 및 ASTM D 1603-94를 각각 이용하여 측정하였다.
JEOL 5400 주사 전자 현미경으로 이용하여 복합물의 형태를 관찰하였다. 냉동 파쇄된 표면을 연구하였다.
이 실험에서, 시판등급의 PP (호모폴리머와 코폴리머), ABS, PS, HIPS, NORYL(표 10-13에서 상세히 설명함), PE (고밀도 등급 및 저밀도 등급), 엘라스토머, PA (PA6, PA66, PA11, PA12, PA6/6.9, PA6/12), EVOH, 유리 섬유 (잘게 자른 가닥, 길이 3.2-6.3 mm, 직경 10-13 마이크로미터0, 전도성 카본 블랙과 카본 섬유 (잘게 자른 섬유, 길이 6 mm, 직경 7-8 마이크론)을 이 연구에 사용하였다. 5가지 유형의 카본 블랙을 연구하였다. 이들의 특성을 다음 표 1에 나타내었다.
특성 Ketjen EC300J(AKZO) KetjenEC 600JD(AKZO) VulcanXC-72(Cabot) Corax L6(Degussa) Conductex 975(ColumbianChemicals)
표면적 BET, m2/g 1000 180 265 250
입도, nm 30 29 18 22
포어 부피DBP, ml/100g 350 480 178 123 165
표면적 CTAB, m2/g 480 86 150 153
요오드 흡수 mg/g 900 1000 293 260
휘발성,% 0.5 0.6 1.0 1.5 1.0
pH 8 8 7 7.5 7
설명된 모든 혼합 비율은 중량부에 관한 것으로 각각의 경우, 제 1 화합물 100 중량부에 기초한 것이다. 전기전도성 폴리올레핀 조성물은: 폴리머 매트릭스 100 중량부, 폴리아미드 4 내지 20부, 유리 섬유 10 내지 55 중량부, 카본 블랙 0.5 내지 10 중량부, 카본 섬유 0 내지 30 중량부를 함유한다.
조성물 (10)의 전기적 및 기계적 양상을 유리 섬유 농도, 폴리아미드/유리 섬유 비율 및 카본 블랙 농도의 함수로서 여러가지 폴리아미드 혼합물 비율에 대해 연구하였다. 조성물의 함수로서 저항과 기계적 특성을 표 2A 및 표 2B에 요약하였다. 제조된 샘플들은 본 발명의 가공법, 즉 사출성형에 따라 얻어진 것임을 이해하여야 한다.
조성물 1 2 3 4 5
폴리프로필렌 (MFI 12) 100 100 100 100 100
폴리아미드 6 5 5 5 5 5
유리 섬유 (Vetro tex) 12 12 20 20 20
카본 블랙 (EC 600) 1 3 0.5 1 3
특성
굽힘 계수, MPa 3044 3849 3041 3945 4104
아이조드 충격, 노치됨 J/m 69 64 33 83 60
부피 저항, Ohm-cm >108 3.3 x 105 108 104 1.6 x 105
조성물 6 7 8 9 10
폴리프로필렌 (MFI 12) 100 100 100 100 100
폴리아미드 6 8 8 10 12 5
유리 섬유 (Vetro tex) 20 30 30 30 20
카본 블랙 (EC 600) 3 1 1.5 2 3
특성
굽힘 계수, MPa 34366 5003 4655 4941 4104
아이조드 충격, 노치됨 J/m 557 76 75 79 60
부피 저항, Ohm-cm 8.6 x 103 6.6 x 103 3 x 103 1.4 x 103 1.6 x 105
표 3A와 표 3B는 상이한 폴리프로필렌/폴리아미드 혼합물에 있어서 조성물 (10) 중의 유리 섬유 농도에 따른 저항 및 물리적 특성 의존도를 나타내준다. 유리 섬유의 함량이 증가할수록 인장강도, 인장계수 및 굽힘 계수가 증가함을 명확히 인식할 수 있다.
표 4는 사용된 제 2의 열가소성 성분 (폴리아미드)의 종류에 따른 PP/PA/GF/CB 시스템 (각각 100/12/30/4 phr 비율)의 전기 저항 의존성을 나타내고 있다. 조성물 (10)에 대해 모든 종류의 폴리아미드가 사용될 수 있음과 그들의 전기전도성이 폴리아미드의 결정성을 선택함으로써 측정될 수 있음을 명백히 관찰할 수 있다. PA 6/6-9 및 PA 6-12 (무정형 폴리아미드)보다 PA 66 및 PA 6, PA11, PA 12 (세미결정성 폴리아미드)를 기재로 한 조성물 (10)에서 더 낮은 저항값이 얻어졌다. 전도성 첨가제의 농도가 동일한 경우, PA 66 (연구된 것중 결정성이 가장 높은 폴리아미드)을 기재로 한 화합물에서 전도성 수진이 더 높았다.
조성물 (10)에는 모든 종류의 카본 블랙이 사용될 수 있음도 이해될 수 있다. 폴리프로필렌 (100 중량부), PA 66 (12 중량부) 및 유리 섬유 (30 중량부)를 기재로 한 조성물에 대해 2개의 로딩 수준에서 5가지 CB 등급을 이용한 조성물의 저항과 기계적 특성을 표 5에 나타내었다. 이 표로부터, 사용된 카본 블랙 중 가장 전도성이 높은 Ketjenblacks EC 300과 EC 600이 가장 높은 전기전도성을 제공함을 알 수 있다.
조성물 (10)의 저항과 기계적 특성을 결정하는 또 다른 인자는 사용된 폴리머 매트릭스의 유동성 (MFI)이다. 하기 표 6으로부터 명백히 볼 수 있는 바와 같이, 예컨대 MFI 값이 더 높은 폴리프로필렌을 이용할수록 저항이 훨씬 더 낮아진다. 표 6은 다음과 같다.
다음의 표 7은 첨부된 도 5A - 5C에도 설명되어 있는 바와 같이 카본 섬유를 함유한 조성물 (10)의 예를 나타낸 것이다. 카본 섬유/카본 블랙/유리 섬유/ 제 2 열가소성 성분 (폴리아미드)/폴리프로필렌 화합물에서 1 ohm-cm 미만의 부피 저항이 얻어졌다. 다음의 표 7은 여러가지 카본 섬유를 함유하는 조성물과 그의 특성을 도시한 것으로 카본 섬유의 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 조성물, 특히 카본 섬유를 함유하고 저항이 1 Ohm-cm 미만인 본 발명의 조성물은 카본 블랙과 카본 섬유의 함량이 낮아도 개선된 전자기 간섭 (EMI) 차단을 제공함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 탄소의 양이 공정의 청정도에 중요한 요인이 되는 청정실 응용과 같은 광범위한 적용 분야에서, 본 발명의 조성물은 종래 기술의 전기전도성 플라스틱보다 우수하다.
본 발명은 이제까지 설명된 바에 따라 한정되지 않으며, 수많은 다른 변형 모두가 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 이제까지 본 발명을 폴리프로필렌에 대해 설명하였지만, 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌-폴리프로필렌 혼합물과 같은 다른 폴리올레핀에 대해서도 본 발명은 동등하게 적용된다. LDPE 및 HDPE 등급을 이용하여 폴리프로필렌의 경우와 대체로 유사한 방식으로 폴리에틸렌을 기재로 한 조성물을 제조하였다. 한 예로서, 폴리아미드 (PA 6) 11부, 유리 섬유 20부 및 카본 블랙 (EC-300) 4.4부와 혼합된, 폴리에틸렌을 기재로 한 조성물 (유사한 중량기준으로 100 중량부)은 1055-106 ohm-cm의 부피저항을 나타내었다.
다음의 표 8은 폴리에틸렌을 기재로 한 2개의 부가적인 조성물에 대한 것이다.
또 다른 대체적인 구체예에서는, 제 1 성분 형성 매트릭스 (12)로서 폴리올레핀 성분을 다른 열가소성 화합물로 대체하였다. 4개의 바람직한 구체예에서, 매트릭스 (12)를 형성하는 첫번째 성분은 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌 (ABS), 폴리스티렌 (PS), 고충격 폴리스티렌 (HIPS) 및 폴리페닐렌옥사이드/폴리스티렌 (NORYL)이었다.
표 9는 폴리에틸렌-폴리프로필렌을 기재로 한 조성물의 2가지 예를 나타낸다.
표 10은 여러가지 종류의 제 2의 열가소성 성분과 ABS, PS, HIPS 및 NORYL을 이용하여 형성된 조성물 (10)의 비제한적인 예를 나타낸다 (상이한 종류의 폴리아미드 조성물, 상이한 유리 섬유 함량 및 상이한 저함량 (3 phr 이하)의 카본 블랙)).
다음의 표 11, 표 12 및 표 13은 PS, HIPS 및 Noryl을 기재로 한 조성물과 그들의 기계적 특성을 각각 나타낸다.
표 11은 PS/PA/GF/CB 화합물에서 유리 섬유 농도에 따른 저항 및 물리적 특성의 의존성을 나타낸다.
다음의 표 12는 HIPS/PA/GF/CB 화합물의 유리 섬유 농도에 따른 저항 및 물리적 특성의 의존성을 나타낸다.
다음의 표 13은 Noryl/PA 66/GF/CB 화합물의 유리 섬유 농도에 따른 저항 및 물리적 특성의 의존성을 나타낸다.
다음의 표 14는 제 2 열가소성 성분이 폴리아미드가 아니라 EVOH인 조성물 (10)에 대한 것이다. 이 표는 PP/EVOH/GF/CB 화합물에 있어서 유리 섬유 농도에 대한 저항 의존도를 설명한다.
다음의 표 15는 엘라스토머를 함유하는 PP/PA/GF/CB (PP: 엘라스토머 60:40) 화합물에서 유리 섬유 농도에 따른 저항 및 물리적 특성 의존성을 설명한다. 엘라스토머를 함유하는 화합물이 표 3B에 요약된 화합물들보다 더 높은 충격값을 나타냄을 명확히 알 수 있다.
당업자라면 본 발명이 이제까지 특별히 예시 및 설명된 예로 한정되지 않음을 이해할 것이다. 그보다는, 본 발명의 범위는 다음에 서술된 본 발명의 특허청구범위에 의해 한정되는 것이다.

Claims (40)

  1. 실제로 제 1 열가소성 성분으로 된 매트릭스;
    상기 제 1 열가소성 성분보다 극성이 더 높고, 복수개의 섬유를 캡슐화함으로 해서 상기 매트릭스 내에 캡슐화된 섬유들의 네트워크를 형성하는 제 2 열가소성 성분:및
    상기 제 2 성분에 우선적으로 부착되어 상기 네트워크를 상기 매트릭스 내에서 전기전도성인 네트워크로 만들어 주는 탄소 성분을 함유하는 전기전도성 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 열가소성 성분이 엘라스토머 성분이 부가되거나 부가되지 않은 폴리올레핀 화합물인 조성물.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 폴리올레핀이 폴리프로필렌과 폴리에틸렌 중에서 선택된 것인 조성물.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 폴리프로필렌이 호모폴리머 또는 코폴리머인 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 성분이 폴리아미드 또는 EVOH인 조성물.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 조성물이 100 중량부 당 폴리아미드 또는 EVOH를 20 중량부 미만으로 함유하는 조성물.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 섬유가 유리 섬유인 조성물.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 조성물이 조성물 100 중량부 당 유리 섬유를 55 중량부 미만으로 함유하는 조성물.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 탄소 성분이 카본 블랙인 조성물.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 탄소 성분이 카본 섬유인 조성물.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 탄소 성분이 카본 블랙과 카본 섬유의 혼합물인 조성물.
  12. 제 9항에 있어서, 조성물 100 중량부 당 카본 블랙을 10 중량부 미만으로 함유하는 조성물.
  13. 제 10항에 있어서, 조성물 100 중량부 당 카본 섬유를 30 중량부 미만으로 함유하는 조성물.
  14. 제 1항에 있어서, 부피 저항이 0.1 내지 109 ohm-cm인 조성물.
  15. 제 1항에 있어서, 굽힘 계수가 11,000 MPa 이하인 조성물.
  16. 제 9항에 있어서, 인장강도가 60 MPa 이하인 조성물.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 성분이 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌, 폴리스티렌, 고충격 폴리스티렌 및 폴리페닐렌옥사이드/폴리스티렌 중에서 선택된 조성물.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 제 2 성분이 폴리아미드 또는 EVOH인 조성물.
  19. 제 2항에 있어서, 상기 엘라스토머 성분이 엘라스토머들의 조합물인 조성물.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 엘라스토머들의 조합물이 상기 조성물의 전기전도성에 큰 영향을 미침이 없이 상기 조성물의 기계적 특성에 영향을 미치는 것이 특징인 조성물.
  21. 실제로 제 1 열가소성 성분으로 된 매트릭스를 상기 제 1 열가소성 성분보다 극성이 더 높고, 복수개의 섬유를 캡슐화함으로 해서 상기 매트릭스 내에 캡슐화된 섬유들의 네트워크를 형성하는 제 2 열가소성 성분과 화합 (compounding)시키고; 상기 제 2 성분에 우선적으로 부착되어 상기 네트워크를 상기 매트릭스 중에서 전기전도성 네트워크로 만들어주는 탄소 성분을 화합시키는 것으로 되는 전기전도성 조성물의 제조방법.
  22. 제 21항에 있어서, 부가적인 엘라스토머 성분의 존재 또는 부재 하에 폴리올레핀 화합물로부터 상기 제 1 열가소성 성분을 형성시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 폴리올레핀이 폴리프로필렌과 폴리에틸렌 중에서 선택된 방법.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 폴리프로필렌이 호모폴리머 또는 코폴리머인 조성물.
  25. 제 21항에 있어서, 폴리아미드 또는 EVOH로부터 상기 제 2 열가소성 성분을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 조성물.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 조성물이 조성물 100 중량부 당 폴리아미드를 20 중량부 미만으로 함유하는 방법.
  27. 제 21항에 있어서, 상기 섬유가 유리 섬유인 방법.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 조성물이 조성물 100 중량부 당 유리 섬유를 55 중량부 미만으로 함유하는 방법.
  29. 제 21항에 있어서, 상기 탄소 성분이 카본 블랙인 방법.
  30. 제 21항에 있어서, 상기 탄소 성분이 카본 섬유인 방법.
  31. 제 21항에 있어서, 상기 탄소 성분이 카본 블랙과 카본 섬유의 혼합물인 방법.
  32. 제 29항에 있어서, 조성물 100 중량부 당 카본 블랙을 10 중량부 미만으로 함유하는 방법.
  33. 제 30항에 있어서, 상기 조성물이 조성물 100 중량부 당 카본 섬유를 30 중량부 미만으로 함유하는 방법.
  34. 제 21항에 있어서, 상기 조성물의 부피 저항이 0.1 내지 109 ohm-cm인 방법.
  35. 제 21항에 있어서, 상기 조성물의 굽힘 계수가 11,000 MPa 이하인 방법.
  36. 제 29항에 있어서, 상기 조성물의 인장강도가 60 MPa 이하인 방법.
  37. 제 21항에 있어서, 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌, 폴리스티렌, 고충격 폴리스티렌 및 폴리페닐렌옥사이드/폴리스티렌으로부터 제 1 성분을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 제 2 성분이 폴리아미드 또는 EVOH인 방법.
  39. 제 21항에 있어서, 상기 엘라스토머 성분이 엘라스토머들의 조합물인 방법.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 엘라스토머들의 조합물이 상기 조성물의 전기전도성에 큰 영향을 미침이 없이 상기 조성물의 기계적 특성에 영향을 미치는 것이 특징인 방법.
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