KR101262495B1 - 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물 - Google Patents

정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물에 관한 것으로, 탄소나노튜브 0.1~10중량부; 및 에틸렌비닐아세테이트(ethylene-vinyl acetate) 수지 90~99.9중량부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제공하여, 에틸렌비닐아세테이트 수지에 정전기 방전용으로 사용될 수 있는 높은 전기전도성을 갖는 탄소나노튜브를 이용하여, 카본블랙을 과량 첨가함으로써 발생하는 최종 제품의 기계적 물성이 저하되는 문제 및 카본블랙에 의한 압출기의 부하에 따른 생산성 저하 문제를 해결하고, 나아가, 탄소나노튜브의 적정 함량을 설정하여 최적의 조성을 갖는 정전기 방지용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제공하는 효과가 있다.

Description

정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물{CARBON NANOTUBE-ETHYLENE VINYL ACETATE COMPOSITION FOR ELECTROSTATIC DISCHARGE}
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 정전기 방전용 열가소성 수지 복합체 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에틸렌비닐아세테이트 수지에 도전성을 부여하기 위해 탄소나노튜브를 첨가한 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물에 관한 것이다.
열가소성 수지인 에틸렌 코폴리머 일종인 에틸렌비닐아세테이트(ethylene-vinyl acetate) 수지는 유연성, 내충격성, 질감성, 단열성, 보온성 등 우수한 물성으로 인해 각종 압출 및 사출성형 제품에 사용되고 있으며, 통신, 전기전자 등의 산업 분야에서도 그 수요가 증가하고 있다.
한편, 전기전자 산업 발달에 따른 전자부품 및 반도체의 고집적화에 의해 정전기 발생으로 인한 제품의 기능 저하 및 제품 손상 등의 피해가 증가하고 있다. 국내 전기전자 관련 연간 총생산 규모는 700조원에 달하는 것으로 평가되고 있으며, 전기전자 산업 분야의 불량률 중 정전기로 인한 비중은 약 33%로 추정되며, 연간 피해액이 수천억원에 달하는 것으로 알려져 있다.
이러한 대전된 정전기에 의한 장해를 방지하기 위해서는, 발생 전하를 제거, 중화 및 누설시키는 정전기 분산 또는 방사가 필수적으로 요구된다. 따라서, 정전기 분산 또는 방사를 위한 전도성 소재가 필요하며, 이때 요구되는 전기전도도는 체적저항값 기준으로 104~1012ohm·㎝ 정도이다.
종래 정전기 방전용 에틸렌비닐아세테이트 중합체 조성물의 경우, 카본블랙을 다량 첨가해야만 정전기 방전용으로 사용될 수 있는 전기전도성을 띌 수 있었으나, 이러한 조성물은 무기필러인 카본블랙의 다량 첨가로 인하여, 제품의 기계적 물성이 낮아지며, 수지 조성물의 생산시 카본블랙에 의한 압출기 부하가 높아져 생산성이 낮아지는 단점이 있었다.
한국등록특허 제646412호는 전자부품 포장용 용기 및 시트에 쓰이는 전기전도성 폴리올레핀 수지 조성물에 관한 것으로, 폴리올레핀에 카본블랙을 넣어서 전기전도성을 높여 정전기 방전 효과를 줌으로써 전자부품 포장용 용기 및 시트에 사용하는 기술을 개시하고 있으나, 카본블랙을 과량 첨가하여 최종 제품의 물성 저하의 원인이 되는 문제가 있다.
한국등록특허 제856137호는 전기전도성 열가소성 수지 조성물 및 그 성형품에 관한 것으로, 열가소성 수지에 탄소나노튜브, 충격보강제, 소수성 첨가제를 첨가하여 전기전도성 및 기계적 물성을 높이는 기술이 개시되어 있으나, 탄소나노튜브 외에 충격보강제, 소수성 첨가제 등을 추가로 첨가하게 되어 그 공정이 복잡한 문제가 있다.
한국등록특허 제685082호는 카본블랙을 이용한 대전방지기능을 갖는 열수축 튜브 제조용 조성물에 관한 것으로, 상온물성이 요구되는 기준치를 충분히 만족시키면서도 전기적 특성, 특히, 체적저항과 관련된 전기전도도를 충분히 확보시키는 기술이 개시되어 있으나, 비닐아세테이트 함량이 25중량% 이상인 에틸렌비닐아세테이트에서는 적용이 불가한 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 에틸렌비닐아세테이트 수지에 정전기 방전용으로 사용될 수 있는 높은 전기전도성을 갖는 탄소나노튜브를 이용하여, 카본블랙을 과량 첨가함으로써 발생하는 상기 최종 제품의 기계적 물성 저하 문제 및 카본블랙에 의한 압출기의 부하에 따른 생산성 저하 문제를 해결하고자 한다.
또한, 본 발명은 탄소나노튜브의 적정 함량을 설정하여 최적의 조성을 갖는 정전기 방지용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
(1) 탄소나노튜브 3~7중량부; 및 에틸렌비닐아세테이트(ethylene-vinyl acetate) 수지 93~97중량부;를 포함하는 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물이고, 상기 에틸렌비닐아세테이트는, 용융지수가 0.1~400g/10min, 상기 에틸렌비닐아세테이트 총 중량에 대하여 에틸렌 함량이 60~99중량% 및 비닐아세테이트 함량이 1~40중량%이고, 상기 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물은 체적저항이 2.575×105~2.766×1011ohm·㎝, 신율이 200~1000% 및 점도(125℃, 100rad/s)가 720~1140Pa·s인 것을 특징으로 하는 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제공한다.
(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제공한다.
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이러한 본 발명에 따른 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물에 따르면, 에틸렌비닐아세테이트 수지에 정전기 방전용으로 사용될 수 있는 높은 전기전도성을 갖는 탄소나노튜브를 이용하여, 카본블랙을 과량 첨가함으로써 발생하는 최종 제품의 기계적 물성이 저하되는 문제 및 카본블랙에 의한 압출기의 부하에 따른 생산성 저하 문제를 해결하고, 나아가, 탄소나노튜브의 적정 함량을 설정하여 최적의 조성을 갖는 정전기 방지용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 복합체 조성물의 인장강도 및 신률을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 복합체 조성물의 점도거동을 나타낸 그래프.
이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 본 발명에 따른 정전기 방지용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물의 각 구성 성분에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물은, 탄소나노튜브 0.1~10중량부 및 에틸렌비닐아세테이트(ethylene-vinyl acetate) 수지 90~99.9중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 탄소나노튜브(carbon nanotube)는 탄소로 구성된 그라핀(graphene) 시트를 원통형으로 말아 만든 튜브의 형상을 가지고 있으며, 수 나노미터 크기의 직경을 갖는 나노소재를 지칭한다. 특히, 탄소나노튜브는 고강도 합금의 수십 배에 이르는 기계적 강도와 구리 이상의 전기전도도, 다이아몬드의 2배에 이르는 열전도도와 대기에서 750℃까지 안정한 열 안정성을 가지고 있어, 고분자와 복합체를 제조하였을 때, 전기전도도, 기계적 물성 등의 특성을 향상시킬 수 있으며, 카본블랙, 탄소섬유 등 다른 도전성 충전재 대비 투입량을 대량 절감할 수 있으므로, 고분자 본래의 가공성 및 충격특성 등을 유지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물은 정전기 방전 소재로 사용될 수 있는 재료로서, 상기 탄소나노튜브가 상기 에틸렌비닐아세테이트 수지에 균일하게 분산되어 있다.
여기서, 상기 탄소나노튜브 함량이 0.1중량부 미만일 경우 정전기 방전용으로 사용하기에 적합하지 않은 전기전도도를 지닐 수 있고, 10중량부를 초과하는 경우 상기 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물의 기계적 물성이 낮아져 정전기 방전용으로 적합하지 않을 수 있다. 한편, 상기 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물의 가장 바람직한 체적저항을 갖기 위해 상기 탄소나노튜브의 함량은 3~7중량부인 것이 바람직하다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 종류에 특별한 제한은 없으나, 예를 들면, 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물에서, 상기 에틸렌비닐아세테이트 함량이 90중량부 미만일 경우 상기 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물의 기계적 물성이 낮아져 정전기 방전용으로 적합하지 않을 수 있고, 99.9중량부를 초과하는 경우 정전기 방전용으로 사용하기에 적합하지 않은 전기전도도를 지닐 수 있다.
이때, 상기 에틸렌비닐아세테이트는 상기 에틸렌비닐아세테이트 총 중량에 대하여, 에틸렌 함량이 60~99중량%이고, 비닐아세테이트 함량이 1~40중량%인 것이 바람직하다. 상기 비닐아세테이트 함량이 1중량% 미만일 경우 에틸렌비닐아세테이트 고유의 유연성 내지 부드러운 특성 발현이 어려울 수 있고, 40중량%를 초과하는 경우 기계적 강도가 낮아져 최종 정전기 방전용 제품에 사용하기 적합하지 않을 수 있다.
또한, 상기 에틸렌비닐아세테이트는 용융지수가 0.1~400g/10min인 것이 바람직하다. 상기 용융지수가 0.1g/10min 미만일 경우 낮은 흐름성으로 인해 가공이 용이하지 않을 수 있고, 400g/10min를 초과하는 경우 높은 용융 흐름성 및 낮은 분자량으로 인해 기계적 강도의 저하 및 가공에 적합하지 않을 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물은, 104~1012ohm·㎝의 체적저항을 가질 수 있게 되며, 바람직하게는 106~1010ohm·㎝의 체적저항을 가질 수 있게 된다. 상기 체적저항이 104ohm·㎝ 미만일 경우 낮은 체적저항에 따른 과도한 전기전도성으로 인해 정전기 방전 효과를 갖기 어려울 수 있으며, 1012ohm·㎝를 초과하는 경우 높은 체적저항으로 인해 정전기 방전에 적합하지 않을 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 더욱 자세히 설명한다.
비교예 1
배치믹서에 에틸렌 67중량% 및 비닐아세테이트 33중량%로 조성된 에틸렌비닐아세테이트 40g을 투입하고, 혼련온도 90℃ 및 스크류 회전수 70rpm으로 설정 후, 10분간 혼련하여 에틸렌비닐아세테이트 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 1
배치믹서에 에틸렌 67중량% 및 비닐아세테이트 33중량%로 조성된 에틸렌비닐아세테이트 39.6g과 탄소나노튜브 0.4g을 투입하고, 혼련온도 90℃ 및 스크류 회전수 70rpm으로 설정 후, 10분간 혼련하여 탄소나노튜브 함량이 1중량부인 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제조하였다.
실시예 2
배치믹서에 에틸렌 67중량% 및 비닐아세테이트 33중량%로 조성된 에틸렌비닐아세테이트 38.8g과 탄소나노튜브 1.2g을 투입하고, 혼련온도 90℃ 및 스크류 회전수 70rpm으로 설정 후, 10분간 혼련하여 탄소나노튜브 함량이 3중량부인 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제조하였다.
실시예 3
배치믹서에 에틸렌 67중량% 및 비닐아세테이트 33중량%로 조성된 에틸렌비닐아세테이트 38g과 탄소나노튜브 2g을 투입하고, 혼련온도 90℃ 및 스크류 회전수 70rpm으로 설정 후, 10분간 혼련하여 탄소나노튜브 함량이 5중량부인 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제조하였다.
실시예 4
배치믹서에 에틸렌 67중량% 및 비닐아세테이트 33중량%로 조성된 에틸렌비닐아세테이트 37.2g과 탄소나노튜브 2.8g을 투입하고, 혼련온도 90℃ 및 스크류 회전수 70rpm으로 설정 후, 10분간 혼련하여 탄소나노튜브 함량이 7중량부인 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제조하였다.
비교예 2
배치믹서에 에틸렌 67중량% 및 비닐아세테이트 33중량%로 조성된 에틸렌비닐아세테이트 28g과 카본블랙 12g을 투입하고, 혼련온도 90℃ 및 스크류 회전수 70rpm으로 설정 후, 10분간 혼련하여 카본블랙 함량이 30중량부인 카본블랙-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따른 복합체 조성물에 대하여 아래와 같은 방법으로 체적저항, 인장특성 및 점도를 측정하였다.
체적저항 측정
(1) 시편 제작
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2로부터 얻어진 복합체 조성물을 가로 100㎜, 세로 100㎜ 및 두께 1㎜의 형틀(mold)에 가득 채우고, 프레스 성형기를 사용하여 100℃ 및 140bar의 조건에서 10분간 성형한 후, 시트 형태의 시편을 제작하였다.
(2) 체적저항 측정
상기와 같이 제작된 시편에 대하여 Ultra High Resistance Meter(ADVANTEST R8340A, 일본) 기기를 이용하여 체적저항을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 EVA(중량부) CNT(중량부) CB(중량부) 체적저항(ohm·㎝)
비교예 1 100 - - 1.187×1014
실시예 1 99 1 - 3.845×1013
실시예 2 97 3 - 2.766×1011
실시예 3 95 5 - 2.932×108
실시예 4 93 7 - 2.575×105
비교예 2 70 - 30 1.671×109
*주
- EVA: 에틸렌비닐아세테이트
- CNT: 탄소나노튜브
- CB: 카본블랙
표 1을 참조하면, 탄소나노튜브 함량이 5중량부 및 7중량부인 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물이 에틸렌비닐아세테이트 조성물은 물론, 특히, 카본블랙 함량이 30중량부인 카본블랙-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물보다 우수한 전기적 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
인장특성 측정
(1) 시편 제작
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2로부터 얻어진 복합체 조성물을 가로 100㎜, 세로 100㎜ 및 두께 2㎜의 형틀(mold)을 사용하여, 상기 체적저항 측정 시편 제작과 동일하게 시트를 제작한 후, Automatic Hollow Die Punch(CEAST 6050, 이태리) 기기를 이용하여 ASTM D638 규격에 따라 4호형 인장시편을 제작하였다.
(2) 인장강도 및 신률 측정
상기와 같이 제작된 시편에 대하여 인장압축시험기(INSTRON, 영국)를 이용하여 인장강도 및 신률을 측정하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하면, 과량의 카본블랙을 첨가한 카본블랙-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물보다 소량의 탄소나노튜브를 첨가한 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물이 월등한 기계적 물성을 보이고 있음을 알 수 있다.
점도 측정
(1) 시편 제작
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2로부터 얻어진 복합체 조성물을 상기 인장특성 측정 시편 제작과 동일한 과정으로 원판형의 시편을 제작하였다.
(2) 점도 측정
상기와 같이 제작된 시편에 대하여 회전형점도계(TA Instrument, 영국)를 이용하여 점도를 측정하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 과량의 카본블랙을 첨가한 카본블랙-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물에 비해, 소량의 탄소나노튜브를 첨가한 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물의 경우에 점도가 더 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 가공영역인 고 진동수 영역에서 더 낮은 점도로 인해 생산성 향상의 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 탄소나노튜브 3~7중량부; 및
    에틸렌비닐아세테이트(ethylene-vinyl acetate) 수지 93~97중량부;
    를 포함하는 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물이고,
    상기 에틸렌비닐아세테이트는, 용융지수가 0.1~400g/10min, 상기 에틸렌비닐아세테이트 총 중량에 대하여 에틸렌 함량이 60~99중량% 및 비닐아세테이트 함량이 1~40중량%이고,
    상기 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물은 체적저항이 2.575×105~2.766×1011ohm·㎝, 신율이 200~1000% 및 점도(125℃, 100rad/s)가 720~1140Pa·s인 것을 특징으로 하는 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 정전기 방전용 탄소나노튜브-에틸렌비닐아세테이트 복합체 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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