KR101307989B1 - 성형가공성이 우수한 열전도성 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전도성 수지 조성물에 관한 것으로서 매트릭스 수지로 방향족 폴리아미드 수지를 함유하여 용융성을 증대시킴으로써 성형 가공성 및 탄성률, 강성 및 강도 등의 기계적 물성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 열전도성 수지 조성물 및 이를 사용하여 제조되는 성형품을 제공할 수 있다.

Description

성형가공성이 우수한 열전도성 수지 조성물{Resin Composition and a Molded Article Having Excellent Thermal Conductivity and Formability}

본 발명은 성형가공성이 뛰어나며 우수한 표면특성 및 기계적 물성을 갖는 열전도성 수지 조성물 및 그로부터 제조되는 성형품에 관한 것이다.

전자기기의 소형화, 고성능화에 따라 실장되는 부품도 초소형ㆍ고밀도인 것이 요구되고 있으며, 출력에 비해 부품의 크기가 작아짐으로써 열부하에 의한 기기의 고장이 빈번히 발생하여 전자부품 소재의 방열특성이 과제로 대두되고 있다.

재료의 방열특성은 열전도성에 의해 결정되며, 금속은 우수한 방열특성을 갖고 있어 전자기기에 방열성을 부여하기 위해 사용되어 왔으나, 금속 재료를 사용함에 따른 제조비용 부담, 중량 증가 및 가공성 저하 등의 문제가 있다. 이에 수지 재료가 금속 재료를 대체하고 있다.

수지 재료는 기존의 금속 재료에 비하여 열전도도가 낮고, 갈수록 전자제품의 소형화 및 집적화 등으로 인해 발열에 대한 내열성 및 열전도도가 높은 제품이 요구되고 있어, 수지에 열전도성이 높은 재료를 첨가하여 성형품에 대한 내열성 및 열전도성을 구현하고 있다.

종래 방열특성이 부여된 열전도성 수지는 주로 높은 열전도도를 갖는 충전재의 선택에 중점을 두고 개발된 것으로, 열전도성을 부여하기 위해 첨가되는 열전도성 재료로 흑연과 같은 탄소 계열 또는 산화알루미늄, 산화마그네슘, 질화알루미늄 등의 세라믹 계열를 포함하여 이들 충전재를 적절히 조합하거나, 특정 범위의 열전도도를 갖는 충전재를 선택하거나, 또는 특정 입자 사이즈를 갖는 충전재를 선택하는 정도이다.

그러나, 이와 같이 수지에 열전도도 향상을 위해 열전도도가 높은 충전재를 단순히 높은 중량비율로 첨가하는 경우, 열전도성 충전재의 증대로 인하여 수지 조성물의 용융 유동성을 나쁘게 하여 성형품 제조를 위한 생산성 저하를 초래하고, 이러한 수지 조성물에 대하여 생산성을 높이고자 사출속도를 증가시키는 경우에는 소형 제품의 사출가공성을 악화시키는 것은 물론, 대형 제품에 있어서는 높은 충전재 비율로 인해 얻어지는 제품에 미성형 결함이 발생하거나 미려한 외관을 얻기가 어렵다. 또한, 이렇게 얻어진 성형품은 전도성 충전재를 다량 함유하여 강도 등의 기계적 물성 저하를 초래할 수 있기 때문에 열전도성 충전재를 충진하는 함량에 한계가 있어 열전도성의 충분한 향상을 얻을 수 없다.

일본특허공개공보 제2006-022130호(2006.01.26)

본 발명은 우수한 기계적 강도 및 높은 열전도성을 가짐은 물론, 이와 동시에 수지 조성물의 용융 유동성을 향상시켜 성형가공성을 상승시킴으로써 생산성 향상을 도모할 수 있는 열전도성을 갖는 수지 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 목적은 상기 수지 조성물을 사용하여 높은 열전도성, 우수한 기계적인 물성, 특히 탄성률이 뛰어난 고강성 수지 성형품을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 방향족 폴리아미드 수지를 함유하는 폴리아미드계 수지, 섬유 보강재 및 충전재를 포함하는 열전도성 수지 조성물을 제공함으로써 열전도성 충전재를 다량 함유하더라도 조성물의 용융 유동성을 확보하여 성형가공성을 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 고 사이클의 높은 속도로 제품을 생산할 수 있어 생산성을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 수지 조성물을 사용하여 열전도성 및 기계적인 강도를 향상시키며, 특히 외관에 표면 상태가 우수한 성형품을 제공할 수 있도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 수지 조성물은 방향족 폴리아미드 수지로 메타자일렌디아민과 아디프아미드의 공중합체를 함유한 폴리아미드계 수지, 섬유 보강재 및 충전재를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 수지 조성물은 메타자일렌디아민과 아디프아미드의 공중합체 5~95중량% 및 폴리아미드66 5~95중량%를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 수지 조성물은 섬유 보강재로 유리섬유, 탄소섬유, 폴리아크릴로니트릴 및 아라미드 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 섬유를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 수지 조성물은 충전재로 카본나노튜브, 카본파이버, 카본블랙, 그라파이트 및 아세틸렌블랙 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 카본계 충전재, 실리콘 카바이드, 보론 나이트라이드, 다이아몬드, 베릴륨 옥사이드, 보론 포스파이드, 알루미늄 나이트라이드, 베릴륨 설파이드, 보론 아제나이드, 실리콘, 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 포스파이드 및 갈륨 포스파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 무기 충전재를 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 열전도성 수지 조성물을 함유하는 성형제품을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형제품은 조성물을 금형 온도 90~150℃에서 사출 성형하여 제조되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형제품은 굴곡탄성율이 20,000 MPa 이상인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 열전도성 수지 조성물은 유동성을 획기적으로 높여 성형 가공성을 높임으로써 첨가되는 성분들의 혼련도를 증대시키고 이로써 열전도성 및 기계적 물성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 고 사이클의 생산 속도로 생산성 향상을 도모할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 상기 열전도성 수지 조성물을 사용하여 생산되는 성형제품의 외관 특성, 열전도성 및 탄성율을 포함한 기계적 강도를 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 실시예 1에 따른 성형품 표면의 표면조도 분포를 측정한 것이다.
도 2는 비교예 1에 따른 성형품 표면의 표면 조도에 대한 분포를 측정한 것이다.
도 3은 성형품의 광택 정도를 비교하기 위한 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 1에 따른 성형품의 고화 시간을 측정한 것이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 열전도성 수지 조성물을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 열가소성 수지 조성물은 매트릭스 수지로 방향족 폴리아미드 수지를 함유하는 폴리아미드계 수지를 사용하고, 섬유 보강재 및 열전도성 충전재를 포함한다.

본 발명에서 폴리아미드계 수지는 방향족 폴리아미드 수지를 함유하여 조성물의 용융 유동성을 상승시킴으로써 성형 가공성을 획기적으로 향상시키는 것과 동시에 결정화 속도를 높여 생산성을 증대시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방향족 폴리아미드 수지는 주쇄에 방향족기를 포함하여 유동성을 확보하는 것과 동시에 강성 및 강도를 부여할 수 있으며, 이로서 함유되는 열전도성 충전재의 함량범위를 높일 수 있다.

상기 방향족 폴리아미드 수지로는 메타자일렌디아민과 아디프아미드의 공중합체(MXD 6)를 사용할 수 있다. 상기 MXD 6은 수지 자체의 흐름성이 우수하여 사출 또는 압출 시 가공성이 뛰어나며 유리와 동등 수준의 표면 외관을 부여할 수 있어 외관이 미려한 성형품을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리아미드계 수지는 방향족 폴리아미드 수지를 포함하되, 방향족 폴리아미드 수지, 지방족 폴리아미드 수지 및 이의 공중합체 또는 혼합물을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 수지로 메타자일렌디아민과 아디프아미드의 공중합체 및 지방족 폴리아미드 수지를 포함할 수 있다.

이때, 지방족 폴리아미드 수지는 녹는점이 높아 결정핵 생성에 유리한 핵제로서 작용하여 매트릭스 수지에 함유되는 방향족 폴리아미드 수지와 함께 사용되어 결정화 속도를 증대시킴으로써 생산 속도를 향상시킬 수 있으며, 동시에 결정화에 필요한 금형의 온도를 낮출 수 있어 생산성이 매우 뛰어나다. 구체예로, Nylon 6, Nylon 66, Nylon 46, Nylon 610, Nylon 612 등이 있으며, Nylon 66(폴리아미드 66)을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 수지 조성물은 매트릭스 수지로서 메타자일렌디아민과 아디프아미드의 공중합체 단독 또는 메타자일렌디아민과 아디프아미드의 공중합체 5~95중량% 및 폴리아미드66 5~95중량%를 포함하는 폴리아미드계 수지를 사용하며, 보다 바람직하게 메타자일렌디아민과 아디프아미드의 공중합체 10 ~ 90중량% 및 폴리아미드66 10 ~ 90 중량%를 포함하여 표면조도 및 광택성을 월등하게 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 범위를 포함하는 폴리아미드계 수지를 포함하여 용융 유동성(MI; Melt index)을 확보함으로써 성형 가공성을 극대화시킬 수 있다. 더구나, 온도 및 압력을 높이면 미성형, 광택성 저하 등의 외관불량, 특히 사출 시 성형 가공성이 저하되는 것을 방지하며, 가스 발생, 웰드 라인 형성 등과 같은 문제가 발생하는 것을 막을 수 있는 것과 동시에 성형품의 결정화 속도를 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 수지 조성물은 섬유 보강재로 유리섬유(Glass Fiber), 탄소섬유(Carbon Fiber), 금속 섬유(Metal Fiber), 폴리에틸렌에틸렌케톤 섬유(PEEK Fiber), (PAN Fiber), 초고분자량 폴리에틸렌 섬유(PE Fiber), 아라미드 섬유(Aramid Fiber) 및 천연 섬유(Natural Fiber로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 섬유를 포함할 수 있다. 구체적으로, 섬유보강재는 유리섬유, 위스카, 탄소섬유 등을 들 수 있으며, 유리섬유는 촙트 파이버, 단섬유화하여 분체로 한 파이버를 사용할 수 있으며, 위스카는 결정성질의 섬유로 티탄산 칼륨 위스카, 메타칼슘 위스카, 붕산 알루미늄 위스카 등을 사용할 수 있다. 또한, 이들 섬유보강재는 실란, 티타네이트, 알루미늄, 크로뮴, 지르코늄, 보란 등과 같은 형태의 커플링제를 사용하거나 산처리 등의 표면 개질을 실시할 수 있으며, 감마-아미노프로필트리톡시실란 등의 실란계 커플링제나 감마-글리시독시프로필트리메톡시실란 등의 에폭시계 커플링제, 비닐트리클로로실란 등의 비닐실란계 커플링제를 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 수지 조성물은 매트릭스 수지에 충전재로 열전도성 향상을 위한 열전도성 충전재로 카본나노튜브, 카본파이버, 카본블랙, 그라파이트 및 아세틸렌블랙 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 카본계 충전재, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 알루미늄 나이트라이드, 알루미늄 포스파이드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 보론 나이트라이드, 다이아몬드, 베릴륨 옥사이드, 보론 포스파이드, 알루미늄 나이트라이드, 베릴륨 설파이드, 보론 아제나이드, 실리콘, 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 포스파이드 및 갈륨 포스파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 무기 충전재를 포함할 수 있으며, 이들은 분말상, 섬유상 또는 플레이크상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 섬유보강재는 매트릭스 수지 100중량부에 대하여 5 내지 100 중량부를 함유하는 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나면 변형량이 커지고 원하는 굴곡 특성을 발현하기 어렵고 기계적 물성 보강 효과가 저하될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에에 따른 열전도성 충전재는 매트릭스 수지 100중량부에 대하여 50 내지 150중량부, 보다 바람직하게는 80 내지 120 중량의 함량으로 포함될 수 있다. 열전도성 충전재의 함량이 50중량부 미만이면 성형품에 대한 충분한 열전도성을 부여하기가 어려우며, 150중량부를 초과하면 충전재 함량이 과도하여 성형품 제조가 어려우며, 제조되더라도 미성형, 광택성 저하 등의 사출 문제를 초래할 우려가 있다.

이들 이외에 필요에 따라 통상적으로 사용되는 분산제, 착색제, 열안정제, 자외선 흡수제, 힌더드 아민계 광안정제, 활제, 산화방지제, 대전방지제, 난연제, 광택제, 슬립제, 이형제, 레벨링제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 기계적 물성, 외관 특성, 변형 특성 등이 급격히 저하하지 않는 범위 내에서 사용되며, 이에 한정하지 않는다.

본 발명은 상기 열전도성 수지 조성물을 함유하는 성형제품을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형제품은 조성물을 금형 온도 90~150℃에서 사출 성형하여 제조되는 것일 수 있다.

본 발명의 수지조성물은 상기 폴리아미드 수지에 열전도성 충전재 및 선택적으로, 강도보강재 등의 첨가제를 혼합하고, 이를 용융 혼련하여 제조할 수 있다. 상기 용융 혼련은 공지의 방법에 의해 수행할 수 있는 것으로서, 헨셀 믹서, 슈퍼믹서, 또는 텀블러 등으로 드라이 블렌딩한 후, 단축 또는 2축 혼련 압출기 등에 공급하여 용융 혼련하여 열전도성 수지조성물의 펠렛으로 제조 할 수 있다.

상기 얻어진 펠렛을 용융한 후 사출성형 등의 방법으로 성형품을 제조할 수 있다. 성형품 제조는 상기 사출성형을 포함하여 압출성형, 압축성형 등 공지의 성형법을 다양하게 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형품은 사출 성형법에 의하여 실시될 수 있으며, 구체적으로 상기 펠렛을 용융하여 금형에 붓고, 압력을 가함으로써 성형품을 제조할 수 있다. 이때, 필요에 따라서는 펠렛의 수분율이 0.3% 이상인 경우에는 상기 펠렛을 용융하기 전에 예비건조를 수행하는 것이 바람직하다. 펠렛에 수분이 존재하는 경우에는 성형품의 표면 또는 표면 근처에 수지의 흐름 방향으로 발생하는 매우 가는 선의 다발을 생성시키는 실버스트리크(silver streak) 문제를 야기할 우려가 있어 수분을 제거하는 것이 바람직하다. 수분 제거는 본 기술분야에서 수행되는 통상적인 방법을 적용할 수 있으며, 예를 들어, 열풍건조기, 제습건조기 또는 진공건조기를 통해 예비건조를 행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 펠렛의 용융은 수지의 열분해가 발생할 수 있으므로, 수지 조성물의 용융온도를 넘는 220 내지 300℃ 범위에서 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용융 수지에 대한 사출성형을 수행하는 금형은 성형품의 충분한 결정화가 진행되어 광택이 있고 표면이 우수한 성형품을 얻기 위하여 90℃ 내지 150℃ 범위의 온도를 갖는 것이 바람직하다. 상기 금형 온도가 90℃ 미만이면, 성형품이 급냉하여 표면 불량을 초래하거나 수지 조성물에 첨가된 유리 섬유 등의 충전재가 돌출하여 외관 불량을 야기할 수 있으며, 기계적 강도의 저하가 발생할 우려가 있다. 또한, 저온 금형 성형품은 고온 금형 성형품에 비하여 비정형 영역이 많고, 유리전이온도(Tg) 저하를 초래하여 수분 흡습이 크며, 후수축에 의한 변형의 위험성이 있으므로, 금형 온도는 120℃ 내지 150℃ 범위인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 사출 공정시 엔지니어링 플라스틱에서 사용되는 사출성형기 및 사출조건은 특별히 한정하지 않으며, 통상적으로 수행되는 조건하에서 수행할 수 있으며, 사출압력은 500 ~ 1500㎏f/㎠로 수행할 수 있다. 한편, 사출 속도는 수지 유동성 및 제품 디자인을 고려하여 설정할 수 있으며, 보다 미려한 외관을 위해 고속 사출을 실시할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형제품은 굴곡탄성율이 20,000 MPa 이상인 것으로 표면조도 및 광택성이 우수할 뿐만 아니라 사출 성형을 포함한 성형 가공성이 뛰어나 성형품의 외관이 우수한 이점이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 실시예를 들어 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 본 발명을 한정하고자 하는 의도가 아님은 자명하다.

(실시예 및 비교예)

하기 표 1에 보이는 바와 같은 조성비를 갖는 조성물을 제조하였다. 이때, 시료로서 그라파이트(Graphite; 입경 분포 d50 = 3 ~ 6㎛, flake형), 실리콘 카바이드(SiC; 입경 분포 d50 = 9㎛)를 사용하였다.

상기 조성물을 헨셀 믹서를 사용하여 혼합한 후, 2축 혼련 압출기를 통해 용융 혼련하여 펠렛을 제조하였다. 상기 펠렛을 사출성형기에 공급하여, 사출온도 290℃, 금형온도 120℃, 사출압력 1000 kgf/cm², 사출 속도 50mm/s의 조건으로 사출 성형하였다.

[표 1]

상기 표 1로부터 얻어진 각각의 수지 성형품에 대한 물성을 측정하여 아래 표 2에 나타내었다. 한편, 성형품 제조 시 각각의 펠렛을 사출온도로 용융시켰을 때의 MI를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2]

(평가항목)

1) 인장강도 :ISO 527으로 측정하였다.

2) 굴곡강도 ：ISO 178으로 측정하였다.

3) MI（Melt Index) ：ISO 1133으로 측정하였다.

4) 표면조도(Rmax) : 표면 조도기로 Rmax 값을 측정하였다.

5) 광택도 : 광택도 측정기를 사용하여 60° 측정각에서 광택도를 측정하였다.

6) 고화시간 : 사출공정에서 cavity 내 수지의 고화가 진행되면서 압력 센서 부위까지 고화될 때 사출 압력이 센서에 전달되지 않게 되기까지의 시간을 고화시간으로 측정하였다.

7) 열전도도 : K=ρCpλ의 수학식으로부터 계산하였다.(이때, ρ는 물질의 겉보기 밀도이고, Cp는 정압비열이고, λ는 열확산계수로서, 물체의 겉보기 밀도는 아르키메데스의 원리를 이용하고, 열확산계수(λ)는 레이저플레시법(laser flash analysis)을 사용하여 측정하였다.

상기 표 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수지 조성물을 사용한 실시예 1의 경우, MI가 비교예 1에 비하여 현저히 높은 값을 나타내어, 성형 가공성이 우수함을 알 수 있으며, 인장강도 및 굴곡강도가 현저히 우수하여 기계적 특성이 향상될 수 있음을 확인하였다.

또한, 실시예 1에 의해 얻어진 사출성형품은 표면 조도가 5㎛로서, 그 성형품 표면의 기하학적 형태를 도 1에서 확인할 수 있었으며, 광택도가 86를 나타내어 비교예에 비해 월등하게 높았다. 이는 유리의 광택도 100에 근접하는 결과로, 실시예 1에 의해 얻어진 성형품의 표면 외관이 매우 우수함을 알 수 있었다. 더구나, 비교예 1에 비하여 표면조도가 현저히 낮음을 확인할 수 있으며, 이는 비교예 1에서 얻어진 성형의 표면에 대한 기하학적 형태를 나타내는 도 2와 비교하여도 현저히 우수한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 3에서 보이는 바와 같이, 상기 실시예 1(왼쪽) 및 비교예 1(오른쪽)의 광택도를 비교한 결과, 본 발명에 따른 실시예 1의 성형품의 표면 광택성이 보다 우수함을 확인할 수 있었다.

Claims (5)

1. 메타자일렌디아민과 아디프아미드의 공중합체 5~95중량% 및 폴리아미드66 5~95중량%를 함유하는 매트릭스 수지 100중량부에 대하여, 섬유 보강재 5~100중량부 및 열전도성 충전재 50~150중량부를 포함하는 열전도성 수지 조성물.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 섬유 보강재는 유리섬유, 탄소섬유, 폴리아크릴로니트릴 및 아라미드 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 섬유를 포함하는 열전도성 수지 조성물.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 열전도성 충전재는 카본나노튜브, 카본파이버, 카본블랙, 그라파이트 및 아세틸렌블랙 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 카본계 충전재, 실리콘 카바이드, 보론 나이트라이드, 다이아몬드, 베릴륨 옥사이드, 보론 포스파이드, 알루미늄 나이트라이드, 베릴륨 설파이드, 보론 아제나이드, 실리콘, 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 포스파이드 및 갈륨 포스파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 무기 충전재를 포함하는 열전도성 수지 조성물.
   
5. 제1, 3 및 4항 중에서 선택되는 어느 한 항의 조성물을 함유하는 성형제품.

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