KR101648193B1 - 섬유 코팅용 발열 소재 조성물 및 발열 섬유 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학적 기능화기(Functionalizing)가 적용된 나노 팽창 그라파이트(Nano Expanded Graphite)를 포함하는 섬유 코팅용 발열 소재 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 발열 소재로서 고전도성 물질인 팽창그라파이트를 사용하면서도 침전이 일어나지 않고 코팅 효율이 좋은 섬유 코팅용 발열 소재를 제공하는 것이다.
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Description
본 발명은 섬유 코팅용 발열 조성물 및 이를 이용하여 코팅한 발열 섬유에 관한 것이다.
최근 자동차가 점차 고급화됨에 따라 자동차 실내 또는 실외에 안전 또는 편의를 위한 장치들도 다양해지고 있다. 그 중 겨울철에 주로 사용하는 히터의 기능을 보완하기 위하여 자동차의 시트에 온열 기능을 부가한 것도 있다. 자동차에 탑승 후 히터를 작동시켜도 실내의 공기가 따뜻해지기까지 상당 시간이 소요되는데, 구리선 등이 내장된 온열 시트는 따로 자동차를 예열할 필요 없이 사용자에게 바로 열이 전달되어 편의성을 높일 수 있다.
이와 관련하여, 등록특허 제10-0375150호는 자동차 시트에 히터를 내장시켜 사용자가 착석시 쿠션과 등받이 부분이 가열되는 것에 대하여 개시하고 있다. 하지만, 발열체로 주로 사용되는 구리 등의 금속류가 고가이고, 금속 와이어의 경우 시트를 전체적으로 가열하기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 전력 소비가 높으며 일부 전열선이 단락하게 되는 경우 전체적인 고장으로 이어진다는 점에서 단점이 있다.
이를 해결하기 위하여, 자동차 시트에 발열 소재를 도입하여 온열 장치를 제조하는 것이 개발되기 시작하였다. 등록 특허 제10-1112722호에는 합성 섬유 등으로 형성된 기저층에 폴리아닐린, 폴리피롤 등의 전도성 물질을 코팅하여 발열 직물을 형성하는 것에 대하여 기재되어 있다. 하지만, 전도성을 높이기 위해 고전도성 물질을 사용하는 경우, 실리콘이나 고분자 물질에 분산되는 함량이 낮아 직물 등에 코팅하기 어렵거나 발열 효율이 낮아지는 등 상용화하기 어려운 점이 있다.
이에 고전도성 물질을 사용하면서도 전도성 물질의 침전을 방지하고, 열전도 효율도 우수한 발열 코팅 소재의 개발이 요구된다. 또한, 이러한 발열 코팅 소재를 이용하여 자동차 시트 등에 활용할 수 있는 발열 시트에 대한 연구 역시 필요하다.
본 발명의 목적은 고전도성 물질인 팽창 그라파이트를 사용하면서도 침전이 일어나지 않고 코팅 효율이 좋은 섬유 코팅용 발열 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고전도성 물질인 팽창 그라파이트를 이용하여 발열 및 열전도 효율이 높은 섬유 코팅용 발열 소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 전력 소비가 낮으면서도 발열성이 좋은 자동차 시트용 직물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 화학적 기능화기(Functionalizing)가 적용된 나노 팽창 그라파이트(Nano Expanded Graphite)를 포함하는 섬유 코팅용 발열 소재 조성물을 제공한다.
상기 나노 팽창 그라파이트는 초음파를 이용하여 나노 크기로 개질된 것일 수 있다.
상기 화학적 기능화기는 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O)로 이루어진 산소함유 기능기 중에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 열전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 열전도성 필러는 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 산화 아연(ZnO), 산화 규소(SiO2), 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)2), 탄화규소(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN), 질화규소(Si3N4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이다.
섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 바인더를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 섬유 코팅용 발열 소재 조성물이 도포된 발열 섬유를 제공한다.
상기 발열 섬유에서 섬유는 직조된 천연 섬유, 직조된 합성 섬유, 섬유보강 플라스틱 시트, 패브릭, 메쉬, 플라스틱, 가죽, 비닐, 플레더 및 고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 섬유 상에 소정의 패턴으로 인쇄될 수 있다.
본 발명의 섬유 코팅용 발열 소재는 고전도성 물질의 침전이 일어나지 않으며, 직물에 코팅하기에 용이하다.
본 발명의 섬유 코팅용 발열 소재는 에너지 효율이 좋으며, 제조 원가를 절감하고 원재료의 수입 의존도를 낮출 수 있다.
본 발명의 섬유 코팅용 발열 소재에 의해 코팅된 발열 직물은 자동차 시트에 적용되어 전력 소비를 줄일 수 있으며, 발열 효율이 좋다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 코팅용 발열 소재조성물은, 화학적 기능화기(Functionalizing)가 적용된 나노 팽창 그라파이트(Nano Expanded Graphite)를 포함한다.
본 발명에서 발열이란, 열을 내보내거나 내뿜는 일, 또는 그 열을 의미하는 것으로 특히 기계 따위에서 발생한 열을 방산(放散)하는 일을 이른다. 전자제품의 발열체(heat sink)의 소재로 사용되기 위해서는 대략 1~30W/SQM 값을 가져야 하고 발열 소재로는 금속, 세라믹, 카본 등의 열전도성 필러와 고분자로 이루어진 복합재료를 채택하여 사용하는 경우가 증가하고 있다.
본 발명의 섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 1000W/SQM의 발열도를 갖는다.
본 발명의 섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 팽창 그라파이트(Expanded Graphite)를 포함하고, 팽창 그라파이트(Expanded Graphite)는 본 발명의 섬유 코팅용 발열 소재 조성물 내에서 열전도성 필러 사이를 연결하는 열전도성 경로를 형성함으로써, 발열 효과를 더욱 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
그라파이트는 우수한 열전도도, 저렴한 가격, 양호한 매트릭스 내에서의 분산성 때문에 최고의 필러로 인식되고 있다. 팽창 그라파이트(Expanded Graphite)는 두께가 20~100 nm의 층으로 그라파이트가 박리된 상태를 말하며 고분자의 복합재료로 많이 사용되어 왔고, 복합재료의 열전도도는 팽창 그라파이트가 박리된 정도, 분산상태, 종횡비에 따라 달라진다고 보고되고 있다.
본 발명에서 팽창 그라파이트는 초음파를 이용하여 개질된 것일 수 있다. 팽창 그라파이트 필러를 초음파분쇄 및 화학적 처리를 통해 개질하여 고분자물질에 혼합함으로써 열전도도 특성이 우수한 섬유 코팅용 발열 소재를 제조할 수 있다.
팽창 그라파이트를 개질하기 위해, 먼저 수용액상태에서 초음파 분쇄하고 강산, 고온상태에서 소결 후 세정하는 1차 분쇄과정을 거친다. 팽창그라파이트를 초음파 분쇄함으로써 미립자를 균질화시켜 용매에 균일하게 분산시킬 수 있다. 상기 팽창그라파이트의 분산시 초음파의 세기는 20 kHz 내지 40 kHz 일 수 있으며, 바람직하게는 30 kHz로 분쇄하는 것이다.
20 kHz이하로 분쇄할 경우, 미분쇄 물질이 발생할수 있고 40 kHz이상으로 분쇄할 경우, 불필요한 미분화가 진행될수 있다는 점에서 바람직하지 않다. 초음파 분쇄를 한 뒤 강산으로는 질산 및 황산 등의 혼합산에 의해 가공 처리 될 수 있다. 산처리 시 질산 및 황산의 농도는 98% 이상인 것을 이용할 수 있다. 또한 1시간 내지 3시간 동안 산처리가 이루어지며, 1시간 이하 혹은 3시간 이상으로 산처리할 경우, 물성의 균제도 달성면에서 바람직하지 않다.
그 후 소결과정을 거친후 1차 분쇄된 팽창 그라파이트를 수용액 상태에서 초음파 및 물리적 분쇄를 거쳐 더욱 미립화시키는 2차 분쇄과정을 거친다. 본 발명에서 팽창 그라파이트를 물리적으로 분쇄하기 위해서3볼밀을 이용해서 분쇄할 수 있다. 상기 3볼밀을 이용하여, 1 내지 3시간 동안 반복 교반할 수 있다. 바람직하게는 2시간 동안 반복 교반하는 것이며, 1 시간 이하로 교반하는 것과 3 시간 이상으로 교반하는 것은 불균일한 분쇄가 발생할 수 있다는 점에서 바람직하지 않다.
팽창 그라파이트를 초음파 분쇄함에 따라 팽창 그라파이트 입자의 크기가 더 작아진다. 초음파 분쇄에 의해 팽창 그라파이트 입자의 크기는 100~1000nm가 될 수 있다.
본 발명에서 상기 팽창 그라파이트는 표면에 화학적 기능화기가 도입된 것일 수 있다. 본 발명에서 기능화기를 도입하기 위해 질산이나 황산 등의 혼합산(Acid)에 의해 가공처리 될 수 있으며, 화학적 산화를 통하여 오픈 팁(OPEN TIP)이 형성될 수 있다.
본 발명에서, 화학적 기능화기는 산소함유 기능기이다. 산소함유 기능기는 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O) 중 어느 하나 이상일 수 있다. 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 에스테르기(-C=O)와 같은 기능화기들로 인해서 팽창 그라파이트가 더욱 미립화될 수 있으며, 구조적 안정성을 나타낼 수 있다. 이렇게 조성물이 구조적으로 안정됨으로써 팽창 그라파이트의 침전을 방지하고 분산성이 좋아져 코팅이 용이하게 된다.
본 발명의 섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 열전도성 필러가 선택적으로 첨가될 수 있다. 본 발명에서 열전도성 필러의 종류는 특별히 제한되지 않고, 열전도성이 우수한 물질이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명에서는 열전도성 필러의 예로서, 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 산화 아연(ZnO), 산화 규소(SiO2), 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)2), 탄화규소(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN), 질화규소(Si3N4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 분산성 및 코팅 대상에의 접착성을 향상시키기 위하여 바인더를 포함할 수 있다. 바인더는 섬유 코팅용 발열 소재 조성물이 섬유에 부착되도록 하는 역할을 하며, 산성기를 1개 이상 갖는 중합체를 사용할 수 있다. 산성기로는 카르복실기, 술폰산기 또는 인산기를 들 수 있다.
바인더는 구체적으로 알릴메타크릴레이트, 아미노프로필아크릴레이트, 사이클로헥실아크릴레이트, 페녹시아크릴레이트, 메톡시에틸아크릴레이트, 메톡시디에틸렌글리콜아크릴레이트, 메톡시프로필렌아크릴레이트, 아크릴로니트릴, 히드록시데틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 벤질메타크릴레이트, 에틸헥실메타크릴레이트, 글리세롤메타크릴레이트, 메틸메타크릴산, 메타크릴산 및 이들의 공중합체로부터 선택되는 적어도 하나의 폴리아크릴레이트계 수지를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
바인더는 5,000 내지 40,000 g/mol의 중량평균 분자량을 가질 수 있으며, 구체적으로는 7,000 내지 20,000 g/mol의 중량평균 분자량을 가질 수 있다. 상기한 범위의 중량평균 분자량을 가질 경우 적절한 점도를 유지할 수 있어 분산성이 우수한 섬유 코팅용 발열 소재 조성물을 제조할 수 있다.
바인더는 나노 팽창 그라파이트 100중량부에 대하여 2내지 4중량부로 포함될 수 있다. 바인더가 상기 범위 내로 포함될 경우 적절한 점도를 유지할 수 있어 분산성이 우수하며 이로 인해 제품 적용시 전기적, 물리적 및 화학적 품질을 유지할 수 있다. 바인더의 양이 2중량부 미만이면 원단에 대한 부착력이 저하되고, 4중량부를 초과 사용하는 경우에는 원단에 대한 부착력은 상승되나 원단의 유연성이 떨어지게 되어 곤란하다. 섬유 코팅용 발열 소재 조성물의 점도는 100~10,000센티포아즈일 수 있다.
본 발명의 섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 1000W/SQM의 발열도를 갖는다.
본 발명은 섬유 코팅용 발열 소재 조성물이 도포된 자동차 시트 섬유를 제공한다.
발열 섬유는 직조된 천연 섬유, 직조된 합성 섬유, 섬유보강 플라스틱 시트, 패브릭, 메쉬, 플라스틱, 가죽, 비닐, 플레더 및 고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 코팅을 원하는 섬유 상에 전체 또는 부분적으로 도포될 수 있다. 섬유 코팅용 발열 소재 조성물이 도포된 높이는 0.5~3mm일 수 있다. 섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 스프레이를 이용하여 원단 상에 전체적으로 도포될 수 있으며, 격자 무늬나 벌집 무늬 등 소정의 패턴으로 인쇄될 수 있다. 본 실시예에서는 격자 무늬나 벌집 무늬를 예로 들었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 섬유 코팅용 발열 소재 조성물이 원단 상에 소정의 패턴으로 부분적으로 인쇄되는 경우, 원단의 총 면적의 70% 이상이 섬유 코팅용 발열 소재 조성물로 도포되도록 한다. 섬유 코팅용 발열 소재 조성물이 도포된 면적이 원단 면적의 70% 미만이 되는 경우 발열 성능이 저하될 수 있다.
본 발명에 따른 섬유 코팅용 발열 소재가 도포된 발열 섬유는 자동차 시트 등에 이용될 수 있다. 이러한 발열 섬유는 열선이 배열된 통상의 자동차 시트에 비하여, 원가 절감 및 에너지 절약을 할 수 있는 대체 소재가 될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예 : 팽창 그라파이트의 개질]
1차 분쇄
팽창 그라파이트 0.5g을 증류수 100g에 넣어, 초음파 분쇄를 한다. 그 뒤, 황산과 질산의 혼합용액(황산:질산=3:1,부피비) 240g에 넣고, 60℃로 가열하면서 24시간 동안 교반하였다. 이어서 상기 강산 용액이 혼합된 팽창 그라파이트를 2차 증류수 500g에 넣어 희석시키고, 수 회에 걸쳐 3차 증류수를 이용하여 세척을 하였다.
2차 분쇄
3볼밀을 이용하여, 24시간 동안 반복 교반한 후 초음파 분쇄기를 이용해 분쇄했다. 팽창 그라파이트를 수분상태에서 초음파 분쇄기를 통해 분쇄한 후, 수분을 제거하였다. 수분이 제거된 나노 크기의 팽창 그라파이트 분말에 대해서는 파우더 분산 공정을 통해 균일하게 분산화시켜 파우더로 제조하였다. 2차 분쇄에 의해 팽창 그라파이트의 입자는 100~1000nm가 될 수 있다.
화학적 기능화기 도입
나노 크기로 분쇄된 팽창 그라파이트의 표면을 개질하기 위해, 황산과 질산의 혼합용액(황산:질산=3:1,부피비) 240g에 넣고, 60℃로 가열하면서 24시간 동안 교반하였다. 이어서 상기 강산 용액이 혼합된 팽창 그라파이트를 2차 증류수 500g에 넣어 희석시키고, 수 회에 걸쳐 3차 증류수를 이용하여 세척을 하였다.
Claims (9)
- 팽창 그라파이트를 20 kHz 내지 40 kHz의 세기로 초음파 분쇄하는 단계,
상기 초음파 분쇄된 팽창 그라파이트를 질산 및 황산의 혼합산으로 산처리하여 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH) 및 에스테르기(-C=O)의 화학적 기능화기(Functionalizing)가 적용된 나노 팽창 그라파이트(Nano Expanded Graphite)로 제조하는 단계,
상기 화학적 기능화기가 적용된 나노 팽창 그라파이트 100 중량부 및 중량평균 분자량이 5,000 내지 40,000 g/mol인 바인더 2 내지 4 중량부를 포함하는 섬유 코팅용 발열 소재 조성물을 제조하는 단계, 그리고
상기 제조된 섬유 코팅용 발열 소재 조성물을 섬유상에 도포하는 단계
를 포함하는 발열 섬유의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 섬유 코팅용 발열 소재 조성물에 열전도성 필러가 선택적으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 발열 섬유의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 열전도성 필러는 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 산화 아연(ZnO), 산화 규소(SiO2), 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)2), 탄화규소(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN), 질화규소(Si3N4) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발열 섬유의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 섬유는 직조된 천연 섬유, 직조된 합성 섬유, 섬유보강 플라스틱 시트, 패브릭, 메쉬, 플라스틱, 가죽, 비닐, 플레더 및 고무로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발열 섬유의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 섬유 코팅용 발열 소재 조성물은 소정의 패턴으로 섬유에 인쇄되는 것을 특징으로 하는 발열 섬유의 제조 방법.
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