KR101761266B1 - 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브(CNT)를 최적 분산 후, 적정량의 분산된 CNT를 고무소재에 혼입 믹서 하여 마스터배치(master batch)를 제조하고, 제조된 마스트 배치를 골프공 코어(core)소재로 사용함으로서 기존의 골프공 보다 인장강도와 압축률을 월등하게 증가시켜 부드러운 느낌의 골프 타구감을 느끼게 하면서 골프공의 내충격 수명이 50% 이상 되도록 하는 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법은 CNT가 준비되는 단계(S110); CNT가 분산되는 단계(S120); 고무가 준비되는 단계(S130); CNT 및 고무가 믹스(mix)되어 마스터배치화 되는 단계(S140)를 포함하는 제조방법으로 생산되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명은 CNT 및 고무가 믹스되어 마스터배치화 되는 단계(S140)에서 고무 100중량부 기준으로 분산된 탄소나노튜브(CNT)가 0.1~10중량부 포함되는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법{Composite master batch for high-strength golf ball core and the method thereof}

본 발명은 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치(master batch) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)를 최적 분산 후, 고무소재에 적정량을 혼입시킨 복합소재 마스터배치를 골프공 코어(core)소재로 사용함으로서 기존의 골프공 코어보다 인장강도 및 압축률을 증가시키면서, 코어를 보호하는 커버(cover) 소재와의 마찰력을 강화시켜 기존 소재 대비 50% 이상의 골프공 내구성을 증가시킨 발명이다.

또한, 본 발명은 고무가 PBR(Polybutadiene Rubber), NDBR(Neodymium Butadiene Rubber), SSBR(Solution Styrene Butadiene Rubber), 아크릴고무, 실리콘고무, 불소고무, HBR(High-cis Polybutadiene Rubber), 폐고무 등 중 어느 하나 이상 사용하는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명은 CNT를 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Multiple Wall Carbon Nano Tube) 또는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Single Wall Carbon Nano Tube)를 사용하는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명은 CNT의 직경이 15~30nm이며, 직경 1 기준으로 종횡비가 1:500~1,000인 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명은 고무 100중량부 기준으로 분산 처리된 CNT가 0.1~10중량부 포함되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법은 CNT가 준비되는 단계(S110); CNT가 분산되는 단계(S120); 고무가 준비되는 단계(S130); CNT 및 고무가 믹스(mix,교반)되어 마스터배치화 되는 단계(S140)를 포함하는 제조방법으로 생산되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법은 CNT가 준비되는 단계(S110)에서 CNT를 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 또는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)로 사용되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법은 CNT가 준비되는 단계(S110)에서 CNT의 직경이 15~30nm이며, 직경 1 기준으로 종횡비가 1:500~1,000인 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법은 CNT가 분산되는 단계(S120)에서 건식 분산, 습식 분산, 고속 교반 분산, 초음파 분산, 용매 또는 분산제를 이용한 분산 등 다양하게 선택되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법은 고무가 준비되는 단계(S130)에서 고무는 PBR, NDBR, SSBR, 아크릴고무, 실리콘고무, 불소고무, HBR, 폐고무 등 중 어느 하나 이상 사용하는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법은 CNT 및 고무가 믹스되어 마스터배치화 되는 단계(S140)에서 고무 100중량부 기준으로 분산된 CNT가 0.1~10중량부 포함되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법으로 제조된 마스터배치는 2피스 볼, 3피스 볼, 4피스 볼로 구성되는 골프공 코어에 포함되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법으로 제조된 마스터배치는 고무소재에 분산된 CNT가 혼합되어 있어, 내충격성이 향상되며, 내구성이 증가된 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법으로 제조된 마스터배치가 포함된 골프공은 코어에 CNT가 0.1~10중량부 포함되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법으로 제조된 마스터배치가 포함된 골프공은 커버가 폴리우레탄(polyurethane), 엘라스토머(elastomer), 아이오노머(ionomer) 등 중 어느 하나 이상 포함되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법으로 제조된 마스터배치가 포함된 골프공의 표면은 우레탄(urethane)으로 처리되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법으로 제조된 마스터배치가 포함된 골프공은 비거리를 유지하면서도 동시에 타격 시 부드러운 타구감을 주는 효과가 있다.

탄소소재는 소재의 모양에 따라 플러렌(Fullerene), 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene), 흑연(graphite) 등이 있다.

이중에서 CNT는 1개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 육각형 벌집 모양의 흑연면이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태를 갖고 있다. CNT는 말려진 형태에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 및 다발형 탄소나노튜브로 구분할 수 있다.

CNT는 강철의 1,000배에 달하는 강도, 구리보다 뛰어난 전기전도성, 다이아몬드와 동등한 열전도도를 보유하고 있으며, 물성이 뛰어나 다양한 물질의 첨가제로 응용되고 있으며, 정전기 방지, 전자파 차폐, 레이더파 흡수, 차음, 방음, 방열 등의 기능성이 필요한 제품의 소재로 사용되며, 전기 분야, 전자 분야, 자동차 분야, 항공기 분야, 스포츠용품 분야 및 군사 분야 등 다양한 분야에 쓰이고 있는 소재이다.

그러나 CNT는 뛰어난 강도 및 탄성으로 인해 상당한 주목을 받아왔으나, 분산성이 어렵고 가격이 높아 제품 적용에 이르기까지 매우 힘든 소재이다.

다양한 스포츠용품 중 골프공은 탄성을 키우기 위한 소재 기술의 발달이 되어왔다. 현재 골프공의 커버 소재는 주로 아이오노머(ionomer) 수지가 사용되었으며, 쇼어경도(Shore D)가 60 이상으로 딱딱하다.

또한, 골프공 코어의 주요 소재는 주로 PBR(PolyButadiene Rubber)이 사용되고 있으며, 여기에 가교제 및 충전제를 첨가하여 원하는 물성을 만들어 사용되고 있다.

골프공의 타구감은 골프공 압축 변형량(압축률)과 밀접한 관련이 있으며, 압축 변형량이 작을수록 공이 딱딱한 느낌을 갖고, 클수록 부드러운 느낌을 갖는다.

골프공 압축 변형량은 0.060~0.075inch이었으나, 최근에는 0.085inch까지 증가하였고 골퍼들이 고령화 되는 현실에서 더욱더 골프공의 타구감이 부드러운 제품이 인기를 끌고 있는 추세이다.

이는 골프공이 딱딱해야만 멀리 보낼 수 있다는 고정관념을 깨는 것이며, 세계 여러 나라 골프공 엔지니어들은 골프공 R&A/USGA(영국왕립골프협회/미국골프협회) 공인 규정을 만족하면서도 비거리 손실이 없으면서 압축 변형량을 조절하여 골프공의 타구감을 높이는 연구개발을 진행하고 있다.

본 발명의 배경기술이 되는 선행문헌으로 공개특허공보 제10-2009-0133093호(2009. 12. 31., 이하 ‘선행문헌 1’)가 개시되어 있다.

선행문헌 1은 ‘탄소나노튜브 함유 고무 조성물’에 관한 것으로, 특수 수소화 니트릴 고무, 1종 이상의 가교제 및 탄소나노튜브를 함유하는 가황성 조성물의 제조 방법이 개시되어 있다.

하지만 선행문헌 1의 CNT 함유 고무 조성물은 CNT의 분산 및 가공기술의 미흡으로 인하여 여러 분야에 다양한 적용이 부진하다는 단점이 있다.

이에 본 출원인은, 다양한 용도의 고무 소재에 신소재로 주목받고 있는 CNT의 물성을 최대화하도록 분산시킨 후 고무와 혼합함으로서 보다 더 월등한 효과를 달성하기 위해 본 발명을 안출하게 되었으며, 특히 골프공의 코어에 이를 적용하고자 하는 것이다.

본 발명의 배경기술이 되는 선행문헌으로 공개특허공보 제10-2007-0097432호(2007. 10. 4., 이하 ‘선행문헌 2’)가 개시되어 있다.

선행문헌 2는 ‘고무 조성물 및 이것이 함유된 골프공’에 관한 것으로, 경도, 고반발성을 유지하면서 가공성이 우수한 골프공에 적합한 고무 조성물의 제조 방법이 개시되어 있다.

하지만 선행문헌 2의 고무 조성물이 함유된 골프공은 일반화되어 있으며 이것만으로는 내구성을 만족하면서 부드러운 타구감을 주는데 한계가 있다.

이에 본 출원인은 CNT를 먼저 분산하고, 고무에 혼입시킴으로써 골프공과 같이 예민하고 정확성을 요구하는 제품에서 균일한 분포를 도 4와 같은 품질과 물리적 성능을 갖도록 함으로써 타구감이 부드러우면서 내충격성이 강화되고 내구성이 월등하게 증가된 효과가 있는 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하기 위하여 본 발명을 안출하게 되었다.

(선행문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0133093호(2009. 12. 31.)

(선행문헌 2) 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0097432호(2007. 10. 04.)

본 발명은 골프공의 내구성이 약해서 쉽게 파손됨으로 인한 경제적 손실과 품질 신뢰의 추락을 방지하기 위한 일환으로 개발이 진행되었으며, 이러한 개발과정에서 기존 CNT의 분산 가공 기술의 한계와 미흡으로 인하여 개발이 잘 진행되지 못하고 있으며, 이러한 유사 문제점으로 인하여 CNT가 산업 분야에서 다양한 적용이 부진한 실정에 있는 것 또한 해결하고자 하는 것이다.

또한, 고무소재에 CNT가 가장 효율적으로 분산 적용되는 방법을 제공함으로서 기존의 물질에서 얻지 못한 높은 기계적, 전기적, 열적 물성의 대폭적인 향상 등의 기대 또는 애로 사항을 해결함으로써 다양한 용도로 생활의 광범위한 분야에 응용되는 CNT 복합 신소재의 기반을 제공하기 위한 것이다.

또한, 더 구체적으로 본 발명은 기존 골프공 회사의 신뢰 중 가장 중요한 요소인 볼이 깨어짐으로 인해서 발생하는 문제점을 사전에 예방하면서도 최근 골프공의 기술동향인 부드러우면서도 강한 골프공을 만들고자 하는 강한 욕구를 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공함으로서 이를 달성하기 위한 것이다.

본 발명은 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)를 먼저 분산한 후, 고무에 혼입 교반시킴으로서, CNT 및 고무가 잘 섞인 복합소재 마스터배치를 만들 수 있다.

이러한 방법은 골프공의 품질을 고르게 하는 것과 동시에 CNT의 특성 발휘를 최대화함으로써 내충격력과 내마찰력을 강화시킬 수 있다.

본 발명은 이러한 내구성이 증가된 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서 CNT는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 또는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 사용하는 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공함으로서 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명은 CNT의 직경이 15~30nm이며, 직경 1 기준으로 종횡비가 1:500~1,000인 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 고무는 PBR(Polybutadiene Rubber), NDBR(Neodymium Butadiene Rubber), SSBR(Solution Styrene Butadiene Rubber), 아크릴고무, 실리콘고무, 불소고무, HBR(High-cis Polybutadiene Rubber), 폐고무 등 중 어느 하나 이상 사용하는 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 골프공 코어 소재에 고무 100중량부 기준으로 분산된 CNT가 0.1~10중량부 포함되는 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 CNT가 준비되는 단계(S110); CNT가 분산되는 단계(S120); 고무가 준비되는 단계(S130); CNT 및 고무가 믹스되어 마스터배치화 되는 단계(S140);를 포함하는 제조방법으로 생산되는 것을 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공함으로서 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명은 CNT가 준비되는 단계(S110)에서 CNT는 MWCNT 또는 SWCNT를 사용하는 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 CNT가 준비되는 단계(S110)에서 CNT는 직경이 15~30nm이며, 직경 1 기준으로 종횡비가 1:500~1,000인 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 CNT가 분산되는 단계(S120)에서 건식 분산, 습식 분산, 고속 교반 분산, 초음파 분산, 용매 또는 분산제를 이용한 분산 등 다양하게 선택되는 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 고무가 준비되는 단계(S130)에서 고무는 PBR, NDBR, SSBR, 아크릴고무, 실리콘고무, 불소고무, HBR, 폐고무 등 중 어느 하나 이상 사용하는 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 CNT 및 고무가 믹스되어 마스터배치화 되는 단계(S140)에서 고무 100중량부 기준으로 분산된 CNT가 0.1~10중량부 포함되는 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 CNT 및 고무가 믹스되어 마스터배치화 되는 단계(S140)에서 믹스장치는 니더(kneader), 스크루(screw) 압착기, 3롤 밀(3-roll mill), 호모믹서(homogenizer), 자전공전 믹서(planetary mixer), 고점도 믹서(butterfly mixer) 등 중 선택되는 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치가 2피스 볼, 3피스 볼, 4피스 볼로 구성되는 골프공 코어에 포함되는 것을 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 골프공 코어에 고무 100중량부 기준으로 분산된 CNT가 0.1~10중량부 포함되는 것을 기술적 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 제조방법으로 생산된 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치는 분산된 CNT가 고무에 혼합되어 제품의 품질이 균일한 효과가 있다.

본 발명에 따른 제조방법으로 생산된 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치는 골프공 코어뿐만 아니라 벨트, 신발 등 다양한 분야에 사용 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치가 포함된 골프공은 고무에 CNT가 골고루 분산되어, 내충격력을 강화시키며, 내구성을 월등하게 증가시킨 효과가 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치가 포함된 골프공은 고무에 CNT가 포함되어 일반적인 골프공보다 압축 변형량이 증가되어 타구감이 부드러우면서도, 컨트롤이 쉬워 안정적인 비행 궤적을 그려 그린을 정확히 공략할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치가 포함된 골프공은 경계면 간의 마찰력 및 접착력이 커지므로, 커버 소재인 폴리우레탄, 엘라스토머, 아이오노머 등의 소재에 균일한 힘을 전달하여 비틀림 및 골프공 깨어짐을 보호하는 내구성 증대에 월등한 효과가 있다.

본 발명에 따른 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치가 포함된 골프공은 타구감이 부드러워 고령의 노인 및 여성들이 쉽게 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 탄소나노튜브(CNT)의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 분산 전의 CNT 분자 구조, 불완전 분산된 CNT 분자 구조 및 분산 후의 CNT 분자 구조를 간략화 하여 나타낸 것이다.
도 3은 생산 직후의 분산되지 않은 CNT 분자 구조, 분산 직후 CNT 분자 구조 및 분산 후 1년 경과된 CNT 분자구조를 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 이용하여 50,000배율로 나타낸 것이다.
도 4는 필름에서의 CNT분산 전후 상태를 비교하여 나타낸 것이다.
도 5는 분산된 CNT를 나타낸 것이다.
도 6은 고무 중 NDBR(Neodymium Butadiene Rubber)이다.
도 7은 분산된 CNT 및 고무를 믹스시켜 주는 기계인 니더(kneader)이다.
도 8은 분산된 CNT 및 고무를 믹스시켜 주는 기계인 니더 내부 구조이다.
도 9는 분산된 CNT 및 고무가 믹스되는 과정을 나타낸 것이다.
도 10은 분산된 CNT 및 고무가 혼합된 마스터배치를 나타낸 것이다.
도 11은 골프공 도식도를 나타낸 것이다.
도 12는 기존 골프공이 파괴된 것을 나타낸 것이다.
도 13은 골프공 코어에 분산된 CNT 및 고무가 포함된 2피스 볼과 3피스 볼을 반으로 자른 단면을 나타낸 것이다.
도 14는 다른 물질의 계면간에 CNT가 포함되어, 앙카(anchor) 역할을 하는 형태로 마찰력 및 응력이 향상된 것을 이미지로 나타낸 것이다.
도 15는 골프공 종류 및 구조를 나타낸 것이다.
도 16은 CNT 및 고무가 혼합된 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법 순서도이다.
도 17은 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치가 포함된 골프공 코어 및 골프공을 제조하는 공정 순서도이다.
도 18은 마스터배치가 포함된 골프공 코어를 성형하는 예시도이다.
도 19는 골프공 커버 및 마스터배치가 포함된 코어를 일체화시키는 예시도이다.
도 20은 골프공이 용접 및 가공되는 예시도이다.
도 21은 골프공 완성체가 가공되는 것이다.
도 22는 골프공 압축률 시험 설계 구조를 나타낸 것이다.
도 23은 골프공 내구성 시험을 나타낸 것이다.
도 24는 골프공 경도 시험 기구를 나타낸 것이다.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명은 여기에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기에서 개시되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 되며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물이 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 다양한 변환이 가해질 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에서 예시하고 상세하게 설명한다. 도면들에서 요소의 크기 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있다. 따라서 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

<실시예 1>

도 16은 CNT 및 고무가 혼합된 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법 순서도이다.

1) 탄소나노튜브(CNT)가 준비되는 단계(S110)

도 1은 탄소나노튜브(CNT)의 구조를 나타낸 것이다.

CNT는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Multiple Wall Carbon Nano Tube) 또는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Single Wall Carbon Nano Tube)를 선택하여 사용할 수 있으나, 바람직하게는 MWCNT를 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

상기 CNT는 직경이 15~30nm이며, 직경 1 기준으로 종횡비가 1:500~1,000인 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, CNT를 대신하여 흑연 분말, 플러렌, 그래핀 등 중 어느 하나 이상을 선택하여 사용할 수도 있다.

2) CNT가 분산되는 단계(S120)

CNT를 분산장치에 투입하여 속도, 시간 등의 조건을 고려하여 분산된다.

도 5는 분산된 CNT를 나타낸 것이다.

CNT 분산 방식은 건식 분산, 습식 분산, 고속 교반 분산, 초음파 분산, 용매 또는 분산제를 이용한 분산 등 다양하게 선택되며, 바람직하게는 건식 분산을 수행할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

도 2는 분산 전의 CNT 분자 구조, 불완전 분산된 CNT 분자 구조 및 분산 후의 CNT 분자 구조를 간략화 하여 나타낸 것이다.

도 3은 생산 직후의 분산되지 않은 CNT 분자 구조, 분산 직후 CNT 분자 구조 및 분산 후 1년 경과된 CNT 분자구조를 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 이용하여 50,000배율로 나타낸 것이다.

도 4는 필름에서의 CNT분산 전후 상태를 비교하여 나타낸 것이다.

도 2 내지 도 4를 토대로 살펴보면, 분산 전 CNT보다 분산 후 CNT가 그물망과 같은 네트워크를 형성하여, 균일한 물성을 지닐 수 있는 것을 알 수 있다.

3) 고무가 준비되는 단계(S130)

고무는 PBR(Polybutadiene Rubber), NDBR(Neodymium-Butadiene Rubber), SSBR(Solution Styrene Butadiene Rubber), 아크릴고무, 실리콘고무, 불소고무, HBR(High-cis Polybutadiene Rubber), 폐고무 등 중 어느 하나 이상 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 PBR, NDBR을 사용 할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

PBR은 천연고무(NR, Natural Rubber)보다 탄성이 좋고 내마모성이 우수하다.

NDBR은 네오디뮴(neodymium) 촉매를 사용하여 제조된 고무로 내마모성, 반발탄성이 우수하다.

SSBR은 알킬리튬(alkyl lithium) 촉매를 이용하여 유기용매 중에서 스티렌(styrene)과 부타디엔(butadiene)을 중합시켜 제조된 합성고무로 기존의 SBR(Styrene Butadiene Rubber)에 비하여 점탄성이 매우 우수하다.

HBR은 cis함량이 96% 이상으로, 내마모성, 반발탄성, 내노화성, 내수성이 우수하다.

그러나 사용되는 고무 종류에 따라 일부 물성이 변할 수 있다.

도 6은 고무 중 NDBR(Neodymium Butadiene Rubber)이다.

4) CNT 및 고무가 믹스되어 마스터배치화 되는 단계(S140)

CNT는 120단계에서 분산된 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

고무는 130단계에서 준비된 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

믹스 장치에 고무 및 분산된 CNT를 넣고 혼합될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

분산된 CNT는 고무 100중량부 기준으로 0.1~10중량부 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1~5중량부 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1~3중량부 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 분산된 CNT가 과량으로 포함될 경우 CNT의 분산성 및 조성물의 기계적 물성이 저하될 수 있다.

믹스 장치는 니더(kneader), 스크루(screw) 압착기, 3롤 밀(3-roll mill), 호모믹서(homogenizer), 자전공전 믹서(planetary mixer), 고점도 믹서(butterfly mixer) 등 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있고, 바람직하게는 니더, 스크루 압착기 중 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 니더 또는 스크루 압착기는 분산된 CNT 및 고무가 잘 혼합되기 위해서 30~50℃에서 드라이브 회전자의 속도는 고무의 종류나 CNT의 함량에 따라 30~50rpm으로 20~120분 수행 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

도 7은 분산된 CNT 및 고무를 믹스시켜 주는 기계인 니더이다.

도 8은 분산된 CNT 및 고무를 믹스시켜 주는 기계인 니더 내부 구조이다.

도 9는 분산된 CNT 및 고무가 믹스되는 과정을 나타낸 것이다.

분산된 CNT 및 고무가 잘 혼합되면, 마스터배치가 된다.

마스터배치란 원료 고무에 배합제를 혼합하여 일정한 농도로 섞어 반죽한 것으로 분산상태가 좋아 인장강도, 내마모성, 가공성면에서 뛰어난 효과가 얻어지는 혼합물이다.

본 발명에서 마스터배치는 고무에 분산된 CNT를 혼합하여 반죽상태인 것을 의미하지만, 이에 한정하지 않는다.

도 14는 다른 물질의 계면간에 CNT가 포함되어, 앙카 역할을 하는 형태로 마찰력 및 응력이 향상된 것을 이미지로 나타낸 것이다.

도 14를 토대로 살펴보면, 고무에 CNT를 첨가하면 커버 소재와의 사이에서 분산된 CNT가 가교(bridging)역할을 하여, 마찰력이 증가되는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 마스터배치는 골프공 코어뿐만 아니라 벨트, 신발 등 다양한 분야에 사용할 수 있다.

<실시예 2>

도 17은 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치가 포함된 골프공 코어 및 골프공을 제조하는 공정 순서도이다.

<실시예 1>의 방법으로 제조된 마스터배치를 이용하여 골프공을 제조할 수 있다.

골프공 제조방법은 공지된 기술을 사용하였다.

1) 마스터배치가 포함된 코어가 주조되는 단계(S210)

<실시예 1>의 방법으로 제조된 마스터배치를 준비한다.

준비된 마스터배치는 골프공 코어에 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 준비된 마스터배치는 고무 100중량부 기준으로 분산된 CNT가 0.1~10중량부 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1~5중량부 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1~3중량부 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

도 10은 분산된 CNT 및 고무가 혼합된 마스터배치를 나타낸 것이다.

도 18은 마스터배치가 포함된 골프공 코어를 성형하는 예시도이다.

골프공 코어는 열성형 방법, 압축 성형, 사출 성형을 사용하였으며, 공지의 기술을 사용하였다. 예를 들어, 압축 성형기에 마스터배치를 넣어 가열하며 압축한다. 140~180℃에서 10~30분 가열할 수 있으며, 바람직하게는 150℃에서 20분 가열할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

이를 식히면, 마스터배치가 포함된 골프공 코어가 주조된다.

2) 마스터배치가 포함된 코어에 커버를 일체화시키는 단계(S220)

구형의 마스터배치 코어에 경화제 등을 혼합시켜 커버와 일체화시킨다.

도 19는 골프공 커버 및 마스터배치가 포함된 코어를 일체화시키는 예시도이다.

커버는 폴리우레탄(polyurethane), 엘라스토머(elastomer), 아이오노머(ionomer) 등 중 선택하여 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

폴리우레탄은 고무보다 내구성과 신축성이 좋아 스핀량이 증가하고, 타구감을 상승시키는데 도움을 주며, 표면으로는 골프공의 내마모성 유지 및 정전기 방지를 한다.

아이오노머는 에틸렌(ethylene)과 메타크릴산(methacrylic acid)의 공중합체(copolymer)로서 카르복실기 그룹에 Na, K, Mg, Zn 등의 금속 이온에 의해 가교결합을 갖는 중합체의 총칭으로, 다른 중합체에 접착력이 좋으며, 내구성이 우수하고 비거리를 향상시킨다.

본 발명에서 피스는 층 또는 겹을 의미하며, 커버를 1~3겹으로 중첩시켜 2~4피스의 골프공을 제조할 수 있으며, 바람직하게는 커버 2개를 중첩시켜 3피스 볼을 제조할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

도 15는 골프공 종류 및 구조를 나타낸 것이다.

또한, 본 발명은 3피스 볼의 이너커버 및 4피스 볼의 이너커버 및/또는 미드커버에 마스터배치가 사용될 수 있으며, 2피스 볼, 3피스 볼 및 4피스 볼의 표면은 우레탄이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

3) 마스터배치가 포함된 볼(ball)이 용접되는 단계(S230)

마스터배치 코어 및 주입된 커버를 용접한다.

도 20은 골프공이 용접 및 가공되는 예시도이다.

커버의 접착 전처리 공정은 코로나 방전, 플라즈마 방전을 사용 할 수 있으며, 바람직하게는 플라즈마 방전을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

플라즈마 방전은 진공 또는 대기압상태에서 아르곤 또는 질소 등 가스를 투입하고, 전기방전을 이용한 표면 처리 방식으로 접착력을 향상시킨다.

접착시킨 볼은 스프레이 코팅 및 건조 과정을 거친다.

모든 과정이 끝나면, 외피의 주름진 부분을 다듬어서 인쇄하고, 페인트칠을 한다.

도 21은 골프공 완성체가 가공되는 것이다.

도 13은 골프공 코어에 분산된 CNT 및 고무가 포함된 2피스 볼과 3피스 볼을 반으로 자른 단면을 나타낸 것이다.

<실험예 1 : CNT 함량에 따른 골프공 기계적 물성 비교>

1) 실험 방법 및 결과

CNT 함량에 따른 골프공 기계적 물성을 비교하는 실험을 수행하였다.

실험군으로는 <실시예 2>에 기재된 제조방법으로 제조된 마스터배치가 포함된 골프공이 사용되었다.

비교군으로는 공지의 기술로 제조된 CNT가 0중량부인 골프공이 사용되었다.

실험군인 마스터배치가 포함된 골프공의 고무는 NDBR이 사용되었으며, 고무 100중량부 기준으로 CNT가 1중량부 및 3중량부로 조절하여 비교하였다.

도 22는 골프공 압축률 시험 설계 구조를 나타낸 것이다.

압축강도(Compression)는 볼을 0.1인치(2.54mm) 압축 시키는데 얼마만큼의 힘이 드는지를 나타내는 것으로 수치는 0~200까지이며, 일반적인 골프공은 50~120 사이로 제작되며, 골프공의 부드러움과 딱딱한 정도를 알 수 있게 하는 기준이다.

또한, 압축강도의 숫자가 높을수록 공이 딱딱하고, 숫자가 낮을수록 공이 부드러워진다.

도 23은 골프공 내구성 시험을 나타낸 것이다.

내구성은 외부로부터 힘을 가하여, 물질이 원래의 상태에서 변질되거나 변형됨이 없이 오래 견디는 성질이다.

본 발명에서는 국민체육진흥공단 스포츠용품시험검사소 검사규격에 따라 175±4ft/sec 조건에서 파괴시험이 수행되었다.

도 24는 골프공 경도 시험 기구를 나타낸 것이다.

경도(Hardness)는 비커스경도(Vickers hardness), 브리넬경도(Brinell hardness), 로크웰경도(Rockwell hardness), 쇼어경도(Shore hardness)가 있다.

그 중에서 쇼어경도는 딤플 커버 층의 경도를 의미하며, 타격 시 타구감과 스핀, 비거리에 큰 영향을 미치는 요소이다.

쇼어경도는 Shore A~D로 분류되며, Shore D는 딱딱한 재질의 경도를 측정하는데 사용된다.

또한, 경도가 높을수록 반발력이 뛰어나 비거리가 좋으나, 스핀량이 떨어져 컨트롤하기가 어렵고, 경도가 낮을수록 컨트롤과 방향성이 우수하나, 비거리가 떨어진다.

탄성계수는 같은 힘에 대해 탄성계수가 크면 변형량이 작아 딱딱해지며, 탄성계수가 작으면 변형량이 커져 부드러워진다.

도 12는 기존 골프공이 파괴된 것을 나타낸 것이다.

하기의 <표 1>은 CNT 함량에 따른 골프공 기계적 물성을 비교하여 표로 나타낸 것이다.

도 12 및 <표 1>을 토대로 살펴보면, CNT가 포함되지 않은 골프공은 70, CNT가 1중량부 포함된 골프공은 72, CNT가 3중량부 포함된 골프공은 74로 압축강도가 커지는 것을 통해 고무에 CNT 함량이 증가되면, 공이 부드러워지는 것을 도출할 수 있다.

CNT가 포함되지 않은 골프공의 내구성은 51회이며, CNT가 3중량부 포함된 골프공의 내구성은 75회 이상으로 내구성이 47%가 향상된 것을 알 수 있다.

경도는 CNT가 3중량부 포함된 골프공이 48.5로 가장 높았으며, CNT가 포함되지 않은 골프공이 46.2로 2순위로 높았다. CNT가 1중량부 포함된 골프공은 45.7로 가장 낮았다.

CNT가 포함되지 않은 골프공의 탄성계수는 0.807787, CNT가 1중량부 포함된 골프공의 탄성계수는 0.802263, CNT가 3중량부 포함된 골프공의 탄성계수는 0.803222로 점차 낮아지는 것을 통해 CNT 함량이 증가되면, 공이 부드러워지는 것을 알 수 있다.

실험예 1의 실험 결과를 토대로, CNT가 포함된 골프공은 CNT가 포함되지 않은 골프공보다 압축률이 높아 부드러우면서도 도 12와 같이 빨리 깨어지지 않고 내구성이 월등하게 뛰어나다는 결과를 도출할 수 있다.

<실험예 2 : CNT함량에 따른 골프공 코어 물성 비교>

1) 실험 방법 및 결과

CNT 함량에 따른 골프공 코어 물성을 비교하는 실험을 수행하였다.

실험군으로는 <실시예 2>에 기재된 제조방법으로 제조된 마스터배치가 포함된 골프공 코어가 사용되었다.

비교군으로는 공지의 기술로 제조된 CNT가 0Phr인 골프공 코어가 사용되었다.

실험군인 마스터배치가 포함된 골프공의 고무는 NDBR이 사용되었으며, 고무 100중량부 기준으로 CNT가 0.1Phr, 0.3Phr, 0.5Phr, 0.7Phr, 1.0Phr, 1.5Phr 및 2.0Phr로 조절하여 비교하였다.

Phr은 parts per hundred resin(rubber)의 약자로서 고분자 100중량부당 첨가되는 첨가제 중량부를 의미하나, 본 발명에서는 고무 100중량부에 첨가되는 CNT의 중량부를 의미한다.

하기의 <표 2>는 CNT 함량에 따른 골프공 코어 물성을 비교하여 표로 나타낸 것이다.

<표 2>를 토대로 살펴보면, 압축강도는 CNT가 2.0Phr 포함된 골프공 코어가 63.4로 가장 높았으며, CNT가 0.7Phr 포함된 골프공 코어가 62로 2순위로 높았다. CNT가 1.5Phr 포함된 골프공 코어가 61.6으로 3순위로 높았으며, CNT가 0.1Phr 포함된 골프공 코어가 57.4로 가장 낮았다.

또한, CNT가 포함되지 않은 골프공 코어보다 CNT가 0.3~2.0Phr 포함된 골프공 코어의 압축강도가 높은 것을 알 수 있다.

탄성계수는 CNT가 포함되지 않은 골프공 코어가 0.815이며, CNT가 0.1Phr 포함된 골프공 코어는 0.814로 0.001감소하였으며, CNT가 0.3Phr 포함된 골프공 코어는 0.0815로 CNT가 포함되지 않은 코어와 값이 같았다. CNT가 0.5~2.0Phr 포함된 골프공 코어는 CNT가 증가함에 따라 탄성계수의 값이 감소하였다.

이를 통해, CNT가 0.5Phr이상 포함되면, 탄성계수가 감소하므로 골프공 코어가 부드러워지는 것을 알 수 있다.

실험예 2의 실험 결과를 토대로, CNT 함량이 증가되면 골프공 코어의 탄성계수 값이 감소하지만, 압축강도와 무게가 증가되는 결과를 도출할 수 있다.

S110 : 탄소나노튜브(CNT)가 준비되는 단계
S120 : CNT가 분산되는 단계
S130 : 고무가 준비되는 단계
S140 : CNT 및 고무가 믹스되어 마스터배치화 되는 단계
S210 : 마스터배치가 포함된 코어가 주조되는 단계
S220 : 마스터배치가 포함된 코어에 커버를 일체화시키는 단계
S230 : 마스터배치가 포함된 볼(ball)이 용접되는 단계

Claims (6)

1. 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)의 직경이 15 내지 30nm이며, 직경 1 기준으로 종횡비가 1:500 내지 1,000인 탄소나노튜브(CNT)가 준비되는 단계(S110);
   탄소나노튜브(CNT)가 건식 분산 방법으로 분산되는 단계(S120);
   고무는 NDBR(Neodymium-Butadiene Rubber)이 준비되는 단계(S130);
   고무 100중량부 기준으로 분산된 탄소나노튜브(CNT)가 1 내지 10중량부 포함되며, 니더(kneader)를 사용하여 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 함량에 따라 35 내지 50℃에서 35 내지 50rpm으로 20 내지 50분 믹스(mix)되어 마스터배치(master batch)화 되는 단계(S140);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고내구성 골프공 코어(core)용 복합소재 마스터배치(master batch) 제조방법.
2. 청구항 1의 제조방법으로 생산된 복합소재 마스터배치(mater batch).
3. 청구항 1의 제조방법으로 생산된 복합소재 마스터배치(master batch)를 이용하여 코어(core)로 사용한 것을 특징으로 하는, 골프공.
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