KR101830957B1 - 전도성 수지 조성물의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면은 (a) 탄소나노튜브와 제1 올레핀계 고분자 수지를 압출하여 마스터배치를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 마스터배치와 제2 올레핀계 고분자 수지를 혼합하는 단계;를 포함하는 전도성 수지 조성물의 제조방법을 제공한다.

Description

전도성 수지 조성물의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING CONDUCTIVE RESIN COMPOSITION}
본 발명은 전도성 수지 조성물의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 전기 전도성과 기계적 물성 간의 트레이드오프(tradeoff)를 완화하여 양자를 균형적으로 구현할 수 있는 전도성 수지 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
열가소성 수지는 가열하면 연화하여 가소성을 나타내고, 냉각하면 고화되는 수지를 지칭한다. 이러한 열가소성 수지는 가공성 및 성형성이 우수하여 각종 생활용품, 사무자동화 기기, 전기·전자제품, 차량용 부품 등에 광범위하게 적용되고 있다.
또한, 이러한 열가소성 수지가 사용되는 제품의 종류 및 특성에 따라, 특수한 성질을 부가하여 고부가가치 소재로 사용하고자 하는 시도가 지속적으로 이루어지고 있다.
특히, 수지 제품 간 또는 타 소재와의 마찰이 발생하는 분야에 열가소성 수지를 적용할 경우, 대전 현상으로 인한 제품의 손상 및 오염이 발생하므로 열가소성 수지에 전기 전도성을 부여할 필요성이 있다.
이처럼, 종래 열가소성 수지에 전기 전도성을 부여하기 위해 탄소나노튜브, 카본블랙, 흑연, 탄소섬유, 금속 분말, 금속 코팅 무기 분말 또는 금속 섬유 등의 전도성 필러가 사용되어 왔다.
다만, 전기 전도성 부여에 유의미한 결과를 도출하기 위해서는 열가소성 수지 대비 약 10~20중량% 이상의 전도성 필러를 첨가해야 하고, 이는 결과적으로 열가소성 수지의 내충격성, 신장률, 내마모성과 같은 고유의 기계적 물성 저하를 초래하게 된다.
특히, 열가소성 수지와 전기 전도성 및 기계적 물성이 동시에 요구되는 분야, 예를 들어, 차량용 연료 탱크 또는 연료 호스와 같은 분야에서는 양자 간 밸런스 유지의 문제로 제품의 상용화에 제한이 따른다.
또한, 고점도의 열가소성 수지에 전기 전도성 부여가 요구되는 경우, 열가소성 수지의 특성에 기인하여 전도성 필러 첨가에 따른 충분한 전기 전도성이 구현되지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 열가소성 수지, 특히, 고점도의 열가소성 수지의 기계적 물성의 저하를 방지하면서도 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있는 전도성 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 (a) 탄소나노튜브와 제1 올레핀계 고분자 수지를 압출하여 마스터배치를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 마스터배치와 제2 올레핀계 고분자 수지를 혼합하는 단계;를 포함하는 전도성 수지 조성물의 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계가 180~300℃의 온도에서 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 압출이 10~500㎏/hr의 속도로 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 마스터배치에 포함된 탄소나노튜브의 함량이 10~30중량%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전도성 수지 조성물에 포함된 탄소나노튜브의 함량이 0.1~10중량%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 겉보기 밀도가 0.01~0.2g/ml일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 올레핀계 고분자 수지가 각각 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 폴리에틸렌 공중합체가 에틸렌 비닐아세테이트, 에틸렌 부틸아크릴레이트, 에틸렌 에틸아크릴레이트, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 올레핀계 고분자 수지가 폴리에틸렌 및 에틸렌 비닐아세테이트가 1~5 : 1의 중량비로 혼합된 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계 이전에, 상기 (a) 단계의 생성물을 펠릿화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은 상기 (b) 단계 이후에, (c) 상기 전도성 수지 조성물을 성형하는 단계를 더 포함하는 차량용 연료 탱크의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 상기 (b) 단계 이후에, (c) 상기 전도성 수지 조성물을 성형하는 단계를 더 포함하는 차량용 연료 호스의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전도성 필러와 제1 올레핀계 고분자 수지를 혼합하여 고함량의 전도성 필러를 포함하는 마스터배치를 제조하고, 이를 상기 제1 올레핀계 고분자 수지와 동종이거나 이종인 제2 올레핀계 고분자 수지와 혼합함으로써, 올레핀계 고분자 수지의 기계적 물성 저하를 방지하고, 우수한 전기 전도성을 부여할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 전도성 수지 조성물의 제조방법을 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 수지 조성물을 이용하여 제조된 성형품의 표면저항 값을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 수지 조성물을 이용하여 제조된 성형품의 충격강도 값을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 수지 조성물을 이용하여 제조된 성형품의 인장강도 값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 수지 조성물을 이용하여 제조된 성형품의 신장률 값을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 전도성 수지 조성물의 제조방법을 도식화한 것이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 측면에 따른 전도성 수지 조성물의 제조방법이 (a) 탄소나노튜브와 제1 올레핀계 고분자 수지를 압출하여 마스터배치를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 마스터배치와 제2 올레핀계 고분자 수지를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
전도성 수지 조성물은 기본적으로 일정 수준의 기계적 물성과 성형성을 가지는 고분자 수지, 및 이에 전도성을 부여할 수 있는 전도성 물질, 예를 들어, 금속, 기타 무기물 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 전도성 수지 조성물을 제조하기 위해서는 고분자 수지와 전도성 물질을 혼합하기 위한 공정이 수반된다.
종래 전도성 수지 조성물의 전기 전도성을 향상시키기 위해 상기 전도성 물질의 함량을 증가시키는 기술이 제안되었다. 다만, 동종의 전도성 물질, 특히, 탄소나노튜브의 함량을 일정 수준 이상으로 증가시키면 수지 자체의 기계적 물성뿐만 아니라 가공성, 작업성 등이 저하되는 문제가 있었다. 이를 해소하기 위해, 탄소나노튜브에 비해 전도성 부여 효과는 미약하나 가공성, 작업성이 우수한 카본블랙 등을 병용하여 전도성 수지 조성물 중 전도성 물질의 총 함량을 증가시키기 위한 시도가 이루어지기도 했다.
다만, 이러한 방식은 전도성 물질의 종류와 함량을 상이하게 조절한 것에 불과하며, 수지와 전도성 물질의 혼합이 단일 공정에 의해 이루어졌다는 점에서 공통된다.
이에 대해, 상기 (a) 단계에서, 전도성 필러인 탄소나노튜브와 제1 올레핀계 고분자 수지를 혼합, 압출하여 고농도 탄소나노튜브 마스터배치를 제조할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "마스터배치(master batch)"는, 수지 조성물을 제조하는 경우 고농도의 첨가제를 사전에 분산시킨 것으로, 이러한 마스터배치의 제조를 통해 올레핀계 고분자 수지 내 탄소나노튜브의 분산성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 상기 전도성 수지 조성물의 전 영역에 대해 균일한 전기 전도성을 부여할 수 있다.
이 때, 상기 마스터배치는 구형(sphere), 펠릿형(pellet) 등으로 제조될 수 있으나, 이후 단계에서 열가소성 수지와 배합되어 상기 탄소나노튜브의 분산성을 향상시킬 수 있으면 그 형태에 제한 없이 제조될 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 부도체인 열가소성 고분자 수지, 특히, 올레핀계 고분자 수지에 전기 전도성을 부여하기 위한 물질로, 상기 탄소나노튜브가 첨가된 수지 조성물을 성형하여 제조된 플라스틱 기재의 표면저항을 감소시킴으로써 전기 전도성을 향상시킬 수 있다.
상기 탄소나노튜브를 합성하는 방법은 전기방전법(Arc-discharge), 열분해법(Pyrolysis), 레이저 증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma chemical vapor deposition), 열화학 기상증착법(Thermal chemical vapor deposition) 등이 있으나, 합성 방법에 제한 없이 제조된 모든 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(Double wall carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi wall carbon nanotube), 절두된 원뿔형의 그래핀(truncated graphene)이 다수 적층된 중공관 형태의 탄소나노섬유(cup-stacked carbon nanofiber), 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는, 제조의 용이성 및 경제성이 우수한 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 마스터배치의 모재가 되는 올레핀계 고분자 수지는 열가소성 수지 중 상대적으로 넓은 온도 범위에서 물성 변화가 적고, 성형성, 내후성, 내약품성 등이 우수하다.
상기 제1 올레핀계 고분자 수지는 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌 계열일 수 있으며, 더 바람직하게는 고밀도 폴리에틸렌일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 폴리에틸렌 공중합체가 에틸렌 비닐아세테이트, 에틸렌 부틸아크릴레이트, 에틸렌 에틸아크릴레이트, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 상기 제1 올레핀계 고분자 수지는 동종 단량체가 중합된 단일 중합체, 이종 단량체가 중합된 공중합체, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 공중합체는 중합 형태의 제한 없이 교호 공중합체(alternating copolymer), 랜덤 공중합체(random copolymer), 블록 공중합체(block copolymer), 또는 그라프트 공중합체(graft copolymer)일 수 있다.
특히, 상기 마스터배치 제조 시, 동종 올레핀계 고분자 수지를 사용하는 경우에 비해 이종 올레핀계 고분자 수지 혼합물을 사용하는 경우, 이들 간 상호작용에 의해 수지 조성물의 전기 전도성과 기계적 물성의 밸런스가 더 우수하게 유지될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 올레핀계 고분자 수지가 폴리에틸렌(PE) 및 에틸렌 비닐아세테이트(EVA)가 1~5 : 1, 바람직하게는 2~3 : 1의 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 양자 간 중량비가 상기 범위를 벗어나면 동종 수지를 사용하는 경우에 비해 기계적 물성 향상 효과가 미약할 수 있다.
한편, 상기 (a) 단계가 180~300℃, 바람직하게는 220~240℃, 더 바람직하게는 230℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 (a) 단계의 공정 온도가 180℃ 미만이면 올레핀계 고분자 수지가 부분적으로 용융되어 압출 성형성과 탄소나노튜브의 분산성이 저하될 수 있으며, 300℃ 초과이면 올레핀계 고분자 수지의 열분해 또는 변성이 발생할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계에서 상기 탄소나노튜브와 상기 제1 올레핀계 고분자 수지를 10~500㎏/hr, 바람직하게는 10~30㎏/hr의 속도로 압출할 수 있다. 상기 압출 속도가 10㎏/hr 미만이면 생산성이 저하될 수 있고, 500㎏/hr 초과이면 탄소나노튜브와 제1 올레핀계 고분자 수지의 혼합 균일도가 저하될 수 있다.
상기 (a) 단계의 생성물인 마스터배치는 고함량의 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 마스터배치에 포함된 탄소나노튜브의 함량이 10~30중량%일 수 있다.
상기 마스터배치에 포함된 탄소나노튜브의 함량이 10중량% 미만이면 탄소나노튜브가 마스터배치에 농축되는 정도가 미미하고, 30중량% 초과이면 제조된 마스터배치의 조성이 불균일해져 가공성이 저하될 수 있다.
상기 마스터배치 제조 시 사용되는 탄소나노튜브는 분말 상의 것을 기계적, 물리적으로 타정하여 펠릿 형태로 가공한 것으로서, 가공 후 탄소나노튜브의 겉보기 밀도가 0.01~0.2g/ml, 바람직하게는 0.05~0.2g/ml일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 겉보기 밀도가 상기 범위를 벗어나면 탄소나노튜브를 10중량% 이상 포함하는 농축 마스터배치를 제조하기 어렵다. 또한, 펠릿 형태로 가공된 탄소나노튜브는 작업 간 분말이 비산되는 것을 방지하여 작업 환경을 개선할 수 있다.
한편, 상기 (a) 단계에서 압출 시 사용되는 압출기는 하나의 스크류를 구비한 단축 압출기, 또는 복수의 스크류를 구비한 다축 압출기로 일 수 있고, 바람직하게는 각 성분 간 균일한 혼합, 압출을 위해 2개의 스크류가 구비된 2축 압출기를 예시할 수 있다.
이 때, 상기 압출기를 이용한 혼련 과정에서 탄소나노튜브의 파손을 억제하기 위해, 바람직하게는 2축 압출기를 사용하여 상기 올레핀계 고분자 수지를 압출기 측으로부터 투입하고, 탄소나노튜브를 사이드피더(Side feeder)를 사용하여 상기 압출기에 공급함으로써 용융 혼련하는 방법을 사용할 수 있다.
상기 (b) 단계에서는 상기 마스터배치에 포함된 고함량의 탄소나노튜브를 제2 올레핀계 고분자 수지와 혼합하여 희석(let-down)할 수 있다. 상기 (b) 단계에서 투여되는 상기 제2 올레핀계 고분자 수지의 양은 생성물인 전도성 수지 조성물 중 탄소나노튜브의 함량을 0.1 내지 10중량%로 희석할 수 있는 정도이면 충분하다.
또한, 상기 제2 올레핀계 고분자 수지는 상기 제1 올레핀계 고분자 수지와 동종일 수 있고, 필요에 따라 이종일 수도 있다. 다만, 상기 제1 및 제2 올레핀계 고분자 수지의 종류가 상이한 경우에도 이들 간의 상용성을 고려하여 이들 각각에 포함된 하나 이상의 단량체가 동일한 것, 또는 이들 각각에 포함된 하나 이상의 수지가 동일한 것을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 올레핀계 고분자 수지가 폴리에틸렌과 에틸렌 비닐아세테이트의 혼합물인 경우, 상기 제2 올레핀계 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 (a) 및 (b) 단계를 통해 제조된 전도성 수지 조성물은 고점도의 올레핀계 고분자 수지를 모재로 사용하면서도 종래의 제조방법, 예를 들어 마스터배치를 거치지 않고 제조된 전도성 수지 조성물에 비해 전기 전도성을 향상시킴과 동시에 기계적 물성을 유지하여 양자를 균형적으로 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 마스터배치와 제2 올레핀계 고분자 수지를 혼합하여 상기 전도성 수지 조성물에 포함된 탄소나노튜브의 함량이 0.1~10중량%이 되도록 희석할 수 있다.
상기 전도성 수지 조성물에 포함된 탄소나노튜브의 함량이 0.1중량% 미만이면 전기 전도성이 저하될 수 있고, 10중량% 초과이면 기계적 물성이 현저하게 저하될 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 마스터배치와 상기 제2 올레핀계 고분자 수지의 혼합은 용융 혼합법(Melt compounding), 인시츄 중합법(In-situ polymerization), 용액 혼합법(solution mixing) 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 압출기 등을 이용하여 고온, 고전단력 하에서 탄소나노튜브를 수지 내로 균일하게 분산시킬 수 있어 대용량화 및 제조 비용 절감이 가능한 용융 혼합법을 사용할 수 있다. 상기 압출기의 종류와 특징, 선택 기준 등에 관해서는 전술한 것과 같다.
상기 (a) 단계 또는 (b) 단계에서, 상기 전도성 수지 조성물의 사용 목적에 따라 난연제, 충격보강제, 난연보조제, 활제, 가소제, 열안정제, 적하방지제, 산화방지제, 상용화제, 광안정제, 안료, 염료, 무기물 첨가제, 및 드립방지제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 추가로 배합할 수 있다.
상기 첨가제의 함량은 상기 전도성 수지 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.1~10중량%일 수 있다. 상기 첨가제의 함량이 0.1중량% 미만이면 사용 목적에 적합한 효과를 구현할 수 없고, 10중량% 초과이면 올레핀계 고분자 수지 고유의 물성을 저하시킬 수 있다.
상기 전도성 수지 조성물은 사출, 압출 성형 등을 통해 플라스틱 성형품으로 제조될 수 있고, 광범위한 적용이 가능한 폴리에틸렌 수지를 모재로 사용함으로써 각종 생활용품, 사무자동화 기기, 전기·전자제품, 차량용 부품 등에 사용될 수 있다.
특히, 상기 전도성 수지 조성물은 일정 수준 이상의 기계적 물성과 일정 수준 이상의 전기 전도성이 균형적, 필수적으로 요구되는 차량용 부품, 구체적으로, 차량용 연료 탱크(fuel tank) 또는 차량용 연료 호스(fuel hose)에 적용될 수 있다. 상기 (a) 및 (b) 단계를 통해 이러한 성형품에 요구되는 화학적, 전기화학적, 기계적 물성은 완비될 수 있으므로, 상기 전도성 수지 조성물을 몰드(mold)로 성형함으로써 최종 제품을 얻을 수 있다.
또한, 상기 전도성 수지 조성물을 이용하여 제조된 플라스틱 성형품은 적용 분야에 따라 상기 탄소나노튜브의 함량을 달리 조절하여 표면저항이 102~1010Ω/sq인 범위에서 제조될 수 있고, 특히, 대전방지나 우수한 전기 전도성 부여가 요구되는 분야에서는 102~108Ω/sq인 범위에서 제조될 수 있다.
실시예 1
다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 트윈스크류 압출기의 사이드피더(Side Feeder)에 투입하고, 폴리에틸렌(HDPE, 용융지수 5.0g/10min, ASTM D 1238)을 메인호퍼(Main Hopper)에 투입 속도 25㎏/hr로 투입한 후, 혼련 속도 200rpm 및 가공 온도 230℃ 하에서 용융 혼련하여 탄소나노튜브의 함량이 10중량%인 마스터배치를 제조하였다.
제조된 마스터배치와 이종의 폴리에틸렌(HDPE, 용융지수 0.3g/10min, ASTM D 1238)을 트윈스크류 압출기에 투입하고, 혼련 속도 200rpm 및 가공 온도 250℃ 하에서 용융 혼련하여 탄소나노튜브의 함량이 6중량%인 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 2
마스터배치에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 10중량%, 수지 조성물에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 5중량%가 되도록 조절한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 3
마스터배치에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 10중량%, 수지 조성물에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 4중량%가 되도록 조절한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 4
마스터배치에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 10중량%, 수지 조성물에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 3중량%가 되도록 조절한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 5
다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 트윈스크류 압출기의 사이드피더(Side Feeder)에 투입하고, 폴리에틸렌(HDPE, 용융지수 5.0g/10min, ASTM D 1238)과 에틸렌 비닐아세테이트(EVA)가 7 : 3의 중량비로 혼합된 수지를 메인호퍼(Main Hopper)에 투입 속도 25㎏/hr로 투입한 후, 혼련 속도 200rpm 및 가공 온도 230℃ 하에서 용융 혼련하여 탄소나노튜브의 함량이 10중량%인 마스터배치를 제조하였다.
이후, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소나노튜브의 함량이 6중량%인 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 6
마스터배치에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 10중량%, 수지 조성물에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 5중량%가 되도록 조절한 것을 제외하면, 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 7
마스터배치에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 10중량%, 수지 조성물에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 4중량%가 되도록 조절한 것을 제외하면, 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 8
마스터배치에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 10중량%, 수지 조성물에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 3중량%가 되도록 조절한 것을 제외하면, 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 1
다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 트윈스크류 압출기의 사이드피더(Side Feeder)에 투입하고, 폴리에틸렌(HDPE, 용융지수 0.3g/10min, ASTM D 1238)을 트윈스크류 압출기에 투입 속도 25㎏/hr로 투입하고, 혼련 속도 200rpm 및 가공 온도 250℃ 하에서 용융 혼련하여 탄소나노튜브의 함량이 6중량%인 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 2
수지 조성물에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 5중량%가 되도록 조절한 것을 제외하면, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 3
수지 조성물에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 4중량%가 되도록 조절한 것을 제외하면, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 4
수지 조성물에 함유된 탄소나노튜브의 함량이 3중량%가 되도록 조절한 것을 제외하면, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
실험예 1 : 제조방법 및 탄소나노튜브 함량에 따른 전기 전도성 측정
상기 실시예 1~8 및 비교예 1~4에 따른 수지 조성물을 유압식 사출기를 이용하여 210℃에서 사출하여 가로 30cm, 세로 20cm의 크기를 가지는 직사각형 형태의 사출품으로 제조하였다.
제조된 각각의 사출품의 표면저항(Ω/sq)을 표면저항 측정기(SIMCO, ST-4)로 측정하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참고하면, 마스터배치 제조 단계를 거친 후 탄소나노튜브 함량을 희석시켜 제조된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체가 마스터배치 제조 단계를 거치지 않고 제조된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체에 비해 동등(실시예 4, 8, 및 비교예 4) 내지 감소된(실시예 1~3, 5~7, 및 비교예 1~3) 표면저항을 나타내어 최소 105Ω/sq 정도의 값을 나타내는 것(실시예 1, 5)을 확인하였다.
특히, 탄소나노튜브의 함량이 4중량%에서 5중량%로 증가되는 구간을 살펴보면, 마스터배치 제조 단계를 거치지 않은 경우(비교예 2, 3)에 비해 마스터배치 제조 단계를 거친 후 탄소나노튜브 함량을 희석시킨 경우(실시예 2~3, 6~7)에 표면저항이 급격하게 감소된 것으로 관찰되어, 탄소나노튜브 함량의 소폭 변경만으로도 월등히 향상된 효과를 나타냄을 확인하였다.
또한, 마스터배치 제조 시, 열가소성 수지로 폴리에틸렌을 단독으로 사용한 경우(실시예 3)에 비해 폴리에틸렌과 에틸렌 비닐아세테이트의 혼합물을 사용한 경우(실시예 7)가 일정 함량의 탄소나노튜브가 포함된 전도성 수지 조성물에서 더 감소된 표면저항을 나타냄을 확인하였다.
이러한 결과를 통해, 전도성 필러인 탄소나노튜브가 동일한 함량으로 포함되더라도 전도성 수지 조성물 제조 시, 마스터배치를 제조하고 이를 희석시킴으로써 보다 우수한 전기 전도성을 부여할 수 있고, 나아가 마스터배치 제조 시 이종의 열가소성 수지 혼합물을 사용하는 것이 전기 전도성을 더 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
비교예 5
탄소나노튜브가 함유되지 않은 폴리에틸렌(HDPE, 용융지수 0.3g/10min, ASTM D 1238)을 수지 조성물로 사용하였다.
실험예 2 : 제조방법 및 탄소나노튜브 함량에 따른 기계적 물성 측정
상기 실시예 1~8 및 비교예 1~5에 따른 수지 조성물을 사출기를 이용하여 250℃에서 사출하여 기계적 물성을 측정하기 위한 시편을 제조하였으며, 각각의 시편에 대해 하기와 같은 방법에 따라 아이조드(Izod) 충격강도, 인장강도, 및 신장률을 측정하였고, 그 결과를 각각 도 3 내지 도 5에 나타내었다.
- 아이조드(Izod) 충격강도(kgf·㎝/㎝) : 1/8inch 두께의 시편에 대하여 ASTM D256에 의거하여 측정하였다.
- 인장강도(kgf/㎠) 및 신장률(%) : ASTM D638에 의거하여 20㎜/min 조건 하에서 측정하였다.
도 3을 참고하면, 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 열가소성 수지(비교예 5)에 비해 탄소나노튜브를 첨가하여 제조된 열가소성 수지 조성물(실시예 1~8, 및 비교예 1~4)의 충격강도는 감소하는 것을 알 수 있다.
다만, 마스터배치 제조 후 이를 희석시켜 제조된 수지 조성물(실시예 1~8)이 마스터배치 제조를 거치지 않고 제조된 수지 조성물(비교예 1~4)에 비해 충격강도의 감소폭이 낮은 것을 확인하였다.
특히, 탄소나노튜브 함량이 5중량%인 경우 마스터배치에 이종의 열가소성 수지가 포함되도록 제조된 수지 조성물(실시예 6)이 단일의 열가소성 수지가 포함되도록 제조된 경우(실시예 2)나 마스터배치 제조를 거치지 않은 경우(비교예 2)에 비해 2배 가량 높은 충격강도를 나타내는 것을 확인하였다.
도 4를 참고하면, 전도성 필러인 탄소나노튜브가 첨가되지 않은 열가소성 수지(비교예 5)에 비해 탄소나노튜브 첨가량이 증가함에 따라 수지 조성물의 인장강도는 증가하고(실시예 1~8, 및 비교예 1~4), 특히, 단일의 열가소성 수지가 포함된 마스터배치 제조 단계를 거쳐 제조된 수지 조성물(실시예 1~4)과 마스터배치 제조 단계를 거치지 않고 제조된 수지 조성물(비교예 1~4)의 인장강도가 탄소나노튜브 함량 증가에 따라 유사한 증가세를 나타내는 것을 확인하였다.
또한, 도 5를 참고하면, 마스터배치 제조 단계를 거쳐 제조된 수지 조성물(실시예 1~8)은 탄소나노튜브 함량이 증가하여도 열가소성 수지(비교예 5) 고유의 신장률을 유지한 반면에, 마스터배치 제조 단계를 거치지 않고 제조된 수지 조성물(비교예 1~4)은 현저한 신장률 감소를 나타내는 것을 확인하였다.
이러한 결과들을 통해, 전도성 필러가 동일 함량으로 포함되더라도 마스터배치 제조 단계의 유무에 따라 기계적 물성의 차이가 다소 발생하고, 구체적으로, 마스터배치 제조 후 탄소나노튜브 함량을 희석시켜 제조되는 수지 조성물이 보다 우수한 기계적 물성을 나타냄을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. (a) 펠릿 형태로 타정된 탄소나노튜브와 제1 올레핀계 고분자 수지를 압출하여 마스터배치를 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 마스터배치와 제2 올레핀계 고분자 수지를 혼합하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 올레핀계 고분자 수지의 용융지수가 상이하고,
    상기 제1 올레핀계 고분자 수지가 폴리에틸렌 및 에틸렌 비닐아세테이트가 1~5 : 1의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는, 전도성 수지 조성물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계가 180~300℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 전도성 수지 조성물의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 압출이 10~500㎏/hr의 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는, 전도성 수지 조성물의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마스터배치에 포함된 탄소나노튜브의 함량이 10~30중량%인 것을 특징으로 하는, 전도성 수지 조성물의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 수지 조성물에 포함된 탄소나노튜브의 함량이 0.1~10중량%인 것을 특징으로 하는, 전도성 수지 조성물의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 겉보기 밀도가 0.01~0.2g/ml인 것을 특징으로 하는, 전도성 수지 조성물의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 올레핀계 고분자 수지가 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는, 전도성 수지 조성물의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌 공중합체가 에틸렌 비닐아세테이트, 에틸렌 부틸아크릴레이트, 에틸렌 에틸아크릴레이트, 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는, 전도성 수지 조성물의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이전에,
    상기 (a) 단계의 생성물을 펠릿화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전도성 수지 조성물의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
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