KR101923096B1

KR101923096B1 - 열팽창 마이크로 캡슐 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101923096B1
Application number: KR1020140021692A
Authority: KR
Inventors: 정선경; 하진욱; 이평찬; 고윤기; 황예진; 곽성복
Original assignee: 자동차부품연구원
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2019-02-27
Also published as: KR20150100194A

Abstract

본 발명은 상온에서 액상이고 기화온도가 상기 상온보다 높은 발포분산제를 포함하는 코어부; 및 고분자와 전도성 필러를 포함하며, 상기 코어부를 둘러싸는, 쉘부;를 구비하는, 열팽창 마이크로 캡슐과 상온에서 액상이고 기화온도가 상기 상온보다 높은 발포분산제를 포함하는 코어부를 형성하는 단계; 및 고분자와 전도성 필러를 포함하며, 상기 코어부를 둘러싸는, 쉘부를 형성하는 단계;를 포함하는, 열팽창 마이크로 캡슐의 제조방법을 제공한다.

Description

열팽창 마이크로 캡슐 및 그 제조방법{Microcapsule for thermal expansion and method of fabricating the same}

본 발명은 마이크로 캡슐에 관한 것으로서, 더 상세하게는 열팽창 마이크로 캡슐 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차에 증가하는 각종 전자 부품 등은 각 기기에서 나오는 전자파로 인해 탑승자의 건강뿐만 아니라 기기 간의 간섭을 통한 오작동 문제를 초래할 우려가 있다. 이를 개선하기 위하여 각종 전도성 소재가 적용되고 있으며, 플라스틱 소재의 경우는 전도성 필러를 첨가하여 전자파 차폐성능을 향상시키고 있다.

전자파 차폐성능을 향상시키는 가장 최적의 소재는 탄소계열의 탄소나노튜브와 그래핀 등이 될 수 있으나, 압출 가공 시 나노 전도성 필러가 날려 작업성이 떨어지며, 이는 인체에 매우 유해하다. 또한 이를 개선하기 위해 마스터 배치를 쓰는 방법이 있으나 별도의 설치비용 부담과 별도의 설치로 인해 작업 공간의 부족이 발생할 수 있다.

추가적으로 사출 또는 압출을 통한 나노 전도성 필러의 분산의 경우 사출과 압출 가공 초와 말에 로스가 발생하게 된다. 사출 가공 시 나노필러를 직접 적용하기에는 마찬가지로 나노필러가 날려 작업성에 어려움이 발생하며, 서로 뭉치려는 성질이 강해 응집이 잘 일어나고, 플라스틱 메트릭스 내에서 분산이 잘 되지 않는 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 발포분산제를 이용한 마이크로 캡슐에 카본나노튜브 또는 그래핀을 적용하여 전도성을 부여하고, 사출 또는 압출 가공 시 전도성 필러가 열팽창 마이크로 캡슐에 적용되어 플라스틱 부품의 경량화 효율 향상과 동시에 전자파를 차단하는 열팽창 마이크로 캡슐 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 상온에서 액상이고 기화온도가 상기 상온보다 높은 발포분산제를 포함하는 코어부; 및 고분자와 전도성 필러를 포함하며, 상기 코어부를 둘러싸는, 쉘부;를 구비하는, 열팽창 마이크로 캡슐을 제공할 수 있다.

상기 열팽창 마이크로 캡슐에서, 상기 발포분산제는 상온에서 액화탄화수소이고, 상기 전도성 필러는 탄소나노튜브 또는 그래핀을 포함할 수 있으며, 상기 고분자는 아크릴로니트릴계와 메타아크릴레이트계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 상온에서 액상이고 기화온도가 상기 상온보다 높은 발포분산제를 포함하는 코어부를 형성하는 단계; 및 고분자와 전도성 필러를 포함하며, 상기 코어부를 둘러싸는, 쉘부를 형성하는 단계;를 포함하는, 열팽창 마이크로 캡슐의 제조방법을 제공할 수 있다.

상기 열팽창 마이크로 캡슐의 제조방법에서, 상기 코어부를 형성하는 단계와 상기 쉘부를 형성하는 단계는, 상기 고분자를 구성하는 단량체로 아크릴로니트릴계(acrylonitrile)와 메타아크릴레이트계(methacrylate)를 제공하는 단계; 상기 발포분산제를 첨가하는 단계; 개시제로 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)을 첨가하는 단계; 안정제로 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 첨가하는 단계; 및 상기 전도성 필러를 첨가하는 단계;를 중합반응에 의하여 동시에 수행함으로써 구현될 수 있다.

상기 열팽창 마이크로 캡슐의 제조방법에서, 상기 전도성 필러는, 상기 쉘부를 구성하는 상기 전도성 필러의 함량을 증가시키기 위해, 화학개질되거나 상기 단량체와 중합될 수 있는 고분자로 코팅할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상온에서 액상이고 기화온도가 상기 상온보다 높은 발포분산제를 포함하는 코어부; 및 고분자와 전도성 필러를 포함하며, 상기 코어부를 둘러싸는, 쉘부;를 구비하는, 열팽창 마이크로 캡슐을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 마이크로 캡슐을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열팽창 마이크로 캡슐 및 전자파 차폐용 기능성 시편의 제조방법을 도해하는 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열팽창 마이크로 캡슐을 적용한 전자파 차폐용 기능성 시편의 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열팽창 마이크로 캡슐을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 열팽창 마이크로 캡슐(10)을 나타낸 것으로, 코어부(11)와 쉘부(12)로 구성될 수 있다. 쉘부(12)는 코어부(11)를 둘러싸는 구조이며, 도 1에서는 구형으로 도시되어 있지만, 그 형상이 반드시 구형일 필요는 없다. 코어부(11)는 상온에서 액상이고 기화온도가 상온보다 높은 발포분산제를 포함할 수 있으며, 쉘부(12)는 고분자를 사용할 수 있으며, 전도성 필러를 사용할 수 있다. 발포분산제와 쉘부(12)의 조합은 목적에 따라 발포분산제의 재료 및 함량이 변경될 수 있으며, 예를 들어, n-옥탄(n-Octane)의 경우, 기화온도가 약 125℃이므로, 가공할 때 약 125℃를 지나가면서 부피가 팽창될 수 있다.

또한, 본 발명은 열팽창 마이크로 캡슐(10)의 구조가 간단하고, 상온에서 액상인 발포분산제를 사용함으로써, 사출 또는 압출 성형 가공시 일정 온도 및 압력을 지나면서 액화된 발포분산제가 기화하면서 열팽창 마이크로 캡슐(10)의 부피 팽창이 일어나게 된다. 이 때, 쉘부(12)를 구성하고 있는 전도성 필러의 분산이 효과적으로 이루어질 수 있다. 여기에서, 일정 온도 및 압력은 코어부(11)에 위치한 발포분산제의 종류에 따라 팽창되는 온도 및 압력이 상이할 수 있다.

상온에서 액상이고 기화온도가 상온보다 높은 발포분산제를 적용한 열팽창 마이크로 캡슐(10)에 전도성 필러를 함침시킴으로써, 사출 또는 압출 공정을 간단하게 진행할 수 있는 유리한 효과가 있다. 또, 사출 또는 압출 공정 진행시 인체에 해로운 나노 전도성 필러가 날리지 않아 작업환경이 깨끗한 효과를 얻을 수 있고, 열팽창 마이크로 캡슐(10)의 부피 팽창에 의해, 제품을 이루는 고분자의 내부에 공극을 형성하게 되어, 제품의 경량화와 전자파 차폐 성능을 향상 시킬 수 있다.

부수적으로 전도성 필러를 별도로 적용하는 마스터 배치의 사용으로 인해 발생하는 문제들, 즉, 별도의 추가적인 장비 구성, 비용 부담 문제 및 부품 가공 초기와 말에 발생하는 로스 등을 해결할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열팽창 마이크로 캡슐 및 전자파 차폐용 기능성 시편(20)의 제조방법을 도해하는 공정 순서도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열팽창 마이크로 캡슐을 적용한 전자파 차폐용 기능성 시편(20)의 도면이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 전자파 차폐용 기능성 시편(20)의 제조방법은, 열팽창 마이크로 캡슐(10)을 먼저 제조 후 사출성형에 의해 전자파 차폐용 기능성 시편(20)를 제조할 수 있다.

반응 용기 내에 고분자를 구성하는 단량체로 예를 들어, 아크릴로니트릴계와 메타아크릴레이트를 제공하고, 발포분산제로 예를 들어, 액화탄화수소(이하 n-Octane)를 첨가하고, 개시제로 예를 들어, 아조비스이소부티로니트릴(이하 AIBN)을 첨가하고, 안정제로 예를 들어, 폴리비닐피롤리돈(이하 PVP)을 첨가하여 예를 들어, 약 1시간 상온에서 분산하는 단계(S100), 동일한 반응 용기 내에 전도성 필러로 탄소나노튜브 또는 그래핀을 첨가 후 현탁중합으로 예를 들어, 약 60℃에서 약 24시간 동안 동시에 반응하는 단계(S200), 코어부(11)와 쉘부(12)로 구성된 열팽창 마이크로 캡슐(10)이 생성완료된 후 원심분리기를 통해서 반응하고 남은 불순물과 분리하고, 여러번 세척하여 열팽창 마이크로 캡슐(10)에 물리적으로 붙은 전도성 필러 및 불순물을 제거하는 단계(S300) 및 생성된 열팽창 마이크로 캡슐(10)과 폴리프로필렌(PP)을 함께 사출 성형하여, 전자파 차폐용 기능성 시편(20)를 제조하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 것과 같이, 전도성 필러를 첨가 후 중합반응하는 단계(S200)는 전도성 필러의 첨가와 동시에 진행될 수 있다.

그러나, 탄소나노튜브 또는 그래핀은 하이드로포빅(hydrophobic)한 성질로 인해 열팽창 마이크로 캡슐(10)의 쉘부(12)를 구성하는 고분자 단량체와 함께 반응하여 중합할 수 있고, 서로 뭉치려는 성질이 강해 응집이 잘 일어나고, 전도성 필러의 함량이 적거나 분산이 제대로 일어나지 않을 수 있다.

이 때, 쉘부(12)내에 전도성 필러의 함량을 증가하기 위해, 반응 용기 내에 첨가하기 전, 전도성 필러를 화학적으로 표면개질하여, 예를 들면, 스티렌 또는 스테렌과 같은, 쉘부(12)를 구성하고 있는 고분자 단량체와 중합될 수 있는 고분자로 탄소나노튜브 또는 그래핀을 코팅한 후 이미 형성되어 있는 열팽창 마이크로 캡슐(10)과 중합반응을 진행할 수 있다. 열팽창 마이크로 캡슐(10)에 전도성 필러의 함량이 높아지게 되어, 전자파 차폐 효과가 더 증대되는 효과를 얻을 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예로 제조가 완료된 전자파 차폐용 기능성 시편(20)를 보여주고 있으며, 하기의 실험예 1, 실험예 2, 비교예 1, 비교예 2 및 폴리프로필렌 단독으로 제조된 각각의 시편은 도 3의 전자파 차폐용 기능성 시편(20)와 같은 형태로 제조하여, 전자파 차폐 성능 및 밀도를 측정 하였다.

[실험예 1]

열팽창 마이크로 캡슐(10) 제조공정 시 고분자를 구성하는 단량체로 아크릴로니트릴과 메타아크릴레이트를 사용하고, 개시제로 AIBN, 안정제로 PVP와 발포분산제로 n-Octane을 수상 넣어 분산시키고, 상기 재료들을 1시간 상온에서 분산 후 전도성 필러로 탄소나노튜브를 첨가한 후 60℃에서 24시간동안 반응한다. 반응후 생성된 열팽창 마이크로 캡슐(10)은 원심분리법을 통하여 분리한 후 여러 번 세척하여 열팽창 마이크로 캡슐(10) 표면에 물리적으로 붙은 카본나노튜브 및 불순물을 제거한다.

전도성 평가를 위하여 열팽창 마이크로 캡슐(10) 5 내지 15%를 폴리프로펠렌과 함께 사출한 후 전자파 차폐용 기능성 시편(20)를 제조하여 STM4935-89 기준에 의해 평가한다.

[실험예 2]

열팽창 마이크로 캡슐(10) 제조공정 시 고분자를 구성하는 단량체로 아크릴로니트릴과 메타아크릴레이트를 사용하고, 개시제로 AIBN, 안정제로 PVP와 발포분산제로 n-Octane을 수상 넣어 분산시키고, 1시간 상온에서 분산 후 스티렌 고분자 단량체로 코팅된 카본나노튜브를 첨가한 후 60℃에서 24시간동안 반응한다. 반응 후 생성된 열팽창 마이크로 캡슐(10)은 원심분리법을 통하여 분리한 후 여러 번 세척하여 열팽창 마이크로 캡슐(10) 표면에 물리적으로 붙은 탄소나노튜브 및 불순물을 제거한다.

[비교예 1]

실험예 1과 동일하게 진행하고, 전도성 필러를 첨가하지 않았다.

[비교예 2]

전도성 성능 평가 비교 목적으로 탄소나노튜브 5 내지 15%를 폴리프로펠렌과 함께 사출한 후 전자파 차폐용 기능성 시편(20)를 제조하여 ASTM4935-89 기준에 의해 평가한다.

이하에서는 실험예 1과 2, 비교예 1과 2의 비교평가를 실시하고, 경량성 검증을 위해서 열팽창 마이크로 캡슐(10)과 기존 열팽창 캡슐을 전자파 차폐용 기능성 시편(20)에 각각 적용하여 밀도를 비교하는 방법을 사용했다.

표 1은 각각의 실험예 1, 2와 비교예 1의 밀도를 측정한 값을 나타내는 것이다.

구분	밀도(g/cm³)
실험예 1 (5%)	0.55
실험예 1 (15%)	0.51
실험예 2 (5%)	0.61
실험예 2 (15%)	0.57
비교예 1 (5%)	0.48
비교예 1 (15%)	0.37
PP 단독	0.91

표 1에 나타낸 것처럼 열팽창 마이크로 캡슐(10) 적용 시 열팽창 마이크로 캡슐(10)의 함량이 5%에서 15%로 많아질수록 전자파 차폐용 기능성 시편(20)의 밀도가 감소한 것을 볼 수 있고, 아무것도 첨가하지 않은 폴리프로필렌 단독으로 제조된 사출품과 비교해서, 현저히 밀도가 감소한 것을 보면, 부품이 클수록 열팽창 마이크로 캡슐(10)의 함량이 커질 것이므로 경량화 효과가 클 것으로 예상된다.

표 2는 각각의 실험예 1, 2와 비교예 1, 2의 주파수 변화에 따른 전자파 감쇠량을 측정한 값을 나타내는 것이다.

Frequency(MHz)	실험예1(dB)		실험예2(dB)		비교예1(dB)		비교예2(dB)		PP단독
Frequency(MHz)	5%	15%	5%	15%	5%	15%	5%	15%	PP단독
30	21	34	29	41	0	0	10	18	0
100	26	38	34	56	0	0	13	21	0
500	33	40	42	63	0	0	12	23	0
1000	34	42	43	65	0	0	14	17	0
1500	33	39	42	61	0	0	12	25	0

표 2의 결과는 전자파의 감쇠량은 상대비를 데시벨(dB)로 표현한 것(상대 데시벨)으로, 주파수가 증가할수록 전자파의 차폐성능이 뛰어남을 나타내며, 열팽창 마이크로 캡슐(10)이 많이 함유된 시편의 경우 높은 값을 보여줌. 이는 폴리프로필렌 단독으로 제조한 것과 대비하여 전자파 차폐성능이 뛰어난 것을 보여줌을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자파 차폐가 가능한 경량 열팽창 마이크로 캡슐(10)은 현탁중합 시 코어부(11)에 발포분산제가 위치하고 쉘부(12)에는 예를 들어, 아크릴로니트릴과 메타아크릴레이트 공중합체가 사용되며, 발포가스와 쉘부(12)의 조합은 목적에 따라 발포가스의 종류 및 쉘부를 구성하고 있는 고분자의 종류가 변경될 수 있다.

전도성 필러의 경우 하이드로포빅(hydrophobic)한 성질로 인하여 쉘부(12)를 구성하는 단량체와 함께 중합반응하며 열팽창 마이크로 캡슐(10)의 쉘부(12)를 구성하게 된다. 쉘부(12)에 주입되는 전도성 필러의 함량을 증가하기 위해서는 전도성 필러를 화학개질하여 사전에 예를 들면, 스티렌이나 혹은 쉘부(12)를 구성하고 있는 단량체와 중합이 쉽게 이루어지는 고분자를 코팅하는 방법을 사용할 수 있다.

열팽창 마이크로 캡슐(10)의 경우 코어부(11)에 위치한 발포가스의 종류에 따라 팽창되는 온도가 상이하나, 적정온도에 이를 경우 상온에서 액체 상태인 발포가스가 고온에서 기화하여 열팽창 마이크로 캡슐(10)의 부피를 증가시키게 된다.

이러한 현상은 플라스틱 사출 가공 시 고온의 사출기 노즐을 지날 때 발생하고 금형내에서 고화될 때 팽창된 열팽창 마이크로 캡슐(10)만큼 공극이 남게 되고 그 만큼의 수지사용이 줄어들게 되어 경량화 효율을 올릴 수 있다.

또한, 일반적인 전도성 필러의 경우 분산에 어려움이 있지만, 열팽창 마이크로 캡슐(10)의 경우 사출기내에서 발포될 때 강제적으로 발포가스가 팽창되어 쉘부(12)에 있는 전도성 필러의 분산을 용이하게 하여 별도로 전도성 필러를 넣는 것보다 훨씬 효율적인 분산을 달성할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10 : 열팽창 마이크로 캡슐 11 : 코어부
12 : 쉘부 20 : 전자파 차폐용 기능성 시편

Claims

상온에서 액상이고 기화온도가 상기 상온보다 높은 발포분산제를 포함하는 코어부; 및
고분자와 전도성 필러를 포함하며, 상기 코어부를 둘러싸는, 쉘부;
를 구비하며,
상기 전도성 필러는 탄소나노튜브 또는 그래핀을 포함하고,
상기 쉘부에 포함되는 고분자는 아크릴로니트릴계와 메타아크릴레이트계를 포함하며,
상기 전도성 필러는 상기 쉘부를 구성하는 상기 전도성 필러의 함량을 증가시키기 위해, 화학개질되거나 상기 쉘부에 포함되는 고분자 단량체와 중합될 수 있는 고분자로 코팅된,
열팽창 마이크로 캡슐.
제 1 항에 있어서,
상기 발포분산제는 상온에서 액화탄화수소인, 열팽창 마이크로 캡슐.
제 1 항에 있어서,
상기 단량체와 중합될 수 있는 고분자는 스티렌을 포함하는,
열팽창 마이크로 캡슐.
삭제
상온에서 액상이고 기화온도가 상기 상온보다 높은 발포분산제를 포함하는 코어부를 형성하는 단계; 및
고분자와 전도성 필러를 포함하며, 상기 코어부를 둘러싸는, 쉘부를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 코어부를 형성하는 단계와 상기 쉘부를 형성하는 단계는,
상기 고분자를 구성하는 단량체로 아크릴로니트릴계(acrylonitrile)와 메타아크릴레이트계(methacrylate)를 제공하는 단계;
상기 발포분산제를 첨가하는 단계;
개시제로 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)을 첨가하는 단계;
안정제로 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 첨가하는 단계; 및
상기 전도성 필러를 첨가하는 단계;를 중합반응에 의하여 동시에 수행함으로써 구현되며,
상기 전도성 필러는, 상기 쉘부를 구성하는 상기 전도성 필러의 함량을 증가시키기 위해, 화학개질되거나 상기 단량체와 중합될 수 있는 고분자로 코팅된,
열팽창 마이크로 캡슐의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 단량체와 중합될 수 있는 고분자는 스티렌을 포함하는,
열팽창 마이크로 캡슐의 제조방법.
삭제