KR101984207B1 - 폴리케톤-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

폴리케톤-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101984207B1
KR101984207B1 KR1020160104923A KR20160104923A KR101984207B1 KR 101984207 B1 KR101984207 B1 KR 101984207B1 KR 1020160104923 A KR1020160104923 A KR 1020160104923A KR 20160104923 A KR20160104923 A KR 20160104923A KR 101984207 B1 KR101984207 B1 KR 101984207B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polyketone
carbon filler
carbon
bond
plasma
Prior art date
Application number
KR1020160104923A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180020501A (ko
Inventor
박종혁
이상수
박민
김희숙
손정곤
배완기
유지완
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020160104923A priority Critical patent/KR101984207B1/ko
Publication of KR20180020501A publication Critical patent/KR20180020501A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101984207B1 publication Critical patent/KR101984207B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/28—Treatment by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/20—Compounding polymers with additives, e.g. colouring
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/041—Carbon nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/042—Graphene or derivatives, e.g. graphene oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/045—Fullerenes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/046—Carbon nanorods, nanowires, nanoplatelets or nanofibres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L73/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing oxygen or oxygen and carbon in the main chain, not provided for in groups C08L59/00 - C08L71/00; Compositions of derivatives of such polymers

Abstract

폴리케톤; 및 메카노퓨전과 플라즈마 처리에 의해 상기 폴리케톤의 표면에 분산 및 상기 폴리케톤과 물리적-화학적으로 결합된 탄소필러;를 포함하는 폴리케톤/탄소필러 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

폴리케톤-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법{Polyketone-carbon based filler composites and preparation methods thereof}
본 발명은 기계적 물성 및 열전도도가 우수한 폴리케톤-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
폴리케톤은 범용 엔지니어링 플라스틱(EP)보다 물성이 뛰어난 고분자 신소재로 국내 독자기술을 바탕으로 개발에 성공한 물질이다.
폴리케톤은 일산화탄소, 에틸렌 및 프로필렌을 공중합하여 제조되는 것으로 대기오염물질인 일산화탄소를 원료로 사용하기 때문에 여타 범용 EP 제품과 달리 친환경적인 소재라 할 수 있다.
폴리케톤은 주사슬이 모두 탄소로 구성되어 치밀한 결정구조를 가지고 있으며, 기존의 범용 EP보다 내충격성, 내화학성, 마모저항성 및 기체차단성 등의 물성이 더 우수하다. 특히, 기존 범용 EP인 폴리아미드(polyamide, PA)나 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 대비 2배 이상 우수한 충격강도를 가지고 있기 때문에 자동차 휠커버나 엔진 커버 등에 적용이 가능하다. 또한, 가솔린이나 염화칼슘 등의 화학물질 등에 대해 기존 범용 EP인 나일론 6(nylon 6)나 나일론 66(nylon 66)에 비하여 1.4배 내지 2.5배의 저항성을 보유하는 등 내화학성이 뛰어나고, 기체차단성이 우수하여 연료 탱크, 튜브 및 파이프 등에도 적용이 가능하다. 뿐만 아니라, 내마모성이 우수하여 복사장치나 각종기어와 같은 장치의 부품으로 적용이 가능하고, 기존 섬유 대비 2배 이상의 질긴 특성 등 고강도 및 고탄성율을 가지고 있어 타이어코드 및 산업용 로프 등에 적용될 수 있다.
이에, 폴리케톤이 가지고 있는 우수한 물성에 기능적인 특징을 첨가하여 새로운 물성을 가지는 소재를 제조하기 위한 연구에 대한 요구가 높아지고 있다. 이러한 일환으로 폴리케톤에 전도성 고분자 필러를 첨가하여 복합체를 제조하려는 시도가 있었으나 폴리케톤의 기계적 물성이 오히려 하락하는 등의 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 폴리케톤에 탄소필러를 높은 분산도로 분산시키고, 폴리케톤과 탄소필러를 물리적-화학적으로 결합시켜 기계적 물성과 열전도도를 향상시킨 폴리케톤/탄소필러 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 특징을 갖는 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 폴리케톤; 및 메카노퓨전(mechanofusion)과 플라즈마(plasma) 처리에 의해 상기 폴리케톤의 표면에 분산 및 상기 폴리케톤과 물리적-화학적으로 결합된 탄소필러;를 포함하는 폴리케톤/탄소필러 복합체를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 탄소필러는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트(graphite), 나노판상형 흑연(graphite nanoplatelets), 카본블랙, 카본파이버 및 플러렌으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 플라즈마는 질소 플라즈마, 아르곤 플라즈마 및 산소플라즈마 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 폴리케톤 및 상기 탄소필러 중에서 선택되는 1종 이상의 표면에 질소, 아르곤 또는 산소 원자가 삽입될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 폴리케톤과 탄소필러 사이에는 아마이드 결합, 아민 결합, 에테르결합, 카보닐 결합 및 에틸렌 결합 중에서 선택되는 화학적 결합이 하나 이상 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 복합체는 폴리케톤 100 중량부를 기준으로 탄소필러가 0.1 내지 40 중량부로 함유되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 1) 건식 고에너지형 혼합기의 챔버에 폴리케톤 분말 및 탄소필러 분말을 투여하는 단계; 및 2) 챔버 내부에 플라즈마를 생성시키면서 동시에 메카노퓨전을 실시하여 폴리케톤에 탄소필러가 분산 및 물리적-화학적으로 결합된 형태의 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 폴리케톤과 탄소필러를 메카노퓨전과 플라즈마를 동시 처리하여 복합체를 제조하는 방법은 종래의 헨셀 타입 믹서, 롤밀 또는 핀밀 등의 건식 혼합기로 제조한 폴리케톤-탄소필러 혼합물에 비하여 폴리케톤과 탄소필러 간의 분산성 및 결합력이 우수하다. 특히, 종래의 폴리케톤-탄소필러 혼합물은 폴리케톤이 나타내는 기계적 물성이 오히려 저하되는 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 복합체는 폴리케톤과 탄소필러 사이에 표면 상호작용이 증가하였고, 상기 폴리케톤과 상기 탄소필러 사이에 접촉 표면적이 증대되어 기계적 물성과 열전도도가 함께 향상되었다. 또한, 상기 폴리케톤과 상기 탄소필러 사이에 형성된 화학적 결합은 폴리케톤이 탄소필러를 허용할 수 있는 접촉 면적을 크게 증가시켜 기계적 물성을 향상시키는 것은 물론, 포논 전달을 용이하게 하여 열 전도도를 증가시킬 수 있다. 본 발명에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체는 종래의 복합체에 비하여 인장강도, 인장변형률, 열전도도 등의 물성이 현저히 향상되었으므로, 종래에 비하여 다양한 분야의 재료로 이용이 가능하다.
도 1은 혼합상태로 존재하는 폴리케톤 및 탄소필러가 메카노퓨전과 플라즈마 처리에 의해 폴리케톤/탄소필러 복합체를 형성하는 것을 도식화한 것이다.
도 2는 제조방법에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체 시편의 물성을 확인한 결과이다.
도 3은 탄소필러의 함량에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체 시편의 물성을 확인한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체 시편 표면을 광학 현미경(optical microscope, OM)으로 확인한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체 시편 단면을 분석한 결과이다. a는 실시예 1 시편의 OM이미지 및 라만 맵핑이미지이며, b는 비교예 1 시편의 OM 이미지 및 라만 맵핑이미지이다. 컬러이미지에서 초록색은 폴리케톤을 나타내며, 붉은색은 탄소필러를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 5에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체 시편을 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR)로 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체 시편을 광전자분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)으로 분석한 결과이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 서로 친화력이 좋지 않은 폴리케톤과 탄소필러를 메카노퓨전과 플라즈마의 동시처리를 통해 우수한 분산도 및 강한 상호작용으로 결합시킨 폴리케톤/탄소필러 복합체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 복합체는 폴리케톤과 탄소필러의 분산성이 우수하여 종래의 헨셀 타입 믹서, 롤밀 또는 핀밀 등의 건식 혼합기로 제조한 폴리케톤-탄소필러 혼합물에 비하여 필러의 함량을 증대시켜도 폴리케톤의 기계적 물성은 향상 또는 유지되면서, 열전도도와 같은 새로운 특성이 부가되어 새로운 엔지니어링 플라스틱 소재로 유용하게 적용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래 기술에 따라 단순 혼합된 폴리케톤-탄소필러 혼합물은 폴리케톤 고분자 매트릭스 내에 필러의 분산성이 좋지 못하여 필러들의 응집체 형성에 따른 상분리 현상이 발생하게 된다. 따라서 복합체 내의 포논을 효과적으로 전달하지 못하게 되어 열전도도 향상에 한계가 있었다. 이러한 열전도도 향상의 한계는 탄소필러의 함량을 증가시켜 일정 부분 개선할 수 있으나, 폴리케톤의 기계적 특성을 크게 하락시킬 뿐 아니라, 공정성 저하를 초래하기 때문에 산업적으로 이용이 용이하지 않다.
이에 본 발명자들은 메카노퓨전과 플라즈마의 동시 처리를 통해 폴리케톤의 표면을 물리적 및 화학적인 방법으로 개질하여 탄소필러를 분산시킨 결과 기계적 특성 및 열전도도가 우수한 복합체를 제조하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체는 폴리케톤 또는 폴리케톤-탄소필러 혼합물보다 인장강도 및 변형율 등의 기계적 특성이 향상되었고, 특히, 열전도도가 매우 우수하다.
본 발명은 폴리케톤; 및 메카노퓨전(mechanofusion)과 플라즈마 처리에 의해 상기 폴리케톤의 표면에 분산 및 상기 폴리케톤과 물리적-화학적으로 결합된 탄소필러;를 포함하는 폴리케톤/탄소필러 복합체를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 폴리케톤과 상기 탄소필러 중에서 선택되는 1종 이상의 표면에는 질소, 아르곤 또는 산소 원자에 의해 작용기가 형성될 수 있으며, 상기 작용기의 형성은 플라즈마 처리에 의해 이루어진 것일 수 있다. 본 발명에 의하면, 상기 플라즈마는 질소 플라즈마, 아르곤 플라즈마 또는 산소 플라즈마, 대기 플라즈마일 수 있으며, 바람직하게는 질소 플라즈마 또는 산소 플라즈마이며, 가장 바람직하게는 질소 플라즈마일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 플라즈마의 처리는 폴리케톤 및/또는 탄소필러의 표면에 상기 질소, 아르곤 또는 산소 원자를 아마이드기, 아민기, 히드록시기, 알데히드기, 카르복실기 및 카르보닐기 중에서 선택되는 1종 이상의 작용기 형태로 생성시킨다. 또한, 상기 폴리케톤 및 상기 탄소필러의 표면에 형성된 작용기들은 폴리케톤과 탄소 필러간에 강한 화학적 결합을 형성시켜 폴리케톤과 탄소필러 사이의 친화력을 증가시키고 폴리케톤과 탄소필러가 안정적으로 결합할 수 있도록 한다.
본 발명에 의하면 상기 폴리케톤과 탄소 필러간에 형성된 화학적 결합은 아마이드 결합, 아민 결합, 에테르결합, 카보닐 결합 및 에틸렌 결합 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
본 발명에 따른 폴리케톤은 선공지된 방법으로 제조된 것이면 특별히 제한은 없으며, 예를 들어, 이산화탄소와 적어도 1종의 에틸렌계 불포화탄화수소로 이루어진 선상교대 폴리케톤 폴리머일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 탄소필러는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트(graphite), 나노판상형 흑연(graphite nanoplatelets), 카본블랙, 카본파이버 및 플러렌으로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 폴리케톤 100 중량부를 기준으로 상기 탄소필러가 0.1 내지 40 중량부로 함유될 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 20 중량부로 함유, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 중량부로 함유되는 것이 인장 강도가 높고, 변형율과 열전도도가 우수한 복합체가 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체는 탄소필러가 폴리케톤에 물리적-화학적으로 결합되어 있기 때문에 탄소필러끼리 응집체를 형성하는 문제가 일어나지 않으므로 복합체 내의 포논을 효과적으로 전달할 수 있으며, 열전도도를 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명은 1) 건식 고에너지형 혼합기의 챔버에 폴리케톤 분말 및 탄소필러 분말을 투여하는 단계; 및 2) 챔버 내부에 플라즈마를 생성시키면서 동시에 메카노퓨전을 실시하여 폴리케톤에 탄소필러가 분산 및 물리적-화학적으로 결합된 형태의 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 폴리케톤/탄소필러 복합체 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 메카노퓨전이란 폴리케톤과 탄소필러의 혼합물에 높은 기계적 에너지를 가하면 폴리케톤 입자와 탄소필러 입자들이 강한 전단력과 압축력을 받게 되고, 이에 의해 폴리케톤 입자와 탄소필러 입자들 사이에 강한 열 에너지가 발생함으로써 폴리케톤 입자들의 표면에 탄소필러 입자들이 물리적-화학적으로 결합하게 되는 것이다.
상기 메카노퓨전을 수행하기 위한 상기 기계적 에너지는 메카노퓨전 기기의 챔버 내부 압력이 1.0×102 Pa 내지 1.0×103 Pa인 조건 하에서, 내부의 챔버가 100 내지 5000 rpm의 속도로 회전시키는 것일 수 있다.
탄소필러는 폴리케톤과 같은 고분자와의 상용성이 떨어져 조액이나 컴파운딩 제조시 응집물이 많이 발생하고, 이로 인해 열전도도 특성이 저하되어 상업적으로 적용되기 어려운 단점이 있다. 또한, 종래 기술에 따라 헨셀 타입 믹서 등의 일반 건식 혼합기로 혼합하는 경우 비중차이가 발생하여 폴리케톤에 코팅되지 못하거나 극소량만이 코팅되며, 대부분의 탄소필러가 독립적으로 응집되는 문제가 있었다.
이에, 본 발명자들은 폴리케톤에 탄소필러를 메카노퓨전에 의해 물리적-화학적으로 결합시킴으로써 폴리케톤 매트릭스 내에 탄소필러가 우수한 분산도로 분산되는 것을 확인하였으며, 특히 상기 메카노퓨전 중에 플라즈마를 함께 생성시키면 폴리케톤과 탄소필러를 향상된 상호작용으로 결합시킬 수 있음을 확인하였다. 상기 탄소필러 분산도 증가 및 폴리케톤과의 결합력 향상은 복합체의 열전도도 특성을 크게 증가시켰다.
본 발명에 의하면 상기 플라즈마 생성 및 메카노퓨전의 실시는 공기, 질소, 아르곤 또는 산소 기류 분위기하에서 수행될 수 있으며, 상기 플라즈마는 폴리케톤 및 탄소필러 중 어느 하나 이상의 표면에 작용기(functional group)를 형성시키기 위한 것일 수 있다.
본 발명에 의하면 상기 작용기는 아마이드기, 아민기, 히드록시기, 알데히드기, 카르복실기 및 카르보닐기 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 폴리케톤 또는/및 탄소필러의 표면에 형성된 상기 작용기는 폴리케톤과 탄소필러 사이의 친화력을 증가시키고 폴리케톤과 탄소필러간에 아마이드 결합, 아민 결합, 에테르결합, 카보닐 결합 및 에틸렌 결합 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 결합을 형성시키며 안정적으로 결합될 수 있게 한다.
본 발명에 의하면, 바람직한 폴리케톤/탄소필러 복합체는 상기 폴리케톤 100 중량부를 기준으로 상기 탄소필러가 0.1 내지 40 중량부로 함유되고; 상기 챔버의 내부는 1.0×102 Pa 내지 1.0×103 Pa의 질소분위기로 조성되며, 1 내지 2 kV의 전압이 걸려있고; 상기 챔버가 1000 내지 4000 rpm의 속도로 5분 내지 30분간 회전시키는 것일 수 있다. 본 발명에 의하면, 특히 바람직한 폴리케톤/탄소필러 복합체는 복합체 전체 100 중량%에 대하여 폴리케톤 94.5 내지 95.5 중량% 및 탄소필러 4.5 내지 5.5 중량%로 함유되고, 상기 챔버의 내부는 5.0×102 Pa의 질소분위기로 조성되며, 1 내지 2 mV의 전압이 걸려있고; 상기 챔버가 2000 rpm의 속도로 10분간 회전시키는 것일 수 있는데, 상기 조건하에서 수행하여 제조된 복합체가 다른 조건하의 복합체보다 인장강도가 높을 뿐만 아니라, 인장변형율이 우수하고, 열전도도가 특히 우수하였다.
본 발명에 따른 상기 폴리케톤/탄소필러 복합체는 사출 또는 압출 및 사출하여 이용될 수 있다. 사출 또는 압출 및 사출된 폴리케톤/탄소필러 복합체는 매트릭스 내에 폴리케톤 및 탄소필러의 분산도가 우수하여, 기계적 강도가 균일할 뿐만 아니라 열전도도가 우수한 특징을 갖는다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
< 실시예 >
제조예 1. 5% 탄소필러 함유 폴리케톤/탄소필러 복합체
폴리케톤 285 g, 탄소필러 15 g을 건식 고에너지형 혼합기의 챔버에 투여하였다. 챔버 내부의 공기를 질소 분위기로 교체하여 5.0×102 Pa의 압력을 갖도록 조절하였다. 챔버의 회전속도를 2000 rpm의 속도로 설정하여 메카노퓨전을 실시하였으며, 메카노퓨전을 실시하는 동안 챔버 내부에 1~2 kV의 전압을 걸어 탄소필러에 의해 전류가 흐르면서 챔버 내부에 플라즈마를 10분간 생성시켜 폴리케톤/탄소필러 복합체를 제조하였다.
제조예 2. 1% 탄소필러 함유 폴리케톤/탄소필러 복합체
폴리케톤 297 g, 탄소필러 3 g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1의 방법으로 폴리케톤/탄소필러 복합체를 제조하였다.
제조예 3. 10% 탄소필러 함유 폴리케톤/탄소필러 복합체
폴리케톤 270 g, 탄소필러 30 g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1의 방법으로 폴리케톤/탄소필러 복합체를 제조하였다.
제조예 4.
폴리케톤 285 g, 탄소필러 15 g을 3 roll machine을 이용하여 72 시간 동안 혼합하여 폴리케톤-탄소필러 혼합물을 제조하였다.
제조예 5.
폴리케톤 297 g, 탄소필러 3 g을 3 roll machine을 이용하여 72 시간 동안 혼합하여 폴리케톤-탄소필러 혼합물을 제조하였다.
제조예 6.
폴리케톤 270 g, 탄소필러 30 g을 3 roll machine을 이용하여 72 시간 동안 혼합하여 폴리케톤-탄소필러 혼합물을 제조하였다.
제조예 7.
폴리케톤 285 g, 탄소필러 15 g을 건식 고에너지형 혼합기의 챔버에 투여한 뒤, 플라즈마 생성 없이 메카노퓨전만 실시하였다.
실시예 1.
폴리케톤에 점착된 탄소필러를 보다 더 고르게 분산시키기 위하여 제조예 1의 폴리케톤/탄소필러 복합체를 twin mini extrusion 기기에 넣고 압출하였다. 압출 조건은 1, 2, 3, 4, 5 다이 온도를 각기 180, 220, 235, 235, 225 ℃로, 스크류 속도를 100 rpm으로 설정하였다. 압출된 시료는 pelletizer를 이용하여 pellet으로 잘라주었다.
다음으로, pellet으로 준비된 폴리케톤/탄소필러 복합체를 injection 기기를 이용하여 사출하여 시편을 제조하였다. 사출 조건은 1, 2, 3, 4 다이 온도를 각기 220, 235, 235, 225 ℃로, 스크류 속도를 200 rpm으로, back pressure는 8.5 bar로 설정하였다.
실시예 2.
제조예 1 대신에 제조예 2의 폴리케톤/탄소필러 복합체를 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 방법으로 시편을 제조하였다.
실시예 3.
제조예 1 대신에 제조예 3의 폴리케톤/탄소필러 복합체를 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 방법으로 시편을 제조하였다.
실시예 4.
압출 과정 없이, 제조예 1의 폴리케톤/탄소필러 복합체를 injection 기기를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 사출하여 시편을 제조하였다.
비교예 1.
실시예 1과 동일한 방법으로 압출 및 사출하되, 제조예 1의 폴리케톤/탄소필러 복합체 대신에 제조예 4의 폴리케톤-탄소필러 혼합물을 사용하였다.
비교예 2.
실시예 1과 동일한 방법으로 압출 및 사출하되, 제조예 1의 폴리케톤/탄소필러 복합체 대신에 제조예 5의 폴리케톤-탄소필러 혼합물을 사용하였다.
비교예 3.
실시예 1과 동일한 방법으로 압출 및 사출하되, 제조예 1의 폴리케톤/탄소필러 복합체 대신에 제조예 6의 폴리케톤-탄소필러 혼합물을 사용하였다.
비교예 4.
압출 과정 없이, 제조예 4의 폴리케톤-탄소필러 혼합물을 injection 기기를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 사출하여 시편을 제조하였다.
비교예 5.
실시예 1과 동일한 방법으로 압출 및 사출하되, 제조예 1의 폴리케톤/탄소필러 복합체 대신에 제조예 7의 메카노퓨전만 실시한 폴리케톤/탄소필러 복합체를 이용하였다.
시험예
시험예 1. 물성테스트
시험예 1.1. 제조방법에 따른 물성차이
Tensile testing machine(UTM: universal testing machine)을 이용하여 5중량%의 탄소필러가 함유된 실시예 1, 4 및 비교예 1, 4, 5에 따른 시편의 인장강도(tensile strength), 영율, 인장변형율(tensile strain) 및 열전도도를 측정하였으며, 이를 하기 도 2 및 표 1에 나타내었다.
구분 인장강도(MPa) 영율 인장변형율(%) 열전도도(W/mk)
실시예 1 72.9±0.7 2015.2 111.1±1.8 1.04
비교예 1 62.8±0.6 1896.3 22.1±2.6 0.50
비교예 5 60.3±0.8 1657.5 46.8±3.1 0.78
실시예 4 65.8±0.6 2023.5 30.3±5.3 0.61
비교예 4 55.8±2.1 2556.0 10.6±0.6 0.41
표 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 동일한 조건하에서 사출시킨 복합체는 본 발명에 따른 실시예 1, 4의 시편들이 비교예 1, 4, 5에 비하여 인장강도가 우수하였으며, 특히 인장변형율과 열전도도가 우수하였다. 또한, 압출과 사출을 함께 수행하여 제조된 복합체가 사출만으로 제조된 복합체보다 기계적 물성 및 열전도도 등에서 매우 우수한 것으로 확인되었다.
시험예 1.2. 탄소 필러 함량에 따른 물성차이
탄소필러 함량에 따른 물성차이를 확인하기 위하여 1, 5 및 10 중량%가 함유된 폴리케톤/탄소필러 복합체의 시편(각각, 실시예 2, 1 및 3)과 및 폴리케톤-탄소필러 혼합물의 시편(각각, 비교예 2, 1 및 3)의 인장강도(tensile strength), 영율, 인장변형율(tensile strain) 및 열전도도를 측정하였으며, 이를 하기 도 3 및 표 2에 나타내었다.
구분 탄소필러함량 인장강도(MPa) 영율 인장변형율(%) 열전도도(W/mk)
실시예 2 1 중량% 70.3 1580.8 186.7 0.59
실시예 1 5 중량% 72.9 2015.2 111.1 1.04
실시예 3 10 중량% 61.3 2249.4 35.2 1.47
비교예 2 1 중량% 59.9 1605.7 30.6 0.41
비교예 1 5 중량% 62.8 2296.3 22.1 0.53
비교예 3 10 중량% 61.3 2827.6 12.6 0.66
도 3 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체는 탄소필러 함량의 증가에 따라 열전도도가 현저하게 향상되었다. 그러나 폴리케톤-탄소필러 혼합물은 탄소필러의 함량 증가에도 열전도도의 향상이 열악한 것으로 나타났다. 한편, 본 발명에 따른 폴리케톤/탄소필러 복합체는 탄소필러의 함량이 1 내지 5중량%인 경우 인장변형률이 111.1 내지 186.7%로 매우 우수하였다. 반면, 비교예의 혼합물은 인장변형율이 30% 미만으로 매우 열악한 물성을 나타내었다.
시험예 2. 광학 현미경(optical microscope; OM) 관측
광학현미경으로 실시예 1 및 비교예 1에 따른 시편 표면을 관측하였으며, 이를 하기 도 4에 나타내었다. 도 4a는 실시예 1의 OM 이미지이며, 도 4b는 비교예 1의 OM 이미지이다.
도 4a, b에서 밝게(흰색) 나타나는 부분은 탄소필러이며, 초록색으로 보이는 부분은 폴리케톤이다. 도 4a에서는 폴리케톤과 탄소필러가 잘 분산되어 고른 분포를 보였으나, 도 4b에서는 폴리케톤과 탄소필러가 잘 분산되지 못하고 큰 응집체들이 다수 형성된 것이 확인되었다.
시험예 3. 라만 맵핑 분석
폴리케톤/탄소필러 복합체 내의 탄소필러의 분산도를 확인하기 위하여 시편 단면의 라만 맵핑 분석을 실시하였으며, 이를 하기 도 5에 나타내었다. 도 5a는 실시예 1의 라만 맵핑 결과이며, 도 5b는 비교예 1의 라만 맵핑 결과이다. 녹색은 폴리케톤을 나타내며, 붉은색은 탄소필러를 나타낸다.
도 5a에서 확인 가능하듯이 실시예 1에 따른 시편은 폴리케톤과 탄소필러가 매우 우수한 수준으로 분산된 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예 1에 따른 시편에서는 탄소필러의 응집체 형성이 두드러지게 나타났다.
시험예 4. 퓨리에 변환 적외선 분광(FT-IR) 분석
본 발명에 따른 폴리케톤/탄소필러의 물리적-화학적 결합이 메카노퓨전과 플라즈마의 복합처리에 의해 형성되는 것인지 확인하기 위하여 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1, 비교예 5의 시편을 퓨리에 변환 적외선 분광 분석을 실시하였으며, 이를 하기 도 6에 나타냈다.
실시예 1의 복합체는 메카노퓨전과 플라즈마 처리에 의해 폴리케톤과 탄소필러 간의 화학적 결합이 형성된 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예 1은 폴리케톤과 탄소필러 간의 화학적 결합이 형성되지 않았으며, 메카노퓨전만 실시한 비교예 5 역시 폴리케톤과 탄소필러 간의 화학적 결합이 형성되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 상기와 같은 결과를 통해 플라즈마 처리가 폴리케톤과 탄소필러를 사이의 결합에 관여하는 것을 입증하였다.
시험예 5. X선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석
상기 시험예 4에서 실시예 1의 폴리케톤과 탄소필러 간의 화학적 결합이 플라즈마 처리에 의해 생성된 작용기에 의한 것인지 입증하기 위하여 X선 광전자 분광분석을 실시하였으며, 이를 하기 도 7에 나타내었다.
도 7a는 실시예 1의 X선 광전자 분광분석 전체 결과이다. 도 7b에서 395 eV는 -NH-(C=O)-를 나타내며, 400.3 eV는 -N-(C=O)-O-를 나타낸다. 한편, 도 7c에서 284.3 eV는 -C-C-를나타내며, 285.3 eV는 -C-N-을 나타내고, 286.8 eV는 -C=O를 나타내며, 288.8 eV는 -O-C=O를 나타낸다. 상기와 같은 결과를 통해, 실시예 1에서는 질소를 포함하는 작용기가 폴리케톤과 탄소필러간의 결합에 관여하였음을 확인할 수 있다.
상기와 같은 결과로부터, 헨셀 타입 믹서, 롤밀 또는 핀밀 등의 건식 혼합기를 통해서는 폴리케톤과 탄소필러가 고유의 물리적 특성으로 인해 균일한 밀도로 분산되기 어려우며, 이러한 폴리케톤-탄소필러 혼합물을 이용해서 제조된 복합체는 기계적 물성이 열악한 것으로 나타났다. 한편, 메카노퓨전은 폴리케톤에 탄소필러를 물리적으로 결합시켜 두 물질간의 분산성 및 복합체의 기계적 물성을 소폭 개선시킬 수는 있었으나, 폴리케톤과 탄소필러 사이의 화학적 결합을 형성시키지 못하기 때문에 기계적 물성 및 열전도도 향상에 한계를 나타내었다.
반면, 본 발명에 따라 폴리케톤과 탄소필러를 플라즈마를 생성시키면서 동시에 메카노퓨전을 실시하는 경우, 폴리케톤과 탄소필러 사이에 강한 화학적 결합이 형성된 복합체가 제조되는 것을 확인하였다. 이러한 화학적 결합은 복합체 매트릭스 내에 탄소필러를 균일하게 분산시켜 기계적 물성 향상시킬 뿐만 아니라 열전도도를 우수하게 하였다.

Claims (14)

  1. 폴리케톤; 및 메카노퓨전(mechanofusion)과 플라즈마의 동시 처리에 의해 상기 폴리케톤의 표면에 분산 및 상기 폴리케톤과 물리적-화학적으로 결합된 탄소필러;를 포함하는 폴리케톤/탄소필러 복합체로서,
    상기 메카노퓨전은 챔버 내부 압력이 1.0×102Pa 내지 1.0×103Pa인 조건하에서, 내부의 챔버를 100 내지 5000 rpm의 속도로 회전시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소필러는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트(graphite), 나노판상형 흑연(graphite nanoplatelets), 카본블랙, 카본파이버 및 플러렌으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마는 질소 플라즈마, 아르곤 플라즈마 및 산소 플라즈마 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리케톤 100 중량부를 기준으로 상기 탄소필러가 0.1 내지 30 중량부로 함유되는 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리케톤 및 상기 탄소필러 중에서 선택되는 1종 이상의 표면에 질소, 아르곤 또는 산소 원자가 삽입된 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리케톤과 탄소필러 사이에는 아마이드 결합, 아민 결합, 에테르 결합, 카보닐 결합 및 에틸렌 결합 중에서 선택되는 화학적 결합이 하나 이상 형성된 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체.
  7. 1) 건식 고에너지형 혼합기의 챔버에 폴리케톤 분말 및 탄소필러 분말을 투여하는 단계; 및 2) 챔버 내부에 플라즈마를 생성시키면서 동시에 메카노퓨전을 실시하여 폴리케톤에 탄소필러가 분산 및 물리적-화학적으로 결합된 형태의 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법으로서,
    상기 메카노퓨전은 챔버 내부 압력이 1.0×102Pa 내지 1.0×103Pa인 조건하에서, 내부의 챔버를 100 내지 5000 rpm의 속도로 회전시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 및 메카노퓨전은 공기, 질소, 아르곤 또는 산소 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 폴리케톤 100 중량부를 기준으로 상기 탄소필러가 1 내지 40 중량부로 함유되는 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 폴리케톤 100 중량부를 기준으로 상기 탄소필러가 1 내지 30 중량부로 함유되고; 상기 챔버의 내부는 1.0×102Pa 내지 1.0×103Pa의 질소분위기로 조성되며, 1 내지 2 mV의 전압이 걸려있고; 상기 챔버가 100 내지 5000 rpm의 속도로 5분 내지 30분간 회전되는 것을 특징으로 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 플라즈마는 폴리케톤 및 탄소필러 중에서 선택되는 1종 이상의 표면에 질소 원자 또는 산소 원자를 포함하는 작용기(functional group)를 생성시키거나 또는 폴리케톤 및 탄소필러 중에서 선택되는 1종 이상의 표면을 물리적으로 개질시키는 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 작용기는 아마이드기, 아민기, 히드록시기, 알데히드기, 카르복실기 및 카르보닐기 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 화학적 결합은 아마이드 결합, 아민 결합, 에테르결합, 카보닐 결합 및 에틸렌 결합 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 폴리케톤/탄소필러 복합체의 제조방법.
KR1020160104923A 2016-08-18 2016-08-18 폴리케톤-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법 KR101984207B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160104923A KR101984207B1 (ko) 2016-08-18 2016-08-18 폴리케톤-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160104923A KR101984207B1 (ko) 2016-08-18 2016-08-18 폴리케톤-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180020501A KR20180020501A (ko) 2018-02-28
KR101984207B1 true KR101984207B1 (ko) 2019-05-30

Family

ID=61401253

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160104923A KR101984207B1 (ko) 2016-08-18 2016-08-18 폴리케톤-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101984207B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102076966B1 (ko) * 2018-03-12 2020-02-13 전자부품연구원 고방열 복합체 조성물, 그를 이용한 고방열 복합체 및 그의 제조 방법
KR102155323B1 (ko) 2018-11-23 2020-09-11 한국과학기술연구원 잠재성 경화제 복합체, 이를 포함하는 일액형 에폭시 수지 및 이의 제조방법
CN112175344A (zh) * 2019-07-05 2021-01-05 中国石油化工股份有限公司 一种聚酮复合材料、其制备方法及其应用
KR102242852B1 (ko) * 2019-10-23 2021-04-21 한국과학기술연구원 기계-화학적 반응을 통한 고성능 폴리케톤-폴리우레탄 공중합체 및 이의 제조방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002273741A (ja) * 2001-03-15 2002-09-25 Polymatech Co Ltd カーボンナノチューブ複合成形体及びその製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2013323175A1 (en) * 2012-09-28 2015-04-02 Applied Nanostructured Solutions, Llc Composite materials formed by shear mixing of carbon nanostructures and related methods
KR20150024111A (ko) * 2013-08-26 2015-03-06 주식회사 일웅플라텍 탄소나노튜브를 함유하는 폴리에텔르에테르 케톤 나노복합수지
KR101709156B1 (ko) * 2014-03-18 2017-02-22 서울대학교산학협력단 나노 복합재료

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002273741A (ja) * 2001-03-15 2002-09-25 Polymatech Co Ltd カーボンナノチューブ複合成形体及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180020501A (ko) 2018-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101984207B1 (ko) 폴리케톤-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법
US10125243B2 (en) Composite material having a very low content of carbon-based nanofillers, process for the preparation thereof and uses thereof
Inuwa et al. Mechanical and thermal properties of exfoliated graphite nanoplatelets reinforced polyethylene terephthalate/polypropylene composites
JP6386114B2 (ja) 伝導性樹脂組成物の製造方法
JP2014529352A (ja) ナノチューブ及び微粉砕炭素繊維ポリマー複合組成物ならびに作製方法
TW201339228A (zh) 用於遮蔽電磁干擾、包含碳化氫複合材料之樹脂組成物
JP2009527630A (ja) ナノチューブポリマー複合材料組成物および作製方法
WO2013111862A1 (ja) 導電性樹脂用マスターバッチの製造方法およびマスターバッチ
KR101795788B1 (ko) 고분자-탄소필러 복합체 및 이의 제조방법
Lee et al. Mechanical and thermal properties of MWCNT-reinforced epoxy nanocomposites by vacuum assisted resin transfer molding
KR20080050735A (ko) 전기 절연성을 가지는 실리콘고무/카본나노튜브 복합체의제조 방법
KR101993272B1 (ko) 고분자-보론나이트라이드 필러 복합체 및 이의 제조방법
Choi et al. In situ grafting of polybutylene terephthalate onto multi-walled carbon nanotubes by melt extrusion, and characteristics of their composites with polybutylene terephthalate
KR20190087232A (ko) 향상된 기계적 물성과 열 안정성을 갖는 폴리케톤-하이브리드 탄소 필러 복합체 및 이의 제조방법
KR101637632B1 (ko) 나일론 복합체 및 이의 제조방법
JP6310736B2 (ja) 熱可塑性樹脂組成物の製造方法及び熱可塑性樹脂組成物
KR101071617B1 (ko) 고분자 복합재 및 그의 제조방법
JP5798136B2 (ja) 熱可塑性樹脂組成物の製造方法及び熱可塑性樹脂組成物
KR102076254B1 (ko) 고분자-하이브리드 탄소필러 복합체 및 이의 제조방법
Kausar Mechanical and Thermal Properties of Polyamide 1010 Composites Filled with Nanodiamond/Graphitized Carbon Black Nanoparticles
KR102242852B1 (ko) 기계-화학적 반응을 통한 고성능 폴리케톤-폴리우레탄 공중합체 및 이의 제조방법
TW202124269A (zh) 用於電磁干擾屏蔽的組成物
CN112662054A (zh) 一种聚丙烯复合材料及其制备方法
KR101559554B1 (ko) 나일론 및 탄소나노튜브를 포함하는 복합체 및 이의 제조방법
KR101526194B1 (ko) 탄소나노튜브-고분자 복합체, 및 그의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right