KR101993883B1

KR101993883B1 - 탄소나노튜브를 갖는 실리콘 복합소재, 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법

Info

Publication number: KR101993883B1
Application number: KR1020160166377A
Authority: KR
Inventors: 이상철
Original assignee: (주)더웰; 이상철
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2019-09-30
Also published as: KR20180066347A

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브(CNT)를 활용한 무금속 실리콘 복합 소재의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은; 탄소나노튜브(CNT)와 규소 고분자 화합물인 실리콘오일은 혼합하고 가열하면서 교반하는 제1단계; 상기 제1단계에 의해 혼합된 혼합물을 오픈롤을 이용하여 열을 가하면서 압착하여 판상의 실리콘펠렛을 제조하는 제2단계; 상기 제2단계에 의해 형성된 실리콘펠렛에, 규소 고분자 화합물로 된 고체실리콘을 투입하고 가압니더하는 제3단계; 상기 제3단계에서 혼련 및 분산된 혼합물에 가교제를 투입하고 믹싱하는 제4단계; 상기 제4단계에 의해 믹싱된 혼합물을 190 ~ 210℃의 온도하에서 열프레스로써 성형하여 제품화하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소나노튜브를 갖는 실리콘 복합소재, 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법{Method for Manufacturing Non Metallic Silicon Complex Using Nano Hole of CNT and the Silicon Complex}

본 발명은 실리콘 복합 소재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 탄소나노튜브(CNT)를 활용한 무금속 실리콘 복합 소재의 제조방법과 그 소재에 관한 것이다.

탄소나노튜브(CNT)는 직경이 1~수십㎚(나노미터) 크기의 비표면적이 크고 겉보기밀도가 0.02~0.05g/cc로 실리콘 소재와 고 함량의 CNT소재를 첨가하기가 어려웠다. 또한 실리콘 소재의 점성으로 인해 분산성이 어려웠다. 실리콘은 고분자 수지와 결합되지 않고 유기계 분산제를 사용할 수도 없다.

실리콘은 규소와 산소결합으로 기계적 물성이 우수하고 내화학 특성이 좋지만, CNT소재를 첨가하기에는 저밀도여서 작업성의 문제가 있으며, 따라서 저 함량의 CNT첨가를 통한 정전기 방지용 및 고저항의 제품개발에 국한되었다.

① 특허등록 제10-1666881호 : 내화학성이 우수하고 표면전기저항이 1Ω/□ 이하인 무금속 전기전도성 CNT복합소재 제조방법, 이의 제조에 사용되는 CNT펠렛 및 이에 의해 제조된 제품 ② 특허등록 제10-1666884호 : 전자파차폐성이 우수하고 표면전기저항이 1Ω/□ 이하인 무금속 CNT복합소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 CNT복합소재, 이를 이용해 제조된 제품

이에 대한 본 발명의 목적은 CNT 나노기공을 활용한 CNT펠렛을 제조하여 고함량의 저 저항(예를 들어, 1Ω이하) 실리콘 소재를 제조할 수 있도록 하는 것에 있다. 이 정도의 저저항 제품은 실로 다양한 산업분야에서 요긴하게 활용될 수 있다.

좀 더 구체적으로는 저밀도의 CNT소재를 실리콘과 분산성이 탁월한 CNT펠렛을 제조하고, 실리콘과 혼합시 분산성과 고함량의 CNT첨가로 저항이 1Ω 이하인 무금속 실리콘 소재를 제조하는 것을 목적으로 한다.

실리콘은 일반 고분자 수지 및 계면활성제 또는 유기계 분산제를 사용할 시 박리가 되는 문제점을 가지고 있다. 또한 실리콘은 실리콘 소재 내부의 공기층 또는 수분이 있으면 가교가 원활하지 않을 수 있으며, CNT는 나노기공의 공기층과 수분이 존재하여 더욱 문제가 될 수 있다.

위와 같은 목적은,

탄소나노튜브(CNT)와 규소 고분자 화합물로서의 실리콘오일을 혼합하고 가열하면서 교반하는 제1단계;

상기 제1단계에 의해 혼합된 혼합물을 오픈롤을 이용하여 열을 가하면서 압착하여 판상의 실리콘펠렛을 제조하는 제2단계;

상기 제2단계에 의해 형성된 실리콘펠렛에 역시 규소 고분자 화합물로 된 고체실리콘을 투입하고 가압니더하는 제3단계;

상기 제3단계에서 혼련 및 분산된 혼합물에 가교제를 투입하고 믹싱하는 제4단계;

상기 제4단계에 의해 믹싱된 혼합물을 190 ~ 210℃의 온도하에서 열프레스로써 성형하여 제품화하는 제5단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법에 의해 달성된다.

상기 제1단계에서 저밀도(0.02~0.05g/cc)의 CNT를 0.2~0.3g/cc의 CNT펠렛을 제조하고 실리콘과 open롤을 통하여 분산시킬 수 있다. CNT 나노기공의 점도 900~1,100정도에 실리콘오일이 주입 될 수 있도록 한다.

비율은 CNT 70~80중량%와 점도 900~1,100의 실리콘오일을 20~30중량% 혼합한 후; 히팅 교반 온도 110~130℃에서 RPM 10에서 20분, RPM 50에서 30분으로 총 50분을 교반한다. 이때 CNT와 실리콘 오일의 총 중량은 5,000g으로 하였으며 CNT는 MWCNT를 사용한다. 히팅 교반 온도는 110~130℃로 한 상태에서 40 ~ 60분 동안 교반하면 CNT 나노기공의 수분이 증발하고 CNT 나노기공의 실리콘오일의 점도가 상온상태의 900~1,100에서 온도가 110℃ 이상에서 500~600으로 나노기공 속으로 잘 흡입될 수 있게 된다. 또한 부피는 60 ~ 80%, 좀 더 구체적으로는 65 ~75%가 줄어든다.

제2단계는 실리콘오일을 기반으로 한 CNT펠렛을 제조하는 것이다. 실리콘 첨가전용 CNT펠렛은 open롤을 통하여 2개의 롤이 압착을 하게 하여 판상형태로 제조한다. 이때 2개의 롤은 온도 140 ~ 160℃로 CNT와 실리콘오일이 혼합된 소재의 온도는 교반 후 즉시 동시에 실행하여 CNT기공의 공기층과 수분을 2개의 압착롤을 이용하여 제거한다.

제2단계에 의해 제조된 실리콘 전용 CNT펠렛의 밀도는 0.2~0.3g/cc가 되고 상온상태로 냉각시킨다.

상기 제3단계는 고체 실리콘을 이용하여 저 저항의 실리콘 소재를 제조하는 단계로서, 경도가 10 ~ 40인 고체 실리콘을 사용한다. 고체 실리콘의 경도가 40 이상의 실리콘을 사용하면 가교 후 열프레스로 압착시 경도가 85이상으로 되어 제품하기가 어렵게 될 수 있다.

상기 제4단계는 실리콘-CNT펠렛(CNT 80중량%와 실리콘오일 20중량%) 14~17중량%와 고체 실리콘 86~83중량% 비율로 혼합된 것을 가압니더기로 교반하는 단계이다. 이때 고체 실리콘을 먼저 투입하여 10분정도 가압니더 하여 실리콘 속의 공기층을 제거한 후 실리콘-CNT펠렛을 투입하여 추가 15분정도 가압니더 하여 실리콘-CNT를 분산시킨다. 가압니더는 상온상태로 해야 한다. 가입니더기로 CNT와 실리콘을 혼합 분산시킨 저 저항의 CNT 복합실리콘은 open롤을 통하여 면 상태로 2개의 롤 사이를 통과시켜 프레스하기 좋게 한다. 이때 온도는 상온상태로 하고 총 중량대비 가교제를 0.9~1.1중량% 추가로 투입한 후, 가교제가 골고루 분산되게 5~10분정도 2개의 압착롤을 통과시켜 제조한다.

상기 제5단계는 상기와 같이 제조된 혼합물을 가압열 프레스에서 예를 들어 두께 2㎜의 상태로 기준 온도 190~210℃에서 3분정도 가압하여 제품을 성형하는 단계이다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 복합 실리콘소재는 내화학성이 우수하고 전기전도성이 1.4~0.3Ω의 표면저항을 가질 수 있어, 발열체, 저저항의 패킹류, 안테나, 전기분해제품, IT, 생활가전, 전자파차폐제품, 수소셀스틱 등의 산업분야에 활용될 수 있다.

좀 더 구체적으로는 본 발명에 의한 CNT복합소재는 높은 전기전도성에 의해 우수한 전자파차폐기능을 가지므로 전자파차폐기능이 요구되는 제품의 제조에 특히 유용하고, 내화학성이 우수하면서도 기계적 물성이 우수하기 때문에 더욱 다양한 분야의 제품에 적용이 가능하다.

나아가 본 발명에 의한 소재로 전선의 코어를 형성하면 전선의 코어가 연성과 고무탄성을 가지기 때문에 종래 금속제 전선을 대체하여 동적인 제품(moving product)인 로봇, 드론 및 자동차, 배, 비행기와 같은 운송수단, 무기, 통신기기 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합 소재의 제조방법의 공정도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다.

본 발명은; 탄소나노튜브(CNT)와 규소 고분자 화합물로서의 실리콘오일은 혼합하고 가열하면서 교반하는 제1단계; 상기 제1단계에 의해 혼합된 혼합물을 오픈롤을 이용하여 열을 가하면서 압착하여 판상의 실리콘펠렛을 제조하는 제2단계; 제2단계에 의해 형성된 실리콘펠렛에, 역시 규소 고분자 화합물로 된 고체형태의 고체실리콘을 투입하고 가압니더하는 제3단계; 제3단계에서 혼련 및 분산된 혼합물에 가교제를 투입하고 믹싱하는 제4단계; 제4단계에 의해 믹싱된 혼합물을 190 ~ 210℃의 온도하에서 열프레스로써 성형하여 제품화하는 제5단계;를 포함하는 실리콘 복합소재의 제조방법을 제공한다. 여기서 상기 제1단계와 제2단계는 시간간격이 없이 연속적으로 시행되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 실리콘 베이스에 대하여 탄소나노튜브가 고르게 분산되어 있는 것으로서, 전기저항이 1Ω 인 것을 특징으로 하는 실리콘 복합소재가 제공될 수 있다.

본 발명을 구체적으로 설명 하면 실리콘은 다른 고분자 및 유기계 분산제화 결합력이 없어 탄소나노튜브(CNT)를 분산시키기가 어려웠다. 본 발명은 CNT 나노기공의 실리콘계열의 점도 900~1,100의 실리콘오일을 사용하여 주입시키고 CNT 나노기공의 존재하는 공기층 및 수분을 제거하고, CNT의 밀도를 0.02~0.05g/cc의 것을 0.2~0.3g/cc로 압축펠렛화 하였다. 이때 실리콘오일의 점도가 900이하이면 성형 후 표면으로 실리콘오일이 빠져 나올 수 있고 1,100이상이면 CNT 나노기공의 주입이 어려워질 수 있다.

CNT와 실리콘오일의 비율은 CNT 70~80중량%에 대하여 실리콘오일은 20~30중량% 비율로 하되, 실리콘오일이 20중량%이하이면 CNT 나노기공의 오일이 충분히 주입되지 않을 수 있고, 30중량%이상이면 열프레스로 가교성형 후 표면으로 빠져나올 수 있다.

상기 비율로 혼합된 CNT와 실리콘오일은 온도 110~130℃로 RPM 10에서 20분정도 1차 히팅 교반하여 최초부피대비 30~40% 감소되게 한다. 이때 히팅 온도가 110℃이하가 되면 CNT 나노기공의 팽윤이 약하여 실리콘오일의 주입이 약하고 또한 실리콘오일의 점도가 상온상태에서 900~1,100정도에 점도가 온도 110℃ 에서는 500~600으로 되지 않아 CNT 나노기공의 오일주입이 약하며 CNT 나노기공의 존재하는 공기층 및 수분이 증발되지 않을 수 있다.

히팅 교반 속도는 RPM 10이상이 되면 실리콘오일의 비중이 CNT 비중보다 무거워 실리콘오일이 밑면에서만 조재하고 CNT는 상부 층에 있어 충분한 오일의 분산이 어렵다.

1차 히팅 교반 후 온도는 110~130℃로 유지하고 RPM 속도를 50까지 증가시켜 30분 정도 2차 추가 교반한다. 2차 추가 교반을 20 ~40분 하면 최초부피대비 60 ~ 80%로 부피가 감소되어 다음공정인 CNT펠렛 공정을 원활하게 할 수 있다.

다음단계로 상기 제조된 CNT 나노기공의 주입된 실리콘오일을 온도 150℃에서 2개의 open 압착롤을 통하여 판상형태의 CNT펠렛을 제조한다. 이때 히팅 교반에서 제거되지 않은 수분과 공기층은 2개의 open 압착롤을 통과시켜 공기층을 추가 제거하고 수분함량이 50ppm이하가 되게 한다.

CNT펠렛화 공정은 히팅 교반 후 즉시 open 압착롤과 연계시켜 하는 것이 바람직하다. 압착롤 통과는 동일소재를 3~5회가 되게 하는 것이 적당하고 5회 이상 하게 되면 CNT밀도가 0.3g/cc 이상이 되어 실리콘과 분산 시 문제가 될 수 있고 3회 이하 시 CNT 밀도가 0.2g/cc 이하가 되어 실리콘과 혼합 시 작업성을 어렵게 할 수 있다.

판상구조의 CNT펠렛은 두께1㎜ 전후로 크기는 불규칙하고 최고 크기는 15㎜ 이하였다.

다음단계로 상온상태에서 고체 실리콘과 CNT펠렛을 분산시키는 단계로 가압니더기에서 고체 실리콘을 상온상태에서 10분 정도 가압니더로 교반하여 고체 실리콘의 공기층을 제거한 후 CNT펠렛(CNT80중량%와 실리콘오일 20중량%)14~17중량%와 고체 실리콘 86~83중량%비율로 혼합한 후 15분 정도 분산시킨다. 고체 실리콘의 경도는 10~40정도를 사용해야 하며 CNT펠렛 17중량%와 고체 실리콘 경도 40이상 시 경도가 85이상이 되어 열 프레스 성형이 어렵다.

다음단계로 상온상태에서 가압니더된 실리콘 CNT소재를 후 가공이 가능하도록 상온상태의 open 롤을 통하여 가교제를 총 중량대비 0.9~1.1중량%를 추가 첨가한 후 2개의 믹싱 압착롤을 통하여 가교제를 분산시킨다. 이때 가교제 투입 시기는 CNT 나노기공에 흡수되지 않도록 최종단계에서 투입하고 가교제가 0.9중량%이하이면 열경화 시간이 길어질 수 있다. 가교제 첨가 후 5~10분 정도 가교제가 골고루 분산되게 2개의 open 믹싱 압착롤을 통과시켜 두께 1~5㎜ 판상시트를 제조한다. 가교제로는 몰딩용 가교제로서 TRIGONOX 101(0.4 ~0.5%)이 사용될 수도 있고 압출용으로서 ENOX DCBP(1.4%)가 사용될 수도 있다. 또한 이들이 동시에 사용될 수도 있다.

상기와 같이 제조된 판상시트는 각종 형태의 제품을 생산할 수 있고 가압 열 프레스로 두께 2㎜ 기준 온도 190~210℃에서 3분정도 가압하여 제품을 생산할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 제조 방법으로 표면저항이 1Ω이하의 전기전도성 실리콘 제품을 개발하였으며, 그의 물성은 아래의 표과 같다.

CNT펠렛 함량에 따른 고체 실리콘의 경도 및 저항

최초실리콘경도	실리콘	CNT펠렛	최종제품경도	표면저항(Ω/sq)
10	86중량%	14중량%	68	1.42Ω/□
10	83중량%	17중량%	73	0.8Ω/□
30	86중량%	14중량%	77	1.17Ω/□
30	83중량%	17중량%	82	0.64Ω/□
40	86중량%	14중량%	82	0.59Ω/□
40	83중량%	17중량%	87	성형이어렵다

* ohm/sq = Ω/□ = Sheet resistance

위 표에서 표면저항은 5회 측정 후 평균수치 이며 경도는 쇼어A경도 측정기로 5회 측정된 평균 수치다.

위에 도시 및 설명된 구성은 본 발명의 기술적 사상에 근거한 바람직한 실시예에 지나지 아니한다. 당업자는 통상의 기술적 상식을 바탕으로 다양한 변경실시를 할 수 있을 것이지만 이는 본 발명의 보호범위에 포함될 수 있음을 주지해야 할 것이다.

Claims

탄소나노튜브(CNT)와 규소 고분자 화합물로서의 실리콘오일을 혼합하고 가열하면서 교반하는 제1단계;
상기 제1단계에 의해 혼합된 혼합물을 오픈롤을 이용하여 열을 가하면서 압착하여 판상의 실리콘펠렛을 제조하는 제2단계;
상기 제2단계에 의해 형성된 실리콘펠렛에, 역시 규소 고분자 화합물인 고체 형태의 고체실리콘을 투입하고 가압니더하는 제3단계;
상기 제3단계에서 혼련 및 분산된 혼합물에 가교제를 투입하고 믹싱하는 제4단계;
상기 제4단계에 의해 믹싱된 혼합물을 190 ~ 210℃의 온도하에서 열프레스로써 성형하여 제품화하는 제5단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브(CNT)와 실리콘오일의 배합비율은 70~80중량% : 20~30중량%인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브(CNT)는 밀도가 0.02~0.05g/cc인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 실리콘펠렛의 밀도를 0.2~0.3g/cc로 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제3단계에서 상기 실리콘펠렛과 고체실리콘의 배합비율은 14~17중량% : 86~83중량%인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1단계와 제2단계는 시간간격이 없이 연속적으로 시행되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법.
삭제