KR102098666B1 - 타구감, 내구성 및 정전기 방지 성능이 향상된 탄소나노튜브 골프공 - Google Patents

타구감, 내구성 및 정전기 방지 성능이 향상된 탄소나노튜브 골프공 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타구감, 내구성, 및 정전기 방지 성능이 향상된 탄소나노튜브 골프공에 관한 것이다.
본 발명의 골프공은 탄소나노튜브가 핵 및 표면에 분산되어 있어 부드러운 타격감을 가지면서도 내구성이 우수하며 정전기 발생 방지되어 표면이 청결히 유지되는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 알갱이 형태로 제조한 후 매트릭스와 혼합하여 핵을 제조하므로 매트릭스의 종류에 상관없이 탄소나노튜브를 분산시켜 골프공을 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 독립된 공정으로 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 미리 제조한 후 이를 골프공의 제조에 사용하므로 탄소나노튜브의 비산으로 인한 위험이 없다.
따라서 본 발명의 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 이용하면 골프공 핵의 탄소나노튜브의 함유량을 쉽게 조절 할 수 있고 작업자의 작업환경 또한 안전하게 유지하는 장점이 있다.

Description

타구감, 내구성 및 정전기 방지 성능이 향상된 탄소나노튜브 골프공{Carbon Nano-tube Golf Ball Improved Soft Felling, Durability And Anti-static Electricity}
본 발명은 타구감, 내구성, 및 정전기 방지 성능이 향상된 탄소나노튜브 골프공에 관한 것이다.
최근 골프공의 기술동향은 부드러우면서도 강한 골프공이다. 골프공의 주요 성능 중 대표적인 것은 타격하였을 때 멀리 보낼 수 있는 비거리 성능이다.
그러나 오늘날에는 비거리를 유지하면서도 부드러운 타구감(Soft felling)을 유지하는 골프공에 대한 요구가 매우 중요하게 대두되고 있다.
골프공의 타구감은 압축변형량(compression)과 밀접하게 연관되어 있다. 압축변형량은 압력에 의해 변형되는 정도를 의미하며 압축변형량이 작을수록 골프공이 더 딱딱한 느낌을 갖게 되고 압축변형량이 클수록 부드러운 타구감을 느낀다.
그러나 압축변형량이 비교적 커 부드러운 타구감을 가지는 골프공은 타격에 대한 내충격성에서 취약점을 보인다. 내충격성은 골프공을 일정한 속도로 일정 거리의 철판등에 반복적으로 충돌시켜 파괴되는 횟수를 측정하며 내충격성이 작으면 적은 타격횟수로 공이 파괴되는 것을 의미한다.
시중에 판매되는 골프공은 내충격성이 70회 이상이다. 그러나 압축변형량이 향상되어 타구감이 부드러운 골프공은 내충격성이 40 내지 50회에 불과하여 내구성에 문제가 있다. 이는 골프공 코어고무의 가교밀도가 상대적으로 낮아 반복충격 변형에 따른 탄성 유지력이 급격하게 떨어지기 때문이다.
타격감이 부드러운 골프공에 대한 소비자의 요구는 증가하고 있는 실정이다. 그러나 압축변형량의 증가로 인한 내구성 저하의 문제가 해결되지 않으면 상품으로서의 가치가 떨어져 소비자로부터 외면 받을것이다.
탄소나노튜브(carbon nano-tube)는 탄소나노튜브는 1-100 nm 범위의 나노 직경을 가지며, 길이가 최대 수십 cm 까지 합성되는 물질이다. 탄소나노튜브는 1991년 발견된 이래 뛰어난 강도와 탄성으로 인해 상당한 주목을 받아왔으나 분산성이 낮아 상용화에 어려움이 있었다.
탄소나노튜브는 합성되는 과정에서 입자간에 물리적 또는 화학적 응집이 발생한다. 물리적 응집은 마이크로미터 수준에서 나노튜브가 각각의 입자로서 다른 입자들과 서로 얽혀 있는 것을 의미하며 화학적 응집으로는 반데르발스힘과 같은 표면인력(~950meV/nm)에 의해 응집되는 것을 의미한다. 탄소나노튜브의 응집현상은 기계적 강도와 전도특성을 향상시킬 수 있는 3차원 네트워크 구조형성을 방해한다.
따라서 탄소나노튜브의 응집현상이 해결되지 않으면 탄소나노튜브를 충전재로 사용하더라도 탄소나노튜브의 장점인 강도와 탄성 향상효과를 얻을 수 없다.
상기 탄소나노튜브의 분산은 기계적 분산, 용매와 분산제를 이용한 분산, 강산에 의한 분산, 표면 기능화에 의한 분산, 고분자를 이용한 분산 방법이 있다.
기계적 분산방법은 탄소나노튜브의 구조가 파괴되는 문제점이 있다.
용매와 분산제를 이용하는 방법은 탄소나노튜브의 구조를 파괴하지 않는 방법인 장점이 있으나 선택 가능한 용매와 분산제가 지극히 한정적이어서 적용이 어려운 단점이 있다.
강산에 의한 분산방법은 시간이 흐를수록 콜로이드가 안정성이 감소하여 응집되는 단점이 있다.
표면 기능화에 의한 분산방법은 탄소나노튜브의 용해도가 낮아 화학적반응에 대한 제약이 있으며 화학반응 후 순수한 탄소나노튜브를 수득하기 어려운 단점이 있다.
고분자를 이용한 분산방법은 고분자가 탄소나노튜브의 표면에 결합하여 감싸므로 분산도를 향상시키는 방법으로 탄소나노튜브와 고분자를 직접 혼합하거나 모노머 단계에서 in-situ polymerization하여 분산시키는 방법이 있다.
고분자를 이용한 분산방법은 다양한 탄소나노튜브의 표면에 결합이 가능한 기능기를 가지는 다양한 고분자를 사용할 수 있어 적용 범위가 넓은 장점이 있다. 특히 고분자를 이용한 분산방법은 탄소나노튜브의 물리화학적 성질을 유지하면서 규칙적인 패턴으로 분산이 가능하므로 탄소나노튜브의 분산안정성이 높은 장점이 있다.
최근 연구에 의하면, 탄소나노튜브의 분산에 사용하는 고분자는 에폭시(epoxy), poly(p-phenylene vinylene)(PPV), poly(p-phenlyenevinylene-co-2,5-dioctoxy-m-pheny-lenevinyene)(PMPV), polymethyl methacrylate(PMMA), poly(parabanic acid)(PPA)등이 보고되고 있다.
한국등록특허 10-1761266은 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 이의 제조방법을 보고하면서, 고분자인 고무에 탄소나노튜브를 분산시켜 마스터배치를 제조하고 이를 골프공의 코어에 적용하였다.
한국등록특허 10-1761266는 탄소나노튜브 분산체를 제조하기 위하여 고무에 탄소나노튜브를 첨가하고 니더 또는 반바리 믹서를 이용하여 직접 고무를 분산시켰다.
그러나 한국등록특허 10-1761266의 분산방법은 분산 도중 탄소나노튜브가 끊어져 물리적 특성이 저하되는 단점이 있었으며 고무에 직접 다량의 탄소나노튜브를 첨가하고 오랜시간 동안 배합하므로 탄소나노튜브가 비산되어 작업자의 건강을 위협하는 단점이 있었다. 또한 탄소나노튜브를 분산시키는 재료가 고무에 한정되어 다양한 골프공용 소재에 적용되기 어려운 단점이 있었다.
골프공은 타격 후 골프장의 다양한 환경에 노출되어 쉽게 더러워 질 수 있고, 골프공의 표면은 전도성이 낮은 고분자등으로 코팅되기 때문에 정전기가 쉽게 발생한다.
따라서 타격 후 골프장에 착지한 골프공은 표면에서 발생한 정전기에 의해 잔디잎이나 기타 이물질 등이 부착되어 그린에서의 퍼팅 경기력에 영향을 줄 수 있는 것이다.
탄소나노튜브는 전기전도성을 가지고 있다. 탄소나노튜브가 골프공의 표면에 적용되면 골프공의 정전기 발생을 방지하여 표면에 이물질이 묻는 것을 방지할 수 있다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
KR 10-1761266 B1, 고내구성 골프공 코어용 복합소재 마스터배치 및 그 제조방법(2017. 07. 19. 등록)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 포함하는 핵(core), 상기 핵을 피복하는 커버(cover); 및 상기 커버를 피복하는 정전기 방지 코팅층을 포함하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명은 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 포함하는 핵(core), 상기 핵을 피복하는 커버(cover) 및 상기 커버를 피복하는 정전기 방지 코팅층을 포함하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공을 제공한다.
상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체는 지름이 수 십 μm 내지 최대 2-3mm 알갱이(particle)의 상태로 제조되어 다양한 매트릭스에 손쉽게 적용될 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 직경이 10 내지 30 nm이며 직경과 길이의 종횡비(aspect ratio)가 100 내지 1000 이며, 상기 이오노머는 1 가 또는 2 가 금속으로 부분 중화시킨 3 성분계 이오노머 수지 및 상기 3 성분계 이오노머 수지의 불포화 카복실산 일부를 에스테르화한 4 성분계 이오노머 수지로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 공중합체 또는 복합체이다.
상기 핵은 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 탄소나노튜브의 함량이 2 내지 8 중량부가 되도록 상기 탄소나노튜브(Carbon Nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체가 첨가되어 제조되며, 상기 매트릭스는 폴리부타디엔고무(Polybutadiene Rubber), 네오디뮴 부타디엔 고무(Neodymium Butadiene Rubber), 솔루션 스타이렌 부타디엔 고무(Solution Styrene Butadiene Rubber), 아크릴고무, 실리콘고무, 불소고무, HBR(High-cis Polybutadiene Rubber), 및 폐고무로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘이상의 공중합체 또는 복합체이다.
상기 정전기 방지 코팅층은 폴리우레탄 100 중량부에 대하여 직경이 0.8 내지 3 nm이며 직경과 길이의 종횡비(aspect ratio)가 100 내지 1,000 인 탄소나노튜브 10 내지 60 중량%가 혼합하여 제조된 정전기방지 코팅액을 골프공의 표면에 분사하여 형성된다.
본 발명은 타구감, 내구성, 및 정전기 방지 성능이 향상된 탄소나노튜브 골프공에 관한 것이다.
본 발명의 골프공은 탄소나노튜브가 핵 및 표면에 분산되어 있어 부드러운 타격감을 가지면서도 내구성이 우수하며 정전기 발생 방지되어 표면이 청결히 유지되는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 알갱이 형태로 제조한 후 매트릭스와 혼합하여 핵을 제조하므로 매트릭스의 종류에 상관없이 탄소나노튜브를 분산시켜 골프공을 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 독립된 공정으로 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 미리 제조한 후 이를 골프공의 제조에 사용하므로 탄소나노튜브의 비산으로 인한 위험이 없다.
따라서 본 발명의 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 이용하면 골프공 핵의 탄소나노튜브의 함유량을 쉽게 조절 할 수 있고 작업자의 작업환경 또한 안전하게 유지하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 탄소나노튜브-이오노머 분산체 제조방법을 보여준다.
도 2는 본 발명의 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 포함하여 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공의 제조방법을 보여준다.
도 3은 탄소나노튜브-이오노머 분산체의 제조에 사용되는 탄소나노튜브와 이오노머를 보여준다. 패널(a)는 탄소나노튜브를 보여주며 패널(b)는 이오노머를 보여준다.
도 4는 본 발명의 탄소나노튜브-이오노머 분산체가 알갱이 형태로 제조된 것을 보여준다.
도 5는 본 발명의 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 포함하여 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공의 모습을 보여준다.
도 6은 본 발명의 탄소나노튜브를 포함하는 정전기 방지 코팅액으로 이용하여 코팅된 골프공의 모습을 보여준다.
본 발명은 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 포함하는 핵(core), 상기 핵을 피복하는 커버(cover), 및 상기 커버를 피복하는 정전기 방지 코팅층을 포함하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공을 제공한다.
상기 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루는 원통 형태의 소재를 의미한다.
상기 탄소나노튜브는 열화학 기상증착법(Chemical Vapor Depositon, CVD), 아크방전법, 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)등으로 제조될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
상기 탄소나노튜브는 탄성과 강도가 뛰어나고 전기전도성이 우수하여 응용성이 매우 높으나 분산성이 매우 낮아 그 응용에 한계가 있었다.
본 발명에서는 상기 탄소나노튜브를 고분자를 이용하여 분산시켜 골프공의 핵 및 표면코팅제에 적용하였다.
그 결과, 타구감이 부드럽고 탄성이 유지되면서도 내구성의 향상되었으며, 골프공 표면에 정전기 발생이 방지되어 청결한 표면을 유지할 수 있는 상품성이 뛰어난 골프공을 제조하였다.
본 발명은 골프공의 핵에 상기 탄소나노튜브를 포함시켜 부드러운 타구감을 가지며 탄성이 유지되면서도 내충격성이 향상된 골프공을 제공한다.
상기 탄소나노튜브는 탄소나노튜브-이오노머 분산체로서 골프공의 핵에 포함되며 상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체는 알갱이의 상태로 제공된다.
종래의 탄소나노튜브를 포함하는 골프공은 상기 탄소나노튜브를 핵의 매트릭스인 고무와 직접 혼합하여 분산시키는 방법을 사용하였다.
상기 방법은 니더나 반바리 믹서를 사용한 혼합과정에서 상기 탄소나노튜브가 파괴되는 현상이 발생하여 상기 탄소나노튜브로 인한 탄성 및 강도 향상 효과가 반감되는 문제점이 있었으며 매트릭스 소재가 고무로 한정될 뿐 아니라 분산정도의 조절이 어려워 상기 탄소나노튜브의 첨가량을 변경하기 어려운 단점이 있었다. 또한 상기 방법은 혼합과정에서 상기 탄소나노튜브가 비산하여 작업환경을 오염시키는 단점이 있었다.
본 발명은 상기 탄소나노튜브를 고분자인 이오노머로 분산시킨 후 알갱이 형태인 탄소나노튜브-이오노머 분산체로 미리 제조하여 골프공의 제조에 사용한다. 상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체는 상기 탄소나노튜브의 표면에 상기 이오노머가 결합하여 분산되고 상기 이오노머가 응집하여 알갱이의 형태로 존재하게 된다.
상기 제조된 나노튜브-이오노머 분산체는 다양한 핵의 매트릭스 소재와 혼합되어 골프공의 핵으로 제조될 수 있다.
상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 이용하여 골프공 핵을 제조하면, 상기 탄소나노튜브의 분산을 위한 특별한 방법 없이도 탄소나노튜브가 포함되어 탄성 및 강도가 향상된 골프공을 제조할 수 있을 뿐 아니라 탄소나노튜브의 비산으로 인한 작업장의 오염을 염려할 필요가 없다.
상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체는 상기 이오노머가 상기 탄소나노튜브의 표면을 감싸 분산시키고 있다. 따라서 상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체는 다양한 종류의 매트릭스 소재와도 혼합하여도 탄소나노튜브의 낮은 분산성에 대한 고려할 필요가 없다.
종래의 탄소나노튜브를 포함하는 골프공은 핵의 매트릭스로서 고무만을 사용하였다. 상기 탄소나노튜브는 분산성이 낮고 분산방법이 까다로운 특성이 있다. 따라서 종래의 방법에 기재된 고무외의 다른 소재와 탄소나노튜브를 포함하는 골프공을 제조하기 위해서는 상기 탄소나노튜브의 분산에 대한 최적화가 반드시 필요하다.
이에 반하여 본 발명의 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 이용하여 골프공을 제조하면, 상기 탄소나노튜브의 분산을 위한 최적화 과정이 필요 없는 장점이 있다. 이는 상기 탄소나노튜브가 이미 탄소나노튜브-이오노머 분산체에 잘 분산되어 있으며, 실제 핵 매트릭스 소재와 혼합되는 것은 분산성이 높은 이오노머이기 때문이다.
따라서 본 발명의 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 이용하여 골프공을 제조하면, 핵의 매트릭스 소재로서 고무만 사용 가능한 상기 종래의 방법과 달리, 다양한 소재를 이용하여 탄소나노튜브가 포함된 골프공을 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체는 도 1의 제조방법에 따라 제조된다.
상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체의 제조방법은 a) 이오노머 용액 제조단계, b) 탄소나노튜브 분산액 제조단계, c) 현탁액 제조단계, 및 d) 탄소나노튜브/이오노머 분산체 수득단계를 포함한다.
상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체의 제조방법을 상세히 살펴보면 하기와 같다.
a) 이오노머 용액 제조단계
상기 이오노머 용액 제조단계는 이오노머를 용제에 용해하는 단계이다.
상기 이오노머를 분산, 용해하기 위한　용제로는 에테르류, 키톤류, 알코올류 등을 사용할 수 있다. 이 중, 에테르류의 용제로는 에틸에테르, 테트라하드로퓨란(THF) 등을 들 수 있으며, 케톤류로는 아세톤, 메틸에틸케톤 등을 들 수 있으며, 알코올류로는 에탄올, 메탄올, 이소프로판올 등을 들 수 있다. 이들 용제들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합 사용할 수 있으며, 이오노머의 빠른 분산과 용해를 위해 교반하면서 열을 가하여 주는 것이 보다 효과적이다.
b) 탄소나노튜브 분산용액 제조단계
상기 탄소나노튜브 분산용액 제조단계는 상기 이오노머 용액에 상기 탄소나노튜브를 투입하여 상기 탄소나노튜브가 분산된 용액을 제조하는 단계이다.
상기 탄소나노튜브의 투입은 분말형태로 그대로 넣을 수도 있으나, 보다 바람직하게는 상기 이오노머 분산용액 제조에 사용된 동일한 용제에 상기 탄소나노튜브를 분산하여 투입한다. 상기 탄소나노튜브의 보다 균일한 분산을 위해 상기 용제에 상기 탄소나노튜브를 투입한 후에 초음파 처리를 가하는 것이 바람직하다. 이때, 교반을 함께 수행할 수 있다.
상기 탄소나노튜브-이오노머 분산용액은 상기 탄소나노튜브와 상기 이오노머가 1 : 1 내지 1 : 5의 중량비로 혼합되어 있다. 바람직하게는 상기 탄소나노튜브와 상기 이오노머가 1 : 3 중량비로 혼합되어 있다.
상기 혼합비가 1 : 1 미만이면 상기 이오노머에 의한 상기 탄소나노튜브의 분산이 충분치 않아 탄소나노튜브 사이의 응집이 발생할 수 있으며 상기 혼합비가 1 : 5를 초과하면 상기 탄소나노튜브와 결합하지 않은 불필요한 이오노머가 너무 많이 존재하여 골프공의 핵 제조시 선택한 매트릭스 소재의 특성을 저하시킬 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 직경이 10 내지 30 nm이며 직경과 길이의 종횡비(aspect ratio)가 100 내지 1000 인 탄소나노튜브이다.
상기 탄소나노튜브의 직경 및 종횡비는 상기 이오노머 및 매트릭스와의 결합을 통한 골프공의 내충격성 및 탄성에 최적화된 조건으로 상기 조건을 벗어나면 분산성이 상이하여 탄소나노튜브에 의한 본 발명의 내충격성 및 탄성효과를 구현하기 어렵다.
상기 탄소나노튜브는 화학적인 처리를 거치더라도 내부의 그래핀층이 손상되지 않아 근본적인 전자구조가 유지될 수 있는 장점이 있다. 따라서 상기 탄소나노튜브는 화학처리를 위한 소재로서 적절하다.
본 발명의 탄소나노튜브-이오노머 분산체는 매트릭스 소재인 고무와 혼합된 후 열성형을 통해 골프공 코어로 제조된다. 이 때, 열성형은 100 내지 170 ℃의 온도범위 및 200 톤의 압력 분위기에서 수행되며 상기 열성형 과정 동안 다양한 화학반응이 진행된다. 따라서 본 발명의 탄소나노튜브-이오노머 분산체에 사용하는 상기 탄소나노튜브는 화학적 안정성이 우수한 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.
상기 이오노머는 1 가 또는 2 가 금속으로 부분 중화시킨 3 성분계 이오노머 수지 및 상기 3 성분계 이오노머 수지의 불포화 카복실산의 일부를 에스테르화한 4 성분계 이오노머 수지로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 공중합체 또는 복합체를 사용할 수 있다.
상기 3 성분계 이오노머 수지의 1 가 또는 2 가 금속은 Na, Li, Mg, Zn을 의미한다.
c) 분산액 제조단계
상기 분산액 제조단계는 상기 탄소나노튜브 분산용액 제조단계에서 수득한 탄소나노튜브 분산용액을 빠르게 교반하면서 물, 알코올 또는 물과 알코올의 혼합액을 서서히 첨가하여 탄소나노튜브-이오노머 분산체 알갱이를 제조하는 단계이다.
이때 물 또는 알코올의 첨가 속도 및 교반 속도를 조절하면 생성되는 탄소나노튜브-이오노머 분산체 알갱이의 크기를 조절할 수 있다.
상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체 알갱이의 직경은 최대 2~3mm인 것으로 하되, 바람직하게는 0.05 ~ 1mm (50 μm ~ 1,000 μm) 이다.
d) 탄소나노튜브-이오노머 분산체 수득단계
상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체 수득단계는 상기 분산액 제조단계에서 얻어진 탄소나노튜브-이오노머 분산체 알갱이를 포함하는 분산액을 고액분리하여 탄소나노튜브-이오노머 분산체 알갱이만을 분리하는 단계이다.
상기 고액분리는 과도한 압력으로 상기 수득된 탄소나노튜브-이오노머 분산체 알갱이를 파괴하지 않는 고액분리 장치라면 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 고액분리로부터 얻어진 액상은 상기 분산액 제조단계를 반복하여 탄소나노튜브-이오노머 분산체 알갱이를 더 수득할 수 있다.
상기 수득된 탄소나노튜브-이오노머 분산체 알갱이는 서로 응집되지 않도록 건조시킨다. 상기 건조는 탄소나노튜브-이오노머 입자의 과동한 응집을 방지하기 위해, 40℃ 이하의 온도를 유지하면서 건조하는 것이 바람직하다. 또한 상기 건조는 상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체 알갱이의 표면이 너무 말라 갈라지 않도록 적절한 습도를 유지한 건조장치를 이용하는 것이 바람직하다.
종래의 탄소나노튜브가 함유된 골프공의 핵 제조방법은 상기 탄소나노튜브와 상기 매트릭스를 직접 혼합하여 분산시킨 후 제조하는 것을 특징으로 한다.
따라서 종래의 탄소나노튜브가 함유된 골프공의 핵 제조방법은 탄소나노튜브의 분산조절이 어려워 다양한 종류의 매트릭스를 시용하거나 상기 탄소나노튜브의 투입량을 조절하는 것이 매우 어려웠으며 상기 혼합과정에서 탄소나노튜브가 비산하여 작업환경을 오염시키는 단점이 있었다.
이에 반하여 본 발명은 상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 미리 제조한 후 상기 매트릭스와 혼합하는 방법으로 골프공 핵을 제조한다.
따라서 본 발명은 상기 탄소나노튜브가 이오노머에 의해 미리 분산되어 있으며, 상기 탄소나노튜브의 혼합이 상기 탄소나노튜브를 감싸고 있는 이오노머를 매개로 이루어지므로 매트릭스의 종류를 변경하거나 탄소나노튜브의 투입량을 조절 하여도 탄소나노튜브를 잘 분산시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 발명의 탄소나노튜브-이오노머 분산체을 이용하면 다른 종류의 매트릭스를 사용하거나 탄소나노튜브의 투입량을 조절하여도 종래의 방법과 동일한 탄소나노튜브의 분산효과를 가지는 골프공을 제조할 수 있다.
본 발명의 골프공 핵은 투롤 밀(two roll mill)에서 상기 탄소나노튜브/이오노머 분산체, 매트릭스로서 고무, 및 첨가제를 첨가하여 배합한 후 열성형을 수행하여 제조되며, 상기 핵을 이용하여 제조한 본 발명의 골프공은 부드러운 타구감을 가지면서도 내구성이 우수한 것이 확인되었다.
상기 밀(mill)을 이용한 기계적 분산방법은 밀링과정에서 탄소나노튜브에 많은 손상을 주어 이 과정에서 상당량의 비정질 탄소가 발생하게 된다.
상기 밀을 이용한 기계적 분산방법은 상기 손상으로 인해 탄소나노튜브의 길이 및 직경 분포가 최소화 되는 효과가 있으나, 탄소나노튜브의 길이 및 직경이 작은 방향으로 수렴하기 때문에 탄소나노튜브의 물리적 성질을 제어하는 어려움이 있다.
이에 반하여 본 발명은 탄소나노튜브가 습식분산방식으로 이오노머에 의해 분산된 후 탄소나노튜브-이오노머 분산체 상태로 투입되기 때문에 롤밀링방법을 이용하여도 빠르고 효과적인 분산으로 탄소나노튜브의 구조가 쉽게 파괴되지 않는다.
따라서 종래의 방법과 같이 매트릭스인 고무와 탄소나노튜브를 직접 혼합한 후 본 발명의 투롤밀에서 배합, 분산한다면 상기 탄소나노튜브의 구조가 파괴되어 상기 탄소나노튜브에 의한 탄성 및 내구성 향상 효과가 반감될 것으로 판단된다.
상기 핵은 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 탄소나노튜브의 함량이 2 내지 8 중량부가 되도록 상기 탄소나노튜브(Carbon Nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체가 첨가되어 제조된다.
상기 핵이 상기 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 탄소나노튜브 2 중량부 미만으로 제조되면 상기 탄소나노튜브로 인한 탄성 및 내충격성 향상효과가 미미하며, 상기 탄소나노튜브 8 중량부를 초과하여 제조되어도 상기 탄소나노튜브로 인한 탄성 및 내충격성 향상효과는 미미하다.
상기 골프공 핵의 매트릭스는 폴리부타디엔고무(Polybutadiene Rubber), 네오디뮴 부타디엔 고무(Neodymium Butadiene Rubber), 솔루션 스타이렌 부타디엔 고무(Solution Styrene Butadiene Rubber), 아크릴고무, 실리콘고무, 불소고무, HBR(High-cis Polybutadiene Rubber), 및 폐고무로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘이상의 공중합체 또는 복합체를 사용한다. 바람직하게는 상기 핵의 매트릭스는 폴리부타디엔고무이다.
도 2는 상기 제조한 핵을 이용하여 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공의 제조방법을 보여준다.
상기 골프공 제조방법은 e) 탄소나노튜브를 포함하는 골프공 핵의 제조단계, f) 핵에 커버를 피복하는 단계, g) 커버에 정전기 방지 코팅하는 단계를 포함한다.
e) 골프공 핵의 제조단계
상기 제조한 탄소나노튜브가 포함된 골프공 핵에 대하여 열성형을 수행한다.
상기 열성형은 100 내지 170 ℃의 온도법위 및 200톤의 압력분위기하에서 수행된다. 상기 열성형 중에는 핵을 주성하는 고분자들과 탄소나노튜브가 화학적 변형을 일으킬 수 있다. 따라서 상기 화학적 변형에도 전자적 성질을 유지하는 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다.
f) 커버를 피복하는 단계
상기 커버는 종래의 커버용 고분자라면 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 커버용 고분자는 아이오노머 수지, 폴리에스테르, 에스테르-에테르 공중합체, 폴리아마이드, 폴리우레탄 등이나 이러한 것들이 적절히 섞인 혼합물을 사용할 수 있으며 바람직하게는 이오노머 수지 또는 폴리우레탄을 사용라며 보다 바람직하게는 이오노머 수지를 사용한다.
상기 폴리우레탄은 폴리올을 만드는 디올의 종류나 폴리이소시아네이트를 만드는 디이소시아네이트 종류에 따라 아주 많은 물성의 커버 재료가 되기 때문에 골프공의 커버로 많이 사용된다.
상기 폴리우레탄은 폴리올과 폴리이소시아네이트를 성형 직전에 혼합하여 반응시켜 성형물을 만드는 RIM 방법, 주형(Casting) 방법, 열가소성 폴리우레탄으로 미리 만들어 사출 성형이나 압축 성형으로 커바를 만드는 방법, 폴리우레탄 쉬트를 만들어 적절한 성형기로 압축 용융 성형시키는 방법을 사용 할 수 있다.
상기 커버는 상기 핵의 색이 나타나지 않도록 투과도가 낮은 고분자가 바람직하며 적절한 두께로 성형되는 것이 바람직하다.
상기 커버는 다중커버로 제조될 수 있으며 상기 핵의 색이 발현되지 않도록 적절한 색소를 첨가하여 투과도를 낮추는 것이 바람직하다.
상기 폴리우레탄과 같이 투과도가 높은 소재를 커버로 사용하는 경우, 투과도가 낮은 단일 또는 다층의 커버를 추가적으로 사용할 수 있으며 이와 더불어 다층의 핵 역시 사용할 수 있다.
g) 커버에 정전기 방지 코팅하는 단계
본 발명은 골프공에 전도성 성질을 가지는 탄소나노튜브를 함유하는 코팅층을 형성하여 정전기의 발생을 최소화한 골프공을 제공한다.
본 발명의 정전기 방지 코팅층은 우레탄(폴리우레탄)과 탄소나노튜브를 포함한다.
상기 정전기 방지 코팅층은 우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 10 내지 60 중량부가 참가되어 제조된 코팅액을 상기 커버상에 분사하여 형성된다.
상기 정전기 방지 코팅층에 사용하는 탄소나노튜브는 상기 핵에 사용하는 탄소나노튜브와 다른 종류를 사용한다. 상기 핵에 사용하는 탄소나노튜브는 화학적 변형에도 전자적 구조를 유지하는 탄소나노튜브인데, 바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브이다.
이에 반하여 상기 정전기 방지 코팅층에 사용하는 탄소나노튜브는 전기적 성질이 우수한 탄소나노튜브이다.
상기 정전기 방지 코팅층에 상기 탄소나노튜브가 포함되면, 전기전도성이 향상되어 골프공의 코팅층의 정전기 발생이 저하되는 효과가 있다.
상기 탄소나노튜브는 직경이 0.8 내지 3 nm이며 직경과 길이의 종횡비(aspect ratio)가 100 내지 1000 이다. 상기 탄소나노튜브가 10 중량부 미만으로 사용되면 정전기 방지 허용범위인 저항값 1011 Ω/sq을 초과하여 정전기 방지 효과가 미미하며 상기 탄소나노튜브가 60 중량부 초과하여 사용되면 빛 투과도가 90% 미만으로 감소되어 골프공의 색 표현력이 저하될 수 있다.
상기 정전기 방지 코팅층을 형성하는 방법은 분사방식이 가장 바람직하다. 골프공을 코팅액에 담가 코팅하는 딥핑(dipping)방식을 사용하면, 골프공 표면의 위치에 따라 코팅층의 두께가 일정하게 형성되지 않아 그림자 형상의 얼룩이 발생하는 문제점이 있다.
특히, 코팅액의 제조에서 있어서, 상기 탄소나노튜브가 60 중량부 초과하여 사용되면 점성이 너무 높아 분사가 어려우므로 주의하여야 한다.상기 정전기 방지 코팅은 표면의 정전기(static electricity) 발생을 저하시켜 경기 중 잔디잎 등의 이물질의 부착을 방지한다.
상기 정전기는 전하가 정지 상태로 있어 전하의 분포가 시간적으로 변화하지 않는 전기를 의미한다.
본 발명의 골프공의 코팅에 사용하는 폴리우레탄은 표면저항이 높아 경기 중 정전기가 발생하기 쉽다.
특히 타격된 골프공이 필드에 착지하여 굴러가는 경우, 필드와의 마찰로 인해 정전기가 발생하고 이는 이물질의 표면부착을 유도하여 골프공 고유의 색 및 광택을 잃어버려 필드에서 골프공을 찾기 어려울 수 있으며 미관상으로도 좋지 않다.
상기 정전기의 발생정도는 표면저항(Ω/sq)을 측정하여 판단할 수 있다. 상기 표면저항이 높으면 전하가 정지 상태로 있는 경우가 많기 때문에 정전기의 발생이 용이하며 상기 표면저항이 낮으면 전하의 이동이 잘 이동하므로 정전기 발생이 줄어든다.
통상적으로 표면저항이 1011 Ω/sq 미만이면 정전기 방지 효과가 있는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명은 골프공의 커버에 전기적 성질이 우수한 탄소나노튜브와 투과도가 우수한 폴리우레탄을 포함하는 코팅액을 분사하여 정전기 방지 코팅층을 형성한다.
상기 정전기 방지 코팅층은 표면저항이 108 내지 1011 Ω/sq이며 투과율이 90 내지 95 %인 것을 특징으로 한다.
상기 표면저항이 1011 Ω/sq를 초과하면 정전기 방지 효과가 미미하며, 상기 표면저항이 108 Ω/sq 미만이더라도 정전기 방지 효과는 더 향상되지 않는다.
본 발명의 정전기 방지 코팅층은 90 내지 95 %의 높은 투과율을 가지므로 커버의 색을 잘 표현 할 수 있다. 상기 정전기 방지 코팅층은 투과율이 우수한 우레탄 100 중량부에 대하여 전기적 성질이 우수한 탄소나노튜브 10 내지 60 중량부를 포함하는 코팅액을 이용한다. 바람직하게는 우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 20 내지 40 중량부를 포함하는 코팅액을 사용하며 더 바람직하게는 우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 20 중량부를 포함하는 코팅액을 사용한다.
상기 탄소나노튜브가 60 중량부를 초과하여 사용하면 코팅층의 투과율이 90 %이하로 저하되어 커버의 색이 왜곡될 우려가 있으며 탄소나노튜브가 20 중량부 미만으로 사용되면 투과율에는 문제가 없으나 정전기 방지 효과가 저하된다.
상기의 방법으로 제조된 본 발명의 골프공은 압축변형량(compression)이 0.050 내지 0.110 inch이며, 탄성계수(coefficient of restitution; COR)가 0.78 내지 0.82이며, 내충격성이 90회 이상, 바람직하게는 90회 내지 200회이며, 더 바람직하게는 90회 내지 120회이다.
상기 압축변형량과 탄성계수는 핵의 매트릭스를 고무만을 사용하여 탄성이 좋고 부드러워 타구감을 가지는 종래의 골프공과 유사한 수준이다.
본 발명의 골프공은 내충격성 평가에서 90 내지 120 회만에 골프공이 파과된다.
이는 상기 핵의 매트릭스에 고무만을 사용한 종래의 골프공의 내충격성이 50여회에 불과한 것과 대비된다.
따라서, 본 발명의 골프공은 탄성이 좋고 부드러워 타구감이 우수하면서도 내구성이 우수하다.
하기 실시예에서 본 발명의 기술적 특징에 대해 상세히 설명한다.
실시예
1. 탄소나노튜브-이오노머 분산체의 제조
이오노머 용액은 2L 4구 플라스크에 메커니컬 교반기와 컨덴서, 온도조절 장치를 부착하고 1,000 ㎖ THF/isopropanol (80/20 Volume%)와 이오노머로서 펠렛 형태의 Nucrel 2806, Surlyn 8150, 또는 Surlyn 9150 100 g을 넣고 60 ℃에서 6 시간 동안 약 150 rpm으로 교반하여 제조하였다.
상기 이오노머 용액에 준비된 탄소나노튜브(CNT) 50 g을 넣고 교반속도를 300 rpm 정도로 빠르게 교반하여 탄소나노튜브를 고르게 분산시켰다. 상기 교반과 함께 초음파를 가하여 분산시켰으며 교반속도를 보다 빠르게 하면서 물을 천천히 가하여 현탁액을 제조하였다.
얻어진 현탁액을 거름 장치에서 필터링한 후, 얻어진 알갱이 형태의 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 40 ℃ 이하 상온에서 완전히 건조하여 분말 형태의 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 제조하였다.
상기 얻어진 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 촬영하고, 이를 도 4에 나타내었다.
최종 얻어진 각 탄소나노튜브-이오노머(Nucrel 2806, Surlyn 8150, 또는 Surlyn 9150) 분산체에 대해 육안으로 확인한 결과, 모두 동일한 것을 확인하였다.
2. 탄소나노튜브 함유 골프공 핵의 제조
NdBR 고무 100 중량부에 상기 실시예 1에서 얻어진 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 탄소나노튜브 함량이 0, 2, 4, 6 및 8 중량부가 되도록 첨가하고, 이와 함께, 산화방지제, 안정제, 충진제, 가교제, 개시제 등과 함께 첨가하였다.
하기 표 1은 본 발명의 탄소나노튜브 함유 골프공 핵의 비교예 및 실시예를 보여준다.
골프공의 핵 매트릭스 탄소나노튜브-이오노머 분산체
NdBR 고무 이오노머 MWCNT
비교예 100 중량부 0 중량부 0 중량부
실시예 1 100 중량부 10 중량부 2 중량부
실시예 2 100 중량부 20 중량부 4 중량부
실시예 3 100 중량부 30 중량부 6 중량부
실시예 4 100 중량부 40 중량부 8 중량부
정리하면, 골프공 핵의 탄소나노튜브 함량이 0 중량부인 것은 비교예, 골프공 핵의 탄소나노튜브 함량이 2 중량부인 것은 실시예 1, 골프공 핵의 탄소나노튜브 함량이 4 중량부인 것은 실시예 2, 골프공 핵의 탄소나노튜브 함량이 6 중량부인 것은 실시예 3, 골프공 핵의 탄소나노튜브 함량이 8 중량부인 것은 실시예 4로 하였다.
탄소나노튜브 함량이 0 중량부인 비교예는 탄소나노튜브-이오노머 분산체를 전혀 첨가하지 않고 NdBR 고무만을 이용하여 골프공의 핵을 제조한 것을 의미한다.
상기 혼합물을 투롤 밀에서 배합하여 탄소나노튜브 함유 골프공 핵 형성용 조성물을 각각 제조한 후 실온에서 하루 동안 숙성시켰다.
상기 얻어진 각각의 탄소나노튜브 함유 골프공 핵 형성용 조성물 약 40g 크기로 잘라서 핵 형성용 열성형 프레스기에 넣고 150 ℃ 10분간 유지하여 성형하였다. 상기 성형과정에서 가스빼기를 2 회 실시하고 성형된 핵은 실온에서 하루 동안 냉각시킨 다음, 센터리스 그라인딩으로 표면처리하여 핵의 크기를 지름 39.4 mm로 하였다.
3. 커버의 피복
상기 제조된 비교예, 실시예 1 내지 4의 골프공 핵 표면에 고분자를 사출 성형하는 방법으로 커버를 형성하였다. 상기 커버 사출성형은 ENGEL insert 100 수직 사출기를 사용하였다. 금형은 hot runner 타입 몰드를 사용하였다. 커버는 332개의 딤플 캐비티(cavity)를 사용하였다. 이때, 커버는 이오노머를 사용하여 단일커버를 형성하였다. 골프공 커버 두께는 1.65 mm이었으며, 골프공의 무게는 45.52 g이었고, 직경은 42.70 mm이었다. 도5는 상기 제조된 골프공과 그것의 단면을 나타내었다.
4. 정전기 방지 코팅
비교예 및 실시예 1 내지 4에는 동일한 이오노머 커버가 형성되었다. 제조한 골프공 중 대표로 실시예 2의 골프공 핵을 이용하여 제조한 골프공을 선택하여 커버에 정전기 방지 코팅을 수행하였다.
정전기 방지 코팅을 위한 코팅액은 우레탄(폴리우레탄)용액과 탄소나노튜브(SWNT)을 혼합하여 제조하였다.
골프공 골프공의 핵 정전기 방지 코팅 코팅방식
우레탄 SWNT
실시예 5 실시예 4 100 중량부 10 중량부 분사방식
실시예 6 실시예 4 100 중량부 15 중량부 분사방식
실시예 7 실시예 4 100 중량부 20 중량부 분사방식
실시예 8 실시예 4 100 중량부 25 중량부 분사방식
정리하면, 실시예 5는 우레탄 100중량부에 대하여 탄소나노튜브(SWNT)가 10 중량부로 혼합된 코팅액을 분사하여 코팅한 골프공을 의미하며, 실시예 6 내지 8은 우레탄 100중량부에 대하여 각각 15, 20, 25 중량부로 혼합된 코팅액을 분사하여 코팅한 골프공을 의미한다.
5. 골프공의 압축변형량, 내충격량 , 탄성계수 측정 결과
상기 비교예 및 실시예 1 내지 4에서 제조한 핵을 이용하여 제조한 골프공에 대하여 버핑공정 및 연마공정, 코팅공정 등을 마무리 한 후 골프공의 압축변형량, 내충격량, 탄성계수 측정하였다.
압축변형량(compression) 측정은 ADC Compression tester를 사용하였다.
골프공의 내충격성(내구성) 측정은 미국 ADC(Automatic Design Corp.)사의 제품을 사용하였다. 내충격성 측정 방법으로는 골프공을 포신(cannon)에 장착한 다음 압축 공기로 밀어　2.54 m 전방에 위치한 2 cm 두께의 철판을 향해 발사하는 장비를 사용하여 측정하였다. 골프공을 175 ft/sec의 속도로 쏘아 골프공에 균열 또는 파괴가 일어날 때까지 반복하여 충돌 시험하고 그때까지의 반복 충돌횟수로 내충격성을 평가하였다. 충돌횟수 값이 클수록 볼의 내충격성이 좋은 것으로 평가할 수 있다.
탄성계수(coefficient of restitution) 측정은 125 ft/sec 속도로 공을 2.54 m전방에 위치한 2 cm 두께의 철판에 충돌시켜 충돌전후의 속도차이로 측정하였다.
하기 표 3에는 골프공에 따른 압축변형량, 내충격량, 탄성계수 측정결과를 보여준다.
골프공 골프공의 핵 측정결과
NdBR 고무 CNT 압축변형량 내충격성 탄성계수
실시예 9 100 중량부 0 중량부 0.098 inch 52 회 0.815
실시예 10 100 중량부 2 중량부 0.098 inch 91 회 0.811
실시예 11 100 중량부 4 중량부 0.098 inch 99 회 0.804
실시예 12 100 중량부 6 중량부 0.097 inch 103 회 0.800
실시예 13 100 중량부 8 중량부 0.096 inch 119 회 0.796
압축변형량을 측정한 결과, 탄소나노튜브(CNT) 함량을 8 중량부까지 높여도 압축변형량 값은 큰 변화가 없이 유지되는 것을 알 수 있었다. 이는 골프공의 압축변형량이 고무의 가교도와 밀접하게 관련되었다는 것을 의미한다. 탄소나노튜브는 매트릭스의 고무와 가교결합을 할 수 없다.
따라서, 탄소나노튜브의 첨가 유무에 상관없이 골프공의 압축변형량은 거의 일정하였다.
이에 반하여 내충격성은 탄소나노튜브의 첨가 유무에 영향을 받는다.
내충격성 측정 결과, 탄소나노튜브를 함유하지 않은 골프공(실시예 13)은 내충격성이 52 회인 것으로 확인 되었다. 이는 일반적인 골프공의 내구성 품질기준(내충격성 70 회 이상)에 훨씬 못 미치는 결과이다. 종래의 타격감이 부드러운 골프공은 압축변형량을 감소시키는 방법으로 제조된다. 골프공의 내충격성이 감소하면 내충격성도 감소한다. 따라서 종래의 타격감이 부드러운 골프공은 내구성이 취약한 단점이 있다.
골프공의 내충격성은 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록 현저히 증가하는 것이 확인된다. 구체적으로, 탄소나노튜브를 2 중량부 포함하는 실시예 14의 경우, 내충격성이 91 회로 탄소나노튜브를 포함하지 않는 실시예 13 대비 75 % 향상되었으며, 탄소나노튜브를 4 중량부 포함하는 실시예 15의 경우, 내충격성이 99 회로 탄소나노튜브를 포함하지 않는 실시예 13 대비 90 % 향상된 것이 확인된다.
또한 탄소나노튜브를 6 중량부 포함하는 실시예 16의 경우, 내구성이 103 회로 탄소나노튜브를 포함하지 않는 실시예 13 대비 98% 향상되었으며 탄소나노튜브를 8 중량부 포함하는 실시예 17의 경우, 내충격성이 119 회로 128% 향상된 것이 확인된다.
탄소나노튜브는 강도 및 탄성이 뛰어난 특성이 있다. 상기 결과는 탄소나노튜브가 골프공의 핵에 분산되어 포함되는 양이 증가함에 따라, 탄소나노튜브에 의한 외부 충격흡수 능력이 향상된다는 것을 보여준다.
고무와 가교결합을 하는 골프공 핵 충진재를 사용하는 경우, 충진재에 의한 내충격성과 압축변형량 변화는 서로 반대되는 경향을 보인다. 충진재로 인하여 압축변형량이 증가하여 타격감이 단단해 지면 내충격성이 증가하여 외부 충격에 대한 내구성이 증가하는 식이다.
본 발명의 탄소나노튜브는 종래의 골프공 핵 충진재와 달리 고무와 가교결합을 하지 않는다.
따라서, 본 발명의 골프공은 핵에서 탄소나노튜브가 잘 분산되어 탄소나노튜브의 특유의 내구성 향상 효과가 발현됨과 동시에, 고무의 낮은 압축변형량이 유지되어 부드러운 타격감을 가지는 골프공이 제조되었다.
따라서 본 발명의 탄소나노튜브 함유 골프공 기술은 탄소나노튜브가 포함되지 않은 골프공에 비해 부드러운 타구감의 압축변형량을 유지하면서도 내구성이 상당히 향상되어 쉽게 깨어지지 않는다.
6. 골프공의 전도성 및 투과율 측정 결과
정전기 방지 코팅을 위한 코팅액은 우레탄(폴리우레탄)용액과 탄소나노튜브(SWNT)을 혼합하여 제조하였다.
먼저 정전기 방지 코팅액을 이용하여 형성한 코팅층의 표면저항을 측정하기 위하여 Doctor Blade 방법을 이용하여 PET 필름위에 균일하게 코팅하였다.
상기 정전기 방지 코팅액과 Doctor Blade 방법을 이용하여 제조한 PET 필름에 대하여 UV-visible을 사용하여 코팅의 투과율을 측정하였다.
정전기 방지 코팅 표면저항(ST-3) 투과율
우레탄 SWNT
100 중량부 5 중량부 1011.5 Ω/sq 98.9 %
100 중량부 10 중량부 109.6 Ω/sq 97.7 %
100 중량부 15 중량부 109.6 Ω/sq 96.5 %
100 중량부 20 중량부 108.5 Ω/sq 94.5 %
100 중량부 40 중량부 108.3 Ω/sq 92.8 %
100 중량부 60 중량부 106.9 Ω/sq 90.7 %
100 중량부 80 중량부 106.9 Ω/sq 88.7 %
100 중량부 100 중량부 106.5 Ω/sq 85.8 %
탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 표면저항이 줄어드는 것을 확인하였다.
우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브를 5 중량부로 사용하는 경우 표면저항이 1011.5Ω/sq으로 측정되어 정전기 방지 기준에 미치지 못하는 것으로 판단되었다. 우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브를 10 중량부 이상으로 사용하면 표면저항이 109.6Ω/sq 이하인 것으로 확인되었다.
탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 투과율이 감소하는 것을 확인하였다.
통상적으로 투과율이 90% 이상이면 색에 대한 왜곡의 우려가 없어 투명코팅층으로서 사용되는 데 문제가 없다.
우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브를 80 중량부로 사용하는 경우 투과율이 88.7 %로 측정되었으며 우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브를 60 중량부로 사용하는 경우 투과율이 90.7 %로 측정되었다.
따라서 정전기 방지 기능을 수행할 수 있는 기준인 표면저항이 1011Ω/sq 미만을 만족하는 코팅액을 제조하기 위해서는 우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브를 10 중량부 이상을 사용하여 하는 것이 바람직한 것으로 판단되며 골프공의 색 표현력을 저하시키지 않는 투과율 90%이상을 만족하는 코팅액을 제조하기 위해서는 우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브를 60 중량부 이하를 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
상기 PET 필름 실험을 통해 검증한 탄소나노튜브를 포함하는 정전기 방지 코팅액을 골프공에 적용하여 표면저항과 투과율을 측정하였다.
골프공의 핵은 상기 실시예 4에서 제조한 핵을 사용하였으며 상기 핵은 이오노머를 이용하여 커버를 제조하였다. 상기 제조한 커버상에 탄소나노튜브 함유 정전기 방지 코팅액을 분사하여 코팅하였다.
골프공의 표면저항은 각 10개를 제조한 후 측정하여 최소 저항값과 최대 저항값을 확인하였다.
골프공 골프공의 핵 정전기 방지 코팅 표면저항(Ω/sq) 투과율
우레탄 SWNT
실시예 14 실시예 4 100 중량부 10 중량부 1.52 x 1011 ~ 3.52 x 1012 97.7 %
실시예 15 실시예 4 100 중량부 15 중량부 1.58 x 1010 ~ 5.17 x 1011 96.5 %
실시예 16 실시예 4 100 중량부 20 중량부 3.74 x 109 ~ 2.46 x 1010 94.5 %
실시예 17 실시예 4 100 중량부 25 중량부 1.15 x 109 ~ 3.89 x 109 93.0 %
표면저항 측정결과, PET 필름 결과와 달리 탄소나노튜브를 15 중량부로 사용하여도 표면저항 값의 최대값이 1011 Ω/sq을 초과하는 것으로 확인되었다. 이는 코팅된 표면이 PET와 이오노머로 서로 다르기 때문인 것으로 판단된다.
투과율 측정결과, 상기 PET 코팅과 유사하게, 25 중량부에서 93%의 투과율을 보이는 것이 확인되었다.
표면저항의 경우 탄소나노튜브 함유 정전기 방지 코팅층이 충분히 얇기 때문에 코팅층 아래에 존재하는 PET층 또는 이오노머층의 전기적 성질에 따라 영향을 받은 것으로 판단되며, 투과율의 경우 PET층 또는 이오노머층과 상관없이 탄소나노튜브 함유 정전기 방지 코팅층의 광학적 성질이 그대로 반영되었기 때문으로 판단된다.
따라서 실제 골프공에서 정전기 방지 기능을 가지며 투과율이 높아 색표현력이 우수한 정전기 방지 코팅층은 우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 10 내지 60 중량부가 포함된 정전기 방지 코팅액을 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (15)

  1. 지름이 10μm 내지 3,000μm인 알갱이 상태의 탄소나노튜브(carbon nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체를 포함하는 핵(core);
    상기 핵을 피복하는 커버(cover); 및
    상기 커버를 피복하는 정전기 방지 코팅층;
    을 포함하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브-이오노머 분산체는 탄소나노튜브와 이오노머 1 : 5 내지 1 : 1의 중량비로 포함된 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 직경이 10 내지 30 nm이며 직경과 길이의 종횡비(aspect ratio)가 100 내지 1,000 인 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 이오노머는 1 가 또는 2 가 금속으로 부분 중화시킨 3 성분계 이오노머 수지 및 상기 3 성분계 이오노머 수지의 불포화 카복실산 일부를 에스테르화한 4 성분계 이오노머 수지로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 공중합체 또는 복합체인 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 핵은 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 탄소나노튜브의 함량이 2 내지 8 중량부가 되도록 상기 탄소나노튜브(Carbon Nano-tube)-이오노머(ionomer) 분산체가 첨가되어 제조되는 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 매트릭스는 폴리부타디엔고무(Polybutadiene Rubber), 네오디뮴 부타디엔 고무(Neodymium Butadiene Rubber), 솔루션 스타이렌 부타디엔 고무(Solution Styrene Butadiene Rubber), 아크릴고무, 실리콘고무, 불소고무, HBR(High-cis Polybutadiene Rubber), 및 폐고무로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘이상의 공중합체 또는 복합체인 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 정전기 방지 코팅층은 폴리우레탄과 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 정전기 방지 코팅층은 폴리우레탄 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 10 내지 60 중량부가 첨가되어 제조된 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 직경이 0.80 내지 3 nm이며 직경과 길이의 종횡비(aspect ratio)가 100 내지 1000 인 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 정전기 방지 코팅층은 상기 폴리우레탄과 탄소나노튜브를 포함하는 정전기방지 코팅액을 제조한 후 상기 코팅액을 분사하여 제조하는 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 골프공은 압축변형량(compression)이 0.050 내지 0.110 inch인 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 골프공은 탄성계수(coefficient of restitution; COR)가 0.78 내지 0.82인 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 골프공은 내충격성이 90 회 이상인 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 정전기 방지 코팅층은 표면저항이 108 내지 1011 Ω/sq이며 투과율이 90 내지 95 %인 것을 특징으로 하는 타구감 및 내충격성이 향상된 골프공.
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