KR102143099B1

KR102143099B1 - 탄소복합소재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102143099B1
Application number: KR1020160022914A
Authority: KR
Inventors: 이수범; 이수민; 홍주형; 윤창훈; 최기대
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2020-08-10
Also published as: KR20170100727A

Abstract

본 발명은 탄소복합소재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 폴리아미드 수지, 체인연장제 및 탄소소재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 탄소복합소재 및 그 제조방법은 상기와 같은 구성을 포함함으로써, 종래의 탄소복합소재가 가지는 문제점을 개선하여, 분산도, 신율, 강도 등의 물성을 향상시킬 수 있으므로 전자소재 등에 다양하게 적용될 수 있다.

Description

탄소복합소재 및 그 제조방법{CARBON COMPOSITE AND METHOD FOR PREPARATION THEREOF}

본 발명은 탄소복합소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 분산도, 신율, 강도 등의 물성을 향상시킬 수 있는 탄소복합소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근에는 전자제품 기술의 발달로 전자제품의 소형화와 고집적화, 고성능화 및 경량화가 이루어지고 있으며, 이에 따라 나노기술(Nano technology) 분야로서 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT)에 대한 관심이 증가되고 있다.

탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(CarbonNanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 ㎛에서 수 mm인 물질로 1991년 Iijima 박사에 의해 Nature 저널에 보고된 이후 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되어왔다. 이러한 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp2 결합에서 기인하며, 철보다 강하고, 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기전도성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 종류는 크게 나노튜브의 벽수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(Double-Wall Carbon Nanotube, DWNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube, MWNT)로 구분할 수 있으며, 비대칭성/말린 각도(chirality)에 따라서 지그재그(zigzag), 암체어(armchair), 키랄(chiral) 구조로 나뉜다.

탄소나노튜브는 특정 구조에 따른 물성에 따라, 정보통신기술분야의 표시소자, 고집적 메모리소자, 2차 전지 및 초고용량 캐패시터(super capacitor), 수소저장 물질, 화학 센서, 고강도/초경량 복합재료, 정전기 제거 복합재료, 전자파 차폐(EMI/RFI shielding) 물질 등에 다기능적으로 적용할 수 있으며, 기존의 소자가 갖는 한계를 넘어설 가능성을 가지므로, 연구가 계속되고 있다.

현재까지 대부분의 연구는 분말형태의 탄소나노튜브를 분산시켜 복합재료의 강화재로 사용하거나 분산용액을 이용한 투명전도성 필름을 제조하는 방향으로 많이 진행되었으며, 몇몇 분야에서는 이미 상업화에 이르렀다. 하지만 복합재료에 탄소나노튜브를 이용하기 위해서는 탄소나노튜브의 분산이 중요한데 탄소나노튜브의 강한 반데르발스힘(van der Waals force)에 의한 응집력 때문에 이들을 고농도로 분산시키고 분산성을 유지하는 것은 쉽지 않은 일이다. 또한 탄소나노튜브가 강화재로 사용된 복합재료의 경우에는 탄소나노튜브의 우수한 성질을 충분히 발현하기가 힘들다는 단점이 있다. 기재 내에서 응집된 상태로 존재하는 탄소나노튜브는 복합재 내에서 충분한 전도성이나 보강성을 나타낼 수 없으므로, 탄소나노튜브를 분산시키는 작업은 우수한 물성을 갖는 복합재의 개발에서 중요한 과정이라고 할 수 있다.

종래 탄소나노튜브의 분산 방법은 크게 기계적 방법과 화학적 방법으로 나눌 수 있다. 기계적 방법으로는 초음파나 반바리 타입 믹서 등과 같은 기계적인 혼합을 이용하는 방법들이 있지만 이러한 기계적 방법은 탄소나노튜브 자체가 파괴되어 길이가 짧아지는 치명적인 단점이 있고, 용매, 분산제, 강산, 계면활성제, 폴리머 등을 이용하는 화학적 방법은 탄소나노튜브를 손상 없이 분산시킬 수 있으나, 탄소나노튜브 자체의 성질을 변형시킨다는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 탄소나노튜브를 파괴 및 변형시키지 않고, 분산도 및 강성을 향상시키기 위한 복합재에 대한 연구가 요구된다.

본 발명의 목적은 분산도, 신율, 강도 등의 물성을 향상시킬 수 있는 탄소복합소재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 탄소복합소재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,

폴리아미드 수지, 체인연장제 및 탄소소재를 포함하는, 탄소복합소재를 제공한다.

일 구현예에 따르면, 상기 폴리아미드 수지의 용융지수(MI)는 20g/10min 이하일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 폴리아미드 수지의 용융지수(MI)는 280℃, 0.325 kg의 조건에서 측정된 것일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 폴리아미드 수지의 수평균 분자량(Mn)은 15,000 내지 100,000일 수 있다.

구체적으로, 상기 폴리아미드 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서 n은 50 내지 1,000이다.

일 구현예에 따르면, 상기 체인연장제는 에틸렌디아민(ethylene di-amine), 에틸렌트리아민(ethylene tri-amine), 1,4-부탄디올(butanediol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), 1,6-헥산디올(hexanediol)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소소재는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀, 카본블랙으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탄소소재는 탄소나노튜브일 수 있다.

또한, 상기 탄소소재는 단일벽, 다중벽 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탄소소재는 강직한 랜덤코일 형태일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소소재의 평균 길이가 0.01 내지 1000um일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 조성물 총 중량을 기준으로 상기 탄소소재의 함량이 0.001 내지 30중량%일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 체인연장제와 상기 탄소소재의 중량비가 1:1 내지 30일 수 있다.

본 발명에 따른 다른 특징에 따르면,

폴리아미드 수지에 체인연장제를 첨가하여 반응시킴으로써 상기 폴리아미드 수지의 체인 길이를 증가시키는 단계; 및

상기 단계로부터 체인 길이가 증가한 폴리아미드 수지와 탄소소재를 혼합하는 단계;를 포함하는 탄소복합소재 제조방법을 제공할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 폴리아미드 수지와 탄소소재를 혼합하는 단계로부터 얻은 혼합물을 압출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 일 구현예에 따르면, 상기와 같은 탄소복합소재를 포함하는 성형품을 제공할 수 있다.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명에 따른 탄소복합소재는, 탄소소재의 분산도가 유효하게 향상되어 복합소재의 기계적 강성 및 신율을 증대시킬 수 있으므로, 신율 및 강도가 요구되는 제품에 효과적으로 적용할 수 있다.

도 1은 탄소복합소재의 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 탄소복합소재의 분산도를 관찰한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에 사용된 "복합소재"의 용어는 본 명세서 내에서 "복합재"와 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 두 가지 이상의 소재가 모여서 형성된 소재를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

또한, "성형"이라는 용어는 본 명세서 내에서 "가공"과 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 열이나 압력 등을 가하여 목적으로 하는 형태를 형성하는 것으로 이해될 수 있다.

최근 단일벽 탄소나노튜브는 우수한 전기적, 광학적 특성으로 인해 나노복합체 및 각종 전자소재로 각광받고 있다. 하지만 단일벽 탄소나노튜브는 결합에너지로 인하여 분산에 어려움이 있어, 일반적으로 활용도를 높이기 위하여 화학적으로 계면활성제 등을 이용하거나, 기계적으로 혼합기 등을 이용하고 있다. 하지만, 상기와 같은 화학적 또는 기계적 방법에 의한 탄소나노튜브의 분산은 탄소나노튜브 자체의 변형 또는 파손을 일으킬 우려가 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 이하, 본 발명의 구현예에 따른 탄소복합소재 및 그 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 탄소복합소재는,

폴리아미드 수지, 체인연장제 및 탄소소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 구현예에 따르면, 상기 폴리아미드 수지의 용융지수(MI)는 20g/10min 이하일 수 있으며, 예를 들어 10g/10min 이하일 수 있다. 상기 용융지수(MI)는 용융흐름지수(Melt Flow Index)를 의미하며, 일정 조건 하에 규정된 부하와 온도에서 용융물을 압출할 때 압출되어 배출된 용융물의 무게 또는 부피를 측정하여 유량을 나타내는 것이다. 이는 용융물의 흐름 용이성을 나타내는 지수(g/10min)이며, 온도, 분자량 등에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한, 상기 용융지수(MI)는 점도 또는 점성(viscosity)과는 반비례하는 것으로 이해될 수 있으며, 상기 점도 또는 점성은 유체 흐름에 대한 저항을 의미한다. 즉, 분자량이 높을수록 용융지수(MI)는 낮은 값을 가지며, 이는 흐름성이 낮은 고점도인 것을 뜻한다.

일 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 폴리아미드 수지는 280℃, 0.325 kg의 조건에서 측정되는 용융지수(MI)가 20g/10min 이하일 수 있으며, 예를 들어, 15g/10min 이하, 또는 10g/10min 이하일 수 있다.

또한, 상기 폴리아미드 수지의 수평균 분자량(Mn)은 15,000 내지 100,000일 수 있으며, 예를 들어, 20,000 내지 80,000 또는 20,000 내지 50,000일 수 있다.

상기와 같은 용융지수(MI) 및 수평균 분자량(Mn)을 가지는 폴리아미드 수지는 일반적으로 포함되는 폴리아미드 수지에 비해 낮은 용융지수를 가지므로, 상대적으로 고점도의 수지라고 할 수 있으며, 이와 같이 고점도의 수지를 포함함으로써, 압출과 같은 공정에 유리한 조성을 제공할 수 있다. 구체적으로, 고점도의 폴리아미드 수지를 포함하는 경우, 압출 공정 시 탄소나노튜브(CNT)에 가해지는 에너지가 증가하게 되며, 이에 따라 상기 폴리아미드 수지와 함께 포함되는 탄소나노튜브의 분산도를 향상시킬 수 있다.

상기 폴리아미드 수지로서는, 나일론 수지, 나일론 공중합체 수지 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 나일론 수지로는 통상적으로 알려진 ε-카프로락탐, ω-도데카락탐 등의 락탐을 개환 중합하여 얻어진 폴리아미드-6(나일론 6); 아미노카프론산, 11-아미노운데칸산, 12-아미노도데칸산 등의 아미노산에서 얻을 수 있는 나일론 중합물; 에틸렌디아민, 테트라메틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 운데카메틸렌디아민, 도데카메틸렌디아민, 2,2,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 2,4,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 5-메틸노나헥사메틸렌디아민, 메타크실렌디아민, 파라크실렌디아민, 1,3-비스아미노메틸시클로헥산, 1,4-비스아미노메틸시클로헥산, 1-아미노-3-아미노메틸-3,5,5-트리메틸시클로헥산, 비스(4-아미노시클로헥산)메탄, 비스(4-메틸-4-아미노시클로헥실)메탄, 2,2-비스(4-아미노시클로헥실)프로판, 비스(아미노프로필)피페라진, 아미노에틸피페리딘 등의 지방족, 지환족 또는 방향족 디아민과 아디프산, 세바킨산(sebacic acid), 아젤란산(azelaic acid), 테레프탈산, 2-클로로테레프탈산, 2-메틸테레프탈산 등의 지방족, 지환족 또는 방향족 디카르복시산 등의 중합으로부터 얻을 수 있는 나일론 중합체; 이들의 공중합체 또는 혼합물을 사용할 수 있다. 나일론 공중합체로는 폴리카프로락탐(나일론 6)과 폴리헥사메틸렌세바카미드(나일론 6,10)의 공중합체, 폴리카프로락탐(나일론 6)과 폴리헥사메틸렌아디프아미드(나일론 66)의 공중합체, 폴리카프로락탐(나일론 6)과 폴리라우릴락탐(나일론 12)의 공중합체 등을 포함할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 폴리아미드 수지는 구체적으로, 하기와 같은 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서 n은 50 내지 1,000 일 수 있다. 상기 나일론 수지는 상기 n의 범위에서 본 발명에 적합한 점도 및 사슬 길이를 가질 수 있다.

상기 n은 50보다 작은 경우 분자량이 작아 점도가 낮아질 수 있고, 1,000보다 큰 경우에는 압출 시 필요한 힘이 증가할 수 있으며, 예를 들어, 50 내지 500, 또는 100 내지 500, 또는 예를 들어, 150 내지 300의 범위일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 탄소복합소재는 폴리아미드 수지 이외에 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 광경화성 수지 등을 더 포함할 수 있으며, 예를 들어, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로나이트릴-부타디엔-스타이렌, 폴리에스테르카보네이트, 폴리프로필렌 및 폴리올레핀 등을 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 이들은 폴리아미드 수지의 용융지수(MI)에 영향을 주지 않는 범위 내에서 보조적으로 추가하여 사용할 수 있다.

상기 열경화성 수지로서는 예를 들면, 폴리에테르, 폴리이미드, 폴리술폰, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 페놀 수지 등을 사용할 수 있고, 광경화성 수지로서는 예를 들면, 라디칼 경화계 수지(아크릴계 모노머나 폴리에스테르아크릴레이트, 우레탄아크릴레이트, 에폭시아크릴레이트 등의 아크릴계 올리고머, 불포화 폴리에스테르, 엔티올계의 중합체), 양이온 경화계 수지(에폭시 수지, 옥세탄 수지, 비닐에테르계 수지) 등을 사용할 수 있고, 열가소성 수지로서는 예를 들면, 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 시클로폴리올레핀 수지 등을 사용할 수 있다.

상기 열가소성 수지로서는 당업계에서 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으나, 예를 들어 폴리카보네이트 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 수지, 아라미드수지, 방향족 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리에스테르카보네이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌설피드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리아릴렌 수지, 시클로올레핀계 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리비닐아세탈 수지, 폴리케톤 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리아릴케톤 수지, 폴리에테르니트릴 수지, 액정 수지, 폴리벤즈이미다졸 수지, 폴리파라반산 수지, 방향족 알케닐화합물, 메타크릴산에스테르, 아크릴산에스테르, 및 시안화비닐 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 비닐 단량체를, 중합 혹은 공중합시켜서 얻어지는 비닐계 중합체 혹은 공중합체 수지, 디엔-방향족 알케닐 화합물 공중합체 수지, 시안화비닐-디엔-방향족 알케닐 화합물 공중합체 수지, 방향족 알케닐 화합물-디엔-시안화비닐-N-페닐말레이미드 공중합체 수지, 시안화비닐-(에틸렌-디엔-프로필렌(EPDM))-방향족 알케닐 화합물 공중합체 수지, 폴리올레핀, 염화비닐 수지, 염소화 염화비닐 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다. 이들 수지의 구체적인 종류는 당업계에 잘 알려져 있으며, 해당 업계의 당업자들에 의해 적절히 선택될 수 있다.

상기 폴리올레핀 수지로서는, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 및 폴리(4-메틸-1-펜텐), 및 이들의 조합물이 될 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다. 일구현예에서, 상기 폴리올레핀으로서는 폴리프로필렌 동종 중합체(예를 들어, 혼성배열(atactic) 폴리프로필렌, 동일배열(isotactic) 폴리프로필렌, 및 규칙배열(syndiotactic) 폴리프로필렌), 폴리프로필렌 공중합체(예를 들어, 폴리프로필렌 랜덤 공중합체), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 적절한 폴리프로필렌 공중합체는, 이에 한정되지는 않지만, 에틸렌, 부트-1-엔(즉, 1-부텐), 및 헥스-1-엔(즉, 1-헥센)으로 이루어진 군으로부터 선택된 공단량체의 존재하에서 프로필렌의 중합으로부터 제조된 랜덤 공중합체를 포함한다. 이러한 폴리프로필렌 랜덤 공중합체에서, 공단량체는 임의의 적정한 양으로 존재할 수 있지만, 전형적으로 약 10wt% 이하(예를 들어, 약 1 내지 약 7wt%, 또는 약 1 내지 약 4.5wt%)의 양으로 존재할 수 있다.

상기 폴리에스테르 수지로서는, 디카르복실산 성분 골격과 디올 성분 골격의 중축합체인 호모 폴리에스테르나 공중합 폴리에스테르를 말한다. 여기서 호모 폴리에스테르로서는, 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트, 폴리-1,4-시클로헥산디메틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌디페닐레이트 등이 대표적인 것이다. 특히, 폴리에틸렌테레프탈레이트는 저렴하므로 매우 다방면에 걸치는 용도로 사용할 수 있어 바람직하다. 또한, 상기 공중합 폴리에스테르란 다음에 예시하는 디카르복실산 골격을 갖는 성분과 디올 골격을 갖는 성분으로부터 선택되는 적어도 3개 이상의 성분으로 이루어지는 중축합체로 정의된다. 디카르복실산 골격을 갖는 성분으로서는 테레프탈산, 이소프탈산, 프탈산, 1,4-나프탈렌디카르복실산, 1,5-나프탈렌디카르복실산, 2,6-나프탈렌디카르복실산, 4,4'-디페닐디카르복실산, 4,4'-디페닐술폰디카르복실산, 아디핀산, 세바신산, 다이머산, 시클로헥산디카르복실산과 그들의 에스테르 유도체 등을 들 수 있다. 글리콜 골격을 갖는 성분으로서는 에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜타디올, 디에틸렌글리콜, 폴리알킬렌글리콜, 2,2-비스(4'-β-히드록시에톡시페닐)프로판, 이소소르베이트, 1,4-시클로헥산디메탄올, 스피로글리콜 등을 들 수 있다.

상기 폴리카보네이트 수지는 디페놀류와 포스겐, 할로겐 포르메이트, 탄산에스테르 또는 이들의 조합과 반응시켜 제조될 수 있다. 상기 디페놀류의 구체적인 예로는, 히드로퀴논, 레조시놀, 4,4'-디히드록시디페닐, 2,2-비스(4-히드록시페닐) 프로판('비스페놀-A'라고도 함), 2,4-비스(4-히드록시페닐)-2-메틸부탄, 비스(4-히드록시페닐)메탄, 1,1-비스(4-히드록시페닐)사이클로헥산, 2,2-비스(3-클로로-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디클로로-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디브로모-4-히드록시페닐)프로판, 비스(4-히드록시페닐)술폭사이드, 비스(4-히드록시페닐)케톤, 비스(4-히드록시페닐)에테르 등을 들 수 있다. 　이들 중에서 좋게는 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디클로로-4-히드록시페닐)프로판 또는 1,1-비스(4-히드록시페닐)사이클로헥산을 사용할 수 있으며, 더 좋게는 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판을 사용할 수 있다.

상기 폴리카보네이트 수지는 2종 이상의 디페놀류로부터 제조된 공중합체의 혼합물일 수도 있다. 또한, 상기 폴리카보네이트 수지는 선형 폴리카보네이트 수지, 분지형(branched) 폴리카보네이트 수지, 폴리에스테르카보네이트 공중합체 수지 등을 사용할 수 있다.

상기 선형 폴리카보네이트 수지로는 비스페놀-A계 폴리카보네이트 수지 등을 들 수 있다. 상기 분지형 폴리카보네이트 수지로는 트리멜리틱 무수물, 트리멜리틱산 등과 같은 다관능성 방향족 화합물을 디페놀류 및 카보네이트와 반응시켜 제조한 것을 들 수 있다. 상기 다관능성 방향족 화합물은 분지형 폴리카보네이트수지 총량에 대하여 0.05 내지 2몰%로 포함될 수 있다. 상기 폴리에스테르카보네이트 공중합체 수지로는 이관능성 카르복실산을 디페놀류 및 카보네이트와 반응시켜 제조한 것을 들 수 있다. 　이때 상기 카보네이트로는 디페닐카보네이트 등과 같은 디아릴카보네이트, 에틸렌 카보네이트 등을 사용할 수 있다.

상기 시클로올레핀계 폴리머로서는, 노르보르넨계 중합체, 단고리의 고리형 올레핀계 중합체, 고리형 공액 디엔계 중합체, 비닐 지환식 탄화수소 중합체 및 이들의 수소화물을 들 수 있다. 그 구체예로서는, 아펠 (미츠이 화학사 제조의 에틸렌-시클로올레핀 공중합체), 아톤 (JSR 사 제조의 노르보르넨계 중합체), 제오노아 (닛폰 제온사 제조의 노르보르넨계 중합체) 등을 들 수 있다.

일구현예에 따르면, 상기 체인연장제는 저분자량의 다가 알코올, 예를 들어 에틸렌 글라이콜, 1,4-부탄 다이올, 글라이세린 등, 저분자량의 아민폴리올, 예를 들어 다이에탄올아민, 트라이에탄올아민 등, 폴리아민, 예를 들어 에틸렌다이아민, 자일릴렌다이아민, 메틸렌비스오르쏘클로로아닐린 등을 들 수 있다. 또한, 펜타에리스리톨(Pentaerythritol), 트리멜리틱 언하이드라이드(Trimellitic Anhydride), 트리멜리틱 산(Trimellitic Acid), 트리메틸 1,3,5-벤젠트리카르복실레이트(Trimethyl-1,3,5-Benzentricarboxylate), 트리메틸올 프로판(Trimethylol Propane), 네오펜틸 글리콜(Neopentyl Glycol) 등을 들 수 있다. 또한, 예를 들어, 에틸렌디아민(ethylene di-amine), 에틸렌트리아민(ethylene tri-amine), 1,4-부탄디올(butanediol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), 1,6-헥산디올(hexanediol) 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

일구현예에 따르면, 상기 체인연장제는 상기 폴리아미드 수지 100중량부에 대하여 0.01 내지 10중량부 포함할 수 있고, 예를 들어, 0.1 내지 5중량부, 예를 들어, 0.5 내지 3중량부의 범위로 포함할 수 있으나, 사용하는 폴리아미드 수지의 수평균분자량(Mn), 체인 길이 및 용융지수(MI) 등에 따라 조절될 수 있다. 상기 체인연장제의 함량이 0.01중량부 미만인 경우, 그 효과가 미비할 수 있고, 10중량부를 초과하는 경우, 경우 기계적 물성의 향상이 제한되는 문제가 발생할 우려가 있다.

상기와 같은 체인연장제를 포함함으로써, 고점도 폴리아미드 수지를 사용하여 분산도와 신율을 향상시킬 뿐만 아니라, 이에 더하여, 분산도, 신율 및 강도 등의 물성을 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 체인연장제는 고분자 수지의 분자 크기를 증가시켜 압출 공정 시 탄소나노튜브에 가해지는 힘의 크기를 증가시킬 수 있으므로, 혼합 에너지를 높임으로써 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. 상기 혼합 에너지는 등온도의 몇 가지 순수한 물질을 혼합함으로써 생긴 내부 에너지의 변화량을 의미할 수 있으며, 예를 들어, 혼합하는 경우에 열의 발생 또는 흡수를 들 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소소재는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀, 카본블랙으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 탄소나노튜브 및 탄소섬유를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 단일벽, 다중벽 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 탄소나노튜브는 또한, 강직한 랜덤코일 형태를 포함할 수 있다. 상기 강직한 랜덤코일 형태의 탄소나노튜브는 이펙티브 벤딩 모듈러스(effective bending modulus)가 열에너지(kT, 여기에서 k는 볼쯔만 상수이고, T는 절대온도임)보다 커서 사용하는 입자의 펼친 길이 이내에서 열에너지로 인한 탄성변형이 일어나지 않고, 입자의 전체 크기(말단간 거리)가 겉보기 분자량의 제곱근에 선형적으로 비례하는 탄소나노튜브로 정의될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소소재의 평균 길이는 0.01 내지 1,000um일 수 있으며, 예를 들어, 0.1 내지 100um일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 탄소소재의 함량은 과할 경우, 성형성이 떨어질 수 있고, 적을 경우, 내구성 등이 저하될 우려가 있으므로, 조성물 총 중량을 기준으로 0.001 내지 30중량%일 수 있으며, 예를 들어 0.01 내지 20중량%, 예를 들어 0.1 내지 10중량%일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 체인연장제와 상기 탄소소재의 함량비는 중량기준 1:1 내지 30일 수 있으며, 예를 들어 1:1 내지 20, 예를 들어 1:1 내지 10의 범위에서 탄소복합소재의 물성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 폴리아미드 수지에 체인연장제를 첨가하여 반응시킴으로써 상기 폴리아미드 수지의 체인 길이를 증가시키는 단계; 및 체인 길이가 증가한 폴리아미드 수지와 탄소소재를 혼합하는 단계;를 포함하는 탄소복합소재 제조방법을 제공할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 폴리아미드 수지는 용융지수(MI)가 20g/10min 이하인 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기 고분자 수지와 탄소소재를 혼합하는 단계로부터 얻은 혼합물을 압출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는 고분자 수지와 탄소소재를 압출기에서 용융 혼합 및 압출할 수 있다. 압출기의 종류는 일반적으로 사용되는 이축 압출기일 수 있으며 이에 한정되지 않고 사용할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기와 같은 탄소복합소재 및 그 제조방법에 따라 예를 들어 압출, 사출 또는 압출 및 사출하여 성형함으로써 신율 및 강도가 필요한 성형품에 적용할 수 있으며, 상기 성형품의 제조 방법은 당 업계에 사용되는 통상의 방법이면 적절하게 사용될 수 있으며, 상기 기재에 한정되지는 않는다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2 : 탄소복합소재의 제조

하기 표 1과 같은 조성으로 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2의 탄소복합소재를 제조하였다. 폴리아미드 수지로서는 나일론(PA66)을 사용하였으며, 탄소소재로서는 순도 90%의 단일벽 탄소나노튜브(TUBALL, OCSiAL사)를 사용하였고, 체인연장제로서는 에틸렌 디아민(ethylene diamine)을 사용하였다. 함량의 단위는 조성물 총 중량을 기준으로 하는 중량부이다.

폴리아미드 수지의 용융지수는 280℃, 0.325 kg의 조건에서, ASTM D1238와 ISO 1133 시험 표준에 따른 방법으로 측정하였으며, 일정온도에서 규정된 하중으로 압력을 적용하여, 특정 직경 및 길이의 모세관을 통해 10분 동안 흐르는 시료의 흐름을 측정한 후 g/10min으로 나타내었다.

구분	폴리아미드 수지 용융지수 (MI, g/10min)	폴리아미드 수지 중량부	체인연장제 중량부	탄소소재 중량부
실시예 1	5	100	1.0	1
실시예 2	5	100	1.0	2
실시예 3	5	100	1.0	3
실시예 4	5	100	0.5	1
실시예 5	5	100	0.5	2
실시예 6	5	100	0.5	3
비교예 1	5	100	-	1
비교예 2	5	100	-	2
비교예 3	5	100	-	3
비교예 4	25	100	-	1
비교예 5	25	100	-	2
비교예 6	25	100	-	3

제조예 1

상기 표 1에 따른 각 복합소재를 사용하여, 온도 프로파일을 280℃까지 올리면서 이축 압출기 (L/D=42, Φ=40mm)에서 압출하여 2mm X 2.5mm X 2.5mm의 크기를 가지는 펠렛을 제조하였다. 상기 제조된 펠렛을 사출기에서 사출온도 280℃의 플랫 프로파일의 조건으로 사출하여 두께 3.2mm, 길이 12.7mm 및 도그-본(dog-bone) 형태의 시편을 제조하였다.

실험예 : 강도 및 신율 측정

실험예 1

ASTM D638 규격에 따른 방법으로 인장강도를 측정하여 하기 표 2에 기재하였으며, 상기 인장강도의 단위는 MPa이다.

실험예 2

ASTM D790 규격에 따른 방법으로 인장신율을 측정하여 하기 표 2에 기재하였으며, 상기 인장신율의 단위는 %이다.

실험예 3

ASTM D256 규격에 따른 방법으로 충격강도를 측정하여 하기 표 2에 기재하였으며, 상기 충격강도의 단위는 kgf·m/m이다.

구분	인장강도 (MPa)	인장신율 (%)	충격강도 (kgf·m/m)
실시예 1	90	24.8	8.5
실시예 2	98	12.5	8.3
실시예 3	110	7.3	7.9
실시예 4	89	18.6	7.2
실시예 5	96	8.5	7.1
실시예 6	83	1.3	6.2
비교예 1	78	9.4	5.4
비교예 2	76	2.5	4.3
비교예 3	73	1.4	3.5
비교예 4	77	8.5	4.4
비교예 5	72	2.3	4.5
비교예 6	68	1.2	3.2

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 고점도 수지를 포함하는 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3과 저점도 수지를 포함하는 비교예 4 내지 6을 비교하면, 같은 함량의 탄소소재를 포함하는 경우, 고점도 수지를 포함하는 경우가 인장강도, 인장신율 및 충격강도가 더 향상되는 것을 나타낸다.

또한, 고점도 수지 및 체인연장제를 포함하고 있는 실시예 1 내지 6은 체인연장제를 포함하고 있지 않은 비교예 1 내지 3에 비하여, 인장강도, 인장신율 및 충격강도가 더 향상되는 것을 나타낸다.

그러므로, 탄소복합소재로서 고점도 수지를 사용하는 경우, 저점도 수지를 사용하는 경우에 비하여 물성이 다소 향상되는 경향을 보이며, 체인연장제를 추가로 첨가하는 경우, 그보다 더 물성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

폴리아미드 수지, 체인연장제 및 탄소소재를 포함하고,
상기 폴리아미드 수지는 280℃ 및 0.325㎏의 조건에서 측정된 용융지수(MI)가 20g/10min 이하인, 탄소복합소재.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 폴리아미드 수지의 수평균 분자량(Mn)이 15,000 내지 100,000인 것인 탄소복합소재.
제1항에 있어서,
상기 폴리아미드 수지가 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것인 탄소복합소재:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서 n은 정수 50 내지 1,000이다.
제1항에 있어서,
상기 체인연장제가 에틸렌디아민(ethylene di-amine), 에틸렌트리아민(ethylene tri-amine), 1,4-부탄디올(butanediol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌글리콜(diethylene glycol), 1,6-헥산디올(hexanediol)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 탄소복합소재.
제1항에 있어서,
상기 탄소소재가 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀, 카본블랙으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 탄소복합소재.
제1항에 있어서,
상기 탄소소재가 탄소나노튜브인 것인 탄소복합소재.
제1항에 있어서,
상기 탄소소재가 단일벽, 다중벽 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 탄소복합소재.
제8항에 있어서,
상기 탄소나노튜브가 강직한 랜덤코일 형태인 것인 탄소복합소재.
제1항에 있어서,
상기 탄소소재의 평균 길이가 0.01 내지 1000um인 것인 탄소복합소재.
제1항에 있어서,
조성물 총 중량을 기준으로 상기 탄소소재의 함량이 0.001 내지 30중량%인 것인 탄소복합소재.
제1항에 있어서,
상기 체인연장제와 상기 탄소소재의 함량비가 중량기준으로 1:1 내지 30인 것인 탄소복합소재.
폴리아미드 수지에 체인연장제를 첨가하여 반응시킴으로써 상기 폴리아미드 수지의 체인 길이를 증가시키는 단계; 및
체인 길이가 증가한 폴리아미드 수지와 탄소소재를 혼합하는 단계;를 포함하고,
상기 폴리아미드 수지는 280℃ 및 0.325㎏의 조건에서 측정된 용융지수(MI)가 20g/10min 이하인, 제1항에 따른 탄소복합소재 제조방법.
삭제
제14항에 있어서,
상기 폴리아미드 수지와 탄소소재의 혼합물을 용융 압출하는 단계를 더 포함하는 것인 탄소복합소재 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 폴리아미드 수지와 탄소소재를 압출기에서 혼합 및 압출 성형하는 것인 탄소 복합소재 제조방법.
제1항, 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항의 탄소복합소재를 포함하는 성형품.