KR102174536B1 - Polyamide-carbon nanotube nanocomposite and method for manufacturing the same - Google Patents

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박민석
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Abstract

The present invention relates to a polyamide-carbon nanotube nanocomposite and a method for manufacturing the same. The polyamide-carbon nanotube nanocomposite of the present invention has excellent dispersibility of carbon nanotubes and improved interfacial compatibility, and thus has very high electrical conductivity. The polyamide-carbon nanotube nanocomposite includes a polyamide-based polymer resin and a carbon nanotube coated with and an isoalloxazine derivative represented by chemical formula 1.

Description

폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 및 이의 제조방법{Polyamide-carbon nanotube nanocomposite and method for manufacturing the same}Polyamide-carbon nanotube nanocomposite and method for manufacturing the same}

본 발명은 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polyamide-carbon nanotube nanocomposite and a method for producing the same.

카프로락탐의 개환 중합에 의해 제조된 폴리아미드(polyamide, PA) 6는 가장 광범위하게 사용되는 PA 유도체 중 하나이다. PA계 플라스틱은 강도 및 마모 특성이 뛰어나기 때문에 광범위한 응용 분야를 갖고 있다. 또한, 강화된 PA는 가벼운 중량과 부식이 일어나지 않는 성질에 의해 자동차 제조 분야에서 금속을 대체하기 시작하였으나 PA의 절연 특성은 전기재료로서의 사용을 제한하고 있다. 그러나 탄소와 무기물질을 기반으로 한 나노 물질을 외부 물질로 PA에 결합시키면 전자파 차폐제 및 터치 스크린 필름의 구성으로 사용되기에 충분히 높은 전도도를 갖는 물질이 형성될 수 있다. 이중 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotubes, MWNTs)는 매우 큰 전도도와 기계적인 보강이 가능한 100을 초과하는 높은 종횡비를 바탕으로 전기적 특성을 향상시키는 첨가제로 사용되고 있다. Polyamide (PA) 6 prepared by ring-opening polymerization of caprolactam is one of the most widely used PA derivatives. PA-based plastics have a wide range of applications because of their excellent strength and wear properties. In addition, reinforced PA began to replace metals in automobile manufacturing due to its light weight and non-corrosive properties, but the insulating properties of PA limit its use as an electrical material. However, when a nanomaterial based on carbon and an inorganic material is bonded to the PA as an external material, a material having a high enough conductivity may be formed to be used as an electromagnetic wave shielding agent and a touch screen film. Double-walled carbon nanotubes (MWNTs) are used as additives to improve electrical properties based on very high conductivity and a high aspect ratio exceeding 100 that can be mechanically reinforced.

고전도성 MWNT 나노 복합체의 제조에서 직면한 주된 과제는 매트릭스 폴리머에서 MWNT의 균일한 분산과 MWNT와 고분자 간의 우수한 계면 접착력 달성에 있다. MWNT와 고분자 매트릭스의 접착력이 좋지 못한 것으로 알려져 있으며, MWNT가 응집되어 덩어리가 되면, 나노 복합체의 전기적 성능을 저하시키는 결함으로 작용한다.The main challenges faced in the manufacture of highly conductive MWNT nanocomposites are to achieve uniform dispersion of MWNTs in the matrix polymer and excellent interfacial adhesion between the MWNTs and the polymer. It is known that the adhesion between the MWNT and the polymer matrix is poor, and when the MWNT aggregates and becomes a lump, it acts as a defect that deteriorates the electrical performance of the nanocomposite.

MWNT나 고분자 매트릭스에 작용기를 도입하여 접착력을 향상시킬 수 있는데, 황산과 질산의 혼합물과 같은 강산을 처리함으로써 카르복실기, 아민 및 히드록시기 등의 공유 결합 작용기가 포함된다. 그러나 공유 결합 작용기를 도입하는 경우 MWNT의 공액 π네트워크를 파괴가 불가피하여 MWNT의 물리적 물성을 악화시킨다. 이에 대한 대안으로 계면활성제를 이용하여 MWNT의 비공유결합 작용기를 도입하는 방법이 있다. 이 방법은 계면활성제가 고분자 매트릭스의 주쇄와 MWNT의 측벽에 강한 상호작용을 유도하여 나노 복합체의 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.The adhesion can be improved by introducing a functional group into the MWNT or polymer matrix, and covalently bonded functional groups such as carboxyl groups, amines and hydroxy groups are included by treatment with a strong acid such as a mixture of sulfuric acid and nitric acid. However, in the case of introducing a covalent functional group, the conjugated π network of MWNTs is inevitable and thus the physical properties of MWNTs are deteriorated. As an alternative to this, there is a method of introducing a non-covalent functional group of MWNT using a surfactant. In this method, the surfactant induces a strong interaction between the main chain of the polymer matrix and the sidewall of the MWNT, thereby improving the electrical performance of the nanocomposite.

Naskar, A. K.; Keum, J. K.; Boeman, R. G., Polymer Matrix Nanocomposites for Automotive Structural Components. Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 1026. Naskar, A. K.; Keum, J. K.; Boeman, R. G., Polymer Matrix Nanocomposites for Automotive Structural Components. Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 1026. Liu, Y.; Kumar, S., Polymer/Carbon Nanotube Nano Composite Fibers-A Review. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6 (9), 6069-6087. Liu, Y.; Kumar, S., Polymer/Carbon Nanotube Nano Composite Fibers-A Review. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6 (9), 6069-6087. Chen, J.; Liu, B.; Gao, X.; Xu, D., A Review of the Interfacial Characteristics of Polymer Nanocomposites containing Carbon Nanotubes. RSC Adv. 2018, 8 (49), 28048-28085. Chen, J.; Liu, B.; Gao, X.; Xu, D., A Review of the Interfacial Characteristics of Polymer Nanocomposites containing Carbon Nanotubes. RSC Adv. 2018, 8 (49), 28048-28085.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 폴리아미드 내에서 탄소나노튜브의 분산성과 계면 적합성이 향상되어 매우 우수한 전기전도도를 갖는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.Accordingly, the technical problem to be solved by the present invention relates to a polyamide-carbon nanotube nanocomposite having very excellent electrical conductivity by improving the dispersibility and interfacial compatibility of carbon nanotubes in polyamide, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 일 측면은 폴리아미드(polyamide)계 고분자 수지; 및 상기 폴리아미드계 고분자 수지에 분산되고, 하기 화학식 1로 표시되는 이소알록사진(isoalloxazine) 유도체로 코팅된 탄소나노튜브;를 포함하는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체를 제공한다.One aspect of the present invention is a polyamide-based polymer resin; And carbon nanotubes dispersed in the polyamide-based polymer resin and coated with an isoalloxazine derivative represented by the following Chemical Formula 1. It provides a polyamide-carbon nanotube nanocomposite comprising:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019051798587-pat00001
Figure 112019051798587-pat00001

상기 식에서 R은 수소 또는 탄소수 1~6의 알킬이고, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬, 하이드록시, 할로겐 원자, 할로겐화 알킬기, 카르보닐기, 시안기, 알콕시기, 알킬티오, 티오기, 알릴기, 아릴기 또는 질소 헤테로환이고, X는 탄소수 3~20의 포화 또는 불포화 알킬기이다.In the above formula, R is hydrogen or alkyl having 1 to 6 carbon atoms, and R 1 to R 4 are each independently hydrogen, alkyl, hydroxy, halogen atom, halogenated alkyl group, carbonyl group, cyan group, alkoxy group, alkylthio, thio group, It is an allyl group, an aryl group, or a nitrogen heterocycle, and X is a C3-C20 saturated or unsaturated alkyl group.

본 발명의 다른 측면은 계면활성제 및 탄소나노튜브가 혼합된 분산용액을 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 표면에 계면활성제를 결합시키는 단계; 상기 계면활성제가 표면에 결합된 탄소나노튜브를 열처리하여 계면활성제를 하기 화학식 1로 표시되는 이소알록사진(isoalloxazine) 유도체로 변형시킴으로써, 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 및 상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브 및 폴리아미드계 고분자 수지의 혼합물을 용융 압출하는 단계;를 포함하는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is to prepare a dispersion solution in which a surfactant and carbon nanotubes are mixed; Bonding a surfactant to the surface of the carbon nanotubes; Preparing a carbon nanotube coated with an isoalloxazine derivative by heat-treating the carbon nanotube to which the surfactant is bonded to the surface to transform the surfactant into an isoalloxazine derivative represented by the following Formula 1; And it provides a method for producing a polyamide-carbon nanotube nanocomposite comprising; and melt-extruding a mixture of the carbon nanotubes coated with the isoalloxazine derivative and the polyamide-based polymer resin.

본 발명의 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체는 탄소나노튜브가 우수한 분산성을 가짐과 동시에 계면 적합성이 향상되어 매우 높은 전기 전도성을 갖는다. The polyamide-carbon nanotube nanocomposite of the present invention has excellent dispersibility of the carbon nanotubes and improved interfacial compatibility, thereby having very high electrical conductivity.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 시트의 실제 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 PA-dFMN-MWNT 폴리아미드-탄소나노튜브 나노복합체의 SEM 분석 이미지이다. 도 3a 내지 c는 PA-dFMN-MWNT-1, 도 3d 내지 f는 PA-dFMN-MWNT-5, 도 3g 내지 3i는 PA-dFMN-MWNT-10의 각기 다른 배율의 SEM 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리아미드-탄소나노튜브 나노복합체의 전기전도도를 측정한 결과이다. 도 4a는 LED와 직렬 연결된 4.5 V AA배터리, 저항으로 사용된 PA-dFMN-MWNT-10을 포함하는 회로의 이미지이며, 삽도는 회로도이다. 도 4b는 PA, PA-dFMN-MWNT-3, -5, -10 및 폴리아미드-탄소나노튜브 나노복합체가 없는 경우의 LED 사진이다. 도 4c는 PA-dFMN-MWNT-3, -5 및 -10의 전기전도도를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 폴리아미드-탄소나노튜브 나노복합체의 라만스펙트럼 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 기계적 강도를 측정한 결과이다. 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 응력-변형율 곡선이며, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 인장 강도와 파단 연신을 측정한 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 FT-IR 분석 결과이다.
1 is a schematic diagram of a method of manufacturing a polyamide-carbon nanotube nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
2 is an actual photograph of a polyamide-carbon nanotube nanocomposite sheet prepared according to an embodiment of the present invention.
3 is an SEM analysis image of a PA-dFMN-MWNT polyamide-carbon nanotube nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention. 3a to c are PA-dFMN-MWNT-1, FIGS. 3d to f are PA-dFMN-MWNT-5, and FIGS. 3g to 3i are SEM analysis results of PA-dFMN-MWNT-10 at different magnifications.
4 is a result of measuring the electrical conductivity of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention. 4A is an image of a circuit including a 4.5 V AA battery connected in series with an LED, and PA-dFMN-MWNT-10 used as a resistor, and the inset is a circuit diagram. 4B is a photograph of LEDs in the absence of PA, PA-dFMN-MWNT-3, -5, -10, and polyamide-carbon nanotube nanocomposites. Figure 4c is a graph measuring the electrical conductivity of PA-dFMN-MWNT-3, -5 and -10.
5 is a Raman spectrum analysis result of a polyamide-carbon nanotube nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention.
6 is a result of measuring the mechanical strength of a polyamide-carbon nanotube nanocomposite according to an embodiment of the present invention. 6A is a stress-strain curve of a polyamide-carbon nanotube nanocomposite according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a tensile strength and fracture of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite according to an embodiment of the present invention. It is the result of measuring elongation.
7 is an FT-IR analysis result of a polyamide-carbon nanotube nanocomposite according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면은 폴리아미드(polyamide)계 고분자 수지; 및 상기 폴리아미드계 고분자 수지에 분산되고, 하기 화학식 1로 표시되는 이소알록사진(isoalloxazine) 유도체로 코팅된 탄소나노튜브;를 포함하는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체를 제공한다.One aspect of the present invention is a polyamide-based polymer resin; And carbon nanotubes dispersed in the polyamide-based polymer resin and coated with an isoalloxazine derivative represented by the following Chemical Formula 1. It provides a polyamide-carbon nanotube nanocomposite comprising:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019051798587-pat00002
Figure 112019051798587-pat00002

상기 식에서 R은 수소 또는 탄소수 1~6의 알킬이고, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬, 하이드록시, 할로겐 원자, 할로겐화 알킬기, 카르보닐기, 시안기, 알콕시기, 알킬티오, 티오기, 알릴기, 아릴기 또는 질소 헤테로환이고, X는 탄소수 3~20의 포화 또는 불포화 알킬기이다.In the above formula, R is hydrogen or alkyl having 1 to 6 carbon atoms, and R 1 to R 4 are each independently hydrogen, alkyl, hydroxy, halogen atom, halogenated alkyl group, carbonyl group, cyan group, alkoxy group, alkylthio, thio group, It is an allyl group, an aryl group, or a nitrogen heterocycle, and X is a C3-C20 saturated or unsaturated alkyl group.

상기 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체는 폴리아미드 고분자 매트릭스에 탄소나노튜브를 분산시켜 우수한 전기전도성(electrical conductivity)를 갖는 복합체에 관한 것이다. 기본적으로 탄소나노튜브는 탄소나노튜브끼리 응집되는 성질을 갖기 때문에, 고분자 매트릭스 내에서 균일한 분산을 이루는 것이 매우 어렵다. 또한 탄소나노튜브와 고분자 매트릭스 간의 계면 적합성을 향상시키는 것은 우수한 전기 전도도를 갖기 위해 충족해야하는 조건 중의 하나이다. 본 발명에서는 계면활성제를 활용하여 탄소나노튜브의 개별화를 달성하였으며, 계면활성제를 측쇄에 탄소수 3~20의 포화 또는 불포화 알킬기를 포함하는 이소알록사진 유도체로 변형시켜 폴리아미드 수지와 탄소나노튜브의 혼화성을 극대화하여 계면 적합성을 개선하여 매우 향상된 전기전도도를 갖는 나노 복합체를 완성하였다.The polyamide-carbon nanotube nanocomposite relates to a composite having excellent electrical conductivity by dispersing carbon nanotubes in a polyamide polymer matrix. Basically, since carbon nanotubes have a property of aggregation between carbon nanotubes, it is very difficult to achieve uniform dispersion in a polymer matrix. In addition, improving the interfacial compatibility between the carbon nanotubes and the polymer matrix is one of the conditions that must be satisfied in order to have excellent electrical conductivity. In the present invention, a surfactant was used to achieve individualization of carbon nanotubes, and the surfactant was transformed into an isoalloxazine derivative containing a saturated or unsaturated alkyl group having 3 to 20 carbon atoms in the side chain. A nanocomposite with a very improved electrical conductivity was completed by maximizing the chemistry and improving interfacial compatibility.

상기 X는 예를 들어, 부타디에닐(butadienyl)기, 펜타디에닐(pentadienyl)기, 헥사디에닐(hexadienyl)기, 헵타디에닐(heptadienyl)기, 옥타디에닐(octadienyl)기, 도데실(dodecyl)기, 테트라데실(tetradecyl), 헥사데실(hexadecyl)기, 옥타데실(octadecyl) 또는 에이코실(eicosyl)기일 수 있다. X is, for example, a butadienyl group, pentadienyl group, hexadienyl group, heptadienyl group, octadienyl group, dodecyl ( Dodecyl) group, tetradecyl (tetradecyl), hexadecyl (hexadecyl) group, octadecyl (octadecyl) or eicosyl (eicosyl) group may be.

상기 펜타디에닐기는 비편재화된 이중결합이 있다는 점에서 부가중합반응을 할 수 있고, 이를 기반으로 고분자 메트릭스와의 공유결합을 할 수 있다는 점에서 탄소나노튜브와 고분자 매트릭스와의 계면 적합성을 높일 수 있어 바람직하다. 좀 더 일반적인 불포화 알킬기의 경우도 공유결합을 할 수 있어 바람직하다. The pentadienyl group can undergo an addition polymerization reaction in that there is a delocalized double bond, and based on this, the interfacial compatibility between the carbon nanotube and the polymer matrix can be improved in that it can covalently bond with the polymer matrix. It is preferable. In the case of a more general unsaturated alkyl group, it is preferable because it can covalently bond.

상기 포화 알킬기의 경우 기존에 알려진 초음파분쇄법 및 볼밀링 등의 방법을 이용하여 유기용매에 탄소나노튜브를 잘 분산시킬 수 있으며, 용매를 제거시 표면에 노출된 포화 알킬기는 소수성 고분자 메트릭스와의 계면 적합성을 높일 수 있어 나노 복합체 합성에 매우 적합하다.In the case of the saturated alkyl group, the carbon nanotubes can be well dispersed in the organic solvent by using methods such as ultrasonic grinding and ball milling, which are known in the past, and the saturated alkyl group exposed to the surface when the solvent is removed is the interface with the hydrophobic polymer matrix. It is very suitable for nanocomposite synthesis because it can increase the suitability.

상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 상기 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 전체 중량 대비 1 내지 12 중량% 포함될 수 있다. 상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 상기 범위에서 폴리아미드 매트릭스 내에 분산되어 우수한 계면 특성으로 전기전도성이 현저하게 상승할 수 있다. 1 중량% 미만으로 포함될 경우, 기대하는 전기전도성 향상의 효과가 미비할 수 있으며, 12 중량%를 초과할 경우, 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 인장 강도를 포함하는 기계적인 강도가 급격하게 감소할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.The carbon nanotube coated with the isoalloxazine derivative may be included in an amount of 1 to 12% by weight based on the total weight of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite. The carbon nanotubes coated with the isoalloxazine derivative are dispersed in the polyamide matrix within the above range, so that the electrical conductivity can be remarkably increased with excellent interfacial properties. If it is included in less than 1% by weight, the expected effect of improving electrical conductivity may be insufficient, and if it exceeds 12% by weight, mechanical strength including tensile strength of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite is rapidly reduced. It is not desirable because it can.

더욱 바람직하게는 상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 상기 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 전체 중량 대비 3 내지 10 중량% 포함될 수 있다. 상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 3 내지 10 중량% 포함되는 것이 전기 전도도가 급격하게 상승한다는 점에서 바람직하다. 후술하는 실시예에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 범위에서 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체는 100 S/m 이상의 전기 전도도를 보였으며, 이는 기존에 보고된 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체에서 보였던 전기 전도도 값에 비해 거의 10 배 정도 향상된 전기 전도도에 해당한다. More preferably, the carbon nanotube coated with the isoalloxazine derivative may be included in an amount of 3 to 10% by weight based on the total weight of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite. The carbon nanotubes coated with the isoalloxazine derivative are preferably contained in an amount of 3 to 10% by weight in that electrical conductivity rapidly increases. As can be seen in the examples to be described later, in the above range, the polyamide-carbon nanotube nanocomposite showed an electrical conductivity of 100 S/m or more, which is the electricity seen in the previously reported polyamide-carbon nanotube nanocomposite. It corresponds to an electrical conductivity that is almost 10 times higher than the conductivity value.

상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 이 중 다중벽 탄소나노튜브가 더욱 우수한 전기전도성을 갖는다는 점에서 바람직하다.The carbon nanotubes may be any one or a mixture of two or more selected from single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes, among which the multi-walled carbon nanotubes are preferable in that they have more excellent electrical conductivity.

본 발명의 다른 측면은 계면활성제 및 탄소나노튜브가 혼합된 분산용액을 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 표면에 계면활성제를 결합시키는 단계; 상기 계면활성제가 표면에 결합된 탄소나노튜브를 열처리하여 계면활성제를 하기 화학식 1로 표시되는 이소알록사진(isoalloxazine) 유도체로 변형시킴으로써, 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 및 상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브 및 폴리아미드계 고분자 수지의 혼합물을 용융 압출하는 단계;를 포함하는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is to prepare a dispersion solution in which a surfactant and carbon nanotubes are mixed; Bonding a surfactant to the surface of the carbon nanotubes; Preparing a carbon nanotube coated with an isoalloxazine derivative by heat-treating the carbon nanotube to which the surfactant is bonded to the surface to transform the surfactant into an isoalloxazine derivative represented by the following Formula 1; And it provides a method for producing a polyamide-carbon nanotube nanocomposite comprising; and melt-extruding a mixture of the carbon nanotubes coated with the isoalloxazine derivative and the polyamide-based polymer resin.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019051798587-pat00003
Figure 112019051798587-pat00003

상기 식에서 R은 수소 또는 탄소수 1~6의 알킬이고, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬, 하이드록시, 할로겐 원자, 할로겐화 알킬기, 카르보닐기, 시안기, 알콕시기, 알킬티오, 티오기, 알릴기, 아릴기 또는 질소 헤테로환이고, X는 탄소수 3~20의 포화 또는 불포화 알킬기이다. 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 부분에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법은 계면활성제를 탄소나노튜브에 코팅한 후, 이를 열처리하여 계면활성제의 측쇄를 변형시킴으로써, 탄소나노튜브의 분산성은 유지시키면서 폴리아미드 수지와의 계면 적합성을 매우 높일 수 있었다. 향상된 분산성과 계면 적합성을 통하여 매우 높은 전기 전도성을 갖는 폴리아미드-나노 복합체를 제조할 수 있었다.In the above formula, R is hydrogen or alkyl having 1 to 6 carbon atoms, and R 1 to R 4 are each independently hydrogen, alkyl, hydroxy, halogen atom, halogenated alkyl group, carbonyl group, cyan group, alkoxy group, alkylthio, thio group, It is an allyl group, an aryl group, or a nitrogen heterocycle, and X is a C3-C20 saturated or unsaturated alkyl group. As described above in the part of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite, in the method for preparing the polyamide-carbon nanotube nanocomposite of the present invention, a surfactant is coated on a carbon nanotube and then heat-treated to form a side chain of the surfactant. By modifying, the interfacial compatibility with the polyamide resin could be greatly improved while maintaining the dispersibility of the carbon nanotubes. A polyamide-nano composite having very high electrical conductivity could be prepared through improved dispersibility and interfacial compatibility.

상기 분산용액의 용매는 물일 수 있다.The solvent of the dispersion solution may be water.

상기 탄소나노튜브 표면에 계면활성제를 결합시키는 단계는 초음파, 볼밀, 또는 밀링을 이용한 분산방법을 이용하는 것일 수 있다.The bonding of the surfactant to the surface of the carbon nanotube may be performed using an ultrasonic wave, a ball mill, or a dispersion method using milling.

상기 계면활성제는 FMN(flavin mononucleotide), FC12(N-dodecyl flavin), FC16(N-hexadecyl flavin) 및 FC20(N-eicosyl flavin) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 FMN은 향후 열처리에 의해 N-펜타디에닐(pentadienyl) 측쇄를 형성하여 폴리아미드와 매우 유사한 혼화성을 갖기 때문에, 탄소나노튜브를 폴리아미드에 잘 분산시켜 전기 전도도를 향상시킬 수 있다는 점에서 바람직하다.The surfactant may be any one or a mixture of two or more selected from FMN (flavin mononucleotide), FC12 (N-dodecyl flavin), FC16 (N-hexadecyl flavin), and FC20 (N-eicosyl flavin). The FMN forms N-pentadienyl side chains by heat treatment in the future and has very similar miscibility with polyamide, so it is preferable in that it can improve electrical conductivity by dispersing carbon nanotubes well in polyamide. Do.

상기 열처리는 300 내지 600 ℃의 공기 분위기에서 1 내지 4 시간 동안 이루어질 수 있다. 상기 열처리를 공기 분위기에서 진행하는 경우, 공기 분위기에서 열처리를 하지 않는 경우에 비하여 탄소나노튜브가 고분자 매트릭스에 잘 분산된 나노복합체를 형성하는 효과를 기대할 수 있다. 열처리는 300 내지 600 ℃의 온도에서 이루어질 수 있는데, 바람직하게는 400 내지 500 ℃에서 이루어질 수 있다. 열처리가 300 ℃ 미만에서 진행될 경우, 측쇄의 인산기와 수산화기가 제거되지 않는 문제가 있으며, 600 ℃를 초과할 경우 탄소나노튜브 표면에 붙어 있는 이소알록사진 고리가 산화되어 고분자 매트릭스에 잘 분산되지 않을 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.The heat treatment may be performed for 1 to 4 hours in an air atmosphere of 300 to 600 °C. When the heat treatment is performed in an air atmosphere, an effect of forming a nanocomposite in which carbon nanotubes are well dispersed in a polymer matrix can be expected compared to a case where the heat treatment is not performed in an air atmosphere. The heat treatment may be performed at a temperature of 300 to 600 °C, preferably at 400 to 500 °C. If the heat treatment is performed at less than 300 ℃, there is a problem that the phosphoric acid group and the hydroxyl group of the side chain are not removed. If it exceeds 600 ℃, the isoalloxazine ring attached to the surface of the carbon nanotube is oxidized and may not be well dispersed in the polymer matrix It is not desirable because there is.

또한, 상기 열처리는 1 내지 4 시간 동안 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 90 분 내지 150 분 동안 이루어질 수 있다. 열처리가 1 시간 미만 수행될 경우 측쇄의 인산기와 수산화기가 충분히 제거되지 않는 문제가 있으며, 4 시간을 초과할 경우 탄소나노튜브 표면에 붙어 있는 이소알록사진 고리가 산화되는 문제가 있을 수 있다.In addition, the heat treatment may be performed for 1 to 4 hours, preferably 90 to 150 minutes. When the heat treatment is performed for less than 1 hour, there is a problem that the phosphoric acid group and the hydroxyl group of the side chain are not sufficiently removed, and when it exceeds 4 hours, there may be a problem that the isoalloxazine ring attached to the surface of the carbon nanotube is oxidized.

상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 상기 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 전체 중량 대비 1 내지 12 중량% 포함될 수 있다. 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브의 함량에 따른 효과는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체에서 상술한 바와 동일하다.The carbon nanotube coated with the isoalloxazine derivative may be included in an amount of 1 to 12% by weight based on the total weight of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite. The effect according to the content of the carbon nanotube coated with the isoalloxazine derivative is the same as described above for the polyamide-carbon nanotube nanocomposite.

하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법에 있어서, 제조방법의 여러 조건을 달리하여 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체를 제조하였고, 제조된 각각의 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체를 이용하여 필름을 제조하였다. 상기 제조한 필름의 표면을 SEM을 이용하여 분석하였고, FT-IR 분석과 전기전도도를 측정하였다.Although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, etc., in the method of manufacturing a polyamide-carbon nanotube nanocomposite according to the present invention, a polyamide-carbon nanotube nanocomposite is prepared by varying various conditions of the method of manufacturing. Was prepared, and a film was prepared using each of the prepared polyamide-carbon nanotube nanocomposites. The surface of the prepared film was analyzed using SEM, and FT-IR analysis and electrical conductivity were measured.

그 결과, 다른 조건 및 수치 범위에서와는 달리, 하기의 조건을 모두 만족할 경우

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식으로부터 계산되는 δ 값이 15 J1/2/cm3/2이상의 값을 가져, 폴리아미드와 유사한 혼화성을 가질 수 있었으며, 100 S/m 이상의 전기전도도를 가짐과 동시에 성형성이 우수하여 유려한 미관의 필름으로 제조하기 용이하였다. As a result, unlike other conditions and numerical ranges, when all of the following conditions are satisfied
Figure 112019051798587-pat00004
Since the δ value calculated from the equation has a value of 15 J 1/2 /cm 3/2 or more, it can have similar miscibility with polyamide, and has an electrical conductivity of 100 S/m or more and has excellent moldability. It was easy to manufacture as a beautiful film.

(ⅰ) 탄소나노튜브 표면에 계면활성제를 결합시키는 단계는 볼 밀(ball mill)을 이용한 분산방법을 이용하는 것 (ⅱ) 상기 화학식 1에서 X는 펜타디에닐(pentadienyl)기, (ⅲ) 계면활성제는 FMN(flavin mononucleotide), (ⅳ) 열처리는 400 내지 500 ℃의 공기 분위기에서 90 분 내지 150 분 동안 이루어짐, (ⅴ) 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 전체 중량 대비 9 내지 11 중량% 포함, (ⅵ) 분산용액의 용매는 물.(I) The step of bonding the surfactant to the surface of the carbon nanotube is to use a dispersion method using a ball mill (ii) X in Formula 1 is a pentadienyl group, (iii) a surfactant Is FMN (flavin mononucleotide), (iv) heat treatment is performed for 90 to 150 minutes in an air atmosphere of 400 to 500 ℃, (v) carbon nanotubes coated with isoalloxazine derivatives are polyamide-carbon nanotube nanocomposites Including 9 to 11% by weight based on the total weight, (vi) the solvent of the dispersion solution is water.

다만, 상기 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 δ값이 15에 이르지 못하고 12 미만으로 급격하게 하락하거나, 전기전도도가 100 S/m 이하의 값을 가졌으며, 성형성이 좋지 못하여 외관이 불량하거나 아예 필름이 제조할 수 없는 문제가 있었다.However, if any of the above conditions is not satisfied, the δ value does not reach 15 and falls sharply to less than 12, or the electrical conductivity has a value of 100 S/m or less, and the appearance is poor due to poor moldability. Or there was a problem that the film could not be manufactured at all.

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.Hereinafter, a preferred embodiment is presented to aid the understanding of the present invention. However, these examples are for describing the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto, and various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It will be self-evident to those who have knowledge.

실시예. PA-dFMN-MWNT 나노 복합체의 제조Example. Preparation of PA-dFMN-MWNT nanocomposite

N-d-리비틸포스페이트(ribityl phosphate) 그룹을 포함하는 플라빈모노뉴클레오티드(flavin mononucleotide, FMN)는 MWNT를 개별화하기 위한 수성 계면활성제로 사용되었다. MWNT(직경: ca. 11 nm, 길이:< 40 m, 벽 개수: 10-15 층)를 FMN와 물, 볼밀 방법을 사용하여 분해하였다. 먼저, 50 Hz의 진동 볼 밀링을 이용하여 MWNT와 FMN의 수분산액을 제조하였다. MWNT을 FMN으로 작용기화하기 위하여, 0.10 g의 MWNT와 0.08 g의 FMN을 3.0 mL 물에 2 시간 동안 2%-v의 지르코니아 볼(직경 = 5 mm)로 밀링(Pulverisette 23 Fritsch, German) 하였다. 제조된 슬러리는 뷔히너 깔때기와 아스피레이터(Eyela A-3S)를 이용하여 진공 여과 되었다. 수득한 검정색 FMN-MWNT 페이퍼는 물로 수차례 세척하여 결합되지 않은 FMN을 제거하였으며, FMN-MWNT 분말로 제조하기 위하여 동결 건조하였다. Flavin mononucleotide (FMN) containing an N-d-ribityl phosphate group was used as an aqueous surfactant to individualize MWNTs. MWNT (diameter: ca. 11 nm, length: <40 m, wall number: 10-15 layers) was decomposed using FMN, water, and ball mill method. First, an aqueous dispersion of MWNT and FMN was prepared using vibration ball milling of 50 Hz. In order to functionalize MWNT to FMN, 0.10 g of MWNT and 0.08 g of FMN were milled (Pulverisette 23 Fritsch, German) with 2%-v zirconia balls (diameter = 5 mm) in 3.0 mL water for 2 hours. The prepared slurry was vacuum filtered using a Büchner funnel and an aspirator (Eyela A-3S). The obtained black FMN-MWNT paper was washed several times with water to remove unbound FMN, and freeze-dried to prepare FMN-MWNT powder.

이 과정에서 FMN의 방향족 이소알록사진 고리는 MWNT 주위를 나선형으로 감싸고, 방사형으로 분포된 d-리비틸포스페이트 그룹의 음이온성 반발은 MWNT의 우수한 콜로이드성 분산의 형성을 유발하였다. 다음으로, FMN-MWNT 분말을 450 ℃, 공기분위기에서 2 시간 동안 어닐링하여 N-펜타디에닐 이소알록사진을 포함하는 dFMN-MWNT을 제조하였다. 이러한 공기분위기에서 어닐링은 FMN에 존재하는 d-리비틸포스페이트 그룹을 부분적으로 N-펜타디에닐(pentadienyl) 그룹으로 변형시켰으며, 이소알록사진 고리는 거의 비활성 상태로 되었다.In this process, the aromatic isoalloxazine ring of FMN helically wraps around the MWNT, and the anionic repulsion of the radially distributed d-ribitylphosphate group caused the formation of an excellent colloidal dispersion of MWNT. Next, the FMN-MWNT powder was annealed in an air atmosphere at 450° C. for 2 hours to prepare dFMN-MWNT containing N-pentadienyl isoalloxazine. In such an air atmosphere, annealing partially transformed the d-ribitylphosphate group present in FMN into an N-pentadienyl group, and the isoalloxazine ring became almost inactive.

PA-dFMN-MWNT 나노 복합체는 PA와 dFMN-MWNT의 혼합물의 용융 압출에 의해 제조되었다. dFMN-MWNT가 1 wt% 혼합된 나노 복합체의 경우 PA-dFMN-MWNT-1, 5 wt%가 혼합된 나노 복합체는 PA-dFMN-MWNT-5, 10 wt%가 혼합된 나노 복합체는 PA-dFMN-MWNT-10으로 명명하였다. 압출은 PA의 융점보다 약 30 ℃ 높은 250 ℃에서 용융 혼합 방법 및 2 축 압출기를 사용하여 수행되었다. 다음으로, 두께가 90-450 ㎛인 시트를 용융 프레스로 제조하였다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 복합체의 제조방법의 개략도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 나노 복합체 시트의 실제 사진이다. 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, PA-dFMN-MWNT 나노 복합체의 색상은 MWNT 함량이 증가함에 따라 점차적으로 어두운 검은 색으로 변하였다. The PA-dFMN-MWNT nanocomposite was prepared by melt extrusion of a mixture of PA and dFMN-MWNT. For the nanocomposite containing 1 wt% dFMN-MWNT, PA-dFMN-MWNT-1, the nanocomposite containing 5 wt% PA-dFMN-MWNT-5, and the nanocomposite containing 10 wt% PA-dFMN Named -MWNT-10. Extrusion was performed at 250° C., about 30° C. higher than the melting point of PA, using a melt mixing method and a twin screw extruder. Next, a sheet having a thickness of 90-450 μm was prepared by a melt press. 1 is a schematic diagram of a method of manufacturing a nanocomposite according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an actual photograph of a nanocomposite sheet manufactured according to an exemplary embodiment of the present invention. As can be seen in FIG. 2, the color of the PA-dFMN-MWNT nanocomposite gradually turned to dark black as the MWNT content increased.

실험예 1. 주사전자현미경 분석(Scanning Electron Microscopy, SEM)Experimental Example 1. Scanning Electron Microscopy (SEM)

상기 실시예로부터 제조된 PA-dFMN-MWNT-1, PA-dFMN-MWNT-5, PA-dFMN-MWNT-10 나노복합체의 표면을 SEM으로 분석하였다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 PA-dFMN-MWNT 나노복합체의 표면을 SEM으로 분석 이미지이다. 도 3a 내지 c는 PA-dFMN-MWNT-1, 도 3d 내지 f는 PA-dFMN-MWNT-5, 도 3g 내지 3i는 PA-dFMN-MWNT-10의 각기 다른 배율의 SEM 분석 결과이다. 상기 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 흰색 영역이 검정색 배경으로 나타나는 PA 매트릭스로 둘러싸인 불균일한 형태를 보였다. 확대된 배율에서 흰색 영역은 100 nm 직경의 MWNT임을 확인할 수 있었다. MWNT의 직경이 11 nm이므로, 용융 압출되는 동안 45 nm 두께의 PA 층이 MWNT 표면을 코팅하였다는 것을 확인할 수 있었으며, 이로부터 FMN의 N-펜타디에닐 측쇄가 PA 매트릭스와 dFMN-MWNT 사이에 양호한 접합을 유도하는 것을 확인할 수 있었다. 더욱 높은 MWNT 함량을 가진 샘플에서는 흰색 영역이 점진적으로 확대되는 것을 확인할 수 있었다.The surfaces of the PA-dFMN-MWNT-1, PA-dFMN-MWNT-5, and PA-dFMN-MWNT-10 nanocomposites prepared from the above examples were analyzed by SEM. 3 is an SEM image of the surface of the PA-dFMN-MWNT nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention. 3a to c are PA-dFMN-MWNT-1, FIGS. 3d to f are PA-dFMN-MWNT-5, and FIGS. 3g to 3i are SEM analysis results of PA-dFMN-MWNT-10 at different magnifications. As can be seen in FIG. 3, a white area showed a non-uniform shape surrounded by a PA matrix showing a black background. In the enlarged magnification, it was confirmed that the white area was MWNT having a diameter of 100 nm. Since the diameter of MWNT is 11 nm, it was confirmed that a 45 nm thick PA layer coated the MWNT surface during melt extrusion, from which the N-pentadienyl side chain of FMN was good between the PA matrix and dFMN-MWNT. It was confirmed that conjugation was induced. In the sample with a higher MWNT content, it was confirmed that the white area was gradually enlarged.

실험예 2. 전기전도도 측정Experimental Example 2. Measurement of electrical conductivity

상기 실시예에서 제조된 PA-dFMN-MWNT 나노복합체의 전기전도도를 측정하였다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노복합체의 전기전도도를 측정한 결과이다. 도 4a는 LED와 직렬 연결된 4.5 V AA배터리, 저항으로 사용된 PA-dFMN-MWNT-10을 포함하는 회로의 이미지이며, 삽도는 회로도이다. 도 4b는 PA, PA-dFMN-MWNT-3, -5, -10 및 나노복합체가 없는 경우의 LED 사진이다. 도 4c는 PA-dFMN-MWNT-3, -5 및 -10의 전기전도도를 측정한 그래프이다. The electrical conductivity of the PA-dFMN-MWNT nanocomposite prepared in the above example was measured. 4 is a result of measuring the electrical conductivity of the nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention. 4A is an image of a circuit including a 4.5 V AA battery connected in series with an LED, and PA-dFMN-MWNT-10 used as a resistor, and the inset is a circuit diagram. Figure 4b is a photo of the LED in the absence of PA, PA-dFMN-MWNT-3, -5, -10 and nanocomposite. Figure 4c is a graph measuring the electrical conductivity of PA-dFMN-MWNT-3, -5 and -10.

상기 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, PA-dFMN-MWNT는 MWNT 함량이 증가함에 따라 전도도(σ) 값이 증가하였다. PA-dFMN-MWNT을 4.5 V AA 배터리에 연결된 LED에 직렬로 연결하여 LED를 관찰한 결과(도 4a) PA-dFMN-MWNT-10은 양호한 도체 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다. 도 4b에서는 MWNT의 함량이 증가할수록 LED에서 방출되는 빛의 강도가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 전기전도도(σ) 측정에서 PA 및 PA-dFMN-MWNT-1의 σ값이 계측기 검출 한계(10-2 S/m)보다 낮았지만, MWNT 함량이 증가함에 따라 전도도 값도 증가하여 PA-dFMN-MWNT-10에서 최대값에 도달하였다. 특히 PA-dFMN-MWNT-10의 σ값은 현재까지 보고된 MWNT 나노복합체가 함유된 PA의 값에 비해 거의 10 배 이상 높은 값에 해당하였다.As can be seen in FIG. 4, the conductivity (σ) value of PA-dFMN-MWNT increased as the MWNT content increased. As a result of observing the LED by connecting PA-dFMN-MWNT in series to an LED connected to a 4.5 V AA battery (FIG. 4A), it was confirmed that PA-dFMN-MWNT-10 acts as a good conductor. In FIG. 4B, it was confirmed that the intensity of light emitted from the LED increased as the content of MWNT increased. In addition, in the electrical conductivity (σ) measurement, the σ values of PA and PA-dFMN-MWNT-1 were lower than the detection limit of the instrument (10 -2 S/m), but the conductivity value increased as the MWNT content increased, resulting in PA-dFMN- The maximum was reached in MWNT-10. In particular, the σ value of PA-dFMN-MWNT-10 was almost 10 times higher than that of PA containing MWNT nanocomposite reported so far.

실험예 3. 라만 스펙트럼Experimental Example 3. Raman spectrum

PA-dFMN-MWNT 나노복합체에서 관찰된 높은 전도도 값은 제조과정에서 매우 낮은 수준의 결함이 형성되었기 때문이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노복합체의 라만스펙트럼 분석 결과이다. 흑색은 MWNT, 적색은 dFMN-MWNT, 파란색은 PA-dFMN-MWNT-10의 라만스펙트럼 결과를 나타내며, 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 각각 1350, 1600, 2700 cm-1에서 D, G 및 2D 밴드를 포함하였다.The high conductivity value observed in the PA-dFMN-MWNT nanocomposite is due to the formation of very low levels of defects in the manufacturing process. 5 is a Raman spectrum analysis result of a nanocomposite prepared according to an embodiment of the present invention. Black represents MWNT, red represents dFMN-MWNT, blue represents the Raman spectrum result of PA-dFMN-MWNT-10, and as can be seen in FIG. 5, D, G and 2D at 1350, 1600, 2700 cm -1 respectively Included the band.

일반적으로 MWNT에 결함이 생길 경우 약 1350 cm-1의 흑연질 D 밴드 강도가 증가한다. 도 5에서 dFMN-MWNT 및 PA-dFMN-MWNT-10의 라만 스펙트럼에서 D 밴드의 강도가 MWNT에 비하여 크게 증가하지 않았음을 확인하였다. 따라서 볼밀링 및 용융 압출 공정은 결함을 유발하지 않음을 알 수 있었다.In general, when a defect occurs in MWNT, the strength of the graphitic D band of about 1350 cm -1 increases. In FIG. 5, it was confirmed that the intensity of the D band in the Raman spectrum of dFMN-MWNT and PA-dFMN-MWNT-10 did not increase significantly compared to MWNT. Therefore, it was found that the ball milling and melt extrusion process did not cause any defects.

실험예 4. 기계적 강도 측정Experimental Example 4. Mechanical strength measurement

다음으로 상기 실시예에서 제조된 PA-dFMN-MWNT 나노복합체의 기계적 강도를 측정하기 위해 인장 강도와 파단 연신(break elongation)을 평가하였다. 이를 위해 상기 나노복합체를 직사각형의 샘플로 제조하여 Instron 기기에 로드하고 응력-변형율(stress-strain) 곡선 분석을 수행하였다. Next, tensile strength and break elongation were evaluated to measure the mechanical strength of the PA-dFMN-MWNT nanocomposite prepared in the above example. To this end, the nanocomposite was prepared as a rectangular sample, loaded into an Instron device, and subjected to a stress-strain curve analysis.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 복합체의 기계적 강도를 측정한 결과이다. 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 복합체의 응력-변형율 곡선이며, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 복합체의 인장 강도와 파단 연신을 측정한 결과이다. 6 is a result of measuring the mechanical strength of the nanocomposite according to an embodiment of the present invention. 6A is a stress-strain curve of a nanocomposite according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a result of measuring tensile strength and elongation at break of the nanocomposite according to an embodiment of the present invention.

도 6a에서 확인할 수 있는 바와 같이, PA 단독은 PA의 인장강도로 잘 알려진 45 MPa의 값을 가졌으며, MWNT의 함량이 증가함에 따라 점차 감소된 값을 가졌는데, 1 wt%의 MWNT를 포함한 경우 30-31 MPa, 10 wt%를 포함한 PA-dFMN-MWNT-10은 12 MPa까지 감소하였다. As can be seen in Figure 6a, PA alone had a value of 45 MPa, which is well known as the tensile strength of PA, and had a value gradually decreased as the content of MWNT increased, but when 1 wt% of MWNT was included PA-dFMN-MWNT-10 containing 30-31 MPa, 10 wt% decreased to 12 MPa.

또한 도 6b에서 확인할 수 있는 바와 같이, PA 단독으로는 21%의 신장률을 나타냈지만, MWNT를 포함한 나노 복합체는 MWNT 함량이 증가함에 따라 2%까지 감소하였다. In addition, as can be seen in Figure 6b, PA alone showed an elongation of 21%, but the nanocomposite including MWNT decreased to 2% as the MWNT content increased.

실험예 5. FT-IR 분석Experimental Example 5. FT-IR analysis

FT-IR 분석을 통해 상기 실시예 4에서 관찰된 기계적 강도의 감소 원인을 확인하였다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 복합체의 FT-IR 분석 결과이다. 하기 표 1은 PA의 FT-IR 스펙트럼의 밴드 분석이다.The cause of the decrease in mechanical strength observed in Example 4 was confirmed through FT-IR analysis. 7 is an FT-IR analysis result of a nanocomposite according to an embodiment of the present invention. Table 1 below is a band analysis of the FT-IR spectrum of PA.

frequency, cm-1 frequency, cm -1 DescriptionDescription 34363436 “free” N-H stretch“Free” N-H stretch 33253325 hydrogen-bonded N-H stretchhydrogen-bonded N-H stretch 29252925 asymmetric CH2 stretchasymmetric CH 2 stretch 28622862 symmetric CH2 stretchsymmetric CH 2 stretch 16391639 amide I modeamide I mode 15511551 amide II modeamide II mode 12611261 amide III modeamide III mode 728728 amide V modeamide V mode

상기 도 7 및 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 아미드 및 (CH2)5 부분으로 구성된 PA 스펙트럼은 각각의 “자유” NH 스트레칭, 수소 결합 N-H 스트레칭 및 아미드에 할당된 3436, 3325, 1639, 1551, 1261 및 728 cm-1의 신호를 포함하였다. 강한 비대칭 및 대칭 C-H 스트레칭 밴드가 2925 및 2862 cm-1에서 각각 발생하였다. 특히 dFMN-MWNT 나노 복합체의 MWNT 함량이 증가할수록 스펙트럼은 자유 N-H 밴드가 증가하였으며, 수소 결합된 N-H 밴드는 감소하였다. 또한, 나노복합체의 MWNT 함량이 증가할수록 자유 아미드에 해당하는 아미드 1 밴드(1639 cm-1)가 급격하게 감소하였다. 이를 통하여 dFMN-MWNT가 존재할 때, PA 사슬에서 수소 결합이 감소함을 알 수 있었으며, 특히 PA를 포함하는 나노 복합체는 오직 MWNT만을 포함할 경우 기계적 강도가 향상됨을 알 수 있었다. 이러한 대조적인 특징은 dFMN, 특히 이소알록사진(isoalloxazine) 그룹에 존재하는 우라실(uracil) 부분이 PA 매트릭스와 수소 결합 상호 작용에 경쟁적으로 참여하고, 이러한 상호작용이 인장 강도 및 연신율을 감소시키는 것을 알 수 있었다.As can be seen in Fig. 7 and Table 1, the PA spectrum composed of amide and (CH 2 ) 5 moieties is each “free” NH stretching, hydrogen bonding NH stretching, and 3436, 3325, 1639, 1551 assigned to the amide. , 1261 and 728 cm -1 . Strong asymmetric and symmetric CH stretching bands occurred at 2925 and 2862 cm -1 , respectively. In particular, as the MWNT content of the dFMN-MWNT nanocomposite increased, the free NH band in the spectrum increased and the hydrogen-bonded NH band decreased. In addition, as the MWNT content of the nanocomposite increased, the amide 1 band (1639 cm -1 ) corresponding to the free amide drastically decreased. Through this, it was found that when dFMN-MWNT was present, hydrogen bonding was reduced in the PA chain, and in particular, when the nanocomposite containing PA contained only MWNT, the mechanical strength was improved. This contrasting feature was found that dFMN, particularly the uracil moiety present in the isoalloxazine group, competedly participates in the hydrogen bonding interactions with the PA matrix, and this interaction reduces tensile strength and elongation. Could

PA-dFMN-MWNT의 전기적 특성이 극적으로 증가하는 것은, dFMN-MWNT에 존재하는 N-펜타디에닐 측쇄의 소수성에 의해 PA와 dFMN-MWNT의 혼화성이 향상된 결과임을 확인하였다. 이를 증명하기 위하여,

Figure 112019051798587-pat00005
식을 이용하였으며, 상기 식에서 Ecoh와 V는 각각 응집에너지(J/mol)과 몰부피(cm3/mol)를 나타낸다. 이를 바탕으로 dFMN-MWNT에 존재하는 펜타디에닐 구조의 δ는 15.8 J1/2/cm3/2로 측정되었으며, 이는 PA의 값(i.e., 25.4 J1/2/cm3/2)과 유사하였다. 그러므로, dFMN-MWNT 유도된 나노 복합체에서 PA 매트릭스와 dFMN-MWNT의 높은 수준의 혼화성으로 인하여 기계적 강도의 감소 및 전기 전도도의 증가를 이루는 것을 알 수 있었다.It was confirmed that the dramatic increase in the electrical properties of PA-dFMN-MWNT was a result of improved miscibility between PA and dFMN-MWNT due to the hydrophobicity of the N-pentadienyl side chain present in dFMN-MWNT. To prove this,
Figure 112019051798587-pat00005
The equation was used, where E coh and V represent the cohesive energy (J/mol) and the molar volume (cm 3 /mol), respectively. Based on this, the δ of the pentadienyl structure present in dFMN-MWNT was measured as 15.8 J 1/2 /cm 3/2 , which is similar to the value of PA (ie, 25.4 J 1/2 /cm 3/2 ). I did. Therefore, it was found that in the dFMN-MWNT-derived nanocomposite, the mechanical strength decreased and the electrical conductivity increased due to the high level of miscibility between the PA matrix and dFMN-MWNT.

따라서, 본 발명의 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체는 탄소나노튜브가 우수한 분산성을 가짐과 동시에 계면 적합성이 향상되어 매우 높은 전기 전도성을 갖는다. Accordingly, the polyamide-carbon nanotube nanocomposite of the present invention has excellent dispersibility of the carbon nanotubes and improved interfacial compatibility, thereby having very high electrical conductivity.

전술한 실시예 및 비교예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The above-described Examples and Comparative Examples are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited thereto. Since those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to implement the present invention by various modifications therefrom, the technical protection scope of the present invention should be determined by the appended claims.

Claims (8)

폴리아미드(polyamide)계 고분자 수지; 및
상기 폴리아미드계 고분자 수지에 분산되고, 하기 화학식 1로 표시되는 이소알록사진(isoalloxazine) 유도체로 코팅된 탄소나노튜브;를 포함하고,
상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 표면에 계면활성제를 결합시키고, 상기 계면활성제가 표면에 결합된 탄소나노튜브를 열처리하여 계면활성제를 이소알록사진 유도체로 변형시킨 것인 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체:
[화학식 1]
Figure 112020079019866-pat00006

상기 식에서 R은 수소 또는 탄소수 1~6의 알킬이고, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬, 하이드록시, 할로겐 원자, 할로겐화 알킬기, 카르보닐기, 시안기, 알콕시기, 알킬티오, 티오기, 알릴기, 아릴기 또는 질소 헤테로환이고, X는 탄소수 3~20의 포화 또는 불포화 알킬기이다.
Polyamide polymer resin; And
Including; carbon nanotubes dispersed in the polyamide-based polymer resin and coated with an isoalloxazine derivative represented by the following formula (1),
The carbon nanotubes coated with the isoalloxazine derivative are poly(a) wherein a surfactant is bonded to the surface of the carbon nanotube, and the carbon nanotubes to which the surfactant is bonded to the surface are heat-treated to transform the surfactant into an isoalloxazine derivative Amide-carbon nanotube nanocomposite:
[Formula 1]
Figure 112020079019866-pat00006

In the above formula, R is hydrogen or alkyl having 1 to 6 carbon atoms, and R 1 to R 4 are each independently hydrogen, alkyl, hydroxy, halogen atom, halogenated alkyl group, carbonyl group, cyan group, alkoxy group, alkylthio, thio group, It is an allyl group, an aryl group, or a nitrogen heterocycle, and X is a C3-C20 saturated or unsaturated alkyl group.
제1항에 있어서,
상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 상기 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 전체 중량 대비 1 내지 12 중량% 포함되는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체.

The method of claim 1,
The carbon nanotube coated with the isoalloxazine derivative is a polyamide-carbon nanotube nanocomposite containing 1 to 12% by weight based on the total weight of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite.

제1항에 있어서,
상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 상기 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 전체 중량 대비 3 내지 10 중량% 포함되고,
전기 전도도(electrical conductivity)가 100 S/m 이상인 것인 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체.
The method of claim 1,
The carbon nanotube coated with the isoalloxazine derivative contains 3 to 10% by weight based on the total weight of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite,
The polyamide-carbon nanotube nanocomposite having an electrical conductivity of 100 S/m or more.
계면활성제 및 탄소나노튜브가 혼합된 분산용액을 제조하는 단계;
상기 탄소나노튜브 표면에 계면활성제를 결합시키는 단계;
상기 계면활성제가 표면에 결합된 탄소나노튜브를 열처리하여 계면활성제를 하기 화학식 1로 표시되는 이소알록사진(isoalloxazine) 유도체로 변형시킴으로써, 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 및
상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브 및 폴리아미드계 고분자 수지의 혼합물을 용융 압출하는 단계;를 포함하는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법:
[화학식 1]
Figure 112019051798587-pat00007

상기 식에서 R은 수소 또는 탄소수 1~6의 알킬이고, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 알킬, 하이드록시, 할로겐 원자, 할로겐화 알킬기, 카르보닐기, 시안기, 알콕시기, 알킬티오, 티오기, 알릴기, 아릴기 또는 질소 헤테로환이고, X는 탄소수 3~20의 포화 또는 불포화 알킬기이다.
Preparing a dispersion solution in which a surfactant and carbon nanotubes are mixed;
Bonding a surfactant to the surface of the carbon nanotubes;
Preparing a carbon nanotube coated with an isoalloxazine derivative by heat-treating the carbon nanotube to which the surfactant is bonded to the surface to transform the surfactant into an isoalloxazine derivative represented by the following Formula 1; And
A method for producing a polyamide-carbon nanotube nanocomposite comprising: melt-extruding a mixture of the carbon nanotubes coated with the isoalloxazine derivative and a polyamide-based polymer resin:
[Formula 1]
Figure 112019051798587-pat00007

In the above formula, R is hydrogen or alkyl having 1 to 6 carbon atoms, and R 1 to R 4 are each independently hydrogen, alkyl, hydroxy, halogen atom, halogenated alkyl group, carbonyl group, cyan group, alkoxy group, alkylthio, thio group, It is an allyl group, an aryl group, or a nitrogen heterocycle, and X is a C3-C20 saturated or unsaturated alkyl group.
제4항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 표면에 계면활성제를 결합시키는 단계는 초음파, 볼 밀(ball mill), 또는 밀링을 이용한 분산방법을 이용하는 것인 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법.
The method of claim 4,
The step of bonding the surfactant to the surface of the carbon nanotubes is a method of manufacturing a polyamide-carbon nanotube nanocomposite using a dispersion method using ultrasonic waves, a ball mill, or milling.
제4항에 있어서,
상기 계면활성제는 FMN(flavin mononucleotide), FC12(N-dodecyl flavin), FC16(N-hexadecyl flavin) 및 FC20(N-eicosyl flavin) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법.
The method of claim 4,
The surfactant is any one or a mixture of two or more selected from FMN (flavin mononucleotide), FC12 (N-dodecyl flavin), FC16 (N-hexadecyl flavin), and FC20 (N-eicosyl flavin) polyamide-carbon nanotube nano Method for producing the composite.
제4항에 있어서,
상기 열처리는 300 내지 600 ℃의 공기 분위기에서 1 내지 4 시간 동안 이루어지는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법.
The method of claim 4,
The heat treatment is performed for 1 to 4 hours in an air atmosphere of 300 to 600° C. A method for producing a polyamide-carbon nanotube nanocomposite.
제4항에 있어서,
상기 이소알록사진 유도체로 코팅된 탄소나노튜브는 상기 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체 전체 중량 대비 1 내지 12 중량% 포함되는 폴리아미드-탄소나노튜브 나노 복합체의 제조방법.
The method of claim 4,
The method for producing a polyamide-carbon nanotube nanocomposite containing 1 to 12% by weight of the total weight of the polyamide-carbon nanotube nanocomposite in the carbon nanotube coated with the isoalloxazine derivative.
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