KR102210921B1 - 사출 성형품용 전도성 플라스틱 수지, 이를 포함하는 전도성 플라스틱 펠렛 및 이를 이용한 사출 성형품 - Google Patents

사출 성형품용 전도성 플라스틱 수지, 이를 포함하는 전도성 플라스틱 펠렛 및 이를 이용한 사출 성형품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 ECU 케이스, LDM 케이스, 모터(motor) 케이스 등 차량의 각종 컨트롤 디바이스 케이스를 사출 성형하여 제조하기에 적합한 전도성 플라스틱 수지, 이를 포함하는 전도성 플라스틱 펠렛 및 이를 이용하여 제조한 사출 성형품에 관한 것이다.

Description

사출 성형품용 전도성 플라스틱 수지, 이를 포함하는 전도성 플라스틱 펠렛 및 이를 이용한 사출 성형품{Conductive plastic resin for injection molding product, Pellet containing the same and injection molding product using the same}
본 발명은 차량의 ECU 케이스, LDM 케이스, 모터(motor) 케이스 등 기존의 다이캐스팅으로 제작되었던 각종 케이스를 대체할 수 있는 사출 성형품 및 이의 제조에 사용되는 전도성 플라스틱 펠렛 및 이의 조성물에 관한 것이다.
최근 자동차 및 전기/전자 부품용 소재로 적용되는 수지에 대해서 그 용도에 따라 경량화, 박막화 및 집적화에 대한 요구가 증대되고 있는 추세에 있으며, 이에 따라 전자파 차폐성을 위하여 전기전도도가 높은 소재가 요구되고 있다.
특히, 자동차의 경우, 그 특성상 외부적인 요인(충돌, 파손 등)에 의해 부품 케이스에 전기적으로 단락(쇼트서킷, short circuit) 발생시에도 기존의 전도성 고분자는 저항이 다소 높아 통전이 계속되고, 이때 퓨즈(fuse)는 특정 전류 이상 범위여서 감지를 하지 못하여 단락되지 못하여 화재가 발생할 우려가 있다.
이러한 단점을 없애기 위해서, 퓨즈가 작동할 정도로 전도성 플라스틱의 표면 저항, 비저항 등을 낮춤으로써 비상시에 통전을 차단시켜 화재를 방지할 수 있는데, 기존 전도성 플라스틱의 경우, 비저항이 충분히 낮지 못하고 강도, 굴곡성 등 기계적 물성 등이 부족한 문제가 있었으며, 또한, 사출 성형시켜 제조되는 자동차 성형품에 부적합한 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0079288호(2015.07.08)
본 발명은 사출 성형품 제조에 적합하면서도, 자동차용 부품, 전기, 전자 부품 등으로서 요구되는 물성을 만족하는 전도성 플라스틱 수지, 이를 이용한 펠렛 및 이를 이용하여 제조한 사출 성형품을 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그라파이트 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate)를 포함한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전도성 플라스틱 수지를 포함하는 전도성 플라스틱 펠렛을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 전도성 플라스틱 수지 또는 상기 전도성 플라스틱 펠렛을 이용한 사출 성형품을 제공하는데 있다.
기존 전도성 플라스틱 수지가 사출 성형에 부적합한 것과 달리, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 사출에 의한 성형 제품 제조에 적합하며, 제조된 사출 성형품은 경량성이 좋으면서도, 높은 인장강도, 굴곡강도, 충격강도 등의 기계적 물성이 우수하며, 전기전도도가 높아서 차량 컨트롤 디바이스 케이스와 같이 높은 전기전도도가 요구되는 사출 성형품의 소재로 적용할 수 있다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 사출 성형품 제조에 적합한 소재로서, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그라파이트 분말 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)를 포함한다.
본 발명 수지 조성 중 상기 탄소섬유는 당업계에서 사용하는 일반적인 탄소섬유를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 흑연 망상면이 섬유축 방향에 대하여 20°~ 30° 기울기를 가지며, 겉보기 밀도가 0.01 ~ 0.15g/cm3인 것을, 더욱 바람직하게는 흑연 망상면이 섬유축 방향에 대하여 22°~ 27° 기울기를 가지며, 겉보기 밀도가 0.03 ~ 0.10g/cm3인 헤링본형 탄소나노섬유를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유는 벌크밀도 0.50 ~ 0.55g/cm3, 수분함량 0.22 ~ 0.30%이며, 바람직하게는 벌크밀도 0.50 ~ 0.53g/cm3, 수분함량 0.24 ~ 0.28%일 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유는 앞서 설명한 헤링본형 탄소나노섬유를 사이즈제(sizing agent)로 가공 처리한 탄소섬유일 수 있으며, 상기 사이즈제를 5.00 ~ 6.00 중량%로, 바람직하게는 5.00 ~ 5.60 중량%로 포함할 수 있다. 그리고 상기 사이즈제는 폴리우레탄계 사이즈제를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 수지 내 상기 탄소섬유의 함량은 수지 전체 중량 중 40 ~ 45 중량%, 바람직하게는 41 ~ 44 중량%를 포함할 수 있으며, 이때, 탄소섬유 함량이 40 중량% 미만이면 전자파 차폐 물성이 저하할 수 있고, 45 중량%를 초과하면, 재료 배합시 압출 특성과 이후 공정인 성형시 미성형 문제, 사출 성형 제품의 기계적 특성 저하의 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 탄소나노튜브의 화학적 구조측면에서는 탄소원자가 주위의 탄소 원자 3개와 sp2 결합을 하여 육각형 벌집 무늬로 결합되어 튜브 형태를 이룬다. 탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)의 결합수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 얇은벽 탄소나노튜브(Thin wall CNT) 그리고 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)로 분류될 수 있다. 단일벽 탄소나노튜브의 경우 전기적, 기계적 특성이 우수하여 각종 전기, 전자재료에 활용도가 높으나 제조가 어렵고 가격이 매우 비싼 것이 단점이고, 다중벽 탄소나노튜브의 경우는 전기적, 기계적 그리고 열적인 특성이 단일벽 탄소나노튜브에 비해 떨어지지만 대량생산이 가능하여 가격적인 장점을 가지고 있어 공업적으로 적용 가능성이 매우 높은 편이다.
그리고, 본 발명에서 탄소나노튜브는 카본 파이버와의 연결성 즉, 퍼컬레이션(percolation)을 증가시켜 전기전도성을 증대시켜 주는 역할을 하는 것으로서, 본 발명의 수지 조성 중 상기 탄소나노튜브(CNT)는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 얇은벽 탄소나노튜브(Thin wall CNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 자동차 부품의 가격적인 측면을 고려하여 MWCNT를 사용하는 것이 좋다.
그리고, 본 발명의 수지 내 CNT 함량은 수지 전체 중량 중 0.5 ~ 5.0 중량%를, 바람직하게는 1.0 ~ 4.5 중량%를, 더욱 바람직하게는 1.5 ~ 4.0 중량%를 포함할 수 있다. 이때, CNT 함량이 0.5 중량% 미만이면 PBT 수지의 기지 내에서 충분한 전기 전도를 위한 통로(path) 연결이 어려워 전도성이 저하하는 문제가 있을 수 있고, 5.0 중량%를 초과하여 사용하면 전도성은 우수하나, 압출/사출 특성저하, 기계적 특성(인장강도, 신율 등)의 저하 및 궁극적인 가격 상승요인이 발생 할 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
다음으로, 상기 그라파이트는 합성적으로 생산되거나 또는 자연적으로 생산된 것을 사용할 수 있으며, 또는 1㎛ 보다 작은 두께를 갖는 팽창 그라파이트 또는 팽창 가능한 그라파이트일 수 있다. 세 가지 유형의 상업적으로 입수 가능한 자연적으로 생성된 그라파이트가 있으며, 플레이크 그라파이트(flake graphite), 무정형 그라파이트(amorphous graphite) 및 크리스탈 베인 그라파이트(crystal vein graphite)가 있다.
본 발명에서 상기 그라파이트는 압출/사출시의 윤활성 증대, 퍼컬레이션(percolation) 향상, 다소간의 열전도성 향상 등에 기여하는 역할을 하는 것으로서, 플레이크 그라파이트를 사용할 수 있고, 상기 플레이크 그라파이트는 직경 10 ~ 800㎛ 및 두께 1 ~ 150㎛ 이고, 80 ~ 99.9% 탄소 범위의 순도를 갖는 것을 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 수지 내 그라파이트 함량은 0.5 ~ 10.0 중량%, 바람직하게는 2.0 ~ 8.0 중량%, 더욱 바람직하게는 3.5 ~ 8.0 중량%를 사용할 수 있다. 이때, 그라파이트 함량이 0.5 중량% 미만이면 전도성 path를 연결하는 역할이 미미한 문제가 있을 수 있고, 10.0 중량%를 초과하면 전기 및 열전도성은 우수하나, 전체 수지 조성이 낮아서 압출 및 사출 성형에 어려움을 주는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 수지 성분 중 폴리부틸렌 테레프탈레이트는 부테인다이올로 본질적으로 이루어진 다이올 및 테레프탈산으로 본질적으로 이루어진 이산의 축합 생성물인 것으로 이해한다. 상기 PBT 수지는 부테인다이올과 테레프탈산의 직접 에스테르화에 의해, 또는 테레프탈산 다이메틸 에스테르에 의한 부테인다이올의 에스테르 교환에 의해 수득되며, 그 결과 부테인다이올과 테레프탈산의 에스테르화된 잔기를 포함한다. PBT는 임의로는 부테인다이올과 테레프탈산의 에스테르화된 잔기 이외에 다른 다이올과 다이카복실산의 에스테르화된 잔기와 같은 다른 성분뿐만 아니라 소량의 다작용성 알코올 또는 카복실산을 포함하는 공중합체일 수 있다.
본 발명에서 상기 PBT는 전형적으로 PBT 중량을 기준으로 부테인다이올과 테레프탈산의 에스테르화된 잔기 70 중량% 이상을 함유한다.
그리고, 상기 PBT에 포함될 수 있는 적합한 다이올은 예컨대 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 2,3-펜테인다이올, 네오펜틸글리콜, 헥사메틸렌 글리콜 및 시클로헥세인다이메탄올이다.
또한, 적합한 다이카복실산은 예컨대 오르토프탈산, 이소프탈산, 나프탈렌 다이카복실산, 아디프산, 세바스산 및 숙신산이다.
그리고, 상기 다작용성 카복실산은 예컨대, 삼작용성 카복실산(예컨대, 트리메스산 및 트리멜리트산) 및 사작용성 카복실산(예컨대, 필로멜리트산)이다.
또한, 상기 다작용성 알코올은 예컨대, 트리올(예컨대, 글리세롤, 트리메틸올 에테인 및 트리메틸올 프로페인) 및 테트롤(예컨대, 펜타에리트리톨)이다.
본 발명에서 상기 PBT는 고유점도(IV)가 0.76 ~ 0.83㎗/g인 PBT를 사용하는 것이 사출 성형 용이성 측면에서 좋다. 그리고, PBT의 수지 내 함량은 탄소섬유, CNT, 그라파이트 및 이 외의 첨가제 성분을 제외한 나머지 잔량이다.
본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 탄소섬유, CNT, 그라파이트 및 PBT 외에 수득하고자 하는 전도성 플라스틱 수지의 물성을 떨어뜨리지 않는 범위 내에서 분산제, 유동화제, 점도조절제, 가소제, 강도증진제, 충격보강제, 산화방지제, 자외선차단제, 광 안정제, 안료, 난연제 및 억연제 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 첨가제를 더 포함할 수 있다.
첨가제 중 상기 분산제는 탄소섬유, CNT 및/또는 그라파이트가 PBT 내에 잘 분산되도록 하는 역할을 하는 것으로서, 특히, 탄소나노튜브는 3차원적으로 입자들이 물리, 화학적 응집이 매우 강하기 때문에 분산제를 사용하여 사출 성형성을 증가시킬 수 있다.
상기 분산제는 에폭시(Epoxy), 카르복실기(Carboxyl), 아민기(Amine) 관능기를 중 적어도 하나 이상의 관능기와 실란기가 결합된 구조의 화합물을, 바람직하게는 에폭시(Epoxy) 및/또는 카르복실기 관능기와 실린기가 결합된 구조의 화합물을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리실록산-폴리(알킬렌 글리콜) 그라프트 공중합체를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112020077572712-pat00001
상기 화학식 1에서 R1, R2 및 R3 각각은 독립적으로 수소원자, 탄소수 1 ~ 5의 직쇄형 알킬기 또는 탄소수 3 ~ 5의 분쇄형 알킬기이고, 바람직하게는 탄소수 1 ~ 3의 직쇄형 알킬기 또는 탄소수 3 ~ 4의 분쇄형 알킬기이고, 더욱 바람직하게는 탄소수 1 ~ 3의 직쇄형 알킬기이다. 그리고, 상기 R4는 -C3H6O(C2H4O)x(C3H6O)yH이다. 또한, 화학식 1의 n은 0 ~ 10의 정수이고, m은 1 ~ 5의 정수이며, x은 1 ~ 10의 정수이고, y는 1 ~ 10의 정수이며, x+y는 2 ~ 20이다.
상기 분산제 중 실란기가 결합된 구조의 화합물은 폴리부틸렌테레프탈레이트의 말단 관능기와 에폭시기, 카르복실기, 아민기 중 적어도 어느 하나 이상의 관능기가 반응함과 동시에 실란기가 탄소섬유, CNT 및/또는 그라파이트와 반응하여 폴리부틸렌 테레프탈레이트 수지와 계면결합력을 향상시켜 전기적 특성 구현과 기계적 특성 향상을 동시에 이루어 줄 수 있다. 특히, 상기 분산제로서 폴리실록산-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜) 그라프트 공중합체는 탄소나노튜브를 효과적으로 분산시킬 수 있으며, 수평균분자량 5,000 ~ 25,000 및 그라프트율 60 ~ 80%일 수 있고, 바람직하게는 7,000 ~ 20,000 및 그라프트율이 65 ~ 75%일 수 있다.
또한, 상기 분산제는 실란기가 결합된 구조의 화합물과 함께 비이온성 분산제를 혼합하여 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 실란기가 결합된 구조의 화합물 및 비이온성 분산제를 1 : 0.2 ~ 0.5 중량비로, 바람직하게는 1 : 0.2 ~ 0.35 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 상기 비이온성 분산제로는 글리세롤 모노스테아레이트(glycerol monostearate), 소르비탄 모노올레이트(sorbitan monooleate), Tween 80, PVA (Polyvinyl alcohol), PMA (Polymethyl acrylate), MC (Methyl cellulose), CMC (Carboxyl methyl cellulose), 폴리사카라이드(Polysaccharide (Dextrin), PEI (Polyethylenimine), PVP (Polyvinylpyrrolidone) 및 PEO (Polyethyleneoxide), Poly(ethylene oxide)-Poly(butylene oxide) 삼원공중합체 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 분산제의 사용량은 수지 전체 중량 중 0.05 ~ 0.50 중량%, 바람직하게는 0.05 ~ 0.20 중량%, 더욱 바람직하게는 0.05 ~ 0.15 중량%인 것이 좋으며, 이때, 분산제 사용량이 0.05 중량% 미만으로 첨가될 경우 필러 표면에 형성되는 계면결합력 향상을 위한 관능기의 수가 부족하여 고함량의 필러를 균일하게 분산시키기 어려워져서 일부 필러 간의 응집이 발생하게 되어, 전기적 및/또는 기계적 특성의 저하를 야기시키고, 0.50 중량%를 초과하여 사용하면 반응하는 관능기 이외에 잔존하는 분산제가 수지 혼합물 내에 불순물로 작용하여 기계적 특성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 유동화제 및 점도조절제는 특별히 한정하지 않으며, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지의 물성을 해하지 않는 범위 내에서 당업계에서 사용하는 일반적인 것을 사용할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 가소제는 디옥틸-4,5-에폭시-헥사히드로프탈레이트, 트리스-(옥톡시카르보닐에틸) 이소시아누레이트 및 트리스테아린 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 충격보강제는 코아(core; 고무 재질)-쉘(shell; 플라스틱 재질) 구조를 갖는 메타아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(MBS), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 아크릴로니트릴-에틸렌-프로필렌-디엔삼원 공중합체-스티렌(AES), 아크릴로니트릴-부틸아크릴레이트-스티렌(ASA), 모든 아크릴계 고무와 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체의 삼원공중합체(EPDM), 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS), 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS), 스티렌-부타디엔(SB), 스티렌-이소프렌 고무, 에틸렌-비닐아세테이트(EVA), 에틸렌-에틸 아크릴레이트(EEA), 에틸렌-비닐알콜(EVOH) 공중합체, PET계 탄성체 및/또는 나일론(Nylon)계 탄성체 등을 사용할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 산화방지제는, 트리스(노닐 페닐) 포스파이트, 트리스(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트, 비스(2,4-디-t-부틸페닐)펜타에리트리톨 디포스파이트, 디스테아릴 펜타에리트리톨 디포스파이트, 테트라키스[메틸렌(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시히드로신나메이트)] 메탄, 파라-크레졸 또는 디시클로펜타디엔의 부틸화 반응 생성물, 알킬화 히드로퀴논, 히드록시화 티오디페닐 에테르, 알킬리덴-비스페놀, 베타-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)-프로피온산의 1가 또는 다가 알코올과의 에스테르, 베타-(5-tert-부틸-4-히드록시-3-메틸페닐)-프로피온산의 1가 또는 다가 알코올과의 에스테르, 디스테아릴 티오프로피오네이트, 디라우릴 티오프로피오네이트, 디트리데실 티오디프로피오네이트, 옥타데실-3-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트, 펜타에리트리틸-테트라키스[3-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트 및 베타-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)-프로피온산의 아미드 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 포함할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 자외선 차단제는 히드록시벤조페논, 히드록시벤조트리아졸, 히드록시벤조트리아진, 시아노아크릴레이트, 옥사닐리드, 벤조옥사진온, 2-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페놀(CYASORBTM 5411), 2-히드록시-4-n-옥틸옥시벤조페논(CYASORBTM 531); 2-[4,6-비스(2,4-디메틸페닐)-1,3,5-트리아진-2-일]-5-(옥틸옥시)페놀(CYASORBTM 1164), 2,2'-(1,4-페닐렌)비스(4H-3,1-벤즈옥사진-4-온)(CYASORBTM UV-3638), 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판(UVINULTM 3030), 2,2'-(1,4-페닐렌) 비스(4H-3,1-벤즈옥사진-4-온) 및 1,3-비스[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]-2,2-비스[[(2-시아노-3,3-디페닐아크릴로일)옥시]메틸]프로판 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 광 안정제는 2-(2-히드록시-5-메틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2-히드록시-5-tert-옥틸페닐)-벤조트리아졸 및 2-히드록시-4-n-옥톡시 벤조페논 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 안료는 제조하고자 하는 다이캐스팅 성형품에 따라 이산화티탄, 카본블랙 등 당업계에서 사용하는 일반적인 안료를 사용할 수 있다.
첨가제 성분 중 상기 난연제는 트리페닐포스파이트, 트리스-(2,6-디메틸페닐)포스파이트, 트리스-(혼합된 모노- 및 디-노닐페닐)포스파이트, 포스포네이트(예컨대 디메틸벤젠포스포네이트), 포스페이트(예컨대 트리메틸 포스페이트) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 성분 및 함량을 포함하는 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 ASTM D 4935법에 의거하여 측정시 전자파차폐성이 1.0GHz 에서 50dB 이상, 바람직하게는 55 ~ 80dB을, 더욱 바람직하게는 60 ~ 78dB을 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 비저항 값이 0.3Ω·cm 이하, 바람직하게는 0.25Ω·cm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 ASTM E1461(in plane)에 의거하여 측정시, 열전도도가 3.0W/mK 이상일 수 있으며, 바람직하게는 3.0 ~ 4.0W/mK, 더욱 바람직하게는 3.1 ~ 3.8W/mK 일 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 ASTM D 638법에 의해 인장강도 및 연신율 측정시, 인장강도 110Mpa 이상 및 연신율 1.8% 이상일 수 있으며, 바람직하게는 인장강도 110 ~ 130Mpa 및 연신율 2.0 ~ 2.8%일 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 ASTM D 790에 의해 굴곡강도 측정시, 1,000kgf/cm2 이상, 바람직하게는 1,000 ~ 1,400kgf/cm2일 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 ASTM D 256에 의해 충격강도 측정시, 50J/m 이상, 바람직하게는 55 ~ 75J/m일 수 있다.
이러한, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지를 펠렛화하여 전도성 플라스틱 펠렛을 제조 및 제공할 수 있다.
그리고, 본 발명의 전도성 플라스틱 수지는 경량성이 우수하고, 전기전도도가 높으며, 기계적 물성이 우수한 바, 상기 수지 및/또는 상기 펠렛을 이용하여 사출 성형을 수행하여 다양한 사출 성형품, 예를 들면, 차량 컨트롤 디바이스 케이스(예: ECU 케이스, LDM(LED device module) 케이스, 모터(motor) 케이스 등)을 제조할 수 있다. 이러한 사출 성형품은 경량성이 우수하고, 전기전도도가 높으며, 기계적 물성이 우수하다. 또한, 표면 저항이 낮아서 상시에 통전을 차단시켜 화재를 방지할 수 있으며, 사출 성형을 통한 대량 생산이 가능하여 제조 비용 절감 효과를 얻을 수도 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[실시예]
실시예 1 : 전도성 플라스틱 수지의 제조
탄소섬유 43 중량%, 다중벽 탄소나노섬유 3.0 중량%, 플레이크 그라파이트(직경 30 ~ 200㎛, 두께 10 ~ 50㎛, 탄소 순도 92.0 ~ 95.0%) 6.5 중량% 및 잔량의 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)를 혼합하여 전도성 플라스틱 수지를 제조하였다.
이때, 상기 탄소섬유는 흑연 망상면이 섬유축 방향에 대하여 22°~ 25° 기울기를 가지며, 겉보기 밀도 0.05 ~ 0.10g/cm3인 헤링본형 탄소나노섬유를 폴리우레탄계 사이즈제가 5.24 중량%가 되도록 가공처리한 탄소섬유이며, 수분함량 0.26% 및 벌크밀도 0.52g/cm3이다. 그리고, 상기 PBT는 고유점도(IV)가 0.78 ~ 0.80㎗/g이다.
실시예 2 ~ 실시예 3 및 비교예 1 ~ 5
상기 실시예 1과 동일한 성분을 사용하여 전도성 플라스틱 수지를 제조하되, 하기 표 1과 같이 탄소섬유, CNT, 그라파이트의 함량을 달리하여 전도성 플라스틱 수지를 각각 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일한 성분을 사용하여 전도성 플라스틱 수지를 제조하되, 전도성 플라스틱 수지 전체 중량 중 분산제 0.15 중량%를 더 혼합하여 제조하였다. 이때, 상기 분산제는 하기 화학식 1-1로 표시되는 폴리실록산-폴리(알킬렌 글리콜) 그라프트 공중합체 및 비이온성 분산제인 소르비탄 모노올레이트를 1 : 0.3 중량비로 포함한다.
[화학식 1-1]
Figure 112020077572712-pat00002
상기 화학식 1에서 R1, R2 및 R3 은 메틸기이고, R4는 -C3H6O(C2H4O)x(C3H6O)yH이며, x는 2이고, y는 1이며, n은 3이고, m은 1이다.
실시예 5
상기 실시예 4와 동일한 성분을 사용하여 전도성 플라스틱 수지를 제조하되, 하기 표 1과 같이 성분의 함량을 달리하여 수지를 제조하였다.
구분(중량%) 탄소섬유 CNT 그라파이트 분산제 PBT
실시예 1 43.0 3.0 6.5 - 나머지잔량
실시예 2 40.0 3.0 6.5 - 나머지잔량
실시예 3 43.0 4.5 8.5 - 나머지잔량
실시예 4 43.0 3.0 6.5 0.15 나머지잔량
실시예 5 44..2 3.7 5.5 0.20 나머지잔량
비교예 1 37.0 3.0 6.5 - 나머지잔량
비교예 2 47.0 3.0 6.5 - 나머지잔량
비교예 3 43.0 0.1 6.5 - 나머지잔량
비교예 4 43.0 6.0 6.5 - 나머지잔량
비교예 5 43.0 3.0 0.1 - 나머지잔량
비교예 6 43.0 3.0 11.5 - 나머지잔량
실험예 1 : 물성 측정
상기 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 6에서 제조한 전도성 플라스틱 수지의 물성을 하기와 같은 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
1) 전자파차폐능은 ASTM D 4935법으로 측정하였다.
2) 비저항은 4 point probe법으로 측정하였다.
3) 열전도도는 ASTM E1461(in plane)에 의거하여 측정하였다.
4) 인장강도 및 연신율은 ASTM D 638법에 의거하여 측정하였다.
5) 굴곡강도는 ASTM D 790에 의거하여 측정하였다.
6) 충격강도는 ASTM D 256에 의거하여 측정하였다.
구분 전자파차폐능
(1Gz)		 비저항
(Ω·cm)		 열전도도
(W/mK)		 인장강도
(MPa)		 신율
(%)		 굴곡강도
(kgf/cm2)		 충격강도
(J/m)
실시예 1 69dB 0.18 3.3 122 2.5 1250 70
실시예 2 65dB 0.22 3.1 114 2.0 1009 65
실시예 3 71dB 0.13 3.4 117 2.0 1200 55
실시예 4 74dB 0.16 3.5 123 2.5 1270 71
실시예 5 76dB 0.15 3.5 125 2.7 1295 73
비교예 1 52dB 0.27 2.7 110 1.9 988 62
비교예 2 75dB 0.17 3.6 103 2.2 1305 74
비교예 3 66dB 0.78 3.1 123 2.4 1220 67
비교예 4 72dB 0.11 3.5 108 1.7 1150 52
비교예 5 65dB 0.32 2.6 102 1.7 1260 49
비교예 6 70dB 0.15 3.6 124 2.6 1180 72
상기 표 2의 물성 측정 결과를 살펴보면, 실시예 1 ~5의 전도성 플라스틱 수지의 경우, 전반적으로 우수한 전자파 차폐능, 전기적 특성 및 기계적 물성을 가짐을 확인할 수 있었으며, 분산제를 사용하지 않은 실시예 1 ~3 보다 분산제를 사용한 실시예 4 ~5가 상대적으로 더 향상된 전자파 차폐능, 전기적 특성 및 기계적 물성을 가진 결과를 보임을 확인할 수 있었다.
그리고, 탄소섬유를 40 중량% 미만인 37 중량%로 사용한 비교예 1의 경우, 실시예 1 및 실시예 2(40 중량%)와 비교할 때, 전자파 차폐능이 55dB 미만으로 급격하게 감소하고 비저항이 높아지는 문제가 있었다.
탄소섬유를 45 중량% 초과한 47 중량%로 사용한 비교예 2의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 높은 전자파 차폐능, 열전도도, 굴곡강도를 가지고, 낮은 비저항을 가질 수 있지만, 인장강도가 급격하게 감소하는 문제가 있었다.
그리고, CNT 함량이 0.5 중량% 미만인 0.1 중량%로 사용한 비교예 3의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 비저항 값이 매우 높은 문제가 있었으며, 이는 전기적 특성 저하를 의미한다.
또한, CNT 함량이 5 중량% 초과한 6.0 중량%로 사용한 비교예 4의 경우, 실시예 1 및 실시예 3과 비교할 때, 비저항 값은 크게 낮지만, 기계적 물성이 다소 낮으며, 특히 인장강도가 크게 낮은 문제가 있었다.
또한, 그라파이트를 0.5 중량% 미만인 0.1 중량%만을 사용한 비교예 5의 경우, 실시예 1과 비교할 때, 비저항 수치가 높고, 낮은 인장강도, 신율 및 충격강도를 가지는 문제가 있었다.
또한, 그라파이트를 10 중량% 초과한 11.5 중량%를 사용한 비교예 6의 경우, 실시예 1 및 실시예 3과 비교할 대, 전기 및 열전도성이 우수하고, 전반적으로 우수한 기계적 물성을 가지나, 압출 및 사출 성형시 불량품 발생률이 너무 높은 문제가 있었다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 폴리우레탄계 사이즈제를 5 ~ 6 중량%를 포함하는 헤링본형 탄소나노섬유 41 ~ 45 중량%, 다중벽 탄소나노튜브 0.5 ~ 5 중량%, 그라파이트 0.5 ~ 10 중량%, 분산제 0.1 ~ 0.2 중량% 및 잔량의 폴리부틸렌테레프탈레이트 (polybutylene terephthalate)를 포함하며,
    상기 헤링본형 탄소나노섬유는 흑연 망상면이 섬유축 방향에 대하여 20° ~ 30° 기울기를 가지며, 겉보기 밀도가 0.01 ~ 0.15g/cm3 이고,
    상기 폴리부틸렌 테레프탈레이트는 고유점도(IV)가 0.76 ~ 0.83㎗/g이며,
    상기 분산제는 하기 화학식 1로 표시되는 폴리실록산-폴리(알킬렌 글리콜) 그라프트 공중합체 및 비이온성 분산제를 1 : 0.2 ~ 0.5 중량비로 포함하고,
    상기 비이온성 분산제는 글리세롤 모노스테아레이트(glycerol monostearate), 소르비탄 모노올레이트(sorbitan monooleate), PVA(Polyvinyl alcohol), PMA (Polymethyl acrylate), MC(Methyl cellulose), CMC(Carboxyl methyl cellulose), 폴리사카라이드(Polysaccharide (Dextrin), PEI (Polyethylenimine), PVP(Polyvinylpyrrolidone) 및 PEO(Polyethyleneoxide), Poly(ethylene oxide)-Poly(butylene oxide) 삼원공중합체 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 사출 성형품용 전도성 플라스틱 수지;
    [화학식 1]
    Figure 112020130787259-pat00004

    상기 화학식 1에서 R1, R2 및 R3 각각은 독립적으로 수소원자, 탄소수 1 ~ 5의 직쇄형 알킬기 또는 탄소수 3 ~ 5의 분쇄형 알킬기이고, R4는 -C3H6O(C2H4O)x(C3H6O)yH이며, n은 0 ~ 10의 정수이고, m은 1 ~ 5의 정수이며, x은 1 ~ 10의 정수이고, y는 1 ~ 10의 정수이며, x+y는 2 ~ 20이다.
  6. 제5항에 있어서, 유동화제, 점도조절제, 가소제, 강도증진제, 충격보강제, 산화방지제, 자외선차단제, 광 안정제, 안료, 난연제 및 억연제 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사출 성형품용 전도성 플라스틱 수지.
  7. 삭제
  8. 제5항 또는 제6항의 전도성 플라스틱 수지를 포함하는, 전도성 플라스틱 펠렛.
  9. 제8항의 전도성 플라스틱 펠렛을 이용하여 사출 성형을 수행하여 제조한 사출 성형품.
  10. 제9항에 있어서, 상기 사출 성형품은 차량 컨트롤 디바이스 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 사출 성형품.
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