KR102365467B1 - 열전도성 고분자 복합재의 제조방법 및 그를 이용한 방열복합소재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전도성 고분자 복합재의 제조방법 및 그를 이용한 방열복합소재에 관한 것이다.
본 발명의 열전도성 고분자 복합재의 제조방법은 열전도성 탄소소재 분말을 포화 지방산 및 C1 내지 C4의 알코올로 이루어진 혼합용매에 혼합한 혼합액을 습식용 펠렛타이저에 넣고 그래뉼 타입의 마스터배치로 수득한 후 상기 그래뉼 타입의 마스터배치와 열가소성수지를 혼합하고 압출기를 통해 얻어진 압출성형물을 팰렛화한 열전도성 고분자 복합재를 제공함으로써, 열전도성 탄소소재를 분말상으로 혼합시 분말의 날림으로 인한 공정상 문제와 낮은 분산성을 개선하고, 나아가 상기 열전도성 탄소소재를 고함량으로 포함하여 우수한 열전도성을 가지는 방열복합소재를 제공할 수 있다.
본 발명의 열전도성 고분자 복합재의 제조방법은 열전도성 탄소소재 분말을 포화 지방산 및 C1 내지 C4의 알코올로 이루어진 혼합용매에 혼합한 혼합액을 습식용 펠렛타이저에 넣고 그래뉼 타입의 마스터배치로 수득한 후 상기 그래뉼 타입의 마스터배치와 열가소성수지를 혼합하고 압출기를 통해 얻어진 압출성형물을 팰렛화한 열전도성 고분자 복합재를 제공함으로써, 열전도성 탄소소재를 분말상으로 혼합시 분말의 날림으로 인한 공정상 문제와 낮은 분산성을 개선하고, 나아가 상기 열전도성 탄소소재를 고함량으로 포함하여 우수한 열전도성을 가지는 방열복합소재를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 열전도성 고분자 복합재의 제조방법 및 그를 이용한 방열복합소재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전도성 탄소소재 분말을 포화 지방산 및 C1 내지 C4의 알코올로 이루어진 혼합용매에 혼합한 혼합액을 습식용 펠렛타이저에 넣고 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치로 수득하고, 상기 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치와 열가소성수지를 혼합하고 압출기를 통해 얻어진 압출성형물을 팰렛화하여 열전도성 고분자 복합재를 제공함으로써, 열전도성 탄소소재를 분말상으로 혼합시 분말의 날림으로 인한 공정상 문제점과 혼합공정에서의 높은 점도를 갖는 열전도성 고분자의 탄소소재에 대한 낮은 젖음성 문제를 개선하여 열가소성수지에 열전도성을 효율적으로 부여할 수 있는 열전도성 고분자 복합재의 제조방법 및 그를 이용한 방열복합소재에 관한 것이다.
일반적으로 전자제품 및 자동차 부품에는 사용중에 발생되는 열을 방출하기 위하여 히트싱크(Heat sink)와 같은 방열재가 사용되고 있다.
방열특성을 갖는 방열재는 LED조명기구, 산업용 인버터, 전기자동차, 로봇기기, 태양광 발전 등 전기전자 부품에 다양하게 사용되고 있다. 특히, 최근 전자제품 기술이 발전하면서 전자제품의 고집적화, 고밀도화, 고성능화에 의하여 사용 중에 발생하는 전자제품 자체의 발열량이 증가됨에 따라 증가된 발열량을 효과적으로 배출하기 위하여 열전도도가 높은 소재가 요구되고 있다.
또한, 방열재는 전자제품의 소형화, 경량화, 최소공간화, 휴대가능성화 추구에 의해 열을 방출하기 위한 공간이 더욱 작아져 전자제품이 사용 중에 발생된 열에 의해 그 성능이 현저하게 저하되거나 고장 날 수 있다는 점에서 방열 소재에 대한 중요성이 더욱 높아지고 있다.
열가소성수지에 열전도성을 부여하기 위한 방법으로는 일반적으로 열가소성수지는 열전도도가 낮기 때문에 열전도성이 높은 탄소재료, 금속분말, 세라믹 분말 등의 필러를 첨가하거나 복합화하여 열전도성을 구현하도록 한다. 이때, 열전도도가 높은 필러는 고함량으로 첨가되어야 하고, 완성된 열가소성수지 복합재는 열이 한쪽에서 다른 한쪽으로 이동할 수 있도록 열전달 경로를 만들어야 한다. 따라서, 열전도성 필러의 함량과 열가소성수지 복합재의 열전도성과는 밀접한 관계가 있다.
그러나 열가소성수지는 대체로 용융온도(melting point) 이상의 온도에서도 점도가 높아 수만에서 수백만의 점도를 가지고 있어, 열전도성 필러에 대한 낮은 젖음성으로 인하여 고분자와 열전도성 필러 사이에 열전도성이 낮은 기포 등이 남아 있어 열가소성 고분자수지의 열전도성 증가를 방해하는 문제점을 갖는다. 열전도성 필러의 함량이 증가할수록 방해하는 기포가 증가하여 고함량의 열전도성 필러를 첨가 또는 복합화에도 비교적 낮은 열전도성을 갖는다는 문제가 있다.
상기 열전도성이 높은 탄소재료로서 대표적인 탄소나노튜브는 종래 다른 소재 대비 매우 우수한 전기적, 기계적, 화학적 특성을 가지고 있어, 전자, 전기제품, 고기능 복합체 등에 많은 연구가 이루어져 있다.
그러나 낮은 밀도 및 수십 마이크로의 분말 형태로 인해 처리과정에서의 흩날림으로 인한 인체 유해성 및 전기 제품의 오작동을 발생할 수 있으며, 또한 혼합하고자 하는 펠렛 및 분말 형태의 고분자와의 큰 겉보기 밀도 차이로 인한 분산의 어려움이 있는 실정이다.
특히, 공정상 탄소나노튜브의 흩날리는 것을 방지하기 위해 수처리, 계면활성제 처리로 보완하고 있으나, 처리과정에서 발생하는 탄소나노튜브 용액의 필터링 건조 등의 추가적인 비용이 발생할 뿐만 아니라, 원래 합성된 탄소나노튜브에 비해 3차원 고밀도화에 의한 재분산성이 현격하게 떨어지고 있는 실정이다.
그 일례로, 특허문헌 1에는 '나노카본액 조성물, 나노카본 수지 조성물, 나노카본 고형체, 나노카본 수지체 및 이들의 제조방법'에서는 탄소나노튜브를 액상에 분산, 건조 후, 수지 및 금속을 넣어 펠렛을 제조하는 방법이 기재되어 있으며, 특허문헌 2에는 계면활성제와 수성라텍스(수용성전구체)를 처리하여 분산을 하는 방법 등이 기재되어 있다.
그러나 이러한 방법들은 탄소나노튜브를 분산 또는 처리하기 위해 사용되는 용액이 탄소나노튜브 대비 10배에서 100배의 용액을 사용함에 따라, 탄소나노튜브의 필터 및 건조 등의 추가적인 비용이 발생함과 더불어 사용된 용액을 후처리해야 하는 등의 단점이 있다.
열전도성이 높은 또 다른 탄소재료로서 흑연은 겉보기 밀도가 크기에 따라서 크게 달라지며, 펠렛 형태의 고분자 수지와의 혼합 시 상대적으로 큰 부피를 차지하여, 혼합에 있어 큰 어려움이 있다.
이를 해결하기 위한 방법으로는 고분자수지를 동결분쇄 등을 통하여 미분화하여 분말끼리 섞는 방법 또는 흑연을 고분자수지와 유사한 형태로 혼합하는 방법이 있다.
이에, 본 발명자들은 열가소성수지에 열전도성을 부여하기 위한 종래 방법들의 문제점을 해소하고자 노력한 결과, 고분자수지와 유사한 형태인 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치로 제조하고 별도의 분쇄공정없이 열가소성수지와 혼합하고 그로부터 얻어진 압출성형물을 펠렛화하여 열전도성 고분자 복합재를 제공함으로써, 종래 분말의 날림으로 인한 공정문제를 해소하고 우수한 작업성을 제공하고, 종래 분말 형태로 제조된 복합재 대비, 대등하거나 그 이상의 우수한 열전도도, 전기전도도 및 인장강도를 보이므로 방열복합소재로서 유용함을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 열가소성수지에 열전도성을 효율적으로 부여한, 열전도성 고분자 복합재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열전도성 고분자 복합재로 이루어진 방열복합소재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열전도성 탄소소재 분말을 포화 지방산 및 C1 내지 C4의 알코올로 이루어진 혼합용매에 혼합한 혼합액을 습식용 펠렛타이저에 넣고 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 수득하고, 상기 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치 30 내지 60중량% 및 열가소성수지 40 내지 70중량%를 혼합하고 압출기를 통해 압출성형물을 팰렛화한, 열전도성 고분자 복합재의 제조방법을 제공한다.
상기에서 열전도성 탄소소재는 흑연, 팽창흑연, 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 탄소소재를 사용하는 것이다.
또한, 상기에서, 포화 지방산은 부티릭산(butyric acid), 카포릭산(caproic acid), 카프리릭산(caprylic acid), 카프릭산(capric acid), 라우릭산(lauric acid), 미리스틱산(myristic acid), 팔미틱산(palmitic acid) 및 스테아르산(stearic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치는 열전도성 탄소소재가 80중량% 이상 과량 포함될 수 있으며, 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치의 입자크기는 1 내지 10㎜의 직경을 가지는 형태로 수득된다.
상기 열전도성 고분자 복합재로 바람직하게는 흑연-폴리아미드 복합재이다.
나아가, 본 발명은 열전도성 고분자 복합재로 이루어진 방열복합소재를 제공한다. 구체적으로는 상기의 탄소소재가 포함된 열전도성 고분자 복합재가 우수한 열전도도, 전기전도도 및 인장강도 물성을 충족하므로 이를 이용한 방열복합소재로서 유용하다.
본 발명에 따르면, 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치로 제조하여 별도의 분쇄공정없이 열가소성수지와 혼합하고 그로부터 얻어진 압출성형물을 펠렛화한, 열전도성 고분자 복합재의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 열전도성 탄소소재 마스터배치는 상기 열전도성 탄소소재를 과량 포함시킬 수 있고, 사출가능한 그래뉼 타입의 입자크기로 수득할 수 있다.
따라서 본 발명의 제조방법은 종래 열전도성 탄소소재를 분말상으로 혼합 시 분말의 날림으로 인한 공정상 문제점과 혼합공정에서의 높은 점도를 갖는 열전도성 고분자의 탄소소재에 대한 낮은 젖음성 문제를 개선할 수 있다.
또한, 상기 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 고분자 복합재 제조공정에 적용할 때, 별도의 분쇄공정없이 열가소성수지와 혼합하고 압출성형물을 팰렛화하여 제공함으로써, 성형성이 용이하고, 생산성이 높아 가격경쟁력이 우수하고, 열전도도가 향상되어 방열특성이 우수한 방열복합소재를 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 1) 열전도성 탄소소재 분말을 포화 지방산 및 C1 내지 C4의 알코올로 이루어진 혼합용매에 혼합한 혼합액을 습식용 펠렛타이저에 넣고 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 수득하고,
2) 상기 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치 30 내지 60중량% 및 열가소성수지 40 내지 70중량%를 혼합하고 압출기를 통해 얻어진 압출성형물을 팰렛화한, 열전도성 고분자 복합재의 제조방법을 제공한다.
상기 1) 단계에서 열전도성 탄소소재는 흑연, 팽창흑연, 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 탄소소재를 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 바람직한 일례로서 흑연을 사용하여 설명하고 있다.
1) 단계에서 사용된 포화 지방산은 부티릭산(butyric acid), 카포릭산(caproic acid), 카프리릭산(caprylic acid), 카프릭산(capric acid), 라우릭산(lauric acid), 미리스틱산(myristic acid), 팔미틱산(palmitic acid) 및 스테아르산(stearic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것이다.
더욱 바람직하게는 본 발명의 실시예에서는 스테아르산(stearic acid)를 사용하고 있으나 이에 한정되지 아니할 것이다.
또한, C1 내지 C4의 알코올 중에서 바람직하게는 에탄올을 사용한다.
상기 1) 단계는 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 수득하는 단계로서, 포화 지방산의 녹는점 이상으로 가열 및 알코올을 첨가하여, 포화 지방산이 최대한 용해하도록 하며, 여기에 열전도성 탄소소재 분말을 혼합하여, 액상 펠렛타이저로 펠렛화시켜 냉각 및 알코올 증발을 통하여 탄소소재-지방산 마스터배치를 얻거나, 열전도성 탄소소재가 혼합 용해된 포화 지방산의 혼합물을 차가운 물에 서서히 떨어뜨리면서 휘저어주면, 혼합물로부터 열전도성 탄소소재가 혼합된 포화 지방산이 고형화되면서 상분리가 된다. 이러한 공정의 반복과정을 거쳐 상분리된 결정부분을 회수하여 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 얻을 수 있다. 상기 포화 지방산에서의 친유성 부분은 열전도성 탄소소재와의 상용성으로 인하여 쉽게 탄소소재를 감싸게 되어 포화 지방산과 열전도성 탄소소재와의 밀착성이 높아지게 된다.
또한, 스크류 압출기에서의 열가소성수지와 방열 필러 마스터배치와의 혼합공정에 있어서, 포화 지방산은 재용융되어 낮은 점도를 이루어 열전도성 탄소소재와 고분자수지와의 계면에 위치하여 낮은 열전도도를 가지는 공기의 침투를 방해함으로써, 고분자 복합재의 열전도성을 높이는 효과를 나타낸다[표 2].
도 1은 본 발명의 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 촬영한 사진이고, 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치의 입자크기는 1 내지 10mm의 직경을 가지는 형태로 수득되며, 더욱 바람직하게는 1 내지 6mm의 직경을 가지는 형태로 수득된다.
상기 입자크기를 가지는 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 제공함으로써, 분말 혼합 공정에 적용할 때, 별도의 분쇄공정없이 수행할 수 있어, 공정 생략으로 인한 가격경쟁력을 높일 수 있고 분말 작업시 작업자의 건강 및 시설 등의 문제도 근본적으로 해소할 수 있다.
상기 단계 1)로 수득된 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치는 열전도성 탄소소재를 80중량% 이상의 과량으로 포함할 수 있다.
본 발명의 단계 2)는 단계 1)에서 수득된 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치 30 내지 60중량% 및 열가소성수지 40 내지 70중량%를 혼합하고 압출기를 통해 얻어진 압출성형물을 펠렛화하여 열전도성 고분자 복합재를 제공한다.
상기 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치 함량이 30중량% 미만이면, 고분자 복합재의 열전도성 향상 효과가 미흡하고, 반면에 60중량%를 초과하면, 충격 및 인장 등의 고분자 복합재의 기계적 물성이 하락하는 문제가 있다.
상기에서 사용된 열가소성수지는 PP(polypropylene), PA6(Polyamide6), PET(Polyethylene terephthalate), PBT(poly-butylene-terephthalate), PA66(Polyamide66) 등을 포함하고, ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), PC(polycarbonate), PA(polyamide)의 경우도 적용할 수 있다.본 발명의 실시예에서는 바람직한 일례로서 폴리아미드를 사용한다.
더욱 바람직하게는 본 발명의 실시예에서는 흑연-폴리아미드 복합재를 제공한다.
특히, 흑연은 겉보기 밀도가 크기에 따라서 크게 달라지며, 펠렛 형태의 고분자 수지와의 혼합 시 상대적으로 큰 부피를 차지하여, 혼합에 있어 큰 어려움이 지적된 소재이다.
이에 본 발명의 제조방법을 통해, 흑연 분말을 그래뉼 타입의 흑연 마스터배치로 제조한 후 이를 열가소성수지와 혼합하고 압출기를 통해 얻어진 압출성형물을 팰렛화함으로써 흑연-폴리아미드 복합재를 제공할 수 있다.
즉, 본 발명은 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 사용함으로써, 복합재 제조공정에 별도의 분쇄공정없이 적용할 수 있어, 생산성을 높이며 그에 따라 가격경쟁력을 갖출 수 있다.
또한, 상기 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치와 열가소성수지를 혼합한 압출성형물을 팰렛화하여 사출 가능하게 구성함으로써, 용이한 성형성을 확보할 수 있다.
상기 압출 이후 열이 식으면서 열가소성수지가 수분을 흡수하기 때문에 수분이 높아지면 사출성형 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 압출 성형 직후 수분을 흡수하여 함수율이 높아져 있기 때문에, 압출 성형된 팰렛을 제습 건조하는 단계를 더 수행할 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기의 열전도성 고분자 복합재로 이루어진 방열복합소재를 제공한다.
상기의 열전도성 고분자 복합재는 종래 분말 형태로 제조된 복합재 대비, 대등하거나 그 이상의 우수한 열전도도, 전기전도도 및 인장강도를 보이므로[표 1 참조] 방열복합소재로서 유용하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛 제조
단계 1: 흑연 마스터배치의 제조
먼저 스테아르산 90g을 에탄올 450g에 녹인 다음, 이 용액에 100㎛ 흑연 분말 810g을 넣어 혼합하였다. 용액 대비 고형분 성분이 많아, 고점도 믹서(Kneader & mixer)를 이용하여 혼합하였다. 상기 흑연-스테아르산-에탄올 혼합물을 습식용 펠렛타이져에 넣고 그래뉼 타입의 흑연 마스터배치를 제조한 후 50℃에서 12시간 건조하였다. 상기와 같은 방법을 3번 반복하였다.
단계 2: 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛 제조
이축 스크류 압출기로 혼합하기 전에 먼저, 10L 플라스틱 통에 폴리아미드(Nylon 6) 700g(70중량%)과 상기 실시예 1에서 제조한 흑연 마스터배치 300g(30중량%)을 넣고 혼합하였다. 상기 혼합물을 트윈 스크류 압출기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 혼합 및 압출, 수냉각, 절단하여 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 제조하였다. 이렇게 만들어진 흑연-폴리아미드 복합재를 건조한 후, 사출성형기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 사출 성형하여 복합재 시편을 제작하였다.
<실시예 2> 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛 제조
이축 스크류 압출기로 혼합하기 전에 먼저, 10L 플라스틱 통에 폴리아미드(Nylon 6) 600g(60중량%)과 상기 실시예 1에서 제조한 흑연 마스터배치 400g(40중량%)을 넣고 혼합하였다. 상기 혼합물을 트윈 스크류 압출기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 혼합 및 압출, 수냉각, 절단하여 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 제조하였다. 이렇게 만들어진 흑연-폴리아미드 복합재를 건조한 후, 사출성형기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 사출 성형하여 복합재 시편을 제작하였다.
<실시예 3> 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛 제조
이축 스크류 압출기로 혼합하기 전에 먼저, 10L 플라스틱 통에 폴리아미드(Nylon 6) 500g(50중량%)과 상기 실시예 1에서 제조한 흑연 마스터배치 500g(50중량%)을 넣고 혼합하였다. 상기 혼합물을 트윈 스크류 압출기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 혼합하고, 압출, 수냉각, 절단하여 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 제조하였다. 이렇게 만들어진 흑연-폴리아미드 복합재를 건조한 후, 사출성형기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 사출 성형하여 복합재 시편을 제작하였다.
<실시예 4> 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛 제조
이축 스크류 압출기로 혼합하기 전에 먼저, 10L 플라스틱 통에 폴리아미드(Nylon 6) 400g(40중량%)과 상기 실시예 1에서 제조한 흑연 마스터배치 600g(60중량%)을 넣고 혼합하였다. 상기 혼합물을 트윈 스크류 압출기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 혼합하고, 압출, 수냉각, 절단하여 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 제조하였다. 이렇게 만들어진 흑연-폴리아미드 복합재를 건조한 후, 사출성형기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 사출 성형하여 복합재 시편을 제작하였다.
<비교예 1>
폴리아미드(Nylon 6) 고분자 수지는 흑연과 혼합하기 전에 먼저 액화질소로 냉각한 동결분쇄기를 이용하여 분쇄하여 분말을 수득하였다. 상기 분쇄된 폴리아미드 분말 700g(70중량%)과 100㎛ 흑연 분말 300g(30중량%)을 고점도 믹서(Kneader & mixer)를 이용하여 혼합하였다. 이후 흑연 분말과 폴리아미드 분말을 혼합하고 트윈 스크류 압출기를 이용하여 200∼260℃ 온도범위에서 혼합하고, 압출, 수냉각, 절단하여 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 제조하였다. 상기 제조된 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 건조한 후, 사출성형기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 사출 성형하여 복합재 시편을 제작하였다.
<비교예 2>
폴리아미드(Nylon 6) 고분자 수지는 흑연과 혼합하기 전에 먼저 액화질소로 냉각한 동결분쇄기를 이용하여 분쇄하여 분말을 수득하였다. 상기 분쇄된 폴리아미드 분말 600g(60중량%)과 100㎛ 흑연 분말 400g(40중량%)을 고점도 믹서(Kneader & mixer)를 이용하여 혼합하였다. 이후 흑연 분말과 폴리아미드 분말을 혼합하고 트윈 스크류 압출기를 이용하여 200∼260℃ 온도범위에서 혼합하고, 압출, 수냉각, 절단하여 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 제조하였다. 상기 제조된 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 건조한 후, 사출성형기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 사출 성형하여 복합재 시편을 제작하였다.
<비교예 3>
폴리아미드(Nylon 6) 고분자 수지는 흑연과 혼합하기 전에 먼저 액화질소로 냉각한 동결분쇄기를 이용하여 분쇄하여 분말을 수득하였다. 상기 분쇄된 폴리아미드 분말 500g(50중량%)과 100㎛ 흑연 분말 500g(50중량%)을 고점도 믹서(Kneader & mixer)를 이용하여 혼합하였다. 이후 흑연 분말과 폴리아미드 분말을 혼합하고 트윈 스크류 압출기를 이용하여 200∼260℃ 온도범위에서 혼합하고, 압출, 수냉각, 절단하여 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 제조하였다. 상기 제조된 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 건조한 후, 사출성형기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 사출 성형하여 복합재 시편을 제작하였다.
<비교예 4>
폴리아미드(Nylon 6) 고분자 수지는 흑연과 혼합하기 전에 먼저 액화질소로 냉각한 동결분쇄기를 이용하여 분쇄하여 분말을 수득하였다. 상기 분쇄된 폴리아미드 분말 400g(40중량%)과 100㎛ 흑연 분말 600g(60중량%)을 고점도 믹서(Kneader & mixer)를 이용하여 혼합하였다. 이후 흑연 분말과 폴리아미드 분말을 혼합하고 트윈 스크류 압출기를 이용하여 200∼260℃ 온도범위에서 혼합하고, 압출, 수냉각, 절단하여 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 제조하였다. 상기 제조된 흑연-폴리아미드 복합재 펠렛을 건조한 후, 사출성형기를 이용하여 200∼260℃ 온도 범위에서 사출 성형하여 복합재 시편을 제작하였다.
<실험예 1> 물성평가
상기 실시예 1∼4 및 비교예 1∼4에서 제조된 흑연이 함유된 고분자 복합재 펠렛을 사출성형기를 이용하여 시험편으로 사출 성형한다.
상기 사출성형된 시험편의 열전도도, 전기전도도 및 인장강도에 대한 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1∼4에서 제조된 방열복합소재는 통상 분말형태로 적용된 비교예 1∼4의 복합재 대비, 열전도도 전기전도도 및 인장강도가 대등 이상의 물성을 보였다.
이러한 물성결과는 고분자 복합재 제조 시 통상 분말 형태가 아닌, 그래뉼 타입의 흑연 마스터배치를 사용함에 따라 작업성이 우수하고, 복합재 제조공정에 별도의 분쇄공정없이 적용할 수 있어, 생산성을 높이며, 그에 따라 가격경쟁력을 갖출 수 있다.
또한, 본 발명의 그래뉼 타입의 흑연 마스터배치는 별도의 분쇄공정없이 중합공정상에서 사출가능한 수준으로 입자크기로 확보할 수 있어 성형성이 용이하다.
<실험예 2> 물성평가
상기 실시예 3의 흑연-폴리아미드 복합재에서, 흑연의 크기(직경) 및 함량에 따른 흑연과 열가소성수지 사이의 열계면 면적(㎟)을 실험하여 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다. 이때, 흑연-폴리아미드 복합재는 부피 1㎤를 갖는다.
상기 표 2의 결과로부터, 흑연의 직경이 작아질수록, 그리고 흑연 함량이 증가할수록, 열계면 면적이 현저히 증가하는 결과를 확임함으로써, 흑연의 직경과 그 함량이 열계면 면적에 크게 영향을 미친다.
상기 결과로부터, 본 발명의 열전도성 고분자 복합재, 구체적으로 흑연-폴리아미드 복합재의 경우, 열전달을 하는 흑연과 폴리아미드 사이의 계면에서의 높은 열전달이 발생함을 확인하였다.
또한, 본 발명의 제조방법에서 스크류 압출기에서의 고분자수지와 열전도성 탄소소재 마스터배치와의 혼합공정에서, 포화 지방산은 재용융되어 낮은 점도를 이루어 흑연-폴리아미드와의 계면에 위치하게 되므로, 낮은 열전도도를 가지는 공기의 침투를 방해함으로써, 궁극적으로는 고분자 복합재의 열전도성을 높이는 효과를 달성한다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (7)
- 열전도성 탄소소재 분말을 포화 지방산 및 C1 내지 C4의 알코올로 이루어진 혼합용매에 혼합한 혼합액을 습식용 펠렛타이저에 넣고 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치를 수득하고,
상기 그래뉼 타입의 열전도성 탄소소재 마스터배치 50 내지 60중량% 및 열가소성수지 40 내지 50중량%를 혼합하고 압출기를 통해 압출성형물을 팰렛화하고,
상기 열전도성 탄소소재 분말이 흑연, 팽창흑연 중 어느 하나 이상의 탄소소재인 것을 특징으로 하는 열전도성 고분자 복합재의 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 포화 지방산이 부티릭산(butyric acid), 카포릭산(caproic acid), 카프리릭산(caprylic acid), 카프릭산(capric acid), 라우릭산(lauric acid), 미리스틱산(myristic acid), 팔미틱산(palmitic acid) 및 스테아르산(stearic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전도성 고분자 복합재의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 그래뉼 타입의 마스터배치에 전도성 탄소소재가 80중량% 이상 포함된 것을 특징으로 하는 열전도성 고분자 복합재의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 그래뉼 타입의 마스터배치가 1 내지 10mm의 직경을 가지는 형태인 것을 특징으로 하는 열전도성 고분자 복합재의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 열전도성 고분자 복합재가 흑연-폴리아미드 복합재인 것을 특징으로 하는 열전도성 고분자 복합재의 제조방법.
- 제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 열전도성 고분자 복합재로 이루어진 방열복합소재.
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