KR102366152B1 - 고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 복합 매트릭스 - Google Patents

고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 복합 매트릭스 Download PDF

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Abstract

고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 복합 매트릭스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 상기 그래핀 복합 매트릭스를 이물질을 외부로 배출시키는 필터링 공정을 통해 제조함으로써 제조된 그래핀 복합 매트릭스가 우수한 항균, 제균, 유해가스에 대한 탈취율, 정전기 방지, 원적외선 방출, 자외선 차단율, 인장강도 및 신율 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 복합 매트릭스{METHOD FOR PREPARING GRAPHENE COMPOSITE MATRIX INCLUDING GRAPHENE DISPERSED IN POLYMER RESIN AND GRAPHENE COMPOSITE MATRIX PREPARED THEREBY}
본 발명은 고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 복합 매트릭스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 상기 그래핀 복합 매트릭스를 이물질을 외부로 배출시키는 필터링 공정을 통해 제조함으로써 제조된 그래핀 복합 매트릭스가 우수한 항균, 제균, 유해가스에 대한 탈취율, 정전기 방지, 원적외선 방출, 자외선 차단율, 인장강도 및 신율 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.
고분자는 성형이 쉽고, 내약품성이 우수하며 가볍기 때문에 자동차 부품, 전기전자부품, 건축재료 및 포장재료 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 그러나 절연성을 갖는 기본 특성으로 인해 마찰 등에 의해 생긴 정전기가 발생한 후에 방전, 흡인, 반발력 등으로 문제가 발생될 수 있다. 이에 발생된 정전기를 제거하거나 중화시키는 정전기의 분산 또는 방사 특성이 필요하게 된다. 이와 관련하여, ESD(electrostatic discharge) 고분자는 여러 가지 방법에 의해 고분자로서의 기본적인 특성을 유지하면서 정전기 방사 특성을 지닌 전기 전도성 고분자 소재이다. ESD 고분자는 104-10 Ω/sq 정도의 표면저항을 갖고 있어 마찰시 발생되는 정전기를 방사하는 정전기 분산 특성을 가지고 있다.
전도성 충전제를 사용하는 방식과 관련해서는 전도성을 갖는 충전제 중 카본블랙, 탄소섬유가 가장 널리 이용되고 있으나 성능 면에서 만족스럽지 못하다는 문제점이 있다. 최근에는 전도성의 성능 측면에서 탄소나노튜브 소재가 충전재로 각광을 받고 있으나, 분산 기술에 어려움이 있고, 분산이 되었다 해도 탄소나노튜브 입자들이 서로 뭉쳐지려는 성질이 강해, 수지 내에서의 균일한 분산성을 유지하기가 매우 힘든 문제점과 매트릭스 수지와 탄소나노튜브 간에 부착력 부족으로 인하여 정전특성의 성능이 충분히 발현되지 않는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 지금까지 탄소나노튜브의 화학적 변형과 분산에 관한 많은 논문과 특허들이 발표 또는 공개되어 왔다. 탄소나노튜브의 분산을 위해 단순히 물리적 처리를 위해 분산을 높일 수 있다는 연구 논문뿐만 아니라 초음파(ultrasonication), 계면활성제를 이용하여 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 방법들이 제시되어 있으나, 하나의 단계만으로는 충분히 분산되지도 않고, 분산 안정성 또한 좋지 않다는 한계를 노출하였다. 특히, 이러한 방법들은 다른 첨가제가 첨가될 경우 분산계가 흐뜨러져서 탄소나노튜브가 서로 뭉치는 경향이 있고, 이러한 것들이 수지와의 혼합 시 균일한 분산성을 나타내지 못해 전기적인 특성 및 물리적인 특성을 저하시키는 문제점을 안고 있다.
한편, 최근에는 카본나노튜브에 비해 13배나 적은 비저항과 100배나 체저항을 나타내는 그래핀을 이용하는 것에 관심이 높아졌다. 그래핀은 상기와 같은 특성으로 인하여 새로운 전도성 충전제로서 각광을 받고 있다. 그러나, 상기 그래핀 또한 순수한 탄소로 이루어진 판상구조로 강한 반데르발스힘과 π-π 인터렉션이 작용하여 낮은 용해도와 분산도를 갖는다는 문제를 나타내고 있다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 연구하던 중, 그래핀 및 고분자 수지를 혼합하고, 압출시킨 후, 내부에 포함된 이물질을 외부로 배출시키는 필터링 공정을 수행하여 그래핀 복합 매트릭스를 제조할 경우, 고분자 수지에 그래핀이 안정되게 분산되며, 제조된 그래핀 복합 매트릭스가 우수한 특성들을 가질 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1406597호는 그래핀-고분자 수지 복합체 분말 및 섬유 제조방법에 대하여 개시하고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 압출기 및 필터를 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 상기 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법을 통해 제조된 그래핀 복합 매트릭스를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은,
그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계; 상기 혼합물을 압출시키는 단계; 및 상기 압출된 혼합물에 포함된 이물질을 외부로 배출시켜 필터링시키는 단계;를 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법을 제공한다.
상기 그래핀은 액상 그래핀 또는 분말 형태의 그래핀인 것일 수 있다.
상기 그래핀은 다층 나노그래핀, 나노그래핀 판상 분체, 나노그래핀 리본, 기능성 그래핀, 그래핀 옥사이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer, POE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 수지를 포함하는 것일 수 있다.
상기 혼합되는 그래핀의 함량은 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 내지 5 중량부인 것일 수 있다.
상기 압출은 스크류를 이용한 압출기를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
상기 필터링은 상기 스크류의 외주면에 설치되며, 이물질이 통과하는 미세통로가 형성된 필터를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
상기 이물질은 가스, 수증기, 저분자 화학물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법은, 상기 필터링 시키는 단계; 이후에, 상기 혼합물을 펠릿 형태로 성형시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은,
그래핀 및 고분자 수지의 혼합물을 수용하는 호퍼; 상기 호퍼와 연결되며, 상기 호퍼에 수용된 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물을 압출시키는 스크류를 이용한 압출기; 및 상기 압출기의 말단부에 설치되는 필터;를 포함하고, 상기 필터는 상기 스크류의 외주면에 설치되며, 이물질이 통과하는 미세통로가 형성되어 있는 것인 그래핀 복합 매트릭스의 제조장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 측면은,
상기 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법을 통해 제조된 그래핀 복합 매트릭스를 제공한다.
상기 그래핀 복합 매트릭스는 57 Mpa 내지 100 Mpa의 인장강도(tensile strength)를 가지는 것일 수 있다.
상기 그래핀 복합 매트릭스는 165% 내지 190%의 신율(elongation)을 가지는 것일 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법에 따라 그래핀 복합 매트릭스를 제조하게 되면, 그래핀 및 고분자 용융 수지에 포함된 가스, 수증기, 저분자 화학물질 등과 같은 이물질이 제거되어 상용화제 또는 커플링제를 첨가하지 않아도 그래핀과 고분자 수지가 계면에서 서로 분리되지 않으므로, 복합 매트릭스의 기계적 물성이 우수하고 제조원가를 낮출 수 있는 것일 수 있다.
또한, 상기와 같이 제조된 그래핀 복합 매트릭스는 우수한 항균, 제균, 유해가스에 대한 탈취율, 정전기 방지, 원적외선 방출, 자외선 차단율, 인장강도 및 신율 특성을 가지는 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 제조장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 홀 플레이트의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 커팅부의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 5 및 6은 각각 본 발명의 일 실험예에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 항균 성능을 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실험예에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 탈취율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 항곰팡이 성능을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.
덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본원의 제 1 측면은,
그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계; 상기 혼합물을 압출시키는 단계; 및 상기 압출된 혼합물에 포함된 이물질을 외부로 배출시켜 필터링시키는 단계;를 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면은,
그래핀 및 고분자 수지의 혼합물을 수용하는 호퍼(10); 상기 호퍼(10)와 연결되며, 상기 호퍼(10)에 수용된 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물을 압출시키는 스크류(30)를 이용한 압출기; 및 상기 압출기의 말단부에 설치되는 필터(50);를 포함하고, 상기 필터(50)는 상기 스크류(30)의 외주면에 설치되며, 이물질이 통과하는 미세통로가 형성되어 있는 것인 그래핀 복합 매트릭스의 제조장치를 제공한다.
이하, 본원의 제 1 측면에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법 및 제 2 측면에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 제조장치를 도 1 내지 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 이때, 도 1은 상기 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 2 내지 4는 그래핀 복합 매트릭스의 제조장치를 나타낸 개략도로서, 본원의 제 1 측면에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법은 본원의 제 2 측면에 따른 그래핀 복합 매트릭스의 제조장치를 이용하여 제조하는 것일 수 있다. 한편, 도 2 내지 4에 나타낸 그래핀 복합 매트릭스의 제조장치는 하나의 구현예에 불과하므로, 일부 형태의 변형 또는 구성요소의 치환은 본 발명의 권리범위를 해치지 않는 범위 내에서 모두 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 더불어, 본 명세서에 있어서 “그래핀 복합 매트릭스”란 하기 후술할 필터링 이후의 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물을 의미하는 것일 수 있으며, 그 이후 단계인 펠릿 형태로 성형된 혼합물을 의미하는 것일 수도 있다.
우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법은 그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀의 형태는 액상 그래핀 또는 분말 형태의 그래핀인 것일 수 있으며, 그 종류로는 다층 나노그래핀, 나노그래핀 판상 분체, 나노그래핀 리본, 기능성 그래핀, 그래핀 옥사이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 그래핀은 나노 사이즈로 형성된 나노 그래핀인 것일 수 있으며, 따라서 상기 그래핀의 크기는 1 μm 미만인 것일 수 있다. 이때, 상기 그래핀은 바람직하게 액상 그래핀으로서 다층 나노그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 사용하는 것일 수 있으며, 상기 다층 나노그래핀은 2차원 구조로서 1 내지 5층의 형태를 가지는 것일 수 있다. 한편, 상기 그래핀이 액상 그래핀일 경우, 그래핀 원료에 액상첨가제가 혼합되는 것일 수 있으며, 상기 액상첨가제는 그래핀을 원활히 용해시킬 수 있는 것이면 제한없이 통상의 첨가제를 사용하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer, POE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 수지를 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer, POE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 또는 폴리아미드(polyamide, PA)인 것일 수 있다. 한편, 상기 그래핀 및 고분자 수지의 혼합은 고분자 수지에 그래핀을 함침시키거나 코팅시킴으로써 수행되는 것일 수 있으며, 상기 혼합되는 그래핀의 함량은 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 내지 5 중량부인 것일 수 있고, 바람직하게는 0.005 중량부 내지 1 중량부, 더욱 바람직하게는 0.01 중량부 내지 0.1 중량부인 것일 수 있다. 이때, 상기 혼합되는 그래핀의 함량이 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 미만일 경우 그래핀의 함량이 너무 적어 제조되는 그래핀 복합 매트릭스가 그래핀 고유의 우수한 특성을 가지지 못할 수 있으며, 5 중량부 초과일 경우 고분자 수지의 함량이 상대적으로 적어져 그래핀이 고분자 수지에 원활히 분산되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면 상기 혼합되는 그래핀 및 고분자 수지의 중량 혼합비율은 약 0.05: 99.95인 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계는 그래핀 옥사이드를 액상 첨가제와 혼합시켜 액상 그래핀 옥사이드를 제조하는 단계; 상기 액상 그래핀 옥사이드에 고분자 수지를 투입하여 혼합시키는 단계; 및 상기 혼합물을 건조시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 건조는 약 80℃ 내지 120℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다. 즉, 상기와 같이 혼합된 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물은 건조단계를 수행하기 때문에 수분함량이 약 15 wt% 이하인 것일 수 있으며, 상기 수치보다 높은 수분함량을 가질 경우 하기 후술할 압출단계에서 상기 혼합물의 압출이 원활히 수행되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기와 같이 혼합된 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물은 도 2에 나타낸 바와 같이 호퍼(10)에 수용되는 것일 수 있으며, 상기 호퍼(10)에 수용된 혼합물은 이후 압출기로 이송되어 압출이 수행되는 것일 수 있다.
다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법은 상기 혼합물을 압출시키는 단계; 및 상기 압출된 혼합물에 포함된 이물질을 외부로 배출시켜 필터링시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 도 2를 참조하면, 상기 압출은 바람직하게 스크류(30)를 이용한 압출기를 이용하여 수행되는 것일 수 있다. 이때, 상기 압출기의 일측 상부는 상기 혼합물을 수용하는 호퍼(10)의 하부면과 연결되어 있는 것일 수 있으며, 호퍼(10)에서 공급되는 혼합물이 압출기의 일측 내부로 이송되어 압출기의 타측 방향으로 압출되는 것일 수 있다. 한편, 상기 압출기에는 상기 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물 외에, 추가적으로 베이스 고분자, 부재료, 첨가제 등이 공급되어 함께 압출되는 것일 수 있다. 이를 위해, 압출기의 압출방향을 따라 각각의 원료가 공급될 수 있도록 베이스 고분자 수용 호퍼(12), 부재료 수용 호퍼(14) 및 첨가제 수용 호퍼(16)가 추가로 설치되는 것일 수 있다. 이와 관련하여, 상기 베이스 고분자 수용 호퍼(12)는 그래핀 및 고분자 수지 수용 호퍼(10)와 연결되어 있으며, 이에 따라 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물과 베이스 고분자가 함께 혼합된 상태로 압출기에 투입되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 베이스 고분자 및 부재료는 제조하고자 하는 제품의 물성을 충족시켜주기 위해 적절한 물질을 선택하여 공급시켜 주는 것일 수 있다. 더불어, 상기 첨가제는 강화제, 충진제 등을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 유리섬유(glass fiber, GF) 또는 탄소섬유(carbon fiber, CF) 등을 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 베이스 고분자, 부재료 및 첨가제는 제조하고자 하는 그래핀 복합 매트릭스의 물성을 충족시켜 주기 위하여 소량 첨가되는 것일 수 있으며, 첨가되는 물질의 종류 또는 함량은 달성하고자 하는 물성을 위하여 적절히 선택하여 첨가하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 압출기는 내부에 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물이 이동하는 통로가 형성된 바디(20); 상기 바디(20)의 내부 혼합물 이동 통로에 수용되고 호퍼(10)로부터 혼합물을 공급받아 혼합 및 용융시키면서 홀 플레이트(80) 및 커팅부(90)로 압출하는 스크류(30); 상기 바디(20)의 외주면에 설치되어 혼합물을 가열 용융하는 히터(40); 상기 히터(40)에 의해 용융된 혼합물로부터 발생하는 이물질을 외부로 배출하는 필터(50); 및 상기 바디(20)의 끝단에 위치하는 헤드(70)를 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 이물질은 가스, 수증기, 저분자 화학물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있으며, 이와 같은 이물질을 제거함으로써 제조되는 그래핀 복합 매트릭스의 물성 또는 특성이 현저히 우수한 것일 수 있다. 이때, 상기 저분자 화학물질은 예를 들어, 스테아르산(stearic acid), 올리고머(oligomer), 트리고머(trigomer) 등일 수 있으며, 상기와 같은 물질들은 인체에 유해한 바, 이를 제거하여 제조된 그래핀 복합 매트릭스는 인체에 무해한 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 필터(50)에 대하여 더욱 자세하게 설명하자면, 상기 필터(50)는 도넛 형상의 벤트링(vent ring, 52)이 스크류(30)의 축선방향으로 복수 개 적층된 구조로서, 인접한 벤트링(52)과 벤트링(52) 사이에는 이물질을 통과시키고, 용융된 혼합물을 통과시키지 않는 미세통로가 방사상으로 형성되어 있는 것일 수 있다. 따라서, 용융된 혼합물은 스크류(30)의 회전에 의해 이동통로를 따라 헤드(70) 방향으로 이동하고, 이물질은 미세통로를 통과하여 가스포집공간(51)에 포집된 후, 제1, 2 배출관(60, 61)을 경유하여 진공펌프(62)에 의해 외부로 배출되는 것일 수 있다. 이때, 바람직하게 상기 제1, 2 배출관(60, 61)의 도중에 외부의 공기가 유입되는 배관을 연결하여 필터(50)로부터 배출되는 이물질이 더욱 신속히 배출되도록 하는 것일 수 있다. 이를 위하여, 상기 제1, 2 배출관(60, 61)의 도중에 외부의 공기가 인입되는 공기흡입관(63)의 일단을 연결하고 공기흡입관(63)의 타단에는 공기필터(64)를 설치하여 외부 공기 중의 이물질이 흡입되는 것을 차단하며, 상기 제2 배출관(61)과 공기흡입관(63)은 동일직선상으로 배열되고 여기에 제1 배출관(60)이 직각방향으로 접속되는 것일 수 있다.
상기와 같이 구성된 이물질 배출시스템은 외부의 공기가 공기흡입관(63)과 제2 배출관(61)을 빠른 속도로 통과하면서 베르누이 정리에 의거 제1 배출관(60)에 부압(negative pressure)을 형성하므로 가스포집공간(51)에 포집된 이물질을 외부로 신속히 배출시킬 수 있다. 도 2에서는 제2 배출관(61)의 하류단(downstream end)에 진공펌프(62)를 설치하여 가스와 수증기를 배출하도록 구성하였으나 진공펌프(62)를 설치하는 대신에 공기흡입관(63) 상류단(upstream end)에 송풍기를 설치하는 것도 가능하며, 송풍기의 송풍에 의해 상기와 같은 원리로 제1 배출관(60)에 부압이 형성되어 가스포집공간(51)의 이물질을 신속히 외부로 배출할 수 있고, 이 경우 송풍기가 이물질과 직접 접촉하지 않아서 이물질에 의해 송풍기가 부식되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다. 또한, 이물질을 신속히 배출하는 다른 방안으로서, 필터(50)의 가스포집공간(51)이 외부의 공기와 연통할 수 있도록 필터(50) 외벽에 공기흡입구(53)를 설치할 수 있다. 공기흡입구(53)를 통하여 가스포집공간(51)에 인입된 공기는 가스포집공간(51)을 구성하는 벤트링(52) 외주면과 필터(50) 외벽 사이를 빠른 속도로 통과하여 제1, 2 배출관(60, 61)과 진공펌프(62)를 경유하여 외부로 배출되고, 벤트링(52)들 사이에 형성된 미세통로와 벤트링(52) 외주면은 서로 직각을 이루므로 상기 제1 배출관(60)에 부압이 형성되는 것과 같은 원리로 벤트링(52)의 미세통로에 부압이 형성되며, 따라서 용융된 혼합물로부터 발생한 이물질은 미세통로를 신속히 통과하여 외부로 배출될 수 있다. 이때, 상기 제1 배출관(60)과 공기흡입구(53)는 서로 가장 먼 위치, 즉 필터(50)의 축선방향과 둘레방향을 기준으로 서로 반대편에 설치하여 벤트링(52)의 미세 통로 전체에 부압을 형성하게 하는 것이 바람직하다.
도 2에는 스크류(30)가 1개인 일축 압출장치를 도시하였으나 스크류(30)가 2개인 이축 압출장치를 사용하는 것도 가능하며, 도 2에는 나타내지 않았으나 진공펌프(62)의 토출부에 배출가스의 환경기준에 맞추어 이물질 내의 유기화합물을 제거하는 장치가 별도로 구비될 수 있다.
다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법은 상기 필터링 시키는 단계; 이후에, 상기 혼합물을 펠릿 형태로 성형시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 성형은 도 2 내지 4에 나타낸 홀 플레이트(80) 및 커팅부(90)에 의하여 수행되는 것일 수 있다. 이때, 상기 홀 플레이트(80)의 일면은 상기 헤드(70)의 끝단에 부착되어 있는 것일 수 있으며, 홀 플레이트(80)의 타면에는 커팅부(90)가 부착되어 있는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 헤드(70)의 토출구(75)를 통하여 분출되는 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물은 용융된 상태인 것일 수 있다. 따라서, 상기와 같이 용융된 상태의 혼합물이 도 3에 나타낸 바와 같은 홀 플레이트(80)에 형성된 복수 개의 홀(85)을 통해 커팅부(90)로 분출되는 것일 수 있다. 이때, 상기 커팅부(90)는 내부에 중심축을 따라 회전하는 커터(92)를 포함하는 것일 수 있으며, 내부에 냉각수를 공급 및 배출시켜 주는 냉각수 이송관(95)이 외측면에 설치되어 있는 것일 수 있다. 즉, 상기 홀 플레이트(80)를 통해 분출되는 혼합물은 상기 커터(92)에 의해 펠릿 형태로 절단되어 성형되는 것일 수 있으며, 절단과 동시에 냉각수에 의해 온도를 하강시키기 때문에 용융된 상태의 혼합물이 급속히 굳게 되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기와 같이 펠릿 형태로 성형된 혼합물은 이후 제품(그래핀 복합 매트릭스) 저장 호퍼(미도시)에 저장되는 것일 수 있으며, 포장 후 출하되는 것일 수 있다.
본원의 제 3 측면은,
상기 본원의 제 1 측면의 제조방법을 통해 제조된 그래핀 복합 매트릭스를 제공한다.
본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 대해 설명한 내용은 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 본원의 제 3 측면에 따른 그래핀 복합 매트릭스를 상세히 설명한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 매트릭스는 가스, 수증, 저분자 화학 물질 등과 같은 이물질이 제거되었기 때문에 원재료 고유의 우수한 특성을 나타낼 수 있으며, 그래핀과 고분자 수지가 계면에서 서로 분리되지 않아 매우 안정한 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 매트릭스는 57 Mpa 내지 100 Mpa의 인장강도(tensile strength) 및 165% 내지 190%의 신율(elongation)을 가져 기계적 물성이 매우 우수한 것일 수 있다. 또한, 상기와 같은 기계적 물성 외에도 우수한 항균, 제균, 유해가스에 대한 탈취율, 정전기 방지, 원적외선 방출 또는 자외선 차단 특성 등을 가지는 것일 수 있다.
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. 그래핀 복합 매트릭스의 제조 ( 그래핀 0.05 wt% / PET 99.95 wt% )
도 1의 제조방법 및 도 2의 제조장치를 이용하여 그래핀 복합 매트릭스를 제조하기 위하여 우선, 다층 나노그래핀을 액상 첨가제와 혼합시켜 액상의 다층 나노그래핀을 수득하였다. 이후, 상기 수득한 액상의 다층 나노그래핀에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)을 혼합시켜 함침 및 코팅 공정을 수행하였다. 이때 상기 그래핀 및 PET의 중량 혼합비율은 0.05 wt% : 99.95 wt%이었다. 그 다음, 상기 그래핀 및 PET의 혼합물을 건조시킨 후, 도 2의 제조장치에 투입시켜 압출공정을 수행하였으며, 압출된 혼합물을 성형하여 펠릿 형태의 그래핀 복합 매트릭스를 수득하였다.
실시예 2. 그래핀 복합 매트릭스의 제조 ( 그래핀 옥사이드 0.05 wt% / PET 99.95 wt% )
상기 실시예 1에서 다층 나노그래핀 대신 나노 그래핀 옥사이드를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법을 이용하여 펠릿 형태의 그래핀 복합 매트릭스를 수득하였다.
실시예 3. 그래핀 복합 매트릭스의 제조 ( 그래핀 0.05 wt% / PP 99.95 wt% )
상기 실시예 1에서 PET 대신 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 멜트블로운 부직포(60 g/m2)를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법을 이용하여 펠릿 형태의 그래핀 복합 매트릭스를 수득하였다.
실시예 4. 그래핀 복합 매트릭스의 제조 ( 그래핀 0.1 wt% / PP 99.9 wt% )
상기 실시예 3에서 그래핀 및 PP의 중량 혼합비율을 0.1 wt% : 99.9 wt%로 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법을 이용하여 펠릿 형태의 그래핀 복합 매트릭스를 수득하였다.
실험예 1. 마찰대전성 평가
상기 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스의 마찰대전성을 평가하기 위해, KS K 0555(2015, B법)에 의거하여 면포 및 모포에 대한 마찰대전성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었으며, 이때 시험조건은 20±2℃, 40±2%R.H., 400 r/min 이었다.
[표 1]
Figure 112020086982133-pat00001
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀 복합 매트릭스는 낮은 마찰대전성을 나타냄을 확인할 수 있었으며, 이로부터 우수한 정전기 방지효과를 가짐을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 방사에너지 평가
상기 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스의 원적외선 방사율 및 방사에너지를 평가하기 위해, 이를 사단법인 한국원적외선협회에 의뢰하여 실험을 진행하였으며, 이의 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 측정 방법은 KFIA-FI-1005에 의거하여 측정하였으며, 파장은 5 내지 20 μm, 온도는 37℃를 기준으로 측정하였다.
[표 2]
Figure 112020086982133-pat00002
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀 복합 매트릭스는 5 내지 20 μm의 파장범위에서 0.894의 방사율 및 3.45 x 102 W/m2·μm의 방사에너지 방출량을 가짐을 확인할 수 있었다. 따라서, 상기 그래핀 복합 매트릭스가 우수한 원적외선 방사율 및 방사에너지 방출량을 가짐을 확인할 수 있었다.
실험예 3. 자외선 차단 성능 평가
상기 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스의 자외선 차단 성능을 평가하기 위해, KS K 0850:2014에 의거하여 자외선-A(315~400 nm) 및 자외선-B(290~315 nm)의 자외선 차단율 및 자외선 차단지수(UPF)를 측정하였으며, 이의 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 이때, 시험기기로는 UV Transmittance Analyzer를 사용하였고, 광원으로는 Xenon Arc를 사용하였다.
[표 3]
Figure 112020086982133-pat00003
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀 복합 매트릭스는 우수한 자외선 차단율 및 자외선 차단지수를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 이로부터 우수한 자외선 차단 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
실험예 4. 항균 성능 평가
상기 실시예 1 및 2에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스의 항균성능을 평가하기 위해 FITI 시험연구원에 의뢰하여 KS K 0693:2016에 의거하여 실험을 진행하였으며, 이의 결과를 하기 표 4와 도 5(실시예 1) 및 6(실시예 2)에 각각 나타내었다. 이때 사용된 균주는 Staphylococcus aureus (황색포도상구균), Klebsiella pneumoniae (폐렴막대균)이었고, 비이온계면활성제로서 접종균에 0.05% 비이온계면활성제(snogen)를 사용하였으며, 표준포로서 KS K 0905 염색견뢰도용 첨부백포(cotton)를 사용하였다.
[표 4]
Figure 112020086982133-pat00004
상기 표 4와 도 5(실시예 1) 및 6(실시예 2)에 나타낸 바와 같이, 상시 실시예 1 및 2에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스는 모두 높은 정균감소율을 나타내었으며, 특히 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스는 99.9%의 정균감소율을 나타내어 항균 성능이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.
실험예 5. 탈취율 평가
상시 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스의 암모니아 및 아세트산에 대한 탈취율을 평가하기 위해 FTM-5-2:2004, 가스검지관법에 의거하여 실험을 진행하였으며, 이의 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 이때, 측정시간은 2시간 경과 후로 하였으며, 탈취율은 하기 식 1을 이용하여 계산하였다.
[식 1]
탈취율(%) = [(blank농도)-(sample농도)/(blank농도)]× 100
이때, 상기 식 1에서 blank농도는 시료가 없는 상태에서 측정한 농도이고, sample농도는 그래핀 복합 매트릭스의 존재 하에서 측정한 농도를 의미하는 것이다.
[표 5]
Figure 112020086982133-pat00005
상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스는 암모니아 및 아세트산에 대한 2시간 탈취율이 각각 약 20% 및 60%로서 우수함을 확인할 수 있었다.
한편, 상기 실시예 2에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스의 암모니아에 대한 탈취율을 평가하기 위해 KIFA 한국원적외선응용평가원에 의뢰하여 KFIA-FI-1004에 의거하여 실험을 진행하였으며, 이의 결과를 하기 표 6 및 도 7에 각각 나타내었다.
[표 6]
Figure 112020086982133-pat00006
상기 표 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스는 암모니아에 대한 탈취율이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.
실험예 6. 항곰팡이 성능 평가
상시 실시예 3 및 4에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스의 항곰팡이 성능을 분석하기 위해, KIFA 한국원적외선응용평가원에 의뢰하여 곰팡이 저항성능 분석(ASTM G-21)을 수행하였으며, 각각 4주간 곰팡이와 동시에 배양하여 곰팡이의 번식을 분석하였다. 이의 결과를 하기 표 7 및 도 8에 각각 나타내었다.
[표 7]
Figure 112020086982133-pat00007
상기 표 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 3 및 4에서 제조한 그래핀 복합 매트릭스에 곰팡이를 배양시켜도 곰팡이의 번식이 없음을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 우수한 항곰팡이 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
이상, 도면을 참조하여 바람직한 실시예와 함께 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 이러한 도면과 실시예로 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형예 또는 균등한 범위의 실시예가 존재할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 기술적 사상의 권리범위는 청구범위에 의해 해석되어야 하고, 이와 동등하거나 균등한 범위 내의 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 그래핀 및 고분자 수지 수용 호퍼
12: 베이스 고분자 수용 호퍼 14: 부재료 수용 호퍼
16: 첨가제 수용 호퍼 20: 바디
30: 스크류 40: 히터
50: 필터 51: 가스포집공간
52: 벤트링 53: 공기흡입구
60: 제1 배출관 61: 제2 배출관
62: 진공펌프 63: 공기흡입관
64: 공기필터 70: 헤드
75: 토출구 80: 홀 플레이트
85: 홀 90: 커팅부
92: 커터 95: 냉각수 이송관

Claims (13)

  1. 그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계;
    상기 혼합물을 압출시키는 단계;
    상기 압출된 혼합물에 포함된 이물질을 외부로 배출시켜 필터링시키는 단계; 및
    상기 혼합물을 펠릿 형태로 성형시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계는,
    그래핀 옥사이드를 액상 첨가제와 혼합시켜 액상 그래핀 옥사이드를 제조하는 단계;
    상기 액상 그래핀 옥사이드에 고분자 수지를 투입하여 혼합시키는 단계; 및
    상기 혼합물을 건조시키는 단계;
    를 포함하는 것이고,
    상기 혼합되는 그래핀의 함량은 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 내지 5 중량부인 것이고,
    상기 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물은 건조시키는 단계 이후, 수분함량이 15 wt% 이하인 것이고,
    상기 압출은 스크류를 이용한 압출기를 이용하여 수행되는 것이고,
    상기 필터링은 상기 스크류의 외주면에 설치되며, 이물질이 통과하는 미세통로가 형성된 필터를 이용하여 수행되는 것이고,
    상기 이물질은 가스, 수증기, 저분자 화학물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법으로서,
    상기 제조된 그래핀 복합 매트릭스는 그래핀과 고분자 수지가 계면에서 서로 분리되지 않는 것인 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀은 액상 그래핀 또는 분말 형태의 그래핀인 것인 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀은 다층 나노그래핀, 나노그래핀 판상 분체, 나노그래핀 리본, 기능성 그래핀, 그래핀 옥사이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer, POE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 수지를 포함하는 것인 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항의 제조방법을 통해 제조된 그래핀 복합 매트릭스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 그래핀 복합 매트릭스는 57 Mpa 내지 100 Mpa의 인장강도(tensile strength)를 가지는 것인 그래핀 복합 매트릭스.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 그래핀 복합 매트릭스는 165% 내지 190%의 신율(elongation)을 가지는 것인 그래핀 복합 매트릭스.
KR1020200103883A 2020-08-19 2020-08-19 고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 복합 매트릭스 KR102366152B1 (ko)

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KR1020200103883A KR102366152B1 (ko) 2020-08-19 2020-08-19 고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 그래핀 복합 매트릭스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 복합 매트릭스

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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110059130A (ko) * 2009-11-27 2011-06-02 연세대학교 산학협력단 복합 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 바이폴라 플레이트
KR20150070391A (ko) * 2012-10-19 2015-06-24 럿거스, 더 스테이트 유니버시티 오브 뉴저지 그래핀으로 강화된 고분자 매트릭스 복합체를 제조하기 위한 인 시츄 박리방법
KR20180012952A (ko) * 2016-07-28 2018-02-07 권원현 탄소복합재 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소복합재
KR101935566B1 (ko) * 2017-07-24 2019-01-04 주식회사 지에이치디홀딩스 압출장치 및 이를 이용한 우드 플라스틱 복합체의 제조방법
KR101970926B1 (ko) * 2018-10-10 2019-08-13 김상봉 복합소재 제조를 위한 압출기 및 사출기용 가스제거장치

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