KR102517512B1 - Flame retardant polyacrylonitrile composite material and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 난연성 폴리아크릴로 나이트릴 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리아크릴로 나이트릴 반복단위와 카테콜기를 포함하는 반복단위를 구비하는 공중합체 수지에 황이 도핑된 탄소재를 첨가하여 안정화 온도를 낮추고 난연성을 향상시킨 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flame retardant polyacrylonitrile composite material and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a carbon material in which sulfur is doped in a copolymer resin having a polyacrylonitrile repeating unit and a repeating unit including a catechol group. It relates to a composite material in which the stabilization temperature is lowered and the flame retardancy is improved by adding the same, and a manufacturing method thereof.

Description

난연성 폴리아크릴로 나이트릴 복합재 및 그 제조방법{FLAME RETARDANT POLYACRYLONITRILE COMPOSITE MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Flame retardant polyacrylonitrile composite and manufacturing method thereof

본 발명은 난연성 폴리아크릴로 나이트릴 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리아크릴로 나이트릴 반복단위와 카테콜기를 포함하는 반복단위를 구비하는 공중합체 수지에 황이 도핑된 탄소재를 첨가하여 안정화 온도를 낮추고 난연성을 향상시킨 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flame retardant polyacrylonitrile composite material and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a carbon material in which sulfur is doped in a copolymer resin having a polyacrylonitrile repeating unit and a repeating unit including a catechol group. It relates to a composite material in which the stabilization temperature is lowered and the flame retardancy is improved by adding the same, and a manufacturing method thereof.

폴리아크릴로 나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)은 탄소섬유 제조를 위한 대표적인 전구체 고분자이다. 탄소섬유를 제조하는 과정에서 폴리아크릴로 나이트릴은 안정화(stabilization), 탄화(carbonization), 흑연화(graphitization) 공정을 거친다. 이 중 안정화 과정에서 폴리아크릴로 나이트릴은 분자 내 또는 분자 간 가교 결합이 발생하여 고온에서 쉽게 용융되지 않는 난연성이 발현된다. 다만, 폴리아크릴로 나이트릴의 난연성을 구현하기 위해서는 300℃ 이상의 열처리가 필수적이며, 이때 나타나는 낮은 안정화 효율과 장시간의 고온 열처리에 따른 전기 사용량의 증가는 해당 소재의 단점으로 지적된다.Polyacrylonitrile (PAN) is a typical precursor polymer for carbon fiber production. In the process of manufacturing carbon fiber, polyacrylonitrile goes through stabilization, carbonization, and graphitization processes. During the stabilization process, polyacrylonitrile exhibits flame retardancy that is not easily melted at high temperatures due to intramolecular or intermolecular crosslinking. However, in order to realize the flame retardancy of polyacrylonitrile, heat treatment of 300 ° C or higher is essential, and low stabilization efficiency and increase in electricity consumption due to long-term high-temperature heat treatment are pointed out as disadvantages of the material.

안정화 공정 온도를 낮추고 효율을 향상시키기 위해서 폴리아크릴로 나이트릴을 중합할 때 다양한 공단량체(Co-monomer)의 도입이 시도되고 있다. 또한, 폴리아크릴로 나이트릴의 난연성을 향상시키기 위해 할로겐 원소를 도입하는 연구도 진행되고 있다. In order to lower the stabilization process temperature and improve efficiency, introduction of various co-monomers has been attempted when polyacrylonitrile is polymerized. In addition, research into introducing a halogen element to improve the flame retardancy of polyacrylonitrile is also being conducted.

한국등록특허 제10-1093140호Korean Patent Registration No. 10-1093140 한국등록특허 제10-1329796호Korean Patent Registration No. 10-1329796

본 발명은 낮은 온도에서 높은 효율의 안정화가 가능한 폴리아크릴로 나이트릴 복합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a polyacrylonitrile composite material capable of high efficiency stabilization at a low temperature.

본 발명은 폴리아크릴로 나이트릴 복합재의 난연성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to improve the flame retardancy of polyacrylonitrile composites.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 더욱 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The objects of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by means and combinations thereof set forth in the claims.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합재는 폴리아크릴로 나이트릴을 포함하는 제1 반복단위 및 카테콜기를 포함하는 제2 반복단위를 포함하는 공중합체 수지; 및 상기 공중합체 수지에 분산된 필러;를 포함하고, 상기 필러는 황이 도핑된 탄소재를 포함할 수 있다.A composite material according to an embodiment of the present invention includes a copolymer resin including a first repeating unit including a polyacrylonitrile and a second repeating unit including a catechol group; and a filler dispersed in the copolymer resin, wherein the filler may include a sulfur-doped carbon material.

상기 공중합체 수지는 블록 공중합체, 랜덤 공중합체 또는 교대 공중합체(Alternating copolymer)일 수 있다.The copolymer resin may be a block copolymer, a random copolymer or an alternating copolymer.

상기 제2 반복단위는,

Figure 112021030287535-pat00001
,
Figure 112021030287535-pat00002
,
Figure 112021030287535-pat00003
및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The second repeating unit,
Figure 112021030287535-pat00001
,
Figure 112021030287535-pat00002
,
Figure 112021030287535-pat00003
And it may include at least one selected from the group consisting of combinations thereof.

상기 공중합체 수지는 하기 화학식1로 표시되는 것일 수 있다.The copolymer resin may be represented by Formula 1 below.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021030287535-pat00004
Figure 112021030287535-pat00004

화학식1에서 A는

Figure 112021030287535-pat00005
,
Figure 112021030287535-pat00006
,
Figure 112021030287535-pat00007
및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고, x는 9000 내지 9990의 정수이고, y는 10 내지 1000의 정수이다.In Formula 1, A is
Figure 112021030287535-pat00005
,
Figure 112021030287535-pat00006
,
Figure 112021030287535-pat00007
and at least one selected from the group consisting of combinations thereof, x is an integer from 9000 to 9990, and y is an integer from 10 to 1000.

상기 공중합체 수지의 중량평균 분자량은 10,000g/mol 내지 500,000g/mol일 수 있다.The copolymer resin may have a weight average molecular weight of 10,000 g/mol to 500,000 g/mol.

상기 공중합체 수지의 분자량 분포는 1.2 내지 4일 수 있다.The molecular weight distribution of the copolymer resin may be 1.2 to 4.

상기 공중합체 수지는 시차 주사 열량 분석(Differential scanning calorimetry, DSC)에 의한 열안정성 평가방법에 따라 측정된 최대 발열 피크 온도가 200℃ 내지 300℃일 수 있다.The copolymer resin may have a maximum exothermic peak temperature of 200 °C to 300 °C measured according to a thermal stability evaluation method using differential scanning calorimetry (DSC).

상기 탄소재는 산화그래핀, 환원된 산화그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The carbon material may include at least one selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, carbon nanotubes, carbon fibers, and combinations thereof.

상기 필러는 황을 0.5중량% 내지 5중량%로 포함할 수 있다.The filler may include 0.5% to 5% by weight of sulfur.

상기 복합재는 상기 필러를 0.1중량% 내지 20중량%로 포함할 수 있다.The composite material may include the filler in an amount of 0.1% to 20% by weight.

상기 복합재의 단위 질량당 방열량(Heat release capacity)은 63 W/g 이하일 수 있다.Heat release capacity per unit mass of the composite material may be 63 W/g or less.

상기 복합재의 한계 산소 지수(Limiting oxygen index)는 38% 이상일 수 있다.The limiting oxygen index of the composite may be 38% or more.

상기 복합재의 밀도는 1.34 g/cm3 이상일 수 있다.The composite may have a density of 1.34 g/cm 3 or greater.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합재의 제조방법은 황이 도핑된 탄소재를 포함하는 필러를 준비하는 단계; 제1 반복단위의 전구체 및 제2 반복단위의 전구체를 중합하여 공중합체 수지를 준비하는 단계; 및 상기 필러와 상기 공중합체 수지를 혼합하는 단계;를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a composite material according to an embodiment of the present invention includes preparing a filler including a carbon material doped with sulfur; preparing a copolymer resin by polymerizing a precursor of the first repeating unit and a precursor of the second repeating unit; and mixing the filler and the copolymer resin.

상기 필러를 준비하는 단계는 탄소재 및 황을 포함하는 혼합물을 준비하는 단계; 상기 혼합물을 열처리하여 황을 용융황(Molten sulfur)으로 전환하고 상기 혼합물을 반응시키는 단계; 및 반응 결과물로부터 황을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.Preparing the filler may include preparing a mixture including carbon material and sulfur; heat-treating the mixture to convert sulfur into molten sulfur and reacting the mixture; and removing sulfur from the reaction product.

제1 반복단위의 전구체는 아크릴로 나이트릴을 포함하고, 제2 반복단위의 전구체는 다이하이드록시 스티렌, 카페인산, 도파민 메타크릴아마이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The precursor of the first repeating unit may include acrylonitrile, and the precursor of the second repeating unit may include at least one selected from the group consisting of dihydroxy styrene, caffeic acid, dopamine methacrylamide, and combinations thereof. there is.

상기 복합재는 상기 필러의 분산액을 준비하고, 상기 분산액에 공중합체 수지를 혼합하여 얻을 수 있다.The composite material may be obtained by preparing a dispersion of the filler and mixing a copolymer resin with the dispersion.

본 발명에 따르면 카테콜기를 포함하는 반복단위를 도입하여 안정화 공정의 온도가 낮은 폴리아크릴로 나이트릴 복합재를 얻을 수 있다. 이로 인해 낮은 온도에서 높은 효율의 안정화를 이룰 수 있으므로 공정의 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.According to the present invention, a polyacrylonitrile composite material having a low stabilization temperature can be obtained by introducing a repeating unit containing a catechol group. As a result, since high efficiency stabilization can be achieved at low temperature, the economics of the process can be greatly improved.

본 발명에 따르면 황이 도핑된 탄소재를 첨가하여 난연성이 향상된 폴리아크릴로 나이트릴 복합재를 얻을 수 있다.According to the present invention, a polyacrylonitrile composite having improved flame retardancy can be obtained by adding a sulfur-doped carbon material.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 제조예2-C의 공중합체 수지에 대한 시차 주사 열량 분석(Differential scanning calorimetry, DSC) 결과이다.
도 2는 비교예1 및 실시예1 내지 실시예2에 대한 온도-열방출속도 그래프이다.
도 3은 비교예2 및 실시예3 내지 실시예4에 대한 온도-열방출속도 그래프이다.
도 4는 비교예3 및 실시예5 내지 실시예6에 대한 온도-열방출속도 그래프이다.
1 is a differential scanning calorimetry (DSC) result of the copolymer resin of Preparation Example 2-C.
2 is a temperature-heat release rate graph for Comparative Example 1 and Examples 1 to 2.
3 is a temperature-heat release rate graph for Comparative Example 2 and Examples 3 to 4.
4 is a temperature-heat release rate graph for Comparative Example 3 and Examples 5 to 6.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown enlarged than actual for clarity of the present invention. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 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 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. In addition, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where it is "directly on" the other part, but also the case where another part is present in the middle. Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "under" another part, this includes not only the case where it is "directly below" the other part, but also the case where another part is in the middle.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values and/or expressions expressing quantities of components, reaction conditions, polymer compositions and formulations used herein refer to the number of factors that such numbers arise, among other things, to obtain such values. Since these are approximations that reflect the various uncertainties of the measurement, they should be understood to be qualified by the term "about" in all cases. Also, when numerical ranges are disclosed herein, such ranges are contiguous and include all values from the minimum value of such range to the maximum value inclusive, unless otherwise indicated. Furthermore, where such ranges refer to integers, all integers from the minimum value to the maximum value inclusive are included unless otherwise indicated.

본 발명에 따른 복합재는 폴리아크릴로 나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)을 포함하는 공중합체 수지; 및 상기 공중합체 수지에 분산된 필러를 포함한다.The composite material according to the present invention is a copolymer resin including polyacrylonitrile (PAN); and a filler dispersed in the copolymer resin.

상기 공중합체 수지는 상기 복합재의 형태를 이루는 일종의 기재이다. The copolymer resin is a kind of substrate forming the shape of the composite material.

상기 폴리아크릴로 나이트릴은 고성능 탄소섬유의 제조를 위한 전구체로 사용된다. 탄소섬유의 제조를 위한 폴리아크릴로 나이트릴의 안정화 공정은 탄소섬유의 물성에 큰 영향을 미친다. 따라서 본 발명은 안정화 공정 온도를 낮추고 효율을 높이기 위해 폴리아크릴로 나이트릴을 중합하는 과정에서 카테콜기를 포함하는 공단량체를 함께 사용한 것을 특징으로 한다.The polyacrylonitrile is used as a precursor for producing high-performance carbon fibers. The stabilization process of polyacrylonitrile for the production of carbon fibers has a great influence on the physical properties of carbon fibers. Therefore, the present invention is characterized in that a comonomer containing a catechol group is used together in the process of polymerizing polyacrylonitrile to lower the stabilization process temperature and increase efficiency.

구체적으로 상기 공중합체 수지는 폴리아크릴로 나이트릴을 포함하는 제1 반복단위 및 카테콜기를 포함하는 제2 반복단위를 포함할 수 있다. 또한, 상기 공중합체 수지는 블록 공중합체, 랜덤 공중합체 또는 교대 공중합체(Alternating copolymer)일 수 있다.Specifically, the copolymer resin may include a first repeating unit including polyacrylonitrile and a second repeating unit including a catechol group. In addition, the copolymer resin may be a block copolymer, a random copolymer or an alternating copolymer.

상기 제2 반복단위는 카테콜기를 갖는 공단량체로부터 유래된 것일 수 있다. 바람직하게 상기 제2 반복단위는

Figure 112021030287535-pat00008
,
Figure 112021030287535-pat00009
,
Figure 112021030287535-pat00010
및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The second repeating unit may be derived from a comonomer having a catechol group. Preferably, the second repeating unit is
Figure 112021030287535-pat00008
,
Figure 112021030287535-pat00009
,
Figure 112021030287535-pat00010
And it may include at least one selected from the group consisting of combinations thereof.

상기 공중합체 수지는 하기 화학식1로 표시되는 고분자를 포함할 수 있다.The copolymer resin may include a polymer represented by Chemical Formula 1 below.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021030287535-pat00011
Figure 112021030287535-pat00011

화학식1에서 A는

Figure 112021030287535-pat00012
,
Figure 112021030287535-pat00013
,
Figure 112021030287535-pat00014
및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고, x는 9000 내지 9990의 정수이고, y는 10 내지 1000의 정수이다.In Formula 1, A is
Figure 112021030287535-pat00012
,
Figure 112021030287535-pat00013
,
Figure 112021030287535-pat00014
and at least one selected from the group consisting of combinations thereof, x is an integer from 9000 to 9990, and y is an integer from 10 to 1000.

상기 공중합체 수지는 하기 반응식1과 같이 아크릴로 나이트릴(Acrylonitrile, AN)과 카테콜기를 포함하는 공단량체(B)를 개시제의 존재 하에서 라디칼 중합하여 얻을 수 있다. 상기 개시제는 특별히 제한되지 않고, 2,2'-아조-비스-이소부틸니트릴(2,2'-azo-bis-isobutyrylnitrile - AIBN), 벤조일 퍼옥사이드(benzoyl peroxide) 등을 포함할 수 있다.The copolymer resin can be obtained by radical polymerization of acrylonitrile (AN) and a comonomer (B) containing a catechol group in the presence of an initiator, as shown in Scheme 1 below. The initiator is not particularly limited, and may include 2,2'-azo-bis-isobutyrylnitrile (AIBN), benzoyl peroxide, and the like.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112021030287535-pat00015
Figure 112021030287535-pat00015

상기 반응식1의 B는 다이하이드록시 스티렌, 카페인산, 도파민 메타크릴아마이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.B of Scheme 1 may include at least one selected from the group consisting of dihydroxy styrene, caffeic acid, dopamine methacrylamide, and combinations thereof.

다만, 상기 공중합체 수지의 제조방법이 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 널리 사용되는 것이라면 어떠한 방법도 채택할 수 있다.However, the method for preparing the copolymer resin is not limited thereto, and any method may be adopted as long as it is widely used in the technical field to which the present invention belongs.

상기 공중합체 수지는 중량평균 분자량이 10,000g/mol 내지 500,000g/mol인 것일 수 있다. 상기 공중합체 수지의 중량평균 분자량이 10,000g/mol 미만이면 안정화 효율이 감소하는 문제가 있을 수 있고, 500,000g/mol을 초과하면 용해도 감소로 인해 성형성이 감소하는 문제가 있을 수 있다.The copolymer resin may have a weight average molecular weight of 10,000 g/mol to 500,000 g/mol. If the weight average molecular weight of the copolymer resin is less than 10,000 g / mol, there may be a problem of reducing stabilization efficiency, and if it exceeds 500,000 g / mol, there may be a problem of reducing moldability due to a decrease in solubility.

상기 공중합체 수지의 분자량 분포는 1.2 내지 4일 수 있다. 상기 공중합체 수지의 분자량 분포가 1.2 미만이면 분자량 감소가 나타나는 문제가 있을 수 있고, 4를 초과하면 제조 수율 및 성능 균일도가 감소하는 문제가 있을 수 있다.The molecular weight distribution of the copolymer resin may be 1.2 to 4. If the molecular weight distribution of the copolymer resin is less than 1.2, there may be a problem of molecular weight reduction, and if it exceeds 4, there may be a problem of reducing production yield and performance uniformity.

상기 필러는 상기 복합재의 난연성, 열안정성을 향상시키기 위한 구성으로서, 황이 도핑된 탄소재를 포함할 수 있다.The filler is a component for improving flame retardancy and thermal stability of the composite material, and may include a sulfur-doped carbon material.

상기 탄소재는 산화그래핀, 환원된 산화그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 환원된 산화그래핀이 바람직할 수 있다. 따라서 상기 필러는 바람직하게 황이 도핑된 환원된 산화그래핀(Sulfur-doped reduced graphene oxide)을 포함할 수 있다.The carbon material may include at least one selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, carbon nanotubes, carbon fibers, and combinations thereof, and reduced graphene oxide may be preferred. Therefore, the filler may preferably include sulfur-doped reduced graphene oxide.

상기 필러는 황을 0.5중량% 내지 5중량%로 포함할 수 있다. 상기 황의 함량이 0.5중량% 미만이면 상기 황과 상기 탄소재를 교반하여 반응시키기 어렵고 상기 필러의 투입에 따른 난연성 등의 물성 향상 효과가 미미할 수 있다. 반면에, 상기 황의 함량이 5중량%를 초과하면 상기 필러를 제조한 뒤 잔류하는 황을 제거하기 어려울 수 있다.The filler may include 0.5% to 5% by weight of sulfur. If the sulfur content is less than 0.5% by weight, it is difficult to react by stirring the sulfur and the carbon material, and the effect of improving physical properties such as flame retardancy according to the addition of the filler may be insignificant. On the other hand, if the sulfur content exceeds 5% by weight, it may be difficult to remove sulfur remaining after preparing the filler.

상기 복합재는 상기 필러를 0.1중량% 내지 20중량%로 포함할 수 있다. 상기 필러의 함량이 0.1중량% 미만이면 복합재의 열안정성, 난연성의 향상 정도가 미미할 수 있다. 반면에, 상기 필러의 함량이 20중량%를 초과하면 상기 공중합체 수지 내에서 필러의 분산성이 너무 떨어질 수 있다.The composite material may include the filler in an amount of 0.1% to 20% by weight. If the content of the filler is less than 0.1% by weight, the degree of improvement in thermal stability and flame retardancy of the composite material may be insignificant. On the other hand, if the content of the filler exceeds 20% by weight, dispersibility of the filler in the copolymer resin may be too low.

본 발명에 따른 상기 복합재의 제조방법은 황이 도핑된 탄소재를 포함하는 필러를 준비하는 단계; 제1 반복단위의 전구체 및 제2 반복단위의 전구체를 중합하여 공중합체 수지를 준비하는 단계; 및 상기 필러와 상기 공중합체 수지를 혼합하는 단계;를 포함할 수 있다.The manufacturing method of the composite material according to the present invention comprises the steps of preparing a filler containing a sulfur-doped carbon material; preparing a copolymer resin by polymerizing a precursor of the first repeating unit and a precursor of the second repeating unit; and mixing the filler and the copolymer resin.

상기 필러를 준비하는 단계는 상기 탄소재 및 황을 포함하는 혼합물을 준비하는 단계; 상기 혼합물을 열처리하여 황을 용융황(Molten sulfur)으로 전환하고 상기 혼합물을 반응시키는 단계; 및 반응 결과물로부터 황을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.Preparing the filler may include preparing a mixture including the carbon material and sulfur; heat-treating the mixture to convert sulfur into molten sulfur and reacting the mixture; and removing sulfur from the reaction product.

상기 탄소재 및 황을 포함하는 혼합물을 100℃ 내지 300℃, 또는 120℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 180℃, 또는 180℃에서 열처리할 수 있다. 열처리 시간은 온도에 따라 달라지지만, 예를 들어 30분 내지 6시간, 또는 3시간 내지 4시간일 수 있다.The mixture including the carbon material and sulfur may be heat treated at 100 °C to 300 °C, or 120 °C to 250 °C, or 150 °C to 180 °C, or 180 °C. The heat treatment time varies depending on the temperature, but may be, for example, 30 minutes to 6 hours or 3 hours to 4 hours.

상기 혼합물을 150℃ 내지 180℃, 예를 들어 170℃까지 열처리하면 점성을 갖는 용융 상(molten phase)이 형성된다. 용융 상은 용융 황(molten sulfur)을 포함한다. 용융 황과 탄소재의 반응을 통해 황이 도핑된 탄소재를 얻을 수 있다. 상기 황은 상기 탄소재 상에 존재하는 케톤기, 에폭시기, 페놀기 등과 같은 특정 작용기에 도입될 수 있다. 이때, 상기 탄소재가 산화그래핀인 경우 상기 황은 환원제의 역할을 수행할 수 있으므로 황이 도핑된 환원된 산화그래핀을 얻을 수 있다. When the mixture is heat-treated from 150° C. to 180° C., for example, up to 170° C., a viscous molten phase is formed. The molten phase includes molten sulfur. A sulfur-doped carbon material can be obtained through a reaction between molten sulfur and a carbon material. The sulfur may be introduced into a specific functional group such as a ketone group, an epoxy group, a phenol group, etc. present on the carbon material. In this case, when the carbon material is graphene oxide, since the sulfur may serve as a reducing agent, reduced graphene oxide doped with sulfur may be obtained.

상기 반응이 종결된 후 잔류하는 황은 반응 결과물에 황 용해성 용매(sulfur soluble solvent)를 부가하여 황 용액을 얻는 단계; 및 상기 황 용액으로부터 황을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.Obtaining a sulfur solution by adding a sulfur soluble solvent to the sulfur remaining after the reaction is completed; and removing sulfur from the sulfur solution.

상기 황 용해성 용매는 황에 대한 용해도 특성을 갖는 용매를 나타내며, 비제한적인 예로서 테트라하이드로퓨란, 메틸렌 클로라이드, 디메틸디설파이드, 설포란, 클로로포름, 톨루엔, 자일렌, 아세토니트릴, 디클로로메탄, N-메틸피롤리돈, 에틸 아세테이트, 디메틸에테르, 트리클로로에틸렌, 폴리에틸렌글리콜, 이소프로필 케톤, 아세토니트릴, 디클로로에탄, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 쿠멘(cumene), 벤젠, p-클로로톨루엔, 1,3-메시틸렌, 스티렌, 클로로벤젠, 알파메틸스티렌, 에틸벤젠, 디에탄올아민, 에틸아민, 디에틸아민, 메틸아민, 에틸렌디아민, 디에틸렌 트리아민, 프로필아민, 에탄올아민, 이소프로필아민, 트리에틸렌테트라아민, 클로로아닐린, 트리에틸아민, 트리에탄올아민, 디메톡시에탄, 디메톡시메탄, 디옥산 등을 포함할 수 있다.The sulfur-soluble solvent refers to a solvent having solubility characteristics for sulfur, and non-limiting examples include tetrahydrofuran, methylene chloride, dimethyldisulfide, sulfolane, chloroform, toluene, xylene, acetonitrile, dichloromethane, N-methyl Pyrrolidone, ethyl acetate, dimethyl ether, trichlorethylene, polyethylene glycol, isopropyl ketone, acetonitrile, dichloroethane, dimethylacetamide, dimethylformamide, cumene, benzene, p-chlorotoluene, 1,3 -mesitylene, styrene, chlorobenzene, alphamethylstyrene, ethylbenzene, diethanolamine, ethylamine, diethylamine, methylamine, ethylenediamine, diethylenetriamine, propylamine, ethanolamine, isopropylamine, triethylene tetraamine, chloroaniline, triethylamine, triethanolamine, dimethoxyethane, dimethoxymethane, dioxane and the like.

상기 황 용액에 초음파 처리 등을 수행하고 그 결과물을 여과 및/또는 세척하여 미반응된 황, 또는 탄소재에 물리적으로 붙어 있는 황을 제거할 수 있다.Ultrasonic treatment is performed on the sulfur solution, and the resulting product is filtered and/or washed to remove unreacted sulfur or sulfur physically attached to the carbon material.

상기 공중합체 수지를 준비하는 단계는 앞서 구체적으로 설명하였으므로 이하 생략한다.Since the step of preparing the copolymer resin has been specifically described above, it will be omitted below.

위와 같이 준비한 필러를 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide, DMSO) 등의 용매에 투입하여 필러의 분산액을 준비하고, 상기 공중합체 수지를 이에 투입 및 교반하여 복합재를 제조할 수 있다.A composite material may be prepared by adding the filler prepared as above to a solvent such as dimethyl sulfoxide (DMSO) to prepare a dispersion of the filler, and adding the copolymer resin thereto and stirring.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

제조예1Preparation Example 1 : 황이 : Hwangi 도핑된doped 환원된 reduced 산화그래핀의of graphene oxide 제조 manufacturing

그래핀 옥사이드 1g과 황(Sulfur) 분말 3g을 막자 사발을 사용하여 잘 섞어준 후 500ml 둥근 바닥 플라스크에 넣어주었다. 1 g of graphene oxide and 3 g of sulfur powder were mixed well using a mortar and pestle, and then put into a 500 ml round bottom flask.

이후 오일 배쓰(Oil bath)의 온도를 180℃로 설정하고 자석 교반을 시켜준다. 120℃ 부근에서 황(Sulfur)이 녹기 시작하면서 교반이 시작됨을 확인할 수 있었다. 상기 반응 혼합물의 온도를 170℃까지 가열하여 용융 황(molten sulfur)을 얻고 이를 함유한 반응 혼합물을 4시간 동안 교반한 후 반응을 종결하였다. Thereafter, the temperature of the oil bath is set to 180° C. and magnetic stirring is performed. It was confirmed that stirring began as sulfur began to melt at around 120 ° C. The temperature of the reaction mixture was heated to 170° C. to obtain molten sulfur, and the reaction mixture containing the same was stirred for 4 hours, and then the reaction was terminated.

반응 결과물을 상온으로 냉각한 후, 남아있는 황(Sulfur)을 제거하기 위해 톨루엔를 이용하여 초음파 처리를 하였다. 이어서 여과를 하여 고체와 황이 용해된 톨루엔 용액을 얻었다. 상기 고체를 아세톤으로 세척하고 나서 180℃의 진공 오븐에서 24시간 건조하여 1.7중량%의 황이 도핑된 환원된 그래핀 옥사이드(이하, S-rGO)를 제조하였다.After cooling the reaction product to room temperature, ultrasonication was performed using toluene to remove remaining sulfur. It was then filtered to obtain a toluene solution in which solid and sulfur were dissolved. The solid was washed with acetone and then dried in a vacuum oven at 180° C. for 24 hours to prepare reduced graphene oxide (hereinafter referred to as S-rGO) doped with 1.7 wt% sulfur.

제조예2Preparation Example 2 -A: 공중합체 -A: copolymer 수지A의resin A 제조 manufacturing

질소 분위기하에서 다이하이드록시 스티렌(제2 반복단위의 전구체)과 아크릴로 나이트릴(제1 반복단위의 전구체)을 3:97의 몰 비로 다이메틸설폭사이드(DMSO) 100중량부에 20중량부의 함량으로 첨가하여 용해했다. 용액에 2시간 동안 질소를 버블링한 후 70℃에서 라디칼 중합 반응을 개시하여 24시간 동안 반응시켰다. 다음으로, 상온으로 온도를 낮춰서 라디칼 중합 반응을 종료하고 반응용액을 물과 메탄올을 1:1의 부피 비로 혼합한 용매에 부어 석출한 다음 3시간 동안 교반하여 중합 용매를 충분히 제거하였다. 그리고 저분자량 중합체와 미반응 단량체를 제거하기 위하여 메탄올과 아세톤으로 수차례 수세하고 석출물을 여과하여 60℃ 진공 오븐 내에서 12시간 이상 충분히 건조하여 고체 형태의 중량평균 분자량이 133,000g/mol인 공중합체 수지A를 제조하였다. 상기 공중합체 수지A에 대한 1H-NMR 결과는 다음과 같다.20 parts by weight of dihydroxy styrene (precursor of the second repeating unit) and acrylonitrile (precursor of the first repeating unit) in a molar ratio of 3:97 to 100 parts by weight of dimethyl sulfoxide (DMSO) under a nitrogen atmosphere was added and dissolved. After nitrogen was bubbled through the solution for 2 hours, radical polymerization was initiated at 70° C. and allowed to react for 24 hours. Next, the radical polymerization reaction was terminated by lowering the temperature to room temperature, and the reaction solution was poured into a solvent in which water and methanol were mixed in a volume ratio of 1:1 to precipitate and stirred for 3 hours to sufficiently remove the polymerization solvent. In addition, in order to remove the low molecular weight polymer and unreacted monomers, it was washed with methanol and acetone several times, and the precipitate was filtered, and sufficiently dried in a vacuum oven at 60 ° C for 12 hours or more to obtain a copolymer having a weight average molecular weight of 133,000 g / mol in solid form. Resin A was prepared. 1 H-NMR results for the copolymer resin A are as follows.

1H NMR (600 MHz, DMSO-d 6 ) δ 8.92-8.35(d, 2H, 하이드록실기) 7.74-7.14(m, 3H, 방향족), 3.31-3.10 (br, 1H, 알킬기), 2.07-1.55 (br, 2H, 알킬기) 1 H NMR (600 MHz, DMSO- d 6 ) δ 8.92-8.35 (d, 2H, hydroxyl group) 7.74-7.14 (m, 3H, aromatic group), 3.31-3.10 (br, 1H, alkyl group), 2.07-1.55 (br, 2H, alkyl group)

상기 공중합체 수지A는 하기 화학식2로 표시할 수 있다.The copolymer resin A may be represented by Formula 2 below.

[화학식2][Formula 2]

Figure 112021030287535-pat00016
Figure 112021030287535-pat00016

제조예2Preparation Example 2 -B: 공중합체 -B: copolymer 수지B의resin B 제조 manufacturing

다이하이드록시 스티렌 대신 카페인산을 사용한 것을 제외하고는 제조예2-A와 동일하게 실시하여 고체 형태의 중량평균 분자량이 134,500g/mol인 공중합체 수지B를 제조하였다. 상기 공중합체 수지B에 대한 1H-NMR 결과는 다음과 같다.Copolymer Resin B having a solid weight average molecular weight of 134,500 g/mol was prepared in the same manner as in Preparation Example 2-A, except that caffeic acid was used instead of dihydroxy styrene. 1 H-NMR results for the copolymer resin B are as follows.

1H NMR (600 MHz, DMSO-d 6 ) δ 13.27 (s, 1H, 카르복실산기), 8.82-8.79(d, 2H, 하이드록실기) 7.18-6.64(m, 3H, 방향족), 3.15-3.11 (br, 1H, 알킬기), 2.14-2.01 (br, 2H, 알킬기) 1 H NMR (600 MHz, DMSO- d 6 ) δ 13.27 (s, 1H, carboxylic acid group), 8.82-8.79 (d, 2H, hydroxyl group) 7.18-6.64 (m, 3H, aromatic), 3.15-3.11 (br, 1H, alkyl group), 2.14-2.01 (br, 2H, alkyl group)

상기 공중합체 수지B는 하기 화학식3으로 표시할 수 있다.The copolymer resin B may be represented by Formula 3 below.

[화학식3][Formula 3]

Figure 112021030287535-pat00017
Figure 112021030287535-pat00017

제조예2Preparation Example 2 -C: 공중합체 -C: copolymer 수지C의resin C 제조 manufacturing

다이하이드록시 스티렌 대신 도파민 메타크릴아마이드을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 실시하여 고체 형태의 중량평균 분자량이 134,500g/mol인 공중합체 수지C를 제조하였다. 상기 공중합체 수지C에 대한 1H-NMR 결과는 다음과 같다.Copolymer Resin C having a solid weight average molecular weight of 134,500 g/mol was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that dopamine methacrylamide was used instead of dihydroxy styrene. 1 H-NMR results for the copolymer resin C are as follows.

1H NMR (600 MHz, DMSO-d 6 ) δ 8.77-8.67(d, 2H, 하이드록실기), 7.96-7.95 (br, 1H, 아민기), 6.64-6.42(m, 3H, 방향족), 3.14-2.88 (br, 1H, 알킬기), 2.11-1.44 (br, 알킬기), 1.31-1.11 (br, 3H, 메틸기) 1 H NMR (600 MHz, DMSO- d 6 ) δ 8.77-8.67 (d, 2H, hydroxyl group), 7.96-7.95 (br, 1H, amine group), 6.64-6.42 (m, 3H, aromatic group), 3.14 -2.88 (br, 1H, alkyl group), 2.11-1.44 (br, alkyl group), 1.31-1.11 (br, 3H, methyl group)

상기 공중합체 수지C는 하기 화학식4로 표시할 수 있다.The copolymer resin C may be represented by Formula 4 below.

[화학식4][Formula 4]

Figure 112021030287535-pat00018
Figure 112021030287535-pat00018

상기 공중합체 수지C의 안정화 온도를 평가하기 위하여 시차 주사 열량 분석(Differential scanning calorimetry, DSC)을 하였다. 상기 공중합체 수지C로 제조한 필름을 컨벡션 오븐에 넣고, 분당 10℃의 속도로 50℃로부터 300℃까지 승온하며 분석하였다. 그 결과는 도 1과 같다. 대조군으로 폴리아크릴로 나이트릴(PAN)에 대한 결과도 함께 도시하였다. 이를 참조하면, 상기 공중합체 수지C는 시차 주사 열량 분석(DSC)에 의한 열안정성 평가방법에 따라 측정된 최대 발열 피크 온도가 200℃ 내지 300℃임을 알 수 있다. 구체적으로 200℃ 내지 250℃에서 제1 발열 피크(T1), 250℃ 내지 275℃에서 제2 발열 피크(T2)가 측정된다. 제2 발열 피크(T2)로부터 아마이드 그룹에 의한 고리화 반응(Cyclization reaction)이 개시된다는 것, 제1 발열 피크(T1)로부터 하이드록실 그룹에 의해 고리화 반응이 개시된다는 것을 유추할 수 있다. 또한, 상기 공중합체 수지C는 PAN에 비해 피크가 발견되는 온도가 낮다는 점으로부터 상기 공중합체 수지C는 PAN에 비해 낮은 온도에서 고리화 반응이 일어난다는 것, 즉 낮은 온도에서 높은 효율로 안정화된다는 것을 알 수 있다. 이는 상기 공중합체 수지C에 포함된 카테콜기를 포함하는 제2 반복단위에 기인한 것이라 할 수 있다.In order to evaluate the stabilization temperature of the copolymer resin C, differential scanning calorimetry (DSC) was performed. The film made of the copolymer resin C was placed in a convection oven and analyzed while raising the temperature from 50 °C to 300 °C at a rate of 10 °C per minute. The results are shown in FIG. 1 . As a control, the results for polyacrylonitrile (PAN) are also shown. Referring to this, it can be seen that the maximum exothermic peak temperature of the copolymer resin C measured according to the thermal stability evaluation method by differential scanning calorimetry (DSC) is 200°C to 300°C. Specifically, a first exothermic peak (T 1 ) is measured between 200°C and 250°C, and a second exothermic peak (T 2 ) is measured between 250°C and 275°C. It can be inferred that the cyclization reaction is initiated by the amide group from the second exothermic peak (T 2 ), and that the cyclization reaction is initiated by the hydroxyl group from the first exothermic peak (T 1 ). . In addition, since the copolymer resin C has a lower temperature than PAN at which a peak is found, the copolymer resin C undergoes a cyclization reaction at a lower temperature than PAN, that is, it is stabilized with high efficiency at a low temperature can know that This can be attributed to the second repeating unit including the catechol group included in the copolymer resin C.

실시예1Example 1 : : 복합재AComposite A 제조 manufacturing

S-rGO 0.0005g을 다이메틸설폭사이드(DMSO) 10 ml에 첨가하고 상온에서 30분 동안 초음파로 처리하여 S-rGO 분산액을 얻었다. 이어서, 상기 분산액에 공중합체 수지A 0.5 g을 첨가하고 45℃에서 72시간 동안 교반하여 점성을 갖는 용액을 얻었다.0.0005 g of S-rGO was added to 10 ml of dimethyl sulfoxide (DMSO) and treated with ultrasonic waves at room temperature for 30 minutes to obtain an S-rGO dispersion. Subsequently, 0.5 g of copolymer resin A was added to the dispersion and stirred at 45° C. for 72 hours to obtain a viscous solution.

상기 용액 5mL를 3cm X 4cm 크기의 유리 기판에 캐스팅하고 상온으로 설정된 진공 오븐 내에서 4시간 동안 탈포한 후 75℃에서 24시간 동안 용매를 제거하여 필름 형태의 복합재A를 제조하였다. 복합재A를 유리 기판에서 떼어내기 위해 물에 침지하여 복합재A와 유리 기판을 분리하고, 분리된 복합재A를 65℃ 진공 오븐에서 12시간 이상 충분히 건조시켰다.5 mL of the solution was cast on a glass substrate having a size of 3 cm X 4 cm, degassed in a vacuum oven set at room temperature for 4 hours, and then the solvent was removed at 75 ° C. for 24 hours to prepare a composite material A in the form of a film. In order to separate the composite material A from the glass substrate, the composite material A was immersed in water to separate the composite material A from the glass substrate, and the separated composite material A was sufficiently dried in a vacuum oven at 65° C. for 12 hours or more.

실시예2Example 2 : : 복합재AComposite A 제조 manufacturing

S-rGO 0.005g을 사용하여 복합재 내 필러의 함량이 10중량%가 되도록 한 것을 제외하고는, 실시예1과 동일하게 복합재A를 제조하였다.Composite A was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.005 g of S-rGO was used so that the content of the filler in the composite was 10% by weight.

실시예3Example 3 : : 복합재BComposite B 제조 manufacturing

공중합체 수지A 대신 공중합체 수지B를 사용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 복합재를 제조하였다.A composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that copolymer resin B was used instead of copolymer resin A.

실시예4Example 4 : : 복합재BComposite B 제조 manufacturing

공중합체 수지A 대신 공중합체 수지B를 사용한 것을 제외하고는 실시예2와 동일하게 복합재를 제조하였다.A composite material was prepared in the same manner as in Example 2, except that copolymer resin B was used instead of copolymer resin A.

실시예5Example 5 : : 복합재CComposite C 제조 manufacturing

공중합체 수지A 대신 공중합체 수지C를 사용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 복합재를 제조하였다.A composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that copolymer resin C was used instead of copolymer resin A.

실시예6Example 6 : : 복합재CComposite C 제조 manufacturing

공중합체 수지A 대신 공중합체 수지C를 사용한 것을 제외하고는 실시예2와 동일하게 복합재를 제조하였다.A composite material was prepared in the same manner as in Example 2, except that copolymer resin C was used instead of copolymer resin A.

비교예1Comparative Example 1

S-rGO를 투입하지 않고, 공중합체 수지A 0.5g을 다이메틸설푹사이드(DMSO) 10 ml에 첨가하고 45℃에서 72시간 동안 교반하여 점성을 갖는 용액을 얻었다.Without adding S-rGO, 0.5 g of copolymer resin A was added to 10 ml of dimethyl sulfoxide (DMSO) and stirred at 45° C. for 72 hours to obtain a viscous solution.

상기 용액 5mL를 3cm X 4cm 크기의 유리 기판에 캐스팅하고 상온으로 설정된 진공 오븐 내에서 4시간 동안 탈포한 후 75℃에서 24시간 동안 용매를 제거하여 필름을 제조하였다. 필름을 유리 기판에서 떼어내기 위해 물에 침지하여 필름과 유리 기판을 분리하고, 분리된 필름을 65℃ 진공 오븐에서 12시간 이상 충분히 건조시켰다.5 mL of the solution was cast on a glass substrate having a size of 3 cm X 4 cm, degassed for 4 hours in a vacuum oven set at room temperature, and then the solvent was removed at 75° C. for 24 hours to prepare a film. In order to separate the film from the glass substrate, the film was separated from the glass substrate by immersion in water, and the separated film was sufficiently dried in a vacuum oven at 65° C. for 12 hours or more.

비교예2Comparative Example 2

공중합체 수지A 대신 공중합체 수지B를 사용한 것을 제외하고는 비교예1과 동일하게 필름을 제조하였다.A film was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that copolymer resin B was used instead of copolymer resin A.

비교예3Comparative Example 3

공중합체 수지A 대신 공중합체 수지C를 사용한 것을 제외하고는 비교예1과 동일하게 필름을 제조하였다.A film was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that copolymer resin C was used instead of copolymer resin A.

실험예1Experimental example 1 : 안정화된 복합재 제조: Manufacture of stabilized composites

실시예1 내지 실시예6 및 비교예1 내지 비교예3에 따른 시료에 대한 안정화를 컨벡션 오븐에서 진행하였다. 각 시료를 20ml 유리 바이알에 넣고 뚜껑을 닫지 않은 상태로 컨벡션 오븐에 넣었다. 분당 20℃의 속도로 300℃까지 승온한 후 300℃에서 5분 동안 유지하여 안정화된 시료를 얻었다.Stabilization of the samples according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 was performed in a convection oven. Each sample was placed in a 20 ml glass vial and placed uncovered in a convection oven. After raising the temperature to 300 °C at a rate of 20 °C per minute, a stabilized sample was obtained by maintaining the temperature at 300 °C for 5 minutes.

평가예1Evaluation example 1 : 난연성 분석: Flame retardancy analysis

실시예1 내지 실시예6 및 비교예1 내지 비교예3에 따른 각 시료의 온도-열방출속도(Heat release rate, HRR) 그래프를 도 2 내지 도 4에 도시하였다. 도 2는 공중합체 수지A를 포함하는 실시예1, 실시예2 및 비교예1에 대한 결과이고, 도 3은 공중합체 수지B를 포함하는 실시예3, 실시예4 및 비교예2에 대한 결과이며, 도 4는 공중합체 수지C를 포함하는 실시예5, 실시예6 및 비교예3에 대한 결과이다. Temperature-heat release rate (HRR) graphs of each sample according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in FIGS. 2 to 4 . Figure 2 is the results of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1 including copolymer resin A, Figure 3 is the result of Example 3, Example 4 and Comparative Example 2 including copolymer resin B 4 is a result of Example 5, Example 6 and Comparative Example 3 including the copolymer resin C.

또한, 상기 각 시료에 대한 방열량(Heat release capacity, HRC), 최대 열방출속도(Peak heat release rate, PHRR), 잔여량(Char yield), 한계산소지수(Limiting oxygen index, LOI) 및 밀도를 표 1 내지 표 3에 나타냈다.In addition, the heat release capacity (HRC), peak heat release rate (PHRR), char yield, limiting oxygen index (LOI) and density for each sample are shown in Table 1. to Table 3.

난연성 분석은 마이크로칼로리미터(MCC)를 이용하였고, 초당 1℃의 승온 속도로 850℃까지 승온시켜 온도에 따른 열방출속도(Heat release rate, HRR)의 변화와 분석 후 무게를 측정하여 잔여량(char yield)을 계산하였다. 또한, 밀도는 안정화 후 밀도구배관(1.2-1.6)에 시료를 투입하고 6시간 후 측정한 값이다. 폴리아크릴로 나이트릴 기반 소재의 난연성과 밀도는 밀접한 관계를 보이며, 안정화 후 측정된 밀도를 통해 폴리아크릴로 나이트릴 기반 소재의 난연성을 쉽게 예측할 수 있다. 예를 들어, 기존에 폴리아크릴로 나이트릴 기반의 난연 소재는 안정화 공정을 거친 후 밀도가 1.4 내외를 나타내고 있으며 이는 난연성 평가를 위한 대표적인 척도인 LOI값이 38% 이상의 우수한 난연성을 나타내는 것으로 확인된다. LOI는 가장 널리 사용되고 있는 하기 식 1을 통해 계산되었다.The flame retardancy analysis was performed using a microcalorimeter (MCC), and the temperature was raised to 850 ° C at a temperature increase rate of 1 ° C per second. yield) was calculated. In addition, the density is a value measured 6 hours after the sample was put into the density gradient pipe (1.2-1.6) after stabilization. The flame retardancy and density of polyacrylonitrile-based materials show a close relationship, and the flame retardancy of polyacrylonitrile-based materials can be easily predicted through the density measured after stabilization. For example, conventional polyacrylonitrile-based flame retardant materials show a density of around 1.4 after going through a stabilization process, which is confirmed to show excellent flame retardancy of 38% or more in the LOI value, which is a representative measure for flame retardancy evaluation. The LOI was calculated through Equation 1, which is the most widely used.

[식 1][Equation 1]

Figure 112021030287535-pat00019
Figure 112021030287535-pat00019

(상기 식 1에서 char yield는 초기 무게 대비 850℃까지 연소 후 잔량의 무게비이다)(In Equation 1, the char yield is the weight ratio of the residual amount after burning up to 850 ° C. compared to the initial weight)

구분division 필러 투입량 (중량%)Filler dosage (% by weight) HRC
(W/g)
HRC
(W/g)
PHRR
(W/g)
PHRR
(W/g)
Char yield (%)Char yield (%) LOI
(%)
LOI
(%)
밀도
(g/cm3)
density
(g/cm 3 )
실시예 1Example 1 1One 6363 63.963.9 60.360.3 41.541.5 1.371.37 실시예 2Example 2 1010 4040 38.038.0 65.865.8 43.743.7 1.381.38 비교예 1Comparative Example 1 00 7777 76.576.5 47.547.5 36.536.5 1.331.33

구분division 필러 투입량 (중량%)Filler dosage (% by weight) HRC
(W/g)
HRC
(W/g)
PHRR
(W/g)
PHRR
(W/g)
Char yield (%)Char yield (%) LOI
(%)
LOI
(%)
밀도
(g/cm3)
density
(g/cm 3 )
실시예 3Example 3 1One 5757 45.345.3 60.360.3 41.541.5 1.361.36 실시예 4Example 4 1010 2727 31.331.3 66.766.7 44.144.1 1.381.38 비교예 2Comparative Example 2 00 6767 56.456.4 48.648.6 36.936.9 1.331.33

구분division 필러 투입량 (중량%)Filler dosage (% by weight) HRC
(W/g)
HRC
(W/g)
PHRR
(W/g)
PHRR
(W/g)
Char yield (%)Char yield (%) LOI
(%)
LOI
(%)
밀도
(g/cm3)
density
(g/cm 3 )
실시예 5Example 5 1One 4040 40.040.0 63.663.6 42.942.9 1.371.37 실시예 6Example 6 1010 3030 30.130.1 69.669.6 45.245.2 1.391.39 비교예 3Comparative Example 3 00 5858 50.150.1 49.849.8 37.337.3 1.341.34

표 1 내지 표 3을 참조하면, 비교예1 내지 비교예3과 비교하여 실시예1 내지 실시예6은 필러의 함량이 증가함에 따라 방열량 및 최대 열방출속도가 감소함을 알 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 복합재는 단위 질량당 방열량(HRC)이 63 W/g 이하, 가장 좋게는 27 W/g에 이르렀다. 이는 연소과정 중 열발산이 감소하였음을 의미하며 이로 인해 우수한 난연 특성을 진다는 것을 알 수 있다. Referring to Tables 1 to 3, it can be seen that, compared to Comparative Examples 1 to 3, in Examples 1 to 6, the amount of heat released and the maximum heat release rate decreased as the content of the filler increased. Specifically, the composite material according to the present invention has a heat dissipation rate per unit mass (HRC) of 63 W/g or less, preferably 27 W/g. This means that heat dissipation during the combustion process is reduced, and it can be seen that excellent flame retardant properties are obtained.

또한, 본 발명에 따른 복합재는 그 밀도가 1.34 g/cm3 이상, 가장 높게는 1.39 g/cm3에 이르렀고, 850℃까지 연소 후 측정된 잔여량(chair yield) 역시 비교예1 내지 비교예3에 비해 훨씬 높으며, 이를 통해 확인된 LOI 값은 38% 이상, 최대 45.2%까지 증가하였다.In addition, the composite material according to the present invention had a density of 1.34 g/cm 3 or more, and the highest reached 1.39 g/cm 3 , and the chair yield measured after burning up to 850 ° C was also in Comparative Examples 1 to 3. The LOI value confirmed through this increased by more than 38% and up to 45.2%.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, these improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.

Claims (19)

황이 도핑된 탄소재를 포함하는 필러를 준비하는 단계;
제1 반복단위의 전구체 및 제2 반복단위의 전구체를 포함하는 출발물질을 중합하여 공중합체 수지를 준비하는 단계; 및
상기 필러와 상기 공중합체 수지를 혼합하여 복합재를 얻는 단계;를 포함하고,
상기 복합재는 상기 공중합체 수지; 및 상기 공중합체 수지에 분산된 상기 필러를 포함하고,
상기 제1 반복단위는 폴리아크릴로 나이트릴을 포함하고, 상기 제2 반복단위는 카테콜기를 포함하며,
상기 필러를 준비하는 단계는
탄소재 및 황 분말을 포함하는 혼합물을 준비하는 단계;
상기 혼합물을 100℃ 내지 300℃로 열처리하여 상기 황 분말을 용융황(Molten sulfur)으로 전환하고 상기 혼합물을 반응시키는 단계; 및
반응 결과물로부터 황을 제거하는 단계;를 포함하는 복합재의 제조방법.
preparing a filler including a carbon material doped with sulfur;
preparing a copolymer resin by polymerizing a starting material including a precursor of the first repeating unit and a precursor of the second repeating unit; and
Including; obtaining a composite material by mixing the filler and the copolymer resin,
The composite material may include the copolymer resin; and the filler dispersed in the copolymer resin;
The first repeating unit includes polyacrylonitrile, and the second repeating unit includes a catechol group,
The step of preparing the filler is
preparing a mixture containing carbon ash and sulfur powder;
heat-treating the mixture at 100° C. to 300° C. to convert the sulfur powder into molten sulfur and reacting the mixture; and
A method for producing a composite material comprising the steps of removing sulfur from the reaction product.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 공중합체 수지는 블록 공중합체, 랜덤 공중합체 또는 교대 공중합체(Alternating copolymer)인 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
The copolymer resin is a block copolymer, random copolymer or alternating copolymer (Alternating copolymer) method of producing a composite material.
제1항에 있어서,
상기 제2 반복단위는,
Figure 112022128597718-pat00020
,
Figure 112022128597718-pat00021
,
Figure 112022128597718-pat00022
및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
The second repeating unit,
Figure 112022128597718-pat00020
,
Figure 112022128597718-pat00021
,
Figure 112022128597718-pat00022
And a method for producing a composite material comprising at least one selected from the group consisting of combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 공중합체 수지는 하기 화학식1로 표시되는 것인 복합재의 제조방법.
[화학식1]
Figure 112022128597718-pat00023

화학식1에서 A는
Figure 112022128597718-pat00024
,
Figure 112022128597718-pat00025
,
Figure 112022128597718-pat00026
및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고, x는 9000 내지 9990의 정수이고, y는 10 내지 1000의 정수이다.
According to claim 1,
The copolymer resin is a method for producing a composite material represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure 112022128597718-pat00023

In Formula 1, A is
Figure 112022128597718-pat00024
,
Figure 112022128597718-pat00025
,
Figure 112022128597718-pat00026
And includes at least one selected from the group consisting of combinations thereof, x is an integer from 9000 to 9990, y is an integer from 10 to 1000.
제1항에 있어서,
상기 공중합체 수지의 중량평균 분자량은 10,000g/mol 내지 500,000g/mol인 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
The weight average molecular weight of the copolymer resin is a method for producing a composite material of 10,000 g / mol to 500,000 g / mol.
제1항에 있어서,
상기 공중합체 수지의 분자량 분포는 1.2 내지 4인 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
The molecular weight distribution of the copolymer resin is a method for producing a composite material of 1.2 to 4.
제1항에 있어서,
상기 공중합체 수지는 시차 주사 열량 분석(Differential scanning calorimetry, DSC)에 의한 열안정성 평가방법에 따라 측정된 최대 발열 피크 온도가 200℃ 내지 300℃인 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
The copolymer resin is a method for producing a composite material having a maximum exothermic peak temperature of 200 ° C. to 300 ° C. measured according to a thermal stability evaluation method by differential scanning calorimetry (DSC).
제1항에 있어서,
상기 탄소재는 산화그래핀, 환원된 산화그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
The carbon material is a method for producing a composite material comprising at least one selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, carbon nanotubes, carbon fibers, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 필러는 황을 0.5중량% 내지 5중량%로 포함하는 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
The filler is a method for producing a composite material containing 0.5% to 5% by weight of sulfur.
제1항에 있어서,
상기 복합재는 상기 필러를 0.1중량% 내지 20중량%로 포함하는 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
The composite material manufacturing method of the composite material containing the filler in 0.1% to 20% by weight.
제1항에 있어서,
상기 복합재의 단위 질량당 방열량(Heat release capacity)은 63 W/g 이하인 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
Method for producing a composite material having a heat release capacity per unit mass of the composite material of 63 W / g or less.
제1항에 있어서,
상기 복합재의 한계 산소 지수(Limiting oxygen index)는 38% 이상인 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
Method for producing a composite material having a limiting oxygen index of the composite material of 38% or more.
제1항에 있어서,
상기 복합재의 밀도는 1.34 g/cm3 이상인 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
The density of the composite is 1.34 g / cm 3 Method for producing a composite material or more.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
제1 반복단위의 전구체는 아크릴로 나이트릴을 포함하는 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a composite material in which the precursor of the first repeating unit includes acrylonitrile.
제1항에 있어서,
제2 반복단위의 전구체는 다이하이드록시 스티렌, 카페인산, 도파민 메타크릴아마이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a composite material, wherein the precursor of the second repeating unit includes at least one selected from the group consisting of dihydroxy styrene, caffeic acid, dopamine methacrylamide, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 필러의 분산액을 준비하고, 상기 분산액에 공중합체 수지를 혼합하는 것인 복합재의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a composite material comprising preparing a dispersion of the filler and mixing a copolymer resin with the dispersion.
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