KR20050029260A - 전기 전도성 열가소성 중합체 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면 열가소성 중합체, 및 금속 섬유와 금속으로 코팅된 섬유의 상승적 조합물을 포함하는 전기 전도성 열가소성 중합체 조성물, 그로부터 제조한 구조물, 및 상기 조성물 및 구조물을 제조하기 위한 방법이 개시된다.
Description
본 발명의 실시를 예시하기 위해, 바람직한 실시양태의 예를 이하에 나타내었다. 그러나, 이들 실시예는 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
실시예 3 내지 40의 조성물은 폴리카보네이트 수지 펠렛, 금속 섬유 토우 및(또는) 금속으로 코팅된 섬유 토우를 건식 블렌딩함으로써 제조하였다. 이 혼합물을 100 ℃에서 12 시간 이상 건조시켰다. 건식 블렌딩된 혼합물을 14:1의 길이:직경 스크류를 갖는 22톤 배튼펠드 (Battenfeld) 왕복 스크류 사출 성형기에 공급하고 263/273/282/292 ℃의 배럴 온도 설정 (공급부로부터 노즐); 40 ℃ 내지 50 ℃의 성형 온도; 및 공동이 충전된 직후 보유 압력을 73.8 MPa로 유지하는 성형 조건으로 두께 3.2 mm의 이소-인장 (iso-tensile) 시험편을 제조하였다.
실시예 1 내지 40의 조성물 함량을 전체 조성물의 중량에 대한 부로 하기 표 1에 나타내었다.
"PC-1"은 다우 케미칼 캄파니 (Dow Chemical Company) 제조의 CALIBRE (등록상표) 200-15의 폴리카보네이트 수지로서 입수할 수 있는, 300 ℃/1.2 kg의 조건하에 ASTM D-1238에 따라 측정한 용융 흐름 속도 (MFR)가 10 분 당 15 g (15 g/10 분)인 선형 폴리카보네이트이다.
"PC-2"는 다우 케미칼 캄파니 제조의 CALIBRE (등록상표) 200-22의 폴리카보네이트 수지로서 입수할 수 있는, 300 ℃/1.2 kg의 조건하에 ASTM D-1238에 따라 측정한 용융 흐름 속도 (MFR)가 10 분 당 22 g (22 g/10 분)인 선형 폴리카보네이트이다.
"SS-1"은 베커트 파이버 테크놀로지사 (Bekaert Fibre Technologies) 제조의 BEKI-SHIELD (등록상표) GR60/C20/6 PC의 스테인레스강 섬유로부터 토우로서 입수할 수 있는, 평균 길이 6 mm 및 평균 직경 8 ㎛의 스테인레스강 섬유이다. 섬유속은 60 중량%가 스테인레스강이고 40 중량%가 폴리카보네이트이다.
"SS-2"는 베커트 파이버 테크놀로지사 제조의 BEKI-SHIELD (등록상표) GR75/C20/6 PC의 스테인레스강 섬유로부터 토우로서 입수할 수 있는, 평균 길이 6 mm 및 평균 직경 8 ㎛의 스테인레스강 섬유이다. 섬유속은 75 중량%가 스테인레스강이고 25 중량%가 폴리카보네이트이다.
"NiC-1"은 인코 스페셜 프로덕츠사 제조의 INCOSHIELD (등록상표) PC+Nickel의 니켈 코팅된 탄소 섬유로서 입수할 수 있는, 평균 길이가 6.4 mm이고 니켈 코팅된 탄소 섬유의 평균 직경이 8 ㎛인, 탄소 섬유상에 평균 0.25 ㎛의 두께로 니켈을 코팅한 묶인 니켈 코팅된 탄소 섬유속이다. 섬유속은 60 중량%가 니켈로 코팅된 탄소 섬유이고 40 중량%가 폴리카보네이트이다.
"NiC-2"는 토호 카본 파이버스사 제조의 BESFIGHT (등록상표) C-5MS의 니켈 코팅된 절단된 탄소 섬유로서 입수할 수 있는, 평균 길이가 5 mm이고 니켈 코팅된 탄소 섬유의 평균 직경이 8 ㎛인, 탄소 섬유상에 평균 0.25 ㎛의 두께로 니켈을 코팅한 니켈 코팅된 탄소 섬유속이다. 섬유속은 75 중량%가 니켈 코팅된 탄소 섬유이고 25 중량%가 중합체이다.
실시예 1 내지 40에 대해 다음 시험의 하나 이상을 실시하여 시험 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
"SE"는 문헌 ["A Comparison Of Material Measurements Using A Standard ASTM Measurement Cell And A Stripline Field Applicator", Proceedings of the Antenna Measurement Test Association, B. Wilmhoff, et al., Denver, CO, 2001년 10월 및 "An Improved De-Embedding Technique For The Measurement Of The Complex Constitutive Parameters Of Materials Using A Stripline Field Applicator", IEEE IM-S Trans., Vol. 42, no. 3, pp. 740-745, 1993년 6월]에 기술된 스트립라인 필드 어플리케이터법 (stripline field applicator method)에 따라 측정한 차폐 효율이다. 3.2 mm 이소-인장 시험편을 두께 2.66 mm로 가공하여 시험편을 제조하였으며, SE 값은 1 내지 2 기가헤르쯔 (GHz) 범위의 파장내의 값을 반영한다.
"CP"는 이소-인장 시험편 입구로부터 가장 먼 말단 이전의 위치에 키스틀러 인스트루먼트 코포레이션 (Kistler Instrument Corporation; 미국 뉴욕주 앰허스트 소재) 제조의 석영 압력 변환 센서 타입 6157 BA가 장착된 주형 공동에 의해 측정된 공동 압력이다. 중합체 조성물의 점도가 감소함에 따라 고정된 사출 조건 및 유로 기하에 대해 측정된 공동 압력은 일반적으로 증가한다. 공동 압력이 높다는 것은 일반적으로 보다 유체이고 보다 용이하게 성형 가능한 섬유가 충전된 조성물을 의미한다.
인장 특성 시험은 ASTM D 638에 따라 수행된다. 이소-인장 시험편을 시험 전에 23 ℃ 및 50 % 상대 습도에서 24 시간 동안 컨디쇼닝한다. 시험은 INSTRON (등록상표) 1125 기계적 시험기를 사용하여 수행한다. 시험은 실온에서 수행한다. 하기의 값들을 기록한다.
"Ty" 즉 인장 항복 (tensile yield)은 평방 인치 당 파운드 (psi)로 기록하고,
"Tm" 즉 인장 탄성률은 105 psi로 기록하며,
"E" 즉 인장 신도는 백분율 (%)로 기록하고,
"DTUL" 즉 하중 하의 변형 온도는 ASTM D 648-82에 따라 Ceast HDT 300 Vicat 장치에서 측정하며, 이소-인장 시험편으로부터 시험편을 제조하고, 어닐링하지 않고 1.82 메가파스칼 (MPa)의 인가 압력하에 시험하였다.
"Izod" 즉 노치된 아이조드 시험 (Izod)에 따라 측정된 내충격성은 23 ℃에서 ASTM D 256-90-B에 따라 측정하였다. 시험편을 TMI 22-05 노치기로 노치하여 0.254 mm 반경의 노치를 생성하였다. 0.91 kg의 진자가 사용되었다. 수치를 인치 당 피트 파운드 (ft.lb/in)로 기록하였다.
본 발명은 전기 전도성 열가소성 중합체 조성물 및 그로부터 제조된 구조물 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
전기 장치, 특히 컴퓨터 및 통신 장치와 같은 민감한 전기 장치는 모두 전자기파 간섭의 결과로 오작동하기 쉽다. 외부의 전자기파 간섭에 민감한 것 외에도, 이러한 장치의 다수가 전자기파 간섭을 발생시킨다. 전기 장치내 부품에 전자기파 간섭 차폐성을 부여하기 위해 다양한 방법이 사용되었다. 통상적으로 전기 장치내 부품의 차폐는 세 가지 주요 기술, 즉 고유 전도성인 금속 부품을 사용하는 기술; 예를 들어 전도성 필름, 도금 또는 전도성 도료를 제공함으로써 전기 전도성 표면을 갖는 플라스틱 성형 부품을 사용하는 기술; 및 전기 전도성 재료를 함유하는 중합체로부터 전도성 플라스틱 부품을 성형하는 기술 가운데 하나 이상을 이용하여 달성된다.
특정 전도성 충전제를 엔지니어링 열가소성 물질에 혼입시켜 전도성 플라스틱을 제조하기 위한 시도가 행해져왔다. 구체적으로, 상기 충전제는 전도성 분말, 박편 및 섬유를 포함한다. 보다 최근에는, 낮은 부하에서 일관된 차폐성을 갖고 최종 성형품에서 특성을 유지하는 압출성 및(또는) 성형성 화합물을 제공하는, 전도성 충전제의 상승적 조합물을 찾기 위한 시도가 행해졌다. 이러한 조합물은 금속 섬유 및 탄소 섬유, 카본블랙 분말과 조합한 금속 박편 및(또는) 탄소 섬유, 금속 박편 및 금속 또는 금속으로 코팅된 섬유, 및 금속 박편 및(또는) 금속 및(또는) 금속으로 코팅된 섬유와 전도성 탄소 분말과의 조합물을 포함한다.
이러한 조합물이 전체적으로 높은 전자기파 간섭 차폐 효과를 갖지만, 중합체의 물리적 및 심미적 특성을 저하시킨다는 문제점을 갖는다. 또한, 전자기파 간섭 차폐 효과를 충족시키기 위해 요구되는 전도성 충전제의 농도는 흔히 전기 장치내 부품, 특히 휴대폰 또는 컴퓨터에서 볼 수 있는 최근의 일부 얇은 벽을 갖는 부품으로 실용적으로 성형될 수 없을 정도로 높은 점도를 갖는 중합체를 야기한다. 또 다른 심각한 문제는 성형용 펠렛을 제조하기 위한 중합체 및 전기 전도성 섬유의 전단 및 혼련에 기인한 전기 전도성 섬유의 파괴, 및 파괴의 정도에 비례한 차폐 효과의 저하이다. 따라서, 전기 전도성 섬유의 파괴를 예상하여 중합체 중 전기 전도성 섬유의 양을 증가시키는 것이 필요하지만, 이는 생산성의 저하 및 성형품의 중량의 증가라는 2차적인 문제를 유발할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 목적하는 차폐 효과를 달성하는데 필요한 금속성 충전제의 총량을 감소시키면서 전기 전도성, 가공성, 기계적 및 심미적 특성이 양호하게 균형을 이룬 전도성 열가소성 중합체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 상기 목적을 달성하기 위해서, 금속 섬유 및 금속으로 코팅된 섬유의 상승적 조합물을 포함하는 전도성 열가소성 중합체 조성물이 제공된다.
본 발명의 다른 목적은 열가소성 중합체, 및 금속 섬유와 금속으로 코팅된 섬유의 상승적 조합물을 용융 블렌딩 장치, 바람직하게는 사출 성형기 또는 압출기에 제공한 후, 전기 전도성 열가소성 구조물, 바람직하게는 사출 성형품 또는 압출 시이트를 형성함으로써 전기 전도성 열가소성 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서, 사출 성형, 열 성형, 진공 가압 성형, 압축 성형 등에 의해 현저한 전자기파 간섭 차폐 기능을 갖는 성형품을 제조할 수 있다. 성형품은 바람직하게는 사출 성형품, 예를 들면 전기 장치 하우징 또는 정전기 대전 차폐용 전기 부품 용기, 또는 압출 시트로 형성된 성형품, 예를 들면 전자기파 간섭 차폐용 벽 또는 전자 흑판 및 표지판용 보호판이다.
본 발명의 전도성 열가소성 중합체 조성물은 1종 이상의 금속 섬유 및 1종 이상의 금속으로 코팅된 섬유의 상승적 조합물로부터 제조된다. 본 발명의 조성물에 사용할 수 있는 금속 섬유 및 금속으로 코팅된 섬유는 공지되어 있으며 널리 입수할 수 있다.
일반적으로, 금속 섬유는 알루미늄, 아연, 구리, 은, 니켈, 철, 금, 크롬, 및 황동 및 강철과 같은 이들의 합금으로부터 제조할 수 있다. 바람직한 금속 섬유는 스테인레스강이다.
적합한 금속 섬유는 당업계에 공지된 바와 같이 조성 및 가공의 관점 둘 다에 있어서 실용적인 본질적으로 임의의 길이 및 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 길이 10 mm 및 직경 90 ㎛의 알루미늄 섬유가 유용하고 실용적인 반면, 유사한 치수를 갖는 스테인레스강 섬유는 비실용적이고 용융 가공 장치상에 불필요한 마모를 유발할 수 있으므로 길이 6 mm 및 직경 4 ㎛의 스테인레스강 섬유가 보다 적합할 수 있다. 일반적으로, 모든 적합한 섬유는 20 mm 이하, 바람직하게는 15 mm 이하, 더욱 바람직하게는 10 mm 이하, 가장 바람직하게는 7 mm 이하의 길이를 갖는다. 일반적으로, 모든 적합한 섬유는 0.5 mm 이상, 바람직하게는 1 mm 이상, 더욱 바람직하게는 2 mm 이상, 가장 바람직하게는 4 mm 이상의 길이를 갖는다.
철 기재의 금속 섬유, 예컨대 스테인레스강 섬유의 직경은 2 내지 20 ㎛인 것이 바람직하다. 다른 금속 기재 섬유, 예컨대 알루미늄, 아연, 구리, 은, 니켈, 금 및 크롬 기재의 섬유의 직경은 15 내지 60 ㎛인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 금속 섬유의 종횡비 (섬유 길이를 섬유 직경으로 나누어 얻은 값)는 200 내지 1000, 바람직하게는 200 내지 750이다.
바람직하게는, 금속 섬유는 전도성 열가소성 중합체 조성물의 중량을 기준으로 2 중량% 이상, 바람직하게는 3 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 5 중량% 이상의 양으로 존재한다. 바람직하게는, 금속 섬유는 전도성 열가소성 중합체 조성물의 중량을 기준으로 15 중량% 이하, 바람직하게는 13 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 12 중량% 이하의 양으로 존재한다.
유사하게, 금속으로 코팅된 섬유의 섬유는 일반적으로 비금속성 섬유, 예컨대 탄소, 유리 또는 중합체 (예컨대 아크릴, 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드), 예를 들어 KEVLAR (등록상표), 및 폴리벤조옥사졸) 코어에 은, 니켈, 알루미늄, 크롬, 주석, 납, 구리, 및 황동 및 땜납과 같은 이들의 합금을 코팅한 것이다. 바람직한 금속으로 코팅된 섬유는 니켈로 코팅된 탄소이다.
적합한 금속으로 코팅된 섬유는 당업계에 공지된 바와 같이 조성 및 가공의 관점 둘 다에 있어서 실용적인 본질적으로 임의의 길이 및 직경을 가질 수 있다. 일반적으로, 모든 적합한 금속으로 코팅된 섬유는 20 mm 이하, 바람직하게는 15 mm 이하, 더욱 바람직하게는 10 mm 이하, 가장 바람직하게는 7 mm 이하의 길이를 갖는다. 일반적으로, 모든 적합한 금속으로 코팅된 섬유는 0.1 mm 이상, 바람직하게는 1 mm 이상, 더욱 바람직하게는 2 mm 이상, 가장 바람직하게는 4 mm 이상의 길이를 갖는다.
금속으로 코팅된 섬유의 섬유 직경은 5 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다.
섬유상 금속 코팅물의 두께는 2 ㎛ 이하, 바람직하게는 1 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 0.5 ㎛ 이하이다. 섬유상 금속 코팅물의 두께는 0.1 ㎛ 이상, 바람직하게는 0.25 ㎛ 이상이다.
바람직하게는 금속으로 코팅된 섬유의 종횡비는 200 내지 1000, 바람직하게는 200 내지 750이다.
바람직하게는, 금속으로 코팅된 섬유는 전도성 열가소성 중합체 조성물의 중량을 기준으로 2 중량% 이상, 바람직하게는 5 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 10 중량% 이상의 양으로 존재한다. 바람직하게는, 금속으로 코팅된 섬유는 전도성 열가소성 중합체 조성물의 중량을 기준으로 25 중량% 이하, 바람직하게는 20 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 16 중량% 이하의 양으로 존재한다.
달리 언급하지 않는 한, 바람직한 상기 섬유 길이 및 종횡비는 용융 블렌딩 이전의 섬유에 대한 것이다.
상기 섬유의 공급원은 미국 조지아주 마리에타 소재의 베커트 화이버사 (Bekaert Fibre); 미국 뉴저지주 와이코프 소재의 인코 스페셜 프로덕츠사 (INCO Special Products); 및 미국 캘리포니아주 멘로 파크 소재의 토호 카본 화이버스사 (Toho Carbon Fibers)를 포함한다.
상기 금속 섬유 및 금속으로 코팅된 섬유의 상승적 조합물은 대부분의 임의의 열가소성 중합체 또는 중합체 블렌드에 있어서 유용하다. 적합한 열가소성 중합체는 공지되어 있으며, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌 및 스티렌 혼성중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리스티렌, 내충격 폴리스티렌, 스티렌 및 아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴, 부타디엔 및 스티렌 삼원 공중합체, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 코폴리에스테르폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리아릴아미드, 열가소성 폴리우레탄, 에폭시, 폴리아크릴레이트, 폴리아릴레이트 에테르 술폰 또는 케톤, 폴리페닐렌 에테르, 폴리아미드-이미드, 폴리에테르-이미드 또는 이들의 블렌드를 포함한다.
본 발명의 전기 전도성 열가소성 조성물은 조성물의 특성을 저해하지 않는 한 그러한 조성물에 통상적으로 사용되는 첨가제, 예를 들어 난연제, 착색제, 가소제, UV 안정화제, 윤활제, 열 안정화제, 대전 방지제 및 다른 유형의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 전기 전도성 중합체 조성물의 제조는 업계에 공지된 임의의 적합한 혼합 수단을 사용하여, 예를 들어 열가소성 중합체, 금속 섬유 및 금속으로 코팅된 섬유를 건식 블렌딩하고, 이어서 용융 블렌딩 장치, 예를 들어 사출 성형기 또는 압출기에서 직접 용융 혼합하여 본 발명의 전기 전도성 열가소성 구조물 (예를 들어 사출 성형품 또는 압출 시이트 또는 프로파일)을 얻거나, 또는 별도의 압출기 (예를 들어 밴버리 믹서)에서 예비 혼합하여 펠렛을 제조함으로써 달성할 수 있다. 이 펠렛은 이어서 시이트 또는 프로파일로 사출 성형 또는 압출되어 본 발명의 전기 전도성 열가소성 구조물을 제조한다.
바람직하게는, 조성물의 건식 블렌드를 예비 용융 혼합 및 용융 블렌딩하지 않고 시이트 또는 프로파일로 직접 사출 성형 또는 직접 압출하여 펠렛을 형성한다. 열가소성 중합체, 금속 섬유 및 금속으로 코팅된 섬유는 동일한 위치에 (예를 들어 공급 호퍼), 개별적으로 상이한 위치에 (예를 들어 공급 호퍼 및 하나 이상의 측면 공급 위치), 또는 임의의 조합으로 동시에 용융 블렌딩 장치로 도입될 수 있다. 이러한 방법은 금속 섬유량의 증가 또는 감소 및(또는) 금속으로 코팅된 섬유량의 증가 또는 감소 및(또는) 온라인 전도성 열가소성 중합체 조성물의 열가소성 중합체를 변경시키는 유연성을 가능하게 한다. 즉, 펠렛 형태의 예비 혼합된 전기 전도성 열가소성 중합체 조성물을 사용하는 경우와 비교하여, 적은 노력과 최소의 중합체 재고로 특정한 전기 전도성 열가소성 구조물의 전자기파 차폐 효과 및 기타 특성의 상이한 균형을 조절 및 제공할 수 있다.
바람직하게는, 종종 섬유속으로 지칭되는 금속 및 금속으로 코팅된 섬유 토우 (tow)가 사용된다. 섬유 토우는 함께 다발로 묶인 다중 섬유 스트랜드로서, 얇은 중합체 층으로 코팅 또는 함침되어 있다. 섬유속을 코팅하는데 사용되는 중합체는 전기 전도성 열가소성 조성물의 열가소성 중합체와 동일 또는 상이할 수 있다. 섬유 토우를 사용하는 경우, 순수한 금속 섬유 및(또는) 금속으로 코팅된 섬유에 중합체가 함침되어 섬유속에 부착된 후, 상기 범위내가 되도록 섬유 토우의 혼합량을 결정하는 것이 필요하다.
본 발명의 전기 전도성 열가소성 구조물이 시이트인 경우, 시이트에 열을 인가하여 연화시키거나 용융시킬 수 있으며, 압축 성형, 진공 가압 성형 및 열 성형과 같은 종래 기술을 사용하여 형성 또는 성형할 수 있다.
Claims (14)
- (i) 열가소성 수지, 및 금속 섬유와 금속으로 코팅된 섬유의 상승적 조합물을 용융 블렌딩 장치에 제공하는 단계, 및(ii) 전기 전도성 열가소성 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 전기 전도성 열가소성 구조물의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 열가소성 수지가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌 및 스티렌 혼성중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리스티렌, 내충격 폴리스티렌, 스티렌 및 아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴, 부타디엔 및 스티렌 삼원 공중합체, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 코폴리에스테르폴리카보네이트, 폴리아미드, 열가소성 폴리우레탄, 에폭시, 폴리아크릴레이트, 폴리아릴레이트 에테르 술폰, 폴리아릴레이트 에테르 케톤, 폴리페닐렌 에테르, 폴리아미드-이미드, 폴리에테르-이미드 또는 이들의 블렌드인 방법.
- 제1항에 있어서, 열가소성 수지가 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴, 부타디엔 및 스티렌 삼원 공중합체, 또는 이들의 혼합물인 방법.
- 제1항에 있어서, 금속 섬유가 알루미늄, 아연, 구리, 은, 니켈, 스테인레스강, 금, 크롬 또는 이들의 합금인 방법.
- 제1항에 있어서, 금속 섬유가 스테인레스강인 방법.
- 제1항에 있어서, 금속으로 코팅된 섬유가 비금속 섬유상에 금속 코팅물을 포함하는 것인 방법.
- 제6항에 있어서, 금속 코팅물의 두께가 0.1 ㎛ 내지 2 ㎛인 방법.
- 제6항에 있어서, 금속 코팅물이 은, 니켈, 알루미늄, 크롬, 주석, 납, 구리 또는 이들의 합금인 방법.
- 제6항에 있어서, 비금속 섬유가 탄소, 유리 또는 중합체인 방법.
- 제1항에 있어서, 금속으로 코팅된 섬유가 니켈로 코팅된 탄소인 방법.
- 제1항에 있어서, 용융 블렌딩 장치가 압출기 또는 사출 성형기인 방법.
- 제1항에 있어서, 금속 섬유가 전기 전도성 열가소성 물질의 부피를 기준으로 2 중량% 내지 15 중량%의 양으로 제공되는 방법.
- 제1항에 있어서, 금속으로 코팅된 섬유가 3 중량% 내지 25 중량%의 양으로 제공되는 방법.
- 제1항의 방법으로 제조한 전기 전도성 열가소성 구조물.
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