KR20070046204A - 압출로 제조된 전도성 열경화수지 - Google Patents
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Abstract
탄소 나노튜브를 함유하는 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법이 제공된다. 또한, 탄소 나노튜브를 함유하는 전도성 열경화수지의 제조방법도 제공된다. 탄소 나노튜브는 개별적 형태이거나, 또는 거시적 형태가 솜사탕, 새둥지, 코움사 또는 개방망 형태와 유사한 집합체 형태일 수 있다. 다중벽(multiwalled) 탄소 나노튜브는 직경이 1미크론 이하인 것이 바람직하고, 단일벽(singled) 탄소 나노튜브는 직경이 5nm 미만인 것이 바람직하다. 탄소 나노튜브는 통상 열가소수지에 제한적인 압출법을 이용하여 열경화수지 전구체 내에 적당하게 분산시킬 수 있다. 열경화수지 전구체는 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 우레탄, 폴리에스테르, 비닐 에스테르 또는 실리콘의 전구체일 수 있다. 열경화수지 전구체는 비스페놀 A 유도체인 것이 바람직하다.
탄소 나노튜브, 전도성 열경화수지, 열경화수지 전구체, 에폭시, 페놀
Description
상호참조 정보
본 출원은 참고인용된 미국 가출원 일련 번호 60/605,769(2004년 8월 31일 출원)의 이익과 우선권을 주장하는 출원이다.
발명의 분야
본 발명은 포괄적으로 탄소 나노튜브를 함유하는 전도성 열경화수지 전구체 및 전도성 열경화수지에 관한 것이다. 전도성 열경화수지 전구체는 압출법을 이용하여 제조하며, 전도성 열경화수지를 제조하는데 사용된다.
전도성 중합체
전도성 중합체는 오랫동안 필요로 되어 왔고, 중합체성과 전도성이 조합되어 있어서 다양한 용도들에 많은 이점을 제공한다. 전도성 중합체의 중합체 성분은 열가소수지 형태이거나 열경화수지 형태일 수 있다. 이러한 중합체에 대한 일반적인 배경기술은 다수의 문헌 [예컨대, International Plastics Handbook, translated by John Haim and David Hyatt, 3rd edition, Hanser/Gardner Publications (1995) 및 Mixing and Compounding of Polymers - Theory and Practice, edited by Ica Manas-Zloczower and Zehev Tadmor, Hanser/Gardner Publications (1994); 두 문헌 모두 본원에 참고인용된 것임]에 소개되어 있다. 전도성 중합체의 전도성 부재에는 금속성 분말이나 탄소 블랙이 있다.
열가소수지는 이의 연성(延性) 및 가요성 성질로 인해, 전도성 중합체 형성 시 상업적 실용성이 큰 것으로 입증되어있다[미국 특허 5,591,382, 1994년 3월 30일 출원, Nahass et al., 본원에 참고인용됨]. 열가소수지는 압출법에 의해 전도성 첨가제와 쉽게 혼합되어 전도성 열가소성 중합체를 형성한다. 더구나, 열가소수지는 가열 시 연화되어 필요한 경우 열가소수지를 재성형할 수 있다. 하지만, 열가소수지에는 가교 반응하여 더 강한 중합체를 형성하는 열경화수지의 강도가 부족하다. 최근의 기술 개발로 인해, 열가소수지의 강도를 높이기 위하여 열가소수지에 가교제를 첨가할 수 있게 되었으나, 이러한 공정에도 문제점이 있었다(예, 과다 비용, 수고, 실험 등).
한편, 더 단단하고 경직성인 열경화수지는 전도성 열경화성 중합체를 형성하기 위해 전도성 첨가제와 혼합하기가 어렵다. 열경화성 중합체는 열가소수지와 달리, 보통 2종 이상의 다른 성분 또는 전구체의 화학 반응을 통해서 형성된다. 화학 반응은 가교와 같은 분자간 결합을 촉진하기 위해 촉매, 화학물질, 에너지, 열 또는 방사선의 사용을 포함할 수 있다. 분자간 결합을 촉진하는 다른 반응의 사용 시, 다른 열경화수지가 형성될 수 있다. 열경화수지 결합/형성 방법은 종종 경화(curing)라 불린다. 열경화수지 성분 또는 전구체는 경화 전에는 보통 액체이거나 또는 연성이고, 최종 형태로 설계 성형되거나 또는 첨가제로서 사용되기도 한다. 하지만, 일단 경화되면 열경화성 중합체는 열가소수지보다 강하고, 열가소수지 와 같이 가열 시 쉽게 연화, 재용융 또는 재성형될 수 없는 바, 고온 용도에 매우 적합하게 사용된다. 따라서, 전도성 열경화성 중합체는 산업에 더 바람직한 강도와 전도성의 조합을 제공한다.
압출을 통해 전도성 첨가제를 첨가 및 분산시키기 위해 용융 처리될 수 있는 열가소수지와 달리, 열경화수지는 일단 경화되고 나면 용융될 수 없다. 따라서, 전도성 첨가제는 경화된 최종 열경화수지 산물이 형성되기 전에 전구체 성분 중으로 첨가되어 분산되어야 한다. 이러한 조건은 전도성 열경화수지의 제조에 많은 제약을 준다. 예를 들어, 열가소수지에 첨가제를 분산시키는데 바람직하고 효과적인 방법인 압출은, 열경화수지 전구체 내에 전도성 첨가제를 성공적으로 분산시킬 수 있는 충분한 점도를 열경화수지 전구체가 통상 보유하고 있지 않기 때문에, 열경화수지 전구체에는 일반적으로 사용되지 않는다.
오히려, 초음파 처리, 교반 또는 밀링(milling)이 열경화수지에 전도성 첨가제를 분산시키는 방법으로서 바람직하다. 하지만, 이 방법들은 상업적 용도의 큰 규모에 사용하기 어려워, 전도성 열경화성 중합체 형성 시 실용적이고 일관된 결과를 제공하지 못했다. 예를 들어, 전도성 열경화수지 형성 시, 전도성 첨가제는 통상 제1 액체 전구체 내에 혼합되어 교반된다. 하지만, 전도성 첨가제의 첨가는 제1 액체 전구체의 점도를 증가시키고, 이에 따라 혼합 시 어려움을 증가시킨다. 따라서, 제1 액체 전구체에 전도성 첨가제를 얼마나 많이 실질적으로 첨가할 수 있는지가 고유의 한계이다. 그 다음, 혼합된 제1 액체 전구체는 점도가 낮은 제2 액체 전구체(만일 제2 액체 전구체의 점도가 높다면, 혼합이 더욱 더 어려워질 것이다)에 첨가하여 그 전구체와 반응시켜 열경화성 중합체 또는 수지를 형성시킨다. 하지만, 제1 혼합 전구체에 제2 액체 전구체의 혼합 시, 전도성 첨가제의 총 적재량(loading)은 최종 열경화수지 산물에 대비해 더욱 감소하여, 일반적으로 최종 전도성 열경화수지 산물을 상업적 실용성이 없게 만든다.
따라서, 전도성 열경화수지 제조의 새로운 방법이 필요한 실정이다.
탄소 나노튜브
전도성 첨가제로는, 탄소 블랙, 탄소 섬유, 탄소 원섬유, 금속성 분말 등과 같은 당업계에 공지된 많은 첨가제가 있다. 탄소 원섬유는 다른 전도성 첨가제에 비해 전도성과 강도가 매우 높기 때문에 점차 대중화되고 있다.
탄소 원섬유는 일반적으로 탄소 나노튜브라 불린다. 탄소 원섬유는 직경이 1.0μ 미만, 바람직하게는 0.5μ 미만, 더욱 바람직하게는 0.2μ 미만인 연충 모양의 탄소 침착물(deposit)이다. 다양한 형태로 존재하며 금속 표면에서 다양한 탄소 함유 기체의 접촉 분해를 통해 제조되었다. 이러한 연충 모양의 탄소 침착물은 거의 전자 현미경의 도입 이후에 관찰되었다(Baker and Harris, Chemistry and Physics of Carbon, Walker and Thrower ed., Vol. 14, 1978, p. 83; Rodriguez, N., J. Mater. Research, Vol. 8, p. 3233 (1993)).
1976년, 엔도 등(Obelin, A. and Endo, M., J. of Crystal Growth. Vol. 32 (1976), pp. 335-349, 본 발명에 참고인용됨)은 이러한 탄소 원섬유가 성장하는 기본 기작을 해명했다. 이들은 금속 촉매 입자에서부터 시작하여 탄화수소 함유 기체의 존재 하에서 탄소로 과포화되기 시작한다는 것을 발견했다. 원기둥형의 규칙적 인 흑연 코어가 압출되었고, 그 즉시 엔도 등에 따라, 열분해 침착된 흑연 외각층으로 코팅되었다. 이러한 열분해 오버코트를 보유한 원섬유의 직경은 통상적으로 0.1μ 초과, 더욱 통상적으로 0.2 내지 0.5μ 범위였다.
1983년, 테넌트(미국 특허 4,663,230, 본 발명에 참고인용됨)는 연속적인 열처리 탄소 오버코트가 없고 원섬유 축과 실질적으로 평행한 복수의 흑연 외각층을 보유한 탄소 원섬유를 기술했다. 따라서, 이 원섬유는 원기둥 축에 실질적으로 직각을 이룬 곡면 흑연 층의 탄젠트에 직각인 c축을 보유하는 것을 특징으로 한다. 이 원섬유의 직경은 일반적으로 0.1μ 이하이고, 길이 대 직경 비가 적어도 5이다. 연속적인 열적 탄소 오버코트, 즉 그 원섬유 제조에 사용된 기체 원료의 열분해로부터 수득되는 열분해 침착된 탄소가 실질적으로 없는 것이 바람직하다. 따라서, 테넌트의 발명은 직경이 더 작은, 통상 35 내지 700Å(0.0035 내지 0.070μ) 원섬유 및 규칙적인 "성장된 그대로의(as grown)" 흑연 표면을 이용할 수 있게 했다. 또한, 덜 완전한 구조이면서, 열분해 탄소 외각층도 없는 원섬유 탄소 역시 성장했다.
본 출원에서 교시된 바와 같이 산화될 수 있는 탄소 나노튜브는 시중에서 입수용이한 연속 탄소 섬유와는 상이한 것이다. 연속 탄소 섬유의 종횡비(L/D)는 적어도 104이고 종종 106 이상인 것과 대조적으로, 탄소 원섬유는 종횡비가 큰 것이 바람직하지만, 불가피하게 제한적이다. 또한, 연속 섬유의 직경은 원섬유의 직경보다 훨씬 커서, 항상 >1.0μ이고 일반적으로 5 내지 7μ 사이이다.
테넌트 등은 미국 특허 5,171,560(본원에 참고인용됨)에서 열적 오버코트가 없고 원섬유 축과 실질적으로 평행한 흑연 층을 보유하며, 이 층의 원섬유 축 상에서의 돌출이 적어도 2개의 원섬유 직경의 거리만큼 전개되어 있는 탄소 원섬유를 기술한다. 일반적으로, 이러한 원섬유는 직경이 실질적으로 일정한, 실질적으로 원기둥형의 흑연 나노튜브이며, 이러한 원기둥 축에 실질적으로 직각인 c 축을 보유한 원기둥형 흑연 시트를 함유한다. 또한, 열분해 침착된 탄소가 실질적으로 없고, 직경이 0.1μ 미만이며, 길이 대 직경 비가 5보다 크다. 이러한 원섬유는 본 발명의 방법에 의해 산화될 수 있다.
나노튜브 축 위에 흑연 층의 돌출이 2개의 나노튜브 직경 미만의 거리만큼 전개되어 있을 때, 흑연 나노튜브의 탄소면은 횡단면이 어골형 외관을 나타낸다. 따라서, 어골형 원섬유라 불린다. 본원에 참고인용된 미국 특허 4,855,091에서 제우스(Geus)는 열분해 오버코트가 실질적으로 없는 어골형 원섬유의 제조방법을 제공한다. 이러한 탄소 나노튜브는 본 발명의 실시에도 유용하게 사용된다.
형태가 앞에서 설명한 접촉 성장형 원섬유와 유사한 탄소 나노튜브는 고온 탄소 아크에서 성장되었다(Iijima, Nature 354 56 1991). 현재, 이러한 아크 성장형 나노섬유는 종래 테넌트의 접촉 성장형 원섬유와 동일한 형태를 보유하는 것으로 일반적으로 받아들여지고 있다(Weaver, Science 265 1994). 일상적으로, "버키 튜브(bucky tube)"라 불리기도 하는 아크 성장형 탄소 나노섬유 역시 본 발명에 유용하다.
유용한 단일벽 탄소 나노튜브 및 이의 제조방법은 예컨대 문헌["Single- shell carbon nanotubes of 1-nm diameter", S Iijima and T Ichihashi Nature, vol. 363, p.603(1993) 및 "Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls", D S Bethune, C H Kiang, M S DeVries, G Gorman, R Savoy and R Beyers Nature, vol.363, p.605(1993), 모두 본원에 참고인용된 것임]에 게시되어 있다.
또한, 단일벽 탄소 나노튜브는 전문이 본원에 참고인용된 미국 특허 6,221,330(Moy et al.)에 개시되어 있다. 이 문헌에서 모이 등은 먼저 탄소원자가 1 내지 6개이고 헤테로원자로서 오로지 H, O, N, S 또는 Cl을 보유하며 경우에 따라 수소와 혼합되는 1종 이상의 기체성 탄소 화합물, 및 접촉 분해 반응 조건 하에서 불안정하고 이 반응 조건 하에서 분해 촉매로서 작용하는 금속 함유 촉매를 형성하는 기체상 금속 함유 화합물을 함유하는 기체상 탄소 공급원료 가스 혼합물을 형성시키고; 그 다음 상기 분해 반응을 분해 반응 조건 하에서 수행하여 나노튜브를 수득하는, 1종 이상의 기체성 탄소 화합물의 접촉 분해에 의해 중공의 단일벽 탄소 나노튜브를 생산하는 방법을 개시하고 있다. 이 발명은 기체상 금속 함유 화합물이 또한 기체성 탄소원을 함유하는 반응 혼합물로 도입되는 기체상 반응에 관한 것이다. 탄소원은 전형적으로, 헤테로원자로서 H, O, N, S 또는 Cl을 보유하고, 경우에 따라 수소와 혼합되는 C1 내지 C6 화합물이다. 일산화탄소 또는 일산화탄소와 수소가 바람직한 탄소 공급원료이다. 약 400℃ 내지 1300℃의 증가된 반응 구역 온도 및 약 0 내지 약 100p.s.i.g. 사이의 압력은 기체상 금속 함유 화합물의 금속 함유 촉매로의 분해를 유발하는 것으로 생각된다. 분해는 원자 금속으로 또는 부분 분해된 중간 종으로의 분해일 수 있다. 금속 함유 촉매는 (1) CO 분해를 촉매하고 (2) SWNT 형성을 촉매한다. 즉, 이 발명은 탄소 화합물의 접촉 분해를 통해 SWNT를 형성하는 방법에 관한 것이다.
미국 특허 6,221,330의 발명은 일부 양태에서 금속 함유 촉매의 에어로졸이 반응 혼합물로 도입된 에어로졸 기술을 이용하기도 한다. SWNT를 생산하는 에어로졸 방법의 장점은 효율적이고 연속적인 상업적 또는 산업적 생산 방법에서 크기와 규모가 균일한 촉매 입자를 생산할 수 있다는 점이다. 종래 논의된 전기 아크 방전 및 레이저 침착 방법은 그러한 상업적 또는 공업적 생산을 위해 경제적으로 증대될 수 없는 방법이었다. 이러한 발명에 유용한 금속 함유 화합물의 예에는 금속 카르보닐, 금속 아세틸 아세토네이트, 및 분해 조건 하에서 분해하여 자립형 금속 촉매를 형성하는 증기로서 도입될 수 있는 다른 물질이 포함된다. 접촉 활성 금속에는 Fe, Co, Mn, Ni 및 Mo가 있다. 몰리브덴 카르보닐 및 철 카르보닐은 반응 조건하에서 분해하여 증기상 촉매를 형성할 수 있는 바람직한 금속 함유 화합물이다. 이러한 금속 카르보닐의 고체 형태는 기화되는 전처리 구역으로 전달되어 촉매의 증기상 전구체가 될 수 있다. 자립형 촉매 위에 SWNT를 형성하는데 이용할 수 있는 방법에는 2가지 방법이 있는 것으로 발견되었다.
첫 번째 방법은 휘발성 촉매의 직접 주입 방법이다. 직접 주입 방법은 본원에 참고인용된 미국 특허 출원 일련번호 08/459,534에 설명되어 있다. 휘발성 촉매 전구체의 직접 주입은 몰리브덴 헥사카르보닐[Mo(CO)6] 및 디코발트 옥타카르보닐[Co2(CO)8] 촉매를 이용하여 SWNT를 형성시키는 것으로 관찰되었다. 이 두 물질은 실온에서 고체이지만 상온 또는 상온 부근에서 승화한다. 즉, 몰리브덴 화합물은 적어도 150℃까지 열 안정성이지만, 코발트 화합물은 분해되면서 승화한다["Organic Syntheses via Metal Carbonyls", Vol. 1, I.Wender and P.Pino, eds., Interscience Publishers, New York, 1968, p.40].
두 번째 방법은 금속 함유 화합물을 도입시키기 위해 기화기를 이용한다(도 12). 이 발명의 바람직한 일 양태에 따르면, 도 12에 도시된 기화기(10)는 바닥에서부터 약 1" 위치에 밀봉부(seal)(24)를 보유하여 제2 구역을 형성하는 석영 서모웰(20)을 포함한다. 이 구역에는 개방되어 기체 반응물에 노출되는 2개의 1/4" 구멍(26)이 존재한다. 촉매는 이 구역으로 주입된 후, 기화기 노(32)에 의해 임의의 바람직한 온도에서 기화된다. 이 노(furnace)는 제1 열전쌍(22)에 의해 조절된다. 금속 함유 화합물, 바람직하게는 금속 카르보닐은 분해점 이하의 온도에서 기화되고, 기체 반응물 CO 또는 CO/H2는 반응 구역 노(38) 및 제2 열전쌍(42)에 의해 각각 조절되는 반응 구역(34)으로 전구체를 쓸어낸다. 작동성을 특정 이론에 국한하려는 의도는 아니지만, 반응기 온도에서 금속 함유 화합물은 중간 종으로 부분적으로 분해되거나 금속 원자로 완전히 분해되는 것으로 생각된다. 이러한 중간 종 및/또는 금속 원자는 합체하여 실제 촉매인 더 큰 집합 입자가 된다. 이 입자는 그 다음 CO의 분해를 촉매하고 SWNT 성장을 촉진하는 정확한 크기로 성장한다. 도 11의 장치 에서, 촉매 입자와 최종 탄소 형태는 석영 양모 플러그(36) 위에 수집된다. 입자의 성장 속도는 기체상 금속 함유 중간 종의 농도에 따라 달라진다. 이 농도는 기화기의 증기 압력(이에 따른 온도)에 의해 결정된다. 농도가 너무 높으면, 입자 성장이 너무 빠르고 SWNT 이외의 다른 구조가 성장된다(예컨대, MWNT, 무정형 탄소, 어니언형 등). 본 발명에는 미국 특허 6,221,330의 실시예를 비롯한 전문이 참고인용되었다.
본원에 참고인용된 미국 특허 5,424,054(Bethune et al.)는 탄소 증기를 코발트 촉매와 접촉시켜 단일벽 탄소 나노튜브를 생산하는 방법을 설명하고 있다. 탄소 증기는 무정형 탄소, 흑연, 활성화되거나 탈색된 탄소 또는 이의 혼합물일 수 있는 고체 탄소의 전기 아크 가열에 의해 생산된다. 다른 탄소 가열 기술도 논의되어 있는데, 그 예에는 레이저 가열, 전기 빔 가열 및 RF 유도 가열이 있다.
본원에 참고인용된 문헌[Guo, T., Nikoleev, P., Thess, A., Colbert, D.T., and Smally, R.E., Chem.Phys.Lett. 243: 1-12(1995)]에서 스몰리 등은 흑연 막대와 전이 금속이 고온 레이저에 의해 동시에 기화되는 단일벽 탄소 나노튜브의 제조방법을 설명하고 있다.
또한, 본원에 참고인용된 문헌[Thess, A., Lee, R., Nikolaev,P., Dai,H., Petit,P., Robert,J., Xu,C., Lee,Y.H., Kim,S.G., Rinzler,A.G., Colbert,D.T., Scuseria,G.E., Tonarek,D., Fischer,J.E., and Smalley,R.E., Science, 273: 483-487(1996)]에서 스몰리 등은 소량의 전이 금속을 함유한 흑연 막대가 약 1200℃의 오븐에서 레이저 기화되는 단일벽 탄소 나노튜브의 생산방법을 기술하고 있다. 단 일벽 나노튜브는 70%가 넘는 수율로 생산된다고 보고되어 있다.
SWNT 형성용 지지형 금속 촉매도 공지되어 있다. 본원에 참고인용된 문헌[Dai., H., Rinzler,A.G., Nikolaev,P., Thess, A., Colbert,D.T., and Smalley, R.E., Chem.Phys.Lett. 260: 471-475(1996)]에서 스몰리 등은 CO로부터 다중벽 나노튜브 및 단일벽 나노튜브를 성장시키는 지지된 Co, Ni 및 Mo 촉매, 및 이들의 추정된 형성 기작에 대해 설명하고 있다.
탄소 나노섬유는 보강 소재로서 시중에서 입수용이한 연속 탄소 섬유, 및 표준 흑연 및 탄소 블랙과 같은 다른 형태의 탄소와 물리적 및 화학적으로 상이하다. 표준 흑연은 그 구조 때문에 거의 완전히 포화될 때까지 산화될 수 있다. 더욱이, 탄소 블랙은 불규칙한 핵 주위에 그래핀 구조의 탄소 층을 보유하는, 일반적으로 회전 타원체 입자 형태인 무정형 탄소이다. 이러한 차이는 흑연과 탄소 블랙이 나노튜브 화학의 예측인자로서 불량한 것으로 만든다.
탄소 나노튜브 집합체
탄소 나노튜브는 생산되었을 때, 개별적인 나노튜브 형태이거나 나노튜브 집합체이거나 또는 이 두 형태의 혼합물일 수 있다.
집합체로서 생산되거나 제조된 나노튜브에는 무작위로 서로 얽혀서, 새 둥지("BN")를 닮은 얽힌 볼형 나노튜브; 또는 상대적 배향이 실질적으로 동일하고, 코움사(combed yarn)("CY")의 외관, 예컨대 각 나노튜브의 종축(각각 구부러지거나 꼬임에 상관없이)이 다발의 주위 나노튜브와 동일한 방향으로 전개되어 있는 외관을 보유한 직선 내지 약간 굽거나 꼬인 탄소 나노튜브 다발로 이루어진 집합체; 또 는 서로 느슨하게 얽혀서 "개방 망"("ON") 구조를 형성하는 직선 내지 약간 굽거나 꼬인 나노튜브로 이루어진 집합체와 같은 다양한 거시적 형태(주사형 전자 현미경으로 측정 시)를 보유한다. 개방 망 구조에서, 원섬유 얽힘 정도는 코움사형 집합체(각 나노튜브가 실질적으로 동일한 상대적 배향을 갖고 있는 것)에서 관찰되는 정도보다 많고, 새 둥지형 나노튜브에서 관찰되는 정도보다는 적다. 다른 유용한 집합체 구조에는 CY 구조와 유사한 솜사탕("CC")형 구조가 있다.
집합체의 형태는 촉매 지지체의 선택을 통해 조절된다. 구상 지지체는 나노튜브를 모든 방향으로 성장시켜 새 둥지형 집합체를 형성시킨다. 코움사 및 개방 망 집합체는 쉽게 절단할 수 있는 표면이 하나 이상이고 표면적이 1㎡/g 이상인 지지체 물질에 철 또는 철 함유 금속 촉매 입자를 침착시킨 집합체와 같이, 쉽게 절단할 수 있는 평면형 표면이 하나 이상인 지지체를 사용하여 제조한다. 본원에 참고인용된 미국 특허출원 일련번호 08/469,430["Improved Methods and Catalysts for the Manufacture of Carbon Fibrils", 1995년 6월 6일 출원]에서 모이 등은 다양한 형태(주사형 전자 현미경 측정 시)의 집합체로서 제조된 나노튜브를 기술한다.
탄소 나노튜브 또는 나노섬유 집합체의 형성에 관한 더 상세한 내용은 미국 특허 5,165,909(Tennent); 미국 특허 5,456,897(Moy et al.); 스나이더(Snyder) 등에 의해 1988년 1월 28일에 출원된 미국 특허 출원 일련번호 07/149,573 및 1989년 1월 28일에 출원된 PCT 출원 번호 US89/00322("Carbon Fibrils") WO 89/07163, 및 모이(Moy) 등에 의해 1989년 9월 28일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 413,837 및 1990년 9월 27일에 출원된 PCT 출원 번호 US90/05498 ("Battery") WO 91/05089 및 미국 특허 출원번호 08/479,864(Mandeville et al., 1995년 6월 7일 출원) 및 미국 특허 출원번호 08/284,917(1994년 8월 2일 출원) 및 미국 특허 출원번호 08/320,564(1994년 10월 11일 출원, Moy et al.) (이들 출원들은 모두 본 발명과 동일한 양수인에게 양도되었고, 본원에 참고인용되었다)의 명세서에서 찾아볼 수 있다.
탄소 나노튜브의 산화 및/또는 작용기화
탄소 나노튜브 또는 집합체는 바람직한 특정 성질을 향상시키기 위해 산화될 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 표면 위에 특정 기를 첨가하기 위해, 탄소 나노튜브 집합체의 얽힘을 풀기 위해, 또는 탄소 나노튜브로부터 말단 캡을 제거하거나 질량을 감소시키기 위해 산화를 이용할 수 있다.
맥카티 등은 본원에 참고인용된 미국 특허 출원 일련번호 08/329,774(1994년 10월 27일 출원)에서 원섬유의 표면을 산화시키기에 충분한 반응 조건(예, 시간, 온도 및 압력) 하에서 황산(H2SO4)과 염소산칼륨(KClO3)을 함유하는 산화제와 원섬유를 접촉시키는 것을 포함하는 탄소 원섬유의 표면을 산화시키는 방법에 대해 설명하고 있다. 맥카티 등의 방법에 따라 산화된 원섬유는 불균일하게 산화되어, 즉 탄소 원자가 카르복시, 알데하이드, 케톤, 페놀 및 다른 카르보닐 기의 혼합물로 치환되어 있다.
또한, 원섬유는 질산 처리에 의해 불균일하게 산화되었다. 국제 출원 PCT/US94/10168(1994년 9월 9일)(WO 95/07316)은 작용기의 혼합물을 함유하는 산화된 원섬유의 형성에 대해 게시한다. 또한, 후겐바드,엠.에스. 등("Metal Catalysts supported on a Novel Carbon Support", presented at Sixth International Conference on Scientific Basis for the Preparation of Heterogeneous Catalysts, Brussels, Belgium, September 1994)은 원섬유 지지된 귀금속을 제조하는데 있어서 원섬유 표면을 질산으로 먼저 산화하는 것이 유익하다는 것을 발견했다. 이러한 산 전처리는 탄소 지지된 귀금속 촉매의 제조에 표준 단계로서, 이러한 탄소의 일반적인 급원이 제공된다면, 그 처리는 표면을 작용기화와 관련하여 불필요한 물질을 제거할 수 있는 만큼 세척하는 작용을 한다.
공개된 연구에 따르면, 맥카티와 베닝(Polymer Preprints ACS Div.of Polymer Chem. 30(1) 420(1990))은 표면이 다양한 산화 기를 함유하고 있음을 증명하기 위하여 산화된 원섬유의 유도체를 제조했다. 제조한 화합물인, 페닐하이드라존, 할로아로마틱에스테르, 탈륨 염 등은 이들의 분석 유용성, 예컨대 색이 밝거나 약간 다른 강하면서 쉽게 확인되고 구별되는 시그널을 나타내는 점 때문에 선택되었다. 이러한 화합물은 분리되지 않았으며 본원에 설명된 유도체와는 달리 실용적인 가치가 없다.
특허 문헌[Fischer et al., U.S.S.N.08/352,400, 1994년 12월 8일 출원; Fischer et al., U.S.S.N. 08/812,856, 1997년 3월 6일 출원; Tennent et al., U.S.S.N. 08/856,657, 1997년 5월 15일 출원; Tennent, et al., U.S.S.N. 08/854,918, 1997년 5월 13일 출원; 및 Tennent et al., U.S.S.N. 08/857,383, 1997년 5월 15일 출원; 모두 본원에 참고인용됨]은 황산과 같은 강산 중의 알칼리 금속 염소산염 용액과 같은 강산화제와 원섬유를 접촉시키는 것을 포함하는 탄소 원섬유의 표면을 산화시키는 방법을 기술한다. 또 다른 유용한 탄소 나노튜브 산화 처리에는 미국 공개 출원번호 2005/0002850A1(Niu, 2004년 5월 28일 출원, 본원에 참고인용됨)에 기술된 방법이 있다.
게다가, 상기 특허출원들은 초음파처리, 탈산소화된 원섬유 표면에 대한 친전자성 첨가 또는 금속화를 통해 탄소 원섬유를 균일하게 작용기화하는 방법도 기술한다. 원섬유의 설폰화는 설폰 작용기화된 원섬유의 중량 증가가 유의적일 정도로 상당한 양의 설폰을 보유한 탄소 원섬유를 제공하는 황산이나 기상 SO3를 이용하여 달성할 수 있다.
미국 특허 5,346,683(Green et al.)은 아크 성장형 나노튜브의 캡핑된 말단 영역에 있는 탄소 원자와 선택적으로 반응할 수 있는 유동성 반응물 기체의 반응으로 인해 생산된 캡핑되지 않고 박막화된 탄소 나노튜브를 게시한다.
미국 특허 5,641,466(Ebbesen et al.)은 아크 성장형 탄소 나노튜브와 탄소 불순물(예컨대, 탄소 나노입자) 및 가능하게는 무정형 탄소를 함유하는 혼합물을, 탄소 불순물이 산화되어 기체상으로 방산될 때까지 산화제의 존재 하에 600℃ 내지 1000℃ 범위의 온도에서 가열하여, 상기 혼합물을 정제하는 방법을 기술한다.
공개된 문헌에 따르면, 아자얀 및 아이지마(Ajayan and Iijima, Nature 361, p. 334-337(1993))는 캡핑된 튜브 말단을 개방시킨 다음, 모세관 작용을 통해 튜브 에 용융물을 충전시키는 납의 존재 하에 산소와 함께 탄소 나노튜브를 가열하여 어닐링하는 것에 대해 논하고 있다.
다른 공개된 연구에 따르면, 헤이든과 동료들(Haddon and its associates, Science, 282, 95(1998) and J.Mater.Res., Vol.13, No. 9, 2423(1998))은 단일벽 탄소 나노튜브 재료(SWNTM)에 화학적 작용기를 병합시키기 위하여 버치(Birch) 환원 조건과 디클로로카벤을 이용하여 SWNTM을 처리하는 것을 기술한다. 티오닐 클로라이드와 옥타데실아민을 이용한 SWNT의 유도체화는 SWNT를 클로로포름, 디클로로메탄, 방향족 용매 및 CS2와 같은 일반적인 유기 용매에 용해될 수 있게 했다.
또 다른 작용기화된 나노튜브는 본원에 참고인용된 U.S.S.N. 08/352,400(1994년 12월 8일 출원) 및 U.S.S.N. 08/856,657(1997년 5월 15일 출원)에서 일반적으로 논의되고 있다. 이 두 출원에서 나노튜브 표면은 먼저 강산화제 또는 다른 환경적 비친화성 화학 물질과의 반응을 통해 산화된다. 나노튜브 표면은 다른 작용기와의 반응을 통해 추가 변형되기도 한다. 나노튜브 표면의 변형은 나노튜브가 다양한 기재의 화학적 기에 화학적으로 반응하거나 물리적으로 결합할 수 있는 정도의 범위의 작용기로 이루어졌다.
복합 구조의 나노튜브는 튜브 위의 작용기를 일정 범위의 링커 화학물질을 통해 서로 결합시켜 수득했다.
대표적인 작용기화된 나노튜브는 통상 다음과 같은 화학식으로 표시된다:
[CnHL]-Rm
이 식에서, n은 정수이고, L은 0.1n 미만의 수이며, m은 0.5n 미만의 수이고,
R은 각각 동일한 것으로서, SO3H, COOH, NH2, OH, O, CHO, CN, COCl, 할라이드, COSH, SH, R', COOR', SR', SiR'3, Si-(OR')y-R'3-y, Si-(O-SiR'2)-OR', R", Li, AlR'2, Hg-X, TlZ2 및 Mg-X 중에서 선택되며,
y는 3 이하의 정수이고,
R'는 알킬, 아릴, 헤테로아릴, 시클로알킬 아르알킬 또는 헤테로아르알킬이며,
R"는 플루오로알킬, 플루오로아릴, 플루오로시클로알킬, 플루오로아르알킬 또는 시클로아릴이고,
X는 할라이드이고,
Z는 카르복실레이트 또는 트리플루오로아세테이트이다.
탄소 원자 Cn은 나노섬유의 표면 탄소이다.
산화된 나노튜브의 2차 유도체
산화된 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체는 표면에 2차 작용기를 첨가하기 위해 추가 처리될 수 있다. 일 양태에 따르면, 산화된 나노튜브는 산화된 나노튜브의 부와 반응하기에 적합한 반응물과 추가 접촉시켜 적어도 다른 2차 작용기를 첨가하는 2차 처리 단계로 추가 처리된다. 산화된 나노튜브의 2차 유도체는 사실상 무한하다. 예컨대, -COOH와 같은 산성 기를 보유한 산화된 나노튜브는 통상 적인 유기 반응에 의해 사실상 임의의 바람직한 2차 기로 전환될 수 있어 다양한 표면 친수성 또는 소수성을 제공할 수 있다.
산화된 나노튜브 부와의 반응을 통해 첨가될 수 있는 2차 기에는 탄소원자 1 내지 18개의 알킬/아르알킬 기, 탄소원자 1 내지 18개의 하이드록시 기, 탄소원자 1 내지 18개의 아민 기, 탄소원자 1 내지 18개의 알킬 아릴 실란 및 탄소원자 1 내지 18개의 플루오로카본이 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
발명의 개요
종래 기술에서 필요한 것을 해결하기 위한 본 발명은 탄소 나노튜브를 함유하는 전도성 열경화수지 전구체를 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 탄소 나노튜브를 함유하는 전도성 열경화수지를 제조하는 방법도 제공한다.
탄소 나노튜브는 개별적 형태이거나, 또는 거시적 형태가 솜사탕, 새 둥지, 코움사 또는 개방 망 형태와 유사한 집합체 형태일 수 있다. 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 1미크론 이하인 것이 바람직하고, 단일벽 탄소 나노튜브의 직경은 5nm 미만인 것이 바람직하다.
탄소 나노튜브는 일반적으로 열가소수지에 제한적인 압출법을 이용하여 열경화수지 전구체 내에 적당하게 분산될 수 있다는 것을 발견했다. 바람직한 양태에 따르면, 탄소 나노튜브는 점도가 15푸아즈보다 큰 열경화수지 전구체 내에 압출을 통해 분산된다. 열경화수지 전구체는 점도가 20 내지 600푸아즈 또는 50 내지 500푸아즈 범위일 수 있다. 열경화수지 전구체는 에폭시, 페놀, 우레탄, 실리콘, 폴리이미드, 폴리에스테르 또는 비닐 에스테르의 전구체일 수 있다. 열경화수지 전구체는 비스페놀 A 유도체인 것이 바람직하다.
전도성 열경화수지 전구체는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체를 중량 기준으로 0.5 내지 30% 함유하는 것이 바람직하다.
열경화수지 전구체가 에폭사이드를 함유하는 경우에, 에폭사이드 그램당량 당 중량은 에폭사이드 그램당량당 전구체 600g 이상, 바람직하게는 에폭사이드 그램당량당 전구체 600 내지 4000g, 더 바람직하게는 에폭사이드 그램당량당 전구체 1000 내지 3800g 범위이다.
열경화수지 전구체는 이 전구체를 제2 열경화수지 전구체의 혼합 전에 점성 비고체 상태, 겔형 상태 또는 액체 상태로 유지시켜 전도성 열경화수지를 제조하기 위하여, 추가로 희석제 또는 농도 저하제(let down agent)를 함유할 수 있다. 전도성 열경화수지 전구체에 희석제를 첨가하거나 혼합하기 위해, 전단을 일으키는 믹서(mixer), 예컨대 브라벤더(Brabender) 믹서, 유성식 믹서, 다축 믹서 등을 사용할 수 있다. 바람직한 양태에 따르면, 희석제는 첨가 시 최종 열경화수지 산물이 되거나 그 산물로 경화되기 위해 제1 열경화수지 전구체와 반응하지 않는 또 다른 열경화수지 전구체이다.
열경화수지 전구체의 융점은 30℃ 이상, 또는 적당하게는 30 내지 350℃ 사이일 수 있다.
압출은 열경화수지 전구체에 첨가제를 분산시키는데 유용한 1축, 2축 또는 임의의 다른 통상의 압출기에 의해 수행될 수 있다. 게다가, 2축 압출기는 역회전 또는 공회전 압출기일 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 전도성 열경화수지 전구체는 그 다음 적어도 제2의 열경화수지 전구체와 반응하여 전도성 열경화수지를 형성한다. 이러한 전도성 열경화수지는 비저항이 1011 ohm-cm 미만, 바람직하게는 108 ohm-cm 미만, 더욱 바람직하게는 106 ohm-cm 미만일 수 있다.
본 발명이 제공하는 종래 기술에 대한 다른 개선점들은 이하 본 발명의 바람직한 양태를 설명한 상세한 설명을 통해 확인할 수 있을 것이다. 이러한 상세한 설명은 어떠한 식으로든지 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니며, 오히려 본 발명의 바람직한 양태의 작업 실시예를 제공하는 것뿐이다. 본 발명의 범위는 첨부되는 청구의 범위에서 지적될 것이다.
바람직한 양태의 상세한 설명
정의
"나노튜브", "나노섬유" 및 "원섬유"는 혼용할 수 있는 것으로서, 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브를 의미한다. 각 용어는 횡단면(예, 모서리가 있는 각진 섬유일 때) 또는 직경(예컨대, 둥근형일 때)이 1미크론(다중벽 나노튜브의 경우) 또는 5nm 미만(단일벽 나노튜브의 경우)인 것이 바람직한 세장형의 중공 구조물을 의미한다. 또한, "나노튜브"에는 "버키튜브" 및 어골형 원섬유도 포함된다.
본 명세서에 사용된 "다중벽 나노튜브"는 미국 특허 5,171,560(Tennent et al.) 등에 기술된 바와 같이, 직경이 실질적으로 일정한 실질적으로 원기둥형의 흑연 나노튜브이고, 그 원기둥 축에 실질적으로 직각인 c 축을 보유한 단일 원기둥형 흑연 시트 또는 층을 함유하는 탄소 나노튜브를 의미한다. "다중벽 나노튜브"란 용어는 이 용어의 모든 변형어, 예컨대 "다중-벽 나노튜브" 등(이에 국한되지 않는다)과 혼용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 "단일벽 나노튜브"는 미국 특허 6,221,330(Moy et al.) 등에 기술된 바와 같이, 직경이 실질적으로 일정한 실질적으로 원기둥형의 흑연 나노튜브이고, 그 원기둥 축에 실질적으로 직각인 c 축을 보유한 원기둥형 흑연 시트 또는 층을 함유하는 탄소 나노튜브를 의미한다. "단일벽 나노튜브"란 용어는 이의 모든 변형어, 예컨대 "단일-벽 나노튜브" 등(이에 국한되지 않는다)과 혼용될 수 있다.
"작용기"란 용어는 이것이 결합된 화합물이나 물질에 특징적으로 화학적 및 물리적 성질을 제공하는 기를 의미한다.
"작용기화된" 표면은 화학적 기가 흡착되거나 화학적으로 부착된 탄소 표면을 의미한다.
"그래핀" 탄소는 탄소원자가 거의 평평한 층의 다른 3개의 탄소원자와 각각 결합하여 육각형 융합 고리를 형성하고 있는 탄소 형태이다. 이 층은 몇 개의 고리로만 된 직경을 보유한 소판형이거나 또는 길이 방향으로 다수의 고리와 너비 방향으로 몇 개의 고리를 보유한 리본형일 수 있다.
"그래핀 유사체"는 그래핀 표면에 포함되는 구조를 의미한다.
"흑연" 탄소는 서로 실질적으로 평행하고 3.6Å 이하로 이격되어 그래핀 층을 구성한다.
"집합체"란 용어는 얽힌 탄소 나노튜브를 함유하는 치밀한 미시적 미립자 구조를 의미한다.
"전구체"란 용어는 최종 가교 또는 경화된 중합체 산물의 제조에 사용되는 임의의 성분을 의미한다. 전구체에는 최종 가교 또는 경화된 중합체 산물을 형성하기 위해 아직 가교 또는 경화되지 않은 중합체 또는 단량체가 포함된다.
"열가소수지(thermoplastics)"는 일반적으로 가열 시 연화 또는 용융되는 중합체류를 의미한다.
"열경화수지(thermosets)"는 일반적으로 가열 시 용융되지 않는 중합체류를 의미한다.
"점도"란 용어는 유체 유사 상태의 물질이 나타내는 내부 흐름 저항을 측정하거나 특징으로 나타낸다. 고체와 같은 물질이 흐르기 위해 용융되어야 하는 경우(예컨대, 고체는 흐를 수 없기 때문에, 무한 점도이다), 용융된 물질의 내부 저항을 측정하거나 특징으로 나타내기 위해, "용융 점도"란 용어가 종종 사용된다. 따라서, 본 출원의 목적과 본 명세서에 사용된 용어들에서, "점도" 및 "용융 점도"란 용어는 물질이나 용융된 물질의 내부 흐름 저항을 측정하거나 또는 특징으로 나타내기 때문에 혼용될 수 있다.
탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 집합체
"탄소 나노튜브" 또는 "탄소 나노튜브 집합체"라는 표제하에 배경 기술의 설명 부문에 기술된 임의의 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 집합체는 본 발명의 실시에 사용될 수 있고, 여기에 제시된 모든 문헌들은 본 발명에 참고인용된 것이다.
탄소 나노튜브는 직경이 바람직하게는 1미크론 이하, 더욱 바람직하게는 0.2미크론 이하이다. 직경이 2 내지 100nm 사이(2nm와 100nm를 포함하여)인 탄소 나노튜브가 더 바람직하다. 특히, 직경이 5nm 미만이거나 또는 3.5 내지 75nm 사이(3.5nm와 75nm를 포함하여)인 탄소 나노튜브가 가장 바람직하다.
나노튜브는 직경이 실질적으로 일정한, 실질적으로 원기둥형의 흑연 탄소 원섬유이며, 열분해 침착된 탄소가 실질적으로 없다. 이 나노튜브에는 길이 대 직경 비가 5 이상이고, 나노튜브 위에 흑연 층의 돌출 거리가 적어도 2개의 나노튜브 직경 만큼인 나노튜브가 포함된다.
가장 바람직한 다중벽 나노튜브는 본원에 참고인용된 미국 특허 5,171,560(Tennent et al.)에 기술되어 있다. 가장 바람직한 단일벽 나노튜브는 본원에 참고인용된 미국 특허 6,221,330(Moy et al.)에 기술되어 있다. 미국 특허 6,696,387에 따라 제조된 탄소 나노튜브 역시 바람직하며, 본원에 참고인용되었다.
탄소 나노튜브 집합체는 얽힌 탄소 나노튜브를 함유한 치밀한 미시적 미립자 구조이며 거시적 형태가 새 둥지, 솜사탕, 코움사 또는 개방 망과 유사한 탄소 나노튜브 집합체이다. 미국 특허 5,110,693 및 이 문헌의 참고문헌들(이들 모두 본원에 참고인용되었다)에 개시된 바와 같이, 2 이상의 각 탄소 원섬유는 얽힌 원섬유의 미시적 집합체를 형성할 수 있다. 솜사탕형 집합체는 직경이 5nm 내지 20nm 범위, 길이가 0.1㎛ 내지 1000㎛ 범위일 수 있는 방추형 또는 봉형의 얽힌 섬유와 유사하다. 새둥지형 원섬유 집합체는 직경이 0.1㎛ 내지 1000㎛ 범위일 수 있는 구형에 가까운 것일 수 있다. 각 형태(CC 및/또는 BN)의 더 큰 집합체 또는 각 형태의 혼합물로 형성될 수도 있다.
탄소 나노튜브의 집합체는 치밀하게 얽혀 있거나 느슨하게 얽혀 있을 수 있다. 필요한 경우, 탄소 나노튜브 집합체는 집합체 구조 자체를 파괴하지 않고 탄소 나노튜브의 얽힘을 추가로 풀기 위하여 산화제로 처리될 수 있다.
전도성 열경화수지 전구체 및 전도성 열경화수지의 제조방법
전도성 열경화수지 제조에 유용한 바람직한 열경화수지에는 페놀, 우레아, 멜아민, 에폭시, 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 실리콘, 폴리이미드, 우레탄 및 폴리우레탄이 있다.
"전도성 중합체"란 표제 하에 앞에서 논한 바와 같이, 열경화수지는 일반적으로 적어도 2종의 다른 성분 또는 전구체를 화학반응시킴으로써 제조된다. 화학반응에는 가교와 같은 중재 결합을 촉진시키기 위한 촉매, 화학 물질, 에너지, 열 또는 방사선의 사용이 포함될 수 있다. 열경화수지 결합/형성 방법은 종종 경화라고도 불린다. 원하는 열경화수지를 제조하기 위하여, 다른 성분이나 전구체의 조합뿐만 아니라 다른 화학반응이 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 전도성 열경화수지는 물론, 전도성 열경화수지의 제조에 사용된 전도성 열경화수지 전구체 또는 성분도 포함한다. 또한, 본 발명은 전도성 열경화수지 및 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법도 게시한다.
전도성 열경화수지는 통상 열가소수지에 제한적인 압출법으로 제조된 전도성 열경화수지 전구체로부터 제조될 수 있음을 발견했다. 또한, 다른 통상의 혼합 장치 또는 방법, 예컨대 브라벤더 믹서, 유성식 믹서(planetary mixer), 웨어링 블렌더(Waring blender), 초음파 처리 등을 사용하여 희석제와 같은 여타 재료를 전도성 열경화수지 전구체에 분산 또는 혼합시킬 수 있다.
바람직한 양태에 따르면, 제1 열경화수지 전구체는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체와 압출법으로(예컨대, 압출기를 이용하여) 혼합하여 전도성 열경화수지 전구체를 형성한다. 이러한 제1 열경화수지 전구체는 액체 또는 고체일 수 있다. 압출기는 1축, 왕복 1축(예, Buss 반죽기), 2축 압출기 또는 열경화수지 전구체에 첨가제를 분산시키는데 유용한 임의의 다른 통상적인 압출기일 수 있다. 또한, 2축 압출기는 역회전 또는 공회전식일 수 있다.
제1 열경화수지 전구체의 압출은 임계 범위의 점도 내에서만 실행할 수 있다. 점도는 종종 전단력의 함수이며, 복합 점도 및 응력 변형 곡선을 포함한다. 점도는 본원에 참고인용된 문헌[Macosko, Christopher W., Rheology: Principles, measurements and applications, Wiley-VCH(1994)]에 더 상세하게 설명되어 있다. 한편, 압출법은 점도가 낮은 열경화수지 전구체에 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체를 분산시키기에 충분한 전단력을 생산하지 못하는 것으로 발견되었다. 이에 반해, 점도가 높은 열경화수지 전구체는 압출기를 통해 가공될 수 없다. 따라서, 일 양태에 따르면 열경화수지 전구체는 점도가 15푸아즈 초과, 바람직하게는 20 내지 600푸아즈 사이, 더 바람직하게는 50 내지 500푸아즈 사이이다. 온도는 원하는 점도를 수득하기 위해 필요한 경우에 압출기에서 조정될 수 있다. 예를 들어, 고체 열경화수지 전구체는 압출법으로 가공되기 전에 통상 압출기에서 용융된다. 이러한 경우에, 열경화수지 전구체는 점도 또는 용융 점도가 15푸아즈 초과, 바람직하게는 20 내지 600푸아즈 사이, 더 바람직하게는 50 내지 500푸아즈 사이라고 한다.
전도성 열경화수지 전구체의 상태 또는 점도는 희석제 또는 농도 저하제의 함유 또는 첨가를 통해 조정되어 압출법에 더욱 적합한 점도 또는 상태를 수득할 수 있다. 예를 들어, 고체 또는 분말 형태의 전도성 열경화수지 전구체는 전도성 열경화수지 전구체를 점성 액체, 비고체 또는 겔유사 상태로 유지시키는 액체, 비고체 또는 겔유사 희석제를 함유하거나 그 희석제와 혼합될 수 있다. 희석제에는 첨가 시 제1 열경화수지 전구체를 경화시키거나 최종 열경화수지 산물이 되게 제1 열경화수지 전구체와 반응하지 않는 열경화수지 전구체가 있다. 희석제 또는 농도 저하제는 이 성분들의 혼합을 용이하게 하는데 필요한 전단 또는 힘의 수준을 생성하는 유성식 믹서, 브라벤더 믹서, 웨어링 블렌더, 초음파처리기 또는 다른 통상의 혼합 장치를 이용하여 함유 또는 혼합시키거나 첨가할 수 있다.
상업적으로 실용성이 있는 전도성 열경화수지를 제조하기 위하여, 전도성 열경화수지 전구체는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체를 0.5 내지 40% 사이의 적재량, 바람직하게는 0.5 내지 30% 사이의 적재량으로 함유하는 것이 바람직하다. 다른 예시적인 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 적재량 범위에는 5 내지 40%, 1 내지 15% 또는 5 내지 15% 범위가 있다.
전도성 열경화수지 전구체가 일단 형성되면, 그 다음 전도성 열경화수지 전구체를 전도성 열경화수지의 제조에 공지된 대응하는 제2 열경화수지 전구체와 반응시켜 전도성 열경화수지를 제조할 수 있다. 이 때, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체의 적재량은 1 내지 5%인 것이 바람직하다. 제2 열경화수지 전구체는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체를 함유하거나 함유하지 않을 수 있다. 전도성 열경화수지는 비저항이 1011ohm-cm 미만, 바람직하게는 108ohm-cm 미만, 더 바람직하게는 106ohm-cm 미만일 수 있다.
또한, 제1 열경화수지 전구체가 에폭사이드(반응성 3원 산소 기)를 함유하는 경우에, 전구체의 에폭사이드 함량이 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 집합체의 분산에 영향을 미칠 수 있음이 발견되었다. 일 양태에 따르면, 제1 열경화수지 전구체의 에폭사이드 당 중량은 에폭사이드 1그램당량당 전구체 600g 이상이다. 제1 열경화수지 전구체의 에폭사이드 당 중량은 에폭사이드 1그램당량당 전구체 600 내지 4000g 사이가 바람직하다. 더 바람직하게는, 제1 열경화수지 전구체의 에폭사이드 당 중량은 에폭사이드 1그램당량 당 전구체 1000 내지 3800g 사이인 것이 좋다.
제1 열경화수지 전구체는 압출법으로 사용되기 위해 용융되어야 할 필요가 있을 수 있는 바, 제1 열경화수지 전구체의 융점은 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 집합체의 분산에 영향을 미치는 데에도 기여할 수 있다. 제1 열경화수지 전구체의 융점은 30℃ 이상, 또는 편리하게는 30 내지 350℃ 사이이어야 하는 것이 바람직하다. 높은 융점은 압출기의 유입구에서 원료가 가교할 가능성을 저하시킨다. 하지만, 당업자라면 바람직한 범위의 점도를 수득하기 위하여, 필요한 경우에는 적당한 냉각제를 이용해 -40℃ 정도의 저온까지 압출기를 냉각할 수도 있음을 잘 알고 있을 것이다.
이하에서는 구체적으로 에폭시, 폴리에스테르, 비닐 에스테르 및 실리콘을 이용하여 전도성 열경화수지 전구체 및 전도성 열경화수지를 제조하는 각종 방법에 대해 설명할 것이다. 이하 섹션에서 논한 모든 논의들은 후속 섹션(즉, 절차, 에폭사이드, 점도, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 설명, 융점, 비저항 등)에 적용된다. 또한, 이러한 설명이 철저한 설명은 아니며 본 명세서의 교시에 따라 변형될 수도 있음을 당업자라면 잘 알 것이다. 더구나, 일반적인 전도성 열경화수지의 설명과 연계된 구체적인 전도성 열경화수지 설명은 당업자에게 임의의 다른 전도성 열경화수지 전구체 또는 전도성 열경화수지, 예컨대 전도성 우레탄 및 페놀 수지를 제조하는 지식 및 기술을 제공한다.
전도성 에폭시 전구체 및 전도성 에폭시 수지의 제조방법
에폭시는 표면 코팅재, 접착제, 주조 재료, 판넬 재료, 차폐 재료 등과 같은 다양한 용도와 이용분야를 가진 공지된 열경화수지이다. 전도성 에폭시 수지는 고온 이용분야(예, 최고 160℃)를 비롯한 다수의 이용 분야의 용도에서 사용될 수 있다. 전도성 에폭시 수지는 정전기적 분산(예, 항공산업용 ESD 수지침투가공제, 전자 조립품용 ESD 접착제 등)을 촉진시키는데 유용할 수 있다. 전도성 에폭시 수지는 갈바니 부식 보호용 코팅재로서 사용될 수 있다. 또한, 전도성 에폭시 수지는 에폭시 주형 표면에 크롬 도금을 가능하게 하여 저가 기구를 제조하는데 유용할 수 있다.
에폭시 수지는 통상 반응성인 3원 산소 기인 에폭사이드 기를 함유한다. 에폭시 수지는 많은 통상의 공지된 에폭시 전구체를 이용하여 제조한다. 일반적인 1가지 조합은 에피클로로하이드린과 방향족 비스페놀 A의 조합이다. 또는, 에폭시는 에피클로로하이드린과 지방족 폴리올, 예컨대 글리세롤로부터 제조될 수도 있다. 또한, 에폭시는 디에폭사이드 화합물을 출발 물질로 사용하여, 이것을 디아민으로 경화시킴으로써 제조할 수도 있다. 또 다른 에폭시 수지 제조방법에는 과아세트산을 이용한 폴리올레핀의 산화 및 고온에서 무수물을 이용한 경화가 포함된다.
에폭시 수지는 가열 경화될 수도 있고, 또는 에폭시를 통해 전류를 통과시켜 경화시킬 수 있어, 가열 처리 비용을 감소시키고 부품 및 조립품의 제조 시 품질 제어의 향상을 제공할 수 있다. 전류에 의한 경화성은 에폭시가 군대 및 항공우주 이용분야에 매우 유용한 접착제가 되게 한다.
바람직한 양태에 따르면, 전도성 에폭시 전구체는 제1 에폭시 전구체를 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체와 압출을 통해 혼합하여 제조한다. 전도성 에폭시 전구체는 전도성 에폭시 전구체의 점도 또는 상태를 조정하기 위해 희석제 또는 농도 저하제를 추가로 함유할 수 있다(또는 희석제 또는 농도 저하제 자체와 혼합될 수도 있다). 희석제 또는 농도 저하제는 이러한 성분의 혼합을 촉진하는데 필요한 전단 또는 힘의 수준을 생산하는 유성식 믹서, 브라벤더 믹서 또는 다른 통상의 혼합 장치를 이용함으로써 함유되거나, 혼합되거나 또는 첨가될 수 있다. 이러한 희석제 또는 농도 저하제는 전도성 에폭시 전구체에 함유, 혼합 또는 첨가될 때, 전도성 에폭시 전구체에 첨가 시 최종 에폭시 수지로 경화시키지 않는 다른 에폭시 전구체일 수 있다.
원하는 전도성 에폭시 수지를 제조하기 위하여, 전도성 에폭시 전구체는 그 다음 다른 에폭시 전구체(및/또는 필요하다면 다른 성분)와 혼합하거나 반응시킨다.
전도성 에폭시 전구체에 적재되는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체는 0.5 내지 40% 사이, 바람직하게는 0.5 내지 30% 사이인 것이 바람직하다. 전도성 에폭시 전구체에 다른 예시적인 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 적재량 범위에는 5 내지 40% 사이, 1 내지 15% 사이 또는 5 내지 15% 사이가 포함된다. 제2 에폭시 전구체는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체를 함유해도 좋고, 함유하지 않아도 좋다. 그 다음, 혼합물은 경화하고, 최종 전도성 에폭시 산물의 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 적재량은 1 내지 5% 사이일 수 있다. 당업자라면, 최종 산물의 전도성 적재량은 유연하며, 제1 및 제2 에폭시 전구체에 각 전도성 적재량에 의해 조절된다는 것을 잘 알고 있을 것이다.
에폭시 전구체의 에폭사이드 함량이 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 집합체의 분산에 영향을 미칠 수 있음을 발견했다. 일 양태로서 제1 에폭시 전구체의 에폭사이드 당 중량은 에폭사이드 그램당량 당 전구체 600g 이상이다. 바람직하게는, 제1 에폭시 전구체의 에폭사이드 당 중량은 에폭사이드 그램당량 당 전구체 600 내지 4000g 사이인 것이 좋다. 더 바람직하게는, 제1 에폭시 전구체의 에폭사이드 당 중량은 에폭사이드 그램당량당 전구체 1000 내지 3800g 사이이다.
또한, 제1 에폭시 전구체의 점도가 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 집합체의 분산에 영향을 미친다는 것도 발견했다. 일 양태에 따르면, 제1 에폭시 전구체의 점도는 15푸아즈 이상이다. 바람직하게는, 제1 에폭시 전구체의 점도는 20 내지 600푸아즈, 더 바람직하게는 50 내지 500푸아즈인 것이 좋다.
제1 에폭시 전구체의 융점은 또한 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 집합체의 분산에 영향을 미치는데 기여할 수 있다. 제1 에폭시 전구체의 융점은 30℃ 이상, 더욱 바람직하게는 30 내지 350℃ 사이인 것이 바람직하다. 높은 융점은 압출기 유급구에서의 원료의 가교 가능성을 저하시킨다.
다른 전도성 열경화수지 전구체 및 전도성 열경화수지의 제조방법
폴리에스테르
폴리에스테르는 플라스틱재, 자동차 부품, 보트 선체, 발포체, 보호 코팅재, 구조 이용분야, 배관 등의 보강에 다수의 용도가 있는 또 다른 일반적인 열경화수지이다. 따라서, 전도성 폴리에스테르도 역시 많은 유용한 이용분야에 사용될 수 있을 것이다.
전구체 폴리에스테르 수지는 디카르복시산(예컨대, 말레산 및 프탈산)과 글리콜(예컨대, 프로필렌 및 디에틸렌 글리콜)을 재킷식 교반 반응기 케틀에서 반응시켜 제조한다. 실제로, 디카르복시산의 무수 형태가 바람직하다. 이 공정은 순환 "가열(cook)" 시간이 제조되는 전구체 수지의 종류에 따라 6시간 내지 24시간 범위인 회분식 작업이다.
반응이 케틀에서 진행됨에 따라, 중합체 분자량은 증가하여 점도를 증가시키고 산가를 저하시킨다. 두 전구체 수지의 성질은 수지가 소정의 최종점에 부합하는 시점을 측정하기 위해 지속적으로 모니터한다. 최종점에 부합할 때, 반응을 정지시키고 고온의 전구체 수지 혼합물을 스티렌 단량체를 함유하는 교반 "낙하(drop)" 탱크로 이동시켰다. 스티렌 단량체는 용융된 수지의 용매로서 작용할 뿐만 아니라 패브리케이터(fabricator) 또는 최종 사용자가 사용할 때 가교제로서 작용한다. 이 단계를 지나면, 수지 전구체는 냉각되어 있을 수 있을 것이다(예, 약 80℃까지).
폴리에스테르 전구체 수지의 제조 시 임의의 단계에서 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체는 폴리에스테르 전구체 수지와 혼합되고 바람직한 양태에 따라 압출되어 전도성 폴리에스테르 전구체를 형성할 수 있다. 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체는 0.5 내지 40% 적재량, 바람직하게는 0.5 내지 30% 사이의 적재량으로 첨가될 수 있다. 다른 예시적 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 적재량 범위에는 5 내지 40%, 1 내지 15% 또는 5 내지 15% 사이가 있다.
일단 압출되면 전도성 폴리에스테르 전구체 수지는 통상의 기술을 이용하여 수지 점도 및 반응성과 같은 소정의 다양한 조건에 부합하도록 추가 변형시킬 수 있다.
전도성 폴리에스테르를 형성하기 위해, 불포화 디아카르복시산 무수 형태(예, 말레산 무수물)의 병합에 의해 반응성 부위를 보유한 전도성 폴리에스테르 전구체 수지fmf 자유 라디칼 반응을 통해 스티렌 단량체와 가교 반응시킨다. 전도성 폴리에스테르 전구체 수지의 가교를 위해 액체 스티렌 또는 다른 반응성 불포화 단량체를 사용할 수 있다. 이 반응은 퍼옥사이드 촉매(예, 메틸 에틸 케톤 퍼옥사이드(MEKP))와 같은 촉매의 첨가에 의해 개시될 수 있다. 최종 전도성 폴리에스테르 산물에는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 적재량이 1 내지 5% 사이일 수 있다.
비닐 에스테르
유용한 이용분야가 많은 또 다른 열경화수지는 비닐 에스테르이다. 폴리에스테르와 달리, 비닐 에스테르는 폴리에스테르 만큼 물을 흡수하지 않으며, 경화될 때 폴리에스테르만큼 수축하지 않는다. 또한, 비닐 에스테르는 내약품성이 매우 양호하고 하이드록시 기의 존재로 인해 유리에 잘 결합한다. 따라서, 전도성 비닐 에스테르 전구체 및 전도성 비닐 에스테르도 역시 많은 실용적인 용도가 있을 것이다.
비닐 에스테르 수지 전구체는 아크릴산 또는 메타크릴산과 디에폭사이드를 반응시켜 제조한다:
또한, 다음과 같은 큰 올리고머도 사용할 수 있다:
아크릴산과 혼합하기 전이나 후에 비닐 에스테르 전구체의 디에폭사이드 성분과 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체를 혼합할 수 있고, 혼합된 전구체 수지는 바람직한 양태에 따라 압출되어 전도성 비닐 에스테르 전구체 수지를 형성할 수 있다. 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체는 0.5 내지 40% 적재량, 바람직하게는 0.5 내지 30% 사이의 적재량으로 첨가할 수 있다. 다른 예시적인 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 적재량 범위에는 5 내지 40%, 1 내지 15% 또는 5 내지 15% 사이가 있다.
바람직한 양태에 따르면, 폴리에스테르 또는 비닐 에스테르 전구체는 비스페놀 A 유도체이다. 따라서, 바람직한 전도성 전구체는 비스페놀 A 유도체와 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체를 함유한다. 바람직한 전도성 전구체는 비스페놀 A 유도체에 나노튜브 또는 집합체를 분산시키기에 충분한 조건 하에서 비스페놀 A 유도체 및 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체를 압출시켜 제조한다.
전도성 비닐 에스테르 전구체 수지는 그 다음 경화 또는 가교 반응하여 비닐 기를 중합시킴으로써 비닐 에스테르를 형성시킨다. 최종 전도성 비닐 에스테르 산물은 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 적재량이 1 내지 5% 사이일 수 있다.
실리콘
유용한 이용분야가 많은 또 다른 열경화수지는 실리콘이다. 실리콘 전구체는 다양한 여러 점도 상태가 된다. 특정 실리콘 전구체는 실온에서 압출법에 도움이 되는 점도를 보유한다. 즉, 이러한 실리콘 전구체는 압출법에 사용되기 위해 먼저 승온에서 용융되어야 할 필요가 없다는 점에서 많은 열경화수지 전구체들 중에서 독특하다.
따라서, 전도성 실리콘 전구체는 바람직한 양태에 따라 제1 실리콘 전구체와 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체를 압출시켜 제조할 수 있다. 실리콘 전구체는 압출법이 실시될 수 있는 실온 점도를 보유하여 바람직하다. 이러한 실리콘 전구체의 일 예는 비닐말단의 폴리디메틸실록산이다. 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체는 0.5 내지 40% 적재량, 바람직하게는 0.5 내지 30% 사이의 적재량으로 첨가될 수 있다. 다른 예시적인 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 적재량 범위에는 5 내지 40%, 1 내지 15% 또는 5 내지 15% 사이가 있다.
전도성 실리콘 전구체는 그 다음 제2 실리콘 전구체와 혼합되어(또는 제2 실리콘 전구체가 필요없다면 공기 또는 다른 원소와 반응시켜) 전도성 실리콘을 형성한다. 최종 전도성 실리콘 산물은 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 집합체 적재량이 1 내지 5% 사이일 수 있다.
다음 실시예는 본 발명을 더 상세히 설명하기 위한 것이지, 본 발명의 유효 범위를 어떠한 식으로든지 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
실시예 1
본 실험은 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠에서 제조하여 시판하는, 에폭사이드 당 중량이 525 내지 550g 전구체/에폭사이드 그램당량(HC-427G 또는 ASTM D-1652-97 과염소산법에 따라 측정 시)이고, 용융 점도가 4.4푸아즈(150℃에서 브룩필드 점도계로 HC-710B 또는 ASTM D-2196-86(1991)e1에 따라 측정 시)이며, 융점 범위가 70 내지 80℃인 에폭시 전구체 EPON 1001F로 수행했다.
BN 탄소 나노튜브 집합체 5중량%를 EPON 1001F에 첨가하고 다음과 같이 설정된 공회전 2축 압출기를 통해 통과시켰다:
EPON 1001F를 이용한 실험은 이 물질이 점도가 낮아서 가공될 수 없었는 바 성공적이지 못했다. 또한, 이 물질은 유입구에서 가교되었다. 많은 가공 변수들이 조정되었지만 압출에 적당하지는 않았다. 따라서, 본 실험은 실패적이었다.
실시예 2
본 실험은 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠에서 제조하여 시판하는 에폭사이드 당 중량이 2300 내지 3800g 전구체/에폭사이드 그램당량(HC-427G 또는 ASTM D-1652-97 과염소산법에 따라 측정 시)이고, 용융 점도가 500푸아즈 이상(150℃에서 브룩필드 점도계로 HC-710B 또는 ASTM D-2196-86(1991)e1에 따라 측정 시)이며, 융점 범위가 130 내지 140℃인 에폭시 전구체 EPON 1009F로 수행했다.
BN 탄소 나노튜브 집합체 15중량%를 EPON 1009F에 첨가하고 다음과 같이 설정된 공회전 2축 압출기를 통해 통과시켰다:
콘베이어 벨트 위로 성공적으로 가닥이 압출되어, 펠렛타이저로 보내기 전에 공기 냉각시켰다. 이 물질은 중합체 분해로 일어나는 메짐성(brittleness)을 약간 보이면서 쉽게 펠릿화되었다. 이러한 조건에서 실험 중단 전 2시간 동안 산물은 안 정 상태로 진행될 수 있다.
실시예 3
BN 탄소 나노튜브 집합체는 레졸루션 퍼포먼스 프로덕츠에서 시판하는 다음과 같은 에폭시 전구체에 2축 압출기를 사용하여 첨가했다:
융합 고체:
분말 코팅/성형 분말 고체:
실시예 4
30% BN/Epon 1009F 농축물 33g을 준비하고 에틸 3-에톡시 프로피오네이트("e3ep") 24g 및 자일렌 24g과 저전단 믹서를 사용하여 혼합했다. 이 제1 혼합물을 2일 동안 에이징했다.
순수 Epon 1009F 23g을 e3ep 17g, 자일렌 17g, 메틸론 75202 29g, SR882M 1.3g, 85% 인산 1.4g 및 n-부탄올 10g과 혼합하여 제2 혼합물을 제조했다.
두 혼합물을 합하여 약 2.3중량% 나노튜브를 함유하는 코팅 용액을 제조했다.
실시예 5
상기 실시예 4의 합한 혼합물을 분무 코팅에 적합한 산물로 만들기 위해 No.4 포드 컵(Ford Cup)으로 측정했을 때 점도가 20초가 될 때까지 추가 e3ep로 희석했다.
실시예 6
30% BN/Epon 1009F 농축물 33g을 준비하고 에틸 3-에톡시 프로피오네이트("e3ep") 24g 및 자일렌 24g과 저전단 믹서로 혼합하여 제1 혼합물을 제조했다.
TiO2 77g과 순수 Epon 1009F 23g을 e3ep 17g, 자일렌 17g, 메틸론 75202 29g, SR 882M 1.3g, 85% 인산 1.4g 및 n-부탄올 10g과 합하여 제2 혼합물을 제조했다.
두 혼합물을 2일 동안 에이징한 다음 합하여 코팅 용액을 제조했다.
실시예 7
탄소 나노튜브를 함유하는 전도성 열경화수지는 연료 전지에 사용되는 전도성 양극판의 제조에 사용될 수 있다. 예를 들어, 바람직한 전도성 열경화수지는 탄소 나노튜브 및 열경화수지 페놀 포름알데하이드 또는 페놀 수지를 함유할 수 있다.
하이페리온 제품인 솜사탕("CC")형 원섬유 집합체를 열경화수지 페놀 전구체(가교 첨가제가 없는 수지)와 혼합했다. 이 수지 전구체는 선반에 놓고 결정화시킨 분말화된 형태였다. 이 수지 전구체를 다시 해머 밀을 통해 통과시켜 분말로 분쇄했다. 그 다음, 배합(compounding) 시험은 7mm Leistritz를 이용하여 역회전 및 공회전 방식으로 실시했다.
이 물질의 배합 시 처음에는 역회전 방식을 시도했다. 그 가공 프로필은 다음과 같다:
초기 원섬유 농도는 10%였다. 이 적재량에서는 모터 부하가 높아서 농도를 5%로 저하시켰다. 이 실험은 원인불명의 이유로 인해 성공하지 못했다. 온도, 축 속도 및 유입 속도를 변화시켜도 문제가 해결되지 않았다. 축을 끌어당겼을 때, 배합되지 않은 무수 탄소가 탄소 유입구 다음 제1 혼합 구역에서 "응결(cake)"되어 있었다. 이것은 부적당한 축 설계 때문일 수도 있다. 역회전 방식에 따른 시료물질은 수집하지 않았다.
그 다음, 열경화수지 전구체에 탄소 나노튜브의 혼합을 공회전 방식으로 시도했다. 7 내지 10wt% 사이의 탄소 농도에서 약간 성공적인 배합이 이루어졌다. 가공 변수는 다음과 같다:
이러한 비교적 낮은 적재량과 낮은 처리량에서도 모터 부하가 높은 것으로 관찰되었다(75% 내지 86% 사이). 이러한 결과는 페놀 수지 전구체가 용융 상태에서 점도가 매우 낮았는 바 다소 놀라웠다. 또한, 이 물질은 유입구에서 재결정화되어, 모터의 한 지점에 과부하를 유도했다.
저분자량 말단 성분이 배합동안 탄소나노튜브와 다소 유해한 반응을 한다는 이론에 근거할 때, 저분자량과 분자량 분포가 좁은 전구체(즉, 저분자량 분획의 농도가 낮은)와 같은 다른 등급의 페놀 전구체가 더 양호한 결과를 유도할 수 있을 것이다.
실시예 8
전도성 페놀 수지 전구체는 저분자량이지만 분자량 분포가 좁은 페놀 기제 수지 전구체와 탄소 나노튜브로 제조했다. 고분자량 물질(MW 분포가 넓은)은 탄소와 유해하게 반응하는 주변 물질이 상당한 비율이라는 점이 이론적으로 정립되어 있다. 따라서, 주변 물질을 최소화하면 가공성이 향상될 것으로 예상되었다.
페놀 기제 수지 전구체와 탄소 나노튜브는 다음과 같은 조건에서 15wt% 원섬유 농도에서 성공적으로 배합되었다.
MWD가 좁은 페놀 수지 전구체가 탄소 나노튜브의 배합에 더 양호한 결과를 제공하는 것으로 발견되었다.
실시예 9
저점도(분자량 분포가 좁은) 페놀 수지 전구체로 10파운드 시료를 제조했다. 이 시료에는 15wt% CC 원섬유가 함유되어 있었다.
마스터배취는 다음과 같은 조건에서 가공 처리되었다:
실시예
10
실시예 9보다 더 낮은 분자량 분포의 페놀 수지 전구체와 탄소 나노튜브를 27mm Leistritz에서 배합했다.
탄소 나노튜브는 다음과 같은 조건에서 27mm Leistritz에 부 충전기를 통해 공급했다:
분자량 분포가 매우 좁은 페놀 수지 전구체는 실시예 8 및 9의 페놀 수지 전구체만큼 부드럽게 탄소 나노튜브와 배합되지 않는 것으로 발견되었다. 가교 형성을 방지하기 위하여 유입구를 수작업으로 계속 세척해야 했다. 또한, 미감의 관점에서도 이 압출물은 실시예 8 및 9에서 제조된 시료만큼 양호하지 못했다. 약 10파운드를 수집했다.
실시예 11
실시예 8 및 9의 전도성 페놀 수지 전구체는 연료 전지용 평판으로 만들었 다. 50ohm/sq. 이하, 바람직하게는 10 내지 20ohm/sq의 전기 비저항(표면저항, ohm/sq)이 추구되었다.
실시예 12
새둥지형 원섬유 집합체("BN")는 실시예 8에 기술된 절차를 사용하여 페놀 수지 전구체와 배합했다.
다음과 같은 조건에서 마스터배취가 성공적으로 생산되었다;
50파운드가 수집되었다.
실시예
13
탄소 나노튜브 15중량%를 함유하고 융점이 140℃인 전도성 에폭시 전구체를 제조하기 위해, 공지된 에폭시 전구체 EPON 1009와 탄소 나노튜브를 압출법으로 혼합했다. 전도성 에폭시 전구체는 #20 체를 통과하도록 충분히 미세하게 마쇄했다.
이러한 전도성 에폭시 전구체에 액체 또는 겔형 희석제 EPON 828을 다양한 함량으로 첨가하거나 혼합했다. 전도성 에폭시 전구체를 150℃로 가열하고, 그 다음 혼합 촉진을 위해 170℃로 가열했다. 저전단 속도 하에 유성식 믹서(Ross Mixers, Hauppauge, NY)를 이용하여 EPON 828에 혼합하려는 처음 시도는 성공하지 못했다. 이후, 높은 전단 속도 하에 다축 믹서(VersaMix(VM)(Ross Mixers, Hauppauge, NY)를 이용하여 EPON 828에서 혼합하려는 2차 시도는 성공적이었다. 시료 1-13을 제조했다. 시료 11은 시료 10에 EPON 828을 더 많이 첨가하여 제조했고, VersaMix가 균질하게 혼합할 수 있는 것보다 더 점성인 것으로 나타났다. 시료 1-12는 회수하고, 온도에서 가공 수 시간 동안 추가로 마쇄된 전도성 에폭시 전구체를 첨가했다. 시료 13은 중단없는 단독 배취로서 제조했다.
시료들은 모든 점성이어서, 실온에서 더 많은 양이 고체에 접해 있었다.
실시예 14
실시예 13의 전도성 에폭시 전구체 시료를 선발하여 제2 에폭시 전구체인 Epi-cure 3234 경화제와 배합하여 전도성 에폭시를 제조하고 경화된 표본의 비저항을 측정했다. 점성인 전도성 에폭시 전구체 시료와 실온에서 트리아민 액체인 Epi-cure 3234는 경화를 가속시키기 위해 가열했다. EpiCure 3234는 WPE에 기초하여 화학량론적으로 첨가했고 약 11중량%였다.
또한, EPON 828이 웨어링 블렌더(WB) 또는 초음파처리(SON)에 의해 첨가되거나 혼합되는 전도성 에폭시 전구체도 포함된다. 이 시료는 H1-H7로 표시했다.
전도성 에폭시 시료 대부분은 80℃ 핫플레이트에서 가온된 지퍼락 PE 백에 전도성 에폭시 전구체와 Epi-cure 3234를 첨가하여 제조하고 수동 롤러로 혼합했 다. 혼합된 시료를 PE 백에서부터 PTFE 시트 위로 압착시키고, 칭량된 PTFE 조각을 덮어 평평한 경화된 표본을 만들었다. 경화는 오븐이나 핫플레이트 또는 가열 압반을 보유한 카버 프레스(Carver press)에서 수행했다. 경화된 전도성 에폭시를 작은 조각으로 절단하고, 대향면을 샌드페이퍼로 닦은 다음 Ag 도료를 코팅했다. 저항은 DMM(디지탈 멀티미터)으로 측정했다.
경화 온도의 가능한 효과를 조사하기 위하여, 시료 6과 Epi-cure 3234의 시료를 약 60℃로 가온하고, 롤러를 이용하여 혼합한 뒤, 3부로 나눈 후, 1부는 실온에서 경화시키고(6-RT), 1부는 핫플레이트에서 80℃로 경화시키며(6-HP) 및 나머지 1부는 카버 프레스에서 116℃로 경화시켰다(6-CP). 6-RT 실온 시료는 매우 연약하고 저항이 DMM의 스케일을 벗어났다(한계 2E7 ohm). 다른 실험에서도 다른 6-RT 시료가 3개의 롤 밀 중 처음 두 롤에서 제조되었다. 수득된 시료도 매우 연약했고, 저항이 DMM의 스케일을 벗어났다. Ag 도료를 사용해도 접촉 저항이 문제가 될 수 있었다.
비저항 실험의 데이터는 이하에 정리했다:
상기 실험에서 확인된 바와 같이, ESD 수준의 전도율을 가진 경화된 에폭시는 전도성 에폭시 전구체를 희석제로 약 1 내지 4% 적재량으로 농도 저하시켜 수득할 수 있음을 알 수 있었다.
사용된 용어 및 표현은 제한이 아닌 설명을 위한 것이며, 그러한 용어 또는 표면의 사용이 그 일부로서 제시되고 설명된 특정부의 임의의 등가물을 배제하려는 의도는 없는 바, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 인식하고 있어야 한다.
Claims (28)
- 점도가 15푸아즈보다 큰 제1 열경화수지 전구체를 준비하는 단계, 및압출을 이용하여 상기 제1 열경화수지 전구체 내에 탄소 나노튜브(nanotube)를 분산시켜 전도성 열경화수지 전구체를 형성시키는 단계를 포함하되, 상기 탄소 나노튜브가 1미크론 미만의 직경을 가진 것인, 전도성 열경화수지(thermoset) 전구체의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 제1 열경화수지 전구체가 에폭시 전구체, 페놀 전구체, 폴리이미드 전구체, 우레탄 전구체, 폴리에스테르 전구체, 비닐 에스테르 전구체 또는 실리콘 전구체인 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 제1 열경화수지 전구체가 비스페놀 A 유도체인 것이 특징인 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 제1 열경화수지 전구체의 에폭사이드 당 중량이 에폭사이드 그램당량당 전구체 600 내지 4000g 범위인 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 제1 열경화수지 전구체의 점도가 20 내지 600푸아즈 범위인 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 제1 열경화수지 전구체의 융점이 30 내지 350℃ 사이인 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 탄소 나노튜브가 직경이 5나노미터 미만인 단일벽 탄소 나노튜브를 포함하는 것인, 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 탄소 나노튜브가 탄소 나노튜브의 집합체(aggregate) 형태이고, 이 집합체의 거시적 형태는 새둥지, 솜사탕, 코움사 또는 개방망과 유사한 것인, 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 압출 공정이 공회전식 또는 역회전식 2축 압출기의 사용을 포함하는 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 탄소 나노튜브의 농도가 0.5 내지 30중량% 범위인 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체의 제조방법.
- 제1항에 기재된 제조방법을 이용하여 전도성 열경화수지 전구체를 제조하는 단계,상기 전도성 열경화수지 전구체와 적어도 하나의 제2 열경화수지 전구체를 반응시켜 전도성 열경화수지를 형성시키는 단계를 포함하는, 탄소 나노튜브를 함유한 전도성 열경화수지의 제조방법으로서, 상기 제1 열경화수지 전구체는 점도가 15푸아즈보다 크고, 상기 제2 열경화수지 전구체는 점도가 상기 제1 열경화수지 전구체의 점도보다 낮으며, 상기 탄소 나노튜브는 직경이 1미크론 미만인 것이 특징인 제조방법.
- 점도가 15푸아즈보다 큰 열경화수지 전구체, 및직경이 1미크론 미만인 탄소 나노튜브를 함유하되, 이 탄소 나노튜브의 농도가 0.5 내지 30중량%인 것인 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 열경화수지 전구체가 에폭시 전구체, 페놀 전구체, 폴리이미드 전구체, 우레탄 전구체, 폴리에스테르 전구체, 비닐 에스테르 전구체 또는 실리콘 전구체인 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 열경화수지 전구체가 비스페놀 A 유도체인 것이 특징인 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 열경화수지 전구체의 에폭사이드 당 중량이 에폭사이드 그램당량당 전구체 600 내지 4000g 범위인 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 열경화수지 전구체의 점도가 20 내지 600푸아즈 범위인 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 열경화수지 전구체의 융점이 30 내지 350℃ 사이인 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 탄소 나노튜브가 직경이 5나노미터 미만인 단일벽 탄소 나노튜브를 포함하는 것인, 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 탄소 나노튜브가 탄소 나노튜브의 집합체 형태이고, 이 집합체의 거시적 형태는 새둥지, 솜사탕, 코움사 또는 개방망과 유사한 것인, 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 탄소 나노튜브가 압출에 의해 열경화수지 전구체 내에 분산된 것인, 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 탄소 나노튜브가 공회전식 또는 역회전식 2축 압출기를 사용함으로써 열경화수지 전구체 내에 분산된 것인, 전도성 열경화수지 전구체.
- 제12항에 있어서, 전도성 열경화수지 전구체가 실온에서 고체가 아닌 것이 특징인, 전도성 열경화수지 전구체.
- 제1항에 기재된 제조방법에 의해 형성된 전도성 열경화수지 전구체.
- 제11항에 기재된 제조방법에 의해 형성된 전도성 열경화수지.
- 제24항에 있어서, 열경화수지가 에폭시, 폴리이미드, 페놀, 우레탄, 폴리에스테르, 비닐 에스테르 또는 실리콘 중합체인 것이 특징인 전도성 열경화수지.
- 제24항에 있어서, 탄소 나노튜브가 직경이 5나노미터 미만인 단일벽 탄소 나노튜브를 포함하는 것인, 전도성 열경화수지.
- 제24항에 있어서, 탄소 나노튜브가 탄소 나노튜브의 집합체 형태이고, 이 집합체의 거시적 형태는 새둥지, 솜사탕, 코움사 또는 개방망과 유사한 형태인 것이 특징인, 전도성 열경화수지.
- 제24항에 있어서, 전도성 열경화수지의 비저항이 1011ohm-cm 미만인 것이 특 징인, 전도성 열경화수지.
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