KR20080042086A - 전기 전도성 경화성 수지 - Google Patents

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Abstract

전기 전도성 중합체 조성물은 경화성 액상 열경화성 수지 매트릭스; 카본 나노-튜브, 카본 나노-섬유, 금속 나노-섬유 또는 전기 전도성 코팅을 가지는 비전도성 나노-섬유와 같은 전도성 나노-섬유; 및 열경화성 매트릭스 전체에 불연속적으로 분산된 미립자 비전도 상을 포함한다. 전도성 나노-입자는 매트릭스 전체에 분산되어 열경화성 수지가 경화될 경우, 퍼콜레이션 임계점이 열경화성 수지 매트릭스에 확립된다. 미립자 비전도성 상은 액상 열경화성 수지에 개재된 나노-클레이의 박리된 입자 또는 열가소성 수지 파우더로부터 선택된다.
전기 전도성, 경화성 수지, 퍼콜레이션 임계점

Description

전기 전도성 경화성 수지{Electroconductive curable resins}
본 발명은 전기 전도성 필러를 포함하는 전기 전도성 경화성 중합체 조성물에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 비제한적으로, 열가소성 수지 또는 박리된(exfoliated) 나노-클레이 분산으로부터 선택된 미립자 비전도성 성분을 포함하는 전기 전도성 경화성 중합체 조성물에 관한 것이다.
플라스틱 조성물은 가공의 용이성 및 신속한 이용가능성과 결합된 훌륭한 강도 대 질량 비 때문에, 다양한 산업적 이용을 발견했다. 플라스틱 물품에서 추구하는 특성에 따라, 다양한 중합체성 종(polymeric species)은 방대하게 다른 물리적 특성과 함께 이용될 수 있다. 중합체성 종의 특성은 필러 및 강화제, 항산화제, 성형 이형제(mould release agent), UV 안정제, 색소, 윤활제, 가소제, 충격 보강제(impact modifier), 내연제 등과 같은 중합체성 종의 조절제(modifier)의 첨가 또는 혼합에 의하여, 차례로, 조절될 수 있다.
플라스틱 화합물의 제형(formulation)에서, 특정 중합체성 종의 물리적 특성은, 일반적으로 경제적 이점 및/또는 다른 물리적 특성의 악화가 고려되기 이전까지 조절될 수 있다는 한정되고 실질적인 제한이 있다. 예를 들어, 고무 중합체에 카본 블랙 필러의 첨가는 처음에는 물리적 강도에 크게 기여하지만 소정의 제한을 넘어서는 그것의 강도 특성이 감소한다는 점은 공지되어 있다. 유사하게, 탄산칼슘, 유리 섬유 등의 필러를 열가소성 수지에 혼합하는 것은 혼합된 플라스틱 물질의 비중이 상대적으로 작은 증가한 후에 비경제적이다.
일반적으로 다수의 플라스틱 조성물은 본질적으로 양호한 전기 절연체이다. 그러나 몇몇 경우에는 휴대용 전화, 휴대용 컴퓨터 등과 같은 전자 기기에서 잠재적으로 해로운 정전기적 방전을 피하도록 정전기적 전하를 소비하는 전기 전도성을 나타내는 플라스틱 물품이 바람직하다.
미세하게 분리된 카본 블랙은 아마도 플라스틱 조성물에서 전기 전도성을 향상시키는 가장 양호한 첨가제이다. 비싸지 않은 반면, 어느 정도 상당한 전도성 레벨을 달성하도록 상대적으로 많은 양의 카본 블랙이 중합체에 혼합되는 것이 필요하다. 많은 경우, 바람직한 전도성 정도를 달성하기 위해 필요한 카본 블랙의 양은 충격 및 인장 강도와 영률(Young's modulus)와 같은 물리적 특성을 실질적으로 약화시키기에 충분하다. 더구나, 몇몇 중합체, 특히 폴리올레핀에 의한 카본 블랙의 "습윤성(wettability)"은 열악하므로, 이는 표면 결점 디라미네이션(delamination), 표면 분해 및 다른 감소된 물리적 특성을 발생시킬 수 있는 열악한 분산을 야기한다.
최근에는 전기 전도성 필러로서 카본 나노-입자를 사용하는 것이 제안되었다. 이러한 나노-입자는 전형적으로 서브-마이크론 치수(dimension)를 가지며, 증기 성장 카본 섬유(VGCF:vapour grown carbon fibre) 또는 CNT(carbon nano-tube) 에서 선택된다. 전도성 필러로서 매우 효과적인 반면, 이러한 카본 나노-입자는 카본 블랙 필러보다 매우 비싸다. 예를 들어, VGCF 필러는 카본 블랙 필러 가격의 약 20배이며, CNT 필러는 VGCF 필러 가격의 10-1000배이다.
J Sandler et al(Polymer, 40, (1999) 5967)은 절연 매트릭스의 정전기적 차징(charging)을 피하기 위하여, σ=10-6 Ωm의 전기 전도성(또는 ρ=106 Ωm의 저항)이 필요하다고 지적했다. 강한 교반으로 에폭시 수지 매트릭스에 카본 나노-튜브를 혼합하는 것에 의하여, σ=10-2 Ωm의 전도성 매트릭스는 0.1 체적%만큼 낮은 필러 체적 분율을 가지는 것으로 보고되었다.
Jun Xu et al (Composites: Part A, 35 (2004) 693)는 8% VGCF 함량의 비닐 에스테르 수지계 조성물은 ρ=102 Ωm의 저항 및 VGCF의 2-8 중량% 사이에서 퍼콜레이션 임계점(percolation threshold, pc)을 나타내는 것으로 보고하였다.
다른 저널 기사에서, K. Logano et al (Journal of Applied Polymer Science, 80 (2001) 1162)는 ρ=106 Ωm의 체적 저항을 달성하기 위해 폴리프로필렌(PP) 매트릭스에 15-20 중량%가 혼합되는 것이 필요하다고 보고하였으며, 반면에 S. A. Gordeyev et al (Physica B, 279 (2000) 33)는 PP/VGCF 조성물의 퍼콜레이션 임계점은 약 4-5 체적%인 것으로 보고하였다.
일본 공개 번호 JP 2004-300244A는 CTBN(carboxy terminated butadiene acrylonitrile) 고무상(rubber phase)의 존재 하에서 13 중량% 이하의 VGCF 함량 또는 ρ=100 Ωm의 체적 저항을 가지는 에폭시계 조성물 얇은 시트를 설명하였다. 이는 얇은 필름 용도에 적절한 용매 기초 시스템이다.
미국 특허 번호 6,528,572는 중합 수지, 카본 섬유, VGCF 및 CTN 필러, 카본 블랙, 전도성 금속 필러, 전도성 비금속 필러 등 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 전기 전도성 필러, 및 블록 공중합체 형태의 비호환성 정전 방지제를 개시하였다.
미국 특허 번호 5,213,736은 VGCF에 높은 친화력을 나타내는 중합체 중 하나 전체에 VGCF가 우선적으로 우세하게 분포된 비호환성 중합체 혼합물을 포함하는 매트릭스를 가지는 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 공정을 설명하였다.
미국 특허 공개 번호 US2003/0181568A1은 카본 파우더(25 중량% 이하) 또는 유리 섬유(50 중량% 이하) 또는 이들의 조합 및 VGCF 필러(30 중량% 이하)가 첨가된 열가소성 수지를 포함하는 전도성 플라스틱 조성물을 개시하였다. 유리 섬유 필러가 15 중량%인 경우 105 내지 109Ω의 표면 저항이 획득되었으며, 유리 섬유 필러가 20 중량%인 경우 107 내지 1012Ω 범위의 표면 저항이 보고되었다.
종래의 전도성 중합체 조성물은 일반적으로 그들 각각의 용도에는 만족스러웠으나, 대부분은 상당히 중합체 특이적이며, 다른 바람직한 특성은 전기 전도성 특성의 손상 없이 쉽게 얻어지지 않는 범위에 제한된다.
유사하게, 이러한 종래의 전기 전도성 중합체 조성물 대부분의 가공성은 얇은 필름 용매에 기초한 용도 또는 열가소성 성형 기술에 제한된다.
본 발명의 과제는 종래의 전기 전도성 중합체 조성물과 관계된 문제점 중 적 어도 일부를 개선 또는 극복 및/또는 소비자에게 더 편리한 선택을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따라 제공되는 전기 전도성 중합체 조성물은 경화성 액상 수지 매트릭스, 전도성 나노-섬유, 상기 매트릭스 전체에 불연속적으로 분산된 미립자 비전도성 상을 포함하며, 상기 조성물은 상기 전도성 나노-섬유가 상기 매트릭스 전체에 분산되어 상기 매트릭스가 경화될 때, 퍼콜레이션 임계점이 정해지는 것을 특징으로 한다.
적절하게, 상기 전기 전도성 중합체 시스템은 경화되지 않은 상태에서 유체를 포함한다.
액상 경화성 수지는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지 또는 페놀 수지로부터 선택될 수 있다.
전도성 나노-섬유는 1 내지 30 중량% 범위로 조성물 중에 존재할 수 있다.
필요한 경우, 상기 전도성 나노-섬유는 0.05 내지 10 μm 범위의 직경 및 1 내지 500 μm 범위의 길이를 가질 수 있다.
전도성 나노-섬유는 카본 나노-섬유, 카본 나노-섬유, 금속 나노-섬유 또는 전기 전도성 코팅을 가지는 비전도성 나노-섬유로부터 선택될 수 있다.
바람직하게, 전도성 나노-섬유는 VGCF이다.
적절하게, 상기 미립자 비전도성 상은 열가소성 중합체를 포함한다.
열가소성 중합체는 0.1 내지 100 μm의 평균 입자 직경을 가질 수 있다.
열가소성 중합체는 결정질 극성 열가소성 중합체, 결정질 비극성 열가소성 중합체, 비결정질 비극성 열가소성 중합체, 비결정질 극성 열가소성 중합체, 이들의 공중합체 또는 상기 중합체들의 임의의 조합을 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
필요한 경우, 상기 열가소성 중합체는 0 내지 70 중량% 범위로 상기 중합체 조성물 중에 존재할 수 있다.
필요한 경우, 상기 미립자 비전도성 상은 나노-클레이의 박리된 입자를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 나노-클레이의 박리된 입자는 상기 액상 수지 매트릭스에 개재될 수 있다.
나노-클레이의 입자는 0 내지 20 중량%의 범위로 상기 중합체 조성물 중에 존재할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따라 제공되는 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 방법은 전도성 나노-섬유 및 미립자 비전도성 상을 액상 경화성 수지에 강하게 혼합하고, 경화시 중합체 조성물이 전도성 상 전체에 분산된 불연속적인 비전도성 상을 형성하되 여기서 퍼콜레이션 임계점은 전도성 나노-섬유의 분포에 의하여 그 결과 정해진다.
적절하게, 상기 미립자 비전도성 상의 첨가 전에 상기 전도성 나노-섬유 및 상기 액상 경화성 수지를 혼합한다.
필요할 경우, 상기 미립자 비전도성 상은 건조 파우더 형태에 첨가된 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 미립자 비전도성 상은 상기 액상 경화성 수지에 개재된 박리된 나노-클레이 입자를 포함할 수 있다.
액상 경화성 수지에 개재된 박리된 나노-클레이 입자를 포함하는 미립자 비전도성 상을 상기 액상 경화성 수지 및 상기 전도성 나노-섬유의 혼합물에 첨가할 수 있다.
선택적으로, 상기 전도성 나노-섬유의 첨가 전에 상기 액상 수지를 상기 액상 경화성 수지에 개재된 박리된 나노-클레이의 분산으로서 형성될 수 있다.
바람직하게 상기 분산은 순수 클레이(pristine clay)를 물로 처리하여 상기 클레이를 팽창시키고, 상기 물을 유기 용매로 교환하여 상기 유기 용매를 가지는 슬러리에 팽창된 상태의 상기 클레이를 유지시키고, 상기 용매가 교환된 팽창된 클레이를 계면 활성제, 결합제(coupling agent), 상용화제(compatibilizer) 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택된 조절제로 처리하고, 연이어 상기 슬러리를 액상 경화성 수지와 혼합하고, 이어서 상기 분산으로부터 상기 용매를 제거하여 형성한다.
본 발명자들은 카본 블랙 또는 금속 입자 필러와 같은 통상적인 전기 전도성 필러보다 전도성 나노-섬유의 공지의 우수한 특성을 이용하여, 저렴한 방법으로 다양한 용도에 사용되는 편리한 형태의 전기 전도성 열경화성 조성물을 개발하였다.
발명자들은 매트릭스 전체에 분산된 전도성 나노-섬유를 가지는 액상 경화성 수지 매트릭스에 비전도성 필러를 혼합하는 것에 의하여, 액상 또는 페이스트(paste) 형태가 물질 선택에서의 다양한 선택권 및 본 발명에 따른 조성물로부터 얇은 필름에서 두꺼운 판 또는 용이하게 주조 또는 성형되는 블록까지 다양한 가공 이용을 제공하는 것을 발견했다.
본 발명의 다양한 실시예들은 다른 물리적 특성 또는 가공 특성의 희생 없이 전기 전도성 필러의 상대적으로 낮은 농도에서 양호한 전기 전도성 값을 제공한다. 본 발명에 따른 조성물의 전기 전도성 특성은, 106 Ωm 미만의 체적 저항 값은 정전기적 방전에 대한 저항을 제공하고, 103 Ωm 미만의 체적 저항 값은 전자기적 간섭 차폐 특성이 바람직한 용도를 가지는 용도로 사용된다.
전기 전도성 매트릭스에 사용되는 액상 경화성 수지는 공지의 액상 경화성 수지의 다양한 범위에서 선택될 수 있다. 적절한 액상 경화성 수지의 특정 비제한적인 예는 에폭시 수지, 비닐 에스테르 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 페놀 수지 등을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 전도성 나노-섬유는 당해 기술 분야에서 공지이며, 카본 나노-섬유, 카본 나노-섬유(VGCF로도 알려진), 가공된 카본 섬유, 금속 나노-섬유 또는 표면의 상당 부분 상에 전기 전도성 코팅을 가지는 비전도성 비금속 입자로부터 선택될 수 있다.
본 발명에서 유용한 VGCF 필러는 0.05 내지 10 μm 범위의 섬유 직경 및 1 내지 500 μm 범위의 길이를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 전기 전도성 조성물에 혼합된 전도성 나노-섬유의 양은 1 내지 30 중량% 범위, 바람직하게 1 내지 2.5 중량% 범위일 수 있다.
다양한 미립자 비전도성 열가소성 중합체는 본 발명에서 비전도성 필러 성분으로 사용될 수 있다. 특정 비제한적인 예는 결정질 극성 열가소성 중합체, 결정질 비극성 열가소성 중합체, 비결정질 극성 열가소성 중합체, 비결정질 비극성 열가소성 중합체, 이들의 공중합체 또는 상기 중합체의 임의의 조합을 포함한다. 본 발명에서 미립자 열가소성 중합체는 10 내지 80 중량%의 범위, 바람직하게 45 내지 70 중량%의 범위로 사용될 수 있다.
나노-클레이의 미립자 비전도성 입자는 바람직하게 나노복합재료(nanocomposite) 중합체 화합물 분야에서 잘 알려진 팽창 가능한 층을 가진 클레이 물질(swellable layered clay material)에서 선택된 최소한으로 조절되고 박리된 순수 클레이다. 비제한적 예는 천연 또는 합성 필로실리케이트(phyllosilicate), 특히 몬모릴로나이트(montmorillonite), 논트로나이트(nontronite), 베이델라이트(beidellite), 볼콘스코이트(volkonskoite), 라포나이트(laponite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite), 사우코나이트(sauconite), 마가다이트(magadite), 케냐이트(kenyaite), 스티븐사이트(stevensite) 등과 같은 스멕타이트 클레이(smectite clay)를 포함할 수 있다. 25 내지 45 중량%의 유기 조절제를 보통 포함하는 공지의 유기 클레이와 달리, 본 발명에 따라 사용되는 최소한으로 조절된 클레이는 약 0.05 내지 15 중량%를 포함하므로 종래와 구별하기 위하여 본 명세서에서 "최소한으로 조절된" 나노-클레이로 지칭된다. 이러한 최소한으로 조절된 나노-클레이는 통상적인 나노-클레이보다 상당히 덜 비싸며, 이러한 최소한으로 조절된 유기클레이를 포함하는 나노복합재료 중합체에서 더 낮은 분자량의 유기 잔류물이 발견되는 추가적인 장점을 가진다. 나노복합재료 중합체에서 낮은 분자량의 유기 잔류물의 존재는 이들의 물리적 특성을 실질적으로 감소시킨다고 알려져 있다.
본 발명의 다양한 태양이 충분히 이해되고 실질적인 효과가 나타날 수 있도록, 실시예들을 첨부되는 도면을 참고하여 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에폭시계 전기 전도성 중합체 조성물에서 VGCF 필러 함량 및 체적 저항 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 에폭시 수지 매트릭스/VGCF 필러/미립자 열가소성 수지 조성물의 주사 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 에폭시 수지 매트릭스/VGCF 필러/나노-클레이 조성물의 주사 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 에폭시 수지 매트릭스/VGCF 필러/나노-클레이 조성물의 투과 전자현미경 사진이다.
실험예 1
쇼와 덴코(Showa Denko)에서 제조된 VGCF를 에폭시 수지 형의 액상 비스페놀-A 디글리시딜 에테르(DGEBA), 다우 플라스틱(Dow Plastics)에서 제조된 D. E. R. 332에 혼합하되, 여기서 VGCF 필러는 에폭시 수지에 1 내지 10 중량%의 양으로 존재하였다. VGCF는 약 100 nm의 섬유 직경 및 10 내지 20 μm 범위의 길이를 가졌 다. 액상 에폭시 수지/VGCF 필러 혼합물은 일본 틴기 사(Thinky Corporation)의 Thinky Mixer AR-250에서 강하게 혼합되고, 동시에 탈기(deaerated)하였다.
그리고 Ethacure 100-LC 화학량론적 양(stoichiometric quantity), 중량으로 경화제 1 및 에폭시 수지 3.8 비율의 경화제를 혼합물의 일부에 첨가하였다. Ethacure 100-LC는 미국의 Albermarle Corporation에서 제조된 것을 이용할 수 있다. 그리고 VGCF가 포함된 0.5 mm 두께의 에폭시 시트를 100℃에서 2시간 그리고 180℃에서 5시간 동안 성형(mould)하고 경화하였다. 동일한 비율로 짧은 섬유 길이의 VGCF 필러가 포함된 추가적인 비교 샘플을 동일한 방법으로 제조하였다.
실험예 2
실험예 1에 따라 제조된 1 중량% 및 2.5 중량%의 VGCF 필러를 각각 포함하고 있는 경화되지 않은 에폭시 수지의 양을 아토피나(Atofina)에서 제조된 301F 폴리(비닐리덴 불화물)(poly(vinylidene fluoride); PVDF) 파우더 수지와 30 대 70 중량% 파우더/VGCF 충진된 에폭시 수지, 및 40 대 60 중량% 파우더/VGCF 충진된 수지의 비율로 혼합하고, 실험예 1에서와 같이 Thinky Mixer AR-250에서 강하게 혼합하고 탈기하였다. 이후에 혼합물의 0.5 mm 두께의 시트를 실험예 1에서 설명한 것과 동일한 조건에서 성형하고 경화하였다.
실험예 3
145 mequiv/100g의 양이온 교환 용량(cation exchange capacity; CEC), 200-400의 종횡비(aspect ratio), 12.5 A의 d0001 간격 및 2.6 g/cm3의 밀도(specific density)를 가지는 나트륨 몬모릴로나이트, 순수 나노-클레이, 나노코르사(Nanocor Inc.)에서 제조된 (PGW)를 본 실험예에서 사용하였다. 순수 클레이(4g)을 120 mL의 탈이온수에 분산시켜 현탁물을 형성하고, 상온에서 24시간 동안 교반하고, 30분동안 초음파 처리하였다. 현탁물을 800 mL의 에탄올에 붓고 5분 동안 격렬하게 교반하였다. 흰색 침전물이 형성되었고, 이를 여과하고 에탄올로 3회 세척하였다. 습윤 생성물(wet product)을 80 mL의 에탄올에 첨가하여 클레이/에탄올 슬러리를 생성하였다. 조절제, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTS)(0.2g)을 슬러리에 첨가하였다. 슬러리를 10시간 동안 교반하고, 상온에서 30분 동안 초음파 처리하였다. 다음으로, 슬러리를 50℃에서 실험예 1의 액상 에폭시 수지의 특정양(specific quantity)과 혼합하고 2시간 동안 교반하였다. 에탄올을 50℃, 30mmHg에서 48시간 동안 진공 오븐에서 건조에 의해 증발시켜, 액상 에폭시 수지에 분산되어 나노 클레이 입자가 에폭시 수지에 개재된 최소한으로 조절되고 박리된 순수-나노 클레이 2.5 중량%를 포함하는 페이스트 같은 나노복합재료 혼합물을 수득하였다. 2.5 중량%의 VGCF 필러를 이 페이스트 같은 혼합물에 첨가하고, 실험예 1에서와 같이 Thinky Mixer AR-250으로 혼합물을 강하게 혼합하였다. 그리고, 실험예 1의 경화제의 화학량론적 양(중량으로 (Der332:100-LC) 3.8:1)을 첨가하고, 혼합물을 Thinky Mixer AR-250에서 75℃, 진공 조건에서 60분 동안 교반하고 탈기하였다. 마지막으로, 혼합물을 100℃에서 2시간 동안 경화하고, 180℃에서 5시간 동안 후경화(post-cure)하여, 실험예 1에서와 같이 0.5 mm 두께의 시트를 형성하였다.
실험예 1 내지 3에서 얻어진 각각의 경화된 샘플들의 체적 저항을 미국 표준 측정 방법 ASTM D257에 따라 전위계/고 저항계(electrometer/high resistance meter, Model 6517A, Keithley) 및 저항 계측기(resistivity test fixture, Model 8009, Keithley)를 사용하여 측정하였다. 도 1에 도시된 것처럼, 실험예 1 내지 3의 샘플을 1중량% 함량의 VGCF 필러를 가지는 에폭시 수지 및 3.5 및 5 중량% 농도의 짧은 섬유 길이(<20 μm) VGCF 필러를 가지는 에폭시 수지 및 5 내지 10 중량%의 VGCF 필러가 포함된 VGCF/에폭시 혼합물일지라도 103 Ωm의 저항값을 획득할 수 있는 스트레이트 에폭시(straight epoxy) 비교 테스트 샘플과 우호적으로 비교하였다.
중요하게, 도 1에 나타난 체적 저항 값은 미립자 비전도성 필러의 첨가로 원하는 범위의 체적 저항을 얻는데 필요한 전도성 나노-섬유의 양이 1 내지 2.5% 사이로 감소할 수 있으며 이로부터 상당한 비용 절약을 할 수 있음을 나타낸다. 본 발명에 따른 나노복합재료 조성물은 매우 박리된 나노복합재료의 추가적인 장점, 즉, 고 강도 및 탄성, 양호한 배리어 특성, 방화성(fire retardance), 긁힘 저항성 등을 가진다.
도 2는 실험예 2의 전기 전도성 조성물 중 하나의 SEM 현미경 사진을 나타낸다. 이 조성물은 60 중량%의 에폭시 수지, 40 중량%의 PVDF 및 2.5 중량%의 VGCF 필러를 포함한다. 보여지는 것처럼 VGCF 필러 입자는 PVDF 입자 및 에폭시 매트릭스 사이의 경계 영역 또는 매트릭스에 배치되며, 이에 의해 VGCF 필러 조성물 비가 매우 적을지라도 고전도성으로 효율적인 VGCF 네트워크를 형성한다.
도 3은 실험예 3의 전기 전도성 조성물의 SEM 현미경 사진을 나타낸다. 이 조성물은 2.5 중량%의 박리된 최소한으로 조절된 순수질 나노-클레이 및 2.5 중량%의 VGCF 필러가 포함된 에폭시 수지를 포함한다. 이러한 SEM 현미경 사진은 중합체 매트릭스에서 VGCF 필러의 선택적인 분산을 뚜렷하게 나타낸다.
도 4는 실험예 3의 전기 전도성 조성물, 즉 2.5 중량%의 박리된 최소한으로 조절된 순수 나노-클레이 및 2.5 중량%의 VGCF 필러를 포함하는 에폭시 수지의 TEM 현미경 사진을 나타낸다. 이러한 현미경 사진은 클레이가 매우 박리되어 있으며, 클레이 입자가 에폭시 매트릭스에 균일하게 분산되어 있는 것을 나타낸다. 전도성 나노-섬유 입자는 클레이가 풍부한 영역에 분산되어 있지 않으며, 이에 의해 조성물 매트릭스에서 클레이가 풍부한 영역들 사이에 효율적인 전도성 나노-섬유 네트워크를 형성한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상 및 관점 내에서 본 발명의 실시예들에 따른 전도성 열경화성 중합체 조성물에 다양한 변형 또는 변경이 적용될 수 있음은 명백할 것이다.
유사하게, 본 발명에 따른 전도성 나노복합재료는 전도성 나노-섬유의 상대적으로 낮은 농도로 103 Ωm 이하의 체적 저항이 획득될 수 있다는 점에서 상대적으로 가격 효율적이라는 것이 명백할 것이다. 본 발명에 따른 전도성 조성물은 양호한 정전기 방지 및 양호한 전자기 간섭 차폐 특성이 요구되는 다양한 물품에 적용될 수 있을 것이다. 이러한 이용은 운송 수단 및 항공기의 연료 라인, 탱크 및 컨 테이너, 정전기-방지 수송 기구 및 패킹 물질 및 마이크로칩 취급용 성분 등을 포함할 수 있을 것이다. 다른 이용은 휴대용 전화기, 휴대용 컴퓨터, PDA 등을 포함하는 전자 장치의 케이싱 또는 하우징을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 특정 장점은 페이스트 형태의 경화되지 않은 조성물에 의한 유연성이다. 이는 정전기 방지 용도의 표면 코팅 또는 페인트 및 디스플레이 시스템 상의 반투명 또는 심지어 투과성 전도성 코팅과 같은 얇은 필름 용도뿐만 아니라 크고 작은 성분의 성형을 가능하게 한다.

Claims (21)

  1. 경화성 액상 수지 매트릭스;
    전도성 나노-섬유; 및
    상기 매트릭스 전체에 불연속적으로 분산된 미립자 비전도성 상을 포함하는 전기 전도성 중합체 조성물로서,
    상기 조성물은 상기 전도성 나노-섬유가 상기 매트릭스 전체에 분산되어 상기 매트릭스가 경화될 때, 그 중에 퍼콜레이션 임계점이 정해지는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 중합체 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 전도성 중합체 시스템은 경화되지 않은 상태에서 유체를 포함하는 전기 전도성 중합체 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 액상 경화성 수지는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지 또는 페놀 수지로부터 선택되는 전기 전도성 중합체 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 나노-섬유는 카본 나노-튜브, 카본 나노-섬유, 금속 나노-섬유 또는 전기 전도성 코팅을 가지는 비전도성 나노-섬유로부터 선택되는 전기 전도성 중합체 조성물.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전도성 나노-섬유는 VGCF인 전기 전도성 중합체 조성물.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전도성 나노-섬유는 0.05 내지 10 μm 범위의 직경 및 1 내지 50 μm 범위의 길이를 가지는 전기 전도성 중합체 조성물.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전도성 나노-섬유는 1 내지 30 중량% 범위로 상기 중합체 조성물 중에 존재하는 전기 전도성 중합체 조성물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 미립자 비전도성 상은 나노-클레이의 박리된 입자를 포함하는 전기 전도성 중합체 조성물.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 나노-클레이의 박리된 입자는 상기 액상 수지 매트릭스에 개재된 전기 전도성 중합체 조성물.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 나노-클레이의 입자는 1 내지 20 중량% 범위로 상기 중합체 조성물 중에 존재하는 전기 전도성 중합체 조성물.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 비전도성 상은 열가소성 중합체를 포함하는 전기 전도성 중합체 조성물.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 열가소성 중합체는 0.1 내지 100 μm 범위의 평균 입자 직경을 가지는 전기 전도성 중합체 조성물.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 열가소성 중합체는 결정질 극성 열가소성 중합체, 결정질 비극성 열가소성 중합체, 비결정질 비극성 열가소성 중합체, 비결정질 극성 열가소성 중합체, 이들의 공중합체 또는 상기 중합체들의 임의의 조합을 포함하는 군로부터 선택되는 전기 전도성 중합체 조성물.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 열가소성 중합체는 1 내지 70 중량%의 범위로 상기 중합체 조성물 중에 존재하는 전기 전도성 중합체 조성물.
  15. 제 1항에 따른 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 방법으로서,
    전도성 나노-섬유 및 미립자 비전도성 상을 액상 경화성 수지에 강하게 혼합하고, 경화시 중합체 조성물이 전도성 상 전체에 분산된 불연속적인 비전도성 상을 형성하되, 여기서 퍼콜레이션 임계점은 전도성 나노-섬유의 분포에 의하여 그 결과 정해지는 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 미립자 비전도성 상의 첨가 전에 상기 전도성 나노-섬유 및 상기 액상 경화성 수지를 혼합하는 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 미립자 비전도성 상은 건조 파우더 형태에 첨가된 열가소성 수지를 포함하는 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 미립자 비전도성 상은 상기 액상 경화성 수지에 개재된 박리된 나노-클 레이 입자를 포함하는 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    액상 경화성 수지에 개재된 박리된 나노-클레이 입자를 포함하는 상기 미립자 비전도성 상을 상기 액상 경화성 수지 및 상기 전도성 나노-섬유의 혼합물에 첨가하는 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 방법.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 전도성 나노-섬유의 첨가 전에 상기 액상 경화성 수지를 상기 액상 경화성 수지에 개재된 박리된 나노-클레이의 분산으로서 형성하는 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 분산은 순수 클레이를 물로 처리하여 상기 클레이를 팽창시키고, 상기 물을 유기 용매로 교환하여 상기 유기 용매를 가지는 슬러리에 팽창된 상태의 상기 클레이를 유지시키고, 상기 용매가 교환된 팽창된 클레이 슬러리를 계면 활성제, 결합제, 상용화제 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택된 조절제로 처리하고, 이어서 상기 슬러리를 액상 경화성 수지와 혼합하고, 이후에 상기 분산으로부터 상기 용매를 제거하여 형성하는 전기 전도성 중합체 조성물의 제조 방법.
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