KR20090019354A - 탄소나노튜브를 함유하는 대전 방지용 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 함유하는 대전 방지용 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브 마스터배치를 사용하여 제조됨으로써 기존의 대전방지용 수지 조성물 대비 탄소나노튜브 함유량을 감소시키면서도 동일 내지 우수한 충격강도, 압출 가공 작업성 및 재현성을 갖고, 향상된 대전방지능을 갖는 대전방지용 수지 조성물에 관한 것이다.

폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 탄소나노튜브, 마스터배치, 대전방지

Description

탄소나노튜브를 함유하는 대전 방지용 수지 조성물{Antistatic resin composition containing carbon nanotube}

본 발명은 탄소나노튜브를 함유하는 대전 방지용 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브 마스터배치를 사용하여 제조됨으로써 기존의 대전방지용 수지 조성물 대비 탄소나노튜브 함유량을 감소시키면서도 동일 내지 우수한 충격강도, 압출 가공 작업성 및 재현성을 갖고, 향상된 대전방지능을 갖는 대전방지용 수지 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 대부분의 합성 고분자는 그 자체적으로 정전기를 발생하기 쉬우 며, 그로 인해 수지의 제조 공정 과정에서뿐만 아니라 그 사용에도 많은 장 애 요인이 발생되고 있다. 이에 전하의 분산, 전도 및 이를 통한 소멸을 통 해 정전기 발생을 해결하고자 전도성을 부여하는 대전방지용 수지 조성물을 제조하고자 하는 시도 및 그에 관한 연구가 다양하게 진행되고 있다.

수지 조성물에 전도성을 부여하는 방법으로는 각종 대전방지제를 고분자 수지 외부에 코팅하는 방법이 있으나, 가공 공정 중 수세나 고온 건조를 수반하는 경우 대전 방지능을 잃어버릴 우려를 안고 있다. [K. Polzhofer & H.D. Lehman n: Angew. Makromolekul a re Chemie 36 (1974)].

또한, 긴 알킬라디칼을 갖는 암모늄, 포스포늄, 술포늄염과 같은 양이온계 대 전방지제나 소듐알킬설페이트와 같은 음이온계 대전 방지제를 고분자 내부에 도입하는 방법 또는 고분자 내부에 폴리에틸렌글리콜에스테르, 지방산 에스테르, 에탄올 아미드와 같은 친수성 물질을 도입하여 전도성을 부여하거나 표면 저항을 감소시키는 방법이 있다. 그러나, 이러한 방법들은 영구적인 대전방지능을 부여할 수 있는 장점이 있는 반면 가공시 충격강도 등의 기계적 물성을 저하시키는 단점이 있다.

한편, 고분자에 전기전도성을 부여하기 위해 전도성 카본블랙이나 탄소 섬유 등 도전성 첨가제를 충전하여 성형하는 방법도 사용되고 있으나, 이 방법은 다량의 도전성 첨가제 사용으로 인해 가공이 어렵고 균일한 분산 효과를 내기가 어려워 고분자 자체의 물성을 저하시키는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점들을 보완하고자, 폴리카보네이트, 폴리스티렌 등의 비결정성 고분자나 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌 등의 결정성 고분자, 또는 이들의 혼합물에 탄소나노튜브를 혼합하고 용융혼련함으로써 고분자간의 상용성이 증진되어 상구조가 안정되고 기계적 성질이 우수한 수지 조성물을 얻는 방법이 제안되기도 하였다. 그러나, 이 경우, 탄소나노튜브를 첨가하여 그 기능성을 향상시키기 위해서는 고분자간의 상용성 및/또는 고분자 상들과 탄소나노튜브 간의 상용성 및 분산성을 고려해야 하는 어려움이 있으며, 또한 부여할 수 있는 전도성의 범위를 맞추기가 극히 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 기존의 탄소나노튜브 함유 조성물 대비 탄소나노튜브의 첨가량을 감소시켜 수지 고유의 기계적 물성을 저하시키지 않으면서도 향상된 대전방지능을 갖는 대전방지용 수지 조성물을 개발하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.

본 발명은 기존의 탄소나노튜브 함유 조성물 대비 감소된 탄소나노튜브 함량을 가지면서도 우수한 충격강도, 압출 가공 작업성 및 재현성을 갖고, 또한 뛰어난 대전방지능을 갖는 대전방지용 수지 조성물을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 상기 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 기본 수지 95~99.9 중량부; 및 탄소나노튜브 0.1~5 중량부를 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 마스터배치 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 대전방지용 수지 조성물을 제공한다.

본 발명의 대전방지용 수지 조성물은 상기한 성분들 이외에도, 필요에 따라 착색제, 난연제, 상용화제, 충격보강제, 자외선 안정제, 열안정제, 산화방지제, 이형제 또는 활제와 같은 첨가제 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래 기술 대비 상대적으로 적은 양의 탄소나노튜브를 함 유하면서도 영구적인 대전방지능을 가질 뿐만 아니라 충격 강도, 압출 가공 작업성 및 재현성 또한 우수한 대전방지용 수지 조성물을 얻을 수 있다.

본 발명의 대전방지용 수지 조성물은 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 기본 수지를 전체 조성물 100 중량부 대비 95~99.9 중량부의 양으로 포함한다.

본 발명의 대전방지용 수지 조성물에 있어서 기본 수지로서 사용가능한 폴리카보네이트 수지는 내충격성, 내열성, 내후성, 자기 소화성, 유연성, 가공성 및 투명성이 우수하며, 내후성이 뛰어나 장기간 높은 물성을 유지하고 내열, 내한성이 뛰어나 심한 온도 변화에도 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 있어서, 폴리카보네이트 수지의 점도 평균 분자량은 바람직하게는 10,000~100,000인 것이, 더욱 바람직하게는 10,000~50,000인 것이 사용된다. 점도 평균 분자량이 100,000을 초과하는 폴리카보네이트 수지는 가공이 어려울 수 있고, 10,000에 미달하는 경우는 폴리카보네이트 수지 고유의 우수한 물성을 내는데 어려움이 발생할 수 있다.

본 발명의 대전방지용 수지 조성물에 있어서 기본 수지로서 사용가능한 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지는 전기적 특성, 내약품성, 내열성, 기계적 강도 및 성형가공성이 우수하여 전기전자, 자동차 부품으로 널리 사용되고 있다.

본 발명의 수지 조성물에 있어서는 통상의 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지가 제한없이 사용가능하며, 바람직하게는 한국특허출원 제2002-36827호에 기재된 것과 동일한 것을 사용할 수 있다. 특히 본 발명에 있어서, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지로는 용융 온도가 210~240℃이며, 고유점도(I.V.)가 0.75~1.1(dl/g)인 것이 바람직하다. 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지의 용융 온도가 상기 범위를 벗어나거나 그 고유점도(I.V.)가 상기 범위를 벗어나면 폴리카보네이트와의 용융 혼련에 있어서 가공성이 문제될 수 있으며, 또한 폴리카보네이트/ 폴리부틸렌테레프탈레이트 혼합물의 기계적 물성이 저하될 우려도 있다.

본 발명에 있어서 기본수지로서 폴리카보네이트/폴리부틸렌테레프탈레이트 혼합물이 사용되는 경우, 그 혼합비는 폴리카보네이트 1~50중량%와 폴리부틸렌테레프탈레이트 50~99중량%인 것이 바람직하다. 폴리카보네이트의 함량이 상기한 범위보다 많아지게 되면 탄소나노튜브의 분산성을 얻기 어렵고, 반대로 상기한 범위에 못미치면 폴리카보네이트 수지 고유의 우수한 기계적 물성을 내는데 어려움이 있어 바람직하지 못하다.

본 발명의 대전방지용 수지 조성물에 있어서 기본 수지에는 상기한 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 또는 이들의 혼합물 이외에도 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 필요에 따라 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아릴레이트, 폴리우레탄, 폴리아릴설폰, 폴리에테르설폰, 폴리아릴렌 설파이드, 폴리비닐 클로라이드, 폴리설폰, 폴리에테르이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에테르케톤, 폴리에테르 에테르케톤, 폴리아세탈, 폴리아크릴 등과 같은 수지가 더 포함될 수 있으며, 그 함량은 특별히 제한되지 않는다.

본 발명의 대전방지용 수지 조성물에 포함되는 탄소나노튜브는 그 구조와 크 기 및 길이에 따라 다양한 물리적 특성을 나타내며 고분자 수지의 기계적 성능향상에 적합한 충전재로서 널리 사용되고 있다. 탄소나노튜브는 특히, 나노 단위(예컨대, 1nm ~ 1000nm, 통상 1nm ~ 500nm)의 미립자로서 직경대비 길이(L/D)가 길고 고분자 수지 매트릭스에 분산이 잘 될수록 짧아진 도전 경로를 통해 높은 전도성을 나타내며, 이를 이용하여 전도성 매체로 전자, 정보, 통신 분야 등 다양한 다기능 복합체 제조에 사용되고 있다.

본 발명에 있어서 탄소나노튜브는 마스터배치 형태로 수지 조성물에 첨가된다.

본 발명에 있어서 탄소나노튜브의 마스터배치는, 상기한 바와 같은 폴리카보네이트 수지 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지를 베이스로 하는 것이 바람직하다.

탄소나노튜브의 마스터배치는 고분자 수지 베이스에 탄소나노튜브를 첨가한 후 용융 혼합 과정을 통해 제조한다. 이 때, 베이스 수지 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 0.1~50 중량부가 혼합되는 것이 바람직하다. 마스터배치 내의 탄소나노튜브의 함량이 베이스 수지 100 중량부당 0.1 중량부 미만이면 최종 대전방지용 수지 조성물의 상용성과 대전방지 효과가 향상되지 못할 우려가 있으며, 50 중량부를 초과하면 탄소나노튜브의 분산성 조절이 어렵고 최종 수지 조성물의 기계적 물성이 저하되는 문제점이 발생할 수도 있다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기한 바와 같이 제조된 폴리부틸렌 테레프탈레이트/탄소나노튜브 마스터배치 또는 폴리카보네이트/탄소나노튜브 마스터배치를, 압출 가공 전에 기본 수지에 혼합하거나, 압출 공정시 기본 수지와 함께 일정 한 비율로 연속 투입하거나, 또는 기본 수지와 혼합한 후 직접 사출하는 공정에 의해 대전방지용 수지 조성물을 제조할 수 있다.

본 발명에 따라 탄소나노튜브를 마스터배치 형태로 조성물에 첨가하면 기본 수지 내에 탄소나노튜브의 분산이 용이해져, 같은 양의 탄소나노튜브를 직접 투입한 경우보다 우수한 표면저항(surface resistivity) 및 재현성을 가진다.

따라서, 본 발명에 따른 대전방지용 수지 조성물은, 동량의 탄소나노튜브를 직접 투입하여 제조된 종래의 조성물 대비 우수한 표면 전도도를 영구적으로 가지며, 성형 가공성이 우수하고, 충격 강도 등의 기계적 물성 저하가 적으며, 탄소나노튜브의 사용으로 인한 공정성 저하 및 재현성 저하를 최소화하는 장점을 가진다.

본 발명에 따른 대전방지용 수지 조성물은 바람직하게는 표면저항이 10⁷~10¹²Ω의 표면저항 및 10~50 (Kgfcm/cm)의 충격강도를 가진다.

상기 표면저항이 10⁷Ω미만이거나 10¹²Ω을 초과하는 경우에는 본 발명에서 목적하는 대전방지용 수지 조성물로 사용하기 어려울 수 있으며, 상기 충격강도가 50(Kgfcm/cm) 이상이거나 10(Kgfcm/cm)미만인 경우에는 각각 강도가 너무 높거나 낮아 원하는 용도로 사용하지 못할 우려가 있다.

본 발명의 대전방지용 수지 조성물은 또한, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 착색제, 이형제, 또는 활제와 같은 첨가제를 추가로 포함할 수 있으며, 나아가 난연제, 상용화제, 충격보강제, 자외선 안정제, 열안정제, 또는 산화방지제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

이하, 하기 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 보호범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 결코 아니다.

실시예 1~2 및 비교예 1~2

<실시예 1>

폴리부틸렌테레프탈레이트/탄소나노튜브 마스터배치 600g(탄소나노튜브 함량: 15 wt%)과 873g의 폴리카보네이트 및 1527g의 폴리부틸렌테레프탈레이트를 W&P 이축 압출기를 사용하여 용융 혼련함으로써 최종적으로 폴리카보네이트 29.1 중량부, 폴리부틸렌테레프탈레이트 67.9 중량부 (폴리부틸렌테레프탈레이트/ 탄소나노튜브 마스터배치 중의 폴리부틸렌테레프탈레이트 함량 포함) 및 탄소나노튜브 3 중량부로 이루어진 대전방지용 수지 조성물 3kg을 제조하고, 이를 5시간동안 진공 건조한 후 사출성형하였다.

<실시예 2>

폴리카보네이트/탄소나노튜브 마스터배치 600g(탄소나노튜브 함량: 15 wt%)과 363g의 폴리카보네이트 및 2037g의 폴리부틸렌테레프탈레이트를 W&P 이축 압출기를 사용하여 용융 혼련함으로써 최종적으로 폴리 카보네이트 29.1 중량부(폴리카보네이트/탄소나노튜브 마스터 배치중의 폴 리카보네이트 함량 포함), 폴리부틸렌테레프탈레이트 67.9 중량부 및 탄소나노튜브 3 중량부로 이루어진 대전방지용 수지 조성물 3kg을 제조하고, 이를 5시간동안 진공 건조한 후 사출성형하였다.

<비교예 1>

폴리부틸렌테레프탈레이트/탄소나노튜브 마스터배치 1200g(탄소나노튜브 함량: 15 wt%)과 873g의 폴리카보네이트 및 927g의 폴리부틸렌테레프탈레이트를 W&P 이축 압출기를 사용하여 용융 혼련함으로써 최종적으로 폴리카보네이트 29.1 중량부, 폴리부틸렌테레프탈레이트 67.9 중량부 (폴리부틸렌테레프탈레이트/ 탄소나노튜브 마스터배치 중의 폴리부틸렌테레프탈레이트 함량 포함) 및 탄소나노튜브 6 중량부로 이루어진 대전방지용 수지 조성물 3kg을 제조하고, 이를 5시간동안 진공 건조한 후 사출성형하였다.

<비교예 2>

마스터배치를 사용하지 않고 탄소나노튜브 3 중량부를 폴리카보네이트 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 혼합수지에 직접 투입한 것 외에는 실시예 1~2 및 비교예 1과 동일한 방법으로 대전방지용 수지 조성물 3kg을 제조하고, 이를 5시간동안 진공 건조한 후 사출성형하였다.

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 최종 수지 조성물의 조성을 하기 표 1에 나타내었다.

물성 평가

사출 성형에서 얻은 시편은 상대습도 50%, 23℃에서 40시간 보관한 후 표 면저항기 (Advantest R8340A)를 이용하여 표면저항을 측정하였고, 충격 강 도 측정기 (Dynatup 8250)를 이용하여 충격강도를 측정하였다. 측정 결과들을 하기 표 2에 나타내었다.

상기 표 2의 결과로부터 알 수 있듯이, 폴리부틸렌테레프탈레이트/ 탄소나노튜브 마스터배치 또는 폴리카보네이트/탄소나노튜브 마스터배치를 사용하여 대전방지용 조성물을 제조할 경우, 동일한 양의 탄소나노튜브를 직접 투입했을 때보다 향상된 표면전도도를 가지는 대전방지용 수지 조성물을 얻을 수 있었다. 이는 비결정성 폴리카보네이트와 결정성 폴리부틸렌테레프탈레이트상에서 탄소나노튜브의 분산성 차이에 의해 탄소나노튜브의 분산이 제한되고, 그에 따라 탄소나노튜브가 수지 조성물상의 특정 영역에 배열되는 현상에 기인한 것으로 판단된다. (Gubbels F. and Jerome R., "Kinetic and Thermodynamic Control of the Selective Localization of Carbonblack at the interface of Immiscible Polymer Blends", Chem. Mater. 1998, 10, 1227-1235)

또한, 비교예 1에서와 같이 전체 조성물 100중량부 당 탄소나노튜브의 함량이 5 중량부를 초과하는 경우, 충격 강도가 저하되어 탄소나노튜브를 포함한 폴리카보네이트/폴리부틸렌테레프탈레이트 혼합 조성물로서의 우수한 특성을 나타내지 못함을 알 수 있었다.

Claims (6)

1. 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 기본 수지 95~99.9 중량부; 및 탄소나노튜브 0.1~5 중량부를 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 마스터배치 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 대전방지용 수지 조성물.
2. 제1항에 있어서, 폴리카보네이트 수지의 점도 평균 분자량이 10,000~100,000인 것을 특징으로 하는 대전방지용 수지 조성물.
3. 제1항에 있어서, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지의 용융 온도가 210~240℃이고, 고유점도가 0.75~1.1(dl/g)인 것을 특징으로 하는 대전 방지용 수지 조성물.
4. 제1항에 있어서, 기본 수지가 폴리카보네이트 1~50중량%와 폴리부틸렌테레프탈레이트 50~99중량%의 혼합물인 것을 특징으로 하는 대전방지용 수지 조성물.
5. 제1항에 있어서, 탄소나노튜브의 마스터배치는 폴리카보네이트 수지 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트인 베이스 수지 100 중량부 및 탄소나노튜브 0.1~50 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대전 방지용 수지 조성물.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 표면저항이 10⁷Ω~10¹²Ω이고, 충격강도가 10~50 (Kgfcm/cm)인 것을 특징으로 하는 대전방지용 수지 조성물.