KR20100108868A - 기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료 - Google Patents

기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료 Download PDF

Info

Publication number
KR20100108868A
KR20100108868A KR1020090027136A KR20090027136A KR20100108868A KR 20100108868 A KR20100108868 A KR 20100108868A KR 1020090027136 A KR1020090027136 A KR 1020090027136A KR 20090027136 A KR20090027136 A KR 20090027136A KR 20100108868 A KR20100108868 A KR 20100108868A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
composite material
cnt
conductive polymer
polymer composite
Prior art date
Application number
KR1020090027136A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101073998B1 (ko
Inventor
박수진
김병주
Original Assignee
인하대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인하대학교 산학협력단 filed Critical 인하대학교 산학협력단
Priority to KR1020090027136A priority Critical patent/KR101073998B1/ko
Publication of KR20100108868A publication Critical patent/KR20100108868A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101073998B1 publication Critical patent/KR101073998B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/041—Carbon nanotubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L23/00—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L23/02—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L23/04—Homopolymers or copolymers of ethene
    • C08L23/06—Polyethene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/001—Conductive additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 필러로 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀을 동시에 사용하여 상기 물질이 가지는 구조상 단점을 극복하고 강화된 기계적 강도와 전기 전도성을 갖는 전도성 고분자 복합재료에 관한 것이다.
본 발명의 전도성 고분자 복합재료는 고분자 수지 내에 전도성 보강재인 CNT와 흑연을 구조적으로 제어한 그래핀을 동시에 소량 첨가하여 매트릭스 내의 네트워킹 시스템을 높임으로써 우수한 전기전도성 및 기계적 특성이 구현될 수 있다.
탄소나노튜브, 그래핀, 기계적 강도, 전기 전도성, 전도성 고분자 복합재료

Description

기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료{Conductive polymeric nanocomposite with excellent mechanical and electrical properties}
본 발명은 기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 필러로 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀을 동시에 사용하여 상기 물질이 가지는 구조상 단점을 극복하고 강화된 기계적 강도와 전기 전도성을 갖는 전도성 고분자 복합재료에 관한 것이다.
산업이 고도화됨에 따라 기존의 고분자 복합소재가 가지는 일반적인 물리 화학적 특성을 크게 상회하는 특수 기능성 복합소재에 대한 요구가 커지고 있다.
특히, 극저온 및 고온에서 사용가능한 고내열성 소재에 대한 요구와, 기존의 기계적 물성을 크게 상회하는 범용 고분자 복합소재에 대한 요구, 무엇보다 전기전자재료로서 활용이 가능한 고전도성 고분자 소재에 대한 요구는 급격하게 증대되고 있는데, 이 중에서도 각종 PTC 센서, 웨이퍼 케이스, 저온 히터, 각종 전극제 등 그 범위 또한 넓어지고 있는 전도성을 가진 고분자 복합소재에 대한 시장의 요구가 두드러진다.
이러한 시장의 요구에 부응하기 위해서 높은 물성을 가지면서 동시에 전도성 의 제어가 가능한 기술이 많이 연구되었으며, 전통적으로 카본블랙과 같은 전도성 보강재의 함량을 제어하는 기술들이 다수이다. 더불어 최근에는 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(Fullerene), 및 그래핀(Graphene) 등 미량으로 높은 전도성의 부여가 가능한 고부가가치 필러 소재의 응용이 매우 활발하다.
CNT와 그래핀은 모두 흑연구조를 갖고 있으며, 높은 전도성을 보이는 유망한 소재로, 대량 합성기술이 개발되어 상업화 가능한 수준까지 가격이 하락될 경우, 다양한 분야에서 응용이 가능할 것으로 판단된다.
일면, 전도성 고분자 복합소재 기술에서 상기와 같은 보강재(필러)의 소재도 매우 중요하지만 이러한 분말형 필러 소재를 고분자 수지 내에서 얼마나 잘 분산시켜 전기적 네트워크를 형성하는가도 매우 중요한 문제이다.
잘 알려진 바와 같이, CNT와 같은 물질은 고분자 내에서 고분산이 매우 어렵기 때문에 많은 연구자들이 고분산 기술을 연구 중에 있으나 아직까지 상업화 가능한 수분에 도달한 기술의 거의 보고된 바 없다. 따라서, 두 가지 핵심사항 즉, 고전도성 필러 소재 선정과 높은 분산 유도가 선결되어야 각 산업에서 요구하는 높은 기계적 물성과 전기전도성 제어가 동시에 가능한 소재의 개발이 이루어질 수 있다.
전도성 필러를 사용한 전도성 고분자 복합소재의 개발에 있어서, 카본블랙, 흑연, 탄소섬유 등을 단순 혼합하여 복합체를 제작하는 전통적인 방법은 고분자 수지 내에서 필러의 분산이 용이하지 않기 때문에 충분한 전도성을 부여하기 위해서는 다량의 필러를 사용해야 하며, 이는 원가 상승으로 이어져왔다. 또한, 과량의 필러가 함유될 경우에는 복합소재 자체가 딱딱해져 탄력성이 없는 문제가 발생하 며, 충격강도 등이 매우 약해지는 단점이 있다.
결국, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 최소량의 필러는 고분산하는 기술이 필수적이다. 하지만 대부분의 전도성 필러들은 고분자 수지 내에서 분산에 어려움이 있으며, CNT와 그래핀은 재료 자체의 엉김현상 때문에 분산문제가 더욱 문제가 되었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 주된 목적은 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀을 전도성 필러로 동시에 사용하여 강화된 기계적 강도와 전기 전도성을 갖는 전도성 고분자 복합재료 및 낮은 분산율 때문에 다량의 CNT 또는 그래핀을 첨가하여야 했던 종래의 고분자 복합재료 제조방법과 다른 신규한 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고분자 수지 내에 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀이 동시에 분산된 전도성 고분자 복합재료 및 상기 고분자 복합재료를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 CNT는 단층, 두층 및 다층까지 나노직경의 섬유상을 가진 어떠한 형태의 탄소튜브, 탄소섬유 및 탄소뿔 등을 모두 포함할 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 흑연을 산, 열, 및 화학적 환원 처리하여 제조하는 것을 특징으로 하며, 상기 흑연은 분말형, 플레이크(flake)형, 및 천연, 인조 흑연 등 어떠한 종류도 사용 가능하다.
본 발명의 고분자 수지 내에 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀이 동시에 분산된 전도성 고분자 복합재료는 고분자 수지 내에 전도성 보강재인 CNT와 흑연을 구조적으로 제어한 그래핀을 동시에 소량을 첨가하여 매트릭스 내의 네트워킹 시스템을 높임으로써 우수한 전기 전도성 및 기계적 특성이 구현될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전도성 고분자 복합재료는 고전도성이 요구되는 전기전자 분야에 유용하게 이용될 수 있으며, 동시에 기계적 강도가 요구되는 센서, 발열체 등에도 적용이 가능하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 고분자 수지 내에 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀이 동시에 분산된 전도성 고분자 복합재료 및 상기 고분자 복합재료를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 CNT는 단층, 두층 또는 다층까지 나노직경의 섬유상을 가지는 어떠한 형태의 탄소튜브, 탄소섬유 및 탄소뿔 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 흑연을 산처리 후 열처리와 화학적 환원을 거쳐 제조한 것이 바람직하며, 상기 흑연은 분말형, 플레이크형, 및 천연, 인조 흑연 등 어떠한 종류도 사용이 가능하다.
바람직하게는, 상기 CNT는 상용 다중벽 CNT를 200~500℃의 온도에서 산소분위기로 열처리한 것을 질산원액에 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다 음 증류수로 세척한 후 n-헥산(hexane)에 침적 처리한 것을 건조하여 사용하는 것이 좋으며, 상기 그래핀은 흑연을 질산과 과산화수소의 혼합용액에 침적시켜 산처리 한 것을 700~900℃ 온도 범위의 산소분위기에서 열처리 한 다음 열처리된 것을 증류수로 세척하여 300~600℃의 온도에서 H2/Ar 혼합가스 분위기(H2 : Ar = 1 : 99 내지 10 : 90%) 상태로 환원처리를 거쳐 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기 CNT는 고분자 수지 총 중량에 대해 0.01~5wt%를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.1~1wt%를 사용하는 것이 좋다. 상기 범위보다 적게 사용하면 전기적 네트워크의 형성이 용이하지 못하고, 상기 범위를 초과할 경우에는 함량이 증가하여도 전기적 특성의 강화에 더 이상 영향을 미치지 않기 때문이다.
또한, 상기 그래핀은 고분자 수지 총 중량에 대해 0.01~20wt%를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.1~2wt%가 좋다. 상기 범위보다 적게 사용하면 전기적 네트워크의 형성이 용이하지 못하고, 상기 범위를 초과할 경우에는 제조된 복합재료가 경직화에 의해 기계적 물성의 감소가 유도되기 때문이다.
또한, 상기 고분자 수지는 열가소성 또는 열경화성, 어떤 것이든 무방하며, 본 발명의 실시예에서는 높은 결정성을 가지는 고밀도폴리에틸렌(HDPE)을 사용하였으나 본 발명에 있어서 고분자 수지의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니다.
일반적으로, CNT와 그래핀은 높은 전도성을 갖는 보강재이기 때문에 일정량이 첨가될 경우 고분자 복합재료는 전도성을 갖게 되지만 고분자 수지 내부에서 전 도성 보강재의 분산의 어려움으로 전도성의 확보가 용이하지 않다.
그러나, 본 발명에서는 섬유상인 CNT와 판상의 그래핀을 동시에 전도성 보강재로 고분자 수지 내에 첨가하였기 때문에 한 가지 종류의 보강재를 사용하여 기계적 물성과 전기적 전도성 중에서 한쪽의 물성이 상대적으로 떨어지는 경향을 나타내었던 종래 복합재료와 비교하여 소량으로도 월등하게 우수한 전기적 및 기계적 특성의 향상이 유도된다.
이렇듯 물리적 특성이 향상되는 이유는, 그래핀 층 사이로 고분자 수지가 들어가서 층상형 복합재료를 형성하기 때문에 높은 기계적 물성이 유도되나, 그래핀 층 사이에 전기적인 네트워크의 형성이 어려워 전기적인 특성은 높아지지 않는다. 이를 해결하기 위해 CNT를 일부 첨가할 경우 섬유상의 CNT가 각 그래핀 층 사이를 연결해 주는 역할을 하게 되어 전기적 네트워크가 형성되고, 높은 전기적 특성을 발현하게 된다.
더욱이, CNT만을 단독으로 사용했을 때에는 분산의 어려움으로 기계적 및 전기적 특성이 좋지 못하지만 판상의 그래핀과 동시에 사용함으로써 상대적으로 물리적 크기의 큰 판상의 그래핀이 강제적으로 CNT를 고분자 수지 내에서의 분산을 유도하기 때문에 최종 복합재료이 기계적 강도는 큰 폭으로 증가하게 된다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 90 : 10의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 700℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 300℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 탄소나노튜브(CNT)를 고밀도프로필렌(HDPE) 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 0.1wt%씩 첨가하였다.
실시예 2.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 300℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위 기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 0.1wt%씩 첨가하였다.
실시예 3.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 60 : 40의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 900℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 300℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 0.1wt%씩 첨가하였다.
실시예 4.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 0.1wt%씩 첨가하였다.
실시예 5.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 600℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 0.1wt%씩 첨가하였다.
실시예 6.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 1 : 99%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 0.1wt%씩 첨가하였다.
실시예 7.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 10 : 90%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침 적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 0.1wt%씩 첨가하였다.
실시예 8.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 0.5wt% 및 0.1wt%씩을 첨가하였다.
실시예 9.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 1.0wt% 및 0.1wt%씩을 첨가하였다.
실시예 10.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 2.0wt% 및 0.1wt%씩을 첨가하였다.
실시예 11.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 2.0wt% 및 0.5wt%씩을 첨가하였다.
실시예 12.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위 기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 2.0wt% 및 1.0wt%씩을 첨가하였다.
비교예 1.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 5.0wt% 및 1.0wt%씩을 첨가하였다.
비교예 2.
흑연 10 g을 질산/과산화수소가 80 : 20의 비율(v/v)로 혼합된 용액 1 ℓ에 1시간 동안 침적시킨 다음 800℃의 온도, 1 ℓ/분의 산소 조건에서 열처리하였다. 열처리된 흑연은 수차례 증류수에서 세척하여 400℃의 온도 H2/Ar의 분위기(H2 : Ar = 5 : 95%)에서 환원처리 하여 그래핀을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 그래핀과 상용 다중벽 CNT를 300℃의 온도에서 산소분위기로 30분 동안 열처리한 뒤 질산원액에 10분 동안 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 5회 이상 세척한 후 n-헥산(hexane)에 30분 동안 침적 처리한 것을 건조시켜 미리 제조해 놓은 CNT를 고밀도프로필렌 고분자와 섞어 복합 재료를 제조하되, 이때 그래핀과 CNT는 각각 2.0wt% 및 2.0wt%씩을 첨가하였다.
본 발명에 있어 각각의 특성 값은 다음 방법에 의해 측정하였다.
실험예 1. 전기전도도 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고분자 복합재료의 전기전도도를 측정하기 위해, 4-probe volume resistivity tester(MCP-T610, Mitsubishi Chemical Co., Japan)를 이용하여 저항(V/I)을 측정한 후, 시편의 치수(W*T: 섬유 측면의 단면적; L: 전압 접촉부 사이의 거리)와의 관계를 이용하여 전기전도도(σ)를 계산하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실험예 2. 기계적 강도 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고분자 복합재료의 기계적 강도를 확인하기 위하여, 임계 응력 세기 인자(critical stress intensity factor, KIC)를 측정하였다.
구체적으로, 시료별 각각 10개의 SENB(Single Edge Notched Bending) 시편을 준비하여, 인스트론 인장 시험기(Instron Flexural Tester; Instron Model 1125, Instron, 미국)로 ASTM D 5045-91a에 준하여 측정하였으며, 50×10×5 ㎜의 크기로 절단하되, 이때 지지대간 거리와 시편 두께와의 비(span-to-depth ration)는 4 : 1로 고정하고, cross-head speed는 1 ㎜/분으로 유지하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
질산:H2O2 열처리
온도(℃)		 환원온도
(℃)		 환원분위기
(H2:Ar)		 그래핀
(wt%)		 CNT
(wt%)		 비저항
(Ωcm)		 KIC
(MPa.m1/2)
실시예1 90:10 700 300 5:95 0.1 0.1 3.5×10-1 1.52
실시예2 80:20 800 300 5:95 0.1 0.1 4.0×10-1 1.65
실시예3 60:40 900 300 5:95 0.1 0.1 2.9×10-1 1.50
실시예4 80:20 800 400 5:95 0.1 0.1 2.5×10-1 1.45
실시예5 80:20 800 600 5:95 0.1 0.1 3.2×10-1 1.63
실시예6 80:20 800 400 1:99 0.1 0.1 3.8×10-1 1.71
실시예7 80:20 800 400 10:90 0.1 0.1 4.2×10-1 1.72
실시예8 80:20 800 400 5:95 0.5 0.1 0.8×10-1 1.87
실시예9 80:20 800 400 5:95 1.0 0.1 5.0×10-2 2.14
실시예10 80:20 800 400 5:95 2.0 0.1 4.7×10-2 2.25
실시예11 80:20 800 400 5:95 2.0 0.5 2.5×10-2 2.42
실시예12 80:20 800 400 5:95 2.0 1.0 2.6×10-2 2.53
비교예1 80:20 800 400 5:95 5.0 1.0 2.6×10-2 2.54
비교예2 80:20 800 400 5:95 2.0 2.0 2.5×10-2 2.52
단, 상기 값은 10회 이상 측정한 평균값이다.
이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 의하여 정의된다고 할 것이다.
도 1은 고분자 복합소재의 내부 보강 형태를 나타낸 그림으로, (a)는 종래 그래핀만으로 보강되었을 때이고, (b)는 본 발명의 그래핀과 CNT가 동시에 보강되었을 때의 개략도이다.

Claims (14)

  1. 고분자 수지 내에 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀이 동시에 분산된 전도성 고분자 복합재료.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 CNT는 단층, 두층 또는 다층이 나노직경의 섬유상을 갖는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 CNT는 다중벽 CNT를 200~500℃의 온도에서 산소분위기로 열처리한 것을 질산원액에 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 세척한 후 n-헥산(hexane)에 침적 처리한 것을 건조하여 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀은 흑연을 산처리 후 열처리와 화학적 환원을 거쳐 제조한 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀은 흑연을 질산과 과산화수소의 혼합용액에 침적시켜 산처리 한 것을 700~900℃ 온도 범위의 산소분위기에서 열처리 한 다음 증류수로 세척하고, 300~600℃의 온도에서 H2/Ar 혼합가스 분위기(H2 : Ar = 1 : 99 내지 10 : 90%) 상태로 환원처리를 거쳐 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 CNT는 고분자 수지 총 중량에 대해 0.1~1.0wt%를 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀은 고분자 수지 총 중량에 대해 0.1~2.0wt%를 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 고밀도폴리에틸렌(HDPE)을 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료.
  9. 고분자 수지 내에 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀을 동시에 분산시켜 제조하는 전도성 고분자 복합재료의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 CNT는 다중벽 CNT를 200~500℃의 온도에서 산소분위기로 열처리한 것을 질산원액에 침적시켜 금속성 촉매 물질을 완전히 제거한 다음 증류수로 세척한 후 n-헥산(hexane)에 침적 처리한 것을 건조하여 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료의 제조방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 그래핀은 흑연을 질산과 과산화수소의 혼합용액에 침적시켜 산처리 한 것을 700~900℃ 온도 범위의 산소분위기에서 열처리 한 다음 증류수로 세척하고, 300~600℃의 온도에서 H2/Ar 혼합가스 분위기(H2 : Ar = 1 : 99 내지 10 : 90%) 상태로 환원처리를 거쳐 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료의 제조방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 CNT는 고분자 수지 총 중량에 대해 0.1~1.0wt%를 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료의 제조방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 그래핀은 고분자 수지 총 중량에 대해 0.1~2.0wt%를 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료의 제조방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 고밀도폴리에틸렌(HDPE)을 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 복합재료의 제조방법.
KR1020090027136A 2009-03-30 2009-03-30 기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료 KR101073998B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090027136A KR101073998B1 (ko) 2009-03-30 2009-03-30 기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090027136A KR101073998B1 (ko) 2009-03-30 2009-03-30 기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100108868A true KR20100108868A (ko) 2010-10-08
KR101073998B1 KR101073998B1 (ko) 2011-10-17

Family

ID=43130070

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090027136A KR101073998B1 (ko) 2009-03-30 2009-03-30 기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101073998B1 (ko)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102181112A (zh) * 2011-05-25 2011-09-14 曾斌 可导电、可屏蔽电磁波的塑料基复合材料及其制备方法
WO2012124935A3 (ko) * 2011-03-15 2012-12-27 한양대학교 산학협력단 그라핀 및 탄소나노튜브를 포함하는 하이브리드 고분자 복합 섬유 및 이의 제조 방법
EP2570462A1 (en) 2011-09-19 2013-03-20 Instytut Technologii Materialów Elektronicznych Method of producing graphene layers and paste comprising graphene nanoplatelets
CN103756103A (zh) * 2014-02-19 2014-04-30 中国科学院金属研究所 石墨烯／高密度聚乙烯热敏电阻复合材料及制备方法
KR101455834B1 (ko) * 2013-04-01 2014-11-03 채경남 그래핀의 피에조 저항 특성을 이용한 스마트 복합재
CN104672357A (zh) * 2013-11-29 2015-06-03 合肥杰事杰新材料股份有限公司 一种石墨烯-碳纳米管杂化物增强聚合物的复合材料制备方法
WO2017150748A1 (ko) * 2016-03-02 2017-09-08 주식회사 대신테크젠 자동차 조명 하우징 적용을 위한 고열전도성 복합조성물 및 그 제조방법
CN107602987A (zh) * 2017-10-10 2018-01-19 上海第二工业大学 一种含石墨烯和碳纳米管的高分子ptc复合材料及制备方法

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012124935A3 (ko) * 2011-03-15 2012-12-27 한양대학교 산학협력단 그라핀 및 탄소나노튜브를 포함하는 하이브리드 고분자 복합 섬유 및 이의 제조 방법
US9453118B2 (en) 2011-03-15 2016-09-27 Iucf-Hyu (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) Hybrid polymer composite fiber including graphene and carbon nanotube, and method for manufacturing same
CN102181112A (zh) * 2011-05-25 2011-09-14 曾斌 可导电、可屏蔽电磁波的塑料基复合材料及其制备方法
CN102181112B (zh) * 2011-05-25 2013-06-05 曾斌 可导电、可屏蔽电磁波的塑料基复合材料及其制备方法
EP2570462A1 (en) 2011-09-19 2013-03-20 Instytut Technologii Materialów Elektronicznych Method of producing graphene layers and paste comprising graphene nanoplatelets
KR101455834B1 (ko) * 2013-04-01 2014-11-03 채경남 그래핀의 피에조 저항 특성을 이용한 스마트 복합재
CN104672357A (zh) * 2013-11-29 2015-06-03 合肥杰事杰新材料股份有限公司 一种石墨烯-碳纳米管杂化物增强聚合物的复合材料制备方法
CN104672357B (zh) * 2013-11-29 2018-04-10 合肥杰事杰新材料股份有限公司 一种石墨烯‑碳纳米管杂化物增强聚合物的复合材料制备方法
CN103756103A (zh) * 2014-02-19 2014-04-30 中国科学院金属研究所 石墨烯／高密度聚乙烯热敏电阻复合材料及制备方法
WO2017150748A1 (ko) * 2016-03-02 2017-09-08 주식회사 대신테크젠 자동차 조명 하우징 적용을 위한 고열전도성 복합조성물 및 그 제조방법
CN107602987A (zh) * 2017-10-10 2018-01-19 上海第二工业大学 一种含石墨烯和碳纳米管的高分子ptc复合材料及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101073998B1 (ko) 2011-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101073998B1 (ko) 기계적 및 전기적 특성이 향상된 전도성 고분자 복합재료
Wang et al. Highly efficient thermal conductivity of polydimethylsiloxane composites via introducing “Line-Plane”-like hetero-structured fillers
Li et al. Ultrathin and flexible biomass-derived C@ CoFe nanocomposite films for efficient electromagnetic interference shielding
Kumar et al. Recent advances in polymer and polymer composites for electromagnetic interference shielding: review and future prospects
Zheng et al. Breathable, durable and bark-shaped MXene/textiles for high-performance wearable pressure sensors, EMI shielding and heat physiotherapy
Foroughi et al. Highly conductive carbon nanotube‐graphene hybrid yarn
Sharma et al. Enhanced thermomechanical and electrical properties of multiwalled carbon nanotube paper reinforced epoxy laminar composites
JP3972674B2 (ja) 炭素繊維その製造方法および炭素繊維強化樹脂組成物
Shateri-Khalilabad et al. Fabricating electroconductive cotton textiles using graphene
He et al. Electric-magnetic-dielectric synergism and Salisbury screen effect in laminated polymer composites with multiwall carbon nanotube, nickel, and antimony trioxide for enhancing electromagnetic interference shielding
Pandey et al. Carbon nanotube-based multifunctional polymer nanocomposites
Shim et al. Multiparameter structural optimization of single-walled carbon nanotube composites: toward record strength, stiffness, and toughness
Zhang et al. Review of electrically conductive composites and films containing cellulosic fibers or nanocellulose
KR100895696B1 (ko) 전기 절연성을 가지는 실리콘고무/카본나노튜브 복합체의제조 방법
CN104499272A (zh) 一种高弹性导电纤维及其制备方法
Yang et al. Superhydrophobic and corrosion-resistant electrospun hybrid membrane for high-efficiency electromagnetic interference shielding
Zheng et al. Superhydrophobic hollow magnetized Fe3O4 nanospheres/MXene fabrics for electromagnetic interference shielding
Wang et al. Advanced functional carbon nanotube fibers from preparation to application
Ju et al. Flexible TiN/Co@ carbon nanofiber mats for high-performance electromagnetic interference shielding and Joule heating applications
Shin et al. Electronic textiles based on highly conducting poly (vinyl alcohol)/carbon nanotube/silver nanobelt hybrid fibers
Zou et al. Efficient electromagnetic interference shielding of flexible Ag microfiber sponge/polydimethylsiloxane composite constructed by blow spinning
Suslova et al. Effect of the functionalization of nitrogen-doped carbon nanotubes on electrical conductivity
Jain et al. Polyacrylonitrile/carbon nanofiber nanocomposite fibers
Huo et al. Flexible graphene/bacterial celluloses Janus structure film with excellent electromagnetic interference shielding and Joule heating performance
Wang et al. Advances in carbon-based resistance strain sensors

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140818

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151001

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160912

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170829

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180823

Year of fee payment: 8