KR20110050454A

KR20110050454A - 감소된 저항을 가지는 탄소 나노튜브 포함 복합 물질의 제조 방법

Info

Publication number: KR20110050454A
Application number: KR1020117003791A
Authority: KR
Inventors: 카르스텐 콘젠; 미하엘 비르델; 우도 뒹거; 마렌 하이네만; 토마스 쾨니크; 뵈른 발터; 외르그 메츠거; 피터 하이데메이어; 베르너 비드만
Original assignee: 바이엘 머티리얼사이언스 아게
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-05-13
Also published as: TW201020285A; WO2010020360A1; CA2734568A1; JP2012500458A; US20110204296A1; CN102131626A; EP2328736A1

Abstract

본 발명은 감소된 표면 저항을 가지는 탄소 나노튜브 포함 복합 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

감소된 저항을 가지는 탄소 나노튜브 포함 복합 물질의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING COMPOSITE MATERIALS HAVING REDUCED RESISTANCE AND COMPRISING CARBON NANOTUBES}

본 발명은 감소된 표면 저항을 가지는 탄소 나노튜브 포함 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.

이하에서는 탄소 나노튜브를 "CNT"라고 부를 것이다. CNT는 탄소로 이루어진 현미경적으로 작은 관형 구조물(분자 나노튜브)이다. 관의 직경은 보통 1 - 200 ㎚의 범위이다. 구조물의 세부 사항에 의존해서, 관 내에서 전기 전도도는 금속성 또는 반전도성이다. 전기적 성질과 별개로, 탄소 나노튜브의 기계적 성질도 또한 우수하다: CNT는 1.3 - 2 g/㎤의 밀도 및 45 GPa의 인장강도를 가진다. 전자 산업을 위해서는, 전류 전송 용량 및 열 전도도가 특히 관심을 끈다: 전류 전송 용량은 구리 도선의 경우보다 어림잡아서 1000 배 높고, 한편, 열 전도도는 실온에서 6000 W/(m*K)이고 다이아몬드의 열 전도도(3320 W/(m*K))의 거의 2 배이다.

CNT는 물질의 전기적 및/또는 기계적 및/또는 열적 성질을 개선하기 위해 물질에 첨가될 수 있다. CNT를 포함하는 이러한 복합체는 종래 기술로부터 알려져 있다.

WO-A 2003/079375는 CNT 첨가의 결과로 기계적 및 전기적으로 개선된 성질을 나타내는 중합체 물질을 청구한다.

WO-A 2005/015574는 로프 모양 응집체를 형성하고 0.1% 이상의 불순물을 함유하는 CNT 및 유기 중합체를 함유하는 조성물을 게재한다. 이 조성물은 감소된 전기 저항 및 또한 최소 수준의 노치 충격 인성을 나타낸다.

나노 입자는 응집체를 형성하고 복합체에 나노 입자를 매우 균질하게 분포시키기 위해서는 응집체가 파쇄되어야 하는 것으로 알려져 있다(A. Kwade, C. Schilde, Dispersing Nanosized Particles, CHEManager Europe 4(2007), page 7; WO-A 94/23433). CNT 응집체는 분산물에 전단력을 도입함으로써 파쇄될 수 있다(WO-A 94/23433).

기계적 및 열적 성질을 개선하기 위해 플라스틱에 첨가되는 유리 섬유는 예를 들어 전단력을 도입할 때 발생하는 응력 때문에 단축을 경험하는 것으로 알려져 있다(F. Johannaber, W. Michaeli, Handbuch Spritzgieβen, 2nd edition, Carl Hanser Verlag 2004, chapter 5.8.6).

더 양호한 전기적 성질 때문에, 직경 d에 대한 길이 l의 비(종횡비)가 높은 CNT를 이용하는 것이 바람직하다(Zhu 등, Growth and electrical characterization of high-aspect-ratio carbon nanotube arrays, Carbon, Volume 44, Issue 2, February 2006, pages 253 - 258). 유리 섬유의 경우처럼 CNT에 대한 높은 응력 때문에 단축이 발생할 수 있을 것이라는 점이 염려된다. 따라서, 공개 WO-A 05/23937에서는 CNT가 단축하지 않도록 압출기에 투입되는 에너지 투입량을 명백히 제한한다(예를 들어, 6 페이지 8 - 34 줄 또는 11 페이지 7 - 13 줄 참조).

당 업계에서 우세한 의견에 따르면, 충분한 전단 뿐만 아니라 CNT 응집체의 중간으로부터 내부로의 침입(침투)이 CNT 응집체의 분산에 필요한 것으로 여긴다(G. Kasaliwal, A. Goeldel, P. Poetschke, Influence of processing conditions in small scale melt mixing and compressing molding on the resistivity of polycarbonate-MWNT composites, Proceedings of the Polymer Processing Society, 24th Annual Meeting, PPS24, June 15-19, 2008 Salerno, Italy; WO-A 94/23433). 필요하다고 여기는 침투 과정 때문에, 카살리월(Kasaliwal) 등의 상기 간행물에서는 높은 점도가 CNT 응집체의 크기를 감소시키는 데에 불리하다고 명백히 언급한다. 공개 WO-A 94/23433에서는 적심 거동 및 CNT 응집체의 중간으로부터 내부로의 침입을 개선하기 위해서는 분산을 시작할 때 압출기의 온도를 증가시킬 것을 권장한다. 동일한 이유에서, 낮은 점도 또는 가공 점도를 가지는 중합체가 CNT를 함유하는 마스터배치에 바람직하다고 권장한다(예를 들어, WO-A 94/23433, 13 페이지, 11 - 24 줄 참조).

종래 기술에 비추어 볼 때, 본 발명의 목적은 CNT 응집체를 유체 물질에 분산하고, 물질 내에서 CNT가 3 차원 망상구조를 형성하도록 하는 방식으로 물질에 CNT 응집체를 균질하게 분포시키는, 감소된 저항을 가지는 탄소 나노튜브(CNT) 포함 복합체의 제조 방법을 제공하는 것이다. 특히, 복합체에서 1 ㎟ 당 20 ㎛ 초과의 동등 구 직경을 가지는 CNT 응집체의 수가 CNT 농도(%)의 20 배 미만이어야 한다(즉, CNT 함량이 5%인 경우, 100 개 미만임). 특히 바람직하게는, 복합체에서 1 ㎟ 당 20 ㎛ 초과의 동등 구 직경을 가지는 CNT 응집체의 수는 농도(%)의 2 배 미만이어야 한다.

게다가, 이 방법은 산업적 규모의 처리량을 위해서 아무런 문제 없이 변경(이용)될 수 있어야 하고, 즉, 톤 규모의 많은 처리량으로 확대할 수 있어야 한다. 게다가, 이 방법은 CNT의 인식할 수 있을 정도의 단축을 발생시키지 않아야 한다.

놀랍게도, 이 목적이 유체 매질에 분산하는 동안 CNT가 인식할 수 있을 정도로 단축되지 않으면서 CNT 응집체의 파쇄를 일으키는 최소 응력을 CNT 응집체에 가함으로써 달성될 수 있고, 최소 응력이 복합체에서의 CNT의 요구되는 크기 분포에 의존하지만 선택된 유체 물질과는 무관하다는 것을 발견하였다.

따라서, 본 발명은 분산기에서 소정의 크기 분포의 함수로서 실험에 의해 결정되는 최소 응력을 적어도 CNT 및 유체 물질을 포함하는 혼합물에 가하고, 상기 응력이 바람직하게는 분산기에서 발생하는 최대 전단 응력임을 특징으로 하는, 감소된 전기 저항을 가지는 소정의 크기 분포를 갖는 탄소 나노튜브(CNT)를 포함하는 복합체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 목적상, "탄소 나노튜브"는 탄소로 주로 이루어지는 본질적으로 원통형인 화합물이다. 본질적으로 원통형인 화합물은 단일벽을 가질 수 있거나(단일벽 탄소 나노튜브, SWNT) 또는 다수의 벽을 가질 수 있다(다중벽 탄소 나노튜브, MWNT). 탄소 나노튜브는 1 내지 200 ㎚의 범위의 직경 d 및 직경의 배수인 길이 l을 가진다. l/d 비(종횡비)는 바람직하게는 10 이상, 특히 바람직하게는 30 이상이다. 본 발명의 목적상, "탄소 나노튜브"라는 용어는 탄소로 전부 또는 주로 이루어진 화합물을 의미한다. 따라서, 탄소 나노튜브라는 용어에는 "이종 원자"(예를 들어, H, O, N)를 함유하는 탄소 나노튜브도 포함된다. 본 발명에 따르는 이러한 탄소 나노튜브를 여기서는 간단히 CNT라고 부른다.

사용되는 CNT는 바람직하게는 3 내지 100 ㎚, 바람직하게는 5 내지 80 ㎚, 특히 바람직하게는 6 내지 60 ㎚의 평균 직경을 가진다.

CNT를 제조하는 통상의 방법은 예를 들어 전기 아크 방법(아크 방전), 레이저 용발, 증기상으로부터의 화학적 침착(CVD 방법) 및 증기상으로부터의 촉매적 화학적 침착(CCVD 방법)이다.

촉매적 방법으로부터 얻을 수 있는 CNT를 이용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이러한 CNT가 일반적으로 예를 들어 흑연 또는 그을음 같은 불순물을 더 낮은 비율로 가지기 때문이다. CNT 제조에 특히 바람직하게 이용되는 방법은 WO-A 2006/050903으로부터 알려져 있다.

CNT는 일반적으로 0.05 내지 2 ㎜의 범위의 동등 구 직경을 가지는 응집체 형태로 얻어진다.

본 발명에 따라서 복합체에 혼입되는 CNT는 물질의 전기 저항을 감소시키고, 즉 전도도를 증가시킨다. 본 발명의 목적상, "감소된 전기 저항"은 표면 저항이 10⁷ohm/sq(Ω/sq) 미만임을 의미한다(표면 저항 측정에 대해서는 도 3을 참조함).

본 발명의 목적상, "유체" 물질은 점성 물질 또는 점탄성 물질 또는 점소성 물질 또는 소성 물질 또는 항복점을 가지는 물질이다. 특히, "유체" 물질이라는 용어는 현탁액, 페이스트, 액체 및 용융물을 의미한다. 따라서, "유체" 상태로 존재하거나, "유체" 상태로 전환될 수 있거나, 또는 "유체" 전구체를 가지는 물질이본 발명에 따르는 CNT 복합체 제조에 이용된다.

이용될 수 있는 물질은 예를 들어 현탁액, 페이스트, 유리, 세라믹 조성물, 용융물 형태의 금속, 플라스틱, 중합체 용융물, 중합체 용액 및 고무 조성물이다. 플라스틱 및 중합체 용액, 특히 바람직하게는 열가소성 중합체를 이용하는 것이 바람직하다. 열가소성 중합체로는 폴리카르보네이트, 폴리아미드, 폴리에스테르, 특히 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리아세탈, 플루오로 중합체, 특히 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에테르 술폰, 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리아크릴레이트, 특히 폴리(메틸)메타크릴레이트, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에테르 케톤, 폴리아릴 에테르 케톤, 스티렌 중합체, 특히 폴리스티렌, 스티렌 공중합체, 특히 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 및 폴리비닐 클로라이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 중합체를 이용하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 열거된 플라스틱의 블렌드를 이용하는 것도 바람직하고, 당업계 숙련자는 이러한 블렌드가 둘 이상의 플라스틱의 조합임을 이해할 것이다.

추가의 바람직한 출발 물질은 고무이다. 고무로는 스티렌-부타디엔 고무, 천연 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 부타디엔-아크릴로니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 부틸 고무, 할로부틸 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌-비닐 아세테이트 고무, 폴리우레탄 고무, 열가소성 폴리우레탄, 거터퍼차(guttapercha), 아릴레이트 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 술피드 고무, 클로로술포닐-폴리에틸렌 고무로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 고무를 이용하는 것이 바람직하다. 물론, 열거된 고무 둘 이상의 조합 또는 하나 이상의 고무와 하나 이상의 플라스틱의 조합도 가능하다.

본 발명에 따르는 감소된 저항을 가지는 복합체를 제조하기 위해서는, 응집체 형태의 CNT를 하나 이상의 추가의 물질과 혼합한다. 적절하다면, 이 물질을 "유체" 상태로 전환하기 위해 CNT 첨가 전, CNT 첨가 동안 또는 CNT 첨가 후에 이 물질을 가열한다. 마찬가지로, 기계적 에너지 도입에 의해 "유체" 상태를 달성하는 것도 고려할 수 있다.

본 발명에 따르면, CNT 응집체는 적어도 CNT 및 유체 물질을 포함하는 혼합물에 최소 응력을 적용함으로써 파쇄된다. 최소 응력은 혼합물에 에너지를 도입함으로써 달성된다. 이것은 물질에 CNT를 분산시키는 임무를 가지는 분산기를 이용함으로써 달성된다.

분산기로는 예를 들어 다음 기계를 이용할 수 있다: 일축 스크류 압출기, 동회전 또는 역회전 이축 스크류 또는 다축 스크류 압출기, 특히 동회전 이축 스크류 압출기, 예를 들어 ZSK 26(코페리온 워너 앤드 플레이더러(Coperion Werner & Pfleiderer)), 유성 기어 압출기, 내부 혼합기, 고리 압출기, 혼련기, 캘린더, 코-니더(Ko-Kneader) 또는 언급된 기계 중 둘 이상의 조합.

분산기는 적어도 CNT 및 유체 물질을 포함하는 혼합물에 에너지를 도입하고, 이로 인해 CNT 응집체가 파쇄되어 CNT가 유체 물질에 분포된다. 많은 분산기에서, 이러한 요망되는 효과를 발생하는 바람직한 전단 응력이 있다. 그러나, 당업계 숙련자에게는 혼합물에 응력을 가하는 것이 전단 응력에 의해서 뿐만 아니라 압축 또는 신장 응력에 의해 또는 응력들의 어떠한 요망되는 조합에 의해서도 달성될 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 전단 응력은 일반적으로 전단 응력과 유사한 효과를 가지는, 즉 CNT 응집체의 파쇄 및 물질내의 CNT의 분산을 초래하는 응력으로 해석되어야 한다(또한, 방정식 1 및 2를 참조한다). 바람직한 한 실시태양에서, 최소 응력은 사용되는 분산기에서 발생하는 최대 전단 응력으로 표현된다.

최소 응력은 바람직하게는 실험에 의해 결정된다. 여기서, 현미경으로 또는 마크로스코프로 측정할 수 있는 특징적 표적 매개변수를 정의할 수 있다. 예를 들어, 주어진 CNT 농도에서 최소 전도도를 정의하는 것이 가능하다. 당업계 숙련자가 알고 있는 바와 같이, CNT 응집체가 감소하고 물질에 분산되는 탈응집된 CNT의 양이 증가할 때, CNT 복합체의 전도도가 증가한다. 따라서, 최소 응력에서 확립된최소 전도도를 정하는 것이 유용하다. 요구되는 최소 전도도를 달성하는 데 요구되는 최소 응력은 실험에 의해 결정할 수 있다. 전도도 또는 그의 역수인 저항(바람직하게는, 표면 저항)은 마크로스코프로 측정할 수 있는 매개변수인 것으로 여긴다.

마찬가지로, 측정에 의해 CNT 응집체의 파쇄를 추적하여 표적 매개변수로서 CNT 응집체의 특징적 크기 분포를 정의하는 것이 가능하다. CNT 응집체의 크기 분포의 측정은 예를 들어 현미경으로 수행될 수 있고, 이 때문에 이 특징적 매개 변수를 현미경으로 측정할 수 있는 매개변수인 것으로 여긴다.

가능한 특징적 표적 매개변수는 예를 들어 CNT 농도(%)의 20 배 미만(따라서, CNT 농도가 5%인 경우에는 100 개 미만)인 복합체에서 1 ㎟ 당 20 ㎛ 초과의 동등 구 직경을 가지는 CNT 응집체의 수일 것이다. 특히 바람직한 표적 매개변수는 CNT 농도(%)의 2 배 미만인 복합체에서 1 ㎟ 당 20 ㎛ 초과의 동등 구 직경을 가지는 CNT 응집체의 수이다. 실험에 의해, 복합체에서 CNT의 이러한 크기 분포가 감소된 전기 저항을 초래한다는 것을 발견하였다. CLSM(공초점 레이저 주사 현미경) 이미지가 특정 크기 초과 또는 미만의 CNT 응집체 수의 결정에 매우 적합하다.

카살리월 등(G. Kasaliwal, A. Goeldel, P. Poetschke, Influence of processing conditions in small scale melt mixing and compressing molding on the resistivity of polycarbonate-MWNT composites, Proceedings of the Polymer Processing Society, 24th Annual Meeting, PPS24, June 15-19, 2008 Salerno, Italy)은 분산 품질 DG("마크로 분산 지수")를 정의한다. 분산 품질 DQ는 CNT 복합체의 현미경 사진을 이용해서 결정한다. 그것은 다음 방정식에 따라서 CNT 복합체의 평가된 현미경 사진의 총 면적 A₀에 대한 특정 한계값(카살리월 등은 1 ㎛²을 한계값으로 가정함)보다 큰 면적을 가지는 응집체로 이루어진 면적 A의 비로 계산한다.

<식 12>

여기서, f는 충전제의 실제 부피와 상관 있는 계수이고; CNT의 경우, 카살리월 등은 f = 0.25라고 나타낸다. 값 v는 CNT의 부피 비율(%)을 나타낸다. 이것은 CNT의 질량 분율로부터 쉽게 계산할 수 있고; 카살리월 등에 따르면, CNT의 밀도는 약 1.75 g/㎤이다. 100%의 분산 품질 값은 선택된 한계 값을 초과하는 응집체가 컴파운드에 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 이것은 매우 양호한 분산 상태를 나타낸다. 카살리월 등은 DQ를 양의 값으로 제한하고, 큰 CNT 응집체의 면적 비율이 너무 커서 상기 방정식에 따르는 DQ가 음일 때는 분산 품질 값을 0으로 정한다. 따라서, 작은 DQ 값은 불량한 분산 정도를 기술한다. 또한, 분산 품질 DQ는 현미경으로 측정할 수 있는 특징적 매개변수로 이용될 수 있고, 상응하는 표적 매개변수를 정의할 수 있다.

놀랍게도, 주어진 CNT 함량에서 최대 전도도를 달성하기 위해서는 최소 응력, 예를 들어 최소 전단 응력 형태의 최소 응력이 필요하다는 것을 발견하였다. 응력(전단 응력)을 최소 응력(최소 전단 응력)보다 큰 값으로 증가시키는 것은 전도도 증가를 초래하지 않는다. 놀랍게도, CNT 및 유체 물질을 포함하는 혼합물 내에서의 응력이 최대 전도도를 달성하기 위한 중요한 매개변수라는 것을 발견하였다. 게다가, 발견된 최소 응력과 최대 전도도 사이의 관계가 사용된 물질과 무관하다는 것은 놀라운 것이다.

CNT 응집체는 분산기에 에너지를 도입함으로써 파쇄한다. 본 발명에 따르면, CNT 및 하나 이상의 추가의 물질의 혼합물에 최소 응력을 가한다. 당업계 숙련자가 알고 있는 바와 같이, 유동 및 연속체 역학에 관한 교재로부터 얻을 수 있는 바와 같이, 유체에서의 응력 상태는 하기 방정식 1의 형태를 가지는 응력 텐서에 의해 기술할 수 있다.

<식 1>

이 텐서는 대칭적이고, 즉, τ_xy = τ_yx이고, 이에 상응해서 주대각선에서 벗어난 모든 다른 성분들에 대해서도 대칭적이다. CNT 응집체를 파쇄하기 위해 본 발명에 따라서 이용되는 응력은 어떠한 응력 상태도 기술하는 하기 방정식 2에 따르는 대표 응력 τ으로 표현할 수 있다.

<식 2>

여기서, tr은 트레이스(trace) 연산자, 즉 텐서의 대각선에 있는 요소들의 합이다. 텐서의 제곱 T ²은 행렬 곱셈의 일반적으로 알려진 규칙에 따라서 얻어진다. 당업계 숙련자는 예를 들어 문헌[G. Boehme, Stroemungsmechanik nicht-newtonscher Fluide, Stuttgart Teubner, 1981, 1st edition, ISBN 3-519-02354-7]으로부터 뉴톤 유체의 경우 응력 텐서 T가 변형 속도 텐서에 선형으로 의존한다는 것을 알 것이다.

<식 3>

<식 4>

비-뉴톤 매질의 경우에는, 응력 텐서와 변형을 관련짓는 물리 법칙이 더 복잡하여, 유체의 과거 역사에서 변형에 대한 의존성 및 변형 속도 텐서에 대한 점도의 의존성을 포함할 수 있다(G. Boehme, Stroemungsmechanik nicht-newtonscher Fluide, Stuttgart Teubner, 1981, 1st edition, ISBN 3-519-02354-7).

당업계 숙련자는 다양한 물질의 유변학적 성질 및 다양한 점도 측정 방법을 예를 들어 문헌[Gleiβle(M.Pahl, W.Gleiβle, H.-M. Laun, Praktische Rheologie der Kunststoffe und Elastomere, 1st edition, VDI-Verlag 1991]에서 찾을 수 있다. 점도는 예를 들어 모세관 레오미터를 이용해서 결정할 수 있다.

당업계 숙련자가 알고 있는 바와 같이, 진동 레오미터로 측정한 점도와 모세관 레오미터 또는 원뿔-평판 레오미터로 측정한 전단 점도를 관련짓는 콕스-메르쯔(Cox-Merz) 규칙은 엄격히 말하면 충전되지 않은 중합체에만 적용된다. 그럼에도 불구하고, 진동 조건 하에서 측정된 점도는 적어도 CNT 및 유체 물질을 포함하는 혼합물의 전단 점도의 지침 값으로서 기능을 할 수 있다.

당업계 숙련자는 기계적 매개변수를 기초로 일부 분산기에 대해 최대 전단 응력을 쉽게 평가할 수 있다. 길이 L 및 반경 R 및 압력 강하 Δp를 가지는 튜브에서의 플러그 유동의 경우, 벽에서의 최대 전단 응력은 하기 방정식 5이다.

<식 5>

유동이 발생하는 높이 H 및 길이 L을 가지는 슬릿의 경우, 최대 전단 응력은 하기 방정식 6이다.

<식 6>

층류 유입 영역에서 길이 L을 가지는 오리피스의 경우, 벽에서의 전단 응력은 하기 방정식 7이다.

<식 7>

여기서, Re는 레이놀즈 수이고, p _dyn은 동압이다. 동압은 하기 방정식 8로 주어진다.

<식 8>

여기서, ρ는 유체의 밀도이고, μ는 점도이다. 레이놀즈 수는 하기 방정식 9로 주어진다.

<식 9>

높이 h를 가지는 벽 속도 μ로 이동되는 갭의 벽의 경우(다른 벽은 고정됨), 발생하는 최대 전단 응력은 하기 방정식 10으로 주어진다.

<식 10>

상기 방정식에서 사용되는 점도

는 분산기에서 가공 온도 및 실제 전단 속도로 분산하는 동안 발생하는 적어도 CNT 및 유체 물질을 포함하는 혼합물의 실제 점도이다.

당업계 숙련자는 물질의 모든 요소가 발생하는 최대 전단 응력을 받을 수 있는 것은 아니라는 점을 알 것이다. 분산기에서 물질의 요소가 경험하는 응력은 분포 함수를 가진다. 뉴톤 유체의 경우, 전단 갭에서 물질의 모든 입자의 50%가 최대 응력의 1/2 이상을 경험한다. 동회전 이축 스크류 압출기(예를 들어, ZSK(코페리온 워너 앤드 플레이더러))의 경우, 키르크호프(Kirchhoff)(K. Kohlgrueber, Der gleichlaeufige Doppelschnecken extruder, Carl Hanser Verlag, 1st edition, Munich 2007, chapter 9.3)는 현실적인 매개변수에 대해서 L/D( L = 압출기의 축방향 길이, D = 배럴 직경) 비가 10일 때조차도 각 유체 요소가 전단 집중 인터메쉬(intermesh) 갭 위에서 평균 3.5 회 유동한다는 것을 나타낸다. L/D 비가 10보다 상당히 큰 실제 압출기의 경우에는, 통계학적으로 유체 입자의 50%보다 상당히 더 많은 양, 즉 물질의 입자의 대부분이 최대 응력의 절반 이상을 경험할 것이다.

응력을 2 회 이상 반복적으로 가한 결과(예를 들어, 동일 기계에서 연속해서 여러 번 CNT 복합체에 응력을 가함으로써), 특정 전단 응력보다 더 큰 응력을 경험하는 CNT 복합체의 비율이 매 번 통과할 때마다 증가한다. 이것은 CNT 응집체에 대해 실험에 의해 확증할 수 있다(실시예 2 참조).

분산기에서의 최소 응력은 바람직하게는 최대 전단 응력에 의해 표현되는데, 그 이유는 이것이 위에서 나타낸 바와 같이 쉽게 계산할 수 있고 분산기에서 쉽게 변할 수 있기 때문이다. 분산기에서 발생하는 최대 전단 응력이 응집체 파쇄에 절대적으로 필요한 것은 아니라는 점이 당업계 숙련자에게는 명백할 것이다. CNT 응집체 파쇄에 실제로 요구되는 전단 응력은 분산기에서 발생하는 최대 전단 응력보다 다소 작을 것이다; 그러나, 그것은 그렇게 쉽게 결정/보고될 수 없다. 이러한 이유 때문에, 최소 응력은 바람직하게는 분산기에서 발생하는 최대 전단 응력으로 표현된다.

본 발명의 방법의 바람직한 한 실시태양에서, 표면적 1 ㎟ 당 20 ㎛ 초과의 동등 구 직경을 가지는 CNT 응집체의 수가 CNT 농도의 20 배 미만인, 즉, 따라서 CNT 함량이 5%인 경우, 20 ㎛ 초과의 동등 구 직경을 가지는 CNT 응집체의 수가 100 개 미만이어야 하는 CNT 함유 복합체가 생성된다. 특히 바람직하게는, 복합체에서 표면적 1 ㎟ 당 20 ㎛ 초과의 동등 구 직경을 가지는 CNT 응집체의 수는 농도(%)의 2 배 미만이어야 한다.

본 발명의 방법은 적어도 CNT 및 유체 물질을 포함하는 혼합물에 75,000 Pa의 최소 응력을 가하고, 최소 응력이 바람직하게는 분산기에서 발생하는 최대 전단 응력임을 특징으로 한다. 최소 응력은 바람직하게는 90,000 Pa 초과, 특히 바람직하게는 100,000 Pa 초과이다. 응력에는 상한이 부과되는데, 그 이유는 그렇지 않으면 CNT-중합체 복합체에 대한 비가역적 손상을 예상해야 하기 때문이다. 응력 상한은 2,000,000 Pa인 것이 적당한 것으로 나타났다.

발생하는 최대 전단 응력을 쉽게 계산할 수 없는 장치의 경우(예를 들어, 유동이 난류인 다이에서의 분산의 경우)에는 방정식 11의 접근법이 이용되고, 즉, 발생하는 최대 전단 응력 대신에, 요망되는 매개변수를 얻는 데 요구되는 평균 전단 응력을 계산한다.

일반적으로, 부피 V를 가지는 장치에서 힘 P가 소실될 때, 평균 전단 응력은 하기 방정식 11이다.

<식 11>

바람직한 방법에서, 분산기에 투입되는 비 기계적 에너지(specific mechanical energy) 투입량은 0.1 kWh/㎏ 내지 1 kWh/㎏, 바람직하게는 0.2 kWh/㎏ 내지 0.6 kWh/㎏의 범위의 값으로 설정하고, 최소 체류 시간은 6 s 내지 90 s, 바람직하게는 8 s 내지 30 s의 범위의 값으로 설정한다.

당업계 숙련자는 예를 들어 물질에 탄소 블랙을 혼입하는 경우, 짧은 체류 시간 동안의 높은 전단 응력이 긴 체류 시간 동안의 낮은 전단 응력과 동일한 효과를 가진다는 것을 알 것이다. CNT 응집체의 경우, CNT를 분산하는 데 요구되는 전단 응력이 통상의 충전제(예를 들어, 탄소 블랙)의 경우보다 상당히 더 높고, 이 때문에 CNT가 저점도 중합체 용융물에서 성공적으로 쉽게 분산되지 않는 것이다. 따라서, CNT의 분산은 충분히 높은 전단 응력이 없으면 경제적으로 달성될 수 없다. 본 발명의 방법의 바람직한 한 실시태양에서, 분산기에서 적어도 CNT 및 유체 물질을 포함하는 혼합물의 최소 체류 시간은 6 s 내지 90 s, 바람직하게는 8 s 내지 30 s의 범위이다. 일반적으로, 더 높은 체류 시간은 경제적이지 않다. 따라서, CNT 응집체를 효과적으로 파쇄하는 것을 보장하는 데는 높은 응력이 필요하다. 바람직한 한 실시태양에서, 본 발명의 방법은 최소 응력이 적당히 높은 전단 속도 및/또는 적당히 높은 점도에 의해 달성됨을 특징으로 한다.

분산기에서 발생하는 최대 전단 응력 형태의 최소 응력은 혼합물(적어도 CNT 및 유체 물질을 포함함)의 전단 속도(분산기에서 발생하는 최대 전단 속도)와 점도(분산기에서 가공 온도 및 실제 전단 속도에서 분산하는 동안에 혼합물에서 발생하는 실제 점도)의 곱으로 표현할 수 있다. 발생하는 최대 전단 속도가 분산기의 장치 매개변수에 의해 미리 결정되는 본 발명의 방법의 바람직한 한 실시태양에서, 혼합물의 점도는 점도와 전단 속도의 곱이 최소 응력 이상, 바람직하게는 75,000 Pa 이상, 특히 바람직하게는 90,000 Pa 초과, 가장 바람직하게는 100,000 Pa 초과이도록 선택한다. 혼합물의 점도가 규정된 본 발명의 방법의 추가의 바람직한 한 실시태양에서, 분산기의 전단 속도는 분산기에서 발생하는 최대 전단 속도와 점도의 곱이 최소 응력 이상, 바람직하게는 75,000 Pa 이상, 특히 바람직하게는 90,000 Pa 초과, 가장 바람직하게는 100,000 Pa 초과이도록 선택한다.

종래 기술에 따르면, CNT 응집체를 파쇄하기 위해 높은 전단력을 도입하는 것이 알려져 있다. 그러나, 종래 기술에 따르면, 응집체의 양호한 적심 및 응집체에 유체의 침입을 보장하기 위해서는 낮은 점도가 권장된다. 놀랍게도, 높은 점도가 응집체 파쇄에 유리하다는 것을 발견하였다.

게다가, 에너지 투입량을 증가시키면 CNT는 더 잘 분리되지만 CNT의 길이가 끊임없이 감소할 것이라는 점을 예상했을 것이다. 일반적으로 승인된 이론에 따르면, 일정한 CNT 함량 및 분산 정도에서 길이/직경 비(종횡비)를 감소시키면 전기 전도도가 감소하기 때문에, 에너지 투입량을 증가시키면 CNT의 분리가 더 나아지기 때문에 전기 전도도가 처음에는 증가하지만, 그 후에는, CNT의 l/d 비가 감소하기 때문에 다시 감소할 것이다. 놀랍게도, 산업용 연속 분산기에서는 에너지 투입량이 높을 때조차도, 전기 전도도가 다시 감소하지 않는다는 것을 발견하였다. 이것은 분산기(예를 들어, 압출기)에서 6 - 90 s의 통상의 체류 시간 동안에 발견하였다. 카살리월 등(G. Kasaliwal, A. Goeldel, P. Poetschke, Influence of processing conditions in small scale melt mixing and compressing molding on the resistivity of polycarbonate-MWNT composites, Proceedings of the Polymer Processing Society, 24th Annual Meeting, PPS24, June 15-19, 2008 Salerno, Italy)은 높은 회전 속도에서는 CNT 응집체가 더 잘 분산되므로 전도도가 더 나아져야 할지라도, 마이크로컴파운더에서 회전 속도가 높을 때 전도도가 부분 감소한다는 것을 보고하였다. 이 경우, 카살리월 등은 마이크로컴파운더에서 5 분의 긴 체류 시간을 선택하였기 때문에, CNT의 단축이 발생할 수 있다. 연속으로 작동되는 산업용 분산기(예를 들어, 이축 스크류 압출기)에서는 체류 시간이 상당히 더 짧다. 예를 들어, 20 ㎏/h의 처리량에서 L/D 비가 36인 동회전 이축 스크류 압출기 ZSK 26 Mc(코페리온 워너 앤드 플레이더러)에서 평균 체류 시간은 약 30 초이다. 어느 일정 충전 정도에서, 5 분의 체류 시간의 절반 이상을 달성하기 위해서는 압출기가 5 배 더 길어야 할 것이다(L/D = 180). 통상의 산업용 컴파운딩 압출기는 20 내지 40의 L/D 비를 가진다.

분산물의 높은 점도는 예를 들어 물질의 선택에 의해 달성될 수 있다. 물질이 예를 들어 중합체인 경우, 더 높은 점도는 상대적으로 긴 사슬을 가지는 분자의 함량이 더 높은 유형을 선택함으로써 달성될 수 있다.

마찬가지로, 추가의 물질을 첨가함으로써, 예를 들어 충전제, 예를 들어 (나노 크기) 발열 실리카, 탄소 블랙, 흑연, 석회, 활석, (유리) 섬유, 운모, 카올린, CaCO₃, 유리 플레이크, 염료 및 안료(예를 들어, 이산화티탄 또는 산화철) 또는 다른 물질을 첨가함으로써 분산물의 점도를 증가시키는 것을 고려할 수 있다. 또한, 충전제 함량을 증가시키면 점도가 일반적으로 증가하기 때문에 높은 점도는 충전제(CNT 및/또는 기타)의 양에 의해 영향받을 수 있다.

온도를 증가시키면 점도가 일반적으로 크게 감소하기 때문에(예를 들어, 중합체 용융물의 점도), 본 발명의 방법의 바람직한 한 실시태양에서는 낮은 가공 온도를 이용해서 점도를 증가시킨다. 열가소성 중합체의 경우 분산기의 균질화 구역에서 가장 높은 점도가 발생한다는 것이 당업계 숙련자에게는 명백할 것이다. 본 발명의 방법의 바람직한 한 실시태양은 분산기(예를 들어, 이축 스크류 압출기)에서 특히 균질화 구역의 영역에서 온도를 낮은 값으로 설정하는 것을 포함한다. 일반적으로, 분산기에서 열가소성 중합체의 온도는 시작 지점에서 가장 낮고, 따라서, 낮은 온도 때문에 그 곳에서 점도가 더 높다.

본 발명의 방법의 바람직한 한 실시태양은 분산기를 통한 한 번의 통과로 CNT 응집체를 분산시키는 것을 포함하는데, 그 이유는 이것이 특히 경제적이기 때문이다. 컴파운드에 남아 있는 CNT 응집체의 요망되는 크기가 작을수록, 요구되는 응력이 더 높다. 요구되는 응력(전단 응력) 및 이와 관련된 요망되는 CNT 응집체 크기가 분산기를 통한 첫 번째 통과에서 달성될 수 없으면(예를 들어, 낮은 점도를 가지는 중합체의 경우), 바람직한 실시태양에서는, 분산기를 통한 첫 번째 통과에서 얻은 CNT 컴파운드를 분산기에서 다시(2 번 이상) 가공한다. 본 발명에 따르면, CNT 컴파운드의 점도는 매 번 통과할 때마다 분산된 CNT의 비율이 높아지기 때문에 증가하고, 이것은 또한 응력(전단 응력)을 증가시키고, 따라서 다음번 통과에서 분산 품질을 개선한다.

본 발명의 방법의 추가의 바람직한 한 실시태양에서는, 제 1 단계에서, 이후의 복합체에서 의도하는 것보다 더 높은 농도의 CNT를 물질에 혼입하고, 제 2 단계에서, CNT 농도를 "희석"하기 위해 분산물에 추가의 양의 물질을 첨가한다. 제 2 단계는 동일 분산기에서 하류에서 수행할 수 있지만, 동일 분산기 또는 다른 분산기에서 가외의 처리 단계로서 수행할 수 있다. 제 1 단계에서, 더 높은 농도의 CNT의 첨가는 충전제의 첨가와 동일한 효과를 가진다: 분산물의 점도가 증가한다. 이어서, 분산물에 전단력을 도입하여 CNT 응집체를 파쇄할 때, 전단 응력은 분산물에 더 적은 양의 CNT를 혼입하는 경우보다 더 높다. 따라서, 더 낮은 전단 속도로 최소 전단 응력이 달성되거나, 또는 더 높은 농도의 CNT 분산물의 경우에 전단 응력이 더 높다. 본 발명에 따르면, CNT의 인식할 수 있을 정도의 단축이 발생하지 않으면서 CNT 응집체가 효과적으로 파쇄된다. 제 2 단계에서는, 이어서, 요망되는 CNT 농도를 가지는 복합체에 도달하는 데 필요한 양의 동일한 물질 및/또는 상이한 물질을 첨가한다. 추가로, 제 2 단계에서 첨가되는 물질은 상이한 점도를 가질 수 있다. 본 발명의 방법의 바람직한 한 실시태양에서는, 제 2 단계에서, CNT 컴파운드의 추가 가공을 위해서는 더 낮은 점도가 유리하기 때문에 동일한 또는 더 낮은 점도를 가지는 물질을 첨가한다.

점도와 별개로, 요구되는 최소 응력을 달성하기 위해 또한 전단 속도를 증가시킬 수 있다. 분산기(예를 들어, 일축 스크류 압출기, 동회전 또는 역회전 이축 스크류 또는 다축 스크류 압출기, 특히, 동회전 이축 스크류 압출기, 예를 들어 ZSK 26 Mc(코페리온 워버 앤드 플레이더러), 유성 기어 압출기, 내부 혼합기, 고리 압출기, 혼련기, 캘린더, 코-니더)에서 전단 응력을 증가시키는 가능한 방법은 예를 들어 더 높은 회전 속도를 이용하는 것이다. 전단 속도를 증가시키는 추가의 가능한 한 방법으로서, 기계의 갭 폭을 작게 할 수 있다. 예를 들어, 캘린더는 매우 높은 전단 속도가 발생하는 특히 좁은 갭을 가진다.

본 발명의 방법의 추가의 바람직한 한 실시태양에서는, CNT가 고체 상태의 열가소성 중합체와 함께 일축 스크류 압출기 또는 동회전 또는 역회전 이축 스크류 또는 다축 스크류 압출기(여기서 언급할 수 있는 한가지 예는 동회전 이축 스크류 압출기 ZSK 26 Mc(코페리온 워너 앤드 플레이더러)임) 또는 유성 기어 압출기, 또는 내부 혼합기, 또는 고리 압출기, 또는 혼련기 또는 캘린더 또는 코-니더의 주요 공급 대역에 공급된다. CNT는 공급 대역에서 고체 상태 마찰에 의해 예비분산되어 고체 상태 혼합물을 생성한다. 공급 대역 다음에 있는 균질화 구역에서, 중합체가 용융되고, 이어서 CNT가 이 균질화 구역에서 주로 수력학적 힘에 의해 추가로 분산되어, 추가의 대역들에서는 중합체 용융물에 균질하게 분포된다.

실온에서 전단 속도 0에서 0.1 mPas 내지 500 Pas의 점도를 가지는 저점도 내지 중점도 매질 또는 500 Pa 이하의 항복점을 가지는 물질의 경우, CNT는 예를 들어 본 발명에 따라 처리되어 다음 장치 중 하나 또는 하나 초과의 조합에 의해 복합체를 생성한다: 제트 분산기, 고압 균질화기, 회전자-고정자 시스템(기어 고리 분산기, 콜로이드 밀, ...), 교반기, 노즐 시스템, 초음파.

저점도 매질(CNT 함유)의 경우에는, 예를 들어 초음파에 의해 높은 응력을 발생할 수 있다. 이 경우에 발생하는 공동화는 1000 bar 초과의 압력 펄스를 발생하고, 이러한 압력 펄스가 CNT 응집체를 효과적으로 파쇄한다. 저점도 매질(CNT 함유)은 예를 들어 고압(예를 들어, 10 bar - 1000 bar) 하에서 좁은 갭(예를 들어, 0.05 - 2 ㎜) 또는 상응하는 작은 구멍 또는 상응하는 작은 슬릿(고정된 성분 또는 이동하는 성분을 이용함)을 통과할 수 있고, 그 결과, 높은 응력이 발생한다. 이러한 유동의 경우 비록 그것이 예를 들어 난류일지라도 방정식 7 또는 방정식 10에 따라서 계산할 수 있다.

본 발명의 방법은 감소된 전기 저항, 높은 열 전도도 및 매우 양호한 기계적 성질을 가지는 균질하게 분산된 CNT를 가지는 CNT 복합체를 산업적 규모로 경제적으로 효율적인 방식으로 제조할 수 있다는 이점을 제공한다. 본 발명의 방법은 연속식으로 또는 회분식으로 실행할 수 있다; 바람직하게는, 그것은 연속식으로 실행할 수 있다.

또한, 본 발명은 본 발명의 방법에 의해 얻은 CNT 복합체를 제공한다.

추가로, 본 발명은 전기 전도성 물질, 전기 차폐성 물질, 또는 정전하를 전도하는 물질로서의 본 발명의 방법에 의해 얻은 CNT 복합체의 용도를 제공한다.

이하에서, 본 발명을 실시예 및 도면을 이용해서 예시하지만, 이에 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 플랜트의 공정 흐름도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 나타낸 플랜트에 이용된 이축 스크류 압출기의 개략적 종단면도를 나타낸다.
도 3은 CNT 복합체의 전기 표면 저항을 결정하는 측정 설비를 나타낸 도면을 나타낸다.
도 4는 실시예 1로부터의 CNT(처리되지 않음, 실험 1)의 현미경 사진을 나타낸다.
도 5는 실시예 1로부터의 CNT(산(HCl) 처리됨, 실험 2)의 현미경 사진을 나타낸다.
도 6은 CNT 응집체의 광학 현미경 사진을 나타낸다.
도 7은 실시예 3에서 이용된 PE 등급들의 점도를 나타낸 도면을 나타낸다.
도 8은 실시예 3의 실험 4로부터의 mLLDPE-CNT 컴파운드의 현미경 사진을 나타낸다.
도 9는 실시예 3의 실험 5로부터의 LLDPE-CNT 컴파운드의 현미경 사진을 나타낸다.
도 10은 실시예 3의 실험 6으로부터의 HDPE-CNT 컴파운드의 현미경 사진을 나타낸다.
도 11은 실시예 3의 실험 7로부터의 LDPE-CNT 컴파운드의 현미경 사진을 나타낸다.

실시예

도 1에 나타낸 플랜트는 공급 호퍼 (2), 생성물 방출 다이 (3) 및 배기구 (4)를 가지는 이축 스크류 압출기(1)로 주로 이루어진다. 압출기 (1)의 2 개의 동회전 스크류(나타내지 않음)는 모터 (5)에 의해 구동된다. CNT 복합체의 구성 성분(예를 들어, 중합체 1, 첨가제(예: 산화방지제, UV 안정화제, 이형제), CNT, 중합체 2(적당한 경우))은 공급 스크류 (8) - (11)에 의해 압출기 (1)의 공급 호퍼 (2)에 운반된다. 다이 플레이트 (3)으로부터 나가는 용융물의 스트랜드는 수조 (6)에서 냉각되어 고화된 후, 펠렛화기 (7)에 의해 절단된다.

이축 스크류 압출기 (1)(도 2 참조)은 그 중에서도 특히 10 개의 부분으로 구성된 배럴을 가지고, 그 안에 2 개의 동회전 인터메쉬 스크류(나타내지 않음)가 배열된다. CNT 응집체를 포함해서 컴파운딩될 성분들은 배럴 구역 (12) 위에 위치하는 공급 호퍼 (2)를 경유해서 압출기 (1)에 공급된다.

배럴 구역 (12) 내지 (13)의 영역에 공급 대역이 있고, 공급 대역은 바람직하게는 스크류 직경의 2 배(간략히 말하면, 2 DM) 내지 0.9 DM의 피치를 가지는 플라이트(flight)를 포함한다. 플라이트는 CNT 응집체를 CNT 복합체의 다른 구성 성분들과 함께 균질화 구역 (14),(15)로 운반하고, 고체 중합체 펠렛과 마찬가지로 고체 상태인 CNT 분말 사이의 마찰력에 의해 CNT 응집체를 강력하게 혼합하여 예비분산한다.

배럴 구역 (14) 내지 (15)의 영역에는 균질화 구역이 있고, 균질화 구역은 바람직하게는 혼련 블록을 포함하고; 별법으로, 중합체에 의존해서, 혼련 블록 및 기어 혼합 요소의 조합을 이용하는 것이 가능하다. 균질화 구역 (14),(15)에서는, 중합체 구성 성분들이 용융되고, 예비분산된 CNT 및 첨가제가 추가로 분산되어 복합체의 다른 성분들과 강력하게 혼합된다. 균질화 구역 (14),(15)의 영역에서 압출기 배럴이 가열되는 온도는 중합체의 용융점보다 더 큰 값(부분 결정성 열가소성 물질의 경우) 또는 유리 전이 온도보다 더 큰 값(비결정질 열가소성 물질의 경우)으로 설정한다.

배럴 구역 (16) 내지 (19)의 영역에서 균질화 구역 (14),(15)의 하류에 스크류의 이송 요소 사이에 후분산(after-dispersion) 대역이 제공된다. 이 후분산 대역은 혼련 및 혼합 요소를 가지고, 이들 요소는 용융물 스트림의 빈번한 재배치 및 넓은 체류 시간 분포를 야기한다. 이 방법으로, 중합체 용융물에 CNT의 특히 균질한 분포가 달성된다. 기어 혼합 요소를 이용하여 매우 양호한 결과가 달성된다. 게다가, CNT를 혼합하는 데에는 스크류 누락 요소(screw missing element), 편심 디스크, 역수송 요소 등이 이용될 수 있다. 별법으로, 미세 분산을 강화하기 위해 다수의 후분산 대역을 연속으로 배열하는 것도 또한 가능하다. 각 경우에서, 고체 상태에서의 예비분산, 중합체/중합체들의 용융 동안의 주분산 및 액상에서 일어나는 후속 미세 분산의 조합은 중합체에서 매우 균일한 CNT 분포를 달성하는 데에 중요하다.

휘발성 물질의 제거는 배럴 구역 (20)의 탈휘발 구역에서 배기구 (4)를 경유해서 달성되고, 배기구는 진공 시설(나타내지 않음)에 연결된다. 탈휘발 구역은 1 DM 이상의 피치를 가지는 플라이트를 포함한다.

마지막 배럴 구역 (21)은 압력 증강 대역을 포함하고, 컴파운딩되고 탈휘발된 생성물이 이 대역의 말단에서 압출기를 떠난다. 압력 증강 대역 (21)은 0.5 DM 내지 1.5 DM의 피치를 가지는 플라이트를 가진다.

이어서, 얻은 CNT 복합체(펠렛 형태)를 열가소성 물질을 가공하는 모든 공지 방법을 이용해서 추가로 가공할 수 있다. 특히, 사출 성형에 의해 성형품을 제조할 수 있다.

전기 표면 저항의 측정은 도 3에 나타낸 바와 같이 수행한다. 두 전도성 은 스트립 (23),(24)를 사출 성형에 의해 제조된 80 ㎜의 직경 및 2 ㎜의 두께를 가지는 원형 시험편 (22)에 적용하고; 이들 스트립 (23),(24)의 길이 B는 그들의 간격 L과 같고, 따라서 정사각형 영역 sq가 형성된다. 이어서, 저항 측정 기기 (25)의 전극을 전도성 은 스트립 (23),(24) 위에서 누르고, 측정 기기 (25)에서 저항을 읽는다. 3 x 10⁷ ohm/sq 이하의 저항에서는 9 V의 측정 전압을 이용하고, 3 x 10⁷ ohm/sq 초과에서는 100 V를 이용한다.

실시예 1

폴리카르보네이트(PC) (시판 제품인 마크롤론(Makrolon)® 2805 (바이엘 머티리얼사이언스 아게(Bayer MaterialScience AG)에서 제조함)에 다중벽 탄소 나노튜브(WO 2006/050903 A2에 기술된 촉매적 기상 침착에 의해 제조된 CNT, 예를 들어, 시판 제품인 베이튜브즈(Baytubes)® C 150P(바이엘 머티리얼사이언스 아게에서 제조함)로서 얻을 수 있음)를 혼입하는 것은 동회전 이축 스크류 압출기 모델 ZSK 26 Mc(코페리온 워너 앤드 플레이더러)에서 수행하였다. 실험 1에서는, 중합체 펠렛 및 CNT 모두를 주 공급 구역 또는 공급 호퍼 (2)를 경유해서 압출기에 공급하였다. 실험 2에서는, CNT를 산 세척(HCl)에 의해 정화하였다.

하기 표 1에 공정 매개변수를 나타내었다. 사용된 스크류 구성은 23.6 %의 혼련 요소를 가졌다.

용융 온도는 다이 플레이트 (3)을 떠나는 용융물의 스트랜드에서 직접 상업용 온도 센서를 이용해서 측정하였다.

비 기계적 에너지 투입량은 다음 방정식을 이용해서 계산하였다:

비 기계적 에너지 투입량 = 2*Pi*회전 속도*스크류 토크/처리량

(Pi = 원의 직경에 대한 원주의 비)

탄소 나노튜브/중합체 복합체에 존재하는 불완전하게 분산된 CNT 응집체의 수 및 직경은 CNT-중합체 복합체의 5 ㎝ 길이 스트랜드에 대해서 광학 현미경으로 측정하였다.

CNT 응집체의 크기는 두 실험 1과 2 사이에 유의한 차이가 없음을 관찰할 수 있었다. 요소들은 이미 상당한 마멸을 겪었기 때문에, 실제 갭은 약 1 ㎜이었다. 전단 응력이 증가하면 표면 저항이 감소하였고, 이것은 분리된 개개의 CNT의 비율이 증가하기 때문일 수 있다.

실시예 2

200 g의 카르복시메틸셀룰로오스(월로셀(Walocel) CRT 30G) 및 200 g의 MWNT(WO 2006/050903 A2에 기술된 촉매적 기상 침착에 의해 제조된 CNT, 예를 들어, 시판 제품인 베이튜브즈® C 150P(바이엘 머티리얼사이언스 아게에서 제조함)로서 얻을 수 있음)를 실온에서 9600 g의 물에 넣어서 교반하였다. 혼합물을 60 bar에서 제트 분산기에 의해 한 번 분산시켰다. 제트 분산기의 일반적인 기하학적 구조는 EP0101007 B1에 기술되어 있다. 사용된 제트 분산기는 1 ㎜의 직경을 갖는 구멍을 가졌다. 워그너(Wagner)로부터의 격막식 펌프(모델: 피니쉬(Finisch) 106 B-EX, 최대 압력 : 250 bar)를 실험에 이용하였다. 분산 후, 광학 현미경으로 약 80 ㎛의 최대 입자 크기를 관찰하였다.

뵐로프(Boellhoff)로부터의 피스톤 펌프(모델: 060.020.-DP, 최대 압력 : 420 bar)를 이용해서 100 bar에서 추가의 분산을 수행하였다. 0.6 ㎜의 직경을 갖는 구멍을 가지는 제트 분산기를 이용하였다. 처리량은 약 72 ㎏/h였다. 제트 분산기를 통과시킨 후, 현탁액을 모으고, 분산 단계를 반복하였다. 100 bar에서 총 10 회 통과시켜 분산을 수행하였다. 이어서, 광학 현미경으로 약 20 ㎛의 최대 입자 크기를 관찰하였다(도 6, 번호 1).

뵐로프로부터의 동일한 피스톤 펌프(모델: 060.020.-DP, 최대 압력: 420 bar)를 다시 한 번 이용해서 200 bar에서 추가의 분산을 수행하였다. 분산은 0.35 ㎜의 직경을 갖는 구멍을 가지는 제트 분산기를 이용해서 10 회 통과시켜서 수행하였다. 처리량은 약 47 ㎏/h였다. 이어서, 광학 현미경으로 약 10 ㎛의 최대 입자 크기를 관찰하였다(도 6, 번호 2).

이어서, 분산물을 0.35 ㎜의 직경을 갖는 구멍을 가지는 제트 분산기를 이용해서 200 bar에서 추가로 분산시켰다. 이 분산은 순환에 의해 수행하였다. 이것은 제트 분산기 통과 후 분산물을 모으지 않고 직접 펌프에 공급하는 것을 의미한다. 이 분산은 분산물이 약 45 ℃의 온도를 가질 때까지 계속하였다. 경과한 시간은 대략 5 회 통과에 상응하였다. 이어서, 200 bar에서 또다시 15 회 통과시켰다. 이것은 다시 분산물을 모은 후에 펌프에 공급하는 "진정한" 통과였다.

이러한 방식으로 처리된 분산물 2 L를 저장기에 넣고 1000 bar에서 균질화시켰다. 이 분산은 멕시메이터(Maximator)로부터의 공기역학적으로 작용하는 고압 피스톤 펌프(모델: GSF250-3LVES-494, 최대 정압: 4500 bar, 최대 동압 2500 bar) 및 0.2 ㎜의 구멍 직경을 가지는 오리피스 플레이트를 이용해서 수행하였다. 처리량은 약 21 ㎏/h였다. 매 번 통과 후마다, 분산물을 냉각 용기에 모았다. 5 회 통과 후, 광학 현미경으로 약 4 ㎛의 최대 입자 크기를 관찰하였다(도 6, 번호 3).

추가로 5 회 통과(총 10 회 통과) 후, 광학 현미경으로 약 3 ㎛의 최대 입자 크기를 관찰하였다(도 6, 번호 4).

추가로 5 회 통과(총 15 회 통과) 후, 광학 현미경으로 약 2 ㎛의 최대 입자 크기를 관찰하였다(도 6, 번호 5).

추가로 5 회 통과(총 20 회 통과) 후, 광학 현미경으로 약 1 ㎛의 최대 입자 크기를 관찰하였다(도 6, 번호 6).

제트 분산기의 난류성 유출 대역의 대표(평균) 전단 응력은 방정식 10에 따라서 계산할 수 있다. 이것은 다음과 같이 평가할 수 있는 난류성 유출 대역의 부피를 추가로 요구한다: 유출 대역은 노즐에서 직경 D 및 말단에서 직경 3D를 가지고 길이 9D를 가지는 원뿔대로 기술할 수 있다. 0.4 ㎜의 노즐 직경, 20 ㎏/h의 처리량, 1000 bar의 압력 강하(여기서, 유입 압력 및 유출 압력 강하는 무시함) 및 1x10^-1 Pas의 점도(CNT 응집체에 의해 참 점도는 상당히 증가함)에서, 방정식 10에 따르는 대표 전단 응력은 1.76 x 10⁴ Pa였다. 현실적으로 1 Pas의 실제 점도를 가정할 경우, 5.57 x 10⁵Pa의 대표(평균) 전단 응력을 얻었다.

실시예 3

4 개의 상이한 폴리에틸렌 등급(mLLDPE, LLDPE, HDPE, LDPE)(시판 제품: 바셀(Basell)에서 제조한 LF18P FAX(mLLDPE), LX18K FA-TE(LLDPE), HS GD 95555(HDPE), LP 3020 F(LDPE))에 다중벽 탄소 나노튜브(WO 2006/050903 A2에 기술된 촉매적 기상 침착에 의해 제조된 CNT, 예를 들어, 시판 제품인 베이튜브즈® C 150P(바이엘 머티리얼사이언스 아게에서 제조함)로서 얻을 수 있음)를 혼입하는 것은 동회전 이축 스크류 압출기 모델: ZSK 26 Mc(코페리온 워너 앤드 플레이더러)로 수행하였다. 모든 실험에서, 중합체 펠렛 및 CNT 모두를 주 공급 구역 또는 공급 호퍼 (2)를 경유해서 압출기에 공급하였다.

공정 매개변수를 하기 표 2에 나타내었다.

사용된 스크류 구성은 28.3%의 혼련 요소를 가졌다.

비 기계적 에너지 투입량 = 2*Pi*회전 속도*스크류의 토크/처리량

(Pi = 원의 직경에 대한 원주의 비)

종래 기술에서는 CNT와 PE 등급의 다양한 컴파운드의 상이한 전도도가 상이한 결정도 때문이었다(Effects of Crystallization on Dispersion of Carbon Nanofibers and Electrical Properties of Polymer Nanocomposites, S.C. Tjong, G.D. Liang, S.P. Bao, Polymer Engineering and Science 2008, pp177-183, DOI 10.1002/pen). 이 설명은 순수히 현상학적인 것이다. 수행된 실험에서는, 놀랍게도, 다양한 PE 등급-CNT 컴파운드의 상이한 전도도에 대해 더 나은 설명이 있음을 밝힐 수 있었다: 실시예 3은 다양한 PE 등급 및 동일한 컴파운딩 조건에서 CNT 응집체의 매우 상이한 전도도 및 상이한 분포를 나타내었다. 가공 조건(압출기에서의 대표적인 전단 속도가 1000 내지 수 1000 s^-1 정도임) 하에서 PE 등급의 점도가 높을수록, CNT 복합체에 대한 응력이 높고 CNT 응집체의 분산이 양호하다. 또한, 더 양호한 분산 품질 때문에 전도도가 증가하였다. 실시예 3은 양호한 전도도를 달성하고 CNT 응집체가 특정 크기 미만이 되기 위해서는 특정 응력이 필요하다는 것을 명백히 밝혔다. 전단 응력이 높을수록, 남는 CNT 응집체가 작아진다. CNT의 분산이 개선되기 때문에, CNT-PE 컴파운드를 전도성이 되게 하는 데에 더 작은 비율의 CNT가 필요하고; 퍼콜레이션 한계값이 낮은 CNT 함량으로 바뀐다. 이러한 실험은 ZSK18로 수행하였다. 이 기계 크기는 부피에 대한 표면적의 비가 특히 높고, 이 때문에 용융물이 굉장히 냉각된다. 이 기계 크기의 경우, 압출기 유출구에서 측정되는 용융물 온도는 기계에서의 실제 용융물 온도에 관해서 아무것도 나타내지 않으므로, 발생한 전단 응력의 계산을 생략한다.

처음 두 실시예의 경우에서 완전히 상이한 물질 시스템이 존재할지라도 CNT를 분산시키는 응력이 동일 차수이기 때문에, 가공하는 동안에 발생하는 가장 높은 전단 응력이 CNT 복합체의 전기 전도도 및 CNT 분산의 중요한 매개변수라는 가설은 옳은 것이다. 또한, 이러한 결론은 세 번째 실시예에 의해 지지된다.

Claims

분산기에서 소정의 크기 분포의 함수로서 실험에 의해 결정되는 최소 응력을 적어도 CNT 및 유체 물질을 포함하는 혼합물에 가하고, 상기 응력이 바람직하게는 분산기에서 발생하는 최대 전단 응력임을 특징으로 하는, 소정의 크기 분포를 갖는 탄소 나노튜브(CNT)를 포함하는, 감소된 전기 저항을 가지는 복합체의 제조 방법.
제1항에 있어서, 복합체에서 1 ㎟ 당 20 ㎛ 초과의 동등 구 직경을 가지는 CNT 응집체의 수가 CNT 농도(%)의 20 배 미만이고, 특히 바람직하게는 복합체에서 표면적 1 ㎟ 당 20 ㎛ 초과의 동등 구 직경을 가지는 CNT 응집체의 수가 CNT 농도(%)의 2 배 미만이어야 함을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 분산기에서 발생하는 최대 전단 응력이 75,000 Pa 이상임을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 사용된 분산기에서 발생하는 최대 전단 속도 Y에서의 혼합물의 점도가 75,000 Pa 이상을 Y로 나눈 값임을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 사용된 분산기의 전단 속도가 75,000 Pa 이상을 Z(여기서, Z는 이 전단 속도에서의 혼합물의 점도임)로 나눈 값임을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 분산기에서 혼합물의 최소 체류 시간이 6 s 내지 90 s, 바람직하게는 8 s 내지 30 s의 범위임을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 분산기에서 비 기계적 에너지 투입량이 0.1 kWh/㎏ 내지 1 kWh/㎏, 바람직하게는 0.2 kWh/㎏ 내지 0.6 kWh/㎏의 범위의 값을 가짐을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합물이 분산기에서 여러 번 응력을 받는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합물이 제 1 단계에서 75,000 Pa 이상의 제 1 응력을 받고, 응력을 받은 혼합물이 제 2 단계에서 동일하거나 또는 더 낮은 점도의 물질과 혼합되어 제 1 응력보다 낮은 추가의 응력을 받는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라서 제조된 복합체.
전기 전도성 물질, 전기 차폐성 물질, 또는 정전하를 전도하는 물질로서의 제10항의 복합체의 용도.