KR20130091610A - 도전성 유리섬유의 제조방법 - Google Patents

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KR20130091610A
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Abstract

본 발명은 탄소섬유의 기계적 강도와 전기전도성 및 열전도성을 향상시킬 수 있는 도전성 유리섬유를 제조하여 차량용 플라스틱 재료의 나노필러로 활용함으로써 제품단가를 절감할 수 있는 도전성 유리섬유의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 도전성 유리섬유의 제조방법은 탄소나노소재 분산액을 제조하는 단계; 유리섬유를 표면 처리하는 단계; 상기 유리섬유에 탄소나노소재 분산액을 도포하는 단계; 및 상기 유리섬유에 도포된 탄소나노소재 분산액을 건조시켜 도전성 유리섬유를 제조하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

도전성 유리섬유의 제조방법{Manufacturing method for conductive glass fiber}
본 발명은 도전성 유리섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기계적 강성은 물론 전기전도성 및 열도성을 향상시킬 수 있는 도전성 유리섬유의 제조방법에 관한 것이다.
최근 차량용 및 고강성 플라스틱 재료를 제조함에 있어서 유리섬유의 활용이 필수적이 되었다.
특히 차량용 플라스틱 재료를 제조함에 있어 기계적인 강도뿐만 아니라 다양한 기능을 구현하기 위해 탄소소재를 첨가하여 전기전도성 및 열전도성을 가지도록 하고 있다.
그러나, 기존의 유리섬유를 플라스틱 재료에 첨가하는 경우에 플라스틱의 기계적인 강도를 향상시킬 수는 있지만, 전기전도도 및 열전도도의 기능을 구현할 수 없기 때문에, 많은 차량 제조업체 및 부품업체에서는 기계적인 강도와 전기전도성 및 열전도성의 기능을 플라스틱 재료에 부여하기 위해 고가의 탄소섬유를 플라스틱 내 함침시킴에 따라 제조원가를 상승시키는 문제점이 있다.
한편, 유리섬유나 탄소섬유를 고강성 플라스틱 재료의 필러로 사용할 경우에 일반적으로 용도에 따라 장섬유(Long fiber)와 단섬유(chopped fiber)로 분류할 수 있다.
장섬유를 플라스틱에 함침하는 제조공정은 단섬유를 함침하는 공정보다 복잡한 공정이 요구되고, 이에 따라 성형가공비의 증가로 결국 제품 단가가 상승하게 된다.
반면에 단섬유를 플라스틱에 함침하는 공정은 기존의 압출(extrusion) 및 사출(injection) 공정을 그대로 사용할 수 있고, 소형제품 및 박막성형이 가능하다는 장점이 있다.
따라서 최근에는 기능성 플라스틱 재료로 탄소섬유를 함침하기보다 단섬유 유리섬유와 전기전도성을 부여할 수 있는 탄소나노소재를 함께 복합화하여 복합 물성을 만족시키려고 하는 연구가 진행되고 있다.
단섬유 유리섬유와 탄소나노소재를 복합화하기 위해서는 탄소나노소재와 유리섬유를 고분자 내에서 고르게 분산시키면서 탄소나노소재의 전기전도성을 확보하기 위해 탄소나노소재를 고분자 내에 일정 함량 이상 넣어 주어야 한다.
그러나 탄소나노소재의 함량이 고분자 내에서 증가할수록 기계적인 강도가 현저히 저하되어 유리섬유의 기계적 보강효과가 떨어지고, 가격경쟁력에서도 큰 장점이 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 탄소섬유의 기계적 강도와 전기전도성 및 열전도성을 향상시킬 수 있는 도전성 유리섬유를 제조하여 차량용 플라스틱 재료의 나노필러로 활용함으로써 제품단가를 절감할 수 있는 도전성 유리섬유의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 도전성 유리섬유의 제조방법은 탄소나노소재 분산액을 제조하는 단계; 유리섬유를 표면 처리하는 단계; 상기 유리섬유에 탄소나노소재 분산액을 도포하는 단계; 및 상기 유리섬유에 도포된 탄소나노소재 분산액을 건조시켜 도전성 유리섬유를 제조하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 도전성 유리섬유의 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째로, 탄소나노튜브 분산액을 유리섬유의 표면에 도포하는 방식으로 탄소나노소재의 우수한 전기전도성 및 열전도성 기능을 유리섬유에 부여하여 기존의 유리섬유가 나타낼 수 없는 기능성 나노 복합 제품을 제조할 수 있다.
둘째로, 본 발명은 기계적 강도와 전기전도성 및 열전도성을 부여하기 위해 도전성 유리섬유로 기존에 고가의 탄소섬유를 대체함으로써 제조원가를 절감할 수 있고, 응용분야에 있어 상업적인 압출 및 사출 방법으로 전기전도성 및 열전도성 고분자 복합재를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도전성 유리섬유의 제조방법을 설명하기 위한 개념도
도 2는 단섬유 유리섬유의 현미경 사진
도 3은 탄소나노튜브가 코팅된 유리섬유의 현미경 사진
도 4는 뭉친 유리섬유의 현미경 사진
도 5는 탄소나노튜브가 코팅된 뭉친 유리섬유의 현미경 사진
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 바람직한 실시예를 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도전성 유리섬유의 제조방법을 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 단섬유 유리섬유의 현미경 사진이고, 도 3은 탄소나노튜브가 코팅된 유리섬유의 현미경 사진이고, 도 4는 뭉친 유리섬유의 현미경 사진이고, 도 5는 탄소나노튜브가 코팅된 뭉친 유리섬유의 현미경 사진이다.
본 발명은 기계적 강도, 전기전도성 및 열전도성을 모두 만족시킬 수 있는 도전성 유리섬유의 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 복합적 물성을 모두 만족시킴으로써, 도전성 유리섬유(1)를 차량용 플라스틱 재료의 나노필러로 활용하여 제품 단가를 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 도전성 유리섬유(1)의 제조방법은 기계적 강성이 우수한 단섬유 유리섬유(1)의 표면에 탄소나노소재 분산액을 도포함으로써, 단섬유 유리섬유(1)에 전기전도성 및 열전도성을 부여하여 기존의 유리섬유(1)로 나타낼 수 없는 기능성 나노 복합 제품, 예를 들면 도전성 플라스틱, 전자파 차폐 플라스틱, 방열 플라스틱 등을 제조할 수 있다.
상기 도전성 유리섬유(1)의 제조방법은 크게 탄소나노소재 분산액을 제조하는 단계와, 유리섬유(1)를 표면처리하는 단계와, 탄소나노소재 분산액을 도포하는 단계와, 탄소나노소재 분산액이 도포된 유리섬유(1)를 건조시켜 도전성 유리섬유(1)를 제조하는 단계로 이루어진다.
상기 탄소나노소재의 분산액은 총 중량비로 탄소나노소재(3) 5~50 중량%, 용매 5~70 중량%, 바인더 0.1~50 중량%로 조성된다.
상기 탄소나노소재(3)는 전기전도성 및 열전도성을 부여하기 위해 사용되며, 탄소나노튜브가 5 중량% 미만으로 첨가되는 경우에 탄소나노튜브 분산액을 제조하여도 원하는 전기전도성을 얻기 위해 여러 번 도포하는 과정을 반복해야 하고, 50 중량%를 초과하는 경우에는 분산액의 점도가 100,000 cps 이상으로 액상이 아닌 겔(gel) 처럼 되어 도포액으로 사용할 수 없기 때문에, 탄소나노튜브를 5~50 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.
탄소나노소재(3)로 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래파이트, 그래핀, 카본 블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 사용할 수 있다.
바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브를 사용할 수 있고, 분산액 제조 시 용매에 잘 분산되고, 분산 후 전기적인 특성을 유지하기 위해 길이 10~500 ㎛, 직경 20~50 ㎚의 다중벽 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 상기 탄소나노튜브의 길이가 너무 길면 분산액 제조 후 길이방향으로 탄소나노튜브 간의 반 데르 발스(van der waals)의 큰 힘으로 뭉치게 되고, 그 길이가 너무 짧으면, 분산액의 전기전도성이 저하되어 원하는 성능을 발휘하기 어려운 문제점이 있다.
상기 용매는 탄소나노소재(3)를 균일하게 분산시키기 위한 액체로 사용되며, 용매의 함량이 5 중량% 미만인 경우에는 분산액이 뭉쳐 겔화되고, 70 중량%를 초과하는 경우에는 흐름성이 너무 좋아 유리섬유(1)에 도포되지 않는 문제점이 있기 때문에, 상기 용매를 5~70 중량% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.
용매는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 아세톤(acetone), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 터피네올(terpineol), 아크릴릭 아크릴레이트(acrylic acrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 액체인 것이 바람직하다.
상기 바인더는 유리섬유(1)와 탄소나노튜브 사이의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되며, 바인더의 함량이 0.1 중량%인 경우에는 도포된 탄소나노튜브가 유리섬유(1) 표면에서 쉽게 박리되고, 50 중량%를 초과하는 경우에는 바인더로 인해 탄소나노튜브와 바인더 간의 상분리가 발생하는 문제점이 있기 때문에 바인더의 함량이 0.1~50 중량%인 것이 바람직하다.
상기 바인더는 폴리우레탄(poly urethane), 폴리아크릴(poly acryl), 폴리아크릴-우레탄(poly acryl-urethane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질인 것이 바람직하다.
이와 같은 조성 및 함량으로 조성된 탄소나노튜브 분산액의 점도는 50 cps 미만인 경우에는 물과 같이 흐름성이 좋게 되어 원하는 도포막을 얻을 수 없고, 10,000 cps 이상에서는 페이스트(paste)와 같이 외력에 의한 도포만이 가능한 단점이 있어서, 탄소나노튜브 분산액의 점도가 50~10,000 cps 인 것이 바람직하다.
탄소나노튜브가 도포된 유리섬유(1)의 건조 온도가 150℃ 미만인 경우에는 장시간 건조해야 용매가 건조되고, 250℃를 초과하는 경우에는 첨가제인 바인더가 산화되어 유리섬유(1)에서 쉽게 박리되기 때문에, 상기 건조온도를 적절하게 유지하여야 원하는 성능의 도전성 유리섬유(1)를 제조할 수 있다.
상기 유리섬유(1)로 촙(chop) 형태의 유리섬유를 사용한다. 이는 장섬유 유리섬유를 사용할 경우 공정상 많은 단점들이 있어 단섬유, 즉 촙 형태의 유리섬유(1)를 고강성 플라스틱 재료로 널리 사용한다.
촙 형태의 유리섬유(1)의 길이가 1mm 미만인 경우에 많은 양의 유리섬유(1)를 플라스틱 재료에 첨가하여도 그 길이의 한계로 기계적 물성을 향상시키기 어렵고, 오히려 굴곡 및 탄성물성이 현저하게 저하되는 현상이 발생하며, 촙 형태의 유리섬유(1)의 길이가 50 mm 이상 이면 압출 및 사출과정에서 전단력에 의해 길이가 절단되어 짧아지기 때문에 적정 길이 1~50 mm의 유리섬유(1)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유리섬유(1)의 직경이 5 ㎛ 이하로 너무 얇으면 탄소나노튜브 분산액을 도포하기 어렵고, 50 ㎛ 이상으로 너무 두꺼우면 압출 및 사출공정에서 직경방향으로 절단되어 조각으로 부서지기 쉬운 문제점이 있기 때문에, 직경 5~50 ㎛의 단섬유 유리섬유(1)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 촙 형태의 유리섬유(1) 표면에 탄소나노튜브를 도포하는 방법으로 스프레이(spray), 딥(dip), 자기조립(self-assembly), 메이어바(bar) 및 혼합(mixing)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 도포 방법을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 탄소나노소재 분산액 제조
프로판올 500㎖가 담겨진 용기에 다중벽 탄소나노튜브 100 g을 넣어 혼합하고, 다중벽 탄소나노튜브와 프로판올(용매)의 혼합액을 베스소닉(bathsonic, 40W)의 초음파 분산기에 올려놓고 초음파로 1시간 동안 분산시킨다.
다중벽 탄소나노튜브와 프로판올을 초음파로 분산시키는 이유는 다중벽 탄소나노튜브가 여러 가닥으로 꼬여 있어서 꼬인 가닥들을 풀어주고 탄소나노튜브의 길이를 적절한 크기로 조절하여 용매에 탄소나노튜브를 잘 분산시키고 분산후 전기적인 특성을 유지하기 위함이다.
상기 초음파로 전처리된 분산용액을 필터를 이용하여 다중벽 탄소나노튜브만을 걸러 100℃ 오븐에서 24시간 동안 건조한다.
그 다음, 건조된 탄소나노튜브 100 g과 터피네올(용매) 100 g, 폴리우레탄(바인더) 2g을 함께 유발(agate mortar)에 준비한 후 고르게 혼합하고, 3 롤 밀(roll mill)을 이용하여 단일상의 탄소나노튜브 분산용액을 제조한다.
이와 같이 제조된 탄소나노튜브 분산용액의 점도는 5,000~6,000 cps 이다.
2. 유리섬유(1) 표면처리
촙 형태의 유리섬유(1) 표면에 탄소나노튜브 분산액을 고르게 도포하기 위해 유리섬유(1) 100 g을 상압 플라즈마 발생기에 위치시키고, 상압에서 약 3kV의 전압으로 고르게 유리섬유(1)의 표면을 개질화시킨다.
개질된 유리섬유(1)의 표면에는 하이드록시기(-OH)가 형성되어, 탄소나노튜브와의 접착력을 향상시킬 수 있다.
3. 탄소나노튜브 분산액 도포
표면처리된 유리섬유(1) 100 g을 탄소나노튜브 분산액 100 ㎖에 넣고 잘 섞어 준다.
이때, 공전 및 자전이 동시에 발생하는 혼합기를 사용하여 가능한 많은 탄소나노튜브가 유리섬유(1)의 표면에 도포될 수 있도록 한다.
4. 도전성 유리섬유(1) 제조
탄소나노튜브 분산액이 도면된 유리섬유(1)는 200℃의 오븐에서 24 시간 동안 건조된다.
이와 같이 건조된 도전성 유리섬유(1) 103 g을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 탄소나노튜브 분산액을 유리섬유(1)의 표면에 도포하는 방식으로 탄소나노소재(3)의 우수한 전기전도성 및 열전도성 기능을 유리섬유(1)에 부여하여 기존의 유리섬유(1)가 나타낼 수 없는 기능성 나노 복합 제품을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 기계적 강도와 전기전도성 및 열전도성을 부여하기 위해 도전성 유리섬유(1)로 기존에 고가의 탄소섬유를 대체함으로써 제조원가를 절감할 수 있고, 응용분야에 있어 상업적인 압출 및 사출 방법으로 전기전도성 및 열전도성 고분자 복합재를 제조할 수 있는 장점이 있다.
1 : 유리섬유
3 : 탄소나노소재

Claims (8)

  1. 탄소나노소재(3) 분산액을 제조하는 단계;
    유리섬유(1)를 표면 처리하는 단계;
    상기 유리섬유(1)에 탄소나노소재(3) 분산액을 도포하는 단계;
    상기 유리섬유(1)에 도포된 탄소나노소재(3) 분산액을 건조시켜 도전성 유리섬유(1)를 제조하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도전성 유리섬유의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소나노소재(3)는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래파이트, 그래핀, 카본 블랙으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 도전성 유리섬유의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소나노소재(3) 분산액은 탄소나노소재(3) 5~50 중량%, 용매 5~70 중량%, 바인더 0.1~50 중량%인 것을 특징으로 하는 도전성 유리섬유의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 용매는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 아세톤(acetone), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 터피네올(terpineol), 아크릴릭 아크릴레이트(acrylic acrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 액체인 것을 특징으로 하는 도전성 유리섬유의 제조방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 바인더는 폴리우레탄(poly urethane), 폴리아크릴(poly acryl), 폴리아크릴-우레탄(poly acryl-urethane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 도전성 유리섬유의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리섬유(1)는 촙(chop) 형태로 이루어지며, 길이가 1~50 mm 이고, 직경이 5~50 ㎛인 것을 특징으로 하는 도전성 유리섬유의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 도포 방법은 스프레이(spray), 딥(dip), 자기조립(self-assembly), 메이어바(bar) 및 혼합(mixing)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 방법인 것을 특징으로 하는 도전성 유리섬유의 제조방법.
  8. 상기 탄소나노소재(3) 분산액의 점도는 500~10,000 cps 이고, 탄소나노소재(3) 분산액의 건조단계는 150~250℃ 온도 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 도전성 유리섬유의 제조방법.



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