KR20140074694A - 다공성 ｐｔｆｅ 분리막 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PTFE 분리막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 균일한 미세공경을 생성하면서도 미세공경 편차가 최소화되며 기공도가 향상된 다공성 PTFE 분리막을 제조하는 방법 및 다공성 PTFE 분리막을 제공한다.

Description

다공성 ＰＴＦＥ 분리막 및 그 제조방법{Manufacturing method of PTFE membrane having porosity using blowing agent}
본 발명의 다공성 PTFE 분리막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 미세공경을 생성하면서도 미세공경 편차가 최소화되며 기공도가 향상된 다공성 PTFE 분리막을 제조하는 방법 및 다공성 PTFE 분리막을 제공하는 것이다.
고분자 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, 이하, "PTFE"라 함)은 높은 내화학성, 낮은 유전율 등의 특성을 가지며, 녹는점이 높고 내열성이 우수하기 때문에, 화학 및 전기 분야를 중심으로 폭 넓은 용도로 사용되고 있다. 또한, 마찰 계수나 표면 장력이 작은 특성을 이용하여 무윤활 접동부에 사용하는 부재 등 기계적 용도로도 널리 사용되고 있다. 통상적으로 PTFE로 이루어지는 다공체를 제조하는 방법으로는 주로 PTFE 분산액을 이용한 제막 및 연신법이 사용되며, 주로 연신법을 통해 피브릴-노드 구조의 공경을 갖는 다공성 필름을 제조하고 있다.
이 중 PTFE 여과재는 주로 PTFE 미세분말과 윤활제의 혼합물로 구성된 페이스트를 로드화 하고, 두 롤러 사이를 통과하는 압연공정을 거쳐 시트상태로 성형한 후, 윤활제를 제거한 뒤에 연신하는 방법으로 막을 다공화하는 기술, 즉 PTFE 평막의 제조방법은 널리 알려져 있다.
구체적으로 PTFE의 연신에 의해 제조한 PTFE 다공질체는, 다수의 미세한 피브릴(미세섬유)과 상기 피브릴에 의해서 서로 연결된 다수의 노드(결절)로 이루어지는 미세구조를 가지고 있으며, 이 미세구조가 연속 기공성의 다공질 구조를 형성하고 있다. 이때, 연신 PTFE 다공질체는, 연신 조건을 제어함으로써 구멍직경이나 기공률 등의 다공질 구조를 어느 정도 조절할 수 있으나 제막강도의 유지를 위하여 한정된 범위의 연신비 내에서 연신이 가능하므로 기공도를 근본적으로 향상시키기 어려운 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 해결하려는 과제는 탄소나노튜브 자체의 물성 감소를 최소화하고 균일하게 분산시키며 탄소나노튜브와 고분자 간의 인력을 증가시켜 균일한 미세기공을 갖는 다공성 PTFE 분리막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 (1) 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분말, 액상 윤활제, 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계; (2) 상기 페이스트를 압축기에서 압축하여 예비성형체를 제조하는 단계; (3) 상기 예비성형체를 시트로 제조하는 단계; 및 (4) 상기 시트를 가열하여 액상 윤활제를 제거하는 단계; 를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, (1) 단계가 (ⅰ) 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하는 단계; 및 (ⅱ) 상기 혼합물, 액상 윤활제 및 PTFE 분말을 혼합하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 페이스트는 PTFE 100 중량부에 탄소나노튜브 0.1 ~ 5 중량부, 액상 윤활제 20 ~ 25 중량부 및 계면활성제 0.2 ~ 10 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, (ⅱ)단계는 혼합물을 액상 윤활제에 첨가한 후 초음파 처리하여 분산시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 액상 윤활제는 유동 파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌, 알콜, 케톤 및 에스테르로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 탄소나노튜브의 평균입경은 1 ~ 100 ㎚이며 평균길이는 1 ~ 100 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, (3) 단계로 예비성형체를 식각하여 시트두께 0.01 ~ 0.1㎜로 시트를 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, (3) 단계로 예비성형체를 압출성형한 후 롤링하여 시트두께 0.01 ~ 0.8 ㎜로 시트를 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, (4)단계 이후에 상기 액상 윤활제가 제거된 시트를 연신하는 단계 및 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 (1) 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하는 단계; (2) 상기 혼합물에 PTFE 분산용액을 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계; (3) 상기 페이스트를 지지체상에 캐스팅하여 박막을 형성하는 단계; 및 (4) 상기 박막을 경화시킨 후 박리하여 시트를 제조하는 단계; 를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 액상 윤활제는 유동 파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌, 알콜, 케톤 및 에스테르로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 탄소나노튜브의 평균입경은 1 ~ 100 ㎚이며 평균길이가 1 ~ 100 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, (4)단계의 시트두께는 10 ~ 800 ㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 페이스트는 PTFE 100 중량부에 탄소나노튜브 0.1 ~ 5 중량부, 액상 윤활제 20 ~ 25 중량부 및 계면활성제 0.2 ~ 10 중량부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 PTFE 분리막에 있어서, 탄소나노튜브를 포함하며, 평균기공크기가 1 ~ 250 ㎚이고, 소정의 평균기공크기의 ± 10% 범위 내에 전체 기공 중 85% 이상의 기공이 존재하는 다공성 PTFE 분리막을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, PTFE 분리막의 강도는 10 ㎫ 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, PTFE 분리막의 기공도는 40% 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, PTFE 분리막은 PTFE 100 중량부에 탄소나노튜브 0.1 ~ 5중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 PTFE 분리막 및 그 제조방법은 낮은 연신비에서도 손쉽게 PTFE 분리막의 기공도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 나아가 연신하는 공정없이도 균일한 미세기공을 가지며 미세기공의 편차가 최소화된 PTFE 분리막 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PTFE 분리막의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 압축기의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 사용될 수 있는 압출기의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 롤러의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 MDO(기계방향연신)의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 TDO(수직방향연신)의 모식도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이, PTFE 분리막의 평균기공크기를 작게 하기 위해서는 낮은 연신비로 연신하여 PTFE 분리막을 제조하여야 하나 이 경우 기공도가 현저하게 떨어지는 문제가 있었다.
이에 본 발명의 다공성 PTFE 분리막의 제조방법은 (1) 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분말, 액상 윤활제, 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계; (2) 상기 페이스트를 압축기에서 압축하여 예비성형체를 제조하는 단계; (3) 상기 예비성형체를 시트로 제조하는 단계; 및 (4) 상기 시트를 가열하여 액상 윤활제를 제거하는 단계; 를 포함하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해 낮은 연신비에서도 손쉽게 PTFE 분리막의 기공도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 나아가 탄소나노튜브를 이용하며 탄소나노튜브 자체 물성 감소를 최소화하면서 균일하게 분산시키며 탄소나노튜브와 PTFE 감의 인력을 증가시킨 분리막을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PTFE 분리막의 제조방법을 나타내는 흐름도로서 이를 중심으로 본 발명의 PTFE 분리막의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, (1) 단계로서 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분말, 액상 윤활제, 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하여 페이스트를 제조한다(S1). 본 발명의 혼합물에 포함되는 탄소나노튜브는 통상적으로 사용하는 것이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 탄소나노튜브의 평균입경은 1 ~ 100 ㎚이며 평균길이는 1 ~ 100 ㎛을 사용할 수 있다. 만약 평균입경이 1 ㎚ 미만의 탄소나노튜브를 사용할 경우, 탄소나노튜브가 파단되는 문제가 발생할 수 있으며, 평균입경 100 ㎚가 초과하는 탄소나노튜브를 사용할 경우, 연신법에 비해 경제적 이점이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만약 평균길이가 1 ㎛ 미만의 탄소나노튜브를 사용할 경우, 분리막의 두께보다 짧기 때문에 공경이 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 평균입경이 100 ㎛ 초과의 탄소나노튜브를 사용할 경우, 탄소나노튜브가 파단되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 탄소나노튜브는 고분자에 직접적인 분산이 잘 이루어지지 않을 수 있다. 이로 인해 탄소나노튜브 자체 물성을 감소시키며, 불균일하게 공경이 형성되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일실시예에서는 상기 (1)단계가 (ⅰ) 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하는 단계; 및 (ⅱ) 상기 혼합물, 액상 윤활제 및 PTFE 분말을 혼합하는 단계; 를 포함하여 탄소나노튜브의 분산을 용이하게 수행할 수 있다. 그 결과 탄소나노튜브의 자제 물성 감소를 최소화하면서 균일하게 분산되고 탄소나노튜브와 고분자 간의 인력을 증가시키는 장점이 있다.
먼저 (ⅰ) 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합한다. 상기와 같이, 계면활성제에 탄소나노튜브를 먼저 혼합하는 이유는, 이로 인해 고분자에 탄소나노튜브를 균일하게 분산시킬 수 있기 때문이다.
본 발명의 페이스트에 포함되는 계면활성제는 탄소나노튜브를 수용액상에 분산시키는 역할을 수행하기 위한 것으로서, 탄소나노튜브 분산이 가능한 물질이라면 특별히 한정되지 않는다.
다음으로, (ⅱ)단계는 상기 혼합물, 액상 윤활제 및 PTFE 분말을 혼합한다. 본 발명의 일구현예에 따르면, (ⅱ) 단계는 액상 윤활제에 상기 혼합물을 첨가한 후 초음파 처리하여 액상 윤활제에 혼합물을 분산시키는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 액상 윤활제는 PTFE 미세분말의 표면을 적시면서 원활한 압출, 캘린더 공정 및 프리폼 형성을 수행하기 위한 것으로서, 시트로 성형 후 열에 의한 증발추출 등의 수단에 의해 제거 가능한 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 액상 윤활제로서, 유동파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌 등의 탄화수소 오일 외에, 각종 알코올류, 케톤류, 에스테르류 등이 사용될 수 있다. 상기 초음파 처리는 30 ~ 50 kHz 범위 내에서 0.5 ~ 1 시간 동안 처리할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다.
본 발명의 페이스트에 포함되는 폴리테트라플루로로에틸렌(PTFE) 분말은 통상적으로 PTFE 분리막에 사용되는 것이면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 PTFE 분말의 평균입경은 300 ~ 500 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 분자량 등도 특별히 제한되지 않으며 시판의 제품을 사용해도 무방한 바, 그 예로서는, Algoflon DF-130 (Solvay),Dyneon 2029Z (3M), Polyflon F-104 (Daikin) 등을 들 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 페이스트는 PTFE 100 중량부에 탄소나노튜브 0.1 ~ 5 중량부, 액상 윤활제 20 ~ 25 중량부 및 계면활성제 0.2 ~ 10 중량부를 포함할 수 있다. 만일 탄소나노튜브가 0.1 중량부 미만이면 제조된 PTFE의 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 5 중량부를 초과하면 탄소나노튜브가 서로 응집되는 문제 및 PTFE 분리막의 생산가가 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
다음, (2) 단계로서, 상기 페이스트를 압축기에서 압축하여 예비성형체를 제조한다(S2). 구체적으로 본 발명에 사용될 수 있는 압축기는 통상적으로 고분자 분리막의 압축에 사용되는 것이면 제한없이 사용될 수 있다. 도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 압축기의 모식도로서 상기 (1) 단계에서 제조된 페이스트가 분리막 제조용 압축기(20) 내부로 유입되면, 압력을 가하여 페이스트를 예비성형체(21)로 성형할 수 있다. 이 경우 압축기의 형상에 따라 다양한 단면을 갖는 예비성형체를 제조할 수 있으며 예비성형체의 크기 역시 조건에 따라 설정될 수 있다.
한편, 압축기 내부의 온도 및 압력은 통상의 PTFE 분리막 제조 시 적용되는 압축기의 조건에 따라 설정할 수 있으며, 바람직하게는 20 ~ 70℃ 및 0.1 ~ 2 ㎫의 압력에서 수행될 수 있다.
다음, (3) 단계는 상기 예비성형체를 시트로 제조한다(S3). 본 발명에서 시트를 형성하는 방법은 식각, 또는 압출성형 및 롤링하는 방법을 통해 제조될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 예비성형체를 압출성형하여 압출물을 제조한 후 상기 압출물을 롤링하여 시트형상으로 제조할 수 있다. 구체적으로 본 발명에 사용될 수 있는 압출기는 통상적으로 고분자 분리막의 제막에 사용되는 것이면 제한없이 사용될 수 있다. 도 3은 본 발명에 사용될 수 있는 압출기의 모식도로서, 상기 (2) 단계를 거친 예비성형체는 압출기(30)의 내부로 투입되며, 압출기(30)의 내부를 거치면서 압출물(31)이 압출된다. 이 경우 압출기(30)의 형상에 따라 다양한 단면을 갖는 압출물(31)을 제조할 수 있으며 바람직하게는 로드(rod) 형상을 가질 수 있다. 압출물의 크기 역시 조건에 따라 설정될 수 있다. 압출조건은 통상의 PTFE 분리막의 압출공정의 조건에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 상기 압출성형은 50 ~ 80 ℃에서 1 ~ 3 ㎫의 압력에서 수행될 수 있다.
상기 압출물을 롤링하여 시트형상으로 제조하는 것은 도 4에 도시된 롤과 같은 롤을 사용할 수 있다. 도4는 이의 개략도로서 상기 압출된 압출물이 캘린더 롤(40)을 통과하면 시트형상(41)으로 펴지게 된다. 이 경우 바람직하게는 상기 시트는 0.01 ~ 0.8 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 상기 롤링은 바람직하게는 50 ~ 80 ℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 예비성형체를 식각하여 시트를 제조할 수 있다. 이 경우 바람직하게는 상기 시트는 0.01 ~ 0.1 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 상기 식각은 바람직하게는 20 ~ 70 ℃에서 2 ~ 8 ㎫의 압력에서 수행될 수 있다. 상기 식각을 35 ~ 55°나이프를 수단으로 사용하여 실시할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
다음, (4) 단계로서 상기 시트를 가열하여 액상 윤활제를 제거한다(S4). 구체적으로 상기 시트의 가열온도는 액상 윤활제가 제거되는 정도의 온도이면 족하나 바람직하게는 110 ~ 180 ℃일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, (4) 단계 이후 단계로서, 상기 액상 윤활제가 제거된 시트를 연신하는 단계 및 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 통상의 PTFE 시트는 롤러를 통해 이송되는데 이 경우 롤러간의 속도차를 이용하여 2축 연신을 수행한다. 구체적으로 도 5는 상기 액상 윤활제가 제거된 시트(50)을 종연신하는 공정을 나타내는 개략도이고, 도 7은 종연신된 시트(60)을 횡연신하는 공정을 나타내는 개략도로서 상기 종연신과 횡연신은 순서와 관계없이 수행될 수 있다. 이 경우 바람직하게는, 종연신이든 횡연신이든 최초 연신인 1축연신인 경우 3 ~ 15 배로 연신하고 2축연신 5 ~ 15 배로 연신할 수 있다.
한편, 상기 (3) 단계에서 예비성형체를 식각하여 시트를 제조할 경우, 상기 연신하는 단계는 수행하지 않는 것이 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 기공을 균일하게 유지할 수 있다.
상기 시트 소결시 소결온도는 300 ~ 400℃에서 10초 내지 10분간 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PTFE 분리막의 제조방법 설명하면 다음과 같다.
먼저, (1) 단계로서 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하여 혼합물을 형성한다.
다음으로, (2) 단계는 상기 혼합물에 PTFE 분산용액을 혼합하여 페이스트를 제조한다. 상기 PTFE 분산용액은 통상적으로 PTFE 분리막에 사용되는 것이라면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 용액 내에 PTFE가 5 ~ 60 % 포함된 것을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한, 본 발명의 PTFE 분산용액의 용매는 PTFE 분말을 균일하게 분산시킬 수 있는 것이라면 제한없이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 물 및 C1 ~ C5의 알코올로 이뤄진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 페이스트는 PTFE 분산용액 100 중량부에 탄소나노튜브 0.1 ~ 5 중량부 및 계면활성제 0.2 ~ 10 중량부를 포함할 수 있다. 만일 탄소나노튜브가 0.1 중량부 미만이면 제조된 PTFE 분리막의 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 5 중량부를 초과하면 제조된 PTFE 분리막의 생산가가 상승하는 문제가 발생할 수 있다.
다음, (3) 단계로, 상기 페이스트를 지지체상에 캐스팅하여 박막을 형성한다. 이 경우 바람직하게는 상기 시트는 0.02 ~ 0.2 ㎜의 두께를 가질 수 있으며, 캐스팅시 온도는 40 ~ 120 ℃일 수 있다. 본 발명에서 사용하는 지지체는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리술폰(PSf), 폴리플루오르화물비닐리덴(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로폴리머(PTEE) 등의 소재를 사용할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
다음으로 (4) 단계는 상기 박막을 경화시킨 후 박리하여 시트를 제조한다. 구체적으로 상기 박막의 경화시 온도는 통상적으로 박막을 경화시킬 수 있는 정도의 온도이면 족하나 바람직하게는 20 ~ 40 ℃일 수 있다. 이 경우 바람직하게는 상기 시트는 0.02 ~ 0.2 ㎜의 두께를 가질 수 있다.
상술한 방법을 통해 제조된 본 발명의 다공성 PTFE 분리막은 평균기공크기가 1 ~ 250 ㎚이며, 소정의 평균기공크기의 ± 10% 범위 내에 전체 기공 중 85 % 이상의 기공이 존재한다. 예를 들면, 예를 들어, 다공성 PTFE 분리막의 평균기공크기가 50 ㎚ 라면 ± 5 ㎚ 범위인 45 ~ 55 ㎚ 범위에 전체 기공 중 85 %의 기공이 집중된다는 의미이다. 이렇게 작은 기공크기를 가지면서도 기공도는 40%이고 인장강도가 10 ㎫ 이상을 가진다. 또한, 본 발명의 다공성 PTFE 분리막은 PTFE 100 중량부에 탄소나노튜브 0.1 ~ 5중량부를 포함할 수 있다. 만일 탄소나노튜브가 0.1 중량부 미만이면 제조된 PTFE 분리막의 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 5 중량부를 초과하면 제조된 PTFE 분리막의 생산가가 상승하는 문제가 발생할 수 있다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1.
탄소나노튜브의 분산을 위해 PTFE 중량 대비 5중량%의 평균입경이 50㎚이며 평균길이가 50 ㎛인 탄소나노튜브를 20 ㎖의 계면활성제(FC-4432, 3M)에 넣어주고 45kHz의 초음파로 40분간 분산시켰다. 상기 혼합물을 액상 윤활제인 유동파라핀(Isopar-H, Exxonmobil) 200 g에 첨가한 뒤 PTFE 미세 파우더(DF-130, Solvay) 800g과 혼합하여 35℃에서 24시간 동안 숙성한 뒤 0.4 ㎫로 압축하여 예비형성체를 형성하였다.
상기 예비성형체를 45°나이프로 식각하여 두께 22 ㎛의 PTFE 시트를 형성하였다. 이 후, PTFE 시트를 370 ℃로 가열하여 소결시켜 두께 20 ㎛의 PTFE 분리막을 제조한다.
상기에서 제조된 PTFE 분리막은 평균기공 크기가 51.3 ㎚이고 ± 3.1 ㎚ 범위 내에 전체 기공 중 90 %이상의 기공이 분포하였다. 또한 상기 PTFE 분리막은 기공도가 40.5%이고 강도는 15.2 ㎫ 를 나타내었다.
실시예 2.
탄소나노튜브의 분산을 위해 PTFE 중량 대비 5 중량부의 평균입경이 50㎚이며 평균길이가 50 ㎛인 탄소나노튜브를 20 ㎖의 계면활성제(FC-4432, 3M)에 넣어주고 45kHz의 초음파로 40분간 분산시켰다. 상기 혼합물을 PTFE 분산용액(Algoflon D, Solvay)에 첨가한 뒤, 폴리프로필렌에 캐스팅하여 박막을 형성하고, 이 박막을 20℃에서 1시간 동안 굳힌 후 박리하여 두께 20 ㎛의 PTFE 시트를 형성하였다.
상기에서 제조된 PTFE 분리막은 평균기공 크기가 50.7 ㎚이고 ± 4.2㎚ 범위 내에 전체 기공 중 90 %이상의 기공이 분포하였다. 또한 상기 PTFE 분리막은 기공도가 45 %이고 강도는 10.3 ㎫ 를 나타내었다.
실시예 3.
탄소나노튜브의 분산을 위해 PTFE 중량 대비 5 중량%의 평균입경이 50㎚이며 평균길이가 50 ㎛인 탄소나노튜브를 20 ㎖의 계면활성제(FC-4432, 3M)에 넣어주고 45kHz의 초음파로 40분간 분산시켰다. 상기 혼합물을 액상 윤활제인 유동파라핀(Isopar-H, Exxonmobil) 200 g에 첨가한 뒤 PTFE 미세 파우더(DF-130, Solvay) 800g과 혼합하여 35℃에서 24시간 동안 숙성한 뒤 0.3 ㎫로 압축하여 예비성형체를 형성하였다.
상기 복합체를 18 ㎫의 압력으로 원형의 2 ㎜ 두께로 압출 성형하고, 롤에 의해 3회 압연하였으며, 370 ℃에서 소결하여 두께 0.5 ㎜의 PTFE 시트를 형성하였다. 이 후, PTFE 시트를 150 ℃로 가열하여 유동 파라핀을 제거한 뒤, 롤러 간 속도 차에 의해 종방향 2배 연신하고, 상기 연신방향과 수평인 횡방향으로 2배 연신하여 두께 20㎛ PTFE 필름을 제조하였다.
상기에서 제조된 PTFE 분리막은 평균기공 크기가 247.4 ㎚이고 ± 12.37 ㎚ 범위 내에 전체 기공 중 85 %이상의 기공이 분포하였다. 또한 상기 PTFE 분리막은 기공도가 60 %이고 강도는 20.9 ㎫ 를 나타내었다.
실시예 4.
평균입경이 1 ㎚이며 평균길이가 1㎛인 탄소나노튜브를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 이와 같이 상기에서 제조된 PTFE 분리막은 표면에 기공 형성이 되지 않아, 평균기공크기 및 기공도 측정이 불가능하였다. 또한 상기 PTFE 분리막의 강도는 16.0 ㎫를 나타내었다.
실시예 5.
탄소나노튜브, 계면활성제, 액상 윤활제 및 PTFE를 한꺼번에 혼합하여 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 이와 같이 상기에서 제조된 PTFE 분리막은 평균기공 크기가 52.1 ㎚이고 ± 6.7㎚ 범위 내에 전체 기공 중 90 %이상의 기공이 분포하였다. 또한 상기 PTFE 분리막은 기공도가 1.5 %이고 강도는 12.4 ㎫ 를 나타내었다.
비교예 1.
탄소나노튜브를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였다. 이와 같이 제조된 PTFE 분리막은 평균기공크기가 1133㎚이고 ± 114.9㎚ 범위 내에 전체 기공 중 80 %이상의 기공이 분포다. 또한 상기 PTFE 분리막은 기공도가 55 %이고 강도는 16.8 ㎫ 를 나타내었다.
실험예 1. 유량평가
상기 실시예 1 내지 5, 비교예 1에서 제조된 분리막에 대하여, 평막 평가장치의 직경이 90 ㎜인 샘플 홀더를 통해 일정한 압력(1bar)으로 투수량을 측정하였다.
구분 평균기공크기(㎚) 기공도(%) 강도(㎫) 투수량(LMH)
실시예 1의 분리막 51.3 40.5 15.2 57.8
실시예 2의 분리막 50.7 45.0 10.3 53.4
실시예 3의 분리막 247.4 60.0 20.9 215.0
실시예 4의 분리막 - - 16.0 12.1
실시예 5의 분리막 52.1 1.5 12.4 49.4
비교예 1의 분리막 1133.0 55.0 16.8 814.5
상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 탄소나노튜브를 포함하며 연신공정을 거치지 않은 PTFE 분리막(실시예 1 내지 2, 실시예 5)의 평균기공크기가 탄소나노튜브를 포함하며 연신공정을 거친 PTFE 분리막(실시예 3)의 평균기공크기보다 미세한 것을 확인할 수 있으며, 탄소나노튜브를 포함하며 연신공정을 거친 PTFE 분리막(실시예 3)의 평균기공크기가 탄소나노튜브를 포함하지 않으며 연신공정을 거쳐 제조된 PTFE 분리막(비교예 1)보다 미세한 기공이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

Claims (17)

  1. (1) 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분말, 액상 윤활제, 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계;
    (2) 상기 페이스트를 압축기에서 압축하여 예비성형체를 제조하는 단계;
    (3) 상기 예비성형체를 시트로 제조하는 단계; 및
    (4) 상기 시트를 가열하여 액상 윤활제를 제거하는 단계;
    를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 페이스트는 PTFE 100 중량부에 탄소나노튜브 0.1 ~ 5 중량부, 액상 윤활제 20 ~ 25 중량부 및 계면활성제 0.2 ~ 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 (1) 단계가
    (ⅰ) 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하는 단계; 및
    (ⅱ) 상기 혼합물, 액상 윤활제 및 PTFE 분말을 혼합하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 (ⅱ)단계에서 혼합물을 액상 윤활제에 첨가한 후 초음파 처리하여 분산시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 액상 윤활제는 유동 파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌, 알콜, 케톤 및 에스테르로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 평균입경은 1 ~ 100 ㎚이며 평균길이는 1 ~ 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 (3) 단계가 예비성형체를 식각하여 시트두께 0.01 ~ 0.1㎜로 시트를 제조하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 (3) 단계가 예비성형체를 압출성형한 후 롤링하여 시트두께 0.01 ~ 0.8 ㎜로 시트를 제조하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 (4)단계 이후에 상기 액상 윤활제가 제거된 시트를 연신하는 단계 및 소결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  10. (1) 계면활성제 및 탄소나노튜브를 혼합하는 단계;
    (2) 상기 혼합물에 PTFE 분산용액을 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계;
    (3) 상기 페이스트를 지지체상에 캐스팅하여 박막을 형성하는 단계; 및
    (4) 상기 박막을 경화시킨 후 박리하여 시트를 제조하는 단계;
    를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 액상 윤활제는 유동 파라핀, 나프타, 화이트 오일, 톨루엔, 크실렌, 알콜, 케톤 및 에스테르로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 평균입경은 1 ~ 100 ㎚이며 평균길이가 1 ~ 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 (4)단계의 시트두께는 10 ~ 800 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 페이스트는 PTFE 100 중량부에 탄소나노튜브 0.1 ~ 5 중량부, 액상 윤활제 20 ~ 25 중량부 및 계면활성제 0.2 ~ 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 다공성 PTFE 분리막의 제조방법.
  15. PTFE 분리막에 있어서,
    탄소나노튜브를 포함하며, 평균기공크기가 1 ~ 250 ㎚이고, 소정의 평균기공크기의 ± 10% 범위 내에 전체 기공 중 85% 이상의 기공이 존재하는 다공성 PTFE 분리막.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 PTFE 분리막의 강도는 10㎫ 이상이고 상기 PTFE 분리막의 기공도는 40% 이상인 것을 특징으로 하는 다공성 PTFE 분리막.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 PTFE 분리막은 PTFE 100 중량부에 탄소나노튜브 0.1 ~ 5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 PTFE 분리막.
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