KR20140085923A - 무단 벨트 - Google Patents

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KR20140085923A
KR20140085923A KR1020120155791A KR20120155791A KR20140085923A KR 20140085923 A KR20140085923 A KR 20140085923A KR 1020120155791 A KR1020120155791 A KR 1020120155791A KR 20120155791 A KR20120155791 A KR 20120155791A KR 20140085923 A KR20140085923 A KR 20140085923A
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endless belt
polyimide resin
aromatic diamine
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KR1020120155791A
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송상민
한송이
곽기남
박효준
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코오롱인더스트리 주식회사
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Abstract

본 발명은 무단 벨트에 관한 것으로, 보다 상세하게는,폴리이미드 수지 및 상기 폴리이미드 수지에 분산된 카본나노튜브를 포함하되, 상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대하여 카본나노튜브 0.1~2.0중량부를 포함하는 무단 벨트에 있어서, 상기 폴리이미드 수지는 방향족 이무수물; 방향족 디아민; 및 말단기 치환 방향족 디아민 및 말단기 치환 방향족 이무수물 중 적어도 1종;을 중합하여 제조된 폴리아믹산을 이미드화하여 얻어진 것으로, 상기 말단기 치환 방향족 이무수물 또는 말단기 치환 방향족 디아민의 함량은 전체 방향족 이무수물 관능기 또는 전체 방향족 디아민 관능기의 1mol% ~ 5mol%인 것임을 특징으로 하는 무단 벨트에 관한 것이다.

Description

무단 벨트{Seamless belt}
본 발명은 화상형성장치의 중간 전사 벨트로 사용할 수 있는 무단 벨트에 관한 것이다.
일반적으로 벨트의 용도는 매우 다양하며 전자기기, 자동차 또는 컨베이어 등과 같이 회전축과 전동기를 이용하는 산업에 있어서 기어를 대체하는 주요 부품으로 사용되어 왔다. 특히, 전자기기에 있어서 복사기나 레이저빔프린터, 팩시밀리 등에 사용되어 복사지나 전사지 위에 형성된 토너상을 정착 및 전사시키는 용도로 정착벨트 또는 중간전사벨트, 이송벨트로 사용되기도 하였다.
벨트는 대체로 회전하는 중에 정전기가 쉽게 발생하기 때문에 대전 방지 기능을 요구한다. 대전 방지 기능을 위한 반도전성은 전자기기에 있어서 토너 전사를 위한 물성으로 활용되기도 한다.
이러한 벨트는 관형 기준으로 직경이 20mm 수준인 소형 벨트에서부터 수 m 까지 다양하다. 그러나 대부분의 벨트는 평벨트 또는 V벨트 등을 이어 붙인 이음매가 있는 벨트인데, 이는 이음매 부위에 요철을 가지고 있고 이음매 부위의 표면 특성이 주변과 다른 문제점을 가지고 있다. 특히 벨트의 고른 평면을 이용하는 전자기기, 특히 칼라레이저 프린터의 중간전사 벨트는 벨트 표면의 요철이 광학 드럼에 손상을 입히거나 인쇄 화상의 품질을 저하시키기도 한다. 또한 이음매가 조금씩 뒤틀릴 경우 관형벨트의 직진성이 훼손되어 회전중에 사행(邪行)의 원인이 되기도 한다. 벨트의 사행으로 인해 구동롤로부터 벨트가 이탈하는 경우 기기 자체의 손상도 발생할 가능성이 있는 문제점이 있다.
따라서 관형 벨트에 이음매가 없다면 벨트 소재가 가지는 최대의 내구성을 얻을 수 있으며, 요철이 없기 때문에 회전 중에 벨트 또는 벨트와 접촉하는 사물이 튀는 현상을 방지할 수 있고, 용이하게 벨트의 직진성을 확보할 수 있다.
특히 프린터, 복사기, 복합기, 팩스 등의 전자기기용으로 사용되는 정착벨트, 중간전사벨트 등은 내오염성, 내열성, 방열특성, 탄성률, 제전성, 내구성, 발수성, 발유성, 및 대전방지 특성이 우수해야 하고, 토너(toner)를 전사시키는 기능을 위하여 적절한 표면저항값을 구비하는 특성이 요구되는데, 요구되는 표면저항 값보다 높거나 낮은 경우 이들의 대전방지특성, 전사성, 화상특성, 이형성 및 내오염성과 같은 물성이 저하되어 이로 인한 인쇄 화상 불량의 치명적인 결함이 발생될 수 있다.
이러한 정착벨트, 중간전사벨트 등의 제조에는 폴리카보네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 수지나 고무를 사용하고 있으며, 여기에 카본블랙, 등의 전도성 첨가제를 혼합, 분산시켜 제조한다. 그러나 인쇄의 고속화를 위해서는 전사 벨트의 주행 중에 변형에 의한 색 겹침 및 어긋남이 생기지 않고, 반복적으로 사용하는 데 견딜 만한 고탄성율과 고강도의 벨트가 요구되고, 또, 난연성도 요구되기 때문에 폴리이미드 수지가 바람직하게 사용된다. 또한 전도성 필러로서 카본블랙과 같은 전도성 첨가제를 사용하는데, 이의 경우 상당량이 첨가되지 않는 한 반도전성 수지의 전기전도성을 원하는 정도로 충분히 확보하기 어려우며 표면저항의 균일성을 확보하기 위해서는 다량의 분산제가 포함되어야 하는데, 이는 결과적으로 벨트의 내구성을 떨어뜨릴 수 있다.
폴리이미드 수지와 전도성 필러를 포함하는 무단벨트와 관련하여, 종래 기술로는 한국공개특허 2011-0032917에 개시된 기술을 들 수 있는데, 여기에는 폴리이미드 또는 폴리아미드이미드 수지를 포함하고, 열중량분석법에 의해 측정되는 5% 무게감소 개시온도가 300℃ 이상의 온도에서 존재하며, 표면저항값이 107~1013Ω/sq이고, 한 개의 제품 내 임의의 10군데 위치에서 잰 표면저항의 최대값과 최소값의 차이로 정의되는 표면저항 편차가 101 이하인 무단 벨트에 대해 기재하고 있다. 그러나, 상기 무단 벨트는 카본나노튜브의 분산 상태를 제어하기가 용이하지 않아 여전히 중간전사벨트로서 적용시 내구성 등의 문제가 있다.
또한, 중간전사벨트의 탄성율이 낮으면 고속 고화질 프린팅에서 구동될 때 벨트의 미세한 변형으로 인하여 선명한 화상을 구현하는데 한계를 가지게 된다. 특히, 카본나노튜브가 전도성 필러로 사용된 중간전사벨트의 경우 카본블랙에 비해 사용량이 적어 탄성율이 낮게 된다. 이의 개선을 시도한 카본나노튜브 중간전사벨트에 대한 연구는 진행된 것이 없다.
본 발명은 탄성율이 우수하고 내구성이 우수하며, 우수한 표면저항율의 균일성을 가지는 카본나노튜브가 도전성 필러로 사용된 무단벨트를 제공하고자 한다.
이에 본 발명은 바람직한 제1 구현예로서, 폴리이미드 수지 및 상기 폴리이미드 수지에 분산된 카본나노튜브를 포함하되, 상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대하여 카본나노튜브 0.1~2.0중량부를 포함하는 무단 벨트에 있어서, 상기 폴리이미드 수지는 방향족 이무수물; 방향족 디아민; 및 말단기 치환 방향족 디아민 및 말단기 치환 방향족 이무수물 중 적어도 1종;을 중합하여 제조된 폴리아믹산을 이미드화하여 얻어진 것으로, 상기 말단기 치환 방향족 이무수물 또는 말단기 치환 방향족 디아민의 함량은 전체 방향족 이무수물 관능기 또는 전체 방향족 디아민 관능기의 1mol% ~ 5mol%인 것임을 특징으로 하는 무단 벨트를 제공한다.
상기 구현예에 의한 카본나노튜브는 용매에 분산된 후 폴리이미드 수지에 분산되는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 카본나노튜브는 상기 카본나노튜브 그 직경이 5~20nm인 섬유상태 및/또는 그 입경이 5~20nm인 응집된 덩어리 상태인 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 방향족 이무수물은 비페닐 테트라 카르본산 이무수물(BPDA)인 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 방향족 디아민은 1,4-페닐렌디아민(1,4-PDA)을 방향족 디아민 전량에 대하여 40~100몰% 포함하는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 방향족 디아민은 1,3-페닐렌디아민(1,3-PDA), 4,4′-메틸렌디아닐린(MDA), 4,4′-옥시디아닐린(ODA) 및 4,4′-옥시페닐렌디아민(OPDA)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 상기 말단기 치환 방향족 이무수물은 비사이클로 헵텐 디카르복실릭 안하이드라이드(Nadic anhydride, Bicyclo[2.2.1]-5-heptene-2,3-dicarboxylic anhydride) 또는 안트라세닐에티닐 프탈릭 안하이드라이드 (4-(9-anthracenyl ethynyl)phthalic anhydride))이고, 상기 말단기 치환 방향족 디아민은 아미노 프로필 트리에톡시 실란(3-Aminopropyl triethoxy silane) 알콕시기 또는 아미노프로필 트리메톡시 실란(3-Aminopropyl trimethoxy silane) 알콕시기인 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 무단벨트는 표면저항율이 108~1013Ω/sq인 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 무단벨트는 표면 저항율 편차의 상용대수(common logarithm)치가 1.0 이하인 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 무단벨트는 인장 탄성율이 5,000MPa 이상인 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 무단벨트는 내절 강도가 20,000회 이상인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 무단벨트는 표면저항율에 균일성이 있고, 탄성율이 우수하며 내구성 저하가 극히 낮아 신뢰성이 요구되는 중간전사벨트로서 적절한 물성을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 카본나노튜브의 직경을 TEM(Transmission Electron Microscope, 투과전자현미경)을 이용하여 측정한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예(실시예 1)에 따른 카본나노튜브 분산액의 입도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 비교예(비교예 6)에 따른 카본나노튜브 분산액의 입도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 폴리이미드 수지 및 상기 폴리이미드 수지에 분산된 카본나노튜브를 포함하되, 상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대하여 카본나노튜브 0.1~2.0중량부를 포함하는 무단 벨트에 있어서, 상기 폴리이미드 수지는 방향족 이무수물; 방향족 디아민; 및 말단기 치환 방향족 디아민 또는 말단기 치환 방향족 이무수물;을 중합하여 제조된 폴리아믹산을 이미드화하여 얻어진 것으로, 상기 말단기 치환 방향족 이무수물 또는 말단기 치환 방향족 디아민의 함량은 전체 방향족 이무수물 관능기 또는 전체 방향족 디아민 관능기의 1mol% ~ 5mol%인 것임을 특징으로 하는 무단 벨트에 관한 것이다.
본 발명은 폴리이미드 중합시 가교를 통하여 중간전사벨트의 탄성율을 개선 키고자 하는 것으로서, 특히, 말단기 치환법을 사용한 것을 특징으로 한다.
탄성율 개선을 위해 폴리이미드를 가교시키는 방법은 여러 가지가 있다. 다관능기의 아민 혹은 안하이드라이드를 사용하거나 말단기 치환법, 혹은 고분자사슬 내에 가교시킬 수 있는 기능기를 도입하여 기능기 끼리 반응 시키거나 가교제를 투입하여 기능기와 가교제끼리 반응 시키는 법등이 사용될 수 있다.
그러나 본 발명은 말단기 치환법을 사용하였으며 그중에서도 가교제를 투입하지 않고 말단기 끼리 반응 시켜 반응을 실시하였다.
이는 다관능기를 가지는 디아민 및 디안하이드라이드를 사용하거나 고분자사슬의 말단기를 가교가 가능한 치환기를 사용하여 가교시킴으로 탄성율을 개선할 수 있다.
종래 화상 형성 장치용 무단 벨트에 전도성을 부여하기 위한 필러로 카본블랙을 사용하는 방법이 알려져 있다. 그러나 절연의 성질을 가지는 폴리이미드 수지의 전도성을 토너 대전이 가능한 영역으로 높이는 데에는 10중량% 이상의 카본블랙을 첨가해야 하기 때문에 이와 같은 카본블랙의 대량 첨가물은 폴리이미드 수지가 기존에 가지고 있는 우수한 굴곡 특성을 저하시키는 문제점이 있었다. 하지만, 카본나노튜브의 적용은 탄성율 상승에는 효과가 없으므로 적용 프린터 종류에 따라서 이에 대한 개선의 필요성도 있다.
본 발명의 전도성 필러로는 카본나노튜브를 사용한다. 상기 카본나노튜브는 이이지마에 의하여 최초로 발견된 후로[S. Iijima, Nature Vol. 354, P.56(1991년)] 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 카본나노튜브는 기존의 재료에서는 찾아볼 수 없는 약 1.0~1.8TPa의 높은 탄성률 뿐만 아니라, 진공상태에서 2800℃의 온도에서도 견딜 수 있는 내열특성, 다이아몬드의 2배에 가까운 열전도도 및 구리와 비교하여 1000배 정도 높은 전류 이송 능력 등의 잠재적 물성으로 인하여 나노 스케일의 전기소자, 전자 소자, 나노센서, 광전자소자 및 고기능 복합재 등 모든 분야에서의 응용 가능성이 매우 높은 것으로 평가되고 있다.
카본나노튜브는 흑연판(graphite sheet)이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태이며, 그 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 영역의 물질을 말한다.
카본나노튜브는 구조에 따라 한 겹으로 된 단일벽 카본나노튜브, 여러 겹의 카본나노튜브가 동심원 상을 이루는 다중벽 카본나노튜브로 크게 분류된다. 단일벽 카본나노튜브는 직경이 1.0nm이며, 다중벽 카본나노튜브는 벽 수에 따라 직경이 2~100nm에 이른다. 단일벽 카본나노튜브는 전기전도성이 매우 우수한 반면 다중벽 카본나노튜브는 직경이 커질수록 전기전도성이 점점 떨어진다.
본 발명의 카본나노튜브는 직경이 5~20nm일 수 있으며, 직경이 5nm 미만일 경우 전기전도성이 매우 높으므로 화상 형성 장치로 사용되는 반도전성 무단벨트의 전기적 요구 특성을 만족하기 위해서는 매우 적은 양만 첨가해야 하므로 조작이 어려워지고, 무단벨트 내의 표면저항 편차를 조절하는 데에도 어려움이 있다. 또한 직경이 20nm를 초과하는 카본나노튜브를 사용할 경우 카본나노튜브 자체의 전기전도성이 떨어지므로 화상 형성 장치용 무단벨트에 요구되는 전기적 특성을 만족하기 위해서 많은 양의 카본나노튜브를 첨가해야 하며, 이는 카본블랙을 사용하는 것에 비하여 장점이 될 수 없다. 카본나노튜브의 직경을 TEM(Transmission Electron Microscope, 투과전자현미경)을 통하여 측정하면, 도 1과 같다.
본 발명의 일 구현예에 의한 무단 벨트에 있어서, 카본나노튜브는 제조된 초기 분말상태를 그대로 사용하는 것이 아니라, 폴리이미드 수지 내에 고르게 존재하도록 하기 위하여, 카본나노튜브를 용매에 첨가하여 분산된 상태로 사용할 수 있으며, 이때, 용매에 분산된 카본나노튜브 입자의 입경은 20nm ~ 10㎛일 수 있다. 카본나노튜브를 용매에 넣고 밀링과 초음파를 통하여 분산하면 입경이 작아지는데, 카본나노튜브를 용매에 넣고 분산 전 초기 입경을 측정하면, 카본나노튜브가 한 개씩 존재하지 않고 다발로 존재하려는 성질이 있기 때문에, 그 초기 입경이 1000㎛ 내외이고, 분산을 거듭할수록 카본나노튜브가 외력을 받아 입경이 작아진다. 용매에 분산된 카본나노튜브 입자의 입경이 10㎛ 초과이면 용매에 분산된 카본나노튜브 입자의 응집된 덩어리가 크기 때문에 기재 수지의 결속력을 약화시키므로 상기 용매에 분산된 카본나노튜브 입자가 있는 위치로부터 크랙이 발생되게 되고 이는 내절 강도의 약화를 초래할 수 있다. 이때, 용매는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸피로리돈 (NMP)중 하나일 수 있다. 여기서 입경에 대해 상술하면, 일반적으로, 카본 나노튜브는 미세구조가 L/D가 큰 선형 구조를 가지므로 직경은 선형 구조의 diameter를 나타낸 것이고 (섬유상의 직경), 다중벽 카본나노튜브(Multi wall nanotube)의 경우 bundle로 묶여 있어 덩어리 상태로 존재하게 되는데 이러한 응집상의 전체 크기를 입경이라고 한다.
또한, 상기 카본나노튜브는 그 함량이 폴리이미드 수지 100중량부에 대하여 0.1~2.0중량부일 수 있다. 카본나노튜브의 함량이 0.1중량부 미만이면 저항이 요구치보다 높고, 카본나노튜브의 함량이 2.0중량부를 초과하면, 저항이 요구치보다 낮은 문제점이 있다. 즉, 화상형성장치로 사용되는 무단 벨트는 토너를 드럼으로부터 종이로 이송하는 역할을 하므로 그 저항 영역이 반도전성 영역 내에 들어와야 한다. 그러나 폴리이미드 수지 자체는 절연성, 즉 전기를 흘려주지 못하기 때문에 카본나노튜브와 같은 도전성 물질을 넣어 반도전성 영역의 저항을 갖도록 만들어 주므로, 카본나노튜브를 적정 함량 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 무단 벨트에 있어서, 폴리이미드 수지는 비페닐테트라카르본산이무수물(BPDA)과 방향족 디아민을 기본 원료로 하여 말단기 치환 방향족 디아민 또는 산무수물 중 1종을 추가하여 중합한 후 이미드화하여 얻어진 것이고, 상기 방향족 디아민 은 1,4'-페닐렌디아민(1,4-PDA)을 방향족 디아민 전량에 대하여 40~100몰% 함유할 수 있다.
폴리이미드 수지 제조시 사용되는 이무수물 중 비페닐테트라카르본산이무수물과 디아민 중 1,4'-페닐렌디아민을 사용하여 폴리이미드를 중합하면 강직하고 탄성이 좋은 폴리이미드 수지를 제조할 수 있어, 내구성이 우수한 무단 벨트를 얻을 수 있다. 여기서 1,4'-페닐렌디아민은 디아민 중 가장 짧고 강직한 구조를 가지고 있는데, 이 성분을 전체 디아민 중 40몰% 이상 사용하여 제조한 무단 벨트는 높은 인장 탄성률을 가지게 된다. 한편, 또한 디아민 중 1,4'-페닐렌디아민을 제외한 다른 방향족 디아민을 60몰% 이상 사용하면 인장 탄성율이 낮아져 장기간 인쇄시 벨트가 늘어져 오래 사용할 수 없고 내구성이 단축된다. 따라서, 수득된 필름의 탄성율과 인장강도를 모두 만족하기 위해서 가교를 일으키는 말단기를 사용하면 우수한 물성을 모두 만족할 수 있다.
한편, 방향족 디아민은 1,4-페닐렌디아민(1,4-PDA) 이외에 1,3-페닐렌디아민(1,3-PDA), 4,4′-메틸렌디아닐린(MDA), 4,4′-옥시디아닐린(ODA) 및 4,4′-옥시페닐렌디아민(OPDA)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있으며, 상기 이무수물로는 1,2,4,5-벤젠테트라카르복실릭 다이안하이드라이드(PMDA), 3,3′,4,4′-비페닐테트라카르복실릭 다이안하이드라이드(BPDA), 4,4′-옥시디프탈릭 안하이드라이드(ODPA), 4,4′-헥사플로로아이소프로필리덴디프탈릭 안하이드라이드 등을 사용할 수 있으나, 3,3′,4,4′-비페닐테트라카르복실릭 다이안하이드라이드(BPDA)를 사용하는 것이 바람직하다. 통상 디아민과 이무수물은 동몰량 수준으로 사용된다.
특히, 방향족 이무수물로서, BPDA를 사용할 경우 다른 이무수물을 사용할 때에 비해 인장탄성율과 내절성이 우수한 특성을 나타낼 수 있다.
말단기 치환 방향족 디아민 또는 말단기 치환 방향족 이무수물을 안하이드라이드는 비사이클로 헵텐 디카르복실릭 안하이드라이드(Nadic anhydride, Bicyclo[2.2.1]-5-
heptene-2,3-dicarboxylic anhydride), 안트라세닐에티닐 프탈릭 안하이드라이드 (4-(9-anthracenyl ethynyl)phthalic anhydride등과 같은 불포화기 가진 원료나 혹은 아미노 프로필 트리에톡시 실란(3-Aminopropyl triethoxy silane), 아미노프로필 트리메톡시 실란(3-Aminopropyl trimethoxy silane)알콕시기등과 같은 기능기를 가지고 있는 원료를 단독으로 언급할 수 있으나 이에 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 폴리이미드 수지의 분자량의 조절은, 이무수물 성분이나 디아민 성분의 종류, 말단기 치환 방향족 디아민 또는 산무수물의 성분등의 중합 조건에 따라서도 할 수 있지만, 산무수물 성분과 아민 성분의 몰비의 조정에 의하여 행하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 이무수물/디아민 성분을 100/100~90, 또는 100~90/100의 범위에서 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 이때 말단기 치환 방향족 이무수물은 전체 산 무수물 관능기의 1mol% ~ 5mol%의 범위로 사용된다. 이때 말단기 치환 방향족 이무수물 또는 말단기 친환 아민을 과량으로 사용하면 수지의 분자량이 저하되고, 형성한 벨트의 기계적 강도가 낮아지는 문제가 발생한다. 즉, 내절강도의 하락을 야기하게 된다..
본 발명의 폴리이미드 수지를 중합하는 때에 사용되는 용매는, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸 아세트아마이드, N,N-디메틸 포름아마이드, N,N-디에틸 아세트아마이드, N,N-디에틸 포름아마이드, N-메틸 카프로락탐 등의 아마이드계 극성 용매를 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
한편, 무단 벨트는 무솔기(seamless)로 제조하는 것이 바람직하며, 그 제조방법을 특별히 한정하지 않는다. 본 발명에서는 예컨대 원통형 몰드의 표면에 용액상의 폴리이미드 수지를 디스펜서로 코팅시킨후 열처리함으로써 무단 벨트를 제조할 수 있다. 상기 열처리는 50~400℃에서 단계적으로 이루어지는데, 우선 프리베이킹(pre-baking)을 50~100℃에서 10~120분간 실시하여 표면에 잔존하고 있는 용매 및 수분을 일차적으로 제거한다. 이후 분당 2~10℃의 승온 속도를 유지시켜 350~400℃까지 최종적으로 후경화(post-curing)시킴으로써 표면에 존재하는 용매 및 수분을 완전히 제거하여 이미드화를 진행 및 완료시킴과 동시에 고상화된 무단 벨트를 제조한다.
무단 벨트 제조시 이의 열전도성을 개선시킬 목적으로 벨트의 두께를 너무 얇게 한다면 벨트의 강성이 대폭적으로 감소하는 현상이 발생하므로, 인쇄과정 중 반복적인 회전응력에 의하여 벨트에 균열이 발생 하거나 혹은 찌그러지는 현상이 일어날 수 있다. 적절한 무단 벨트의 두께는 30~300㎛이다.
본 발명에 따른 무단 벨트는 표면저항율이 108~1013Ω/sq 인 것일 수 있고, 무단 벨트 내의 임의의 영역에서 편차가 1.0 이하의 균일한 표면저항율을 가지며 인장 탄성율이 5,000MPa 이상이고, 내절 강도가 20,000회 이상인 우수한 기계적 물성을 갖는 무단 벨트를 제공할 수 있으며, 얻어지는 무단 벨트는 내구성을 갖는 중간 전사 벨트로 유용할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은바, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
표 1에 기재된 바와 같은 조성에 따라, 아래와 같은 방법으로 무단 벨트를 제조하였다.
기계적 교반기, 환류 냉각기 및 질소유입구가 장착된 2L 이중자켓 반응기에 디메틸포름아미드(DMF)를 1460g 투입하였다. 온도를 30℃로 하고 질소 분위기 하에서 디아민으로 4,4'-디아미노페닐렌에테르(ODA) 67.7g과 1,4'-페닐렌디아민(PDA) 24.4g을 넣었다. 30분 가량 교반하여 모두 용해된 것을 확인한 뒤에 3,3',4,4'-비페닐테트라카르복실산 이무수물(BPDA)를 165.7g 투입하였다. 투입이 끝나고 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하였다. 이후 Nadic Anhydride 4.6261g을 투입한 후 3시간 동안 온도를 유지하며 교반하였다. 반응이 완료된 폴리아믹산 용액에 분산처리된 카본나노튜브 용액을 폴리이미드 고형분에 대하여 카본나노튜브 0.1중량부 혼합하였다. 카본나노튜브로는 직경 5nm짜리를 사용했으며 카본나노튜브 분산액의 최소 입경은 200nm이고 최대 입경은 6μm였다. 카본나노튜브 분산액의 입도 측정 결과는 도 2의 그래프와 같다.
제조된 반도전성 폴리아믹산은 균일한 상태의 검정색 용액이며, 점도가 200poise였다.
크롬 도금된 SUS 304 재질의 직경 300mm, 두께 5mm, 폭 500mm인 이음매 없는 성형 금형에 이형제((주)카피아, 한국)를 스프레이 코팅한 후 회전 성형기 위에서 회전시키고, 상기 제조된 반도전성 폴리아믹산 용액을 디스펜서 코터를 통해 균일하게 도포하였다. 이후 건조 오븐에 상기 성형 금형을 넣고 승온속도 10℃/min의 속도로 승온하고, 100℃, 200℃, 300℃에서 각각 30분씩 정치하여 이미드화 반응을 완료하는 동시에 용매와 수분을 완전히 제거하고, 냉각한 후, SUS 벨트로부터 폴리이미드 필름을 취득하여 두께 65㎛의 심리스 벨트를 제조하고, 심리스 벨트를 양끝단을 제단하여 폭 300mm가 되도록 하였다.
실시예 2
기계적 교반기, 환류 냉각기 및 질소유입구가 장착된 2L 이중자켓 반응기에 디메틸포름아미드(DMF)를 1290g 투입하였다.온도를 30℃로 하고 질소 분위기 하에서 디아민으로 4,4'-디아미노페닐렌에테르(ODA) 67.7g과 1,4'-페닐렌디아민(PDA) 24.4g을 넣었다. 30분 가량 교반하여 모두 용해된 것을 확인한 뒤에 3,3',4,4'-비페닐테트라카르복실산 이무수물(BPDA)를 165.7g 투입하였다. 투입이 끝나고 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하였다. 이후 Nadic Anhydride 2.3130g을 투입한 후 3시간 동안 온도를 유지하며 교반하였다. 반응이 완료된 폴리아믹산 용액에 분산처리된 카본나노튜브 용액을 폴리이미드 고형분에 대하여 카본나노튜브 2.0 중량부 혼합하였다. 카본나노튜브로는 직경 20nm짜리를 사용했으며 카본나노튜브 분산액의 최소 입경은 100nm이고 최대 입경은 7μm였다.
제조된 반도전성 폴리아믹산을 실시예 1과 같은 방법으로 무단 벨트를 얻었다.
비교예 1
기계적 교반기, 환류 냉각기 및 질소유입구가 장착된 2L 이중자켓 반응기에 디메틸포름아미드(DMF)를 1460g 투입하였다. 온도를 30℃로 하고 질소 분위기 하에서 디아민으로 4,4'-디아미노페닐렌에테르(ODA) 67.7g과 1,4'-페닐렌디아민(PDA) 24.4g을 넣었다. 30분 가량 교반하여 모두 용해된 것을 확인한 뒤에 3,3',4,4'-비페닐테트라카르복실산 이무수물(BPDA)를 165.7g 투입하였다. 투입이 끝나고 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하였다. 반응이 완료된 폴리아믹산 용액에 분산 처리된 카본나노튜브를 폴리이미드 고형분에 대하여 0.1중량부 혼합하였다. 카본나노튜브로는 직경 2nm짜리를 사용했으며 카본나노튜브 분산액의 최소 입경은 20nm이고 최대 입경은 3μm였다.
제조된 반도전성 폴리아믹산을 실시예 1과 같은 방법으로 무단 벨트를 얻었다.
비교예 2
기계적 교반기, 환류 냉각기 및 질소유입구가 장착된 2L 이중자켓 반응기에 디메틸포름아미드(DMF)를 1460g 투입하였다. 온도를 30℃로 하고 질소 분위기 하에서 디아민으로 4,4'-디아미노페닐렌에테르(ODA) 67.7g과 1,4'-페닐렌디아민(PDA) 24.4g을 넣었다. 30분 가량 교반하여 모두 용해된 것을 확인한 뒤에 3,3',4,4'-비페닐테트라카르복실산 이무수물(BPDA)를 165.7g 투입하였다.투입이 끝나고 온도를 유지하면서 3시간 동안 교반하였다. 반응이 완료된 폴리아믹산 용액에 분산 처리된 카본나노튜브를 폴리이미드 고형분에 대하여 2.0중량부 혼합하였다. 카본나노튜브로는 직경 30nm짜리를 사용했으며 카본나노튜브 분산액의 최소 입경은 150nm이고 최대 입경은 10μm였다.
제조된 반도전성 폴리아믹산을 실시예 1과 같은 방법으로 무단 벨트를 얻었다.
상기 실시예 및 비교예로 제조된 무단벨트를 하기의 방법으로, 표면 저항율, 표면 저항율 편차의 상용대수치, 카본나노튜브의 입경, 인장 탄성율 및 내절 강도를 측정하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
(1) 표면 저항율
상기 실시예 및 비교예로 제조된 무단벨트를 폭 방향으로 잘라 2차원의 필름 형태로 편다. 무단벨트의 내/외면에서 각각 임의의 5개 점을 선택한다. 선택된 10개의 점에서, Mitsubishi Chemical社의 Hiresta UP 고저항율계에 UR-100 Probe를 장착하고 100V의 인가전압 하에서 10초간 측정하였다. 측정된 10개의 값의 평균값을 구하였다.
(2) 표면 저항율 편차의 상용대수치
상기 실시예 및 비교예로 제조된 무단벨트를 폭 방향으로 잘라 2차원의 필름 형태로 편다. 무단벨트의 내/외면에서 각각 임의의 5개 점을 선택한다. 선택된 10개의 점에서, Mitsubishi Chemical社의 Hiresta UP 고저항율계에 UR-100 Probe를 장착하고 100V의 인가전압 하에서 10초간 측정하였다. 측정된 10개의 값의 최대값과 최소값에 상용대수를 취하여 그 차를 구하였다.
(3) 용매에 분산된 카본나노튜브의 입경
분산 처리된 카본나노튜브의 분산액을 입도분석기 Microtrac S3500 모델(Microtrac社, 미국)에 넣고 분석한다. 부피평균입경을 기준으로 한다.
(4) 인장 탄성율
상기 무단 벨트 1개 내에서 가로 15mm x 세로 100mm 인 5장의 시료를 채취하여, 인스트론(Instron 3365SER) 시험기에 건다. ASTM D 882 측정방법에 따라 측정한다.
(5) 내절 강도
상기 무단 벨트 1개 내에서 가로 15mm x 세로 100mm 인 10장의 시료를 채취하여, MIT 시험기에 건다. R=2, 굴절 각도 135도, 속도 175rpm의 조건으로 측정한 때에, 시험편이 파단하기 까지의 왕복 굴곡 횟수로 측정한다.
용매
(g)		 이무수물
(g)		 디아민
(g)		 말단기 치환 방향족 이무수물 CNT 직경(nm) CNT
함량
(중량부)		 용매에 분산된 CNT
최소
입경
(m)		 용매에 분산된 CNT
최대
입경(m)
DMF BPDA ODA 1,4-PDA NA
실시예 1 1460 161.6 67.7 24.4 4.6261 5 0.1 0.2 6
실시예 2 1290 163.6 67.6 24.4 2.3130 20 2.0 0.1 7
비교예 1 1460 165.7 67.7 24.4 0 2 0.1 0.02 3
비교예 2 1460 165.7 67.7 24.4 0 30 2.0 0.15 10
표면저항율(Ω/sq) 표면 저항율 편차 상용대수치
(log Ω/sq)		 인장 탄성율
(MPa)		 내절 강도
(회)
실시예 1 1012 0.7 7,100 22,000
실시예 2 108 0.7 5,800 27,000
비교예 1 1014 0.5 4,300 31,000
비교예 2 108 1.0 4,600 29,000
상기 표 2의 결과로부터, 본 발명의 일 구현예에 의한 직경이 5~20nm인 카본나노튜브가 0.1~2.0중량부 함유되고, 이 카본나노튜브의 최소 입경이 20nm 이상이며 최대 입경이 10μm 이하이며, 폴리이미드 수지가 비페닐 테트라 카르본산 이무수물과 방향족 디아민비페닐 테트라 카르본산 이무수물(BPDA) 방향족 디아민 전량에 대하여 40~100몰% 함유하고, 말단기 치환 방향족 이무수물이 전체 산무수물 관능기의 1mol% ~ 5mol%인 것을 특징으로 하는 무단 벨트는 벨트의 표면 저항율이 108~1013Ω/sq 영역이고, 표면 저항율 편차가 1.0 이하로 작고, 인장 탄성율이 5000MPa 이상으로 높으며, 내절 강도가 20,000회 이상으로 높아, 실질적으로 탄성율이 향상되고 내구성의 저하가 없음을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 폴리이미드 수지 및 상기 폴리이미드 수지에 분산된 카본나노튜브를 포함하되, 상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대하여 카본나노튜브 0.1~2.0중량부를 포함하는 무단 벨트에 있어서,
    상기 폴리이미드 수지는 방향족 이무수물; 방향족 디아민; 및 말단기 치환 방향족 디아민 및 말단기 치환 방향족 이무수물 중 적어도 1종;을 중합하여 제조된 폴리아믹산을 이미드화하여 얻어진 것으로,
    상기 말단기 치환 방향족 이무수물 또는 말단기 치환 방향족 디아민의 함량은 전체 방향족 이무수물 관능기 또는 전체 방향족 디아민 관능기의 1mol% ~ 5mol%인 것임을 특징으로 하는 무단 벨트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카본나노튜브는 용매에 분산된 후 폴리이미드 수지에 분산되는 것임을 특징으로 하는 무단 벨트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카본나노튜브 그 직경이 5~20nm인 섬유상태 및/또는 그 입경이 5~20nm인 응집된 덩어리 상태인 것임을 특징으로 하는 무단 벨트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방향족 이무수물은 비페닐 테트라 카르본산 이무수물(BPDA)인 것임을 특징으로 하는 무단 벨트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방향족 디아민은 1,4-페닐렌디아민(1,4-PDA)을 방향족 디아민 전량에 대하여 40~100몰% 포함하는 것임을 특징으로 하는 무단 벨트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 방향족 디아민은 1,3-페닐렌디아민(1,3-PDA), 4,4′-메틸렌디아닐린(MDA), 4,4′-옥시디아닐린(ODA) 및 4,4′-옥시페닐렌디아민(OPDA)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무단 벨트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 말단기 치환 방향족 이무수물은 비사이클로 헵텐 디카르복실릭 안하이드라이드(Nadic anhydride, Bicyclo[2.2.1]-5-heptene-2,3-dicarboxylic anhydride) 또는 안트라세닐에티닐 프탈릭 안하이드라이드 (4-(9-anthracenyl ethynyl)phthalic anhydride))이고,
    상기 말단기 치환 방향족 디아민은 아미노 프로필 트리에톡시 실란(3-Aminopropyl triethoxy silane) 알콕시기 또는 아미노프로필 트리메톡시 실란(3-Aminopropyl trimethoxy silane) 알콕시기인 것임을 특징으로 하는 무단 벨트.
  8. 제1항에 있어서,
    표면저항율이 108~1013Ω/sq인 무단 벨트.
  9. 제1항에 있어서,
    표면 저항율 편차의 상용대수(common logarithm)치가 1.0 이하인 무단 벨트.
  10. 제1항에 있어서,
    인장 탄성율이 5,000MPa 이상인 무단 벨트.
  11. 제1항에 있어서,
    내절 강도가 20,000회 이상인 무단 벨트.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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