KR20150113548A - 다중 필러 시스템 복합소재 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 필러 시스템 복합소재는 베이스 수지; 및 상기 베이스 수지 중에 분산되고, 표면에 나노 구조체가 형성되어 있는 필러입자를 포함한다.

Description

다중 필러 시스템 복합소재 {COMPLEX MATERIAL INCLUDING HYBRID MULTI-FILLER SISTEM}
본 기술은 필러를 포함하는 고분자 수지 복합소재에 관한 것이다.
최근 자동차 기술의 핵심 키워드는 경량화이다. 경량화를 위해서 비중이 크고 무거운 금속대신 고분자 수지를 베이스로 하여 다양한 종류의 필러를 혼합한 복합소재가 많이 소개 및 개발이 되고 있다. 이러한 필러는 고분자 수지의 열전도도, 난연성, 강도 등의 특성을 증진시키도록 하는 중요한 요소가 되고 있다.
높은 열전도도 특성을 갖는 복합소재는 매트릭스 수지와 복합화하는 필러의 특성에 따라 큰 영향을 나타낸다. 일반적인 보고에 따르면, 도 1에 도시한 것과 같이 크기 및 형상이 다른 필러의 조합이 동일조건에서 열전도 향상률이 높은 것으로 나타난다. 이러한 노력은 고함량의 필러를 사용하여 복합화도 공극을 줄이고 네트워킹은 강화하는 방향으로 진행되고 있다. 그러나, 필러를 고함량으로 포함하는 복합소재를 제조할 경우 열전도성은 향상되지만, 필러가 매트릭스 수지 상에 충분히 분산되지 않게 된다. 또한 윤활도가 떨어지게 되어 압출 시에 과도한 마찰이 생기고 배럴 내의 토크가 증가 되거나 토출구의 노즐을 막게 되어 생산성을 떨어뜨리는 문제가 발생하게 된다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 베이스 수지; 및 상기 베이스 수지 중에 분산되고, 표면에 나노 구조체가 형성되어 있는 필러입자를 포함하는 다중 필러 시스템 복합소재를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 필러 시스템 복합소재는 베이스 수지; 및 상기 베이스 수지 중에 분산되고, 표면에 나노 구조체가 형성되어 있는 필러입자를 포함한다.
상기 베이스 수지는 범용 또는 내열 엔지니어링 수지일 수 있고, 폴리페닐렌설파이드(PolyPhenylene Sulfide, PPS), 액정 고분자(Liquid Crystal Polymer, LCP), 폴리아미드(PolyAmide, PA), 또는 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP) 등일 수 있다.
상기 필러입자는 카본블랙(Carbon Black, CB) 또는 팽창흑연(Expendable Graphite, EG)일 수 있다.
상기 나노 구조체는 파이버(fiber)형, 막대(rod)형 또는 튜브(tube)형의 형상을 가질 수 있고, 상기 필러입자와 결합되어 있을 수 있으며, 상기 필러입자에 성장시켜 형성될 수 있다.
실시예에 따르면,본 발명의 실시예는 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 베이스 수지; 및 상기 베이스 수지 중에 분산되고, 표면에 나노 구조체가 형성되어 있는 필러입자를 포함하는 다중 필러 시스템 복합소재를 제공함으로써, 흐름성, 분산성 및 복합성 등의 공정특성을 저해하지 않으면서도 열전도도가 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 필러입자를 포함하는 복합소재를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필러입자를 포함하는 복합소재를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 필러입자 및 종래의 필러입자를 포함하는 복합소재의 열전도도 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필러입자 및 종래의 필러입자를 포함하는 복합소재의 (a) 인장 강도 및 (b) 인장탄성율을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필러입자 및 종래의 필러입자를 포함하는 복합소재의 충격 강도 특성을 도시한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다. 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 필러(110)를 포함하는 복합소재(100)를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 필러(110) 시스템 복합소재(100)는 베이스 수지(120); 및 베이스 수지(120) 중에 분산되고, 표면에 나노 구조체(114)가 형성되어 있는 필러입자(112)를 포함한다.
필러입자(112)는 탄소계열의 입자로서, 평균입경이 10㎚ 내지 800㎛인 것을 사용할 수 있다. 도 2에는 원형으로 도시하였지만, 이것은 개념도로서 필러입자(112)가 반드시 원형이 아니어도 좋다. 본 발명의 일 실시예 따른 필러입자(112)로는 카본블랙(Carbon Black, CB) 또는 팽창흑연(Expendable Graphite, EG)을 사용할 수 있다. 특히 팽창흑연은 층상 구조인 일반적인 판상 흑연과 동일한 결정구조를 가지고 있어 전도성 및 윤활성이 우수하다. 팽창흑연은 판상흑연을 화학처리하여 만든 GIC(graphite intercalate compound)를 산성 분위기에서 급속 가열하여 제조된다. 팽창흑연은 아코디언과 유사한 구조를 가지며 고압으로 압축될 경우 표면적이 넓은 판상 형태가 되기 때문에 뛰어난 전도성 네트워킹을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조체(114)는 파이버(fiber)형, 막대(rod)형 또는 튜브(tube)형의 형상을 가질 수 있다. 종래의 다른 기술에서는 전기 전도성 또는 열전도성 및 기계적 특성을 향상시키기 위하여 다른 형태의 필러를 혼합하여 사용하기도 하는데, 이 경우 형태가 다른 필러간에 충분한 네트워킹이 형성되지 않아 요구되는 특성을 충족시키지 못하게 된다. 따라서 본 발명에서 나노 구조체(114)는 필러입자(112)와 결합되어 있을 수 있으며, 필러입자(112)로부터 성장되어 형성될 수 있다. 필러입자(112)에 나노 구조체(114)를 직접 접착하여 다중 필러(110)를 수득할 수 있으나, 이 경우에는 공정이 매우 복잡해지게 된다. 뿐만 아니라, 필러입자(112)와 나노 구조체(114)간의 접착이 충분하지 않아 필러입자(112)와 나노 구조체(114)가 분리될 우려가 있다. 필러입자(112)는 상술한 바와 같이 탄소계열의 물질로서, 여기에 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등의 방법으로 메텐(methene, C2H2) 등의 탄소 공급물질을 공급하여 줌으로써, 선형의 나노 구조체(114)를 형성시킬 수 있다. 이렇게 필러입자(112)로부터 성장된 나노 구조체(114)는 필러입자(112)의 결정방향, 결정구조 등 결정학적으로 유사한 구조를 갖게 되므로 열전도성 증진에 큰 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 다중 필러(110)는 동일한 함량이라도 성형 과정에서 배향성이 향상되며 이는 열전도도에 영향이 크다.
베이스 수지(120)로는 폴리페닐렌 설파이드(PolyPhenylene Sulfide, PPS), 액정 고분자(Liquid Crystal Polymer, LCP), 폴리아미드(PolyAmide, PA), 또는 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP) 등을 사용할 수 있다. 폴리페닐렌 설파이드는 250℃에서도 견딜 정도로 열에 강하고 기계적 강도가 높아 자동차와 전기, 전자 제품, 기계류 등에서 금속을 대체할 수 있는 고분자 신소재이다. 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 중에서 가격 경쟁력이 가장 높은 소재로 무게가 가벼워 화학플랜트와 반도체 제작공정 등 정밀기기 부품소재, 자동차 엔진, 모터 등의 주변 부품, 전기차 또는 하이브리드카의 경량화를 위한 부품소재 등으로 활용 범위가 점차 확대되고 있다.
액정 고분자는 용액 혹은 녹아 있는 상태에서 액정성을 나타내는 고분자이다. 폴리벤조티아졸 등 주사슬이 강직한 고분자는 용액 중에서 액정상을 형성할 수 있다. 이것을 방사하면 고강도, 고내열성 섬유가 된다. 또한 소량의 유연 사슬을 혼성 중합한 방향족 폴리에스테르는 용융상태에서 액정이 된다. 용액의 상태에서 액정으로 기능하는 것은 리오트로픽(lyotropic) 액정, 녹아 있는 상태라면 서모트로픽(thermotropic) 액정이라고 한다. 자동차, 전지전자, 항공우주 분야에서의 신소재로서 이용된다.합성고분자 중 주사슬이 강직하고 직선 모양인 것은 리오트로픽 액정으로 되는 것이 있는데, 이것으로 섬유를 만드는 방법을 액정방사(liquid crystal spinning)라고 한다. 액정방사에서는 액정 상태의 고도한 분자배향이 그대로 축방향으로 고정되기 때문에 탄성이 높은 고강도섬유가 된다. 강철의 5배나 되는 탄성율과 강도를 가지며, 합성고분자 폴리아미드(나일론)의 15배나 되는 금속피로 저항도를 갖는다.
폴리아미드는 아미드 결합으로 연결된 중합체의 총칭으로, 아민과 2가산의 축합중합으로 얻을 수 있다. 폴리아미드는 기계적 강도, 내열성, 내마모성, 내약품성, 자기소화성(난연성) 등 우수한 특성을 갖고 있으며, 가공성이 우수하기 때문에 공중합(共重合)과 다른 재료와의 복합화로 600종 이상의 개량 그레이드가 개발되고 있다. 폴리아미드에는 다양한 종류가 있지만 본 발명에서 사용될 수 있는 폴리아미드는 폴리아미드6이다. 폴리아미드6를 이용한 복합소재는 다중 필러와 베이스 수지 간의 계면 젖음성 우수하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 필러(110) 시스템 복합소재(100)는 다중 필러(110) 및 베이스 수지(120) 이외에도 산화방지제, 윤활제, 분산제 등의 첨가 물질을 포함할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1 및 실시예 2
팽창흑연 표면에 탄소나노튜브(CNT)가 형성된 다중 필러, 베이스 수지, 및 산화방지제, 윤활제, 분산제를 혼합하여 복합소재 조성물을 제조한 후에, 다음과 같은 조건으로 압출하여 복합소재 펠릿을 수득하였다.상기 각각의 성분의 함량은 하기 표 1에 나타내었다.
<압출조건>
- Barrel Diameter(㎜): 19㎜
- Barrel Length: L/D=40
- Extrusion Pressure(max): 100bar(1500psi)
- Maximum Operationg Temperature: 400℃
- Typical Output(Kg/hr): 5~25
[ 비교예 ]
비교예 1 및 비교예 2
필러, 베이스 수지, 및 산화방지제, 윤활제, 분산제를 혼합하여 복합소재 조성물을 제조한 후에, 상기 실시예와 같은 조건으로 압출하여 복합소재 펠릿을 수득하였다. 상기 각각의 성분의 함량은 하기 표 1에 나타내었다.
구분 수지 필러종류 필러함량 (wt%)
비교예 1
PPS		 팽창흑연 50
비교예 2 팽창흑연 30
실시예 1 다중 필러 30
실시예 2 PA6 다중 필러 60
[평가]
1. 열전도도
Heat flow법(ASTM E 1530)을 이용하여 상기 비교예 및 실시예에서 수득된 복합소재의 열전도도를 측정하여 도 3의 그래프를 작성하였다. 도 3를 참조하면, 실시예 1의 경우, 동일 함량의 비교예 2와 비교하였을 때, 17% 가량의 열전도도의 향상을 나타내었다.
2. 인장특성
인장특성 측정 장치 ASTM D638를 이용하여, 상기 비교예 및 실시예에서 수득된 복합소재의 인장강도 및 인장탄성률을 측정하여 도 4의 그래프를 작성하였다. 도 4을 참조하면, 인장강도의 경우는 실시예에서 수득된 복합소재는 비교예의 복합소재에 비하여 다소 부족하지만, 인장탄성률의 경우 동일 함량의 비교예 2에 비하여 실시예 3의 복합소재에서 10% 정도 높게 나타났다.
3.충격강도
충격강도 측정 장치 ASTM D256를 이용하여, 상기 비교예 및 실시예에서 수득된 복합소재의 충격강도를 측정하여 도 5의 그래프를 작성하였다. 도 5을 참조하면, 동일 함량의 비교예 2와 실시예 3의 복합소재는 유사한 충격 강도를 나타내었다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 복합소재
110: 하이브리드필러
112: 필러입자
114: 나노 구조체
120: 베이스 수지
10: 종래의 필러를 포함하는 복합소재
11: 입자형 필러
12: 선형 필러
13: 베이스 수지

Claims (7)

  1. 베이스 수지; 및
    상기 베이스 수지 중에 분산되고, 표면에 나노 구조체가 형성되어 있는 필러입자;
    를 포함하는 다중 필러 시스템 복합소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 수지는,
    범용 및 내열 엔지니어링 수지인 것을 특징으로 하는 다중 필러 시스템 복합소재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베이스 수지는,
    폴리페닐렌 설파이드(PolyPhenylene Sulfide, PPS), 액정 고분자(Liquid Crystal Polymer, LCP),폴리아미드(PolyAmide, PA), 및 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 수지인 것을 특징으로 하는 다중 필러 시스템 복합소재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필러입자는,
    카본블랙(Carbon Black, CB) 또는 팽창흑연(Expendable Graphite, EG)인 것을 특징으로 하는 다중 필러 시스템 복합소재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는,
    파이버(fiber)형, 막대(rod)형 또는 튜브(tube)형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 필러 시스템 복합소재.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 나노 구조체는,
    상기 필러입자와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 다중 필러 시스템 복합소재.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 나노 구조체는,
    상기 필러입자로부터 성장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 필러 시스템 복합소재.

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