KR20170071896A

KR20170071896A - 난연성을 가지는 전자파 차폐 및 방열 탄소복합소재 조성물 및 이로부터 제조된 성형물품

Info

Publication number: KR20170071896A
Application number: KR1020150180085A
Authority: KR
Inventors: 최진명; 김현태; 권원종; 김영주; 유광현; 이언석
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-26
Also published as: KR102087749B1

Abstract

본 발명은 난연성을 가지는 전자파 차폐 및 방열 복합소재 조성물 및 이로부터 얻어지는 성형물품에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 복합소재 조성물은 전기 절연 특성 및 낮은 열전도도를 가지며, 우수한 전자기파 차폐 효율 및 난연특성을 보유하면서, 성형성이 우수하여, 난연성, 전자기파 차폐 및 방열 특성이 요구되는 제품에 효과적으로 적용될 수 있다.

Description

난연성을 가지는 전자파 차폐 및 방열 탄소복합소재 조성물 및 이로부터 제조된 성형물품{FLAME RETARDANT ELECTROMAGNETIC WAVE SHIELDING AND HEAT RADIATING CARBON-COMPOSITE COMPOSITION AND MOLDED ARTICLE MANUFACTURED USING SAME}

본 발명은 난연성을 가지는 전자파 차폐 및 방열 복합소재 조성물 및 이로부터 얻어지는 성형물품에 관한 것이다.

열가소성 수지, 특히 기계적 특성, 내열성이 우수한 고성능 플라스틱은 다양한 용도에서 사용되고 있다. 예를 들면, 폴리아미드 수지나 폴리에스테르 수지는 기계적 특성과 인성의 밸런스가 우수하므로 사출 성형용을 중심으로 각종 전기/전자 부품, 기계 부품 및 자동차 부품 등의 용도에 사용되며, 폴리에스테르 수지 중에서도 폴리부틸렌테레프탈레이트나 폴리에틸렌테레프탈레이트는 성형성, 내열성, 기계적 성질 및 내약품성이 우수하여 자동차나 전기/전자 기기의 커넥터, 릴레이, 스위치 등의 공업용 성형품의 재료로서 널리 사용되고 있다. 또한 폴리카보네이트 수지 등의 비결성성 수지는 투명성이나 치수 안정성이 우수하여 다양한 광학 재료, 전기 기기, OA 기기 및 자동차 등의 각 부품을 비롯하여 다양한 분야에서 사용되고 있다.

일반적으로 고분자 수지는 전기 절연 특성, 낮은 열전도도의 특성으로 전자파 차폐 및 전기전자 부품으로 적용하기 어려우며, 이에 폴리머 내에 전자파 차폐 및 열전도도를 구현하기 위하여, 흑연을 사용할 경우, 높은 열전도도를 가지지만 낮은 전자파 차폐 특성을 갖는다. 또한, 탄소 섬유를 사용할 경우에는 높은 전자파 차폐 특성을 가지나, 낮은 열전도도를 나타낸다. 또한, 난연성을 부여하기 위하여, 유기인산계 금속염 난연제 또는 멜라민계 난연제를 사용할 경우, 기존 흑연 및 탄소 섬유의 높은 필러 함량으로 사용할 수 있는 양이 제한적이다. 많은 양의 난연제(예를 들어, 20wt% 이상)를 사용할 경우 난연성을 구현할 수는 있으나, 낮은 유동성에 의한 압출 가공성 불량으로 제품 개발에 제한이 따르며, 사출 가공시 성형 불량 등의 어려움이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 난연성을 가지는 전자파 차폐 및 방열성 등의 물성을 보유하면서 성형성도 양호한 는 탄소복합소재 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명에 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 탄소복합소재 조성물로부터 얻어지는 난연성, 전자파 차폐 및 방열성이 개선된 성형 물품을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,

내열성 고분자 수지, 그래핀 나노플레이트, 흑연 및 탄소섬유를 포함하는 탄소복합소재 조성물을 제공한다.

상기 그래핀 나노플레이트는 입경이 5~20μm , 두께가 5~30nm 인 것일 수 있다.

또한, 상기 그래핀 나노플레이트는 인 또는 불소로 처리된 개질 그래핀 나노플레이트를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 흑연은 천연 흑연, 인조 흑연 및 팽창 흑연 중 어느 하나 이상일 수 있다.

또한, 상기 흑연은 입경이 45~100 μm 인 팽창 흑연일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 조성물은 전체 100중량부에 대하여 내열성 고분자 수지 30 내지 70중량부, 그래핀 나노플레이트 10 내지 50중량부, 흑연 5 내지 30중량부 및 탄소섬유 5 내지 30중량부를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 조성물은 난연제를 10중량부 이하로 더 포함하는 것일 수 있다.

상기 난연제는 멜라민계 난연제, 인계 난연제 및 유기포스피네이트 금속염 난연제 중 어느 하나 이상일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소섬유는 길이가 0.01 내지 100 mm, 직경 0.1 내지 100μm 인 것일 수 있다.

또한, 상기 내열성 고분자 수지는 폴리아미드 일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 폴리아미드 수지가 폴리카프로락탐(폴리아미드-6), 폴리아미드-11, 폴리아미드-12, 폴리아미드-4,6, 폴리아미드-4,8, 폴리아미드-4,10, 폴리아미드-4,12, 폴리아미드-6,6, 폴리아미드-6,9, 폴리아미드-6,10, 폴리아미드-6,12, 폴리아미드-10,10, 폴리아미드-12,12, 폴리아미드-6,I, 폴리아미드-6,T, 폴리아미드-6,T/6,6-코폴리아미드, 폴리아미드-6,T/6-코폴리아미드,폴리아미드-6/6,6-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/6,T/6,I-코폴리아미드, 폴리아미드-6,T/2-MPMDT-코폴리아미드, 폴리아미드-9,T,폴리아미드-6/12-코폴리아미드, 폴리아미드-6/11-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/11-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/12-코폴리아미드, 폴리아미드-6/6,10-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/6,10-코폴리아미드, 폴리아미드-4,6/6-코폴리아미드, 폴리아미드-6/6,6/6,10-코폴리아미드로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

또한, 상기 조성물은 충격보강제, 난연보조제, 활제, 가소제, 열안정제, 적하방지제, 산화방지제, 상용화제, 광안정제, 안료, 염료, 무기물 첨가제 및 드립 방지제로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택되는 첨가제를 더 포함하는 것일 수 있다.

또한 본 발명은 상기 조성물을 가공하여 얻어진 성형물품을 제공한다.

상기 가공은 압출공정, 사출공정 또는 압출 및 사출 공정 중 어느 하나 이상에 의한 것일 수 있다.

상기 성형물품은 열전도도가 약 10 내지 약 30 W/m· K 일 수 있다.

또한, 전자파 차폐효율(EMI SE)이 약 30 dB 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 복합재 조성물은 고분자 수지 기반에 전기/열전도성 및 난연성 충전제를 포함하고 있기 때문에 우수한 사출성형성을 가질 뿐 아니라 전자파 차폐 성능과 방열특성 및 난연성을 갖는다. 본 발명에 따른 복합재 조성물은 자동차 전장부품, 전지전자 부품용 하우징 및 배터리팩 하우징 등 난연성을 가지면서 전자차 차폐 및 방열 성능이 필요한 모든 부품에 이용될 수 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에 사용된 "복합소재"의 용어는 본 명세서 내에서 "복합재"와 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 두 가지 이상의 소재가 모여서 형성된 소재를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

이하, 본 발명의 구현예에 따른 난연성 탄소복합소재 조성물 및 이로부터 얻어지는 성형물품에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 난연성 탄소복합소재 조성물은,

내열성 고분자 수지, 그래핀 나노플레이트, 흑연 및 탄소섬유 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 각 구성 성분을 보다 구체적으로 설명한다.

내열성 고분자

상기 내열성 고분자는 폴리아미드일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 관련 업계에서 내열성 고분자로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.

내열성 고분자는 성형성을 고려할 때 25℃에서 농도 1 g/dl의 조건으로 측정한 상대 점도가 1.5 내지 5, 보다 바람직하게는 2 내지 4.5 인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상대 점도가 1.5 보다 작으면 저점도이기 때문에, 용융 혼련 후의 가공이 곤란해져 바람직한 물성을 얻기 어려워질 수 있다. 또 5 보다 크면 고점도 때문에 성형 가공 때의 유동성이 나쁘고, 충분한 사출 압력이 가해지지 않기 때문에 성형품을 만들기 어려워질 수 있다.

내열성 고분자의 함량은 조성물 전체 100 중량부를 기준으로 30 내지 70 중량부 또는 40 내지 60중량부일 수 있다.

상기 폴리아미드 수지로서는, 나일론 수지, 나일론 공중합체 수지 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 나일론 수지로는 통상적으로 알려진 ε-카프로락탐, ω-도데카락탐 등의 락탐을 개환 중합하여 얻어진 폴리아미드-6(나일론 6); 아미노카프론산, 11-아미노운데칸산, 12-아미노도데칸산 등의 아미노산에서 얻을 수 있는 나일론 중합물; 에틸렌디아민, 테트라메틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 운데카메틸렌디아민, 도데카메틸렌디아민, 2,2,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 2,4,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 5-메틸노나헥사메틸렌디아민, 메타크실렌디아민, 파라크실렌디아민, 1,3-비스아미노메틸시클로헥산, 1,4-비스아미노메틸시클로헥산, 1-아미노-3-아미노메틸-3,5,5-트리메틸시클로헥산, 비스(4-아미노시클로헥산)메탄, 비스(4-메틸-4-아미노시클로헥실)메탄, 2,2-비스(4-아미노시클로헥실)프로판, 비스(아미노프로필)피페라진, 아미노에틸피페리딘 등의 지방족, 지환족 또는 방향족 디아민과 아디프산, 세바킨산(sebacic acid), 아젤라산(azelaic acid), 테레프탈산, 2-클로로테레프탈산, 2-메틸테레프탈산 등의 지방족, 지환족 또는 방향족 디카르복시산 등의 중합으로부터 얻을 수 있는 나일론 중합체; 이들의 공중합체 또는 혼합물을 사용할 수 있다. 나일론 공중합체로는 폴리카프로락탐(나일론 6)과 폴리헥사메틸렌세바카미드(나일론 6,10)의 공중합체, 폴리카프로락탐(나일론 6)과 폴리헥사메틸렌아디프아미드(나일론 66)의 공중합체, 폴리카프로락탐(나일론 6)과 폴리라우릴락탐(나일론 12)의 공중합체 등이 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 폴리아미드 수지가 폴리카프로락탐(폴리아미드-6), 폴리아미드-11, 폴리아미드-12, 폴리아미드-4,6, 폴리아미드-4,8, 폴리아미드-4,10, 폴리아미드-4,12, 폴리아미드-6,6, 폴리아미드-6,9, 폴리아미드-6,10,폴리아미드-6,12, 폴리아미드-10,10, 폴리아미드-12,12, 폴리아미드-6,I, 폴리아미드-6,T, 폴리아미드-6,T/6,6-코폴리아미드, 폴리아미드-6,T/6-코폴리아미드,폴리아미드-6/6,6-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/6,T/6,I-코폴리아미드, 폴리아미드-6,T/2-MPMDT-코폴리아미드, 폴리아미드-9,T,폴리아미드-6/12-코폴리아미드, 폴리아미드-6/11-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/11-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/12-코폴리아미드, 폴리아미드-6/6,10-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/6,10-코폴리아미드, 폴리아미드-4,6/6-코폴리아미드, 폴리아미드-6/6,6/6,10-코폴리아미드로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리카프로락탐(PA6)일 수 있다.

상기 복합재 조성물에는 상기 언급된 내열성 수지 외에도 다양한 수지가 사용되거나 필요에 따라 함께 첨가될 수 있다. 예를 들어 폴리카보네이트 수지, 폴리프로필렌 수지, 아라미드수지, 방향족 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리에스테르카보네이트 수지, 폴리페닐렌 옥사이드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리아릴렌 수지, 시클로올레핀계 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리비닐아세탈 수지, 폴리케톤 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리아릴케톤 수지, 폴리에테르니트릴 수지, 액정 수지, 폴리벤즈이미다졸 수지, 폴리파라반산 수지, 방향족 알케닐 화합물, 메타크릴산에스테르, 아크릴산에스테르, 및 시안화비닐 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 비닐 단량체를, 중합 혹은 공중합시켜서 얻어지는 비닐계 중합체 혹은 공중합체 수지, 디엔-방향족 알케닐 화합물 공중합체 수지, 시안화비닐-디엔-방향족 알케닐 화합물 공중합체 수지, 방향족 알케닐 화합물-디엔-시안화비닐-N-페닐말레이미드 공중합체 수지, 시안화비닐-(에틸렌-디엔-프로필렌(EPDM))-방향족 알케닐 화합물 공중합체 수지, 폴리올레핀, 염화비닐 수지, 염소화 염화비닐 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다. 이들 수지의 구체적인 종류는 당업계에 잘 알려져 있으며, 본 발명의 조성물에 사용될 수 있는 예는 당업자들에 의해 적절히 선택될 수 있다.

상기 폴리올레핀 수지로서는, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 및 폴리(4-메틸-1-펜텐), 및 이들의 조합물이 될 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다. 일구현예에서, 상기 폴리올레핀으로서는 폴리프로필렌 동종 중합체(예를 들어, 혼성배열(atactic) 폴리프로필렌, 동일배열(isotactic) 폴리프로필렌, 및 규칙배열(syndiotactic) 폴리프로필렌), 폴리프로필렌 공중합체(예를 들어, 폴리프로필렌 랜덤 공중합체), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 적절한 폴리프로필렌 공중합체는, 이에 한정되지는 않지만, 에틸렌, 부트-1-엔(즉, 1-부텐), 및 헥스-1-엔(즉, 1-헥센)으로 이루어진 군으로부터 선택된 공단량체의 존재하에서 프로필렌의 중합으로부터 제조된 랜덤 공중합체를 포함한다. 이러한 폴리프로필렌 랜덤 공중합체에서, 공단량체는 임의의 적정한 양으로 존재할 수 있지만, 전형적으로 약 10wt% 이하(예를 들어, 약 1 내지 약 7wt%, 또는 약 1 내지 약 4.5wt%)의 양으로 존재할 수 있다.

상기 폴리에스테르 수지로서는, 디카르복실산 성분 골격과 디올 성분 골격의 중축합체인 호모 폴리에스테르나 공중합 폴리에스테르를 말한다. 여기서 호모 폴리에스테르로서는, 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트, 폴리-1,4-시클로헥산디메틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌디페닐레이트 등이 대표적인 것이다. 특히 폴리에틸렌테레프탈레이트는 저렴하므로 매우 다방면에 걸치는 용도로 사용할 수 있어 바람직하다. 또한, 상기 공중합 폴리에스테르란 다음에 예시하는 디카르복실산 골격을 갖는 성분과 디올 골격을 갖는 성분으로부터 선택되는 적어도 3개 이상의 성분으로 이루어지는 중축합체로 정의된다. 디카르복실산 골격을 갖는 성분으로서는 테레프탈산, 이소프탈산, 프탈산, 1,4-나프탈렌디카르복실산, 1,5-나프탈렌디카르복실산, 2,6-나프탈렌디카르복실산, 4,4'-디페닐디카르복실산, 4,4'-디페닐술폰디카르복실산, 아디핀산, 세바신산, 다이머산, 시클로헥산디카르복실산과 그들의 에스테르 유도체 등을 들 수 있다. 글리콜 골격을 갖는 성분으로서는 에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜타디올, 디에틸렌글리콜, 폴리알킬렌글리콜, 2,2-비스(4'-β-히드록시에톡시페닐)프로판, 이소소르베이트, 1,4-시클로헥산디메탄올, 스피로글리콜 등을 들 수 있다.

상기 폴리카보네이트 수지는 디페놀류와 포스겐, 할로겐 포르메이트, 탄산 에스테르 또는 이들의 조합과 반응시켜 제조될 수 있다. 상기 디페놀류의 구체적인 예로는, 히드로퀴논, 레조시놀, 4,4'-디히드록시디페닐, 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판('비스페놀-A'라고도 함), 2,4-비스(4-히드록시페닐)-2-메틸부탄, 비스(4-히드록시페닐)메탄, 1,1-비스(4-히드록시페닐)사이클로헥산, 2,2-비스(3-클로로-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디클로로-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디브로모-4-히드록시페닐)프로판, 비스(4-히드록시페닐)술폭사이드, 비스(4-히드록시페닐)케톤, 비스(4-히드록시페닐)에테르 등을 들 수 있다. 　이들 중에서 좋게는 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3,5-디클로로-4-히드록시페닐)프로판 또는 1,1-비스(4-히드록시페닐)사이클로헥산을 사용할 수 있으며, 더 좋게는 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판을 사용할 수 있다.

상기 폴리카보네이트 수지는 2종 이상의 디페놀류로부터 제조된 공중합체의 혼합물일 수도 있다. 　또한 상기 폴리카보네이트 수지는 선형 폴리카보네이트 수지, 분지형(branched) 폴리카보네이트 수지, 폴리에스테르카보네이트 공중합체 수지 등을 사용할 수 있다.

상기 선형 폴리카보네이트 수지로는 비스페놀-A계 폴리카보네이트 수지 등을 들 수 있다. 　상기 분지형 폴리카보네이트 수지로는 트리멜리틱 무수물, 트리멜리틱산 등과 같은 다관능성 방향족 화합물을 디페놀류 및 카보네이트와 반응시켜 제조한 것을 들 수 있다. 　상기 다관능성 방향족 화합물은 분지형 폴리카보네이트 수지 총량에 대하여 0.05 내지 2 몰%로 포함될 수 있다. 　상기 폴리에스테르카보네이트 공중합체 수지로는 이관능성 카르복실산을 디페놀류 및 카보네이트와 반응시켜 제조한 것을 들 수 있다. 　이때 상기 카보네이트로는 디페닐카보네이트 등과 같은 디아릴카보네이트, 에틸렌 카보네이트 등을 사용할 수 있다.

상기 시클로올레핀계 폴리머로서는, 노르보르넨계 중합체, 단고리의 고리형 올레핀계 중합체, 고리형 공액 디엔계 중합체, 비닐 지환식 탄화수소 중합체, 및 이들의 수소화물을 들 수 있다. 그 구체예로서는, 아펠 (미츠이 화학사 제조의 에틸렌-시클로올레핀 공중합체), 아톤 (JSR 사 제조의 노르보르넨계 중합체), 제오노아 (닛폰 제온사 제조의 노르보르넨계 중합체) 등을 들 수 있다.

상기 폴리페닐렌 옥사이드 수지는 폴리페닐렌 에테르로도 칭해지며, 반복단위로서 페닐렌기에 -O-가 결합된 구조를 갖는다. 상기 페닐렌기는 다양한 치환기, 예를 들어 메틸기, 에틸기, 할로겐기, 히드록시기 등을 가질 수 있다.

그래핀 나노플레이트

그래핀은 2차원 탄소 동소체로서, 이를 제조하는 방법에는 흑연(graphite)에서 물리적으로 그래핀 한 층을 분리하는 박리법, 흑연을 분산액에 분산시켜서 화학적으로 환원시켜 그래핀을 획득하는 화학적 산화/환원법, 탄화규소(SiC) 기판에서 고온의 열분해를 통해서 그래핀층을 얻는 열분해법, 및 화학기상증착법이 있으며, 이 중에서 화학기상증착법이 고품질의 그래핀을 합성할 수 있는 방법으로서 예시할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 그래핀은 형상 종횡비가 0.1 이하, 그래핀 층수가 100 이하 및 비표면적인 300 m²/g 이상의 특성을 나타낼 수 있다. 상기 그래핀은 흑연의 hcp 구조에서 탄소 (C)의 SP² 결합의 단일 망목면을 말하며, 최근에는 복수의 층수를 가지는 그래핀 복합 층도 광의의 뜻에서 그래핀으로 분류하고 있다

일 구현예에 따르면, 상기 그래핀 나노플레이트는 높은 분산성을 가지는 입경 5 내지 20 ㎛, 두께 5 내지 30 ㎚ 인 것일 수 있다.

또한, 인 또는 불소 등을 포함한 분산제로 처리되어 인 또는 불소 등을 포함하고 있는 개질 그래핀 나노플레이트를 사용할 수도 있다.

특히 인으로 개질된 그래핀 나노플레이트를 사용하는 경우, 산소 차단 및 인산층에 의한 보호층 형성, 탈수 작용으로 생성된 숯(char)에 의한 차단 효과로 보다 우수한 난연성을 확보할 수 있다.

이러한 효과를 얻기 위한 그래핀 나노플레이트의 함량은 조성물 전체 100 중량부를 기준으로 10 내지 50 중량부 또는 20 내지 40 중량부일 수 있다.

흑연

상기 흑연은 천연 흑연, 인조 흑연 및 팽창 흑연 중 어느 하나 이상일 수 있다.

합성(인조) 흑연 및 팽창 흑연은 관련 업계에서 열전도성/전기전도성 충전제로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.

예를 들어, 팽창 흑연은, 인 편 상 흑연에 황산 등에 의한 약품 처리를 통해 층간 화합물로부터 가열 팽창시킨 것이다. 예를 들면, 천연 비늘모양 흑연을 농황산-농초산의 혼합 산 등에서 처리 한 후에 세정 탈수를 실시해, 800℃~1200℃으로 팽창시키는 것으로 원료 흑연의 체적의 10~200배로 팽창한 팽창 흑연을 얻을 수 있다. 흑연으로서는, 천연의 비늘모양 흑연이나, 인조 흑연 등을 사용할 수 있다. 흑연을 산 처리하는 계로서는, 발연 질산, 농황산-과망가니즈산칼륨, 농황산, 과황산암모늄 등을 사용할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 팽창 흑연이 바람직하며, 특히 입도가 45 내지 100㎛ 인 것이 전술한 그래핀 나노플레이트와 함께 고분자 수지 내에서 최적의 열경로(thermal path)를 형성하여 높은 열전전도도를 구현할 수 있다.

상기 효과를 얻기 위한 흑연의 함량은 조성물 전체 100중량부를 기준으로 5 내지 30중량부 또는 10 내지 30중량부일 수 있다.

탄소 섬유

탄소 섬유는 높은 비표면적, 우수한 전기전도성, 흡착성 등을 가지며, 탄소를 함유하는 기체 상태의 화합물을 고온에서 분해 성장시켜 생성되는 탄소물질을 미리 제조된 금속촉매에 섬유 형태로 성장시켜 얻을 수 있다. 열 분해된 탄소들은 수 나노미터 크기의 특정한 금속촉매 면에서 흡착, 분해, 흡수, 확산, 석출의 단계를 거쳐 그래핀 층(graphene layer) 형태로 쌓여 뛰어난 결정성과 순도를 지닌 탄소섬유를 형성할 수 있다. 니켈, 철, 코발트 등과 같은 전이금속의 촉매입자 위에 형성된 탄소섬유는 직경이 나노 수준의 크기로 성장하게 되는데, 이는 다른 종류의 범용 탄소섬유의 직경이 10 ㎛인 것에 비하여 100배 정도 가늘게 형성됨으로써 높은 비표면적을 가지고, 전기전도성, 흡착성 및 기계적 특성이 뛰어나므로 보다 유용하다.

상기 탄소 섬유의 합성방법으로는 주로 전기 방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상 증착법, 열화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있다. 탄소섬유의 성장에 영향을 주는 요소는 온도, 탄소소스, 촉매, 기판의 종류 등이 있다. 이들 중에서도 기판과 촉매 입자의 확산작용 및 상호 간의 계면작용 차이는 합성한 탄소섬유의 모양과 미세구조에 영향을 주게 된다.

일 구현예에 따르면, 분산성이 높은 그래핀 나노플레이트와 탄소섬유를 통하여 전자파의 반사 및 흡수 정도를 향상시킬 수 있다.

이러한 효과를 얻기 위한 탄소 섬유는 길이가 0.01 내지 100 mm, 직경 0.1 내지 100μm 일 수 있고, 바람직하게는 길이 1 내지 50 mm, 직경 0.1 내지 10 μm 일 수 있으며, 또한 함량은 조성물 전체 100중량부를 기준으로 5 내지 30중량부 또는 5 내지 20 중량부일 수 있다.

기타 첨가제

복합재 조성물은 난연제, 난연보조제, 활제, 가소제, 열안정제, 적하방지제, 산화방지제, 상용화제, 광안정제, 안료, 염료, 무기물 첨가제 및 드립 방지제로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택되는 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 그 함량은 상기 조성물 100 중량부에 대하여 10중량부 이하의 함량으로 사용될 수 있다. 이들 첨가제의 구체적인 종류는 당업계에 잘 알려져 있으며, 본 발명의 조성물에 사용될 수 있는 예는 당업자들에 의해 적절히 선택될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 난연제는 멜라민계 난연제, 인계 난연제 및 유기포스피네이트 금속염 난연제 중 어느 하나 이상일 수 있다.

제조 및 가공 방법

일 구현예에 따르면, 상기 복합재 조성물의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 원료의 혼합물을 단축 또는 2축의 압출기, 밴버리 믹서, 니더, 믹싱 롤 등 통상 공지의 용융 혼합기에 공급하여 대략 100 내지 500℃, 또는 200 내지 400℃의 온도에서 혼련하는 방법 등을 예로서 들 수 있다.

또한 원료의 혼합 순서도 특별히 제한은 없고, 상술한 내열성 고분자 수지, 그래핀 나노플레이트, 흑연, 탄소섬유 및 필요에 따라 첨가제 등을 사전에 블렌드한 후, 상기 내열성 고분자 수지의 융점 이상에 있어서, 단축 또는 2축, 또는 그 이상의 다축 압출기로 균일하게 용융 혼련하는 방법, 용액 중에서 혼합한 후에 용매를 제거하는 방법 등이 사용된다. 그 중에서도 생산성의 관점에서, 단축 또는 2축 이상의 다축 압출기로 균일하게 용융 혼련하는 방법이 바람직하고, 특히 2축 이상의 다축 압출기를 사용하여 내열성 고분자 수지의 융점 이상에서 균일하게 용융 혼련하는 방법이 바람직하게 사용된다.

혼련 방법으로서는, 내열성 고분자 수지, 그래핀 나노플레이트, 흑연, 탄소섬유 등의 성분을 일괄적으로 혼련하는 방법, 내열성 고분자 수지에 그래핀 나노플레이트, 흑연, 탄소섬유 등을 고농도로 포함하는 수지 조성물(마스터 펠릿)을 작성하고, 이어서, 규정 농도가 되도록 상기 내열성 고분자 수지, 그래핀 나노플레이트, 흑연, 탄소섬유 등을 첨가하여 용융 혼련하는 방법(마스터 펠릿법) 등을 예시할 수 있으며, 어떠한 혼련 방법을 사용해도 된다.

이와 다른 방법으로서 내열성 고분자 수지 및 그 외에 필요한 첨가제를 압출기 측으로부터 투입하고, 그래핀 나노플레이트, 흑연 또는 탄소섬유 등 을 사이드 피더(side feeder)를 사용하여 압출기에 공급함으로써 복합재 조성물을 제조하는 방법이 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 혼련법을 통해 펠렛 등의 형태를 갖는 복합재 조성물을 제조할 수 있다.

상기 수지 조성물을 이용한 전장부품 하우징, 전지전자부품 하우징 또는 배터리 하우징 등은, 통상 공지의 사출 성형, 압출 성형, 블로우 성형, 프레스 성형, 방사 등의 임의의 방법으로 성형할 수 있다. 압출공정, 사출공정, 또는 압출 및 사출 공정일 수 있으며, 이러한 성형법은 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 조성물을 사용하여 제조된 성형물은 열전도도(in-plane)가 10 내지 30 W/mK 일 수 있다. 열전도도는 열전도의 크기를 나타내는 물성치로, 열에너지의 유속(단위 시간 중에 단위 단면적을 통과하는 열량) Q와 온도기울기 grad T 와의 비로 나타낸다. 즉 열전도율 K는 「K = Q/grad T」로 나타낼 수 있다.

또한 상기 성형물은 전자파 차폐 효율이 30 dB 이상 (@1GHz, 두께 2mm)일 수 있으며, 보다 바람직하게는 30 내지 60 dB 일 수 있다.

상기 방법을 통해 얻어진 복합재는 성형이 용이할 뿐 아니라 우수한 전자파 차폐 성능 및 방열 특성을 보유하므로 전자파 차폐 및 방열특성이 요구되는 다양한 용도, 특히 자동차 부품, 전기·전자 부품, 건축 부재 등 각종 용도에 이용할 수 있다. 구체적인 용도로서는, 에어 플로 미터, 에어 펌프, 자동 온도 조절 장치 하우징, 엔진 마운트, 이그니션 보빈, 이그니션 케이스, 클러치 보빈, 센서 하우징, 아이들 스피드 컨트롤 밸브, 진공 스위칭 밸브(vacuum switching valves), ECU 하우징, 진공 펌프 케이스, 인히비터 스위치, 회전 센서, 가속도 센서, 디스트리뷰터 캡, 코일 베이스, ABS용 액츄에이터 케이스, 라디에이터 탱크의 탑 및 보텀, 쿨링 팬, 팬 슈라우드(fan shroud), 엔진 커버, 실린더 헤드 커버, 오일 캡, 오일 팬, 오일 필터, 연료 캡, 연료 스트레이너, 디스트리뷰터 캡, 증기 캐니스터 하우징(vapor canister housing), 에어클리너 하우징, 타이밍 벨트 커버, 브레이크 부스터 부품, 각종 케이스, 각종 튜브, 각종 탱크, 각종 호스, 각종 클립, 각종 밸브, 각종 파이프 등의 자동차용 언더 후드 부품, 토크 컨트롤 레버, 안전 벨트 부품, 레지스터 블레이드, 워셔 레버, 윈드 레귤레이터 핸들, 윈드 레귤레이터 핸들의 노브, 패싱 라이트 레버, 선바이저 브래킷, 각종 모터 하우징 등의 자동차용 내장 부품, 루프 레일, 펜더, 가니시(garnish), 범퍼, 도어 미러 스테이, 스포일러, 후드 루버, 휠 커버, 휠 캡, 그릴 에이프런 커버 프레임, 램프 반사경, 램프 베젤(lamp bezel), 도어 핸들 등의 자동차용 외장 부품, 와이어 하네스 커넥터, SMJ 커넥터-, PCB 커넥터, 도어 그로멧(door grommet) 커넥터 등 각종 자동차용 커넥터, 릴레이 케이스, 코일 보빈, 광픽업 섀시, 모터 케이스, 노트 PC 하우징 및 내부 부품, LED 디스플레이 하우징 및 내부 부품, 프린터 하우징 및 내부 부품, 휴대 전화기, 모바일 PC, 휴대형 모바일 등의 휴대용 단말기 하우징 및 내부 부품, 기록 매체(CD, DVD, PD, FDD 등) 드라이브의 하우징 및 내부 부품, 복사기의 하우징 및 내부 부품, 팩시밀리의 하우징 및 내부 부품, 파라볼라안테나 등으로 대표되는 전기·전자 부품을 예로 들 수 있다.

또한, VTR 부품, 텔레비전 부품, 다리미, 헤어 드라이어, 전기밥솥 부품, 전자 레인지 부품, 음향 부품, 비디오 카메라, 프로젝터 등의 영상 기기 부품, 레이저 디스크(등록상표), 컴팩트 디스크(CD), CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD-RAM, 블루레이 디스크 등의 광기록 매체의 기판, 조명 부품, 냉장고 부품, 에어콘 부품, 타이프라이터 부품, 워드프로세서 부품 등으로 대표되는 가정·사무 전기 제품 부품을 예로 들 수 있다.

또한, 전자 악기, 가정용 게임기, 휴대형 게임기 등의 하우징이나 내부 부품, 각종 기어, 각종 케이스, 센서, LEP 램프, 커넥터, 소켓, 저항기, 릴레이 케이스, 스위치, 코일 보빈, 컨덴서, 가변축전기(variable capacitor) 케이스, 광픽업, 발진자, 각종 단자판, 트랜스포머, 플러그, 프린트 배선판, 튜너, 스피커, 마이크로폰, 헤드폰, 소형 모터, 자기 헤드 베이스, 파워 모듈, 반도체, 액정, FDD 캐리지(FDD carriages), FDD 섀시, 모터 브러시 홀더, 트랜스 부재, 코일 보빈 등의 전기·전자 부품, 혹은 와이어 하네스 커넥터, SMJ 커넥터, PCB 커넥터, 도어 그레밋 커넥터 등 각종 자동차용 커넥터로서 특히 유용하다.

이하, 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

< 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 5> 탄소복합소재 조성물의 제조

하기 표 1과 같은 조성으로 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 5의 탄소복합소재 조성물을 제조하였다.

표 1에 나타낸 바와 같은 함량의 성분들을 이축압출기(L/D=42, Φ=40mm) 에 첨가하고 온도 프로파일을 280℃까지 올리면서 용융 압출하여 0.2mm X 0.3mm X 0.4mm의 크기를 갖는 펠렛을 제조하였다. 제조된 펠렛을 사출기에서 사출온도 280℃의 플랫 프로파일의 조건으로 사출하여 두께 3.2mm, 길이 12.7mm 및 도그-본(dog-bone) 형태의 시편을 제조하였다.

	비교예					실시예
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	6	7
폴리카프로락탐 (중량부)	55	35	45	30	25	55	55	50	50	45	40	40
인조흑연 (중량부)	10	10	10	15	10	15	-	-	-	-	-	-
팽창흑연 (중량부)	35	35	35	20	20	-	15	20	20	20	20	20
탄소섬유 (중량부)	-	-	-	10	20	10	10	10	10	10	10	20
그래핀나노플레이트 (중량부)	-	-	-	-	-	20	20	20	-	-	-	-
인을 포함한 그래핀나노플레이트 (중량부)	-	-	-	-	-	-	-	-	20	20	30	30
유기포스피네이트 금속염 난연제 (중량부)	-	20	-	20	20	-	-	-	-	-	-	-
멜라민계 난연제 (중량부)	-	-	10	-	-	-	-	-	-	-	-	-
인계 난연제 (중량부)	-	-	-	5	5	-	-	-	-	5	-	-

표 1에서 사용된 성분들은 다음과 같다.

- 폴리아미드 수지: KP chemical의 상대점도 2.5의 폴리 카프로락탐(PA6)

- 인조 흑연: TIMCAL사, 평균 입도 45 ~ 100 ㎛

- 팽창흑연: 니뽄 그래파이트사, 순도 98%이상, 평균 입도 70 ~ 150 ㎛

- 탄소 섬유: Zoltec사, 길이 6 mm, 직경 7.5 ㎛, 순도 95%이상

- 그래핀 나노플레이트: LG화학, 5 ~ 20 ㎛, 두께 5 ~ 30 nm 그래핀

- 인을 포함한 그래핀 나노 플레이트: 제조 공정에서 인(Phosphorus)으로 처리하여 사용

- 난연제: Clariant사, Exolit OP-1230, 유기포스피네이트 금속염 난연제; 멜라민 시아누르산(Melamine cyanurate) 99% 이상의 멜라민계 난연제; 다이하찌 사의 PX-200의 인계 난연제.

< 실험예 > 탄소복합소재 성형물의 특성 분석

상기 표 1과 같은 조성의 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 5의 탄소복합소재 시편의 열전도도, 전자파 차폐 효율(Electromagnetic Interference shielding efficiency; EMI SE), 난연특성 및 성형성을 하기와 같은 표준 시험법들을 이용하여 분석하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

- 열전도도 : ASTM E1461 표준시험법, 단위 W/m·K

- 전자파 차폐 효율: ASTM D4936 표준시험법, 1GHz, 2mm 두께, 단위 dB

- 난연 특성: 버티칼 버닝 테스트(vertical burning test) UL94V 시험법

- 성형성: 시편의 성형 정도에 따라, 아주 좋음 5점, 좋음 4점, 보통 3점, 나쁨 2점, 매우 나쁨 1점으로 평가하였다.

	비교예					실시예
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	6	7
열전도도 (W/m·K)	10	8	9	7	6	10	13	15	15	15	25	20
EMI SE (dB)	10	10	10	15	25	30	35	35	35	35	45	55
난연특성	NG	V-1	NG	V-0	V-0	V-1	V-1	V-1	V-1	V-0	V-0	V-0
성형성	5	3	3	1	0	5	5	5	5	5	5	5

상기 표 2의 결과로부터, 상기 실시예 1 내지 7에 따른 탄소복합소재 조성물은 전자파 차폐 및 방열성과 난연성을 함께 구비하며 성형성도 우수한 조성물인 것을 확인할 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

내열성 고분자 수지, 그래핀 나노플레이트, 흑연 및 탄소섬유를 포함하는 탄소복합소재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 나노플레이트는 입경이 5~20μm , 두께가 5~30nm 인 것인 탄소복합소재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 나노플레이트는 인 또는 불소로 처리된 개질 그래핀 나노플레이트를 포함하는 것인 탄소복합소재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 흑연은 천연 흑연, 인조 흑연 및 팽창 흑연 중 어느 하나 이상인 탄소복합소재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 흑연은 입경이 45~100 μm 인 팽창 흑연인 것인 탄소복합소재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 조성물은 전체 100중량부에 대하여 내열성 고분자 수지 30 내지 70중량부, 그래핀 나노플레이트 10 내지 50중량부, 흑연 5 내지 30중량부 및 탄소섬유 5 내지 30중량부를 포함하는 것인 탄소복합소재 조성물.
제6항에 있어서,
난연제를 10중량부 이하로 더 포함하는 것인 탄소복합소재 조성물.
제7항에 있어서,
상기 난연제는 멜라민계 난연제, 인계 난연제 및 유기포스피네이트 금속염 난연제 중 어느 하나 이상인 탄소복합소재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유는 길이가 0.01 내지 100 mm, 직경 0.1 내지 100μm 인 것인 탄소복합소재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 내열성 고분자 수지가 폴리아미드 인 것인 탄소복합소재 조성물.
제10항에 있어서,
상기 폴리아미드 수지가 폴리카프로락탐(폴리아미드-6), 폴리아미드-11, 폴리아미드-12, 폴리아미드-4,6, 폴리아미드-4,8, 폴리아미드-4,10, 폴리아미드-4,12, 폴리아미드-6,6, 폴리아미드-6,9, 폴리아미드-6,10,폴리아미드-6,12, 폴리아미드-10,10, 폴리아미드-12,12, 폴리아미드-6,I, 폴리아미드-6,T, 폴리아미드-6,T/6,6-코폴리아미드, 폴리아미드-6,T/6-코폴리아미드,폴리아미드-6/6,6-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/6,T/6,I-코폴리아미드, 폴리아미드-6,T/2-MPMDT-코폴리아미드, 폴리아미드-9,T,폴리아미드-6/12-코폴리아미드, 폴리아미드-6/11-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/11-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/12-코폴리아미드, 폴리아미드-6/6,10-코폴리아미드, 폴리아미드-6,6/6,10-코폴리아미드, 폴리아미드-4,6/6-코폴리아미드, 폴리아미드-6/6,6/6,10-코폴리아미드로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 탄소복합소재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 조성물은 충격보강제, 난연보조제, 활제, 가소제, 열안정제, 적하방지제, 산화방지제, 상용화제, 광안정제, 안료, 염료, 무기물 첨가제 및 드립 방지제로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택되는 첨가제를 더 포함하는 것인 탄소복합소재 조성물.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 탄소복합소재 조성물을 가공하여 얻어진 성형물품.
제13항에 있어서,
상기 가공은 압출공정, 사출공정 또는 압출 및 사출 공정 중 어느 하나 이상에 의한 것인 성형물품.
제13항에 있어서,
열전도도가 약 10 내지 약 30 W/m· K 인 성형물품.
제13항에 있어서,
전자파 차폐효율(EMI SE)이 약 30 dB 이상인 성형물품.