KR20180019608A - 전자기 및 센서 응용을 위한 그래핀 함유의 수성 압저항 전도성 고분자 도료 - Google Patents
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Abstract
얇은 전도성, 대전 방지 및 가능하게는 압저항 코팅을 제공하기 위한 수성 전도성 고분자 도료는, 수성 고분자 또는 그래핀 나노플라트렛(GNP)로 채워진 수성 고분자 도료로부터 출발하여 팽창 흑연을 박리하여 얻어진다. 상기 공정은 하기의 단계를 고려한다:
a) TEGO, WEG 또는 팽창 흑연(EG)으로 알려진 구조를 얻기 위해 상업용 흑연 층간 화합물(GIC)을 열 팽창 시키거나, 상업형의 EG를 사용하는 단계;
b) 원하는 최종 특성에 따라 다양한 농도의 알코올-물 혼합물로 희석될 수 있는 수성 도료/고분자 중의 상기 TEGO, WEG 또는 EG 구조를 분산 및 파쇄하는 단계;
c) 현탁액을 초음파처리 하는 단계로서, 현탁액의 온도, 방출된 에너지 및 지속 시간과 같은 초음파처리 사이클 파라미터는 얻어지는 물질의 특성에 기초하여 정해지는 것인, 단계.
a) TEGO, WEG 또는 팽창 흑연(EG)으로 알려진 구조를 얻기 위해 상업용 흑연 층간 화합물(GIC)을 열 팽창 시키거나, 상업형의 EG를 사용하는 단계;
b) 원하는 최종 특성에 따라 다양한 농도의 알코올-물 혼합물로 희석될 수 있는 수성 도료/고분자 중의 상기 TEGO, WEG 또는 EG 구조를 분산 및 파쇄하는 단계;
c) 현탁액을 초음파처리 하는 단계로서, 현탁액의 온도, 방출된 에너지 및 지속 시간과 같은 초음파처리 사이클 파라미터는 얻어지는 물질의 특성에 기초하여 정해지는 것인, 단계.
Description
본 발명은 나노 기술 분야에 속하며, 보다 구체적으로는 제어된 전기, 전자기적 및 전기 기계적 성질을 나타내는 새로운 나노 구조와 그래핀계 물질의 제조에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 팽창된 흑연의 박리에 의해 얻어진, 그래핀 나노플라트렛(GNP)으로 채워진 상업적인 수성 고분자 도료 또는 수성 고분자 액체 용액으로부터 출발하여, 제어된 전기적 또는 압저항 또는 전자기적 특성들을 갖는 수성 고분자 도료의 제형(formulation) 및 제조에 관한 것이다. 이러한 도료는 전자파 차폐 응용(예를 들어, 전파흡수재(RAM)의 생산 또는 대전 방지 장치 또는 구조체의 변형 상태를 분산 모니터링 하기 위한 압저항 코팅)에 사용될 수 있다.
전술한 전기적, 압저항(piezoresistive) 및 전자기적 특성에 더하여, 이와 같이 얻어진 코팅은 가볍고, 가공하기 쉬우며, 임의의 기판 상에 놓기 적합하다.
본 발명의 모든 목적은 청구항 1 내지 13에 따른 공정에 의해 달성되었다.
상기 도료를 제조하기 위해 개발된 공정은 간단하고, 저렴하고, 빠르며, 저비용 대량 생산에 적합하다. 또한, 상기 공정은 용매로서 알코올-물 혼합물을 사용한다.
이는 하기의 단계를 고려한다:
a) TEGO, WEG 또는 팽창 흑연(EG)으로 알려진 구조를 얻기 위해 상업용 흑연 층간 화합물(GIC)을 열 팽창 시키거나, 상업형의 EG를 사용하는 단계;
b) 원하는 최종 특성에 따라 다양한 농도의 알코올-물 혼합물로 희석될 수 있는 수성 도료/고분자 중의 상기 TEGO, WEG 또는 EG 구조를 분산 및 파쇄하는 단계; 및
c) 현탁액을 초음파처리(ultrasonification) 하는 단계로서, 현탁액의 온도, 방출된 에너지 및 지속 시간과 같은 음파처리(sonification) 사이클 파라미터는 얻어지는 물질의 특성에 기초하여 정해지는 단계.
도료는 비-한정적인 예로서, 스프레이, 딥 코팅(dip-coating) 및 잉크젯과 같은 여러 가지 기술로 도포될 수 있다.
유리하게는, 본 발명에 의하면, 상기 도료로 얻어진 코팅의 전기적, 압저항 및 전자기적 특성을 제어하는 것이 가능하다:
1. 매트릭스 내에 분산된 GNP의 양;
2. 용매로서 사용되는 알코올-물 혼합물의 정의와 농도; 및
3. 도료 내 GNP의 분산의 제어,
상기 제어는 현탁액 내의 팽창 흑연을 파쇄하는 기능을 갖는 기계적 막대 교반기(mechanical rod stirrer)와, 이전에 파쇄된 팽창 흑연을 박리 및 분산시키는 기능을 갖는 초음파 팁이 있는 음파처리기(sonicator)의 순차적인 동작(action)을 통해 얻어진다.
항공 우주 분야, 군사 분야, 자동차 분야 등에서 합성 소재의 갈수록 더 광범위해지는 사용은 분산 센싱, 전자파 차폐 및 전자파 간섭 억제 솔루션을 제공하기 위해 전기 전도성 합성 재료의 개발로 이어지고 있으며, 이는 합성 재료의 생산 체인에 쉽게 통합될 수 있다.
그 결과, 새로운 기술과 고분자-매트릭스 및 전기 전도성 합성 재료의 개발에 상당한 관심이 있다. 이러한 합성 재료는 고분자(polymeric)-매트릭스를 사용하거나 전기 전도성 물질을 사용하여 얻을 수 있다. 가장 깊게 연구된 충전제(filler)의 몇몇은 탄소 나노 구조체로서, 환원된(reduced) 흑연 산화물(rGO)의 형태, 또는 기능화된 그래핀 시트(FGS)의 형태, 또는 흑연/그래핀 나노플라트렛(GNP)의 형태이거나, 탄소 나노튜브(CNT) 형태의 탄소 나노 구조체이다. 가장 많이 연구되는 측면 중 하나는 전도성 코팅을 제공할 가능성에 관한 것이다.
선행 기술
이제 본 명세서의 끝 부분에 있는 참고 문헌 목록에 나타나는 숫자로 구별되는 일련의 특허문헌 및 과학 논문에 대한 간략한 분석과 설명이 이어진다.
특허문헌 [1], [2], [3], 및 [4]는 흑연 나노플라트렛과 그래핀 나노시트와 같은 그래핀계 나노 구조체의 개발 및 상기 나노 구조체를 충전제로 함유하는 고분자성 나노합성물(nanocomposite)의 제조에 관한 것이다.
특허 US 7658901 [1] “열적으로 박리된 흑연 산화물”은 스타우덴마이어(Staudenmaier) 방법으로 시작하여 3000℃까지의 팽창 및 2000℃/분 이상의 레이트(rate)로 TEGO(열적으로 박리된 흑연 산화물)를 제조하는 방법과, 다른 한편으로는 DC 및 AC 전기 전도도로 특징 지워지는 그에 상응하는 나노합성물을 제조하는 방법을 기술하고 있다.
대신에, 본 발명에 의하면, 출발 물질은 비-제한적인 예로서, 상업형 흑연 층간 화합물(GIC)과 같은 저비용 및 용이하게 입수할 수 있는 물질이거나, 그렇지 않으면 천연 흑연 또는 키시(kish)에서부터 생산되는 것일 수 있고; 팽창 단계는 공기 중에서(분위기가스(controlled atmosphere)에서가 아니라) 2000℃/분(min) 보다 훨씬 높은 레이트로 발생한다. 예를 들어, 1150℃ 에서 5초 동안 팽창된 GIC의 경우, 레이트는 13800℃/분으로 높다.
특허 WO 2014140324 A1 [3] “박리된 무결함, 비산화 2차원 재료의 대량 생산을 위한 확장 가능한 공정”은 독점적으로 기계적 성질을 갖는 공정에 의한, 그래핀을 포함하는 다양한 성질의 나노 구조체들의 액상에서의 박리를 기술한다.
본 발명은 GNP의 박리 공정이 팽창 흑연의 액체에서의 파쇄 및 초음파 탐침을 이용하는 음파처리(sonification)에 의한 후속 박리에 기초한다는 점에서 다르다. 액체에서의 파쇄는 기계적 막대 교반기 및/또는 고전단 믹서(high-shear mixer)의 겸용에 의해 수행된다. 파쇄 단계는, 또한 교반기 또는 고전단 믹서의 회전 지속시간(duration) 및 회전 레이트면에서 최적화된다. 상기 단계의 목적은 팽창 흑연의 나노미터 수준에서의 박리는 아니지만, 초음파 탐침(초음파처리)에 의한 후속 초음파처리 단계를 용이하게 하기 위해, 팽창 흑연과 액상 사이 경계의 표면을 상당히 증가시키는 방식으로 마이크로미터 스케일(1㎛ 내지 500㎛ 범위 크기의 입자 생산으로)에서 파쇄한다.
본 명세서에서 제안된 방법은, 상기의 특허에서 기계적 파쇄 단계가 부재하는 한, 특허 [4] WO 2014061048 A2 "전자파장해를 감소시키기 위한 Gnp계 고분자성 나노합성물"에서 개발된 방법의 일부만을 채택한다. 그리고, 적절한 용매에서 팽창 흑연의 계획한 음파처리, 고분자와 액상으로 혼합하고, 고분자/나노구조/용매 혼합물이 기계적 또는 자기적 교반기에 의해 교반이 유지되는 상황에서 용매의 전체 증발이라는 단일 최종 단계가 있다.
문헌에는 탄소계 충전제를 갖는 폴리(비닐 알코올) 베이스의 전도성 필름의 몇 가지 예가 존재한다. [5]의 Chen Lu 외. 는 PVA와 천연 흑연에서 출발하는 나노합성물의 제조를 기술한다. 천연 흑연은 허머(Hummer) 방법을 사용하여 산화되고, 이전에 물에 용해 된 PVA와 혼합된다. PVA와 그래핀 산화물(GO) 용액은 3일 동안 혼합된 다음, 부어서 필름을 얻는다. PVA 및 환원된 그래핀 산화물(rGO)의 필름은 PVA/GO 경우와 유사한 전략을 사용하여 제조되지만, 혼합 둘째 날 이후에는 GO를 rGO로 환원시키기 위해 하이드라진이 추가된다. 최종 합성물은 약 10-9 S/m의 낮은 전기 전도도를 나타낸다.
[6]의 Horacio 외. 는 나노합성물을 침전시키기 위해 응고제로서 2-프로판올을 사용하여 PVA와 rGO 매트릭스를 갖는 나노합성물의 제조를 기술한다. 높은 충전제 농도(10 wt%)에서도 전기 전도도는 약 0.1 S/m 정도를 유지한다. [7]에서 나타난 바와 같이, 팽창 흑연의 박리를 개선하고, 나노합성물의 침전을 유도하는 1-프로판올을 사용하는 유사한 접근법이 본 발명에서 사용된다.
[8]의 Sriya 외. 는 안정화제(C10)의 도움으로 안정하게 된 그래핀 나노플라트렛의 수성 현탁액의 제조를 기술한다. 그 다음 PVA를 첨가함으로써 3 vol%의 농도에 대해 10-4 S/m의 전기 전도도를 갖는 전도성 나노합성물이 얻어진다.
[9]의 T.N. Zhou 외. 는 약 10-3 S/m 정도의 전도도를 갖는 PVA/rGO 나노합성물의 제조를 기술한다. 제안된 방법은 매우 간단하며 세 단계로 구성된다. 1단계에서는 rGO를 제조하는 것이 고려되고, rCO는 2단계의 PVA와 수성 현탁액에서 혼합되며, 마지막 단계에서는 나노합성물의 여과가 수행된다.
특허 [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], 및 [20]는 다분히 수성이고 전기 전도성인 고분자 재료를 제조할 수 있는 다양한 전략을 연구한다.
특허 US 5286415 [10] "수성 고분자 후막 전도성 잉크"는 전도성 열가소성 고분자의 후막(thick film)을 제조하는 공정을 제공하는데, 이 중 중합(polymerisation) 지연제를 첨가하여, 흑연, 은 미세입자(microparticles) 또는 카본 블랙으로 40 중량%까지 충전된 PVA가 있다. 이 특허는 기계식 교반기에 의해 매트릭스에서 분산된 마이크로메트릭(micrometric) 충전제를 포함시켜서 얻어진 전기 전도성 필름(시트 저항은 20 mΩ 미만)의 제조에 대해 논의한다. 대신에, 본 발명에 따르면, 그래핀 나노플라트렛을 포함하는 전기 전도성의 수성 고분자(polymeric) 도료가 제공된다.
특허 US 20080171824 [11] "고도로 팽창된 흑연으로 채워진 고분자"는 삽입 흑연(intercalated graphite)으로부터 시작하여 팽창 흑연으로 채워진 전도성 고분자의 개발을 기술한다. 다양한 고분자가 개시되며, 그 중에서 PVA가 있다. 분산 방법은 음파처리의 도움 없이 용액 내에서 열 화학 공정으로 설명된다. 보고된 가장 좋은 결과 중, 4 중량%로 충전된 에폭시 수지에 대해 102Ωcm 정도의 체적 저항률이 언급될 수 있다. 이 특허는 매트릭스 내에서 충전제(filler)의 더 나은 분포를 얻기 위해 팽창 흑연을 박리하여 이들의 성능을 향상시키도록 하는 가능성을 검토하지 않았다.
특허 CN 101671466 A [12] "전도성 폴리 비닐 알코올 및 이의 제조방법"은 팽창 흑연으로 채워진 전도성 PVA 필름을 얻기 위한 제조 공정을 제시한다.
제시된 공정은 몇 시간 동안 지속되는 다수의 초음파처리로 여러 가지 온도의 다양한 단계의 교반을 시사한다. 재료는 극한 연신율(최대 340%) 측면에서 우수한 기계적 특성을 나타내지만, 도달한 전기 전도도는 10-4 S/m를 초과하지 않는다.
특허 CN 102516829 A [13] "고분자 기능화된 그래핀을 제조하기 위한 초음파-보조 방법"은 초음파처리 공정을 통해 그래핀을 고분자(그 중 PVA)로 기능화 하는 방법을 기술한다. 이 특허는 나노합성물의 제조가 아니라 그래핀이 고분자로 기능화되는 물리화학적인 공정을 기술한다.
특허 CN 103131232 A [15] "고성능 수성 그래핀 도료 및 이의 제조방법"은 허머(Hummer) 방법으로 제조된 rGO가 채워진 수성 도료의 제조 공정을 제시한다. 제조 공정 중 다양한 중화제, 거품 방지제, 분산제 등의 다양한 첨가제(additives)가 사용된다. 이 공정은 다양한 시약(reagent)을 필요로 하므로 화학적 관점에서 볼 때 복잡하다.
특허 EP 2262727 A2 [16] "흑연 나노플라트렛 및 조성물"은 전도성 고분자, 그 중에서도 GNP를 충전제로 사용하는 폴리우레탄계의 것의 제조를 기술한다. GNP는 본 발명에서 특징짓는 파쇄 단계 및 용매 중 초음파처리 단계를 거치지 않고, 초음파처리를 통해 고분자 내에 직접 분산된다. 이 때문에, 제조 공정이 매우 간단하지만, 얻어진 필름에 의해 달성된 표면 저항은 1.4 kΩ/sq 이하로 떨어지지 않는다.
특허 WO 20130074712 A1 [17] "그래핀 함유 조성물"은 그래핀 베이스와 적어도 하나의 산을 갖는 잉크 또는 코팅의 제조를 기술한다. 이들 성분은 폴리비닐부티랄 아니면 폴리비닐포르말 아니면 (수용성)폴리아크릴레이트일 수 있는 고분자에 첨가된다. 대신에, 본 발명은 산을 사용하지 않는다.
특허 US 201302067294 A1 [18] "전도성 도료 조성물 및 이를 이용한 전도성 필름의 제조방법"은 탄소 나노 구조체를 포함시킴으로써 전기 전도성을 갖게되는 폴리머 도료(수성일 수 있는)의 제조 및 조성을 보호한다. 이 특허에 의해 보호되는 공정의 주요 단계 중 하나는 초임계 또는 아임계 조건에서 나노 구조체를 물에 넣고 산소, 과산화수소, 공기, 오존 및 이들의 조합에서 선택된 하나 이상의 산화제를 사용하여 얻어진 나노 구조체의 표면을 산화 처리하는 것이다. 본 특허 출원에서, 탄소 나노 구조체는 이들의 표면을 개질 시키기 위한 목적으로 어떠한 산화 처리도 거치지 않는다.
특허 US 20130001462 A1 [19] "팽창 흑연을 포함하는 폴리우레탄 나노합성물의 제조방법 및 이의 조성물"은 디메틸포름아마이드, 메틸에틸케톤, 톨루엔 및 아세톤과 같은 유기 용매에 분산된 팽창 흑연(EG)로부터 출발하여 얻어진 고분자 매트릭스(폴리우레탄을 포함하는)로 나노합성물을 제조하는 공정을 보호한다; 다음으로, EG-용매 혼합물을 프리폴리머(prepolymer)에 첨가하고, 이어서 중축합(polycondensation) 반응은 팽창 흑연의 박리 및 나노합성물의 형성을 유도한다. 대신에, 본 발명에 따르면, 사용된 용매는 알코올-물 혼합물이고, 팽창 흑연의 박리는 초음파 팁을 사용하여 일어난다.
수성 고분자 필름을 전도성으로 만드는 다른 방법은, 본질적으로 전도성인 공중합체(copolymer) 또는 금속 입자를 사용하는 특허 US 20050181206 [14] "전도성 폴리비닐알코올 섬유" 및 특허 WO 2011008227 A1 [20] "수용성 바인더를 포함하는 투명한 전도성 필름"에 제시되어 있다. 대신에, 본 발명은 금속 충전제 또는 본질적으로 전도성인 고분자의 사용을 고려하지 않는다.
전자기 차폐로의 적용에 있어서, 문헌에는 전도성 금속 충전제 또는 탄소계 충전제를 사용하는 다수의 합성물이 존재한다. 본 발명의 주제와 가장 관련 있는 특허 중에는 [21], [22], [23], 및 [24]가 언급될 수 있다.
상기 특허 [21], [22], 및 [23]은 다양한 탄소 나노 구조체 및/또는 금속 충전제로 채워진 고분자성 합성물을 제공한다. 본 발명과 달리, 이들은 도료를 제공하지 않는다.
특허 CN 1450137 [24] "수성 현탁액 타입의 전자기파 차폐 코팅 및 이의 제조방법"에 기술된 것은 전자기 차폐로의 적용을 위한 수성 고분자의 전도성 필름을 제공할 수 있는 가능성이다. 이 필름은 물에 용해된 다양한 유형의 수지를 사용하여 얻어지고, 20 중량% 내지 60 중량%의 다량의 금속-기반 전도성 충진제로 채워진다. 대신에, 본 발명에 따르면, 금속 입자의 사용은 고려되지 않는다.
고분자 매트릭스와 전도성 합성물(composite)을 변형 센서로 사용하는 것은 합성물로 만들어진 가벼운 구조물에서 그것의 집적 가능성 덕분에 상당한 관심의 대상이다. 문헌에는 변형 감지 응용 분야에 탄소계 충전제로 채워진 열가소성 또는 열경화성 수지의 예시들이 있다. 변형 모니터링을 위한 압전 필름의 제조를 기술하는 본 발명의 목적에 가장 관련이 있는 특허는 [20], [25], [26], 및 [27]이다. 특히, 이들은 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 파이버, 카본 블랙 또는 비정질 탄소로 채워진 압저항 고분자를 변형 센서로 사용할 수 있는 가능성을 제시한다. 전술한 특허와 달리, 본 발명에 따르면, GNP가 전도성 충전제로 사용된다.
[28]의 Loh 외. 결함이나 손상 및 변형 표면에 분포된 검출용 센서로 사용되는, 탄소 나노 튜브가 채워진 PVA계 전도성 필름의 생산을 제시한다. 변형 또는 손상의 탐지는 전기적 임피던스 단층촬영(EIT) 기술을 통해 수행된다. 개발된 센서는 최대 약 6의 감도를 나타낸다. 대신에, 본 발명에 따르면, 고분자 탄소 나노 튜브가 아니라 GNP를 사용하고, 결과적으로 10 보다 높은 감도를 나타내고, 비-제한적인 예로서 55까지의 감도를 나타내는 센서를 얻는다.
흡수성 레이더 구조물을 제조하기 위한 전도성 고분자의 응용은 점점 더 광범위해지고 있다. 일부 참조 특허가 아래 언급된다.
특허 WO 2010109174 A1 [29] "전자기장 흡수 조성물"은 RAN 응용을 위한 탄소계 마이크로메트릭 구조로 채워진 합성물을 개발한다. 대신에, 본 발명에 따르면, GNP가 충전제로서 사용된다.
특허 WO 23014061048 A2 [4] "전자파장해를 감소시키기 위한 Gnp계 고분자성 나노합성물"는 RAM 응용을 위해 GNP로 채워진 열경화성 매트릭스와의 합성물(composite)를 개발한다. 저자들은 또한 초음파처리를 기반으로 한 나노 구조체의 생산 과정을 주장한다. 본 발명과는 달리, 이 특허는 도료를 제공하지 않으며, 개시된 공정은 기계적 파쇄 또는 용매로서 알코올-물 혼합물의 사용을 고려하지 않는다.
상기 목록은 훨씬 더 길 수 있지만, 이들 특허의 근본적인 특징은 충전된 전도성 고분자가 어떠한 경우에도 높은 점도를 갖는 열경화성 또는 열경화성이고, 어떠한 경우에도 표면 저항이 원하는 값을 갖는 수 마이크론 또는 수십 마이크론 두께로 간단하게 코팅될 수 있는 전도성 도료를 제공하기에 적합하지 않으며, 어떠한 경우에도 수십 또는 수백 킬로 옴에서 수백 옴에 이른다. 이 양태는, 기계적 파쇄 단계 및 용매로서 알코올-물 혼합물의 사용을 포함하여, 2012년에 “Nanocompositi polimerici a base di GNP per la riduzione di interferenze elettromagnetiche"("GNP 기반의 전자기 간섭 저감을 위한 나노 고분자성 합성물")라는 제목으로 본 출원인에 의해 출원된 이전 특허 출원과 비교하여 본 특허 출원의 주요하게 구별되는 특징이다.
발명의 설명
본 발명은 액상 수성 고분자 또는 그래핀 나노플라트렛(GNP)로 채워진 수성 고분자성 도료(예를 들어, 본 발명에 따르면, 폴리비닐알코올-PVA-또는 폴리우레탄 도료가 사용된다)로부터 출발하여 얇은 전도성, 대전 방지 및 가능하게는 압저항 코팅을 제공하기 위한 수성 전도성 고분자 도료의 제조에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 상업용 흑연 층간 화합물(GIC)(Grafguard 160-50N)으로부터 시작하여, 공지된 기술에 따른 열 팽창을 통해 열 팽창된 흑연 산화물(TEGO) 또는 벌레모양의 팽창 흑연(worm-like expanded graphite, WEG) 또는 단순히 팽창된 흑연(EG)으로 알려진 구조체가 얻어진다. 또는, 상업형의 팽창 흑연을 사용할 수 있다.
상기 EG는 기계적 막대 교반기 및/또는 고전단 믹서에 의해 액체(전형적으로 알코올-물 혼합물 또는 수성 도료/고분자를 가능한 한 알코올-물 혼합물로 희석한) 내에서 분산 및 파쇄된다. EG의 분산 및 파쇄가 수행되는 액상의 조성은 팽창 흑연의 습윤성(wettability)을 최대화하기 위한 목적으로 확인된다. 후속 공정 단계는 액상의 다른 조성과 관련하여 상이하다.
알코올-물 혼합물의 경우, 액체에서의 분산 및 파쇄 단계를 따르는 공정은 다음과 같이 구성된다:
i.
후술하는 바와 같이 초음파 탐침으로 초음파처리 하는 단계;
ii.
알코올-물 혼합물의 부분 증발(전체 부피의 90% 내지 99%) 단계;
iii.
기계적 혼합 및/또는 음파처리에 의해 수성 고분자 및/또는 도료와 혼합하는 단계;
iv.
가능한 가교제의 첨가 단계; 및
v.
경화 단계.
수성 고분자 또는 도료가 알코올-물 혼합물로 희석될 수 있는 경우, 액체에서의 분산 및 파쇄 단계를 따르는 공정은 다음과 같이 구성된다:
i.
후술하는 바와 같이 초음파 탐침으로 음파처리 단계;
ii.
가능한 모든 용매의 증발 단계;
iii.
필요하다면, 가교제의 첨가 단계;
iv.
기판 상에 증착하는 단계; 및
v.
경화 단계.
하기에서 제공되는 예시들에서 나타나는 용액의 온도, 방출된 에너지, 지속 시간 등과 같은 초음파처리 사이클의 파라미터는 출발 물질 및 얻어지는 물질의 성질에 따라 설정된다. 최종 경화 단계 이전에, 얻어진 현탁액은 따라서 딥 캐스팅(dip-casting), 스핀 코팅(spin-coating), 스프레이, 및 잉크젯과 같은 다양한 기술들을 통해 임의의 기판 상에 증착 할 준비가 된다.
충전된 전도성 도료의 제조 공정의 총 지속 시간은 약 30-40분에서 최대 약 120분이다. 따라서, 상기 특허에서 개시된 공정의 지속 시간(보통 수 시간 더 짧음)보다 훨씬 짧다.
예시된 공정은 단순함, 신속성, 저비용 및 확장성 측면에서 문헌 또는 다른 특허에서 공지된 것 보다 상당한 이점을 제공한다. 게다가, 이 범주에 속하는 이전에 제조된 임의의 합성물과 비교하여 특히 전기 전도성 및 압저항 반응 측면에서 더 높은 성능을 얻기 위해, 고농도 GNP의 고분자성 매트릭스에 분산을 가능하게 한다.
제조공정의 예시 1:
PVA계
도료
본 발명의 주제를 이루는 PVA계 도료의 제조 공정은 하기의 단계로 이루어진다:
a)
팽창 흑연(EG)의 제조: 이 단계는 상업형의 흑연 층간 화합물(GIC) (Grafguard 160-50N)을 출발 물질로 사용한다. 1150℃ 온도의 오븐에서 5초 동안 13800℃/분(min) 까지의 레이트로 가열하면, GIC의 인터칼레이팅 산(intercalating acid)이 급속하게 팽창하여 흑연 층을 분리시킨다. WEG라는 이름의 얻어진 구조체는 GIC의 약 200-300배의 부피를 가지며 용매에 분산되기에 적합하다.
b)
분산 및 파쇄: EG는 기계적 막대 교반기 및/또는 고전단 믹서를 사용하여 0.01 중량% 내지 20 중량% 범위의 중량 퍼센트를 갖는 적절한 양의 액체 PVA(10-250ml)에 분산된다. GNP의 분산을 촉진하기 위해(그리고 나서 이어지는 박리 단계), PVA에는 1-프로판올 또는 알코올-물 혼합물이 분산된 EG의 양과 관련하여 1ml/mg 내지 30ml/mg 사이의 양으로 첨가된다. 또한, 현탁액의 점도를 낮추기 위해, EG의 함량에 비례하는 양으로, 그리고 임의의 경우에 0.001ml/mg 내지 0.060ml/mg 사이의 양으로 탈염수가 첨가될 수 있다.
c)
초음파처리 및 박리: 다음으로, 현탁액을 40W 내지 50W의 출력으로 20 내지 60분 범위의 총 시간 동안 1:1 펄스 사이클로 초음파처리 한다. 용매의 증발을 방지하고, 초음파처리 조건을 변경하지 않고 유지하기 위해 용액을 5℃ 내지 15℃ 사이의 일정한 온도로 유지한다.
음파처리 단계가 끝나면, 현탁액은 관심 표면에 딥 캐스팅, 스핀 코팅, 또는 스프레이 중 다양한 방식으로 증착에 적합한 점도를 나타낸다.
나노합성물 필름은 존재하는 용매를 60℃ 내지 70℃의 오븐에서 약 10분 동안 증발시켜 얻는다.
도 1에 나타나는 것은 1%로 채워진 합성물 필름의 액체 질소 내에서의 파단 가장자리의 주사 전자 현미경(SEM)으로 얻은 이미지이다.
제조공정의 예시 2: 폴리우레탄계 도료
본 발명의 주제를 이루는 폴리우레탄계 도료의 제조 공정은 하기의 단계로 구성된다:
A)
예시 1의 포인트 a)에 따른 팽창 흑연(EG)의 제조.
b)
분산 및 파쇄: EG는 기계식 막대 교반기 및/또는 고전단 믹서를 사용하여 0.01 중량% 내지 20 중량% 범위의 중량 퍼센트를 갖는 적절한 양의 1-프로판올(10-250ml)에 분산된다.
c)
초음파처리 및 박리: 다음, 현탁액을 40W 내지 50W 의 출력으로 20 내지 60분의 총 시간 동안 1:1 펄스 사이클로 초음파처리 한다. 용매의 증발을 방지하고, 초음파처리 조건을 변경하지 않고 유지하기 위해 용액을 5℃ 내지 15℃ 사이의 일정한 온도로 유지한다.
d)
증발: 현탁액을 끓는점에서 자기교반으로 혼합하여 용매의 상당 부분(fair share)을 제거한다(총 부피의 80% 내지 90%).
e)
균질화(Homogenization): 이와 같이 생성된 GNP를 폴리우레탄계 도료에 첨가하고 고전단 믹서의 도움으로 2분 내지 10분 동안 1000rpm 내지 2000rpm의 회전 레이트로 혼합한다. 현탁액은 도료의 물리화학적 성질 저하를 막기 위해 5℃ 내지 15℃의 온도에서 보관된다.
f)
초음파처리: 다음, 현탁액을 4W의 평균 출력으로 5분 내지 20분의 총 시간 동안 1:1 펄스 사이클로 초음파처리 한다.
g)
경화: 초음파처리 공정의 마지막에 중합제를 도료 생산자의 사양에 따라 첨가한다.
공정의 마지막에서, 현탁액은 관심 표면에 딥 캐스팅, 스핀 코팅 또는 스프레이 중 다양한 방식으로 증착에 적합한 점도를 나타낸다. 나노합성물 필름은 존재하는 잔여용매를 60℃ 내지 70℃ 사이의 오븐에서 약 60분 동안 증발시켜 얻는다.
도 2에 나타나는 것은 2%로 채워진 합성물 필름의 액체 질소 내에서의 파단 가장자리의 주사 전자 현미경(SEM)으로 얻은 이미지이다.
특성 및 성능
실시예
1
(
PVA계
) 전기적 특성이 조절된 대전방지 전도성 고분자 필름
다양한 충전제 농도에서 얻어진 필름의 표면저항을 측정함으로써, 나노합성물(nanocomposite)의 GNP 농도의 함수로 전기 저항의 곡선을 구성하는 것이 가능하다. 측정 프로세스는 Keithley 6221 AC/DC 전류 발전기와 Keithley 2182A 나노볼트미터로 제어되는 4-팁 프로브로 수행되었다. 표본은 직경 22mm 필름의 원형 부분을 분리하여 얻어지고, 표면저항(Rs)은 하기 식에 의해 계산된다.
R s = R·k
여기서 R은 측정된 저항이고 k는 표본의 기하학적 구조에 따라 결정되는 보정 계수이다(사용된 기하학적 구조의 k값은 4.44임).
도 3에 나타나는 것은 표면 저항을 GNP 농도에 대한 함수로 나타낸 것이다.
실시예
2
전기적 특성이 조절된 대전방지 전도성 고분자 필름(폴리우레탄 도료)
다양한 충전제 농도에서 얻어진 필름의 표면저항을 측정함으로써, 나노합성물의 GNP 농도의 함수로 전기 저항의 곡선을 구성하는 것이 가능하다. 측정 프로세스는 Keithley 6221 AC/DC 전류 발전기와 Keithley 2182A 나노볼트미터로 제어되는 4-팁 프로브로 수행되었다. 표본은 직경 22mm 필름의 원형 부분을 분리하여 얻어지고, 표면저항(Rs)은 하기 식에 의해 계산된다.
R s = R·k
여기서 R은 측정된 저항이고 k는 표본의 기하학적 구조에 따라 결정되는 보정 계수이다(사용된 기하학적 구조의 k값은 4.44임).
다음으로, 전도성 도료의 두께를 프로파일로미터(profilometer)로 측정하였다. 두께를 알면, GNP 충전제가 2 중량% 내지 4 중량%인 도료에 대해 2 S/m 내지 14 S/m을 구성하는 도료의 전기 전도도를 유도할 수 있다.
실시예
3
변형 센서로서의
압저항
고분자 필름
변형 센서로 적용된 합성물의 유용성을 테스트하기 위해 약 40mm×24mm의 영역에 걸쳐 직사각형 단면 (24mm×6mm)과 길이 120mm의 폴리카보네이트 막대의 중앙에 1%로 채워진 전도성 필름 층을 적용했다. 이렇게 감지된 막대는 3점 굴곡시험(three-point bending test)을 받았다. 증착된 고분자 필름이 제공된 센서는 측정 기기의 연결을 위해 은 베이스의 전도성 도료와 끝 부분에서 접촉되었다. 이 경우에도 저항 변화를 모니터링하기 위해 Keithley 6221 AC/DC 전류 발전기와 Keithley 2182A 나노볼트미터를 사용하였다. 기계적 테스트는 3점 굴곡장치가 있는 Instron 3363 인장 시험기로 수행되었다.
굴곡시험 동안 필름의 저항 변화를 모니터링하여 센서의 전기 기계적 특성(도 4)과 게이지 팩터(gauge factor)(도 5)를 얻었다.
실시예
4
나노합성물 고분자로 코팅된
허니콤
(Honeycomb) RAM 패널
RAM으로서 얻어진 합성물의 유용성을 증명하기 위해, 허니콤 패널(Hexcel Honeycomb HRH-10-3/16-6.0)을 3 중량%의 GNP로 충전된 PVA계 도료로 코팅하였다. 미리 선택된 농도는 약 60S/m의 전기 전도도의 도료를 얻을 수 있게 한다. 그것은 좋은 밝기와 높은 기계적 강도가 결합된 구조인 한 허니콤 패널에서 작업하도록 선택되었다. 도 6에 나타나는 것은 코팅 공정 전후 패널의 디테일이다.
전기 전도도의 측정 및 기하학적 특성으로부터 시작하여, 도 7에 나타나는 것은 100kHz-18GHz 주파수 대역에서 금속 표면 상에 단락된 허니콤 패널의 반사 계수(coefficient of reflecton)이다.
발명의 혁신적인 특징
본 발명은 얇은 전도성, 대전 방지성 및 압저항 코팅을 제공하기 위한 산업 수준에서의 빠르고, 저렴하며 확장 가능한 공정을 통해 그래핀 나노플라트렛(GNP)로 채워진 수성 고분자 도료의 제조를 가능하게 한다. 여기에서 개발된 소재는 시장에서 사용 가능한 동등한 재료와 비교하여 분명히 우수한 전기적, 전자기적 및 압저항 특성을 나타낸다.
응용 분야의 주요 영역
차폐 및 전파흡수재, 나노 기술, 전자기 호환성, 전기 공학, 변형 센서, 구조물 헬쓰 모니터링(structural health monitoring).
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Claims (18)
- 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이더(radar) 흡수(absorbent) 특성을 갖는 코팅을 제공하거나 대전 방지(antistatic) 장치 또는 압저항(piezoresistive) 코팅을 제조하기 위한 그래핀을 함유하는 수성 전도성 고분자 도료의 제조방법:
a) TEGO, WEG 또는 팽창 흑연(EG)로 알려진 구조를 얻기 위해 흑연 층간 화합물(GIC)을 열 팽창 시키거나, 상업형(commercial type)의 EG를 사용하는 단계;
b) 상기 TEGO, WEG, 또는 EG 구조체를 하기에서 선택된 액상(liquid phase)에서 분산(dispersing) 및 파쇄(shredding)하는 단계:
- 수성 도료/고분자;
- 알코올-물 혼합물로 희석된 수성 도료/고분자; 그리고
- 알코올-물 혼합물; 및
c) 수득된 현탁액(suspension)을 초음파처리(ultrasonication) 하는 단계.
- 제1항에 있어서,
상기 포인트 b)에서 언급된 분산 및 파쇄하는 단계는, 알코올-물 혼합물로 희석된 수성 도료/고분자에서 수행되고, 희석에 사용된 상기 알코올-물 혼합물 중의 부피 농도는 전체 부피의 6% 내지 65%로 구성되는 것인, 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 포인트 b)에서 언급된 분산 및 파쇄하는 단계는 알코올-물 혼합물에서 수행되고, 상기 단계 c) 이후에 다음의 하위 단계가 수행되는, 제조방법:
c1) 혼합물 부피의 90% 내지 99%를 부분(partial) 증발 시키는 단계; 및
c2) 기계적 혼합 또는 음파처리(sonification) 또는 이들 모두에 의해 수성 고분자 또는 도료 또는 수성 고분자와 도료 모두를 혼합하는 단계.
- 제2항에 있어서,
상기 알코올-물 혼합물 내 EG의 현탁액이 5000cps 이하의 점도를 갖는 것인, 제조방법.
- 제3항에 있어서,
d) 가교제(cross-linking agent)를 첨가하는 단계
를 후속 단계로 더 포함하는, 제조방법.
- 제5항에 있어서,
e) 딥 캐스팅, 스핀 코팅, 스프레이 및 잉크젯에 의해 관심 표면(surface of interest) 상에 수득된 물질을 증착시키는 단계
를 후속 단계로 더 포함하는, 제조방법.
- 제6항에 있어서,
f) 물질 및 기판 모두에 적합한(compatible) 열 사이클로 용매를 증발시킴으로써 나노합성물(nanocomposite) 필름을 얻는 단계
를 후속 단계로 더 포함하는, 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 a)는,
1000℃ 내지 1250℃, 바람직하게는 1150℃의 온도에서,
5-30 초, 바람직하게는 5초 동안,
2000℃/분(min) 내지 15000℃/분 사이, 바람직하게는 10000℃/분 내지 14000℃/분 사이, 바람직하게는 13800℃/분으로 구성된 레이트로,
오븐(oven) 내에서 가열하는 것으로 구성되는 것인, 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 b)에서 사용되는 수성 고분자 또는 도료는, PVA 또는 폴리우레탄 또는 다른 물과 혼합 가능한(water-mixable) 고분자 베이스인, 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 b)는, 기계적 막대(rod) 교반기(stirrer) 또는 고전단(high-shear)믹서 또는 이들 모두의 사용에 의해 수행되는 것인, 제조방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 단계 b)에서, 물과 팽창 흑연 사이의 최적비(optimal ratio)는 0.001mg/ml 내지 0.060mg/ml 사이로 구성되는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 포인트 c)에 따른 초음파처리는, 5℃ 내지 15℃ 사이의 온도에서, 40W 내지 50W 사이의 출력, 30-40분에서 최대 80분으로, 1:1 펄스(pulsed) 사이클에서 발생하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알코올-물 혼합물에 사용되는 알코올은 1-프로판올, 2-프로판올 및 에탄올로 이루어지는 군에서 선택되는 것인, 제조방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 얻어질 수 있는 고분자 필름으로서, 제어된 압저항 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 고분자 필름.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 얻을 수 있는 고분자 필름의, 무선주파수 응용(application)을 위한 레이더-흡수 다중 층(radar-absorbent multilayers)의 손실 층(lossy layer)으로서의 용도.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 얻을 수 있는 고분자 필름의, 전자기장 흡수 특성이 우수한 초경량 구조체를 얻기 위한 아라미드 허니콤(aramidic honeycomb) 구조체용 코팅으로서의 용도.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 얻을 수 있는 고분자 필름의, 변형(strain) 모니터링을 위한 구조체 및 성분에 대한 응용으로서의 용도.
- 임의의 성질(any nature)을 갖는 기판상에 적용되는, 제14항에 따른 압저항 고분자 필름을 포함하는 변형 센서(strain sensor).
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