KR20190015687A - Composition for Syntactic Foams and Manufacturing Method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a composition for syntactic foams comprising a polyolefin, hollow glass microspheres (HGMs), and carbon nanotubes. The present invention also provides a manufacturing method thereof. The composition for syntactic foams according to the present invention has low density and excellent mechanical strength by using the HGMs. In addition, percolation networks, composed of the carbon nanotubes between HGMs dispersed in a polymeric matrix, are well formed, and thus the composition for syntactic foams has high volume conductivity despite low carbon nanotube content.

Description

신택틱 폼 조성물 및 그의 제조방법{Composition for Syntactic Foams and Manufacturing Method thereof}Syntactic Foams and Manufacturing Method < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 신택틱 폼 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 중공상 유리 마이크로입자와 탄소 나노 튜브를 포함하는 신택틱 폼 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 신택틱 폼 조성물은 밀도가 낮으면서도 기계적 강도가 우수하고, 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube: CNT)가 우수하게 분산되어, 높은 체적 전도성을 갖는다.More particularly, the present invention relates to a syntactic foam composition comprising hollow glass microparticles and carbon nanotubes, and a process for producing the same. The syntactic foam composition according to the present invention has a low density, a high mechanical strength, a good dispersion of carbon nanotubes (CNT), and a high volume conductivity.

신택틱 폼(syntactic foam)은, 중공상 마이크로입자 필러를 갖는 경량의 고분자 복합재로서, 중공상 마이크로입자 필러와 열가소성 수지의 조합에 대하여 다양한 연구가 수행되어 왔다. 중공상 마이크로입자 필러의 예로는 중공상 유리 마이크로입자(hollow glass microspheres: HGMs), 탄소 및 고분자 미소구를 들 수 있다. 최근, 쿠마르(Kumar) 등은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 갖는 세노스피어(cenosphere)의 다양한 물성과 가공성을 평가하여 보고한 바 있다. 쿠마르 등은 산업폐기물인 플라이 애쉬로부터 제조되는 세노스피어를 이용한다는 점과, 조성의 단가를 줄일 수 있다는 두 가지의 이점에 더하여, 세노스피어의 함량이 증가하면 밀도와 강도가 감소하며, 탄성율이 증가한다고 보고하였다.Syntactic foam is a lightweight polymer composite material having a hollow microparticulate filler, and various studies have been conducted on the combination of a hollow microparticulate filler and a thermoplastic resin. Examples of hollow microparticle fillers include hollow glass microspheres (HGMs), carbon and polymer microspheres. In recent years, Kumar et al. Have evaluated various properties and processability of a cenosphere having high density polyethylene (HDPE). Kumar et al., In addition to the two advantages of using SenoSpheres manufactured from industrial waste, fly ash, and reducing the cost of the composition, the increase in the content of senospheres leads to a decrease in density and strength, .

다른 형태의 중공상 마이크로입자 필러 중에서, 중공상 유리 마이크로입자는 낮은 밀도, 낮은 유전상수, 우수한 단열 및 차음 등의 독특한 특성을 가진다. 개방형 또는 폐쇄형 셀 가스 기공을 함유하는 종래의 폼에 비하여, 중공상 유리 마이크로입자를 포함하는 신택틱 폼은 우수한 기계적 특성을 보인다. 낮은 밀도와 우수한 기계적 물성으로 인하여, 신택틱 폼은, 예를 들어, 해양 장비, 샌드위치의 코어 물질, 비행체의 구조 요소 등과 같은, 다양한 엔지니어링 용도에서 폭넓게 사용되고 있다. Among other types of hollow microparticle fillers, hollow glass microparticles have unique properties such as low density, low dielectric constant, good insulation and sound insulation. Compared to conventional foams containing open or closed cell gas pores, syntactic foams containing hollow glass microparticles exhibit excellent mechanical properties. Due to its low density and excellent mechanical properties, syntactic foams have been widely used in a variety of engineering applications, such as, for example, in marine equipment, core materials in sandwiches, structural elements in aircraft, and the like.

그러나, 중공상 유리 마이크로입자의 큰 부피는 신택틱 폼의 낮은 기계적 강도의 원인이 된다. 그에 따라, 물질 구조에서 입자 패킹한계를 해하지 않으면서도 신택틱 폼을 강화하는 방법들을 개발하기 위하여 많은 연구가 집중되고 있다.However, the large volume of hollow glass microparticles causes low mechanical strength of the syntactic foam. Accordingly, much research has been focused on developing methods to strengthen the syntactic foam without compromising the particle packing limit in the material structure.

특히, 나노클레이, 유리 또는 탄소 나노 섬유, 탄소 나노 튜브 등과 같은 다양한 필러들을 도입하여 신택틱 폼을 강화하는 시도가 이루어지고 있다. 마하시아(Maharsia) 등의 문헌 [Maharsia R, Jerro H. Mater Sci Eng A 2007;454:416-22]에 따르면, 다양한 벽 두께의 중공상 유리구 약 60 vol.% 및 2~5 vol.%의 나노클레이를 포함하는 신택틱 폼이 통상의 신택틱 폼에 비하여 23% 정도의 인장강도 향상을 보인다. 그러나, 인장강도의 향상에도 불구하고, 나노클레이 입자의 낮은 종횡비 때문에 인장 파단강도를 향상시키는 데에는 효과적이지 못하여, 부적절한 크랙 브리징(crack bridging)을 야기한다. In particular, attempts have been made to enhance syntactic foams by introducing various fillers such as nanoclay, glass or carbon nanofibers, carbon nanotubes, and the like. About 60 vol.% And 2 to 5 vol.% Of hollow glass spheres of varying wall thickness, according to Maharsia et al. [Maharsia R, Jerro H. Mater Sci. Eng. 2007; 454: 416-22] A syntactic foam containing nano-clay exhibits a tensile strength improvement of about 23% as compared with a conventional syntactic foam. However, despite the improvement in tensile strength, it is not effective in improving the tensile fracture strength due to the low aspect ratio of the nanoclay particles, resulting in improper crack bridging.

탁월한 필러의 다른 예는 탄소 나노 튜브로서, 이는 전기적, 열적, 기계적 성질 등의 물성과 기능성의 독특한 조합으로 지난 10여 년 동안 폭넓은 과학 분야에서 큰 관심을 받아온 소재이다. 그러나, 탄소 나노 튜브를 사용하는 경우의 큰 문제는 강한 반데르발스 힘 때문에 고분자 매트릭스 내에서 이들이 응집하고, 서로 얽힌다는 것이다. 이와 같은 응집을 분산시키고 나누기 위하여 고전단 혼련, 전기방사, 계면활성제의 도움을 받는 공정, 동시 중합, 라텍스 가공 및 용융가공 등의 다양한 가공기법이 시도되고 있다. 그러나, 탄소 나노 튜브는 폴리올레핀과 같은 소수성 매트릭스에 분산시키는 것이 어렵다는 문제점이 계속되고 있다. Another example of a superior filler is carbon nanotubes, a unique combination of physical and functional properties such as electrical, thermal, and mechanical properties that have been of great interest in a wide range of sciences over the past decade. However, a major problem when using carbon nanotubes is that they are aggregated and intertwined in the polymer matrix due to strong Van der Waals forces. Various processing techniques such as high shear kneading, electrospinning, surfactant assisted processes, simultaneous polymerization, latex processing, and melt processing have been attempted to disperse and disperse such cohesion. However, carbon nanotubes continue to be difficult to disperse in a hydrophobic matrix such as polyolefin.

이에, 본 발명자들은 폴리올레핀, 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브를 포함하는 신택틱 폼 조성물에 있어서, 탄소 나노 튜브와 중공상 유리 마이크로입자의 함량을 조절함으로써 밀도가 낮으면서도 기계적 강도 및 전도성이 우수한 신택틱 폼 조성물을 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have found that a syntactic foam composition comprising polyolefin, hollow glass microparticles and carbon nanotubes can be obtained by controlling the content of carbon nanotubes and hollow glass microparticles so as to have a low density and excellent mechanical strength and conductivity The present inventors have confirmed that a syntactic foam composition can be produced, and the present invention has been completed.

Maharsia R, Jerro H. Enhancing tensile strength and toughness in syntactic foams through nanoclay reinforcement. Mater Sci Eng A 2007;454:416-22Maharsia R, Jerro H. Enhancing tensile strength and toughness in syntactic foams through nanoclay reinforcement. Mater Sci Enge 2007; 454: 416-22

본 발명의 목적은, 밀도가 낮으면서도 기계적 강도가 우수하고, 탄소 나노 튜브가 우수하게 분산되어 낮은 탄소 나노 튜브 함량에도 불구하고 높은 체적 전도성을 갖는 신택틱 폼 조성물을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a syntactic foam composition having a low density and excellent mechanical strength, and a carbon nanotube dispersed in an excellent manner, and having high volume conductivity despite low carbon nanotube content.

본 발명의 다른 목적은 상기 신택틱 폼 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the syntactic foam composition.

본 발명의 제1양태는 폴리올레핀, 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브를 포함하고, 상기 중공상 유리 마이크로입자가 조성물 전체 중량을 기준으로 1 내지 7 wt%의 함량으로 포함됨으로써, 폴리올레핀 매트릭스 내에 탄소 나노 튜브가 잘 분산되고, 중공상 유리 마이크로입자 사이에 탄소 나노 튜브로 형성된 전기적 퍼콜레이션(percolation) 네트워크 구조를 갖는, 신택틱 폼 조성물을 제공한다.The first aspect of the present invention relates to a method for producing a polyolefin composition, which comprises a polyolefin, hollow glass microparticles and carbon nanotubes, wherein the hollow glass microparticles are contained in an amount of 1 to 7 wt% based on the total weight of the composition, There is provided a syntactic foam composition having an electrically percolation network structure in which nanotubes are well dispersed and formed of carbon nanotubes between hollow glass microparticles.

일 실시형태에서, 상기 폴리올레핀은 폴리프로필렌일 수 있다.In one embodiment, the polyolefin may be polypropylene.

일 실시형태에서, 상기 중공상 유리 마이크로입자는 표면처리되지 않은 것일 수 있다.In one embodiment, the hollow glass microparticles may be non-surface treated.

일 실시형태에서, 상기 중공상 유리 마이크로입자는 실질적으로 분쇄되지 않은 것이다. In one embodiment, the hollow glass microparticles are substantially unbranched.

일 실시형태에서, 상기 탄소 나노 튜브의 함량은 조성물 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 5 wt%일 수 있다.In one embodiment, the content of carbon nanotubes may be 0.5 to 5 wt% based on the total weight of the composition.

일 실시형태에서, 상기 신택틱 폼 조성물은 ASTM D4496-13 방법에 따라 측정되는 체적 전도성이 1.0 S/m 이상이다.In one embodiment, the syntactic foam composition has a volume conductivity of at least 1.0 S / m measured according to the ASTM D4496-13 method.

일 실시형태에서, 상기 신택틱 폼 조성물은 ASTM D638 방법에 따라 측정되는 인장강도가 35 MPa 이상이다.In one embodiment, the syntactic foam composition has a tensile strength of at least 35 MPa as measured according to the ASTM D638 method.

일 실시형태에서, 상기 신택틱 폼 조성물은 밀도가 900 Kg/m3 이하, 바람직하게는 750 내지 850 Kg/m3 이고, 매트릭스 보이드는 10 vol% 이상이며; 마이크로벌룬 기공도는 1% 이상이다.In one embodiment, the syntactic foam composition has a density of 900 Kg / m 3 or less, preferably 750 to 850 Kg / m 3 , and the matrix void is 10 vol% or more; The microballoon porosity is at least 1%.

또한, 본 발명의 제2양태는 폴리올레핀, 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브를 혼합한 후 용융혼련하고, 혼련물을 그래뉼화하는, 신택틱 폼 조성물의 제조방법을 제공한다.Further, a second aspect of the present invention provides a method for producing a syntactic foam composition, which comprises mixing a polyolefin, hollow glass microparticles and carbon nanotubes, followed by melt kneading, and granulating the kneaded product.

본 발명에 따르는 신택틱 폼 조성물은 폴리올레핀 매트릭스 내에 필러로서 탄소 나노 튜브와 중공상 유리 마이크로입자를 사용함에 따라 밀도가 낮으면서도 기계적 강도가 우수하다. 또한, 고분자 매트릭스 내에 분산된 중공상 유리 마이크로입자 사이에 탄소 나노 튜브로 형성된 퍼콜레이션 네트워크가 잘 형성되어, 낮은 탄소 나노 튜브 함량에도 불구하고 높은 체적 전도성을 갖는다.The syntactic foam composition according to the present invention has a low density and excellent mechanical strength by using carbon nanotubes and hollow glass microparticles as fillers in the polyolefin matrix. In addition, a percolation network formed of carbon nanotubes between hollow glass microparticles dispersed in a polymer matrix is well formed, and has high volume conductivity despite low carbon nanotube content.

도 1은 SWNT를 포함하는 신택틱 폼의 상대 밀도(g/cm3), 매트릭스 보이드(%) 및 HGM 기공도들에 대한 통계분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2 (a) 및 (b)는 SWNT와 중공상 유리 마이크로입자의 화학적 조성물의 SEM 사진 및 EDS 분석결과들이다.
도 3은 중공상 유리 마이크로입자와 SWNT 사이의 경계면을 보여주는 SEM 사진(위)과, 이들의 상호작용을 보여주는 모식도(아래)이다.
도 4는 중공상 유리 마이크로입자 함량에 따른 PP/HGMs/SWNT 조성의 신택틱 폼에 대한 유변학적 측정 결과를 기록한 그래프들이다. (a) 저장 탄성율 G` (b) 손실 탄성율 G`` (c) SWNT를 포함하는 신택틱 폼의 복합점도 (200 ℃에서, HGMs 함량에 따르는 진동수 스윕); (d) 신택틱 폼의 반-구르프 팔멘 그래프.
도 5는 SWNT를 포함하는 신택틱 폼의 모폴로지 상태를 보여주는 SEM 사진이다. (a) GB0, (b) GB0.1, (c) GB3, (d) GB20.
도 6은 SWNT를 포함하는 신택틱 폼에 대하여 HGMs 함량에 따르는 체적 전도성을 기록한 그래프이다.
도 7은 중공상 유리 마이크로입자 함량이 SWNT 네트워크 형성에 미치는 영향을 보여주는 모식도이다.
1 is a graph showing the results of statistical analysis on the relative density (g / cm 3 ), matrix void (%) and HGM porosity of a syntactic foam containing SWNTs.
2 (a) and 2 (b) are SEM photographs and EDS analysis results of chemical compositions of SWNT and hollow glass microparticles.
FIG. 3 is a SEM photograph showing the interface between the hollow glass microparticles and the SWNT (top) and a schematic diagram (below) showing their interaction. FIG.
FIG. 4 is a graph showing the rheological measurement results of the syntactic foam of the PP / HGMs / SWNT composition according to the hollow glass microparticle content. (a) the storage elastic modulus G '(b) the loss modulus G''(c) the complex viscosity (at 200 ° C, the frequency sweep according to the HGMs content) of the syntactic foam comprising SWNT; (d) Semi-glophogram graph of syntactic foam.
5 is a SEM photograph showing the morphological state of the syntactic foam including the SWNT. (a) GB0, (b) GB0.1, (c) GB3, (d) GB20.
6 is a graph showing the volume conductivity according to HGMs content for a syntactic foam containing SWNTs.
7 is a schematic diagram showing the effect of the hollow glass microparticle content on the formation of the SWNT network.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 신택틱 폼 조성물은 폴리올레핀 매트릭스 내에 분산된 중공상 유리 마이크로 입자 사이에 탄소 나노 튜브로 형성된 전기적 퍼콜레이션 네트워크 구조가 형성되어, 낮은 탄소 나노 튜브 함량에도 불구하고 높은 체적 전도성을 갖는 것을 특징으로 한다. The syntactic foam composition of the present invention is characterized by having an electrical percolation network structure formed of carbon nanotubes between hollow glass microparticles dispersed in a polyolefin matrix and having high volume conductivity despite low carbon nanotube content do.

상기 "퍼콜레이션 네트워크"란 단위 입자 또는 요소들이 임의의 방향으로 배열되고 상호 연결되어 형성된 네트워크 구조를 의미한다. 본 발명에서는, 중공상 유리 마이크로 입자 사이에 상호 연결되어 형성된 탄소 나노 튜브 네트워크 구조를 의미한다. 전기전도도 측면에서 탄소 나노 튜브는 길이/직경비가 매우 크기 때문에 복합체 내에서 3차원적으로 균일한 분산이 이루어졌을 경우 탄소 나노 튜브에 의한 전도성 경로가 형성되어 적은 충전양으로도 전기전도도가 급격히 증가하는 퍼콜레이션 문턱(percolation threshold)이 발생된다. The " percolation network " means a network structure in which unit particles or elements are arranged in any direction and interconnected. In the present invention, the term " carbon nanotube network structure " In terms of electrical conductivity, carbon nanotubes are very large in length / diameter ratio. Therefore, when three-dimensionally uniform dispersion occurs in a composite, a conductive path formed by carbon nanotubes is formed, A percolation threshold is generated.

본 발명자들은 폴리올레핀, 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브를 포함하는 신택틱 폼 조성물에 있어서, 탄소 나노 튜브가 효과적인 퍼콜레이션 네트워크를 형성하기 위해서 유효한 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 조성물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 7 wt%임을 알아냈다. 본 발명은 이에 기초한 것이다. The present inventors have found that, in a syntactic foam composition comprising a polyolefin, hollow glass microparticles and carbon nanotubes, the content of hollow glass microparticles in which carbon nanotubes are effective for forming an effective percolation network, Based on 1 to 7 wt%. The present invention is based on this.

본 발명은, 조성물에 방열 특성을 부여하기 위해 매트릭스 형성용 베이스 수지로서 폴리올레핀을 사용한다.The present invention uses a polyolefin as a base resin for forming a matrix in order to impart heat radiation properties to the composition.

본 발명에서, 폴리올레핀은 폴리프로필렌, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌과 C3-C20 알파올레핀의 공중합체 등일 수 있다. 바람직하게는, 상기 폴리올레핀은 폴리프로필렌일 수 있다, 상기 폴리프로필렌은 프로필렌 단독중합체이거나 또는 프로필렌과 20 wt% 이하의 알파올레핀의 공중합체, 특히 바람직하게는 20 wt% 이하의 에틸렌을 포함하는 프로필렌-에틸렌 공중합체일 수 있다.In the present invention, the polyolefin may be a polypropylene, a low density polyethylene, a high density polyethylene, a linear low density polyethylene, a copolymer of ethylene and a C3-C20 alpha olefin, or the like. Preferably, the polyolefin may be a polypropylene. The polypropylene may be a propylene homopolymer or a copolymer of propylene with up to 20 wt% of an alpha olefin, particularly preferably with up to 20 wt% Ethylene copolymer.

본 발명에 적용되는 본 발명에 따른 조성물 및 방법에 유용한 중공상 유리 마이크로입자는 본 기술 분야에 공지된 기술에 의해 제조될 수 있다. 전형적으로, 중공상 유리 마이크로입자를 제조하기 위한 기술은 발포제를 함유하는 밀링된 프릿(milled frit)을 가열하는 단계를 포함한다. 프릿은 용융된 유리가 형성될 때까지 고온에서 유리의 광물 성분들을 가열시킴으로써 제조될 수 있다.The hollow glass microparticles useful in the compositions and methods according to the invention applied to the present invention can be prepared by techniques known in the art. Typically, a technique for making hollow glass microparticles comprises heating a milled frit containing a blowing agent. The frit can be made by heating the mineral components of the glass at elevated temperatures until molten glass is formed.

상기 중공상 유리 마이크로입자는 임의의 조성을 가질 수 있지만, 전형적으로, 상기 입자는 전체 중량 기준으로 50 내지 90 wt%의 SiO2, 2 내지 20 wt%의 알칼리 금속 산화물을 포함한다. 기타의 성분으로 B2O3, 황, 2가 금속 산화물 (예를 들어, CaO, MgO, BaO, SrO, ZnO 또는 PbO), 3가 금속 산화물 (예를 들어, Al2O3, Fe2O3 또는 Sb2O3), SiO2와 다른 4가 금속 산화물 (예를 들어, TiO2, MnO2 또는 ZrO2), 5가 원자의 산화물 (예를 들어, P2O5 또는 V2O5) 등을 포함할 수 있다.The hollow glass microparticles may have any composition, but typically the particles comprise 50 to 90 wt% of SiO 2 , 2 to 20 wt% of alkali metal oxide based on the total weight. As other components, B 2 O 3 , sulfur, divalent metal oxides (for example, CaO, MgO, BaO, SrO, ZnO or PbO), trivalent metal oxides (for example, Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 or Sb 2 O 3 ), SiO 2 and other tetravalent metal oxides (for example, TiO 2 , MnO 2 or ZrO 2 ), oxides of pentavalent atoms (for example P 2 O 5 or V 2 O 5 ), And the like.

일 실시형태에서, 상기 중공상 유리 마이크로입자의 평균 진밀도는 0.30 g/cc 내지 0.65 g/cc, 0.30 g/cc 내지 0.6 g/cc, 0.35 g/cc 내지 0.60 g/cc 또는 0.35 g/cc 내지 0.55 g/cc의 범위일 수 있다. 이러한 임의의 밀도를 갖는 중공상 유리 마이크로입자는 중공상 유리 마이크로입자를 함유하지 않는 폴리올레핀 조성물에 비해서 본 발명에 따른 조성물의 밀도를 저하시키는 데 유용할 수 있다.In one embodiment, the average true density of the hollow glass microparticles is from 0.30 g / cc to 0.65 g / cc, from 0.30 g / cc to 0.6 g / cc, from 0.35 g / cc to 0.60 g / cc, or 0.35 g / cc To 0.55 g / cc. Such hollow glass microparticles of arbitrary density may be useful for lowering the density of the composition according to the present invention compared to polyolefin compositions which do not contain hollow glass microparticles.

다양한 크기의 중공상 유리 마이크로입자가 유용할 수 있다. 일 실시 형태에서, 중공상 유리 마이크로입자는 14 내지 45 ㎛ 범위의 평균 직경을 갖는 것일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 15 내지 40 ㎛, 20 내지 45 ㎛, 또는 20 내지 40 ㎛ 범위의 평균직경을 가지는 것일 수 있다. Hollow glass microparticles of various sizes may be useful. In one embodiment, the hollow glass microparticles may have an average diameter in the range of 14 to 45 [mu] m. In some embodiments, it may have an average diameter in the range of 15 to 40 mu m, 20 to 45 mu m, or 20 to 40 mu m.

일 실시형태에서, 상기 중공상 유리 마이크로입자는 표면처리되지 않은 것일 수 있다. 상기 중공상 유리 마이크로입자는 표면처리되지 않음으로써 실라놀기(Si-O-H)기가 표면에 그대로 노출된 것일 수 있다. 도 3을 참조하면 이러한 점이 더 잘 이해된다. In one embodiment, the hollow glass microparticles may be non-surface treated. The hollow glass microparticles may not be surface-treated so that the silanol group (Si-O-H) group is exposed to the surface. This is better understood with reference to FIG.

본 발명의 신택틱 폼 조성물은 조성물의 전체 중량을 기준으로 중공상 유리 마이크로입자를 1 내지 7 wt%의 양으로 포함한다. 도 7에서 보는 바와 같이, 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 1 wt% 미만인 경우에는 중공상 유리 마이크로입자는 탄소 나노 튜브의 응집을 유도하는 핵형성제로 작용하여 탄소 나노 튜브의 퍼콜레이션 네트워크 형성을 방해하여 탄소 나노 튜브의 분산을 저해할 수 있으며, 7 wt%를 초과하는 경우에는 중공상 유리 마이크로입자의 응집이 발생하고, 탄소 나노 튜브의 네트워크 형성을 교란하고, 제조되는 신택틱 폼 조성물의 전도성이 감소될 수 있다.The syntactic foam composition of the present invention comprises hollow glass microparticles in an amount of 1 to 7 wt% based on the total weight of the composition. As shown in FIG. 7, when the content of the hollow glass microparticles is less than 1 wt%, the hollow glass microparticles act as a nucleating agent for inducing aggregation of the carbon nanotubes, thereby preventing the formation of the percolation network of the carbon nanotubes If it exceeds 7 wt%, aggregation of the hollow glass microparticles occurs, disturbing the network formation of the carbon nanotubes, and the conductivity of the produced syntactic foam composition Can be reduced.

도 6은, 탄소 나노 튜브를 포함하는 신택틱 폼 조성물에서, 중공상 유리 마이크로입자의 함량에 따른 체적 전도성 경향을 나타낸다. 1 wt%까지는 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 증가함에 따라 조성물의 체적 전도성이 감소하는 경향을 보이다가, 1 wt% 내지 7 wt% 범위에서 체적 전도성은 중공상 유리마이크로입자가 전혀 포함되지 않은 GB0의 수준으로 다시 상승하였음을 알 수 있다. 즉, 중공상 유리마이크로입자를 함유하는 것에 의해 나타날 수 있는 탄소 나노 튜브의 분산성 저해가 나타나지 않았다. 한편, 중공상 유리마이크로입자의 함량이 10 wt%를 넘어서면 중공상 유리마이크로입자의 응집 때문에 체적 전도성이 다시 감소하였다. FIG. 6 shows the volume conductivity tendency of the syntactic foam composition containing carbon nanotubes according to the content of the hollow glass microparticles. The volume conductivity of the composition tends to decrease as the content of the hollow glass microparticles increases up to 1 wt%, while the volume conductivity in the range of 1 wt% to 7 wt% Of the total population. That is, the dispersion inhibition of carbon nanotubes, which may be caused by containing hollow glass microparticles, did not appear. On the other hand, if the content of the hollow glass microparticles exceeds 10 wt%, the volume conductivity decreases again due to the aggregation of the hollow glass microparticles.

일 실시형태에서, 상기 중공상 유리 마이크로입자는 실질적으로 분쇄되지 않은 것이다. 본 발명에서, "분쇄되지 않았다" 는 의미는 조성물에 투입되는 중공상 유리 마이크로입자가 조성물이 제조에 필요한 용융혼련 후에도, 추가로 압출 또는 사출공정 후에도, SEM 사진 등을 이용한 광학적 관찰을 통하여 분쇄된 입자 파티클이 관찰되지 않은 것을 의미한다. 본 발명에서는 용융혼련 중에 적당한 모터 스피드(50 rpm)와 높은 이소탁틱 분쇄 강도(isotactic crush strength)를 유지하는 것에 의해, 중공상 유리 마이크로입자가 분쇄되지 않는다. 도 1에서 참조되는 바와 같이, 보고된 매트릭스 보이드 값들(5~10 vol%)과는 다르게, 중공상 유리 마이크로입자를 20wt% 까지 첨가함에 따라 매트릭스 보이드는 20 vol%까지 증가하였다. 만약 중공상 유리 마이크로입자가 분쇄되었다면 밀도 증가가 일어날 것이므로 이는 중공상 유리 마이크로입자가 실질적으로 분쇄되지 않았음을 의미한다. 도 1에서 참조되는 바와 같이, 중공상 유리 마이크로입자를 1 내지 20 wt% 첨가함에 따라 신택틱 폼 조성물의 상대밀도는 중공상 유리 마이크로입자를 포함하지 않는 경우와 비교하여 16~23% 감소하였다.In one embodiment, the hollow glass microparticles are substantially unbranched. In the present invention, the term " not pulverized " means that the hollow glass microparticles to be fed into the composition are pulverized after the melt-kneading necessary for the production of the composition, further after the extrusion or injection process, Meaning that no particle particles are observed. In the present invention, the hollow glass microparticles are not pulverized by maintaining an appropriate motor speed (50 rpm) and high isotactic crush strength during melt-kneading. As shown in FIG. 1, unlike the reported matrix void values (5-10 vol%), the matrix void increased to 20 vol% as the hollow glass microparticles were added up to 20 wt%. If the hollow glass microparticles are crushed, an increase in density will occur, which means that the hollow glass microparticles are not substantially crushed. As shown in FIG. 1, the relative density of the syntactic foam composition decreased by 16 to 23% as compared with the case where hollow glass microparticles were not included, by adding 1 to 20 wt% of the hollow glass microparticles.

본 발명에 적용되는 탄소 나노 튜브는 1차원의 원통형 구조를 가지고 있어 종횡비가 1000에 달하고 우수한 전기적, 기계적 및 열적 특성을 나타내기 때문에 고분자 복합재료의 충전재로서 최고의 조건을 가지고 있다. 탄소 나노 튜브의 기계적 특성은 특히 보강 재료로 이용할 때 매우 중요하다. 탄소 나노 튜브는 흑연이 말리는 각도 및 흑연 면(graphite sheet)의 결합 수에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 탄소 나노 튜브의 예로, 흑연 면의 결합 수에 따른 분류에 따라, 단일벽 나노튜브(single wall nanotube: SWNT), 다중벽 나노튜브(muli-walled nanotube: MWNT), 다발형 나노튜브(rope nanotube)를 들 수 있다. The carbon nanotubes to be used in the present invention have a one-dimensional cylindrical structure and have an aspect ratio of 1,000 and exhibit excellent electrical, mechanical and thermal properties. Therefore, they have the best conditions as a filler for a polymer composite material. The mechanical properties of carbon nanotubes are particularly important when used as reinforcing materials. The carbon nanotubes may have various structures depending on the angle of the graphite and the number of the graphite sheets. Examples of carbon nanotubes that can be used in the present invention include single wall nanotubes (SWNTs), muli-walled nanotubes (MWNTs), multi-walled nanotubes And a rope nanotube.

SWNT는 강철보다 10~100배 견고하고 물리적인 충격에 강하다고 알려져 있다. SWNT는 그 탁월한 물성에도 불구하고, 여러 형태의 결점과 무질서를 갖는다. 전형적인 형태의 결점은 점 기공(point vacancies), 틈새(interstitials) 또는 이들의 조합형태이다. SWNT의 표면에 존재하는 결점은 나노튜브를 상호간에 연결하는 장소로 이용되고, 이는 화학적 민감성을 제공하거나, 또는 도펀트를 수용하는 장소로 사용될 수 있다. 구체적으로 SWNT 표면의 결점들은 흡수된 가스, 수분, 지지 기재, 근처에 존재하는 포화된 비정질 탄소 등과 상호 반응할 수 있다. 본 발명에서는, 중공상 유리 마이크로입자의 실라놀기가 SWNT 표면의 결점에 존재하는 활성 탄소와 반응하여 실라놀기와 활성 탄소 간에 공유결합을 형성한다. 이로부터, SWNT는 중공상 유리 마이크로입자와 PP 매트릭스를 연결하는 연결재로 작용할 수 있으며, 중공상 유리 마이크로입자와 폴리올레핀 매트릭스 간 연속성을 부여할 수 있다. SWNTs are 10 to 100 times stronger than steel and are known to be strong against physical shocks. Despite its excellent physical properties, SWNTs have several types of defects and disorders. Typical defects are point vacancies, interstitials, or a combination thereof. The defects present on the surface of the SWNTs are used as a place to connect the nanotubes to each other, which can provide chemical sensitivity, or can be used as a place to accommodate the dopant. Specifically, defects on the SWNT surface can interact with absorbed gas, moisture, support substrate, and saturated amorphous carbon present in the vicinity. In the present invention, the silanol group of the hollow glass microparticles reacts with the activated carbon present at the defect of the SWNT surface to form a covalent bond between the silanol group and the activated carbon. From this, the SWNT can act as a linkage connecting the hollow glass microparticles and the PP matrix, and can provide continuity between the hollow glass microparticles and the polyolefin matrix.

탄소 나노 튜브의 직경은, 5 nm 내지 100 nm인 것일 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브의 직경은 탄소 나노 튜브의 외경을 의미한다. 튜브 형상의 횡단면은 원형인 것은 물론이거니와 타원형 또는 이들의 다소 찌그러진 형상으로 형성된 중공 또는 세공을 포함할 수 있으며, 이 중공 또는 세공은 원형이나 타원형으로 인식될 수 있는 모든 형태를 포함할 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브의 직경이 5 nm 미만인 경우에는, 동일 수율에서 생성된 탄소 나노 튜브가 뭉치는 현상이 발생하여 세공 크기가 감소하는 문제가 있을 수 있고, 상기 탄소 나노 튜브의 직경이 100 nm 초과인 경우에는, 탄소 나노 튜브 사이의 간격이 커져 탄소 나노 물질이 필요 전도도를 얻기 위하여 많은 양이 사용되어야 한다.The diameter of the carbon nanotubes may be from 5 nm to 100 nm. The diameter of the carbon nanotubes means the outer diameter of the carbon nanotubes. The cross-section of the tubular shape may include circular or oval or hollow or pore shapes formed in a somewhat distorted shape thereof, which hollow or pore may include any shape that can be recognized as circular or elliptical. When the diameter of the carbon nanotubes is less than 5 nm, there is a problem that the carbon nanotubes aggregated at the same yield are aggregated to decrease the pore size. When the diameter of the carbon nanotubes exceeds 100 nm In this case, the gap between the carbon nanotubes becomes large and a large amount of carbon nanomaterials must be used in order to obtain necessary conductivity.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 나노튜브 또는 다중벽 나노 튜브일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서 탄소 나노 튜브는 단일벽 나노 튜브이다.In one embodiment of the present invention, the carbon nanotube may be a single-walled nanotube or a multi-walled nanotube. In a preferred embodiment of the present invention, the carbon nanotube is a single-walled nanotube.

일 실시형태에서, 상기 탄소 나노 튜브의 함량은 0.5 내지 5 wt%일 수 있다. In one embodiment, the content of the carbon nanotubes may be 0.5 to 5 wt%.

일 실시형태에서, 본 발명의 신택틱 폼 조성물은 ASTM D4496-13 방법에 따라 측정되는 체적 전도성이 1.0 S/m 이상일 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 상기 체적 전도성은 1.0 내지 10 S/m이다. In one embodiment, the syntactic foam composition of the present invention may have a volume conductivity of at least 1.0 S / m measured according to the ASTM D4496-13 method. In a preferred embodiment, the volume conductivity is 1.0 to 10 S / m.

일 실시형태에서, 상기 신택틱 폼 조성물은 ASTM D638 방법에 따라 측정되는 인장강도가 35 MPa 이상일 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 36 MPa 이상, 보다 바람직한 실시형태에서는, 38 MPa 이상이다.In one embodiment, the syntactic foam composition may have a tensile strength of 35 MPa or more as measured according to the ASTM D638 method. In a preferred embodiment, it is at least 36 MPa, and in a more preferred embodiment is at least 38 MPa.

일 실시형태에서, 상기 신택틱 폼 조성물의 밀도는 900 Kg/m3 이하이고, 매트릭스 보이드는 10 vol% 이상이고; 마이크로벌룬 기공도는 1 % 이상인 것일 수 있다. In one embodiment, the density of the syntactic foam composition is 900 Kg / m 3 or less and the matrix void is 10 vol% or more; The microballoon porosity may be at least 1%.

바람직한 실시형태에서, 조성물의 밀도는 750 내지 850 Kg/m3 이고, 매트릭스 보이드는 10 내지 20 vol%이고; 마이크로벌룬 기공도는 1 내지 30 %이다. 본 발명의 실시예에서는, 보고된 매트릭스 보이드 값들(5~10 vol%)과는 달리, 중공상 유리 마이크로입자를 1 wt%에서 20 wt%까지 첨가함에 따라 매트릭스 보이드는 20 vol%까지 증가하였다(도 1 참조). In a preferred embodiment, the density of the composition is 750 to 850 Kg / m 3, the voids matrix of 10 to 20 vol%, and; The microballoon porosity is 1 to 30%. In an embodiment of the present invention, unlike the reported matrix void values (5 to 10 vol%), the matrix void increased to 20 vol% as 1 wt% to 20 wt% hollow glass microparticles were added 1).

추가로, 본 발명에서는 폴리올레핀, 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브를 혼합한 후 용융혼련하고, 혼련물을 그래뉼화하는, 신택틱 폼 조성물의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method for producing a syntactic foam composition, which comprises mixing a polyolefin, hollow glass microparticles and carbon nanotubes, followed by melt kneading, and granulating the kneaded product.

제조방법의 일 실시형태에서, 상기 중공상 유리 마이크로입자의 함량은 1 내지 7 wt%이고; 상기 탄소 나노 튜브의 함량은 0.5 내지 5 wt%일 수 있다. In one embodiment of the production process, the hollow glass microparticles content is 1 to 7 wt%; The content of the carbon nanotubes may be 0.5 to 5 wt%.

본 발명의 제조방법에서, 폴리올레핀, 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브의 혼합물을 용융혼련하는 장치나 설비에는 특별한 제한이 없어, 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브를 폴리올레핀 매트릭스 내에 균일하게 분산시킬 수 있는 것이면 어느 것이나 사용될 수 있다. 용융혼련장치의 일 예로는 코니컬, 카운터 로테이팅 방식의 2축 혼련기를 들 수 있다.In the production method of the present invention, there are no particular limitations on the apparatus and equipment for melt-kneading a mixture of polyolefin, hollow glass microparticles and carbon nanotubes, and hollow glass microparticles and carbon nanotubes are uniformly dispersed in the polyolefin matrix Anything that can be used can be used. An example of the melt kneading apparatus is a biaxial kneader of the conic and counter rotating type.

용융혼련 공정에서, 배럴온도, 모터 스피드, 체류 시간 등과 같은 공정조건은 신택틱 폼이 최적 성능을 갖도록 고려하여 주의 깊게 선택되어야 한다.In the melt-kneading process, process conditions such as barrel temperature, motor speed, residence time, etc. must be carefully selected to ensure that the syntactic foam has optimal performance.

일 실시형태에서, 배럴온도는 매트릭스를 구성하는 폴리올레핀의 용융점보다 5℃ 이상, 10℃ 이상, 20℃ 이상, 또는 30℃ 이상일 수 있다. 배럴온도가 낮을 수록 전단력이 높아져 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브의 분산에는 유리하나, 과도하게 낮은 경우에는 유리 마이크로입자나 탄소 나노 튜브, 특히 중공상 유리 마이크로입자의 실질적 파쇄가 발생할 염려가 있다. 바람직한 실시형태에서, 상기 배럴 온도는 매트릭스 폴리올레핀 수지의 융점보다 10℃ 이상이다. 본 발명의 실시예에서는, 융점이 240℃인 폴리프로필렌 수지를 고려하여 배럴 온도를 240℃로 하였다,In one embodiment, the barrel temperature may be at least 5 DEG C, at least 10 DEG C, at least 20 DEG C, or at least 30 DEG C above the melting point of the polyolefin constituting the matrix. The lower the barrel temperature, the higher the shear force, which is favorable for dispersion of the hollow glass microparticles and the carbon nanotubes. However, when the barrel temperature is too low, the glass microparticles and the carbon nanotubes, particularly hollow glass microparticles, . In a preferred embodiment, the barrel temperature is 10 DEG C or higher than the melting point of the matrix polyolefin resin. In the examples of the present invention, the barrel temperature was 240 占 폚 in consideration of the polypropylene resin having a melting point of 240 占 폚,

모터 스피드 역시 용융물에 가하여지는 전단력을 결정하는 한가지 요소이다. 유리 마이크로입자나 탄소 나노 튜브의 파쇄가 일어나지 않아야 한다는 점을 고려하면, 상기 모터 스피드 역시, 이들의 균일한 분산을 보장하는 한계 내에서 모터 스피드가 낮은 쪽이 바람직하다. 예를 들어, 모터 스피드는 30 내지 70 rpm, 더욱 바람직하게는 40 내지 60 rpm일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 용융 혼련 공정 중에서 중공상 유리 마이크로입자가 파쇄되는 것을 방지하기 위하여, 모터 스피드는 50 rpm으로 하였다.Motor speed is also a factor in determining the shear force applied to the melt. Considering that fracture of the glass microparticles or carbon nanotubes should not occur, it is also preferable that the motor speed is also low in the limit of ensuring uniform dispersion of these motor speeds. For example, the motor speed may be 30 to 70 rpm, more preferably 40 to 60 rpm. In a preferred embodiment of the present invention, the motor speed is set to 50 rpm in order to prevent the hollow glass microparticles from being crushed during the melt-kneading process.

배럴 내에서 용융혼련이 이루어지는 체류시간은, 혼련물을 구성하는 성분들 상호 간의 분산을 고려하면 가능한 긴 것이 유리하다. 예를 들어, 코니컬, 카운터 로테이팅 방식의 2축 혼련기를 사용하는 경우, 상기 체류 시간은 1분, 5분, 10분, 20분 또는 30분일 수 있다. 혼련물의 분산만을 고려한다면, 체류시간이 긴 쪽이 유리하다. 다만, 지나치게 긴 체류시간은 고분자 조성물의 산화, 변색과 같은 원치않은 결과를 수반할 수 있다.The residence time at which melt kneading is carried out in the barrel is advantageous as long as possible considering the dispersion among components constituting the kneaded product. For example, when a conical or counter-rotating twin-screw kneader is used, the residence time may be 1 minute, 5 minutes, 10 minutes, 20 minutes, or 30 minutes. Considering only the dispersion of the kneaded product, it is advantageous that the residence time is long. However, an excessively long residence time may lead to undesirable results such as oxidation and discoloration of the polymer composition.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These embodiments are only for describing the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

사용된 물질들Materials Used

매트릭스 수지로는 삼성토탈(한국)의 폴리프로필렌 수지 HF429 제품을 사용하였다. 상기 수지는 비교적 높은 용융지수(240℃에서 8 g/10 min, ASTM D1238-13)와, 239.4±0.23 ℃의 융점, 0.91 g/cc의 밀도를 갖는 것이다.As the matrix resin, polypropylene resin HF429 product of Samsung Total (Korea) was used. The resin has a relatively high melt index (8 g / 10 min at 240 캜, ASTM D1238-13) and a melting point of 239.4 賊 0.23 캜 and a density of 0.91 g / cc.

탄소 나노 튜브는 관능화되지 않는 것을 상업적으로 구입하여 사용하였다(TUBALLTM; OCSiAl, Russia). 상기 TUBALLTM 제품은 85% 이상의 탄소 순도를 갖고, 나노 튜브 외곽의 평균 직경은 1.8±0.4 nm, 길이는 5㎛ 이상이다. Carbon nanotubes were purchased commercially (TUBALL TM ; OCSiAl, Russia). TUBALL the TM part is the average diameter of the nanotube the outer has a carbon purity of 85% or more, it is 1.8 ± 0.4 nm, the length is at least 5㎛.

중공상 유리 마이크로입자는 3M Korea Ltd에서 공급되는 상품명 `im30K`를 구입하여 사용하였다. 상기 중공상 유리 마이크로입자는 소다-라임-보로실리케이트 글라스이고, 평균 직경은 18 마이크론, 부피는 0.6 g/cc이다.Hollow glass microparticles were purchased from 3M Korea Ltd. " im30K ". The hollow glass microparticles are soda-lime-borosilicate glasses with an average diameter of 18 microns and a volume of 0.6 g / cc.

실시예 : PP/SWNT/HGMs 조성의 기포강화 조성물의 제조Example: Preparation of a foam strengthening composition of PP / SWNT / HGMs composition

SWNT 네트워크의 형성에 중공상 유리 마이크로입자가 미치는 영향을 평가하여 최적의 중공상 유리 마이크로입자 중량을 결정하기 위하여, SWNT 함량을 1.4wt%로 고정한 채 중공상 유리 마이크로입자의 함량을 증가시키면서 고분자 조성물을 준비하였다. 제조된 신택틱 폼 조성물의 각 성분 함량비를 하기 표 1에 정리하였다. 하기 표 1에서 GB0.1은 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 0.1 wt%인 것을 의미한다.In order to determine the optimum weight of hollow glass microparticles by evaluating the effect of hollow glass microparticles on the formation of SWNT network, the content of hollow glass microparticles was increased while the SWNT content was fixed to 1.4 wt% Were prepared. The content ratios of the components of the syntactic foam composition prepared are summarized in Table 1 below. GB0.1 in Table 1 indicates that the content of the hollow glass microparticles is 0.1 wt%.

Figure pat00001
Figure pat00001

* SME: specific mechanical energy (비기계적 에너지)       * SME: specific mechanical energy (non-mechanical energy)

브라벤더 마이크로컴파운더 TSC 42/6(Brabender, Germany)를 이용하여 상기 표 1에 기재된 조성을 갖는 혼합물을 용융혼련하여 PP/SWNT/HGMs 조성의 기포강화 조성물을 제조하였다. 상기 마이크로컴파운더는 코니컬, 카운터 로테이팅 방식의 2축 혼련기로서, 50그램의 배럴용량, 스크류 직경 42mm (L/D = 6)의 것이다.A mixture having the composition shown in Table 1 was melted and kneaded using a Brabender microcomposer TSC 42/6 (Brabender, Germany) to prepare a foam strengthening composition having a PP / SWNT / HGMs composition. The microcompounder is a biaxial kneader of conical and counter rotating type, having a barrel capacity of 50 grams and a screw diameter of 42 mm (L / D = 6).

용융혼련 공정에서, 배럴온도, 모터 스피드, 체류 시간 등과 같은 공정조건은 신택틱 폼이 최적 성능을 갖도록 고려하여 주의 깊게 선택하였다. 구체적으로, 배럴 온도는 본 발명에 사용된 PP의 융점(240℃)을 고려하여 250℃로 설정하였다. 용융혼련 공정 중에 중공상 유리 마이크로입자가 파쇄되는 것을 방지하기 위하여, 최적의 모터 스피드는 50 rpm로 선택하였다. 체류시간이 길수록 SWNT의 분산이 향상되는 점을 고려하여, 체류시간은 20 분을 유지하였다. 마이크로컴파운더의 폐쇄 플레이트와 역이송 요소를 이용하여 체류시간을 유지하였다. 배럴 내부에서 용융된 조성물에 가해지는 전단응력을, 하기 식 (1)로 계산된 기계적 에너지(SME) 값을 이용하여 평가하였다.In the melt-kneading process, process conditions such as barrel temperature, motor speed, residence time and the like were carefully selected considering that the syntactic foam had optimal performance. Specifically, the barrel temperature was set at 250 DEG C in consideration of the melting point (240 DEG C) of the PP used in the present invention. To prevent hollow glass microparticles from being broken during the melt-kneading process, the optimum motor speed was selected at 50 rpm. Considering that the longer the residence time, the better the dispersion of SWNT, the residence time was maintained for 20 minutes. Retention times were maintained using a closing plate and a reverse transfer element of a microcompounder. The shear stress applied to the molten composition in the barrel was evaluated using the mechanical energy (SME) value calculated by the following formula (1).

Figure pat00002
(1)
Figure pat00002
(One)

상기 식에서, τ(kJ)는 구동 토크, N (min-1)은 회전 스피드,

Figure pat00003
(kg/min)는 스루풋(throughput)이다. 본 발명에서, 스루풋은 0.00185 ± 0.00017 kg/min 이고, 회전 스피드는 50 min-1 으로 고정하였다. 상기 표 1에 기재된 바와 같이, SME 값은 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 증가함에 따라 점진적으로 증가함이 확인되었다.In the above equation,? (KJ) is drive torque, N (min-1) is rotational speed,
Figure pat00003
(kg / min) is the throughput. In the present invention, the throughput was 0.00185 +/- 0.00017 kg / min and the rotational speed was fixed at 50 min < -1 & gt ;. As shown in Table 1, it was confirmed that the SME value gradually increased as the content of the hollow glass microparticles increased.

신택틱 폼 압출물은 HNP1 펠렛타이저(HANKOOK E.M Ltd, Korea)를 이용하여 그래뉼화되었다. 얻어진 그래뉼들의 물성, 전기적 특성, 모폴로지 특성, 기계적 특성 및 유변학적 특성들을 분석하기 위하여 압축성형, 사출성형 등의 방법으로 시편을 제조하였다. 압축성형은 QM900A 핫프레스 설비(Quility & Measurement System, Korea)를 이용하여 수행되었다. 압축성형은 200℃에서 3분의 예비 히팅, 1분의 프레싱 및 5분의 냉각 순으로 진행되었다. 사출성형은 엑스플로어 마이크로 10 cc 사출성형 설비(Xplore Instruments, The Netherlands)를 이용하여 250℃에서 수행되어, 직경 25.4 mm, 두께 1 mm의 디스크형 시편과, ASTM D638에 따르는 "도그본"형 시편이 제조되었다.The syntactic foam extrudate was granulated using a HNP1 pelletizer (HANKOOK E.M Ltd, Korea). Specimens were prepared by compression molding, injection molding, and other methods to analyze the physical, electrical, morphological, mechanical and rheological properties of the obtained granules. Compression molding was performed using QM900A hot press equipment (Quility & Measurement System, Korea). The compression molding was carried out in the order of preheating for 3 minutes at 200 DEG C, pressing for 1 minute and cooling for 5 minutes in this order. Injection molding was carried out at 250 ° C. using an Xplore Instruments, The Netherlands, using an Xplore Micro 10 cc injection molding machine to produce a disk shaped specimen of 25.4 mm diameter and 1 mm thickness and a "dog bone" specimen according to ASTM D638 .

도 2 (a) 및 (b)는 각각 조성물에 사용된 SWNT와 중공상 유리 마이크로입자의 SEM 사진 및 EDS 분석결과들이다. SWNT는 90% 이상의 탄소를 포함하고, 금속 촉매로부터 유래하는 10% 이하의 금속 불순물을 포함한다. 제조자에 의하여 제공된 자료에 따르면, 탄소 나노 튜브의 양은 75% 이상이고, 비정질탄소를 포함하는 전체 탄소의 함량은 85% 이상이다. 중공상 유리 마이크로입자는 대부분 실리콘과 탄소로 구성되고, 이는 제조자에 의하여 제공된 자료의 것과 일치하였다.2 (a) and 2 (b) are SEM photographs and EDS analysis results of SWNT and hollow glass microparticles used in the compositions, respectively. The SWNT contains 90% or more of carbon and contains 10% or less of metallic impurities originating from the metal catalyst. According to the data provided by the manufacturer, the amount of carbon nanotubes is more than 75%, and the content of total carbon containing amorphous carbon is more than 85%. Hollow glass microparticles consist mostly of silicon and carbon, consistent with that provided by the manufacturer.

실험예 1: 물리적 특성 평가Experimental Example 1: Evaluation of physical properties

시편의 밀도를 MD-300S 밀도 측정기(MIRAGE, Japan)를 이용하여, 물치환법(water displacement method)을 적용하여 측정하였다. ASTM D792-13에 따라, 신택틱 폼의 밀도(ρexp)를 하기 식 (2)를 적용하여 계산하였다(Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement. ASTM International; 2013).The density of the specimen was measured using a water displacement method using a MD-300S density meter (MIRAGE, Japan). According to ASTM D792-13, the density (ρ exp ) of the syntactic foam was calculated by applying the following equation (2) (ASTM International; 2013). Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement.

Figure pat00004
(2)
Figure pat00004
(2)

상기 식에서, α는 신택틱 폼의 공기중 겉보기 질량이고, β는 물에 완전히 잠긴 상태에서 신택틱 폼의 공기중 겉보기 질량이며, ρwater는 23℃에서의 물의 밀도이다. 신택틱 폼의 이론적 밀도(ρth)를 하기 식 (3)으로 표시되는 혼합물의 표준 룰(standard rule of mixtures)에 따라 계산하였다. Where? Is the apparent mass in air of the syntactic foam,? Is the apparent mass in air of the syntactic foam while fully immersed in water , and? Water is the density of water at 23.degree. The theoretical density (rho th ) of the syntactic foam was calculated according to the standard rule of mixtures of the mixture expressed by the following formula (3).

Figure pat00005
(3)
Figure pat00005
(3)

상기 식에서, ρ와 Φ는 각각 밀도 분율, 부피 분율이고, 아래첨자 CNT, MB, 및 m은 각각 탄소 나노 튜브, 마이크로벌룬(microballoon) 및 매트릭스를 표시한다. 매트릭스(PP)와 마이크로벌룬의 밀도는 각각 0.91 및 0.6 g/cm3이다. SWNT의 밀도는 1.3 g/cm3이다(Gao G et al., Materials & Design. 2011;32(8):4152-63).Where? And? Are the density fraction, volume fraction, respectively, and the subscripts CNT, MB, and m denote carbon nanotubes, microballoon and matrix, respectively. The density of the matrix (PP) and microballoons are 0.91 and 0.6 g / cm < 3 & gt ;, respectively. The density of SWNT is 1.3 g / cm 3 (Gao G et al., Materials & Design. 2011; 32 (8): 4152-63).

이론 값과 실험 값(ρexp)을 비교하여, 용융가공중에 매트릭스 내에 포획된 에어 보이드(Φv)를 하기 식 (4)를 이용하여 계산하였다.By comparing the theoretical value with the experimental value (p exp ), the air void (Φ v ) trapped in the matrix during the melt processing was calculated using the following equation (4).

Figure pat00006
(4)
Figure pat00006
(4)

신택틱 폼의 기공도에 대한 상세한 논의는 논문(Gupta N et al. Springer Science & Business Media; 2013)을 참조할 수 있다. 매트릭스 기공도는 신택틱 폼의 강도, 탄성율, 및 에너지 흡수에 대한 중용한 변수가 될 수 있다. 중공상 유리 마이크로입자의 벽 두께 및 반경비는 하기 식 (5)를 이용하여 계산할 수 있다(Swetha C et al., Quasi-static uni-axial compression behavior of hollow glass microsphere.epoxy based syntactic foams, Mater Des 2011;32(8);4152-63).A detailed discussion of the porosity of syntactic foams can be found in the paper (Gupta N et al. Springer Science & Business Media; 2013). Matrix porosity can be a moderate parameter for the strength, elastic modulus, and energy absorption of the syntactic foam. The wall thickness and the half-wall thickness ratio of the hollow glass microparticles can be calculated using the following equation (Swetha C et al., Quasi-static uni-axial compression behavior of hollow glass microspheres. 2011; 32 (8); 4152-63).

Figure pat00007
(식 5)
Figure pat00007
(Equation 5)

상기 식에서, e은 중공상 유리 마이크로입자의 벽 두께(㎛)이고, r은 스피어의 평균 반경(㎛)이고, ρtrue은 중공상 유리 마이크로입자의 진밀도(g/cm3)이고, ρglass 는 글래스의 밀도(2.54 g/cm3)이고, η은 반경비(외부 반경에 대한 내부 반경의 비)이다. 상기 반경비를 이용하여, 하기 식 (6)에 따라 신택틱 폼 내에 있는 중공상 유리 마이크로입자의 기공도(Φ μΡ )를 계산하였다.Ρ true is the true density (g / cm 3 ) of the hollow glass microparticles, and ρ glass is the glass transition temperature of the hollow glass microparticles. Is the density of the glass (2.54 g / cm 3 ), and? Is the half-height ratio (the ratio of the inner radius to the outer radius). The porosity (PHI P ) of the hollow glass microparticles in the syntactic foam was calculated according to the following equation (6) using the above-mentioned half- width ratio.

Figure pat00008
(식 6)
Figure pat00008
(Equation 6)

도 1은 계산된 SWNT를 포함하는 신택틱 폼의 상대 밀도(g/cm3), 매트릭스 보이드(vol%) 및 중공상 유리 마이크로입자 기공도를 나타낸 것이다. 도 1에서, 에러 바 아래의 다른 문자들은 95%의 신뢰도 수준에서 통계적으로 유의미하게 다른 것들을 표시한 것이다. 도 1에서, 붉은 색의 점선은 순수한 PP의 밀도 910 kg/m3를 표시한 것이다. 신택틱 폼의 용융혼련 중에 약간의 중공상 유리 마이크로입자가 분쇄되어 그에 따라 밀도가 증가되는 것은 보고된 바 있다. 그러나, 실험결과 용융혼련 중에 적당한 모터 스피드(50 rpm)와 높은 이소탁틱 분쇄 강도를 유지함에 따라, 중공상 유리 마이크로입자가 분쇄된다는 어떤 증거도 발견하지 못하였다. 보고된 매트릭스 보이드 값들(5~10 vol%)과는 다르게, 중공상 유리 마이크로입자를 첨가함에 따라 매트릭스 보이드가 20 vol%가 될 때까지 증가되었다. 이와 같은 결과는 HGMs과 PP 사이의 표면간 접착이 좋지 않기 때문일 수 있다. Figure 1 shows the relative density (g / cm 3 ), matrix void (vol%) and hollow glass microparticle porosity of a syntactic foam containing calculated SWNTs. In FIG. 1, the other characters under the error bars indicate statistically significant others at the 95% confidence level. In Fig. 1, the red dotted line indicates the density of pure PP of 910 kg / m < 3 & gt ;. It has been reported that some hollow glass microparticles are pulverized during the melt-kneading of the syntactic foam, thereby increasing the density. However, as a result of experiments, no evidence of hollow glass microparticles was found to be disrupted by maintaining a suitable motor speed (50 rpm) and high isotactic grinding strength during melt-kneading. Unlike the reported matrix void values (5-10 vol%), matrix voids were increased to 20 vol% as hollow glass microparticles were added. These results may be due to poor adhesion between HGMs and PP.

상대밀도에 대한 여러 번의 조합비교 결과, 시편들은 통계적으로 다음의 두 그룹으로 나뉘어질 수 있다: 중공상 유리 마이크로입자를 0.5wt%까지 포함하고, 밀도의 감소가 없는 하나의 그룹과, 중공상 유리 마이크로입자를 1 내지 20wt% 범위에서 포함하고, 16~23%의 밀도감소를 보이는 다른 하나의 그룹.As a result of several comparisons of relative density, the specimens can be statistically divided into two groups: one group containing up to 0.5 wt% hollow glass microparticles, one without density reduction, Another group containing microparticles in the range of 1 to 20 wt% and showing a density reduction of 16 to 23%.

실험예 2: 유변학적 특성 평가Experimental Example 2: Evaluation of rheological properties

중공상 유리 마이크로입자의 함량이 SWNT의 네트워크 구조에 미치는 영향을 평가하기 위하여 유변학적 측정을 수행하였다. 평형 플레이트 구조(직경 25 mm 및 갭 1 mm)의 피지카 MCR 302 진동 레오미터(Anton Paar GmbH, Austria)를 이용하여, 200℃의 온도조건에서, 시편의 선형 점탄성 영역에서의 진동 쉬어(oscillatory shear) 및 스트레스 이완을 측정하였다. 시편은 미리 디스크 형태로 사출성형된 것을 사용하였다. 진동수 스윕은 대략 3분 동안, 온도평형을 유지한 상태에서, 100에서 0.1 rad/s로 주파수를 감소시키면서 1%의 스트레인을 가하여 수행하여, 그 결과를 도 4에 나타냈다. Rheological analysis was carried out to evaluate the effect of hollow glass microparticles content on SWNT network structure. Using a Fiji MCR 302 vibration rheometer (Anton Paar GmbH, Austria) with a flat plate structure (25 mm in diameter and 1 mm in gap), oscillatory shear ) And stress relaxation were measured. Specimens were preformed in disk form. The frequency sweep was performed by applying a strain of 1% while decreasing the frequency from 100 to 0.1 rad / s while maintaining the temperature equilibrium for approximately 3 minutes, and the results are shown in Fig.

도 4에 보는 바와 같이, 낮은 진동수인 때에는, 순수한 PP는 PP-사슬의 완전한 이완에 의하여, 단독 공중합체와 유사한 말단 거동을 보인다. 그러나, SWNT 네트워크가 존재함에 따라, PP-사슬의 완전한 이완에 의한 말단 거동은 약해지고, 각 진동수(ω)의 저장탄성율(G`) 및 손실탄성율(G``)은 낮은 진동수에 한정된다. 1 내지 10 wt%의 중공상 유리 마이크로입자 함량 범위에서, 낮은 진동수의 G`, G``의 안정영역(plateu)이 전개됨에 있어 이상징후는 보이지 않았다. 이와 같은 비-말단의 낮은 주파수에서의 거동은, 중공상 유리 마이크로입자의 함량에 의한 교란이 없이 상호연결된 SWNT 네트워크가 형성되는 것에 기인하는 것이다. 그러나, 낮은 중공상 유리 마이크로입자 함량에서는(0.1 ~ 0.5 wt%) G`와 G``의 의존성이 강해지고, 이는 SWNT 네트워크 형성이 교란된다는 것을 시사한다(도 4(a) 및 (b) 참조). 유사한 현상이 GB20의 경우에도 관찰된다. 도 4(d)에 보이는 바와 같이, GB20 커브의 경우를 제외하고는 유변학적 거동이 점성 유체의 것에서 탄성 고체의 것으로 변화되고, 이는 중공상 유리 마이크로입자의 응집이 있음을 의미한다. 이 결과는 GB10과 GB20 조성의 인장강도 감소를 설명하는 것이다. As shown in Fig. 4, at low frequencies, pure PP exhibits similar terminal behavior as the sole copolymer due to complete relaxation of the PP-chain. However, as the SWNT network is present, the terminal behavior due to complete relaxation of the PP-chain is weakened, and the storage elastic modulus (G ') and loss elastic modulus (G``) of angular frequency (ω) are limited to low frequencies. In the range of hollow glass microparticles content of 1 to 10 wt%, there was no abnormality in development of low frequency G ', G`` stable area (plateu). This non-terminal behavior at low frequencies is due to the formation of interconnected SWNT networks without disturbance due to the content of hollow glass microparticles. However, in the low hollow glass microparticle content (0.1-0.5 wt%), the dependence of G 'and G' 'becomes stronger, suggesting that the formation of the SWNT network is disturbed (see FIGS. 4 (a) and 4 ). A similar phenomenon is also observed for GB20. As shown in Fig. 4 (d), the rheological behavior of the GB20 curve is changed from that of a viscous fluid to that of an elastic solid, which means that hollow glass microparticles aggregate. The results illustrate the tensile strength reduction of the GB10 and GB20 compositions.

중공상 유리 마이크로입자 함량 1 내지 7 wt%의 범위에서는 전체적인 탄성율은 중공상 유리 마이크로입자 함량의 함수로서 증가하였고, 7 wt% 함량까지는 SWNT 네트워크 구조가 유지되었다. 도 4(d)는 반-구르 팔멘 그래프(Van-Gurp Palmen plot)이다. 순수한 PP의 경우 커브는 점성 거동을 나타내는 위상각 90°에 접근하는 반면, SWNT를 포함하는 신택틱 폼의 커브는 낮은 위상각으로 기울게 되어, GB20을 제외하고는 유변학적 거동이 점성 유체의 것으로부터 탄성 고체의 것으로 변화되는 것이 확인되었다.In the range of 1 to 7 wt% hollow glass microparticles, the overall modulus of elasticity increased as a function of the hollow glass microparticle content, and the SWNT network structure was maintained up to 7 wt%. Figure 4 (d) is a Van-Gurp Palmen plot. In the case of pure PP, the curve approaches a phase angle of 90 °, which represents the viscous behavior, while the curve of the syntactic foam containing SWNTs is inclined at a low phase angle, and rheological behavior, except for GB20, It was confirmed that it was changed into an elastic solid.

실험예 3: 열적 특성 평가Experimental Example 3: Evaluation of thermal characteristics

시편의 열적 특성 분석은 Q500 열중량 분석기(TGA)(TA Instrument,USA)를 이용하여 수행하였다. 온도에 의존하는 함수로서의 중량감소는 질소 대기하에서 10 ℃/min의 속도로 30℃에서 800℃까지 승온시키면서 수행하였다. 신택틱 폼의 열안정성에 미치는 영향을 열분해의 개시온도(Tonset)와 5%의 질량감소 온도(T-5%)를 기준으로 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.Thermal characterization of the specimens was performed using a Q500 thermogravimetric analyzer (TGA) (TA Instrument, USA). The weight reduction as a temperature dependent function was carried out at a rate of 10 캜 / min under a nitrogen atmosphere while heating from 30 캜 to 800 캜. The influence on the thermal stability of the syntactic foam was evaluated based on the onset temperature (T onset ) of pyrolysis and the mass reduction temperature (T -5% ) of 5% , and the results are shown in Table 2 below.

Figure pat00009
Figure pat00009

상기 표에서, 데이터 뒤에 위첨자로 표시한 문자와 관련하여, 동일한 컬럼의 서로 다른 문자는 95%의 신뢰도 수준에서(α=0.05) 통계적으로 유의미하게 다른 것임을 표시한 것이다.In the above table, with respect to the characters indicated by superscripts after the data, different letters in the same column indicate statistically significant differences at a confidence level of 95% (? = 0.05).

SWNT가 포함되는 경우, 배리어 효과, CNTs의 열전도성, 물리적 또는 화학적 흡수, 래디컬 제거 작용, 및 고분자-나노튜브의 상호작용 등의 이유로 조성물의 열안정성이 향상된다는 것이 보고되어 있다(McNally T. et al., Poschke P. Polymer-carbon nanotube composites: Preparation, properties and applications: Elsevier; 2011.). 이와 같은 이유로, 397.53 ℃의 Tonset 및 363.03℃의 T-5%를 갖는 순수한 PP에 비하여, 1.4 wt%의 SWNT를 첨가하는 경우 Tonset 및 T-5%가 상승한다. 중공상 유리 마이크로입자 함량이 0 내지 1 wt%인 범위에서는 GB0의 조성에 비하여 분해 개시온도(Tonset)의 심각한 감소는 없었고, 이는 중공상 유리 마이크로입자의 함량 자체가 낮기 때문인 것으로 판단된다. 그러나, 3 wt% 이상의 중공상 유리 마이크로입자를 포함하는 경우에는 Tonset의 감소가 GB0에 비하여 통계적으로 유의미한 수준에 이른다. 이는 주로, 도 3의 우측에서 보이는 바와 같이, 중공상 유리 마이크로입자의 표면에 존재하는 풍부한 수산기에 의하여 야기되는 것이다. 동일한 이유로, 5% 질량감소 온도(T-5%)도 3 wt% 이상의 중공상 유리 마이크로입자를 포함하는 경우, 중공상 유리 마이크로입자 함량이 증가함에 따라 감소함을 보였다. It has been reported that when SWNT is included, the thermal stability of the composition is improved due to barrier effects, thermal conductivity of CNTs, physical or chemical absorption, radical removal action, and polymer-nanotube interaction (McNally T. et al., Poschke P. Polymer-carbon nanotube composites: Preparation, properties and applications: Elsevier; 2011.). For this reason, as compared to pure PP that has a T -5% of T onset and 363.03 ℃ of 397.53 ℃, if the addition of SWNT in the 1.4 wt% increases the T onset and T -5%. In the range of the hollow glass microparticle content of 0 to 1 wt%, there was no significant decrease in the onset temperature (T onset ) as compared with the composition of GB 0, which is considered to be due to the low content of the hollow glass microparticles. However, when the hollow glass microparticles contain 3 wt% or more, the decrease of the onset is statistically significant as compared to GB0. This is mainly caused by the abundant hydroxyl groups present on the surface of the hollow glass microparticles, as shown on the right side of FIG. For the same reason, the 5% mass reduction temperature (T -5% ) also showed a decrease with increasing hollow glass microparticle content when the hollow glass microparticles contained 3 wt% or more.

실험예 4: 모폴로지 특성 평가Experimental Example 4: Evaluation of morphology characteristics

SU8020 필드 에미션 주사전자 현미경(HITACHI, Japan)을 이용하여 PP/CNT/HGM 신택틱 폼의 표면을 직접 관찰하였다. 구체적으로, 펠렛화된 신택틱 폼 그래뉼을 액체질소로 처리한 다음 저온분쇄하였다. SWNT와 중공상 유리 마이크로입자의 화학적 조성을 EMAX 에너지 디스퍼시브 X-레이 분광기(HORIBA Scientific, Japan)를 이용하여 조사하였다. 전하가 형성되는 것을 막기 위하여 표면을 팔라듐으로 스퍼터 코팅하였다. The surface of the PP / CNT / HGM syntactic foam was directly observed using a SU8020 field emission scanning electron microscope (HITACHI, Japan). Specifically, the pelletized syntactic foam granules were treated with liquid nitrogen followed by cold milling. The chemical composition of SWNT and hollow glass microparticles was investigated using an EMAX energy dispersive X-ray spectrometer (HORIBA Scientific, Japan). The surface was sputter coated with palladium to prevent charge build up.

도 3은 중공상 유리 마이크로입자와 SWNT 사이의 표면상태를 보여주는 SEM 사진(위)과, 이들의 상호작용을 보여주는 모식도(아래)이다. 중공상 유리 마이크로입자는 표면처리가 되지 않은 것임에도 중공상 유리 마이크로입자와 SWNT 사이의 접착이 도 3으로부터 관찰되었다(도 3의 위 도면 참조). 이로부터, SWNT는 중공상 유리 마이크로입자와 PP 매트릭스를 연결하는 연결재로 작용하여, 중공상 유리 마이크로입자와 PP 매트릭스 간의 연속성(PP-CNT간의 계면접착력 향상에 따른 연속성)을 부여함을 알 수 있다. 이와 같은 표면 간의 접착은 주로 SWNT의 결점에 기인한 것으로 보인다. FIG. 3 is a SEM photograph showing the surface state between the hollow glass microparticles and the SWNT (top) and a schematic diagram (below) showing their interaction. FIG. The adhesion between the hollow glass microparticles and the SWNT was observed from Fig. 3 (see the upper drawing of Fig. 3) even though the hollow glass microparticles were not surface-treated. From this, it can be seen that the SWNT acts as a connecting material connecting the hollow glass microparticles with the PP matrix, thereby providing continuity between the hollow glass microparticles and the PP matrix (continuity as the interfacial adhesion between PP-CNTs improves) . Such interfacial adhesion appears to be mainly due to the drawbacks of SWNTs.

도 5는 SWNT를 포함하는 신택틱 폼의 모폴로지 상태를 보여주는 SEM 사진이다. 20분에 이르는 긴 체류시간으로 인하여 SWNT는 PP 매트릭스 내에 잘 분산되어 있고, 그 결과, 퍼콜레이션 네트워크가 형성되어 있는 것이 확인된다(도 5(a) 참조). 중공상 유리 마이크로입자 함량이 낮은 경우(0.1~0.5 wt%). 중공상 유리 마이크로입자들은 SWNT에 의하여 싸여 있는 것처럼 보인다. 중공상 유리 마이크로입자들은 SWNT를 유도하는 핵형성제로 작용하는 것으로 보이고, 이에 의하여 SWNT의 네트워크 형성이 방해된다(도 5 (b) 참조). 중공상 유리 마이크로입자 함량이 증가하는 경우(1~7 wt%), 중공상 유리 마이크로입자들 사이의 간격이 감소되어 SWNT들이 서로 접촉할 가능성이 커진다. 즉 하나의 중공상 유리 마이크로입자에서 분지되는 SWNT가 근처의 다른 중공상 유리 마이크로입자에서 분지된 SWNT와 얽히게 될 가능성이 증가한다(도 5 (c) 참조). 5 is a SEM photograph showing the morphological state of the syntactic foam including the SWNT. The SWNT was well dispersed in the PP matrix due to the long retention time of 20 minutes, and as a result, it was confirmed that a percolation network was formed (see Fig. 5 (a)). Low hollow glass microparticle content (0.1-0.5 wt%). Hollow glass microparticles appear to be surrounded by SWNTs. Hollow glass microparticles appear to act as nucleating agents to induce SWNTs, thereby hindering the network formation of SWNTs (see FIG. 5 (b)). When the hollow glass microparticle content increases (1 to 7 wt%), the spacing between hollow glass microparticles decreases, increasing the likelihood that the SWNTs will contact each other. The possibility that the SWNTs branched in one hollow glass microparticle are entangled with the branched SWNTs in the other hollow glass microparticles nearby (see FIG. 5 (c)).

한편, 유변학적 특성과 기계적 물성의 평가 결과에서 암시되듯, 다량의 중공상 유리 마이크로입자를 투입하는 경우(10~20 wt%) 중공상 유리 마이크로입자의 응집이 발생하고 SWNT의 체적 감소를 야기하여, 퍼콜레이션 네트워크를 형성하기 위해선 보다 많은 양의 SWNT가 필요하게 된다(도 5 (c) 참조)On the other hand, as a result of the evaluation of the rheological properties and the mechanical properties, when a large amount of hollow glass microparticles were added (10 to 20 wt%), coagulation of the hollow glass microparticles occurred and the volume of the SWNT decreased, A larger amount of SWNT is required to form a percolation network (see Fig. 5 (c)),

도 7은 중공상 유리 마이크로입자 함량이 SWNT 네트워크 형성에 미치는 영향을 보여주는 모식도이다. 7 is a schematic diagram showing the effect of the hollow glass microparticle content on the formation of the SWNT network.

상술된 결과에 근거하여, SWNT의 강화 효과 및 네트워크 형성 효과를 나타내는 중공상 유리 마이크로입자의 함량은 신택틱 폼 조성물의 1 내지 7 wt%임을 알 수 있다. 낮은 함량의 중공상 유리 마이크로입자(0.1 내지 0.5 wt%)인 경우에는 중공상 유리 마이크로입자가 핵형성제로 작용하여 SWNT 네트워크의 형성을 방해하고, 높은 함량의 중공상 유리 마이크로입자를 포함하는 경우(10 wt% 이상)에는 중공상 유리 마이크로입자의 응집이 발생하여 SWNT 네트워크가 제대로 형성되지 않는다.Based on the results described above, it can be seen that the content of the hollow glass microparticles showing the strengthening effect of the SWNT and the network forming effect is 1 to 7 wt% of the syntactic foam composition. In the case of low contents of hollow glass microparticles (0.1 to 0.5 wt%), hollow glass microparticles act as nucleating agents to interfere with the formation of SWNT network and contain high content of hollow glass microparticles 10 wt% or more), the coagulation of hollow glass microparticles occurs and the SWNT network is not formed properly.

실험예 5: 전기적 특성 평가Experimental Example 5: Evaluation of electrical characteristics

중공상 유리 마이크로입자가 SWNT의 분산상태 또는 네트워크 구조 형성에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 압축성형된 직사각형 시트를 이용한 평면 내 전기적 전도성(in-plane electrical conductivity) 측정을 ASTM D4496-13에 따라 수행하였다. 각 시편에 대하여 10번의 측정을 수행하여 저항값의 기하평균값과 표준편차를 얻었다. 1 MOhm/square 내지 2MOhm/square의 저항측정범위와 핀간격 20~50 mils인 4-점 프로브가 장착된 CMT-SR1000N 저항 측정 시스템(Advanced Instrument Technology, USA)을 사용하였다.In order to evaluate the effect of hollow glass microparticles on the dispersion state or network structure formation of SWNTs, in-plane electrical conductivity measurements using a compression-molded rectangular sheet were performed according to ASTM D4496-13 . The geometric mean and standard deviation of the resistance values were obtained by performing 10 measurements on each specimen. A CMT-SR1000N resistance measurement system (Advanced Instrument Technology, USA) equipped with a 4-point probe with a resistance range of 1 MOhm / square to 2MOhm / square and a pin spacing of 20-50 mils was used.

도 6은 SWNT를 포함하는 신택틱 폼에 대하여 중공상 유리 마이크로입자 함량에 따르는 체적 전도성을 기록한 그래프이다. 중공상 유리 마이크로입자를 포함하지 않는 경우, 1.4 wt%의 SWNT를 포함하는 조성물의 체적 전도성은 6.58 S/m 이었다. 0.1 wt%의 중공상 유리 마이크로입자를 포함하는 경우, 체적 전도성은 2.36 S/m로 감소하였다. 추가로, 0.3 내지 0.5 wt%의 중공상 유리 마이크로입자를 포함하는 경우, 체적 전도성은 지수(order)가 하나 이상 감소하였다. 이는 주로 도 5 (a)의 설명에 기재된 것처럼, 중공상 유리 마이크로입자의 핵형성 효과에 기인하는 것으로 판단된다. 6 is a graph showing the volume conductivity according to the hollow glass microparticle content for a syntactic foam containing SWNTs. Without the hollow glass microparticles, the composition comprising 1.4 wt% SWNT had a volume conductivity of 6.58 S / m. When containing 0.1 wt% of hollow glass microparticles, the volume conductivity decreased to 2.36 S / m. In addition, when containing 0.3 to 0.5 wt% of hollow glass microparticles, the volume conductivity decreased by at least one order. This is mainly due to the nucleation effect of the hollow glass microparticles as described in the description of Fig. 5 (a).

그러나, 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 1 내지 7 wt%인 범위에서는 체적 전도성은 GB0의 수준으로 다시 상승하였다. 한편, 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 10 wt%를 넘어서면 중공상 유리 마이크로입자의 응집 때문에 체적 전도성이 다시 감소하였다. 도 6의 붉은 점선은 GB1, GB3, GB5 및 GB7 조성에서 체적 전도성의 감소가 실질적으로 없다는 것을 육안으로 보여준다.However, in the range of 1 to 7 wt% of the hollow glass microparticles, the volume conductivity increased again to the GB0 level. On the other hand, if the content of the hollow glass microparticles exceeds 10 wt%, the volume conductivity decreases again due to the aggregation of the hollow glass microparticles. The red dotted line in Figure 6 shows visually that there is practically no reduction in volume conductance in the GB1, GB3, GB5 and GB7 compositions.

시료 번호Sample number 체적 전도성(S/m)Volume Conductivity (S / m) GB0GB0 6.5785734286.578573428 GB0.1GB0.1 2.362716072.36271607 GB0.3GB0.3 0.060766540.06076654 GB0.5GB0.5 0.0374491160.037449116 GB1GB1 5.6613729065.661372906 GB3GB3 7.9632972857.963297285 GB5GB5 3.2623553553.262355355 GB7GB7 5.4022810385.402281038 GB10GB10 0.042642310.04264231 GB20GB20 0.0035465720.003546572

실험예 6: 기계적 특성 평가Experimental Example 6: Evaluation of mechanical properties

인스트론 3367 만능시험기(INSTRON, USA)를 이용하여, 사출성형된 도그본 형태의 시편을 대상으로 기계적 특성을 평가하였다. ASTM D638의 방법에 따라, 1 kN 셀포스(cell force) 및 10 mm/min의 인장속도로 평가하였다. 각 조성물 당 최소 3개 이상의 시편을 평가하였고, 미가공 데이터로부터 인장강도를 얻어 그 결과를 하기 표 3에 나타냈다.The mechanical properties of the injection molded dog bone specimens were evaluated using an Instron 3367 universal testing machine (INSTRON, USA). According to the method of ASTM D638, with a 1 kN cell force and a tensile rate of 10 mm / min. At least three specimens were evaluated for each composition, tensile strength was taken from the raw data and the results are shown in Table 3 below.

하기 표 4는 SWNT를 포함하는 신택틱 폼의 인장강도, 항복 신율 및 영 탄성율을 HGMs 함량별로 측정하여 기록한 것이다.Table 4 below shows the tensile strength, yield elongation and Young's modulus of a syntactic foam containing SWNT measured by HGMs content.

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 표에서, 데이터 뒤에 위첨자로 표시한 문자와 관련하여, 동일한 컬럼의 서로 다른 문자는 95%의 신뢰도 수준에서(α=0.05) 통계적으로 유의미하게 다른 것임을 표시한 것이다.In the above table, with respect to the characters indicated by superscripts after the data, different letters in the same column indicate statistically significant differences at a confidence level of 95% (? = 0.05).

상기 표 4에서 보는 바와 같이, 중공상 유리 마이크로입자를 첨가함에 따라 인장강도는 감소하는 경향을 보였다. 이와 같은 인장강도의 감소는 표면 간의 분리 및 중공상 유리 마이크로입자와 고분자 매트릭스 사이의 매트릭스 보이드와 그에 따르는 불충분한 스트레스 전이 때문인 것으로 판단된다. 그러나, 도 3에서 확인되는 바와 같이, 중공상 유리 마이크로입자와 PP 매트릭스 사이의 갭은 SWNT와 중공상 유리 마이크로입자의 상호작용에 의하여 연결되는 것이 확인되었다. As shown in Table 4, tensile strength tended to decrease with the addition of hollow glass microparticles. This decrease in tensile strength is believed to be due to the separation between the surfaces and matrix voids between the hollow glass microparticles and the polymer matrix and consequently insufficient stress transfer. However, as can be seen in FIG. 3, it was confirmed that the gap between the hollow glass microparticles and the PP matrix was connected by the interaction of the SWNTs with the hollow glass microparticles.

중공상 유리 마이크로입자 함량이 7 wt%에 이를 때까지는 GB0와 비하여 인장강도가 통계적으로 유의미할 정도로 다르지 않았다. 그러나, GB10과 GB20은 통계적으로 유의미한 정도의 인장강도의 감소를 보였다. 이는 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 10 wt%를 초과하는 경우에는 중공상 유리 마이크로입자들이 응집하여 중공상 유리 마이크로입자와 PP 사이의 경계면의 연결에 의한 SWNT의 강화효과를 얻을 수 없기 때문인 것으로 보인다. Until the hollow glass microparticle content reached 7 wt%, the tensile strength was not significantly different from GB0. However, GB10 and GB20 showed a statistically significant decrease in tensile strength. This is because when the content of the hollow glass microparticles exceeds 10 wt%, it is because the hollow glass microparticles aggregate and the strengthening effect of the SWNT due to the interface between the hollow glass microparticles and the PP can not be obtained .

순수한 PP 만의 인장강도(35.00 ± 1.84 MPa)와 비교하여, 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 10 wt%에 이를 때까지는 조성물의 인장강도가 증가하였다. 인장 신율 역시 인장강도의 변화와 유사한 경향을 보인다. 영 탄성율은 신율에 대한 강도의 비율이다. 인장강도와 인장 신율이 비슷한 경향을 보이기 때문에, 영탄성율은 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 변화하여도 통계적인 차이를 보이지 않는다.Compared to the tensile strength of pure PP alone (35.00 ± 1.84 MPa), the tensile strength of the composition increased until the content of hollow glass microparticles reached 10 wt%. The tensile elongation also shows a tendency similar to that of tensile strength. Young's modulus is the ratio of strength to elongation. Since the tensile strength and tensile elongation tend to be similar, the Young's modulus does not show a statistical difference even when the content of the hollow glass microparticles varies.

통계분석Statistical analysis

각 실험 데이터(α=0.05)들의 복수 비교를 위하여 One-way ANOVA and Tukey's HSD (Honestly Significant Differences) 테스트를 수행하였다. 통계처리를 위하여 IBM SPSS 스태스틱스 버전 23(IBM(R) SPSS(R), USA)을 이용하였다.One-way ANOVA and Tukey's HSD (Honestly Significant Differences) tests were performed for multiple comparisons of each experimental data (α = 0.05). IBM SPSS Stability Version 23 (IBM (R) SPSS (R) , USA) was used for statistical analysis.

이상의 분석결과에 의하여, 신택틱 폼에 포함되는 SWNT의 우수한 특성을 해치지 않는 범위의 중공상 유리 마이크로입자의 함량은 1 내지 7 wt%인 것으로 확인되었다. 도 2의 EDS 분석 및 SEM 사진은, 다른 표면 처리 없이도 중공상 유리 마이크로입자와 SWNT 사이의 계면 접착이 있음을 보여 주며, 이는 주로 SWNT의 결함과 중공상 유리 마이크로입자의 실라놀에 의한 것이다. 이와 같은 계면 접착은, GB0에 비하여 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 7 wt%에 이를 때까지도 신택틱 폼의 인장강도가 유지되도록 한다. From the above analysis results, it was confirmed that the content of the hollow glass microparticles in the range that does not impair the excellent characteristics of the SWNT contained in the syntactic foam was 1 to 7 wt%. The EDS analysis and SEM image of FIG. 2 show that there is interfacial adhesion between hollow glass microparticles and SWNTs without any other surface treatment, mainly due to defects of SWNTs and silanol of hollow glass microparticles. Such interfacial adhesion ensures that the tensile strength of the syntactic foam is maintained until the amount of hollow glass microparticles reaches 7 wt% as compared to GB0.

유변학적 측정 결과는 중공상 유리 마이크로입자의 로딩 양이 많아지는 경우 SWNT 네트워크를 교란하는 것으로 보여준다. 중공상 유리 마이크로입자의 함량이 증가하면, 분해 개시온도 및 5% 질량감소 온도는 감소하는데, 이는 중공상 유리 마이크로입자 표면에 풍부하게 존재하는 수산기 때문이다. The rheological measurement results show that the loading of hollow glass microparticles increases the disturbance of the SWNT network. As the content of hollow glass microparticles increases, the decomposition initiation temperature and the 5% mass reduction temperature decrease, which is due to the hydroxyl groups abundantly present on the surface of the hollow glass microparticles.

SEM 사진 및 전기적 특성에 대한 측정 결과 중공상 유리 마이크로입자 함량이 적거나(0.1~0.5 wt%) 큰 경우(10~20 wt%) 각각 핵형성 효과 및 응집에 의하여 SWNT 네트워크의 형성이 저해됨을 알 수 있다. GB1, GB3, GB5, 및 GB7 조성이 GB0 보다 16~20% 낮은 상대 밀도를 갖는다는 점을 고려하면, 경량이면서도 전기적으로 전도성인 고분자 조성물을 제조할 수 있는 기회를 열었다는 것은 놀라운 발견이다. As a result of SEM photographs and electrical properties, it was found that the formation of SWNT network was inhibited by nucleation effect and aggregation, respectively, when the hollow glass microparticle content was small (0.1 ~ 0.5 wt%) and large (10 ~ 20 wt% . It is a surprising finding that the GB1, GB3, GB5, and GB7 compositions have a relative density of 16-20% lower than GB0, opening the opportunity to produce lightweight and electrically conductive polymer compositions.

Claims (13)

폴리올레핀, 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브를 포함하고,
상기 중공상 유리 마이크로입자가 조성물 전체 중량을 기준으로 1 내지 7 wt%의 함량으로 포함되고,
상기 폴리올레핀 매트릭스 내에 상기 중공상 유리 마이크로입자가 분산된, 신택틱 폼 조성물.
Polyolefins, hollow glass microparticles, and carbon nanotubes,
The hollow glass microparticles are contained in an amount of 1 to 7 wt% based on the total weight of the composition,
Wherein the hollow glass microparticles are dispersed in the polyolefin matrix.
제1항에 있어서, 상기 중공상 유리 마이크로입자 사이에 탄소 나노 튜브로 형성된 전기적 퍼콜레이션 네트워크 구조를 갖는, 신택틱 폼 조성물.
The syntactic foam composition according to claim 1, having an electrical percolation network structure formed of carbon nanotubes between the hollow glass microparticles.
제1항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는, 신택틱 폼 조성물.
The syntactic foam composition according to claim 1, wherein the polyolefin is polypropylene.
제1항에 있어서, 상기 중공상 유리 마이크로입자는 표면처리되지 않은 것임을 특징으로 하는, 신택틱 폼 조성물.
The syntactic foam composition of claim 1, wherein the hollow glass microparticles are not surface treated.
제1항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브의 함량은 0.5 내지 5 wt%인 것을 특징으로 하는, 신택틱 폼 조성물.
The syntactic foam composition according to claim 1, wherein the content of the carbon nanotubes is 0.5 to 5 wt%.
제1항에 있어서, ASTM D4496-13 방법에 따라 측정되는 체적 전도성이 1.0 S/m 이상인 것을 특징으로 하는, 신택틱 폼 조성물.
The syntactic foam composition according to claim 1, characterized in that the volume conductivity measured according to the ASTM D4496-13 method is 1.0 S / m or more.
제1항에 있어서, ASTM D638 방법에 따라 측정되는 인장강도가 35 MPa 이상인 것을 특징으로 하는, 신택틱 폼 조성물.
The syntactic foam composition according to claim 1, characterized in that the tensile strength measured according to the ASTM D638 method is not less than 35 MPa.
제1항에 있어서, 상기 중공상 유리 마이크로입자는 분쇄되지 않은 것이고, 밀도가 900 Kg/m3 이하이고, 매트릭스 보이드는 10 vol% 이상이며, 마이크로벌룬 기공도는 1 % 이상인 것을 특징으로 하는, 신택틱 폼 조성물.
The hollow glass microparticle according to claim 1, wherein the hollow glass microparticles are unbranched, have a density of 900 Kg / m 3 or less, a matrix void of 10 vol% or more, and a microballoon porosity of 1% Syntactic foam composition.
제1항에 있어서, 밀도가 750 내지 850 Kg/m3이고, 매트릭스 보이드는 10 내지 20 vol% 이며; 마이크로벌룬 기공도는 1 내지 30 %인 것을 특징으로 하는, 신택틱 폼 조성물.
The method of claim 1, wherein a density of 750 to 850 Kg / m 3, the voids matrix of 10 to 20 vol%, and; Wherein the microballoon porosity is 1 to 30%.
폴리올레핀, 중공상 유리 마이크로입자 및 탄소 나노 튜브를 혼합한 후 용융혼련하고, 혼련물을 그래뉼화하는, 제1항의 신택틱 폼 조성물의 제조방법.
A method for producing the syntactic foam composition according to claim 1, wherein the polyolefin, the hollow glass microparticles and the carbon nanotubes are mixed and then melt kneaded, and the kneaded product is granulated.
제10항에 있어서, 용융혼련시 배럴 온도는 폴리올레핀의 융점보다 10℃ 이상인 것인, 신택틱 폼 조성물의 제조방법.
The method for producing a syntactic foam composition according to claim 10, wherein the barrel temperature at melt-kneading is 10 ° C or higher than the melting point of the polyolefin.
제10항에 있어서, 용융혼련시 모터 스피드는 40 내지 70 rpm인 것인, 신택틱 폼 조성물의 제조방법.
The method of producing a syntactic foam composition according to claim 10, wherein the motor speed during melt-kneading is 40 to 70 rpm.
제10항에 있어서, 상기 중공상 유리 마이크로입자의 함량은 1 내지 7 wt%이고, 상기 탄소 나노 튜브의 함량은 0.5 내지 5 wt%인 것을 특징으로 하는, 신택틱 폼 조성물의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein the hollow glass microparticles are present in an amount of 1 to 7 wt% and the carbon nanotubes are present in an amount of 0.5 to 5 wt%.
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