KR20210147703A - 수지 복합재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 성형품 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 수지 복합재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 성형품에 관한 것이다.

Description

수지 복합재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 성형품 {RESIN COMPOSITE, MANUFACTURING METHOD FOR SAME AND MOLDED PRODUCT COMPRISING SAME}

본 명세서는 수지 복합재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 성형품에 관한 것이다.

일반적으로 고분자 나노복합소재라 함은 크기가 1~100 나노미터 정도 되는 나노물질이 고분자 기지 속으로 분산되는 이종의 소재를 말하며, 원소재가 갖고 있는 물성의 한계를 극복하고 다기능 및 고성능의 시너지 효과를 얻기 위해서 서로 다른 소재를 물리적/화학적 방법으로 혼성화한 소재이다. 나노복합소재의 특징은 기존의 무기충전 또는 강화제의 입자크기(일반적으로 마이크론 이상)를 나노 수준까지 분산시켜 기존에 비해 표면적을 극대화하여, 투입량을 최소화함으로써 첨가제 투입으로 인한 물성의 저하를 최소화하여 강화제의 특성을 고분자에 부여할 수 있다는 점이다. 즉, 기존 수지의 내충격성, 인장성 등에 손실이 없어도 강성, 방염성, 내마모성, 전기전도성, 열전도성 등을 한층 높일 수 있게 된다. 이러한 나노물질에는 대표적으로 클레이(clay)나 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 그레펜(graphene), 탄소나노파이버(carbon nano fiber, CNF), 금 나노입자, 은 나노입자 등이 있는데, 이들은 각각 높은 종횡비, 물리적 강성, 강도, 전기전도성, 열전도성, 차단성 등의 뛰어난 특성을 갖고 있다. 이러한 나노물질을 고분자 기지에 첨가하여 복합화하는 경우, 고분자 자체가 가진 물성에 비해 물리적 강도, 강성, 전기 전도성, 열전도성, 흡습성, 방수성과 이 외에도 여러 향상된 물성을 가진 소재를 제조할 수 있다.

한편, 기존의 나노 물질은 분산시 발생하는 나노 물질의 응집에 의하여, 원하는 효과를 충분히 확보하기에는 어려움을 가지고 있다. 또한 금속 나노 입자의 경우 직접 사용하기에는 분진 폭발의 위험성을 가지고 있어서 사용에 많은 제약이 있다.

일본 공개 특허 JP 1999-217524 A

본 명세서는 수지 복합재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 성형품에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시상태는 고분자 수지 매트릭스; 및

상기 고분자 수지 매트릭스에 분산된 나노 플레이크를 포함하고,

상기 나노 플레이크의 두께가 1nm 이상 400nm 이하인 것인 수지 복합재를 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 상기 나노 플레이크의 평균 너비가 1㎛ 이상 500㎛ 이하인 것인 수지 복합재를 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 상기 나노 플레이크의 평균 종횡비가 100 내지 10,000인 수지 복합재를 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 상기 나노 플레이크가 인듐(In), 티탄(Ti), 주석(Sn), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 바나듐(V), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 네오디뮴(Nb), 철(Fe), 크롬(Cr), 코발트(Co), 금(Au) 또는 은(Ag)의 금속, 상기 금속의 산화물, 상기 금속의 질화물, 상기 금속의 산질화물 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것인 수지 복합재를 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 상기 고분자 매트릭스가 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부틸렌 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리아크릴 수지, 스티렌부타디엔 수지, 비닐 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리비닐포르말 수지, 폴리비닐아세테이트 수지, 폴리스티렌 수지, 스티렌디비닐벤젠 수지, 불소 수지, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지 중에서 선택되는 1종 이상인 것인 수지 복합재를 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 상기 고분자 수지 매트릭스 전체 중량을 기준으로 상기 나노 플레이크의 함량이 0.01 wt% 이상 20 wt% 이하인 것인 수지 복합재를 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 난연제, 충격보강제, 난연제, 난연보조제, 활제, 가소제, 열안정제, 적하방지제, 산화방지제, 상용화제, 광안정제, 안료, 염료, 무기물 첨가제 및 드립 방지제로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택되는 첨가제를 더 포함하는 것인 수지 복합재를 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 고분자 수지 기재 상에 나노 성분을 포함하는 첨가제층을 형성하는 단계; 상기 고분자 수지 기재를 용융하여 고분자 수지 매트릭스를 형성하는 단계; 및 상기 첨가제층을 나노 플레이크로 분쇄하는 단계를 포함하는 상술한 수지 복합재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 상기 첨가제층을 형성하는 것은 증착 또는 코팅에 의한 것인 수지 복합재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시상태는 상기 수지 복합재를 포함하는 성형품을 제공한다.

본 명세서의 수지 복합재는 종래의 입자 형태의 첨가제 대신 플레이크 형태의 첨가제를 포함하므로, 용융 공정을 거쳐 제조된 성형품에 웰드 라인이 형성되는 것을 방지한 장점이 있다.

상기 플레이크 형태의 첨가제는 첨가제 크기가 작아 수지 매트릭스에 대한 표면적이 현저히 줄어든 장점이 있다. 이 경우, 용융 공정시 수지 매트릭스와 첨가제의 마찰에 의해 발생하는 저항을 감소시킬 수 있다. 상기 감소된 저항에 의해, 수지 매트릭스를 충분히 제어되지 않을 때 발생하는 웰드 라인을 저감시키는 장점을 갖는다.

도 1 내지 도 9는 본 발명의 실험예에서 관찰한 수지 복합재의 외관을 나타낸 것이다.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 자세히 설명한다.

본 발명에 있어서, “수지 복합재”는 성형품을 제조하기 위한 재료이며, 수지 복합재를 사출 성형함으로써 성형품을 제조할 수 있다. 일반적으로 수지 복합재는 금속 질감이나 기능성을 부여하기 위해 금속 입자를 포함하게 되는데, 사출 성형 시에 수지의 흐름에 의해 발생하는 웰드 라인(weldline)이나 수지의 흐름에 의한 흐름자국(flowmark)가 발생하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 수지 복합재에 관한 것으로, 고분자 수지 매트릭스; 및 상기 고분자 수지 매트릭스에 분산된 나노 플레이크를 포함하고, 상기 나노 플레이크의 두께가 1nm 이상 400nm 이하인 것인 수지 복합재를 제공한다.

종래의 수지 복합재는 고분자 수지 매트릭스에 금속 질감을 부여하거나, 내향균성 등의 기능을 부여하기 위하여 금속 코팅을 하거나, 고분자 수지 매트릭스 상에 금속 입자를 분산시키는 경우가 있다. 그러나, 이 경우 추가 공정이 소요되는 문제가 있으며, 금속 입자의 형상으로 인해 사출 성형 시 웰드 라인이 생기는 문제가 있었다.

한편, 고분자 수지 매트릭스는 연속적으로 연결되어 잇는 사슬 구조를 갖기 때문에, 고분자의 사슬구조로 인해 용융된 수지가 흘러가면서 분자 배향을 하게 된다. 이때, 종래의 금속 입자에 인접한 위치의 고분자와 인접하지 않은 위치의 고분자와의 전단응력이 서로 상이하기 때문에 흐름 특성이 상이하게 나타나게 되어, 수지의 흐름성이 원활하지 못하고 흐름 자국이 발생하는 문제가 있었다.

구체적으로, 사출 성형 시에는 사출 성형 장치 내부에서 고분자 수지 매트릭스의 원료가 되는 고분자 수지 조성물이 흘러가게 된다. 고분자 수지 조성물이 금속 입자를 포함할 때는 금속 입자에 도달한 고분자 수지 조성물이 금속 입자의 주변으로 흐름이 나뉘게 되고, 다시 금속 입자를 지나면서 흐름이 합쳐지게 된다. 이때, 나뉘고 합쳐지는 과정에서 고분자 수지 조성물에 의한 웰드 라인이 형성되는 문제가 있었다.

본 발명에서는, 종래의 금속 입자 대신에 크기가 작은 나노 플레이크를 도입함으로써, 수지의 흐름 특성을 개선하여 웰드 라인이 형성되는 문제를 해결하고자 하였다.

본 발명에 있어서, 상기 “나노 플레이크”는 크기가 나노(nm) 단위인 플레이크(flake)를 의미하는 것으로서, 일정한 형태가 없는 판상 형태의 물질이 찢어진 것을 의미한다. 예를 들어, 납작한 판상 형상의 2차원 형상의 첨가제가 찢어진 형태일 수 있으며, 복잡한 배향 형태를 가질 수 있다.

상기 나노 플레이크의 두께 또는 너비가 나노 크기(nm)인 경우 상기 수지 복합재는 나노복합소재라고 명명될 수 있다. 나노복합소재의 이용에 의한 물성의 증가에 있어서 나노소재의 분산은 매우 중요한 문제로 대두되어 왔다. 특히 압출, 사출 등 대량 생산을 위한 용융 공정에서의 나노소재의 분산성 향상은 용액 공정을 통한 접근에 비해 해결에 어려움이 많았다. 또한, 일정 크기 이하의 금속 입자의 경우 공정 난이도가 상승하고, 대기 중에서 폭발할 가능성이 있어 공정에 적용이 어려운 문제가 있었다.

본 발명의 수지 복합재는 나노 플레이크 형태가 고부자 수지 매트릭스에 분산된 구조를 갖는다. 이에 따라, 나노 플레이크의 분산성을 향상시키고, 기계적 물성을 개선할 수 있는 장점을 갖는다.

상기 나노 플레이크의 평균 너비, 두께 또는 평균 종횡비가 후술하는 범위로 조절함으로써, 외관, 강도 및 웰드 강도가 우수한 수지 복합재를 얻을 수 있다. 나노 플레이크는 그 크기와 형태를 조절함으로써, 복합재를 이용한 성형품을 제조하는 과정에서 발생되는 웰드라인이나 수지의 흐름 자국과 같은 표면 불량을 감소시킬 수 있다.

상기 나노 플레이크의 두께는 1nm 이상 400nm 이하, 10 nm 이상 200nm 이하, 15 nm 이상 100nm 이하, 20 nm 이상 50nm 이하일 수 있다. 상기 두께는 판상 형태의 나노 플레이크의 두께 방향으로의 길이일 수 있다.

상기 나노 플레이크의 평균 너비는 1㎛ 이상 500㎛ 이하, 5㎛ 이상 200㎛ 이하, 바람직하게는 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 평균 너비는 판상 형태의 나노 플레이크의 판상 표면 길이 중 가장 긴 거리와 가장 짧은 거리의 평균값일 수 있다.

상기 나노 플레이크의 평균 종횡비가 100 내지 10,000, 바람직하게는 100 내지 5,000, 더욱 바람직하게는 200 내지 1,000일 수 있다. 상기 종횡비는 상기 나노 플레이크의 두께 대비 너비의 길이를 의미할 수 있다.

상기 고분자 매트릭스는 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부틸렌 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리아크릴 수지, 스티렌부타디엔 수지, 비닐 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리비닐포르말 수지, 폴리비닐아세테이트 수지, 폴리스티렌 수지, 스티렌디비닐벤젠 수지, 불소 수지, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 고분자 수지 매트릭스 전체 중량을 기준으로 상기 나노 플레이크의 함량이 0.01 wt% 이상 30 wt% 이하, 바람직하게는 0.1 wt% 이상 25 wt% 이하, 더욱 바람직하게는 0.5 wt% 이상 20 wt% 이하일 수 있다. 상기 나노 플레이크는 상기 고분자 수지 매트릭스 내에서 네트워크 구조를 가지게 되는 바, 상기 범위일 때, 상술한 네트워크 구조 형성에 보다 유리하다.

상기 수지 복합재는 난연제, 충격보강제, 난연제, 난연보조제, 활제, 가소제, 열안정제, 적하방지제, 산화방지제, 상용화제, 광안정제, 안료, 염료, 무기물 첨가제 및 드립 방지제로 이루어지는 군으로부터 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명은 고분자 수지 기재 상에 나노 성분을 포함하는 첨가제층을 형성하는 단계; 상기 고분자 수지 기재를 용융하여 고분자 수지 매트릭스를 형성하는 단계; 및 상기 첨가제층을 나노 플레이크로 분쇄하는 단계를 포함하는 상술한 수지 복합재의 제조방법을 제공한다.

상기 고분자 수지 기재 상에 나노 성분을 포함하는 첨가제층을 형성하는 단계에서 첨가제층이 형성된 고분자 수지 기재를 복합재 프리폼이라고 명명할 수 있다.

상기 복합재 프리폼(pre-form)이란, 압출기로 공급되어 용융 및 압출되기 이전 상태의 복합재 형태를 의미한다. 종래에는, 압출기에 이미 용융화된 수지 재료와 첨가제를 동시에 투입하거나, 메인 스트림에 수지 재료를 투입하고 서브 스트림에 첨가제를 투입함으로써, 수지 매트릭스(matrix) 상에 첨가제를 분산시키는 방식을 사용해왔다. 그러나, 이 경우 상기 첨가제가 수지 상에 잘 분산되지 않는 문제가 있었다. 그리하여, 본 명세서의 일 실시상태에서는 이미 필름화된 고분자 수지 기재에 상기 첨가제층을 형성하여 복합재 프리폼을 제조하고, 상기 제조된 복합재 프리폼을 압출기에 투입함으로써 첨가제가 수지에 잘 분산될 수 있도록 하였다.

상기 첨가제층은 나노 성분을 포함하며, 첨가제층이 2종 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제층은 서로 상이한 첨가제를 포함하는 2층 이상의 다층 첨가제층을 포함할 수 있다. 특히, 수지와의 부착력이 서로 상이한 2종 이상의 첨가제를 사용하는 경우 첨가제층의 두께, 첨가제의 함량 및 첨가제층 적층 순서 등을 조절함으로써 수지와 첨가제층의 부착력을 개선할 수 있다. 수지와 첨가제층의 부착력을 개선하면 복합재 프리폼에서 발생할 수 있는 상분리 현상이나 크랙 현상을 개선할 수 있다.

상기 첨가제층을 형성하는 것은 증착 또는 코팅에 의할 수 있다. 즉, 상기 첨가제층에 포함되는 첨가제 재료를 고분자 수지 필름 상에 증착하거나, 상기 첨가제층에 포함되는 첨가제를 포함하는 조성물을 고분자 수지 필름 상에 코팅하는 방식에 의할 수 있다.

상기 증착은 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition: CVD) 또는 물리적 기상 증착(Physical vapor deposition: PVD)에 의할 수 있다. 상기 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition: CVD)은 기체상태의 금속원과 그와 반응을 하는 가스에 열을 가해주거나 플라즈마화하여 높은 반응성의 라디칼을 형성하고 높은 온도의 기판에서 화학반응을 일으켜 금속 박막을 형성하는 방법이고, 상기 물리적 기상 증착(Physical vapor deposition: PVD)은 원하는 금속 물질에 가해진 에너지가 운동에너지로 변하여 물질이 이동, 기판에 쌓여 박막을 형성하는 방법이다. 물리적 기상 증착면은 수 나노미터에서 수천 나노미터의 두께를 가지며 기판 크기에 구애 받지 않고 증착 가능하다. 물리적 기상 증착은 기체 생성 방법에 따라 열증발진공증착, 스퍼터링 방법 및 이온보조방법으로 나뉜다.

상기 스퍼터링 방법이란, 이온화된 원자가 가속화되어 물질에 충돌할 때 물질 표면의 결합에너지보다 충돌에너지가 더 클 경우 표면으로부터 원자가 튀어 나오는 현상을 말한다. 스퍼터링 방법은 이 원리를 이용하여 진공상태에서 이온화된 입자(ex. Ar⁺)를 금속원에 충돌시켜 튀어나온 원자를 기판에 증착하는 방법이다.

상기 스퍼터링 방법은 플라즈마 가스를 포함하는 챔버 내에서 수행될 수 있다. 상기 플라즈마 가스는 아르곤(Ar) 가스일 수 있다.

상기 스퍼터링 방법은 반응성 스퍼터링 방법일 수 있고, 플라즈마 가스 및 반응성 가스를 포함하는 챔버 내에서 수행될 수 있다. 반응성 가스는 산소(O₂) 및 질소(N₂)이며 산소 또는 질소 원자를 제공하기 위한 가스로, 플라즈마 가스와는 구분되는 것이다.

상기 플라즈마 가스의 유량은 10 sccm 이상 300 sccm 이하, 바람직하게는 20 sccm 이상 200 sccm 이하일 수 있다. 상기 sccm는 Standard Cubic Centimeer Per minute을 의미한다.

상기 고분자 수지 기재 상에 2종 이상의 첨가제를 포함하는 첨가제층을 형성하는 단계는 0.01 mTorr 내지 100 mTorr의 공정 압력 및 10W 이상 100,000W 이하의 구동 전력에서 수행될 수 있다.

상기 첨가제층을 나노 플레이크로 분쇄하는 단계는 얇은 두께로 형성된 첨가제층을 분쇄하여 나노 플레이크 형태로 형성하는 단계이다. 상기 분쇄된 나노 플레이크의 크기는 분쇄에 사용되는 압출기 투입부의 직경, 크기 또는 압출기의 성능에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 분쇄물의 직경은 10mm 이상 100mm이하일 수 있다.

상기 첨가제층을 나노 플레이크로 분쇄하는 단계는 압출기를 사용하고, 상기 압출기는 단축 압출기 또는 2축 압출기일 수 있다.

일반적으로 압출 공정은 원료를 압출기에 공급하여 가열실린더 형태의 구조물에서 밀어내어 일정한 모양의 단면을 가진 연속체로 변환하는 성형법으로서 고분자 수지 등에 한 주요한 성형법이다. 압출기에 공급된 원료는 실린더 속에서 가열되고 연화 융해되어 스크류의 회전에 의해 혼련과 압축을 받으면서 수송된다. 균일한 융해체로 된 원료의 흐름은 목적하는 형상으로 만들어진 금형의 개구부로부터 외부에 연속적으로 압출된 후 냉각 과정을 거치면 압출 결과물이 얻어지게 된다.

이와 같은 압출 공정에서 원료는 가열 상태에서 기계적 압력을 받는 혼련 과정을 거치면서 그 물성이 달라질 수 있다. 따라서 원료물의 물성을 유지하면서 압출 공정을 진행하는 것이 바람직한 바, 이를 위해서는 압출기의 압출 조건을 적절히 제어할 필요가 있게 된다. 구체적으로, 수지 조성, 공급 속도, 작동 온도, 압출기 스크류 RPM, 체류 시간, 가열 구역 길이 및 압출기 토크 및/또는 압력을 조절하고자 한다.

원료물의 손상을 억제하기 위하여 상기 압출기에 구비된 스크류의 회전속도를 장비 최대 속도의 50% 이하, 예를 들어 10 내지 40%의 속도로 제어할 수 있다. 이와 같은 스크류의 속도로서는 예를 들어 350rpm 이하, 또는 300rpm 이하, 또는 250rpm 이하, 또는 200rpm 이하로 할 수 있다. 한편, 상기 압출기에 구비된 스크류의 속도가 지나치게 작으면 단위 시간당 처리량이 저하되어 생산성이 악화되고, 또한 혼련 성능이 저하될 수 있으므로 상기 스크류의 속도는 장비 최대 속도의 10% 이상, 예를 들어 10rpm 이상, 또는 20rpm 이상의 범위로 제어할 수 있다.

상기 압출기의 스크류는 직경이 5 내지 50 mm, 바람직하게는 10 내지 30 mm가 될 수 있다. 상기 압출기의 스크류 직경이 5 mm 미만인 경우 생산성의 효율이 떨어질 수 있으며, 압출기 샤프트(Shaft)가 휘어질 수 있고, 50mm이상일 경우에는 모터가 과부하될 수 있다.

또한, 상기 압출기에 구비된 스크류의 주속은 상기 압출기에 구비된 스크류의 직경과 회전수에 의해 적절히 결정될 수 있지만, 고분자 수지의 분자량 저하 등의 열 열화를 억제하기 위해서는, 통상 10m/초 이하, 예를 들어 6 m/초 이하, 또는 4 m/초 이하의 범위를 사용할 수 있다.

이와 같은 압출기의 스크류는 다양한 기능을 부여하기 위해서, 복수의 엘리먼트(스크류 엘리먼트)로 구성되어 있다. 일반적으로는, 주로 수지의 반송을 목적으로 한 나선 나사(플라이트)만으로 이루어지는 풀 플라이트, 수지의 혼련을 목적으로 한 니딩 디스크 등으로 구성된다. 목적에 따라 수지의 반송 방향과 역방향으로 나사를 배치한 역플라이트도 사용될 수 있다.

본 명세서에 있어서, 이들 스크류 엘리먼트의 구성은 한정되는 것은 아니지만, 니딩 디스크를 구비하는 것을 사용할 수 있으며, 상기 니딩 디스크는 1개 이상, 또는 복수개가 사용될 수 있고, 니딩 디스크에 의해 가열 영역이 구별될 수 있다. 이와 같은 압출기의 구조에서 상기 니딩 디스크의 합계 길이는 상기 스크류 전체의 길이의 20％ 이하, 예를 들어 15% 이하의 범위를 사용할 수 있다. 상기 니딩 디스크의 합계 길이가 지나치게 길면, 수지의 전단에 의한 국소적인 발열이 증대되어 고분자 수지의 색변 현상이 발생할 수 있게 되어 바람직하지 않다.

상기 니딩 디스크의 합계 길이가 지나치게 짧으면, 상기 서술한 혼련 성능이 저하될 수 있으므로, 상기 니딩 디스크의 합계 길이는 상기 스크류 전체 길이의 3％ 이상, 예를 들어 5％ 이상의 범위를 사용할 수 있다.

상기 니딩 디스크는, 수지의 반송 방향에 대해 순이송형, 직교형, 역이송형이 있지만, 사용되는 수지의 점도 또는 요구되는 성능에 따라 적절히 선택할 수 있다.

상기 압출기 내부의 가열 조건을 변경함으로써, 수지가 용융되는 정도와 첨가제의 수지에 대한 분산 정도를 조절할 수 있다. 상기 압출기는 다수의 가열 구역을 포함하고, 상기 다수의 가열 구역은 온도 구배를 갖는 것일 수 있다.

상기 압출기는 다수의 가열 구역 및 압출 다이를 구비할 수 있으며, 상기 다수의 가열 구역은 니딩 디스크의 위치에 의해 구별할 수 있다. 즉, 첫번째 니딩 디스크 이전의 가열 영역만 존재하는 영역은 제1 가열 영역, 두번째 니딩 디스크와 세번째 니딩 디스크 사이의 플라이트 영역은 제2 가열 영역 등으로 구별 할 수 있다. 상기 가열 구역은 제1 가열 영역 내지 제5 가열 영역을 구비할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 가열 구역에 의하여 압출기로 공급된 복합재 프리폼이 용융될 수 있다.

이와 같은 가열 구역의 가열 온도는 배럴의 외부에 구비된 히터에 의해 제어될 수 있다. 상기 히터는 독립적으로 제어될 수 있으므로, 상기 가열 구역들은 개별 온도 제어식으로 조절할 수 있게 된다.

상기 제1 가열 영역의 온도는 상기 고분자 수지의 용융 온도 이하의 범위로 설정할 수 있으며, 이와 같은 범위에서 원료물의 급격한 온도 상승을 막아 물성이나 형상의 변화를 억제할 수 있게 된다. 예를 들어, 상기 제1 가열 영역의 온도는 구배된 형태를 가질 수 있다. 온도구배를 통해 상기 첨가제의 분산성을 개선하여 인장 강도와 같은 기계적 물성을 개선할 수 있게 된다. 상기 용융혼련은 가공온도 160℃ 내지 500℃ 하에서 실시될 수 있으나, 바람직하게는 200 내지 330℃하에서 실시될 수 있다. 상기 가공온도가 160℃ 미만인 경우 수지가 충분히 용융되지 않아 과도한 전단력이 가해져 가공이 어려워질 수 있으며, 상기 가공온도가 500℃를 초과하는 경우에는 수지가 열화 하여 제품의 물성 및 특성저하를 초래하여 제품으로서 사용하기 어려워질 수 있다.

이와 같은 온도 구배의 형태로서는 제1 가열 영역의 전단부에서 하단부 쪽으로, 즉 원료의 진행방향으로 온도가 점차 증가하는 경우를 예시할 수 있다. 이와 같은 제1 가열 영역의 온도 제어는 상술한 바와 같이 배럴의 외부에 설치된 히터의 온도를 개별적으로 제어하여 조절할 수 있다. 이와 같은 제1 가열 영역의 최고온도는 예를 들어 180 내지 330℃, 예를 들어 200 내지 325℃의 범위를 가질 수 있다. 상기 제1 가열 영역의 최고온도는 제1 가열 영역의 하단부의 온도를 의미한다.

상기 제1 가열 영역 이후, 즉 제2 가열 영역의 온도는 상기 고분자 수지의 용융 온도 이상의 범위를 가질 수 있다. 즉, 제1 가열 영역을 거친 복합재 프리폼은 이후의 가열 영역에서 수지의 용융 온도의 이상으로 가열함으로써 충분한 용융 혼련이 이루어질 수 있게 된다. 이와 같은 제1 가열 영역 이후 가열영역의 최고온도는 예를 들어 180 내지 330℃, 예를 들어 200 내지 325℃의 범위를 가질 수 있다. 상기 제1 가열 영역 이후 가열영역의 최고온도는 제2 가열 영역 이후 존재하는 모든 가열 영역 중 가장 높은 온도를 의미한다.

상기 최고온도가 180℃ 미만이면 충분한 혼련이 얻어지기 곤란하고, 330℃를 초과하면 상기 고분자 수지의 열분해가 일어날 수 있다.

본 발명에 따른 상기 압출기의 L/D는 스크류의 길이("L") 대 직경("D")의 비이다. 본 발명에 따른 압출기의 L/D값은 5 내지 80, 바람직하게는 10 내지 60이 될 수 있다. 상기 압출기는 본 발명에 적합한 다양한 스크류 조합 구현 및 분산성 확보를 위해 L/D가 30 이상인 것이 바람직할 수 있으며, 모터 용량 한계 및 수지의 열화 현상을 방지하기 위해서 L/D가 80 이하인 것이 바람직할 수 있다.

L/D가 50 이상인 2축 압출기를 사용하여 상기 복합재 프리폼을 압출하는 경우, 이때 압출량은 스크류 1rpm당 0.01kg/h 이상, 예를 들어 0.05kg/h 내지 1kg/h, 또는 0.08 내지 0.5kg/h의 범위를 가질 수 있다. 여기서 압출량이란 스크류 직경 41mm의 2축압출기로부터 토출된 용융 혼련물의 1시간당의 중량(kg)을 의미한다.

상기 압출 내에서의 체류시간은 1 내지 30분, 예를 들어 5 내지 10분의 범위를 가질 수 있다. 이러한 체류시간은, 압출기에 원재료 공급 후 토출 시점까지의 체류시간의 평균을 나타내는 값이다. 상기 체류시간은 용융혼련물이 소정의 압출량으로 조절된 정상적인 용융혼련상태에 있어서, 원료가 공급되는 스크류 밑부분의 위치에서 압출기의 토출구에서 방출되는 시점까지의 시간으로 한다.

상기 압출기로서 2축압출기를 사용하는 경우, 2축압출기의 스크류로는 특히 제한은 없고, 완전 맞물림형, 불완전 맞물림형, 비맞물림형 등의 스크류가 사용될 수 있다. 혼련성 및 반응성의 관점으로부터, 완전맞물림형 스크류가 바람직하다. 또한 스크류의 회전방향으로는 동방향, 역방향 중 어느 쪽도 좋지만, 혼련성, 반응성의 관점으로부터 동방향 회전이 바람직하다. 스크류로는 동방향 회전 완전맞물림형이 가장 바람직하다.

상기 압출공정에서 수지의 열화를 억제하기 위하여 원료 투입부에 불활성 기체를 도입하여 용융혼련할 수 있으며, 이때의 불활성기체로서는 질소 등을 예시할 수 있다.

상기 첨가제는 고분자 수지 본연의 특성을 갖는 수지 복합재에 대하여, 각 첨가제가 갖고 있는 특성을 부여하기 위한 것이다. 예를 들어, 상기 특성으로는 금속 본연의 광택과 같은 외관 특성이나, 표면 저항 또는 전기전도성과 같은 자기 특성일 수 있다. 즉, 수지 복합재가 첨가제를 포함함에 따라 다양한 특성을 가질 수 있다. 상기 첨가제의 예시로는 인듐(In), 티탄(Ti), 주석(Sn), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 바나듐(V), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 네오디뮴(Nb), 철(Fe), 크롬(Cr), 코발트(Co), 금(Au) 또는 은(Ag)의 금속, 상기 금속의 산화물, 상기 금속의 질화물, 상기 금속의 산질화물 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 재료일 수 있다.

상기 첨가제층의 두께는 1nm 내지 2,000nm, 5nm 내지 1,500nm 또는 10nm 내지 1,000nm일 수 있다. 상기 첨가제층이 다층 첨가제층일 경우, 이때 상기 두께는 각 층의 두께를 의미한다.

상기 고분자 수지 필름 대 첨가제층의 두께의 비는 100,000:1 내지 10:1, 바람직하게는 10,000 내지 50:1, 더욱 바람직하게는 5,000 내지 100:1 일 수 있다. 상기 첨가제층에 포함되는 첨가제는 상기 고분자 수지 함유 복합재의 매트릭스 내에서 네트워크 구조를 가지게 되는 바, 상기 범위일 때, 상술한 네트워크 구조 형성에 보다 유리하다.

상기 고분자 수지가 폴리카보네이트 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 수지, 아라미드수지, 방향족 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리에스테르카보네이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌설피드 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 알케닐화합물, 메타크릴산에스테르, 아크릴산에스테르, 및 시안화비닐 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 비닐 단량체를, 중합 혹은 공중합시켜서 얻어지는 비닐계 중합체 혹은 공중합체 수지, 디엔-방향족 알케닐화합물 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 이상일 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. 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-시클로헥산디메틸렌 테레프탈레이트, 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 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), 아젤란산(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.

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-드록시페닐)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, 폴리에스테르카보네 이트 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 (미츠이화학사 제조의 에틸렌-시클로올레핀 공중합체), 아톤 (JSR 사 제조의 노르보르넨계 중합체), 제오노아 (닛폰 제온사 제조의 노르보르넨계 중합체) 등을 들 수 있다.

상기 복합재 프리폼을 압출기로 공급하여 용융 압출하는 단계는 난연제, 충격보강제, 난연제, 난연보조제, 활제, 가소제, 열안정제, 적하방지제, 산화방지제, 상용화제, 광안정제, 안료, 염료, 무기물 첨가제 및 드립 방지제로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택되는 제2 첨가제를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 수지 복합재를 포함하는 성형품을 제공한다. 상기와 같은 수지 복합재의 가공방법을 통해 펠렛이나 필름 등의 형태를 갖는 복합재를 제조할 수 있다.

상기 방법을 통해 얻어진 성형품은 기계적 강도가 저하되지 않음은 물론, 생산 공정 및 2차 가공성에서 문제가 없으며, 소량의 첨가제를 포함하면서도 충분한 물성을 가지는 고분자 수지 복합재가 얻어질 수 있다.

상기 복합재는, 통상 공지의 사출 성형, 블로우 성형, 프레스 성형, 방사 등의 임의의 방법으로 성형할 수 있고, 각종 성형품으로 가공하여 이용할 수 있다. 성형품으로서는, 사출 성형품, 압출 성형품, 블로우 성형품, 필름, 시트, 섬유 등으로서 이용할 수 있다.

상기 필름의 제조 방법으로서는, 공지의 용융 제막 방법을 채용할 수 있고, 예를 들면, 단축 또는 2축의 압출기 중에서 원료 물질들을 용융시킨 후, 필름 다이로부터 압출하고, 냉각 드럼 상에서 냉각하여 미연신 필름을 작성하는 방법, 또는 이와 같이 하여 작성한 필름을 롤러식의 세로 연신 장치와 텐터(tenter)로 불리는 가로 연신장치에 의해 적절하게 종횡으로 연신되는 1축 연신법, 2축 연신법 등을 예시할 수 있다.

상기 섬유로서는, 미연신사, 연신사, 초연신사 등 각종 섬유로서 이용할 수 있고, 상기 고분자 수지 복합재를 사용한 섬유의 제조 방법으로서는, 공지의 용융 방사 방법을 적용할 수 있고, 예를 들면, 원료인 수지 복합재 프리폼으로 이루어지는 칩을 단축 또는 2축의 압출기에 공급하면서 혼련하고, 그 다음으로, 압출기의 선단부에 설치한 폴리머 유선 교체기(polymer flow line switcher), 여과층 등을 거쳐 방사 돌기(spinneret)로부터 압출하고, 냉각, 연신, 열세팅을 행하는 방법 등을 채용할 수 있다.

상기 각종 성형품은, 자동차 부품, 전기전자 부품, 건축 부재 등 각종 용도에 이용할 수 있다. 구체적인 용도로서는, 에어 플로 미터, 에어 펌프, 자동 온도 조절 장치 하우징, 엔진 마운트, 이그니션보빈, 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, 디스트리뷰터캡, 코일 베이스, ABS용 액츄에이터 케이스, 라디에이터 탱크의 탑 및 보텀, 쿨링 팬, 팬 슈라우드(fanshroud), 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 내 부 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 전기전자 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 가정용 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.

또한, 본 발명의 수지 복합재 및 성형품은 재생(recycle)이 가능하다. 예를 들면, 상기 복합재 및 성형품을 분쇄하고, 바람직하게는 분말상으로 만든 후, 필요에 따라 첨가제를 배합하여 얻어지는 고분자 수지 복합재는 상술한 복합재와 동일하게 사용할 수 있고, 성형품으로 만들 수도 있다.

이하 실시예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 명세서의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

<실시예 및 비교예>

<알루미늄 나노 플레이크를 포함하는 수지 복합재>

실시예 1

20㎛ 두께의 폴리프로필렌 수지 필름(Polypropylene (PP): 엘지화학 제조) 상에 알루미늄(Al) 첨가제층을 100㎚ 두께로 증착하고, 상기 폴리프로필렌 수지 필름을 용융하였으며, 상기 첨가제층을 나노 플레이크 형태로 분쇄하였다. 이때, 상기 첨가제층 형성 방법은 스퍼터링 방법을 이용하였다(구동 전력 1kW, 공정 압력 2mTorr, 스퍼터 가스의 유량이 50sccm). 전체 폴리프로필렌 수지 필름의 전체 중량으로 기준으로. 상기 알루미늄 함량은 0.6wt%이었다.

이후, 상기 용융물을 압출하여 가닥으로 성형하였다. 이때, 장비는 Twin screw Extruder(제조사: Bautek사의 BA11 압출기)를 사용하였으며, 공정 조건은 240℃의 온도에서 25 rpm의 회전 속도로 진행하였다.

압출된 압출물을 펠릿타이저를 통해 펠릿화화여 수지 복합재를 제조하였으며, 제조된 수지 복합재의 단면을 도 1에 나타내었다. 플레이크화된 알루미늄 입자가 수지 매트릭스 상에 잘 분산된 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2

알루미늄 첨가제층의 두께가 20nm인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.

비교예 1

알루미늄 첨가제층을 증착하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.

비교예 2

알루미늄 첨가제층의 두께가 500nm인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.

<구리 나노 플레이크를 포함하는 수지 복합재>

실시예 3

알루미늄 대신 구리(Cu)를 20nm 두께로 증착한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.

실시예 4

알루미늄 대신 구리(Cu)를 50nm 두께로 증착한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.

실시예 5

알루미늄 대신 구리(Cu)를 100nm 두께로 증착한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.

비교예 3

알루미늄 대신 구리(Cu)를 500nm 두께로 증착한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.

<알루미늄 입자를 포함하는 수지 복합재>

비교예 4

실시예 1에서, 알루미늄을 증착하는 대신 40㎛의 직경을 갖는 알루미늄 입자를 분산시켜 복합재를 제조하였다. 이때 단면을 도 2에 나타내었다.

<실험예>

1. 흐름 특성 비교 1

실시예 1과 비교예 4에서 제조된 수지 복합재의 단면을 광학 현미경 장비를 사용하여 관찰하였다. 비교예 4의 경우 흐름자국이 발견되었으나, 실시예 1의 수지 복합재는 흐름 자국이 발생하지 않는 것을 확인하였다.

또한, 3D 현미경을 사용하여 비교예 4의 흐름 자국의 함몰된 영역을 확인하였으며, 실시예 1의 수지 복합재는 흐름 자국이 발생하지 않아 함몰된 영역이 존재하지 않고 균일한 것을 확인하였다. 이를 도 3 및 도 4에 각각 나타내었다.

2. 흐름 특성 비교 2

실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에서 제조된 수지 복합재를 필름 형태로 압출 성형한 후, 3D 현미경으로 외관의 거칠기를 비교하였으며 이를 도 5에 나타내었다.

형상 분석 결과, 실시예 1 및 2의 수지 복합재를 필름 형태로 제작한 경우 외관 거칠기가 양호하였으나, 비교예 2의 수지 복합재는 외관에 주름과 같은 형상이 발견되었으며, 3D 현미경 분석결과 파여진 부분이 발생하였다.

이는, 비교예 2의 수지 복합재에 포함된 알루미늄 나노 플레이크의 두께가 두꺼워, 제조 과정에서 수지의 흐름이 원활하지 않았기 때문이다.

3. 흐름 특성 비교 3

실시예 3 내지 5 및 비교예 3에서 제조된 수지 복합재를 필름 형태로 압출 성형한 후, 3D 현미경으로 외관의 거칠기를 비교하였으며, 이를 도 6 및 도 7에 나타내었다.

형상 분석 결과, 실시예 3 내지 5의 수지 복합재를 필름 형태로 제작한 경우 외관 거칠기가 양호하였으나, 비교예 3의 수지 복합재는 외관에 주름과 같은 형상이 발견되었으며, 3D 현미경 분석결과 파여진 부분이 발생하였다.

이는, 비교예 2의 수지 복합재에 포함된 구리 나노 플레이크의 두께가 두꺼워, 제조 과정에서 수지의 흐름이 원활하지 않았기 때문이다.

4. 흐름 특성 비교 4

실시예 3 내지 5 및 비교예 3에서 제조된 수지 복합재를 화이버(Fiber) 형태로 압출 성형한 후, Layer 현미경으로 외관을 비교하였으며, 3D 형상 분석을 수행하였다. 이를 도 8 및 도 9에 나타내었다.

외관 분석 결과, 실시예 3 내지 5의 수지 복합재를 화이버 형태로 제작한 경우, 흐름 특성이 개선되어 제조된 화이버 형상이 균일한 형태를 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

반면에, 비교예 3의 수지 복합재를 화이버 형태로 제작한 경우, 화이버 형상의 형태가 뭉개지는 현상이 관찰되었다. 이는, 두께가 두꺼운 나노 플레이크로 인하여 화이버 제작시 shear stress가 강하게 작용하여 화이버 제작 시 흐름 특성이 나쁘기 때문이다.

5. 외관 관찰

도 3에 나타난 바와 같이 실시예 1 및 비교예 1의 수지 복합재의 외관을 디지털 카메라를 사용 하여 측정하였다.

실시에 1의 색상은 수지 매트릭스의 색상과 유사하였으며, 비교예 1의 색상은 알루미늄 색상과 유사하였다. 이는, 실시예 1의 복합재가 수지 매트릭스 상에 알루미늄 플레이크가 잘 분산된 것을 의미한다.

Claims (10)

1. 고분자 수지 매트릭스; 및
   상기 고분자 수지 매트릭스에 분산된 나노 플레이크를 포함하고,
   상기 나노 플레이크의 두께가 1nm 이상 400nm 이하인 것인 수지 복합재.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 플레이크의 평균 너비가 1㎛ 이상 500㎛ 이하인 것인 수지 복합재.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 플레이크의 평균 종횡비가 100 내지 10,000인 수지 복합재.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 플레이크는 인듐(In), 티탄(Ti), 주석(Sn), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 바나듐(V), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 네오디뮴(Nb), 철(Fe), 크롬(Cr), 코발트(Co), 금(Au) 또는 은(Ag)의 금속, 상기 금속의 산화물, 상기 금속의 질화물, 상기 금속의 산질화물 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것인 수지 복합재.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 고분자 매트릭스는 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부틸렌 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리아크릴 수지, 스티렌부타디엔 수지, 비닐 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리비닐포르말 수지, 폴리비닐아세테이트 수지, 폴리스티렌 수지, 스티렌디비닐벤젠 수지, 불소 수지, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지 중에서 선택되는 1종 이상인 수지 복합재.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 고분자 수지 매트릭스 전체 중량을 기준으로 나노 플레이크의 함량이 0.01 wt% 이상 20 wt% 이하인 것인 수지 복합재.
7. 청구항 1에 있어서,
   난연제, 충격보강제, 난연제, 난연보조제, 활제, 가소제, 열안정제, 적하방지제, 산화방지제, 상용화제, 광안정제, 안료, 염료, 무기물 첨가제 및 드립 방지제로 이루어지는 군으로부터 하나 이상 선택되는 첨가제를 더 포함하는 것인 수지 복합재.
8. 고분자 수지 기재 상에 나노 성분을 포함하는 첨가제층을 형성하는 단계;
   상기 고분자 수지 기재를 용융하여 고분자 수지 매트릭스를 형성하는 단계; 및
   상기 첨가제층을 나노 플레이크로 분쇄하는 단계를 포함하는 것인 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 따른 수지 복합재의 제조방법.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 첨가제층을 형성하는 것은 증착 또는 코팅에 의한 것인 수지 복합재의 제조방법.
10. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 따른 수지 복합재를 포함하는 성형품.

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