KR20220052006A

KR20220052006A - 섬유 형태의 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포

Info

Publication number: KR20220052006A
Application number: KR1020200135826A
Authority: KR
Inventors: 송재현; 정현환
Original assignee: 송재현
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-04-27
Also published as: KR102450376B1

Abstract

섬유 형태의 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 상기 그래핀 복합 성형체는 고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 것이고, 상기 그래핀 복합 성형체는 이물질을 외부로 배출시키는 필터링 공정을 통해 제조되기 때문에 이를 포함하는 부직포가 우수한 항균, 제균, 유해가스에 대한 탈취율, 정전기 방지, 원적외선 방출, 자외선 차단율, 인장강도 및 신율 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

섬유 형태의 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포{NON-WOVEN FABRIC INCLUDING FIBROUS GRAPHENE COMPOSITE MOLDED BODY}

본 발명은 섬유 형태의 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 상기 그래핀 복합 성형체는 고분자 수지에 분산된 그래핀을 포함하는 것이고, 상기 그래핀 복합 성형체는 이물질을 외부로 배출시키는 필터링 공정을 통해 제조되기 때문에 이를 포함하는 부직포가 우수한 항균, 제균, 유해가스에 대한 탈취율, 정전기 방지, 원적외선 방출, 자외선 차단율, 인장강도 및 신율 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.

부직포란 섬유를 직포공정을 거치지 않고, 평행 또는 정방향(不定方向)으로 배열하고 합성수지 접착제로 결합하여 펠트모양으로 만든 것으로 원료 섬유로는, 처음에는 면, 비스코스레이온이 주로 사용되었으나, 1950년대 중반부터는 나일론 등의 합성섬유도 사용되었다.

부직포의 가공법에는 습식(濕式)과 건식(乾式)이 있다. 습식은 침지식(浸漬式) 또는 초지식(抄紙式)이라고도 하며, 섬유를 합성수지 접착제 통에 넣어 적셨다가 건조·열처리한 것으로, 종이와 비슷하다. 건식은 섬유를 얇은 솜 모양으로 만든 것에 합성수지를 내뿜고 열을 가하여 건조시킨 것이다.

부직포의 생산기술은 1950년경부터 미국에서 급속도로 발전하였는데, 섬유가 얽혀 있어서 종횡의 방향성이 없으며, 결이 없어 자른 가장자리가 풀리는 일도 없기 때문에 여러 가지 용도의 공업용으로 널리 쓰이고 있다. 특히 절단면이 풀어지는 현상이 없으며, 가격이 저렴하면서도 물이나 용매에 침지된 상태에서도 강도를 유지할 수 있고 섬유조직이 해리되지 않아 화장품이나 의약품을 담지해 사용하는 각종 패치 제형에 우수한 전달수단으로서 널리 사용되어 왔다. 그러나 기존에 사용된 부직포는 합성섬유와 수지계 접착제를 사용하여 접합한 섬유조직으로서 섬유 자체의 흡수성이나 수분 유지능력이 뛰어나지 못하고, 피부에 축적되는 각종 유해물질에 대한 흡수능력이 부족한 점이 단점으로 지적되었다.

한편, 환경오염이 심해지면서 쾌적성을 위해 섬유제품에 항균성 및 소취성을 부여하려는 노력이 진행되어 왔으며 부직포에도 항균성 및 소취성을 부여하는 노력이 지속되고 있다.

이와 관련하여, 항균가공의 초창기에 항균제는 크게 방향족 할로겐 화합물, 유기실리콘 제4급 암모늄염 및 기타 화합물로 나누어서 사용하였으나, 항균가공의 분야가 확대됨에 따라서 최근에는 다양한 항균방취제가 개발되고 있다. 그 중에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 것은 금속 또는 금속을 함유하고있는 무기물 입자, 제4급 암모늄염 및 유기실리콘 제4급 암모늄염이다. 이는 세포벽이 파괴, 제거되어 미생물이 사멸하고, 증식이 억제되는 것이다.

그러나, 일부의 방향족 할로겐 화합물은 안전성에 문제가 있어 현재는 사용하지 않고 있고, 과거 금속이온이나 금속을 이용한 항균가공법은 원단 제조 후에 후가공으로 진행되며 그 항균약제의 경제성이나 섬유에 처리시 가공상의 어려운 점이 있으며, 특히 위생제로 사용되는 부직포의 경우 은과 같은 무기물은 쉽게 탈락되어 적용이 어려우며, 나노사이즈의 무기물은 안전상의 이유로 사용이 점차 줄어들고 있다.

또한, 종래 소취 특성 부여는 일반적으로 소취제를 담지하는 공법으로 행하였는데, 이는 물리적 후가공 공법에 해당하며, 소취제가 조기에 탈락 등의 사유로 소실되어 소취율이 현저하게 떨어지는 단점이 있어왔다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 연구하던 중, 그래핀 및 고분자 수지를 포함하는 그래핀 복합 성형체를 부직포의 섬유로서 사용할 경우, 이를 포함하는 부직포가 우수한 항균, 제균, 유해가스에 대한 탈취율, 정전기 방지, 원적외선 방출, 자외선 차단율, 인장강도 및 신율 특성 등을 가짐을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.

이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-0643515호는 항균 방취성이 우수한 폴리프로필렌 스판본드 부직포 및 그 제조방법에 대하여 개시하고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 섬유 형태의 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

또한, 상기 그래핀 복합 성형체의 제조방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은,

그래핀 및 고분자 수지를 포함하는 섬유 형태의 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포를 제공한다.

상기 그래핀은 다층 나노그래핀, 나노그래핀 판상 분체, 나노그래핀 리본, 기능성 그래핀, 그래핀 옥사이드 또는 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.

상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer, POE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 또는 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 수지를 포함하는 것일 수 있다.

상기 혼합되는 그래핀의 함량은 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 내지 5 중량부인 것일 수 있다.

상기 부직포는 천연 섬유 또는 합성 섬유 중 적어도 하나 이상을 더 함유하는 것일 수 있다.

상기 부직포는 57 Mpa 내지 100 Mpa의 인장강도(tensile strength)를 가지는 것일 수 있다.

상기 부직포는 165% 내지 190%의 신율(elongation)을 가지는 것일 수 있다.

상기 부직포는 황색포도상구균(staphylococcus aureus) 또는 폐렴막대균(klebsiella pneumoniae)에 대한 18시간 후 정균감소율이 각각 80% 이상인 것일 수 있다.

상기 부직포는 암모니아, 아세트산, 트리메틸아민 및 포름알데히드의 2시간 탈취율이 각각 20% 이상인 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은,

상기 그래핀 복합 성형체의 제조방법으로서, 그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계; 상기 혼합물을 압출시키는 단계; 및 상기 압출된 혼합물에 포함된 이물질을 외부로 배출시켜 필터링시키는 단계;를 포함하는 것인 그래핀 복합 성형체의 제조방법을 제공한다.

이상과 같은 본 발명에 따른 그래핀 복합 성형체는 그래핀 및 고분자 용융 수지에 포함된 가스, 수증기, 저분자 화학물질 등과 같은 이물질이 제거되어 상용화제 또는 커플링제를 첨가하지 않아도 그래핀과 고분자 수지가 계면에서 서로 분리되지 않으므로, 기계적 물성이 우수한 특성이 있다.

또한, 상기와 같은 그래핀 복합 성형체는 우수한 항균, 제균, 유해가스에 대한 탈취율, 정전기 방지, 원적외선 방출, 인장강도 및 신율 특성을 가지기 때문에 이를 부직포의 섬유로서 사용 시 상기 부직포가 매우 우수한 효능을 가지는 것일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 복합 성형체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 복합 성형체의 제조장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 홀 플레이트의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 커팅부의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 일 실험예에 따른 그래핀 복합 성형체의 파장에 따른 방사율 및 방사에너지를 나타낸 그래프이다.
도 6 및 7은 각각 본 발명의 일 실험예에 따른 그래핀 복합 성형체의 항균 성능을 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따른 그래핀 복합 성형체의 탈취율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 그래핀 복합 성형체의 항곰팡이 성능을 나타낸 사진이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.

덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본원의 제 1 측면은,

이하, 본원의 제 1 측면에 따른 부직포를 상세히 설명하도록 한다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부직포는 웹 형성방법에 따라 습식 부직포 및 건식 부직포로 분류할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 상기 부직포는 습식 부직포 및 건식 부직포 모두에 적용 가능한 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 습식 부직포란 종래의 제지 기술의 원리를 이용하여 수중에서 섬유를 적층한 웹을 사용하여 주로 접착제로 결합시킨 부직포를 의미하는 것일 수 있다. 이때, 상기 습식 부직포의 종류로는 스펀본드 부직포(spun-bonded non-woven fabric), 스펀레이스 부직포(spunlacenon-woven fabric), 멜트블로운 부직포(melt-blown non-woven fabric), 열융착 부직포(thermally bonded non-woven fabric) 등으로 분류할 수 있다. 상기 각각의 부직포에 대하여 간략하게 설명하자면 우선, 스펀본드 부직포는 필라멘트를 사용하기 때문에 장섬유 부직포라고도 하며, 방사공정과 섬유간의 접합을 하는 공정을 필요로 하기 때문에 기본적으로 방사장치가 필요하고 노즐에서 나오는 섬유를 주행하는 컨베이어 위에 불어 날려서 컨베이어 위에 긴 섬유의 층을 형성하여 만들어진 부직포의 일종이다. 제조 공정 측면에서 능률이 좋으며, 경제적인 장점이 있다.

또한, 상기 스펀레이스 부직포는 제트수류를 웹에 분사하여 섬유를 결합시키는 방법으로, 제트수류를 받는 웹 밑에 설치된 판의 패턴에 따라 다양한 디자인을 얻을 수 있고, 접착제를 사용하지 않기 때문에 제조된 제품의 드레이프성, 흡수성, 벌키성 등이 우수하므로 의료용 스펀지, 수술용 가운, 심지, 코팅직물의 기포, 기저귀 카바, 위생팩 및 일회용 산업의복에 널리 사용되고 있다.

더불어, 상기 멜트블로운 부직포는 일반적으로 원재료의 투입, 압출/방사, 웹 형성, 웹 냉각, 웰 결합의 제조공정을 거친다. 즉, 상기와 같은 공정으로 제조된 부직포를 멜트블로운 부직포라고 지칭하며, 사용된 웹이 극세 섬유이기 때문에 부드럽고, 보온성 및 고도의 여과성능 등 일반 부직포에서 얻을 수 없는 장점을 가진다. 다만, 웹 강도가 매우 약한 것이 단점으로, 단독으로는 사용상 제약이 많아서, 스펀본드법에 의한 웹이나 펄프 또는 단섬유 등과 복합하여 사용된다.

마지막으로, 상기 열융착 부직포는 저융점의 열가소성 섬유를 용융시켜 섬유 상호간에 결합시킨 부직포를 말하며, 제조 장치는 캘린더, 재래식 컨베이어 오븐, Through-Air System, 초음파 본딩, 적외선 가열기 등이 주로 사용된다. 용도는 커버스톡(Coverstock), 쿠션재, 보온재, 필터, 토목자재, 도전성 시트, 의료용 심지 등, 주로 얇고 부드러운 소프트한 부직포 생산에 많이 사용된다.

따라서, 본 발명에 따른 상기 그래핀 및 고분자 수지를 포함하는 섬유 형태의 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포는 습식 부직포로서 사용 시 상기와 같은 형태의 부직포 모두에 사용 가능한 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 건식 부직포란 소면기법, 에어 레이법 및 정전기법에 의해 건식 적층으로 형성된 웹을 의미하며, 열적, 물리적 및 화학적 결합방법과는 관계없이 제조된 부직포를 의미하는 것일 수 있다. 이때, 상기 건식 부직포의 제조방법으로는 건식적층(dry laying), 니들펀칭법, 스테치본드법, 케미칼본딩법 등으로 분류할 수 있다. 상기 각각의 제조방법에 대하여 간략하게 설명하자면 우선, 건식적층은 부직포에 이용하는 웹 제조에 있어 수분을 이용하지 않고, 완전 건조 상태에서 섬유웹을 적층하는 것을 의미하며, 적층방법으로는 소면기법(carding), 공기기류를 이용한 에어 레이법(air-lay) 및 정전기를 이용한 것이 있다.

또한, 상기 니들펀칭법은 웹을 기계적으로 결합시키는 방법의 하나로서 부직포가 생기기 이전부터 펠트의 제조에 사용되었던 방법이다. 그러나, 현재 니들펀칭 기술은 기존의 펠트제조에 사용되었던 설비보다 밀도가 높은 것이 사용된다. 니들펀칭 부직포는 카드기 또는 에어레이법에 의해 형성된 웹을 니들베틀(Needle Loom)을 통과시킬 때 니들이 붙은 침판을 상하 왕복으로 운동시켜 2차원적인 랜덤한 섬유배열의 일부를 3차원적인 랜덤구조로 결합시키는 것이다.

더불어, 상기 스테치본드법은 형성된 웹을 편침을 사용하여 재봉하는 방식으로 결합시키는 방법이다. 주로 트리코트의 경편원리를 적용하여 일반 심지용과 같은 웹을 형성하여 접착제를 사용하지 않고 실로서 누비는 것이다.

마지막으로, 상기 케미칼본딩법은 여러가지의 접착제들이 사용되고 있으나, 에멀전형 접착제를 보편적으로 사용하고 있으며, 이중에서도 아크릴과 SBR이 가장 많이 사용되고 있다. 케미칼본딩법은 웹 결합 시 주로 함침법, 스프레이(Spray)법, 거품법, 프린트(Print)법의 4가지 방법을 사용하는데, 결합방법에 따라 섬유간의 결합상태, 부드러움과 같은 외관과 인장강도, 신도 등과 같은 부직포의 특성에 크게 영향을 미친다.

따라서, 본 발명에 따른 상기 그래핀 및 고분자 수지를 포함하는 섬유 형태의 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포는 건식 부직포로서 사용 시 상기와 같은 제조방법 모두를 채용하여 제조가 가능한 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부직포는 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 예를 들어 의류, 방호, 의료, 건축, 토목, 차량, 위생, 가구/인테리어, 와이퍼, 필터, 침장, 농업/원예, 피혁, 기타 생활자재 및 공업자재 등에 폭넓게 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 부직포는 그래핀 복합 성형체를 함유함으로써 우수한 항균, 제균, 유해가스에 대한 탈취율, 정전기 방지, 원적외선 방출, 인장강도 및 신율 특성 등을 가지기 때문에 상기와 같은 다양한 분야에 사용 가능한 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 섬유 형태의 그래핀 복합 성형체는 그래핀 및 고분자 수지를 포함하는 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로, 고분자 수지에 분산된 형태의 그래핀을 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 그래핀은 다층 나노그래핀, 나노그래핀 판상 분체, 나노그래핀 리본, 기능성 그래핀, 그래핀 옥사이드 또는 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer, POE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 또는 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 수지를 포함하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀의 함량은 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 내지 5 중량부인 것일 수 있고, 바람직하게는 0.001 중량부 내지 1 중량부, 더욱 바람직하게는 0.005 중량부 내지 0.1 중량부인 것일 수 있다. 이때, 상기 그래핀의 함량이 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 미만일 경우 그래핀의 함량이 너무 적어 이를 포함하는 그래핀 복합 성형체 또는 부직포가 그래핀 고유의 우수한 특성을 가지지 못할 수 있으며, 5 중량부 초과일 경우 고분자 수지의 함량이 상대적으로 적어져 고분자 수지에 분산된 그래핀의 분산안정성이 저하될 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면 상기 혼합되는 그래핀 및 고분자 수지의 중량 혼합비율은 약 0.05: 99.95 또는 약 0.005: 99.995인 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 성형체는 KS K 0555(2015, B법)에 의해 측정된 면포에 대한 마찰대전성이 250 V 이하인 것일 수 있으며, KS K 0555(2015, B법)에 의해 측정된 모포에 대한 마찰대전성이 100 V 이하인 것일 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면 상기 그래핀 복합 성형체는 KS K 0555(2015, B법)에 의해 측정된 면포에 대한 마찰대전성이 약 200 V일 수 있으며, KS K 0555(2015, B법)에 의해 측정된 모포에 대한 마찰대전성이 약 76 V인 것일 수 있다. 즉, 상기와 같은 특성을 가진 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포는 낮은 마찰대전성을 나타내는 것일 수 있으며, 이에 따라 우수한 정전기 방지 효과를 나타내는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부직포는 황색포도상구균(staphylococcus aureus) 또는 폐렴막대균(klebsiella pneumoniae)에 대한 18시간 후 정균감소율이 각각 99% 이상인 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 99.9%인 것일 수 있다. 이는 상기 부직포가 그래핀 복합 성형체를 포함하기 때문에 우수한 항균효과를 나타내는 것일 수 있으며, 이에 따라 인체에 유해한 세균의 번식을 방지할 수 있기 때문에 사용자로 하여금 더욱 청결한 부직포의 제공이 가능한 것일 수 있다. 더불어, 상기 부직포는 대장균(Escherichia coli) 또는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대한 24시간 후 세균감소율이 각각 99% 이상인 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 99.9%인 것일 수 있다. 이는 마찬가지로 상기 부직포가 그래핀 복합 성형체를 포함하기 때문에 우수한 세균감소율을 나타내는 것일 수 있으며, 상기 그래핀 및 고분자 수지의 중량 함량 범위에 따라 상기 항균효과에 차이가 나타나는 것일 수 있다. 본 발명의 일 실험예에 의하면 상기 그래핀의 중량 함량범위가 적어질수록 이를 포함하는 부직포의 항균효과가 우수한 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부직포는 파장대 200 nm 내지 400 nm에서의 자외선 차단율이 90% 이상인 것일 수 있으며, 바람직하게 94% 이상인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 98% 이상인 것일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 부직포는 파장대 290 nm 내지 315 nm에서의 자외선 차단율이 약 96.5% 이상, 바람직하게는 약 99.6%일 수 있으며, 파장대 315 nm 내지 400 nm에서의 자외선 차단율은 약 94.2% 이상 바람직하게는 약 98.8%일 수 있다. 즉, 상기 부직포가 상기 그래핀 복합 성형체를 포함함으로써 상기와 같은 우수한 자외선 차단율을 가지는 것일 수 있으며, 위와 같은 특성을 가지는 부직포를 의류 등에 사용함으로써 인체에 노출되는 자외선이 효과적으로 차단 가능한 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부직포는 암모니아, 아세트산, 트리메틸아민 및 포름알데히드의 2시간 탈취율이 각각 60% 이상인 것일 수 있으며, 일 실시예에 따르면 암모니아의 2시간 탈취율은 약 60%이고, 아세트산의 2시간 탈취율은 약 63%인 것일 수 있다. 한편, 상기 탈취율은 하기 식 1로 계산되는 것일 수 있다.

[식 1]

탈취율(%) = [(blank농도)-(sample농도)/(blank농도)]× 100

이때, 상기 식 1에서 blank농도는 시료가 없는 상태에서 측정한 농도이고, sample농도는 상기 부직포에 포함된 그래핀 복합 성형체의 존재 하에서 측정한 농도를 의미하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부직포는 57 Mpa 내지 100 Mpa의 인장강도(tensile strength) 및 165% 내지 190%의 신율(elongation)을 가져 기계적 물성이 매우 우수한 것일 수 있다. 즉, 상기 부직포에 함유된 그래핀 복합 성형체는 가스, 수증, 저분자 화학 물질 등과 같은 이물질이 제거되었기 때문에 원재료 고유의 우수한 특성을 나타낼 수 있으며, 그래핀과 고분자 수지가 계면에서 서로 분리되지 않아 매우 안정한 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부직포는 천연 섬유 또는 합성 섬유 중 적어도 하나 이상을 더 함유하는 것일 수 있다. 이때, 상기 천연 섬유는 면, 마, 목재 펄프, 모, 견섬유와 같은 섬유가 사용될 수 있다. 또한, 상기 합성 섬유는 아크릴, 폴리아미드(예를 들어, 나일론 6, 나일론 6/6, 나일론 12, 폴리아스파라긴산, 폴리글루타민산 등), 폴리아민, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아크릴(예를 들어, 폴리아크릴아미드,폴리아크릴로니트릴, 메타크릴산 및 아크릴산의 에스테르 등), 폴리카보네이트(예를 들어, 폴리비스페놀 A 카보네이트, 폴리프로필렌 카보네이트 등), 폴리디엔(예를 들어, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리노르보멘 등),폴리에폭시드, 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트, 폴리카프로락톤, 폴리글리콜라이드, 폴리락타이드, 폴리히드록시부티레이트, 폴리히드록시발러레이트, 폴리에틸렌 아디페이트, 폴리부틸렌 아디페이트, 폴리프로필렌 숙시네이트 등), 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜(폴리에틸렌 옥사이드), 폴리부틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리옥시메틸렌 (파라포름알데히드), 폴리테트라메틸렌 에테르(폴리테트라히드로푸란), 폴리에피클로로히드린 등), 폴리플루오로카본, 포름알데히드 폴리머(예를 들어, 우레아-포름알데히드, 멜라민-포름알데히드, 페놀 포름알데히드 등), 천연폴리머(예를 들어, 셀룰로스, 키토산, 리그닌, 왁시 등), 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리부텐, 폴리옥텐 등), 폴리페닐렌(예를 들어, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 에테르 설폰 등), 실리콘 함유 폴리머(예를 들어, 폴리디메틸 실록산, 폴리카보메틸 실란 등), 폴리우레탄, 폴리비닐(예를 들어, 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 알콜의 에스테르 및 에테르, 폴리비닐 아세테이트, 폴리스티렌, 폴리메틸스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리메틸 비닐 에테르, 폴리에틸 비닐 에테르, 폴리비닐 메틸 케톤 등), 폴리아세탈, 폴리아릴레이트, 및 코폴리머(예를 들어, 폴리에틸렌-코-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌-코-아크릴산, 폴리부틸렌 테레프탈레이트-코-폴리에틸렌 테레프탈 레이트, 폴리라우릴락탐-블록-폴리테트라히드로푸란 등) 등도 사용될 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부직포는 각각의 섬유를 점착시키기 위해 접착제를 사용하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 환경친화적인 소재의 특성을 유기하기 위해 수용성 고분자로 구성된 천연 물질을 이용할 수 있고, 옥수수, 감자 등의 전분을 사용하는 것일 수 있다. 또한 폴리 초산비닐, 폴리 염화 비닐, 폴리비닐 알코올(Poly Vinyl Alcohol), 폴리 비닐 아세테이트(Poly Vinyl Acetate), 이소부텐(Isobutene), 무수말레인산 공중합체, 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide), 아크릴(Acryl) 공중합체 등도 접착제로서 사용될 수 있다.

본원의 제 2 측면은,

상기 본원의 제 1 측면에 따른 그래핀 복합 성형체의 제조방법으로서, 그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계; 상기 혼합물을 압출시키는 단계; 및 상기 압출된 혼합물에 포함된 이물질을 외부로 배출시켜 필터링시키는 단계;를 포함하는 것인 그래핀 복합 성형체의 제조방법을 제공한다.

본원의 제 3 측면은,

그래핀 및 고분자 수지의 혼합물을 수용하는 호퍼(10); 상기 호퍼(10)와 연결되며, 상기 호퍼(10)에 수용된 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물을 압출시키는 스크류(30)를 이용한 압출기; 및 상기 압출기의 말단부에 설치되는 필터(50);를 포함하고, 상기 필터(50)는 상기 스크류(30)의 외주면에 설치되며, 이물질이 통과하는 미세통로가 형성되어 있는 것인 그래핀 복합 성형체의 제조장치를 제공한다.

이하, 본원의 제 2 측면에 따른 그래핀 복합 성형체의 제조방법 및 제 3 측면에 따른 그래핀 복합 성형체의 제조장치를 도 1 내지 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 이때, 도 1은 상기 그래핀 복합 성형체의 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 2 내지 4는 그래핀 복합 성형체의 제조장치를 나타낸 개략도로서, 본원의 제 2 측면에 따른 그래핀 복합 성형체의 제조방법은 본원의 제 3 측면에 따른 그래핀 복합 성형체의 제조장치를 이용하여 제조하는 것일 수 있다. 한편, 도 2 내지 4에 나타낸 그래핀 복합 성형체의 제조장치는 하나의 구현예에 불과하므로, 일부 형태의 변형 또는 구성요소의 치환은 본 발명의 권리범위를 해치지 않는 범위 내에서 모두 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 더불어, 본 명세서에 있어서 “그래핀 복합 성형체”란 하기 후술할 필터링 이후의 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물을 의미하는 것일 수 있으며, 그 이후 단계인 펠릿 형태로 성형된 혼합물을 의미하는 것일 수도 있다. 한편, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 “섬유 형태의 그래핀 복합 성형체”는 상기 “그래핀 복합 성형체”를 용융시켜 섬유 형태로 성형한 성형체를 의미하는 것일 수 있다.

우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 성형체의 제조방법은 그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀의 형태는 액상 그래핀 또는 분말 형태의 그래핀인 것일 수 있으며, 그 종류로는 다층 나노그래핀, 나노그래핀 판상 분체, 나노그래핀 리본, 기능성 그래핀, 그래핀 옥사이드 또는 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 그래핀은 나노 사이즈로 형성된 나노 그래핀인 것일 수 있으며, 따라서 상기 그래핀의 크기는 1 μm 미만인 것일 수 있다. 이때, 상기 그래핀은 바람직하게 액상 그래핀으로서 다층 나노그래핀 또는 그래핀 옥사이드를 사용하는 것일 수 있으며, 상기 다층 나노그래핀은 2차원 구조로서 1 내지 5층의 형태를 가지는 것일 수 있다. 한편, 상기 그래핀이 액상 그래핀일 경우, 그래핀 원료에 액상첨가제가 혼합되는 것일 수 있으며, 상기 액상첨가제는 그래핀을 원활히 용해시킬 수 있는 것이면 제한없이 통상의 첨가제를 사용하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer, POE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 또는 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 수지를 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게 상기 고분자 수지는 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리프로필렌(polypropylene, PP)인 것일 수 있다. 한편, 상기 그래핀 및 고분자 수지의 혼합은 고분자 수지에 그래핀을 함침시키거나 코팅시킴으로써 수행되는 것일 수 있으며, 상기 혼합되는 그래핀의 함량은 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 내지 5 중량부인 것일 수 있고, 바람직하게는 0.005 중량부 내지 1 중량부, 더욱 바람직하게는 0.01 중량부 내지 0.1 중량부인 것일 수 있다. 이때, 상기 혼합되는 그래핀의 함량이 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 미만일 경우 그래핀의 함량이 너무 적어 제조되는 그래핀 복합 성형체가 그래핀 고유의 우수한 특성을 가지지 못할 수 있으며, 5 중량부 초과일 경우 고분자 수지의 함량이 상대적으로 적어져 그래핀이 고분자 수지에 원활히 분산되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계는 그래핀 옥사이드를 액상 첨가제와 혼합시켜 액상 그래핀 옥사이드를 제조하는 단계; 상기 액상 그래핀 옥사이드에 고분자 수지를 투입하여 혼합시키는 단계; 및 상기 혼합물을 건조시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 건조는 약 80℃ 내지 120℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다. 즉, 상기와 같이 혼합된 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물은 건조단계를 수행하기 때문에 수분함량이 약 15 wt% 이하인 것일 수 있으며, 상기 수치보다 높은 수분함량을 가질 경우 하기 후술할 압출단계에서 상기 혼합물의 압출이 원활히 수행되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기와 같이 혼합된 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물은 도 2에 나타낸 바와 같이 호퍼(10)에 수용되는 것일 수 있으며, 상기 호퍼(10)에 수용된 혼합물은 이후 압출기로 이송되어 압출이 수행되는 것일 수 있다.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 성형체의 제조방법은 상기 혼합물을 압출시키는 단계; 및 상기 압출된 혼합물에 포함된 이물질을 외부로 배출시켜 필터링시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 도 2를 참조하면, 상기 압출은 바람직하게 스크류(30)를 이용한 압출기를 이용하여 수행되는 것일 수 있다. 이때, 상기 압출기의 일측 상부는 상기 혼합물을 수용하는 호퍼(10)의 하부면과 연결되어 있는 것일 수 있으며, 호퍼(10)에서 공급되는 혼합물이 압출기의 일측 내부로 이송되어 압출기의 타측 방향으로 압출되는 것일 수 있다. 한편, 상기 압출기에는 상기 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물 외에, 추가적으로 베이스 고분자, 부재료, 첨가제 등이 공급되어 함께 압출되는 것일 수 있다. 이를 위해, 압출기의 압출방향을 따라 각각의 원료가 공급될 수 있도록 베이스 고분자 수용 호퍼(12), 부재료 수용 호퍼(14) 및 첨가제 수용 호퍼(16)가 추가로 설치되는 것일 수 있다. 이와 관련하여, 상기 베이스 고분자 수용 호퍼(12)는 그래핀 및 고분자 수지 수용 호퍼(10)와 연결되어 있으며, 이에 따라 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물과 베이스 고분자가 함께 혼합된 상태로 압출기에 투입되는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 베이스 고분자 및 부재료는 제조하고자 하는 제품의 물성을 충족시켜주기 위해 적절한 물질을 선택하여 공급시켜 주는 것일 수 있다. 더불어, 상기 첨가제는 강화제, 충진제 등을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 유리섬유(glass fiber, GF) 또는 탄소섬유(carbon fiber, CF) 등을 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 베이스 고분자, 부재료 및 첨가제는 제조하고자 하는 그래핀 복합 성형체의 물성을 충족시켜 주기 위하여 소량 첨가되는 것일 수 있으며, 첨가되는 물질의 종류 또는 함량은 달성하고자 하는 물성을 위하여 적절히 선택하여 첨가하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 압출기는 내부에 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물이 이동하는 통로가 형성된 바디(20); 상기 바디(20)의 내부 혼합물 이동 통로에 수용되고 호퍼(10)로부터 혼합물을 공급받아 혼합 및 용융시키면서 홀 플레이트(80) 및 커팅부(90)로 압출하는 스크류(30); 상기 바디(20)의 외주면에 설치되어 혼합물을 가열 용융하는 히터(40); 상기 히터(40)에 의해 용융된 혼합물로부터 발생하는 이물질을 외부로 배출하는 필터(50); 및 상기 바디(20)의 끝단에 위치하는 헤드(70)를 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 이물질은 가스, 수증기, 저분자 화학물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있으며, 이와 같은 이물질을 제거함으로써 제조되는 그래핀 복합 성형체의 물성 또는 특성이 현저히 우수한 것일 수 있다. 이때, 상기 저분자 화학물질은 예를 들어, 스테아르산(stearic acid), 올리고머(oligomer), 트리고머(trigomer) 등일 수 있으며, 상기와 같은 물질들은 인체에 유해한 바, 이를 제거하여 제조된 그래핀 복합 성형체는 인체에 무해한 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 필터(50)에 대하여 더욱 자세하게 설명하자면, 상기 필터(50)는 도넛 형상의 벤트링(vent ring, 52)이 스크류(30)의 축선방향으로 복수 개 적층된 구조로서, 인접한 벤트링(52)과 벤트링(52) 사이에는 이물질을 통과시키고, 용융된 혼합물을 통과시키지 않는 미세통로가 방사상으로 형성되어 있는 것일 수 있다. 따라서, 용융된 혼합물은 스크류(30)의 회전에 의해 이동통로를 따라 헤드(70) 방향으로 이동하고, 이물질은 미세통로를 통과하여 가스포집공간(51)에 포집된 후, 제1, 2 배출관(60, 61)을 경유하여 진공펌프(62)에 의해 외부로 배출되는 것일 수 있다. 이때, 바람직하게 상기 제1, 2 배출관(60, 61)의 도중에 외부의 공기가 유입되는 배관을 연결하여 필터(50)로부터 배출되는 이물질이 더욱 신속히 배출되도록 하는 것일 수 있다. 이를 위하여, 상기 제1, 2 배출관(60, 61)의 도중에 외부의 공기가 인입되는 공기흡입관(63)의 일단을 연결하고 공기흡입관(63)의 타단에는 공기필터(64)를 설치하여 외부 공기 중의 이물질이 흡입되는 것을 차단하며, 상기 제2 배출관(61)과 공기흡입관(63)은 동일직선상으로 배열되고 여기에 제1 배출관(60)이 직각방향으로 접속되는 것일 수 있다.

상기와 같이 구성된 이물질 배출시스템은 외부의 공기가 공기흡입관(63)과 제2 배출관(61)을 빠른 속도로 통과하면서 베르누이 정리에 의거 제1 배출관(60)에 부압(negative pressure)을 형성하므로 가스포집공간(51)에 포집된 이물질을 외부로 신속히 배출시킬 수 있다. 도 2에서는 제2 배출관(61)의 하류단(downstream end)에 진공펌프(62)를 설치하여 가스와 수증기를 배출하도록 구성하였으나 진공펌프(62)를 설치하는 대신에 공기흡입관(63) 상류단(upstream end)에 송풍기를 설치하는 것도 가능하며, 송풍기의 송풍에 의해 상기와 같은 원리로 제1 배출관(60)에 부압이 형성되어 가스포집공간(51)의 이물질을 신속히 외부로 배출할 수 있고, 이 경우 송풍기가 이물질과 직접 접촉하지 않아서 이물질에 의해 송풍기가 부식되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다. 또한, 이물질을 신속히 배출하는 다른 방안으로서, 필터(50)의 가스포집공간(51)이 외부의 공기와 연통할 수 있도록 필터(50) 외벽에 공기흡입구(53)를 설치할 수 있다. 공기흡입구(53)를 통하여 가스포집공간(51)에 인입된 공기는 가스포집공간(51)을 구성하는 벤트링(52) 외주면과 필터(50) 외벽 사이를 빠른 속도로 통과하여 제1, 2 배출관(60, 61)과 진공펌프(62)를 경유하여 외부로 배출되고, 벤트링(52)들 사이에 형성된 미세통로와 벤트링(52) 외주면은 서로 직각을 이루므로 상기 제1 배출관(60)에 부압이 형성되는 것과 같은 원리로 벤트링(52)의 미세통로에 부압이 형성되며, 따라서 용융된 혼합물로부터 발생한 이물질은 미세통로를 신속히 통과하여 외부로 배출될 수 있다. 이때, 상기 제1 배출관(60)과 공기흡입구(53)는 서로 가장 먼 위치, 즉 필터(50)의 축선방향과 둘레방향을 기준으로 서로 반대편에 설치하여 벤트링(52)의 미세 통로 전체에 부압을 형성하게 하는 것이 바람직하다.

도 2에는 스크류(30)가 1개인 일축 압출장치를 도시하였으나 스크류(30)가 2개인 이축 압출장치를 사용하는 것도 가능하며, 도 2에는 나타내지 않았으나 진공펌프(62)의 토출부에 배출가스의 환경기준에 맞추어 이물질 내의 유기화합물을 제거하는 장치가 별도로 구비될 수 있다.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 성형체의 제조방법은 상기 필터링 시키는 단계; 이후에, 상기 혼합물을 펠릿 형태로 성형시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 성형은 도 2 내지 4에 나타낸 홀 플레이트(80) 및 커팅부(90)에 의하여 수행되는 것일 수 있다. 이때, 상기 홀 플레이트(80)의 일면은 상기 헤드(70)의 끝단에 부착되어 있는 것일 수 있으며, 홀 플레이트(80)의 타면에는 커팅부(90)가 부착되어 있는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 헤드(70)의 토출구(75)를 통하여 분출되는 그래핀 및 고분자 수지의 혼합물은 용융된 상태인 것일 수 있다. 따라서, 상기와 같이 용융된 상태의 혼합물이 도 3에 나타낸 바와 같은 홀 플레이트(80)에 형성된 복수 개의 홀(85)을 통해 커팅부(90)로 분출되는 것일 수 있다. 이때, 상기 커팅부(90)는 내부에 중심축을 따라 회전하는 커터(92)를 포함하는 것일 수 있으며, 내부에 냉각수를 공급 및 배출시켜 주는 냉각수 이송관(95)이 외측면에 설치되어 있는 것일 수 있다. 즉, 상기 홀 플레이트(80)를 통해 분출되는 혼합물은 상기 커터(92)에 의해 펠릿 형태로 절단되어 성형되는 것일 수 있으며, 절단과 동시에 냉각수에 의해 온도를 하강시키기 때문에 용융된 상태의 혼합물이 급속히 굳게 되는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기와 같이 펠릿 형태로 성형된 혼합물은 이후 제품(그래핀 복합 성형체) 저장 호퍼(미도시)에 저장되는 것일 수 있으며, 매트리스로 성형 후 출하되는 것일 수 있다. 이에 대하여는 하기에 더욱 자세히 설명하도록 한다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기와 같이 제조된 그래핀 복합 성형체는 가스, 수증, 저분자 화학 물질 등과 같은 이물질이 제거되었기 때문에 원재료 고유의 우수한 특성을 나타낼 수 있으며, 그래핀과 고분자 수지가 계면에서 서로 분리되지 않아 매우 안정한 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 복합 성형체는 57 Mpa 내지 100 Mpa의 인장강도(tensile strength) 및 165% 내지 190%의 신율(elongation)을 가져 기계적 물성이 매우 우수한 것일 수 있다. 또한, 상기와 같은 기계적 물성 외에도 우수한 항균, 제균, 정전기 방지 또는 원적외선 방출 특성 등을 가지는 것일 수 있다.

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

실시예 1. 그래핀 복합 성형체의 제조 ( 그래핀 0.05 wt% / PET 99.95 wt% )

도 1의 제조방법 및 도 2의 제조장치를 이용하여 그래핀 복합 매트릭스를 제조하기 위하여 우선, 다층 나노그래핀을 액상 첨가제와 혼합시켜 액상의 다층 나노그래핀을 수득하였다. 이후, 상기 수득한 액상의 다층 나노그래핀에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)를 혼합시켜 함침 및 코팅 공정을 수행하였다. 이때 상기 그래핀 및 PET의 중량 혼합비율은 0.05 wt% : 99.95 wt%이었다. 그 다음, 상기 그래핀 및 PET의 혼합물을 건조시킨 후, 도 2의 제조장치에 투입시켜 압출공정을 수행하였으며, 압출된 혼합물을 성형하여 펠릿 형태의 그래핀 복합 성형체를 수득하였다.

실시예 2. 그래핀 복합 성형체의 제조 ( 그래핀 옥사이드 0.05 wt% / PET 99.95 wt% )

상기 실시예 1에서 다층 나노그래핀 대신 나노 그래핀 옥사이드를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법을 이용하여 펠릿 형태의 그래핀 복합 성형체를 수득하였다.

실시예 3. 그래핀 복합 성형체의 제조 ( 그래핀 0.05 wt% / PP 99.95 wt% )

상기 실시예 1에서 PET 대신 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 멜트블로운 부직포(60 g/m²)를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법을 이용하여 펠릿 형태의 그래핀 복합 성형체를 수득하였다.

실시예 4. 그래핀 복합 성형체의 제조 ( 그래핀 0.1 wt% / PP 99.9 wt% )

상기 실시예 3에서 그래핀 및 PP의 중량 혼합비율을 0.1 wt% : 99.9 wt%로 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법을 이용하여 펠릿 형태의 그래핀 복합 성형체를 수득하였다.

실시예 5. 그래핀 복합 성형체의 제조 ( 그래핀 0.005 wt% / PP 99.995 wt% )

상기 실시예 3에서 그래핀 및 PP의 중량 혼합비율을 0.005 wt% : 99.995 wt%로 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법을 이용하여 펠릿 형태의 그래핀 복합 성형체를 수득하였다.

실험예 1. 마찰대전성 평가

상기 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 성형체의 마찰대전성을 평가하기 위해, KS K 0555(2015, B법)에 의거하여 면포 및 모포에 대한 마찰대전성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었으며, 이때 시험조건은 20±2℃, 40±2%R.H., 400 r/min 이었다.

[표 1]

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀 복합 성형체는 낮은 마찰대전성을 나타냄을 확인할 수 있었으며, 이로부터 우수한 정전기 방지효과를 가짐을 확인할 수 있었다.

실험예 2. 방사에너지 평가

상기 실시예 1 및 실시예 5에서 제조한 그래핀 복합 성형체의 원적외선 방사율 및 방사에너지를 평가하기 위해, 이를 사단법인 한국원적외선협회에 의뢰하여 실험을 진행하였으며, 이의 결과를 하기 표 2 및 3에 각각 나타내었다. 측정 방법은 KFIA-FI-1005에 의거하여 측정하였으며, 파장은 5 내지 20 μm, 온도는 37℃를 기준으로 측정하였다. 또한, 상기 실시예 5에서 제조한 그래핀 복합 성형체의 파장에 따른 원적외선 방사율 및 방사에너지를 측정하여 이의 그래프를 도 5a 및 5b에 각각 나타내었다.

[표 2] - 실시예 1

[표 3] - 실시예 5

상기 표 2 및 3과 도 5a 및 5b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀 복합 성형체는 5 내지 20 μm의 파장범위에서 0.894, 0.893의 방사율 및 3.45 x 10² W/m²·μm, 3.44 x 10² W/m²·μm의 방사에너지 방출량을 가짐을 확인할 수 있었다. 따라서, 상기 그래핀 복합 성형체가 우수한 원적외선 방사율 및 방사에너지 방출량을 가짐을 확인할 수 있었다.

실험예 3. 자외선 차단 성능 평가

상기 실시예 1 및 실시예 5에서 제조한 그래핀 복합 성형체의 자외선 차단 성능을 평가하기 위해, KS K 0850:2014에 의거하여 자외선-A(315~400 nm) 및 자외선-B(290~315 nm)의 자외선 차단율 및 자외선 차단지수(UPF)를 측정하였으며, 이의 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 이때, 시험기기로는 UV Transmittance Analyzer를 사용하였고, 광원으로는 Xenon Arc를 사용하였다.

[표 4]

상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀 복합 성형체는 우수한 자외선 차단율 및 자외선 차단지수를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 이로부터 우수한 자외선 차단 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.

실험예 4. 항균 성능 평가

상기 실시예 1 및 2에서 제조한 그래핀 복합 성형체의 항균성능을 평가하기 위해 FITI 시험연구원에 의뢰하여 KS K 0693:2016에 의거하여 실험을 진행하였으며, 이의 결과를 하기 표 5와 도 6(실시예 1) 및 7(실시예 2)에 각각 나타내었다. 이때 사용된 균주는 Staphylococcus aureus (황색포도상구균), Klebsiella pneumoniae (폐렴막대균)이었고, 비이온계면활성제로서 접종균에 0.05% 비이온계면활성제(snogen)를 사용하였으며, 표준포로서 KS K 0905 염색견뢰도용 첨부백포(cotton)를 사용하였다.

[표 5]

상기 표 5와 도 6(실시예 1) 및 7(실시예 2)에 나타낸 바와 같이, 상시 실시예 1 및 2에서 제조한 그래핀 복합 성형체는 모두 높은 정균감소율을 나타내었으며, 특히 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 성형체는 99.9%의 정균감소율을 나타내어 항균 성능이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.

또한, 상기 실시예 5에서 제조한 그래핀 복합 성형체의 항균성능을 평가하기 위해 한국미생물기술연구원에 의뢰하여 JIS Z 2801:2013(필름밀착법)에 의거하여 실험을 진행하였으며, 이의 결과를 하기 표 6에 나타내었다. 이때 사용된 균주는 Escherichia coli (대장균), Staphylococcus aureus (황색포도상구균)이었고, 비이온계면활성제로서 접종균에 0.05% 비이온계면활성제(snogen)를 사용하였으며, 대조군은 일반 플라스틱 시트를 사용하였다.

[표 6]

상기 표 6에 나타낸 바와 같이, 상시 실시예 5에서 제조한 그래핀 복합 성형체는 높은 세균감소율을 나타내었으며, 이는 상기 실시예 1 및 2에서 제조한 그래핀 복합 성형체보다 높은 항균 성능을 나타내는 것이었다.

실험예 5. 탈취율 평가

상시 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 성형체의 암모니아 및 아세트산에 대한 탈취율을 평가하기 위해 FTM-5-2:2004, 가스검지관법에 의거하여 실험을 진행하였으며, 이의 결과를 하기 표 7에 나타내었다. 이때, 측정시간은 2시간 경과 후로 하였으며, 탈취율은 하기 식 1을 이용하여 계산하였다.

[식 1]

탈취율(%) = [(blank농도)-(sample농도)/(blank농도)]× 100

이때, 상기 식 1에서 blank농도는 시료가 없는 상태에서 측정한 농도이고, sample농도는 그래핀 복합 성형체의 존재 하에서 측정한 농도를 의미하는 것이다.

[표 7]

상기 표 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에서 제조한 그래핀 복합 성형체는 암모니아 및 아세트산에 대한 2시간 탈취율이 각각 약 20% 및 60%로서 우수함을 확인할 수 있었다.

한편, 상기 실시예 2에서 제조한 그래핀 복합 성형체의 암모니아에 대한 탈취율을 평가하기 위해 KIFA 한국원적외선응용평가원에 의뢰하여 KFIA-FI-1004에 의거하여 실험을 진행하였으며, 이의 결과를 하기 표 8 및 도 8에 각각 나타내었다.

[표 8]

상기 표 8 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에서 제조한 그래핀 복합 성형체는 암모니아에 대한 탈취율이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.

실험예 6. 항곰팡이 성능 평가

상시 실시예 3 및 4에서 제조한 그래핀 복합 성형체의 항곰팡이 성능을 분석하기 위해, KIFA 한국원적외선응용평가원에 의뢰하여 곰팡이 저항성능 분석(ASTM G-21)을 수행하였으며, 각각 4주간 곰팡이와 동시에 배양하여 곰팡이의 번식을 분석하였다. 이의 결과를 하기 표 9 및 도 9에 각각 나타내었다.

[표 9]

상기 표 9에 나타낸 바와 같이, 실시예 3 및 4에서 제조한 그래핀 복합 성형체에 곰팡이를 배양시켜도 곰팡이의 번식이 없음을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 우수한 항곰팡이 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.

이상, 도면을 참조하여 바람직한 실시예와 함께 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 이러한 도면과 실시예로 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형예 또는 균등한 범위의 실시예가 존재할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 기술적 사상의 권리범위는 청구범위에 의해 해석되어야 하고, 이와 동등하거나 균등한 범위 내의 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 그래핀 및 고분자 수지 수용 호퍼
12: 베이스 고분자 수용 호퍼 14: 부재료 수용 호퍼
16: 첨가제 수용 호퍼 20: 바디
30: 스크류 40: 히터
50: 필터 51: 가스포집공간
52: 벤트링 53: 공기흡입구
60: 제1 배출관 61: 제2 배출관
62: 진공펌프 63: 공기흡입관
64: 공기필터 70: 헤드
75: 토출구 80: 홀 플레이트
85: 홀 90: 커팅부
92: 커터 95: 냉각수 이송관

Claims

그래핀 및 고분자 수지를 포함하는 섬유 형태의 그래핀 복합 성형체를 함유하는 부직포.
제1항에 있어서,
상기 그래핀은 다층 나노그래핀, 나노그래핀 판상 분체, 나노그래핀 리본, 기능성 그래핀, 그래핀 옥사이드 또는 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 부직포.
제1항에 있어서,
상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리올레핀 엘라스토머(polyolefin elastomer, POE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 또는 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자 수지를 포함하는 것인 부직포.
제1항에 있어서,
상기 혼합되는 그래핀의 함량은 상기 고분자 수지 100 중량부 대비 0.001 중량부 내지 5 중량부인 것인 부직포.
제1항에 있어서,
상기 부직포는 천연 섬유 또는 합성 섬유 중 적어도 하나 이상을 더 함유하는 것인 부직포.
제1항에 있어서,
상기 부직포는 57 Mpa 내지 100 Mpa의 인장강도(tensile strength)를 가지는 것인 부직포.
제1항에 있어서,
상기 부직포는 165% 내지 190%의 신율(elongation)을 가지는 것인 부직포.
제1항에 있어서,
상기 부직포는 황색포도상구균(staphylococcus aureus) 또는 폐렴막대균(klebsiella pneumoniae)에 대한 18시간 후 정균감소율이 각각 80% 이상인 것인 부직포.
제1항에 있어서,
상기 부직포는 암모니아, 아세트산, 트리메틸아민 및 포름알데히드의 2시간 탈취율이 각각 20% 이상인 것인 부직포.
제1항에 따른 그래핀 복합 성형체의 제조방법으로서,
그래핀 및 고분자 수지를 혼합시키는 단계;
상기 혼합물을 압출시키는 단계; 및
상기 압출된 혼합물에 포함된 이물질을 외부로 배출시켜 필터링시키는 단계;
를 포함하는 것인 그래핀 복합 성형체의 제조방법.