KR20230085748A - 전도성이 개선된 탄소 플라스틱 컴파운드 및 그 제조방법 - Google Patents

전도성이 개선된 탄소 플라스틱 컴파운드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

전도성이 개선된 탄소 플라스틱 컴파운드가 개시된다. 본 발명은 열가소성 수지와 탄소 필러가 혼합 제조된 탄소 플라스틱 컴파운드에 있어서, 상기 탄소 필러는 0.3 ~ 2.0 중량%를 포함하고 나머지는 상기 열가소성 수지로 이루어지며, 표면 저항이 103 내지 109Ω/sq 인 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드를 포함하는 것이다.

Description

전도성이 개선된 탄소 플라스틱 컴파운드 및 그 제조방법 {Carbon Plastic Compound having improved conductivity and Manufacturing method thereof}
본 발명은 전도성이 개선된 탄소 플라스틱 컴파운드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열가소성 수지, 특히 기계적 특성, 내열성이 우수한 고성능 플라스틱은 다양한 용도에서 사용되고 있다. 예를 들면, 폴리카보네이트 수지 등의 비결정성 수지는 투명성이나 치수 안정성이 우수하여 다양한 광학 재료, 전기 기기, OA 기기 및 자동차 등의 각 부품을 비롯하여 다양한 분야에서 사용되고 있다.
그러나 전기전자 부품에서는 부품의 오작동 및 오염방지를 위하여, 정전기 방지, 먼지 오염 방지 등과 같은 대전 방지성이 요구되고 있으며, 자동차 연료 펌프 부품에서도 도전성이 요구되는 등 기존의 물성에 전기 전도성(Electrical Conductivity)이 추가적으로 요구되고 있다.
이와 같은 전기 전도성의 부여를 위해 기존에는 계면활성제, 금속분말, 금속섬유 등을 첨가하고 있다. 그러나 이들 성분은 도전성이 낮거나, 기계적 강도를 약화시키는 등의 물성을 저하시키게 된다.
도전성 카본블랙이 상기 수지에 도전성을 부여하는 재료로서 흔히 사용되나 높은 전기전도도를 달성하기 위해서는 많은 양의 카본 블랙이 첨가될 필요가 있으며, 용융 혼합 과정에서 카본 블랙의 구조가 분해되기도 한다. 그 결과로 인하여 수지의 가공성이 악화되고, 또한 열안정성 및 물성이 현저하게 저하되는 문제를 야기한다.
이에 도전성 충전재의 첨가량을 줄이면서도 전도성을 향상시키고자 도전성 카본 블랙을 대신하여 탄소나노튜브를 첨가한 탄소나노튜브-수지 복합재에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
예를 들어, 한국 등록특허 제10-1800486호는 열가소성 수지와 다발 형태의 탄소나노튜브 및 탄소계 전도성 첨가제를 포함하는 수지 조성물을 가공하여 얻어지는 복합재를 제시하면서, 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 다발 형태의 탄소나노튜브 함량이 0.1 내지 5중량부인 것을 개시하고 있다.
이에 대한 구체적인 실시예로 탄소나노튜브 3중량%, 탄소계 전도성 첨가제 2중량%를 폴리아미드 수지 95중량%와 혼합하고 압출하여 제조한 펠렛의 물성을 측정하였고, 표면고유저항(Ω/cm)이 1.0X109~12으로 측정되었다.
이와 같이 한국 등록특허 제10-1800486호는 전도성이 향상된 탄소나노튜브-수지 복합재를 제시하였으나, 업계에서는 탄소나노튜브의 높은 가격으로 인한 비경제성 때문에 탄소나노튜브를 더욱 소량 첨가하면서도 전기 전도성이 뛰어난 플라스틱 컴파운드를 요구하고 있다.
한국 등록특허 제10-1800486호
본 발명은 종래 탄소 플라스틱 컴파운드의 제조시에 기계적 특성 향상 및 전도성 등 기능성 부여를 위해서 탄소 소재와 첨가제 등을 다량 첨가하여야 하기 때문에 발생하는 비경제성 및 생산성이 떨어지는 문제점을 개선하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은 탄소 소재를 소량 첨가하되 고분자 수지내에서 분산성을 향상시키고 불순 가스와 수증기를 외부로 배출시킴으로써 기계적 물성 및 전도성을 향상시킨 탄소 플라스틱 컴파운드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일측면에 의하면,
열가소성 수지와 탄소 필러가 혼합 제조된 탄소 플라스틱 컴파운드에 있어서, 상기 탄소 필러는 0.3 ~ 2.0 중량%를 포함하고 나머지는 상기 열가소성 수지로 이루어지며, 표면 저항이 103 내지 109Ω/sq 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 탄소 필러는 0.5 ~ 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 탄소 필러는 메인 탄소 필러로서 그래핀 및 CNT 중 적어도 하나 이상을 0.3 ~ 2.0 중량% 포함하고, 보조 탄소 필러로서 그래핀, CNT, 흑연, 카본 블랙 및 탄소 섬유 중 적어도 하나 이상을 1.0 ~ 5.0 중량% 포함하며, 충격 보강제 0.1 ~ 0.5 중량% 포함하고, 나머지는 상기 열가소성 수지로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 메인 탄소 필러는 0.5 ~ 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
소광제 1.0 ~ 10.0 중량%, 흐름성 개선제 0.1 ~ 1.0 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면,
탄소 필러를 포함하는 탄소 플라스틱 컴파운드를 제조하는 방법에 있어서, 상기 탄소 필러를 기계적으로 분쇄하여 준비하는 단계; 상기 분쇄된 탄소 필러를 열가소성 수지와 함께 교반하여 상기 열가소성 수지의 표면에 흡착시키는 단계; 상기 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 용융 온도 이상으로 가열하여 용융시키는 단계; 상기 용융된 열가소성 수지 조성물을 필터 조립체를 통과하도록 압출하는 과정에서 상기 필터 조립체 내에서 상기 용융된 열가소성 수지 조성물이 사선 방향으로 통과되면서 상기 탄소 필러가 상기 열가소성 수지 내에 분산될 수 있도록 해주며, 그 과정에서 발생하는 가스와 수증기를 외부로 배출하는 압출 단계; 상기 압출된 열가소성 수지 조성물을 냉각시키는 단계; 및 상기 냉각된 열가소성 수지 조성물을 커팅하여 컴파운드를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄소 필러는 0.3 ~ 2.0 중량%를 포함하고 나머지는 상기 열가소성 수지로 이루어지며, 상기 탄소 플라스틱 컴파운드의 표면 저항이 103 내지 109Ω/sq 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 탄소 필러는 0.5 ~ 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 탄소 필러는 메인 탄소 필러로서 그래핀 및 CNT 중 적어도 하나 이상을 0.3 ~ 2.0 중량% 포함하고, 보조 탄소 필러(상기 메인 탄소 필러와 성분이 상이함) 로서 그래핀, CNT, 흑연, 카본 블랙 및 탄소 섬유 중 적어도 하나 이상을 1.0 ~ 5.0 중량% 포함하며, 충격 보강제 0.1 ~ 0.5 중량% 포함하고, 나머지는 상기 열가소성 수지로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 메인 탄소 필러는 0.5 ~ 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
소광제 1.0 ~ 10.0 중량%, 흐름성 개선제 0.1 ~ 1.0 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 전도성이 개선된 탄소 플라스틱 컴파운드 및 그 제조방법에 의하면, 탄소 소재와 첨가제 등을 소량 첨가하여 경제적이고, 탄소 소재를 소량 첨가하더라도 그 분산성이 좋기 때문에 기계적 물성 및 전기 전도성 등 기능성이 향상되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법에 있어서, 탄소 필러를 기계적으로 분쇄하는 단계의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 탄소 필러 중 하나인 그래핀을 3μm보다 크게 분쇄한 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 4는 탄소 필러 중 그래핀을 3μm보다 작게 분쇄한 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법에 있어서, 분쇄된 탄소 필러를 열가소성 수지의 표면에 흡착시킨 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법으로 제조한 탄소 플라스틱 컴파운드를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법에 있어서, 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 용융 및 압출하는 단계에 사용되는 제조장치를 도시한 것이다.
도 8은 필터 조립체의 내부 구조를 보여주는 일부 절개 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 필터 조립체의 내부 구조를 보여주는 횡단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 가스 분리부에 벤트링이 결합되는 구조를 보여주는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 설명되는 각 단계들은 특별한 인과관계에 의해 나열된 순서에 따라 수행되어야 하는 경우를 제외하고, 나열된 순서와 상관없이 수행될 수 있다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법의 순서도를 도시한 것이다. 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법은 탄소 필러 분쇄 및 준비 단계(S100), 흡착 단계(S110), 용융 단계(S120), 압출 단계(S130), 냉각 단계(S140) 및 컴파운드 제조 단계(S150)를 포함하여 수행된다.
먼저, 탄소 필러 분쇄 및 준비 단계(S100)는 탄소 필러를 볼밀과 같은 기계장치를 통해 물리적으로 분쇄하는 단계이다. 구체적으로 탄소 필러는 탄소 원자들로 이루어진 물질을 말하고 일반적인 플라스틱에 전기 전도성과 같은 기능성 부여를 위한 것으로서 그래핀, 탄소나노튜브, 카본블랙, 흑연 및 탄소섬유 등을 포함할 수 있다. 이에 더해 첨가제로서 기능성 부여에 도움을 줄 수 있는 용액 혹은 파우더 상태의 유기물질, 무기물질, 금속물질들 중 어느 하나 이상을 선택적으로 포함하여 분쇄할 수 있다. 기계적 분쇄는 분쇄 장비 등을 이용하여 물리적으로 대상 재료를 분쇄하는 것을 의미하며, 볼밀(ball mill)과 같은 장비를 이용하여 수행될 수 있다.
흡착 단계(S110)는 이전 단계(S100)를 통해 분쇄된 탄소 필러를 열가소성 수지 표면에 흡착시키는 단계이다. 구체적으로 열가소성 수지와 분쇄된 탄소 필러를 교반기에 함께 넣고 물리적으로 교반하여 열가소성 수지의 표면에 분쇄된 탄소 필러를 흡착시킨다. 상기 단계(S110)를 통해 이전 단계(S100)에서 분쇄된 탄소 필러를 열가소성 수지의 표면에 균일하게 분산시켜 흡착시킬 수 있다. 이는 이후 용융 및 압출하는 단계에서 탄소 필러가 열가소성 수지에 더욱 균일하게 분산되도록 함으로써 본 발명에 따라 제조한 컴파운드가 균일한 기능성을 가질 수 있도록 하기 위함이다.
용융 단계(S120)는 이전 단계(S110)를 수행하여 열가소성 수지의 표면에 분쇄된 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 용융시키는 단계이다.
구체적으로 열가소성 수지는 용융점이 270°C 이하인 폴리카보네이트(PC) 및 폴리옥시메틸렌(POM) 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 단계(S120)에서 용융 온도는 열가소성 수지의 용융점 이상으로 일정하게 유지하거나 단계적으로 변화시킬 수 있다. 용융점 이상으로 가열되면 열가소성 수지가 용융되면서 표면에 흡착된 탄소 필러가 용융된 열가소성 수지 내에 분산된다.
압출 단계(S130)는 이전 단계(S120)를 수행하여 용융된 열가소성 수지 조성물을 사선방향으로 통과시킴으로써 탄소 필러가 열가소성 수지 내에 분산될 수 있는 시간을 연장하고, 발생하는 가스와 수증기를 외부로 배출하는 필터 조립체를 통과하도록 압출하는 단계이다. 구체적으로 상기 필터 조립체는 이전 단계(S120)를 수행하여 용융된 열가소성 수지 조성물에 함유된 가스와 수증기를 제거하여 탄소 필러가 열가소성 수지의 표면 및 내부에 혼련되도록 할 수 있다. 상기 필터 조립체와 이를 포함하는 제조장치에 대해서는 도 7 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명한다.
냉각 단계(S140)는 이전 단계(S130)를 수행하여 압출된 열가소성 수지 조성물을 커팅하기 좋은 상태로 냉각시키는 단계이다. 구체적으로 상기 단계(S140)는 물이 수용된 냉각조로 형성되는데, 냉각되는 온도가 지나치게 낮아 급격히 냉각될 경우에는 공동현상(cavitation)이 발생할 수 있다. 따라서, 이전 단계(S130)를 수행하여 압출된 열가소성 수지 조성물에 발생할 수 있는 공동현상(cavitation)을 최소화하고, 커팅하여 컴파운드를 만들기에 적합한 상태로 만들기 위해서는 물 온도를 15°C 내외의 온도로 유지시켜 서서히 냉각이 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
컴파운드 제조 단계(S150)는 이전 단계(S140)를 수행하여 냉각된 열가소성 수지 조성물을 커팅하여 펠렛으로 만드는 단계이다. 본 발명에서는 상기 단계(S150)를 통해 제조한 펠렛을 컴파운드로 정의한다. 구체적으로 상기 단계(S150)는 냉각된 열가소성 수지 조성물이 커팅 RPM에 의해 끊어지지 않도록 커팅 RPM을 400~850으로 조절하여 수행할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 탄소 필러 분쇄 및 준비 단계(S100)의 실시예들을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법에 있어서, 탄소 필러 분쇄 및 준비 단계(S100)의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 구체적으로는 볼밀을 통해 기계적으로 분쇄하는 경우를 나타낸 것이다. 볼밀은 분쇄기의 일종으로 원통 모양의 회전 용기에 분쇄하고 싶은 재료와 볼과 같은 연삭 매체를 넣고 회전 용기를 돌려 내부에서 볼과 재료가 부딪히며 분쇄되는 원리를 이용하는데, 도 2에서 원모양은 볼을 의미하고 별모양은 탄소 필러를 의미한다.
도 3은 탄소 필러 중 하나인 그래핀을 3μm보다 크게 분쇄한 일 실시예를, 도 4는 탄소 필러 중 그래핀을 3μm보다 작게 분쇄한 일 실시예를 나타낸 것이다. 탄소 필러의 입자 사이즈를 구분하여 분쇄하는 이유는 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드를 어떤 용도로 사용할 것인가와 관련된다. 예를 들어, 도전성 원사를 만들기 위해 쓰이는 탄소 플라스틱 컴파운드와 같이 미세한 입자를 필요로 하는 경우에는 탄소 필러를 3μm보다 작게 분쇄하고, 자동차의 전장 부품이나 대전방지용 트레이를 만들기 위한 탄소 플라스틱 컴파운드라면 반드시 미세한 입자로 구성되어야 하는 것은 아니므로 그래핀을 3 μm보다 크게 분쇄할 수 있다.
도 5는 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법에 있어서, 분쇄된 탄소 필러를 열가소성 수지의 표면에 흡착시킨 일 실시예를 나타낸 것이다. 구체적으로는 분쇄된 탄소 필러를 열가소성 수지와 함께 교반하여 열가소성 수지의 표면에 흡착시키는 단계(S110)를 수행하여 생성된 열가소성 수지 조성물을 촬영한 것이다.
도 6은 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법으로 제조한 탄소 플라스틱 컴파운드를 나타낸 것이다. 구체적으로 탄소 필러를 기계적으로 분쇄하여 준비하는 단계(S100), 분쇄된 탄소 필러를 열가소성 수지와 함께 교반하여 상기 열가소성 수지의 표면에 흡착시키는 단계(S110), 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 용융 온도 이상으로 가열하여 용융시키는 단계(S120), 용융된 열가소성 수지 조성물을 필터 조립체를 통과하도록 압출하는 과정에서 상기 필터 조립체 내에서 상기 용융된 열가소성 수지 조성물이 사선 방향으로 통과되면서 상기 탄소 필러가 상기 열가소성 수지 내에 분산될 수 있도록 해주며, 그 과정에서 발생하는 가스와 수증기를 외부로 배출하는 압출 단계(S130), 압출된 열가소성 수지 조성물을 냉각시키는 단계(S140) 및 냉각된 열가소성 수지 조성물을 커팅하여 컴파운드를 제조하는 단계(S150)를 수행하여 제조한 탄소 플라스틱 컴파운드를 촬영한 것이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법에 있어서, 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 용융 및 압출하는 단계에 사용되는 제조장치와 그 핵심 구성인 필터 조립체에 대해 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법에 있어서, 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 용융 및 압출하는 단계에 사용되는 제조장치를 도시한 것이다.
상기 제조장치는 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 용융시켜 필터 조립체(400)로 압출하는 압출기(100); 상기 압출기(100)의 외주면에 설치되어 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 가열하는 히터(300); 상기 압출기(100)로부터 용융되어 압출된 열가소성 수지 조성물에서 발생하는 가스를 외부로 배출하는 필터 조립체(400); 및 상기 필터 조립체(400)로부터 배출된 가스 중의 유해성분을 제거하여 청정기체를 외부로 배출하는 공기정화장치(500)를 포함한다.
상기 제조장치는 압출기(100)와 필터 조립체(400) 사이에 탄소 필러를 추가 공급하는 사이드 피더 블록(side feeder block, 200)을 설치할 수 있고, 사이드 피더 블록(200)의 외주면에는 상기 압출기(100)와 같이 탄소 필러와 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 가열하는 히터(300)가 설치된다.
상기 사이드 피더 블록(200)은 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지의 흐름방향에 대하여 직렬로 복수개 설치할 수 있으며, 사이드 피더 블록(200)이 복수개 설치되어 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물에 분할 투입됨으로써 열가소성 수지의 함량 대비 탄소 필러의 함량을 증가시키고 탄소 필러와 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지가 더 균일하게 혼합되도록 할 수 있다.
상기 압출기(100)는 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 수용하는 호퍼(polymer resin hopper, 1), 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물이 이동하는 통로가 형성되어 있는 바디(body, 2), 상기 바디(2) 내부의 이동통로에 수용되고 호퍼(1)로부터 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 공급받아 히터(300)의 가열에 의해 용융시켜 사이드 피더 블록(200) 또는 필터 조립체(400)로 압출하는 압출기 스크루(screw, 3)를 포함한다.
도 7에는 압출기 스크루(3)가 1개인 일축 압출기를 도시하였으나 압출기 스크루(3)가 2개인 이축 압출장치를 사용하는 것도 가능하다.
상기 사이드 피더 블록(200)은 탄소 필러를 수용하는 사이드 피더 블록 투입구(7), 내부에 탄소 필러와 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물이 이동하는 통로가 형성되어 있는 사이드 피더 블록 바디(8)를 포함한다.
상기 사이드 피더 블록 바디(8) 내부에는 상기 압출기 스크루(3)가 연장 설치되어 있고 사이드 피더 블록 바디(8) 외주면에는 히터(300)가 설치되어 있어서, 압출기(100)로부터 압출된 열가소성 수지 조성물과 사이드 피더 블록 투입구(7)로부터 공급된 탄소 필러를 혼합하면서 히터(300)의 가열에 의해 용융시킨 후 필터 조립체(400)로 압출한다.
본 발명에서 사용되는 탄소 필러는 전기전도성, 전자파 차단, 정전기 방지, 열전도성, 강도, 탄성률 등을 향상시킬 수 있는 다목적의 수지 강화재료로서, 탄소 플라스틱 컴파운드의 보강재 및 충전재로서 탄소 플라스틱 컴파운드의 물성을 향상시키고 여러 가지 기능성을 탄소 플라스틱 컴파운드에 부여하는 역할을 하며, 그래핀(graphene) 외의 탄소섬유(carbon fiber), 탄소나노튜브 (carbon nanotube), 그라파이트(graphite), 카본블랙(carbon black), 풀러렌(fullerene) 등이 사용될 수 있다.
이들 탄소 필러 중에서 상기 압출기(100)의 호퍼(1)에 메인 탄소 필러로 그래핀이 흡착된 열가소성수지 조성물을 투입하여 이들을 혼합 용융시킨 후 사이드 피더 블록(200)의 투입구(7)에 보조 탄소 필러로 탄소나노튜브를 투입하여 그래핀과 탄소나노튜브가 열가소성 수지와 혼합된 조성물을 제조할 수 있다. 또는, 메인 탄소 필러로 탄소나노튜브가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 먼저 투입하여 혼합 용융시킨 후 사이드 피더 블록(200)의 투입구(7)에 보조 탄소 필러로 그래핀을 투입하여 그래핀과 탄소나노튜브가 열가소성 수지와 혼합된 컴파운드를 제조할 수도 있다.
그래핀은 6개의 육각형 탄소 원자가 2차원의 평면 형태로 나열된 형태이고 탄소나노튜브는 6개의 육각형 탄소 원자가 튜브 모양으로 이어져 그물 구조를 이루는 1차원의 나선형 물질로서, 그래핀과 탄소나노튜브는 큰 비표 면적(specific surface area)과 높은 열/전기 전도도, 가벼운 무게를 가지고 있어서 여러 분야에 폭넓게 이용될수 있다.
그래핀은 탄소나노튜브와 비교하여 물성면에서 우수하나 상용화는 탄소나노튜브에 미치지 못하므로, 그래핀 단독으로 사용하면 복합체의 제조비용이 증가하고 탄소나노튜브 단독으로 사용하면 그래핀에 비하여 물성이 낮다.
따라서 탄소 필러-열가소성 수지 조성물로서 그래핀과 탄소나노튜브를 함께 사용하는 것이 바람직한데, 그래핀과 탄소나노튜브는 층간 접촉저항이 크고 서로 응집하여 분산도가 균일하지 않는 등의 문제가 있다.
상기와 같이 압출기(100)에 그래핀이 흡착된 열가소성 수지 조성물을 투입하고 사이드 피더 블록(200)에 탄소나노튜브를 투입하면, 그래핀이 흡착된 열가소성 수지 조성물이 히터(300)에서 먼저 가열 용융된 후 탄소나노튜브가 혼합되므로 그래핀과 탄소나노튜브가 서로 뭉치지 않고, 이들 그래핀과 탄소나노튜브가 후공정인 필터 조립체(400)에서 얇게 펴지면서 혼합되므로 2차원의 그래핀과 1차원의 탄소나노튜브가 열가소성 수지 내에서 균일하게 분산될 수 있다.
탄소 필러와 열가소성 수지로 구성되는 조성물에 가스나 수분 함량이 많으면 탄소 필러와 열가소성 수지의 계면결합이 방해받아 탄소 플라스틱 컴파운드로 제조되는 성형품의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있으므로, 압출기(100) 또는 사이드 피더 블록(200) 출측에 필터 조립체(400)를 장착하여 용융된 열가소성 수지 조성물로부터 가스성분과 수분을 제거한다.
도 8 내지 도 10에는 필터 조립체(400)의 구조가 도시되어 있으며, 필터 조립체(400)는 용융된 열가소성 수지 조성물(이하, '용융액'이라고 함)에 함유된 가스(수증기 포함)를 제거하여 탄소 필러와 열가소성 수지가 서로 잘 융합되도록 한다.
상기 필터 조립체(400)는 가스 배출구(12) 및 기체 흡입구(14)가 형성되어 있는 하우징(housing;16); 하우징(16)의 내측에 형성된 중공(hollowness)에 길이방향으로 배치되고 표면에 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)이 길이방향을 따라 사선형으로 형성됨으로써 용융액이 일정 압력하에서 용융액 유동채널(18, 34)을 통하여 사선방향으로 흐르면서 가스가 배출되는 가스 분리부(20); 상기 가스 분리부(20)의 외주면에 다수개가 밀착적으로 결합되어 용융액 유동채널(18, 34)의 반경 외측 개방구를 밀폐시킴으로써 용융액의 누출을 방지하여 길이방향으로 흐르도록 하고, 용융액에 함유된 가스가 틈새(t)를 통하여 배출되는 다수개의 벤트링(vent ring, 22); 및 하우징(16)의 타측에 결합되어 가스 분리부(20)를 통과한 용융액이 배출되고, 다수개의 벤트링(22)을 가압하여 밀착시키는 헤드(head, 24)를 포함한다.
하우징(16)은 내부에 중공이 길이방향으로 형성되고 후단(18b)에는 용융액 공급부(27)가 형성되어 압출기(100) 또는 사이드 피더 블록(200)의 출측에 결합되며, 따라서 압출기(100) 또는 사이드 피더 블록(200)으로부터 토출된 용융액은 용융액 공급부(27)를 통하여 가스 분리부(20)로 공급된다.
하우징(16)의 선단에는 헤드(24)가 나사결합될 수 있으며, 가스 분리부(20)는 하우징(16)의 내측에 형성된 중공에 배치됨으로써 용융액에 함유된 가스를 분리하여 배출하게 된다.
이러한 가스 분리부(20)는 몸체(28); 몸체(28)의 외주면에 길이방향을 따라 사선방향으로 오목하게 형성됨으로써 용융액이 흐르는 다수개의 용융액 유동채널(18, 34); 몸체(28)의 일측단에 반경방향으로 배치되고 원주방향을 따라 다수개의 유입홀(30)이 일정 간격씩 떨어져 형성되어 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)에 대응되며, 용융액 공급부(27)를 통하여 공급된 용융액이 유입홀(30)을 통하여 용융액 유동채널(18, 34)로 공급되는 지지판(32)을 포함한다.
상기 몸체(28)는 원통형상으로서 일측(압출기(100) 방향)에는 제1쐐기(W1)가 돌출 형성되고, 타측(헤드(24)방향)에는 제2쐐기(W2)가 돌출 형성된다.
제1쐐기(W1)가 압출기(100) 방향에 돌출 형성됨으로써 압출기(100)에서 토출된 용융액은 원뿔 형상의 제1쐐기(W1)를 따라 이송되는 과정에서 적절하게 분산된 상태로 가스 분리부(20)로 공급될 수 있다.
그리고 몸체(28)의 외주면에는 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)이 몸체(28) 외주면에 일정 깊이로 형성되고 길이 방향에 대하여 일정 각도로 경사진 형태, 즉 사선방향으로 형성되어 용융액이 용융액 유동채널(18, 34)을 통하여 흐르게 된다.
이러한 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)은 몸체(28)의 표면에 오목하게 사선방향으로 형성된 제1유동채널(18); 제1유동채널(18)과 이웃하여 교대로 나란히 배치됨으로써 제1유동채널(18)의 용융액이 월류하여 공급되는 제2유동채널(34); 제1 및 제2유동채널(18, 34) 사이에 돌출되어 제1 및 제2유동채널(18, 34)을 구분하며 피크(peak)에는 월류홀이 형성되어 제1유동채널(18)의 용융액이 제2유동채널(34)로 월류할 수 있는 유동채널 돌출턱(35)을 포함하며, 이러한 다수개의 제1 및 제2유동채널(18, 34)과 유동채널 돌출턱(35)이 몸체(28)의 원주면을 따라 교대로 반복 배치된다.
제1 및 제2유동채널(18, 34)은 몸체(28)의 표면으로부터 일정 깊이로 오목하게 형성되어 용융액이 이 용융액 유동채널(18, 34)을 따라 헤드(24)방향으로 진행하며, 이때 다수개의 벤트링(22)이 가스 분리부(20)의 몸체(28) 외주면에 밀착적으로 결합되어 있어서 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)의 반경 외측 개방구(19)는 벤트링(22)에 의해 밀폐된 상태가 된다.
따라서 용융액은 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)의 내측 공간으로 누출없이 흐를 수 있고, 이 과정에서 용융액에 함유된 가스가 배출되어 몸체(28)의 외부에 결합된 다수개의 벤트링(22) 사이를 통과하여 외부로 배출될 수 있다.
또한, 용융액 유동채널(18, 34)이 사선형상이므로 직선형상인 경우와 비교하여 월류홀의 통로를 길게 형성시킬 수 있어서 단위 시간동안 좀 더 많은 양의 용융액이 가스 분리부(20)를 통과할 수 있고, 용융액이 사선형상의 용융액 유동채널(18, 34)을 따라 흐르는 시간이 직선형상인 경우와 비교하여 증가하므로 용융액에 함유된 가스가 배출될 수 있는 시간이 좀 더 길어져 가스 분리부(20)에서 용융액에 함유된 가스를 효과적으로 배출할 수 있다.
제2유동채널(34)로 월류한 용융액은 제2유동채널(34)의 선단(34a) 개방홀을 통하여 제2쐐기(W2)를 따라 헤드(24)로 이송된 후 노즐(25)을 통하여 다이 또는 금형으로 압출되며, 용융액이 원뿔 형상의 제2쐐기(W2)를 따라 흐르게 되므로 좀 더 효과적으로 토출될 수 있다.
용융액 유동채널(18, 34)을 따라 진행하는 용융액은 일정한 압력을 받고 있는 상태이므로 용융액에서 발생한 가스는 몸체(28)의 외부에 결합된 다수개의 벤트링(22) 사이를 통하여 외부로 배출된다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 벤트링(22)은 원형의 고리형상으로서 반경 내측의 삽입홀(21); 상기 삽입홀 (21) 주위의 원주방향을 따라 벤트링(22)의 전면(front side)에 돌출 형성되고, 표면에 방사상의 미세통로가 형성되며, 이웃한 벤트링(22)의 후면(back side)에 접촉하는 제1돌출턱(48); 벤트링(22)의 원주면에 길이방향으로 오목하게 형성되어 가스의 배출통로가 되는 가스 배출홈(23)을 포함한다.
상기 삽입홀(21)에 가스 분리부(20)의 몸체(28)가 삽입되어 벤트링(22)이 몸체(28)에 결합될 수 있으며, 벤트링(22)의 삽입홀(21) 내주면과 가스 분리부(20)의 몸체(28) 외주면이 밀착적으로 결합되므로 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)은 밀폐된 상태가 된다.
상기 제1돌출턱(48)에 형성된 미세통로는 가스는 통과하고 용융액은 통과하지 못하는 크기로 형성되며, 따라서 가스 분리부(20)를 통과하는 용융액은 월류홀(h)을 통하여 제1유동채널(18)에서 제2유동채널(34)로 월류하고, 용융액으로부터 발생한 가스는 제1돌출턱(48)에 형성된 미세통로를 통하여 배출된다.
가스를 좀 더 효과적으로 배출시키기 위하여 하우징(16)의 가스 배출구(12) 반대편에 기체 흡입구(14)를 배치할 수 있으며, 기체 흡입구(14)와 가스 배출구(12)는 하우징(16)의 길이방향을 기준으로 가능한 한 서로 멀리 떨어져 배치되는 것이 바람직하다.
상기 기체 흡입구(14)는 외기에 개방되어 공기가 흡입되도록 하거나, 사용되는 열가소성 수지의 종류에 따라 불활성기체가 저장된 용기와 연결하여 불활성기체가 흡입되도록 함으로써 본 발명에 따른 제조장치의 안전을 도모할 수도 있다.
상기 가스 배출구(12)는 후술하는 진공펌프(63)와 연결되어 공기정화장치(500)로 이송되는데, 상기와 같이 공기 또는 불활성기체가 기체 흡입구(14)를 통하여 하우징(16)의 내부 공간에 유입되면 가스 분리부(20)에서 배출된 가스가 진공펌프(63)의 흡입력에 의해 하우징(16)의 내부 공간으로부터 효과적으로 배출될 수 있다.
하우징(16)의 출구에는 헤드(24)가 나사결합되고 헤드(24) 선단에는 노즐(25)이 형성되어 있어서, 가스 분리부(20)의 제2쐐기(W2)를 통과한 용융액은 노즐(25)을 통하여 다이 또는 금형으로 토출되며, 노즐(25) 출구에 펠릿 제조장치를 장착하여 탄소 필러와 열가소성 수지의 조성물을 펠릿으로 제조하거나 또는 금형 속으로 사출하여 사출제품을 제조할 수도 있다.
상기 필터 조립체(400)의 가스 배출구(12)로부터 배출되는 가스는 가스배출관(61), 가스흡입관(62) 및 진공펌프(63)를 경유하여 공기정화장치(500)로 배출되는데, 상기 가스흡입관(62)의 일단에는 외부 공기 중의 이물질이 흡입되는 것을 차단하는 공기필터(64)가 연결되고 타단에는 진공펌프(63)가 연결되며, 상기 가스배출관(61)은 가스흡입관(62)의 중간에 직각방향으로 접속되어 있다.
상기 진공펌프(63)의 가동에 의해 외부의 공기가 공기필터(64), 가스흡입관(62) 및 진공펌프(63)를 통과하여 공기정화장치(500)로 배출되고, 공기가 가스흡입관(62)을 빠른 속도로 통과함에 따라 여기에 직각방향으로 접속된 가스배출관(61)에는 베르누이 정리에 의거 부압(negative pressure)이 형성되므로 여기에 접속된 가스 포집홈에도 부압이 형성된다.
따라서 가스 포집홈에 모인 가스는 가스배출관(61), 가스흡입관(62) 및 진공펌프(63)을 경유하여 공기정화장치(500)로 신속히 배출됨과 아울러, 가스 분리부(20)의 벤트링(22)에 형성된 미세통로 또는 미세 홈을 통과하는 가스에도 흡입력으로 작용하여 용융액으로부터 발생한 가스가 공기정화장치(500)로 원활히 배출될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드에 대해 상세하게 설명한다. 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드는 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법에 의해 제조되는 것을 포함하나, 본 발명의 범위가 이들로 한정되는 것은 아니다.
아래의 표 1은 본 발명의 실시예에 따라 기계적 물성 및 전도성이 가장 우수한 탄소 플라스틱 컴파운드의 조성비를 나타낸 표이다.
[표 1]
Figure pat00001
아래의 표 2 및 표 3은 표 1의 조성비를 가지는 탄소 플라스틱 컴파운드를 본 발명의 제조방법에 따라 제조하고 각 시편을 규격 크기로 제조하여 물성을 나타낸 것이다.
항복강도 및 인장강도는 ASTM D38, 굴곡강도 및 굴곡탄성률은 ASTM D790, 충격강도는 ASTM D256 기준으로 측정하였으며, 표면저항은 시편 크기 9cm x 15cm x 2.5mm로 Fluke 107 멀티미터를 이용하여 측정하였다.
[표 2]
Figure pat00002
[표 3]
Figure pat00003
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 단일 필러 컴파운드의 경우에 탄소 필러인 CNT를 소량인 0.3 ~ 1.0 중량%를 포함하고 있음에도 표면 저항이 103 내지 109(Ω/sq)로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 기존에 존재하는 탄소 필러를 포함하는 플라스틱 컴파운드보다 탄소 필러를 소량 포함하면서도 전도성이 개선된 탄소 플라스틱 컴파운드를 제조하였음을 알 수 있다. 이는 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법에 의해 CNT가 열가소성 수지 내에 균일하게 분산되었기 때문이다.
특히, 단일 필러 컴파운드 중 CNT를 0.5 ~ 1.0 중량%를 포함하는 경우에는 일반적으로 대전방지 성능을 가지는 것으로 보는 109 ~ 1015(Ω/sq)보다 낮은 수준인 103 ~ 108(Ω/sq)의 표면 저항을 나타내고 있어 전기 전도성이 우수함을 알 수 있다.
단일 필러 컴파운드보다 복합 필러 컴파운드의 평균적인 표면 저항이 낮은 수준으로 나타나는 것은 전도성을 가지는 탄소 필러가 더 많이 포함되었기 때문이다. 그러나, 탄소 필러뿐 아니라 충격보강제나 흐름성개선제 등 다른 물성을 위한 첨가제도 포함되었기 때문에 표면 저항은 10 4~5(Ω/sq) 정도까지 나타나는 것으로 사료된다.
또한, 상기 표 3으로부터 단일 필러 컴파운드보다 복합 필러 컴파운드가 신장율 및 충격강도를 제외한 물성이 전반적으로 향상됨을 확인할 수 있다. 신장율 및 충격강도의 경우, 복합 필러 컴파운드는 열가소성 수지 대비 탄소 필러 및 첨가제가 상대적으로 많이 들어갔기 때문에 신장율이나 충격강도와 관련된 열가소성 수지 내의 결합 구조가 파괴되어 단일 필러 컴파운드의 물성보다 떨어지는 것으로 사료된다.
아래의 표 4는 표 2의 단일 필러 컴파운드에 첨가제인 소광제를 추가로 넣어 시편 크기 9cm x 15cm x 2.5mm로 Fluke 107 멀티미터를 이용하여 저항을 측정한 것이다.
[표 4]
Figure pat00004
소광제는 표면의 반사되는 빛을 최소화시키기 위한 기능성 첨가제로써 상기 표 4에서와 같이 탄소소재인 CNT가 낮은 함량인 0.3중량%임에도 106(Ω/sq)의 표면 저항을 구현하였으며, CNT의 함량이 커질수록 전반적으로 전도성이 향상됨을 알 수 있다. 다만, 표 2와 비교해보면, CNT가 0.5 ~ 1.0 중량%인 경우에는 표면 저항의 수치에 큰 차이는 없고 오히려 CNT가 1.0 중량%인 경우에는 표 2의 경우가 표면 저항이 더 낮게 측정되었음을 알 수 있다. 이를 통해, CNT의 함량이 매우 낮은 경우에는 소광제와 같은 기능성 첨가제를 통해 전도성을 개선시킬 수 있으나 일정 함량 이상에서는 유의미한 효과를 얻기 힘들다는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법을 이용하면, 전도성이 개선된 탄소 플라스틱 컴파운드를 제조할 수 있음을 알 수 있다. 필터 조립체(400)를 통과하도록 압출함으로써 탄소 필러가 열가소성 수지 내에서 균일하게 분산될 수 있으며, 용융된 열가소성 수지 조성물로부터 가스성분과 수분을 제거하여 제조된 탄소 플라스틱 컴파운드를 이용한 성형품의 기계적 물성이 저하되는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 열가소성 수지 내 탄소 필러의 낮은 함량에도 표면 코팅 없이 개선된 전도성을 가지는 제품을 용이하게 제작할 수 있다.
본 발명의 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 해당 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 서로 다른 실시예에 병합되어 적용될 수 있다.
따라서, 각 실시예에서는 각각의 기술적 특징을 위주로 설명하지만, 각 기술적 특징이 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 서로 병합되어 적용될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 압출기
200 : 사이드 피더 블록
300 : 히터
400 : 필터 조립체
500 : 공기정화장치

Claims (11)

  1. 열가소성 수지와 탄소 필러가 혼합 제조된 탄소 플라스틱 컴파운드에 있어서,
    상기 탄소 필러는 0.3 ~ 2.0 중량%를 포함하고 나머지는 상기 열가소성 수지로 이루어지며, 표면 저항이 103 내지 109Ω/sq 인 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 필러는 0.5 ~ 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 필러는 메인 탄소 필러로서 그래핀 및 CNT 중 적어도 하나 이상을 0.3 ~ 2.0 중량% 포함하고, 보조 탄소 필러(상기 메인 탄소 필러와 성분이 상이함) 로서 그래핀, CNT, 흑연, 카본 블랙 및 탄소 섬유 중 적어도 하나 이상을 1.0 ~ 5.0 중량% 포함하며, 충격 보강제 0.1 ~ 0.5 중량% 포함하고, 나머지는 상기 열가소성 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 메인 탄소 필러는 0.5 ~ 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드.
  5. 청구항 3에 있어서,
    소광제 1.0 ~ 10.0 중량%, 흐름성 개선제 0.1 ~ 1.0 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드.
  6. 탄소 필러를 포함하는 탄소 플라스틱 컴파운드를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 탄소 필러를 기계적으로 분쇄하여 준비하는 단계;
    상기 분쇄된 탄소 필러를 열가소성 수지와 함께 교반하여 상기 열가소성 수지의 표면에 흡착시키는 단계;
    상기 탄소 필러가 흡착된 열가소성 수지 조성물을 용융 온도 이상으로 가열하여 용융시키는 단계;
    상기 용융된 열가소성 수지 조성물을 필터 조립체를 통과하도록 압출하는 과정에서 상기 필터 조립체 내에서 상기 용융된 열가소성 수지 조성물이 사선 방향으로 통과되면서 상기 탄소 필러가 상기 열가소성 수지 내에 분산될 수 있도록 해주며, 그 과정에서 발생하는 가스와 수증기를 외부로 배출하는 압출 단계;
    상기 압출된 열가소성 수지 조성물을 냉각시키는 단계; 및
    상기 냉각된 열가소성 수지 조성물을 커팅하여 컴파운드를 제조하는 단계
    를 포함하는 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 탄소 필러는 0.3 ~ 2.0 중량%를 포함하고 나머지는 상기 열가소성 수지로 이루어지며, 상기 탄소 플라스틱 컴파운드의 표면 저항이 103 내지 109Ω/sq 인 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 탄소 필러는 0.5 ~ 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 탄소 필러는 메인 탄소 필러로서 그래핀 및 CNT 중 적어도 하나 이상을 0.3 ~ 2.0 중량% 포함하고, 보조 탄소 필러(상기 메인 탄소 필러와 성분이 상이함) 로서 그래핀, CNT, 흑연, 카본 블랙 및 탄소 섬유 중 적어도 하나 이상을 1.0 ~ 5.0 중량% 포함하며, 충격 보강제 0.1 ~ 0.5 중량% 포함하고, 나머지는 상기 열가소성 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 메인 탄소 필러는 0.5 ~ 1.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    소광제 1.0 ~ 10.0 중량%, 흐름성 개선제 0.1 ~ 1.0 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 플라스틱 컴파운드 제조방법.















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