KR20230115555A - Polymer nanocomposite comprising graphene nanoplatelet and method of manufacturing the same - Google Patents

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KR20230115555A KR1020220012163A KR20220012163A KR20230115555A KR 20230115555 A KR20230115555 A KR 20230115555A KR 1020220012163 A KR1020220012163 A KR 1020220012163A KR 20220012163 A KR20220012163 A KR 20220012163A KR 20230115555 A KR20230115555 A KR 20230115555A
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Abstract

The present invention relates to a polymer nanocomposite composition containing: a polymer compound comprising at least one selected from a group consisting of thermoplastic polymers and thermosetting polymers; and graphene nanoplatelets. In the polymer nanocomposite composition containing the graphene nanoplatelets of the present invention and a manufacturing method thereof, the polymer nanocomposite composition can be manufactured economically and eco-friendly through mechanical peeling, and by mixing the graphene nanoplatelets and the polymer compound, mechanical properties are improved to be used as materials for various construction materials, lightweight automobile parts, electronic/electrical parts and the like.

Description

그래핀 나노플레이트릿을 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물 및 그의 제조방법 {POLYMER NANOCOMPOSITE COMPRISING GRAPHENE NANOPLATELET AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Polymer nanocomposite composition containing graphene nanoplatelets and method for preparing the same

본 발명은 그래핀 나노플레이트릿을 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 기계적 박리를 통해 제조된 그래핀 나노플레이트릿을 포함하는 기계적 물성이 향상된 고분자 나노복합재료 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer nanocomposite material composition containing graphene nanoplatelets and a method for preparing the same, and more particularly, to a polymer nanocomposite composition containing graphene nanoplatelets prepared through mechanical exfoliation and having improved mechanical properties. It is about.

고분자 나노복합재료(polymer nanocomposite)는 팽창 흑연(Expandable Graphite), 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노섬유(CNF), 풀러렌, 그래핀(단층 및 다층) 등 탄소계 나노소재와 고분자를 사용하여 제조하는 것으로, 값이 비싼 탄소나노튜브에 비해 상대적으로 저렴한 그래핀 나노플래이트릿을 고분자에 혼합하여 사용할 수 있다.Polymer nanocomposites are manufactured using carbon-based nanomaterials and polymers, such as expandable graphite, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), fullerenes, and graphene (single-layer and multi-layer). By doing so, relatively inexpensive graphene nanoplatelet compared to expensive carbon nanotubes can be mixed with polymers and used.

그래핀은 탄소의 sp2 혼성으로 하니콤(honeycomb) 구조로 배열된 단층 2차원(2D) 쉬트를 말하는 것으로, 흑연은 3D, 탄소나노튜브는 1D, 풀러렌은 0D 형태의 구조를 갖는다고 할 수 있다. 2D 구조인 그래핀은 매우 우수한 기계적, 열적 및 전기적 특성을 갖고 있고 3D 흑연, 층간 삽입 흑연(Graphite Intercalation Compounds) 또는 팽창흑연으로부터 화학적 또는 기계적으로 분리해 다층 및 다층 그래핀의 혼합물을 얻을 수 있다. 특히, 단층 그래핀(monolayer)은 상온에서 양극성 전계 효과, 양자 홀 효과, 단분자 흡착, 높은 캐리어 이동성(230,000 cm2/Vs까지) 등의 특성을 가져 고속 및 무선 주파수 논리장치, 센서, 투명전극, 디스플레이, 터치 스크린, 태양전지, 연료전지(전극 전도성 보조제 및 분리판) 등에 응용할 수 있다. 단층 그래핀은 매우 큰 전하 이동도(230,000 cm2/Vs), 전기전도도(7200 S/m), 가시광선은 2.3% 흡수(즉, 높은 투명도), 높은 열전도도(3000 W/mK), 우수한 인장강도(130GPa) 및 인장탄성률(1TPa), 큰 비표면적(이론값인 2600 m2/g)을 갖는 꿈의 소재이다. 그러나 현재까지 기계적 박리법으로 단층 그래핀을 대량으로 얻는 방법은 발견하지 못했다. 다만 화학적 박리법으로 제조된 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 이용하여 고분자와 solution blending 또는 in situ polymerization(에폭시, styrene 등) 단층으로 분산시킨 고분자 나노컴포지트(nanocomposites)를 제조할 수는 있다. 단층으로 분산된 그래핀 옥사이드를 환원시키면 반데르발스(van der Waals) 힘으로 다시 다층을 이루는(restacking) 현상을 막기는 어렵다. Graphene refers to a single-layer two-dimensional (2D) sheet arranged in a honeycomb structure with sp 2 hybridization of carbon. there is. Graphene, a 2D structure, has excellent mechanical, thermal and electrical properties and can be chemically or mechanically separated from 3D graphite, intercalation graphite (Graphite Intercalation Compounds) or expanded graphite to obtain multi-layer and mixtures of multi-layer graphene. In particular, monolayer graphene has characteristics such as bipolar electric field effect, quantum Hall effect, monomolecular adsorption, and high carrier mobility (up to 230,000 cm 2 /Vs) at room temperature, so that it can be used for high-speed and radio frequency logic devices, sensors, and transparent electrodes. , displays, touch screens, solar cells, fuel cells (electrode conductive additives and separators), etc. Single-layer graphene has very large charge mobility (230,000 cm 2 /Vs), electrical conductivity (7200 S/m), visible light absorption of 2.3% (i.e. high transparency), high thermal conductivity (3000 W/mK), excellent It is a dream material with tensile strength (130 GPa), tensile modulus (1 TPa), and large specific surface area (theoretical value of 2600 m 2 /g). However, until now, no method has been found to obtain single-layer graphene in large quantities by mechanical exfoliation. However, it is possible to prepare polymer nanocomposites dispersed in a single layer of solution blending or in situ polymerization (epoxy, styrene, etc.) with a polymer using graphene oxide manufactured by a chemical exfoliation method. When graphene oxide dispersed in a single layer is reduced, it is difficult to prevent the phenomenon of restacking into multiple layers again by van der Waals force.

또한 그래핀 또는 그래핀 나노플레이트릿의 구분은 두께로 결정되고 순수한 그래핀은 단층으로 두께가 0.33nm, 또는 이층(약 0.7nm), 3층(약 1nm), 수개층(2∼5 layers), 또는 다층(2∼10 layers)으로 구분될 수 있고 단층이 아닐 경우 혼합물의 평균 값 또는 분포도로 구분할 수 있다. 또한, 그래핀 나노플래이트릿은 10층(3.34nm) 이상으로 정할 수도 있다. 단층 그래핀은 주로 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)으로 얻을 수 있는데 이 방법은 주로 디스플레이, 터치스크린 등으로 사용되는 유리 또는 고분자 기판위에 그래핀 단층 필름을 만드는 용도에 사용되고 있고 단층뿐 아니라 다층인 지역이 혼재하며 파우더 형태로 만들어 강화제로 사용하기에는 낮은 산출량과 높은 제조비용으로 적합한 방법은 아니다. In addition, the classification of graphene or graphene nanoplatelets is determined by the thickness, and pure graphene is a single layer with a thickness of 0.33 nm, or two layers (about 0.7 nm), three layers (about 1 nm), and several layers (2 to 5 layers). , or multi-layers (2 to 10 layers), and if it is not a single layer, it can be classified as the average value or distribution of the mixture. In addition, the graphene nanoplatelet may be determined to be 10 layers (3.34 nm) or more. Single-layer graphene can be obtained mainly by chemical vapor deposition. This method is mainly used to make a single-layer graphene film on glass or polymer substrates used for displays and touch screens, and is used in single-layer as well as multi-layer areas. This is not a suitable method due to low yield and high manufacturing cost to be mixed and used as a reinforcing agent in powder form.

또한 그래핀 나노플레이트릿은 고분자에 첨가되어 기계적물성을 강화시킬 수 있으나, 대부분의 고분자 나노복합재료에서 그래핀 나노플레이트릿의 함량이 증가할수록 취성이 증가하여 인장강도와 굴곡강도는 감소하는 경향을 보였으며 점도 증가로 가공성이 떨어진다.In addition, graphene nanoplatelets can be added to polymers to enhance mechanical properties, but in most polymer nanocomposites, as the content of graphene nanoplatelets increases, brittleness increases, and tensile strength and flexural strength tend to decrease. It was observed that processability decreased due to increase in viscosity.

대한민국 등록특허 10-2253218(2021.5.12)Korean Registered Patent No. 10-2253218 (2021.5.12)

본 발명의 목적은 기계적 박리를 통해 경제적이면서 친환경적으로 제조된 그래핀 나노플레이트릿을 포함하는 기계적 물성이 향상된 고분자 나노복합재료 조성물 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a polymer nanocomposite material composition with improved mechanical properties including graphene nanoplatelets prepared economically and environmentally friendly through mechanical exfoliation and a method for preparing the same.

또한, 본 발명의 목적은 상기 그래핀 나노플레이트릿 및 고분자 컴파운드를 혼합함으로써, 기계적 물성이 향상되어 각종 건자재, 경량 자동차 부품, 전자/전기 부품 등의 소재로 사용할 수 있는 그래핀 나노플레이트릿을 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, an object of the present invention is to include a graphene nanoplatelet that can be used as a material for various construction materials, lightweight automobile parts, electronic / electrical parts, etc. by mixing the graphene nanoplatelet and the polymer compound to improve mechanical properties. It is to provide a polymer nanocomposite material composition and a manufacturing method thereof.

본 발명의 일 측면에 따르면, 열가소성 고분자 및 열경화성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 컴파운드; 및 그래핀 나노플레이트릿; 을 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물이 제공된다.According to one aspect of the present invention, a polymer compound comprising at least one member selected from the group consisting of a thermoplastic polymer and a thermosetting polymer; and graphene nanoplatelets; There is provided a polymer nanocomposite material composition comprising a.

또한, 상기 고분자 컴파운드가 폴리카보네이트(PC) 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS)를 포함하는 PC/ABS 컴파운드일 수 있다.In addition, the polymer compound may be a PC/ABS compound including polycarbonate (PC) and acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS).

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 흑연을 포함하는 제1 혼합물을 열처리하여 팽창된 흑연을 제조하는 단계; (b) 상기 팽창된 흑연 및 유기 바인더를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 제2 혼합물을 분쇄하여 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계;를 포함하는 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) heat-treating a first mixture containing graphite to prepare expanded graphite; (b) preparing a second mixture by mixing the expanded graphite and an organic binder; and (c) preparing a graphene nanoplatelet by grinding the second mixture.

또한, 단계 (a)에서, 상기 제1 혼합물이 산 물질을 포함하고, 상기 산 물질이 황산 또는 질산을 포함할 수 있다.Also, in step (a), the first mixture may include an acid material, and the acid material may include sulfuric acid or nitric acid.

또한, 단계 (a) 이후에, (a') 상기 팽창된 흑연을 분쇄하여 겉보기 밀도가 높아진 팽창된 흑연을 제조하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.In addition, after step (a), (a') preparing expanded graphite having a high apparent density by pulverizing the expanded graphite; may be further included.

또한, 단계 (b)에서, 상기 유기 바인더가 설탕, 올리고당, 엿기름, 폴리(에틸렌 글리콜), 메톡시 폴리(에틸렌 글리콜), 디메톡시 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(프로필렌 글리콜), 메톡시 폴리(프로필렌 글리콜), 디메톡시 폴리(프로필렌 글리콜), 폴리(비닐 알콜), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리올레핀, 산화 폴리올레핀 및 왁스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, in step (b), the organic binder is sugar, oligosaccharide, malt, poly (ethylene glycol), methoxy poly (ethylene glycol), dimethoxy poly (ethylene glycol), poly (propylene glycol), methoxy poly ( propylene glycol), dimethoxy poly(propylene glycol), poly(vinyl alcohol), poly(vinyl acetate), polyolefin, oxidized polyolefin, and wax.

또한, 단계 (c)가 (c-1) 상기 혼합물을 분쇄하여 분쇄된 혼합물을 제조하는 단계; 및 (c-2) 상기 분쇄된 혼합물의 유기바인더를 제거하여 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.In addition, step (c) is (c-1) preparing a pulverized mixture by pulverizing the mixture; and (c-2) preparing graphene nanoplatelets by removing organic binders from the pulverized mixture.

또한, 단계 (c) 이후에, (d) 상기 그래핀 나노플레이트릿의 입자크기를 조절하여 입자크기가 조절된 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.In addition, after step (c), (d) adjusting the particle size of the graphene nanoplatelet to prepare a graphene nanoplatelet having a controlled particle size; may be further included.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 상기 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법에 따라 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계; 및 (b) 열경화성 고분자 및 열가소성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 컴파운드 및 상기 그래핀 나노플레이트릿을 혼합하여 고분자 나노복합재료 조성물을 제조하는 단계;를 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) manufacturing a graphene nanoplatelet according to the manufacturing method of the graphene nanoplatelet; and (b) preparing a polymer nanocomposite composition by mixing a polymer compound containing at least one selected from the group consisting of a thermosetting polymer and a thermoplastic polymer and the graphene nanoplatelet. A manufacturing method is provided.

본 발명의 그래핀 나노플레이트릿을 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물 및 그의 제조방법은 기계적 박리를 통해 경제적이면서 친환경적으로 그래핀 나노플레이트릿을 제조할 수 있다.The polymer nanocomposite material composition including graphene nanoplatelets and the manufacturing method thereof according to the present invention can economically and eco-friendlyly manufacture graphene nanoplatelets through mechanical exfoliation.

또한, 본 발명의 그래핀 나노플레이트릿을 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물 및 그의 제조방법은 상기 그래핀 나노플레이트릿 및 고분자 컴파운드를 혼합함으로써, 기계적 물성이 향상되어 각종 건자재, 경량 자동차 부품, 전자/전기 부품 등의 소재로 사용할 수 있다.In addition, the polymer nanocomposite material composition including the graphene nanoplatelets and the manufacturing method thereof according to the present invention have improved mechanical properties by mixing the graphene nanoplatelets and the polymer compound, and thus various construction materials, lightweight automobile parts, electronic// It can be used as a material for electrical parts, etc.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 어느 하나의 실시예에 사용된 팽창 흑연의 주사전자 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 어느 하나의 실시예에 사용된 실리콘 맷돌 장치(왼) 및 상기 실리콘 맷돌 장치를 통해 분쇄된 팽창 흑연의 주사전자 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 그래핀 나노플레이트릿의 주사전자 현미경 사진이다.
1 is a flow chart of a method for manufacturing a graphene nanoplatelet according to the present invention.
2 is a scanning electron micrograph of expanded graphite used in any one example of the present invention.
3 is a scanning electron micrograph of a silicon millstone device (left) used in one embodiment of the present invention and expanded graphite pulverized through the silicon millstone device.
4 is a scanning electron micrograph of a graphene nanoplatelet according to the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments are exemplified and described in detail in the detailed description. However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and includes all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 이하에서 사용될 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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Also, terms including ordinal numbers such as first and second to be used below may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.

또한, 어떤 구성요소가 “다른 구성요소 상에”, “다른 구성요소 상에 형성되어”, "다른 구성요소 상에 위치하여" 또는 "다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, when a component is referred to as “on another component,” “formed on another component,” “located on another component,” or “stacked on another component,” the other It should be understood that although it may be directly attached to the front surface or one side of the component, it may be positioned or laminated, but other components may further exist in the middle.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

이하, 그래핀 나노플레이트릿을 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, a polymer nanocomposite material composition including graphene nanoplatelets will be described in detail. However, this is presented as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

본 발명은 열가소성 고분자 및 열경화성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 컴파운드; 및 그래핀 나노플레이트릿;을 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물을 제공한다.The present invention is a polymer compound comprising at least one member selected from the group consisting of a thermoplastic polymer and a thermosetting polymer; It provides a polymeric nanocomposite composition comprising; and graphene nanoplatelets.

상기 고분자 컴파운드가 폴리카보네이트(PC) 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS)를 포함하는 PC/ABS 컴파운드일 수 있다.The polymer compound may be a PC/ABS compound including polycarbonate (PC) and acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS).

상기 고분자 나노복합재료 조성물이 상기 고분자 컴파운드 100 중량부에 대하여, 상기 그래핀 나노플레이트릿 0.01 내지 20 중량부, 바람직하게는 0.05 내지 5 중량부, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.5 중량부를 포함할 수 있다.The polymer nanocomposite material composition may include 0.01 to 20 parts by weight, preferably 0.05 to 5 parts by weight, more preferably 0.1 to 0.5 parts by weight of the graphene nanoplatelets, based on 100 parts by weight of the polymer compound. .

상기 고분자 컴파운드 100 중량부에 대하여, 상기 그래핀 나노플레이트릿을 0.01 중량부 미만으로 포함하면 물성 향상이 미미하여 바람직하지 않고, 20 중량부 초과하여 포함하면 점도가 매우 높아 바람직하지 않다. With respect to 100 parts by weight of the polymer compound, if the graphene nanoplatelet is included in an amount of less than 0.01 part by weight, it is not preferable because physical property improvement is insignificant, and if it is included in an amount exceeding 20 parts by weight, the viscosity is not preferable because it is very high.

상기 고분자 나노복합재료 조성물이 산화방지제, 광안정제, 열안정제, 강화제, 미끄럼방지제, 항생물제, 착색제, 난연제, 계면활성제, 커플링제, 충격보강제, 섬유 강화제 및 내마모제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.At least one selected from the group consisting of an antioxidant, a light stabilizer, a heat stabilizer, a reinforcing agent, an anti-slip agent, an antibiotic, a colorant, a flame retardant, a surfactant, a coupling agent, an impact modifier, a fiber reinforcing agent, and an antiwear agent may additionally be included.

상기 PC/ABS 컴파운드가 난연제를 추가로 포함하고, 상기 PC/ABS 컴파운드가 상기 폴리카보네이트 40 내지 80 중량%와, 상기 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 5 내지 30 중량%와, 상기 난연제 5 내지 30 중량%를 포함할 수 있다.The PC/ABS compound further includes a flame retardant, and the PC/ABS compound comprises 40 to 80% by weight of the polycarbonate, 5 to 30% by weight of the acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, and 5 to 80% by weight of the flame retardant. 30% by weight.

상기 난연제가 비스페놀 디페닐 포스페이트를 포함할 수 있다.The flame retardant may include bisphenol diphenyl phosphate.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법의 순서도이다. 이하, 도 1을 참조하여 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 1 is a flow chart of a method for manufacturing a graphene nanoplatelet according to the present invention. Hereinafter, a method for manufacturing a graphene nanoplatelet will be described in detail with reference to FIG. 1 . However, this is presented as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

먼저, 흑연을 포함하는 제1 혼합물을 열처리하여 팽창된 흑연을 제조한다(단계 a).First, expanded graphite is prepared by heat-treating a first mixture including graphite (step a).

단계 (a)에서, 상기 흑연이 팽창 흑연, 인상 흑연, 흑연 층간 삽입 화합물(Graphite Intercalation Compounds) 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 흑연이 팽창 흑연을 포함할 수 있다.In step (a), the graphite may include at least one selected from the group consisting of expanded graphite, impression graphite, graphite intercalation compounds, and mixtures thereof, and preferably, the graphite is expanded graphite. can include

단계 (a)에서, 상기 제1 혼합물이 산 물질을 포함하고, 상기 산 물질이 황산 또는 질산을 포함할 수 있고, 상기 산 물질이 상기 흑연의 층간에 삽입되어 있을 수 있다.In step (a), the first mixture may include an acid material, the acid material may include sulfuric acid or nitric acid, and the acid material may be intercalated between layers of the graphite.

단계 (a)에서, 상기 팽창된 흑연은 상기 열처리로 인해 상기 산 물질이 제거될 수 있다.In step (a), the acid material may be removed from the expanded graphite due to the heat treatment.

단계 (a)에서, 상기 열처리가 300 내지 1,000℃에서 10 내지 300분 동안 수행될 수 있다. 300℃ 미만의 열처리 온도는 상기 흑연이 충분히 팽창하지 못하거나, 산 물질(황산 또는 질산)을 제거할 수 없어 바람직하지 않고, 1,000℃ 초과의 온도는 필요 이상으로 높아 경제적이지 못해 바람직하지 않다. 또한 10분 미만의 열처리 시간은 산 물질(황산 또는 질산)을 제거할 수 없어 바람직하지 않고, 300분 초과의 열처리 시간은 필요 이상으로 길아 경제적이지 못해 바람직하지 않다.In step (a), the heat treatment may be performed at 300 to 1,000° C. for 10 to 300 minutes. A heat treatment temperature of less than 300° C. is undesirable because the graphite cannot sufficiently expand or acid materials (sulfuric acid or nitric acid) cannot be removed, and a temperature of more than 1,000° C. is undesirably high and thus uneconomical. In addition, a heat treatment time of less than 10 minutes is not preferable because acid substances (sulfuric acid or nitric acid) cannot be removed, and a heat treatment time of more than 300 minutes is undesirably long and uneconomical.

단계 (a) 이후에, (a') 상기 팽창된 흑연을 분쇄하여 겉보기 밀도가 높아진 팽창된 흑연을 제조하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.After step (a), (a′) preparing expanded graphite having a high apparent density by pulverizing the expanded graphite; may be further included.

단계 (a)의 상기 팽창된 흑연은 겉보기 밀도가 0.01 내지 0.05 g/cm3 이고, 단계 (a')의 상기 겉보기 밀도가 높아진 팽창된 흑연은 겉보기 밀도가 0.1 내지 0.5 g/cm3 일 수 있다.The expanded graphite of step (a) may have an apparent density of 0.01 to 0.05 g/cm 3 , and the expanded graphite having an increased apparent density of step (a′) may have an apparent density of 0.1 to 0.5 g/cm 3 . .

단계 (a)의 상기 팽창된 흑연은 매우 낮은 밀도를 가져 유기바인더와의 혼합이 어려워 겉보기 밀도를 높이기 위해 실리콘 맷돌 장치(도 2)를 이용하여 분쇄시키면 상기 팽창된 흑연의 적층구조가 깨지면서 겉보기 밀도가 상승되어 다음 단계인 유기바인더와의 혼합이 보다 쉬울 수 있다.The expanded graphite in step (a) has a very low density and is difficult to mix with the organic binder, so when it is pulverized using a silicon millstone device (FIG. 2) to increase the apparent density, the laminated structure of the expanded graphite is broken and the apparent density is increased, and mixing with the organic binder, which is the next step, may be easier.

상기 실리콘 맷돌 장치는 두 장의 실리콘 원판을 맷돌과 같은 구조로 제작하여 두 개의 판 사이에 팽창된 흑연을 통과시키는 장치로, 전단력이 낮아 분쇄 효과나 필링(peeling) 효과는 크지 않다. 겉보기 밀도를 높이면서도 분쇄 및 필링(peeling) 효과를 높이기 위해서 실리콘 맷돌 장치 대신 볼밀(ball mill), 에어 밀(air mill). 에어-제트 밀(air-jet mill), 플래니터리 밀(planetary mill), 비드 밀(bead mill) 또는 아트리션 밀(attrition mill) 등을 이용할 수도 있다. 또한, 실리콘 맷돌 장치 대신 전통적인 맷돌의 사용도 가능하다. 이 경우 수동 보다는 전동 방식의 맷돌이 선호된다.The silicon millstone device is a device in which two silicon disks are manufactured in a millstone-like structure and expanded graphite is passed between the two plates, and the shear force is low, so the grinding effect or the peeling effect is not great. Ball mill, air mill instead of silicon milling device to increase grinding and peeling effect while increasing apparent density. An air-jet mill, a planetary mill, a bead mill, or an attrition mill may be used. Also, it is possible to use a traditional millstone instead of a silicon millstone device. In this case, a motorized millstone is preferred over a manual one.

다음으로, 상기 팽창된 흑연 및 유기 바인더를 혼합하여 제2 혼합물을 제조한다(단계 b).Next, a second mixture is prepared by mixing the expanded graphite and the organic binder (step b).

단계 (b)에서, 상기 유기 바인더가 설탕, 올리고당, 엿기름, 폴리(에틸렌 글리콜), 메톡시 폴리(에틸렌 글리콜), 디메톡시 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(프로필렌 글리콜), 메톡시 폴리(프로필렌 글리콜), 디메톡시 폴리(프로필렌 글리콜), 폴리(비닐 알콜), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리올레핀, 산화 폴리올레핀 및 왁스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 유기 바인더는 수용성이 선호되고, 용융 온도 또는 액화 온도가 30℃ 내지 200℃ 사이에 있는 것이 바람직하고, 60℃ 내지 150℃에 있는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 유기바인더는 수용성인 경우 물로 용해시키면 쉽게 제거되며, 회분 잔량이 5 중량% 이하로 적은 경우 열처리 또는 연소공정으로 쉽게 제거할 수 있다.In step (b), the organic binder is sugar, oligosaccharide, malt, poly (ethylene glycol), methoxy poly (ethylene glycol), dimethoxy poly (ethylene glycol), poly (propylene glycol), methoxy poly (propylene glycol) ), dimethoxy poly(propylene glycol), poly(vinyl alcohol), poly(vinyl acetate), polyolefin, oxidized polyolefin, and wax. The organic binder is preferably water-soluble, and preferably has a melting temperature or liquefaction temperature between 30°C and 200°C, more preferably between 60°C and 150°C. In addition, when the organic binder is water-soluble, it can be easily removed by dissolving in water, and when the remaining amount of ash is less than 5% by weight, it can be easily removed by heat treatment or combustion.

단계 (b)에서, 상기 제2 혼합물이 상기 팽창된 흑연 10 내지 60 중량%; 및 상기 유기 바인더 40 내지 90 중량%; 를 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 팽창된 흑연 20 내지 40 중량%; 및 상기 유기 바인더 60 내지 80 중량%; 를 포함할 수 있다.In step (b), the second mixture is 10 to 60% by weight of the expanded graphite; and 40 to 90% by weight of the organic binder; It may include, preferably 20 to 40% by weight of the expanded graphite; and 60 to 80% by weight of the organic binder; can include

상기 제2 혼합물이 상기 팽창된 흑연을 10 중량% 미만으로 포함하면 너무 단단하고 비효율적이어서 바람직하지 않고, 60 중량% 초과하여 포함하면 브리틀하여 바람직하지 않다. 상기 제2 혼합물이 상기 유기 바인더를 40 중량% 미만으로 포함하면 부서지기가 쉬워 바람직하지 않고, 90 중량% 초과하여 포함하면 연마가 어려워 바람직하지 않다. If the second mixture contains less than 10% by weight of the expanded graphite, it is undesirably too hard and inefficient, and if it contains more than 60% by weight, it is brittle and undesirable. If the second mixture contains less than 40% by weight of the organic binder, it is not preferable because it is easily brittle, and if it contains more than 90% by weight, it is difficult to polish.

단계 (b)에서, 상기 혼합이 100 내지 200rpm에서 5 내지 30분 동안 수행될 수 있다. In step (b), the mixing may be performed at 100 to 200 rpm for 5 to 30 minutes.

마지막으로 상기 제2 혼합물을 분쇄하여 그래핀 나노플레이트릿을 제조한다(단계 c).Finally, the second mixture is pulverized to prepare graphene nanoplatelets (step c).

단계 (c)에서, 상기 분쇄가 볼밀(ball mill), 에어 밀(air mill). 에어-제트 밀(air-jet mill), 플래니터리 밀(planetary mill), 비드 밀(bead mill), 아트리션 밀(attrition mill) 또는 나노분쇄기로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 수행될 수 있다.In step (c), the grinding is performed by a ball mill or an air mill. Air-jet mill (air-jet mill), planetary mill (planetary mill), bead mill (bead mill), attrition mill (attrition mill), or may be carried out by any one selected from the group consisting of a nano grinder.

상기 혼합물은 40메쉬(방)에서 600메쉬 사이의 샌딩 페이퍼가 부착된 연마기로 쉽게 분말로 분쇄될 수 있는 데, 40메쉬에 가까울수록 입자가 거칠고 분쇄 속도가 빠르며, 600메쉬에 가까울수록 입자가 부드럽고 미세하게 분쇄된다. 연마기 대신 전통적인 전동 맷돌을 사용할 수도 있다.The mixture can be easily pulverized into powder with a grinding machine attached with sanding paper between 40 mesh (room) and 600 mesh. The closer to 40 mesh, the coarser and faster the grinding speed, and the closer to 600 mesh, the softer finely ground A traditional powered millstone can also be used instead of a grinder.

단계 (c)가 (c-1) 상기 제2 혼합물을 분쇄하여 분쇄된 혼합물을 제조하는 단계; 및 (c-2) 상기 분쇄된 혼합물의 유기바인더를 제거하여 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.Step (c) is (c-1) preparing a pulverized mixture by pulverizing the second mixture; and (c-2) preparing graphene nanoplatelets by removing organic binders from the pulverized mixture.

상기 분쇄된 혼합물에 포함된 유기바인더는 물 세척, 열처리 또는 연소로 쉽게 제거될 수 있다. 수용성 유기 바인더인 경우 물에 녹인 다음 여과하고 연속적으로 물로 세척한 후 건조시키면 상기 수용성 유기 바인더가 제거되고, 직경이 큰 다소 거친 상태의 그래핀 나노플레이트릿을 얻을 수 있으며, 회분이 적거나 거의 없는 유기바인더의 경우 단계 (a)와 동일한 열처리(600℃, 30분 이상) 또는 공기 중 연소공정을 통해 유기 바인더를 제거하여 그래핀 나노플레이트릿을 얻을 수 있다. The organic binder contained in the pulverized mixture can be easily removed by washing with water, heat treatment, or burning. In the case of a water-soluble organic binder, it is dissolved in water, filtered, continuously washed with water, and then dried to remove the water-soluble organic binder, and to obtain graphene nanoplatelets in a rather rough state with a large diameter and little or almost no ash. In the case of an organic binder, graphene nanoplatelets can be obtained by removing the organic binder through the same heat treatment (600° C., 30 minutes or more) as in step (a) or a combustion process in air.

단계 (c)에서, 상기 그래핀 나노플레이트릿의 직경이 10 내지 150μm 이고, 상기 그래핀 나노플레이트릿의 두께는 5 내지 50nm 일 수 있다.In step (c), the diameter of the graphene nanoplatelet may be 10 to 150 μm, and the thickness of the graphene nanoplatelet may be 5 to 50 nm.

단계 (c) 이후에, (d) 상기 그래핀 나노플레이트릿의 입자크기를 조절하여 입자크기가 조절된 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.After step (c), (d) adjusting the particle size of the graphene nanoplatelet to prepare a graphene nanoplatelet having a controlled particle size; may be further included.

단계 (d)에서, 상기 입자크기가 조절된 그래핀 나노플레이트릿의 직경이 1 내지 30μm 이고, 상기 입자크기가 조절된 그래핀 나노플레이트릿의 두께가 1 내지 10nm 일 수 있다. In step (d), the diameter of the graphene nanoplatelet whose particle size is controlled may be 1 to 30 μm, and the thickness of the graphene nanoplatelet whose particle size is controlled may be 1 to 10 nm.

단계 (d)는 볼밀(ball mill), 에어 밀(air mill). 에어-제트 밀(air-jet mill), 플래니터리 밀(planetary mill), 비드 밀(bead mill), 아트리션 밀(attrition mill) 또는 나노분쇄기 등을 이용하여 거친 상태의 그래핀 나노플레이트릿을 25μm 이하의 직경과 10nm 이하의 두께를 갖는 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계일 수 있다. Step (d) is a ball mill, an air mill. Graphene nanoplatelets in a rough state are prepared using an air-jet mill, planetary mill, bead mill, attrition mill, or nano mill. It may be a step of preparing a graphene nanoplatelet having a diameter of 25 μm or less and a thickness of 10 nm or less.

상기 입자크기가 조절된 그래핀 나노플레이트릿은 고분자 강화제로 바로 사용하거나, 체(sieve)로 치거나 분급한 다음 고분자 강화제로 사용할 수도 있다. 100메쉬(mesh) 체는 150μm 이하, 325메쉬 체는 44μm 이하, 그리고 500 메쉬 체는 25μm 이하의 그래핀 나노플레이트릿을 얻을 수 있다. 대량 생산 시에는 사이클론 기술을 적용한 다양한 개회로 또는 폐회로 분체 분급기 등 다른 분급 장치도 사용 가능하다.The graphene nanoplatelet having a controlled particle size may be directly used as a polymer reinforcing agent, or may be used as a polymer reinforcing agent after being sieved or classified. Graphene nanoplatelets with a 100 mesh sieve of 150 μm or less, a 325 mesh sieve of 44 μm or less, and a 500 mesh sieve of 25 μm or less can be obtained. For mass production, other classifiers are also available, such as various open or closed circuit sieves classifiers with cyclone technology.

이하, 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법을 포함하는 고분자 나노복합재료의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a polymer nanocomposite material including a method for manufacturing a graphene nanoplatelet will be described in detail.

본 발명은 (a) 상기 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법에 따라 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계; 및 (b) 열경화성 고분자 및 열가소성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 컴파운드 및 상기 그래핀 나노플레이트릿를 혼합하여 고분자 나노복합재료 조성물을 제조하는 단계;를 포함하는 고분자 나노복합재료 조성물의 제조방법을 제공한다.The present invention includes (a) preparing a graphene nanoplatelet according to the manufacturing method of the graphene nanoplatelet; and (b) preparing a polymer nanocomposite composition by mixing a polymer compound containing at least one selected from the group consisting of a thermosetting polymer and a thermoplastic polymer and the graphene nanoplatelet. A manufacturing method is provided.

단계 (b)가 (b-1) 상기 그래핀 나노플레이트릿 및 상기 고분자 컴파운드를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 (b-2) 상기 혼합물을 사출하여 고분자 나노복합재료 조성물을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.In step (b), (b-1) preparing a mixture by mixing the graphene nanoplatelets and the polymer compound; and (b-2) preparing a polymer nanocomposite material composition by injecting the mixture.

단계 (b-1) 이후에, (b-1-1) 상기 혼합물을 압출혼련하여 압출혼련된 혼합물을 제조하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.After step (b-1), (b-1-1) preparing an extrusion-kneaded mixture by extrusion-kneading the mixture; may further include.

단계 (b-1-1)에서, 상기 압출혼련은 일축압출기 보다 이축압출기가 선호되며 활제, 1차 및 2차 산화방지제, 광안정제, 착색제, 충진제, 강화제, 충격보강제 및/또는 난연제를 추가하여 최종 성형 원료를 제공할 수 있다. 또한, 그래핀 나노플레이트릿의 분산 및 고분자와의 상호작용을 높이기 위해 계면활성제(예를 들면 Triton X-100)와 커플링제를 첨가할 수 있다.In step (b-1-1), the twin-screw extruder is preferred over the single-screw extruder, and a lubricant, primary and secondary antioxidants, light stabilizers, colorants, fillers, reinforcing agents, impact modifiers and / or flame retardants are added to the extrusion kneading. Final molding raw materials can be provided. In addition, a surfactant (for example, Triton X-100) and a coupling agent may be added to increase the dispersion of the graphene nanoplatelet and the interaction with the polymer.

상기 고분자 나노복합재료 조성물이 산화방지제, 광안정제, 열안정제, 강화제, 미끄럼방지제, 항생물제 (biocides), 착색제, 난연제, 계면활성제, 커플링제, 충격보강제, 섬유 강화제(유리섬유, 탄소섬유 등) 및 내마모제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.The polymer nanocomposite composition is an antioxidant, a light stabilizer, a heat stabilizer, a reinforcing agent, an anti-slip agent, an antibiotic (biocides), a colorant, a flame retardant, a surfactant, a coupling agent, an impact modifier, a fiber reinforcing agent (glass fiber, carbon fiber, etc.) ) and at least one selected from the group consisting of antiwear agents.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, this is for illustrative purposes and the scope of the present invention is not limited thereby.

[실시예] [Example]

실시예 1: 그래핀 나노플레이트릿Example 1: Graphene nanoplatelets

팽창 흑연 ES 20 C200(Qingdao Kropfmuehl Graphite Co.) 40g을 전기로에서 600℃, 30분간 열처리하여 약 36g을 얻었다. 이때 겉보기 밀도가 0.033 g/cm3이었다. 이후, 열처리한 팽창흑연을 실리콘 판 상에 올려 이때의 주사전자 현미경 사진을 도 1에 도시하였다. 이어서 상기 열처리한 팽창흑연을 도 2에 나타낸 실리콘 맷돌 장치로 분쇄하여 겉보기 밀도가 0.21 g/cm3인 분쇄한 팽창흑연 분말을 얻었다. 이렇게 얻은 상기 분쇄한 팽창흑연 분말 30g과 평균분자량(Mw)이 2000인 폴리(에틸렌 글리콜) 60g을 250ml 비이커에 담고 150℃로 가열하면서 교반기로 150rpm에서 10분간 교반하여 균일하게 섞은 다음 실린더 형태의 몰드에 붓고, 냉각하여 지름이 15cm인 디스크 모양의 혼합물을 얻었다. 상기 디스크 모양의 혼합물을 40메쉬 센딩 페이퍼가 부착된 연마기로 연마 분쇄하여 고운 혼합물 분말을 얻었고, 이를 다시 전기로에서 600℃, 30분간 열처리하여 그래핀 나노플레이트릿을 제조하였다. 최종적으로 상기 그래핀 나노플레이트릿을 볼밀에서 분쇄하고 500메쉬 체로 치는 작업을 반복하여 직경 30μm 이하, 두께 8 nm의 그래핀 나노플레이트릿을 얻었으며, 이때 얻은 그래핀 나노플레이트릿의 주사전자 현미경 사진을 도 3에 도시하였다.40 g of expanded graphite ES 20 C200 (Qingdao Kropfmuehl Graphite Co.) was heat-treated in an electric furnace at 600° C. for 30 minutes to obtain about 36 g. At this time, the apparent density was 0.033 g/cm 3 . Thereafter, the heat-treated expanded graphite was placed on a silicon plate, and a scanning electron micrograph at this time was shown in FIG. 1 . Subsequently, the heat-treated expanded graphite was pulverized with a silicon millstone device shown in FIG. 2 to obtain a pulverized expanded graphite powder having an apparent density of 0.21 g/cm 3 . 30 g of the pulverized expanded graphite powder thus obtained and 60 g of poly (ethylene glycol) having an average molecular weight (Mw) of 2000 were placed in a 250 ml beaker, heated to 150 ° C, and stirred at 150 rpm for 10 minutes with a stirrer to uniformly mix, and then a cylinder-shaped mold After cooling, a disc-shaped mixture with a diameter of 15 cm was obtained. The disk-shaped mixture was polished and pulverized with a grinder attached with 40 mesh sanding paper to obtain a fine mixture powder, and then heat-treated in an electric furnace at 600° C. for 30 minutes to prepare graphene nanoplatelets. Finally, the graphene nanoplatelets were pulverized in a ball mill and sieving with a 500 mesh was repeated to obtain graphene nanoplatelets having a diameter of 30 μm or less and a thickness of 8 nm. Scanning electron micrograph of the graphene nanoplatelets obtained at this time is shown in Figure 3.

[고분자 나노복합재료][Polymer nanocomposite material]

실시예 2 내지 4Examples 2 to 4

LG화학에서 판매하는 비할로겐 난연 PC/ABS 블렌드인 LUPOY GN5001RF, 실시예 1에 따라 제조된 그래핀 나노플레이트릿을 하기 표 1에 주어진 비율대로 건식 혼합한 다음, 하기 표 1에 주어진 비율대로 산화방지제를 추가하고, 이축 압출기(한국 EM 주식회사, STS-25-40-2V 모델)로 최대온도 270℃에서 150rpm으로 혼련하였다. 이때 상기 LUPOY GN5001RF는 80℃ 건조기에서 4시간 건조한 것을 사용하였고, 상기 LUPOY GN5001RF는 폴리카보네이트 40 내지 80 중량부, 아크릴로-니트릴-스티렌 삼원공중합체 5 내지 20 중량부, 및 난연제인 비스페놀 디페닐 포스페이트 5 내지 20 중량부를 포함한다. 상기 산화방지제는 1차 산화방지제(Songnox 1010)와 2차 산화방지제(Songnox 1680)의 1:2 블렌드 제품인 송원산업의 Songnox 21B를 0.2중량부 첨가하였다. LUPOY GN5001RF, a non-halogen flame retardant PC/ABS blend sold by LG Chem, graphene nanoplatelets prepared according to Example 1 were dry mixed in the proportions given in Table 1 below, and then antioxidants were added in the proportions given in Table 1 below. was added, and kneaded at 150 rpm at a maximum temperature of 270 ° C. with a twin screw extruder (Korea EM Co., Ltd., STS-25-40-2V model). At this time, the LUPOY GN5001RF was dried in a dryer at 80 ° C. for 4 hours, and the LUPOY GN5001RF contained 40 to 80 parts by weight of polycarbonate, 5 to 20 parts by weight of an acrylo-nitrile-styrene terpolymer, and bisphenol diphenyl phosphate as a flame retardant. 5 to 20 parts by weight. As the antioxidant, 0.2 parts by weight of Songnox 21B from Songwon, which is a 1:2 blend product of a primary antioxidant (Songnox 1010) and a secondary antioxidant (Songnox 1680), was added.

상기 이축 압출기를 통해 압출된 스트랜드(strand)는 냉각 수조에서 식힌 다음 펠릿타이저로 펠릿화한 것을 오븐건조기에서 80℃로 24시간 건조하고, 사출기(대한전선 LDH-75N 모델)로 최대온도 270℃에서 시편을 제조하여 제반 물성을 평가하였다. The strand extruded through the twin screw extruder is cooled in a cooling water bath, then pelletized with a pelletizer, dried in an oven dryer at 80 ° C for 24 hours, and an extruder (Daihan Electric Wire LDH-75N model) at a maximum temperature of 270 ° C Specimens were prepared and various physical properties were evaluated.

실시예 5 및 6Examples 5 and 6

LG화학에서 판매하는 비할로겐 난연 PC/ABS 블렌드인 LUPOY GN5001RF, 실시예 1에 따라 제조된 그래핀 나노플레이트릿을 하기 표 1에 주어진 비율대로 건식 혼합한 다음, 하기 표 1에 주어진 비율대로 산화방지제를 추가하고, 바로 사출기(대한전선 LDH-75N 모델)로 최대온도 270℃에서 시편을 제조하여 제반 물성을 평가하였다. 이때 상기 LUPOY GN5001RF는 80℃ 건조기에서 4시간 건조한 것을 사용하였고, 상기 산화방지제는 1차 산화방지제(Songnox 1010)와 2차 산화방지제(Songnox 1680)의 1:2 블렌드 제품인 송원산업의 Songnox 21B를 0.2중량부 첨가하였다.LUPOY GN5001RF, a non-halogen flame retardant PC/ABS blend sold by LG Chem, graphene nanoplatelets prepared according to Example 1 were dry mixed in the proportions given in Table 1 below, and then antioxidants were added in the proportions given in Table 1 below. was added, and a specimen was immediately prepared at a maximum temperature of 270 ° C using an injection molding machine (model LDH-75N of Taihan Electric Wire) to evaluate various physical properties. At this time, the LUPOY GN5001RF was dried in a dryer at 80 ° C for 4 hours, and the antioxidant was 0.2 Added by weight.

비교예 1Comparative Example 1

LG화학에서 판매하는 비할로겐 난연 PC/ABS 블렌드인 LUPOY GN5001RF 및 산화방지제를 하기 표 1에 주어진 비율대로 혼합한 다음, 이축 압출기(한국 EM 주식회사, STS-25-40-2V 모델)로 최대온도 270℃에서 150rpm으로 혼련하였다. 이때 상기 LUPOY GN5001RF는 80℃ 건조기에서 4시간 건조한 것을 사용하였고, 상기 산화방지제는 1차 산화방지제(Songnox 1010)와 2차 산화방지제(Songnox 1680)의 1:2 블렌드 제품인 송원산업의 Songnox 21B를 0.2중량부 첨가하였다. After mixing LUPOY GN5001RF, a non-halogen flame retardant PC/ABS blend sold by LG Chem, and an antioxidant in the ratio given in Table 1 below, the maximum temperature of 270 It was kneaded at 150 rpm at °C. At this time, the LUPOY GN5001RF was dried in a dryer at 80 ° C for 4 hours, and the antioxidant was 0.2 Added by weight.

상기 이축 압출기를 통해 압출된 스트랜드는 냉각 수조에서 식힌 다음 펠릿타이저로 펠릿화한 것을 오븐건조기에서 80℃로 24시간 건조하고, 사출기(대한전선 LDH-75N 모델)로 최대온도 270℃에서 시편을 제조하여 제반 물성을 평가하였다. The strand extruded through the twin-screw extruder is cooled in a cooling water bath, then pelletized with a pelletizer, dried in an oven dryer at 80 ° C for 24 hours, and a specimen at a maximum temperature of 270 ° C with an extruder (model LDH-75N of Taihan Electric Wire) It was prepared and various physical properties were evaluated.

비교예 2Comparative Example 2

LG화학에서 판매하는 비할로겐 난연 PC/ABS 블렌드인 LUPOY GN5001RF, 열처리 팽창 흑연 분말을 하기 표 1에 주어진 비율대로 건식 혼합한 다음, 하기 표 1에 주어진 비율대로 산화방지제를 추가하고, 이축 압출기(한국 EM 주식회사, STS-25-40-2V 모델)로 최대온도 270℃에서 150rpm으로 혼련하였다. 이때 상기 LUPOY GN5001RF는 80℃ 건조기에서 4시간 건조한 것을 사용하였고, 상기 산화방지제는 1차 산화방지제(Songnox 1010)와 2차 산화방지제(Songnox 1680)의 1:2 블렌드 제품인 송원산업의 Songnox 21B를 0.2중량부 첨가하였다. 또한 상기 열처리 팽창 흑연 분말은 팽창 흑연 ES 20 C200(Qingdao Kropfmuehl Graphite Co.) 40g을 전기로에서 600℃, 30분간 열처리하여 얻은 분말로, 겉보기 밀도가 0.033 g/cm3이다.LUPOY GN5001RF, a non-halogen flame retardant PC/ABS blend sold by LG Chem, and heat-treated expanded graphite powder were dry mixed in the proportions given in Table 1 below, then antioxidants were added in the proportions given in Table 1 below, and a twin-screw extruder (Korea) EM Co., Ltd., STS-25-40-2V model) was kneaded at 150 rpm at a maximum temperature of 270 ° C. At this time, the LUPOY GN5001RF was dried in a dryer at 80 ° C for 4 hours, and the antioxidant was 0.2 Added by weight. In addition, the heat-treated expanded graphite powder is a powder obtained by heat-treating 40 g of expanded graphite ES 20 C200 (Qingdao Kropfmuehl Graphite Co.) in an electric furnace at 600° C. for 30 minutes, and has an apparent density of 0.033 g/cm 3 .

상기 이축 압출기를 통해 압출된 스트랜드는 냉각 수조에서 식힌 다음 펠릿타이저로 펠릿화한 것을 오븐건조기에서 80℃로 24시간 건조하고, 사출기(대한전선 LDH-75N 모델)로 최대온도 270℃에서 시편을 제조하여 제반 물성을 평가하였다. The strand extruded through the twin-screw extruder is cooled in a cooling water bath, then pelletized with a pelletizer, dried in an oven dryer at 80 ° C for 24 hours, and a specimen at a maximum temperature of 270 ° C with an extruder (model LDH-75N of Taihan Electric Wire) It was prepared and various physical properties were evaluated.

비교예 3Comparative Example 3

LG화학에서 판매하는 비할로겐 난연 PC/ABS 블렌드인 LUPOY GN5001RF, 열처리 팽창 흑연 분말을 하기 표 1에 주어진 비율대로 건식 혼합한 다음, 하기 표 1에 주어진 비율대로 산화방지제를 추가하고, 바로 사출기(대한전선 LDH-75N 모델)로 최대온도 270℃에서 시편을 제조하여 제반 물성을 평가하였다. 이때 상기 LUPOY GN5001RF는 80℃ 건조기에서 4시간 건조한 것을 사용하였고, 상기 산화방지제는 1차 산화방지제(Songnox 1010)와 2차 산화방지제(Songnox 1680)의 1:2 블렌드 제품인 송원산업의 Songnox 21B를 0.2중량부 첨가하였다. 또한 상기 열처리 팽창 흑연 분말은 팽창 흑연 ES 20 C200(Qingdao Kropfmuehl Graphite Co.) 40g을 전기로에서 600℃, 30분간 열처리하여 얻은 분말로, 겉보기 밀도가 0.033 g/cm3이다.LUPOY GN5001RF, a non-halogen flame retardant PC/ABS blend sold by LG Chem, and heat-treated expanded graphite powder were dry mixed in the proportions given in Table 1 below, then antioxidants were added in the proportions given in Table 1 below, and immediately injected into the injection molding machine (for Wire LDH-75N model), specimens were prepared at a maximum temperature of 270 ° C, and various physical properties were evaluated. At this time, the LUPOY GN5001RF was dried in a dryer at 80 ° C for 4 hours, and the antioxidant was 0.2 Added by weight. In addition, the heat-treated expanded graphite powder is a powder obtained by heat-treating 40 g of expanded graphite ES 20 C200 (Qingdao Kropfmuehl Graphite Co.) in an electric furnace at 600° C. for 30 minutes, and has an apparent density of 0.033 g/cm 3 .

상기와 같은 방법으로 제조한 실시예 2 내지 6 및 비교예 1 내지 3의 비할로겐 난연 PC/ABS 나노복합재료의 조성을 하기 표 1에 기재하였다.The composition of the non-halogen flame retardant PC/ABS nanocomposites of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 prepared by the above method is shown in Table 1 below.

구분division 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 LUPOY GN5001RFLUPOY GN5001RF 99.799.7 99.699.6 99.399.3 99.799.7 99.699.6 99.899.8 99.799.7 99.799.7 실시예 1
(그래핀 나노플레이트릿)
Example 1
(graphene nanoplatelets)
0.10.1 0.20.2 0.50.5 0.10.1 0.20.2 -- -- --
열처리 팽창 흑연heat treated expanded graphite -- -- -- -- -- -- 0.10.1 0.10.1 산화방지제
(Songnox 21B)
antioxidant
(Songnox 21B)
0.20.2 0.20.2 0.20.2 0.20.2 0.20.2 0.20.2 0.20.2 0.20.2

[시험예] [Test Example]

시험예 1: 기계적 특성 분석Test Example 1: Mechanical Characteristics Analysis

실시예 2 내지 6 및 비교예 1 내지 3의 고분자 나노복합재료의 물성은 하기와 같은 방법으로 측정했고, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.The physical properties of the polymer nanocomposites of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were measured in the following manner, and the results are shown in Table 2 below.

1) 인장강도, 인장탄성률 및 신율: 3.2mm 인장시편, ASTM D 638 1) Tensile strength, tensile modulus and elongation: 3.2mm tensile specimen, ASTM D 638

2) 굴곡강도 및 굴곡탄성률: 6.4mm 막대시편, ASTM D 7902) Flexural strength and flexural modulus: 6.4mm bar specimen, ASTM D 790

3) 충격강도(Notched Izod): 3.2mm 막대시편, ASTM D 2563) Impact strength (Notched Izod): 3.2mm bar specimen, ASTM D 256

4) 난연성: 두께 1.6mm 막대 시편 5개에 대해 UL 94 수직연소 시험4) Flame retardancy: UL 94 vertical burning test on 5 bar specimens with a thickness of 1.6 mm

구분division 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 실시예5Example 5 실시예6Example 6 비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 비교예3Comparative Example 3 항복 인장강도(MPa)Yield tensile strength (MPa) 6161 6060 6060 5959 6161 6060 5858 5959 인장탄성률(GPa)Tensile Modulus (GPa) 2.32.3 2.42.4 2.52.5 2.22.2 2.32.3 2.12.1 2.22.2 2.22.2 신율(%)Elongation (%) 4343 4040 3535 4444 3939 4545 4242 4343 굴곡강도(MPa)Flexural strength (MPa) 8888 9191 9898 8787 8989 8383 8585 8484 굴곡탄성률(GPa)Flexural modulus (GPa) 2.12.1 2.32.3 2.72.7 2.02.0 2.22.2 1.91.9 2.02.0 1.91.9 충격강도
(J/m)
impact strength
(J/m)
401401 405405 413413 397397 400400 395395 390390 395395
난연성
(UL 94 V)
flame retardant
(UL 94V)
V0V0 V0V0 V0V0 V0V0 V0V0 V0V0 V0V0 V0V0

표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 나노플레이트릿 강화 비할로겐 난연 PC/ABS 나노복합재료의 기계적 물성은 순수한 비할로겐 난연 PC/ABS(비교예 1) 보다 전반적으로 향상된 결과를 보였다. 다만, 항복점 인장강도는 거의 일정하였으며 충격강도는 약간 상승하였다. 압출 혼련한 나노복합재료(실시예 2 내지 4)의 기계적 물성이 직접 사출한 나노복합재료(실시예 5 및 6) 보다 약간 더 우수하였고 이는 압출 혼련에 의해 그래핀 나노플레이트릿의 분산이 더 우수하기 때문으로 사료된다. Referring to Table 2, the mechanical properties of the graphene nanoplatelet-reinforced non-halogen flame retardant PC/ABS nanocomposite according to the present invention showed overall improved results compared to pure non-halogen flame retardant PC/ABS (Comparative Example 1). However, the yield point tensile strength was almost constant, and the impact strength slightly increased. The mechanical properties of the extrusion-kneaded nanocomposites (Examples 2 to 4) were slightly better than those of the directly injected nanocomposites (Examples 5 and 6), indicating better dispersion of graphene nanoplatelets by extrusion-kneading. It is presumed to be because

또한 그래핀 나노플레이트릿을 0.5 중량% 첨가한 실시예 4의 경우 첨가하지 않은 비교예 1에 비해 인장탄성률은 19% 증가하였고, 굴곡강도는 13%, 굴곡탄성률은 42% 증가하였다. 그래핀 나노플레이트릿은 탄소나노튜브 또는 카본 블랙에 비해 기계적 물성 강화효과가 크고 특히 판상으로 인해 굴곡특성 및 인장탄성률이 크게 향상된 것으로 판단된다. 따라서 본 발명에 따른 그래핀 나노플레이트릿을 2 중량% 이상 첨가하면 인장 및 굴곡 탄성률은 크게 증가하나 점도가 높아져 사출 가공이 어려워진다. 특히 중량이 1kg 이상의 대형 사출품을 가공하기 매우 힘들어지므로 가공성을 유지하면서 기계적 물성을 향상시키기 위해서는 그래핀 나노플레이트릿의 함량을 1.5 중량% 이하로 낮게 첨가하는 것이 바람직하다.In addition, in the case of Example 4 in which 0.5% by weight of graphene nanoplatelet was added, the tensile modulus increased by 19%, the flexural strength increased by 13%, and the flexural modulus increased by 42% compared to Comparative Example 1 without the addition. Compared to carbon nanotubes or carbon black, the graphene nanoplatelet has a greater effect on reinforcing mechanical properties, and in particular, it is determined that the bending properties and tensile modulus are significantly improved due to the plate shape. Therefore, when 2% by weight or more of the graphene nanoplatelet according to the present invention is added, the tensile and flexural moduli greatly increase, but the viscosity increases, making injection processing difficult. In particular, since it is very difficult to process a large-scale injection molding product weighing 1 kg or more, it is preferable to add a graphene nanoplatelet content as low as 1.5% by weight or less in order to improve mechanical properties while maintaining processability.

시험예 2: SEM 이미지 분석Test Example 2: SEM image analysis

도 2는 본 발명의 어느 하나의 실시예에 사용된 팽창 흑연의 주사전자 현미경 사진이고, 도 3은 본 발명의 어느 하나의 실시예에 사용된 실리콘 맷돌 장치(왼) 및 상기 실리콘 맷돌 장치를 통해 분쇄된 팽창 흑연의 사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 그래핀 나노플레이트릿의 주사전자 현미경 사진이다.2 is a scanning electron micrograph of expanded graphite used in any one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a silicon millstone device (left) used in any one embodiment of the present invention and through the silicon millstone device It is a photograph of pulverized expanded graphite, and FIG. 4 is a scanning electron micrograph of a graphene nanoplatelet according to the present invention.

도 2 내지 4에 따르면, 실시예 1에 사용된 팽창된 흑연은 수십 층으로 쪼개진 판이 적층된 모습이 확인되며 층 사이의 비어있는 공간으로 인해 밀도가 매우 낮은, 즉 겉보기 밀도가 0.01 내지 0.05 g/cm3 사이에 분포하는 것을 확인할 수 있었다(도 2). 또한 실리콘 맷돌 장치로 인해 적층구조가 깨지면서 겉보기 밀도가 상승되고(도 3), 최종적으로 입자크기가 조절된 직경 30μm 이하, 두께 8 nm의 그래핀 나노플레이트릿을 확인할 수 있었다.According to FIGS. 2 to 4, the expanded graphite used in Example 1 is confirmed to be stacked with sheets divided into several tens of layers, and has a very low density, that is, an apparent density of 0.01 to 0.05 g / It was confirmed that it was distributed between cm 3 (FIG. 2). In addition, the apparent density increased as the layered structure was broken by the silicon milling device (FIG. 3), and finally, graphene nanoplatelets with a diameter of 30 μm or less and a thickness of 8 nm with a controlled particle size were confirmed.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In the above, the preferred embodiments of the present invention have been described, but those skilled in the art can add, change, delete or modify components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. Various modifications and changes may be made to the present invention by addition or the like, which will also be included within the scope of the present invention. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (9)

열가소성 고분자 및 열경화성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 컴파운드; 및
그래핀 나노플레이트릿; 을
포함하는 고분자 나노복합재료 조성물.
A polymer compound containing at least one selected from the group consisting of thermoplastic polymers and thermosetting polymers; and
graphene nanoplatelets; second
A polymer nanocomposite material composition comprising:
제1항에 있어서,
상기 고분자 컴파운드가 폴리카보네이트(PC) 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS)를 포함하는 PC/ABS 컴파운드인 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합재료 조성물.
According to claim 1,
The polymer nanocomposite composition, characterized in that the polymer compound is a PC / ABS compound containing polycarbonate (PC) and acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS).
(a) 흑연을 포함하는 제1 혼합물을 열처리하여 팽창된 흑연을 제조하는 단계;
(b) 상기 팽창된 흑연 및 유기 바인더를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 제2 혼합물을 분쇄하여 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계;를
포함하는 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법.
(a) preparing expanded graphite by heat-treating a first mixture including graphite;
(b) preparing a second mixture by mixing the expanded graphite and an organic binder; and
(c) preparing a graphene nanoplatelet by grinding the second mixture;
A method for producing a graphene nanoplatelet comprising:
제3항에 있어서,
단계 (a)에서,
상기 제1 혼합물이 산 물질을 포함하고,
상기 산 물질이 황산 또는 질산을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법.
According to claim 3,
In step (a),
the first mixture comprises an acid substance;
Method for producing a graphene nanoplatelet, characterized in that the acid material comprises sulfuric acid or nitric acid.
제3항에 있어서,
단계 (a) 이후에,
(a') 상기 팽창된 흑연을 분쇄하여 겉보기 밀도가 높아진 팽창된 흑연을 제조하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법.
According to claim 3,
After step (a),
(a') grinding the expanded graphite to prepare expanded graphite having a high apparent density;
제3항에 있어서,
단계 (b)에서,
상기 유기 바인더가 설탕, 올리고당, 엿기름, 폴리(에틸렌 글리콜), 메톡시 폴리(에틸렌 글리콜), 디메톡시 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(프로필렌 글리콜), 메톡시 폴리(프로필렌 글리콜), 디메톡시 폴리(프로필렌 글리콜), 폴리(비닐 알콜), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리올레핀, 산화 폴리올레핀 및 왁스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법.
According to claim 3,
In step (b),
The organic binder is sugar, oligosaccharide, malt, poly (ethylene glycol), methoxy poly (ethylene glycol), dimethoxy poly (ethylene glycol), poly (propylene glycol), methoxy poly (propylene glycol), dimethoxy poly ( Propylene glycol), poly(vinyl alcohol), poly(vinyl acetate), polyolefins, oxidized polyolefins, and waxes.
제3항에 있어서,
단계 (c)가
(c-1) 상기 제2 혼합물을 분쇄하여 분쇄된 혼합물을 제조하는 단계;
(c-2) 상기 분쇄된 혼합물의 유기바인더를 제거하여 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법.
According to claim 3,
step (c)
(c-1) preparing a pulverized mixture by pulverizing the second mixture;
(c-2) preparing a graphene nanoplatelet by removing the organic binder of the pulverized mixture.
제3항에 있어서,
단계 (c) 이후에,
(d) 상기 그래핀 나노플레이트릿의 입자크기를 조절하여 입자크기가 조절된 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노플레이트릿의 제조방법.
According to claim 3,
After step (c),
(d) adjusting the particle size of the graphene nanoplatelet to prepare a graphene nanoplatelet having a controlled particle size;
(a) 제3항의 제조방법에 따라 그래핀 나노플레이트릿을 제조하는 단계; 및
(b) 열경화성 고분자 및 열가소성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 컴파운드 및 상기 그래핀 나노플레이트릿을 혼합하여 고분자 나노복합재료 조성물을 제조하는 단계;를
포함하는 고분자 나노복합재료 조성물의 제조방법.
(a) preparing a graphene nanoplatelet according to the manufacturing method of claim 3; and
(b) preparing a polymer nanocomposite material composition by mixing a polymer compound containing at least one selected from the group consisting of a thermosetting polymer and a thermoplastic polymer and the graphene nanoplatelet;
A method for producing a polymer nanocomposite material composition comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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