KR20230122079A - 전자 모듈 - Google Patents

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KR20230122079A
KR20230122079A KR1020237023887A KR20237023887A KR20230122079A KR 20230122079 A KR20230122079 A KR 20230122079A KR 1020237023887 A KR1020237023887 A KR 1020237023887A KR 20237023887 A KR20237023887 A KR 20237023887A KR 20230122079 A KR20230122079 A KR 20230122079A
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electronic module
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polymer
fibers
module
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KR1020237023887A
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데이비드 더블유 이스텝
아론 에이치 존슨
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티코나 엘엘씨
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Abstract

적어도 하나의 전자 컴포넌트를 수용하는 하우징을 포함하는 전자 모듈이 개시된다. 상기 하우징은, 열가소성 중합체를 함유하는 중합체 매트릭스 및 상기 중합체 매트릭스 내에 분포된 복수의 강화 장섬유를 포함하는 섬유-강화된 중합체 조성물을 함유한다. 상기 중합체 조성물은 2 GHz 주파수에서 약 4 이하의 유전 상수 및 약 0.01 이하의 손실 계수(dissipation factor)를 나타낸다. 상기 중합체 조성물은, 약 23℃의 온도에서 ISO 시험 번호 179-1:2010에 따라 결정시, 약 20 kJ/m2 이상의 샤르피 비-노취 충격 강도(Charpy unnotched impact strength)를 추가로 나타낸다.

Description

전자 모듈
본 발명은 전자 모듈에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2020년 12월 17일자로 출원된 미국 특허 가출원 제63/126,598호 및 2021년 4월 7일자로 출원된 미국 특허 가출원 제63/171,604호를 우선권으로 주장하며, 이들 가출원 전체를 본원에 참고로 인용한다.
전자 모듈은 전형적으로, 날씨(예컨대, 태양광, 바람 및 습기)로부터의 보호를 위해 하우징 구조(레이돔(radome)) 내에 수용되는 전자 컴포넌트(예를 들면, 인쇄 회로 기판, 안테나 부재, 무선 주파수 장치, 센서, 광 감지 및/또는 전송 부재(예컨대, 광섬유), 카메라, 전세계 위치파악(global positioning) 장치 등)을 포함한다. 전형적으로, 상기 하우징은, 전자기 신호(예를 들어, 무선 주파수 신호 또는 광)의 통과를 허용하는 물질로 형성된다. 상기 물질은 몇몇 용도에는 적합하지만, 그럼에도 불구하고 더 고 주파수 범위(예컨대, LTE 또는 5G 시스템과 관련된 것)에서는 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로, 필요한 정도의 강도를 갖는 대부분의 통상적인 물질은 고 주파수에서 비교적 높은 손실 계수(dissipation factor)(손실 탄젠트) 및 유전 상수를 나타내는 경우가 많으며, 이는 허용불가능한 수준의 전자기 신호 손실을 초래한다. 반대로, 저 손실 물질은 불량한 정도의 강도를 나타내거나 다른 문제(예컨대, 낮은 정도의 난연성)을 갖는 경향이 있다. 이와 같이, 전자 모듈을 위한 개선된 물질에 대한 필요성이 현재 존재한다.
본 발명의 하나의 실시양태에 따르면, 적어도 하나의 전자 컴포넌트를 수용하는 하우징을 포함하는 전자 모듈(예를 들어, 안테나 모듈, 레이더 모듈, 광선 레이더(lidar) 모듈, 카메라 모듈 등)이 개시된다. 상기 하우징은, 열가소성 중합체를 함유하는 중합체 매트릭스 및 상기 중합체 매트릭스 내에 분포된 복수의 강화 장섬유(long reinforcing fiber)를 포함하는 섬유 강화 중합체 조성물을 함유한다. 상기 고분자 조성물은, 2 GHz 주파수에서 약 4 이하의 유전 상수 및 약 0.01 이하의 손실 계수를 나타낸다. 또한, 상기 중합체 조성물은, 약 23℃의 온도에서 ISO 시험 번호 179-1:2010에 따라 결정시, 약 20 kJ/m2 이상의 샤르피 비노치 충격 강도(Charpy unnotched impact strength)를 나타낸다 .
본 발명의 다른 특징 및 양태는 하기에 더 상세히 개시된다.
첨부된 도면에 대한 참조를 포함하여, 본 발명의 완전하고 가능한 개시내용(당업자에게 최적의 방식 포함)은 본원 명세서의 나머지 부분에 더욱 구체적으로 개시된다.
도 1은, 본 발명의 중합체 조성물을 형성하는 데 사용될 수 있는 시스템의 하나의 실시양태의 개략적 예시이다.
도 2는, 도 1에 도시된 시스템에 사용될 수 있는 함침 다이의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 중합체 조성물을 사용할 수 있는 전자 모듈의 하나의 실시양태의 분해 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 전자 모듈을 사용할 수 있는 5G 시스템의 하나의 실시양태를 도시한다.
당업자는, 본 논의가 예시적인 실시양태의 설명일 뿐이며 본 발명의 더 넓은 양태를 제한하는 것으로 의도되지 않음을 이해해야 한다.
일반적으로 말해서, 본 발명은, 하나 이상의 전자 컴포넌트(예컨대, 인쇄 회로 기판, 안테나 부재, 무선 주파수 감지 장치, 센서, 광 감지 및/또는 전송 부재(예컨대, 광섬유), 카메라, 전세계 위치파악 장치 등)에 관한 것이다. 상기 하우징은, 열가소성 중합체를 함유하는 중합체 매트릭스 및 상기 중합체 매트릭스 내에 분포된 복수의 강화 장섬유를 포함하는 섬유-강화된 중합체 조성물을 함유한다. 상기 중합체 조성물의 성분의 특정 성질 및 농도를 신중하게 선택함으로써, 본 발명자들은, 생성된 조성물이 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 낮은 유전 상수 및 손실 계수를 나타낼 수 있다는 것을 발견하였다. 즉, 상기 중합체 조성물은 고 주파수(예를 들어, 2 또는 10 GHz)에 걸쳐 약 4 이하, 몇몇 실시양태에서 약 3.5 이하, 몇몇 실시양태에서 약 0.1 내지 약 3.4, 몇몇 실시양태에서 약 1 내지 약 3.3, 몇몇 실시양태에서 약 1.5 내지 약 3.2, 몇몇 실시양태에서 약 2 내지 약 3.1, 몇몇 실시양태에서 약 2.5 내지 약 3.1의 낮은 유전 상수를 나타낼 수 있다. 상기 중합체 조성물의 손실 계수(이는, 에너지 손실률의 척도임)는 마찬가지로, 고 주파수(예를 들어, 2 또는 10 GHz)에 걸쳐 0.01 이하, 몇몇 실시양태에서 약 0.009 이하, 몇몇 실시양태에서 약 0.008 이하, 몇몇 실시양태에서 약 0.007 이하, 몇몇 실시양태에서 약 0.006 이하, 몇몇 실시양태에서 약 0.001 내지 약 0.005일 수 있다.
통상적으로, 낮은 손실 계수 및 유전 상수를 나타내는 중합체 조성물은 또한 충분한 기계적 특성을 갖지 못할 것으로 여겨졌다. 그러나, 본 발명자들은, 중합체 조성물이 우수한 기계적 특성을 유지할 수 있음을 발견하였다. 예를 들어, 상기 중합체 조성물은 다양한 온도, 예를 들면 약 -50℃ 내지 약 85℃(예컨대, -40℃ 내지 23℃)의 온도 범위 내에서, ISO 시험 번호 179-1:2010(기술적으로 ASTM D256-10e1과 동일)에 따라 결정시, 약 20 kJ/m2 이상, 몇몇 실시양태에서 약 30 내지 약 80 kJ/m2, 몇몇 실시양태에서 약 40 내지 약 60 kJ/m2의 샤르피 비-노취 충격 강도(Charpy unnotched impact strength)를 나타낼 수 있다. 인장 및 굴곡 기계적 특성이 또한 우수할 수 있다. 예를 들어, 상기 중합체 조성물은 약 50 MPa 이상 내지 약 300 MPa, 몇몇 실시양태에서 약 80 내지 약 500 MPa, 몇몇 실시양태에서 약 85 내지 약 250 MPa의 인장 강도; 약 0.5% 이상, 몇몇 실시양태에서 약 0.6% 내지 약 5%, 몇몇 실시양태에서 약 0.7% 내지 약 2.5%의 인장 파단 변형률(tensile break strain); 및/또는 약 3,500 MPa 내지 약 20,000 MPa, 몇몇 실시양태에서 약 6,000 MPa 내지 약 15,000 MPa, 몇몇 실시양태에서 약 8,000 MPa 내지 약 15,000 MPa의 인장 모듈러스를 나타낼 수 있다. 인장 특성은 다양한 온도에서, 예를 들어 약 -50℃ 내지 약 85℃(예컨대, -40℃ 또는 23℃)의 온도 범위 내에서, ISO 시험 번호 527-1:2019(기술적으로 ASTM D638-14와 동일)에 따라 결정될 수 있다. 상기 중합체 조성물은 또한 약 100 내지 약 500 MPa, 몇몇 실시양태에서 약 130 내지 약 400 MPa, 몇몇 실시양태에서 약 140 내지 약 250 MPa의 굴곡 강도; 약 0.5% 이상, 몇몇 실시양태에서 약 0.6% 내지 약 5%, 몇몇 실시양태에서 약 0.7% 내지 약 2.5%의 굴곡 파단 변형률; 및/또는 약 4,500 MPa 내지 약 20,000 MPa, 몇몇 실시양태에서 약 5,000 MPa 내지 약 15,000 MPa, 몇몇 실시양태에서 약 5,500 MPa 내지 약 12,000 MPa의 굴곡 모듈러스를 나타낼 수 있다. 굴곡 특성은 다양한 온도에서, 예를 들어 약 -50℃ 내지 약 85℃(예컨대, -40℃ 또는 23℃)의 의 온도 범위 내에서, ISO 시험 번호 178:2019(기술적으로 ASTM D790-17과 동일)에 따라 결정될 수 있다.
상기 중합체 조성물은 또한 저온 또는 고온에서의 에이징에 대해 고도로 민감하지는 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물은 약 -50℃ 내지 약 85℃(예를 들어, -40℃ 또는 85℃)의 온도를 갖는 분위기에서 약 100시간 이상, 몇몇 실시양태에서 약 300시간 내지 약 3000시간, 몇몇 실시양태에서 약 400시간 내지 약 2500시간(예를 들어, 500 또는 1,000시간)의 기간 동안 에이징될 수 있다. 심지어 에이징 후에도, 기계적 특성(예컨대, 충격 강도, 인장 특성 및/또는 굴곡 특성)은 전술된 범위 내로 유지될 수 있다. 예를 들어, 에이징 이전의 초기 기계적 특성에 대한 150℃에서 1,000시간 동안 "에이징"한 후의 특정 기계적 특성(예를 들어, 샤르피 비-노취 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도 등)의 비는 약 0.6 이상, 몇몇 실시양태에서 약 0.7 이상, 몇몇 실시양태에서 약 0.8 내지 1.0일 수 있다. 유사하게, 상기 중합체 조성물은 자외선에 고도로 민감하지는 않다. 예를 들어, 상기 중합체 조성물은 전술된 바와 같이 자외선의 1회 이상의 주기에 노출될 수 있다. 심지어 이러한 노출(예를 들어, SAE J2527_2017092에 따른 2,500 kJ/m2의 총 노출 수준) 후에도 기계적 특성(예를 들어, 충격 강도, 인장 강도, 굴곡 강도 등) 및 이러한 특성의 비는 전술된 범위 내로 유지될 수 있다.
상기 중합체 조성물은 또한 난연제일 수 있다. 예를 들어, 조성물이 화재를 진압할 수 있는 정도("숯 형성")는, 제한 산소 지수(Limiting Oxygen Index, "LOI")(이는, 연소를 지원하는 데 필요한 산소의 부피%임)로 나타낼 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 중합체 조성물의 LOI는, ISO 4589:2017(기술적으로 ASTM D2863-19와 동일)에 따라 결정시, 약 25 이상, 몇몇 실시양태에서 약 27 이상, 몇몇 실시양태에서 약 28 이상, 몇몇 실시양태에서 약 30 내지 100일 수 있다. 난연성은 또한 문헌["플라스틱 물질의 가연성에 대한 시험(Tests for Flammability of Plastic Materials), UL94"라는 제목의 UL(Underwriter's Laboratory) 공고 94]의 절차에 따라 특성분석될 수 있다. 화재 진압 시간(5개 시편의 세트의 총 화염 시간) 및 하기에서 더 상세히 설명되는 적하(dripping) 방지 능력에 기초하여 여러 등급이 적용될 수 있다. 이 절차에 따르면, 예를 들어, 상기 중합체 조성물은 하기에서 더 상세히 논의되는 부품 두께(예를 들어, 3 mm)에서 적어도 V1 등급, 바람직하게는 V0 등급을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물은 약 250초 이하(V1 등급), 몇몇 실시양태에서 약 100초 이하, 몇몇 실시양태에서 약 50초 이하(V0 등급)의 총 화염 시간을 나타낼 수 있다.
특정 실시양태에서, 상기 조성물은 또한 전자기 간섭("EMI")에 대해 고도의 차폐 효과를 제공할 수 있다. 더욱 구체적으로, EMI 차폐 효과는, 2 GHz의 주파수에서 ASTM D4935-18에 따라 결정시, 약 20 데시벨(dB) 이상, 몇몇 실시양태에서 약 25 dB 이상, 몇몇 실시양태에서 약 30 dB 내지 약 100 dB일 수 있다. 우수한 EMI 차폐 효과를 나타내는 것에 더하여, 상기 조성물은 또한, ASTM D257-14에 따라 결정시, 비교적 낮은(예를 들어, 약 5,000 ohm-cm 이하, 몇몇 실시양태에서 약 1,000 ohm-cm 이하, 몇몇 실시양태에서 약 50 내지 약 800 ohm-cm) 체적 저항률을 나타낼 수 있다.
이제, 본 발명의 다양한 실시양태가 이제 더 상세히 설명될 것이다.
I. 중합체 매트릭스
A. 열가소성 중합체
상기 중합체 매트릭스는 상기 조성물의 연속 상으로서 기능하며, 하나 이상의 열가소성 중합체, 예를 들면 프로필렌 중합체, 폴리아마이드, 폴리아릴렌 설파이드, 폴리아릴에터케톤(예를 들어, 폴리에터에터케톤), 폴리카보네이트, 폴리부타다이엔 수지(예컨대, 아크릴로나이트릴-부타다이엔-스타이렌 공중합체) 등을 함유한다. 하나의 실시양태에서, 예를 들어, 프로필렌 중합체가 특히 적합할 수 있다. 사용되는 경우, 프로필렌 중합체는, 예를 들어 중합체 매트릭스의 약 30 중량% 내지 약 80 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 45 중량% 내지 약 75 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 50 중량% 내지 약 70 중량%, 또한 전체 중합체 조성물의 약 30 중량% 내지 약 65 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 35 중량% 내지 약 60 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 40 중량% 내지 약 55 중량%를 구성한다.
프로필렌 단독중합체(예를 들어, 신디오택틱, 어택틱, 이소택틱 등), 프로필렌 공중합체 등과 같은 임의의 다양한 프로필렌 중합체 또는 프로필렌 중합체들의 조합물이 일반적으로 상기 중합체 매트릭스에 사용될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 예를 들어, 이소택틱 또는 신디오택틱 단독중합체인 프로필렌 중합체가 사용될 수 있다. "신디오택틱(syndiotactic)"이라는 용어는 일반적으로, 상당 부분(전부는 아님)의 메틸 기가 중합체 쇄를 따라 반대쪽에서 번갈아 존재하는 입체규칙성을 지칭한다. 한편, 용어 "이소택틱(isotactic)"은 일반적으로, 상당 부분(전부는 아님)의 메틸 기가 중합체 쇄를 따라 동일한 쪽에 존재하는 입체규칙성을 지칭한다. 이러한 단독중합체는 약 160℃ 내지 약 170℃의 융점을 가질 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 프로필렌과 α-올레핀 단량체의 공중합체가 사용될 수 있다. 적합한 α-올레핀 단량체의 특정 예는 에틸렌, 1-부텐; 3-메틸-1-부텐; 3,3-다이메틸-1-부텐; 1-펜텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-펜텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헥센; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헵텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-옥텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-노넨; 에틸, 메틸 또는 다이메틸-치환된 1-데센; 1-도데센; 및 스타이렌을 포함할 수 있다. 이러한 공중합체의 프로필렌 함량은 약 60 몰% 내지 약 99 몰%, 몇몇 실시양태에서 약 80 몰% 내지 약 98.5 몰%, 몇몇 실시양태에서 약 87 몰% 내지 약 97.5 몰%일 수 있다. α-올레핀 함량은 마찬가지로 약 1 몰% 내지 약 40 몰%, 몇몇 실시양태에서 약 1.5 몰% 내지 약 15 몰%, 몇몇 실시양태에서 약 2.5몰% 내지 약 13 몰% 범위일 수 있다. 프로필렌 중합체는 전형적으로, 조성물을 작은 부품으로 성형하는 것을 용이하게 하는 것을 돕기 위해 높은 유동도를 가진다. 고 유동 프로필렌 중합체는, 2.16 kg의 하중 및 230℃의 온도에서 ISO 1133-1:2011(기술적으로 ASTM D1238-13과 동일)에 따라 결정시, 예를 들어, 비교적 높은(예컨대, 약 150 g/10분 이상, 몇몇 실시양태에서 약 180 g/10분 이상, 몇몇 실시양태에서 약 200 g/10분 내지 500 g/10분) 용융 흐름 지수를 가진다.
임의의 다양한 공지 기술이 프로필렌 공중합체를 형성하는데 일반적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 중합체는 자유 라디칼 또는 배위 촉매(예를 들어, 지글러-나타(Ziegler-Natta))를 사용하여 형성될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 예를 들어, 상기 중합체는 단일-부위 배위 촉매(예컨대, 메탈로센 촉매)로부터 형성될 수 있다. 이러한 촉매 시스템은, 공단량체가 분자 쇄 내에 무작위로 분포되고 상이한 분자량 분율에 걸쳐 균일하게 분포되는 공중합체를 생성한다. 메탈로센 촉매의 예는 비스(n-부틸사이클로펜타다이엔일)티타늄 다이클로라이드, 비스(n-부틸사이클로펜타다이엔일)지르코늄 다이클로라이드, 비스(사이클로펜타다이엔일)스칸듐 클로라이드, 비스(인덴일)지르코늄 다이클로라이드, 비스(메틸사이클로펜타다이엔일)티타늄 다이클로라이드, 비스(메틸사이클로펜타다이엔일)지르코늄 다이클로라이드, 코발토센, 사이클로펜타다이엔일티타늄 트라이클로라이드, 페로센, 하프노센 다이클로라이드, 이소프로필(사이클로펜타다이엔일,-1-플루오렌일)지르코늄 다이클로라이드, 몰리브도센 다이클로라이드, 니켈로센, 니오보센 다이클로라이드, 루테노센, 티타노센 다이클로라이드, 지르코노센 클로라이드 하이드라이드, 지르코노센 다이클로라이드 등을 포함한다. 메탈로센 촉매를 사용하여 제조된 중합체는 전형적으로 좁은 분자량 범위를 가진다. 예를 들어, 메탈로센-촉매작용된 중합체는 4 미만의 다분산도 지수(polydispersity number)(Mw/Mn), 제어된 단쇄 분지 분포 및 제어된 이소택틱성을 가질 수 있다.
다른 중합체가 또한 사용될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 예를 들어, 상기 중합체 매트릭스는 폴리카보네이트를 포함할 수 있으며, 이는 전형적으로 구조식 -R1-O-C(O)-O-의 반복 구조 카보네이트 단위를 포함한다. 상기 폴리카보네이트는, R1 기의 총 개수의 적어도 일부(예를 들어, 60% 이상)가 방향족 잔기를 포함하고 그 나머지가 지방족, 지환족 또는 방향족이라는 점에서 방향족일 수 있다. 하나의 실시양태에서, 예를 들어, R1은 C6-30 방향족 기일 수 있다(즉, 적어도 하나의 방향족 잔기를 함유할 수 있음). 전형적으로, R1은 구조식 HO-R1-OH의 다이하이드록시 방향족 화합물, 예를 들어, 하기 제시되는 특정 구조식을 갖는 화합물로부터 유도된다:
Figure pct00001
상기 식에서,
A1 및 A2는 독립적으로 일환형 2가 방향족 기이고;
Y1은 단일 결합이거나, 또는 A1을 A2로부터 분리시키는 하나 이상의 원자를 갖는 가교 기이다. 하나의 특정 실시양태에서, 상기 다이하이드록시 방향족 화합물은 하기 화학식 (I)로부터 유도될 수 있다:
상기 식에서,
Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-12 알킬 기, 예컨대 각각의 아릴렌 기 상의 하이드록시 기에 대해 메타 위치에 위치하는 C1-3 알킬 기(예를 들어, 메틸)이고;
p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4(예를 들어, 1)이고;
Xa는, 2개의 하이드록시-치환된 방향족 기를 연결하는 가교 기를 나타내며, 여기서 각각의 C6 아릴렌 기의 가교 기 및 하이드록시 치환기는 C6 아릴렌 기에서 서로 오르쏘, 메타 또는 파라(특히 파라)에 위치한다.
하나의 실시양태에서, Xa는 치환된 또는 비치환된 C3-18 사이클로알킬리덴, 구조식 -C(Rc)(Rd)-의 C1-25 알킬리덴(여기서, Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 수소, C1-12 알킬, C1-12 사이클로알킬, C7-12 아릴알실, C7-12 헤테로알킬, 또는 환형 C7-12 헤테로아릴알킬임), 또는 화학식 -C(=Re)-의 기(여기서, Re는 2가 C1-12 탄화수소 기임)일 수 있다. 이러한 유형의 예시적인 기는 메틸렌, 사이클로헥실메틸렌, 에틸리덴, 네오펜틸리덴 및 이소프로필리덴 뿐만 아니라, 2-[2.2.1]-바이사이클로헵틸리덴, 사이클로헥실리덴, 사이클로펜틸리덴, 사이클로도데실리덴 및 아다만틸리덴을 포함한다. Xa가, 치환된 사이클로알킬리덴인 특정 예는 하기 화학식 (II)의 사이클로헥실리덴-가교된 알킬-치환된 비스페놀이다:
상기 식에서,
Ra' 및 Rb'는 각각 독립적으로 C1-12 알킬(예를 들어, C1-4 알킬, 예컨대 메틸)이고, 임의적으로 상기 사이클로헥실리덴 가교 기에 대해 메타에 위치할 수 있고;
R9는 C1-12 알킬(예를 들어, C1-4 알킬) 또는 할로겐이고;
r 및 s는 각각 독립적으로 1 내지 4(예를 들어, 1)이고;
t는 0 내지 10, 예컨대 0 내지 5이다.
상기 사이클로헥실리덴-가교된 비스페놀은 2몰의 o-크레졸과 1몰의 사이클로헥사논의 반응 생성물일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 상기 사이클로헥실리덴-가교된 비스페놀은 2몰의 크레졸과 1몰의 수소화된 이소포론(예를 들어, 1,1,3-트라이메틸-3-사이클로헥산-5-온)의 반응 생성물일 수 있다. 이러한 사이클로헥산-함유 비스페놀, 예를 들어 2몰의 페놀과 1몰의 수소화된 이소포론의 반응 생성물은, 높은 유리 전이 온도 및 높은 열 변형 온도를 갖는 폴리카보네이트 중합체를 제조하는 데 유용하다.
또 다른 실시양태에서, Xa는 C1-18 알킬렌 기, C3-18 사이클로알킬렌 기, 융합된 C6-18 사이클로알킬렌 기, 또는 구조식 -B1-W-B2-의 기일 수 있으며, 여기서 B1 및 B2는 독립적으로 C1-6 알킬렌 기이고, W는 C3-12사이클로알킬리덴기 또는 C6-16 아릴렌 기이다.
Xa는 또한 하기 화학식 (III)의 치환된 C3-18 사이클로알킬리덴일 수 있다:
상기 식에서,
Rr, Rp, Rq, 및 Rt는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 산소 또는 C1-12 유기 기이고;
I는 직접 결합, 탄소, 2가 산소, 황 또는 -N(Z)-이고, 여기서 Z는 수소, 할로겐, 하이드록시, C1-12 알킬, C1-12 알콕시 또는 C1-12 아실이고;
h는 0 내지 2이고;
j는 1 또는 2이고;
i는 0 또는 1이고;
k는 0 내지 3이며, 단, 함께 취해진 Rr, Rp, Rq, 및 Rt 중 적어도 둘은 융합된 지환족, 방향족 또는 헤테로방향족 고리이다.
다른 유용한 방향족 다이하이드록시 방향족 화합물은 하기 화학식 (IV)를 갖는 것을 포함한다:
상기 식에서,
Rh는 독립적으로 할로겐 원자(예컨대, 브롬), C1-10 하이드로카빌(예컨대, C1-10 알킬 기), 할로겐- 치환된 C1-10 알킬 기, C6-10 아릴 기 또는 할로겐-치환된 C6-10 아릴 기이고;
n은 0 내지 4이다.
화학식 (I)의 비스페놀 화합물의 구체적인 예는, 예를 들어 1,1-비스(4-하이드록시페닐)메탄, 1,1-비스(4-하이드록시페닐)에탄, 2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판(이하 "비스페놀 A" 또는 "BPA"), 2,2-비스(4-하이드록시페닐)부탄, 2,2-비스(4-하이드록시페닐)옥탄, 1,1-비스(4-하이드록시페닐)프로판, 1,1-비스(4-하이드록시페닐) n-부탄, 2,2-비스(4-하이드록시-1-메틸페닐)프로판, 1,1-비스(4-하이드록시-t-부틸페닐)프로판, 3,3-비스(4-하이드록시페닐)프탈이미딘, 2-페닐-3,3-비스(4-하이드록시페닐)프탈이미딘(PPPBP), 및 1,1-비스(4-하이드록시-3-메틸페닐)사이클로헥산(DMBPC)을 포함한다. 하나의 구체적인 실시양태에서, 상기 폴리카보네이트는 비스페놀 A로부터 유도된 선형 단독중합체일 수 있으며, 여기서 각각의 A1 및 A2는 p-페닐렌이고, Y1은 화학식 (I)에서 이소프로필리덴이다.
적합한 방향족 다이하이드록시 화합물의 다른 예는 4,4'-다이하이드록시바이페닐, 1,6-다이하이드록시나프탈렌, 2,6-다이하이드록시나프탈렌, 비스(4-하이드록시페닐)메탄, 비스(4-하이드록시페닐)다이페닐메탄, 비스(4-하이드록시페닐)-1-나프틸메탄, 1,2-비스(4-하이드록시페닐)에탄, 1,1-비스(4-하이드록시페닐)-1-페닐에탄, 2-(4-하이드록시페닐)-2-(3 -하이드록시페닐)프로판, 비스(4-하이드록시페닐)페닐메탄, 2,2-비스(4-하이드록시-3-브로모페닐)프로판, 1,1-비스(하이드록시페닐)사이클로펜탄, 1,1-비스(4-하이드록시페닐)사이클로헥산, 1,1-비스(4-하이드록시페닐)이소부텐, 1,1-비스(4-하이드록시페닐)사이클로도데칸, 트랜스-2,3-비스(4-하이드록시페닐)-2-부텐, 2,2-비스(4- 하이드록시페닐)아다만탄, 알파,알파'-비스(4-하이드록시페닐)톨루엔, 비스(4-하이드록시페닐)아세토나이트릴, 2,2-비스(3-메틸-4-하이드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-에틸-4-하이드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-n-프로필-4-하이드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-이소프로필-4-하이드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-2급-부틸-4-하이드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-t-부틸-4-하이드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-사이클로헥실-4-하이드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-알릴-4-하이드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-메톡시-4-하이드록시페닐)프로판, 2,2-비스(4-하이드록시페닐)헥사플루오로프로판, 1,1-다이클로로-2,2-비스(4-하이드록시페닐)에틸렌, 1,1-다이브로모-2,2-비스(4-하이드록시페닐)에틸렌, 1,1-다이클로로-2,2-비스(5-페녹시-4-하이드록시페닐)에틸렌 4,4'-다이하이드록시벤조페논, 3,3-비스(4-하이드록시페닐)-2-부탄온, 1,6-비스(4-하이드록시페닐)-1,6-헥산다이온, 에틸렌 글리콜 비스(4-하이드록시페닐)에터, 비스(4-하이드록시페닐)에터, 비스(4-하이드록시페닐)설파이드, 비스(4-하이드록시페닐)설폭사이드, 비스(4-하이드록시페닐)설폰, 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플루오린, 2,7-다이하이드록시피렌, 6,6'-다이하이드록시-3,3,3',3'-테트라메틸스파이로(비스)인단("스파이로바이인단 비스페놀"), 3,3-비스(4-하이드록시페닐)프탈이미드, 2,6-다이하이드록시다이벤조-p-다이옥신, 2,6-다이하이드록시티안트렌, 2,7-다이하이드록시페녹사틴, 2,7-다이하이드록시-9,10-다이메틸페나진, 3,6-다이하이드록시다이벤조푸란, 3,6-다이하이드록시다이벤조티오펜, 2,7-다이하이드록시카바졸, 레조르시놀, 치환된 레조르시놀 화합물, 예컨대 5-메틸 레조르시놀, 5-에틸 레조르시놀, 5-프로필 레조르시놀, 5-부틸 레조르시놀, 5-t-부틸 레조르시놀, 5-페닐 레조르시놀, 5-쿠밀 레조르시놀, 2,4,5,6-테트라플루오로 레조르시놀, 2,4,5,6-테트라브로모 레조르시놀; 카테콜; 하이드로퀴논; 치환된 하이드로퀴논, 예컨대 2-메틸 하이드로퀴논, 2-에틸 하이드로퀴논, 2-프로필 하이드로퀴논, 2-부틸 하이드로퀴논, 2-t-부틸 하이드로퀴논, 2-페닐 하이드로퀴논, 2-쿠밀 하이드로퀴논, 2,3,5,6-테트라메틸 하이드로퀴논, 2,3,5,6-테트라-t-부틸 하이드로퀴논, 2,3,5,6-테트라플루오로 하이드로퀴논, 2,3,5,6-테트라브로모 하이드로퀴논 뿐만 아니라 이들의 조합물을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
전술된 바와 같은 방향족 폴리카보네이트는, 예를 들어, ISO 1628-4:1998에 따라 결정시, 전형적으로 약 0.1 dl/g 내지 약 6 dl/g, 몇몇 실시양태에서 약 0.2 내지 약 5 dl/g, 몇몇 실시양태에서 약 0.3 내지 약 1 dl/g의 고유 점도를 가진다. 마찬가지로, 상기 방향족 폴리카보네이트는 전형적으로, 상기 중합체 매트릭스 내에 존재하는 방향족 폴리에스터보다 더 높은 유리 전이 온도 및 비캇 연화 온도(Vicat softening temperature)를 가진다. 예를 들어, 상기 방향족 폴리카보네이트는, 예를 들어, ISO 11357-2:2013로 결정시, 약 50℃ 내지 약 250℃, 몇몇 실시양태에서 약 90℃ 내지 약 220℃, 몇몇 실시양태에서 약 100℃ 내지 약 200℃의 유리 전이 온도 뿐만 아니라, ISO 306:2004에 따라 결정시, 약 50℃ 내지 약 250℃, 몇몇 실시양태에서 약 90℃ 내지 약 220℃, 몇몇 실시양태에서 약 100℃ 내지 약 200℃의 비캇 연화 온도를 가질 수 있다.
상기 제시된 바와 같이, 폴리부타다이엔이 또한 상기 중합체 매트릭스에 사용될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 예를 들어, 상기 중합체 매트릭스는 폴리부타다이엔과 조합된 폴리카보네이트의 블렌드를 함유할 수 있다. 이러한 블렌드가 사용되는 경우, 폴리카보네이트는, 예를 들어, 상기 블렌드의 약 40 중량% 내지 약 95 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 60 중량% 내지 약 92 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 70 중량% 내지 약 90 중량%, 또한 전체 중합체 조성물의 약 30 중량% 내지 약 75 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 35 중량% 내지 약 70 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 40 중량% 내지 약 65 중량%를 구성한다. 마찬가지로, 폴리부타다이엔은 상기 블렌드의 약 5 중량% 내지 약 60 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 8 중량% 내지 약 40 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 10 중량% 내지 약 30 중량%, 뿐만 아니라 전체 중합체 조성물의 약 1 중량% 내지 약 25 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 2 중량% 내지 약 20 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 3 중량% 내지 약 15 중량%를 구성한다. 적합한 폴리부타다이엔 중합체는 브람브링크(Brambrink) 등의 미국 특허 공개 제2016/028061호에 기재되어 있으며, 예를 들어, 부타다이엔 단량체를 스타이렌 단량체(예컨대, 스타이렌, α-메틸스타이렌, 알킬-치환된 스타이렌 등) 및/또는 나이트릴 단량체(예컨대, 아크릴로나이트릴, 메타크릴로나이트릴, 알킬-치환된 아크릴로나이트릴 등)와의 조합으로 함유하는 공중합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 부타다이엔 공중합체는, 스타이렌 및/또는 아크릴로나이트릴로 그래프트화된 폴리부타다이엔 고무, 예컨대 아크릴로나이트릴-부타다이엔-스타이렌("ABS")일 수 있다.
B. 난연제 시스템
상기 언급된 성분에 더하여, 상기 중합체 매트릭스는 또한 목적하는 가연성 성능을 달성하는 데 도움이 되는 난연제 시스템을 포함할 수 있다. 사용되는 경우, 상기 난연제 시스템은 전형적으로 상기 중합체 매트릭스의 약 5 중량% 내지 약 60 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 6 중량% 내지 약 50 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 8 중량% 내지 약 35 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 10 중량% 내지 약 30 중량%, 또한 전체 중합체 조성물의 약 1 중량% 내지 약 50 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 5 중량% 내지 약 30 중량%, 몇몇 실시양태에서, 10 중량% 내지 약 25 중량%를 구성한다. 상기 난연제 시스템은 일반적으로 적어도 하나의 저-할로겐 난연제를 포함한다. 이러한 제제의 할로겐(예를 들어, 브롬, 염소 및/또는 불소) 함량은 약 1,500 중량 백만분율("ppm") 이하, 몇몇 실시양태에서 약 900 ppm 이하, 몇몇 실시양태에서 약 50 ppm 이하이다. 특정 실시양태에서, 난연제는 할로겐이 완전히 없다(즉, 0 ppm). 무-할로겐 난연제의 특정 성질은 중합체 조성물의 유전 성능(예컨대, 유전 상수, 손실 계수 등) 및 기계적 특성에 악영향을 미치지 않으면서 목적하는 가연성 특성을 달성하는 데 도움이 되도록 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 시스템은 하나 이상의 유기인계 난연제, 예를 들면 포스페이트 염, 인산 에스터, 포스폰산 에스터, 포스포네이트 아민, 포스파젠, 포스핀산 염 뿐만 아니라 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 유기인계 난연제는, 질소-함유 염기와 인산의 반응으로부터 형성된 질소-함유 포스페이트 염일 수 있다. 적합한 질소-함유 염기는, 고리 구조 내의 적어도 하나의 질소 헤테로원자(예를 들어, 헤테로환형 또는 헤테로아릴 기) 및/또는 고리 구조의 탄소 원자 및/또는 헤테로원자에서 치환된 적어도 하나의 질소-함유 작용기(예를 들어, 아미노, 아실아미노 등)와 함께, 치환된 또는 비치환된 고리 구조를 갖는 것을 포함할 수 있다. 이러한 헤테로환형 기의 예는, 예를 들어 피롤리딘, 이미다졸린, 피라졸리딘, 옥사졸리딘, 이속사졸리딘, 티아졸리딘, 이소티아졸리딘, 피페리딘, 피페라진, 티오모폴린 등을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 헤테로아릴 기의 예는, 예를 들어 피롤, 이미다졸, 피라졸, 옥사졸, 이속사졸, 티아졸, 이소티아졸, 트라이아졸, 퓨라잔, 옥사다이아졸, 테트라졸, 피리딘, 다이아진, 옥사진, 트라이아진, 테트라진 등을 포함할 수 있다. 필요한 경우, 상기 염기의 고리 구조는 또한 하나 이상의 작용기, 예컨대 아실, 아실옥시, 아실아미노, 알콕시, 알켄일, 알킬, 아미노, 아릴, 아릴옥시, 카복실, 카복실 에스터, 사이클로알킬, 하이드록실, 할로, 할로알킬, 헤테로아릴, 헤테로사이클릴 등으로 치환될 수 있다. 상기 고리 구조의 헤테로원자 및/또는 탄소 원자에서 치환이 일어날 수 있다.
하나의 적합한 질소-함유 염기는, 각각의 3개의 탄소 원자에서 아미노 작용기로 치환된 1,3,5-트라이아진 고리 구조를 함유하는 멜라민이다. 적합한 멜라민 포스페이트 염의 예는, 예를 들어 멜라민 오르쏘포스페이트, 멜라민 파이로포스페이트, 멜라민 폴리포스페이트 등을 포함할 수 있다. 멜라민 파이로포스페이트는, 예를 들어 약 1:2의 파이로인산 대 멜라민의 몰비를 함유할 수 있다. 다른 적합한 질소-함유 염기는, 고리의 반대 위치에 2개의 질소 원자를 포함하는 6원 고리 구조인 피페라진이다. 적합한 피페라진 포스페이트 염의 예는, 예를 들어 피페라진 오르쏘포스페이트, 피페라진 파이로포스페이트, 피페라진 폴리포스페이트 등을 포함할 수 있다. 피페라진 파이로포스페이트는, 예를 들어 약 1:1의 파이로인산 대 멜라민의 몰비를 함유할 수 있다. 특정 실시양태에서, 멜라민과 피페라진 포스페이트 염의 블렌드가 상기 난연제 시스템에 사용될 수 있다. 상기 난연제 시스템은, 예를 들어 약 40 중량% 내지 약 90 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 50 중량% 내지 약 80 중량%의 양의 하나 이상의 피페라진 포스페이트 염(예를 들어, 피페라진 파이로포스페이트), 및 약 10 중량% 내지 약 60 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 20 중량% 내지 약 50 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 25 중량% 내지 약 45 중량%의 양의 하나 이상의 멜라민 포스페이트 염(예를 들어, 멜라민 파이로포스페이트)를 함유할 수 있다.
물론, 다른 유기인계(organophosphoous) 난연제가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 단량체성 및 올리고머성 인산 및 포스폰산 에스터, 예컨대 트라이부틸 포스페이트, 트라이페닐 포스페이트, 트라이크레실 포스페이트, 다이페닐 크레실 포스페이트, 다이페닐 옥틸 포스페이트, 다이페닐 2-에틸크레실 포스페이트, 트라이(이소프로필페닐) 포스페이트, 레소르시놀-가교된 올리고포스페이트, 비스페놀 A 포스페이트(예컨대, 비스페놀 A-가교된 올리고포스페이트 또는 비스페놀 A 비스(다이페닐 포스페이트)), 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 포스핀산 염, 예컨대 포스핀산 및/또는 다이포스핀산의 염이 사용될 수 있다. 특히 적합한 포스핀산 염은, 예를 들어 다이메틸포스핀산, 에틸메틸포스핀산, 다이에틸포스핀산, 메틸-n-프로필포스핀산, 메탄-다이(메틸포스핀산), 에탄-1,2-다이(메틸포스핀산), 헥산-1,6-다이(메틸포스핀산), 벤젠-1,4-다이(메틸포스핀산), 메틸페닐포스핀산, 다이페닐포스핀산, 하이포인산 등의 염을 포함한다. 생성된 염은 전형적으로 단량체성 화합물이지만, 중합체성 포스피네이트도 형성될 수 있다. 특히 적합한 포스핀산 염은 아연 또는 알루미늄 다이에틸포스피네이트이다.
특정 실시양태에서, 상기 난연제 시스템은 전술된 것과 같은 유기인계 난연제로 전적으로 형성될 수 있다. 그러나, 다른 경우, 유기인계 난연제(들)가 하나 이상의 추가 첨가제와 함께 사용될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 유기인 화합물은 상기 난연제 시스템의 약 50 중량% 내지 약 99.5 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 70 중량% 내지 약 99 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 80 중량% 내지 약 95 중량%, 또한 상기 중합체 매트릭스의 약 1 중량% 내지 약 30 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 2 중량% 내지 약 25 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 5 중량% 내지 약 20 중량%를 구성할 수 있다.
사용될 수 있는 하나의 적합한 유형의 첨가제는, 저-할로겐 숯-형성제 및/또는 발연 억제제로서 사용될 수 있는 무기 화합물이다. 적합한 무기 화합물(무수물 또는 수화물)은, 예를 들어 무기 몰리브데이트, 예컨대 아연 몰리브데이트(예컨대, 후버 엔지니어링 머티리얼스(Huber Engineered Materials)에서 상표명 켐가드(Kemgard)(등록상표)로 시판됨), 칼슘 몰리브데이트, 암모늄 옥타몰리브데이트, 아연 몰리브데이트-마그네슘 실리케이트 등을 포함할 수 있다. 다른 적합한 무기 화합물은 무기 보레이트, 예컨대 아연 보레이트(리오 텐토 미네랄스(Rio Tento Minerals)에서 파이어브레이크(Firebrake)(등록상표)라는 명칭으로 시판됨); 아연 포스페이트, 아연 수소 포스페이트, 아연 파이로포스페이트, 염기성 아연 크로메이트(VI)(아연 옐로우), 아연 크로마이트, 아연 퍼망가네이트, 실리카, 마그네슘 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 탄산칼슘, 아연 옥사이드, 티타늄 다이옥사이드, 마그네슘 다이하이드록사이드 등을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 상기 조성물의 전체 성능을 향상시키기 위해, 무기 아연 화합물, 예컨대 아연 몰리브데이트, 아연 보레이트, 아연 옥사이드 등을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 사용되는 경우, 이러한 무기 화합물(예를 들어, 아연 옥사이드)은, 예를 들어 상기 난연제 시스템의 약 1 내지 약 20 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 2 내지 약 15 중량%, 몇몇 실시양태에서는, 약 3 중량% 내지 약 10 중량%를 구성할 수 있다.
또 다른 적합한 첨가제는, 유기인계 난연제(들) 및/또는 기타 성분과 함께 작용하여 보다 효과적인 난연제 시스템을 생성할 수 있는 질소-함유 상승제(synergist)이다. 이러한 질소-함유 상승제는 하기 화학식 (III) 내지 (VIII)의 화합물, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다:
상기 식에서,
R5, R6, R7, R9, R10, R11, R12, 및 R13은 독립적으로 수소; C1-C8 알킬; 임의적으로 하이드록시 또는 C1-C4 하이드록시알킬로 치환된, C5-C16-사이클로알킬 또는 알킬사이클로알킬; C2-C8 알켄일; C1-C8 알콕시, 아실 또는 아실옥시; C6-C12-아릴 또는 아릴알킬; OR8 또는 N(R8)R9이고, 여기서 R8은 수소; 임의적으로 하이드록시 또는 C1-C4 하이드록시알킬로 치환된, C1-C8 알킬, C5-C16 사이클로알킬 또는 알킬사이클로알킬; C2-C8 알켄일, C1-C8 알콕시, 아실 또는 아실옥시, 또는 C6-C12 아릴 또는 아릴알킬이며;
m은 1 내지 4이고;
n은 1 내지 4이고;
X는, 화학식 (III)의 트라이아진 화합물과 부가물을 형성할 수 있는 산이다. 예를 들어, 상기 질소-함유 상승제는 벤조구안아민, 트리스(하이드록시에틸) 이소시아누레이트, 알란토인, 글리콜우릴, 멜라민, 멜라민 시아누레이트, 다이시안다이아마이드, 구아니딘 등을 포함할 수 있다. 이러한 상승제의 예는 제네웨인(Jenewein) 등의 미국 특허 제6,365,071호; 회롤트(Hoerold) 등의 미국 특허 제7,255,814호; 및 바우어(Bauer) 등의 미국 특허 제7,259,200호에 기재되어 있다. 하나의 특히 적합한 상승제는 멜라민 시아누레이트, 예를 들면 바스프(BASF)로부터 상표명 멜라푸르(MELAPUR)(등록상표) MC(예를 들어, 멜라푸르(등록상표) MC 15, MC25, MC50)로 시판되는 것이다.
전술된 바와 같이, 상기 난연제 시스템 및/또는 상기 중합체 조성물 자체는 일반적으로 비교적 낮은 함량(예컨대 약 15,000 백만분율("ppm") 이하, 몇몇 실시양태에서 약 5,000 ppm 이하, 몇몇 실시양태에서 약 1,000 ppm 이하, 몇몇 실시양태에서 약 800 ppm 이하, 몇몇 실시양태에서 약 1 ppm 내지 약 600 ppm)의 할로겐(즉, 브롬, 불소 및/또는 염소)을 가진다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 특정 실시양태에서, 할로겐계 난연제는 여전히 임의적 성분으로서 사용될 수 있다. 특히 적합한 할로겐계 난연제는 플루오로중합체, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불화된 에틸렌 폴리프로필렌(FEP) 공중합체, 퍼플루오로알콕시(PFA) 수지, 폴리클로로트라이플루오로에틸렌(PCTFE) 공중합체, 에틸렌-클로로트라이플루오로에틸렌(ECTFE) 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌(ETFE) 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐플루오라이드(PVF), 및 이들의 공중합체 및 블렌드 및 기타 조합물이다. 사용되는 경우, 이러한 할로겐계 난연제는 전형적으로 상기 난연제 시스템의 단지 약 10 중량% 이하, 몇몇 실시양태에서 약 5 중량% 이하, 몇몇 실시양태에서 약 1 중량% 이하를 구성한다. 마찬가지로, 할로겐계 난연제는 전형적으로 전체 중합체 조성의 약 5 중량% 이하, 몇몇 실시양태에서 약 1 중량% 이하, 몇몇 실시양태에서 약 0.5 중량% 이하를 구성한다.
C. 안정화제 시스템
반드시 요구되는 것은 아니지만, 상기 중합체 매트릭스는 또한, 자외선 광 및 고온에 노출된 후에도 목적하는 표면 외관 및/또는 기계적 특성을 유지하는 데 도움이 되는 안정화제 시스템을 함유할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 안정화제 시스템은 하나 이상의 산화방지제(예를 들어, 입체 장애 페놀 산화방지제, 포스파이트 산화방지제, 티오에스터 산화방지제 등) 및/또는 자외선 광 안정화제 뿐만 아니라, 다양한 다른 임의적 광 안정화제, 임의적 열 안정화제 등을 포함할 수 있다.
i. 산화방지제
상기 중합체 조성물에 사용될 수 있는 산화방지제의 하나의 유형은 입체 장애 페놀이다. 사용되는 경우, 입체 장애 페놀은 전형적으로 상기 중합체 조성물의 약 0.01 내지 약 1 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 0.02 중량% 내지 약 0.5 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 0.05 중량% 내지 약 0.3 중량%의 양으로 존재한다. 각종 상이한 화합물이 사용될 수 있지만, 특히 적합한 장애 페놀 화합물은 하기 구조식 (IV), (V) 및 (VI) 중 하나를 갖는 것이다:
상기 식에서,
a, b 및 c는 독립적으로 1 내지 10, 몇몇 실시양태에서, 2 내지 6의 범위이고;
R8, R9, R10, R11, 및 R12는 독립적으로 수소, C1 내지 C10 알킬, 및 C3 내지 C30 분지형 알킬(예컨대, 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸 또는 3급-부틸 잔기)로부터 선택되고;
R13, R14 및 R15는 독립적으로 하기 구조식 (VII) 및 (VIII) 중 하나로 나타내어지는 잔기로부터 선택된다:
상기 식에서,
d는 1 내지 10, 몇몇 실시양태에서, 2 내지 6 범위이고;
R16, R17, R18, 및 R19는 독립적으로 수소, C1 내지 C10알킬, 및 C3 내지 C30 분지형 알킬(예컨대, 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸 또는 3급-부틸 잔기)로부터 선택된다.
전술된 바와 같은 구조식을 갖는 적합한 장애 페놀의 특정 예는, 예를 들어 2,6-다이-3급-부틸-4-메틸페놀; 2,4-다이-3급-부틸-페놀; 펜타에리트리틸 테트라키스(3,5-다이-3급-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트; 옥타데실-3-(3',5'-다이-3급-부틸-4'-하이드록시페닐)프로피오네이트; 테트라키스[메틸렌(3,5-다이-3급-부틸-4-하이드록시신나메이트)]메탄; 비스-2,2'-메틸렌-비스(6-3급-부틸-4-메틸페놀)테레프탈레이트; 1,3,5-트라이메틸-2,4,6-트리스(3,5-다이-3급-부틸-4-하이드록시벤질)벤젠; 트리스(3,5-다이-3급-부틸-4-하이드록시벤질)이소시아누레이트; 1,3,5-트리스(4-3급-부틸-3-하이드록시-2,6-다이메틸벤질)1,3,5-트라이아진-2,4,6-(1H,3H,5H)-트라이온; 1,1,3-트리스(2-메틸-4-하이드록시-5-3급-부틸페닐)부탄; 1,3,5-트라이아진-2,4,6(1H,3H,5H)-트라이온; 1,3,5-트리스[[3,5-비스-(1,1-다이메틸에틸)-4-하이드록시페닐]메틸]; 4,4',4''-[(2,4,6-트라이메틸-1,3,5-벤젠트라이일)트리스-(메틸렌)]트리스[2,6-비스(1,1-다이메틸에틸)]; 6-3급-부틸-3-메틸페닐; 2,6-다이-3급-부틸-p-크레졸; 2,2'-메틸렌비스(4-에틸-6-3급-부틸페놀); 4,4'-부틸리덴비스(6-3급-부틸-m-크레졸); 4,4'-티오비스(6-3급-부틸-m-크레졸); 4,4'-다이하이드록시다이페닐-사이클로헥산; 알킬화된 비스페놀; 스타이렌화된 페놀; 2,6-다이-3급-부틸-4-메틸페놀; n-옥타데실-3-(3',5'-다이-3급-부틸-4'-하이드록시페닐)프로피오네이트; 2,2'-메틸렌비스(4-메틸-6-3급-부틸페놀); 4,4'-티오비스(3-메틸-6-3급-부틸페닐); 4,4'-부틸리덴비스(3-메틸-6-3급-부틸페놀); 스테아릴-β-(3,5-다이-3급-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트; 1,1,3-트리스(2-메틸-4-하이드록시-5-3급-부틸페닐)부탄; 1,3,5-트라이메틸-2,4,6-트리스(3,5-다이-3급-부틸-4-하이드록시벤질)벤젠; 테트라키스[메틸렌-3-(3',5'-다이-3급-부틸-4'-하이드록시페닐)프로피오네이트]메탄, 스테아릴 3,5-다이-3급-부틸-4-하이드록시하이드로신나메이트; 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
특히 적합한 화합물은 화학식 (VI)를 갖는 것, 예를 들면 트리스(3,5-다이-3급-부틸-4-하이드록시벤질)이소시아누레이트(이는 이르가녹스(Irganox)(등록상표) 3114 명칭 하에 시판됨)이다.
다른 적합한 산화방지제는 포스파이트 산화방지제이다. 사용되는 경우, 포스파이트 산화방지제는 전형적으로 상기 중합체 조성물의 약 0.02 내지 약 2 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 0.04 중량% 내지 약 1 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 0.1 중량% 내지 약 0.6 중량%의 양으로 존재한다. 포스파이트 산화방지제는 각종 상이한 화합물, 예를 들면 아릴 모노포스파이트, 아릴 디스포스파이트 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하기 구조식 (IX)를 갖는 아릴 다이포스파이트가 사용될 수 있다:
상기 식에서,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, 및 R10은 독립적으로 수소, C1 내지 C10 알킬, 및 C3 내지 C30 분지형 알킬(예컨대, 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸 또는 3급-부틸 잔기)로부터 선택된다.
이러한 아릴 다이포스파이트 화합물의 예는, 예를 들어 비스(2,4-다이큐밀페닐)펜타에리트리톨 다이포스파이트(도버포스(Doverphos)(등록상표) S-9228로 시판됨) 및 비스(2,4-다이-t-부틸페닐)펜타에리트리톨 다이포스파이트(울트라녹스(Ultranox)(등록상표) 626으로 시판됨)를 포함한다. 마찬가지로, 적합한 아릴 모노포스파이트는 트리스(2,4-다이-3급-부틸페닐)포스파이트(이르가포스(Irgafos)(등록상표) 168로 시판됨); 비스(2,4-다이-3급-부틸-6-메틸페닐) 에틸 포스파이트(이르가포스(등록상표) 38로 시판됨) 등을 포함할 수 있다.
또 다른 적합한 산화방지제는 티오에스터 산화방지제이다. 사용되는 경우, 티오에스터 산화방지제는 또한 전형적으로 상기 중합체 조성물의 약 0.04 내지 약 4 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 0.08 중량% 내지 약 2 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 0.2 중량% 내지 약 1.2 중량%의 양으로 존재한다. 본 발명에 사용하기에 특히 적합한 티오에스터 산화방지제는 티오카복실산 에스터, 예컨대 하기 구조식을 갖는 것이다:
Figure pct00010
상기 식에서,
x 및 y는 독립적으로 1 내지 10, 몇몇 실시양태에서 1 내지 6, 몇몇 실시양태에서 2 내지 4(예를 들어, 2)이고;
R11 및 R12는 독립적으로 선형 또는 분지형 C6 내지 C30알킬, 몇몇 실시양태에서, C10 내지 C24 알킬, 몇몇 실시양태에서, C12 내지 C20 알킬(예컨대, 라우릴, 스테아릴, 옥틸, 헥실, 데실, 도데실, 올레일 등)로부터 선택된다.
적합한 티오카복실산 에스터의 특정 예는, 예를 들어 다이스테아릴 티오다이프로피오네이트(이르가녹스(등록상표) PS 800으로 시판됨), 다이라우릴 티오다이프로피오네이트(이르가녹스(등록상표) PS 802로 시판됨), 다이-2-에틸헥실-티오다이프로피오네이트, 다이이소데실 티오다이프로피오네이트 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 특히 적합한 실시양태에서, 조성물의 특성에 상승 효과를 제공하는 것을 돕기 위해 산화방지제들의 조합이 사용될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 예를 들어, 상기 안정화제 시스템은 적어도 하나의 입체 장애 산화방지제, 포스파이트 산화방지제 및 티오에스터 산화방지제의 조합물을 사용할 수 있다. 사용되는 경우, 포스파이트 산화방지제 대 입체 장애 페놀 산화방지제의 중량비는 약 1:1 내지 약 5:1, 몇몇 실시양태에서 약 1:1 내지 약 4:1, 몇몇 실시양태에서 약 1.5:1 내지 약 3:1(예를 들어, 약 2:1) 범위일 수 있다. 티오에스터 안정화제 대 포스파이트 산화방지제의 중량비는 또한 일반적으로 약 1:1 내지 약 5:1, 몇몇 실시양태에서 약 1:1 내지 약 4:1, 몇몇 실시양태에서 약 1.5:1 내지 약 3:1(예를 들어, 약 2:1)이다. 마찬가지로, 티오에스터 산화방지제 대 입체 장애 페놀 산화방지제의 중량비는 또한 일반적으로 약 2:1 내지 약 10:1, 몇몇 실시양태에서 약 2:1 내지 약 8:1, 몇몇 실시양태에서 약 3:1 내지 약 6:1(예를 들어, 약 4:1)이다. 이러한 선택된 비 내에서, 상기 조성물은 고온 및/또는 자외선 광에 노출된 후에도 안정하게 유지되는 독특한 능력을 달성할 수 있는 것으로 여겨진다.
상기 중합체 조성물은 또한 하나 이상의 UV 안정화제를 함유할 수 있다. 적합한 UV 안정화제는, 예를 들어 벤조페논(예를 들어, 2-하이드록시-4-(옥틸옥시)페닐)페닐,메탄온(키마소르브(Chimassorb)(등록상표) 81), 벤조트라이아졸(예를 들어, 2-(2-하이드록시-3,5-다이-α-쿠밀페닐)-2H-벤조트라이아졸(티누빈(Tinuvin)(등록상표) 234), 2-(2-하이드록시-5-3급-옥틸페닐)-2H-벤조트라이아졸 (티누빈(등록상표) 329), 2-(2-하이드록시-3-α-쿠밀-5-3급-옥틸페닐)-2H-벤조트라이아졸(티누빈(등록상표) 928) 등), 트라이아진(예를 들어, 2,4-다이페닐-6-(2-하이드록시-4-헥실옥시페닐)-s-트라이아진(티누빈(등록상표) 1577)), 입체 장애 아민(예를 들어, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트(티누빈(등록상표) 770), 또는 다이메틸 석시네이트와 1-(2-하이드록시에틸)-4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘의 중합체(티누빈(등록상표)622)), 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 벤조페논이 상기 중합체 조성물에 사용하기에 특히 적합하다. 사용되는 경우, 이러한 UV 안정화제는 전형적으로 상기 조성물의 약 0.05 내지 약 2 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 0.1 중량% 내지 약 1.5 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 0.2 중량% 내지 약 1.0 중량%를 구성한다.
D. 기타 성분
상기 언급된 성분 이외에도, 상기 중합체 매트릭스는 또한 다양한 기타 성분을 함유할 수 있다. 이러한 임의적 성분의 예는, 예를 들어 EMI 충전제, 상용화제, 미립자 충전제, 윤활제, 착색제, 유동 개질제, 안료, 및 특성 및 가공성을 향상시키기 위해 첨가되는 기타 물질을 포함할 수 있다. EMI 차폐 특성이 요구되는 경우, 예를 들어 EMI 충전제가 사용될 수 있다. EMI 충전제는 일반적으로, 목적하는 정도의 전자기 간섭 차폐를 제공할 수 있는 전기 전도성 물질로 형성된다. 특정 실시양태에서, 예를 들어, 상기 물질은 금속, 예컨대 스테인리스 강, 알루미늄, 아연, 철, 구리, 은, 니켈, 금, 크롬 뿐만 아니라 이들의 합금 또는 혼합물도 포함한다. EMI 충전제는 또한 각종 상이한 형태, 예를 들면 입자(예를 들어, 철 분말), 박편(예를 들어, 알루미늄 박편, 스테인리스 강 박편 등) 또는 섬유일 수 있다. 특히 적합한 EMI 충전제는 금속을 포함하는 섬유이다. 이러한 실시양태에서, 상기 섬유는 주로 금속(예를 들어, 스테인리스 강 섬유)으로 형성될 수 있거나, 상기 섬유는 금속으로 코팅된 코어 물질로 형성될 수 있다. 금속 코팅이을 사용하는 경우, 코어 물질은 본질적으로 전도성 또는 절연성인 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 코어 물질은 탄소, 유리 또는 중합체로 형성될 수 있다. 이러한 섬유의 하나의 예는 니켈-코팅된 탄소 섬유이다.
상기 중합체 매트릭스와 상기 장섬유 간의 접착 정도를 향상시키기 위해 상용화제가 또한 사용될 수 있다. 사용되는 경우, 이러한 상용화제는 전형적으로 상기 중합체 조성물의 약 0.1 내지 약 15 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 0.5 중량% 내지 약 10 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 1 중량% 내지 약 5 중량%를 구성한다. 특정 실시양태에서, 상용화제는, 극성 작용기로 개질된 폴리올레핀을 함유하는 폴리올레핀 상용화제일 수 있다. 폴리올레핀은 올레핀 단독중합체(예를 들어, 폴리프로필렌) 또는 공중합체(예를 들어, 에틸렌 공중합체, 프로필렌 공중합체 등)일 수 있다. 상기 작용기는 폴리올레핀 골격에 그래프트화되거나, 중합체의 단량체 성분으로서 혼입될 수 있다(예를 들어, 블록 또는 랜덤 공중합체). 특히 적합한 작용기는 말레산 무수물, 말레산, 푸마르산, 말레이미드, 말레산 하이드라자이드, 말레산 무수물과 다이아민의 반응 생성물, 다이클로로말레산 무수물, 말레산 아마이드 등을 포함한다.
사용된 특정 성분에 관계없이, 원료(예를 들어, 열가소성 중합체, 난연제, 안정화제, 상용화제 등)는 전형적으로 함께 용융 배합되어 중합체 매트릭스를 형성한 후 장섬유로 강화된다. 원료는 물질을 분산 배합하는 용융-배합 장치에 동시에 또는 순차적으로 공급될 수 있다. 회분식 및/또는 연속식 용융 배합 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 혼합기/혼련기, 반바리(Banbury) 혼합기, 패럴(Farrel) 연속 혼합기, 단축 압출기, 쌍축 압출기, 롤 밀 등을 사용하여 물질을 배합할 수 있다. 하나의 특히 적합한 용융-배합 장치는 동시-회전 쌍축 압출기(예를 들어, 뉴저지주 램지 소재의 워너 앤드 플라이더러 코포레이션(Werner & Pfleiderer Corporation)에서 시판되는 ZSK-30 쌍축 압출기)이다. 이러한 압출기는 공급 및 배출 포트를 포함할 수 있고, 고강도 분배 및 분산 혼합을 제공할 수 있다. 예를 들어, 프로필렌계 중합체는 이축 압출기의 공급 포트로 공급되어 용융될 수 있다. 이후, 안정화제가 상기 중합체 용융물에 주입될 수 있다. 대안적으로, 안정화제는 압출기 내에 이의 길이를 따라 상이한 지점에서 별도로 공급될 수 있다. 선택된 특정 용융 배합 기술에 관계없이, 충분한 혼합을 보장하기 위해, 원료는 높은 전단/압력 및 열 하에 배합된다. 예를 들어, 용융 배합은 약 150℃ 내지 약 300℃, 몇몇 실시양태에서 약 155℃ 내지 약 250℃, 몇몇 실시양태에서 약 160℃ 내지 약 220℃의 온도에서 일어날 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 특정 실시양태는 상기 중합체 매트릭스 내의 중합체 블렌드(예를 들어, 프로필렌 단독중합체 및/또는 프로필렌/α-올레핀 공중합체)의 사용을 고려한다. 이러한 실시양태에서, 상기 블렌드에 사용되는 각각의 중합체는 전술된 방식으로 용융 배합될 수 있다. 그러나, 또 다른 실시양태에서, 제1 중합체(예를 들어, 프로필렌 중합체)를 용융 배합하여 농축물을 형성하고, 이어서 이를, 하기 기술되는 방식으로 장섬유로 강화시켜, 전구체 조성물을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이후, 상기 전구체 조성물은 제2 중합체(예를 들어, 프로필렌 중합체)와 배합(예를 들어, 건식 배합)되어, 목적하는 특성을 갖는 중합체 조성물을 형성할 수 있다. 또한 장섬유로 중합체 매트릭스를 강화하기 전 및/또는 동안 추가 중합체가 첨가될 수 있음을 이해해야 한다.
II. 장섬유
본 발명의 섬유-강화된 조성물을 형성하기 위해, 장섬유는 일반적으로 상기 중합체 매트릭스 내에 혼입된다. 장섬유는, 예를 들어 상기 조성물의 약 5 중량% 내지 약 50 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 10 중량% 내지 약 40 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 15 중량% 내지 약 35 중량%를 구성한다. 마찬가지로, 상기 중합체 매트릭스는 전형적으로 상기 조성물의 약 50 중량% 내지 약 95 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 60 중량% 내지 약 90 중량%, 몇몇 실시양태에서 약 65 중량% 내지 약 85 중량%를 구성한다.
용어 "장섬유"는 일반적으로, 연속적이지 않고 약 1 내지 약 25 mm, 몇몇 실시양태에서 약 1.5 내지 약 20 mm, 몇몇 실시양태에서 약 2 내지 약 15mm, 몇몇 실시양태에서 약 3 내지 약 12 mm의 길이를 갖는 섬유(fiber), 필라멘트, 얀 또는 로빙(예를 들어, 섬유 다발)을 지칭한다. 상기 섬유의 상당 부분은 성형 부품(예를 들어, 사출 성형)으로 형성된 후에도 비교적 긴 길이를 유지할 수 있다. 즉, 조성물 중의 섬유의 중간 길이(D50)는 약 1 mm 이상, 몇몇 실시양태에서 약 1.5 mm 이상, 몇몇 실시양태에서 약 2.0 mm 이상, 몇몇 실시양태에서 약 2.5 내지 약 8 mm일 수 있다. 길이에 관계없이, 상기 섬유의 공칭 직경(예를 들어, 로빙 내의 섬유 직경)은 생성된 중합체 조성물의 표면 외관을 개선하는 데 도움이 되도록 선택적으로 제어될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 섬유의 공칭 직경은 약 20 내지 약 40 μm, 몇몇 실시양태에서 약 20 내지 약 30 μm, 몇몇 실시양태에서 약 21 내지 약 26 μm 범위일 수 있다. 이 범위 내에서, 섬유가 성형 부품의 표면 상에서 "클럼핑되는(clumped)" 경향이 감소되어 부품의 색상 및 표면 외관이 주로 중합체 매트릭스로부터 기인하게 한다. 개선된 미적 일관성을 제공하는 것에 더하여, 이는 자외선에 노출된 후에도 색상이 더 잘 유지되도록 하며, 그 이유는, 안정화제 시스템이 상기 중합체 매트릭스에 더욱 용이하게 사용될 수 있기 때문이다. 물론, 다른 공칭 직경, 예컨대 약 1 내지 약 20 μm, 몇몇 실시양태에서 약 8 내지 약 19 μm, 몇몇 실시양태에서 약 10 내지 약 18 μm의 직경이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
상기 섬유는 당분야에 공지된 임의의 통상적인 물질, 예컨대 금속 섬유; 유리 섬유(예를 들어, E-유리, A-유리, C-유리, D-유리, AR-유리, R-유리, S1-유리, S2-유리), 탄소 섬유(예를 들어, 흑연), 붕소 섬유, 세라믹 섬유(예를 들어, 알루미나 또는 실리카), 아라미드 섬유(예를 들어, 케블라(Kevlar)(등록상표)), 합성 유기 섬유(예를 들어, 폴리아마이드, 폴리에틸렌, 파라페닐렌, 테레프탈아마이드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리페닐렌 설파이드), 전술된 바와 같은 금속 섬유(예컨대, 스테인리스 강 섬유), 및 열가소성 조성물을 강화하는 것으로 공지된 다양한 기타 천연 또는 합성 무기 또는 유기 섬유 물질로 형성될 수 있다. 유리 섬유, 특히 S-유리 섬유가 특히 바람직하다. 섬유는 꼬이거나 직선형일 수 있다. 필요한 경우, 상기 섬유는 단일 섬유 유형 또는 상이한 유형의 섬유들을 포함하는 로빙(예를 들어, 섬유 다발) 형태일 수 있다. 상이한 섬유들이 개별 로빙에 포함될 수 있거나, 또는 각각의 로빙은 상이한 섬유 유형을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 특정 로빙은 탄소 섬유를 포함할 수 있고, 다른 로빙은 유리 섬유를 포함할 수 있다. 각각의 로빙에 포함된 섬유의 수는 일정하거나, 로빙마다 다를 수 있다. 전형적으로, 로빙은 약 1,000개의 섬유 내지 약 50,000개의 개별 섬유, 몇몇 실시양태에서 약 2,000 내지 약 40,000개의 섬유를 함유할 수 있다.
임의의 각종 상이한 기술들이 일반적으로 사용되어, 상기 섬유를 상기 중합체 매트릭스 내에 혼입시킬 수 있다. 상기 장섬유는 상기 중합체 매트릭스 내에 무작위로 분포되거나, 대안적으로 정렬된 방식으로 분포될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 예를 들어, 연속 섬유가 초기에 상기 중합체 매트릭스 내로 함침되어 스트랜드를 형성하고, 이후 냉각되고, 이어서 생성된 섬유가 장섬유에 대해 목적하는 길이를 갖도록 펠릿으로 잘게 잘려진다. 이러한 실시양태에서, 상기 중합체 매트릭스 및 연속 섬유(예를 들어, 로빙)는 전형적으로 함침 다이를 통해 인발되어(pultruded) 섬유와 중합체 사이에 목적하는 접촉을 달성한다. 인발(pultrusion)은 또한, 섬유들이 이격되고 동일하거나 실질적으로 유사한 방향(예를 들면, 펠릿의 주축(예컨대, 길이)에 평행한 종방향)으로 정렬되어 기계적 특성을 추가로 향상시키는 것을 보장하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 인발 공정(10)의 하나의 실시양태가 도시되며, 여기서는 중합체 매트릭스가 압출기(13)로부터 함침 다이(11)로 공급되면서, 연속 섬유(12)가 다이(11) 및 풀러(puller) 장치(18)를 통해 당겨져 복합 구조체(14)를 생성한다. 전형적인 풀러 장치는, 예를 들어 캐터필러 풀러(caterpillar puller) 및 왕복 풀러(reciprocating puller)를 포함할 수 있다. 임의적이지만, 복합 구조체(14)는 또한 압출기(16)에 부착된 코팅 다이(15)를 통해 당겨질 수 있으며, 이를 통해 코팅 수지가 적용되어, 코팅된 구조체(17)를 형성한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이어서 코팅된 구조체(17)는 풀러 조립체(assembly)(18)를 통해 당겨지고, 장섬유-강화된 조성물을 형성하기 위해 구조체(17)를 목적하는 크기로 절단하는 펠릿화기(pelletizer)(19)에 공급된다.
인발 공정 동안 사용되는 함침 다이의 성질은 상기 중합체 매트릭스와 상기 장섬유 간의 우수한 접촉을 달성하는 데 도움이 되도록 선택적으로 변할 수 있다. 적합한 함침 다이 시스템의 예는 재발행 특허 제32,772호(홀리(Hawley)); 제9,233,486호(리건(Regan) 등); 및 제9,278,472호(이스텝(Eastep) 등)에 기재되어 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 이러한 적합한 함침 다이(11)의 하나의 실시양태가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 중합체 매트릭스(127)는 압출기(미도시)를 통해 함침 다이(11)에 공급될 수 있다. 더욱 구체적으로, 중합체 매트릭스(127)는 배럴 플랜지(128)를 통해 압출기를 빠져나가 다이(11)의 다이 플랜지(132)로 들어갈 수 있다. 다이(11)는, 하부 다이 절반(136)과 정합되는 상부 다이 절반(134)을 포함한다. 연속 섬유(142)(예를 들어, 로빙)는 릴(144)로부터 공급 포트(138)를 통해 다이(11)의 상부 다이 절반(134)으로 공급된다. 유사하게, 연속 섬유(146)는 또한 공급 포트(140)를 통해 릴(148)로부터 공급된다. 매트릭스(127)는, 상부 다이 절반(134) 및/또는 하부 다이 절반(136)에 장착된 히터(133)에 의해 다이 절반(134, 136) 내부에서 가열된다. 상기 다이는 일반적으로 열가소성 중합체의 용융 및 함침을 유발하기에 충분한 온도에서 작동된다. 전형적으로, 상기 다이의 작동 온도는 상기 중합체 매트릭스의 용융 온도보다 높다. 이러한 방식으로 처리될 때, 연속 섬유(142, 146)가 매트릭스(127)에 혼입된다. 이어서, 이 혼합물은 함침 다이(11)를 통해 당겨져 섬유-강화된 조성물(152)을 생성한다. 필요한 경우, 압력 센서(137)가 또한 함침 다이(11) 부근의 압력을 감지하여, 스크류 샤프트의 회전 속도 또는 공급기의 공급 속도를 제어함으로써 압출 속도에 대해 제어가 실행되도록 할 수 있다.
함침 다이 내에서, 일반적으로 상기 섬유가 일련의 충돌 대역과 접촉하는 것이 바람직하다. 이러한 대역에서, 상기 중합체 용융물은 상기 섬유를 통해 횡방향으로 유동하여 전단 및 압력을 생성할 수 있으며, 이는 함침 정도를 크게 향상시킨다. 이는, 섬유 함량이 높은 리본으로부터 복합체를 형성할 때 특히 유용하다. 전형적으로, 상기 다이는 충분한 정도의 전단 및 압력을 생성하기 위해 로빙당 적어도 2개, 몇몇 실시양태에서, 적어도 3개, 몇몇 실시양태에서, 4 내지 50개의 충돌 대역을 포함할 것이다. 이의 특정 형태는 다를 수 있지만, 충돌 대역은 전형적으로 곡선 표면, 예를 들면 곡선 로브, 막대 등을 가진다. 충돌 대역은 또한 전형적으로 금속 물질로 제조된다.
도 2는, 로브(182) 형태의 다수의 충돌 대역을 포함하는 함침 다이(11)의 일부의 확대된 개략도를 도시한다. 본 발명이, 임의적으로 기계 방향과 동축일 수 있는 복수의 공급 포트를 사용하여 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 사용되는 공급 포트의 수는, 다이에서 한 번에 처리되는 섬유의 수에 따라 다를 수 있으며, 공급 포트는 상부 다이 절반(134) 또는 하부 다이 절반(136)에 장착될 수 있다. 공급 포트(138)는 상부 다이 절반(134)에 장착된 슬리브(170)를 포함한다. 공급 포트(138)는 슬리브(170)에 미끄러짐 가능하게 장착된다. 공급 포트(138)는, 조각(172, 174)으로 도시된 적어도 2개의 조각으로 분할된다. 공급 포트(138)는 종방향으로 통과하는 보어(bore)(176)를 가진다. 보어(176)는 상부 다이 절반(134)으로부터 떨어져 개방되는 우측 원통 원뿔 형상일 수 있다. 섬유(142)는 보어(176)를 통과하고, 상부 다이 절반(134)과 하부 다이 절반(136) 사이의 통로(180)에 들어간다. 통로(210)가 나선형 경로를 취하도록, 상부 다이 절반(134) 및 하부 다이 절반(136)에 일련의 로브(182)가 또한 형성된다. 로브(182)는, 섬유(142, 146)가 적어도 하나의 로브 위로 통과되도록 하여, 통로(180) 내부의 중합체 매트릭스가 각각의 섬유와 완전히 접촉되도록 한다. 이러한 방식으로, 용융된 중합체와 섬유(142, 146) 간의 완전한 접촉이 보장된다.
함침을 더욱 용이하게 하기 위해, 상기 섬유는 함침 다이 내에 존재하는 동안 장력 하에 유지될 수도 있다. 장력은, 예를 들어 섬유 토우(tow)당 약 5 내지 약 300 뉴턴(Newton), 몇몇 실시양태에서 약 50 내지 약 250 뉴턴, 몇몇 실시양태에서 약 100 내지 약 200 뉴턴 범위일 수 있다. 또한, 상기 섬유는, 전단을 향상시키기 위해 굴곡진 경로로 충돌 대역을 통과할 수도 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 실시양태에서, 상기 섬유는 사인파형 경로로 충돌 대역을 가로지른다. 로빙이 하나의 충돌 대역에서 다른 충돌 대역으로 가로지르는 각도는 일반적으로 전단을 향상시키기에 충분히 높지만, 섬유를 파괴하는 과도한 힘을 유발할 정도로 그렇게 높지는 않다. 따라서, 예를 들어, 상기 각도는 약 1° 내지 약 30°, 몇몇 실시양태에서 약 5° 내지 약 25° 범위일 수 있다.
상기 도시되고 기술된 함침 다이는 본 발명에서 사용될 수 있는 다양한 가능한 구성 중 하나일 뿐이다. 대안적인 실시양태에서, 예를 들어, 상기 섬유는 상기 중합체 용융물의 유동 방향에 대해 각도를 이루게 위치하는 크로스헤드 다이에 도입될 수 있다. 상기 섬유가 크로스헤드 다이를 통해 이동하여 상기 중합체가 압출기 배럴에서 나오는 지점에 도달함에 따라, 상기 중합체는 상기 섬유와 강제로 접촉하게 된다. 임의의 다른 압출기 설계(예컨대, 쌍축 압출기)가 또한 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 섬유의 함침을 돕기 위해 다른 성분이 또한 임의적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 병합된 토우의 전체 폭에 걸쳐 24,000개 이하 정도로 많은 섬유를 각각 포함할 수 있는 개별 섬유들의 다발 또는 토우를 균일하게 확산시키는 것을 돕기 위해 "가스 제트(gas jet)" 조립체가 사용될 수 있다. 이는 상기 리본에서 강도 특성을 균일하게 분포시키는 데 도움이 된다. 이러한 조립체는, 출구 포트를 통과하는 이동 섬유 토우에 일반적으로 수직인 방식으로 충돌하는 압축 공기 또는 다른 기체의 공급을 포함할 수 있다. 이어서, 퍼진 섬유 다발이, 전술된 바와 같이 함침을 위해 다이에 도입될 수 있다.
상기 섬유-강화된 중합체 조성물은 일반적으로 각종 상이한 기술을 사용하여 성형 부품을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 적합한 기술은, 예를 들어 사출 성형, 저압 사출 성형, 압출 압축 성형, 기체 사출 성형, 폼 사출 성형, 저압 기체 사출 성형, 저압 폼 사출 성형, 기체 압출 압축 성형, 폼 압출 압축 성형, 압출 성형, 폼 압출 성형, 압축 성형, 폼 압축 성형, 기체 압축 성형 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유-강화된 조성물이 주입될 수 있는 몰드를 포함하는 사출 성형 시스템이 사용될 수 있다. 상기 중합체 매트릭스가 사전 고화되지 않도록 주입기 내의 시간이 제어되고 최적화될 수 있다. 주기 시간에 도달하고 배출을 위해 배럴이 가득 차면, 피스톤을 사용하여 상기 조성물을 몰드 공동에 주입할 수 있다. 압축 성형 시스템이 또한 사용될 수 있다. 사출 성형과 마찬가지로, 상기 섬유-강화된 조성물을 목적하는 물품으로 성형하는 것이 또한 몰드 내에서 수행된다. 상기 조성물은 임의의 공지된 기술을 사용하여, 예를 들면, 자동화된 로봇 암에 의해 픽업됨으로써, 압축 몰드에 배치될 수 있다. 몰드의 온도는, 고화를 허용하는 목적하는 시간 동안 상기 중합체 매트릭스의 고화 온도 이상으로 유지될 수 있다. 이어서, 성형 제품은, 상기 제품의 융점 미만의 온도가 되도록 함으로써 고화될 수 있다. 생성된 제품은 이형될 수 있다. 각각의 성형 공정의 주기 시간은, 충분한 결합을 달성하고 전체 공정 생산성을 향상시키기 위해 상기 중합체 매트릭스에 맞게 조정될 수 있다. 상기 섬유-강화된 조성물의 고유한 특성으로 인해, 비교적 얇은 성형 부품(예를 들어, 사출 성형 부품)이 이로부터 쉽게 형성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 부품은 약 10 mm 이하, 몇몇 실시양태에서 약 8 mm 이하, 몇몇 실시양태에서 약 6 mm 이하, 몇몇 실시양태에서 약 0.4 내지 약 5 mm, 몇몇 실시양태에서는, 약 0.8 내지 약 4 mm(예를 들어, 0.8, 1.2 또는 3 mm)의 두께를 가질 수 있다.
II. 전자 모듈
전술된 바와 같이, 상기 중합체 조성물은 전자 모듈에 사용될 수 있다. 상기 모듈은 일반적으로 하나 이상의 전자 컴포넌트(예컨대, 인쇄 회로 기판, 안테나 부재, 무선 주파수 감지 부재, 센서, 광 감지 및/또는 전송 부재(예컨대, 광섬유), 카메라, 전세계 위치파악 장치 등)를 수용하는 하우징을 포함한다. 예를 들어, 상기 하우징은, 기부(base)로부터 연장되는 측벽을 포함하는 기부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전자 컴포넌트(들)가 수용되고 외부 환경으로부터 보호되는 내부를 한정하기 위해 상기 기부의 측벽 상에 커버가 지지될 수 있다. 상기 모듈의 특정 구성에 관계없이, 본 발명의 중합체 조성물은 하우징 및/또는 커버의 전부 또는 일부를 형성하는 데 사용될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 예를 들어, 본 발명의 중합체 조성물은 하우징의 기부 및 측벽을 형성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 커버는, 본 발명의 중합체 조성물 또는 상이한 물질, 예를 들면 금속 성분(예를 들어, 알루미늄 판)으로부터 형성될 수 있다. 특히, 본 발명의 하나의 이점은, 상기 중합체 조성물이 상기 전기 모듈에 사용되는 전형적인 금속 성분과 유사한 선형 열 팽창 계수를 가진다는 것이다. 예를 들어, 상기 중합체 조성물의 선형 열 팽창 계수는, 흐름 방향으로(평행하게) ISO 11359-2:1999에 따라 결정시, 약 10 μm/m·℃ 내지 약 35 μm/m·℃, 몇몇 실시양태에서 약 12 μm/m·℃ 내지 약 32 μm/m·℃, 몇몇 실시양태에서, 15 μm/m·℃ 내지 약 30 μm/m·℃의 범위일 수 있다. 또한, 상기 금속 성분의 선형 열 팽창 계수에 대한 상기 중합체 조성물의 선형 열 팽창 계수의 비는 약 0.5 내지 약 1.5, 몇몇 실시양태에서 약 0.6 내지 약 1.2, 몇몇 실시양태에서 약 0.6 내지 약 1.0일 수 있다. 예를 들어, 알루미늄의 선형 열 팽창 계수는 약 21 내지 24 μm/m·℃이다.
도 3을 참조하면, 예를 들어, 본 발명의 중합체 조성물을 혼입할 수 있는 전자 모듈(100)의 하나의 특정 실시양태가 도시된다. 전자 모듈(100)은 기부(114)로부터 연장되는 측벽(132)을 포함하는 하우징(102)을 포함한다. 필요한 경우, 하우징(102)은 또한 전기 커넥터(미도시)를 수용할 수 있는 덮개(shroud)(116)를 포함할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 인쇄 회로 기판("PCB")은 모듈(100) 내부에 수용되고 하우징(102)에 부착된다. 더욱 구체적으로, 회로 기판(104)은, 하우징(102) 상에 위치하는 포스트(110)와 정렬되어 이를 수용하는 구멍(122)을 포함한다. 회로 기판(104)은, 모듈(100)의 무선 주파수 작동을 가능하게 하기 위해 상부에 전기 회로(121)가 제공되는 제1 표면(118)을 가진다. 예를 들어, RF 회로(121)는 하나 이상의 안테나 부재(120a, 120b)를 포함할 수 있다. 회로 기판(104)은 또한, 제1 표면(118)에 대향하는 제2 표면(119)을 갖고, 임의적으로, 다른 전기적 컴포넌트, 예를 들면 모듈(100)의 디지털 전자 작동을 가능하게 하는 컴포넌트(예컨대, 디지털 신호 프로세서, 반도체 메모리, 입력/출력 인터페이스 장치 등)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 이러한 컴포넌트는 추가 인쇄 회로 기판 상에 제공될 수 있다. 회로 기판(104) 위에 배치되고, 전기적 컴포넌트를 내부에 밀봉하기 위해 공지된 기술을 통해, 예를 들면 용접, 접착제 등에 의해 하우징(102)(예를 들어, 측벽)에 부착되는 커버(108)가 또한 사용될 수 있다. 전술된 바와 같이, 상기 중합체 조성물은 커버(108) 및/또는 하우징(102)의 전부 또는 일부를 형성하는 데 사용될 수 있다.
상기 전자 모듈은 다양한 용도에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 모듈은 차량(예컨대, 전기 차량)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 자동차 용도에 사용되는 경우, 상기 전자 모듈은 하나 이상의 3차원 물체에 대한 차량의 위치를 감지하는 데 사용될 수 있다. 이와 관련하여 모듈은, 상기 모듈은 무선 주파수 감지 컴포넌트, 광 감지 또는 광학 컴포넌트, 카메라, 안테나 부재 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 모듈은 무선 탐지 및 거리 측정(ranging)("레이더") 모듈, 광 탐지 및 거리 측정("광선 레이더") 모듈, 카메라 모듈, 전세계 위치파악 모듈 등일 수 있거나, 또는 이들 컴포넌트 중 둘 이상을 조합한 통합 모듈일 수 있다. 따라서, 상기 모듈은, 하나 이상의 유형의 전자 컴포넌트(예컨대, 인쇄 회로 기판, 안테나 부재, 무선 주파수 감지 장치, 센서, 광 감지 및/또는 전송 부재(예컨대, 광섬유), 카메라, 전세계 위치파악 장치 등)을 수용하는 하우징을 사용할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 예를 들어, 상기 논의된 실시양태와 유사한 방식으로, 하우징/커버 조립체의 내부에서 수신되는 광 펄스를 수신 및 전송하기 위한 섬유 광학 조립체를 포함하는 광선 레이더 모듈이 형성될 수 있다. 유사하게, 레이더 모듈은 전형적으로, 무선 주파수(RF) 레이더 신호, 디지털 신호 처리 작업 등을 처리하는 전용 전기 컴포넌트를 갖는 하나 이상의 인쇄 회로 기판을 포함한다.
상기 전자 모듈은 5G 시스템에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 모듈은 안테나 모듈, 예를 들면 매크로셀(기지국), 소형 셀, 마이크로셀 또는 리피터(repeater)(펨토셀(femtocell)) 등일 수 있다. 본원에서 "5G"는 일반적으로, 무선 주파수 신호를 통한 고속 데이터 통신을 지칭한다. 5G 네트워크 및 시스템은 이전 세대의 데이터 통신 표준(예컨대, "4G, "LTE")보다 훨씬 빠른 속도로 데이터를 통신할 수 있다. 5G 통신의 요건을 정량화하는 다양한 표준 및 사양이 발표되었다. 하나의 예로서, ITU(International Telecommunications Union)는 2015년에 IMT-2020(International Mobile Telecommunications-2020) 표준을 발표하였다. IMT-2020 표준은 5G에 대한 다양한 데이터 전송 기준(예컨대, 다운링크 및 업링크 데이터 속도, 대기 시간 등)을 규정한다. IMT-2020 표준은, 업링크 및 다운링크 피크 데이터 속도를, 5G 시스템이 지원해야 하는 데이터 업로드 및 다운로드를 위한 최소 데이터 속도로 정의한다. IMT-2020 표준은 다운링크 피크 데이터 속도 요건을 20 Gbit/s로 설정하고, 업링크 피크 데이터 속도를 10 Gbit/s로 설정한다. 또 다른 예로서, 3GPP(3rd Generation Partnership Project)는 최근 "5G NR"이라는 새로운 5G 표준을 발표하였다. 3GPP는 2018년에 5G NR 표준화를 위한 "1단계"를 정의하는 "릴리스(Release) 15"를 발표하였다. 3GPP는, 5G 주파수 대역을 일반적으로 "주파수 범위 1"(FR1)(6GHz 이하의 주파수 포함)로 정의하고, "주파수 범위 2"(FR2)를 20 내지 60GHz 범위의 주파수 대역으로 정의한다. 그러나, 본원에서 "5G 주파수"는, 60 GHz 초과, 예를 들어 80 GHz 이하, 150 GHz 이하, 300 GHz 이하 범위의 주파수를 사용하는 시스템을 지칭할 수 있다. 본원에서 "5G 주파수"는, 약 1.8 GHz 이상, 몇몇 실시양태에서 약 2.0 GHz 이상, 몇몇 실시양태에서 약 3.0 GHz 이상, 몇몇 실시양태에서 약 3 GHz 내지 약 300 GHz 또는 그 이상, 몇몇 실시양태에서 약 4 GHz 내지 약 80 GHz, 몇몇 실시양태에서 약 5 GHz 내지 약 80 GHz, 몇몇 실시양태에서 약 20 GHz 내지 약 80 GHz, 몇몇 실시양태에서 약 28 GHz 내지 약 60 GHz의 주파수를 지칭할 수 있다.
5G 안테나 시스템은 일반적으로, 5G 구성요소(예를 들면, 매크로셀(기지국), 소형 셀, 마이크로셀 또는 리피터(펨토셀) 등) 및/또는 5G 시스템의 다른 적절한 구성요소에 사용하기 위한 고 주파수 안테나 및 안테나 어레이를 사용한다. 상기 안테나 부재/어레이 및 시스템은 3GPP에서 발표한 표준(예를 들면, 릴리스 15(2018) 및/또는 IMT-2020 표준) 하에 "5G"를 충족하거나 이의 자격을 얻을 수 있다. 고 주파수에서 이러한 고속 데이터 통신을 달성하기 위해, 상기 안테나 부재 및 어레이는 일반적으로 안테나 성능을 향상시킬 수 있는 작은 특징부(feature) 크기/간격(예컨대, 미세 피치 기술)을 사용한다. 예를 들어, 특징부(feature) 크기(안테나 부재들 사이의 간격, 안테나 부재의 폭)는 일반적으로, 상부에 안테나 부재가 형성되는 기판을 통해 전파되는 목적하는 송신 및/또는 수신 무선 주파수의 파장("λ")에 따라 달라진다(예컨대, nλ/4, 여기서 n은 정수). 또한, 빔포밍(beamforming) 및/또는 빔 스티어링(beam steering)을 사용하여 여러 주파수 범위 또는 채널에 걸쳐 수신 및 송신을 용이하게 할 수 있다(예컨대, MIMO(multiple-in-multiple-out), 대규모 MIMO). 고 주파수 5G 안테나 부재는 다양한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 5G 안테나 부재는 동일 평면 도파관 부재, 패치 어레이(예컨대, 메쉬-그리드 패치 어레이), 다른 적합한 5G 안테나 구성일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 상기 안테나 부재는 MIMO, 대규모 MIMO 기능, 빔 스티어링 등을 제공하도록 구성될 수 있다. 본원에서 "대규모" MIMO 기능은 일반적으로, 안테나 어레이를 갖는 다수의 전송 및 수신 채널, 예를 들어 8 전송(Tx) 및 8 수신(Rx) 채널(8x8로 약칭)을 제공하는 것을 지칭한다. 대규모 MlMO 기능은 8x8, 12x12, 16x16, 32x32, 64x64 또는 그 이상으로 제공될 수 있다.
상기 안테나 부재는 다양한 제조 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 하나의 예로서, 상기 안테나 부재 및/또는 관련 부재(예를 들어, 접지 부재, 피드 라인 등)는 미세 피치 기술을 사용할 수 있다. 미세 피치 기술은 일반적으로 이의 구성요소들 또는 리드들 사이의 작거나 미세한 간격을 지칭한다. 예를 들어, 안테나 부재들 사이(또는 안테나 부재와 접지면 사이)의 특징부 치수 및/또는 간격은 약 1,500 μm 이하, 몇몇 실시양태에서, 1,250 μm 이하, 몇몇 실시양태에서, 750 μm 이하(예를 들어, 1.5 mm 이하의 중심간 간격), 650 μm 이하, 몇몇 실시양태에서 550 μm 이하, 몇몇 실시양태에서 450 μm 이하, 몇몇 실시양태에서 350 μm 이하, 몇몇 실시양태에서 250 μm 이하, 몇몇 실시양태에서, 150 μm 이하, 몇몇 실시양태에서, 100 μm 이하, 몇몇 실시양태에서, 50 μm 이하일 수 있다. 그러나, 더 작거나 더 큰 특징부 크기 및/또는 간격이 또한 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 작은 특징부 치수의 결과로서, 안테나 구성 및/또는 어레이는 작은 점유공간 내에 다수의 안테나 부재를 사용함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 상기 안테나 어레이는 1,000개 안테나 부재/cm2 초과, 몇몇 실시양태에서, 2,000개 안테나 부재/cm2 초과, 몇몇 실시양태에서, 3,000개 안테나 부재/cm2 초과, 몇몇 실시양태에서, 4,000개 안테나 부재/cm2 초과, 몇몇 실시양태에서, 6,000개 안테나 부재/cm2 초과, 몇몇 실시양태에서 약 8,000개 안테나 부재/cm2 초과의 평균 안테나 부재 농도를 가질 수 있다. 안테나 부재의 이러한 콤팩트한 배열은 안테나 영역의 단위 영역당 MIMO 기능을 위한 더 많은 수의 채널을 제공할 수 있다. 예를 들어, 채널의 수는 안테나 부재의 수와 대응(예를 들어, 이와 같거나 비례)할 수 있다.
도 4를 참조하면, 예를 들어, 5G 안테나 시스템(100)은 기지국(102), 하나 이상의 중계국(104), 하나 이상의 사용자 컴퓨팅 장치(106), 하나 이상의 Wi-Fi 리피터(108)(예를 들어, "펨토셀"), 및/또는 5G 안테나 시스템(100)을 위한 다른 적합한 안테나 컴포넌트를 포함할 수 있다. 중계국(104)은, 기지국(102)과 사용자 컴퓨팅 디바이스(106) 및/또는 중계국(104) 사이에서 신호를 중계 또는 "반복(repeating)"함으로써 사용자 컴퓨팅 디바이스(106) 및/또는 다른 중계국(104)에 의한 기지국(102)과의 통신을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 기지국(102)은, 중계국(들)(104), Wi-Fi 리피터들(108) 및/또는 사용자 컴퓨팅 디바이스(들)(106)와 직접 무선 주파수 신호들(112)을 수신 및/또는 송신하도록 구성된 MIMO 안테나 어레이(110)를 포함할 수 있다. 사용자 컴퓨팅 장치(306)는 본 발명에 의해 반드시 제한되는 것은 아니며, 5G 스마트폰과 같은 장치를 포함한다. MIMO 안테나 어레이(110)는 중계국(104)에 무선 주파수 신호(112)를 집중시키거나 유도하기 위해 빔 스티어링을 사용할 수 있다. 예를 들어, MIMO 안테나 어레이(110)는 X-Y 평면에 대한 앙각(elevation angle)(114) 및/또는 Z-Y 평면에서 그리고 Z 방향에 대해 정의된 지향각(eading angle)(116)을 조정하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 중계국(104), 사용자 컴퓨팅 장치(106), Wi-Fi 리피터(108) 중 하나 이상은, 기지국(102)의 MIMO 안테나 어레이(110)에 대한 디바이스(104, 106, 108)의 감도 및/또는 전력 전송을 방향적으로 조정함으로써(예를 들어, 각각의 디바이스의 상대 앙각 및/또는 상대 방위각 중 하나 또는 둘 다를 조정함으로써) MIMO 안테나 어레이(110)에 대한 수신 및/또는 전송 능력을 향상시키기 위해 빔 스티어링을 사용할 수 있다.
본 발명은 하기 실시예를 참조하여 더욱 잘 이해될 수 있다.
시험 방법
용융 흐름 지수: 중합체 또는 중합체 조성물의 용융 흐름 지수는 2.16 kg의 하중 및 230℃의 온도에서 ISO 1133-1:2011(기술적으로 ASTM D1238-13과 동일)에 따라 결정될 수 있다.
인장 모듈러스, 인장 응력 및 파단 인장 신율: 인장 특성은 ISO 시험 번호 527-1:2019(기술적으로 ASTM D638-14와 동일)에 따라 시험될 수 있다. 모듈러스 및 강도 측정은 170/190 mm의 길이, 4 mm의 두께 및 10 mm의 폭을 갖는 도그본(dogbone) 형상의 시험 스트립 샘플에 대해 수행될 수 있다. 시험 온도는 -30℃, 23℃ 또는 80℃일 수 있으며, 시험 속도는 1 mm/분 또는 5 mm/분일 수 있다.
굴곡 모듈러스, 파단 굴곡 신율 및 굴곡 응력: 굴곡 특성은 ISO 시험 번호 178:2019(기술적으로 ASTM D790-17과 동일)에 따라 시험될 수 있다. 상기 시험은 64 mm 지지 범위에서 수행될 수 있다. 상기 시험은, 비-절단된 ISO 3167 다목적 바의 중앙 부분에서 수행될 수 있다. 시험 온도는 -30℃, 23℃ 또는 80℃일 수 있으며, 시험 속도는 2 mm/분일 수 있다.
샤르피 충격 강도: 샤르피 특성은 ISO 시험 번호 ISO 179-1:2010)(기술적으로 ASTM D256-10, 방법 B와 동일)에 따라 시험될 수 있다. 상기 시험은 유형 1 시편 크기(80 mm의 길이, 폭 10 mm 및 4 mm의 두께)를 사용하여 실행될 수 있다. 시편은 단일 톱니 밀링 머신을 사용하여 다목적 바의 중앙에서 절단될 수 있다. 시험 온도는 -30℃, 23℃ 또는 80℃일 수 있다.
하중 하 변형 온도(Deflection Temperature Under Load, "DTUL"): 하중 하 변형 온도는 ISO 시험 번호 75-2:2013(기술적으로 ASTM D648-07과 동일함)에 따라 결정될 수 있다. 더욱 구체적으로, 80 mm의 길이, 10 mm의 폭 및 4 mm의 두께를 갖는 시험 스트립 샘플은 엣지 방향 3점 굽힘 시험으로 처리될 수 있으며, 이때 명시된 하중(최대 외부 섬유 응력)은 1.8 메가파스칼이었다. 상기 시편은, 0.25 mm(ISO 시험 번호 75-2:2013의 경우 0.32 mm) 변형될 때까지, 2℃/분으로 온도가 상승되는 실리콘 오일 욕조에 놓일 수 있다.
선형 열 팽창 계수("CLTE"): 선형 열 팽창 계수는 ISO 11359에 따라 흐름 방향 및/또는 횡방향에서 결정될 수 있다.
유전 상수("Dk") 및 손실 계수("Df"): 유전 상수(또는 상대 정적 유전율) 및 손실 계수(또는 손실 탄젠트)는 IPC 650 시험 방법 번호 2.5.5.13(1/07)에 따라 2 GHz의 주파수에서 결정된다. 이 방법에 따르면, 분할 실린더 공진기를 사용하여 평면내 유전 상수 및 손실 계수가 결정될 수 있다. 시험 샘플은 8.175 mm의 두께, 70 mm의 폭, 70 mm의 길이를 가졌다.
한계 산소 지수: 한계 산소 지수("LOI")는 ISO 4589:2017(기술적으로 ASTM D2863-19와 동일)에 의해 결정될 수 있다. LOI는, 산소와 질소의 유동 혼합물에서 화염 연소를 지원하는 최소 산소 농도이다. 더욱 구체적으로, 시편은 투명한 시험 칼럼 내에 수직으로 배치될 수 있으며, 산소와 질소의 혼합물이 상기 칼럼을 통해 위쪽으로 강제될 수 있다. 시편은 상부에서 점화될 수 있다. 시편이 연소를 지원할 때까지 산소 농도가 조정될 수 있다. 보고된 농도는, 시편이 연소를 지원하는 산소의 부피%이다.
UL94: 시편을 수직 위치로 지지하고, 시편 하부에 화염을 적용한다. 불꽃이 멈출 때까지, 화염을 십(10)초 동안 적용하고 이어서 제거하며, 불꽃이 멈추었을 때 또 다른 십(10)초 동안 화염을 다시 적용하고 이어서 제거한다. 5개 시편의 2개 세트를 시험한다. 샘플 크기는 125 mm의 길이, 13 mm의 폭, 3 mm의 두께이다. 상기 두 세트는 에이징 전후에 컨디셔닝(conditioning)한다. 에이징되지 않은 시험의 경우, 각각의 두께는 23℃ 및 50% 상대 습도에서 48시간 동안 컨디셔닝한 후 시험한다. 에이징 시험의 경우, 각각의 두께의 5개 샘플을 70℃에서 7일 동안 컨디셔닝한 후 시험한다.
실시예 1
약 45 중량%의 프로필렌 단독중합체(65 g/10분의 용융 흐름 지수, 0.90 g/cm3의 밀도), 35 중량%의 난연제 마스터배취, 20 중량%의 연속 유리 섬유 로빙(2400 Tex, 16 μm의 필라멘트 직경), 5 중량% 미만의 커플링제(말레산 무수물-그래프트화된 올레핀 중합체), 2 중량% 미만의 열/UV 안정화제를 포함하는 샘플을 형성하였다. 상기 난연제 마스터배취는 40 중량%의 폴리프로필렌, 및 60 중량%의 무-할로겐 난연제 시스템(전술된 바와 같은 인계 난연제 포함)를 포함한다. 상기 샘플을 단축 압출기(90 mm)에서 용융 처리하였으며, 여기서 용융 온도는 250℃이고, 다이 온도는 250℃이고, 대역 온도는 160℃ 내지 320℃ 범위이고, 스크류 속도는 160 rpm이다.
실시예 2
약 50 중량%의 프로필렌 단독중합체(65 g/10분의 용융 흐름 지수, 0.90 g/cm3의 밀도), 30 중량%의, 실시예 1에 기재된 바와 같은 난연제 마스터배취, 20 중량%의 연속 유리 섬유 로빙(2400 Tex, 16 μm의 필라멘트 직경), 5 중량% 미만의 커플링제(말레산 무수물-그래프트화된 올레핀 중합체), 및 2 중량% 미만의 열/UV 안정화제를 포함하는 샘플을 형성하였다. 샘플을 단축 압출기(90 mm)에서 용융 처리하였으며, 여기서 용융 온도는 250℃이고, 다이 온도는 250℃이고, 대역 온도 범위는 160℃ 내지 320℃이고, 스크류 속도는 160 rpm이다.
실시예 3
80 중량%의 폴리카보네이트-아크릴로나이트릴-난연제 블렌드(코베스트로(Covestro)의 베이블렌드(Bayblend)(등록상표) FR3010) 및 20 중량%의 연속 유리 섬유 로빙(2400 Tex, 16 μm의 필라멘트 직경)을 포함하는 샘플을 형성하였다. 샘플을 단축 압출기(90 mm)에서 용융 처리하였으며, 여기서 용융 온도는 310℃이고, 다이 온도는 310℃이고, 대역 온도 범위는 160℃ 내지 320℃이고, 스크류 속도는 160 rpm이다.
실시예 4
70 중량%의 폴리카보네이트-아크릴로나이트릴-난연제 블렌드(Covestro의 Bayblend(등록상표) FR3010) 및 30 중량%의 연속 유리 섬유 로빙(2400 Tex, 16 μm의 필라멘트 직경)을 포함하는 샘플을 형성하였다. 샘플을 단축 압출기(90 mm)에서 용융 처리하였으며, 여기서 용융 온도는 310℃이고, 다이 온도는 310℃이고, 대역 온도 범위는 160℃ 내지 320℃이고, 스크류 속도는 160 rpm이다.
실시예 1 내지 4의 샘플을 유전 특성, 기계적 특성 및 난연성에 대해 시험하였다. 그 결과를 하기 표에 제시한다.
본 발명의 상기 및 기타 수정 및 변형은 본 발명의 진의 및 범위로부터 벗어나지 않고도 당업자에 의해 실시될 수 있다. 또한, 다양한 실시양태의 양태는 전체적으로 또는 부분적으로 상호 교환될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 당업자는, 전술된 설명이 단지 예일 뿐이며, 첨부된 청구범위에서 추가로 기술되는 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않음을 이해할 것이다.

Claims (38)

  1. 적어도 하나의 전자 컴포넌트(component)를 수용하는 하우징(housing)을 포함하는 전자 모듈(electronic module)로서,
    상기 하우징은, 열가소성 중합체를 함유하는 중합체 매트릭스 및 상기 중합체 매트릭스 내에 분포된 복수의 강화 장섬유(long reinforcing fiber)를 포함하는 섬유-강화된 중합체 조성물을 함유하고,
    상기 중합체 조성물은 2 GHz 주파수에서 약 4 이하의 유전 상수 및 약 0.01 이하의 손실 계수(dissipation factor)를 나타내고,
    상기 중합체 조성물은, 약 23℃의 온도에서 ISO 시험 번호 179-1:2010에 따라 결정시, 약 20 kJ/m2 이상의 샤르피 비-노취 충격 강도(Charpy unnotched impact strength)를 추가로 나타내는, 전자 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이, ISO 4589:2017에 따라 결정시, 약 25 이상의 한계 산소 지수(Limiting Oxygen Index)를 나타내는, 전자 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이 UL94(Underwriter's Laboratory 94)에 따른 V0 또는 V1 등급을 나타내는, 전자 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이 UL94에 따른 약 250초 이하의 총 화염 시간(total flame time)을 나타내는, 전자 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이, 약 23℃의 온도에서 ISO 시험 번호 178:2019에 따라 결정시, 약 100 MPa 내지 약 500 MPa의 굴곡 강도(flexural strength)를 나타내는, 전자 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이, 약 -40℃의 온도에서 ISO 시험 번호 179-1:2010에 따라 결정시, 약 20 kJ/m2 이상의 샤르피 비-노취 충격 강도를 나타내는, 전자 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이, 약 23℃의 온도에서 ISO 시험 번호 527-1:2019에 따라 결정시, 약 50 MPa 이상의 인장 강도를 나타내는, 전자 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이, 약 -40℃의 온도에서 ISO 시험 번호 527-1:2019에 따라 결정시, 약 50 MPa 이상의 인장 강도를 나타내는, 전자 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 중합체가 프로필렌 중합체를 포함하는, 전자 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 중합체가 방향족 폴리카보네이트를 포함하는, 전자 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 중합체 매트릭스가 아크릴로나이트릴-부타다이엔-스타이렌 공중합체를 추가로 포함하는, 전자 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 매트릭스가 상기 조성물의 약 50 중량% 내지 약 95 중량%를 구성하고, 상기 강화 장섬유는 상기 조성물의 약 5 중량% 내지 약 50 중량%를 구성하는, 전자 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이 난연제 시스템을 추가로 포함하는, 전자 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 난연제 시스템이 적어도 하나의 무-할로겐 유기인계(organophosphoous) 난연제를 포함하는, 전자 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유기인계 난연제가 질소-함유 포스페이트 염을 포함하는, 전자 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 포스페이트 염이 멜라민 포스페이트 염, 피페라진 포스페이트 염 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전자 모듈.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 유기인계 난연제가 인산 에스터, 포스폰산 에스터, 포스핀산 염, 포스포네이트 아민, 포스파젠 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전자 모듈.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 유기인계 난연제가 상기 난연제 시스템의 약 50 중량% 내지 약 99.5 중량%를 구성하는, 전자 모듈.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이 안정화제 시스템을 추가로 포함하는, 전자 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 안정화제 시스템이 입체 장애 페놀 산화방지제, 포스파이트 산화방지제, 티오에스터 산화방지제 또는 이들의 조합물을 포함하는, 전자 모듈.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 안정화제 시스템이 UV 안정화제를 포함하는, 전자 모듈.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 섬유가 유리 섬유를 포함하는, 전자 모듈.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 섬유들이 이격되고, 실질적으로 유사한 방향으로 정렬되는, 전자 모듈.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이, 2 GHz의 주파수에서 ASTM D4935-18에 따라 결정시, 약 20 데시벨(dB) 이상의 전자기 차폐 효과(electromagnetic shielding effectiveness)를 나타내는, 전자 모듈.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 하우징이, 기부(base)로부터 연장되는 측벽을 포함하는 기부, 및 상기 측벽에 의해 지지되는 임의적 커버(cover)를 포함하는, 전자 모듈.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 기부, 측벽, 커버 또는 이들의 조합이 상기 중합체 조성물을 포함하는, 전자 모듈.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이 금속 성분에 인접하여 위치하는, 전자 모듈.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 금속 성분의 선형 열 팽창 계수(coefficient of linear thermal expansion)에 대한 상기 중합체 조성물의 선형 열 팽창 계수의 비가 약 0.5 내지 약 1.5인, 전자 모듈.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 금속 성분이 알루미늄을 포함하는, 전자 모듈.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 조성물이 약 10 μm/m·℃ 내지 약 35 μm/m·℃의 선형 열 팽창 계수를 나타내는, 전자 모듈.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 전자 컴포넌트가, 5G 무선 주파수 신호를 송신 및 수신하도록 구성된 안테나 부재(element)를 포함하는, 전자 모듈.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 모듈이 기지국, 소형 셀 또는 펨토셀(femtocell)인, 전자 모듈.
  33. 제32항의 전자 모듈을 포함하는 5G 시스템.
  34. 제1항에 있어서,
    상기 전자 컴포넌트가 무선 주파수 감지 컴포넌트를 포함하는, 전자 모듈.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 모듈이 레이더 모듈인, 전자 모듈.
  36. 제31항에 있어서,
    상기 전자 컴포넌트가, 광 펄스를 수신 및 송신하기 위한 섬유 광학 조립체(fiber optic assembly)를 포함하는, 전자 모듈.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 전자 모듈이 광선 레이더(lidar) 모듈인, 전자 모듈.
  38. 제1항에 있어서,
    상기 전자 컴포넌트가 카메라를 포함하는, 전자 모듈.
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