KR20240064172A - 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20240064172A
KR20240064172A KR1020220145881A KR20220145881A KR20240064172A KR 20240064172 A KR20240064172 A KR 20240064172A KR 1020220145881 A KR1020220145881 A KR 1020220145881A KR 20220145881 A KR20220145881 A KR 20220145881A KR 20240064172 A KR20240064172 A KR 20240064172A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
weight
parts
composite material
carbon nanotubes
Prior art date
Application number
KR1020220145881A
Other languages
English (en)
Inventor
김주민
Original Assignee
주식회사 삼일화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 삼일화학 filed Critical 주식회사 삼일화학
Priority to KR1020220145881A priority Critical patent/KR20240064172A/ko
Publication of KR20240064172A publication Critical patent/KR20240064172A/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/041—Carbon nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/042—Graphene or derivatives, e.g. graphene oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/34—Silicon-containing compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00—Use of organic ingredients
    • C08K5/04—Oxygen-containing compounds
    • C08K5/09—Carboxylic acids; Metal salts thereof; Anhydrides thereof
    • C08K5/098—Metal salts of carboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/22—Expanded, porous or hollow particles
    • C08K7/24—Expanded, porous or hollow particles inorganic
    • C08K7/28—Glass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/002—Physical properties
    • C08K2201/005—Additives being defined by their particle size in general

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

본 발명에 의한 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재는 성 수지 60 내지 80 중량부, 탄소나노튜브 10 내지 20 중량부, 비표면적 1,000 내지 2,000 m2/g 인 그래핀 0.05 내지 5 중량부, 개질 글라스버블 1 내지 15 중량부 및 탈크 분말 1 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재는 복합소재의 조성으로 탄소나노튜브를 활용하여 도전성이 우수하면서도 비표면적이 넓은 그래핀과 평균입도가 작은 글라스버블을 활용하여 경량화 정도 및 기계적 강도가 우수하고, 합성수지에 내부에 탄소나노튜브, 그래핀이 함유되어 도전성의 향상을 가져오는 효과가 있으며, 본 발명의 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재의 제조방법에 의할 경우 합성수지와 글라스버블과의 상용성을 개선하여 기계적 물성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법{High strength and lightweight conductive material containing graphene-carbon nanotube}
본 발명은 탄소나노튜브와 비표면적이 높은 그래핀 포함하여 높은 강도와 도전성이 우수하면서도 경량화된 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 탄소재료에 대한 연구가 다양한 분야에서 진행되고 있으며, 탄소재료는 그라파이트, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 흑연 등을 들 수 있으며, 이 중 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 탄소 원자로 구성된 매우 작고 얇은 튜브형 물질, 그래핀인 2차원 탄소시트가 말아진 형상이며, 튜브모양의 관을 구성하는 탄소원자의 6각형 격자가 특징이며, 탄소나노튜브의 직경이 매우 작아 1nm보다 작으며, 높은 열 및 전기전도성, 광학적 특성, 유연성, 높은 인장강도, 가벼운 무게, 전자방출성, 강성 향상성 등 유용한 특성을 가지고 있어 활용이 높은 소재이다.
복합소재로 활용되는 열가소성 수지는 가열하면 연화하여 가소성을 나타내고, 냉각하면 고화되는 수지를 의미하며, 이러한 열가소성 수지를 활용한 복합소재의 용도에 따라 특수한 성질을 부가하여 고부가가치 소재로 사용하고자 하는 시도가 지속적으로 이루어지고 있으며, 탄소나노튜브를 사용하여 열가소성 수지의 기계적 물성과 도전성을 구현하기 위해 다양한 시도가 이루어지고 있다.
다만, 열가소성 수지, 특히, 올레핀 계열의 고분자 수지를 활용한 복합소재에 도전성을 부여하기 위해 탄소나노튜브를 첨가하는 경우, 충분한 도전성을 구현하기 어렵고, 첨가량 또한 과량이 요구되므로 이에 대한 해결방안이 필요한 실정이다.
또한, 최근 플라스틱을 활용한 복합소재의 경우 금속을 대체하기 위한 목적으로 물성이 저하되지 않으면서, 경량화된 복합소재가 요구되고 있다.
철, 알루미늄 등과 같은 금속은 많은 부분이 열가소성 합성수지들로 대체되어 가고 있으며, 또한 기존의 열경화성 합성수지들도 올레핀 계열의 저비중 복합소재로 대체한 경량화 연구가 계속 진행되고 있다. 특히 폴리올레핀은 경량화 및 재활용의 용이성, 상대적으로 낮은 가격 등으로 인해 다른 플라스틱 소재에 비해 수요가 급격히 늘고 있으며, 탈크, 마이카 등과 같은 무기 충전재와 함께 컴파운딩되어 사용되고 있다.
무기 충전재와 컴파운딩된 합성수지는 충전재의 함량이 증가할수록 내열성, 강성은 향상되지만, 무기 충전재의 비중이 높아 무게가 증가되고 경도 및 충격강도가 감소 되는 단점이 있어, 고비중의 무기 충전재를 사용량을 줄이면서도 물성을 유지하며, 경량화가 달성될 수 있는 복합소재가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명자는 탄소나노튜브와 그래핀을 합성하여 높은 도전성을 나타내며 경량화된 복합소재를 반도체나 배터리 부품, 전기자동차, 항공우주 소재, 건설 분야에 적용할 수 있도록 개발하고자 한다.
한국등록특허 제10-1423091호 (공고일 : 2014.07.18.) 한국공개특허 제10-2014-0005536호 (공개일 : 2014.01.15.) 한국공개특허 제10-2020-0093331호 (공개일 : 2020.08.05.)
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 강도와 경량화 정도가 향상되면서 탄소나노튜브를 포함하여 도전성이 우수한 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 그래핀-탄소나노튜브를 포함하여 높은 강도와 도전성이 우수하면서도 경량화된 복합소재를 제공한다.
본 발명의 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재는 합성 수지 60 내지 80 중량부, 탄소나노튜브 10 내지 20 중량부, 비표면적 1,000 내지 2,000 m2/g 인 그래핀 0.05 내지 5 중량부, 개질 글라스버블 1 내지 15 중량부 및 탈크 분말 1 내지 10 중량부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 상기 탄소나노튜브는 산화 그래핀, 금속촉매 전구체, 환원제 및 용매를 포함하는 혼합액을 분무 건조한 그래핀-탄소나노튜브 복합체일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체는 구형, 주름형 또는 구겨진 형태일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 상기 개질 글라스버블은 평균입경이 3 내지 15 ㎛ 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 본 발명의 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재는 스테아르산칼슘 0.1 내지 2 중량부 및 산화방지제 0.05 내지 0.2 중량부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 본 발명은 산화 그래핀을 용매 중에 분산시키고, 상기 산화 그래핀의 분산액에 환원제를 투입하고 가열 환원시켜 환원 그래핀을 수득하는 단계; 글라스 버블을 분쇄하여 평균입경 15 ㎛ 이하로 분쇄하고, 상기 글라스 버블을 표면처리하여 개질된 글라스 버블을 수득하는 단계; 산화 그래핀, 금속촉매 전구체, 환원제 및 용매를 포함하는 혼합액을 분무건조하여 그래핀 상에 금속촉매를 결착하고, 상기 그래핀 상의 금속촉매로부터 탄소나노튜브를 성장시켜 그래핀-탄소나노튜브 복합체를 수득하는 단계; 합성수지 60 내지 80 중량부, 상기 환원 그래핀 0.05 내지 5 중량부, 그래핀-탄소나노튜브 복합체 10 내지 20 중량부, 탈크 분말 1 내지 10 중량부를 혼합하고 교반하여 복합소재 조성물을 배합하는 단계; 상기 복합소재 조성물에 상기 개질 글라스 버블 1 내지 15 중량부를 첨가하는 단계; 상기 개질 글라스 버블이 첨가된 복합소재 조성물을 압출기로 압출하는 단계; 및 상기 압출된 압출물을 성형기에 공급하여 복합소재를 제조하는 단계;를 포함하는 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체를 수득하는 단계에서 마이크로 웨이브 조사하는 단계; 및 플라즈마를 처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 복합소재의 조성으로 탄소나노튜브를 활용하여 도전성이 우수하면서도 비표면적이 넓은 그래핀과 평균입도가 작은 글라스버블을 활용하여 경량화 정도 및 기계적 강도가 우수하고, 합성수지에 내부에 탄소나노튜브, 그래핀이 함유되어 도전성의 향상을 가져오는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재의 제조방법 따르면 합성수지와 글라스버블과의 상용성을 개선하여 기계적 물성을 크게 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 복합소재의 시편을 나타낸 사진이다.
이하, 구체적인 예를 들어 본 발명에 따른 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다. 다만 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다.
따라서 본 발명은 이하 제시되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 실시 예들은 본 발명의 사상을 명확하게 하기 위해 기재된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 발명의 설명 및 청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 복합소재의 시편을 나타낸 사진이다.
본 발명의 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재는 합성 수지 60 내지 80 중량부, 탄소나노튜브 10 내지 20 중량부, 비표면적 1,000 내지 2,000 m2/g 인 그래핀 0.05 내지 5 중량부, 개질 글라스버블 1 내지 15 중량부 및 탈크 분말 1 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 합성수지는 폴리올레핀계, 폴리스티렌계, 폴리에틸렌 테레프탈레이트계로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 베이스 수지를 포함할 수 있으며, 폴리올레핀계 수지로 열가소성 수지가 바람직하다.
상기 폴리올레핀계 수지로서 폴리에틸렌(polyethylene, PE)(LDPE, HDPE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리메틸(메타)아크릴레이트(polymethyl (meth)acrylate), 폴리비닐아세탈 (polyvinyl acetal), 폴리비닐클로라이드 (polyvinyl chloride) 등이 바람직하나 그 종류에 특별히 제한되지 않는다.
상기 합성 수지는 60 내지 80 중량부가 혼합되는데 60 중량부 미만으로 혼합되면 압출성형 및 사출성형 가공성이 저하되고, 80 중량부를 초과하면 플라스틱의 성능 특성이 저하되므로, 60 내지 80 중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브는 탄소 원자로 구성된 매우 작고 얇은 튜브형 물질, 그래핀인 2차원 탄소시트가 말아진 형상이며, 튜브모양의 관을 구성하는 탄소원자의 6각형 격자이며, 직경은 1nm 보다 작은 것을 사용할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 탄소의 구조에 따라 단일벽, 이중벽, 다중벽 탄소나노튜브가 사용될 수 있으며, 화학기상증착법, 아크 방전법, 레이저 증착법, 기성성장법, 화염합성법의 방법으로 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소나노튜브는 배향을 형성할 수 있는 형상인 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브는 10 내지 20 중량부 포함되는 것이 바람직하며, 10 중량부 미만으로 포함될 경우 도전성 향상 효과가 미비하며, 20 중량부를 초과할 경우
배향이 형성된 탄소나노튜브는 도전성 원료 사이의 접촉 면적이 커져서, 도전성이 높아지게 되며, 상호 배향의 형성률이 높은 경우에 더욱 도전성이 높아지게 된다. 따라서 특수목적의 플라스틱이나 항공우주 소재 원료로 사용할 수 있다.
또한, 복합소재의 도전성을 향상시키기 위하여 배향된 페라이트 분말을 더 포함할 수 있다.
상기 그래핀은 입자크기 50 내지 170nm의 구형 그래핀 분말인 것이 바람직하다. 일반적으로 그래핀은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조를 이루며, 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치한다. 그래핀은 두께가 얇고, 내구성이 강하며, 열 전도성이 뛰어나고, 전기전도율이 높을 뿐만 아니라 강도가 강철의 200배 이상으로 상당히 높다. 또한, 그래핀은, 항균, 피부진정 및 원적외선 방사에 의한 혈액순환 촉진, 세포조직 생성, 노화방지, 신진대사 촉진, 만성피로와 성인병 예방 등의 효과를 나타낸다.
본 발명에 사용되는 그래핀은 입자크기가 약 50 내지 170nm이고, 구형, 판상형, 침상형, 로드형 및 튜브형 중 적어도 어느 하나 이상의 입자 형태를 가질 수 있다. 바람직하게는, 구형의 입자 형태를 갖는 것이 사용될 수 있는데, 구형 이외의 형태인 경우에는 그래핀 입자가 각진 형태로 형성되어 각진 부분으로 인해 분산성, 발포력이 감소될 수 있다.
반면, 그래핀의 입자 형태가 구형으로 형성되는 경우에는 표면적이 넓어 그래핀에 의한 효과가 향상됨과 동시에 분산성, 발포력이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
그래핀은 흑연의 산화를 통해 얻어지는 산화 그래핀을 환원시킨 환원 그래핀을 사용하는 것이 비표면적이 높아 바람직하며, 흑연은 황산, 과망간산칼륨 및 과산화수소를 이용하여 산화시킬 수 있다.
이러한 그래핀은 복합소재 100 중량부에 대하여 약 0.05 내지 5 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 0.1 내지 0.5 중량부가 사용될 수 있다. 0.05 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 그 함량이 너무 낮아 열 전도성, 내구성 등이 증가되는 효과가 낮고 일정한 힘을 가한 후 복원되는데 시간이 오래 걸린다. 반면, 5 중량부를 초과하는 경우에는 강도가 매우 증가하고 복원시간이 짧아져서 사용감이 불편할 뿐만 아니라, 그래핀의 재료 비용이 과다하고 공정 비용이 증가하여 경제적이지 않다는 단점이 있다. 복합소재 제품의 열 전도성, 내구성, 기계적 성질 등을 종합하여 고려할 때 상기 그래핀은 0.1 내지 0.5 중량부로 포함되는 것이 가장 바람직하다.
상기 그래핀은 비표면적이 1,000 내지 2,000 m2/g 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1,500 m2/g 일 수 있다. 1,000 m2/g 미만일 경우 기계적 물성 강화효과가 미비하며, 따라서 비표면적이 클수록 기계적 물성 강화 효과가 더욱 뛰어나나, 2,000 m2/g을 초과하는 그래핀의 경우 제조 공정이 복잡하고 경제성이 낮아 소재로 활용이 어렵다.
또한, 상기 그래핀은 표면처리하여 개질된 그래핀을 사용할 수 있다. 상기 그래핀을 개질할 경우 단순히 분산성을 향상시키는 효과뿐만 아니라 수지와의 결합력을 향상시켜 충격강도, 인장강도, 굴곡강도를 우수하게 할 수 있으며, 합성수지와 상용성을 개선하여 물성을 저하시키지 않는 효과가 있다.
일반적으로 글라스 버블은 3차원의 중공구조의 구형(Microsphere)으로서 소다석회 붕규산염(Soda-lime borosilicate)을 주성분으로 한다.
상기 개질 글라스 버블은 분쇄 과정과 표면처리를 통해 개질하여 사용될 수 있다. 상기 개질 글라스 버블은 분쇄장치에 의해 분쇄하여 입자크기를 줄일 수 있으며, 개질 글라스 버블의 평균입경은 3 내지 15㎛ 가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 개질 글라스 버블은 표면처리를 통해 합성수지와의 상용성을 증대시킬 수 있다.
상기 개질 글라스 버블의 입자 크기가 15㎛를 초과하는 경우 분산성이 떨어지고 합성수지와의 상용성이 낮아 인장강도, 굴곡탄성율 등 기계적 물성이 낮아질 수 있으며, 5㎛ 미만일 경우 제조가 어렵고, 경제성이 저하되며, 충분한 경량화 효과를 달성하기 어려울 수 있다.
상기 개질된 글라스 버블의 비중은 0.125 내지 0.6g/㎤ 일 수 있다.
상기 개질된 글라스 버블은 사용 시 비중에 의한 경량화뿐만 아니라, 수지 사용량 감소, 치수안정성 및 성형 후 변형 개선, 가공성 및 성형성 개선, 단열 성능 및 수분 저항성 향상 등의 효과를 가질 수 있다.
상기 합성수지의 충진제로 상기 개질 글라스 버블을 사용할 경우 개질 글라스 버블과 합성수지와의 상용성을 크게 하여 플라스틱 소재의 물성을 유지할 수 있다.
상기 개질 글라스 버블은 복합소재 100 중량부에 대하여 1 내지 15 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 5 내지 10 중량부가 사용될 수 있다.
상기 탈크 분말은 사출 시 성형성을 나쁘게 만들지는 않으나, 비중이 높으며, 너무 많이 함유하는 경우 사출 시 금형의 마모율을 높여 사용수명을 단축시켜 유지비용을 증가시키므로 그 이상 함유시키는 것은 바람직하지 않다.
상기 탈크 분말은 충전재로 사용될 수 있으며, 종래 플라스틱 산업에서 수지 비용을 낮추기 위해 충전재(filler)를 사용하여 왔으며, 플라스틱에 충전재를 첨가하면, 비용 절약뿐만 아니라 열팽창 계수가 감소되고, 기계적 강도가 증가될 수 있다.
상기 탈크 분말은 구조적 안정성을 향상시키기 위한 구조 강도 또는 섬유 방향성을 가지지 않는다. 일반적으로 탈크 분말은 약한 반데르발스의 힘에 의해 서로 결합되어 있어서, 압력이 재료의 표면에 인가될 때 재료가 계속 다시 분열하도록 한다. 탈크 분말이 합성수지에 여러 가지 이점, 예를 들면 높은 강성도 및 향상된 치수 안정성을 부여하는 것으로 실험 결과에 의해 나타나고 있고, 윤활 성질을 가진 미세 충전재로도 작용한다.
상기 탈크 분말은 소수성을 가져 상기 탈크 분말을 상기 그래핀 및 글라스 버블과 함께 사용할 경우 단독 사용할 경우의 단점을 보완하는 효과를 가질 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 탄소나노튜브를 활용하여 도전성이 우수하면서도 비표면적이 넓은 그래핀과 평균입도가 작은 글라스버블을 활용하여 경량화 정도가 우수하고, 기계적 강도가 우수하고, 합성수지에 내부에 탄소나노튜브, 그래핀이 함유되어 도전성고 열전도성이 향상되는 특징을 갖는다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 상기 탄소나노튜브는 산화 그래핀, 금속촉매 전구체, 환원제 및 용매를 포함하는 혼합액을 분무건조하여 제조된 그래핀-탄소나노튜브 복합체일 수 있다.
상기 혼합액을 분무건조하여 상기 금속촉매를 결착하고, 상기 그래핀 상의 금속촉매로부터 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다.
분무건조 시 상기 금속촉매 전구체가 환원되어 금속촉매가 그래핀 상에 결착되는 결착 반응과, 그래핀의 비표면적 증가 반응이 동시에 수행된다. 상기 결착 반응은 금속촉매 전구체를 환원시켜 금속촉매를 그래핀에 도금하는 금속촉매 전구체의 환원반응을 포함하는 도금 반응을 의미할 수 있다.
분무건조 시, 그래핀의 표면학적 구조 변화를 일으키는 용매의 급속 건조와, 금속촉매의 급속 결착 반응이 동시에 수행된다. 구체적으로, 산화 그래핀, 금속촉매 전구체, 환원제 및 용매를 포함하는 혼합액이 분무건조됨에 따라 순간적으로 그래핀의 비표면적이 비약적으로 증가하며, 이는 그래핀의 표면 모폴로지가 분무건조 시 용매의 순간적인 증발에 의해 그래핀의 표면 구조가 급변하는 것에 기인한다. 또한 분무건조 시 그래핀의 표면학적 구조 변화가 진행되는 동시에 산화 그래핀의 표면에 존재하는 히드록실기, 카복실기 등의 작용기 그룹의 위치에 금속촉매 전구체의 금속이온이 결합하고 환원제에 의해 환원되어 금속촉매로 결착된다.
상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체는 도전성의 특성이 매우 우수하다.
상기 분무건조에서 분무건조 온도, 분사속도는 금속촉매 전구체의 환원 및 결착 반응에서 매우 중요한 인자이다. 구체적으로, 분무건조 시 산화 그래핀의 표면에 존재하는 히드록실기, 카복실기 등의 작용기 그룹의 위치에 금속촉매 전구체의 금속이온이 결합하고 환원제에 의해 환원되어 금속촉매로 결착된다. 이때의 환원 및 결합 반응은 분무건조 시 열수력학적 환원반응과 관련하며, 상기 열수력학적 환원반응에 영향을 끼치는 인자로서 분무건조 온도와 분사속도에 좌우된다.
분무건조 온도는 100℃ 이상이며, 구체적으로 100~500℃, 바람직하게는 150~500℃, 보다 바람직하게는 200~500℃일 수 있다. 상기 분무건조 온도가 100℃ 미만일 경우, 그래핀에 금속촉매 전구체가 환원되어 금속촉매로 결착되지 않으며, 그래핀 상에 탄소나노튜브가 성장하지 않는다.
상기 산화 그래핀은 판상의 산화 그래핀일 수 있고, 판상의 산화 그래핀일 경우, 분무건조 시 비표면적이 보다 비약적으로 증가될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
본 발명의 복합소재 조성물로 포함되는 상기 그래핀의 경우 구형의 그래핀이 바람직하며, 상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체의 분무 건조 시 사용되는 산화 그래핀의 경우 판상의 산화 그래핀이 바람직하다.
상기 금속촉매 전구체는 Fe, Co, Mo, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Cd, Zn, Ru, Pd, Ag, Pt 및 Au 중에서 선택되는 금속의 염을 어느 하나 또는 둘 이상 포함할 수 있다. 상기 금속촉매 전구체는 그래핀의 표면상에 환원 및 금속촉매로 결착되어, 탄소나노튜브가 성장할 수 있도록 시드 역할을 한다. 즉, 상기 금속촉매 전구체는 분무건조 시 금속촉매로 환원되어 그래핀에 결착되어, 탄소나노튜브 성장을 위한 시드 역할을 할 수 있는 것이라면 무방하다.
상기 환원제는 하이드록실아민, 차아인산나트륨 및 수소화붕소나트륨 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
상기 용매는 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드, 아세토나이트릴, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 물 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
상기 혼합액의 조성비는 혼합액이 분무건조되어 그래핀의 표면상에 금속촉매 전구체가 금속촉매로 결착될 수 있을 정도라면 무방하다. 구체적인 일 예로, 그래핀과 금속촉매 전구체의 중량비는 1:0.01 내지 20, 바람직하게는 1:0.1 내지 10일 수 있고, 그래핀과 환원제의 중량비는 1:0.1 내지 10일 수 있으며, 그래핀과 용매의 중량비는 1:50 내지 50,000일 수 있다. 이때 금속촉매 전구체의 함량을 조절함으로써, 성장될 탄소나노튜브의 밀도를 제어할 수 있다. 하지만 이는 구체적이고 바람직한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체는 비표면적이 넓은 그래핀의 표면상에 선형 구조를 가지는 탄소나노튜브가 결합되며, 결합되는 탄소나노튜브의 수가 현저히 큰 효과를 가져 더욱 우수한 도전성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체는 구형, 주름형 또는 구겨진 형태일 수 있다.
또한, 상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체는 상기 그래핀 박편이 둘 이상 겹쳐지거나 응집된 입자도 포함할 수 있으며, 복합체의 평균입경은 10~100 ㎛일 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 평균길이는 1~10 ㎛일 수 있으며, 평균직경은 0.1~10 nm일 수 있다. 하지만 이는 구체적인일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
또한, 본 발명의 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재는 첨가제를 5 내지 10 중량부를 혼합할 수 있다.
상기 첨가제로는 난연제와 착색제, 결합제, 열안정제, 윤활제, UV안정제, 상용화제 중 어느 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 혼합하여 사용할 수 있다. 난연제(flame retardant)는 플라스틱의 내연소성을 개량하기 위해 첨가하고, 착색제(colorants)는 복합소재 색상의 안정성을 부여하기 위해 첨가하고, 결합제(coupling agent)는 그래핀 또는 글라스 버블과 플라스틱 원료의 결합성 향상을 위해 첨가하고, 윤활제(lubricants)는 가공성과 혼합성을 향상시키기 위하여 첨가하며, UV안정제(UV stabilizers)는 자외선 차단을 통한 내구성 향상을 위해 첨가한다.
상기 열안정제 및 윤활제 역할을 하는 것으로는 스테아르산칼슘이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 스테아르산칼슘은 0.1 내지 2 중량부 포함하는 것이 바람직하다.
상기 산화방지제로 ADEKA KOREA사의 AO-60P, ADK-2112를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 산화방지제는 0.05 내지 0.2 중량부 포함하는 것이 바람직하다.
상기 상용화제(compatibilizer)는 0.1 내지 2 중량부 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 중량부 포함할 수 있다.
상용화제를 사용하는 이유는 합성수지와 그래핀을 단순 혼합하는 경우 이들의 결합이 제대로 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
상기 상용화제를 0.1 중량부 미만으로 사용할 경우 상용화제의 효과가 발휘되기 어려우며, 2 중량부를 초과하여 사용하는 경우에는 상용화제의 특성이 합성수지의 특성을 저하하게 되며, 또한 비용 상승의 원인이 된다.
상기 상용화제는 합성 수지에 대한 우수한 상용성 및 분산성으로 인해 합성수지 고분자의 물성 향상을 위해 필요한 충전제 첨가량을 저감할 수 있다.
상기 그래핀은 표면에 플라스마처리를 하여 상용성을 증가시킬 수 있으며, 산화 그래핀의 경우 드라이아이스 처리하여 산소함량을 증가시켜 사용할 수 있다.
상기 복합소재의 조성물은 전술한 성분 이외에도 본 발명의 목적을 저해하지 않는 범위 내에서 용도에 따라 다양한 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 첨가제로 고온 산화방지제, 기능성 첨가제 또는 이들의 혼합물 등이 첨가될 수 있으며, 합성수지 종류에 따라 다양한 첨가제를 다양하게 선택하여 사용할 수 있다.
또 다른 본 발명의 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재의 제조방법은 산화 그래핀을 용매 중에 분산시키고, 상기 산화 그래핀의 분산액에 환원제를 투입하고 가열 환원시켜 환원 그래핀을 수득하는 단계; 글라스 버블을 분쇄하여 평균입경 15 ㎛ 이하로 분쇄하고, 상기 글라스 버블을 표면처리하여 개질된 글라스 버블을 수득하는 단계; 산화 그래핀, 금속촉매 전구체, 환원제 및 용매를 포함하는 혼합액을 분무건조하여 그래핀 상에 금속촉매를 결착하고, 상기 그래핀 상의 금속촉매로부터 탄소나노튜브를 성장시켜 그래핀-탄소나노튜브 복합체를 수득하는 단계; 합성수지 60 내지 80 중량부, 상기 환원 그래핀 0.05 내지 5 중량부, 그래핀-탄소나노튜브 복합체 10 내지 20 중량부, 탈크 분말 1 내지 10 중량부를 혼합하고 교반하여 복합소재 조성물을 배합하는 단계; 상기 복합소재 조성물에 상기 개질 글라스 버블 1 내지 15 중량부를 첨가하는 단계; 상기 개질 글라스 버블이 첨가된 복합소재 조성물을 압출기로 압출하는 단계; 및 상기 압출된 압출물을 성형기에 공급하여 복합소재를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체를 수득하는 단계에서 마이크로 웨이브 조사하는 단계; 및 플라즈마를 처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 처리는 대기압 플라즈마로 절연체로 이용되는 소재와 함께 사용되며, 플라즈마를 발생시키기 위하여 금속전극에 인가하는 고전압은 고전압 인버터를 이용하여 발생시칼 수 있으며, 인가되는 고전압은 상용주파수인 60 Hz 이상 100 kHz 이하의 주파수를 이용하며, 고전압 값은 고전압 발생이 용이한 10 kV 이하의 고전압을 이용할 수 있다. 또한, 고전압의 전압파형은 펄스 형태의 전압파형이 바람직하다.
상기 산화 그래핀을 용매 중에 분산시키는 단계에서 용매는 물일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 분산은 물리적 전단력(shear force)을 가하여 수행할 수 있으며, 물리적 전단력은 인라인 믹서(inline mixer)를 사용하여 가할 수 있다.
상기 환원 그래핀을 수득하는 단계에서 환원제로는 히드라진(N2H4), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화 암모늄(NH4OH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 히드리오딘(HI) 및 아스코르브산(ascorbic acid)으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 환원제는 산화 그래핀 중량 대비 1 내지 4배의 양으로 사용할 수 있다.
상기 환원 그래핀을 수득하는 단계에서 마이크로웨이브 조사를 하면서 가열 환원시킬 수 있으며, 마이크로웨이브 조사는 500 내지 2,000W 출력으로 수행할 수 있고, 가열 환원은 80 내지 100℃에서 2 내지 3시간 동안 수행할 수 있다.
상기 글라스 버블을 분쇄하여 평균입경 15 ㎛ 이하로 분쇄하는 단계는 글라스 버블이 15 내지 30 ㎛ 입자 크기를 갖고 있는 경우 분산성이 떨어지는 문제가 있어 분쇄를 통해 입자 크기를 15 ㎛ 이하로 할 수 있으며, 분쇄 방법은 분쇄기를 사용하는 것이 바람직하며, 일반적으로 사용되는 방법이나 기계를 사용할 수 있으며, 방법이 특별히 제한되지 않는다.
상기 분쇄된 글라스 버블을 표면처리하여 개질된 글라스 버블을 수득하는 단계의 표면처리는 화학적처리로 수행될 수 있으며, 화학적처리는 플루오르화수소를 주성분으로 하는 용액에(NH4)2SO4, (NH4)3 PO4, NH4CL, NH4F 등의 암모늄염을 첨가한 산용액을 이용하여 표면 요철을 형성시킬 수 있다.
상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체를 수득하는 단계에서 마이크로 웨이브 조사하는 단계; 및 플라즈마를 처리하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 마이크로 웨이브를 조사 및 플라즈마 처리를 통해 그래핀 상에 탄소나노튜브 성장이 비약적으로 증가할 수 있으며, 상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체의 상호 배향 형성률이 높아질 수 있다.
다음으로, 합성수지 60 내지 80 중량부, 상기 환원 그래핀 0.05 내지 5 중량부, 그래핀-탄소나노튜브 복합체 10 내지 20 중량부, 탈크 분말 1 내지 10 중량부를 혼합하고 교반하여 복합소재 조성물을 배합하는 단계;에서 상기 조성들을 호퍼에 투입하고 교반하여 혼합 및 반응을 일으킬 수 있다.
상기 복합소재 조성물에 상기 개질 글라스 버블 1 내지 15 중량부를 첨가하는 단계;에서는 개질 글라스 버블의 표면이 손상되지 않고, 함량을 극대화 하도록 후첨하는 것이 바람직하며, 후첨하는 방식은 제한되지 않으며, 사이드 공급기를 활용하여 사이드 공급하는 것이 물성, 작업성 개선에서 바람직하다.
상기 개질 글라스 버블이 첨가된 복합소재 조성물을 압출기로 압출하고 상기 압출된 압출물을 냉각 후 절단하여 펠렛 형태로 제조하고 성형기에 공급하여 복합소재를 제조할 수 있다.
이때 압출기의 온도가 140 내지 240 ℃일 때 가장 효율적으로 작업할 수 있는 온도이며, 합성수지의 종류에 따라 해당하는 용융점이 있어서 해당하는 온도로 압출 작업을 진행할 수 있다.
압출 시에는 각 스크류에 히터(heater)를 포함하며 히터별로 작업온도를 설정하는 것으로, 240 ℃를 초과하는 경우 작업을 하면서 스크류 마찰열을 일으켜 열분해 위험이 높을 수 있다. 140 ℃ 미만일 경우 베이스 수지인 합성 수지가 용융되지 않아 작업 효율이 저감될 수 있다.
한편, 펠릿 조립(造粒) 방법으로서 언더워터 컷팅 방식(under water cutting system)과 스트랜드 컷팅 방식(strand cutting system)이 있으며, 언더워터 컷팅 방식은 압출기로부터 압출된 용융상태의 압출물(strand)를 물의 존재하에서 절단하여 펠릿화하는 방식이고, 스트랜드 컷팅 방식은 압출된 용융상태의 압출물을 수조에 넣고 냉각시킨 후 펠리타이저로 절단하여 펠릿화하는 방식이다.
특히, 수지 펠렛을 성형 제조하기 위해 이용되는 언더워터 커팅시스템은 수지 용융물을 공급하는 압출기와 압출기에 연결되어 수지 용융물을 공급받아 다수의 가닥으로 압출시켜 알갱이 형태로 절단하여 펠렛으로 성형 제조하는 언더워터 커팅기와 스트랜드 커팅기는 워터박스를 통해 냉각한 후 컷팅된 펠렛을 싸이로로 이송시켜 건조하여 배출하는 것으로서 차후 사출 및 압출 등의 합성수지 원료로서 사용하도록 하고 있다.
언더워터 컷팅시 압출된 용융상태의 압출물을 차가운 냉수로 냉각시키면 급격한 온도변화로 복합소재의 품질에 좋지 않은 영향을 미치므로 압출물을 냉각시키는 물의 온도를 85 ~ 95 ℃로 조정하는 것이 바람직하고, 상기 언더워터 컷팅된 펠릿을 물과 함께 배관을 통하여 이송시키면서 점차 냉각시킨 후 탈수기에서 수분건조하는 것이 더욱 바람직하며, 건조된 펠릿을 진동장치(vib-rator)에서 투입하여 컷팅이 제대로 되지 않은 불량 펠릿을 제거하는 것이 가장 바람직하다. 더불어, 배관 이송시 유량조절밸브를 통하여 펠릿 체류시간을 적절히 조절함으로써 복합소재의 물성을 조절할 수도 있다.
또한, 스트랜드 컷팅 활용 시 워터박스의 온도, 펠렛의 수분 제거(와이퍼 활용)의 조건을 맞출 경우 언더워터 컷팅 방식의 공정과 동일한 스펙의 복합소재 제품이 생산 가능하다.
아울러, 본 발명의 복합소재는 단독으로 사출 또는 압출하거나, 각종 수지와 배합하여 사출 또는 압출하여 성형품을 제조할 수도 있다.
압출 프로세스는, 엔지니어링 구조 재료를 생산하는 경제적 제조 방법 중 하나이며, 통상적으로, 압출 프로세스는 균일한 단면을 가진 기다란 압출 부재를 제조하는 데에 사용되며, 부재의 단면은 원형, 환형 또는 사각형 등과 같은 여러 가지의 단순한 형상일 수 있다. 부재의 단면은 또한 내부 지지 구조를 포함하거나 불규칙한 둘레를 가지는 등 매우 복잡한 것일 수도 있다.
아울러, 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재의 제조방법은 수지 종류별 적정 온도 범위로 작업함에 따라 화재 위험성 및 전력소모량을 낮추며 용융이 잘되어 작업 효율성이 높아짐에 따라 원가율을 감소할 수 있다.
이 때 복합소재의 형태는 한정되지 않는다. 필름, 시트, 와이어, 성형품 등 다양한 형태로 활용될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 예로 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
다만, 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1>
합성수지로 폴리올레핀게 수지인 폴리프로필렌 75 중량부, 탄소나노튜브 15 중량부, 그래핀 0.1 중량부, 개질 글라스버블 3 중량부, 탈크 분말 5 중량부 및 기타 첨가제를 혼합하고 교반하여 압출기로 압출하고 냉각한 후 절단하여 복합소재 펠릿을 제조하고 성형기에 공급하여 플라스틱 복합소재 시트를 제조하였다.
<실시예 2>
실시예 1에서 탄소나노튜브는 그래핀-탄소나노튜브 복합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 플라스틱 복합소재 시트를 제조하였다.
<실시예 3>
실시예 2에서 그래핀-탄소나노튜브 복합체 제조 시 마이크로웨이브를 조사한 것으로 제외하고는 실시예 2와 동일한 플라스틱 복합소재 시트를 제조하였다.
<실시예 4>
실시예 2에서 그래핀-탄소나노튜브 복합체 제조 시 마이크로웨이브 조사 및 플라즈마 처리를 한 것으로 제외하고는 실시예 2와 동일한 플라스틱 복합소재 시트를 제조하였다.
<실시예 5>
플라즈마 처리하여 표면 처리한 비표면적 1,500 m2/g 인 그래핀을 포함한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 플라스틱 복합소재 시트를 제조하였다.
<실시예 6>
플루오르화수소에 암모늄염을 첨가한 산용액으로 처리한 평균입경이 25 ㎛ 인 개질 글라스 버블을 포함한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 플라스틱 복합소재 시트를 제조하였다.
<비교예 1 내지 4>
하기 표1에 기재된 성분을 복합소재 조성물로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 플라스틱 복합소재 시트를 제조하였다.
구 분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
그래핀 ○ X X X
탄소나노튜브 탄소나노튜브 X X ○ X
그래핀-탄소나노튜브 복합체 X X X ○
개질 글라스 버블 X ○ X X
글라스 버블(개질되지 않음) ○ X ○ X
탈크 ○ ○ X ○
<비교예 5>
비표면적 300 m2/g 인 그래핀을 포함한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 플라스틱 복합소재 시트를 제조하였다.
<실험예>
실험예 1 : 플라스틱 복합소재 시트의 도전성 검사
플라스틱 시트의 도전성을 검사하기 위하여 4단자법을 이용한 저항측정기를 사용하여, 측정 온도에 따른 저항값 변화의 영향을 최소화 하기 위해 상온에서 측정하고, 측정된 저항값을 전기전도도로 바꾸어 계산하였으며, 실시예 및 비교예들 각각 3개의 시편을 측정하여 평균값을 적용하여 표 2에 나타내었다.
구분 실시예 비교예
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
도전성
(S/cm)		 0.446 0.552 0.578 0.612 0.241 0.210 0.285 0.486
실시예와 비교예를 비교한 결과 실시예 1 내지 4의 도전성이 우수한 것을 확인할 수 있었으며, 특히 마이크로웨이브 조사 및 플라즈마 처리를 한 것이 가장 도전성이 우수한 것을 알 수 있었으며, 마이크로웨이브 조사 및 플라즈마 처리를 통해 그래핀-탄소나노튜브 복합체의 배열, 배향이 일부 개선되어 상호작용에 기인한 효과로 판단된다.
비교예 4의 경우 그래핀-탄소나노튜브 복합체가 포함되어 도전성은 개선될 수 있으나, 비중 저감 효과가 없으며, 기계적 물성 개선이 어려워 경량화 복합소재로 사용하기 어렵다.
실험예 2 : 플라스틱 복합소재 시트의 비중 검사
플라스틱 시트의 비중을 검사하기 위하여 ASTM D1505을 기준으로 비중을 측정하고 그 결과를 실시예를 표 3, 비교예를 표 4에 나타내었다.
실험예 3 : 플라스틱 복합소재 시트의 물성 검사
상기 실시예들 및 비교예들에 의해 제조된 복합소재를 시편 형태로 제작하여 ASTM D638, ASTM D790, ASTM D6110 물성을 평가하여 실시예를 표 2, 비교예를 표 3에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 5 실시예 6
비중 0.84 0.83 0.84
인장강도(kgf/㎠) 288 295 291
굴곡강도(kgf/㎠) 355 375 365
충격강도(J/m) 56 59 57
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5
비중 0.90 0.88 0.91 0.95 0.84
인장강도(kgf/㎠) 210 240 179 184 281
굴곡강도(kgf/㎠) 298 308 290 213 363
충격강도(J/m) 48 51 46 43 57
실시예와 비교예를 비교한 결과 그래핀의 비표면적이 높고 표면처리를 한 경우에 그래핀에 의한 기계적 향상 효과가 우수한 것을 알 수 있으며, 개질 글라스 버블 및 표면처리할 경우 기계적 물성이 향상되며, 특히 도전성의 경우 탄소나노튜브 단독으로 사용되는 것 보다, 그래핀-탄소나노튜브 복합체일 경우에 도전성 향상효과가 더욱 우수하며, 마이크로웨이브 및 플라즈마 처리할 경우 더욱 향상효과가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (7)

  1. 합성 수지 60 내지 80 중량부, 탄소나노튜브 10 내지 20 중량부, 비표면적 1,000 내지 2,000 m2/g 인 그래핀 0.05 내지 5 중량부, 개질 글라스버블 1 내지 15 중량부 및 탈크 분말 1 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 산화 그래핀, 금속촉매 전구체, 환원제 및 용매를 포함하는 혼합액을 분무 건조한 그래핀-탄소나노튜브 복합체인 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체는 구형, 주름형 또는 구겨진 형태인 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 개질 글라스버블은 평균입경이 3 내지 15 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재.
  5. 제1항에 있어서, 스테아르산칼슘 0.1 내지 2 중량부 및 산화방지제 0.05 내지 0.2 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재.
  6. 산화 그래핀을 용매 중에 분산시키고, 상기 산화 그래핀의 분산액에 환원제를 투입하고 가열 환원시켜 환원 그래핀을 수득하는 단계;
    글라스 버블을 분쇄하여 평균입경 15 ㎛ 이하로 분쇄하고, 상기 글라스 버블을 표면처리하여 개질된 글라스 버블을 수득하는 단계;
    산화 그래핀, 금속촉매 전구체, 환원제 및 용매를 포함하는 혼합액을 분무건조하여 그래핀 상에 금속촉매를 결착하고, 상기 그래핀 상의 금속촉매로부터 탄소나노튜브를 성장시켜 그래핀-탄소나노튜브 복합체를 수득하는 단계;
    합성수지 60 내지 80 중량부, 상기 환원 그래핀 0.05 내지 5 중량부, 그래핀-탄소나노튜브 복합체 10 내지 20 중량부, 탈크 분말 1 내지 10 중량부를 혼합하고 교반하여 복합소재 조성물을 배합하는 단계;
    상기 복합소재 조성물에 상기 개질 글라스 버블 1 내지 15 중량부를 첨가하는 단계;
    상기 개질 글라스 버블이 첨가된 복합소재 조성물을 압출기로 압출하는 단계; 및
    상기 압출된 압출물을 성형기에 공급하여 복합소재를 제조하는 단계;를 포함하는 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그래핀-탄소나노튜브 복합체를 수득하는 단계에서 마이크로 웨이브 조사하는 단계; 및 플라즈마를 처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재의 제조방법.
KR1020220145881A 2022-11-04 2022-11-04 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법 KR20240064172A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220145881A KR20240064172A (ko) 2022-11-04 2022-11-04 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220145881A KR20240064172A (ko) 2022-11-04 2022-11-04 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240064172A true KR20240064172A (ko) 2024-05-13

Family

ID=91073584

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220145881A KR20240064172A (ko) 2022-11-04 2022-11-04 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240064172A (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140005536A (ko) 2012-07-04 2014-01-15 한국과학기술원 그래핀-탄소나노튜브의 계층적 구조체 및 그의 제조 방법
KR101423091B1 (ko) 2009-11-18 2014-07-25 바이엘 머티리얼 사이언스 아게 중합체와 탄소 나노튜브(ＣＮＴｓ)에 기초한 복합 재료의 제조 방법, 이 방식으로 제조된 복합 재료 및 그것의 사용
KR20200093331A (ko) 2019-01-28 2020-08-05 인하대학교 산학협력단 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체가 도입된 고분자 복합소재 및 그 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101423091B1 (ko) 2009-11-18 2014-07-25 바이엘 머티리얼 사이언스 아게 중합체와 탄소 나노튜브(ＣＮＴｓ)에 기초한 복합 재료의 제조 방법, 이 방식으로 제조된 복합 재료 및 그것의 사용
KR20140005536A (ko) 2012-07-04 2014-01-15 한국과학기술원 그래핀-탄소나노튜브의 계층적 구조체 및 그의 제조 방법
KR20200093331A (ko) 2019-01-28 2020-08-05 인하대학교 산학협력단 그래핀 산화물/탄소나노튜브 복합체가 도입된 고분자 복합소재 및 그 제조방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10125243B2 (en) Composite material having a very low content of carbon-based nanofillers, process for the preparation thereof and uses thereof
CN102558664B (zh) 一种高性能聚丙烯纳米复合材料及其制备方法
US9896564B2 (en) Use of carbon-based nanofillers at a very low content for the UV stabilization of composite materials
CA2578088A1 (en) Conductive thermosets by extrusion
US20100201023A1 (en) Method for preparing composite materials
KR101183016B1 (ko) 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그제조방법
KR101735819B1 (ko) 탄소계 방열구조체용 재료, 이를 이용한 탄소계 방열구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소계 방열구조체
CN101712779A (zh) 一种聚丙烯纳米复合材料及其制备方法
KR100959883B1 (ko) 전도성 열가소성 폴리우레탄 시트 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전도성 열가소성 폴리우레탄 시트
US20130113135A1 (en) Process for Producing Exfoliated and/or Dispersed Polymer Composites and/or Nanocomposites via Solid-State/Melt Extrusion (SSME)
KR20120057976A (ko) 고열전도성 수지 복합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 성형품
JP4896422B2 (ja) 微細炭素繊維含有樹脂組成物の製造方法
KR101164287B1 (ko) 전도성이 향상된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 및 그 제조방법
KR101666884B1 (ko) 전자파차폐성이 우수하고 표면전기저항이 1ω/□ 이하인 무금속 cnt복합소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 cnt복합소재, 이를 이용해 제조된 제품
KR102599242B1 (ko) 탄소 나노입자의 층간삽입을 사용하는 나노구조화 재료 제조 방법
KR102477555B1 (ko) 그래핀을 함유한 고강도 경량화 복합소재 및 이의 제조방법
CN111484681A (zh) 一种石墨烯改性抗静电聚丙烯复合材料及其制备方法
CN113563667A (zh) 复配填充保险杠用轻量化改性聚丙烯复合材料及其制备方法
KR20240064172A (ko) 그래핀-탄소나노튜브를 활용한 고강도 경량화 도전성 복합소재 및 이의 제조방법
CN111748188A (zh) 一种超高导电纳米碳母粒及其制备方法和应用
WO2021029109A1 (ja) 樹脂組成物及び成形体
JP2023503559A (ja) ポリオレフィン系樹脂発泡体及びこれから製造された成形品
KR102176828B1 (ko) 전도성 농축 수지 조성물, 전도성 폴리아미드 수지 조성물, 이들의 제조방법 및 성형품
CN113831641B (zh) 低线性膨胀系数和高表面硬度的聚丙烯材料复合材料及其制备方法
CN104011141A (zh) 静电涂装用树脂成型体