KR950014773B1 - 도전성 플라스틱 판형상 재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

도전성 플라스틱 판형상 재료의 제조방법

본 발명은 경량이며 기계적 강도가 뛰어나 전기, 전자, 자동차, 항공기, 산업기계, 건축 등의 다양한 산업분야에 이용 가능한 도전성 플라스틱 판형상 재료의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 사용용도가 판상의 기본골격을 크게 벗어나지 않으며 강도와 강성이 요구되고 도전성이 필요한 판상발열체 및 전자파 차폐성이 요구되는 외부부위 등에 적합한 도전성 플라스틱 판형상 재료를 제조하기 위하여 유리섬유 장섬유를 한쪽 방향으로 균일하게 배열시키고 그 위에 섬유상 또는 플레이크상의 도전성 충전물을 무방향 평면 연결구조로 형성시키고 그 위에 무방향 장섬유 유리섬유 매트를 적층한 후 니들 펀칭에 의해 결합한 복합재를 플라스틱의 강화재료로 사용하여 높은 도전성을 유지하며 뛰어난 강도를 보이는 도전성 플라스틱 판형상 재료의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 플라스틱 재료는 가볍고, 성형이 쉬울뿐만 아니라, 다양한 형태의 제품설계가 가능하여 금속을 대체하여 용도가 점점 확대되어 왔다. 그러나, 근본적으로 전기적 부도체인 플라스틱의 활용은 주로 전기 절연체의 용도에 한정되어 전기 전도성을 필요로 하는 분야에는 거의 적용되지 못하여 왔다. 최근 전자파 공해에 대한 관심이 높아져 전자파의 대기방출을 규제하는 법적조치가 확대되고 발연체 등 도전성 재료의 사회적 요구가 증대됨에 따라 플라스틱에 전기 전도성을 부여한 전도성 플라스틱이 소개되고 있다.

도전성 충전물을 플라스틱에 혼합시킨 것으로 주로 사용되어 온 도전성 충전물로는 분말상(powdery), 플레이크상(flaky), 섬유상(fibrous) 물질로 대별할 수 있는데, 종래에는 일축 또는 이축 스크루우 압출기에서 플라스틱을 용융하여 다이를 통해 압출시킬 때 도전성 충전물을 다이 근처에 투입하여 도전성 플라스틱 펠렛트(pellet)를 제조하고 이것을 사출 성형하여 최종 제품을 얻는 방법이 있었으나 이때 플라스틱 내부에 혼입된 도전성 플라스틱은 자유롭게 분산되어 있어 높은 전도도를 나타내기 위해서는 도전성 충전물을 다량 첨가해야 된다. 그러나, 플라스틱 물질과 전도성 충전물간에는 서로 결합력이 없어 최종 제품의 강도가 매우 떨어지는 결점이 있었다.

따라서, 플라스틱 물질과 도전성 물질의 결합력을 높이고 제품의 물성을 개선시키기 위해 도전성 플라스틱을 제조할 때 도전성 충전물의 표면을 예를들면 실란과 같은 커플링제로 처리하는 방법이 시도되어 왔으나, 커플링제를 처리한 충전물을 사용하면 전도성 높은 성형체를 얻기 어려운 단점이 있다.

플라스틱 재료의 강도를 향상시키는 종래의 일반화된 기술로는 플라스틱과의 결합력이 좋도록 표면처리된 유리섬유를 혼입시키는 방법이 있는데 이러한 재료를 섬유강화 플라스틱이라고 부른다. 섬유강화 플라스틱에서 강화재료의 길이가 길수록 기계적 강도는 향상되나 주로 혼련설비, 예를들면 1축 스크루우 압출기, 2축 스크루우 압출기, 밤바리 믹서, 롤러믹서와 같은 설비내에서 플라스틱 재료와 강화섬유를 섞어주는 종래의 고전적 방법으로는 섬유에 높은 전단력이 작용하므로 유리섬유의 길이를 유지하는 것은 매우 어렵다.

최근 유리섬유의 길이를 길게 유지하며 강도를 개선하는 방법이 미국 특허 제4,543,288호 및 미국특허 제3,850,723호 등에서 제안되고 있으나 이러한 방법들은 고도전성을 요구하는 플라스틱 재료 제조와는 목적이 다른 것으로 종래의 기술로는 강도와 고 도전성을 동시에 만족시키는 도전성 플라스틱을 제조하기는 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 강도 등의 기계적 물성이 우수한 전도성 플라스틱 판형상 재료의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적뿐만 아니라 용이하게 표출되는 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 유리섬유 장섬유를 한쪽방향으로 균일하게 배열시키고 그 위에 섬유상 또는 플레이크상의 도전성 충전물을 무방향 평면 연결구조로 형성시키고 그 위에 무방향 장섬유 유리섬유 매트를 적층한 후 니들 펀칭에 의해 결합시킨 복합재를 강화재로 하여 열가소성 플라스틱 수지로 제조한 시이트 또는 용융체와 적층시킨 후 가열, 가압하여 열가소성 플라스틱 수지를 강화재 내부로 함침시켜 냉각함으로써 높은 전도성을 유지하며 뛰어난 강도를 보이는 도전성 플라스틱 판형상 재료를 제조한다.

본 발명에서 사용하는 유리섬유는 3~25μ의 모노필라멘트를 30~300개로 접속하여 사용한다. 유리섬유의 표면은 적절한 표면처리를 하여 사용하면 좋은데 실란계, 티타네이트계, 지르코늄계 등의 커플링제를 유리 섬유의 표면에 처리하는 것으로, 열가소성 수지의 종류에 따라 적당한 것을 선택하여 사용한다. 커플링제의 구체적인 예로는 Υ-아미노프로핀-트리메톡시실란, N-β-(아미노에틸)-Υ-아미노프로필-트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐(2-메톡시에톡시실란), Υ-메타크릴록시-프로필트리메톡시실란, N-(β-아미노에틸)-Υ-아미노프로필메틸디메톡시실란, Υ-클로로프로필메틸디메톡시실란, Υ-메르캅토프로필트리메톡시실란, P-아미노페닐트리에톡시실란등이 있다.

본 발명에서 유리섬유 장섬유를 한쪽방향으로 균일하게 배일시킬 때 섬유간 간격을 거의 없도록 조절하여 일정한 장력(tension)이 걸리도록 유지해야 한다. 또한 유리섬유 내부에 열가소성 플라스틱이 잘 함침될 수 있도록 섬유집속제는 사용하지 않는 것이 바람직하며, 종래의 기술을 활용하여 단섬유들을 최대로 해섬하는 것이 바람직하다. 섬유의 배열 과정중에 다른 물체와의 마찰에 의해 섬유가 절단되거나 표면에 모우가 발생되지 않아야 한다.

본 발명에서 무방향 장섬유 유리섬유 매트를 제조하는 방법은 여러개의 유리섬유 가닥을 이동하는 컨베이어 벨트에서 각각 다른 형태로 수직방향운동을 시키며 자유낙하를 시킨다던가, 압축공기에 의해 집속된 유리섬유를 뿜어 내면서 방향을 조절하며 이동하는 컨베이어 벨트에 받아 제조하는 방법 등이 있다.

본 발명에서 사용되는 도전성 충전물로는 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 은, 스테인레스스틸 또는 그의 합금 및 이러한 금속들이 표면 도금된 유리섬유 등이 사용될 수 있다. 이러한 도전성 충전물은 플레이크상 또는 섬유상으로 사용될 수 있으며 2종 이상의 혼합사용에 의해 더욱 상승된 효과를 발휘할 수 있다. 도전성 충전물은 미국의 트랜스매트사(Transmet Corp), 엠.비.어소시에이트(M.B.Associate), 베카르트금속(Bekaert steel wire corp), 부른스윅테크네틱스(Brunswick Technetics), 아메리칸 시아나미드(American Cyanamide), 니치멘아메리카(Nichmen America Inc), 런디일렉트로닉스(Lundy Electronics) 등으로부터 용이하게 구입할 수 있다.

본 발명에서 사용가능한 열가소성 플라스틱 수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 염화비닐수지, 아크릴로니트릴수지, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌수지, 폴리메틸메타아크릴레이트수지, 나일론수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리설폰수지, 폴리에테르설폰, 폴리아릴설폰, 폴리아릴레이트, 폴리설폰설파이드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤 등이 있다.

본 발명에서 플라스틱 시이트를 제조하는 방법으로는 통상적인 방법 즉, "T"형 다이가 부착된 압출기에서 플라스틱을 용융ㆍ압출하여 냉각로울러에서 냉각하여 제조하는 방법, 플라스틱을 적절한 용매에 용해시킨 후 표면을 테프론코팅한 이송벨트에 캐스팅하여 용매를 증발시키는 방법, 또는 가열판이 부착된 프레스에서 압축성형하여 만드는 방법이 있다. 플라스틱 시이트 대신 용융체를 바로 사용해도 본 발명의 효과가 있다.

본 발명에서 플라스틱 수지와 강화재를 적층할 때 강화재는 한방향으로 배열된 쪽이 중심을 향하도록 하는 것이 좋다. 또한 강화재 사이의 플라스틱 수지는 도전성 충전물을 포함한 용융체를 사용해도 본 발명의 효과가 있다.

본 발명에서 도전성 충전물을 플라스틱에 혼힙시켜 용융체 또는 시이트를 제조하는 방법은 종래의 방법을 적용할 수 있다. 예를들면 일축 또는 이축 스크루우 압출기에서 용융체 또는 시이트를 제조할 수 있도록 "T"형 다이를 부착하고 열가소성 플라스틱 수지를 투입하여 용융된 이후에 도전성 충전물을 투입, 혼련하여 "T"형 다이를 통해 나온 용융체를 바로 적층설비로 보내거나 냉각 로울러에서 냉각하여 시이트로 얻는다.

또 다른 방법으로는 플라스틱 용융체가 "T"형 다이를 통해 토출되자마자 이송벨트로 보내고 용융된 상태에서 전도성 충전물을 뿌려준 후 적층설비로 보내거나 냉각로울러에서 냉각하여 시이트로 얻는다. 이때 이송벨트는 테프론 코팅되어 있는 것을 사용하는 것이 좋다. 또 다른 방법으로 플라스틱을 분말로 분쇄하여 혼합기, 예를들면 패들형 혼합기, "T"형 혼합기 등에서 혼합하여 일정한 두께로 이송벨트에 보내고 가압 및 가열하여 시이트를 제조하는 방법이 있다. 혼합기는 혼합도중 도전성 충전물이 파쇄 또는 변형되지 않도록 세심한 설계와 조업이 필요하다.

본 발명에서 함침 방법은 종래의 기술이 활용될 수 있다. 예를들면 온도조절이 가능한 금속판이 설치된 플레스 사이에 열가소성 플라스틱 시이트와 니들 펀칭으로 제조된 강화재를 일정한 순서로 적층하여 놓고, 열가소성 플라스틱이 흐를 수 있는 온도로 가열하며, 적절한 속도로 가압하여 열가소성 플라스틱이 유리섬유 매트 내부로 함침해 들어가도록 하는 방법이 있다. 함침이 완료되면 금속판을 냉각하고 프레스를 감압하여 도전성 플라스틱 판형상 재료를 얻는다. 이때 열가소성 플라스틱 표면과 내부의 온도차이가 크지 않도록 조절하는 것이 중요하다. 이를 위하여 적층중심부는 열가소성 플라스틱 용융체를 이용하여 적층하는 것이 바람직하다.

함침의 또 다른 방법으로는 가압 및 가열이 가능한 금속 롤 사이에 일정한 순서로 적층된 적층체를 통과시키면서 용융 함침되도록 하고, 계속해서 가압 및 냉각이 가능한 금속 롤 사이를 통과시켜 판형상 재료를 얻는 방법 및 가압 및 가열이 가능한 금속벨트 사이로 적층체를 통과시키면서 용융ㆍ함침되도록 하고, 계속해서 가압 및 냉각이 가능한 금속 벨트사이에 통과시켜 판형상 재료를 얻는 방법이 제안되고 있다. 생산된 판형상 재료는 일정한 크기로 절단하여 보관한다.

본 발명에 의해 제조된 도전성 플라스틱 판형상 재료를 이용해서 임의의 형상의 성형체를 얻는 것은 스탬핑 성형에 의해 행하는 것이 바람직하다. 스탬핑 성형법이란 판형상 재료를 열가소성 수지의 용융 온도 이상으로 가열하므로써 판형상 재료 자체에 유동성을 부여하고, 그 후 용웅온도 이하로 보온한 금형내에 이 판형상 재료를 투입하고 즉시 금형을 닫아, 냉각과 부형을 동시에 하여 성형체를 얻는 방법이다.

이하 본 발명을 실시예 및 비교실시예에 의해 더 상세히 설명한다. 실시예 및 비교실시예에서 사용한 열가소성 플라스틱은 폴리프로필렌 수지와 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지로서 폴리프로필렌은 대한유화 4017 그레이드(대한유화(주) 제조)를 사용하였고, 폴리에틸렌테레프탈레이트는 A903수지(제일합성(주) 제조)를 사용하였다. 유리섬유는 한국화이버(주)에서 표면처리되지 않은 유리섬유 로우빙을 주문하여 400℃에서 10시간 열세척한 후 적합한 표면처리를 하여 폴리프로필렌과 폴리에틸렌테레프탈레이트에 사용하였다. 특히, 폴리프로필렌에 사용시 표면처리는 Υ-메타크릴록시-프로필트리메톡시실란의 0.3중량% 수용액을 제조한 후, 분무기를 이용하여 유리섬유 표면에 골고루 분무한 후 100~110℃의 온도에서 10분간 건조하였다.

플라스틱 시이트는 압출기를 이용하여 일정한 두께로 제조한 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 시이트, 압출기를 이용하여 제조한 일정한 두께의 도전성 충전물이 포함된 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 시이트, 도전성 충전물이 유리섬유와 적층되어 니들 펀칭한 강화제 등을 이용하여 제조하였다. 이들은 미리 설계된 적층순서에 맞춰 적층한 후, 가열, 가압에 의해 함침하였다.

유리섬유 부직포 매트는 실험실에서 제작한 설비를 이용하여 한쪽 방향으로 배열하거나 무방향으로 제조하였고 니들 펀칭은 DILO 사의 OUG II/6 기종을 이용하여 한쪽방향에서 10회/㎠의 밀도로 니들링하여 사용했다. 제조된 판형상 재료는 적절한 크기로 재단하여 물성 측정 금형에서 스탬핑 성형에 의해 안장시편, 충격시편, 전도성 측정 시편을 제작하였다.

인장강도는 ASTM D638, 충격강도는 ASTM D790에 따라 측정하였으며 크로스헤드스피드는 분당 5㎜로 유지하였다.

체적정항은 시편의 크기를 10cm×10cm로 하여 단면 양쪽을 사포로 문지르고 은도금 처리하고 체적 저항기를 이용하여 시편 저항을 측정한 후, 다음식으로 환산한 것이다.

[표 1]

[실시예 1]

폴리에틸렌테레프탈레이트 A9034수지(제일합성(주) 제품)를 290℃의 온도로 조절된 압출기에서 용융 압출하여 580㎛ 두께의 시이트(A)를 제조하였다. 유리섬유 400g/㎡의 밀도가 되도록 한쪽 방향으로 배열한 후 800g/㎡로 미국 트랜스 매트사의 K-102 알루미늄플레이크를 골고루 뿌리고 400g/㎡의 밀도가 되도록 유리섬유를 무방향으로 골고루 뿌려 니들 펀칭에 의해 강화재를 제조하였다. 시이트(A) 1장/강화재 1장/시이트(A) 4장/강화재 1장/시이트(A) 1장으로 적층하여 적외선 가열로에서 분당 10℃의 속도로 승온하여 220℃에 도달하면 2분간 방치한 후 함침을 위한 금형으로 급격히 이송하였다. 함침에 사용된 금형은 가로와 세로가 각각 20cm인 내면구조를 가지고 있으며, 가열을 위한 열매 라인 및 냉각을 위한 냉각수 라인을 제작하였다. 금형의 내부는 테프론 코팅을 하였으며, 밑면은 나사가 연결되어 움직일 수 있도록 설계하였다.

적층체가 이송되기 전에 금형은 THERMIA B TYPE(극동-셀오일(주) 제조)의 열매로 280℃로 유지하고, 적층체가 이송되면 뚜껑을 덮고 아래, 윗면에 1cm의 테프론이 부착된 유압형 프레스로 옮겨 놓았다.

유압프레스에 서서히 압력을 가하면서 금형 내부는 약 100torr의 진공을 잡으며 계속적으로 280℃로 유지하였다. 유압프레스의 압력이 2000psia로 유지되면 열매의 회전을 중단시키고 냉각수를 통과시켰다. 금형을 통해나온 냉각수는 바로 배수구로 배수시켰다. 금형 온도가 60℃에 도달하면 금형을 들어내서 시편을 빼내고 제조된 두께 4.8㎜의 판형상 재료의 둘레를 1㎝씩 절단하여 제거하고 남은 부분을 측정용으로 사용하여 인장강도, 충격강도, 체적저항, 표면상태 등을 측정하여 측정결과를 표 1에 나타내었다.

[실시예 2]

실시예 1에서 알루미늄 플레이크를 100g/㎡이 되도록 시이트(A)에 골고루 뿌려 열을 가하면서 압력을 가해 어느정도 붙으면 시이트(B)를 제조한다. 강화재는 400g/㎡의 한방향 유리섬유, 600g/㎡의 알루미늄 플레이크, 400g/㎡의 무방향 유리섬유를 적층구조로 형성시켜 니들 펀칭하여 제조하였다. 시이트(A) 1장/강화재 1장/시이트(B) 4장/강화재 1장/니이트(A) 1장으로 적층한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 판형상 재료를 만들어 그 측정결과를 표 1에 정리하였다. 판형상 재료의 두께는 4.8㎜로 얻어졌다.

[실시예 3]

도전성 충전물을 길이 8μ인 구리섬유(일본 아이신(주) 제조)로 대체하여 두께 4.3mm인 재료를 제조한 것이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였으며 측정결과를 표 1에 나타내었다.

[실시예 4]

도전성 충전물을 길이가 8μ인 구리섬유(일본 아이신(주) 제조)로 대체하여 두께 4.3㎜인 재료를 제조한 것 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 판형상 재료를 제조하였으며 측정결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 1]

일축 스크루를 가지며 스크루길이/직경비가 50인 압출기의 전단부에 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 투입시키고, 수지가 완전히 용해된 시점에서 K-102 알루미늄 플레이크를 수지에 대하여 20중량% 투입시켜 다이를 통해 나온 혼합수지를 용융상태에서 절단, 냉각하여 펠렛트(PELLET)를 얻은 후 사출성형기로 성형하여 인장, 굴곡, 전도성 측정용 시편을 만들었다. 혼합 및 사출성형시 실린더 온도는 280℃로 유지하였다. 시편의 물성을 측정하여 결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 2]

알루미늄 플레이크의 양을 40중량%로 변경한 것 이외에는 비교실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였으며 그 측정결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 3]

도전성 충전물을 구리섬유로 변경한 것 이외에는 비교실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였으며 그 측정 결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 4]

구리섬유의 함량을 50중량%로 변경한 것 이외에는 비교실시예 3과 동일한 방법으로 제조하였으며 그 측정결과를 표 1에 나타내었다.

[실시예 5]

폴리프로필렌 4017수지(대한유화(주) 제조)를 200℃에서 용융압출하여 900μ의 폴리프로필렌 시이트를 제조하여 폴리에틸렌테레프탈레이트 시이트 대신으로 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 두께가 6.8㎜인 도전성 판형상 재료를 제조하였으며 그 측정결과를 표 1에 나타내었다.

[실시예 6]

폴리에틸렌테레프탈레이트 시이트(A),(B) 대신에 실시예 5에서 제조한 폴리프로필렌 시이트를 사용한 것 이외에는 실시예 2와 동일한 방법으로 도전성 판형상 재료를 제조하였으며 그 측정결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 5]

폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 폴리프로필렌 4017수지(대한유화(주) 제조)로 변경하고 실린더 온도를 200℃로 변경한 것 이외에는 비교실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 시이트를 제조하였으며 그 측정결과를 표 1에 나타내었다.

[비교실시예 6]

폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 폴리프로필렌으로 변경한 것 이외에는 비교실시예 2와 동일한 방법으로 도전성 시이트를 제조하였으며 그 측정결과를 표 1에 나타내었다.

Claims (1)

1. 유리섬유 장섬유를 한쪽방향으로 균일하게 배열시키고 그 위에 섬유상 또는 플레이크상의 도전성 충전물을 무방향 평면 연결구조를 형성하도록 하고 그 위에 무방향 장섬유 유리섬유 매트를 적층한 후, 니들펀칭에 의해 결합시킨 복합재를 강화재로 하여 열가소성 플라스틱 수지로 제조한 시이트 또는 용융체와 적층시킨 후 가열, 가압하여 열가소성 플라스틱 수지를 강화재 재부로 함침시킴을 특징으로 하는 도전성 플라스틱 판형상 재료의 제조방법.