WO2011043634A2 - 내열성이 향상된 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드 및 그의 제조방법이 개시된다. 개시된 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드는 고용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 및 고열전도율을 갖는 무기충전제를 포함한다. 또한, 개시된 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드는 압출기의 배럴 온도가 350 내지 450℃인 2축 압출기를 사용하여 제조될 수 있다.

Description

내열성이 향상된 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드 및 그의 제조방법
전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드 및 그의 제조방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 고용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 및 고열전도율을 갖는 무기충전제를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드 및 그의 제조방법이 개시된다.
전방향족 액정 폴리에스테르 수지는 내열성 및 치수안정성이 우수하고, 용융시 유동성이 우수하여 정밀 사출성형 재료로서 전자부품 분야를 중심으로 널리 사용되고 있다. 특히, 이러한 전방향족 액정 폴리에스테르 수지는 치수안정성과 전기 절연성이 우수하여 전자재료용 필름과 기판, 전자제품의 커넥터, 및 기탄 보빈용 소재로서 그 용도가 확대되고 있다.
전방향족 액정 폴리에스테르 수지는 축중합으로 제조되는 열가소성 고분자의 일종으로서, 이를 유리섬유나 활석과 같은 무기충전제와 혼련하여 압출가공함으로써 수지 컴파운드를 제조할 수 있다. 또한, 상기와 같이 제조된 수지 컴파운드는 사출공정을 거쳐 제품으로 가공될 수 있다.
한편, 상기 수지 컴파운드가 적용되는 전자제품의 커넥터나 보빈 제품 등은 발열량이 많기 때문에 내열성이 우수해야 한다. 그러나, 상기 수지 컴파운드의 주원료인 전방향족 액정 폴리에스테르 수지와 무기충전제들은 각각의 열전도율이 0.2W/mK 이하로서 매우 낮기 때문에 이들을 포함하는 수지 컴파운드는 낮은 열전도 특성을 갖게 되며, 상기 수지 컴파운드를 포함하는 제품도 낮은 내열성 및 내구성을 갖게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 구현예는 고용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 및 고열전도율을 갖는 무기충전제를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
310 내지 450℃의 용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지; 및
200 내지 500W/mK의 열전도율을 갖는 제1 무기충전제를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드를 제공한다.
상기 제1 무기충전제는 보론 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 그라파이트, 보론 포스파이드, 알루미늄 나이트라이드, 티타늄 디옥사이드, 바륨 설파이트 및 실리콘 디옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 무기충전제의 함량은 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 5 내지 90중량부일 수 있다.
상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드는 0 초과 200W/mK 미만의 열전도율을 갖는 제2 무기충전제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제2 무기충전제는 유리섬유, 활석, 탄산칼슘, 운모 및 점토로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 무기충전제의 함량은 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 5 내지 90중량부일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
310 내지 450℃의 용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지와 200 내지 500W/mK의 열전도율을 갖는 무기충전제를 혼합하여 용융혼련하는 단계를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 제조방법을 제공한다.
상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지와 상기 무기충전제의 용융혼련은 압출기의 배럴 온도가 350 내지 450℃인 2축 압출기에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 고용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 및 고열전도율을 갖는 무기충전제를 포함함으로써 열전도 특성이 우수하고 내열성이 향상된 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 의하면, 고온가공에 적용될 수 있는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 제조방법이 제공될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 구현예에 따른 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드 및 그의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드는 310 내지 450℃의 용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 및 200 내지 500W/mK의 열전도율을 갖는 제1 무기충전제를 포함한다. 이와 같이 고융융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 및 고열전도율을 갖는 제1 무기충전제를 포함함으로써, 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 열전도 특성 및 내열도가 향상될 수 있다. 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지의 용융점이 310℃ 미만이면 350℃ 이상의 고온 가공 영역에서 유동성이 지나치게 높아 가공이 어렵게 되고, 450℃를 초과하면 고온 가공 영역에서 충분한 유동성을 갖기 어려워서 가공이 곤란해진다. 또한, 상기 제1 무기충전제의 열전도율이 200W/mK 미만이면 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 열전도성이 충분히 구현되기 어렵고, 500 W/mK를 초과하면 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 사출가공시 지나치게 빠른 시간내에 제품이 냉각되므로 생산성을 저해할 수 있다.
상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지는 고용융점을 갖기 때문에 내열성 역시 높다. 이러한 전방향족 액정 폴리에스테르 수지는 하기 단계를 거쳐 제조될 수 있다:
(a) 적어도 2종의 단량체를 축중합함으로써 전방향족 액정 폴리에스테르 프리폴리머를 합성하는 단계; 및
(b) 상기 프리폴리머를 고상축중합함으로써 전방향족 액정 폴리에스테르 수지를 합성하는 단계.
상기 (a) 단계에서 사용되는 단량체는 방향족 디올, 방향족 디아민 및 방향족 히드록시아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 화합물, 및 방향족 디카르복실산을 포함한다. 또한, 상기 단량체는 방향족 히드록시 카르복실산 및/또는 방향족 아미노 카르복실산을 추가로 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계의 합성 방법으로는 용액 축중합법, 괴상 축중합법(bulk condensation polymerization)이 사용될 수 있다. 또한, 상기 (a) 단계에서 축합 반응을 촉진하기 위하여 아실화제(특히, 아세틸화제) 등의 화학 물질로 전처리되어 반응성이 증가된 단량체(즉, 아실화된 단량체)를 사용할 수 있다.
상기 (b) 단계의 고상축중합 반응을 위해서는 상기 프리폴리머에 적당한 열이 제공되어야 하며, 이러한 열 제공방법으로는 가열판을 이용하는 방법, 열풍을 이용하는 방법, 고온의 유체를 이용하는 방법 등이 있다. 고상축중합 반응시 발생되는 부산물을 제거하기 위하여 불활성 기체를 이용한 퍼지나 진공에 의한 제거를 실시할 수 있다.
상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지들은 각각 다양한 반복단위를 사슬 내에 포함하게 되며, 예를 들어 다음과 같은 반복단위를 포함할 수 있다:
(1) 방향족 디올에서 유래하는 반복단위:
-O-Ar-O-
(2) 방향족 디아민에서 유래하는 반복단위:
-HN-Ar-NH-
(3) 방향족 히드록시아민에서 유래하는 반복단위:
-HN-Ar-O-
(4) 방향족 디카르복실산에서 유래하는 반복단위:
-OC-Ar-CO-
(5) 방향족 히드록시 카르복실산에서 유래하는 반복단위:
-O-Ar-CO-
(6) 방향족 아미노 카르복실산에서 유래하는 반복단위:
-HN-Ar-CO-
상기 화학식들에서, Ar은 페닐렌, 바이페닐렌, 나프탈렌 또는 2개의 페닐렌이 탄소 또는 탄소가 아닌 원소로 결합된 방향족 화합물이거나, 또는 페닐렌, 바이페닐렌, 나프탈렌 또는 2개의 페닐렌이 탄소 또는 탄소가 아닌 원소로 결합된 방향족 화합물 중 1개 이상의 수소가 다른 원소로 치환된 방향족 화합물일 수 있다.
상기 제1 무기충전제는 보론 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 그라파이트, 보론 포스파이드, 알루미늄 나이트라이드, 티타늄 디옥사이드, 바륨 설파이트 및 실리콘 디옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 제1 무기충전제는 이를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 조성물 및 수지 컴파운드의 열전도성을 높여 이에 전달된 열을 신속히 방출시키는 역할을 수행한다.
상기 제1 무기충전제의 함량은 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 5 내지 90중량부일 수 있다. 상기 제1 무기충전제의 함량이 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 5중량부 미만일 경우에는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드가 충분한 열전도성을 구현하기 곤란하고, 90중량부를 초과하는 경우에는 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 기계적 물성 저하가 심해지므로 바람직하지 않다.
상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드는 0 초과 200W/mK 미만의 제2 무기충전제를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 제2 무기충전제는 이를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 기계적 강도를 높이는 역할을 수행한다.
상기 제2 무기충전제는 유리섬유, 활석, 탄산칼슘, 운모 및 점토로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 무기충전제의 함량은 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 5 내지 90중량부일 수 있다. 상기 제2 무기충전제의 함량이 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 5중량부 미만일 경우에는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드가 충분한 기계적 강도를 구현하기 곤란하고, 90중량부를 초과하는 경우에는 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 열전도성이 낮아진다.
상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드는 310 내지 450℃의 용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지와 200 내지 500W/mK의 열전도율을 갖는 무기충전제를 혼합하여 수지 조성물을 제조하고, 상기 수지 조성물을 용융혼련함으로써 제조될 수 있다. 이와 같이 고용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지와 고열전도율을 갖는 제1 무기충전제를 포함하는 수지 조성물은 내열성 및 열전도성이 개선되어 고온에서 열변형 없이 가공(즉, 용융혼련)될 수 있다. 따라서, 350℃ 이상의 고온가공이 필요한 제품의 제조가 가능해진다.
또한, 상기 용융혼련을 위하여 2축 압출기, 회분식 혼련기 또는 믹싱 롤 등이 사용될 수 있다. 특히, 2축 압출기를 사용하여 상기 용융혼련을 수행할 경우에는 압출기의 배럴 온도를 350 내지 450℃로 유지할 수 있다. 여기서, 압출기의 배럴이란 압출원료(즉, 수지 조성물)를 용융, 혼련 및 수송하는 부분으로서 실린더라고도 지칭되는 것이다. 상기 배럴의 내부에는 스크류가 장착되어 있어 상기 스크류의 회전에 따라 압출원료가 전방으로 이송되고, 이와 동시에 상기 압출원료는 배럴 벽면으로부터 전도되는 열로 인해 용융된다. 또한, 원활한 용융혼련을 위하여 용융혼련시 활제를 사용할 수 있다.
이하, 실시예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
(1) 전방향족 액정 폴리에스테르 수지의 제조
온도 조절이 가능한 100리터 용량의 회분식 반응기에, 파라 히드록시 벤조산 24.4kg, 바이페놀 10.8kg, 테레프탈산 7.3kg 및 이소프탈산 2.4kg을 투입하고 질소가스를 주입하여 상기 반응기의 내부 공간을 불활성 상태로 만든 다음 상기 반응기에 무수초산 33kg을 더 첨가하였다. 이후, 반응기 온도를 30분에 걸쳐 150℃까지 승온시키고 상기 온도에서 3시간 동안 상기 단량체들의 알코올 기능기를 아세틸화하였다. 이어서, 상기 아세틸화 반응에서 생성된 초산을 제거하면서 반응기 온도를 6시간에 걸쳐 330℃까지 승온시켜 단량체의 중축합 반응에 의해 전방향족 액정 폴리에스테르 프리폴리머를 제조하였다. 또한, 상기 프리폴리머 제조시 부산물로 초산이 더 생성되는데, 이 초산도 상기 아세틸화 반응에서 생성된 초산과 함께 상기 프리폴리머 제조 동안 연속적으로 제거하였다. 다음에, 상기 프리폴리머를 반응기로부터 회수하여 냉각 고화시켰다.
이후, 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 프리폴리머를 평균 입경 1mm로 분쇄한 후, 상기 분쇄된 전방향족 액정 폴리에스테르 프리폴리머 20kg을 100리터 용량의 로터리킬른 반응기에 투입하고, 질소를 1N㎥/시간의 유속으로 계속 흘려주면서 무게 감량 시작 온도인 200℃까지 1시간에 걸쳐 승온시킨 후, 다시 320℃까지 10시간에 걸쳐 승온시켜 3시간 동안 유지함으로써 전방향족 액정 폴리에스테르 수지를 제조하였다. 이어서, 상기 반응기를 상온으로 1시간에 걸쳐 냉각시킨 후 상기 반응기로부터 전방향족 액정 폴리에스테르 수지를 회수하였다.
시차주사열량계를 사용하여 측정한 상기 수지의 용융점은 370℃이었다.
(2) 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드(1)의 제조
상기 (1)에서 제조한 전방향족 액정 폴리에스테르 수지, 유리섬유(성진화이바, MF150W-NT) 및 그라파이트(열전도율 400W/mK)(KOMEX, Graphite)를 중량 기준으로 6:2:2의 비율로 혼합하여 2축 압출기(L/D: 40, 직경: 20mm)를 사용하여 용융혼련하였다. 상기 용융혼련시, 압출기의 배럴온도는 400℃이었다. 또한 상기 용융혼련시, 상기 2축 압출기에 진공을 가해 부산물을 제거하였다.
이어서, 상기 용융혼련물을 자동 혼합기(제일산업기기 제품)로 10분간 혼합하고, 열풍 건조기(아성 PLANT 제품)로 130℃에서 2시간 동안 건조하여 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드(1)를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1의 (1)에서 제조한 전방향족 액정 폴리에스테르 수지, 유리섬유(성진화이바, MF150W-NT) 및 그라파이트(열전도율 400W/mK)(KOMEX, Graphite)의 혼합비를 중량 기준으로 6:1:3으로 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전방향족 액정 폴리에스테르 수지의 컴파운드(2)를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1의 (1)에서 제조한 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 대신에 300℃의 용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지(삼성정밀화학 제조)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전방향족 액정 폴리에스테르 수지의 컴파운드(3)를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1의 (1)에서 제조한 전방향족 액정 폴리에스테르 수지, 유리섬유(성진화이바, MF150W-NT) 및 그라파이트(열전도율 400W/mK)(KOMEX, Graphite)의 혼합비를 중량 기준으로 6:4:0으로 변경(즉, 그라파이트를 사용하지 않음)한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드(4)를 제조하였다.
평가예
상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2에서 제조한 각각의 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드(1)~(4)의 물성을 하기와 같은 방법으로 측정하였다.
(굴곡강도 및 굴곡탄성률의 측정)
각 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 굴곡강도 및 굴곡탄성률 ASTM D790에 따라 측정하였다.
(내열도(열변형온도)의 측정)
각 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 내열도를 ASTM D648에 따라 측정하였다. 이때, 부여된 압력은 18.5kgf/㎠이었다.
표 1
구분 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
굴곡강도(MPa) 150 160 120 135
굴곡탄성률(Gpa) 14 14 11 12
내열도(℃) 330 335 290 320
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1~2에서 제조한 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드는 비교예 1~2에서 제조한 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드에 비해, 굴곡강도, 굴곡탄성률 및 내열도 등의 모든 물성이 우수한 것으로 나타났다.
본 발명은 구현예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 구현예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 310 내지 450℃의 용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지; 및
    200 내지 500W/mK의 열전도율을 갖는 제1 무기충전제를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 무기충전제는 보론 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 그라파이트, 보론 포스파이드, 알루미늄 나이트라이드, 티타늄 디옥사이드, 바륨 설파이트 및 실리콘 디옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 무기충전제의 함량은 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 5 내지 90중량부인 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드.
  4. 제1항에 있어서,
    0 초과 200W/mK 미만의 제2 무기충전제를 추가로 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 무기충전제는 유리섬유, 활석, 탄산칼슘, 운모 및 점토로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 무기충전제의 함량은 상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 5 내지 90중량부인 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드.
  7. 310 내지 450℃의 용융점을 갖는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지와 200 내지 500W/mK의 열전도율을 갖는 무기충전제를 혼합하여 용융혼련하는 단계를 포함하는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전방향족 액정 폴리에스테르 수지와 상기 무기충전제의 용융혼련은 압출기의 배럴 온도가 350 내지 450℃인 2축 압출기에서 이루어지는 전방향족 액정 폴리에스테르 수지 컴파운드의 제조방법.
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