KR100706652B1 - 전기 전도성 열가소성 수지 조성물 및 플라스틱 성형품 - Google Patents

전기 전도성 열가소성 수지 조성물 및 플라스틱 성형품 Download PDF

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Abstract

전기 전도성 열가소성 수지 조성물 및 플라스틱 성형품이 제공된다.
상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물은 열가소성 수지의 80~99 중량부; 탄소 나노 튜브의 0.1~10 중량부; 및 유기 나노 클레이의 0.1~10 중량부를 포함한다.
전기 전도성 열가소성 수지 조성물, 플라스틱 성형품, 탄소 나노 튜브, 유기 나노 클레이, 전기 전도성

Description

전기 전도성 열가소성 수지 조성물 및 플라스틱 성형품{ELECTROCONDUCTIVE THERMOPLASTIC RESIN COMPOSITION AND PLASTIC ARTICLE}
본 발명은 전기 전도성 열가소성 수지 조성물 및 플라스틱 성형품에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 보다 향상된 전기 전도성을 나타내는 전기 전도성 열가소성 수지의 제공을 가능케 하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물 및 플라스틱 성형품에 관한 것이다.
열가소성 수지는 가열하면 연화하여 가소성을 나타내고, 냉각하면 고화되는 플라스틱을 지칭한다. 이러한 열가소성 수지는 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 아크릴계 수지, 스티렌계 수지 또는 비닐계 수지 등의 범용 플라스틱과, 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 에테르 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지 또는 폴리이미드 수지 등의 엔지니어링 플라스틱으로 대별될 수 있다.
상기 열가소성 수지는 가공성 및 성형성이 우수하여 각종 생활용품, 사무자동화 기기, 전기·전자제품 등에 광범위하게 적용되고 있다. 또한, 이러한 열가소성 수지가 사용되는 제품의 종류 및 특성에 따라, 상기 우수한 가공성 및 성형성에 더하여 열가소성 수지에 특수한 성질을 부가해 고부가가치의 재료로서 사용하고자 하는 시도가 계속적으로 이루어지고 있다. 이 중에서도, 열가소성 수지에 전기 전도성을 부여하여, 이러한 전기 전도성 열가소성 수지를 자동차, 각종 전기 장치나 전자 조립체 또는 케이블이 전자파 차폐 성능 등을 나타내게 하기 위한 용도로 사용하기 위한 많은 시도가 이루어지고 있다.
이러한 전기 전도성 열가소성 수지는 통상적으로 열가소성 수지에 카본블랙, 탄소 섬유, 금속 분말, 금속 코팅 무기 분말 또는 금속 섬유 등의 전도성 첨가제를 혼합한 전기 전도성 열가소성 수지 조성물을 사용하여 제조된다. 그런데, 상기 전도성 첨가제의 상당량이 첨가되지 않는 한 상기 전기 전도성 열가소성 수지의 전기 전도성을 원하는 정도로 충분히 확보하기 어렵다.
한편, 상기 전도성 첨가제로서 탄소 나노 튜브를 사용해 상기 전기 전도성 열가소성 수지에 우수한 전기 전도성을 부여하고자 하는 시도가 있었다.
그러나, 열가소성 수지에 탄소 나노 튜브를 혼합하고 이를 사출하여 전기 전도성 열가소성 수지를 얻고자 하면, 상기 사출 가공 중에 발생하는 전단 응력으로 인해 탄소 나노 튜브의 집괴나 배향이 나타나고 상기 전기 전도성 열가소성 수지 내에 탄소 나노 튜브가 불량하게 분산됨에 따라, 원하는 정도의 충분한 전기 전도성을 얻기가 어렵다.
이에 본 발명은 보다 향상된 전기 전도성을 나타내는 전기 전도성 열가소성 수지의 제공을 가능케 하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 이용해 제조된 플라스틱 성형품을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 열가소성 수지의 80~99 중량부; 탄소 나노 튜브의 0.1~10 중량부; 및 유기 나노 클레이의 0.1~10 중량부를 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물을 제공한다.
상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물에서, 상기 열가소성 수지는 폴리아세탈 수지, 아크릴계 수지, 폴리카보네이트 수지, 스티렌계 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리올레핀 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리아릴설폰 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리페닐렌 설피드 수지, 불소계 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리벤족사졸 수지, 폴리옥사디아졸 수지, 폴리벤조티아졸 수지, 폴리벤지미다졸 수지, 폴리피리딘 수지, 폴리트리아졸 수지, 폴리피롤리딘 수지, 폴리디벤조퓨란 수지, 폴리설폰 수지, 폴리우레아 수지, 폴리포스파젠 수지 및 액정중합체 수지로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 수지, 둘 이상의 공중합체 수지 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열가소성 수지는 폴리카보네이트 수지를 포함하고, 상기 폴리카보네이트 수지는 하기 일반식 1의 디페놀 화합물과, 포스겐, 할로겐 포르메이트 또는 탄산디에스테르를 반응시켜 제조된 방향족 폴리카보네이트 수지를 포함할 수 있다.
[일반식 1]
Figure 112006096017913-pat00001
상기 일반식 1에서, A는 단일 결합, C1-C5의 알킬렌, C1-C5의 알킬리덴, C5∼C6의 시클로알킬리덴, -S- 또는 -SO2-를 나타내고, X는 할로겐을 나타내며, n은 0, 1 또는 2를 나타낸다.
그리고, 상기 열가소성 수지는 10,000~200,000g/mol의 중량 평균 분자량을 가진 폴리카보네이트 수지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물에서, 상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브 또는 다중벽 탄소 나노 튜브를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 탄소 나노 튜브는 1~50nm의 두께 및 0.01~10㎛의 길이를 가질 수 있다.
또한, 상기 탄소 나노 튜브는 100~1000의 종횡비를 가질 수 있다.
그리고, 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물에서, 상기 유기 나노 클레이는 9~14Å의 층간 거리를 가지는 나노 스케일의 층상 실리케이트를 유기화 처리한 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 층상 실리케이트는 몬모릴로나이트, 헥토라이트, 벤토나이트, 사포나이트, 마가다이트 및 합성 마이카로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 실리케이트 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 유기 나노 클레이는 상기 층상 실리케이트를 C12~C36의 알킬기 또는 방향족기가 치환된 유기 인산염 또는 유기 암모늄염으로 유기화 처리한 것을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물로 제조되는 플라스틱 성형품을 제공한다.
또한, 본 발명은 열가소성 수지 기재와, 상기 열가소성 수지 기재 내에 분산되어 있는 탄소 나노 튜브 및 유기 나노 클레이를 포함하는 플라스틱 성형품을 제공한다.
기타 본 발명의 실시 형태들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 당업자가 자명하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명에 대한 예시로 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
발명의 일 구현예에 따라, 열가소성 수지의 80~99 중량부; 탄소 나노 튜브의 0.1~10 중량부; 및 유기 나노 클레이의 0.1~10 중량부를 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물이 제공된다.
상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물은 탄소 나노 튜브와 함께 유기 나노 클레이를 포함한다. 따라서, 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물의 사출 가공 중에, 상기 유기 나노 클레이가 상기 탄소 나노 튜브의 배향성을 억제할 수 있을 뿐 아니라 상기 탄소 나노 튜브가 상기 전기 전도성 열가소성 수지 내에 균일하게 분산되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 탄소 나노 튜브와 같은 첨가제를 소량만 포함시켜도 상기 전기 전도성 열가소성 수지의 사출 가공 후에, 전기 전도성을 충분히 확보할 수 있다. 또한, 상기 탄소 나노 튜브와 같은 첨가제의 함량을 줄여 이의 과량 첨가에 따른 전기 전도성 열가소성 수지의 기계적 물성 저하를 억제할 수 있다.
이러한 전기 전도성 열가소성 수지 조성물의 구성을 각 구성 성분 별로 구체 적으로 살피면 이하와 같다.
상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물은 열가소성 수지의 80~99 중량부를 포함한다.
이러한 열가소성 수지로는 압출 또는 사출 성형이 가능한 임의의 열가소성 수지를 사용할 수 있고, 열가소성 범용 플라스틱과 열가소성 엔지니어링 플라스틱을 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 열가소성 수지로는, 폴리아세탈 수지, 아크릴계 수지, 폴리카보네이트 수지, 스티렌계 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리올레핀 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리아릴설폰 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리페닐렌 설피드 수지, 불소계 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리벤족사졸 수지, 폴리옥사디아졸 수지, 폴리벤조티아졸 수지, 폴리벤지미다졸 수지, 폴리피리딘 수지, 폴리트리아졸 수지, 폴리피롤리딘 수지, 폴리디벤조퓨란 수지, 폴리설폰 수지, 폴리우레아 수지, 폴리포스파젠 수지 또는 액정중합체 수지를 들 수 있다. 또한, 이들 수지를 둘 이상 공중합하거나 혼합하여 상기 열가소성 수지로 사용할 수도 있다.
그런데, 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물의 물성 또는 적용되는 제품의 종류 등을 고려하여, 상기 열가소성 수지로는 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 에틸렌과 비닐아세테이트의 공중합체 수지, 에틸렌과 메틸메타아크릴레이트의 공중합체 수지 등의 폴리올레핀 수지; 스티렌계 수지; 또는 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트나 폴리부틸렌 테레프탈레이트와 같은 폴리에스테르 수지 또는 폴리카보네이트 수지 등의 열가소성 엔지니어링 플라스틱을 바람직하게 사용할 수 있다. 그러나, 상기 열가소성 수지가 이에 제한되어 사용되는 것은 아니며, 다른 종류의 열가소성 수지를 사용할 수도 있음은 물론이다.
한편, 이하에서는 상기 열가소성 수지로 적합하게 사용 가능한 폴리카보네이트 수지, 폴리에스테르 수지 및 폴리아미드 수지의 구성에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 상기 열가소성 수지로는 폴리아미드 수지를 사용할 수 있다.
이러한 폴리아미드 수지로는 통상적으로 알려진 폴리아미드 수지, 예를 들어, 폴리카프로락탐(나일론 6), 폴리(11-아미노운데카노익 에시드)(나일론 11), 폴리라우릴락탐(나일론 12), 폴리헥사메틸렌 아디프아미드(나일론 6,6), 폴리헥사에틸렌 아젤아미드(나일론 6,9), 폴리헥사에틸렌 세바카미드(나일론 6,10) 또는 폴리헥사에틸렌 도데카노디아미드(나일론 6,12) 등이나, 이들 중에 선택된 둘 이상의 공중합체, 예를 들어, 나일론 6/6,10, 나일론 6/6,6, 나일론 6/12 등과 같은 나일론계 수지를 사용할 수 있다. 또한, 이들 나일론계 수지 중에 선택된 둘 이상의 혼합물을 상기 폴리아미드 수지로 사용할 수도 있다.
또한, 상기 폴리아미드 수지로는 상대 점도가 2.4∼3.5이고, 중량 평균 분자량이 약 20,000∼100,000 g/mol인 것을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 폴리아미드 수지는 당업자에게 알려진 각 폴리아미드 수지의 통상적인 제조 방법에 따라 제조할 수 있고, 상업적으로도 입수 가능하다. 상업적으로 입수 가능한 상기 폴리아미드 수지의 예로는, 특히 한정되지는 않지만, 코오롱사의 KN-120 제품 또는 로디아 사의 1021 제품 등을 들 수 있다.
한편, 상기 열가소성 수지로는 폴리에스테르 수지를 사용할 수도 있다.
이러한 폴리에스테르 수지는 중합체 사슬에 에스테르 결합을 포함할 수 있으며 가열에 의해 용융될 수 있다. 상기 폴리에스테르 수지의 예로는, 디카르복실산 및 디히드록시 화합물의 축중합 반응에 의해 얻어진 것을 들 수 있다. 다만, 폴리에스테르 수지의 제조 방법이 이에 제한되지는 않으며 통상적으로 알려진 다른 제조 방법으로 제조된 폴리에스테르 수지를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 폴리에스테르 수지로는 호모 폴리에스테르 수지 또는 코폴리에스테르 수지를 제한없이 사용할 수 있다.
그리고, 상기 열가소성 수지로는 폴리카보네이트 수지를 사용할 수도 있다.
이러한 폴리카보네이트 수지는, 예를 들어, 하기 일반식 1의 디페놀 화합물과, 포스겐, 할로겐 포르메이트 또는 탄산디에스테르를 반응시켜 제조된 방향족 폴리카보네이트 수지를 포함할 수 있다.
[일반식 1]
Figure 112006096017913-pat00002
상기 일반식 1에서, A는 단일 결합, C1-C5의 알킬렌, C1-C5의 알킬리덴, C5∼ C6의 시클로알킬리덴, -S- 또는 -SO2-를 나타내고, X는 할로겐을 나타내며, n은 0, 1 또는 2를 나타낸다.
이때, 상기 일반식 1의 디페놀 화합물로는, 히드로퀴논, 레조시놀, 4,4'-디히드록시디페닐, 2,2-비스-(4-히드록시페닐)-프로판, 2,4-비스-(4-히드록시페닐)-2-메틸부탄, 2,2-비스-(3-클로로-4-히드록시페닐)-프로판, 2,2-비스-(3,5-디클로로-4-히드록시페닐)-프로판 또는 1,1-비스-(4-히드록시페닐)-시클로헥산 등을 사용할 수 있고, 이 중에서도, 2,2-비스-(4-히드록시페닐)-프로판, 2,2-비스-(3,5-디클로로-4-히드록시페닐)-프로판 또는 1,1-비스-(4-히드록시페닐)-시클로헥산을 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 더욱 바람직하게는 비스페놀-A(Bisphenol-A: BPA)라고도 불리는 2,2-비스-(4-히드록시페닐)-프로판을 사용할 수 있다.
또한, 상기 폴리카보네이트 수지는 10,000~200,000g/mol, 바람직하게는, 15,000~80,000g/mol의 중량 평균 분자량을 가질 수 있다.
그리고, 상기 폴리카보네이트 수지로는 선형 폴리카보네이트 수지 뿐만 아니라, 분지형 폴리카보네이트 수지 또는 폴리에스테르카보네이트 공중합체 수지를 제한없이 사용할 수 있다. 이때, 상기 분지형 폴리카보네이트 수지는 상기 디페놀 화합물의 전량에 대해 0.05~2몰%의 3가 또는 그 이상의 다관능 화합물, 예를 들어, 3가 또는 그 이상의 페놀기를 화합물을 첨가하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르카보네이트 공중합체 수지는 에스테르 전구체, 예를 들어, 2 관능 카르복실산의 존재 하에 중합 반응을 진행하여 제조할 수 있으며, 이러한 폴리에스테르카 보네이트 공중합체 수지를 단독으로 사용하거나 다른 폴리카보네이트 수지와 혼합하여 사용할 수도 있다.
또한, 상기 폴리카보네이트 수지로는 호모 폴리카보네이트 수지 또는 코폴리카보네이트 수지를 제한없이 사용할 수 있고, 이들의 혼합물을 사용할 수도 있다.
이상에서는 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지 및 폴리카보네이트 수지의 구성을 설명하였지만, 이러한 3 가지 수지 이외에도 임의의 열가소성 수지를 사용할 수 있음은 이미 상술한 바와 같다. 또한, 이들 각각의 열가소성 수지의 구체적 구성 및 제조 방법은 당업자에게 자명하게 알려져 있다.
한편, 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물은 또한, 탄소 나노 튜브를 포함한다. 이러한 탄소 나노 튜브는 그 구조의 특이성 때문에 높은 기계적 강도, 초기 탄성율(Young's modulus) 및 종횡비(aspect ratio) 등의 특성을 나타내는 물질이다. 또한, 상기 탄소 나노 튜브는 구리 또는 금보다도 높은 전기 전도성과 열전도성을 보유할 뿐 아니라(Yakobson, B.I., et al., American Scientist, 85, (1997), 324-337; Dresselhaus, M.S., et al., Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, (1996), San Diego, Academic Press, 902-905), 강철의 약 100배의 인장 강도와 1/6의 중량을 가지는 것으로 알려져 있다(Andrews R., et al., Macromol. Mater. Eng., 287, (2002), 395-403; Kashiwagi T., et al., Macromol. Rapid Commun., 4, (2002), 761-765). 따라서, 이러한 특성을 지닌 탄소 나노 튜브를 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물에 포함시켜, 소량의 첨가만으로도 상기 전기 전도성 열가소성 수지에 우수한 전기 전도성을 부여할 수 있다.
한편, 이러한 탄소 나노 튜브는 말 그대로 탄소로 구성된 속이 빈 튜브 형태를 띄고 있다. 또한, 상기 탄소 나노 튜브는 이를 구성하는 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브 또는 다중벽 탄소 나노 튜브 등으로 분류될 수 있는데, 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물은 이들 모두의 탄소 나노 튜브를 제한없이 포함할 수 있다.
그리고, 상기 탄소 나노 튜브는 원자 스케일의 원주를 가지면서 수 내지 수십 나노미터의 직경을 가진다. 예를 들어, 단일벽 탄소 나노 튜브는 전형적으로 약 0.4 내지 100nm의 직경을 가질 수 있고, 바람직하게는, 약 0.7 내지 5nm의 직경을 가질 수 있다.
또한, 상기 탄소 나노 튜브는 1~50nm, 바람직하게는, 1~20nm의 두께 및 0.01~10㎛, 바람직하게는, 1~10㎛의 길이를 가질 수 있다. 이러한 두께 및 길이로부터, 상기 탄소 나노 튜브는 100 이상, 바람직하게는, 100~1000의 종횡비(L/D)를 가질 수 있다.
상술한 탄소 나노 튜브는 나노 스케일의 직경을 가짐에 따라 그 원주 방향으로 움직이는 전자의 운동이 제한받게 되고, 이로 인해, 소위 저차원 양자 현상이 일어난다. 이러한 양자 현상은 탄소 나노 튜브의 감긴 형태에 따라 아주 다르게 나타나 상기 탄소 나노 튜브가 금속 또는 반도체와 같은 우수한 전기 전도성을 나타낼 수 있다. 따라서, 이러한 탄소 나노 튜브가 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물에 포함됨에 따라, 전기 전도성 열가소성 수지에 우수한 전기 전도성을 부여할 수 있다.
한편, 상술한 탄소 나노 튜브는 전기 방전법 (Arc-discharge), 열분해법 (pyrolysis), 레이저 증착법 (Laser vaporization), 플라즈마 화학기상 증착법 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 열화학 기상증착법 (Thermal Chemical Vapor Deposition), 전기분해법 또는 플레임 합성법 등을 사용해 합성할 수 있으나, 이러한 합성법에 제한되지 않고 임의의 방법으로 합성된 탄소 나노 튜브가 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물에 제한없이 포함될 수 있다.
그리고, 상기 탄소 나노 튜브는, 0.1~10 중량부, 바람직하게는, 1~5 중량부의 함량 범위로 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물에 포함된다. 이로서, 전기 전도성 열가소성 수지의 기계적 물성과 전기 전도성의 밸런스를 우수하게 할 수 있다. 만일, 상기 탄소 나노 튜브의 함량이 0.1 중량부에 못 미치면 상기 수지 조성물로 제조된 전기 전도성 열가소성 수지의 전기 전도성이 충분치 못하고, 10 중량부를 초과하면 상기 전기 전도성 열가소성 수지의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물은 또한, 상기 열가소성 수지 및 탄소 나노 튜브와 함께 유기 나노 클레이를 포함한다. 이러한 유기 나노 클레이는 유기화 처리된 나노 스케일의 층상 실리케이트를 지칭하는 것이다.
이러한 유기 나노 클레이가 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물에 포함됨에 따라, 사출 가공 중에 탄소 나노 튜브의 배향성을 억제할 수 있을 뿐 아니라 이러한 탄소 나노 튜브가 전기 전도성 열가소성 수지 내에 균일하게 분산되도록 할 수 있다. 따라서, 탄소 나노 튜브와의 상호 작용으로 전기 전도성 열가소성 수지의 전기 전도성을 보다 향상시켜, 상기 탄소 나노 튜브 등을 소량만 포함시켜도 상기 전기 전도성 열가소성 수지의 전기 전도성이 충분히 확보되게 할 수 있다.
상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물은 일반적인 나노 클레이를 포함하는 것이 아니라 유기 나노 클레이, 즉, 유기화 처리된 나노 스케일의 층상 실리케이트를 포함한다. 상기 나노 스케일의 층상 실리케이트는 기본적으로 친수성을 띄므로 소수성의 고분자 물질, 예를 들어, 열가소성 수지와 잘 혼련되지 않아 분산성이 떨어진다. 따라서, 이러한 나노 스케일의 층상 실리케이트를 유기화 처리하여 소수성을 부여함으로서, 고분자 사슬의 삽입(intercalation) 능력을 보다 향상시키고 상기 열가소성 수지 내에서의 분산성을 향상시킬 수 있다. 그러므로, 유기화 처리된 유기 나노 클레이를 열가소성 수지 내에 균일하게 분산시켜 원하는 정도의 충분한 물성치, 예를 들어, 전기 전도성 열가소성 수지의 충분한 전기 전도성을 얻을 수 있다.
한편, 상기 유기 나노 클레이는 기본적으로 9~14Å의 층간 거리를 가지는 나노 스케일의 층상 실리케이트를 사용해, 이를 유기화 처리하여 얻을 수 있다. 이때, 상기 층상 실리케이트는 50㎛ 이하, 바람직하게는 25㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10㎛ 이하의 평균 입경을 가질 수 있다. 이러한 조건을 만족하여 상기 유기 나노 클레이를 얻기 위해 사용 가능한 층상 실리케이트로는, 예를 들어, 몬모릴로나이트, 헥토라이트, 벤토나이트, 사포나이트, 마가다이트 또는 합성 마이카를 들 수 있고, 이들 중에 선택된 둘 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 유기 나노 클레이는 상기 층상 실리케이트를 C12~C36의 알킬기 또 는 방향족기가 치환된 유기 인산염 또는 유기 암모늄염으로 유기화 처리하여 얻을 수 있다. 더 나아가, 상기 층상 실리케이트 중에서도, 몬모릴로나이트를 상기 C12~C36의 알킬기 또는 방향족기가 치환된 유기 인산염 또는 유기 암모늄염으로 유기화 처리하여 얻은 유기 나노 클레이를 가장 바람직하게 사용할 수 있다. 이 경우, 친수성인 몬모릴로나이트에 소수성이 부여되어 열가소성 수지 내에 균일하게 분산될 수 있고, 이에 따라, 전기 전도성 열가소성 수지의 최적화된 물성치가 발현될 수 있다.
상술한 유기 나노 클레이는 0.1~10 중량부의 함량 범위로 전기 전도성 열가소성 수지 조성물에 포함된다. 이로서, 전기 전도성 열가소성 수지의 기계적 물성 등을 저하시키지 않으면서 전기 전도성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물은 필요에 따라, 충격 보강재, 예를 들어, 코어-쉘 그라프트 공중합체, 실리콘계 중합체 또는 올레핀계 중합체 등이나 이들 중에 선택된 둘 이상의 혼합물과 같은 고무계 충격 보강재를 더 포함할 수 있다. 이러한 충격 보강재가 더 포함됨에 따라, 전기 전도성 열가소성 수지 내에 고무 입자가 분산되어 상기 전기 전도성 열가소성 수지의 기계적 물성, 예를 들어, 내충격성이 보다 향상될 수 있다. 다만, 이러한 충격 보강재, 예를 들어, 코어-쉘 그라프트 공중합체, 실리콘계 중합체 또는 올레핀계 중합체 등의 고무계 충격 보강재 각각의 구체적 구성 및 제조 방법은 당업자에게 자명하게 알려져 있다.
또한, 상기 전기 전도성 열가소성 수지 조성물은 상술한 구성 성분 외에, 목 적하는 용도에 맞는 첨가제를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 비닐계 공중합체, 활제, 이형제, 핵제, 안정제, 보강재 또는 무기물 첨가제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 각 구성 성분을 혼합하여 전기 전도성 열가소성 수지 조성물을 제조하고, 이러한 전기 전도성 열가소성 수지 조성물을 압출기 내에서 용융 압출하는 등의 통상적인 방법을 통해, 전기 전도성 열가소성 수지 또는 이로부터 제조되는 플라스틱 성형품을 제조할 수 있다.
발명의 다른 구현예에 따르면, 상술한 전기 전도성 열가소성 수지 조성물로부터 제조된 플라스틱 성형품이 제공된다. 이러한 플라스틱 성형품은, 예를 들어, 열가소성 수지 기재와, 상기 열가소성 수지 기재 내에 분산되어 있는 탄소 나노 튜브 및 유기 나노 클레이를 포함하는 형태를 띌 수 있다.
즉, 이러한 플라스틱 성형품은 상기 수지 기재 내에 분산된 탄소 나노 튜브와 이의 배향성을 억제하고 분산성을 향상시키는 유기 나노 클레이의 상호 작용으로 보다 향상된 전기 전도성을 나타낼 수 있고, 특히, 사출 성형 후에도 우수한 전기 전도성을 유지할 수 있다. 또한, 상기 탄소 나노 튜브의 소량 첨가만으로도 충분히 향상된 전기 전도성을 나타낼 수 있으므로, 이의 과량 첨가에 따른 기계적 물성 등의 저하 역시 억제될 수 있다.
따라서, 상기 플라스틱 성형품은 전자제품의 하우징, 자동차, 각종 전기 장치나 전자 조립체 또는 케이블에 전기 전도성을 부여하는 등의 여러 가지 용도로 바람직하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
후술하는 실시예 및 비교예에서 사용하는 (A) 열가소성 수지(폴리카보네이트 수지, 폴리아미드 수지), (B) 탄소 나노 튜브, (C) 유기 나노 클레이의 구체적인 성분 사양은 다음과 같다.
(A) 열가소성 수지(폴리카보네이트 수지)
열가소성 수지의 하나인 폴리카보네이트 수지로서, 중량 평균 분자량(Mw)이 25,000g/mol인 비스페놀-A형 폴리카보네이트를 사용하였다.
(A') 열가소성 수지(폴리아미드 수지)
열가소성 수지의 하나인 폴리아미드 수지로서, 코오롱사의 KN120 제품을 사용하였다.
(B) 탄소 나노 튜브
탄소 나노 튜브로서, 두께가 10~50nm이고, 길이가 1~25㎛인 다중벽 탄소 나노 튜브인 (주)CNT사의 C-tube 100 제품을 사용하였다.
(C) 유기 나노 클레이
유기 나노 클레이로서, Southern Clay사의 Cloisite 30B를 사용하였다.
실시예 1∼5 및 비교예 1∼4
실시예 및 비교예에서 사용된 각 성분의 조성은 하기 표 1에 나타난 바와 같다. 표 1의 조성에 따라 각 성분을 혼합하여 각 전기 전도성 열가소성 수지 조성물을 제조하고, L/D=36, Φ=45 mm인 이축 압출기를 사용하여 압출한 후 압출물을 펠렛으로 제조하였다. 10 oz 사출기에서 사출 온도 270℃ 하에 사출하여 전기 전도성 측정을 위한 시편을 제조하였다.
이러한 시편에 대해 표면 저항 측정기를 사용해 전기 전도성(표면 저항)을 측정하였다(전기 전도성 평가).
또한, 미국의 표준 시험 방법인 ASTM D638에 따라, 각 시편의 인장 강도를 측정하였다. 이때, 20 mm/min 조건으로 측정하였고, 단위는 kgf/㎠ 로 표시하였다(기계적 강도 평가).
이러한 방법을 통해 측정된 전기 전도성 및 인장 강도를 하기 표 1에 표시하였다.
[표 1]
Figure 112006096017913-pat00003
상기 표 1을 참조하면, 열가소성 수지(폴리카보네이트 수지 또는 폴리아미드 수지)와 함께 탄소 나노 튜브 및 유기 나노 클레이를 포함하는 실시예 1~5의 시편은 탄소 나노 튜브 또는 유기 나노 클레이 중 어느 하나만을 포함하는 비교예 1~4의 시편에 비해 향상된 전기 전도성을 나타냄이 확인된다. 특히, 실시예 1 및 2와 같이 탄소 나노 튜브와 함께 단 1 중량부의 유기 나노 클레이만을 포함시켜도, 이를 포함하지 않는 비교예 1 및 2의 시편에 비해 전기 전도성이 크게 향상됨이 확인된다. 또한, 실시예 5 및 비교예 4를 참조하면, 폴리아미드 수지와 같은 다른 종류의 열가소성 수지를 사용한 경우에도, 상술한 전기 전도성의 향상 효과가 그대로 나타남이 확인된다. 그리고, 비교예 1과 실시예 2 및 4를 참조하면, 탄소 나노 튜브의 동일 첨가량에서 유기 나노 클레이의 첨가량이 증가할수록 시편의 전기 전도 성이 향상됨이 확인된다.
그리고, 실시예 1 내지 5의 시편은 전체적으로 우수한 기계적 물성, 예를 들어, 인장 강도가 나타남이 확인된다.
본 발명에 따르면, 보다 향상된 전기 전도성을 나타내며, 특히, 소량의 전도성 첨가제, 예를 들어, 탄소 나노 튜브만을 첨가하여도 충분히 향상된 전기 전도성을 나타내고, 특히, 사출 가공 후의 전기 전도성이 보다 향상된 전기 전도성 열가소성 수지의 제공을 가능케 하는 수지 조성물이 제공될 수 있다.
따라서, 이러한 전기 전도성 열가소성 수지를 자동차, 각종 전기 장치나 전자 조립체, 하우징 또는 케이블에 전도성을 부여하는 등의 여러 가지 용도로 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 열가소성 수지의 80~99 중량부;
    탄소 나노 튜브의 0.1~10 중량부; 및
    유기 나노 클레이의 0.1~10 중량부를 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리아세탈 수지, 아크릴계 수지, 폴리카보네이트 수지, 스티렌계 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리올레핀 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리아릴설폰 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리페닐렌 설피드 수지, 불소계 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리벤족사졸 수지, 폴리옥사디아졸 수지, 폴리벤조티아졸 수지, 폴리벤지미다졸 수지, 폴리피리딘 수지, 폴리트리아졸 수지, 폴리피롤리딘 수지, 폴리디벤조퓨란 수지, 폴리설폰 수지, 폴리우레아 수지, 폴리포스파젠 수지 및 액정중합체 수지로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 수지, 둘 이상의 공중합체 수지 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리카보네이트 수지를 포함하고,
    상기 폴리카보네이트 수지는 하기 일반식 1의 디페놀 화합물과, 포스겐, 할로겐 포르메이트 또는 탄산디에스테르를 반응시켜 제조된 방향족 폴리카보네이트 수지를 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
    [일반식 1]
    Figure 112006096017913-pat00004
    상기 일반식 1에서, A는 단일 결합, C1-C5의 알킬렌, C1-C5의 알킬리덴, C5∼C6의 시클로알킬리덴, -S- 또는 -SO2-를 나타내고, X는 할로겐을 나타내며, n은 0, 1 또는 2를 나타낸다.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 10,000~200,000g/mol의 중량 평균 분자량을 가진 폴리카보네이트 수지를 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브 또는 다중벽 탄소 나노 튜브를 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 1~50nm의 두께 및 0.01~10㎛의 길이를 가지는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 100~1000의 종횡비를 가지는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유기 나노 클레이는 9~14Å의 층간 거리를 가지는 나노 스케일의 층상 실리케이트를 유기화 처리한 것을 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 층상 실리케이트는 몬모릴로나이트, 헥토라이트, 벤토나이트, 사포나이트, 마가다이트 및 합성 마이카로 이루어진 그룹에서 선택된 하 나의 실리케이트 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 유기 나노 클레이는 상기 층상 실리케이트를 C12~C36의 알킬기 또는 방향족기가 치환된 유기 인산염 또는 유기 암모늄염으로 유기화 처리한 것을 포함하는 전기 전도성 열가소성 수지 조성물.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 의한 전기 전도성 열가소성 수지 조성물로 제조되는 플라스틱 성형품.
  12. 열가소성 수지 기재와,
    상기 열가소성 수지 기재 내에 분산되어 있는 탄소 나노 튜브 및 유기 나노 클레이를 포함하는 플라스틱 성형품.
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