KR101462426B1 - 탄소나노튜브를 포함하는 고열전도성 블래더용 고무복합체 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 포함하는 고열전도성 블래더용 고무복합체 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정렬구조 탄소나노튜브(aligned carbon nanotubes) 다발을 포함하는 고무 복합체 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고무 복합체는 기존의 탄소나노튜브를 포함하는 고무 복합체와 비교하여 탄소나노튜브 분산성이 우수하여 부틸고무 모체 내에 고르게 형성됨으로써 열전도도가 높아지며, 열전도도가 높아짐에도 불구하고 인장강도, 내구성 등의 기계적 물성이 향상된다. 또한 고무의 특성인 탄성도 향상될 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 포함하는 고열전도성 블래더용 고무복합체 조성물 및 그 제조방법 {Formulation and Process of Highly Thermal Conducting Rubber Composite using Carbon Nanotubes for Bladder}
본 발명은 탄소나노튜브를 포함하는 고무 복합체 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 정렬구조 탄소나노튜브 다발을 포함하여 열전도도, 인장강도 및 내구성이 향상된 고효율의 고무 복합체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(CNT)는 sp2의 전자 배열을 갖는, 즉 하나의 탄소 원자에 이웃하는 다른 세 개의 탄소 원자와 결합되어 육각형 벌집 무늬로 말려진 원통형 튜브형태의 물질이다. 관의 지름은 수 내지 수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 일컬어지게 되었다. 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 탄소섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15％가 변형되어도 견딜 수 있다.
이 물질이 발견된 이후 과학자들은 합성과 응용에 심혈을 기울여왔는데, 반도체와 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유, 생체 센서, 텔레비전 브라운관 등 탄소나노튜브를 이용한 장치가 수없이 개발되고 있다.
또한, 차량의 안전 운행과 타이어의 비용 절감을 위해, 타이어의 트레드는 우수한 내마모성 및 마모과정에서 발생하는 열의 방출이 쉬워야 한다.
이와 관련하여, 한국특허출원 제2005-0056685호(특허문헌 1)에는 시스-폴리부타디엔 매트릭스에 신디오태틱 폴리부타디엔을 함유함으로써, 카본블랙의 사용량을 줄여 발열을 감소시키고, 고무 가교시 설파이드 결합 이외에 탄화수소 결합을 가능케 해 저연비 특성 및 마모특성을 향상시킨 트럭/버스용 타이어의 트레드용 고무 조성물의 합성 방법에 관해 기재하고 있다.
또한, 한국특허출원 제2005-0092532호(특허문헌 2)는 보강제로 나노클레이를 함유하는 타이어 고무조성물에 있어서, 상기 클레이의 하이드록시기와 반응하는 반응성기를 가지며, 동시에 고무와 반응이 가능한 포화 또는 불포화 사슬의 관능기를 가지는 올리고머 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 인장강도가 개선된 타이어용 고무조성물을 기재하고 있다.
또한, 한국특허출원 제2005-0050487호(특허문헌 3)는 탄소나노튜브의 분산성 향상을 위해 소듐 디옥틸 설포숙시네이트를 1~3phr사용하는 것을 특징으로 하는 마모특성이 향상된 타이어 트레드 고무 조성물을 기재하고 있다.
보강제로서 탄소나노튜브를 첨가하는 경우, 인장강도, 탄성계수, 내구성 등을 크게 향상됨이 보고 되고 있으나, 탄소나노튜브는 형상학적인 특성상 낮은 밀도와 비표면적으로 인하여 비산의 문제와 반데르 발스(Van Der Walls)의 힘에 의해 응집현상이 발생하여 고무와 배합시 분산성이 떨어지는 단점을 갖고 있다. 이를 개선하기 위하여 계면활성제, 실란 커플링제등을 첨가하는 방법이 공지되어 있으나 열전도도와 전기전도도 등의 물리적 특성이 현저히 감소하는 문제점이 있었다.
한국특허출원 제2005-0056685호 한국특허출원 제2005-0092532호 한국특허출원 제2005-0050487호
S. Chakarabarti, T. Nagasaka, Y. Yoshikawa, L. Pan, Y. Nakayama, 2006, Growth of super long aligned brush-like carbon nanotubes, Japanese Journal of Applied Physics, 45(28) L720-L722
상기와 같은 문제점들을 보완하고자 하는 본 발명의 목적은 탄소나노튜브의 분산성이 우수하며, 동시에 열전도도, 인장강도 및 내구성이 향상된 고무 복합체 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 정렬구조 탄소나노튜브(aligned carbon nanotubes) 다발을 포함하는 고무 복합체 조성물을 제공한다.
이때, 정렬구조 탄소나노튜브 다발의 직경은 0.5 내지 100㎛이고, 길이는 1 내지 1000㎛일 수 있다.
또한 정렬구조 탄소나노튜브 다발은 직경이 1 내지 100㎚이고, 길이가 0.5 내지 2500㎛인 탄소나노튜브 가닥이 일방향으로 정렬되어 형성되는 탄소나노튜브 다발일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 정렬구조 탄소나노튜브 다발 0.5~10 중량%, 원료고무 45~55 중량% 및 충전제 35~50중량%를 포함하는 고무복합체 조성물을 제공할 수 있다.
상기 원료고무는 천연 고무, 합성 고무 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 충전제는 카본블랙, 실리카 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 고무 복합체 조성물을 포함하는 블래더용 고무 복합체는 본 발명의 범위에 포함된다.
한편 본 발명은 정렬구조 탄소나노튜브 다발 0.5~10 중량%, 원료고무 45~55 중량% 및 충전제 35~50중량%를 포함하는 고무 복합체 조성물을 혼합하는 단계 및 혼합된 상기 조성물을 분산하는 단계를 포함하는 고무 복합체의 제조방법을 제공할 수 있다.
이때, 정렬구조 탄소나노튜브 다발은 전이금속 전구체를 환원하여 제조한 촉매 금속 입자를 탄화수소 기체와 수소 기체를 이용하는 화학기상증착법으로 합성하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 상술하기로 한다.
본 발명에 있어서 탄소나노튜브는 한 방향으로 정렬된 다발 형태의 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하며, 본 발명에서는 이를 '정렬구조 탄소나노튜브(aligned carbon nanotubes) 다발'이라고 지칭하기로 한다.
본 발명은 기존의 탄소나노튜브를 사용하는 고무 복합체의 경우 탄소나노튜브의 분산성 및 방향성에 대한 한계점을 극복하기 위해 연구한 결과 일 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 다발을 사용함으로써 기존의 탄소나노튜브가 가진 분산성 및 방향성에 대한 문제점을 극복하고 열전도 효율과 내구성을 높일 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 정렬구조 탄소나노튜브(aligned carbon nanotubes) 다발을 포함하는 고무 복합체 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정렬구조 탄소나노튜브(aligned carbon nanotubes) 다발을 이루는 개별 탄소나노튜브 가닥은 직경이 1 내지 100㎚이고, 길이는 0.5 내지 2500㎛일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 가닥이 한 방향으로 정렬되어 다발을 이루었을 때의 탄소나노튜브 다발의 직경은 0.5 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50㎛ 이고, 길이는 1 내지 1000㎛인 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 개별 탄소나노튜브 가닥의 직경은 1 내지 30㎚이고, 길이는 1 내지 500㎛이며, 탄소나노튜브 가닥이 한 방향으로 정렬되어 다발을 이루었을 때의 탄소나노튜브 다발의 직경은 1 내지 20㎛이고, 길이는 10 내지 300㎛인 것이 열전도율과 인장강도 및 내구성에 있어서 더욱 좋다. 탄소나노튜브 다발의 길이가 1㎛ 미만이면 본 발명에 따른 정렬구조 탄소나노튜브 다발의 효과를 얻을 수 없으며, 1000㎛를 초과하면 상기 고무 복합체 제조시에 장비에 의해 잘려지는 정렬구조 탄소나노튜브 다발에 포함되는 각각의 탄소나노튜브 가닥의 길이편차가 크게되어 고무 복합체의 표면이 고르지 않는 단점을 수반하게 된다.
본 발명에 따른 정렬구조 탄소나노튜브 다발은 전체 고무 복합체 조성물을 기준으로 0.5 내지 10 중량%, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2 중량%를 포함할 수 있으며 이에 크게 제한되는 것은 아니다. 그러나 상기 범위 내의 함량으로 정렬구조 탄소나노튜브 다발을 포함할 때 열전도도가 우수하고, 인장강도 및 모듈러스 등의 기계적 물성이 우수해지는 특성을 보일 수 있다. 구체적으로 정렬구조 탄소나노튜브 다발이 0.5 중량% 미만을 함유될 경우 본 발명의 열전도도 특성의 효과가 미미할 수 있으며, 2중량%을 초과하여 과도하게 투입될 경우, 모듈러스 및 경도가 매우 높아지고 인장특성이 불량하게 되어 고무 특성을 저하시킬 수 있어 적합한 배합이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정렬구조 탄소나노튜브 다발은 전이금속 전구체 용액과 이를 담지할 수 있는 구조체를 형성하여 촉매 파우더를 제조한 후 이를 화학기상증착법을 이용하여 합성하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 합성시, 다발상으로 카본나노튜브를 성장시키는 것이 중요하며, 본 발명에 따른 정렬구조 탄소나노튜브 다발은 길이방향으로 정렬된 형태로 제조하였을때 열전도율이 높다. 이에 대한 구체적인 제조방법은 비특허문헌 1을 참고하여 제조할 수 있으며 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 이처럼 정렬구조 탄소나노튜브 다발을 포함하는 고무 복합체 조성물을 제공하며, 구체적으로는 정렬구조 탄소나노튜브 다발, 원료고무 및 충전제를 포함할 수 있다.
상기 원료고무는 천연 고무, 합성 고무 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있고, 상기 천연 고무는 일반적인 천연 고무 또는 변성 천연 고무일 수 있다.
상기 일반적인 천연 고무는 천연 고무로서 알려진 것이면 어느 것이라도 사용될 수 있고, 원산지 등이 한정되지 않는다. 상기 천연 고무는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하지만, 요구 특성에 따라서 트랜스-1,4-폴리이소프렌을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 천연 고무에는 시스-1,4-폴리이소프렌을 주체로서 포함하는 천연 고무 또는 트랜스-1,4-이소프렌을 주체로서 포함하는 천연 고무, 예컨대 남미산 사포타과의 고무의 일종인 발라타 등도 포함할 수 있다.
상기 변성 천연 고무는, 상기 일반적인 천연 고무를 변성 또는 정제한 것을 의미한다. 예컨대, 상기 변성 천연 고무로는 에폭시화 천연 고무(ENR), 탈단백 천연 고무(DPNR) 및 수소화 천연 고무 등을 들 수 있다.
상기에서 합성 고무는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 변성 스티렌 부타디엔 고무, 부타디엔 고무(BR), 변성 부타디엔 고무, 클로로 술폰화 폴리에틸렌 고무, 에피클로로 하이드린 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 니트릴 고무, 수소화된 니트릴 고무, 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 변성 니트릴 부타디엔 고무, 클로리네이티드 폴리에틸렌 고무, 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌(SEBS) 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌디엔(EPDM) 고무, 하이팔론 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 비닐아세테이트 고무, 아크릴 고무, 히드린 고무, 비닐 벤질 클로라이드 스티렌 부타디엔 고무, 브로모 메틸 스티렌 부틸 고무, 말레인산 스티렌 부타디엔 고무, 카르복실산 스티렌 부타디엔 고무, 에폭시 이소프렌 고무, 말레인산 에틸렌 프로필렌 고무, 카르복실산 니트릴 부타디엔 고무, 브로미네이티드 폴리이소부틸 이소프렌-코-파라메틸 스티렌(brominated polyisobutyl isoprene-co-paramethylstyrene, BIMS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 합성고무는 바람직하게 부타디엔 고무일 수 있다. 상기 합성고무로 상기 부타디엔 고무를 사용하는 경우 반발 탄성 및 내마모성의 향상 면에서 유리한 효과가 있다.
본 발명에 있어서 상기 원료고무는 전체 고무 복합체 조성물을 기준으로 45내지 55 중량%, 보다 바람직하게는 50~55중량%를 포함할 수 있으며 상기 범위 내의 함량으로 원료고무를 포함할 때 고무복합체 혼련이 잘되고 경도가 높아지지 않아 바람직하다.
상기 충전제는 카본블랙, 실리카 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 사용할 수 있다.
상기 카본블랙은 DBP(n-dibutyl phthalate) 흡유량이 60 내지 180cc/100g 일 수 있고, 틴트(Tint) 값이 50 내지 120%이며, 요오드 흡착량이 30 내지 100mg/g인 것일 수 있고, 바람직하게 상기 카본블랙은 DBP(n-dibutylphthalate) 흡유량이 80 내지 100cc/100g 일 수 있고, 틴트(Tint) 값이 50 내지 100%이며, 요오드 흡착량이 30 내지 50mg/g인 것일 수 있다. 상기 DBP(n-dibutyl phthalate) 흡유량, 틴트(Tint) 값 및 요오드 흡착량이 상기 범위인 카본블랙을 사용하는 경우 고무의 경도, 모듈러스 및 내구성이 적절한 고무를 제조할 수 있다.
본 발명에서 바람직하게 사용되는 카본블랙은, 요오드 흡착량이 80mg／g 이하, 바람직하게는 15 내지 40mg／g이고, 평균 입자직경이 250nm 이하, 바람직하게는 40 내지 100nm이며, 또한 DBP(n-dibutyl phthalate) 흡수량이 10 내지 300㎤／100g, 바람직하게는 40 내지 150㎤／100g이다. 이러한 카본블랙으로서는, FEF급, GPF급, SRF급 등의 시판되는 카본블랙을 이용할 수 있다.
여기서, 요오드 흡착량 및 DBP 흡착량은, 카본블랙의 특성을 나타내는 대표적인 지표이고, JIS K6217에 따라서 측정된다. 요오드 흡착량은, 카본블랙의 세공을 포함하는 전체 표면적의 지표가 된다. 또한 DBP 흡수량은 구조와 상관이 있고, 요오드 흡착량과 DBP 흡착량은, 각각 이 특성치의 고저가 고무 조성물에 배합한 경우의 보강성이나 압출 특성, 분산성, 착색력, 점도, 도전성에 큰 영향을 준다.
입자직경은, 카본블랙 응집대를 구성하는 작은 구상 성분을 전자현미경의 화상에 의해 측정, 산출한 평균 직경을 나타내고 있고, 고무 조성물에 배합한 경우의 보강성이나 흑색도와 밀접히 관계하고 있다.
이것 때문에, 요오드 흡착량, 평균 입자직경 및 DBP 흡수량의 어느 것인가가 상기 조건으로부터 벗어나는 카본블랙을 이용한 경우에는, 충분한 보강성이 얻어지지 않거나, 또는 보강성은 수득된다고 하여도 고무 조성물의 생지 점도가 높아져, LIM 성형에 의한 성형성이 악화하는 경우가 있다.
상기 실리카는 질소흡착 비표면적(nitrogen surface area per gram, N2SA)이 100 내지 180㎡/g이고, CTAB(cetyl trimethyl ammonium bromide)흡착 비표면적이 110 내지 170 ㎡/g인 특성을 가지는 것을 사용하는 것을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 질소흡착 비표면적 및 CTAB흡착 비표면적
이 상기 범위인 실리카를 사용하는 경우에 적절한 보강효과와 함께 내구성이 유리한 고무를 제조할 수 있다.
상기 충전제는 전체 고무 복합체 조성물을 기준으로 35 내지 50 중량%, 보다 바람직하게는 40 내지 45 중량%를 포함할 수 있다. 상기 고무 복합체 조성물이 상기 충전제를 35 중량% 미만으로 포함하는 경우에는 고무복합체 혼련이 잘 되지 않으며, 충전제에 의한 보강효과가 미미할 수 있고, 상기 충전제를 50 중량% 초과하여 포함하는 경우에는 내크랙 성능이 저하될 수 있으며 경도가 높아져 작업성이 떨어지게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 고무 복합체 조성물은 언급한 조성 외에도 기타첨가제로서 가황제, 가황조제, 가황촉진제, 연화제 및 노화방지제 등을 포함하여 사용할 수도 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 가황제로는 황, 황화합물 또는 유기퍼옥사이드를 사용할 수 있는데, 황은 분말황등을 사용할 수 있고, 황화합물은 예를 들어 염화황, 이염화황, 고분자량 다황화물 및 모르포린 디설파이드, 알킬페놀 디설파이드, 테트라메틸치우람 디설파이드 및 디펜타메틸렌치우람 테트라설파이드 등의 가황온도에서 활성황을 방출하여 가황할 수 있는 황화합물 등이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 가황제인 황은 고무 복합체 100중량부를 기준하여 통상 0.1 - 3.0중량부를 사용할 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 가황조제로는 스테아린산 및 산화아연에서 선택될 수 있으며, 산화아연은 고무 복합체 100중량부를 기준하여 통상 1.5~10중량부 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명에서는 가황촉진제를 사용할 수 있으며, N-시클로헥실-2-벤조치아졸 설펜아미드, N-옥시디에틸렌-2-벤조치아졸 설펜아미드, 및 디벤조치아질 디설파이드 등의 치아졸 화합물, 디페닐구아니딘, 트리페닐구아니딘, 및 디페닐구아니딘 프탈레이트 등의 구아니딘 화합물, 아세트알데히드-아니린 축합물 및 아세트알데히드 암모니아 등의 알데히드 아민 화합물 및 알데히드 암모니아 화합물, 2-머캅토이미다졸린 등의 이미다졸릴 화합물 및 페놀릭레진 등의 화합물이 있으며, 이 기술분야에서 사용하는 가황촉진제라면 크게 제한되지 않는다.
본 발명은 또한 연화제 성분을 사용할 수 있으며, 공정오일, 실리콘계오일, 지방산아미드, 윤활유, 파라핀, 액체파라핀, 석유아스팔트, 바세린, 콜타르, 캐스터오일, 린시드오일, 팩티스, 밀납, 팔미틴산, 스테아린산, 바리움스테아레이트, 칼슘스테아레이트, 징크라우레이트, 어택틱폴리프로필렌 및 코우마론-인덴수지류 등이 있다. 이들 중 공정오일이 가장 바람직하다.
또한 블래더의 노화 방지 및 안정성을 향상시키기 위하여 노화방지제를 더 포함할 수도 있다. 노화방지제는 N-(1,3-디메틸부틸)-N-페닐-p-페닐렌디아민(N-(1,3-Dimethylbutyl)-N-phenyl-phenylenediamine), 폴리(2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린(Poly(2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline)), 왁스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있으며, 원료고무 100 중량부에 대하여 1 내지 3 중량부로 포함될 수 있다.
이렇게 본 발명에 따른 고무 복합체 조성물을 포함하는 블래더용 고무 복합체는 본 발명의 범위에 포함된다.
또한 본 발명은 상기 정렬구조 탄소나노튜브 다발, 원료고무 및 충전제를 포함하는 고무 복합체 조성물을 혼합, 교반 및 밀링하는 단계를 포함하는 고무 복합체의 제조방법을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로는 정렬구조 탄소나노튜브 다발 0.5~10 중량%, 원료고무 45~55 중량% 및 충전제 35~50 중량%를 포함하는 고무 복합체 조성물을 혼합하는 단계 및 상기 혼합된 혼합물을 분산하는 단계를 포함하는 고무 복합체의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 혼합 및 교반은 통상적인 방법으로 실시가 가능하며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 조성물을 니더(Kneader), 밴버리믹서(Banbury Mixer) 등의 혼합기에 넣은 후 50-2OO℃의 열 환경속에서 혼합하는 단계 및 상기 혼합되어진 혼합물을 투롤밀(2-Roll Mill)로 분산하는 단계를 포함하여 제조할 수 있다.
또한 정렬구조 탄소나노튜브 다발은 전이금속을 환원하여 촉매를 제조한 후 화학기상증착법에 의한 합성 단계로 제조될 수 있으며, 이때 에틸렌 및 수소를 흘려주며서 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
이와같이 본 발명에 따라 제조되는 고무복합체 조성물은 기존의 탄소나노튜브을 보강제로 사용할 때 나타나는 응집의 문제를 해결하여 우수한 열전도도, 기계적 물성 및 탄성력을 확보할 수 있으며 이에 따라 다양한 분야에 적용이 가능하다. 특히 타이어의 블래더용으로 우수한 물성을 확보할 수 있다. 그밖에도 전기 및 전자 부품, 수송기, 토목 및 건축 재료, 의료 또는 레저의 용도 등의 다양한 분야에 사용되는 고무재료로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 정렬구조 탄소나노튜브 다발을 포함하여 제조되는 고무 복합체는 기존의 탄소나노튜브를 포함하는 고무 복합체와 대비하여 고열전달 물질인 탄소나노튜브가 고무 매트릭스 내에 균일하게 분포함으로써 열전도도가 높아지며, 열전도도가 높아짐에도 불구하고 인장강도, 내구성 등의 기계적 물성이 동등 이상의 우수한 효과를 얻을 수 있다.
또한 고무 복합체의 제조에 있어서 정렬구조 탄소나노튜브 다발을 포함함으로써 고무의 특성인 탄성도 향상될 수 있다.
도 1은 비교예 1의 정렬되지 않은 탄소나노튜브를 사용한 고무복합체를 관찰한 사진이며,
도 2는 정렬구조 탄소나노튜브를 사용한 실시예2의 고무복합체를 관찰한 사진이다.
이하는 본 발명의 구체적인 설명을 위하여 실시예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 정렬구조 탄소나노튜브 다발의 제조
Iron(III) Nitrate nonahydrate 12g, Cobalt(II) Nitrate hexahydrate 8.4g, Aluminum Nitrate nonahydrate 36g, Citric Acid 10g을 순서대로 100ml의 증류수에 넣고 혼합한다.
제조한 용액을 스테인레스 용기에 옮겨담은 후 550℃로 가열된 소성로에 넣고 20분간의 열분해 과정을 통하여 흑갈색의 촉매 분말 20g를 수득한다.
상기에서 합성된 촉매 10g을 석영 보트 위에 고르게 도포한 후, 보트를 열화학기상증착장치의 석영 반응관 내부에 장착한다. 질소 분위기에서 반응관의 온도를 1시간에 걸쳐 750℃ 까지 상승시킨 후, 20분간 분당 2L의 수소를 흘려준다.
이후 분 당 5L의 에틸렌과 5L의 수소를 흘려주면서 60분간 탄소나노튜브 합성 반응을 진행한다. 상기 과정을 통하여 210g의 정렬구조 탄소나노튜브 다발을 수득하였다.
[실시예 2] 고무 복합체의 제조
상기 실시예 1에서 제조된 다발의 직경이 4㎛, 다발의 평균 길이가 35㎛인 정렬구조 탄소나노튜브 다발 11.3g, 부틸고무(Butyl 268, Exxon) 358.8g 및 카본블랙(N220, Orion) 289.01g, 공정오일 44.85g, 스테아린산 3.59g을 Kneader 장비를 통해 100℃에서 30rpm으로 18분 동안 혼합 후 2-Roll Mill 장비를 이용하여 7회 분산 후 12시간 숙성하였다.
그런 다음 산화아연 16.73g, 페놀릭레진(sp-1045, Schenectady chemical) 30.11g을 Kneader에서 70℃로 7분30초간 다시 혼합한 후 2-Roll Mill 장비를 이용하여 7회 분산 후 12시간뒤 193℃, 100kgf/cm2 으로 30분간 가류하였다.
[비교예 1] 고무 복합체의 제조
정렬구조 탄소나노튜브 다발 대신에 평균 직경이 12.5㎚, 평균 길이가 15.0㎛인 다중벽 탄소나노튜브(한화나노텍, 제품명 CM-95)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
[비교예 2] 고무 복합체의 제조
정렬구조 탄소나노튜브 다발을 첨가하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
[비교예 3] 고무 복합체의 제조
부틸고무(Butyl 268, Exxon) 408.8g 및 카본블랙(N220, Orion) 239.01g 인 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 조성, 함량 및 제조방법으로 수행하였다.
상기 실시예 2 및 비교예 1~2의 고무복합체에 대하여 ASTM 관련 규정에 의해 인장강도, 신장율, 300% 모듈러스, 쇼어 경도 및 열전도도등의 물성을 측정하여 아래 표1 에 나타내었다.
[표 1] 고무복합체의 물성 결과
Figure 112012101804540-pat00001
상기 표 1의 물성 결과와 같이 직경이 4㎛, 다발의 평균 길이가 35㎛인 정렬구조 탄소나노튜브 다발을 적용한 본 발명의 실시예2의 고무복합체는 정렬구조 탄소나노튜브 다발이 아닌 통상적인 탄소나노튜브를 사용한 비교예1 및 탄소나노튜브를 전혀 사용하지 않은 비교예2의 고무복합체와 비교 시 부틸고무 내에서 균일하게 분산되어 있어 열전도도가 우수하며 우수한 기계적 물성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 동일한 정렬구조 탄소나노튜브를 사용하고 원료고무의 절대량이 비교적 많은 비교예3의 경우는 고무 특성인 신장율이 비교적 높지만 열전도도가 낮아서 블래더용으로 사용하기 힘들다.
또한 상기 실시예2 및 비교예1~3의 고무복합체를 전자현미경으로 관찰하였다. 관찰 결과, 비교예 1의 정렬되지 않은 탄소나노튜브를 사용한 고무복합체를 관찰한 도 1에서는 탄소나노튜브의 응집체가 그대로 관찰되나, 반면에 정렬구조 탄소나노튜브를 사용한 실시예2의 고무복합체를 관찰한 도 2에서는 탄소나노튜브가 고무 매트릭스 내에서 골고루 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (9)

  1. 정렬구조 탄소나노튜브 다발, 원료고무 및 충전제를 포함하며,
    상기 정렬구조 탄소나노튜브 다발, 원료고무 및 충전제는 서로 혼련된 상태이며,
    상기 정렬구조 탄소나노튜브 다발의 직경은 1 내지 20㎛이고, 길이는 1 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는 블래더용 고무 복합체 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 정렬구조 탄소나노튜브 다발은 탄소나노튜브 가닥이 일방향으로 정렬되어 형성되는 탄소나노튜브 다발인 블래더용 고무 복합체 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    정렬구조 탄소나노튜브 다발 0.5~10 중량%, 원료고무 45~55 중량% 및 충전제 35~50중량%를 포함하는 블래더용 고무 복합체 조성물.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 원료고무는 천연 고무, 합성 고무 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 블래더용 고무 복합체 조성물.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 충전제는 카본블랙, 실리카 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 블래더용 고무 복합체 조성물.
  7. 삭제
  8. 정렬구조 탄소나노튜브 다발 0.5~10 중량%, 원료고무 45~55 중량% 및 충전제 35~50중량%를 포함하는 고무 복합체 조성물을 혼합하는 단계 및 혼합된 상기 조성물을 밀링하여 분산하는 단계를 포함하는 고무 복합체의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 정렬구조 탄소나노튜브 다발은 전이금속 전구체를 환원하여 제조한 촉매 금속 입자를 탄화수소 기체와 수소 기체를 이용하는 화학기상증착법으로 합성하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고무 복합체의 제조방법.
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