KR101654638B1 - 하이브리드 필러 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 필러 복합체 및 상기 하이브리드 필러 복합체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

하이브리드 필러 복합체 및 이의 제조방법{HYBRID FILLER COMPOSITE AND PREPARING METHOD OF THE SAME}
본원은, 하이브리드 필러 복합체 및 상기 하이브리드 필러 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
폴리카보네이트, 나일론 등의 엔지니어링 플라스틱은 각종 전자제품의 하우징, 자동차 부품 및 산업 소재로서 널리 사용되고 있지만 기계적 강도와 열안정성 문제로 인해 사용에 제한을 받고 있다. 이를 극복하기 위해서 엔지니어링 플라스틱에 마이크론 크기의 유리섬유, 탄소섬유, 그라스 비드, 탈크, 칼슘카보네이트 또는 나노 크기의 탄소나노튜브, 실리카 나노입자, 징크옥사이드 등의 각종 필러를 포함시켜 강도 및 열 안정성을 보강한 복합체(composite)를 제조함으로써 사용 범위를 확대하고 있다.
마이크론 크기를 가지는 필러의 경우 가격적인 면과 보강 효과를 고려하여 이전부터 이들을 포함한 복합체를 상업적으로 이용해 오고 있지만 필러를 다량 포함해야만 원하는 특성을 만족할 수 있고, 또한 필러의 다량 포함에 의한 외관 및 가공 문제로 인해 사용에 제한을 받고 있다.
폴리머 복합체에서 마이크론 크기의 필러 대신 나노 크기의 필러를 도입하면 소량의 나노 필러의 도입으로 다량의 마이크론 크기의 필러를 도입한 경우와 같은 기계적 물성 및 열적 특성의 향상이 가능하다는 사실이 알려지면서 폴리머와 나노 필러를 포함한 복합체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 폴리머 소재에 탄소나노튜브 등을 도입해 복합체를 제조할 경우 탄소나노튜브 간의 강한 물리적 결합력으로 인해 폴리머 소재 내에서 고루 분산되지 않고 서로 응집하여 기대하는 복합체 물성이 발현되지 않는 문제점이 있다. 또한 폴리머 소재와 나노 필러의 특성이 서로 상이해 계면 접착 문제가 있어 복합체 물성을 저하시킨다.
탄소나노튜브 간의 응집 현상의 해결이 가능하다면 소량의 탄소나노튜브를 도입함으로써 다량의 탄소섬유의 함량을 감소시켜도 같은 물성의 발현이 가능하여, 소재의 경량화는 물론 가격적 측면에서 마이크론 필러와 나노 필러를 동시에 사용한 복합체를 제조하여 사용하는 것이 바람직하다.
마이크론 크기의 직경을 갖는 탄소섬유와 나노 크기의 탄소나노튜브, 탄소 나노 파이버, 그래핀 등의 혼합 필러를 사용하는 경우 탄소 파이버 표면에 나노 필러들이 존재하는 것이 기계적 물성과 전기적 특성 향상에 크게 도움이 되기 때문에 탄소섬유 표면에 나노 필러를 물리적으로 결합시킨 후 이를 복합체 제조에 사용하는 방법이 연구되고 있다.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제2013-0106146호는 탄소섬유 표면에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방법을 이용하여 하이브리드 필러를 제조하는 방법에 관하여 개시하고 있다.
본원은, 하이브리드 필러 복합체 및 상기 하이브리드 필러 복합체의 제조방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 제 1 작용기를 함유하는 마이크론 크기의 필러, 및 제 2 작용기를 함유하는 나노 크기의 필러를 포함하고, 상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기 사이의 화학결합에 의해 상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러가 서로 결합된 것인, 하이브리드 필러 복합체를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 마이크론 크기의 필러의 표면 및 나노 크기의 필러의 표면에 각각 제 1 작용기 및 제 2 작용기를 형성하는 단계; 상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기를 화학결합시켜 상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러를 결합하여 필러 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 필러 복합체와 폴리머를 혼련하여 폴리머-필러 복합체를 형성하는 단계를 포함하는, 하이브리드 필러 복합체의 제조방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따른 하이브리드 필러 복합체는 마이크론 크기의 필러와 나노 크기의 필러에 보다 강력한 결합력을 부여하기 위해서 상기 두 필러를 화학적으로 결합시켜 제조한다. 본원의 일 구현예에 따른 필러 복합체를 폴리머와 혼련시킬 경우, 복합체 내에서도 탄소섬유 표면에 나노 크기의 필러가 탈락하지 않고 마이크론 크기의 필러 표면에 나노 크기의 필러가 존재하는 이상적인 구조를 갖는 복합체의 제조가 가능하다. 이는, 종래 마이크론 크기의 필러와 나노 크기의 필러가 물리적으로 결합됨에 따라 접착력이 약하여 수지와 혼련 시 탈락되는 문제점을 극복할 수 있다.
또한, 본원의 일 구현예에 따른 하이브리드 필러 복합체는 마이크론 크기의 필러의 표면에 형성된 작용기와 나노 크기의 필러의 표면에 형성된 작용기의 일부분은 화학결합에 사용되고, 나머지 반응에 참여하지 않는 작용기들은 고분자 소재와의 상용성을 향상시키는데 이용되어 복합체에서의 분산성 및 계면 접착력을 향상시킨다.
도 1은 본원의 일 실시예에 있어서, 화학결합에 의한 CF-MWCNT의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2a 및 도 2b는 본원의 일 실시예에 있어서, 도 2a는 복합체 제조 이전의 화학결합 CF-MWCNT의 SEM 이미지이고, 도 2b는 복합체 제조 후 나일론 6,6와 분리하여 회수한 화학결합 CF-MWCNT의 SEM 이미지이다.
도 3a 및 도 3b는 본원의 일 실시예에 있어서, 도 3a는 복합체 제조 이전의 촉매 성장 CF-MWCNT의 SEM 이미지이고, 도 3b는 복합체 제조 후 나일론 6,6와 분리하여 회수한 촉매성장 CF-MWCNT의 SEM 이미지이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 제 1 작용기를 함유하는 마이크론 크기의 필러, 및 제 2 작용기를 함유하는 나노 크기의 필러를 포함하고, 상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기 사이의 화학결합에 의해 상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러가 서로 결합된 것인, 하이브리드 필러 복합체를 제공한다.
본원의 하이브리드 필러 복합체는 가격이 저렴하고 보강 효과가 탁월한 마이크론 크기의 필러와 높은 기계적 물성, 열 안정성, 및 전기전도성 및 열 전도성의 효과가 있는 나노 크기의 필러를 혼합한 필러를 사용함에 있어서, 고분자와의 계면 접착 문제 및 분산 문제를 해결할 수 있는 하이브리드 필러 복합체를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 필러 복합체는 폴리머 상에 분산되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리머는 나일론, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리스타이렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리벤즈이미다졸, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리설폰, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 폴리머를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 작용기는 하이드록실기, 카보네이트기, 에스터기, 아민기, 말레익 안하이드라이드기, 아실 할라이드기, 싸이오닐 할라이드기, 또는 싸이올기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 작용기는 상기 제 1 작용기와 화학 반응이 가능한 모든 작용기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 제 1 작용기 및 상기 제 2 작용기는 서로 화학 반응이 가능한 작용기의 조합들을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 작용기 및 상기 제 2 작용기의 조합은 아민기-아실할라이드기, 하이드록실기-카보네이트기, 에스터기-아민기, 또는 에스터기-하이드록실기 등을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 마이크론 크기의 필러의 표면에 상기 제 1 작용기를 화학결합시키고, 상기 나노 크기의 필러의 표면에 상기 제 2 작용기를 화학결합시킨 후, 상기 마이크론 크기의 필러의 상기 제 1 작용기와 상기 나노 크기의 필러의 상기 제 2 작용기를 화학결합시켜 물리적 결합에 비해 더 강한 결합력을 가질 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 마이크론 크기의 필러는 탄소섬유, 유리섬유, 그라파이트, 클레이, 그래핀, 탈크(talc), 칼슘카보네이트(calcium carbonate), 마이카(mica), 실리카 입자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 크기의 필러는 탄소나노튜브, 탄소나노 섬유, 나노 크기의 무기입자, 나노 크기의 금속 입자, 그래핀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 마이크론 크기의 필러의 표면 및 나노 크기의 필러의 표면에 각각 제 1 작용기 및 제 2 작용기를 형성하는 단계; 상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기를 화학결합시켜 상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러를 결합하여 필러 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 필러 복합체와 폴리머를 혼련하여 폴리머-필러 복합체를 형성하는 단계를 포함하는, 하이브리드 필러 복합체의 제조방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러는 각각의 표면에 화학반응에 의해 상기 제 1 작용기 및 상기 제 2 작용기를 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 작용기는 하이드록실기, 카보네이트기, 에스터기, 아민기, 말레익 안하이드라이드기, 아실 할라이드기, 싸이오닐 할라이드기, 또는 싸이올기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 작용기는 상기 제 1 작용기와 화학 반응이 가능한 모든 작용기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 제 1 작용기 및 상기 제 2 작용기는 서로 화학 반응이 가능한 작용기의 조합들을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 작용기 및 상기 제 2 작용기의 조합은 아민기-아실할라이드기, 하이드록실기-카보네이트기, 에스터기-아민기, 및 에스터기-하이드록실기 등을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 필러 복합체는 상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러를 10 : 1 의 비율로 반응시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 필러 복합체는 상기 반응에 의해 상기 마이크론 크기의 필러의 표면에 상기 나노 크기의 필러가 고르게 결합될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반응은 상온에서 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폴리머-필러 복합체는 용융 압출법을 이용하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 폴리머- 필러 복합체는 이축압출기를 사용하여 이축압출기의 공급 장치를 통해 압출을 진행하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 마이크론 크기의 필러는 탄소섬유, 유리섬유, 그라파이트, 클레이, 그래핀, 탈크(talc), 칼슘카보네이트(calcium carbonate), 마이카(mica), 실리카 입자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 크기의 필러는 탄소나노튜브, 탄소나노 섬유, 나노 크기의 무기입자, 나노 크기의 금속 입자, 그래핀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폴리머는 나일론, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리스타이렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리벤즈이미다졸, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리설폰, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 폴리머를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
[ 실시예 ]
실시예 1: 아민 말단기를 갖는 탄소섬유 제조
탄소섬유(carbon fiber, CF)[Zoltek, PANEX(grade)] 1 g을 황산(삼전화학, 95.0%)과 질산(Matsuneon chemical Ltd., 69%) 혼합액(황산:질산 = 3:2, 질량비)에 분산시킨 후 50℃에서 가열하여 24 시간 동안 반응시켜 다중벽 탄소나노튜브(multi walled carbon nanotube, MWCNT)(hanwha chemical, cm250) 표면에 카복실산(carboxyilc acid)을 화학결합시킨 탄소섬유(CF-COOH)를 제조하였다. 필터링을 통해 CF-COOH를 회수하고 증류수로 세척한 후 상온의 진공오븐(JEIO TECH, VO-10X)에서 건조하였다. 제조된 CF-COOH를 염화 티오닐(thionyl chloride, SOCl2)(삼전화학) 용액 500 mL에 분산시킨 후 초음파 처리기(sonicator)(Wisd Laboratory Instruments, Wlseclean)를 이용하여 혼합하면서 60℃에서 12 시간 동안 반응을 진행하여 아실클로라이드(acyl chloride, COCl)가 화학적으로 결합된 탄소섬유(CF-COCl)를 제조하였다. 필터링을 통해 CF-COCl를 회수하고 증류수로 세척한 후 상온의 진공 오븐에서 건조하여 CF-COCl을 제조하였다. 아민 말단기를 탄소섬유 표면에 형성하기 위하여 CF-COCl을 에틸렌디아민(ethylene diamine)(fluka, ≥99.5%) 20 mL와 DMF(Sigma Aldrich, anhydrous 99.8%) 100 mL가 혼합된 혼합액에 넣고 130℃에서 48 시간 동안 반응시킨 후 필터링을 통해 탄소섬유 표면에 아민 말단기가 도입된 탄소섬유(CF-NH₂)를 제조하였다.
실시예 2: 아실클로라이드기가 결합된 탄소나노튜브의 제조
다중벽 탄소나노튜브(pristine MWCNT) 1 g을 질산과 황산 혼합액(질산:황산 = 2:3, 질량비)에 고르게 분산시켜 60℃에서 가열하며 24 시간 동안 산처리 과정을 통해 카복실산이 결합된 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT-COOH)를 제조한 후 필터링을 통해 MWCNT-COOH를 회수하고 증류수로 세척한 후 70℃의 진공오븐에서 건조하였다. 상기 제조된 CNT-COOH를 SOCl₂ 100 mL에 분산시킨 후 70℃에서 가열하여 24 시간 동안 질소 분위기에서 반응시켜 아실클로라이드가 결합된 탄소나노튜브(MWCNT-COCl)를 제조하였고, 필터링을 통해 MWCNT-COCl를 회수하고 증류수로 세척한 후 70℃의 진공오븐에서 건조하여 MWCNT-COCl를 수득하였다.
실시예 3: CF - CNT 복합체의 제조
상기 탄소섬유 표면에 도입된 아민기와 상기 탄소나노튜브 표면에 도입된 아실클로라이드기는 서로 상온에서도 반응이 용이한 기능기들로서, 쉬운 방법으로 이들을 결합시킬 수 있다. 본 실시예 1 및 2에서 제조한 상기 CF-NH₂ 및 상기 MWCNT-COCl을 10 : 1의 비율로 반응을 시키는데, 이때 탄소섬유 표면에 탄소나노튜브가 고르게 결합될 수 있도록 0.2 g의 CNT-COCl을 용매인 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)(삼전화학, 99.5%) 50 mL에 고르게 분산시켰다. 또한 2 g의 CF-NH₂도 THF 50 mL에 분산시킨 용액을 준비하였다. 상기 분산시킨 탄소섬유 용액 및 탄소나노튜브 용액을 서로 혼합하여 2 시간 동안 상온에서 반응하였다. 필터링을 통해 탄소섬유에 탄소나노튜브가 화학결합된 반응물(CF-MWCNT)을 회수하고 증류수로 세척한 후 70℃의 진공오븐에서 건조하여 CF-MWCNT를 제조하였다. 상기 CF-MWCNT 제조의 반응과정을 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 표면에 아민기가 결합된 탄소섬유와 아실클로라이드기가 결합된 탄소나노튜브가 화학 반응하여 상기 아민기와 아실클로라이드기가 결합된 CF-MWCNT가 제조되었다.
실시예 4: 나일론 6,6과 CF - MWCNT 의 복합체 제조
나일론 6,6/CF-MWCNT 복합체는 이축압출기(Bau TECHNOLOGY, Twin screw compound Extruder)를 사용하여 용융 압출에 의해 제조되었다. 이축압출기의 공급부, 용융부, 및 혼합부의 온도를 각각 220℃, 270℃, 및 290℃로 고정시키고 나일론 6,6 99 wt%와 화학결합된 CF-MWCNT 1 wt%를 이축압출기의 공급 장치를 통해 공급하여 압출을 진행하여 복합체를 제조하였다. 제조된 복합체를 사출 성형하여 인장 강도(MPa), 인장 탄성률(MPa), 인장 신율(%)을 측정(R&B Inc., Unitech-T)하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1: 나일론 6,6과 촉매성장으로부터 제조된 CF - MWCNT 의 복합체 제조
상기 실시예 4에서 사용한 CF-MWCNT 대신 탄소섬유 표면에 촉매를 담지하고, 이에 탄소나노 튜브를 성장시킨 CF-MWCNT를 사용하여 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 복합체 시편을 제작하여 인장 강도, 인장 탄성률, 인장 신율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 2: 나일론 6,6, 탄소섬유 , 및 탄소나노튜브 복합체 제조
상기 실시예 4에서 사용한 CF-MWCNT 대신 탄소섬유, 탄소나노튜브를 사용하여 복합체를 제조하였다. 상기 복합체 내의 탄소섬유와 탄소나노튜브의 함량은 상기 실시예 4와 동일하게 하였다. 상기 제조된 복합체를 사출 성형하여 인장 강도, 인장 탄성률, 인장 신율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112014112190182-pat00001
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 4, 비교예 1, 및 비교예 2의 나일론 6,6, 탄소섬유, 및 탄소나노튜브 복합체에서 탄소섬유와 탄소나노튜브의 함량이 동일할 때, 상기 실시예 4에서 제조한 것과 같은 화학결합된 CF-MWCNT를 사용한 경우가 촉매 성장시킨 CF-MWCNT를 사용한 복합체 및 탄소섬유와 탄소나노 튜브를 포함한 복합체 보다 높은 인장 강도, 인장 탄성률, 및 인장 신율을 나타낸 것을 확인할 수 있었다.
실험예 1: 나일론 6,6, 탄소섬유 , 및 탄소나노 튜브 복합체의 전기전도도
상기 실시예 4, 비교예 1, 및 비교예 2에서 제조된 복합체를 압축 성형하여 두께 1 mm의 복합체 필름을 제조하고 이들의 전기전도도를 측정하였다(MS Tech, 4 point probe). 나일론 6,6의 전기전도도는 1.6 x 10-13 S/cm인 반면, 복합체는 이보다 높은 전기전도도를 나타내었다. 복합체의 전기전도도는 사용한 필러에 따라 나일론 6,6/CF-MWCNT(화학결합) 복합체, 나일론 6,6/CF-MWCNT(촉매성장) 복합체, 및 나일론 6,6/CF/MWCNT 복합체는 각각 5.6 x 10-8 S/cm, 6.3 x 10-9 S/cm, 및 7.3 x 10-9 S/cm를 나타내었다. 상기 결과는 동일 함량의 필러를 함유한 복합체에서 나일론 6,6/CF-MWCNT(화학결합) 복합체가 가장 높은 전기전도도를 갖고 있음을 나타내었다.
실험예 2: 나일론 6,6/ CF - MWCNT (화학결합), 나일론 6,6/ CF - MWCNT (촉매성장) 복합체 내에서의 필러 구조
상기 실시예 4 및 비교예 1에서 제조된 복합체에 존재하는 필러의 구조를 분석하기 위하여, 매트릭스를 형성하는 폴리머를 제거하고 필러를 회수하여 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)(Carl Zeiss, SIGMA)으로 구조를 관찰하였다. 나일론 6,6을 제거하고 필러 회수를 위해 0.1 g의 시료를 나일론 6,6의 용매인 포름산에 녹인 후 필터링을 통해 필러를 회수 하였다. 상기의 과정을 5 차례 반복하여 미반응 나일론 6,6을 완전히 제거하여 순수한 필러를 회수하였다.
이와 관련하여, 도 2a는 복합체 제조 이전의 화학결합 CF-MWCNT의 SEM 이미지이고, 도 2b는 복합체 제조 후 나일론 6,6와 분리하여 회수한 화학결합 CF-MWCNT의 SEM 이미지이다.
도 3a는 복합체 제조 이전의 촉매 성장 CF-MWCNT의 SEM 이미지이고, 도 3b는 복합체 제조 후 나일론 6,6와 분리하여 회수한 촉매성장 CF-MWCNT의 SEM 이미지이다.
도 2a, 도 2b, 도 3a, 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 촉매 성장으로 제조한 CF-MWCNT의 경우 복합체 제조 후 탄소섬유 표면에서 탄소나노튜브가 거의 대부분 탈락한 반면, 화학 성장으로 제조한 CF-MWCNT의 경우 복합체 제조 후에도 탄소섬유 표면에서 탄소나노튜브의 탈락 없이 존재하는 것이 관찰되었다.
실험예 3: 화학결합에 의한 CF - MWCNT 제조 및 이를 이용한 복합체 특성
복합체 물성 변화를 비교하기 위해 제조하는 방법을 달리하여 CF-MWCNT를 제조하였다. 탄소섬유 표면에 아민기 대신 아실클로라이드를 형성시키고 탄소나노튜브 표면에는 아실클로라이드 대신 아민기를 형성시켜 상기 실시예 3과 같이 반응시켜 CF에 MWCNT가 화학결합된 CF-MWCNT를 제조하였다. 상기 제조된 CF-MWCNT를 1 wt% 포함하는 나일론 6,6 복합체를 제조하여 인장 강도, 인장 탄성율, 및 인장 신율을 측정하였다. 측정 결과는 각각 84.5 MPa, 2,060 MPa, 및 40 %로 나타났고, 이는 상기 실시예 4에서 제조한 복합체와 유사한 물성(표 1 참조)을 나타내었다.
실험예 4: 폴리카보네이트( polycarbonate , PC ) 복합체의 특성
상기 실시예 3에서 제조한 화학결합에 의한 CF-MWCNT, 촉매성장에 의한 CF-MWCNT, 서로 분리된 탄소섬유와 탄소나노튜브를 각각 1 wt% 포함한 폴리카보네이트 복합체를 용융 혼합을 통해 제조하고 이들을 사출 성형하여 제조된 시편의 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 이 경우에서도 화학결합된 CF-MWCNT를 포함한 복합체가 가장 우수한 물성을 나타내었다.
Figure 112014112190182-pat00002
실험예 5: 다른 함량을 포함하는 나일론 6,6 복합체의 특성
상기 실시예 3에서 제조한 화학결합에 의한 CF-MWCNT, 촉매성장에 의한 CF-MWCNT, 서로 분리된 탄소섬유와 탄소나노튜브를 각각 5 wt% 포함하는 나일론 6,6 복합체를 용융 혼합을 통해 제조하고, 이들을 사출 성형하여 제조된 시편의 물성을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 이 경우에서도 화학결합된 CF-MWCNT를 포함한 복합체가 가장 우수한 물성을 나타내었다.
Figure 112014112190182-pat00003
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 제 1 작용기를 함유하는 마이크론 크기의 필러, 및
    제 2 작용기를 함유하는 나노 크기의 필러를 포함하고,
    상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기 사이의 화학결합에 의해 상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러가 서로 결합된 것인, 하이브리드 필러 복합체로서,
    상기 마이크론 크기의 필러는 탄소섬유, 유리섬유, 그라파이트, 클레이, 탈크, 칼슘카보네이트, 마이카, 실리카 입자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것이고,
    상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기 사이의 화학결합에 의해 상기 하이브리드 필러 복합체 내에서 상기 마이크론 크기의 필러 표면에 상기 나노 크기의 필러가 존재하는 구조를 갖는 것인,
    하이브리드 필러 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 필러 복합체는 폴리머 상에 분산되어 있는 것인, 하이브리드 필러 복합체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폴리머는 나일론, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리스타이렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리벤즈이미다졸, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리설폰, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 폴리머를 포함하는 것인, 하이브리드 필러 복합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 작용기는 하이드록실기, 카보네이트기, 에스터기, 아민기, 말레익 안하이드라이드기, 아실 할라이드기, 싸이오닐 할라이드기, 또는 싸이올기를 포함하는 것인, 하이브리드 필러 복합체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 작용기는 상기 제 1 작용기와 화학 반응이 가능한 모든 작용기를 포함하는 것인, 하이브리드 필러 복합체.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 크기의 필러는 탄소나노튜브, 탄소나노 섬유, 나노 크기의 무기입자, 나노 크기의 금속 입자, 그래핀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 하이브리드 필러 복합체.
  8. 마이크론 크기의 필러의 표면 및 나노 크기의 필러의 표면에 각각 제 1 작용기 및 제 2 작용기를 형성하는 단계;
    상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기를 화학결합시켜 상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러를 결합하여 필러 복합체를 형성하는 단계; 및
    상기 필러 복합체와 폴리머를 혼련하여 폴리머-필러 복합체를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 마이크론 크기의 필러는 탄소섬유, 유리섬유, 그라파이트, 클레이, 탈크, 칼슘카보네이트, 마이카, 실리카 입자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것이고,
    상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기 사이의 화학결합에 의해 상기 필러 복합체 내에서 상기 마이크론 크기의 필러 표면에 나노 크기의 필러가 존재하는 구조를 갖는 것인,
    하이브리드필러 복합체의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러는 각각의 표면에 화학반응에 의해 상기 제 1 작용기 및 상기 제 2 작용기를 형성하는 것인, 하이브리드 필러 복합체의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 작용기는 하이드록실기, 카보네이트기, 에스터기, 아민기, 말레익 안하이드라이드기, 아실 할라이드기, 싸이오닐 할라이드기, 또는 싸이올기를 포함하는 것인, 하이브리드 필러 복합체의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 작용기는 상기 제 1 작용기와 화학 반응이 가능한 모든 작용기를 포함하는 것인, 하이브리드 필러 복합체의 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 필러 복합체는 상기 마이크론 크기의 필러 및 상기 나노 크기의 필러를 10 : 1 의 비율로 반응시키는 것인, 하이브리드 필러 복합체의 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 폴리머-필러 복합체는 용융 압출법을 이용하여 형성되는 것인, 하이브리드 필러 복합체의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 나노 크기의 필러는 탄소나노튜브, 탄소나노 섬유, 나노 크기의 무기입자, 나노 크기의 금속 입자, 그래핀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 하이브리드 필러 복합체의 제조방법.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 폴리머는 나일론, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리스타이렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리벤즈이미다졸, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리설폰, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 폴리머를 포함하는 것인, 하이브리드 필러 복합체의 제조방법.


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