KR20120009978A

KR20120009978A - 배향 조정된 탄소나노튜브를 이용한 고분자 나노복합 성형물의 제조방법

Info

Publication number: KR20120009978A
Application number: KR1020100071321A
Authority: KR
Inventors: 송경화; 최치훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-02

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 함유하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법에 관한 것으로, 탄소나노튜브를 고분자 매트릭스와 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 혼합물을 고전단 분산하는 단계; 고전단으로 분산시킨 탄소나노튜브 혼합물을 일축 연신하여 테이프 형상으로 제조하는 단계; 테이프 형상의 탄소나노튜브 혼합물을 배열 직조하여 직조체를 형성하는 단계; 상기 직조체를 고분자 매트릭스의 융점보다 높은 온도로 열처리하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 고분자 나노복합 성형물의 제조방법에 의하면 탄소나노튜브의 분산 및 배향이 조정된 성형물을 제조할 수 있으며, 적은 나노입자의 함량으로도 우수한 기계적 강도 및 전기전도성을 갖는 탄소나노튜브 성형물을 제조할 수 있어 자동차 내외장재, 건축자재 등의 플라스틱 부품, 방열, 대전방지 및 전기전도 특성을 요구하는 전자부품 및 응용품에 적용할 수 있다.

Description

배향 조정된 탄소나노튜브를 이용한 고분자 나노복합 성형물의 제조방법 {Manufacturing Method of Polymer Nanocomposite article by using Aligned Carbonnanotube}

본 발명은 고전단 조건 하에서 탄소나노튜브를 고분자 내에서 고농도로 분산시킨 후 일축으로 연신된 테이프 형상의 혼합물을 제조하여 분산 배향된 고분자 나노복합재를 제조하고, 이 고분자 나노복합재를 일정방향으로 직조 및 상하 적층하여 분산 배향 조정된 고분자 나노복합 성형물을 제조하는 배향 조정된 탄소나노튜브를 이용한 고분자 나노복합 성형물의 제조방법에 관한 것이다.

현재 자동차 기술은 연비 향상과 공해물질의 배출저감, 부품의 재활용 등에 연구 초점이 맞춰져 있다. 이에 자동차 소재분야에서는 기존 스틸을 대체하고 치수 안정성, 기계적 물성 및 내열특성이 우수한 고분자 복합재를 개발하여 차량의 경량화를 통해 차량의 연비를 개선하고자 하는 연구가 활발하다. 또한 전기자동차, 연료전지 자동차 등 미래자동차 개발과 더불어 다양한 전기적 특성을 가지는 부품의 개발이 요구되고 있다.

이러한 요구와 더불어 최근 기능성 나노물질을 보강재로 사용하는 고분자 나노복합재가 부각되고 있다. 나노복합재는 분자레벨이나 나노미터 스케일의 이종물질을 분산시켜 복합화한 것으로 보통 분산상(분산상태)의 크기가 1~100nm이며 기존의 고분자가 가지는 뛰어난 가공성, 기계적, 광학적 성질들을 더욱 향상시킬 수 있어 자동차 부품, 전기전자, 건축 등과 같이 넓은 범위에서 응용될 가능성이 높은 차세대 소재이다.

이러한 나노복합재에 많이 사용되고 있는 나노물질로 최근 들어 탄소나노튜브에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

탄소나노튜브는 탄소원자로 이루어진 긴 대롱 모양의 나노 직경을 가진 물질로 구리보다 1000배나 전기전도도가 높고, 강철의 100배 수준인 높은 강도 및 탄성계수를 가지고 있으며 직경 대비 길이에 대한 종횡비(aspect ratio)의 값이 커서 고분자 매트릭스에 탄소나노튜브를 분산시킨 고분자 복합재는 동일 무게 대비 높은 강성을 나타내는 재료, 또는 전도성 재료 및 전자파 차폐용 재료 등과 같은 기능성 재료로 이용할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.

그러나 탄소나노튜브는 미세분말 상태 그 자체로는 여러 응용분야에 사용되기 어렵고 탄소나노튜브의 우수한 특성들을 효과적으로 발현시키기 위해서는 반드시 기지재료나 다른 소재와 복합화되어 사용되어야하기 때문에 탄소나노튜브의 분산기술이 필요하다. 또한 상기의 분산기술과 더불어 탄소나노튜브가 고분자 기질에서 기계적 특성을 향상시키기 위해서는 성형 후 나노입자의 배열에 관한 문제도 동시에 해결해야 한다.

탄소나노튜브의 분산과 배향조절에 따른 이점은 일반적인 고분자 복합재의 기계적 강도를 증가시킬 뿐 아니라 탄소나노튜브가 가지고 있는 전기적 특성을 발현하는데도 중요하다. 탄소나노튜브는 튜브 표면에 자유전자가 이동할 수 있는 구조적 특성으로 인해 전기전도성을 가지는데 탄소나노튜브가 일정한 방향으로 배열되면 그 전기전도성이 뛰어나게 된다. 이러한 전기적 특성은 탄소나노튜브 복합재를 대전방지, 전자파차폐, 방열과 같은 전기적 특성을 요구하는 다양한 분야에 응용할 수 있도록 하기 때문에 복합재의 제조에서 탄소나노튜브의 분산과 배향조절은 매우 중요하다.

일반적으로 사용되는 탄소나노튜브의 분산방법은 산처리 및 표면 기능화 등과 같이 수용액에서 이루어지는 공정이 대부분인데, 이러한 공정은 환경적인 문제를 수반하며, 또한 수용액 상에서의 분산은 저농도 분산이 대부분으로 산업적으로 이용할 수 있는 고농도 분산에 대해 제한점이 있다.

그리고 탄소나노튜브를 배향시키는 방법으로는 지금까지 전기장, 자기장, 자기조립 및 기계적 힘에 의한 후처리 기술을 사용하는 방법이 시도되었으나 이러한 기술 역시 대부분 용매 내에서 이루어져 탄소나노튜브의 낮은 용해도로 인해 큰 번들로 자발적으로 응집됨으로서 작은 번들 크기를 갖는 균일하게 배향된 탄소나노튜브를 얻기 어려운 단점이 있다.

탄소나노튜브를 고분자 내에 균일하게 분산하는 방법으로 제안한 대한민국특허출원 제2008-00179호에서는 탄소나노튜브를 열가소성 고분자를 함유하는 용액에 혼합하여 탄소나노튜브 함유 고분자 용액을 준비하고 이 용액을 전기방사하여 성형물을 제조하는 방법에 대해 제시하고 있다. 이러한 전기방사에 의한 제조방법은 고분자를 가는 섬유로 제조함으로써 내부에 포함된 탄소나노튜브의 분산성을 증가시킬 수 있으나 용액을 이용하는 습식방법은 앞서 언급하였듯이 랜덤하게 배향된 용액으로부터 섬유를 만들어야 하기 때문에 탄소나노튜브를 섬유 내에서 배향시키기 어려운 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-0851431호에서는 친수성 고분자와 소수성 고분자를 일정한 비율의 혼합물 상태로 가용성 용매에 용해시켜 고분자 용액을 만들고 여기에 탄소나노튜브를 첨가하여 고분자 혼합물이 전기방사에 의해 상분리되어(상분리되게 하여) 섬유 내부에 공간을 형성하며, 이렇게 형성된 공간 내에 친수성기를 가지는 고분자와 전기방사로 인해 산화된 탄소나노튜브의 상호작용에 의하여 섬유 내에서 탄소나노튜브가 일정한 배향을 갖도록 조절하고 있지만 이러한 방법은 사용할 수 있는 고분자의 선택에 제한이 있고, 용매를 이용한 공정은 탄소나노튜브의 분산 및 첨가량에 제한을 받기 때문에 복합재를 제조하는데 한계가 있다. 즉 전기방사로 탄소나노튜브의 분산과 배향을 조절하는 방법은 용액 상에서의 분산상태에 영향을 받고 방사과정에서 배향의 조절에 한계가 있어 상업적으로 이용하기에 매우 제한적이 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 고전단 방법을 이용하여(고전단 조건 하에서) 매트릭스 고분자 수지 내에 탄소나노튜브를 고농도로 첨가하여 분산하고 이로부터 일축 연신과정을 통하여 테이프의 형태로 고분자 나노복합재를 뽑아낸 후 원하는 방향으로 직조하여 탄소나노튜브의 분산과 배향이 조절된 고분자 나노복합 성형물을 제조하는 배향 조정된 탄소나노튜브를 이용한 고분자 나노복합 성형물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 탄소나노튜브를 고분자 매트릭스와 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 혼합물을 고전단 분산하는 단계; 고전단으로 분산시킨 탄소나노튜브 혼합물을 일축 연신하여 테이프 형상으로 제조하는 단계; 테이프 형상의 탄소나노튜브 혼합물을 배열 직조하여 직조체를 형성하는 단계; 상기 직조체를 고분자 매트릭스의 융점보다 높은 온도로 열처리하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 탄소나노튜브는 직경이 20 ~ 200㎚ 이고 길이는 200㎛ 이하인 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 고분자 매트릭스는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 염화비닐, 염화비닐리텐, 플로오르수지, 아크릴수지, 폴리아미드수지, 아세탈수지, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리이미드 중에서 선택한 1종 또는 2종 이상이 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 탄소나노튜브와 고분자 매트릭스의 혼합온도는 180 ~ 300℃ 인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 고전단 분산은 2000 ~ 5000 rpm의 전단속도에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 탄소나노튜브 혼합물 중 탄소나노튜브의 함량은 0.1 ~ 30 중량%인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 테이프 형상의 탄소나노튜브 혼합물은 두께가 0.1 ~ 5mm이고 너비가 0.1 ~ 50mm 사이인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 탄소나노튜브를 고분자 매트릭스와 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 혼합물을 고전단 분산하는 단계; 고전단으로 분산시킨 탄소나노튜브 혼합물을 일축 연신하여 테이프 형상으로 제조하는 단계; 테이프 형상의 탄소나노튜브 혼합물을 플라스틱 기재에 일정하게 배열하며 붙이는 단계; 탄소나노튜브 혼합물의 융점보다 높은 온도로 열처리하는 단계;를 포함하여 플라스틱 기재의 표면에 탄소나노튜브가 함유된 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 성형체의 제조방법도 제공한다.

본 발명의 제조방법에 의하면 탄소나노튜브를 매트릭스 수지 내에서 효과적으로 분산함과 동시에 배향을 유도하여 탄소나노튜브의 특이성 및 기계적 강도를 증가시키는 탄소나노튜브 고분자 나노복합재 및 고분자 나노복합 성형물을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해 제조된 고분자 나노복합 성형물은 탄소나노튜브의 분산성과 배향성을 향상시킨 결과 플라스틱 복합재의 요구물성을 만족하여 자동차 내외장 플라스틱 부품에 이용할 수 있으며, 전기적인 특성에 대한 성능이 뛰어나므로 전기전도성을 요구하는 다양한 전자부품 및 대전방지부품에도 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고분자 나노복합 성형물의 제조과정을 도시한 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 제조방법에서 사용한 고전단 분산 원리를 도식화하여 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 탄소나노튜브 고분자 분산물을 테이프 형태로 일축 연신하여 제조하는 공정을 나타낸 예시도,
도 4는 본 발명에 의해 제조한 테이프 형태의 고분자 분산물을 직조하는 공정을 나타낸 예시도,
도 5는 본 발명에 의해 제조한 테이프 형태의 고분자 분산물을 사용하여 플라스틱 기재 위에 탄소나노튜브를 함유한 고분자 나노복합재를 표면 코팅하는 공정을 도시한 예시도이다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 설명을 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 설명에 있어서 공지의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 고전단 방법을 이용하여(고전단 조건 하에서) 탄소나노튜브를 열가소성 고분자 매트릭스에 효과적으로 분산 배향시켜 고분자 나노복합재 및 고분자 나노복합 성형물을 제조하는 방법에 관한 것으로, 탄소나노튜브를 고분자 매트릭스와 혼합하여 고전단으로 분산시키는 단계, 이 탄소나노튜브 고분자 분산물을 테이프 형상으로 일축 연신 제조하는 단계, 테이프 형상으로 제조한 탄소나노튜브 고분자 분산물을 직조체(직조된 성형물)로 제조하는(직조하는) 단계 및 상기 직조체를 열처리하여 성형물을 제조하는 단계를 포함한다.

탄소나노튜브를 매트릭스 고분자와 혼합하여 고전단으로 분산하는 공정에서, 상기 탄소나노튜브는 직경이 20 ~ 200㎚ 이고 길이는 200㎛ 이하인 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 선택하여 분산 및 배향 조절이 용이하도록 한다.

만약 탄소나노튜브의 직경이 너무 작고 길이가 길면 탄소나노튜브가 굽어진 형태로 분산되어 배향의 조정이 어렵고, 직경이 크면서 길이가 짧으면 종횡비의 값이 작아져 실제 보강재로서의 특징이 낮아진다.

또한, 상기 고분자 매트릭스로는 열가소성 수지를 사용한다. 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 염화비닐, 염화비닐리텐, 플로오르수지, 아크릴수지, 폴리아미드수지, 아세탈수지, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리이미드 중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 혼합한 혼합물을 사용할 수 있다.

탄소나노튜브가 혼합된 고분자 매트릭스는 차후 테이프 형상으로 연신 제조된 후 직조를 통해 배향되고 다시 용융점 이상의 온도에서 다양한 형태로 성형될 수 있다.

탄소나노튜브-고분자를 혼합하는(탄소나노튜브-고분자 혼합물을 제조하는) 공정에서 고전단 분산 과정은 저전단 시료도입부와 고전단 분산부분으로 나누어 진행한다.

상기 저전단 시료도입부의 전단속도는 10 ~ 100 rpm이고, 이때 탄소나노튜브의 함량은 테이프 형상의 고분자 나노복합재의 사용처에 따라 다양하게 변화할 수 있으나 사용되는 고분자의 총중량을 기준으로 0.1 ~ 30 중량% 인 것이 바람직하며, 0.1 중량% 이하에서는 탄소나노튜브의 첨가에 따른 물성향상을 기대하기 어렵고 30 중량% 이상에서는 혼합시 점도의 증가로 용이한 혼합이 어렵다.

그리고 탄소나노튜브를 고분자 매트릭스와 혼합할 시 혼합온도는 사용하는 열가소성 수지의 종류에 따라 용융온도를 달리하는데, 그 용융혼합 온도는 180 ~ 300℃ 의 범위 내로 조정한다. 만약 탄소나노튜브의 혼합온도가 180℃ 미만이면 매트릭스 고분자가 충분히 용융되지 않아 탄소나노튜브와 균일하게 섞이지 않을 수 있고, 300℃ 보다 너무 높으면 고분자 사슬절단이 가속화되어 고분자 나노복합재의 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소나노튜브 혼합 고분자 나노복합재는 산화방지제, 착색제, 이형제, 윤활제 및 광 안정제와 같은 다양한 첨가제를 추가로 함유할 수 있으며, 이들 첨가제의 사용량은 원하는 최종 용도 및 특성을 포함한 다양한 요인에 따라 적절히 조정되어 적용될 수 있다.

다음, 상기에서 제조한 저전단 탄소나노튜브 혼합물(저전단 탄소나노튜브-고분자 혼합물)을 고전단부 스크류 내에 투입한다.

상기 스크류 내에 투입된 수지(저전단 탄소나노튜브-고분자 혼합물)는 스크류 상부와 스크류 하부의 압력차에 의해 전단변형이 발생하게 되는데, 이를 전단유동장(shear flow field)이라고 하며, 이 전단유동장에 2000 ~ 5000 rpm 의 전단속도를 가하여 고전단(high-shear)이 발생할 수 있도록 한다.

이러한 고전단 조건에서 탄소나노튜브의 응집이 풀어지면서 층간 분리가 일어남에 의해 입자간 분리가 일어나고 그 사이로 매트릭스 고분자(혹은 고분자 매트릭스)가 침투하여 분산이 이루어지게 되므로(도 2 참조) 탄소나노튜브의 분산이 증가한다.

만약 상기 고전단부의 전단속도가 2000 rpm 미만이면 스크류 상부와 스크류 하부의 압력차가 적어 전단변형이 일어나지 않을 수 있고, 전단속도가 5000 rpm 을 초과하면 증량에 따른 효과상의 실익이 미미하므로 상기 범위의 전단속도를 유지하는 것이 바람직하다. 이때, 고전단부의 온도는 전술한 용융혼합 온도와 동일하게 180 ~ 300℃ 로 유지한다.

상기 탄소나노튜브 혼합물(혹은 탄소나노튜브-고분자 혼합물)을 고전단 분산한 후 테이프(즉, 탄소나노튜브-고분자 테이프)를 제조하는 공정에서 도출되어 얻어진 테이프의 두께와 너비는 일축 연신 공정 중에 다양하게 조절될 수 있다. 이 공정에서 얻어지는 테이프 형상 탄소나노튜브 혼합물의 두께는 0.1 ~ 5 ㎜, 너비는 0.1 ~ 50 mm 사이에서 조절한다. 상기 두께와 너비가 0.1mm 보다 작으면 공정상 균일한 조절이 어려우며 상한 값보다 크면 직조체의 형성이 촘촘하지 못해서 성형물 제조 후 특성 저하가 있어날 수 있다. 따라서 성형물의 종류에 따라 직조가 용이한 너비와 두께를 선택하여 테이프를 제조한다.

상기 테이프 형상 탄소나노튜브 혼합물은 예를 들면 도 3과 같은 장치를 통해 일축으로 연신 제조될 수 있다. 도 3의 장치는 자동개폐밸브에 의해 유동로가 개방되면 상기 유동로를 따라 유동된 탄소나노튜브 혼합물 수지를 시료배출부를 통해 테이프 형상으로 배출하여 고분자 나노복합재를 제조한다.

탄소나노튜브를 고분자에 혼합시키는 전단 혼합방법은 통상 600 rpm 부근에서 이루어지나 본 발명은 2000 rpm 이상의 고전단력을 걸어 탄소나노튜브 입자를 분산시키면 탄소나노튜브의 입자간 분리가 일어나고 고속 전단력으로 분산된 탄소나노튜브가 일부 전단방향으로 배향된다. 이러한 고속전단을 통과한 탄소나노튜브 고분자 혼합물은 전단 공정 끝부분(예를 들면 도 3의 시료배출부)에서 테이프의 형상으로 토출되어 축방향 연신되는 과정에서 탄소나노튜브가 테이프의 축방향(길이방향)으로 배향된 고분자 나노복합재를 얻게 된다.

이렇게 얻은 테이프 형상의 고분자 나노복합재는 직조를 통해 선택된 방향으로 배향될 수 있으며 성형공정을 통해 최종적으로 분산과 배향 조정된 탄소나노튜브 함유 직조체를 제조할 수 있다.

상기와 같이 얻어진 탄소나노튜브 함유 직조체를 열가소성 고분자 매트릭스의 융점보다 높은 온도로 열처리하며, 이에 따라 열가소성 고분자가 용융되면서 탄소나노튜브를 함유하는 고분자 나노복합 성형물이 얻어진다.

상기 고분자 나노복합 성형물의 탄소나노튜브들은 테이프 형상의 분산상태가 유지되므로 열처리가 완료되어 성형물이 제조되는 과정에서 서로 다시 응집되는 정도는 매우 미미하게 된다.

따라서 본 발명에 의해 탄소나노튜브는 고분자 매트릭스 내에 균일하게 분산된 상태를 유지할 수 있고, 이 탄소나노튜브가 테이프 형상의 고분자 나노복합재의 길이방향과 나란한 방향으로 배열됨으로 인해 결과적으로 고르게 분산되고 배향 조정된 탄소나노튜브-고분자 나노복합 성형물의 제조가 가능하게 된다.

또한 본 발명에 의해 얻어진 탄소나노튜브 함유 테이프(테이프 형상의 고분자 나노복합재)는 특정한 표면, 예를 들면 플라스틱 기재의 표면에 일정하게 배열하며 올려 붙이고 열을 가해 압착하는 공정을 통하여 전도성을 가진 다양한 제품의 구현을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어 대전방지 트레이를 제조할 경우 성형전 필름 위에 전도성이 있는 탄소나노튜브 함유 테이프를 올려놓고 열성형을 하면 표면에 탄소나노튜브 함유 코팅층으로 표면처리된 대전방지 트레이를 제조할 수 있다.

상기와 같이 플라스틱 기재의 표면에 탄소나노튜브 함유 테이프를 코팅하는 공정은 탄소나노튜브를 고분자 매트릭스와 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하는 단계, 상기 탄소나노튜브 혼합물을 고전단 분산하는 단계, 고전단으로 분산시킨 탄소나노튜브 혼합물을 일축 연신하여 테이프 형상으로 제조하는 단계, 테이프 형상의 탄소나노튜브 혼합물을 플라스틱 기재에 일정하게 배열하며 붙이는 단계, 탄소나노튜브 혼합물의 융점보다 높은 온도로 열처리하는 단계를 포함하며 플라스틱 기재의 표면에 탄소나노튜브가 함유된 코팅층을 형성하여 탄소나노튜브 성형체의 제조가 가능하게 된다.

본 발명의 제조방법에 의하면 탄소나노튜브의 분산 및 배향이 조정된 고분자 나노복합재를 제조할 수 있고, 적은 나노입자의 함량으로도 우수한 기계적 강도 및 전기전도성을 갖는 고분자 나노복합재를 사용하여 탄소나노튜브가 함유된 고분자 나노복합 성형물을 제조할 수 있으며, 제조된 고분자 나노복합재는 자동차 내외장재와 건축자재 등의 플라스틱 부품과 방열, 대전방지, 전기전도 등의 특성을 요구하는 전자부품 및 응용품에(의 표면처리를 위해) 다양하게 적용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하겠으나, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : 고전단 탄소나노튜브-고분자 나노복합재의 제조

열가소성 폴리머로서 폴리프로필렌을 사용하였다.

폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지 95중량% 및 건조된 다중벽 탄소나노튜브(일본, Showa 직경 80nm, 길이 10㎛ ) 5중량% 를 가소화부에 넣고 용융온도 180℃에서 50rpm으로 10분 동안 균일하게 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하였다.

이 탄소나노튜브 혼합물을 고전단부에 주입하고 전단유동장에 2000 rpm으로 전단속도를 가하여 탄소나노튜브를 분산시켰다.

탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 혼합물을 고전단부의 토출부에서 테이프 형상으로 연신하면서 뽑아내었으며, 이때 테이프 형상 고분자 나노복합재의 너비는 20mm, 두께는 0.2mm를 얻었다.

그리고, 면저항 측정기(SIMCO ST-3)를 사용하여 테이프 형상 고분자 나노복합재의 전도성을 측정하였고, 이 고분자 나노복합재를 격자 구조로 배열한 다음 아래 위로 적층하고 180℃ 온도로 가열 및 가압하면서 판넬 형상으로 성형하였다.

또한 ASTM D 638에 의거하여 상기의 판넬 형상 성형물(고분자 나노복합 성형물)의 측정용 시편을 만들었고 만능시험기(Instron 4467)를 사용하여 인장강도(Tensile Strength) 및 영률(Young Modulus) 값을 측정하였다.

실시예 2: 고전단 탄소나노튜브-고분자 나노복합재의 제조

폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지 95 중량% 및 건조된 다중벽 탄소나노튜브(일본, Showa 직경 80nm, 길이 10㎛ ) 5중량% 를 가소화부에 넣고 용융온도 180℃에서 50 rpm으로 10분 동안 균일하게 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하였다.

이 탄소나노튜브 혼합물을 고전단부에 주입하고 전단유동장에 3000rpm 으로 전단속도를 가하여 탄소나노튜브를 분산시켰다.

탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 혼합물을 고전단부의 토출부에서 테이프의 형태로 연신하면서 뽑아내었으며, 이때 테이프 형상 고분자 나노복합재의 너비는 20mm, 두께는 0.2mm 를 얻었다.

그리고 상기 실시예 1과 같이 인장강도 및 영률 값을 측정하였다.

비교예 1: 일반 용융 혼합에 의한 탄소나노튜브-고분자 나노복합재의 제조

폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지 95중량% 및 건조된 다중벽 탄소나노튜브(일본, Showa 직경 80nm, 길이 10㎛ ) 5중량% 를 가소화부에 넣고 용융온도 180℃에서 50 rpm으로 10분 동안 균일하게 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하였다.

탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 혼합물을 토출부에서 테이프의 형태로 연신하면서 뽑아내었으며, 이때 테이프의 너비는 20mm, 두께는 0.2mm 를 얻었다.

상기 실시예 1과 같이 인장강도 및 영률 값을 측정하였다.

비교예 2: 저전단 탄소나노튜브-고분자 나노복합재의 제조

폴리프로필렌 랜덤 공중합체 수지 95중량% 및 건조된 다중벽 탄소나노튜브(일본, Showa 직경 80nm, 길이 10μm ) 5중량% 를 가소화부에 넣고 용융온도 180℃에서 50 rpm으로 10분 동안 균일하게 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하였다.

이 탄소나노튜브 혼합물을 고전단부로 주입하고 전단유동장에 500rpm으로 전단속도를 가하여 탄소나노튜브를 분산시켰다.

탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 혼합물을 고전단부의 토출부에서 테이프의 형태로 연신하면서 뽑아내었으며, 이때 테이프의 너비는 20mm, 두께는 0.2mm 를 얻었다.

면저항 측정기(SIMCO ST-3)를 사용하여 테이프 형상 고분자 나노복합재의 전도성을 측정하였고, 이 고분자 나노복합재를 격자 구조로 배열한 다음 아래 위로 적층하고 180℃ 온도로 가열 및 가압하면서 판넬 형상으로 성형하였다.

그리고, 상기 실시예 1과 같이 인장강도 및 영률 값을 측정하였다.

상기 표 1에 기재한 바와 같이, 폴리프로필렌 수지에 탄소나노튜브를 첨가한 후 고전단으로 고분자 나노복합재를 제조한 실시예 1과 2의 시료는 비교예 1과 2의 일반 용융혼합 방법 및 저전단에 의해 제조한 고분자 나노복합재에 비해 인장강도 특성이 우수하며, 또한 영률(Young Modulus) 상승효과도 뛰어나 우수한 탄성 특성을 보임을 확인할 수 있었다.

그리고, 고전단을 통해 탄소나노튜브를 분산시킨 실시예 1과 2에서 제조한 복합재는 일반 용융혼합 방법과 저전단을 통해 제조한 비교예 1과 2의 복합재에서 나타나지 않던 전기전도도의 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.

결국, 고전단 분산 공정을 포함하는 본 발명의 제조방법에 의하면 우수한 기계적 강도와 전기적 특성을 나타내는 고분자 나노복합재 및 고분자 나노복합 성형물을 제조할 수 있으며, 분산 및 배향 조절되게 제조된 탄소나노튜브 강화 고분자 나노복합재는 자동차 내외장재 및 부품, 전기자동차의 전기적 특성을 요구하는 부품 및 강화 플라스틱이 활용 가능한 다양한 산업분야에 유용하게 적용 가능함을 알 수 있다.

Claims

탄소나노튜브를 고분자 매트릭스와 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하는 단계;
상기 탄소나노튜브 혼합물을 고전단 분산하는 단계;
고전단으로 분산시킨 탄소나노튜브 혼합물을 일축 연신하여 테이프 형상으로 제조하는 단계;
테이프 형상의 탄소나노튜브 혼합물을 배열 직조하여 직조체를 형성하는 단계;
상기 직조체를 고분자 매트릭스의 융점보다 높은 온도로 열처리하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 직경이 20 ~ 200㎚ 이고 길이는 200㎛ 이하인 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)인 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 매트릭스는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 염화비닐, 염화비닐리텐, 플로오르수지, 아크릴수지, 폴리아미드수지, 아세탈수지, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리이미드 중에서 선택한 1종 또는 2종 이상이 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄소나노튜브와 고분자 매트릭스의 혼합온도는 180 ~ 300℃ 인 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 고전단 분산은 2000 ~ 5000 rpm의 전단속도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄소나노튜브 혼합물 중 탄소나노튜브의 함량은 0.1 ~ 30 중량%인 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 테이프 형상의 탄소나노튜브 혼합물은 두께가 0.1 ~ 5mm이고 너비가 0.1 ~ 50mm 사이인 것을 특징으로 하는 고분자 나노복합 성형물의 제조방법.
청구항 1 내지 7의 제조방법에 의하여 제조된 고분자 나노복합 성형물.
탄소나노튜브를 고분자 매트릭스와 혼합하여 탄소나노튜브 혼합물을 제조하는 단계;
상기 탄소나노튜브 혼합물을 고전단 분산하는 단계;
고전단으로 분산시킨 탄소나노튜브 혼합물을 일축 연신하여 테이프 형상으로 제조하는 단계;
테이프 형상의 탄소나노튜브 혼합물을 플라스틱 기재에 일정하게 배열하며 붙이는 단계;
탄소나노튜브 혼합물의 융점보다 높은 온도로 열처리하는 단계;
를 포함하여 플라스틱 기재의 표면에 탄소나노튜브가 함유된 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 성형체의 제조방법.