KR20120077772A - 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코어-쉘 구조의 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 코어성분은 폴리아미드 수지이고, 상기 쉘 성분은 폴리아미드 수지, 그래핀 및 은 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유는 대전방지성 및 항균성이 우수하며, 원가절감이라는 측면에서 경제성이 우수하다.

Description

그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유 및 그 제조방법 {Graphene-Polyamide composite fiber having an excellent electro-conductivity and the method of preparing the same}
본 발명은 폴리아미드계 전도성 복합섬유에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 그래핀 및 은나노 입자를 포함하는 아미드계 전도성 복합섬유에 관한 것이다.
본 발명은 항균성과 도전성을 가지는 복합기능성 섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
아미드섬유나 에틸렌 테레프탈레이트 섬유와 같은 합성섬유는 일반적으로 정전기가 발생하여 대전하기 쉬운 단점을 가지고 있다. 이러한 결점을 극복하기 위하여 합성섬유에 도전성을 가지게 하는 기술이 연구되어 왔다.
특히, 종래에는 고분자 수지의 전기적 물성을 개선할 목적으로 카본블랙(Carbon Black), 카본섬유(Carbon Fiber), 스틸섬유(Steel Fiber), 은 박편(Silver Flake)등의 충진제 첨가가 많이 연구되고 있으나, 상기 충진제의 원재료비가 고가이며, 기초수지로의 분산시 유동성이 충분히 확보되지 않는 문제점을 가지고 있다.
한편, 현대 사회에서 전기전도성 섬유의 경우 그 기능을 향상시켜 의류에 적용하기 위한 많은 노력을 기울이고 있으며, 섬유나 의복 자체가 외부 자극을 감지하고 스스로 반응하는 소재의 기능성, 직물자체가 갖지 못하는 기계적 기능성 등을 포함하는 신개념의 섬유 및 의류가 각광받고 있다. 본 발명에서는 이러한 기능적 측면에서 향균작용을 비롯한 여러 가지 특징으로 많은 관심을 받았지만 자체적인 충진제로서는 충분한 전기전도도를 제공하지 못한 은나노입자와 함께 상기 탄소나노튜브 등의 전도성 충진제를 대체할 수 있는 새로운 전도성 충진제를 도입하여 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 방안을 모색하였다.
본 발명의 목적은 대전방지성이 우수한 복합 섬유를 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 항균성이 우수한 복합 섬유를 제공하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 목적은 대전방지성 및 항균성이 우수한 복합섬유의 제조방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 구체예로서, 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 복합섬유로서, 상기 코어(Core)는 아미드 수지를 포함하고, 상기 쉘(Shell) 층은 아미드 수지 및 전도성 충진제로서 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유를 제공한다.
본 발명의 일 구체예로서, 상기 쉘 층은 은(Ag) 나노 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유를 제공한다
본 발명의 또 다른 구체예로서, 상기 그래핀은 쉘 층의 기초수지로 사용되는 폴리아미드 수지 100중량%에 대하여 2 내지 40 중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구체예로서, 상기 은 나노 입자는 쉘 층을 형성하는 기초수지로 사용되는 폴리아미드 수지 100 중량%에 대하여 0.01 내지 0.8 중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 코어와 상기 쉘층의 폴리아미드 수지는 코어-쉘층 전체 폴리아미드 수지 중량을 기준으로, 상기 코어는 70 내지 80 중량%의 폴리아미드 수지를 포함하고, 상기 쉘층은 20 내지 30 중량%의 폴리아미드 수지를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 코어-쉘 구조의 복합섬유를 제조하는 방법에 있어서, 상기 코어성분은 폴리아미드 수지이고, 상기 쉘 성분은 폴리아미드 수지, 그래핀 및 은 나노입자를 포함하며, 상기 코어 및 쉘 성분은 노즐 단면이 스킨형(Skin type)인 용융복합방사기를 이용하여 방사되어 복합섬유를 제조하는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유는 대전방지성이 우수하며, 은(Ag)을 포함하여 항균성이 우수하고, 원가절감이라는 측면에서 경제성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 복합섬유의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 종래기술인 탄소나노튜브를 포함하는 복합섬유의 단면을 도시한 것이다.
본 발명은 폴리아미드계 복합섬유에 관한 것으로 상기 폴리아미드계 복합섬유는 코어-쉘 구조를 갖는다. 상기 코어성분은 열가소성 수지로서 폴리아미드계 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 쉘의 기초수지로서 사용되는 열가소성 수지 역시 상기 코어 성분과 마찬가지로 폴리아미드계 수지가 사용된다. 이하, 폴리아미드계 수지에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
(A) 폴리아미드 수지
상기 폴리아미드 수지란 PA 6, PA 66, PA 11, PA 46, PA 12, PA 1212,　PA 1012, PA 610, PA 612, PA 69, PA 6T, PA 6I, PA 9T, PA 10T, PA 12T, PA 12I, PPA(polyphthalamide), 또는 PA MXD 6(poly-m-xylylene-adipamide) 등의 고분자 주쇄에 아미드(-NHCO-)기가 결합된 것으로, PPA/PPE, PA/PPS, PA/ABS 등와 같이 폴리아미드계 고분자 수지가 포함되어 있는 블렌드(blend)도 포함한다.
통상의 고분자/금속 복합재의 경우에는 전기전도성을 나타내나, 폴리아미드계 수지의 경우 극성인 아미드(-NHCO-)기를 포함함으로써 전자를 트랩(trap)하는 현상으로 인해 일정함량 이하의 금속성분과 함께 사용될 경우 전기절연성을 나타낸다. 　이에 따라 상기 폴리아미드계 수지는 우수한 성형성과 함께 전기절연성 및 고열전도성을 필요로 하는 수지 조성물에 매우 적합하다. 　
구체적으로는 폴리카프로아미드(나일론6), 폴리테트라메틸렌아디프아미드(나일론46), 폴리헥사메틸렌아디프아미드(나일론66), 폴리(헥사메틸렌 노난디아미드)(poly(hexamethylene nonanediamide), 나일론69), 폴리(헥사메틸렌 세바크아미드, poly(hexamethylene sebacamide), 나일론 610), 폴리카프로아미드/폴리헥사메틸렌아디파미드 코폴리머(나일론 6/66), 폴리(헥사메틸렌도데칸디아미드(poly(hexamethylene dodecanediamide), 폴리헥사메틸렌도데카아미드(나일론612), 나일론611, 폴리운데카노아미드(polyundecanoamide, 나일론11), 폴리도데카아미드(나일론 12), 폴리헥사메틸렌이소프탈아미드(나일론61), 폴리헥사메틸렌테레프탈아미드/폴리헥사메틸렌이소프탈아미드코폴리머(나일론 6T/6I), 폴리헥사메틸렌아디프아미드/폴리헥사메틸렌테레프탈아미드 코폴리머(나일론66/6T), 폴리비스(4-아미노시클로헥실)메탄도데카미드(나일론PACM12), 폴리비스(3-메틸-4-아미노시클로헥실)메탄도데카마이드(나일론 디메틸 PACM12), 폴리메타자일렌 아디파미드(MXD6), 폴리운데카메틸렌 테레프탈아미드(나일론 11T), 또는 폴리운데카 메틸렌헥사하이드로테레프탈아미드(나일론11T(H))을 사용할 수 있다. 　이들 화합물은 단독 또는 둘 이상의 혼합물이나 공중합체로서 사용할 수도 있다. 　이때 I는 이소프탈릭산을, T는 테레프탈릭산을 의미한다. 　
이들 중 바람직하게는 PA 66　또는 PPA를 사용할 수 있다. 　상기 나일론 중 PPA의 경우는 내열도가 높아 전기절연/열전도성 용도로 높은 내열도가 필요로 되는 소재에 바람직하게 사용될 수 있다. 　이 소재의 예로는 무연솔더링(lead free soldering) 공정이 적용되는 커넥터류, 램프 소켓 및 램프 리플렉터 등을 들 수 있다.
상기 폴리아미드계 수지는 본 발명에서 코어성분 뿐만 아니라 쉘의 기초수지로서 사용된다.
(B) 전기 전도성 충진재 - 그래핀
상기 쉘(shell) 층을 이루는 기초수지로는 상기 코어 성분과 마찬가지로 폴리아미드 수지가 사용된다. 본 발명의 복합섬유는 대전방지를 위한 전기전도성 및 항균성을 확보하기 위하여 상기 쉘 층의 열가소성 수지에 그래핀, 은(Ag) 나노입자, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 쉘 층의 폴리아미드 수지가 그래핀 및 상기 은 나노입자를 동시에 포함하는 경우, 상기 은 나노 입자는 상기 그래핀과 접합되고 혼재된 형태로 존재한다. 따라서 전도성이 우수한 그래핀과 은 나노 입자의 혼재되어 효율적인 전기전도 네트워크를 이루게 되므로 대전방지효과가 현저히 개선될 수 있다.
이하 본 발명의 쉘 성분으로서 그래핀 및 은나노입자에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상기 그래핀은 2차원 물질로서 밴드갭이 0(zero gap)인 반도체 물질이며, 최근 몇년간 그래핀의 전기적 특성에 관하여 다양한 연구들이 발표되고 있다. 이러한 그래핀의 전기적인 특성에는 양극성 수퍼 전류(biopolar supercurrent), 스핀이동(spin transport), 양자 홀 효과(quantum hole effect) 등이 포함된다. 상기 그래핀과 마찬가지로 탄소를 기반으로 하는 재료로서 탄소나노튜브를 들 수 있다. 그러나 탄소나노튜브는 상기 열가소성 수지, 예를 들면 폴리아미드 수지에 투입하는 경우 상기 열가소성 수지의 유동성이 저하되며, 유동성 저하에 따라 기초수지에 탄소나노튜브를 고르게 분산시킬 수 없다는 단점이 있다. 또한 탄소나노튜브는 원재료비가 지나치게 높아 탄소나노튜브를 전도성 물질로 포함하는 경우 경제성이 떨어지는 문제점을 가진다. 이에 본 발명자는 탄소나노튜브의 우수한 전도성을 확보함과 동시에 원가절감이 가능하다는 측면에서 그래핀을 본 발명의 복합섬유에 도입하였다.
상기 그래핀은 쉘 층의 기초수지로 사용되는 폴리아미든 수지 100중량%에 대하여 2 내지 40 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
(C) 항균성 충진재 - 은(Ag) 나노입자
본 발명은 상기 쉘 층에 상기 그래핀과 더불어 상기 은(Ag) 나노 입자를 더 포함할 수 있다. 일반적으로, 은(Ag)은 살균 및 탈취작용이 매우 뛰어나고, 전자파나 수맥파 차단 등의 효과도 매우 뛰어나다. 또한, 은(Ag)은 음이온을 비롯한 원적외선의 방사 효과가 뛰어나고, 항균 및 항곰팡이의 작용 또한 매우 뛰어난 것으로 알려져 있다. 그리고, 은(Ag)은 체내에서 면역력을 증강시키는 필수적인 금속 요소의 하나로 알려져 있다. 은(Ag) 이온은 쉽게 인체에 흡수되어 박테리아나 균류 등이 산소대사를 할 때 효소의 기능을 막으면서, 강력한 촉매역할을 하여 이들 병원체들을 살상하는 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 은을 나노화시켜서 된 미세한 입자의 분말을 원사의 원료에 투입 혼합시켜 방사함으로써 은 입자가 원사에 함침되도록 하며, 앞서 설명한 바와 같이 상기 은(Ag) 입자는 상기 그래핀과 접합된 상태로 혼재되어 존재하는 것이 바람직하다. 상기 은 나노 입자 자체는 전도성 충진제로서 충분한 전기전도도를 발휘하지는 못하지만, 상기 은 나노 입자를 쉘 층의 전기 전도성 수지에 그래핀과 더불어 투입하는 경우, 소량 첨가하여도 본 발명이 목적하는 대전방지 효과를 충분히 확보 할 수 있으므로 비용절감의 효과를 가져올 수 있으며, 폴리아미드 수지에 그래핀 투입시 분산성을 향상시킬 수 있고, 더불어 은 나노 입자의 본래적인 기능인 향균성을 확보할 수 있다.
상기 은 나노 입자는 쉘 층을 형성하는 기초수지로서 폴리아미드 수지 100 중량%에 대하여 0.01 내지 0.8 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 그래핀과 상기 은 나노입자는 50 : 1 내지 1 : 50 의 비율로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 범위로 그래핀과 은 나노 입자가 포함되는 경우 대전 방지성이 우수하며, 폴리아미드 수지로의 분산성 및 비용면에서 바람직하다.
본 발명의 복합섬유는 상기와 같이 전기전도성 및 항균효과가 우수하며, 다양한 기술분야에 다양한 용도로 사용될 수 있다. 필요에 따라서는, 상기 복합섬유를 절단하여 점 광원 에미터로 사용할 수도 있다.
복합섬유 제조방법
본 발명은 코어성분으로 폴리아미드 수지를 포함하며, 쉘 성분으로 기초수지인 폴리아미드 수지에 그래핀 및 은 나노입자가 혼재된 형태로 분산되어 존재한다. 상기 코어 및 쉘 성분은 용융복합방사기를 이용하여 복합섬유를 제조할 수 있다. 특히, 상기 용융복합방사기의 노즐 단면은 기존의 방법 대신 역으로 스킨형(Skin Type) 단면을 가진다. 따라서 상기 스킨형 단면은 원사의 표면(쉘층)에만 그래핀과 은나노입자를 포함시킬 수 있으며, 원사의 내부에 충진제를 포함하지 않음으로서 원가절감에 따른 경제적인 이익을 얻을 수 있다. 상기 방사방법은 복합방사로, 복합방사에 사용되는 복합사 노즐은 코어 부분과 쉘 부분의 원료가 따로 주입되는 것을 특징으로 한다.
실시예
실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5
쉘층의 그래핀 함량과 은나노입자의 함량, 및 코어와 쉘층의 폴리아미드 수지 함량을 하기 표1의 함량으로 사용하고, 코어와 쉘층의 폴리아미드 수지 함량 역시 하기 표 1의 함량으로 사용하여, 방사작업성, 항균성 및 전기전도성을 측정하였으며, 측정값을 표 1에 기재하였다.
쉘의 그래핀 함량 (중량%) 쉘의 은나노 함량
(중량%)		 코어:쉘 방사작업성 향균성
(폐렴균)		 전기전도성
(Ω/□)
실시예 1 20 0.4 80:20 양호 양호 105
실시예 2 30 0.4 80:20 양호 양호 104
실시예 3 2 0.4 80:20 양호 양호 107
비교예 1 80 0.4 80:20 불량 양호 105
비교예 2 20 0.4 60:40 불량 양호 105
비교예 3 20 0.005 80:20 양호 불량 106
상기 표 1에서 보듯이 그래핀, 은나노입자, 및 코어-쉘층의 폴리아미드 수지의 함량이 본 발명의 바람직한 수치범위 내에 속하는 경우, 실시예 1 내지 3의 물성 측정값에서 보듯이 방사작업성, 항균성이 양호하며, 전기전도성이 우수한 것을 알 수 있다.
그래핀을 과량 투입한 비교예 1의 경우 방사작업성이 불량이며, 은나노 입자를 과소 투입한 비교예 3의 경우 항균성이 불량이고, 코어-쉘의 폴리아미드 수지 함량이 본 발명의 바람직한 범위 외로 사용된 비교예 2의 경우 방사작업성이 불량으로 나타난 것을 확인 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 코어-쉘(Core-Shell)구조의 복합섬유로서, 상기 코어(Core)는 폴리아미드 수지(A)를 포함하고, 상기 쉘(Shell) 층은 폴리아미드 수지(A) 및 전도성 충진제로서 그래핀(B)을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 쉘 층은 은(Ag) 나노 입자(C)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유.
  3. 제1항에 있어서, 상기 그래핀(B)은 쉘 층의 기초수지로 사용되는 폴리아미드 수지 100중량%에 대하여 2 내지 40 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유.
  4. 제2항에 있어서, 은 나노 입자(C)는 쉘 층을 형성하는 기초수지로 사용되는 폴리아미드 수지 100 중량%에 대하여 0.01 내지 0.8 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유.
  5. 제2항에 있어서, 상기 그래핀(B)과 상기 은 나노입자(C)는 50 : 1 내지 1 : 50 의 비율로 포함되는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유.
  6. 제1항에 있어서, 상기 코어와 상기 쉘층의 폴리아미드 수지는 코어-쉘층 전체 폴리아미드 수지 중량을 기준으로, 상기 코어는 70 내지 80 중량%의 폴리아미드 수지를 포함하고, 상기 쉘층은 20 내지 30 중량%의 폴리아미드 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유.
  7. 코어-쉘 구조의 복합섬유를 제조하는 방법에 있어서, 상기 코어성분은 폴리아미드 수지(A)이고, 상기 쉘(shell)층 성분은 폴리아미드 수지(A), 그래핀(B) 및 은 나노입자(C)를 포함하며, 상기 코어 및 쉘층 성분이 노즐 단면이 스킨형(Skin type)인 용융복합방사기를 이용하여 방사되어 제조되는 것을 특징으로 하는 그래핀-폴리아미드 전도성 복합섬유의 제조방법.
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