KR20200083687A - 방열 및 전자파 차폐 특성이 우수한 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품 - Google Patents

방열 및 전자파 차폐 특성이 우수한 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방열 및 전자파 차폐 특성이 우수한 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 그로부터 제조된 성형품에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 특정 함량의 열가소성 수지, 카본 장섬유 및 열 안정제를 포함함으로써 우수한 기계적 물성과 전자파 차폐 특성을 구현하고, 방열성 충전재로서 그래핀 옥사이드를 사용함으로써 높은 열전도도 특성을 동시에 달성할 수 있는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품에 관한 것이다.

Description

방열 및 전자파 차폐 특성이 우수한 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품{Long fiber reinforced thermoplastic resin composition having excellent thermal conductivity and EMI shielding property and molded article comprising the same}
본 발명은 방열 및 전자파 차폐 특성이 우수한 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 그로부터 제조된 성형품에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 특정 함량의 열가소성 수지, 카본 장섬유 및 열 안정제를 포함함으로써 우수한 기계적 물성과 전자파 차폐 특성을 구현하고, 방열성 충전재로서 그래핀 옥사이드를 사용함으로써 높은 열전도도 특성을 동시에 달성할 수 있는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품에 관한 것이다.
금속소재는 주위 환경에 의해 가해지는 열 에너지를 빠른 속도로 확산시켜주기 때문에, 열에 민감한 전자 부품을 국부적으로 고온환경에서 보호할 수 있으며 또한, 높은 기계적 강성을 구현할 수 있지만, 금속 소재로 작동되는 전자파 차폐의 효과는 상기한 바와 같이 주로 반사작용에 의해 기인되어 기기 내부에서 발생되는 전자파의 효과적인 차폐를 구현하는 데는 부족함이 있고, 복잡하고 다양한 디자인의 제품을 대량 생산하는 데에 있어 연속 생산성 및 후 공정에 드는 비용이 높으며, 고밀도로 인해 경량화 소재를 구현하는 데 한계가 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 다양한 열전도성 열가소성 소재에 대한 연구가 개발되어 왔고, 최근 전자 기기의 고집적화와 고성능화로 인해 기기 내에서 보다 많은 열과 전자파가 발생되고 있다. 특히 지속적으로 전자/정보화 환경이 발전함에 따라 고주파 대역의 사용량이 증가하고, 고밀도 디바이스에 의한 전자파 출력이 증가함에 따라 기존에 비하여 광범위한 주파수 범위에서 전자파 장해가 발생되고 있으며, 이는 산업적, 군사적, 환경적 측면에서 큰 이슈가 되고 있다. 이러한 이유로 소재 주변의 환경에서 발생되는 열 및 전자파를 빠르게 확산시켜 열 환경에 노출되지 않게 하거나 전자파를 차단하는 방열 소재 또는 전자파 차폐 기능을 구현하는 열가소성 소재에 대한 요구가 증대되고 있다.
또한, 이러한 열가소성 방열 소재의 개발에 있어서 열가소성 수지의 유동 특성과 내열 특성은 매우 중요한 인자이다.
전술한 다양한 산업적 이슈와 방열 소재 적용을 위한 열가소성 수지에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 왔다. 예컨대, 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0096356호에서는 열가소성 수지에 방열 충전재로서 25부피% 미만의 세라믹 고체를 투입함으로써 열전도성 열가소성 수지를 제조하는 방법을 개시하고 있으나, 이렇게 세라믹 충전재를 사용하면 전기 전도성이 현저하게 떨어지고 사출물의 열전도성 향상도 미흡하다는 단점이 있다.
대한민국공개특허공보 제2007-0135608호에는 열가소성 수지에 흑연과 세라믹 충전재, 섬유상 무기충전재를 혼합한 수지 조성물이 개시되어 있다. 그러나 이 기술은 절연특성을 부여하기 위해 카본계 필러와 세라믹을 혼합 사용함으로써, 흑연 투입에 제약을 갖게 되어 높은 열전도도 특성을 부여하기 어려운 단점이 있어 높은 열전도도가 요구되는 부품에는 적용하기 어렵다. 또한, 소재 재활용 측면에서도 방열 필러 단일 시스템보다 불리한 측면이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2012-0078256호에는 방열 충전재로 흑연을 사용하고, 섬유상 무기충전재로 유리섬유와 탄소섬유를 혼합 사용한 고열전도성 수지 조성물을 개시하고 있으나, 무기충전재를 혼합하여 사용하기 때문에 사출물의 열전도성 향상이 미비하다는 단점이 있다.
일본공개특허공보 제2002-146187호에서는 방열 충전재로 알루미나를 사용하여 유동성이 우수한 열전도성 수지 조성물을 개시하고 있으나, 방열 효과가 적은 알루미나를 사용하기 때문에 사출물의 열전도도가 1 W/m·K 수준으로 방열 특성의 이점이 부족하며, 알루미나의 가격이 비싸 플라스틱 사출물의 단가가 올라가는 단점이 있다.
일본공개특허공보 제2003-336956호에서는 열가소성 수지에 실란계 화합물과 방열 충전재로서 흑연을 혼합한 수지 조성물이 개시되어 있다. 그러나 이 기술은 높은 기계적 강도를 유지하기 위해 방열 충전재의 사용량을 줄임으로써 열전도도가 4 W/m·K 수준으로 방열 특성의 이점이 부족한 단점이 있다.
따라서, 높은 열전도도 및 전자파 차폐 특성을 구현하며, 이와 함께 기계적인 물성을 동시에 구현하는 열가소성 수지 조성물에 대한 개발이 여전히 요청되고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 우수한 기계적 물성과 전자파 차폐 특성을 구현하고, 방열성 충전재로서 그래핀 옥사이드를 사용함으로써 높은 열전도도 특성을 동시에 달성할 수 있는 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은, 수지 조성물 총 100 중량부를 기준으로, (A) 열가소성 수지 50 내지 90 중량부, (B) 그래핀 옥사이드 0.05 내지 1 중량부, (C) 카본 장섬유 10 내지 48 중량부 및 (D) 열 안정제 0.1 내지 5 중량부를 포함하는, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물를 포함하는 성형품이 제공된다.
본 발명에 따른 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물은 높은 열전도도 및 전자파 차폐 특성과 함께, 우수한 압/사출 성형성 및 기계적 물성을 나타내고, 제조원가도 저렴하기 때문에, 이를 사용하여 우수한 방열 특성을 나타내는 압/사출 성형품을 저렴하게 제조할 수 있고, 이러한 성형품은 특히 자동차, 전기, 전자 부품, LED 조명 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
이하에서 본 발명을 구성 요소 별로 상세히 설명한다.
본 발명의 장섬유 강화 열가소성 수지는 장섬유를 인발성형장치에 걸어두고, 수지가 용융되어 있는 함침조를 통과하여 수지가 "피복"된 섬유를 의미하는 것이며, 상기 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물은 최종적으로 펠렛 형태로 제조되며, 따라서 장섬유가 펠렛의 길이 방향에 평행하게 보강되어 있으며, 펠렛의 길이에 따라서 5 내지 30mm로 생산될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은, (A) 열가소성 수지 50~90 중량부, (B) 그래핀 옥사이드 0.05~1중량부, (C) 카본 장섬유 10~48중량부, 및 (D) 열 안정제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(A) 열가소성 수지
본 발명의 수지 조성물에 사용되는 열가소성 수지는 특별히 한정되지 않는다.
다만 수지의 유동 특성이 방열특성을 구현할 수 있는 카본장섬유의 함침율과 밀접한 관계가 있으로, 열가소성 수지의 유동성이 높을수록 동일한 필러에 대해 보다 고함침을 시킬 수 있기 때문에 높은 방열 특성을 나타내는 데 유리하다.
이러한 열가소성 수지들로서 범용 플라스틱으로는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 폴리아미드(나일론 6, 나일론 66, 나일론 12 등), 폴리에스테르 수지(폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등), 폴리페닐렌옥사이드와 같은 폴리아릴렌옥사이드계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 및 폴리페닐렌설파이드 수지, 열방성 액정고분자, 아로마틱폴리아미드, 폴리아릴레이트, 폴리술폰, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르이미드, 열방성 액정고분자계 수지, 폴리에테르케톤 등에서 선택적으로 사용될 수 있다.
예컨대, 열가소성 수지로는, 열가소성 수지가 수평균분자량 17,000 이하인 폴리아미드, 수평균분자량 20,000 이하인 폴리카보네이트, 수평균분자량 23,000 이하인 폴리에스테르 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
바람직하게는 본 발명에서는 유동성을 고려하여 수평균분자량(Mn)이 7,000 내지 17,000인 폴리아미드 수지를 사용할 수 있다. 바람직하게는 9,000 내지 17,000, 보다 바람직하게는 10,000 내지 13,000, 보다 더 바람직하게는 11,000 내지 12,000일 수 있다. 또한, 수평균분자량이 10,000 내지 20,000, 바람직하게는 12,000 내지 19,000, 보다 바람직하게는 13,000 내지 18,000, 보다 더 바람직하게는 15,000 내지 17,500인 폴리카보네이트 수지를 사용할 수 있다. 또한, 수평균분자량 15,000 내지 23,000, 바람직하게는 16,000 내지 22,000, 보다 바람직하게는 18,000 내지 21,000, 보다 더 바람직하게는 19,000 내지 20,500인 폴리에스테르 수지를 사용할 수 있다.
상기 열가소성 수지, 즉 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지 또는 폴리에스테르 수지의 수평균분자량이 상기 수치범위보다 낮은 경우 기계적 물성을 확보하기 어렵고, 상기 수치범위를 초과하면 유동성 및 내후성이 저하될 수 있다.
상기 폴리아미드 수지로는 고리 구조의 락탐(lactam), w-아미노산 또는 이들 중 2종 이상을 축중합하여 제조된 것을 사용할 수 있고, 2가산(diacids) 및 디아민(diamine)을 단량체로 사용할 수 있다.
상기 폴리아미드 수지로는 호모폴리아미드, 코폴리아미드 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 폴리아미드 수지는 결정성, 반결정성 또는 비결정성 수지일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 폴리아미드 수지는 구체적으로, 폴리 헥사메틸렌디아민 아디프아미드(나일론 6,6), 폴리헥사메틸렌디아민 세바스 아미드(나일론 6,10), 폴리헥사메틸렌 라우로아미드(나일론 6,12), 폴리테트라메틸렌디아민 아디프아미드(나일론 4,6), 폴리카프로락탐(나일론 6), 폴리라우로락탐(나일론 12) 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 수지 조성물 100 중량부 내에는, 상기 열가소성 수지가 50 내지 90 중량부의 양으로 포함되며, 보다 바람직하게는 55 내지 88 중량부, 보다 더 바람직하게는 58 내지 88 중량부의 양으로 포함될 수 있다. 수지 조성물 100 중량부 내의 열가소성 수지의 함량이 50 중량부 미만일 경우에는 가공성 및 사출 성형성이 확보되지 않는 문제가 있을 수 있고, 반대로 열가소성 수지의 함량이 90 중량부 초과일 경우에는 전자파 차폐, 열전도도 등의 물성 또는 내후성 및 열 안정성 등의 기타 물성 향상을 위한 첨가제 함량이 상대적으로 감소되어 전반적인 물성 저하의 문제가 있을 수 있다.
상기 열가소성 수지 함량의 하한은, 예를 들면, 50 중량부 이상, 55 중량부 이상, 60 중량부 이상, 65 중량부 이상, 70 중량부 이상 또는 75 중량부 이상일 수 있고, 상한은 90 중량부 이하, 85 중량부 이하, 80 중량부 이하, 75 중량부 이하, 70 중량부 이하 또는 65 중량부 이하일 수 있다.
(B) 그래핀 옥사이드
그래핀은 두 개의 탄소원자가 이중결합을 하고 있고, 탄소원자 사이를 직접 연결하는 시그마 결합 외에 탄소원자 위아래로 튀어나온 p오비탈이 연결된 파이결합이 존재하는 독특한 구조를 가지고 있다. 탄소원자의 이중 결합이 좀더 확장될 경우 p오비탈의 중첩도 같이 확장된다. 그래핀을 구성하는 6각형 그물 모양의 탄소원자들 역시 벤젠의 경우와 마찬가지로 p오비탈들이 중첩된 파이결합으로 연결되어 있다. 이처럼 인접한 탄소원자들 사이에 중첩되어 있는 p오비탈에서 자유전자들이 이동할 수 있기 때문에 그래핀은 매우 우수한 전기 전도도를 갖는다.
그래핀의 합성법으로는, 스카치테이프를 이용하여 흑연으로부터 단층 그래핀을 분리해 내는 기계적 박리법(top-down방식), 그래핀 옥사이드를 환원제를 사용하거나 열처리로 환원하여 합성하는 화학적 박리법, 고온에서 질소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 탄소원자로부터 성장시키는 화학증기기착법(bottom-up), 고온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄소를 표면의 결을 따라 그래핀으로 성장시키는 에피택시 합성법 등이 널리 알려져 있다.
상기 설명한 바와 같은 통상의 방법으로 합성한 그래핀은 수득률이 적고, 얇은 필름막 형태로 얻어지므로 수지 조성물에 응용하기가 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 압출기에 투입할 수 있을 정도의 안정적 수율과 형태를 유지할 수 있는 그래핀 옥사이드를 사용한다. 본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 그래핀 옥사이드는 용매열 합성을 이용하여 생산된 것을 사용한다. 이 구체예에 있어서의 용매열 합성법에 따르면, 먼저 나트륨(Sodium)과 에탄올(ethanol)을 분자비 1:1로 반응용기에 넣고 퍼니스에 투입하여 220℃ 72시간 동안 반응시킨 후, 만들어진 선도물질을 짧은 시간 열처리하고, 증류수로 씻어낸 후, 진공오븐에서 100℃ 24시간 동안 건조시켜 그래핀 옥사이드를 얻을 수 있다.
그래핀 옥사이드가 우수한 열전도율을 가지기는 하나, 이를 대량합성하기 어렵고, 생산비용이 높으며, 벌크 밀도가 너무 낮고, 입자 간 반데르발스 힘에 의하여 압출기로의 투입성도 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 그래핀 옥사이드를 단독 사용하지 않고, 흑연과 조합하여 소량의 그래핀 옥사이드를 사용함으로써 압출기로의 투입 시 손실을 막고, 투입을 용이하게 하였을 뿐만 아니라, 가공성을 증가시켜 고 열전도도를 유지하면서 압출을 가능하게 한 것이다.
본 발명에 있어서, 그래핀 옥사이드의 입경은 1~10 ㎛인 것이 바람직하고, 그 열전도율은 통상 4500~5500 W/m·k 수준이다.
본 발명의 수지 조성물 100 중량부 내에는, 상기 그래핀 옥사이드가 0.05 내지 1 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 1 중량부, 보다 더 바람직하게는 0.5 내지 1 중량부 포함된다. 조성물 내 그래핀 옥사이드 함량이 0.05 중량부 미만이면 열전도도 향상 효과가 미미하고, 1 중량부를 초과하면 부피가 커져 압출 스트랜드의 무게가 가벼워져 연속공정이 힘들어진다.
상기 그래핀 옥사이드 함량의 하한은, 예를 들면, 0.05 중량부 이상, 0.07 중량부 이상, 0.1 중량부 이상, 0.2 중량부 이상, 0.3 중량부 이상 또는 0.5 중량부 이상일 수 있고, 상한은 1 중량부 이하, 0.9 중량부 이하, 0.8 중량부 이하, 0.7 중량부 이하, 0.6 중량부 이하 또는 0.55 중량부 이하일 수 있다.
(C) 카본 장섬유
상기 카본 장섬유는 표면 처리된 것일 수 있으며, 이때 표면 처리제로는 통상적으로 많이 사용되는 실란계 또는 티타네이트계 저분자량 또는 고분자량 중합체를 사용할 수 있다. 표면처리제 중 적어도 하나는 열가소성 수지와 친화성이 좋은 표면처리제가 사용되는 것이 바람직하고, 용융 함침 방법, 분말 대전 방식 등 공지된 다양한 방법에 의하여, 열가소성 수지에 연속적으로 함침시킬 수 있다.
상기 카본 장섬유는 우레탄 수지로 집속되어 있을 수 있다.
특별히 한정하지 않으나, 본 발명에서는 공지된 다양한 방법 중 대량생산성과 효율성을 고려하여 인발 성형(pultrusion) 방법을 사용하여 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 펠렛 형태로 제조하여 사용할 수 있다. 예컨대, 열가소성 수지 조성물을 인발 성형(pultrusion) 장비의 수지 주입부에 투입하여, 다이스에 통과시키면서 로브 형태의 카본 장섬유를 풀링 및 스퀴징의 공정을 거쳐 함침시키고, 상기 함침된 상태로 연속상의 스트랜드를 인발(pultrusion)하여 냉각하고 펠렛 형태로 절단하여 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 펠렛 형태로 제조할 수 있다.
본 발명의 수지 조성물 100 중량부 내에는, 상기 카본 장섬유가 10 내지 48 중량부의 양으로 포함되며, 보다 바람직하게는 15 내지 45 중량부, 보다 더 바람직하게는 18 내지 40 중량부의 양으로 포함될 수 있다. 수지 조성물 100 중량부 내의 카본 장섬유의 함량이 10 중량부 미만일 경우에는 기계적 강성의 개선 효과와 열전도도가 미미해질 수 있고, 반대로 카본 장섬유의 함량이 48 중량부 초과일 경우에는 충격 보강제, 열 안정제 및 기타 첨가제의 투입량이 제한되므로 내충격성 및 내후성이 저하되고, 가공성이 떨어지며, 열가소성 수지 표면으로 카본 장섬유가 도출되거나, 사출 성형품 내의 카본 장섬유의 분산이 불균일할 수 있다.
상기 카본 장섬유 함량의 하한은, 예를 들면, 10 중량부 이상, 12 중량부 이상, 15 중량부 이상, 20 중량부 이상, 25 중량부 이상 또는 30 중량부 이상일 수 있고, 상한은 48 중량부 이하, 45 중량부 이하, 40 중량부 이하, 35 중량부 이하, 30 중량부 이하 또는 25 중량부 이하일 수 있다.
(D) 열 안정제
본 발명의 수지 조성물은 내열강도 및 내후 특성을 향상시키기 위해 열 안정제를 포함한다.
일반적으로 1차 열 안정제는 라디칼을 흡수할 수 있도록 설계되어 있다. 또한 1차 열 안정제의 가공 안정성의 향상 및 가혹한 가공 조건을 적용 가능하게 하기 위하여 페놀, 황 또는 인 등이 적용된 2차 열 안정제를 병용하기도 한다. 본 발명에서는 2차 열 안정제에 준하는 역할을 수행하도록, 열 안정제를 사용한다. 열 안정제의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 할로겐화 구리염 과 포스페이트계 열 안정제를 혼합하여 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 요오드(iodine)화 구리염과 포스페이트계 열 안정제를 사용할 수 있다.
본 발명의 수지 조성물 100 중량부 내에는, 상기 열 안정제의 혼합이 0.1 내지 5 중량부의 양으로 포함되며, 보다 바람직하게는 0.1 내지 3 중량부, 보다 더 바람직하게는 0.1 내지 2 중량부 또는 0.1 내지 1 중량부의 양으로 포함될 수 있다. 수지 조성물 100 중량부 내의 열 안정제의 함량이 0.1 중량부 미만일 경우에는 열 안정제 첨가에 따른 내열강도 및 내후 특성 향상 효과가 미미할 수 있고, 반대로 열 안정제의 함량이 5 중량부 초과일 경우에는 기계적 물성 및 가공성이 저하될 수 있다.
상기 열 안정제 함량의 하한은, 예를 들면, 0.1 중량부 이상, 0.5 중량부 이상, 1 중량부 이상, 1.5 중량부 이상, 2 중량부 이상 또는 2.5 중량부 이상일 수 있고, 상한은 5 중량부 이하, 4.5 중량부 이하, 4 중량부 이하, 3.5 중량부 이하, 3 중량부 이하 또는 2.5 중량부 이하일 수 있다.
(E) 기타 임의의 추가 성분
본 발명의 수지 조성물에는, 전술한 성분들 이외에도 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 필요에 따라 기타 첨가제가 추가될 수 있다.
상기 기타 첨가제의 종류는 특별히 한정되지 않고, 열가소성 수지 조성물에 통상적으로 사용되는 첨가제가 제한 없이 사용될 수 있고, 예를 들면, 상용화제, 산화 방지제, 윤활제 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 하나 이상 사용할 수 있다.
상기 기타 첨가제의 함량은 특별히 제한되지 않고, 사용 목적 및 용도에 따라 본 발명의 수지 조성물 총 100 중량부 기준하여, 0.1 내지 15 중량부 내에서 사용될 수 있다.
본 발명의 수지 조성물로부터 제조된 pellet 길이는 5 mm 내지 30 mm 를 포함하며, 보다 바람직 하게는 6 mm 내지 18 mm의 길이로 포함될 수 있다. 펠렛의 길이는 인발 후 커터의 속도에 따라 조절될 수 있으며, 수지 조성물 펠렛의 길이가 5 mm 미만인 경우에는 섬유길이가 짧아져 기계적 강도가 약간 증가하지만 열 및 전기전도성과 전자파 차폐 특성이 저하되고, 펠렛의 길이가 20 mm보다 길어진 경우 열 및 전기전도성과 전자파차폐 특성이 상승하지만 기계적 강도가 하락할 수 있다.
상기와 같이 하여 얻어진 본 발명의 열전도성 열가소성 수지 조성물은 현저히 높은 열전도도 및 우수한 기계적 강도, 압/사출 성형성을 동시에 나타내기 때문에, 이를 압/사출 가공하면 현저히 우수한 방열 특성을 나타내는 성형품, 예컨대 자동차, 전기 제품, 전자 제품, LED 조명용 성형품(예: 하우징, 히트 싱크)을 얻을 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 및 비교예 ]
본 실시예 및 비교예에서 사용한 성분들은 구체적으로 다음과 같다.
(A) 열가소성 수지
(A-1) 폴리아미드
(A-1-1) 수평균분자량 11,500 인 폴리아미드6
(A-1-2) 수평균분자량 30,000인 폴리아미드6
(A-2) 폴리카보네이트
(A-2-1) 수평균분자량 17,000인 폴리카보네이트 수지
(A-2-2) 수평균분자량 22,000인 폴리카보네이트 수지
(A-3) 폴리에스테르
(A-3-1) 수평균분자량 20,000인 폴리에틸렌테레프탈레이트
(A-3-2) 수평균분자량 26,000인 폴리에틸렌테레프탈레이트
(B) 그래핀 옥사이드: 입경 6㎛이고, 열전도율 5000W/m·k
(C-1) 카본 장섬유 : 카본 장섬유(C-1)로는 Diameter가 6 ㎛ 이며, 우레탄 레진으로 집속되어 있고, 필라멘트 number 12,000을 가지는 PAN 계 탄소 장섬유 토우를 사용하였다.
(C-2) 유리 장섬유 : 유리 장섬유(C-2)로는 Diameter가 12 ㎛이며, 에폭시 레진으로 집속되어 있고, 실란으로 표면 처리된, 필라멘트 number 2,000을 가지는 유리 장섬유 토우를 사용하였다.
(C-3) 카본 단섬유 : 카본 단섬유(C-3)로는 Diameter가 6 ㎛, 길이는 6 mm 이며, 우레탄 레진으로 집속되어 있고, 필라멘트 number 12,000을 가지는 PAN 계 탄소 탄섬유를 사용하였다.
(C-4) 유리 단섬유: 유리 단섬유(F-4)로는 Diameter가 12 ㎛, 길이는 4 mm 이며, 실란으로 표면 처리된, 필라멘트 number 3,500을 가지는 유리 단섬유를 사용하였다.
(D) 열 안정제: CuI (Incasa 社)(Cuprous Iodide), KI (Incasa 社)(Potassium Iodide), 다이소듐 파이로포스페이트를 1:1:1 비율로 혼합하여 사용하였다.
상기 조성을 바탕으로 단섬유 강화 조성물은 압출가공하여 실험하였으며, 장섬유 강화 조성물은 압출 후 인발 공정을 통하여 장섬유 강화 조성물 펠렛을 제조하여 실험하였다.
각 실시예 1 내지 6, 비교예 1 내지 5 및 비교예 8 내지 10: 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물 펠렛 제조
하기 표 1, 4 및 7에 나타낸 성분 및 함량 중 카본 장섬유(C-1) 및 유리 장섬유(C-2)를 제외한 성분을 혼합, 압출하여 열가소성 수지 조성물 마스터 배치를 제조하였다.
인발성형(pultrusion) 장치의 수지 주입부에 상기 제조된 열가소성 수지 조성물 마스터 배치를 투입하였다.
로브 형태의 카본 장섬유(C-1) 및 유리 장섬유(C-2)를 각각 인발성형기의 다이스에 통과시키면서 상기 장섬유에 열가소성 수지 조성물을 풀링 및 스퀴징의 공정을 거쳐 함침시키고, 상기 함침된 상태로 연속상의 스트랜드를 인발(pultrusion)하여 냉각하고 30mm 길이의 펠렛 형태로 절단하여 장섬유 강화 열가소성 수지 펠렛을 제조하였다.
각 비교예 6 및 7: 단섬유 강화 열가소성 수지 조성물 펠렛 제조
하기 표 1, 4 및 7에 나타낸 비교예 6, 7의 성분 및 함량으로 L/D=48, Φ=25인 이축 용융 혼련압출기에서 용융온도 230~250oC, 150rpm의 스크류 회전 속도, 약 -600mmHg의 제 1 벤트(vent) 압력 및 20kg/h의 자가 공급 속도의 조건 하에서 압출하였다. 압출된 스트랜드를 물에서 냉각시킨 후, 회전 절단기로 절단하여 단섬유 강화 열가소성 수지 조성물 펠렛을 제조하였다.
<물성측정>
(1) 내열 인장강도 변화율(ΔTS): ASTM D638 기준, 140 ℃, 1000 시간
(2) 열전도도In(In-Plane)/열전도도(Through-Plane):
ASTM E1461(Laser flash method)기준, 시편길이 10x10mm, 두께: 2mm
(3) 전자파 차폐(dB): ASTM D4935
(4) 내후성(ΔE): 2개의 지각객의 지각적 상위를 수치로 표현한 L, a, b 색차 개념에서 ΔE(L,a,b) = (ΔL)2 + (Δa)2 + (Δb)2, 외부시험의뢰 (한국건설생활환경시험연구원, 조사량 2500 KJ/m2 기준)
(5) 압출가공성: 압출가공 시 스트랜드(strand)의 끊어짐 정도에 따라 하기 기준으로 상대 비교
- ◎: 끊어짐 없음 - ○: 끊어짐 30% 미만
-△: 끊어짐 70% 미만 - X : 압출 불가능
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
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Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009

Claims (8)

  1. 수지 조성물 총 100 중량부를 기준으로,
    (A) 열가소성 수지 50 내지 90 중량부,
    (B) 그래핀 옥사이드 0.05 내지 1 중량부,
    (C) 카본 장섬유 10 내지 48 중량부 및
    (D) 열 안정제 0.1 내지 5 중량부를 포함하는,
    장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 열가소성 수지가 수평균분자량 17,000 이하인 폴리아미드, 수평균분자량 20,000 이하인 폴리카보네이트, 수평균분자량 23,000 이하인 폴리에스테르 또는 이들의 혼합물인, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, (B) 그래핀 옥사이드의 입경이 1~10 ㎛이고, 열전도율이 4500~5500 W/m·k 인, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, (C) 카본 장섬유는 실란계 또는 티타네이트계 중합체로 표면 처리된 것인, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서, (D) 열 안정제는 포스페이트계 열 안정제와 할로겐화 구리염을 포함하는, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 수지 조성물이 펠렛 형태로 제조되고, (C) 카본 장섬유가 상기 펠렛의 길이 방향에 평행하게 배열되며, (E) 카본 장섬유의 길이와 상기 펠렛의 길이가 5 내지 30mm로 동일한 것인, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상용화제, 산화 방지제, 윤활제 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 추가로 포함하는, 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 장섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 포함하는 성형품.
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