인장강도가 우수한 전기전도성 아라미드지{Electroconductive Aramid Paper Having Excellent Tensile Strength}
본 발명은 아라미드지(aramid paper)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 표면저항이 낮아 전기전도성의 성질을 나타내고, 인장강도가 우수하여 내구성이 양호한 전기전도성 아라미드지에 관한 것이다.
메타아라미드지 라고 불리는 시트는 이미 여러 종류가 개발되고, 사용되어 왔다. 이 종이의 주용도로는 전기 절연물, 허니콤(Honeycomb) 구조재료 등이 있다. 전기 절연물로서의 상기 시트는 변압기, 전동기와 같은 코일의 절연물이나 프린트 기판 등에 널리 사용되고 있고, 어느 정도 도전성을 가지는 시트는 그 도전성의 정도에 따라 발열체, 정전기 방전을 위한 전도성 테이프 등에 사용된다. 메타아라미드지는 보통 내열성 섬유로 이루어진 피브리드(fibrids) 및 플록(floc)을 혼합하고 슬러리(slurry)화하여 습식초지법으로 제조된다. 내열성 섬유로서는 메타아라미드 섬유, 파라아라미드 섬유, 아릴레이트(arylate) 섬유와 같은 유기계 내열성 섬유와 유리섬유, 석면과 같은 무기섬유가 있다. 아라미드지에 도전성을 부여하여 발열체, 전자기 차폐재, 전도성 테이프 등의 용도로 사용될 수 있다. 아라미드지에 도전성을 부여하기 위하여, 일본특개평 제4-65226호, 일본특개평 제4-153399호에서는 내열성 섬유로 탄소섬유, 금속섬유 등을 사용한 것이 기재되어 있다. 상기와 같이 아라미드지에 도전성을 부여하는 경우, 도전성 섬유의 비중이 아라미드 섬유보다 크고, 습식 초지기를 이용하여 웹 상태로 하는 과정에서 분산성이 떨어져 균일한 적층이 곤란한 문제점이 있다. 국제공개특허 WO2006-127819호에서는 전도성 아라미드지 제조에 있어서, 메타아라미드 플록(floc), 메타아라미드 피브리드(fibrids) 및 전도성 충전재(탄소섬유)를 혼합하여 웹을 제조하고, 표면저항성을 낮추기 위해 고온에서 압축하는 캘린더링(calendering) 공정을 거치지 않고 페이퍼를 제조한 것이 기재되어 있다. 상기와 같이 아라미드지에 도전성을 부여하는 경우, 표면저항이 낮아져 어느 정도 도전성은 발휘하나, 인장강도가 낮아져 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 파라아라미드 플록(floc), 메타아라미드 피브리드 및 전도성 충전재로 탄소섬유를 사용하여 웹을 형성시킨 후 캘린더링(calendaring) 공정을 거쳐 파라아라미드 플록에 의해 인장강도가 우수한 전기전도성 아라미드지를 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 전기전도성을 갖는 아라미드지를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적은 인장강도가 우수한 아라미드지를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 전기전도성 및 인장강도가 우수한 아라미드지의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 상기 기타 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명은 파라아라미드 플록, 메타아라미드 피브리드, 및 전도성 충전재로 이루어진 수성 분산용액으로 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 습식초지법을 통하여 웹을 형성시킨 후 닙 롤러(Nip Roller)를 거쳐 탈수시키고, 캘린더링(calendaring)하는 방법에 의하여 제조된 전기전도성 아라미드지에 있어서, 파라아라미드 플록 10 내지 60 중량%, 메타아라미드 피브리드 20 내지 70 중량% 및 전도성 충전재 5 내지 20 중량%를 포함한다. 파라아라미드 플록은 폴리(파라페닐렌테레프탈아미드) 플록일 수 있고, 메타아리미드 피브리드는 폴리(메타페닐렌이소프탈아미드) 피브리드일 수 있다. 전도성 충전재는 탄소섬유일 수 있다. 아라미드지는 ASTM D 828에 준하여 측정한 인장강도가 40 내지 65 N/cm이고, ASTM D 257에 준하여 측정한 표면저항이 200 내지 400 Ω/sq일 수 있다. 또한, 본 발명은 파라아라미드 플록 10 내지 60 중량%, 메타아라미드 피브리드 20 내지 70 중량% 및 전도성 충전재 5 내지 20 중량%의 수성 분산용액으로부터 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 습식초지법을 통하여 웹을 형성시킨 후 닙 롤러(Nip Roller)를 거쳐 탈수시키고, 그리고, 캘린더링(calendaring)하는 단계로 이루어지는 인장강도가 우수한 전기전도성 아라미드지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 아라미드지는 전도성 충전재로 탄소섬유를 첨가하여 표면저항을 낮추어 전기전도성을 갖고, 파라아라미드 플록을 사용하여 인장강도가 우수한 아라미드지를 제공한다.
본 발명은 표면저항이 낮아 전기전도성의 성질을 나타내고, 인장강도가 우수하여 내구성이 양호한 전기전도성 아라미드지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 아라미드지(aramid paper)는 파라아라미드 플록, 메타아라미드 피브리드 및 전도성 충전재를 포함하며, 전기전도성을 갖고 인장강도가 우수하다. 이하 구체적인 내용을 상세히 설명한다.
아라미드지 본 발명의 인장강도가 우수한 전기전도성 아라미드지는 파라아라미드 플록, 메타아라미드 피브리드, 전도성 충전재로 탄소섬유를 첨가하여 습식초지법으로 웹을 형성하고, 고온 고압으로 캘린더링하여 제조가 가능하다. 본 발명에 따른 아라미드지는 파라아라미드 플록 10 내지 60 중량%, 메타아라미드 피브리드 20 내지 70 중량% 및 전도성 충전재 5 내지 20 중량%를 포함한다. 본 발명의 아라미드지는 아라미드 중합체로 제조된 섬유를 포함할 수 있다. 파라아라미드 플록은 파라아라미드 필라멘트를 일정 길이로 절단하여 제조가 가능하다. 플록의 길이는 약 2 내지 7 mm, 직경은 약 5 내지 14 μm가 바람직하다. 플록의 길이가 2 mm 미만이면 강한 종이를 만들기가 어렵고, 길이가 7 mm 초과하면 습식초지법에 의해 균일한 웹을 형성하기 어렵다. 플록의 직경이 5 μm 미만이면, 플록을 제조하기 위한 파라아라미드 섬유 제조가 용이하지 않고, 플록의 직경이 14 μm 초과하면 종이의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다. 본 발명의 아라미드지는 파라아라미드 플록 10 내지 60 중량%를 포함한다. 파라아라미드 플록이 10 중량% 미만일 경우, 아라미드지가 부서지기 쉽고, 인열 강도가 떨어지는 문제점이 있다. 반면, 파라아라미드 플록이 60 중량% 초과일 경우, 상대적으로 아라미드지를 구성하는 피브리드의 함량이 줄어들게 되어 인장강도가 저하되는 문제점이 있다. 본 발명의 아라미드지는 또한 메타아라미드 피브리드를 포함한다. 피브리드는 길이가 약 100 내지 1000 μm이고, 직경은 약 0.1 내지 1 μm이다. 미국특허 제 3756908호에 기재된 바와 같이, 피브리드는 중합체 용액을 피브리데이터(fibridater) 내에서 비용매와 접촉시키면서 침전 및 강한 전단응력을 받도록 하여 제조할 수 있다. 본 발명의 아라미드지는 메타아라미드 피브리드 20 내지 70 중량%를 포함한다. 메타아라미드 피브리드가 20 중량% 미만일 경우, 플록을 제대로 결속하지 못해 인장강도가 떨어지는 문제점이 있고, 메타아라미드 피브리드가 70 중량% 초과일 경우, 아라미드지가 부서지기 쉽고, 인열강도가 떨어지는 문제점이 있다. 본 발명의 아라미드지는 추가로 전도성을 부여하기 위해 전도성 충전재를 포함한다. 전도성 충전재는 10 2 S/m 이상의 전도율을 갖는 섬유상 또는 미립자 형태를 의미한다. 본 발명에서 아라미드지는 5 내지 20 중량%의 전도성 충전재를 포함한다. 전도성 충전재가 5 중량% 미만일 경우, 제조된 아라미드지의 표면저항이 높아 전도성을 나타내기 어려운 문제점이 있다. 반면, 전도성 충전재가 20 중량% 초과일 경우, 아라미드지 제조시 플록이나 피브리드의 분율이 떨어져 아라미드지의 기계적 물성이 저하되는 문제점이 있다. 본 발명에서 바람직한 전도성 충전재는 탄소섬유이다.
아라미드지의 제조방법 인장강도가 우수한 전기전도성 아라미드지는 파라아라미드 플록 10 내지 60 중량%, 메타아라미드 피브리드 20 내지 70 중량%, 및 전도성 충전재 5 내지 20 중량%의 수성 분산용액으로부터 슬러리를 제조하고, 슬러리를 습식초지법을 통하여 웹을 형성시킨 후 닙 롤러(Nip Roller)를 거쳐 탈수시키고, 캘린더링(calendaring)하는 단계를 포함하여 제조가 가능하다. 상기 캘린더링(calendaring)하는 단계는 열 압축하는 공정으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 용이하게 실시될 수 있다. 본 발명은 캘린더링 단계를 거치고도 ASTM D 257에 준하여 측정한 표면저항이 400 Ω/sq 이하, 바람직하게는 200 내지 400 Ω/sq이고, ASTM D 828에 준하여 측정한 인장강도가 40 N/cm 이상, 바람직하게는 40 내지 65 N/cm이다. 본 발명의 아라미드지의 제조에 사용된 파라아라미드 플록, 메타아라미드 피브리드, 및 전도성 충전재는 상기 아라미드지에서 설명한 것과 동일한 것으로 중복을 피하기 위해서 생략하였다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 및 비교예 실시예 및 비교예에서 사용되는 각 구성성분은 다음과 같다.
(1) 파라아라미드 플록 한국특허 출원번호 제2008-0047150호 기재에 근거하여 파라아라미드 멀티필라멘트를 제조하였다. 멀티 필라멘트 물성은 섬도 840 데니어(denier), 단사섬도 1.5 데니어(denier), 인장강도 23 g/d, 신도 3.5%를 나타내었다. 이 멀티필라멘트를 평균길이 4 mm로 절단하여 파라아라미드 플록을 제조하여 사용하였다.
(2) 메타아라미드 피브리드 중합용매에 메타페닐렌디아민(MPD)을 용해시켜 혼합용액을 제조한다. 중함용매로는 N,N-디메텔아세트아미드(DMAc)를 사용했다. 다음, 상기 혼합용액을 교반하면서, 혼합용액에 이소프탈로일클로라이드(IPC)를 두 번에 나누어 첨가하여 중합시킨다. 중합 공정을 거쳐 얻어진 폴리메타페닐렌이소프탈아미드(PMIA) 용액에 부산물로 발생한 염산을 중화시키기 위해 수산화칼슘을 첨가한다. 상기 중화공정을 거친 도프(중합체 용액)을 미국특허 제3756908호에 기재된 것처럼 피브리데이터 내에서 비용매와 접촉시키면서 침전물을 강한 전단응력으로 갈아서 피브리드를 제조하여 사용하였다. 제조된 피브리드의 여수도는 110 ml이었다. (3) 메타아라미드 플록 중합용매에 메타페닐렌디아민(MPD)을 용해시켜 혼합용액을 제조한다. 중함용매로는 N,N-디메텔아세트아미드(DMAc)를 사용했다. 다음, 상기 혼합용액을 교반하면서, 혼합용액에 이소프탈로일클로라이드(IPC)를 두 번에 나누어 첨가하여 중합시킨다. 중합 공정을 거쳐 얻어진 폴리메타페닐렌이소프탈아미드(PMIA) 용액에 부산물로 발생한 염산을 중화시키기 위해 수산화칼슘을 첨가한다. 상기 중화공정을 거친 도프(중합체 용액)을 여과하고 탈포하여 방사에 적합한 방사도포를 제조한 후 습식방사를 통하여 메타아라미드 섬유 속을 만든 후 평균길이 4 mm로 절단하여 메타아라미드 플록을 제조하여 사용하였다.
(4) 전도성 충전재 탄소섬유는 시판되는 도레이산 T300을 4 mm로 절단하여 사용하였다.
실시예 1 상기 기술한 메타아라미드 피브리드를 제조한 후 수성용액에 분산시켜 수성 분산액을 제조하였다. 탄소섬유를 이 분산액에 첨가한 후, 15분 동안 교반을 계속한 후, 추가로 물 및 파라아라미드 플록을 첨가한 후 15분 동안 교반하여 최종농도 0.4 중량%의 슬러리를 수득하였다. 슬러리는 하기 표 1에 기재된 대로 파라아라미드 플록 55 중량%, 메타아라미드 피브리드 35 중량%, 탄소섬유 10 중량%로 이루어졌다. 이 슬러리를 습식초지법으로 웹을 형성시킨 후 닙 롤러(Nip Roller)를 거쳐 탈수시킨 후 건조공정을 거쳐 아라미드지를 제조하였다. 상기의 제조방법으로 얻어진 전기전도성 아라미드지를 온도 280 ℃, 압력 80 kg/cm, 롤러 속도 6 m/min로 캘린더링(calendering) 공정을 거쳐 아라미드지를 수득하였다.
실시예 2 슬러리가 하기 표 1에 기재된 대로, 파라아라미드 플록 35 중량%, 메타아라미드 피브리드 55 중량%, 탄소섬유 10 중량%로 이루어진 것을 제외하고 나머지 공정은 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
비교예 1 상기 기술한 제조방법으로 메타아라미드 피브리드를 제조한 후 수성용액에 분산시켜 수성 분산액을 제조하였다. 탄소섬유를 이 분산액에 첨가한 후, 15분 동안 교반을 계속한 후, 추가로 물 및 메타아라미드 플록을 첨가한 후 15분 동안 교반하여 최종농도 0.4 중량% 슬러리를 수득하였다. 슬러리는 하기 표 1에 기재된 대로, 메타아라미드 플록 55 중량%, 메타아라미드 피브리드 35 중량%, 탄소섬유 10 중량%로 이루어졌다. 이 슬러리를 습식초지법으로 웹을 형성시킨 후 상기 기술한 열 압축 공정을 거쳐 아라미드지를 수득하였다.
비교예 2 슬러리가 하기 표 1에 기재된 대로, 파라아라미드 플록 60 중량%, 메타아라미드 피브리드 40 중량%로 이루어지는 것을 제외하고, 나머지 공정은 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
비교예 3 슬러리가 하기 표 1에 기재된 대로,파라아라미드 플록 56 중량%, 메타아라미드 피브리드 40 중량%, 탄소섬유 4 중량%로 이루어진 것을 제외하고, 나머지 공정은 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
제조된 아라미드지에 대하여 하기와 같은 방법으로 물성을 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
물성 측정 1) 두께 측정: ASTM D 374에 따라 본 발명의 실시예 1-2 및 비교예 1-3에 대해 측정하였다. 두께 측정에서, 시험편에 대하여 172 Kpa 압력하에 측정하였다. 2) 밀도(겉보기 밀도): ASTM D 202에 따라 측정하였다. 3) 인장강도: ASTM D 828에 준하여 2.54 cm 폭 및 12.7 cm 게이지 길이의 시험편을 사용하여 인스트론(Instron) 시험 기계상에서 인장 시험을 기준으로 측정하였다. 4) 표면저항: ASTM D 257에 준하여 측정하였다.
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 파라아라미드 플록을 사용한 실시예 1은 인장강도가 우수하나, 메타아라미드 플록을 사용한 비교예 1은 실시예 1에 비해 인장강도가 저하된 것을 알 수 있다. 본 발명의 함량범위에 따른 실시예 1 및 2는 원하는 인장강도 및 표면 저항을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 및 2에 의해서, 파라아라미드 플록의 함량이 높을수록 인장강도가 향상됨을 알 수 있다. 그러나, 탄소섬유를 사용하지 않거나 함량범위 미만으로 사용한 비교예 2 및 3은 표면저항이 높아 전기전도성 효과가 떨어지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. |
