KR100814752B1 - 폴리이미드 나노복합체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다음 화학식 1과 같은 구조식의 반복단위를 지니는 폴리이미드 50∼99.9 중량%와 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트 0.01∼50 중량%로 이루어진 폴리이미드 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 나노스케일로 알킬기가 결합된 몬트몬모릴로나이트가 이미드 메트리스에 분산되어 있어 내열성, 인장강도 및 파단 신도와 같은 기계적 물성이 우수하고, 산소투과도 및 수증기 투과도가 우수하여 우주항공분야 또는 전자재료용의 내열코팅제나 성형용으로 사용하기에 적합하다.
상기 식에서 R은 아래의 구조식을 가진 화합물 중에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 것이고,
또한 상기 식에서 R'은 아래의 구조식을 가진 화합물 중에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 것이며,
또한, 상기 식에서 n은 1∼500 사이의 정수이다.
폴리이미드*몬모릴로나이트*나노복합체
Description
본 발명은 산소차단성, 수증기 차단성, 열안정성 및 기계적 물성이 우수한 폴리이미드 와 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트로 이루어진 폴리이미드 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
폴리이미드는 우수한 내열성 이외에도, 기계적 물성, 난연성, 내약품성, 저유전율 등에 있어서 뛰어난 특성을 가지므로 코팅재료, 성형재료, 복합재료 등의 광범위한 용도를 가지고 있다.
하지만 산소를 비롯한 기체 및 수증기차단성이 낮아 용도개발 및 사용상에 많은 제약이 따랐다.
일반적으로 나노 크기의 무기입자의 층간 거리를 넓힌 다음 고분자를 삽입시킨 나노복합체는 가스투과도, 난연성, 기체 및 수증기 차단성 등의 고분자의 취약한 물성을 향상시키는 것으로 알려져 왔다.
그러나, 이러한 나노복합체의 제조에 사용되어온 고분자로는 나일론 6, 나일 론 66 등의 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 및 폴리에틸렌 등이 있었지만, 우수한 물성에도 불구하고 폴리이미드를 이용한 나노복합체의 제조는 아직까지는 미흡한 실정이다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력하던 중, 나노스케일의 박막의 실리케이트 시트를 이미드 수지에 분산시켜 나노복합체를 제조한 결과 수증기 및 산소차단에 효과적이고 내열성과 기계적 물성이 향상됨을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 수증기 및 산소차단성이 뛰어나며 내열성, 기계적 물성, 난연성, 내약품성, 저유전율 등이 우수한 폴리이미드 나노복합체를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 폴리이미드 나노복합체의 제조방법을 제공하는 데도 있다.
이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폴리이미드 나노복합체는 상기 화학식 1과 같은 반복구조를 지니는 폴리이미드 50∼99.9 중량%와 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트 0.01∼50 중량%로 이루어진 것임을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 폴리이미드 나노복합체는 디카르복시산 무수물과 디아민을 유기용매 하에서 실온 이하의 온도에서 반응시켜 폴리아믹산을 제조하는 단계; 상 기 제조된 폴리아믹산 용액에 상기에서 제조된 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 첨가하여 균일하게 분산시키는 단계; 및 상기 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트-폴리아믹산을 이미드화하는 단계를 거쳐 제조되는 것임을 그 특징으로 한다.
이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 폴리이미드 나노복합체는 폴리이미드 수지에 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 첨가하여 이루어진 것이다.
본 발명에서 사용되는 폴리이미드 수지는 다음 화학식 1과 같은 반복구조를 가진 것이다.
화학식 1
상기 식에서 R은 아래의 구조식을 가진 화합물에서 선택된 1종 또는 1종 이 상의 것이고,
또한 상기 식에서 R'은 아래의 구조식을 가진 화합물 중에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 것이며,
또한, 상기 식에서 n은 1∼500 사이의 정수이다.
한편, 본 발명의 폴리이미드 수지의 첨가량은 50∼99.9중량%이다. 만일 50 중량%를 미만일 경우에는 이미드 수지의 장점인 기계적 강도, 내열성이 낮아지는 문제가 있고, 또한 99.9% 중량%를 초과할 경우에는 본 발명의 목적인 수증기 및 산소차단성이 낮아지는 문제가 있기 때문이다.
또한, 본 발명에서는 두께 1nm, 길이 200 nm의 실리케이트 시트로서 열적 안정성, 분자에 대한 차단성, 높은 기계적 특성을 나타내며, 높은 스웰링(swelling) 능력을 갖추고 있어 고분자와 효율적인 상호침투가 가능한 몬모릴로나이트를 사용한다.
또한, 탄소수 5∼20 사이의 알킬아민, 바람직하기로는 도데실아민과 헥사데실아민을 이용하여 나노스케일의 몬모릴로나이트에 결합시켜, 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 제조한다.
한편, 본 발명의 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트의 첨가량은 0.01∼50 중량%이다. 만일 50 중량%를 초과할 경우에는 폴리이미드의 고유의 기계적물성이 악화되고 0.01중량% 이하일 경우 본 발명의 목적인 수증기 및 산소차단성이 낮아지는 문제가 있다.
한편, 상기 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 제조하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 이온교환능력 119meq/100g인 Kunimine 사의 Na+- 몬모릴로나이트(상품명 : Kunipia-F 이하, Na+-MMT)를 도데실아민 또는 헥사데실아민의 암모니움염에 첨가한다. 이후 여러단계를 거쳐 도데실암모니움 몬모릴로나이트(C12-MMT), 헥사데실암모니움몬모릴로나이트(C16-MMT)를 얻는다.
한편, 상기 폴리이미드와 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 나노스케일의 몬모릴로나이트로부터 폴리이미드 나노복합체를 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
디카르복시산 무수물과 디아민을 유기용매 하에서 실온 이하의 온도에서 반응시켜 폴리아믹산을 제조하는 단계; 상기 제조된 폴리아믹산 용액에 상기에서 제조된 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 첨가하여 균일하게 분산시키는 단계; 및 상기 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트-폴리아믹산을 이미드화하여 폴리이미드 나노복합체를 만드는 단계로 구성된다.
먼저, 디카르복시산 무수물과 디아민을 유기용매 하에서 반응시켜 폴리아믹산을 제조하는 단계이다. 여기서 사용되는 디카르복시산 무수물은 피로멜리트산 2무수물, 2,3,6,7-나프탈렌테트라카르복시산 2무수물, 3,4,3',4'-비페닐테트라카르복시산 2무수물 및 비스(3,4-디카르복시페닐)에테르 2 무수물 등이 있다.
또한, 상기 디아민은 방향족 디아민이 사용되는 바 구체적인 예로는, 벤지딘, 3,3'-디하이드로시벤지딘, 메타페닐디아민, 파라페닐디아민, p,p'-메틸렌비스아닐린, p,p'-설포닐비스아닐린(p-아니노페닐)설폰, 4,4'-비스(3-아미노페녹시)벤젠, 3,4'-비스(3-아미노페녹시)벤젠, 3,3'-비스(3-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 3,4'-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 3,3'-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-디아미노디페닐에테르, 3,3'-디아미노디페닐에테르, 3,4'-디아미노디페닐에테르 등이 있다.
또한, 상기 유기용매는 N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메톡시아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 1,3-디메틸-2-이마다졸리논, N-메틸카프로락탐, 1,2-디메톡시에탄, 비스(2-메톡시에틸)에테르, 1,2-비스(2-메톡시에틸)에탄, 비스[2-(2-메톡시에톡시)에틸]에테르, 테트라하이드로푸란, 1,3-디옥산, 1,4-디옥산, 피롤린, 피콜린, 디메틸설폭사이드, 디메틸설폰, 테트라메틸우레아, 헥사메틸포스포르아미드, 페놀, o-크레졸, m-크레실산, p-클로로페놀, 아니솔, 벤젠, 톨루엔 및 크실렌에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 사용하며, 바람직하기로는 N,N-디메틸아세트아미드이다.
또한 물성저하를 막기 위하여 이미드 중합에서 사용되는 용매의 수분함량은 1000 ppm 이하인 것이 좋으며, 더 바람직하기로는 400 ppm 이하이다.
또한, 상기 폴리아믹산을 제조하는 본 발명의 반응온도는 통상 실온 이하에서 수행되며, 바람직하게는 0℃이다.
한편 폴리아믹산을 제조한 후, 다음 단계로 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 폴리아믹산에 분산시키는 공정은 공지의 분산방법을 적용하여 분산시키며, 일반적으로는 볼밀이나 헨셀믹서, 디잘브 등을 사용한다.
또한, 마지막으로 상기 단계에서 제조된 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트-폴리아믹산을 이미드 반응시켜 폴리이미드 나노복합체를 제조하는 단계이다.
여기에서는 사용되는 용도에 적합하도록 이미드화율을 조정하여야 하는 바, 성형용으로 사용할 때는 95∼100%의 이미드화율을 갖도록 다음 두가지의 방법을 이용한다.
첫 번째 방법은, 승온하여 용매를 휘발, 증류시킴과 동시에 이미드화하는 방법이 있고, 또 다른 방법은 유기용매에 녹아있는 폴리아믹산을 비용매에 침전시킨 열풍오븐에서 이미드화하는 방법으로, 침전된 이미드는 오븐에서 건조시키고, 열풍오븐에서 에이징하여 최종 이미드를 얻는다.
본 발명의 폴리이미드 나노복합체는 상기와 같이 폴리아믹산을 제조한 후, 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 폴리아믹산에 분산시켜 폴리아믹산-몬모릴로나이트 나노복합체를 제조하거나, 상기 화학식 1과 같은 반복단위를 가진 폴리이미드와 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 폴리이미드에 분산시켜 폴리이미드-몬모릴로나이트 나노복합체 모두 가능하다.
한편, 본 발명에서는 고분자 나노복합체에 사용되는 기타 첨가제를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 실리카 분말, 몰르브덴디설파이드, 불소계 수지 등의 내마모성 향상제; 유리섬유 등의 보강제; 3산화안티몬, 탄산마그네슘, 탄산칼슘 등 의 난연성 향상제; 점토, 운모 등의 전기적 특성향상제; 석면, 실리카 등의 내트랙킹향상제; 황산바륨, 실리카, 칼슘메타실리케이트 등의 내산성 향산제; 철분말, 아연분말, 알루미늄 분말, 구리 분말 등의 열전도도 향상제; 유리비드; 탈크; 규조토; 알루미나; 수화알루미나; 금속산화물; 착색제; 및 이형제 등이 있다.
이하 본 발명을 더욱 더 상세히 설명하는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
합성예 : 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트의 제조 이온교환능력 119 meq/100g인 Kunimine 사의 Na+- 몬모릴로나이트(상품명: Kunipia-F, 이하 Na+-MMT) 50g을 325 메시 체(seiver)로 불순물을 제거한 후, 도데실아민 또는 헥사데실아민의 암모니움염 200g에 첨가한 후 정제하여 도데실암모니움 몬모릴로나이트(C12-MMT) 또는 헥사데실암모니움 몬모릴로나이트(C16-MMT)를 얻었다.
실시예 1
교반기, 질소정화장치, 온도계, 냉각장치를 갖춘 250ml 반응기에 3,3'-디하이드록시벤지딘 5.01g(0.023몰)와 용매로 N,N'-디메틸아세트아마이드를 넣어 질소기류 하에서 0℃에서 30분간 용해시킨 후, 피로멜리트산 2무수물 5.04g(0.023몰)을 N,N'디메틸아세트아마이드 40ml에 녹인 용액을 투입하였다. 이 용액을 0℃에서 1시 간 동안 격렬하게 교반하여 폴리아믹산을 제조하였다. 제조된 폴리아믹산의 고유점도는 1.50dl/g 이었다. 여기서 제조된 폴리아믹산을 실시예 1∼4에서 사용하였다.
상기에서 제조된 폴리아믹산 40g에 상기 합성예에서 제조된 헥사데실암모니움몬모릴로나이트(C16-MMT) 0.1g을 N,N'-디메틸아세트아마이드 9.9g에 분산시킨 용액 10g을 첨가한 후, 25℃에서 격렬하게 교반하였다.
이 용액을 유리판에 캐스팅한 후 50℃ 오븐에서 24시간 동안 방치시켜 용매를 증발시켜 필름을 얻었다. 얻어진 필름을 초음파 세척기에서 5분동안 3번 세척하고, 다시 50℃ 진공오븐에서 24시간 동안 재건조시켰다.
최종 얻어진 필름의 두께는 10∼15㎛였으며, 이 필름을 다시 250℃에서 12시간 동안 열처리하여 얻어진 필름의 물성을 다음과 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
고유점도
폴리아믹산 분말 0.4g을 N,N'-디메틸아세트아마이드 1dl에 녹여 30℃로 유지되는 항온조에서 우벨로드(Ubbeload) 점도계로 측정한다.
파단신도, 인장강도
인스트론 인장시험기(모델 5564)로 측정하였으며, 분당 2mm의 크로스 헤드 속도로 측정한다.
수증기투과도
Mocon 사의 모델 DL 100을 사용하여 ASTM E-96 방법으로 23℃에서 측정한다.
산소투과도
Mocon 사의 모델 DL 100을 사용하여 ASTM E-96 방법으로 38℃에서 측정한다.
열분해 평가
중량분석기(TGA)를 이용하여 초기무게 감량온도, 최대무게 감량온도, 900℃ 잔존량을 평가하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 제조한 폴리아믹산에 헥사데실암모니움몬모릴로나이트(C16-MMT) 0.2g을 N,N'-디메틸아세트아마이드 9.8g에 분산시킨 용액 10g을 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하고 물성을 측정하였으며 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 제조한 폴리아믹산에 헥사데실암모니움몬모릴로나이트(C16-MMT) 0.4g을 N,N'-디메틸아세트아마이드 9.8g에 분산시킨 용액 10g을 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하고 물성을 측정하였으며 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 제조한 폴리아믹산에 헥사데실암모니움몬모릴로나이트(C16-MMT) 0.8g을 N,N'-디메틸아세트아마이드 9.2g에 분산시킨 용액 10g을 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하고 물성을 측정하였으며 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
실시예 5
폴리아믹산 제조시, 상기 실시예 1의 디하이드록시벤지딘 대신에 벤지딘을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리아믹산을 제조하였으며, 여기서 제조된 폴리아믹산을 실시예 5∼12에서 사용하였다.
제조된 폴리아믹산에 헥사데실암모니움 몬모릴로나이트 0.2g을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하 였다.
제조된 폴리이미드 나노복합체 필름의 물성을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
실시예 6
상기 실시예 5에서 제조된 폴리아믹산과 헥사데실암모니움 몬모릴로나이트 0.4g을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하였다.
제조된 폴리이미드 나노복합체 필름의 물성을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
실시예 7
상기 실시예 5에서 제조된 폴리아믹산과 헥사데실암모니움 몬모릴로나이트 0.6g 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하였다.
제조된 폴리이미드 나노복합체 필름의 물성을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
실시예 8
상기 실시예 5에서 제조된 폴리아믹산과 헥사데실암모니움 몬모릴로나이트 0.8g 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하였다.
제조된 폴리이미드 나노복합체 필름의 물성을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
실시예 9
상기 실시예 5에서 제조된 폴리아믹산과 도데실암모니움 몬모릴로나이트 0.2g 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하였다.
제조된 폴리이미드 나노복합체 필름의 물성을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
실시예 10
상기 실시예 5에서 제조된 폴리아믹산과 도데실암모니움 몬모릴로나이트 0.4g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하였다.
제조된 폴리이미드 나노복합체 필름의 물성을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
실시예 11
상기 실시예 5에서 제조된 폴리아믹산과 도데실암모니움 몬모릴로나이트 0.6g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하였다.
제조된 폴리이미드 나노복합체 필름의 물성을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
실시예 12
상기 실시예 5에서 제조된 폴리아믹산과 도데실암모니움몬모릴로나이트 0.8g사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하였다.
제조된 폴리이미드 나노복합체 필름의 물성을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
비교예 1
헥사데실암모니움 몬모릴로나이트(C16-MMT)를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 나노복합체를 제조하고 물성을 측정하였으며 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
비교예 2
상기 실시예 5에서 제조된 폴리아믹산을 사용한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 나노복합체를 제조하였다.
제조된 폴리이미드 나노복합체 필름의 물성을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
상기 표 1과 2의 결과로부터, 본 발명의 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 폴리이미드에 혼합시켜 이루어진 폴리이미드 나노복합체는 내열성이 우수하고, 기계적 물성, 산소차단성, 수증기 투과도 등이 우수한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트를 폴리이미드에 혼합시켜 제조된 폴리이미드 나노복합체는 내열성, 인장강도 및 파단 신도와 같은 기계적 물성이 우수하고, 산소투과도 및 수증기 투과도가 우수하여 우주항공분야 또는 전자재료용의 내열코팅제나 성형용으로 사용하 기에 적합하다.
Claims (5)
- 다음 화학식 1의 반복단위를 갖는 폴리이미드 50∼99.9중량%와 탄소수 5∼20 사이의 알킬기가 결합된 몬모릴로나이트 0.01∼50 중량%로 이루어진 폴리이미드 나노복합체.화학식 1상기 식에서 R은 아래의 구조식을 가진 화합물 중에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 것이고,또한 상기 식에서 R'은 아래의 구조식을 가진 화합물 중에서 선택된 1종 또 는 1종 이상의 것이며,또한, 상기 식에서 n은 1∼500 사이의 정수이다.
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