It is difficult to fabricate the product of the polymer/carbon filler composites with high carbon filler content through the conventional extrusion or injection process due to poor melt flow properties. In this study, the effect of processing aid on the melt flow and physical properties of the nylon66/carbon filer composites was discussed. The carbon fillers such as carbon black (CB), multi-walled carbon nanotube (MWCNT), nickel coated carbon fiber (Ni-CF) were used. Polyethylene-wax (L-C102N, L-C121N) and 2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl (BIS) were used as the processing aids. The nylon66/carbon filler composites with different processing aid types and content were fabricated by using a twin-screw extruder at 280 ℃ of die temperature. In case of nylon66/CB/CNT/CF composites with BIS processing aid, an improvement of melt flow properties was certified by the complex viscosities and melt flow index, and there was little change in electrical properties such as surface resistivity.

고함량 탄소필러의 첨가로 인해 고분자/탄소필러 복합체의 용융흐름특성이 불량하여 기존의 압출공정 또는 사출공정을 통해 제품으로 제조하는 것이 어렵다. 본 연구에서는 나일론66/탄소필러 복합체의 용융흐름특성과 물성에 대한 가공조제의 영향을 고찰하고자 하였다. 탄소필러 종류로는 카본블랙(CB), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 니켈코팅 탄소섬유(Ni-CF) 등이 사용되었다. 가공조제 종류로는 폴리에틸렌 왁스(L-C102N, L-C121N)와 2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl(BIS)을 사용하였다. 나일론66/탄소필러 복합체는 이축압출기(twin screw extruder)를 이용하여 가공조제 종류와 함량을 다르게 하여 다이온도 기준으로 280 ℃에서 제조하였다. BIS가 첨가된 나일론 66/CB/CNT/Ni-CF 복합체의 경우, 용융흐름특성에 대한 개선이 복소점도 및 용융유동지수로부터 확인되었고, 표면저항과 같은 전기적 특성 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.

Keywords: nylon66, carbon filler, electrical property, melt flow properties, processing aid.

최근 IT의 기술발달로 자동차산업에서는 품질 기반의 안전보장에서 전자 시스템을 통한 능동안전 개념의 고안전성 제품으로 이동하고 있으며 이는 기존 기계 산업 위주의 시스템 적용방식에서 첨단 IT 융합산업 시스템 적용 방식으로 변화함에 따라 차량 전장부품 시스템 구성이 복잡해지고, 전기자동차 등 향후에도 전기적으로 제어하는 자동차 부품들이 증가할 것으로 예상된다. 이와 같이 자동차에 적용 증가가 예상되는 전장부품에서 발생되는 전자파로 주변 전자기기의 오작동을 초래할 수 있다.¹ 센서 및 컨트롤러 등 각종 전장부품에서의 오작동은 급발진 등 자동차 안전문제와 더불어 방출된 전자파가 인체에 발열을 유발하는 등의 직접적인 피해 또한 가능하다. 이러한 전자파에 의한 오작동 등을 전자파장애(electromagnetic interference, EMI)라 하며, EMI의 영향은 밀집도가 크고 정밀한 부품을 많이 사용하는 장비일수록 민감하기 때문에 소형화, 고집적화, 고속화 및 다기능화를 지향하는 현대 전기·전자 및 통신산업 등에 있어서 치명적인 장애요소로 대두되고 있다.² 따라서 전자파장애에 대한 대책방안으로 엄격한 규제가 마련되어 있으며, 전자파차폐기능을 가진 자동차부품 소재에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다.^3,4
전자파차폐 성능은 일반적으로 dB로 나타내며, 30 dB 이상의 소재를 전자파차폐 성능을 가지는 것으로 간주하며, 표면저항으로는 대략 수 Ω/cm 미만의 값을 나타내는 것으로 알려져 있다.^5-7 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소섬유(carbon fiber), 카본블랙(carbon black, CB), 그래핀(graphene) 등과 같은 탄소재료는 전기적 성질이 우수하여 도 전손실을 증가시키기 때문에 전자파차폐에 효과적으로 이용될 수 있어,^8,9 경량화와 전자파차폐를 목적으로 하는 자동차용 복합소재로서, 기존 전자파차폐 재료인 금속을 대체하는 고분자/탄소 필러 복합소재는 완성차 업체 뿐만 아니라 복합소재 업체를 중심으로 기술개발이 진행되어 왔다.
고분자 복합소재를 응용한 전자파차폐 제품은 사출공정만으로 제품화가 가능하기 때문에 생산성 및 원가 측면에서 이점이 상당하다 할 수 있다. 더불어 고분자 복합재료는 낮은 밀도, 내구성 및 우수한 성형성 등의 장점으로 기존의 전자파차폐 소재를 고분자 복합소재로 대체하는 추세이다.^10-12 현재 개발되었거나 개발 중인 전자파차폐용 고분자 복합소재는 열경화성 수지/탄소섬유 복합소재와 니켈이 코팅된 연속상 탄소섬유(Ni-CF)를 열가소성 고분자에 인발성형하여 제조한 복합소재 등이 있으나, 가공성 및 생산성 저하 등의 문제로 상용화가 어려운 실정이다.¹³ 열가소성 복합소재에 대한 기술개발 및 상용화 예로, 국내 제일모직의 나일론/탄소섬유/금속필러 복합소재와 국외의 경우 RTP의 나일론/Ni-CF 그리고 Premier의 장섬유 형태의 Ni-CF를 인발성형한 PC/ABS/Ni-CF 복합소재 등이 있는데, 이들 복합소재들의 시장 적용 의견을 종합하면 전자파차폐 성능(50 dB 이상)을 만족하지 못하거나 탄소섬유와 같은 섬유보강제와 전도성 필러의 함량이 높아 용융 가공 시 스크류 마모와 용융 흐름특성(고용융점도, 성형수축 및 사출성형 불량 등)의 문제가 있는 것으로 파악되고 있다.^14,15
또한 내열도가 요구되는 자동차 내장부품으로 주로 사용하는 복합체는 폴리아미드계 소재로서 본 기술개발에서는 폴리아미드계 수지에 전도성 필러를 혼합하여 전도성 플라스틱 소재를 연구하고자 하였다. 50 dB 수준의 폴리아미드/전도성 필러 복합체를 개발하기 위해서는 고함량의 탄소필러가 요구되는데, 사출성형 시 흐름성의 문제가 발생한다. 폴리아미드계 수지인 나일론과 탄소섬유 복합소재의 사출성형 시 가공온도를 높여 흐름성을 조절하려는 시도를 하였으나, 고온에서 폴리아미드 수지의 열분해와 함께 외관 불량 등의 문제가 발생하고, 이러한 열분해는 나일론의 기계적 물성을 저하시키는 직접적인 요인이 된다.¹⁶ 폴리아미드 수지 자체에 대한 흐름성과 관련하여 활제와 같은 유동 조절제를 사용하여 흐름성을 개선하는 연구가 일부 수행하였으나,^17,18 폴리아미드/탄소필러 복합체의 흐름특성 개선을 위한 연구는 미미한 것으로 파악되었다. 따라서 본 연구에서는 MWCNT, CB, Ni-CF 등이 적용된 나일론66 복합체의 흐름특성 및 물성에 미치는 가공조제의 영향을 체계적으로 연구하고자 하였다.