[논문]공정안전용 Polymer PTC 소재의 제조 및 특성

강영구; 조명호

[국내논문] 공정안전용 Polymer PTC 소재의 제조 및 특성
Preparation and Properties of Polymer PTC Composites for Process Safety 원문보기

산업안전학회지 = Journal of the Korean Institute of Industrial Safety, v.18 no.3, 2003년, pp.101 - 108

강영구 (호서대학교 안전시스템공학과) , 조명호 (호서대학교 대학원 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Polymeric positive temperature coefficient(PTC) composites have been prepared by incorporating carbon black(CB) into high density polyethylene(HDPE), polyphenylene sulfide(PPS) and polybutylene terephthalate(PBT) matrices. A PTC effect was observed in the composite, caused by the large thermal expansion due to He consecutive melting of HDPE, PPS and PBT crystallites. This theory is based upon the premise that the PTC phenomenon is due to a critical separation distance between carbon particles in the polymer matrix at the higher temperature. The influence of PTC characteristics of the PPS/CB composite can be explained by DSC result. HDPE, one of prepared composition, exhibit the higher performance PTC behavior that decreaseing of negative temperature coefficient(NTC) effect and improved reproducibility by chemically crosslinking. Also, PBT/CB and PPS/CB composites exhibit the higher PTC peack temperature than HDPE/CB PTC composite, individually $200^{\circ}C$ and $230^{\circ}C$. These PTC composite put to good use in a number of safety application, such as self$.$controlled heater, over-current protectors, auto resettable switch, high temperature proctection sensor, etc.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

HDPE, PPS, PBT에 denka black, printex XE-2 의카본블랙을 각각 20, 30, 40wt(%)비율로 함량을 증가시켜 성형된 PTC 소자를 온도 변화에 따른 체적저항을 측정하여 Fig. 3, 4, 5에 나타내었다.
5wt (%)첨가하였고 polymer 기질과 카본 블랙의 계면간화학적 결합을 형성하여 복합성형체의 전기전도도를 향상시키기 위해 titanate coupling agent 인 LICA 38(Kenrich)을 IPA에 용해하여 2종의 카본 블랙을 전처리한 후 banbury mixer(Hanseen Mechatronics)에서 polymer와 카본 블랙 20, 30, 40wt(%)의 함량비로 150tpm에서 10min 간 용융 혼합하였다. HDPE과 카본블랙의 가교에 따른 PTC현상을 측정하기 위해 가교제로 Dicumyl peroxide(DCP) 1.5wt(%), 가교조제로서 Triallylisocyanurate(TAIC) 0.5wt(%) 를 170°C/20min 혼합하여 HDPE의 물성을 변화시켰다.
이에 본 연구팀은 최근 유. 무기소재의 기능성안전 특성을 이용한 난연신소재 녹전환 코팅제利 기능성 gel28) 등과 같은 안전응용 제품에 대한 연구의 일환으로 산업설비, 전자장비의 과대전류로부터보호할 수 있으며 과열, 누전 등에 의한 전기화재방지를 목적으로 Printex XE-2, Denka black의 2종의카본블랙과 사용온도 범위에 따라 적용 가능하도록융점이 비교적 낮은 HDPE 그리고 융점이 이보다높은 PPS, PBT의 고분자 재료를 최초로 사용하여전도성 고분자 복합재료를 성형하고 이를 소자화하여 PTC 현상 및 온도에 따른 전기 저항 특성을 연구하였다.
본 연구에서 고온용으로 대표적으로 사용할 수 있는 PPS/carbon black composite 의 DSC(Mettler Toledo, DSC₈₂2E) curve를 Fig.6에서 나타내었으며 Fig. 5에서 나타난 PPS의 PTC 효과와 열적 특성의 상관관계를 비교하였다.
성형체의노화방지제로서 Irganox 1010 (Cybageigy)를 0.5wt (%)첨가하였고 polymer 기질과 카본 블랙의 계면간화학적 결합을 형성하여 복합성형체의 전기전도도를 향상시키기 위해 titanate coupling agent 인 LICA 38(Kenrich)을 IPA에 용해하여 2종의 카본 블랙을 전처리한 후 banbury mixer(Hanseen Mechatronics)에서 polymer와 카본 블랙 20, 30, 40wt(%)의 함량비로 150tpm에서 10min 간 용융 혼합하였다. HDPE과 카본블랙의 가교에 따른 PTC현상을 측정하기 위해 가교제로 Dicumyl peroxide(DCP) 1.
소자주위온도를 일정하게 상승시키기 위해 oil bath에 함침시켜 magnetic stirrer(Kinematec)로 10°C /min의 속도로 HDPE를 기질로 성형된 소자의 경우 160°C, PPS와 PBT를 기질로 성형된 소자는 260°C까지 온도를 증가시키며 정밀 저항 측정기 (Tektronix)로전기저항변화를 관찰하고 각 소자별 저항을 volume resistivity로 환산하여 고분자 및 카본 블랙의 종류, 함량별 체적 저항의 변화와 온도 상승 및 강하에 따른 재현 특성을 측정하였다.
전극판을 PTC polymer composite의 양면에 열압착시키고 10mm X 10mm로 절단하여 lead 단자를 soldering하여 전극을 형성시킨 후 Silox CE-77 BK814(Nippon Pelnox Go.) 와 K-7064를 100:1 비율로혼합하여 100“m 두께로 1차 coating 한 후 5분간 상온건조하여 동일한 두께로 2차 coating 하여 15분간상온 건조하였으며 60°C/25min간 1차 경화가 공 후 150°C/90min 2차 경화가 공하여 Fig. 1과 같은 poly- mer/카본블랙 복합성형체의 PTC 소자를 제작하였다.
절단하였다. 평판 전극을 형성하기 위해 시편과 동일한 크기의 무전해 Ni 도금된 300“m의 Cu foil 을 시편의 양면에 삽입하여 hot press(Dark, USA)로 HDPE의 경우 200°C, PPS와 PBT의 경우 280°C에서 5min간 가열한 후 2001^/cm²압력으로 10sec 열 압착하여 PTC 복합성형체를 성형하였다.

대상 데이터

PTC 성형체를 제조하기 위한 polymer로서 HDPE, PPS, PBT를 기질로 사용하였으며 카본 블랙은 높은전기전도성을 나타낸 granule type의 Denka black과 powder type의 Printex XE-2를 사용하였다. 성형체의노화방지제로서 Irganox 1010 (Cybageigy)를 0.
혼합시료를 자체 제작된 two roll mill 로 2t 두께의 연속 판상 형태로 가공하여 50X50mm의 성형체 시편을 절단하였다. 평판 전극을 형성하기 위해 시편과 동일한 크기의 무전해 Ni 도금된 300“m의 Cu foil 을 시편의 양면에 삽입하여 hot press(Dark, USA)로 HDPE의 경우 200°C, PPS와 PBT의 경우 280°C에서 5min간 가열한 후 2001^/cm²압력으로 10sec 열 압착하여 PTC 복합성형체를 성형하였다.

성능/효과

Denka black, printex XE-2 가 각 40wt(%) 혼합하여 DCP에 의해 화학가교된 HDPE의 PTC 및 NTC 현상의 변화를 측정한 결과 Fig. 8과 같이 가교 효과에 의해 HDPE 용융온도 영역에서 카본 블랙 입자의 이동을 제한시킴으로써 고분자 기질 내에 카본 블랙의 재분산 및 network 형성을 억제시켜 HDPE 용 융점 부근인 140°C 이후에 발생되는 NTC 현상이 제거되었다. 그러나 가교시킨 HDPE 기질의 PTC소자는 가교미처리시에 비해 초기 저항이 약간 증가되는 것을볼수 있으며 이것은 가교제로 사용된 잔류 peroxide 와 그분해생성물에 의해 부분적으로 전자이동을 방해하여 전류의 흐름에 영향을 미치며 이에 저항의증가를 가져오는 것으로 사료된다.
PPS를 고분자 기질로 한 PTC 소자는 약 23 0°C, PBT의 경우 약 200°C 부근에서 급격한 저항변화를 나타내었으며 약 10-15°C 온도 증가 이후에 PTC peak값을 나타내었고 peak 이후 NTC 현상이발생하여 체적 저항이 낮아짐을 나타내었다.
PTC 소자는 각 고분자의 융점영역 부근에서 전기저항이 급격히 증가하는 유사한 현상을 나타내었고 카본 블랙의 종류 및 함량, 고분자 기질에 따라 PTC intensity의 차이가 나타났다. 각 고분자에 같은 농도로 혼합된 카본 블랙일 경우 printex XE-271- denka black에 비해 현저히 낮은 저항값을 나타내었으나 온도 증가에 따른 PTC 효과는 매우 낮은 것으로 나타났다.
사료된다. PTC 효과는 카본 블랙 함량이 적을 경우 PTC peak가 가장 높은 것으로 나타났으며 카본블랙중높은 전기전도도를 나타내는 printex XE-2가 혼합된 PTC 소자의 경우 고분자 기질의 융점 부근까지 온도가 상승하더라도 printex XE-2의 높은 전기 전도특성에 의해 PTC 효과가 높게 나타나지 않는 것으로 사료된다.
PTC 효과를 매우 잘 나타내며 switching 특성이매우 높은 denka black 40wt(%)가 혼합된 PBT, PPS 2종의 PTC 소자를 상온으로부터 PTC peak를 나타내는 온도까지 3회 증가, 감소시킴에 따라 Fig. 7과같이 각각 다른 저항특성 곡선을 나타내었으며 온도의 1회 증감에 따라 상온에서의 체적 저항의 변화가 크고 PTC peak의 체적 저항값은 다소 차이가 있으나 PTC peak를 나타내는 온도는 일정한 것으로나타났다.
가장 큰 변화를 나타내어 체적 저항이 크게 감소되었으나 20wt(%) 이상에서는 변화가 작아지고 30wt (%)이상일 경우 저항값의 변화가 거의 없으며 카본블랙 함량이 증가될 때 양이 소량 증가되어도 전도성 chain을 형성하여 큰 저항 변화를 가져오는 percolation 농도가 약 20wt(%)부근임을 나타내었다. 또한 40wt(%)의 카본 블랙 첨가시 printex XE>2의 경우 100〜lOlQcm, denka black의 경우 101 〜 102Qcm 의 큰 전기전도도를 나타내었다.
intensity의 차이가 나타났다. 각 고분자에 같은 농도로 혼합된 카본 블랙일 경우 printex XE-271- denka black에 비해 현저히 낮은 저항값을 나타내었으나 온도 증가에 따른 PTC 효과는 매우 낮은 것으로 나타났다.
고분자 기질에 충진된 2종류의 카본블랙의 양을 증가시킴에 따라 전기 저항이 매우 감소하며 카본블랙의 농도를 조금만 증가시켜 도 저항의 큰 변화를 가져오는 percolation 농도를 나타내었다. 이것은 카본블랙 입자들이 chaS응집하려는 특성을 가지고 있고 일정 함량 이상일 경우 fiber와 같은 구조를 형성함으로써 큰 저항 변화를 나타내는 것으로 사료된다.
융점이 낮은 EEA/CB, EVA/CB 소재의 경우 100°C 미만에서 LDPE/CB 소재가 12 0°C, PVDF/CB 소재는 160°C에서 PTC peak 온도를 나타내고 있어 PVDF/CB 소재를 제외하고 120°C 미만에서 적용될 수 있는 소재로서 사용될 수 있는 저온 사용 가능성을 나타내었다. 그러나, 본 연구에서 사용된 HDPE7CB PTC 소재가 130°C에서 PTC 효과를 나타내고 있으나 PPS/CB, PBT/CB PTC 소재의 경우 200°C이상에서도 PTC 효과를 발생하는 것으로 측정되어 고온용 PTC 소자로서 사용 가능성을 나타내고 있다.
나타내었다. 융점이 낮은 EEA/CB, EVA/CB 소재의 경우 100°C 미만에서 LDPE/CB 소재가 12 0°C, PVDF/CB 소재는 160°C에서 PTC peak 온도를 나타내고 있어 PVDF/CB 소재를 제외하고 120°C 미만에서 적용될 수 있는 소재로서 사용될 수 있는 저온 사용 가능성을 나타내었다. 그러나, 본 연구에서 사용된 HDPE7CB PTC 소재가 130°C에서 PTC 효과를 나타내고 있으나 PPS/CB, PBT/CB PTC 소재의 경우 200°C이상에서도 PTC 효과를 발생하는 것으로 측정되어 고온용 PTC 소자로서 사용 가능성을 나타내고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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