KR0141406B1 - Manufacturing method of carbon fiber composite containing heat / oxidation resistance and abrasion resistance - Google Patents

Manufacturing method of carbon fiber composite containing heat / oxidation resistance and abrasion resistance

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KR0141406B1 KR1019950047364A KR19950047364A KR0141406B1 KR 0141406 B1 KR0141406 B1 KR 0141406B1 KR 1019950047364 A KR1019950047364 A KR 1019950047364A KR 19950047364 A KR19950047364 A KR 19950047364A KR 0141406 B1 KR0141406 B1 KR 0141406B1
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Abstract

인산함량 0.01∼10 wt.% 이하를 사용하여 PAN계 탄소섬유의 표면을 코팅처리하여 내열/내산화성 향상효과를 갖는 탄소섬유를 제조하고 이 인산코팅 처리된 탄소섬유와 페놀수지를 이용한 내열/내산화성이 향상된 탄소섬유/페놀수지 토우프레그 및 탄소섬유/페놀수지 복합재료를 제조하고, 이에 의해 섬유표면의 손상을 막아주고, 섬유직경 감소를 최소화하여, 결과적으로 내삭마 성질 향상에 기여하는 특징을 갖는 인산 코팅된 탄소섬유 복합재를 유도무기분야 및 항공우주분야용으로 사용한다.The surface of the PAN-based carbon fiber is coated using phosphoric acid content of 0.01 to 10 wt.% Or less to produce carbon fiber having heat / oxidation resistance improving effect and heat / resistant using the phosphate-coated carbon fiber and phenolic resin. Produces oxidized carbon fiber / phenolic resin toepreg and carbon fiber / phenolic resin composite material, thereby preventing damage to the fiber surface, minimizing the reduction of fiber diameter, and consequently contributing to improved abrasion properties Phosphoric acid coated carbon fiber composites are used for induced weapons and aerospace.

Description

내열/내산화 및 내삭마성이 향상된 탄소섬유 복합재료의 제조 방법.Method for producing carbon fiber composites with improved heat / oxidation resistance and abrasion resistance.

제1도는 본 발명에 따른 탄소섬유를 여러 고온에 노출시켰을 경우, 우수한 산화저항성을 보여주는 탄소섬유 표면을 주사전자현미경으로 확대 관찰한 사진. (10,000 배율)(A : 미열처리, B : 656℃, C : 770℃, D : 821℃).1 is an enlarged photograph of a carbon fiber surface showing excellent oxidation resistance when the carbon fiber according to the present invention is exposed to various high temperatures with a scanning electron microscope. (10,000 magnification) (A: unheated process, B: 656 degreeC, C: 770 degreeC, D: 821 degreeC).

제2도는 본 발명에 따른 탄소섬유에 대한 내열/내산화 저항성 향상 결과를 토대로 제조한 탄소섬유/페놀수지 토우프레그에 대하여 유사한 향상 효과를 보여주는 주사전자현미경 사진(10,000 배율)(A : 500℃, B : 700℃, C : 800℃).2 is a scanning electron micrograph (10,000 magnification) showing a similar improvement effect on the carbon fiber / phenolic resin toepreg prepared on the basis of the results of the heat / oxidation resistance to the carbon fiber according to the present invention (A: 500 ℃, B: 700 ° C., C: 800 ° C.).

제3도는 본 발명에 따른 탄소섬유 및 토우프레그에 대한 내열/내산화 저항성 향상 결과를 토대로 제조한 탄소섬유/페놀수지복합재료에 대하여 유사한 효과를 보여주는 주사전자현미경 사진 (10,000 배율)(A : 620℃, B : 715℃, C : 785℃).Figure 3 is a scanning electron micrograph (10,000 magnification) showing a similar effect for the carbon fiber / phenolic resin composite material prepared on the basis of the results of the heat / oxidation resistance to the carbon fiber and tow preg according to the present invention (A: 620 C, B: 715 ° C, C: 785 ° C).

제4도는 기존 탄소섬유 제품을 제1도에서의 각 열처리온도와 동등한 조건으로 처리하였을 경우, 탄소섬유 표면의 심각한 손상 및 직경변화를 주사전자현미경으로 확대 관찰한 사진(10,000 배율)(A : 미열처리, B : 656℃, C : 770℃, D : 821℃).FIG. 4 is a photograph (10,000 magnification) of an enlarged observation of a severe damage and diameter change of the carbon fiber surface by scanning electron microscopy when the existing carbon fiber product is treated under the same conditions as the heat treatment temperatures in FIG. Treatment, B: 656 ° C, C: 770 ° C, D: 821 ° C).

제5도는 표면처리를 하지 않은 기존 탄소섬유와 페놀수지를 사용한 복합재료를 제3도에서 각 열처리 온도와 동등한 조건으로 처리하였을 경우, 탄소섬유 표면의 손상 정도 및 직경 변화를 주사전자현미경으로 확대 관찰한 사진(10,000 배율)(A : 590℃, B : 715℃, C : 785℃).FIG. 5 shows the extent of damage and diameter change of the surface of carbon fiber by scanning electron microscope when the composite material using existing carbon fiber and phenol resin without surface treatment is treated at the same condition as each heat treatment temperature in FIG. One photograph (10,000 magnification) (A: 590 degreeC, B: 715 degreeC, C: 785 degreeC).

본 발명은 공기분위기의 매우 높은 온도에서 사용되는 첨단 유도무기체계 및 각종 항공우주소재로 널리 사용되고 있는 탄소섬유강화 복합재료의 성능을 지배하는 고온저항성, 산화저항성 및 삭마저항성을 인산을 사용하여 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 이들 복합재료의 재조시 강화재로서 중요한 역할을 하는 탄소섬유(carbon fiber)를 최적량의 인산으로 코팅한 후 이것을 고분자 수지를 사용하여 탄소섬유 복합재료를 만드는 것에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 설명하면, PAN(폴리아크릴로니트릴 : polyacrylonitrile)계 탄소섬유 필라멘트(filament)로 구성된 로우빙(roving)에 내산화성을 증진시키기 위하여 필라멘트 표면에 인산(phosphoric acid, H3PO4)을 0.01∼10wt.% 범위로 코팅하여, 제조한 탄소섬유, 토우프레그 및 관련 복합재료의 내열/내산화 및 내삭마 특성 향상에 관한 것이다. 종래의 기술에 있어서, 탄소섬유 표면에의 코팅은 단지 계면특성의 향상이나 섬유직조시 다루기 용이하도록 에폭시수지등을 사용하여 코팅한 것이므로 본 발명과는 전혀 다르다고 할 수 있다. 탄소섬유 강화 복합재료가 1,000℃ 근처 또는 그 이상의 고온에서 공기중에 노출될 경우, 그들 표면, 구조 및 자체 물리적 특성이 분해(degradation) 및 열적 산화(thermal oxidation) 현상으로부터 최소한도의 범위내에서 보호받을 수 있다면 가장 바람직하다고 할 수 있다. 그러나, 일반적으로 이들을 구성하고 있는 탄소재료는 고온에서 산소에 노출될 경우 산화되어 물성이 저하되며 이것이 여러 응용분야에서의 사용온도 한도를 상당히 제한하고 있는 요인이 되고 있다. 더욱이, 섬유표면과 매트릭스 자체는 물론, 그들 사이의 강한 계면결합(interfacial bonding)이 산화에 의해서 손상된다면, 복합재의 여러 제반 물성에서의 심각한 저하는 피할 수 없게 된다. 탄소섬유 강화 복합재료에 사용되고 있는 탄소섬유에 있어서, 개발초기 단계에는 레이온(rayon)계가 주로 사용되었으며, 1970년대 이후에는 본 발명에서 사용된 PAN계가 현재까지도 널리 사용되고 있고, 최근에는 핏치(pitch)계 탄소섬유도 등장하고 있다. 탄소섬유의 표면처리가 널리 행하여지고 있으나, 탄소섬유 복합재료의 산화저항성 및 내열성을 향상시키기 위한 탄소섬유의 표면처리에 대한 보고는 잘 알려져 있지 않다. 더욱이 매트릭스로 사용되는 여러 열경화성 또는 열가소성 고분자 수지중 내열성이 우수한 몇몇 열가소성 수지들은 비교적 높은 성형온도를 요구하고 제반공정도 까다롭기 때문에, 본 발명은 이러한 점들을 해결하는 대표적 열경화성 수지이며 160℃ 이하의 온도에서도 공정이 용이하며 성형후 치밀한 3차원적인 망상구조를 형성하는 페놀수지를 사용한다. 더욱이 본 발명에 사용된 페놀 수지는 에폭시등의 다른 열경화성 수지보다 본 발명에서 특히 요구되는 내열/내산화 및 내삭마 특성과 관련하여 약 70%에 가까운 높은 탄화율(char yield)을 가지며 분해후 형성되는 탄화층은 삭마현상중에 발생되는 열을 흡수하는 중요한 역할을 하며, 강화재인 탄소섬유와 함께 내열/내삭마용 복합재료에 사용되는 가장 대표적인 매트릭스(matrix)수지로 널리 알려져 있다. 또한 성형후 탄소섬유와 페놀수지 사이의 계면 접착력은 매우 우수하며 열안정성도 우수하다. 또한 본 발명에서 표면 코팅에 사용되는 인산은 탄소의 산화를 억제시키는 기능을 하는 물질중의 하나로 알려져 있으며, 탄소섬유/페놀수지 복합재료가 550℃ 이상의 고온에서 공기중에 노출될 경우, 특히 탄소성분은 산소에 매우 민감하게 반응한다. 이때 발생되는 열분해 과정시 더욱 증가하는 기공을 통해 산소가 복합재료의 내부로 침투될 때, 인산은 탄소섬유 및 매트릭스상의 탄소보다 우선적으로 산소와 반응하여 액티브 사이트(active sites)에 안정한 착화물을 형성하며, 산소에 노출된 탄소섬유가 산화되는 것을 효과적으로 억제하는 작용을 하며 열분해 과정을 통해 오르토포스포릭 애시드(orthophosphoric acid)라고도 불리는 인산(H3P04)은 약 200℃에서 파이로포스포릭 애시드(pyrophosphoric acid)(h4p2o7)로, 약 300℃에선 매타포스로틱 애시드(metaphosphoric acid)(HPO3)n로, 보다 높은 고온에서는 고체형의 인으로 점차 변화되면서, 3차원적인 망상구조를 나타내며 보호층을 형성하여 산화저항에 기여하므로, 본 발명은 인산을 사용하여 표면을 코팅처리하여 향상된 내열/내산화 및 내삭마 탄소섬유 복합재료를 제조하는 것이 목적이다. 따라서, 본 발명자들은 탄소섬유 복합재료의 내열/내산화성을 향상시키기 위해, 인산을 사용하여 PAN계 탄소섬유의 표면을 코팅처리함으로써, 고온에서 산화에 의하여 발생되는 심각한 섬유표면 손상을 최소화할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 이하 본 발명을 상세히 설명한다. 사용된 탄소섬유(상품명 : 태광 산업, Acelan TZ - 307)로는 표1과 같은 물성을 갖는 3,000 가닥의 필라멘트로 구성된 고강도의 PAN계를 사용하였다.The present invention uses phosphoric acid to improve the high temperature resistance, oxidation resistance and abrasion resistance that dominate the performance of carbon fiber reinforced composites, which are widely used in advanced induction weapon systems and various aerospace materials used at very high temperatures in air atmospheres. The present invention relates to a method of manufacturing a carbon fiber composite material using a polymer resin after coating carbon fiber with an optimal amount of phosphoric acid, which plays an important role as a reinforcing material in the manufacture of these composite materials. In more detail, phosphoric acid (H3PO4) is added to the surface of the filament in order to enhance oxidation resistance to rovings made of PAN (polyacrylonitrile) carbon fiber filaments. Coating to a range of 10 wt.%, To improve the heat / oxidation and abrasion resistance of the prepared carbon fiber, tow preg and related composite materials. In the prior art, the coating on the surface of the carbon fiber is simply different from the present invention because it is coated with epoxy resin or the like so as to improve the interfacial properties or to be easy to handle when weaving the fiber. When carbon fiber reinforced composites are exposed to air at high temperatures near or above 1,000 ° C, their surfaces, structures and their physical properties will be protected to a minimum extent from degradation and thermal oxidation. If you can, it is most desirable. In general, however, the carbon materials constituting these materials are oxidized when exposed to oxygen at high temperatures, which deteriorates their physical properties, which is a factor that significantly limits the use temperature limit in various applications. Furthermore, if the fiber surface and the matrix itself, as well as the strong interfacial bonding therebetween, are damaged by oxidation, serious degradation in the various physical properties of the composite is unavoidable. In the carbon fiber used in the carbon fiber reinforced composite material, the rayon system was mainly used in the initial stage of development, and since the 1970s, the PAN system used in the present invention has been widely used until now, and recently, the pitch system Carbon fibers are also emerging. Although surface treatment of carbon fibers is widely performed, reports on the surface treatment of carbon fibers for improving oxidation resistance and heat resistance of carbon fiber composite materials are not well known. Furthermore, some of the thermosetting or thermoplastic polymer resins used as matrices, which have excellent heat resistance, require relatively high molding temperatures and are difficult to process. It is easy to process and uses phenolic resin to form dense three-dimensional network structure after molding. Moreover, the phenolic resin used in the present invention has a higher char yield of about 70% with respect to heat / oxidation and abrasion resistance particularly required in the present invention than other thermosetting resins such as epoxy, and is formed after decomposition. The carbonized layer, which plays an important role in absorbing heat generated during ablation, is widely known as the most representative matrix resin used in a heat / abrasion composite material together with a carbon fiber as a reinforcing material. In addition, the interfacial adhesion between the carbon fiber and the phenolic resin after molding is very excellent and the thermal stability is also excellent. In addition, the phosphoric acid used for the surface coating in the present invention is known as one of the substances that function to inhibit the oxidation of carbon, especially when the carbon fiber / phenol resin composite is exposed to air at a high temperature of 550 ℃ or more, Reacts very sensitively to oxygen When oxygen penetrates into the composite material through the pores which increase during the pyrolysis process, phosphoric acid reacts with oxygen preferentially over carbon in carbon fiber and matrix to form a stable complex at active sites. In addition, it acts to effectively inhibit the oxidation of carbon fibers exposed to oxygen. Phosphoric acid (H3P04), also called orthophosphoric acid, is pyrophosphoric acid at about 200 ° C. through pyrolysis. (h4p2o7), metaphosphoric acid (HPO3) n at about 300 ° C, gradually changing to solid phosphorus at higher temperatures, forming a three-dimensional network and forming a protective layer to oxidize Since the present invention contributes to resistance, the present invention uses phosphoric acid to coat the surface to produce an improved heat / oxidation resistant and abrasion carbon fiber composite material. The purpose is to. Therefore, the present inventors can minimize the serious fiber surface damage caused by oxidation at high temperature by coating the surface of the PAN-based carbon fiber with phosphoric acid in order to improve the heat / oxidation resistance of the carbon fiber composite material. It has been found to complete the present invention. Hereinafter, the present invention will be described in detail. As the carbon fiber (trade name: Taekwang Industry, Acelan TZ-307), a high-strength PAN system composed of 3,000 filaments having physical properties shown in Table 1 was used.

산화억제 목적으로 고순도의 인산이 사용되었으며, 미처리한 섬유에 대한 결과와 비교하기 위하여 탄소섬유표면의 코팅처리에 사용된 양을 메탄올에 대해 인산 함량 0.01∼10wt.% 범위로 변화시켜가면서 조사하였다.High purity phosphoric acid was used for the purpose of oxidation inhibition, and the amount used for the coating treatment on the surface of the carbon fiber was investigated by varying the phosphoric acid content in the range of 0.01 to 10 wt.% For methanol in order to compare the result with the untreated fiber.

[실시예 1]Example 1

탄소섬유의 고온 및 산화저항성 향상Improved high temperature and oxidation resistance of carbon fiber

탄소섬유에 인산으로 표면코팅 처리된 시편의 준비과정은 다음과 같다. 먼저 탄소섬유를 약 20∼40cm 길이로 절단한 후, 토우(tow)의 양끝을 단섬유들이 빠져나오지 않도록 고정시킨다. 토우끝 중 한쪽에 고리를 달아 건조시 용이하게 한다. 최적량의 인산을 메탄올에 첨가하여 혼합용액을 만든 후, 토우 한쪽 끝을 잡고 혼합용액 속에 수분간 담그어 용액이 단섬유들 사이로 충분히 스며들게 한다. 준비된 탄소섬유들을 약 5시간 동안 110℃∼200℃에서 건조시킨다. 인산으로 코팅되지 않은 탄소섬유 토우는 본래 상태 그대로 사용하였다. 코팅처리된 탄소섬유의 열처리는 열중량분석기기를 사용하여 공기중에서 300℃∼900℃ 범위에서 단계적으로 행하였다. 각 온도에서 열처리 후 주사전자현미경을 사용하여 관찰한 탄소섬유 표면상태 변화현상이 제1도에 나타나 있다. 800℃ 이상의 고온열처리 후에도 인산코팅된 탄소섬유의 표면은 산화현상에 의한 손상 부위(흠집이나 파여져 나간 현상)를 거의 찾아 볼 수 없었으며, 탄소섬유 직경의 변화도 700℃이상까지도 심각한 변화가 관찰되지 않았으며, 800℃ 이상에서도 원래 평균 직경(6.8㎛)의 70% 이상은 유지되고 있음을 알 수 있다. 이는 인산코팅에 의한 탄소섬유 표면처리가 매우 효과적임을 증명해주고 있는 결과이다The preparation of the specimen coated with phosphoric acid on carbon fiber is as follows. First, the carbon fiber is cut to about 20 to 40 cm in length, and both ends of the tow are fixed to prevent short fibers from coming out. Hook one end of the toe to facilitate drying. After the optimum amount of phosphoric acid is added to methanol to form a mixed solution, hold one end of the tow and soak it in the mixed solution for several minutes to allow the solution to soak into the short fibers. The prepared carbon fibers are dried at 110 ° C. to 200 ° C. for about 5 hours. Carbon fiber tows not coated with phosphoric acid were used as is. Heat treatment of the coated carbon fiber was carried out stepwise in the air in the range of 300 to 900 ℃ using a thermogravimetric analyzer. Carbon fiber surface state change observed by scanning electron microscope after heat treatment at each temperature is shown in FIG. Even after high temperature heat treatment above 800 ℃, the surface of phosphate-coated carbon fiber was hardly found at the site of damage due to oxidation (scratching or chipping), and no significant change in carbon fiber diameter was observed even above 700 ℃. It was found that 70% or more of the original average diameter (6.8 µm) was maintained even at 800 ° C or higher. This proves that carbon fiber surface treatment by phosphate coating is very effective.

[실시예 2]Example 2

인산으로 표면코팅 처리된 탄소섬유/페놀수지 토우프래의 고온 및 산화 저항성 향상Improved high temperature and oxidation resistance of carbon fiber / phenolic resin towrap coated with phosphoric acid

인산으로 표면코팅 처리된 탄소섬유 토우를 페놀수지와 메탄올의 혼합용액에 수 분간 충분히 담근 후, 약 90℃∼120℃에서 30분 내지 1시간동안 경화시키고, 미증발 또는 미반응물을 완전히 제거하기 위해 160℃∼200℃에서 수 시간동안 경화시킨다. 이렇게 준비된 인산으로 표면코팅 처리된 탄소섬유/페놀수지 토우프레그(towpreg)를 실시예 1 에서와 같이 여러 온도에서 열처리한다. 제2도에서 보여주는 바와같이, 제1도에서 언급한 탄소섬유 표면에 인산코팅에 의한 내열/내산화성 향상 효과는 페놀수지와 함께 구성되어 있는 인산으로 표면코팅 처리된 탄소섬유의 토우프레그 상태에서도 유사하게 나타났다. 즉, 열적 산화에 의한 섬유표면에서의 손상은 심각하지 않았으며, 섬유 직경변화는 700℃에서 본래 직경의 약 95% 이상까지 유지되었으며, 800℃ 이상의 고온에 노출되었을 경우에도 실시예 1의 결과와 일치하게 70% 이상의 직경이 보존되고 있음이 밝혀졌다.The carbon fiber tow surface-coated with phosphoric acid was sufficiently immersed in a mixed solution of phenol resin and methanol for several minutes, and then cured at about 90 ° C. to 120 ° C. for 30 minutes to 1 hour, in order to completely remove evaporated or unreacted materials. Curing for several hours at 160 ℃ to 200 ℃. Carbon fiber / phenolic resin towpreg surface-treated with phosphoric acid thus prepared is heat-treated at various temperatures as in Example 1. As shown in FIG. 2, the heat / oxidation resistance improvement effect of the phosphoric acid coating on the surface of the carbon fiber mentioned in FIG. 1 is obtained even in the topreg state of the carbon fiber surface-coated with the phenol resin. Similarly appeared. That is, the damage on the fiber surface due to thermal oxidation was not serious, and the change in fiber diameter was maintained at 700 ° C. up to about 95% or more of the original diameter. It has been found that 70% or more of diameters are conserved.

[실시예 3]Example 3

인산으로 표면코팅 처리된 탄소섬유/페놀수지 복합재료의 고온 및 산화저항성 향상Improved high temperature and oxidation resistance of carbon fiber / phenolic resin composites coated with phosphoric acid

본 발명에 사용된 복합재료는 앞에 언급한 탄소섬유와 동일한 섬유 물성을 갖는 8매 주자 형태 조직으로 구성된 PAN계 탄소섬유 직조물에 페놀수지를 수동식으로 도포시킨 후, 용매를 휘발시켜 프리프레그를 제조하고, 적층한 후 오토클레이브(autoclave)를 사용하여 제조하였다. 프리프레그 제조 전에 탄소섬유 직조물은 실시예 1에서와 같은 방법으로 인산을 사용하여 섬유표면에 코팅한 후, 건조시켜 준비 처리된 직조물의 섬유상태는 양호하였으며 다루기도 용이하였다. 프리프레그 제조시 사용된 직조물과 수지의 무게비는 약 1 : 1 이었다. 이때 얻어진 인산으로 표면코팅 처리된 탄소섬유/페놀수지 복합재의 밀도는 약 1.40∼1.45g/cm3 이었다. 성형은 80℃에서 30분 예열을 하고, 180 psi 압력하에 110℃에서 90분, 160℃에서 90분 유지한 후 자연냉각 경로를 거쳐 행하였다. 500℃이상의 온도에 이 표면코팅 처리된 복합재가 노출되었을 때, 제3도에서 보여주는 바와같이, 매트릭스 영역은 전부 분해되어 손실되었으며, 이 온도 이상에서 노출된 탄소섬유의 표면에서 산화에 의한 손상 부위는 거의 찾아 볼 수가 없었다. 다만, 800℃부근에서 섬유직경이 약간 감소하였다. 이와같은 유사한 열처리 영역에서 섬유표면 및 직경 유지 효과는 복합재인 경우가 탄소섬유(실시예1), 또는 토우프레그(실시예2)인 경우보다 우수한 것으로 조사되었다. 이는 매트릭스 영역의 분해에 의하여 열적 저항성이 상대적으로 더디게 된 영향도 있다고 생각된다.In the composite material used in the present invention, after the phenolic resin was manually applied to a PAN-based carbon fiber woven fabric composed of eight runner-like tissues having the same fiber properties as those of the aforementioned carbon fiber, a solvent was volatilized to prepare a prepreg. After lamination, an autoclave was prepared. The carbon fiber woven fabric was coated on the fiber surface using phosphoric acid in the same manner as in Example 1 before the preparation of the prepreg, and then the fiber condition of the woven fabric prepared by drying was good and easy to handle. The weight ratio of the woven fabric and the resin used in preparing the prepreg was about 1: 1. The density of the carbon fiber / phenolic resin composite surface-treated with the obtained phosphoric acid was about 1.40 to 1.45 g / cm 3. The molding was preheated at 80 ° C. for 30 minutes, held at 110 ° C. for 90 minutes, and maintained at 160 ° C. for 90 minutes under 180 psi pressure, followed by a natural cooling path. When this surface-coated composite was exposed to temperatures above 500 ° C, as shown in Figure 3, the matrix area was totally decomposed and lost, and oxidation sites on the surface of the carbon fiber exposed above this temperature I could hardly find it. However, fiber diameter decreased slightly around 800 ℃. In this similar heat treatment region, the fiber surface and diameter retention effects were found to be superior to that of the composite material than that of the carbon fiber (Example 1) or the tow preg (Example 2). This may be due to the relative slowness of thermal resistance due to decomposition of the matrix region.

[실시예 4]Example 4

삭마(Ablation) 저항성 시험Ablation Resistance Test

본 발명에 따른 인산으로 표면코팅 처리된 탄소섬유/페놀수지 복합재료의 삭마저항 성능을 조사하기 위하여 ASTM-285에 의거하여 토치(torch)시험을 대기중에서 행하였다. 앞의 실시예 3 에서 오토클레이브를 사용하여 제조된 복합재료로부터 얻은 가로와 세로가 각각 100mm, 두께가 6∼9mm인 평판형 시편을 사용하였다. 시험중에 시편은 옥시아세틸렌(oxyacetylene)토치에서 뿜어 나오는 약 1800℃정도의 고온, 고속, 고압의 가스화염이 시편의 중심 부위에 균일하게 분산되는 분위기에 노출된다. 토치끝 부분과 시편과의 거리는 20mm, 화염과 시편의 각도는 90。, 산소와 아세틸렌 혼합가스 비율, 즉 O/CH는 4 : 1 이었다. 시편 전면으로부터 후면까지 화염이 관통하는데 소요되는 시간과 각 시편의 두께로부터 계산되는 삭마속도는 인산 코팅 처리되지 않은 복합재가 평균 0.063 mm/sec인 반면, 인산코팅 처리된 복합재는 약 0.054 mm/sec를 나타내었으며, 약 15% 이상의 삭마 감소 효과를 보여주었다. 이는 실시예 1, 2 및 3에서 언급된, 탄소섬유에의 인산코팅 처리는 섬유의 내열/내산화 특성을 아주 효과적으로 높여주었으며, 이에 의해 섬유표면의 손상을 막아주고, 섬유직경 감소를 최소화하여, 결과적으로 내삭마 특성의 향상에 기여하였다고 판단될 수 있다.A torch test was conducted in the air according to ASTM-285 to investigate the abrasion resistance performance of the surface-coated carbon fiber / phenolic resin composite according to the present invention. In Example 3, a flat specimen having a width of 100 mm and a thickness of 6 to 9 mm, respectively, obtained from the composite material manufactured using the autoclave was used. During the test, the specimen is exposed to an atmosphere in which a high temperature, high velocity, high pressure gas flame of approximately 1800 ° C, emitted from an oxyacetylene torch, is uniformly dispersed in the center of the specimen. The distance between the tip of the torch and the specimen was 20 mm, the angle between the flame and the specimen was 90 °, and the ratio of oxygen and acetylene mixed gas, namely O / CH, was 4: 1. The abrasion rate calculated from the thickness of each specimen and the time it takes for the flame to penetrate from the front to the back of the specimen is 0.063 mm / sec on average for the phosphate-coated composites, while 0.054 mm / sec for the phosphate-coated composites. It showed a reduction effect of about 15% or more. This is because the phosphoric acid coating treatment on carbon fiber, mentioned in Examples 1, 2 and 3, very effectively increased the heat / oxidation resistance of the fiber, thereby preventing damage to the fiber surface and minimizing the reduction in fiber diameter, As a result, it can be judged that it contributed to the improvement of abrasion characteristics.

[비교예 1]Comparative Example 1

인산으로 표면코팅 처리하지 않은 탄소섬유와의 비교Comparison with carbon fibers not surface-coated with phosphoric acid

인산으로 표면코팅 처리를 전혀 하지 않은 기존의 탄소섬유에 대하여 공기중에서 제1도에서와 같은 열처리 온도 조건에서 처리하였을 경우, 탄소섬유 표면이 고온 산화에 의해 손상되거나, 섬유직경이 감소되는 정도를 관찰하였다. 이 결과는 실시예 1에서의 제1도에서 보여주는 사진들과 비교 관찰할 수 있다. 내열/내산화 증진에 섬유표면에의 인산처리가 두드러진 효과가 있음을 쉽게 증명할 수 있다. 제4도의 경우, 특히 미처리된 탄소섬유가 약 800℃ 이상에 노출될 때, 섬유표면은 온도가 높아질수록 크게 손상되어 가며 섬유직경 감소가 열처리하기 전의 초기 직경의 50% 이상까지 감소되었다. 이러한 감소 경향은 제1도에서보다 2배정도 큰 결과이며, 이러한 산화방지 효과는 고온에서 더욱 두드러졌다.When the carbon fiber surface treated with phosphoric acid was not treated at all in the air at the same heat treatment temperature as in FIG. 1, the carbon fiber surface was damaged by high temperature oxidation or the fiber diameter was reduced. It was. This result can be observed and compared with the photographs shown in FIG. 1 in Example 1. FIG. It is easy to prove that the phosphoric acid treatment on the fiber surface has a noticeable effect on heat / oxidation enhancement. In the case of FIG. 4, especially when the untreated carbon fiber is exposed to about 800 DEG C or more, the fiber surface is greatly damaged as the temperature increases, and the decrease in fiber diameter is reduced to 50% or more of the initial diameter before heat treatment. This reduction tends to be twice as large as in FIG. 1, and this antioxidant effect is more pronounced at high temperatures.

[비교예 2]Comparative Example 2

인산으로 표면코팅 처리하지 않은 탄소섬유/페놀수지 토우프레그와의 비교Comparison with carbon fiber / phenolic resin toepreg without surface coating with phosphoric acid

표2는 인산으로 표면처리를 하지 않고 그대로 사용한 탄소섬유와 페놀수지를 이용하여 제조한 토우프레그가 공기중에 여러 열처리온도에 노출되었을 때, 섬유직경의 변화를 실시예 2의 결과와 비교하고 있다. 각 온도에서 섬유직경 감소율은 미처리 된 것이 처리된 것보다 약 2배 가량 큰 것으로 조사되었으며, 표면손상 정도도 제2도에서 보여주는 것보다 훨씬 더 심각하였다.Table 2 compares the change in fiber diameter with the results of Example 2 when a tow preg prepared using carbon fiber and phenol resin, which is used without surface treatment with phosphoric acid, is exposed to various heat treatment temperatures in air. The fiber diameter reduction rate at each temperature was about 2 times greater than that of the untreated one, and the degree of surface damage was much more severe than that shown in FIG.

[비교예 3]Comparative Example 3

인산으로 표면코팅 처리하지 않은 탄소섬유/페놀수지 복합재료와의 비교Comparison with carbon fiber / phenolic resin composites not surface-coated with phosphoric acid

제5도는 인산으로 표면코팅 처리하지 않은 탄소섬유와 페놀수지를 사용하여, 실시예 3에서와 같은 동일한 조건으로 오토클레이브를 사용하여 제조된 복합재료에 대하여, 제3도에서 사용된 열처리온도와 같은 조건에 노출되었을 때 주사전자현미경 관찰 결과를 비교하고 있다. 약 600℃에서 섬유표면의 결정층들이 손상을 입어 벗겨지기 시작하고, 약 700℃에서는 큰 흠집들이 발생하며, 약 800℃ 가까이부터는 섬유 전반에 걸쳐 손상 정도가 극히 심각하였음을 알 수 있다. 섬유직경도 크게 줄어들었다. 이러한 산화현상은 제3도에선 관찰되지 않았으며, 복합재의 경우에도 상대적으로 우수한 내열/내산화 특성을 나타내주고 있음을 쉽게 증명할 수 있다.FIG. 5 shows the same heat treatment temperature as used in FIG. 3 for composite materials prepared using an autoclave under the same conditions as in Example 3, using carbon fibers and phenolic resins not surface-coated with phosphoric acid. The results of scanning electron microscopy are compared when exposed to conditions. It can be seen that at about 600 ° C., the crystalline layers of the fiber surface began to be damaged and peeled off, large scratches occurred at about 700 ° C., and the damage was extremely severe throughout the fiber from about 800 ° C. The fiber diameter was also significantly reduced. This oxidation phenomenon was not observed in FIG. 3, and it can be easily proved that the composite material exhibits relatively good heat / oxidation resistance.

Claims (4)

탄소섬유 표면을 인산으로 코팅처리하는 것을 특징으로 하는 내열/내산화 및 내삭마성이 향상된 탄소섬유의 제조방법.A method for producing carbon fibers having improved heat / oxidation resistance and abrasion resistance, wherein the surface of the carbon fibers is coated with phosphoric acid. 제 1 항에 있어서, 탄소섬유가 PAN계 탄소섬유인 것을 특징으로 하는 내열/내산화 및 내삭마성이 향상된 탄소섬유의 제조방법.The method for producing carbon fibers having improved heat / oxidation resistance and abrasion resistance according to claim 1, wherein the carbon fibers are PAN-based carbon fibers. 제 1 항에 있어서, 인산함량이 0.01∼10 wt.% 범위인 것을 특징으로 하는 내열/내산화 및 내삭마성이 향상된 탄소섬유의 제조방법.The method of producing carbon fiber with improved heat / oxidation resistance and abrasion resistance according to claim 1, wherein the phosphoric acid content is in the range of 0.01 to 10 wt.%. 제 1 항 내지 제 3 항의 방법에 따라 제조한 탄소섬유에 고분자수지를 처리하여 내열/내산화 및 내삭마성이 향상된 프리프레그 및 복합재료를 제조하는 방법.A method for producing prepreg and composite material having improved heat / oxidation resistance and abrasion resistance by treating polymer fibers with carbon fibers prepared according to the method of claim 1.
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