KR0144696B1 - 흑연분말 첨가에 의한 탄소섬유 허니컴 코어의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의해 리본 형태의 탄소섬유 훼브릭에 소정의 셀 크기가 나오도록 일정간격으로 접착제를 도포하여 리본을 쌓고, 접착부분을 열경화시킨 후에 팽창시켜 기초 허니컴 코어를 형성한 다음 평균 직경이 0.3 내지 2 μm이고 함침 수지에 대하여 0.5 내지 4 중량%의 흑연 분말을 포함하는 페놀 수지에 함침 경화시켜 우수한 열적 안정성, 기계적 특성과 신속한 경화속도를 가능케하는 허니컴 코어의 제조방법이 제공된다. 이 방법은 경화시 발생되는 열분해 기체에 의한 섬유 파손을 방지하고, 흑연 표면 고유의 분산효과를 극대화시켜 허니컴 코어의 역적.기계적 특성을 최적화시키는 것을 특징으로 한다.

Description

흑연분말 첨가에 의한 탄소섬유 허니컴 코어의 제조방법.

제1도는 본 발명에 있어서 두가지 페놀수지와 그 각각에 흑연분말이 첨가되어 제조된 허니컴 코어의 밀도에 따른 압축강도를 도시한 도면,

제2도는 본 발명에 있어서 다양한 양의 흑연분말의 첨가에 의하여 제조된 허니컴 코어의 밀도에 따른 압축강도를 도시한 도면,

제3도는 본 발명에 있어서 다양한 양의 흑연 분말의 첨가에 의하여 제조된 허니컴 코어의 밀도가 3.75 1b/ft³을 나타낼 때의 압축강도를 도시한 도면.

본 발명은 허니컴 코어의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 리본 형태의 탄소섬유 훼브릭(fabric)을 사용하여 제조한 기초 허니컴 코어를 흑연 분말을 포함하는 페놀수지에 함침 경화시키는 것에 의해 우수한 열적 안정성, 기계적 특성과 신속한 경화속도를 가능하게 하는 허니컴 코어의 제조방법에 관련된 것이다.

고성능 경량 복합재료의 하나인 허니컴 샌드위치 구조재는 무게에 대한 기계적 강도가 금속과 견줄 수 있을 정도로 우수하여 우주, 항공용 구조재료 뿐만 아니라 운송 수단용 차량이나 선박의 고속화를 이루기 위한 구조재료 및 건축. 토목 그리고 건설용 복합재료로서도 이용될 수 있기 때문에 그 사용량은 날로 증가할 것으로 예상되고 있다.

허니컴 코어의 가장 주된 응용 분야는 샌드위치(sandwich) 구조재이며, 이는 얇고 강도 높은 양 겉면층(facesheet)과 두껍고 가벼운 코어(core)로 구성되며 이들을 붙이기 위한 접착층이 있다. 양 겉면층과 코어는 각각 비교적 유연하고 약하지만 샌드위치 구조를 이루고 있을 때는 양 겉면층이 허니컴 코어의 양 겉면을 고정시키게 되므로 매우 높은 압축 강도를 나타낸다.

허니컴 코어는 다양한 재료를 이용하여 제조할 수 있으며, 널리 사용되고 있는 것으로는 1950년대 이후로 본격적으로 성장하기 시작하면서 용도에 따라서 여러 가지 셀(cell) 크기와 밀도를 가지며 현재 가장 보편적으로 사용되고 있는 알루미늄 허니컴 코어가 있으며, 미국의 듀퐁(Du Pont)사가 개발한 아라미드 펄프를 이용한 노멕스(Nomex) 허니컴 코어, 가격이 매우 저렴한 크라프트(Kraft) 종이를 사용하여 제조되어 주로 건축용 구조재로 쓰이는 크라프트 허니컴 코어, 열 안정성이 비교적 우수하고 열 전도도가 낮아 안테나와 같은 전기적인 특성을 필요로 하는 분야에 쓰이는 유리 섬유로 강화된 플라스틱 허니컴 코어와 다양한 수지가 있으며, 비금속성 허니컴 코어중 기계적 특성이 가장 우수한 카본 훼브릭 허니컴 코어 등이 있다.

허니컴 코어의 제조방법에는 팽창공정(expansion method)과 주름공정(corrugation method)이 현재 보편적으로 사용되어지고 있는데, 이들을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 팽창공정이란, 금속성 재료를 코어로 사용하는 경우, 사용되는 재료에 접착제를 바르고 각각의 층을 쌓은 다음 이것을 열 압축기(hot press)를 이용하여 적당한 압력하에서 접착 부분을 열 경화한 후 원하는 셀 구조를 얻을 수 있도록 팽창시킬 수 있는 팽창기구(expander)를 이용하여 허니컴 코어를 얻고 또 비금속성 재료를 코어로 사용하는 경우, 원하는 셀 모양을 갖도록 팽창시킨 다음 액상의 수지를 함침시켜 경화시킨 다음 원하는 밀도 또는 기계적 특성을 얻을 때까지 함침 및 경화 공정을 반복하여 허니컴 코어를 얻는 공정이다.

주름 공정이란 금속성이나 비금속성 재료를 종이상 형태에서 먼저 원하는 셀 모양이 나올 수 있도록 접은 다음 노드(node) 부분에 접착제를 바른 후 종이상 형태를 차례대로 쌓은 다음 접착제를 경화시켜 허니컴 코어를 제조하는 것으로 생산성 측면에서는 팽창공정에 비하여 뒤떨어지나 종이상 형태가 비교적 두껍거나 코어 제작시 고온을 필요로 하는 경우에 사용될 수 있으며 밀도가 큰 코어를 제작하는 경우에도 사용되는 공정이다.

본 발명자들은 상술한 비금속성 코어 재료중 열적, 기계적 특성이 가장 뛰어난 리본 형태의 탄소섬유 훼브릭을 사용하여 제조한 기초 허니컴 코어에 계면에서 분산효과가 탁월한 직경이 작은 흑연 분말을 첨가하면 허니컴 코어의 최종 열적 기계적 특성을 보다 향상시키는 것을 발견하고 이를 기초로 하여 본 발명을 완성하게 되었다.

즉, 본 발명의 요지는 리본형태의 탄소섬유 훼브릭에 소정의 셀 크기가 나오도록 일정 간격으로 접착제를 도포하여 리본을 쌓고, 접착 부분을 열경화시킨 후에 팽창시켜 기초 허니컴 코어를 형성한 다음 이것을 흑연 분말을 포함하는 페놀수지에 함침 경화시켜 우수한 열적 안정성, 기계적 특성과 신속한 경화 속도를 가능하게 하는 허니컴 코어의 제조방법에 존재한다.

허니컴 코어 제조중 경화시 발생되는 열분해 기체를 단순화 및 최소화하기 위해 페놀 수지의 고정 탄소비율이 50%인 노볼락 타입의 페놀 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

탄소섬유를 보강재로 사용하여 제조한 허니컴 코어에서, 첨가된 흑연의 직경이 사용된 섬유의 직경에 비하여 작으면 경화나 탄화 또는 흑연화 열처리 동안 흑연 분말에 부착되어 있는 수지의 열분해 기체 방출에 의하여 섬유에 손상을 입혀 섬유방향에 따라 발생되는 크랙을 미리 방지하며 그 작은 입자 크기로 인하여 본래의 계면특성을 발휘할 수 있다. 이와 반대로 첨가된 흑연의 분말직경이 상대적으로 크면(예를들어 탄소섬유의 직경인 7μm와 같거나 클 경우), 보강재나 결합재의 흑연 분말간의 계면 특성 발휘에 앞서 경화시 방출되는 열분해에 의하여 보강재에 손상을 입힐 수 있어서 향상된 기계적 특성치를 기대할 수 없으며, 또한 흑연 분말에 부착된 수지에 의하여 허니컴 코어의 균일한 표면을 기대할 수 없어서 일차원적인 함수치를 얻기 위한 기계적 특성 테스트가 매우 어려울 뿐만 아니라 미관도 뒤떨어진다. 따라서 본 방법에서 사용되는 흑연 분말의 크기는 평균 분말직경이 약 1 내진 2μm인 것이 바람직하다.

흑연 분말의 사용량은 수지에 대해 0.5 내지 4 중량%이다.

제1도에 도시된 바와 같이, 흑연 분말을 부가하면 페놀 수지 형태에 관계없이 허니컴 코어의 압축강도가 향상된다. 그 이유는 크게 두가지 설명되는데, 그 하나는 흑연 분말 자체가 탄소섬유와 페놀수지의 계면력을 향상시킬 수 있는 성질중의 하나인 분산력이 뛰어남을 들 수 있고, 나머지 하나는 흑연 분말 자체가 매우 열에 안정하기 때문에 경화 열처리동안 페놀 수지의 급격한 열분해를 막는 또 다른 결합재 역할을 하여 탄소섬유의 파손을 감소시켜 허니컴 코어의 최종 물성을 증가시키기 때문으로 본다. 여기서 흑연 분말의 첨가에 의한 열 안정화 역할은 경화시간을 단축시켜 허니컴 전체 제조 공정에 상당한 경제성을 부여해 줄 수 있다.

이하, 실시예로써 본 발명을 더 자세하게 설명하며, 본 발명은 이에 의해 제한되지 않는다.

[실시예]

허니컴 코어의 기계적 특성은 인스트론(Instron) 모델 #1125를 이용하여 ASTMC365에 준하여 압축강도로 측정한다. 시험결과의 신뢰도를 높이기 위하여 각각의 실험 조건당 5개 이상의 시편을 준비하여 실험한다. 압축헤드의 크기는 3.04 in²로 일정하고, 크로스헤드 스피드는 분당 0.1mm로 일정하게 유지하고, 테스트 시편의 크기는 50×50×13㎣이다.

[실시예1]

일본 토레이사(Toray Co.) 제품인 두께가 0.38㎜인 이차원 평직형 폴리아크릴로 니트릴게(ex-polyacrylonitrile) 탄소섬유(6000 모노필라멘트, 중량 331 g/㎡)를 사용하여 팽창공정에 의하여 허니컴 코어를 제조한다. 보다 상세하게는 탄소섬유 훼브릭에 사관능성 에폭시 접착제를 3/8 인치 셀 크기를 가질 수 있도록 적당한 간격으로 바르고, 각각의 시트를 쌓은 다음 열 압축기를 이용하여 적당한 압력하에서 접착 부분을 열 경화시킨 후 3/8 인치 셀 크기로 팽창시킬 수 있는 팽창기구(expander)를 이용하여 허니컴 코어를 제조한다.

이렇게 초기 성형된 허니컴 코어를 이용하여 원하는 코어 밀도를 얻기 위하여 액상의 레졸 타입의 페놀 수지(시편 1)와 고체상의 노볼락 타입의 페놀 수지(시편 2)를 6대 4의 부피 비율로 섞어서 함침 및 경화시킨다. 이 두 종류의 페놀 수지는 코우난 가세이에서 제조된 것으로 액상과 고체상이라는 차이점 뿐만 아니라 고정 탄소 비율이 각각 43±2%와 59±2%로 다르며, 본 실험에서는 노볼락 타입의 경우 메틸에틸케톤(MEK)에 희석시켜 사용하며 페놀 수지에 있는 고정 탄소 비율이 허니컴 코어의 최종 물성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 레졸 타입과 같은 점도로 메틸에틸케톤에 희석시켜 사용한다.

시편 1과 2에서와 같은 방법으로 페놀 수지에 대하여 1%의 중량비로 흑연 분말을 첨가하여 레졸 타입으로(시편 3) 그리고 노볼락 타입으로(시편 4), 초기 성형된 허니컴 코어를 함침 및 경화시켜 원하는 허니컴 코어를 제조한다.

여기서 사용한 흑연 분말은 알드리치사(Aldrich Chemical Co.) 제품으로 직경이 약 1 내지 2μm 인 인조 흑연이다.

여기서 제조된 허니컴 코어의 기계적 특성을 상술한 바와 같이 압축강도로 측정한다.

제1도를 참조하면 본 실시예에서 측정된 기계적 특성은 시편 1, 2, 3 그리고 4 모든 경우에서 밀도가 증가하면 압축강도가 증가함을 알 수 있으며, 이 결과는 대부분의 복합재료에서의 기계적 특성에서 보고된 것과 동일함을 나타낸다. 또한 시편 1과 시편 2 그리고 시편 3과 시편 4 각각을 비교하여 보면 흑연 분말의 첨가 유무에 관계없이 노볼락 타입의 페놀 수지를 사용한 시편 2나 시편 4들이 레졸 타입의 페놀 수지를 사용한 시편 1이나 시편 3 보다 약간씩 우수함을 보여준다.

이 결과로부터, 경화 열처리 과정동안 사용되어진 페놀 수지에서의 열 분해를 통하여 노볼락 타입과 레졸 타입에서의 상이한 반응 기체들이 방출로 인하여 허니컴 코어 몸체에 미치는 파손 정도가 결국 허니컴 코어의 최종 기계적 특성에 끼치는 차이점도 있겠지만, 본 실시예에서 사용되어진 페놀 수지의 두드러진 특징은 상기한 바와 같이, 노볼락의 레졸 타입의 상이한 고정 탄소 비율에서 그 원인을 찾을 수 있다. 본 실시예에서의 최고 경화온도가 177℃이고 보통 페놀 수지가 약 350℃ 부근에서 급격한 열분해가 일어남이 많은 문헌에서 보고되어지는 바, 탄소섬유를 보강재로 사용하여 제조한 허니컴 코어가 고온용(약 300℃ 이상) 또는 초고온용 (약 1500℃ 이상)으로 사용되기 위해서 고온 경화나 탄화 심지어 흑연화(2500℃)를 실행할 경우 결합재로 사용되어진 페놀 수지의 고정 탄소비율 차이는 허니컴 코어의 최종 물성에 상당한 영향을 끼침을 알 수 있다.

제1도를 참조하여, 허니컴 코어의 밀도 3.75 1b/ft³을 기준으로 하여 각 페놀타입에서의 흑연 분말 첨가가 최종 기계적 특성에 미치는 영향을 관찰하면 시편 1이 279 psi, 시편 2가 292 psi, 시편 3이 334psi 그리고 시편 4가 354 psi 값을 나타내어, 레졸 타입과 노볼락 타입에서 페놀 수지에 대하여 1%의 중량비로 흑연 분말을 첨가하면 각각 21%와 20%의 증가를 나타낸다.

[실시예2]

본 실시예에서는 최종 기계적 물성에 대한 흑연 분말 첨가량의 최적화에 대하여 관찰하고자 한다.

노볼락 타입의 페놀 수지를 사용하고 또 흑연 분말 첨가량의 최적화를 위하여 흑연 분말의 첨가량을 페놀 수지에 대한 중량비로 0%(시편 5, 실시예 1에서 시편 2와 동일), 0.5%(시편 6), 1%(시편 7, 실시예 1에서 시편 4와 동일), 2%(시편 8), 3%(시편 9) 그리고 5%(시편 10)로 하여 실시예1에서와 동일한 조건하에서 허니컴 코어를 제조한다.

제2도를 참조하면, 실시예1에서 나타난 바와 같이, 허니컴 코어의 밀도가 증가할수록 그 기계적 특성이 향상됨을 볼 수 있다. 또한 흑연 분말 첨가가 1% 이하에서는 기계적 특성값이 현저히 차이가 나는 것이 관찰되지만, 흑연 분말 첨가가 1% 이상에서는 그 값의 차이가 뚜렷이 나타나지 않음이 관찰된다.

제3도는 허니컴 코어의 밀도가 3.75 1b/ft³을 나타낼 때의 압축강도 값을 흑연 분말 첨가량에 따라서 나타낸 도면이다.

제3도를 참조하면, 제2도에서 나타난 결과를 재확인 할 수 있는데, 흑연 분말 첨가량이 페놀에 대한 중량비로 2% 이상에서는 기계적 특성이 뚜렷이 증가하지 않음을 관찰할 수 있다. 이 결과는 탄소섬유를 보강재로 사용하여 제조한 허니컴 코어에서 주로 분산력에 의한 계면특성을 향상시키기 위하여 흑연 분말을 첨가하였지만, 그 첨가량이 2% 이상에서는 분산력을 발휘할 수 있는 포텐셜 에너지가 포화 상태로 이르렀다고 사료된다.

Claims (3)

1. 리본 형태의 탄소섬유 훼브릭에 소정의 셀 크기가 나오도록 일정간격으로 접착제를 도포하여 리본을 쌓고, 접착부분을 열경화시킨 후에 팽창시켜 기초 허니컴 코어를 형성한 다음 평균 직경이 0.3 내지 2 μm이고 함침 수지에 대하여 0.5 내지 4 중량%의 흑연 분말을 포함하는 페놀 수지에 함침 경화시켜 허니컴 코어를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 사용된 수지의 고정 탄소 비율이 41%∼61%인 것을 특징으로 하는 허니컴 코어의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 사용된 수지가 노볼락 수지인 것을 특징으로 하는 허니컴 코어의 제조방법.