KR101154303B1 - 탄소섬유 복합재 조성물 및 이를 이용한 성형품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 복합재 조성물 및 이를 이용한 성형품에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소섬유, 폴리아미드 및 부틸벤젠 술폰아미드를 포함하는, 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정을 통해 고속 성형이 가능한 탄소섬유 복합재 조성물에 관한 것이며, 또한 이를 이용한 성형품에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 조성물은 기계적 강도가 우수하고, 복잡한 형상 성형이 가능하며, 특히 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정에 적용하여 성형품을 제조할 수 있으므로, 고하중 지지가 필요한 경량 자동차용 부품 등에 유용하게 적용할 수 있다.

Description

탄소섬유 복합재 조성물 및 이를 이용한 성형품{Composition of long carbon fiber reinforced plastics and Molding products using the same}
본 발명은 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정을 통해 고속 성형이 가능한 탄소섬유 복합재 조성물 및 이를 이용하여 제조된 고강성, 고충격 자동차용 구조물 또는 반구조물 성형품에 관한 것이다.
탄소섬유 복합재는 강철 및 경금속 대비 월등한 비강도(specific strength)로 인해 극도로 강한 경량소재가 요구되는 군사 및 우주항공용으로 제한적으로 적용되었고, 이후 경주용 자동차, 고가 차종의 샤시 및 바디 부품에 적용되어 차량의 경량화에 따른 연료 소비 감소, 부식 저항성, 충돌 안정성, 민첩성 및 디자인 자유도 확보를 동시에 만족시킬 수 있는 것으로 확인되었으나, 탄소섬유 복합재의 낮은 생산성 및 높은 가격으로 인하여 본격적인 자동차 산업 양산 적용은 아직 실현되지 않고 있는 실정이다.
최근 환경 규제 강화와 지속적인 고유가로 인하여 하이브리드 및 전기차에 대한 관심이 증폭되고 있고, 이들 차량의 경량화는 단순 연료 감소의 차원이 아닌, 필요 전지 용량 및 모터 크기 감소를 가져와 동력 성능 및 항속 거리 증대 뿐만 아니라 전지 및 모터 가격 감소 효과도 얻을 수 있어 이들 차량을 중심으로 탄소섬유 복합재 적용 관련 연구가 가속화되고 있는 추세이다.
기존 탄소섬유 복합재의 문제점인 긴 성형시간은 열경화성 수지의 경화시간에 따른 것으로, 이에 따라 경화공정이 없어 대폭적인 성형시간 단축이 가능한 열가소성 탄소섬유 복합재 개발이 필요한 실정이다.
열가소성 수지는 열경화성 수지와 달리 용융상태 점도가 매우 높아 함침(impregnation)이 어려운 기술적인 난제가 있다. 열가소성 수지를 보강 섬유에 함침시키는 전형적인 예는 압출기 등의 혼련 장비에 열가소성 수지와 강화섬유를 함께 투입 및 혼합하여 강도를 보강하는 것이다. 그러나 이러한 방법의 경우 용융 및 혼련 과정에서 압출기 내의 스크류에 의하여 대부분의 강화섬유가 현저히 파손되어 1 mm 이하의 강화섬유가 열가소성 수지에 혼합되므로 강도가 충분히 개선되지 못하는 문제점이 있다. 이를 개선한 공정이 장섬유 보강 열가소성 복합재인데, 이는 섬유 강화재가 다른 복합체에 사용된 섬유 강화재보다 실질적으로 더욱 긴 종횡비(aspect ratio)를 가진다는 점에서 다른 복합체와 다르다. 종횡비는 섬유의 직경에 대한 길이의 비로서 정의된다. 장섬유 강화 열가소성 수지 성형 재료를 제조하는 방법 및 장치는 일본 공개특허 제 1998-309756 호, 일본 공개특허 제 1998-315341 호, 일본 공개특허 제 2003-305779 호 등에 알려져 있다. 상기 문헌에는, 일반적으로 용융 열가소성 수지로 충전된 함침 다이에 연속 섬유 재료를 공급하는 단계, 함침 다이의 인발 (pultrusion) 구멍으로부터 열가소성 수지로 함침되는 연속 섬유 재료를 인발하는 단계 및 그 결과 얻어진 생성물을 원하는 길이의 펠릿으로 절단하는 단계를 포함하는 일련의 연속 단계를 포함하는 것으로 기재되어 있다. 그러나, 이와 같은 인발 성형으로 펠릿을 제조하는 장섬유 제조공정 또한 최종 성형품을 제조하기 위해 재용융 및 혼련과정에서 발생하는 높은 기계적 응력에 의하여 섬유의 파손이 많이 발생하며, 펠릿에 함유된 섬유의 길이 자체도 충분히 길지 못하다는 단점이 있다. 더욱이, 펠릿과 같은 중간재를 생성하게 되면, 최종 성형품을 제조하기 위한 사출 또는 압축성형 공정에서 재가열이 필요하게 되어 열가소성 수지의 열화에 따른 복합재 물성 저하를 야기시킬 수 있다.
이를 해결하기 위해 고안된 방법은 미국 등록특허 제 6,444,153 호 및 미국 등록특허 제 6,165,604 호에 공개되어 있으며, 두 개의 압출기를 통해 보강섬유의 절단을 최소화하여 열가소성 수지를 함침시키고, 이와 동시에 압축성형을 통해 최종 성형품을 제조함으로써(컴파운딩-압출-압축 동시성형), 보다 긴 보강섬유 잔존길이를 확보하고, 중간재 제조에 따른 열화 문제를 해결할 수 있었다. 하지만, 장섬유 보강 플라스틱을 압축 성형하는 과정에서 섬유들의 배열 방향 및 분산 정도에 따라 물성 편차가 심해지는 문제가 있어, 자동차용 구조/반구조재 성형품의 역학 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 섬유 배열 방향 및 분산 정도를 일정하게 유지하면서, 성형품의 역학 특성을 증진시킬 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
이에 본 발명자들은 기존의 장섬유 보강 플라스틱을 성형하는 과정에서 섬유들의 절단, 배열 및 분산 정도에 따라 물성 저하 및 편차가 심해지는 문제를 해결하고자 노력하였고, 그 결과 매트릭스 수지의 평균 분자량을 낮추고, 부틸벤젠 술폰아미드를 첨가하면 섬유의 잔존길이를 극대화하고 고른 분산 및 유동저항에 따른 섬유의 일방향성 배열 증대가 가능하여 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정을 통해 성형품을 제조할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다. 즉, 본 발명은 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정을 통해 우수한 강성 및 충격강도를 발현할 수 있는 탄소섬유 복합재 조성물 및 이를 이용한 성형품의 제공에 그 목적이 있다.
본 발명은 탄소섬유 30 ~ 70 중량%; 폴리아미드 25 ~ 65 중량%; 및 부틸벤젠 술폰아미드 0.1 ~ 10 중량%; 를 포함하는 탄소섬유 복합재 조성물을 그 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 탄소섬유 복합재 조성물을 이용한 성형품을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 조성물은 우수한 강성 및 충격강도를 지닌 복잡한 형상의 자동차용 구조물 또는 반구조물 성형품을 높은 생산성으로 제공할 수 있다. 즉, 조성물에 적절한 유동성을 부여함으로써 섬유의 배열 및 분산상태를 제어하여 우수한 강성 및 충격강도를 발현시킬 수 있고, 또한 고화상태를 거치지 않고 바로 성형함으로써 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 섬유의 잔존길이가 매우 길지만, 연속섬유가 아니기 때문에 연속섬유가 지니는 늘임성(drapability) 제한 문제에서 자유로워 복잡한 형상 성형이 유리한 장점이 있다. 또한, 구조적으로 취약한 부분만을 국부적으로 열가소성 함침 연속섬유 프리프레그를 사용하여 보강 가능하기 때문에 역학적으로 매우 안정적인 구조를 손쉽게 구현 가능하다. 이에 따라 경량화가 중요한 자동차 부품, 특히 고하중 지지가 필요한 배터리 팩 케이스, 플로어 패널, 시트 프레임, 도어 모듈, 임팩트 바 등에 유용하게 적용할 수 있다.
도 1은 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정의 개략도이다.
도 2는 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정에서 열가소성 수지 함침 프리프레그를 국부 보강하는 개념도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 탄소섬유 복합재를 이용한 성형품 내 섬유 배열의 일방향성을 확인하기 위해, 실시예 2에서 제조한 시트의 표면을 산화시킨 후 관측한 광학 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 탄소섬유 복합재를 이용한 성형품 내 섬유 배열의 일방향성을 확인하기 위해, 실시예 2에서 제조한 시트의 파괴 단면을 관측한 전자 현미경 사진이다.
도 5는 충격보강재 함량에 따른 탄소섬유 복합재의 고속충격 테스트 결과이다.(실시예 2 ~ 8)
이하에서는 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.
본 발명은 탄소섬유, 폴리아미드 및 부틸벤젠 술폰아미드를 포함하는 컴파운딩-압출-압축 동시 성형이 가능한 탄소섬유 복합재에 관한 것이다.
상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 피치(pitch), 레이온 또는 리그닌 섬유로부터 제조된 것을 비롯한 임의의 종류일 수 있다. 또한, 탄소섬유와 함께 유리섬유나 아라미드섬유 등을 병용할 수도 있다. 이러한 탄소섬유는 강도와 탄성률 등의 기계적 물성과 가격과의 밸런스가 우수한 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유가 바람직하다. 일반적으로 탄소섬유는 1종 이상의 표면처리 방법 또는 물질로 처리된다. 적합한 표면처리 방법으로는 우선 탄소섬유 표면을 적정 방법으로 산화시킨 후, 폴리아미드, 우레탄 및 에폭시 등의 물질로 코팅한다. 적정 방법에 의한 탄소섬유 표면 산화는 이후 코팅 물질과 우수한 접착력을 발현할 수 있는 관능기를 도입함으로써 이루어진다. 이는 조성물 중의 섬유의 분산성을 향상시키는데 도움이 될 수 있다. 표면처리에 의한 코팅은 탄소섬유의 총 중량을 기준으로 0.1 ~ 10 중량％로 탄소섬유에 존재한다. 바람직한 코팅 물질로는 폴리아미드와 화학적 유사성이 높아 결합이 유리한 폴리아미드 및 우레탄이 있다. 에폭시 화합물은 폴리아미드와 화학적 비유사성으로 인해 낮은 계면접착력이 확인되어 추천되지 않는다. 적합한 표면 처리된 탄소섬유는 상업적으로 도레이社에서 구입할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 탄소섬유는 광각 X선 산란법(WAXS, Wide-Angle X-ray Scattering)에 의해 측정한 결정 크기가 1 ~ 6 nm의 범위인 것이 바람직하다. 1 nm 미만인 경우, 탄소섬유의 탄화 또는 흑연화가 충분하지 않아 탄소섬유 자체의 비강도가 낮아진다. 이 때문에 얻어진 성형품의 기계적 강도가 떨어지는 경우가 있다. 한편 6 nm를 초과하는 경우, 탄소섬유의 탄화 또는 흑연화는 충분하여 탄소섬유 자체의 도전성은 우수하지만, 약하여 섬유가 절손되기 쉬워진다. 이 때문에 성형품 중의 섬유 길이가 쉽게 짧아져서 우수한 물성 보강 효과를 기대할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 1.3 ~ 4.5 nm, 더욱 바람직하게는 1.6 ~ 3.5 nm의 범위 내이다. 특히 바람직하게는 1.8 ~ 2.8 nm의 범위 내인 것이 좋다. 또한, 탄소섬유의 평균 단일 섬유 직경은 1 ~ 20 ㎛의 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 4 ~ 15 ㎛, 더욱 바람직하게는 5 ~ 11 ㎛, 특히 6 ~ 8 ㎛ 범위 내인 것이 바람직하다. 1 ㎛ 미만이면 원하는 역학 특성을 얻을 수 없는 경우가 있고, 20 ㎛를 초과하면 비강도 보강 효과가 낮아질 수 있다.
탄소섬유는 본 발명의 조성물 총 중량을 기준으로 바람직하게는 30 ~ 70 중량％, 보다 바람직하게는 40 ~ 60 중량％, 보다 더 바람직하게는 40 ~ 50 중량％이다. 30중량％ 미만이면 원하는 역학 특성을 얻을 수 없는 경우가 있다. 한편, 70 중량％를 초과하면 성형시의 유동성이 떨어짐으로써 성형성이 저하되고, 외관 품질도 낮아질 수 있다.
상기 폴리아미드는 1종 이상의 열가소성 폴리아미드이다. 폴리아미드는 단일중합체, 공중합체, 삼원공중합체 또는 더 높은 차수의 공중합체일 수 있다. 또한, 2종 이상의 폴리아미드의 블렌드가 사용될 수도 있다. 적합한 지방족 폴리아미드에는 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 69, 폴리아미드 610, 폴리아미드 612, 폴리아미드 1010, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12, 반방향족(semi-aromatic) 폴리아미드, 이들 중합체의 공중합체 및 혼합물이 포함된다. 적합한 지방족 폴리아미드 공중합체의 예로는 폴리아미드 66/6 공중합체, 폴리아미드 66/68 공중합체, 폴리아미드 66/610 공중합체, 폴리아미드 66/612 공중합체, 폴리아미드 66/10 공중합체, 폴리아미드 66/12 공중합체, 폴리아미드 6/68 공중합체, 폴리아미드 6/610 공중합체, 폴리아미드 6/612 공중합체, 폴리아미드 6/10 공중합체, 폴리아미드 6/12 공중합체, 폴리아미드 6/66/610 삼원공중합체, 폴리아미드 6/66/69 삼원공중합체, 폴리아미드 6/66/11 삼원공중합체, 폴리아미드 6/66/12 삼원공중합체, 폴리아미드 6/610/11 삼원공중합체 및 폴리아미드 6/610/12 삼원공중합체가 포함된다.
기계적 물성, 열적 안정성 및 원가 측면을 고려하여 상업적으로 취득이 용이한 폴리아미드는 폴리아미드 6과 폴리아미드 66이 있으나, 폴리아미드 6가 폴리아미드 66 대비 용융온도가 낮고 고화속도가 느려 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정에 보다 적합하다. 또한, 가격 및 물성 밸런스 측면에서 폴리아미드6와 다른 열가소성 중합체의 블렌드가 사용될 수 있다.
본 발명에서 적용된 폴리아미드 6의 상대점도(황산법(96%)으로 측정)는 1.5 ~ 3.5, 보다 바람직하게는 2.0 ~ 3.0, 보다 더 바람직하게는 2.2 ~ 2.8 이다. 폴리아미드 6의 상대점도가 1.5 미만이면, 물성 저하 및 저분자량 성분의 증발로 인한 기포 발생 등의 문제가 발생할 수 있으며, 3.5를 초과하게 되게 되면 성형시의 유동성이 떨어짐으로써 성형성이 저하되고, 외관 품질도 낮아지게 되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 탄소섬유 복합재 조성물 중의 폴리아미드의 함유량은 25 ~ 65 중량%가 바람직하다. 폴리아미드의 함유량이 25 중량% 미만이면 유동성 저하로 인한 성형성 부족 문제가 있을 수 있고, 반대로 65 중량%를 초과하면 강성 저하로 인한 구조물 및 반구조물로의 적용이 어려운 문제가 있을 수 있다.
컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정에서 섬유의 잔존길이를 극대화하고 고른 분산 및 유동저항에 따른 섬유의 일방향성 배열 증대를 위해서는 매트릭스 고분자 수지의 평균분자량을 낮추어 유동성을 증가시키는 방법이 있지만, 분자량 감소에 따른 물성 저하 및 저분자량 성분의 증발로 인한 기포 발생 등의 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하고자, 본 발명에서는 일정 수준까지는 매트릭스 수지의 평균분자량을 낮추고, 이후에는 부틸벤젠 술폰아미드(N-butylbenzene sulfonamide) 적용을 통하여 섬유의 잔존길이를 극대화하고 고른 분산 및 유동저항에 따른 섬유의 일방향성으로 배열 증대를 이루었다.
본 발명의 탄소섬유 복합재 조성물 중의 부틸벤젠 술폰아미드의 함유량은 0.1 ~ 10 중량%, 보다 바람직하게는 0.2 ~ 5중량%, 보다 더 바람직하게는 0.4 ~ 3 중량%가 좋다. 부틸벤젠 술폰아미드 함량이 0.1 중량% 미만이면, 흐름성 상승 효과가 거의 없고, 10 중량%를 초과하면 물성저하 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 탄소섬유 복합재 조성물은 필요에 따라 충격보강제, 이형제, 산화안정제, 열안정제, 윤활제, 염료, 안료, 기타 무기충전제 등을 추가로 포함할 수도 있다.
상기 충격보강재는 폴리아미드 수지의 충격강도를 보강하기 위한 목적으로 사용된다. 바람직한 충격보강재는 말레산 무수물 함유 불포화 그라프팅제로 에틸렌-옥텐 공중합체를 그라프팅시킨 수지를 도입할 수 있다. 이와 같은 수지는 듀퐁(Dupont)社에서 상업적으로 구입이 가능하다. 다른 바람직한 충격보강재로는 아연, 마그네슘과 같은 2가 금속 양이온으로 부분 중화된 중합체인 아이오노머(ionomer)가 있다. 바람직한 아이오노머로는 아연으로 부분적으로 중화된 에틸렌/아크릴산 공중합체 및 에틸렌/메타크릴산 공중합체가 있다. 이들 충격보강재는 듀퐁(Dupont)社에서 상업적으로 구입 가능하다. 충격보강재를 사용할 시에는 전체 조성물 기준으로 바람직하게는 1 ~ 15 중량％, 보다 바람직하게는 1 ~ 10 중량％, 보다 더 바람직하게는 1.5 ~ 8 중량％로 사용하는 것이 좋다. 충격보강재를 1 중량% 미만으로 사용할 시에는 충격보강 효과가 미미하고, 15 중량%를 초과하면 성형품의 강성이 심각하게 저하되는 문제가 발생한다.
상기 이형제로는 에틸렌 비스 스테아르아미드(Ethylene bis stearamide), 카나우바 왁스(carnauba wax) 등을 사용할 수 있다. 상기 이형제는 성형품의 압축 성형 시, 성형품이 금형으로부터 잘 분리되도록 하는 역할을 한다. 상기 카나우바 왁스는 폴리에틸렌 왁스(PE wax), 산화 폴리에틸렌 왁스(Oxidized PE wax) 등과 달리 고분자 매트릭스와 보강 섬유의 계면에 영향을 주지 않으면서 이형성을 부여할 수 있어서, 본 발명과 같이 보강섬유를 사용하는 공정 적용에 적합하다. 이형제를 사용하는 경우, 이형제의 함량은 전체 조성물 기준으로 0.1 ~ 3 중량%를 사용한다. 상기 이형제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 적절한 이형성을 확보하기 어렵고, 3 중량%를 초과하면 상기 성형품의 기계적 물성 저하를 초래할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 탄소섬유 복합재를 이용한 성형품에 관한 것이며, 특히 미국 등록특허 제 6,444,153 호 및 미국 등록특허 제 6,165,604 호에 상세하게 공개되어 있는 컴파운딩-압출-압축 동시 성형공정에 의해 제조된 성형품에 관한 것이다.
도 1은 사용된 설비의 개략도를 보여주고 있으며, 두 개의 압출기와 한 개의 압축성형기, 자동화 이송 설비 등으로 구성되어 있다. 특징은 원재료에서 최종 성형품으로 일관생산이 가능하여 공정비용 절감이 가능하다는 것인데, 기존의 컴파운딩 공정과 성형공정을 동시에 시행함으로써 생산성이 높아지고, 포장, 운송, 관리, 인건비 등 부대비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만, 기존 공정에서는 보강섬유의 배열 및 분산이 일정하지 않아 성형품의 국부적인 파괴 등의 문제가 있을 수 있어, 본 발명에서 고안된 조성물은 유동특성을 극대화시켜 압축성형 시 흐름 저항에 의한 섬유의 일방향성을 높여 흐름 방향으로 우수한 물성 구현이 가능하게 하였다. 압축성형 시, 흐름 방향과 수직이 되는 횡방향으로 열가소성 수지가 함침된 연속섬유 프리프레그(prepreg, preimpregnated material)를 국부 보강함으로써, 구조역학적으로 우수한 자동차용 구조/반구조재 성형품을 제공하고자 하였다.
열가소성 수지 함침 연속섬유 프리프레그를 구조적으로 취약한 부분에만 국부적으로 도 2와 같이 위치시킨 후, 압축 성형하게 되면, 연속섬유 보강 복합재료의 늘임성(drapability)이 제한되는 문제를 해결할 수 있으며, 국부적으로 필요한 부분에만 고가의 프리프레그를 사용하기 때문에 원가 절감 측면에서도 유리하다. 또한, 열가소성 수지 기반의 섬유보강 복합재료를 적용하는 경우, 접착제 없이도 융착(Welding)으로 타 구조물과 결합시킬 수 있는 장점이 있어, 구조적으로 우수한 복잡한 형상의 구조물을 제조할 수 있다. 이와 같이 생성된 성형품은 경량화 효과가 매우 큰 전기 자동차 부품 및 구조/반구조재로 적용될 수 있다. 바람직한 품목에는 고하중 지지가 필요한 배터리 팩 케이스, 플로어 패널, 시트 프레임 및 도어 모듈(임팩트 바 포함)을 포함한다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1 ~ 8
도 1에 표기된 바와 같이, 2개의 압출기와 1개의 압축성형기로 이루어져 있는 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 장비를 이용하여 황산법(96%)으로 측정한 상대점도가 2.8일 폴리아미드 6, 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유 및 부틸벤젠 술폰아미드를 함유하는 조성물로부터 시트를 제조하였다.
사용된 장비 및 시트 제조에 대한 보다 자세한 설명을 하자면, 일차 압출기는 스크류 팁 사이즈 25 mm, L/D는 24인 이축스크류 압출기이고, 온도는 240 ~ 260℃로 유지되었다. 일차 압출기에는 탄소섬유를 제외한 모든 원소재가 투입되어 컴파운딩 된 후, 연결된 이차 압출기로 이송되었다. 이차 압출기는 스크류 팁 사이즈 32 mm, L/D는 17인 이축스크류 압출기이고, 성형 시 온도는 260 ~ 270℃로 유지되었다. 탄소섬유는 이차압출기로 연속섬유 형태로 바로 투입되었으며, 투입 후 이축스크류에 의해 분쇄와 동시에 일차압출기에서 투입된 컴파운딩 소재와 혼합되었다. 이와 같은 공정으로 생성된 스트랜드는 고화되기 전에 100 MT의 압축성형기 금형(온도 80 ~ 85℃로 유지)에 투입되어 250mm * 250mm (두께 3.2 mm)의 크기의 시트 형태로 제조되었다. 조성물의 구성물질 및 구체적인 함유량은 하기 표 1과 같다.
구 분 실시예(중량%)
1 2 3 4 5 6 7 8
고분자수지 폴리아미드 6 59.5 59.2 56.2 53.2 50.2 56.2 53.2 50.2
보강섬유 탄소섬유 40 40 40 40 40 40 40 40
부틸벤젠 술폰아미드 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
산화안정제 - 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
이형제 - 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
충격보강제(1) - - 3 6 9 - - -
충격보강제(2) - - - - - 3 6 9
산화안정제 : 테트라키스-(메틸렌-(3,5-디-(터트)-부틸-4-하이드로시나메니트))메탄[Ciba, Irganox1010]
이형제 : 에틸렌 비스 스테아르아미드
충격보강제(1) : 아연으로 부분 중화된 에틸렌/아크릴산 공중합체[Dupont, Surlyn 9020]
충격보강제(2) : 말레산 무수물 함유 불포화 그라프팅제로 에틸렌-옥텐 공중합체를 그라프팅시킨 수지[Dupont, MN493D]
비교예 1
상품화된 RTP 사(社)의 폴리아미드 6 60 중량%와 탄소섬유 40 중량% 로 구성된 복합재를 용융시킨 후 압축성형하여 시트를 제조하였다.
비교예 2 ~ 4
상기 실시예 1과 동일하게 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정을 이용하되, 고분자 수지와 보강섬유를 변경하면서 시트를 제조하였다. 구체적인 구성물질 및 함유량은 하기 표 2과 같다.
구 분 비교예(중량%)
1* 2 3 4
고분자수지 폴리아미드 6 60 - - 60
폴리프로필렌 - 60 50 -
보강섬유 탄소섬유 40 - - -
유리섬유 - 40 50 40
1* : 용융 후 압축성형
물성측정시험
실시예 1 ~ 8 및 비교예 1 ~ 4에서 제조한 시트를 측정물성 시편의 요구 크기에 맞추어 밀링머신으로 재단한 후, 다음과 같은 평가법에 의해 시험하였다.
(1) 인장강도 측정: ASTM D638에 의거하여 시험하였고, 크로스헤드 속도는 분당 5 mm로 인장 강도 및 모듈러스를 측정하였다.
(2) 굴곡강도 측정: ASTM D790에 의거하여 3점 굴곡 시험을 하였으며, 크로스헤드 속도는 분당 1.6 mm로 굴곡 강도 및 모듈러스를 측정하였다.
(3) 아이조드(Izod) 충격강도 측정: ASTM D256에 의거하여 노치 있는 아이조드 충격 시험을 실시하였고, 사용한 시험편이 두께는 3.2 mm이고, 5개의 시험편을 시험한 후 그 평균을 취하는 방식으로 결과치를 산출하였다.
(4) 고속충격 시험: ASTM D3763에 의거하여 시편은 100mm * 100mm(두께 3.2mm) 크기로 제조한 후, 반구 형태의 15.9 kg 무게 추를 초당 3.3 m의 속도로 가속하여 시편에 충격을 가한 후, 충격 시 흡수되는 총 에너지 량 및 최대 에너지 값을 측정하였다. 고속 충격 시험은 충격보강재의 함량별 시험에만 선택적으로 적용하여 효과를 입증하고자 하였다.
(5) 비중 측정: ASTM D792에 의거하여 시험하였다.
인장강도
[MPa]		 인장
모듈러스
[GPa]		 굴곡강도
[MPa]		 굴곡
모듈러스
[GPa]		 Izod
충격강도
[J/m]		 성형시간
실시예 1 245 24 379 20 223 5분
실시예 2 247 25 390 21 266 5분
실시예 3 237 22 369 21 274 5분
실시예 6 242 22 337 17 260 5분
비교예 1 234 25 331 20 96 30분
구 분 인장강도
[MPa]		 인장모듈러스
[GPa]		 굴곡강도
[MPa]		 굴곡모듈러스
[GPa]		 비중
실시예 1 245 24.0 379 20.0 1.31
비교예 2 98 6.5 161 8.0 1.23
비교예 3 129 8.0 169 8.7 1.35
비교예 4 203 11.6 309 12.2 1.47
상기 표 3에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 조성물로 성형된 실시예 1 ~ 3 및 실시예 6의 시트는 충격강도 및 굴곡강도가 비교예 1의 시트보다 우수하였다. 특히, 아이조드 충격강도는 약 3배까지 상승된 매우 우수한 수치를 나타내었다. 또한, 인장강도, 인장모듈러스 및 굴곡모듈러스는 비교예 1과 동등 이상의 값을 나타내었다. 성형시간 측면에서 비교예 1은 이미 고화된 상태의 조성물을 용융시켜 압축성형한 후, 재 냉각하는 과정을 거쳐야 하기 때문에 성형시간이 실시예의 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정에 비해 매우 오래 걸리는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 고안된 조성물 및 공정을 사용하면 매우 높은 생산성을 달성할 수 있다.
상기 표 4는 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정을 적용하여 제조한 시트의 물성시험 결과이다. 본 발명에 따른 탄소섬유 복합재는 기존의 폴리프로필렌/유리섬유 및 폴리아미드6/유리섬유 비교하여 매우 우수한 물성 증진 효과를 보이지만, 비중은 동등 수준이거나 오히려 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 동일한 성형품에 적용할 경우 제품 두께를 감소시킬 수 있어, 구조물 또는 반구조물로 적용할 경우 경량화 효과가 클 것으로 예상할 수 있다.
도 5는 실시예 2 ~ 8 의 시트에 대한 고속충격 시험 결과이다. 충격보강재가 첨가됨에 따라 충격시 흡수되는 최대 에너지 값은 소폭 향상되었으나, 흡수되는 총 에너지는 충격보강재의 함량이 증가할수록 향상된 결과를 나타내었으며, 같은 함량을 사용할 경우 아이오노머를 사용한 경우가 말레산 무수물 함유 불포화 그라프팅제로 에틸렌-옥텐 공중합체를 그라프팅시킨 수지를 사용한 경우 보다 더 좋은 효과를 보였다.
결국, 본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 조성물은 기계적 강도가 우수한 성형품을 높은 생산성으로 제공할 수 있으며, 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정에 적용이 가능하므로 구조적으로 취약한 부분만을 국부적으로 열가소성 함침 연속섬유 프리프레그를 사용하여 보강이 가능하므로, 자동차 부품, 특히 고하중 지지가 필요한 배터리 팩 케이스, 플로어 패널, 시트 프레임, 도어 모듈, 임팩트 바 등에 적용가능함을 확인할 수 있었다.
1 : 투입구 2 : 일차압축기
3 : 이차압축기 4 : 탄소섬유 투입구
5 : 탄소섬유 6 : 스트랜드
7 : 압축성형기(유압프레스) 8 : 프리프레그
9 : 프리프레그 보강 스트랜드 10 : 프리프레그 보강 성형품

Claims (9)

  1. 탄소섬유 30 ~ 70 중량%;
    폴리아미드 25 ~ 65 중량%; 및
    부틸벤젠 술폰아미드 0.1 ~ 10 중량%;
    를 포함하는 탄소섬유 복합재 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소섬유는 결정 크기가 1 ~ 6 nm이고, 평균 단일 섬유 직경이 1 ~ 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리아미드는 황산법(96%)으로 측정한 상대점도가 1.5 ~ 3.5인 폴리아미드6 인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소섬유, 폴리아미드 및 부틸벤젠 술폰아미드 외에 추가로 충격보강재 1 ~ 15 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 충격보강재는 말레산 무수물 함유 불포화 그라프팅제로 에틸렌-옥텐 공중합체를 그라프팅시킨 수지 또는 2가 금속 양이온으로 부분 중화된 중합체인 아이오노머인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소섬유, 폴리아미드 및 부틸벤젠 술폰아미드 외에 추가로 이형제 0.1 ~ 3 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재 조성물.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 이형제는 에틸렌 비스 스테아르아미드 또는 카나우바 왁스인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재 조성물.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 탄소섬유 복합재 조성물을 함유하는 성형품.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 성형품은 컴파운딩-압출-압축 동시 성형 공정에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 성형품.
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