KR101285702B1 - 섬유강화 복합재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 섬유강화 복합재료에 관한 것으로, 보다 구체적으로 라이오셀계 탄소섬유 및 고분자 수지를 포함함으로써 종래의 폴리아크로니트릴계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유 등으로 제조한 섬유강화 복합재료에 비하여 열전도율이 낮고, 계면접착력이 우수하여 강도 등의 소재의 특성이 우수하고, 맹독성 이황화탄소 용제를 사용하는 기존의 레이온계 탄소섬유로 제조한 섬유강화 복합재료에 비하여 친환경적이고 제조비용을 절감할 수 있는 섬유강화 복합재료에 관한 것이다.

Description

섬유강화 복합재료{FIBER-REINFORCED COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 라이오셀계 탄소섬유를 포함한 섬유강화 복합재료에 관한 것이다.
섬유강화 복합재료는 고분자 수지로 이루어진 기지재(matrix)와 보강섬유(reinforcement)로 이루어진 재료로서, 가볍고 물성이 우수한 장점을 가진 소재이다.
일반적으로 기지재는 천연수지(resin)나 합성고분자(polymer)를 사용하며, 보강섬유는 아미드(amide) 또는 아라미드(aramid)와 같은 유기섬유나 유리섬유 또는 탄소섬유와 같은 무기섬유가 사용된다.
그 중에서, 탄소섬유는 주로 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 섬유를 고온에서 탄화시켜 제조하는데, 레이온(rayon) 섬유나 피치(pitch)를 이용하여 제조하는 경우도 있다.
종래의 탄소섬유를 이용한 섬유강화 복합재료의 경우, 내열성, 내화성 등이 우수하여 다양한 분야에서 널리 활용 가능하지만, 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유의 경우 열전도율이 높고, 레이온계 탄소섬유의 경우 제조 공정 중에 맹독성인 이황화탄소 용제를 사용하여 환경 오염을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 10-1138291
본 발명은 라이오셀계 탄소섬유를 포함하는 섬유강화 복합재료를 통하여, 기존의 탄소섬유를 이용하여 제조된 섬유강화 복합재료 보다 열전도율이 낮고, 계면접착력 등이 우수하고, 제조비용이 저렴하며, 친환경적인 섬유강화 복합재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 라이오셀계 탄소섬유 및 고분자 수지를 포함하는 섬유강화 복합재료를 제공한다.
본 발명의 라이오셀계 탄소섬유를 포함하는 섬유강화 복합재료는 라이오셀계 탄소섬유를 이용함으로써, 종래의 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유 등으로 제조한 섬유강화 복합재료에 비하여 열전도율이 낮고, 계면접착력이 우수하여 강도 등의 소재 특성이 우수하다.
또한, 본 발명의 섬유강화 복합재료는 인체와 환경에 무해하며 리사이클링을 통하여 재활용이 가능한 N-메틸몰포린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide, 이하 NMMO) 용제를 적용하는 라이오셀 섬유를 이용함으로써, 맹독성 이황화탄소 용제를 사용하는 기존의 레이온계 탄소섬유로 제조한 섬유강화 복합재료에 비하여 친환경적이고 제조비용을 절감할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 라이오셀계 탄소섬유 및 고분자 수지를 포함하는 섬유강화 복합재료를 제공한다.
상기 라이오셀계 탄소섬유는 상기 고분자 수지에 의하여 둘러싸여 있는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 라이오셀계 탄소섬유는 상기 섬유강화 복합재료에서 보강재(reinforcements) 역할을 하고, 상기 고분자 수지는 상기 라이오셀계 탄소섬유를 둘러싸는 기지재(matrix)역할을 함으로써, 섬유강화 복합재료의 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 라이오셀계 탄소섬유는 탄화된 라이오셀 섬유를 포함하는 것이 바람직하며, 구체적으로 상기 라이오셀계 탄소 섬유는 전처리 공정, 안정화 공정, 탄화 공정 및 흑연화 공정을 포함하는 탄소섬유 제조 공정을 통해 제조되는 것이 바람직하다. 라이오셀 섬유는 환경 공해 및 인체에 유해한 성분이 없는 새로운 공정을 개발하여 제조된 것으로서, 셀룰로오스가 주성분인 천연펄프와 펄프를 용해시키는 용제인 NMMO를 주원료로 하여 제조된 건습식 방사섬유이다. 라이오셀 섬유의 원료는 목재 펄프에서 추출된 셀룰로오스로서, 100% 생분해성 고분자이며, 재생이 가능함으로 환경 친화적인 특징을 가지고 있다. 또한 기존의 레이온 섬유가 지니고 있는 큰 문제점인 공해물질을 배출하지 않는 공법이 적용된다.
상기 라이오셀계 탄소섬유는 100 내지 2800℃의 온도 범위에서, 라이오셀 섬유를 열처리시켜 제조하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 안정화 공정은 두 단계로 수행되며, 첫번째 단계는 100 내지 250℃의 온도범위에서 10 내지 30시간 동안, 두번째 단계는 300 내지 500℃의 온도범위에서 10 내지 100시간 동안 열처리함으로써 수행되는 것이 바람직하며, 안정화 공정에 있어 온도 범위가 상술한 범위를 만족할 경우, 섬유의 열분해 없이 안정화 효과가 우수하다.
상기 탄화 공정은 900 내지 1700℃의 온도범위에서 10 내지 30시간 동안 열처리함으로써 수행되는 것이 바람직하고, 탄화 공정에 있어서 온도 범위가 상술한 범위를 만족할 경우, 탄화효율이 우수하다.
상기 흑연화 공정은 2000 내지 2800℃의 흑연화 온도까지 승온시켰다가 2000 내지 2800℃의 온도에서 체류시간을 10시간 이하로 수행되는 것이 바람직하고, 흑연화 공정에 있어서 온도 범위가 상술한 범위를 만족할 경우, 흑연화도를 높일 수 있다.
상기 라이오셀계 탄소섬유는 탄소의 함량이 50% 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 80% 이상인 것이 좋다. 상기 탄소의 함량이 상술한 범위를 만족할 경우, 탄소섬유강화 복합재료의 무게가 가볍고, 강도가 우수하다.
상기 라이오셀계 탄소섬유는 필라멘트(filament)사로 구성된 장섬유 구조 또는 단섬유를 꼬아 만든 방적사 구조인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 라이오셀계 탄소섬유는 직포(woven fabric), 부직포(nonwoven fabric), 편직포(knitted fabric), 다축경편성포(multiaxial warp knitted fabric), 일방향배열포(unidirectinoal fabric), 웹(web) 또는 촙트 화이버(chopped fiber) 형태를 가지는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 수지는 천연 고분자 수지 또는 합성 고분자 수지인 것이 바람직하고, 또한, 상기 고분자 수지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 상기 고분자 수지는 페놀 수지, 에폭시 수지 또는 폴리에스터 수지인 것이 좋지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 고분자 수지로 페놀 수지, 에폭시 수지 또는 폴리에스터 수지를 적용할 경우, 상기 섬유강화 복합재료의 제조가 용이하고, 경제적인 측면에서 유리하다.
이하 본 발명의 구성을 아래의 실시예를 통해 상세히 설명하지만 본 발명은 아래의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
라이오셀 섬유를 라피어 직기를 사용하여 능직 직물구조로 제직한 후, 순도 99.8%의 아세톤에 약 2시간 동안 침지시켜 세척하였다. 세척된 직물을 25℃에서 퍼클로로에틸렌에 용해된 실리콘계 고분자인 RTV 실리콘 5중량%의 용액에 약 30분 동안 침지한 후, 난연성 염인 염화암모늄 15중량%의 수용액에 약 30분 동안 침지하고, 이어서 80℃의 온도에서 건조시켰다.
상기 전처리된 라이오셀 직물을 열처리로에서, 30℃/시간의 승온속도로 200℃까지 온도를 올린 후, 2℃/시간의 낮은 승온속도로 300℃까지 온도를 올림으로써 안정화 처리 하였다. 그 후, 50℃/시간의 승온속도로 1700℃까지 온도를 올린 후, 10시간 동안 탄화 처리를 하였으며, 그런 다음 100℃/시간의 승온속도로 2000℃까지 온도를 올리고 1시간 동안 유지하여 흑연화 처리를 수행하여, 탄소 함량이 90% 이상인 장섬유로 이루어진 면밀도 350g/m2의 라이오셀계 탄소섬유 직물을 제조하였다.
페놀 수지는 메탄올 용제에 수지가 70% 함유된 것으로 준비한다. 상기 페놀 수지에 침지시킨 라이오셀계 탄소섬유 직물을 적층하고, 핫프레스에서 150℃ 온도로 가열 및 1000psi에서 3시간 동안 가압하여 평판형 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
< 비교예 1>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 라이오셀계 탄소섬유 대신에 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유를 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
< 비교예 2>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 라이오셀계 탄소섬유 대신에 탄화시키지 않은 라이오셀 섬유를 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
< 실험예 1>
상기 실시예 1의 섬유강화 복합재료 및 상기 비교예 1의 섬유강화 복합재료의 물성을 시험하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 비교예 1
열전도율(W/mK) 1.9 2.8
전단강도(MPa) 17 12
상기 표 1에서 나타나는 바와 같이, 본 발명에 따르는 실시예 1의 섬유강화 복합재료는 종래의 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유를 적용한 비교예 1의 섬유강화 복합재료보다 열전도율은 낮고 전단강도는 높아서 우수한 물성을 나타냄을 알 수 있다.
< 실험예 2>
상기 실시예 1의 섬유강화 복합재료 및 상기 비교예 2의 섬유강화 복합재료의 물성을 시험하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 1 비교예 2
내열온도(℃) 590 270
상기 표 2에서 나타나는 바와 같이, 본 발명에 따르는 실시예 1의 섬유강화 복합재료는 탄화시키지 않은 라이오셀 섬유를 적용한 비교예 2의 섬유강화 복합재료보다 내열온도가 높아서 우수한 물성을 나타냄을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 라이오셀계 탄소섬유 및 고분자 수지를 포함하는 섬유강화 복합재료로서,
    상기 라이오셀계 탄소섬유는 탄화된 라이오셀 섬유를 포함하고, 상기 고분자 수지에 의하여 둘러싸여 있으며,
    상기 라이오셀계 탄소섬유는 라이오셀 섬유를 100 내지 2800℃의 온도 범위에서 열처리하여 제조되고,
    상기 라이오셀계 탄소섬유는 필라멘트(filament)사로 구성된 장섬유 구조이고, 직포(woven fabric) 형태를 가지고,
    상기 고분자 수지는 페놀 수지인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료.
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