KR101383379B1 - 라지 토우의 탄소 섬유의 표면 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극판 및 음극판이 각각 설치된 양극조 및 음극조를 포함하며, 장력을 0.05 내지 0.2 cN/dpf로, 수분율을 0.5 내지 1.5 중량%로 설정한 전해조에 전해질 수용액을 공급하는 단계; 및 필라멘트가 24,000 개 이상인 라지 토우의 탄소 섬유를 상기 전해조에 공급된 전해질 수용액의 내부로 이동시키면서 상기 탄소 섬유의 표면이 개질되도록 하는 단계; 를 포함하는 라지 토우의 탄소 섬유의 표면 처리 방법을 제공한다.

Description

라지 토우의 탄소 섬유의 표면 처리 방법{SURFACE TREATMENT METHOD OF CARBON FIBER OF LARGE TOW}
본 발명은 라지 토우(large tow)의 탄소 섬유의 표면 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 라지 토우의 탄소 섬유를 표면 처리할 때 전해조의 장력과 수분율을 조절하여 라지 토우의 번들 내부로 전해액의 침투가 용이해지도록 하여 탄소 섬유의 표면 처리가 균일하게 진행될 수 있도록 한 라지 토우의 탄소 섬유의 표면 처리 방법에 관한 것이다.
탄소 섬유는 고강도 및 고탄성 등 뛰어난 기계적인 특성을 가지지만, 단독으로 이용되기 보다는 매트릭스 수지의 보강재로 흔히 이용된다. 이렇게 탄소 섬유로 보강된 매트릭스 수지는 서로 다른 물질이 혼합된 복합재료로서, 무게가 가볍고 강도 및 탄성률이 우수하여 스포츠용품, 레저용품, 우주 항공 장비 등의 제조에 유용하게 사용되고 있다.
그러나, 일반적으로, 탄소 섬유와 매트릭스 수지는 접착 강도가 불충분하므로, 보강재인 탄소 섬유의 표면을 개질하여 매트릭스 수지와의 접착 강도를 향상시킴으로써 탄소 섬유와 매트릭스 수지가 긴밀히 접착된 구조의 복합 재료로 형성되고 있다.
이러한 탄소 섬유의 표면 처리 방법으로, 가열 세정법, 기상 산화법 및 전기 분해법 등이 있으며, 최근에는 조작성이 양호하고 반응 제어가 용이한 전기 분해법이 널리 이용되고 있다.
한편, 라지 토우의 탄소 섬유는 필라멘트의 수가 많은 만큼 균일한 표면 처리가 어렵다. 이에 탄소 섬유의 표면을 균일하게 처리하기 위해서는 각각의 라지 토우의 필라멘트 사이로 전해액의 유입이 용이해지도록 하여야 한다.
이를 위해 종래에는 표면 처리를 시행하기 전에 라지 토우를 사전에 충분한 시간 동안 전해액에 침지시켜 내부까지 전해액으로 치환을 시키는 방법을 사용하였다. 그러나, 이러한 방법으로는 라지 토우의 탄소 섬유의 표면 처리 효과를 일정 수준 이상으로 올리는데 한계가 있었다.
일본특허공개 제2005-256211호(2005. 09. 22. 공개)
본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 라지 토우의 탄소 섬유를 표면 처리할 때 장력과 수분율을 조절하여 라지 토우의 번들 내부로 전해액의 침투가 용이해지도록 하여 탄소 섬유의 표면 처리가 최대한 균일하게 진행될 수 있도록 한 라지 토우의 탄소 섬유의 표면 처리 방법을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 측면은, 양극판 및 음극판이 각각 설치된 양극조 및 음극조를 포함하며, 장력을 0.05 내지 0.2 cN/dpf로, 수분율을 0.5 내지 1.5 중량%로 설정한 전해조에 전해질 수용액을 공급하는 단계; 및 필라멘트가 24,000 개 이상인 라지 토우의 탄소 섬유를 상기 전해조에 공급된 전해질 수용액의 내부로 이동시키면서 상기 탄소 섬유의 표면이 개질되도록 하는 단계; 를 포함하는 라지 토우의 탄소 섬유의 표면 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 상기 표면 처리 방법에 의해 표면이 개질되며, 5.1 GPa 의 인장 강도와 235 GPa 이상의 탄성률를 가지는 탄소 섬유를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 24,000 개 이상의 필라멘트를 갖는 라지 토우의 탄소 섬유를 표면 처리할 때 전해조의 장력을 0.05 내지 0.2 cN/dpf로 설정하고, 수분율을 0.5 내지 1.5 중량%로 설정하여 라지 토우의 번들 내부로 전해액의 침투가 용이해지도록 하여 탄소 섬유의 표면 처리가 최대한 균일하게 진행될 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 이러한 표면 처리를 통해 얻어진 탄소 섬유와 매트릭스 수지의 계면 전단 응력을 더 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시 예는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 실시 형태는 전기 분해법을 이용한 탄소 섬유의 표면 처리 방법으로, 먼저 전도성 물질로 이루어진 양극판 및 음극판이 각각 설치된 양극조 및 음극조를 포함하는 전해조에 전해질 수용액을 공급한다. 다음으로, 탄소 섬유를 상기 전해조에 공급된 전해질 수용액의 내부로 이동시키면서 상기 탄소 섬유의 표면이 개질되도록 한다.
상기 전해질 수용액으로는 통상의 전해액이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 황산, 질산, 염산, 인산 등의 무기산 수용액; 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨 등의 무기염기 수용액; 황산염(예: 황산나트륨), 질산염(예: 질산나트륨), 인산염, 암모늄염(예: NH4HCO3) 등의 중성염 수용액 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 그 농도는 통상 0.01 내지 20 중량%이고, 온도는 통상 5 내지 60℃ 일 수 있다.
또한, 필요에 따라, 상기 자성체, 바람직하게는 유기 자성체를 더욱 포함할 수 있다. 상기 자성체는 전해질 수용액에 자성을 부여하여 전해질 수용액을 자성 유체화함으로써, 상기 전자석에 반응하여 전해질 수용액의 이동을 더욱 효율적으로 제어할 수 있다.
본 실시 형태에 사용되는 탄소 섬유로는, 아크릴로니트릴 중합체계 탄소섬유, 셀룰로오스계 탄소섬유, 피치(pitch)계 탄소섬유 등의 통상의 탄소섬유를 제한 없이 사용할 수 있으며, 본 실시 형태에서는 탄소 섬유가 라지 토우의 형태로 공급될 수 있다.
전해질 수용액을 이용한 탄소 섬유의 표면 개질은, 사용되는 탄소 섬유 및 전해질 수용액의 종류 등에 따라 다르게 수행된다. 예를 들어, 탄소 섬유의 표면 산화의 경우, 양극에 결합된 탄소 섬유의 표면에서, OH- 이온이 전자를 양극으로 방출하고, 물 분자를 형성하면서, 탄소 섬유 표면을 산화시킨다. 다른 예로서, 전해질 수용액이 질소 관능 그룹을 포함할 경우, 탄소 섬유 표면에 질소 관능 그룹이 도입된다.
본 발명에 적용되는 탄소 섬유는 라지 토우의 탄소 섬유로서, 여기서 라지 토우는 필라멘트의 수가 적어도 24,000 개 이상일 수 있다.
이러한 라지 토우의 필라멘트의 개수에 따라 라지 토우의 탄소 섬유를 전해조의 전해질 수용액에 공급하여 표면 처리할 때 전해조의 장력은 0.05 내지 0.2 cN/dpf로 설정하고, 수분율은 0.5 내지 1.5 중량%로 설정한다.
이러한 조건에 따라 탄소 섬유가 상기 전해조의 전해액을 통과할 때 모세관 현상이 보다 용이하게 발생되어 라지 토우의 번들 내부로 전해액의 침투가 더 용이해지면서 탄소 섬유의 표면 처리가 보다 균일하게 진행될 수 있다.
또한, 이러한 표면 처리 방법을 통해 라지 토우의 탄소 섬유의 계면 물성이 향상될 수 있으며, 더욱이 이를 이용한 복합 재료의 물성도 향상시킬 수 있다.
하기 표 1을 참조하면, 장력이 0.05 cN/dpF 미만인 조건에서의 비교 예 1의 경우 주행사가 느슨해져 공정성이 저하될 수 있으며, 장력이 0.2 cN/dpF 를 초과하는 조건에서의 비교 예 2의 경우 주행사의 단사절이 발생될 수 있어 탄소 섬유의 품질이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
또한, 비교 예 1 및 2와 같이, 수분율이 0.5 중량% 미만인 경우 전해조에서의 전해액의 침투가 느려져 탄소 섬유의 표면이 균일하게 처리되는 효과가 저하될 수 있으며, 수분율이 1.5 중량% 를 초과하게 되면 장시간 운전시 전해액의 농도가 감소하여 또한 탄소 섬유의 표면처리 효과가 감소될 수 있다.
구분 장력(cN/dpf) 수분율(%) 인장강도(GPa) 탄성률(GPa) ILSS(MPa)
실시예 1 0.1 0.5 5.1 236 89
실시예 2 0.15 1 5.2 235 91
실시예 3 0.18 0.8 5.3 236 89
비교예 1 0.01 0.0 5.1 235 82
비교예 2 0.3 0.0 5.2 236 79
한편, 상기 표 1을 참조하면, 본 실시 형태에 따라 표면 처리된 탄소 섬유는 인장 강도가 5.1 GPa 이상이고, 탄성률이 235 GPa 이상이 되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구 범위에 의해 한정하고자 한다.
따라서, 청구 범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (2)

  1. 양극판 및 음극판이 각각 설치된 양극조 및 음극조를 포함하며, 장력을 0.05 내지 0.2 cN/dpf로, 수분율을 0.5 내지 1.5 중량%로 설정한 전해조에 전해질 수용액을 공급하는 단계; 및
    필라멘트가 24,000 개 이상인 라지 토우의 탄소 섬유를 상기 전해조에 공급된 전해질 수용액의 내부로 이동시키면서 상기 탄소 섬유의 표면이 개질되도록 하는 단계; 를 포함하는 라지 토우의 탄소 섬유의 표면 처리 방법.
  2. 제1항의 표면 처리 방법에 의해 표면이 개질되며, 5.1 GPa 의 인장 강도와 235 GPa 이상의 탄성률를 가지는 탄소 섬유.
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