KR101420966B1

KR101420966B1 - 탄소섬유용 사이징제 및 이 사이징제로 처리된 탄소 섬유

Info

Publication number: KR101420966B1
Application number: KR1020130008951A
Authority: KR
Inventors: 조철호; 김성룡
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-07-17

Abstract

본 발명은, BPA(비스페놀 A) 타입의 n=0~1인 에폭시 수지 5 내지 15 중량%; BPA 타입의 n=2~3인 에폭시 수지 35 내지 55 중량%; BPA 타입의 n=5~6인 에폭시 수지 15 내지 45 중량%; 및 BPF(비스페놀 F) 타입의 n=1~3인 에폭시 수지 3 내지 10 중량%; 를 포함하는 탄소섬유용 사이징제를 제공한다.

Description

탄소섬유용 사이징제 및 이 사이징제로 처리된 탄소 섬유{SIZING AGENT FOR CARBON FIBER AND CARBON FIBER USING THE SAME}

본 발명은 탄소섬유용 사이징제 및 이 사이징제로 처리된 탄소 섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소 섬유의 폭과 두께를 일정하게 유지할 수 있으며, 후공정에서 목표로 하는 폭으로 확폭이 용이한 탄소 섬유를 제조하기 위한 탄소섬유용 사이징제 및 이 사이징제로 처리된 탄소 섬유에 관한 것이다.

탄소 섬유는 신장도가 작고 취약한 성질을 갖기 때문에 기계적 마찰 등에 의해 보풀이 발생되기 쉽고, 매트릭스 수지에 대한 습윤성이 부족하여 강화재로서 사용하는 경우 우수한 성질을 충분히 발휘하기 어렵다. 이를 개선하기 위해 탄소 섬유에 대하여 사이징제에 의한 처리가 실시되고 있다.

종래의 사이징제는 에폭시 화합물과 계면 활성제로 이루어지며, 탄소 섬유 권취 전에 처리하여 약 12,000 개 이상의 필라멘트로 이루어진 탄소 섬유에 집속성을 부여한다.

이러한 에폭시 화합물과 계면활성제를 이용하는 사이징제에서 탄소 섬유의 집속성은 에폭시 분자량에 따라 증가될 수 있다. 이때, 에폭시의 분자량이 너무 높은 경우 확폭성이 저하되어 섬유 폭을 확대하기 어려운 문제점이 발생할 수 있다.

또한, 에폭시의 분자량이 너무 낮은 경우 확폭성은 증가될 수 있으나, 집속성이 저하되며, 탄소 섬유를 해사하여 프리프레그(prepreg) 제조, 필라멘트 권취(filament winding), 풀트루전(pultrusion), 위빙(weaving) 등의 후공정에서 외력에 의한 사폭의 변형이 쉽게 발생되어 일정한 폭을 갖는 제품을 제조하기 어려운 문제점이 발생할 수 있다.

이러한 문제점은 프리프레그와 같은 복합 재료의 물성을 저하시키는 원인이 될 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 일정 장력 이하에서는 집속성이 높아 사폭의 변형이 발생하지 않아 탄소 섬유의 폭과 두께를 일정하게 유지할 수 있으며, 일정 장력 이상으로 전단 응력을 가하는 경우 사폭을 확대시킬 수 있어 후공정에서 목표로 하는 폭으로 확폭이 용이한 탄소 섬유와 이러한 탄소 섬유를 제조하기 위해 첨가되는 사이징제를 제공하는데 그 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 측면은, BPA(비스페놀 A) 타입의 n=0~1인 에폭시 수지 5 내지 15 중량%; BPA 타입의 n=2~3인 에폭시 수지 35 내지 55 중량%; BPA 타입의 n=5~6인 에폭시 수지 25 내지 45 중량%; 및 BPF(비스페놀 F) 타입의 n=1~3인 에폭시 수지 3 내지 10 중량%; 를 포함하는 탄소섬유용 사이징제를 제공한다.

본 발명의 다른 측면은, BPA 타입의 n=0~1인 에폭시 수지 5 내지 15 중량%; BPA 타입의 n=2~3인 에폭시 수지 35 내지 55 중량%; BPA 타입의 n=5~6인 에폭시 수지 25 내지 45 중량%; 및 BPF 타입의 n=1~3인 에폭시 수지 3 내지 10 중량%; 를 포함하는 탄소섬유용 사이징제로 표면이 처리된 다음, 사폭 확대 장치가 설치되 건조기를 통해 건조되어 제조되는 탄소 섬유를 제공한다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 일정 장력 이하에서는 집속성이 높아 사폭의 변형이 발생하지 않아 탄소 섬유의 폭과 두께를 일정하게 유지할 수 있으며, 일정 장력 이상으로 전단 응력을 가하는 경우 사폭을 확대시킬 수 있어 후공정에서 목표로 하는 폭으로 확폭이 용이한 탄소 섬유를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 이러한 탄소 섬유를 이용하여 프리프레그를 제조하는 경우 프리프레그가 균일한 두께를 가지게 되므로 우수한 품질의 복합 재료를 제조할 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 발명의 일 실시 형태에 따른 탄소섬유용 사이징제는 35 ℃의 상온에서 요변성(thixotropic)의 특성을 가진 에폭시 혼합물을 주원료로 하여 이루어진다. 여기서, 요변성이란 수직면이나 침지법으로 부착 또는 적층재에 함침시킨 수지가 경화 중에 흘러내리거나 유실되는 경우가 없도록 유동하고 있을 때는 액상, 정지 상태에서는 고상의 성질을 갖는 것을 의미한다.

본 실시 형태의 탄소섬유용 사이징제는 하기 화학식 1에 도시된 BPA 타입의 에폭시와 화학식 2에 도시된 BPF 타입의 에폭시를 혼합하여 이루어져 질 수 있으며, 이에 전단력(shear force) 이상에서만 사폭이 변형되도록 구성될 수 있다.

여기서, BPA 타입의 에폭시는 대체적으로 BPA(bisphenol A)와 ECH(epichlorohydrine)를 반응시켜 제조하며, 촉매로는 NaOH가 사용될 수 있다.

또한, 분자 내에 에테르기를 가지고 있어 내약품성이 우수하고 가소성이 있으며, 친수성의 수산기와 소수성의 탄화수소기가 규칙적으로 배열되어 있어 우수한 접착성을 가진다.

또한, BPF 타입의 에폭시는 상기 BPA 타입의 에폭시 중에서 분자 가운에 있는 CH₃ 대신에 H가 있는 구조이다. 이러한 BPF 타입의 에폭시는 DGEBA 타입에 비해 저점도이고 고반응성이며, 타 수지와의 상용성 또한 우수한 특성을 가진다.

또한, 본 실시 형태의 탄소섬유용 사이징제는 BPA 타입의 에폭시에서 n=0~1인 에폭시 수지 5 내지 15 중량%와, n=2~3인 에폭시 수지 35 내지 55 중량%와, n=5~6인 에폭시 수지 25 내지 45 중량%를 포함할 수 있으며, BPF 타입의 에폭시 수지는 n=1~3인 에폭시 수지 3 내지 10 중량%를 포함할 수 있다.

본 발명의 탄소 섬유는 위와 같이 구성된 사이징제 또는 사이징제의 분산액을 침지법 또는 롤러 접촉법에 의해 탄소 섬유에 부여하여 탄소 섬유의 표면을 처리한 다음 사폭 확대 장치가 설치된 건조기를 통해 건조시킴으로써 제조할 수 있다.

사이징제 처리 후 사폭을 확대 및 고정시키면서 건조하기 위한 방법으로 건조기 안에서 사이징제가 경화되기 바로 전에 사폭 확대 장치를 통해 탄소 섬유 사폭이 확대되며 경화 후 사폭이 고정된다.

이때, 사이징제의 부여량은 사이징제의 분산액의 농도 조정 등에 의해 조절할 수 있다. 또한, 상기 건조는 열판, 가열 롤러 또는 각종 적외선 가열기 등을 이용하여 실시할 수 있다.

하기 표 1을 참조하면, 이와 같은 사이징제의 각 구성 성분의 혼합비에 따라 제조된 사이징제를 부여하여 제조된 탄소 섬유의 실시 예 1 내지 3은, 일정 장력 이하에서는 집속성이 높아 사폭의 변형이 발생하지 않아 탄소 섬유의 폭과 두께를 일정하게 유지할 수 있으며, 후공정에서의 장력 1000 cN 이상, 2000 cN 이상 및 3000 cN 이상에서 단사절 없이 확폭이 가능하여 목표로 하는 섬유의 폭으로의 가공이 용이해지는 효과가 있음을 알 수 있다.

구분	Epoxy 조성				권취된 탄소섬유 사폭(mm)	확폭 장력(cN)에서의 확대된 사폭
	BPA Type			BPF Type		확폭 장력(cN)에서의 확대된 사폭
	n=0~1	n=2~3	n=5~6	n=1~3		인가 장력
	n=0~1	n=2~3	n=5~6	n=1~3		1000	1500	2000	3000
실시예 1	5	55	35	5	6.7	7.0	7.2	9.8	12.5
실시예 2	5	52	40	3	6.8	7..3	7.4	8.5	10.3
실시예 3	5	47	45	3	6.5	6.8	7.1	7.6	10.4
비교예 1	0	40	60	0	6.1	6.5	7.0	7.4	8.1
비교예 2	10	60	30	0	6.8	10.8	13.0	14.3	15.1

상기 표 1을 참조하면, 비교 예 2와 같이 저분자량의 에폭시의 함량이 높은 경우 탄소 섬유의 사폭이 작은 외력에도 쉽게 변형되므로 균일한 사폭을 유지하기 어려운 것을 알 수 있다.

또한, 비교 예 1과 같이 고분자량의 에폭시의 함량이 높은 경우에는 집속성이 너무 높아져 사폭 변형이 어려워 탄소 섬유의 폭을 확대하기 어려운 것을 알 수 있다.

한편, 본 실시 형태의 사이징제는 필요시 상기 에폭시 수지 이외에 유화제 및 경화제를 더 포함할 수 있다.

상기 유화제는 에폭시 수지의 원활한 수분산을 위해 사용하며 비이온계 에스테르(ethylene glycol ester, propylene glycol ester, glyceryl ester, sorbitan ester, sucrose ester, polyethylene glycol, polyoxyethylene 등), 비이온계 에테르(propyleneethylene ether, propoxylated alcohol, ethoxylated/propoxylated block copolymer 등) 및 비이온계 아마니드(alkanolamide 등) 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 수 있다.

상기 경화제는 말레인산 무수물 공중합체, 지방족 아민(diethylene triamine, triethylene tetramine, diethyl amino propylamine, menthane diamine, N-aminoethyl pipeazine 등), 변성 지방족 아민(cyanoethyl화 polyamine, Ketone 봉쇄 polyamine, ethylene 또는 propylene oxide 변성 polyamine 등) 및 방향족 아민(meta phenylene diamine, diamino diphenyl sulfone, dimethyl aniline 등) 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 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

BPA(비스페놀 A) 타입의 n=0~1인 에폭시 수지 5 내지 15 중량%;
BPA 타입의 n=2~3인 에폭시 수지 35 내지 55 중량%;
BPA 타입의 n=5~6인 에폭시 수지 25 내지 45 중량%; 및
BPF(비스페놀 F) 타입의 n=1~3인 에폭시 수지 3 내지 10 중량%; 를 포함하는 탄소섬유용 사이징제.
BPA 타입의 n=0~1인 에폭시 수지 5 내지 15 중량%; BPA 타입의 n=2~3인 에폭시 수지 35 내지 55 중량%; BPA 타입의 n=5~6인 에폭시 수지 25 내지 45 중량%; 및 BPF 타입의 n=1~3인 에폭시 수지 3 내지 10 중량%; 를 포함하는 탄소섬유용 사이징제로 표면이 처리된 다음, 사폭 확대 장치가 설치되 건조기를 통해 건조되어 제조되는 탄소 섬유.