KR101439174B1 - 충격흡수능이 향상된 탄소섬유 직물 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 직물(woven carbon fiber); 산화아연 나노와이어; 및 수지; 를 포함하여 구성되는 탄소섬유 직물 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제조된 산화아연 나노와이어가 성장된 탄소섬유 직물 복합체는 산화아연 나노와이어 사이의 상호작용에 의해 계면 강도가 증가되었으며, 외부 충격으로 발생한 전단하중을 산화아연 나노와이어 네트워크를 통해 분산시켜 접촉면의 전단강도를 감소시키며, 충격흡수능이 향상되어 충격흡수제로 우수한 효과를 나타내어 자동차, 기계, 항공, 안전용품 등에 사용될 수 있다.

Description

충격흡수능이 향상된 탄소섬유 직물 복합체 및 이의 제조방법{Woven Carbon Fiber composites with improved impact absorbinf ability and preparation method}
본 발명은 탄소섬유 직물 표면에 산화아연 나노와이어를 성장시켜 에폭시에 함침시킴으로써 충격흡수능이 향상된 탄소섬유 직물 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
섬유강화 복합재료는 가볍고, 단단하며, 인장능력 및 탄성력 등과 같은 기계적 성질이 우수하여 자동차, 항공, 우주, 조선 및 군사장비 분야 등에서 널리 사용되고 있다. 섬유강화 복합재료의 기계적 물성은 섬유나 기지재 각각의 고유물성에 좌우되기도 하지만 섬유나 기지재 간의 결합력에 의해서도 영향을 많이 받으며, 이러한 계면 결합력을 향상시키기 위해 기지재의 개질 및 표면처리가 이루어지고 있다.
최근에는 강화복합체의 기계적 특성을 향상시키기 위한 방법으로 나노튜브나 나노섬유 또는 나노입자 등과 같은 형태의 탄소나노물질을 복합체에 같이 혼합하는 탄소나노강화복합체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화되어 시판되고 있다. 또한 환경적인 문제를 고려하여 바이오 물질과 나노물질의 결합을 통한 고성능 바이오 강화 복합체에 대한 관심과 연구도 진행되고 있는 실정이다.
그러나 상기와 같은 기존 방법들에서는 탄소나노물질을 복합체에 첨가하기 전에 사전 전처리 과정이 반드시 필요하다. 다시 말해, 나노물질들은 합성단계에서 서로 엉켜있는 형태로 합성되는 현상을 나타내므로 이들을 우선 사전에 분산하거나 정제하는 기술이 필수적이다. 사전에 충분히 분산시켰다 하더라도 고분자와의 결합 과정에서 다시 뭉침 현상이 발생할 수 있어 균일하게 나노 물질이 분산된 복합체를 얻기가 쉽지 않으며, 균일한 분산이 이루어지지 않을 경우에는 복합체의 기계적 성질이 각 위치마다 달라질 수 있는 중대한 문제점도 내포하게 된다. 또한, 탄소섬유에 탄소나노튜브를 성장시킬 경우, 탄소나노튜브 성장하면서 탄소섬유가 가지고 있는 탄소가 이용되므로 섬유의 인장강도가 약화되는 단점이 있다. 따라서, 이러한 종래기술의 문제점들을 해결하고 탄소섬유 복합체의 인장강도를 향상시킬 수 있는 새로운 소재에 대한 개발이 요구되고 있다.
미국공개특허 제2011/0224330호 국제특허 제WO2011-048216호 한국공개특허 제2010-0128456호
본 발명의 목적은 탄소섬유 직물 표면에 산화아연 나노와이어를 성장시켜 에폭시에 함침 시킴으로써 충격흡수능이 향상된 탄소섬유 직물 복합체를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 충격흡수능이 향상된 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
특히, 본 발명의 목적은 본 발명에 따라 제조된 충격흡수능이 향상된 평직 탄소섬유 복합체를 이용한 자동차, 기계, 항공, 안전용품을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소섬유 직물(woven carbon fiber); 및 금속 나노와이어;를 포함하여 구성되는 탄소섬유 직물 복합체에 있어서, 상기 금속 나노와이어는 상기 탄소섬유 직물의 일 표면에 성장되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 직물 복합체는 수지를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 수지는 폴리에스테르, 폴리스틸렌 및 에폭시 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (1) 탄소섬유 직물을 상기 시드 용액에 침적시킨 후, 열분해 처리하는 단계; 및 (2) 상기 (1) 단계에서 열분해 처리된 탄소섬유 직물을 성장 용액에 침적시킨 후, 수열법을 이용하여 탄소섬유 직물에 금속 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 (4) 단계는 진공 보조 수지 전달 성형 시스템((vacuum assisted resin transfer molding system, VARTM)을 이용하여 상기 탄소섬유 직물(woven carbon fiber)에 수지를 함침시키는 단계를 더 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 금속 나노선이 성장된 탄소섬유 직물, 및 상기 탄소섬유 직물에 수지층이 추가로 결합된 것을 특징으로 하는 충격흡수재가 제공된다. 상기 충격흡수재는 자동차, 기계, 항공 및 안전용품 등에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 금속 나노와이어가 성장된 탄소섬유 직물 복합체는 나노와이어 사이의 상호작용에 의해 계면 강도가 증가되었다. 금속 나노와이어가 성장된 탄소섬유 직물 복합체는 충격으로 발생한 전단하중을 나노와이어 네트워크를 통해 분산시켜 접촉면의 전단강도를 감소시키며, 충격흡수능이 향상되어 충격흡수제로 우수한 효과를 나타내어 자동차, 기계, 항공, 안전용품 등에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 섬유복합체에 충격을 가했을 때 발생하는 균열을 나타내는 개념도이다. 도 1a 는 충격을 받은 지점으로부터 발생한 균열이 매트릭스 오른쪽으로 전파되는 것을 나타내는 개념도이며, 도 1b는 충격으로 발생되는 에너지가 섬유 복합체에 성장된 나노와이어의 상호작용에 의해 흡수되면서 균열이 감소되는 현상을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 65 ℃ 에탄올에 용해시킨 아연 아세테이트 이수화물(Zinc acetate dihydrate, Zn(CH3COO)2ㆍ2H2O) 용액에 65 ℃ 에탄올에 용해시킨 수산화나트륨(NaOH) 용액을 첨가하여 산화아연 나노와이어를 형성하기 위한 pH 5-6의 산화아연 시드 용액을 제조하는 방법 및 화학반응식을 도식화한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 증류수에 용해시킨 헥사메틸렌테트라민(hexamethylenetetramine, C6H12N4) 용액에 징크 니트레이트 육수화물(zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)2.6H2O) 용액을 첨가하여 pH 6-8의 산화아연 나노와이어의 성장 용액을 제조하는 방법 및 화학반응식을 도식화한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소섬유 직물(woven carbon fiber) 샘플(75 mm × 75 mm × 0.3 mm)을 시드 용액에 침적시켜 오븐에서 열분해 처리(pyrolysis prosess)를 한 다음, 성장 용액에 침적시켜 오토클레이브(autoclave)에서 열처리를 하여 탄소섬유 직물(woven carbon fiber)에 산화아연 나노와이어를 성장시키고, 진공 보조 수지 전달 성형 시스템 (vacuum assisted resin transfer molding system, VARTM)을 이용하여 상기 산화아연 나노와이어를 성장시킨 탄소섬유 직물(ZnO-woven carbon fibers)에 폴리에스테르 수지(polyester regin)를 함침시켜 폴리에스테르-산화아연 탄소섬유 직물 복합체를 구성하는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소섬유 직물(woven carbon fibers) 표면에 성장된 산화아연 나노와이어를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소섬유 직물(woven carbon fibers) 및 탄소섬유 직물 표면에 나노선이 성장된 샘플의 이미지이다. (a)는 직조된 탄소섬유 직물이며, (b)는 탄소섬유 직물을 500 ㎛ scale로 촬영한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이고, (c)는 산화아연 나노선이 성장된 직물을 10 ㎛ scale로 촬영한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 열분해 처리방법(pyrolysis treatment)을 이용하여 탄소섬유 직물(woven carbon fibers)를 시드 용액으로 처리하는 단계의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 수열법(hydrothermal method)을 이용하여 탄소섬유 직물(woven carbon fibers)를 성장 용액으로 처리하는 단계의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 시드 용액 및 성장 용액을 이용하여 탄소섬유 직물(woven carbon fibers)의 표면에 산화아연 나노와이어를 성장시키는 단계의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 여러 농도에서 탄소섬유 직물(woven carbon fibers)에 성장시킨 산화아연 나노와이어를 보여주는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다:(a) 10mM, (b) 20mM, (c) 30mM, and (d) 40mM.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소섬유 직물(woven carbon fibers)의 충격흡수능을 테스트하기 위한 장치의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 충격에 의해 산화아연이 성장된 탄소섬유 직물(woven carbon fibers)의 표면이 균열된 것을 나타내는 도이다: (a) 0mM, (b) 10mM, (c) 20mM, (d) 30mM, (e) 40mM.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소섬유 직물을 여러 농도의 산화아연 성장 용액에 침적시켜 제조된 탄소섬유 직물 복합체의 충격 흡수에너지를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소섬유 직물을 여러 농도의 산화아연 성장 용액에 침적시켜 제조된 탄소섬유 직물 복합체의 충격 흡수에너지를 측정한 결과를 나타낸 막대그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 충격을 받은 산화아연 나노와이어가 성장된 탄소섬유 직물 복합체에서 발생된 균열 잔해를 보여주는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 산화아연의 몰농도와 질량분율에 대한 관계를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명에서 일 실시예에서 사용되는 장치의 도이다. 도 15a는 인장실험(tensile test)에 사용되는 말단을 탭으로 처리한 샘플을 나타내는 도이며, 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따라 인장실험(tensile test)에 의해 파손된 샘플을 나타내는 도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 산화아연 나노와이어가 성장된 탄소섬유 직물 복합체(woven carbon fiber composition)의 산화아연 농도별 탄성계수를 나타내는 막대그래프이다.
금속 나노와이어는 전기적, 광학적, 자기적, 압전특성 등과 같은 독특한 특성으로 인해 주요 연구분야에서 큰 관심을 받고 있다. 본 발명에 따르면 이러한 금속 나노와이어를 탄소섬유 직물에 성장시킴으로써 외부 충격으로부터 발생한 전단하중을 나노와이어 네트워크를 통해 분산시켜 접촉면의 전단강도를 감소시키며, 충격흡수능이 향상되어 우수한 효과를 나타내는 충격흡수재를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 탄소섬유 직물(woven carbon fiber); 및
금속 나노와이어;를 포함하여 구성되는 탄소섬유 직물 복합체에 있어서,
상기 금속 나노와이어는 상기 탄소섬유 직물의 일 표면에 성장되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 직물 복합체는 수지를 더 포함하여 구성될 수 있으며,
상기 수지는 폴리에스테르, 폴리스틸렌 및 에폭시 중에서 선택될 수 있고,
상기 금속은 산화아연, 이산화티타늄 및 산화구리를 포함하는 군 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속은 산화아연일 수 있는데, 상기 산화아연(ZnO)은 상온에서 3.37eV의 넓은 밴드갭 에너지를 가지는 반도체로서, 결정구조에서 이방성, 비화학량론적 결함구조를 갖는데, 이는 산화아연 성장시에 아연과 산소의 직경이 크게 다르기 때문에 침입형(interstitial) Zn이나 산소 공동(vacancy)이 생기게 되며, 산화아연의 광학적 특성이 다른 화합물 반도체에 비해 넓은 밴드갭을 가지고 있어, 60 mV의 큰 여기자 결합에너지를 보이고, 여기자에 의한 자외선 영역의 발광이 쉬워 상온에서도 안정되고 고효율의 레이저 방출이 용이하고, 2250 K의 높은 융점을 가짐으로 외부조건에 대한 저항성이 우수한 것으로 알려져 있어 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 직물에 성장되는 금속 나노와이어의 밀도는 상기 시드층에 의해 제어될 수 있으며, 상기 금속 나노와이어의 성장 방향, 직경, 길이는 상기 성장 용액의 농도 및 성장 시간에 의해 제어될 수 있다.
본 발명은 (1) 탄소섬유 직물을 상기 시드 용액에 침적시킨 후, 열분해 처리하는 단계; 및
(2) 상기 (1) 단계에서 열분해 처리된 탄소섬유 직물을 성장 용액에 침적시킨 후, 수열법을 이용하여 탄소섬유 직물에 금속 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법으로서,
상기 금속은 산화아연, 이산화티타늄 및 산화구리인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (1) 단계의 시드 용액 pH는 5-6일 수 있으며, 상기 열분해 처리는 80-180 ℃에서 수행될 수 있고,
상기 (2) 단계의 성장 용액 pH는 6-8일 수 있으며, 상기 수열처리 70-150 ℃에서 수행될 수 있고,
상기 금속 나노와이어는 c-axis 방향으로 성장될 수 있으며,
상기 금속 나노와이어의 직경은 5-1000 nm일 수 있는데, 바람직하게는 10-500 nm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20-300 nm일 수 있고, 장방비는 2-20일 수 있는데, 바람직하게는 3-18이며, 더욱 바람직하게는 5-15일 수 있다.
상기 탄소섬유 직물복합체의 금속 나노와이어 함유 비율은 중량분율로 0.6-1.4 중량%일 수 있으며, 0.7-1.2 중량%인 것이 더욱 바람직한데, 금속 나노와이어의 함유비율이 상기 범위보다 낮으면, 금속 나노와이어를 함유하지 않은 탄소섬유 직물 복합체와 비교하여 충격으로부터 에너지를 흡수하는 양의 증가가 크지 않으며, 탄소섬유 직물이 손상되는 정도가 크고, 경제적이지 않으며, 금속 나노와이어의 함유비율이 상기 범위보다 크면 충격으로부터 에너지를 흡수하는 양이 중량분율이 상기 상한치에 비해 거의 증가하지 않으므로 경제적이지 않아 바람직하지 않다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 (2) 단계는 진공 보조 수지 전달 성형 시스템((vacuum assisted resin transfer molding system, VARTM)을 이용하여 상기 탄소섬유 직물(woven carbon fiber)에 수지를 함침시키는 단계를 더 포함하여 제조될 수 있으며,
상기 수지는 폴리에스테르, 폴리스틸렌 및 에폭시 중에서 선택될 수 있다.
또한, 본 발명은 금속 나노선이 성장된 탄소섬유 직물, 및 상기 탄소섬유 직물에 수지층이 추가로 결합된 것을 특징으로 하는 충격흡수재를 제공한다.
상기 금속은 산화아연, 이산화티타늄 및 산화구리일 수 있으며,
상기 수지는 폴리에스테르, 폴리스틸렌 및 에폭시 중에서 선택될 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이 탄소섬유 복합체에 충격을 가했을 때, 나노선이 성장되지 않은 탄소섬유 직물은 충격에너지로 인하여 충격 발생지점으로부터 발생한 균열이 매트릭스 오른쪽으로 전파되며, 이에 반하여 금속 나노선이 성장된 탄소섬유 직물은 금속 나노와이어와 탄소섬유 직물 간의 상호작용에 의해 충격으로 발생된 충격에너지가 흡수되어 균열이 감소되어 전파되었다.
이러한 가교 밀도는 성장된 산화아연의 같은 높이로 추정할 수 있으며, 충격 흡수에너지는 다음과 같은 식을 나타낼 수 있다.
Etotal = Erebound + Eabsorbed
이때, 회복에너지는 거의 무시할 정도로 작으므로, 총 에너지는 거의 대부분 산화아연 나노와이어-탄소섬유 직물 복합체에 흡수된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노와이어는 금속 나노와이어의 밀도에 따라 충격흡수능이 제어될 수 있으며,
상기 탄소섬유 직물에 성장되는 금속 나노와이어의 밀도는 상기 시드층의 코팅에 의해 제어될 수 있고,
상기 금속 나노와이어의 성장 방향, 직경, 길이는 상기 성장 용액의 농도 및 성장 시간에 의해 제어될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 충격흡수재는 자동차, 기계, 항공, 안전용품을 포함하는 군에 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 산화아연 시드 용액의 제조
0.22 g 아연 아세테이트 이수화물(Zinc acetate dihydrate, Zn(CH3COO)2ㆍ2H2O)을 에탄올 400 ml에 넣고 65 ℃에서 30 분간 교반하였다. 2 mM 수산화나트륨(NaOH) 용액 100 ml을 에탄올 80 ml에 희석시켜 65 ℃에서 30 분간 교반한 후, 상기 에탄올에 희석된 수산화나트륨 용액을 앞서 제조한 아연 아세테이트 이수화물 용액과 혼합하였다. 상기 아연 아세테이트 이수화물 용액과 수산화나트륨 용액 혼합물에 에탄올 320 ml을 추가로 첨가한 후, 상온에서 30 분간 교반하였으며, pH를 5-6로 맞추었다. 반응 종료 후 상온에서 1 시간 동안 식혀 아연양이온(Zn2 +)을 수산화아연 음이온([Zn(OH)4]2-)으로 전환시켰다.
도 2에는 상기 제조예 1의 방법에 따라 산화아연 시드 용액을 제조하는 방법 및 화학반응식을 도식화하여 나타내었다.
제조예 2. 산화아연 성장 용액의 제조
10 mM 헥사메틸렌테트라민(Hexamethylenetetramine, C6H12N4) 용액 0.88 g을 증류수 630 ml에 넣고 10 분간 교반시킨 후, 10 mM 징크 니트레이트 육수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)2.6H2O) 용액 1.87 g을 첨가하여 30분 동안 상온에서 교반하였으며, pH를 6-8로 맞추었다.
도 3에는 상기 제조예 2의 방법에 따라 산화아연 성장 용액을 제조하는 방법 및 화학반응식을 도식화하여 나타내었다. 산화아연 나노와이어의 성장에서 수산화음이온의 농도는 산화아연 나노선 성장에 중요한 역활을 한다. 낮은 농도의 헥사메틸렌테트라민과 징크 니트레이트 육수화물에서는 수산화 음이온의 반응속도가 낮은 반면, 높은 농도의 헥사메틸렌테트라민과 징크 니트레이트 육수화물에서는 수산화음이온의 반응 속도가 활발해져 산화아연 나노와이어의 성장속도를 향상시킬 수 있다.
제조예 3. 산화아연 성장 용액의 제조
산화아연 용액의 농도를 20 mM으로 하는 것을 제외하고, 실시예 2의 방법으로 산화아연 성장 용액을 제조하였다.
제조예 4. 산화아연 성장 용액의 제조
산화아연 용액의 농도를 30 mM으로 하는 것을 제외하고, 실시예 2의 방법으로 산화아연 성장 용액을 제조하였다.
제조예 5. 산화아연 성장 용액의 제조
산화아연 용액의 농도를 40 mM으로 하는 것을 제외하고, 실시예 2의 방법으로 산화아연 성장 용액을 제조하였다.
실시예 1. 10 mM 탄소섬유 직물 복합체의 제조
실시예 1.1. 열분해처리( Pyrolysis process )
두께가 0.3 mm인 싱글 탄소섬유 직물(one layer of woven carbon fiber)를 75*75 mm로 잘라 에탄올로 씻어준 다음 100 ℃ 오븐에서 10분 동안 건조하였다. 건조된 탄소섬유 직물을 산화아연 시드 용액에 10 분간 침적시킨 후, 150 ℃ 오븐에서 10분간 가열하였다가 상온에서 식히는 과정을 4 회 반복수행하여 용매 및 유기물질을 제거하였다.
실시예 1.2. 수열법( Hydrothermal method )
상기 산화아연 성장 용액에 처리된 탄소섬유 직물을 제조예 2에서 제조한 10 mM 산화아연 성장 용액에 침적시킨 후, 스테인레스 스틸 오토클레이브에 넣고 밀봉하였다. 오토클레이브의 온도를 90 ℃로 조절하여 4시간 동안 수열법으로 처리하였다. 수열법으로 처리 후 산화아연 나노와이어의 성장을 중단시키기 위하여 20 분 동안 샘플을 증류수로 씻어 준 다음 산화아연 나노와이어가 성장된 탄소섬유 직물을 24 시간 동안 자연 건조하였다.
실시예 1.3. 수지 부착
금형을 이루고 있는 몰드 내부와 대기압과의 압력차이를 이용하는 진공 보조 수지 전달 성형 시스템(vacuum assisted resin transfer molding system, VARTM)을 이용하여 산화아연 나노와이어가 성장된 탄소섬유 직물 일면에 폴리에스테르 수지를 함침시킴으로써 산화아연 나노와이어가 성장된 탄소섬유 직물 복합체를 제조하였다.
실시예 2. 20 mM 탄소섬유 직물 복합체의 제조
제조예 3에서 제조한 20 mM 산화아연 성장용액을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 방법으로 탄소섬유 직물 복합체를 제조하였다.
실시예 3. 30 mM 탄소섬유 직물 복합체의 제조
제조예 4에서 제조한 30 mM 산화아연 성장용액을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 방법으로 탄소섬유 직물 복합체를 제조하였다.
실시예 4. 40 mM 탄소섬유 직물 복합체의 제조
제조예 5에서 제조한 40 mM 산화아연 성장용액을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 방법으로 탄소섬유 직물 복합체를 제조하였다.
실험예 1. 주사전자현미경( Scanning Electron Microscope , SEM )
실험예 1.1.
제조예 1에서 제조한 열분해처리(Pyrolysis process)에 의해 산화아연 시드가 형성된 탄소섬유 직물을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영하였으며, 이를 도 7에 나타내었다.
실험예 1.2.
제조예 2에서 제조한 수열법(hydrothermal method)에 의해 탄소섬유 직물(woven carbon fibers)에 산화아연 나노와이어가 성장하는 과정을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영하였으며, 이를 도 8 및 9에 나타내었다.
실험예 1.3.
실시예 1 내지 4에서 제조한 산화아연 나노와이어가 성장된 탄소섬유 직물을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영하였으며, 이를 도 10에 나타내었다.
도 10(a)는 실시예 1의 방법으로 제조한 10 mM 농도의 산화아연 성장용액에서 제조된 산화아연 나노와이어-탄소섬유 직물 복합체이며, 도 10(b)는 실시예 2의 방법으로 제조된 20 mM 농도의 산화아연 성장용액에서 제조된 산화아연 나노와이어-탄소섬유 직물 복합체이고, 도 10(C)는 실시예 3의 방법으로 제조된 30 mM 농도의 산화아연 성장용액에서 제조된 산화아연 나노와이어-탄소섬유 직물 복합체이며, 도 10(d)는 실시예 4의 방법으로 제조된 40 mM 농도의 산화아연 성장용액에서 제조된 산화아연 나노와이어-탄소섬유 직물 복합체이다.
산화아연 성장용액의 농도가 10 mM에서 40 mM로 증가됨에 따라 탄소섬유 직물에 성장된 나노와이어의 표면밀도는 증가하였으며, 성장된 나노와이어의 형상 또한 차이가 있음을 확인할 수 있다. 도 10(a)는 균일한 크기의 나노와이어가 성장하였으나 낮은 표면밀도를 가지며, 상기 금속 나노와이어 함유 비율은 중량분율로 0.6 중량%였고, 도 10(b)는 균일한 크기의 나노와이어가 성장되었으며, 상기 금속 나노와이어 함유 비율이 중량분율로 0.9중량% 였고, 도 10(c)는 균일한 크기의 나노와이어가 높은 표면밀도를 가지며 성장하였으며, 상기 금속 나노와이어 함유 비율은 중량분율로 1.3 중량%였고, 도 10(d)에서는 높은 표면밀도를 가지나 원치않는 미크론 단위의 나노와이어가 비균일적으로 성장되었으며, 상기 금속 나노와이어 함유 비율은 중량분율로 1.4 중량%였다.
실험예 2.
충격계측장비(Instron 5982)를 이용하여 실시예 1 내지 4에서 제조한 산화아연-탄소섬유 직물 복합체의 충격에너지 흡수를 측정하였다.
비교예 2의 산화아연 나노와이어를 성장시키지 않은 섬유복합체는 직경이 9.714 mm구멍이 뚫리는 결과를 나타냈으나, 산화아연 성장용액의 농도가 30 mM 또는 40 mM인 산화아연 나노와이어-탄소섬유 직물 복합체는 섬유조직이 파괴되지 않고 충격을 흡수하며 아치 형태를 보이며 섬유조직이 일부 손상되는 결과를 나타내었으며, 이를 도 12에 나타내었다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 탄소섬유 직물을 여러 농도의 산화아연 성장 용액에 침적시켜 산화아연 나노와이어를 성장시킨 탄소섬유 직물 복합체의 충격 흡수에너지를 측정한 결과, 산화아연 나노와이어를 성장시키지 않은 섬유복합체의 흡수에너지는 1.0791 J 이며, 실시예 1에서 제조한 직물 복합체는 1.1457 J 이고, 실시예 2에서 제조한 직물 복합체는 1.803이며, 실시예 3에서 제조한 직물 복합체는 2.825으로 측정되었고, 실시예 4에서 제조한 직물 복합체는 실시예 3과 비교하여 거의 증가되지 않았다. 상기 결과에서 확인할 수 있듯이 본 발명에 따른 탄소섬유 직물복합체에서 금속 나노와이어 함유 비율은 중량분율로 0.6-1.4 중량%인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나는 경우, 충격흡수능이 미미하거나 충격흡수능이 향상되는 정도가 낮아 경제적이지 않다.
실험예 3.
100kN load cell을 사용하여 Instron 5982으로 인장실험을 5회 반복하여 실시하였다. ASTM D3039 방법에 따라 2 mm/min의 변위 속도를 유지하며 샘플이 통제 되었으며, 샘플 양 끝단의 탭은 실험하는 동안 결합오류와 미끄럼을 방지하기 위하여 사용되었다.
비교예 1.
금속 나노와이어가 형성되지 않은 탄소섬유 직물을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영하였으며, 이를, 도 6(b)에 나타내었다.
비교예 2.
충격계측장비(Instron 5982)를 이용하여 금속 나노와이어가 성장되지 않은 순수한 탄소섬유 직물 복합체의 충격에너지 흡수를 측정하였다.
산화아연 나노와이어를 성장시키지 않은 섬유복합체는 308.530 N 크기의 충격으로부터 섬유조직이 파괴되며 직경이 9.714 mm구멍이 뚫리는 결과를 나타내었으며, 이를 도 12(a)에 나타내었다.

Claims (18)

  1. 탄소섬유 직물(woven carbon fiber); 및
    금속 나노와이어;를 포함하여 구성되는 탄소섬유 직물 복합체에 있어서,
    상기 금속 나노와이어는 상기 탄소섬유 직물의 일 표면에 c-axis 방향으로 성장된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유 직물 복합체는 수지를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체
  3. 제2항에 있어서, 상기 수지는 폴리에스테르, 폴리스틸렌 및 에폭시 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속은 산화아연, 이산화티타늄 및 산화구리 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어의 직경은 5-1000 nm이며, 장방비가 2-20인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체.
  6. (1) 탄소섬유 직물을 시드 용액에 침적시킨 후, 열분해 처리하는 단계; 및
    (2) 상기 (1) 단계에서 열분해 처리된 탄소섬유 직물을 성장 용액에 침적시킨 후, 수열법을 이용하여 탄소섬유 직물에 금속 나노와이어를 c-axis 방향으로 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법으로서,
    상기 금속은 산화아연, 이산화티타늄 및 산화구리 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (1) 단계의 시드 용액 pH는 5-6이며, 상기 열분해 처리는 80-180 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 (2) 단계의 성장 용액 pH는 6-8이며, 상기 수열 처리는 70-150 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 (2) 단계는 진공 보조 수지 전달 성형 시스템((vacuum assisted resin transfer molding system, VARTM)을 이용하여 상기 탄소섬유 직물(woven carbon fiber)에 수지를 함침시키는 단계를 더 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제6항에 있어서, 상기 금속 나노와이어는 직경은 5-1000 nm이며, 장방비가 2-20인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 탄소섬유 직물복합체의 금속 나노와이어 함유 비율은 중량분율로 0.6-1.4 중량%인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 수지는 폴리에스테르, 폴리스틸렌 및 에폭시 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 직물 복합체의 제조방법.
  14. 제6항 내지 제9항 및 제11항 내지 13항 중 어느 한 항에 따라 제조한 금속 나노선이 성장된 탄소섬유 직물 및 상기 탄소섬유 직물에 수지층이 추가로 결합된 것을 특징으로 하는 충격흡수재.
  15. 제14항에 있어서, 상기 금속은 산화아연, 이산화티타늄 및 산화구리 중에서 선택되며, 상기 수지는 폴리에스테르, 폴리스틸렌 및 에폭시 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 충격흡수재.
  16. 제6항 내지 제9항 및 제11항 내지 13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 탄소섬유 직물 복합체를 이용한 자동차용 충격흡수재.
  17. 제6항 내지 제9항 및 제11항 내지 13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 탄소섬유 직물 복합체를 이용한 기계용 충격흡수재.
  18. 제6항 내지 제9항 및 제11항 내지 13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 탄소섬유 직물 복합체를 이용한 안전용품용 충격흡수재.
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