KR101582224B1

KR101582224B1 - Cnt가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법

Info

Publication number: KR101582224B1
Application number: KR1020140119097A
Authority: KR
Inventors: 박경래; 박동원; 김영근; 최승호
Original assignee: 윈엔윈(주)
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2016-01-11

Abstract

본 발명은 여러 장의 카본 섬유 라미네이트를 접합하는 과정에서 사용하게 되는 고가의 에폭시수지 접착제를 대체할 수 있도록 하여 카본섬유 강화 복합소재의 생산비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 접착제의 수급을 원활하게 할 수 있도록 한 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법은 카본섬유 라미네이트를 준비하는 단계; 카본소재 라미네이트의 접합면에 에폭시수지 58~68중량%, 페녹시수지 5~8중량%, CNT 3~6중량%, 경화제 24~28중량%의 비율로 혼합된 접착제를 도포하는 단계; 접착제가 도포된 라미네이트를 적층하는 단계; 라미네이트에 도포된 접착제를 85~87℃ 온도조건에서 50~60분 동안 경화시키는 단계; 를 포함하여 이루어진다.

Description

CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법{Method for manufacturing carbon fiber reinforced composite materials using hot melt adhensive added carbon nanotubes}

본 발명은 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법에 관한 것으로서, 여러 장의 카본 섬유 라미네이트를 접합하는 과정에서 사용하게 되는 고가의 에폭시수지 접착제를 대체할 수 있도록 하여 카본섬유 강화 복합소재의 생산비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 접착제의 수급을 원활하게 할 수 있도록 한 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법에 관한 것이다.

핫 멜트 접착제(hot melt adhensive)는 솔벤트가 없는 접착제로써, 포장, 제본, 제화, 목공 등 다양한 산업 분야에서 여러 용도로 사용되고 있다. 핫 멜트 접착제는 열을 가하여 유동상으로 용해시킨 상태에서 접합 대상에 고르게 도포하는 방식으로 사용된다.

핫 멜트 접착제는 카본섬유 강화 복합소재를 제작하는 과정 및 프리프레그(Prepreg) 제작시에 널리 사용되고 있다. 카본섬유 강화 복합소재를 이용한 프리프레그는 탄소섬유에 매트릭스 수지를 예비 함침한 성형 재료로써, 프리프레그를 적층하여 가열 및 가압하여 수지가 경화되도록 하는 과정을 통해서 원하는 제품을 성형하게 된다. 이러한 공정을 통해 얻는 프리프레그는 경량, 고강도, 고내열성, 고탄성률 등의 우수한 특성을 갖게 됨으로써 항공기 부품, 자동차 부품, 자전거 프레임, 낚시대, 운동기구 등 다양한 제품 제작의 소재에 적용되고 있다.

한편, 전술한 바와 같이 카본섬유 강화 복합소재를 이용하는 제품 중의 한 예로는 활의 날개와 핸들을 들 수 있다. 특히 활의 날개 제작시에는 카본섬유를 원료로 하는 라미네이트를 준비하고, 수십 장의 라미네이트를 각 장마다 핫 멜트 접착제를 도포한 후, 적층시킨 상태에서 일정 시간 동안 경화시키게 된다. 경화가 완료된 소재는 디자인된 활의 날개 모양으로 재단 및 마무리되어 원하는 형태의 제품으로 생산된다. 따라서, 카본섬유 강화 복합소재를 이용하여 생산된 제품의 내구성은 사용된 핫 멜트 접착제의 물성에 의해서 좌우될 수 있다.

그런데 카본섬유 강화 복합소재의 제작시 충분한 물성을 확보하기 위해서 고가의 핫 멜트 접착제가 사용됨으로써 생산비용이 증가할 뿐만 아니라 핫 멜트 접착제의 수급이 원활하지 않을 경우에는 생산공정에 차질이 발생하게 되는 문제점이 있었다. 물론, 시중에는 수급이 원활하고 가격이 저렴한 다양한 에폭시수지가 공급되고 있지만, 이들 제품들의 물성은 카본섬유 강화 복합소재의 제작시 라미네이트를 접합하는 데에는 충분하지 못한 단점이 있었다.

대한민국특허청 공개특허공보 10-2014-0034738 대한민국특허청 등록특허공보 10-1294713 대한민국특허청 등록특허공보 10-1357277

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 창안된 것으로써, 상대적으로 저렴한 제작 비용으로 쉽게 제조할 수 있음에도 접착력이 우수하여 카본섬유 강화 복합소재 제작시에 핫 멜트 접착제로써 유용하게 활용될 수 있는 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법을 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 수단으로 본 발명은 다음과 같은 구성으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법은 카본섬유 라미네이트를 준비하는 단계; 카본소재 라미네이트의 접합면에 에폭시수지 58~68중량%, 페녹시수지 5~8중량%, CNT 3~6중량%, 경화제 24~28중량%의 비율로 혼합된 접착제를 도포하는 단계; 접착제가 도포된 라미네이트를 적층하는 단계; 라미네이트에 도포된 접착제를 85~87℃ 온도조건에서 50~60분 동안 경화시키는 단계; 를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법에서 에폭시수지는 국도화학(주)의 YD128H 제품일 수 있다.

본 발명에 따른 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법에서 페녹시수지는 범용 에스테르 수지인 LER-HH 제품일 수 있다.

본 발명에 따른 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법에 의하면 핫 멜트 접착제로써 기존에 사용하였던 고가의 제품을 대체할 수 있어 생산비용을 상대적으로 낮출 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법에 의하면 항공기 부품, 자동차 부품, 자전거 부품, 낚시대, 운동기구 등에 적용되는 카본섬유 강화 복합소재를 이용한 제품의 제작시에 두루 사용될 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 종래 에폭시수지 접착제의 물성을 측정한 그래프.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 접착제 조성물의 물성을 측정한 그래프.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 접착제의 물성과 비교하기 위한 비교예들에 의한 접착제 조성물의 물성을 측정한 그래프.

이하에서는 본 발명에 따른 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법에 대해서 실시 예를 참고하면서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명은 카본섬유를 이용하여 항공기 부품, 자동차 부품, 자전거 프레임, 낚시대, 운동기구 등 다양한 제품 제작을 제작하는 과정에서 카본섬유를 주원료로 한 라미네이트들끼리를 접합시키기 위해 사용해야 하는 에폭시수지 접착제(핫 멜트 접착제)를 기존의 고가 제품에 비해서는 상대적으로 저렴하면서도 비슷한 물성을 가진 제품을 제공하는 데 목적이 있다. 여기에서 고가의 에폭시수지 접착제의 예를 든 기존의 제품은 Huntman사에서 공급하는 TDR1100이다. Huntman사의 에폭시수지인 TDR1100 제품은 본 발명의 실시 예 등에서 사용하는 국도화학(주)의 에폭시수지인 YD128H 제품에 비하여 대한민국에서의 판매가격이 약 5배 정도이다.

한편, 본 발명의 출원인인 (주)윈엔윈에서는 활의 날개 부분을 제작하는 과정의 하나인 수 십장의 라미네이트들을 접합하는 과정에서 에폭시수지 접착제로써 Huntman사의 TDR1100을 사용해 왔다.

이에 본 출원인은 가격이 상대적으로 저렴한 에폭시수지로써 국도화학(주)의 YD128H 제품에 CNT를 일정량 첨가해가면서 접착력이 향상되는 결과를 얻게 되었고, 에폭시수지에 CNT를 첨가해나가며 다양한 실험을 하게 되었다. 이 과정에서 본 출원인은 에폭시수지에 CNT뿐만 아니라 페녹시수지 및/또는 경화제를 더 추가하는 실험도 실시하였다.

본 발명의 실시 예을 위해서 여러 제품을 혼합하는 과정에서 사용한 에폭시수지는 국도화학(주)의 YD128H 제품이다. 물론, 국도화학(주)의 YD128H 제품의 물성과 유사한 물성을 갖으며 가격이 상대적으로 저렴한 에폭시수지 제품이라면 국도화학(주)의 YD128H 제품을 대체할 수도 있을 것이다.

본 발명의 실시 예에서 사용한 페녹시수지는 시중에서 구입할 수 있는 범용 에스테르 수지로써 대한민국에서는 (주)씨켐인터내셔널을 통해서 유통되고 있는 LER-HH을 사용하였다. 본 발명을 위해 적용 가능한 페녹시수지로도 범용 에스테르 수지인 LER-HH 제품과 유사한 물성을 같이 하는 다른 페녹시수지가 사용될 수 있을 것이다.

그리고 본 발명에 따른 실시 예에서의 경화제로는 국도화학(주)의 경화제 제품인 D-230 제품을 사용하였다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 실시 예에서는 에폭시수지, 페녹시수지, 경화제와 함께 CNT를 일정량 혼합하게 되는데, 이때 사용한 CNT로는 (주)나노솔루션의 제품과 (주)카본나노텍의 제품을 사용하였다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따라 탄소섬유 강화 복합소재를 제작하기 위한 과정 중의 하나로써 에폭시수지, 페녹시수지, CNT, 경화제를 일정량씩 혼합하여 접착제를 준비하는 과정에 대해서 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 CNT가 첨가된 접착제에서 주제인 에폭시수지(국도화학 YD128H 제품)와 경화제의 비율은 10:4.2 정도의 수준을 유지하도록 하였다. 한편, CNT는 주제인 에폭시수지(국도화학 YD128H 제품)에 비하여 10:0.78 정도의 수준을 유지하도록 하였다. 또한, 페녹시수지는 주제인 에폭시수지(국도화학 YD128H 제품)에 비하여 10:1 정도의 수준을 유지하도록 하였다.

아래의 실시예는 본 발명에 따른 CNT가 첨가된 접착제의 조성물을 구성하는 전체 성분을 100중량%를 기준으로 하였을 때 각 성분이 차지하는 비율을 나타낸 것이다.

실시예

에폭시수지 : YD128H(국도화학(주) 제품) 62.58중량%

페녹시수지 : LER-HH(범용 에스테르 수지) 6.26중량%

CNT : (주)카본나노텍사 제품 4.88중량%

경화제 : 26.28중량%

한편, 아래의 각 비교예들은 본 발명의 실시 예에 의해 구성된 CNT가 첨가된 접착제의 조성물과 비교하기 위해 실험한 예들이다.

비교예1

에폭시수지 : YD128H(국도화학(주) 제품) 62.58중량%

페녹시수지 : LER-HH(범용 에스테르 수지) 6.26중량%

CNT : (주)나노솔루션사 제품 4.88중량%

경화제 : 26.28중량%(주제인 에폭시수지 대비 42중량%)

비교예2

에폭시수지 : TDR1100(Huntmans사 제품) 66.98중량%

CNT : (주)나노솔루션사 제품 4.88중량%

경화제 : 28.14중량%(주제인 에폭시수지 대비 42중량%)

비교예3

에폭시수지 : TDR1100(Huntmans사 제품) 66.98중량%

CNT : (주)카본나노텍사 제품 4.88중량%

경화제 : 28.14중량%(주제인 에폭시수지 대비 42중량%)

한편, 본 발명에 따른 실시예에 의한 CNT가 첨가된 접착제 조성물과 비교예들에 따른 제품들을 동일한 조건에서 비교 실험하기 위한 시편으로 카본 프리프레그를 준비하였다. 시편은 두께 1mm, 가로는 1인치, 세로는 4인치의 크기로 준비하였다.

각 실험에서는 2장의 시편을 접합한 후, 그 접합강도를 테스트하였다. 이를 위해 준비된 시편의 접합면에는 본 발명의 실시예 및 비교예들에 의해서 제작된 접착제를 바르고, 접착제가 도포된 면이 마주하도록 접합시킨 상태에서, 프레스를 이용하여 압축시켜 경화시켰다(경화조건 : 85℃에서 1시간).

이상과 같이 준비된 시편들은 각각 양쪽 끝단을 지그에 물린 상태에서 각 시편들이 절단될 때까지 잡아당겨 어느 하중에서 시편들이 파쇄되는지를 확인하면서 인장정도 및 인장전단접착강도 등을 비교 시험하였다.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 접착제 조성물의 물성을 측정한 인장시험 그래프이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 접착제의 물성과 비교하기 위한 비교예들에 의한 접착제 조성물의 물성을 측정한 인장시험 그래프들이다.

아래의 표1은 도 2 내지 도 5의 인장시험 그래프를 통해 얻은 평균값을 보인 것이다.

구분	인장정도(kgf)	비고
실시예	1,213.23	자체시험
비교예1	1,096.53
비교예2	1,230.57
비교예3	1,238.03

한편, 도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 CNT가 첨가된 접착제 제품과 종래 사용해오던 고가제품(Huntman사의 TDR1100 제품)과의 비교를 위한 것으로, Huntman사의 TDR1100 제품의 인장시험 그래프이다. 즉, Huntman사의 TDR1100 제품에 CNT를 첨가하지 않은 상태에서의 Huntman사의 TDR1100 제품의 인장시험의 평균은 1250정도로써, 저가 에폭시수지 제품(국도화학(주)사의 YD128H 제품)에 CNT를 일정 수준 첨가하였을 경우에 Huntman사의 TDR1100 제품을 사용하였을 경우 대비 90% 이내의 물성을 얻을 수 있었고, Huntman사의 TDR1100 제품을 사용하였을 경우 대비 90% 이내의 물성은 활 제품을 포함한 카본섬유 강화 복합소재 제작시 라미네이트를 접합시키는 데에는 충분한 물성으로 확인되었다.

다음의 표2는 본 발명의 실시예에 따른 CNT가 첨가된 접착제와 각 비교예들에 따른 CNT가 첨가된 접착제들 간의 인장전단접착강도를 비교한 표이다. 본 시험은 한국화학융합시험연구원에 의뢰하여 얻은 결과이다.

구분	인장전단접착강도(MPa)	비고
실시예	17.4	시험방법 : ASTM D3163-01(2008)
비교예1	16.7
비교예2	18.1
비교예3	18.2

위 시험결과를 통해서 본 발명의 실시 예에 따른 접착제를 사용한 경우에는 고가제품(Huntman사의 TDR1100 제품)을 사용한 경우에 비해서 인장전단접착강도가 90% 수준을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 저가의 에폭시수지(국도화학(주)사의 YD128H 제품)에 CNT와 페녹시수지를 혼합한 접착제의 인장전단접착강도가 고가의 에폭시수지(Huntman사의 TDR1100 제품)에 CNT를 혼합한 접착제를 사용한 경우 대비 90% 이상의 수준을 나타내는 결과를 얻은 것이다. 이와 같은 인장전단접착강도의 수준이면 활 제품을 포함한 카본섬유 강화 복합소재 제작시 라미네이트를 접합시키는 데에는 충분한 물성이다.

따라서 이상에서 확인한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 CNT가 첨가된 접착제는 고가제품에 대비하여 상대적으로 낮은 비용으로 활 제품과 같은 카본섬유 강화 복합소재 제작이 가능하게 된다.

그리고 전술한 바와 같이 구성된 CNT가 첨가된 접착제를 이용하여 카본섬유 강화 복합소재를 제작하는 공정은 다음과 같이 이루어질 수 있다.

우선, 성형하고자 하는 제품의 디자인을 고려하여 카본섬유 라미네이트를 준비한다. 카본섬유 라미네이트는 제작하고자 하는 소재의 두께에 따라 수 ~ 수십 장 준비하게 된다.

라미네이트를 접합하는데 필요한 접착제로는 에폭시수지 58~68중량%, 페녹시수지 5~8중량%, CNT 3~6중량%, 경화제 24~28중량%의 비율로 혼합된 접착제가 사용된다. 바람직한 접착제 조성물의 성분은 에폭시수지(국도화학(주) YD128H 제품) 62.58중량%, 페녹시수지(LER-HH 제품) 6.26중량%, CNT(카본나노텍사 제품) 4.88중량%, 경화제(국도화학(주) D-230 제품) 26.28중량%로 이루어진다. 한편, 접착제 제조과정에서는 18℃ 이상의 온도가 유지되도록 한다.

각 장의 라미네이트에는 전술한 바와 같이 혼합된 접착제가 도포되고, 접착제가 도포된 라미네이트는 성형에 필요한 두께로 적층이 된다.

한편, 라미네이트에 도포된 접착제의 경화를 위해서 85~87℃ 온도조건에서 50~60분 동안 안정된 상태로 둔다. 이때 85~87℃ 온도조건에서 50분 이내에 경화단계를 멈추게 되면 접착성능이 저하되니 유의해야 한다.

전술한 바와 같은 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법은 항공기 부품, 자동차 부품, 자전거 프레임, 낚시대, 운동기구 등 다양한 제품의 제작에 응용될 수 있다.

이상에서는 본 발명에 따른 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법에 대한 실시 예를 설명하였다. 이러한 실시 예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술 사상에 포함되는 것이다. 또한 전술한 실시 예들은 예시적인 것에 불과한 것으로 한정 해석해서는 아니 된다.

Claims

복수의 카본섬유 라미네이트를 준비하는 단계;
상기 복수의 카본섬유 라미네이트에 에폭시수지 58~68중량%, 페녹시수지 5~8중량%, CNT 3~6중량%, 경화제 24~28중량%의 비율로 혼합된 접착제를 도포하는 접착제 도포 단계;
상기 접착제 도포 단계에서 접착제가 도포된 복수의 카본섬유 라미네이트를 적층하는 라미네이트 적층 단계;
상기 라미네이트 적층 단계를 통해 복수의 카본섬유 라미네이트가 적층된 상태에서 85~87℃ 온도조건에서 50~60분 동안 상기 접착제 도포 단계에서 도포된 접착제를 경화시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법.
제 1 항에 있어서,
상기 에폭시수지는 국도화학(주)의 YD128H 제품인 것을 특징으로 하는 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 페녹시수지는 범용 에스테르 수지인 LER-HH인 것을 특징으로 하는 CNT가 첨가된 접착제를 이용한 카본섬유 강화 복합소재 제작방법.