KR101627622B1 - 탄소 섬유 강화 플라스틱, 이의 제조방법 및 이의 성형품 - Google Patents

탄소 섬유 강화 플라스틱, 이의 제조방법 및 이의 성형품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 성형품에 관한 것으로, 본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱은 UV-오존 처리 및 표면 처리를 통해 탄소 섬유와 수지 메트릭스 간의 결합력을 향상시켜 높은 강도를 구현할 수 있으며, 이를 통해, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱을 포함하는 성형품은 얇은 두께로 높은 강도를 구현할 수 있다.

Description

탄소 섬유 강화 플라스틱, 이의 제조방법 및 이의 성형품{Carbon fiber reinforced plastic, manufacturing method and molded article thereof}
본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱, 이의 제조방법 및 이의 성형품에 관한 것이다.
강화 섬유와 수지 메트릭스로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱(FRP)은 기계 특성, 경량성, 내부식성 등이 우수하기 때문에, 항공기, 자동차, 선박, 풍차, 스포츠용구 등, 다양한 용도를 대상으로 한 부재를 제조하는 재료로서 널리 사용되고 있다. 강화 섬유로는 아라미드 섬유, 고강도 폴리에틸렌 섬유 등의 유기 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유 등의 무기 섬유가 이용되지만, 높은 기계 특성이 요구되는 용도로는 탄소 섬유가 이용되는 경우가 많다. 이 탄소 섬유를 이용한 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 강도, 탄성률, 경량성, 안정성이 우수하기 때문에, 높은 성능이 요구되는 항공·우주 분야에서는 주요한 재료 중 하나가 되고 있어, 향후 사용이 더욱 확대될 것으로 기대되고 있다. 또한, 자동차나 풍력 발전용 풍차 등의 용도도 향후 크게 성장할 것으로 예상되고 있어, 향후 CFRP의 제조량은 비약적으로 증가할 것으로 예상되고 있다.
상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 물성은 탄소 섬유와 수지 메트릭스의 성능에 의존하지만, 두 가지 모두의 계면 성질에도 영향을 받으므로 매트릭스 수지와의 접착력을 향상시키기 위해서 탄소 섬유에 여러 가지 표면처리가 필요하다. 이처럼 수지 메트릭스와 탄소 섬유와의 접합성이 문제가 될 수 있으므로, 매트릭스 수지의 종류에 맞게 탄소 섬유의 표면처리를 수행하여 접합성을 높여야 원하는 특성을 얻을 수 있다.
한국공개특허 제2013-0141468호
본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱, 이의 제조방법 및 이의 성형품에 관한 것으로, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱은 탄소 섬유층; 및 탄소 섬유층의 일면 또는 양면에 형성된 수지층을 포함하고, 인장 강도가 130 kPa 이상인 탄소 섬유 강화 플라스틱일 수 있다.
본 발명은 강도가 향상된 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제공할 수 있다. 하나의 예로서,
탄소 섬유층; 및
탄소 섬유층의 일면 또는 양면에 형성된 수지층을 포함하고,
인장 강도가 130 kPa 이상인 탄소 섬유 강화 플라스틱.
또한, 본 발명은 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 제조방법을 제공할 수 있다. 하나의 예로서,
탄소 섬유에 UV-오존 처리하는 단계;
UV-오존 처리된 탄소 섬유를 계면활성제 및 자기조립 물질 중 1 종 이상을 이용하여 표면 처리하는 단계; 및
표면 처리된 탄소 섬유의 일면 또는 양면에 열경화성 수지를 코팅하는 단계를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱은 UV-오존 처리 및 표면 처리를 통해 탄소 섬유와 수지 메트릭스 간의 결합력을 향상시켜 높은 강도를 구현할 수 있으며, 이를 통해, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱을 포함하는 성형품은 얇은 두께로 높은 강도를 구현할 수 있다.
도 1은 자기 조립 물질의 가수분해 및 축합 반응 전 후의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 반응 후 자기 조립 물질과 탄소 섬유의 결합을 나타낸 모식도이다.
본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱, 이의 제조방법 및 이의 성형품에 관한 것으로, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 하나의 예로서,
탄소 섬유층; 및
탄소 섬유층의 일면 또는 양면에 형성된 수지층을 포함하고,
인장 강도가 130 kPa 이상인 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제공할 수 있다.
상기 수지층과 탄소 섬유층의 결합력을 높이는 것이 강도를 결정하는 중요한 요인이 된다. 본래의 PAN계 탄소 섬유는 탄소로만 이루어져 있기 때문에 표면이 소수성이다. 따라서, 낮은 젖음성으로 인하여 공극이 발생되고, 이는 강도에 큰 영향을 미친다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명에서는 탄소 섬유의 표면 젖음성을 높이기 위해, 탄소 섬유에 UV-오존 처리 및 표면 처리를 통해 수지와의 결합력을 높였다. 이를 통해, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 인장 강도를 130 kPa 이상으로 구현할 수 있다.
탄소 섬유 강화 플라스틱의 인장 강도는 탄소 섬유층에 UV-오존의 처리 조건 및 표면 처리 조건을 통해 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 인장 강도는 130 내지 250 kPa, 140 내지 200 kPa, 150 내지 170 kPa 또는 170 내지 200 kPa 범위일 수 있다. 상기 범위 내의 인장 강도를 갖는 탄소 섬유 강화 플라스틱은, 기존의 탄소 섬유의 물성에 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱은 철, 알루미늄 등을 대체하여 경량화, 고강도, 고탄성, 내식성 등을 요구하는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
상기 수지층은 열경화성 수지 및 열가소성 수지 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 열경화성 수지는 성형성과 역학 특성의 측면에서 바람직하다. 열경화성 수지로는 에폭시 수지, 페놀 수지, 비닐에스테르 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 시아네이트에스테르 수지 및 비스말레이미드 수지 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 엘라스토머, 고무, 경화제, 경화 촉진제 및 촉매 등을 첨가한 수지도 사용할 수 있다. 그 중에서도, 매우 높은 역학 특성 및 높은 내열성을 구현하기 위해서는 에폭시 수지가 바람직할 수 있다.
예를 들어, 열가소성 수지는 폴리올레핀, ABS, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리페닐렌에테르, 폴리아세탈, 폴리카르보네이트, 폴리페닐렌술피드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤 및 폴리케톤 중 1 종 이상을 사용할 수 있다
상기 탄소 섬유층은 특별히 한정되는 것은 아니지만, PAN계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유, 셀룰로오스계 탄소 섬유, 기상 성장계 탄소 섬유, 이들의 흑연화 섬유를 사용할 수 있다. 여기서 PAN계 탄소 섬유는, 폴리아크릴로니트릴 섬유를 원료로 하는 탄소 섬유이다. 또한, 피치계 탄소 섬유는 석유 타르나 석유 피치를 원료로 하는 탄소 섬유이다. 또한, 셀룰로오스계 탄소 섬유는 비스코스레이온이나 아세트산셀룰로오스 등을 원료로 하는 탄소 섬유이다. 또한, 기상 성장계 탄소 섬유는 탄화수소 등을 원료로 하는 탄소 섬유이다. 이 중, 강도와 탄성률의 균형이 우수하다는 점에서, PAN계 탄소 섬유가 바람직하다. 경우에 따라서, 상기 탄소 섬유에 니켈이나 구리 등의 금속을 피복한 금속 피복 탄소 섬유 등을 사용할 수 있다.
상기 탄소 섬유층; 및
탄소 섬유층의 일면 또는 양면에 형성된 수지층을 포함하는 구조는, 구체적으로, UV-오존 처리 및 표면 처리된 탄소 섬유의 일면 또는 양면에 수지를 코팅하여 메트릭스를 형성할 수 있다.
이때, UV-오존 처리 및 표면 처리를 통해 탄소 섬유의 표면이 개질되고, 개질된 탄소 섬유의 표면과 수지 메트릭스는 강한 결합력으로 결합될 수 있다. 이를 통해, 높은 강도를 갖는 탄소 섬유 강화 플라스틱을 구현할 수 있다.
상기 탄소 섬유층 및 수지층은 교대 반복된 구조일 수 있다.
예를 들어, 상기와 같은 구조로 형성된 탄소 섬유 강화 플라스틱은 2 내지 10층으로 반복 적층될 수 있다. 구체적으로, UV-오존 처리 및 표면 처리된 탄소 섬유층과 수지층이 교대 반복 적층된 구조일 수 있다.
본 발명은 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 제조방법을 제공할 수 있다. 하나의 예로서,
탄소 섬유에 UV-오존 처리하는 단계;
UV-오존 처리된 탄소 섬유를 계면활성제 및 자기조립 물질 중 1 종 이상을 이용하여 표면 처리하는 단계; 및
표면 처리된 탄소 섬유의 일면 또는 양면에 수지를 코팅하는 단계를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 제조방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소 섬유에 UV-오존 처리하는 단계에서, UV-오존 처리는, 오존 가스 분위기 하에서 탄소 섬유에 UV 광을 조사하는 한 특별히 제한은 되지 않고, 공지된 UV-오존 처리법을 사용할 수 있다.
UV-오존 처리는 당업계에서 통상적인 화학기상증착법이라면 제한없이 사용 가능하며, 예를 들어, 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 금속 유기화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 또는 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD)을 포함할 수 있다.
이때, 탄소 섬유 메트릭스에 UV-오존 처리하는 단계는,
오존 분위기 하에서, 20 mW/cm2 내지 50 mW/cm2의 UV 세기로 5 내지 30 분 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 UV 조사 시간은 5 내지 25분 10 내지 25분 또는 10 내지 20분의 범위일 수 있다. 오존 분위기 하에서 상기 범위의 UV 세기와 UV 조사 시간을 만족할 경우, 탄소 섬유 표면에 친수성 작용기를 부여하여 수지 메트릭스와의 결합력을 향상시켜, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 강도를 향상시킬 수 있다.
그런 다음, UV-오존 처리된 탄소 섬유를 계면활성제 및 자기조립 물질 중 1 종 이상을 이용하여 표면 처리하는 단계는,
상기 UV-오존 처리된 탄소 섬유를 계면활성제 및 자기조립 물질 중 1 종 이상을 포함하는 용액에 침지하는 방법으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 별도의 공정 없이 계면활성제 및 자기조립 물질을 포함하는 용기에 침지하는 간단한 방법을 통해, 탄소 섬유 표면에 계면활성제 및 자기조립 물질이 화학적으로 결합하여 수지와의 높은 결합력을 구현할 수 있다.
예를 들어, 상기 계면활성제 및 자기조립 물질 중 1 종 이상을 포함하는 용액은 5 내지 1000 mM의 농도의 용액을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전체 용액의 5 내지 1000 mM, 200 내지 1000 mM, 500 내지 800 mM 또는 500 내지 1000 mM의 농도로 계면활성제 및 자기조립 물질 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 상기 범위 내의 농도로 표면 처리 조건을 제어함으로써, 탄소 섬유와 수지 메트릭스 간의 결합력을 조절할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱은, 탄소 섬유에 UV-오존 처리를 통해 1차적으로 표면을 개질하고, 계면활성제 및 자기조립 물질을 이용하여 2차적으로 표면을 개질함으로써, 탄소 섬유와 수지 메트릭스 간에 결합력을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 제조된 탄소 섬유 강화 플라스틱은 현저히 향상된 강도를 구현할 수 있어, 이를 이용하여 제조되는 성형품의 두께를 감량할 수 있다.
상기 계면활성제는 아민기 또는 설페이트기를 포함하는 화합물일 수 있다.
예를 들어, 계면활성제는 탄소 섬유 표면에 반데르발스 힘(van der walls force)를 통해 결합하고, 반대쪽에는 에폭시 수지 메트릭스와 결합할 수 있는 아민기 또는 설페이트기를 가지고 있는 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 계면활성제로서, 도데실 아민(dodecyl amine, DA), 벤질 아민(benzyl amine, BA), 소듐 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate, SDS) 등을 포함할 수 있다. 탄소 섬유를 상기 계면활성제에 침지함으로써, 탄소 섬유 표면의 젖음성을 향상시킬 수 있다.
상기 자기조립 물질은 실란 계열의 자기조립 물질일 수 있다.
예를 들어, 상기 실란 계열의 자기조립 물질은 하기 화학식 1 내지 3으로 나타낼 수 있다.
[화학식 1]
(R1)m-Si-X(4-m)
[화학식 2]
(R1)m-O-Si-X(4-m)
[화학식 3]
(R1)m-HR2-Si-X(4-m)
상기 화학식 1 내지 3에서,
R1은 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아릴알킬, 알킬아릴, 아릴알케닐, 알케닐아릴, 아릴알키닐, 알키닐아릴, 할로겐, 아미노, 아마이드, 알데히드, 케톤, 알킬카보닐, 카르복시, 머캅토, 시아노, 하이드록시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시카보닐, 설폰산, 인산, 아크릴옥시, 메타크릴옥시, 에폭시 또는 비닐기이고,
R2는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고,
X는 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 아실옥시, 알킬카보닐, 알콕시카보닐 또는 -N(R3)2이고,
R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고,
m은 1 내지 3의 정수이다.
예를 들어, 상기 실란 계열의 자기조립 물질은, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디페닐디메톡시실란, 디페닐디에톡시실란, 페닐디메톡시실란, 페닐디에톡시실란, 메틸디메톡시실란, 메틸디에톡시실란, 페닐메틸디메톡시실란, 페닐메틸디에톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 트리페닐메톡시실란, 트리페닐에톡시실란, 페닐디메틸메톡시실란, 페닐디메틸에톡시실란, 디페닐메틸메톡시실란,디페닐메틸에톡시실란, 디메틸에톡시실란, 디메틸에톡시실란, 디페닐메톡시실란, 디페닐에톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, p-아미노페닐실란, 알릴트림톡시실란, n-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아민프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필디이소프로필에톡시실란, (3-글리시독시프로필)메틸디에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필메틸디에톡시시란, 3-메타크릴옥시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, n-페닐아미노프로필트리메톡시실란, 비닐메틸디에톡시실란, 비닐트리에톡시실란 및 비닐트리메톡시실란 등을 포함할 수 있다.
구체적으로, 실란 계열의 자기조립 물질은 메틸트리에톡시실란(Methyltriethoxysilane, MTES), 3-아미노프로필트리메톡시실란(3-Aminopropyltrimethoxysilane, APTMS), 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-Aminopropyltriethoxysilane, APTES) 및 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3- glycidoxypropyltrimethoxysilane, GPTMS)을 포함할 수 있다. 상기 실란 계열의 자기조립 물질은 에폭시 수지와 결합할 가능성이 있는 아민기 및 에폭사이드기의 작용기를 포함하고 있으며, 반대쪽에는 산소와 결합할 수 있는 구조일 수 있다. 탄소 섬유를 상기 실란 계열의 자기조립 물질에 침지함으로써, 탄소 섬유와 수지 메트릭스 간의 직접적인 공유 결합을 유도하여 우수한 강도 향상을 구현할 수 있다.
상기 자기조립 물질은 탄소 섬유 표면에서 자기 조립을 진행하게 되는데, 결합하는 원리는, 용매로 사용되는 톨루엔에서 가수분해(Hydrolysis) 과정을 거치며 규소(si) 주위의 산소를 기준으로 결합하고 있는 알킬 그룹이 알코올로 빠져 나온다. 가수분해 과정을 거친 물질은 축합(condensation)과정을 통하여 주변의 산소 그룹과 결합하게 되고, 잔여 수산화 작용기가 탄소 섬유 직물 표면의 수산화 기와 수소 결합을 하게 된다. 여기에 가열을 하면 물이 빠져나오면서 섬유 표면에 자기 조립이 완성된다. 이렇게 자기 조립이 완료된 탄소 섬유의 표면 구조를 살펴보면, 에폭시 플라스틱의 내부 결합과 유사한 구조인 에폭사이드 작용기와 아민 작용기를 보유하고 있다. 이는 에폭시 플라스틱이 경화 될 때, 에폭시 수지와 탄소 섬유의 구조가 유사하여 결합력이 높아진다는 것을 의미할 수 있다.
메틸트리에톡시실란(Methyltriethoxysilane, MTES), 3-아미노프로필트리메톡시실란(3-Aminopropyltrimethoxysilane, APTMS), 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-Aminopropyltriethoxysilane, APTES) 및 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3- glycidoxypropyltrimethoxysilane, GPTMS) 각각의 자기 조립 물질의 가수분해 및 축합 반응에 대한 모식도는 도 1에 나타내었다.
또한, 상기 가수분해 및 축합 반응을 거친 자기조립 물질과 탄소 섬유의 결합 구조는 도 2에 나타내었다. 도 2에서, (a)는 MTES로 표면 처리된 탄소 섬유이고, (b)는 APTMS, APTES로 표면 처리된 탄소 섬유이며, (c)는 GPTMS로 표면 처리된 탄소 섬유이다.
본 발명은 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱을 포함하는 성형품을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱을 포함하는 성형품은, 자동차, 선박, 항공기, 철도, 압력탱크 및 기계부품 등의 산업 소재로 사용될 수 있다. 또한, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱은 자전거, 라켓 등의 레저 스포츠 및 레저 용품 소재로 사용할 수 있으며, 구체적으로, 가벼우면서 높은 강도를 필요로 하는 산업 분야에 다양하게 선택되어 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱은 자동차 차체의 구조; 선박의 내장재 및 동체; 항공기의 내장재, 주 날개, 꼬리 날개 및 동체로서 사용될 수 있다.
이하 실시예 등을 통해 본 발명을 더 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 등은 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 것은 아니다.
제조예 1: UV -오존 처리된 탄소 섬유 제조
탄소 섬유 표면에 친수성 작용기를 부여하기 위하여, 표면 유기물을 먼저 제거하였다. 구체적으로, 상기 탄소 섬유를 아세톤(acetone), 프로페놀(2-propanol), 탈이온수(de-ionized water)에 넣은 후 5 분씩 초음파 세척기를 이용하여 세척한 뒤, 질소 가스를 이용하여 건조시켰다. 이렇게 제작된 샘플을 UV-오존 표면 처리기 (AH 1700, AHTECH LTS, Korea)를 이용하여 표면 처리하였다.
제조예 2: UV -오존 처리 및 표면 처리된 탄소 섬유 제조
사이 UV-오존 처리를 통해 친수성 작용기가 형성된 탄소 섬유를 톨루엔 용매에 20 mM의 농도로 계면활성제 및 자기조립 물질 중 1 종 이상을 혼합하여 제조한 용액에 1 시간 동안 표면 처리하였다. 표면 처리가 완료된 탄소 섬유는 에탄올을 이용하여 잔여 물질을 제거한 수, 질소 가스를 이용하여 건조시켰다.
실시예 1 내지 2
제조예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 탄소 섬유에 UV-오존 처리 시간을 각각 하기 표 1과 같이 처리하였다.
UV-오존 처리 시간 (분)
실시예 1 10
실시예 2 20
그런 다음, 각각의 UV-오존 처리된 탄소 섬유의 양면에 에폭시 수지와 경화제를 섞은 접착제를 닥터 블레이드(doctor blade) 방법을 이용하여 일정한 두께로 도포하고, 이형 필름을 덮고 추를 이용하여 상판과 하판을 눌러주어 접착 시킨 후, 24 시간 동안 경화하여 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 3 내지 9
제조예 2와 동일한 방법으로 제조하되, 10 분 동안 UV-오존 처리된 탄소 섬유에 하기 표 2와 같이 계면활성제 및 자기조립 물질을 포함하는 용액에 침지하여 탄소 섬유를 표면 처리하였다.
표면 처리 물질
실시예 3 DA
실시예 4 BA
실시예 5 SDS
실시예 6 MTES
실시예 7 APTMS
실시예 8 APTES
실시예 9 GPTMS
그런 다음, 각각의 UV-오존 처리 및 표면 처리된 탄소 섬유의 양면에 에폭시 수지와 경화제를 섞은 접착제를 닥터 블레이드(doctor blade) 방법을 이용하여 일정한 두께로 도포하고, 이형 필름을 덮고 추를 이용하여 상판과 하판을 눌러주어 접착 시킨 후, 24 시간 동안 경화하여 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
비교예
UV-오존 처리 및 표면 처리를 하지 않은 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예에서 제조한 탄소 섬유 강화 플라스틱에 대한 인장 강도 측정 실험을 실시하였다.
구체적으로, 분석을 위하여 만능 물성 측정기(810 Material test system, MTS, USA)를 이용하여 KS K 0521의 표준을 기준으로 측정한다. 파단 시간이 20±3 sec 가 되도록 하여 시험을 진행하며, 파지 거리는 ±1 ㎜ 정확도로 100 mm에서 진행한다. 시험 장치는 10 mm/min의 일정 속도로 신장하여야 하며, 초기 하중은 5 N으로 클램프에서 시험편이 미끄러지지 않고 손상을 가하지 않도록 파지 할 수 있게 하였다.
측정 결과는 하기 표 3을 통해 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 비교예
인장 강도 (kPa) 132.76 147.23 112.04
상기 표 3을 참조하면, 최대 인장 강도는 UV-오존 처리 및 표면 처리를 하지 않은 비교예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱과 비교할 때, 10 분 동안 UV-오존 처리 시, 강도가 약 18.5% 증가한 것을 확인할 수 있으며, 20 분 동안 UV-오존 처리 시, 강도가 약 31.4% 증가한 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2
상기 실시예 3 내지 9 및 비교예에서 제조한 탄소 섬유 강화 플라스틱에 대한 인장 강도 측정 실험을 실시하였다.
구체적으로, 분석 방법은 상기 실험예 1과 동일하다. 측정 결과는 하기 표 4를 통해 나타내었다.
실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 비교예
인장 강도 (kPa) 147.01 166.87 180.30 149.65 195.64 157.76 172.86 112.04
상기 표 4를 참조하면, 최대 인장 강도는 UV-오존 처리 및 표면 처리를 하지 않은 비교예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱과 비교할 때, 본 발명의 실시예 3 내지 9에서 제조된 탄소 섬유 강화 플라스틱은 30% 이상 강도가 향상된 것을 확인할 수 있으며, UV-오존 처리 및 APTMS(실시예 7) 또는 APTES(실시예 8)를 이용하여 표면 처리 하였을 경우, 탄소 섬유 표면에 형성되므로 에폭시 경화제로 쓰이는 작용기인 아민기가 형성되어, 최고 74.62% 강도가 향상된 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, UV-오존 처리와 표면 처리를 모두 한 탄소 섬유 강화 플라스틱은 UV-오존 처리만 한 경우와 비교하여 현저히 향상된 강도를 나타내었다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 탄소 섬유에 UV-오존 처리하는 단계;
    UV-오존 처리된 탄소 섬유를 계면활성제 및 자기조립 물질 중 1 종 이상을 포함하는 용액에 침지하는 방법으로 표면 처리하는 단계; 및
    표면 처리된 탄소 섬유의 일면 또는 양면에 수지를 코팅하는 단계를 포함하고,
    탄소 섬유에 UV-오존 처리하는 단계는, 20 mW/cm2 내지 50 mW/cm2의 UV 세기로 10 내지 20 분 동안 수행되고,
    계면활성제는 도데실 아민, 벤질 아민 및 소듐 도데실 설페이트 중 1 종 이상을 포함하고,
    자기조립 물질은 메틸트리에톡시실란 및 3-아미노프로필트리메톡시실란 중 1 종 이상을 포함하며,
    상기 계면활성제 및 자기조립 물질 중 1 종 이상의 농도는 전체 용액의 5 내지 1000 mM로 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
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