KR101754745B1 - 필러를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합재료 및 그 제조 방법 - Google Patents

필러를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합재료 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하고, 필러와 상기 열가소성 수지 조성물을 혼합하고 섬유 재료에 도포한 후 가열하여 인시츄 중합함과 동시에 섬유 재료에 함침시킴으로써 필러, 고분자 수지 및 섬유 재료로 이루어진 기계적 특성 및 전도 특성이 향상된 섬유 강화 복합재료를 제조한다.

Description

필러를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합재료 및 그 제조 방법 {Fiber reinforced thermoplastic resin composites including filler and method for preparing the same}
본 명세서는 필러 및 섬유 직물이 동시에 혼입된 열가소성 수지 복합재료 및 그 제조방법에 관하여 기술한다.
섬유 강화 복합 재료는 원자재의 특성과 복합재의 사용 용도, 크기 및 형상에 따라 다양한 방법으로 성형, 제조될 수 있다. 그 중 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법은 복잡한 형태의 탄소 섬유 강화 복합 재료를 성형하는 대표적인 방법이다.
수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법에서는, 금형 캐비티(Cavity) 내에 섬유 매트나 직물을 위치시킨 후, 여기에 저점도 수지를 주입시켜서 성형 및 경화하는 과정을 거치게 된다.
그런데, 이러한 종래의 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법에 의하면, 수지의 주입 시간과 경화 시간에 따라 제품 제조 시간이 많이 지연된다. 특히, 수지의 장시간 경화가 요구되므로 제품 생산성이 저하되는 문제점이 있다. 이에 따라, 종래 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법은 실제 산업에의 적용이 제한적이었다.
한편, 이러한 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법 등의 성형 방법에 있어서, 수지로서 열경화성 수지를 사용하여 제조된 섬유 강화 열경화성 수지 복합 재료의 경우 한번 경화되면 다시 녹지 않기 때문에 내열 특성 및 기계적 물성이 뛰어나지만, 복잡한 형상의 제품에 적용하기 어렵고, 열경화 과정을 거치기 때문에 생산성이 떨어지며, 재생(Recycle)이 되지 않는 단점이 있다.
반면, 수지로서 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료는 사출(Injection molding)이나 압출 가공이 가능하여 다양한 형태의 제품 가공이 가능하고, 재생이 가능한 장점이 있다. 그러나, 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료는 용융물이 냉각됨에 따라 점도가 급격히 증가하게 되어 가공성이 떨어지므로 섬유 직물 등에 적절히 함침 되지 않는 단점이 있다.
위와 같은, 섬유로 강화된 열경화성 및/또는 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법의 단점을 보완하기 위하여 수십에서 수백 cps의 저용융점도를 갖는 중합 가능한 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 혹은 카프로락탐(Caprolactam) 혹은 올리고머 등의 열가소성 수지를 이용한 탄소 섬유 강화 복합 재료 제조 방법이 제안되었다.
이러한 중합 가능한 열가소성 수지는 가열하여 용융되면 점도가 낮아져 수십에서 수백 cps의 저점도 용융액 상태로 되고, 이 후 지속적인 가열에 의하여 중합되어 고분자로 된다. 즉, 해당 열가소성 수지는 위와 같은 저점도 용융액 상태에서 섬유 직물 등에 함침 된 후 지속적인 가열을 통하여 중합되어 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 구성하게 되는 것이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0043519호 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0062849호
Composites Science and Technology 89 (2013) 29-37 Macromolecular Research 22 (2014) 528-533
본 발명의 구현예들에서는 필러 예컨대, 금속 필러나 세라믹 필러 또는 카본 필러 특히 탄소나노튜브 또는 나노 그래핀 등의 나노 카본을 열가소성 수지 내에 포함하고 또한 섬유로 강화된 열가소성 수지 복합 재료에 있어서, 상기 전도성 필러의 함량이 열가소성 수지 내에 30 중량% 이상으로 고함량으로 함유할 수 있으면서도 이와 같은 고함량의 필러 및 열가소성 수지의 복합화 시 (특히 대량 생산의 경우) 발생하게 되는 필러의 분산 문제와 필러들 간의 응집, 불완전한 접착 등의 문제를 완화하면서, 또한 섬유 재료 (섬유 매트 혹은 직물)도 완전히 함침시켜 전기 및 열적 전도특성을 향상할 수 있는 필러를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제1 단계; 필러와 상기 열가소성 수지 조성물을 혼합하여 섬유 재료에 도포 한 후 가열하여 중합 가능한 열가소성 수지를 인시츄 중합하고 필러 및 열가소성 수지 조성물을 섬유 재료에 함침시키는 제2 단계;를 포함하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 필러, 고분자 수지 및 섬유 재료를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로서, 상기 고분자 수지는 중합 가능한 열가소성 수지가 중합된 것이고, 상기 중합 가능한 열가소성 수지는 중합 시 용융 점도가 저하하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료를 제공한다.
본 발명의 구현예들에 따르면 전도성 필러를 30중량% 이상의 고함량으로 열가소성 수지 내에 포함시키더라도 필러를 고루 분산시키기 용이하고 동시에 섬유 재료(섬유 매트 혹은 직물)를 쉽게 완전히 함침시켜 전기 및 열 전도 특성이 향상된 섬유 강화 복합재료를 쉽고 빠르게 생산 할 수 있다.
또한, 본 발명의 구현예들에 따라 제조되는 필러를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합재료는 기계적 특성뿐만 아니라 전기 및 열전도 특성 특히 열전도 특성의 제반 물성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 필러 (예:나노 카본)를 고함량으로 열가소성 수지(예:CBT) 내에 포함시킴과 동시에 섬유 매트 혹은 직물을 함침시키는 기계적 특성 및 전도 특성이 향상된 섬유 강화 복합재료 제조 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에서 제조된 기계적 특성 및 전도 특성이 향상된 섬유 강화 복합재료를 나타내는 사진이다(도 2a는 평면, 도 2b는 측면).
이하, 본 발명의 예시적 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이에 의해 본 발명이 제한되지 않는다.
본 명세서에서 중합 가능한 열가소성 수지란 가열하여 용융되면 점도가 낮아지고 계속 가열하면 중합되어 고분자 수지로 되는 열가소성 수지를 의미한다.
본 명세서에서 인시츄(in-situ) 중합이란 중합 가능한 열가소성 수지가 가열에 의하여 용융되고 중합되어 고분자 수지로 되는 것을 의미한다.
본 명세서에서 나노 카본이란 크기가 나노 단위(1000nm 이하)이면서, 분자 수준에서 결합할 수 있는 탄소 기반 물질을 의미한다.
본 명세서에서 매트릭스란 열가소성 수지로 이루어지는 매트릭스를 의미한다.
본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 섬유와 고분자 수지로 구성된 섬유 혼입 복합재료는 기계적 특성이 상대적으로 우수한 섬유 혼입물의 연속적인 구조로 인해 복합재료의 기계적 특성이 월등히 향상될 수 있으나, 섬유의 전도성 정도와 관계없이 섬유가 고분자 수지에 함침 되는 구조이기 때문에 복합재료의 전도성은 우수하지 못하게 된다.
한편, 필러 및 고분자 수지로 구성된 복합재료의 경우, 전도성 필러 간 퍼콜레이션 (percolation) 이 유도될 수 있는 함량 이상으로 혼입하면 복합재료는 우수한 전도 특성을 나타낼 수 있다. 그러나, 이러한 복합 재료는 기계적 특성의 향상이 제한적이 되고 대부분의 경우 구조용 소재로의 적용이 불가능하게 된다. 한편, 필러를 섬유와 함께 함침하는 경우 필러의 분산 내지 응집 등의 문제는 더 큰 이슈가 될 수 있다.
본 발명의 구현예들에서는 중합 촉매와 중합 가능한 열가소성 수지를 일차적으로 분산, 혼합한 조성물(바람직하게는 파우더 형태의 조성물)에, 필러(바람직하게는 파우더 형태의 필러)를 혼합(mixing)하고, 동시에 섬유 재료(예컨대, 섬유 매트 혹은 직물)에 도포한 후 인시츄(in-situ) 중합하여 기계적 특성 및 전기 전도 및 열 전도 특성이 크게 향상된 섬유 강화 복합 재료를 제공한다.
이에 따라 상기 필러, 열가소성 수지 및 섬유 재료의 복합 재료를 제조 특히 대량 생산으로 제조하는 경우에도, 해당 필러 함량을 섬유를 제외하고도 적어도 30중량% 이상으로 고함량으로 함유하도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 이와 같이 고함량으로 함유하며 또한 섬유 재료와 함께 복합 재료 내에 포함되더라도 필러의 분산 문제와 필러들 간의 응집이나 접촉 불량 등의 문제점 등을 완화할 수 있으며, 기계적 특성, 열적 특성 및 전기적 특성 등의 제반 물성, 특히 열적 특성이 크게 향상된 기계적 특성 및 전도 특성이 향상된 섬유 강화 복합 재료를 얻을 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 필러 및 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법은, 중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계, 필러와 상기 열가소성 수지 조성물을 혼합하고 섬유 재료에 도포한 후 (필요에 따라 반복적으로 적층하여 두께를 두껍게 할 수 있다) 가열하여 인시츄 중합함과 동시에 섬유 내에 함침하는 단계를 포함한다.
이하, 각 단계 별로 설명한다. 필러 중 나노 카본은 특히 고함량화와 고분산을 유도하기가 상대적으로 더 어렵기 때문에 본 발명의 구현예들이 유용하게 적용될 수 있다는 점에서, 이하에서는 필러 중 특히 나노 카본을 중심으로 설명한다. 그러나, 다른 필러들 예컨대 탄소 기반이 아닌 다른 재질의 필러(예컨대 금속 필러나 세라믹 필러들 등)와 나노 사이즈가 아닌 마이크로 사이즈의 필러 등 모든 종류의 필러를 고분자 수지 복합 재료 내에서 고함량으로 함유하면서도 고분산하는데 본 발명의 구현예들이 적합하게 사용될 수 있다. 또한, 상기 필러 들은 하나 또는 그 이상의 조합을 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일구현예에 따른 필러(예: 나노카본)를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 구현예에서는 우선 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매(1: 열가소성 수지 및 중합 촉매를 1로 표시함)를 믹서(10) 등을 이용하여 분산 혼합하여 열가소성 수지 조성물(2)을 제조한다.
상기 중합 가능한 열가소성 수지는 이후 상기 필러 및 섬유 강화 열가소성 수지 복합재료 제조단계에서 나노 카본에 침투 및 섬유 재료(예컨대, 섬유 매트 혹은 직물 등)에 함침이 용이하도록 저 용융 점도를 가지는 것을 사용하도록 한다.
즉, 상기 중합 가능한 열가소성 수지는 용융 점도가 예컨대, 수십에서 수백 cps의 저 용융 점도를 가지는 것으로서, 예컨대 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate), 카프로락탐(Caprolactam) 또는 올리고머(Oligomer) 수지일 수 있다. 상기 CBT는 중합 후 PBT(Polybutylene Terephtalate)가 될 수 있고, 상기 카프로락탐은 중합 후 폴리아미드 수지(나일론 수지)가 될 수 있으며, 상기 올리고머 수지는 중합 후 고분자 수지가 될 수 있다. 특히 CBT 및 카프로락탐 수지는 내열성과 기계적 강도가 우수하여 복합 재료로서 적합하다.
상기 열가소성 수지는 파우더 또는 펠릿 형태를 사용할 수 있지만, 후술하는 섬유강화 복합재료 제조 시 파우더 혼합(powder mixing) 후 인시츄 중합을 하는 것이 고함량의 필러(특히 나노 카본)를 고분산시키는 것에 바람직하다는 관점에서, 열가소성 수지는 파우더(Powder) 형태인 것이 바람직하다.
상기 중합 촉매는 중합 가능한 열가소성 수지와 혼합되어 열가소성 수지 조성물을 구성하게 되는 것으로서, 열가소성 수지의 중합 반응을 유도 및 촉진할 수 있는 것이다.
예시적인 구현예에서, 중합 촉매로서 Titanates 및 Stannoxanes 등을 사용할 수 있으며, 특히 사산화티타늄(TiO4)을 사용할 수 있다.
상기 중합 촉매는 열가소성 수지 조성물 중 예컨대 약 0.02~1mol%, 보다 구체적으로 예컨대 약 0.5mol%로 분산 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조할 수 있다.
상기 제조된 열가소성 수지 조성물(2)은 나노 카본(3)과 thinky mixer(20) 등을 이용하여 혼합된다.
나노 카본(3)과 혼합된 열가소성 수지 조성물(2)의 중합 가능한 열가소성 수지는 용융 시 점도가 현저히 떨어지면서 나노 카본 사이로 함침되어 고른 분산을 가능하게 하면서 동시에 혼입된 섬유 재료 (예컨대, 섬유 매트 혹은 직물 등)에 고른 함침을 유도한 후 중합되어 나노 카본을 고함량으로 매트릭스 내에 포함한 섬유 강화 복합재료를 제조하게 된다.
이에 따라 나노 카본은 열가소성 수지 및 나노 카본에 대하여 30중량% 이상의 고함량으로 함유되는 경우에도 분산이 양호하고 나노 카본들간 접촉 불량을 방지할 수 있고 또한 섬유 매트 혹은 직물 등의 섬유 재료에도 고르게 함침되어 복합 재료의 물성을 향상시킬 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 섬유 재료로는 섬유 매트 또는 섬유 직물을 사용할 수 있고, 예컨대 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 글라스 섬유(Glass fiber) 매트를 1층 이상 적층한 것을 사용할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 열가소성 수지와 함께 사용되는 필러는, 재질에 제한이 되지 않지만, 금속 필러, 세라믹 필러 및 카본 필러 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 카본 필러일 수 있다.
상기 카본 필러는 마이크로미터 사이즈일 수 있지만, 나노 카본일 수 있다. 전술한 바와 같이 특히 탄소나노튜브나 나노 그래핀 등과 같은 나노 카본의 경우 고분자 수지 복합 재료 중에서 고함량으로 포함되도록 하면서 동시에 분산성을 높이는 것이 어렵다. 그러나, 본 발명의 구현예들에 의하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 나노 카본은 탄소나노튜브(CNT), 나노 그래핀(Graphene) 및 나노 그래핀 산화물(Graphene Oxide)로 이루어지는 나노 카본 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 또한, 나노 카본은 상기 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그래핀 산화물 등의 나노 카본이 열 처리, 과산화수소 처리 또는 왕수 처리 등을 거친 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 나노 카본은 최종 복합 재료 내의 나노 카본의 고른 분산을 위하여 바람직하게는 파우더 형태이다.
열가소성 수지 조성물과 나노 카본을 혼합하는 방법은 열가소성 수지 조성물과 나노 카본이 균일하게 혼합될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
예시적인 구현예에서 상기 혼합 과정은 씽키 믹서(Thinky mixer) 또는 볼 밀(Ball mill) 등을 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 혼합 후, 인시츄 중합을 진행한다. 즉, 열가소성 수지 조성물(2)과 나노 카본(3)을 혼합한 혼합물(4)을 섬유 매트 혹은 직물 등의 섬유 재료 (5) 위에 도포한 후(섬유 재료의 섬유 사이에 고르게 분산/분포시키고, 이를 반복하여 원하는 두께 (예컨대, 수 mm ~ 수 cm) 적층물을 성형기(또는 중합기)(30)에 제공하고 인시츄 중합하여 나노 카본 및 고분자 수지를 포함하고 섬유로 강화된 복합 재료를 제조한다. 이와 같이 인시츄 중합 과정을 거치면, 전술한 바와 같이 나노 카본들 사이에 고분자 수지가 고르게 침투, 동시에 섬유 매트 혹은 직물에 함침됨으로써 나노 카본이 고르게 분산된 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다.
중합 가능한 열가소성 수지는 고온에서 중합이 빨리 진행되고 저온에서 중합이 느리게 진행된다. 따라서, 해당 열가소성 수지의 중합 시작 온도 이상 열 분해 전 온도의 범위로 가열하도록 한다. 또한 중합 가능한 열가소성 수지는 단 시간 내에 중합 시작 온도로 가열하고, 중합 시작 온도 내지 열분해 전 온도에서 일정 시간 유지한 후, 급속 냉각하는 것이 바람직하다.
예컨대 CBT는 130℃ 부근에서 용융되고 150℃ 이상에서 중합이 진행되기 시작하여 고온일수록 빨리 진행되지만 260℃를 초과하는 경우 열분해 될 수 있으므로, 단 시간(예컨대 0초 초과 30초 이하의 시간)내에 해당 온도 범위(예컨대 150℃ 내지 260℃)로 가열하고, 일정 시간 유지(예컨대, 1분 내지 24시간, 가능한 유지 시간은 작도록 하는 것이 바람직하다)한 후, 급속(예컨대, 0초 내지 60 초 이하의 시간)으로 냉각하도록 한다.
예시적인 구현예에서, 상기한 인 시츄 중합을 위한 가열 및 냉각 과정을 금형의 온도 조절을 이용하여 수행할 수 있다. 즉, 상기 열가소성 수지 조성물과 나노카본을 혼합하여 혼합물을 제조한 후, 섬유 매트 혹은 직물 등의 섬유 재료에 도포한 뒤, 이를 금형에 투입하고, 상기 금형을 0초 초과 내지 30초 이하의 단시간 동안 150℃ 내지 260℃ 범위의 온도를 가지도록 급속 가열한 후, 상기 온도 범위 내에서 1분 내지 24시간 유지한다. 상기 유지 과정 이후, 상기 금형을 상온으로 0초 초과 내지 60초 이하의 시간 동안 급속 냉각시킬 수 있다. 상기 가열 속도 또는 냉각 속도는 예를 들어, 초당 40℃ 내지 50℃일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금형을 230 ℃의 온도로 가열하고, 해당 가열 온도에서 10분 동안 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 급속히 금형을 가열하고, 일정 시간 유지한 후 단시간에 냉각하는 경우, 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료를 고속 제조할 수 있게 되므로 대량 생산하는데 유리하다. 또한, 금형만이 급속 냉각되기 때문에 제품 물성에 영향을 줄 수 있는 요인들을 차단할 수 있어 균일한 물성의 복합 재료를 제조하는 것이 유리하다.
예시적인 구현예에서, 상기 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료 제조 시 가열과 더불어 압력을 가하여 열 압착(hot pressing)을 수행할 수 있다. 이러한 열 압착은 열압 성형 금형 내에서 이루어질 수 있다.
상기 설명한 바와 같이 제조되는 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합 재료는 나노 카본의 함량이 고함량인 경우에도(예컨대 30중량% 이상) 나노 카본(필러)를 복합재료의 메트릭스 내에 고르게 분산시킬 수 있다. 특히 파우더 형태의 나노 카본 및 파우더 형태의 열가소성 수지 조성물(중합 촉매 및 중합 가능한 열가소성 수지가 분산 및 혼합된 조성물)을 혼합 즉 파우더 혼합한 후, 이를 인시츄 중합하는 것에 의하면 나노 카본의 함량이 고함량인 경우에도 섬유 강화 복합재료의 메트릭스 내에서 매우 고른 분산을 유도하는 것에 특히 바람직하다. 이에 따라 최종 제조되는 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료의 물성이 크게 향상될 수 있다. 특히 열 전도도 면에 있어서 월등한 효과를 가지도록 할 수 있다. 예컨대, 상기 제조되는 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료는 면방향으로 뛰어난 열전도도(20W/m·K 이상)와 기계적 특성(예컨대, 500Mpa 이상의 인장 강도)를 나타낼 수 있다.
또한, 상기 얻어진 복합 재료는 다양한 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어, LED 방열구조체, 노트북 및 휴대폰 케이스 및 방열 특성을 요구하는 자동차 부품 및 스프레이 코팅 등의 방법으로 도색성이 요구되는 구조용 부품 등에서 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명의 예시적인 구현예들을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예
(1) 열가소성 수지 조성물 제조
본 실시예에 따른 나노 카본 및 고분자 수지 복합 재료의 제조를 위해서, 필러와 열가소성 수지로 Cyclics 사에서 공급받은 CBT 0.6g(시편 하나당 사용량)에 중합 촉매인 사산화티타늄(TiO4)을 분산 혼합하였다. 상기 사산화티타늄은 상기 열가소성 조성물의 0.5몰%로 포함되었다.
상기 필러로는 XG science에서 공급받아 특별한 전처리 과정을 거치지 않은 Graphene nano platelet (GNP, M5)를 준비하였다(실시예 1).
또한, 필러로서 상기 GNP 외에 카본 블랙(CB)(실시예 2), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)(실시예 3), 그라파이트(Graphite)(실시예 4), 피치계 탄소 섬유(pitch CF)(실시예 5)를 사용해 보았다. 각 실시예의 함량은 표 1에 표시하였다. 각 실시예들에서 섬유(carbon fiber)는 공통적으로 76wt%를 사용하였다. 필러의 각 함량(12wt% 또는 3wt%) 및 섬유 함량(76wt%) 외 나머지는 열가소성 수지이다(12wt% 또는 21wt%). 한편, 비교예로서, 열가소성 수지만을 이용한 경우(비교예 1) 및 열가소성 수지에 필러를 넣지 않고 섬유 강화만을 수행한 경우(비교예 2)를 대비하였다.
(2) 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료의 제조
상기 나노 카본과 상기 열가소성 수지 조성물의 혼합물을 탄소섬유 직물 (한국카본, CF-3327EPC) 에 균일하게 도포한 후, 반복 공정을 통해 적층하여 시편 두께를 조절한 후 230℃로 가열한 후, 20MPa 압착 압력에서 10분간 압착 성형하여 중합 반응을 유도(인시츄 중합)하여 진행하였고, 이를 완료하였다.
참고로, 도 2는 본 발명의 실시예1에서 제조된 전도성이 향상된 필러 및 섬유 강화 열가소서 수지 복합 재료를 나타내는 사진이다(도 2a는 평면, 도 2b는 측면).
(3) 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료의 물성
시트의 전기전도도와 열전도도는 각각 4-point probe 방법 및 hot-disk 방법에 의해 측정되었다. 또한, 나노카본이 고함량으로 혼입된 필러 및 섬유 강화 열가소성 수지의 복합 재료의 기계적 특성은 만능인장시험기를 이용하여 측정되었다.
표 1은 본 발명의 실시예들에서 제조된 제조된 필러 및 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료의 전기전도도, 열전도도 및 인장강도를 나타내는 것이다.
함량(wt%) 열전도도 전기전도도 인장강도
등방(W/m·K) 면(W/m·K) S/m (MPa)
비교예 1
(수지만 포함)		 0.18 - - 90
비교예 2
(섬유 강화 수지)		 0.69 1.65 0 440
실시예 1
GNP (12wt%)		 5.12 35.42 2120 505
실시예 2
CB
(3wt%)		 0.95 2.58 120 445
실시예 3
MWCNT
(12wt%)		 0.57 2.26 1200 495
실시예 4
Graphite
(12wt%)		 1.89 4.07 780 460
실시예 5
Pitch CF
(12wt%)		 3.85 8.46 1350 500
표 1에서 알 수 있듯이, 최종 제조된 복합 재료트의 전기적, 열적, 기계적 특성은 메트릭스 내에 혼입된 나노 카본 필러의 함량에 비례하여 증가하였으며, 90 wt% 함량에서 각각 2120 S/m, 35.42 W/m·K 및 505 MPa의 뛰어난 전기전도도, 열전도도 및 인장강도를 나타내었다.
이와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예들을 통해, 필러를 고함량으로 메트릭스 내에 고분산 시켜 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 전기 및 열적 전도특성을 향상시킨 섬유 강화 복합재료를 쉽고 빠르게 제조할 수 있다.

Claims (23)

  1. 중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제1 단계;
    필러와 상기 열가소성 수지 조성물을 혼합하여 섬유 재료에 도포 한 후 가열하여 중합 가능한 열가소성 수지를 인시츄 중합하고 필러 및 열가소성 수지 조성물을 섬유 재료에 함침시키는 제2 단계;를 포함하고,
    상기 필러는 피치계 탄소 섬유(pitch carbon fiber) 또는 그래핀 나노플레이틀렛(Graphene nano platelet; GNP)인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    섬유 재료의 섬유 사이에 필러 및 열가소성 수지 조성물이 함침되는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    파우더 형태의 열가소성 수지 조성물 및 파우더 형태의 필러를 혼합하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 필러 및 열가소성 수지 총 중량에 대하여 30중량% 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 필러 및 열가소성 수지 총 중량에 대하여 30중량% 내지 95wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 재료 제조 시, 상기 열가소성 수지를 용융하여 필러 사이에 함침한 후 열가소성 수지의 중합 개시 온도 이상 열분해 되기 전 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    가열 시 압력을 더 가하여 열 압착하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 중합 가능한 열가소성 수지는 CBT(Cyclic Butylene Terephtalate), 카프로락탐(Caprolactam) 또는 올리고머(Oligomer) 수지인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 중합 가능한 열가소성 수지는 CBT이고,
    금형 내에 필러와 열가소성 수지 조성물의 혼합물을 섬유 재료의 섬유 사이에 투입한 후 금형 내에서 인시츄 중합을 수행하는 것이고,
    상기 금형을 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 150 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 가열 온도에서 1분 내지 24 시간 동안 가열을 유지한 후, 상기 금형을 상온까지 0초 초과 60초 이하의 시간 내에 냉각하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    중합 촉매로 사산화티타늄(TiO4)를 사용하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 그래핀 나노플레이틀렛(Graphene nano platelet; GNP)인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 재료는 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 글라스 섬유(Glass fiber)로 이루어진 매트를 1층 이상 적층한 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
  15. 필러, 고분자 수지 및 섬유 재료를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로서,
    상기 고분자 수지는 중합 가능한 열가소성 수지가 중합된 것이고, 상기 중합 가능한 열가소성 수지는 중합 시 용융 점도가 저하하는 것이며,
    상기 필러는 피치계 탄소 섬유(pitch carbon fiber) 또는 그래핀 나노플레이틀렛(Graphene nano platelet; GNP)인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
  16. 제 15 항에 잇어서,
    상기 필러는 필러 및 열가소성 수지 총 중량에 대하여 30중량% 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
  17. 제 15 항에 있어서,
    섬유 재료의 섬유 사이에 필러 및 열가소성 수지가 분포된 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 섬유 재료는 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 글라스 섬유(Glass fiber)로 이루어진 매트가 1층 이상 적층된 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 필러는 그래핀 나노플레이틀렛(Graphene nano platelet; GNP)인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합재료의 열전도도는 20 W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
  23. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합재료의 인장강도가 500 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
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