KR101945805B1 - 분산제, 이를 포함하는 탄소 섬유 웹 및 이를 포함하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물 - Google Patents

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    • D04H1/4242—Carbon fibres

Abstract

본 발명은 분산제, 이를 포함하는 탄소 섬유 웹 및 이를 포함하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물에 관한 것으로, 하기 화학식 1의 구조를 갖는 분산제, 이를 포함하는 탄소 섬유 웹 및 이를 포함하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물에 관한 것이다:
[화학식 1]
Figure 112017051636351-pat00010

(상기 화학식 1에서
D는 OH 또는 NH2이고,
E는 C, SO2이고,
n은 600 내지 4000의 정수, m은 600 내지 4000의 정수이다.)

Description

분산제, 이를 포함하는 탄소 섬유 웹 및 이를 포함하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물{DISPERSANT, CARBON FIBER WEB COMPRISING THE SAME, AND CARBON-FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL COMPOSITION}
본 발명은 분산제, 이를 포함하는 탄소 섬유 웹 및 이를 포함하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물에 관한 것이다.
복합 재료는 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 보강재(reinforcement)와 매트릭스(matrix)로 거시적으로 서로 간에 구분되는 계면을 가지도록 조합되어 유효한 기능을 가지는 재료를 의미한다. 복합 재료는 각 소재의 효율적인 조합을 위하여 분산제, 접착제, 상용화제 등의 첨가제를 포함할 수 있으며, 이에 의하여 다양한 물성을 확보할 수 있어, 항공, 우주, 자동차, 스포츠, 산업기계, 의료기구, 군수용품, 건축 및 토목자재에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다.
특히, 섬유 강화 복합 재료는 보강재로서 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유나 실리콘 카바이드 섬유와 같은 섬유를 사용하여 제조된 것으로, 이 중 탄소 섬유는 강도가 크고 가벼우며, 전기적 성질을 부여할 수 있다는 이점 등으로 인해 복합 재료 중에서도 각광받고 있는 소재이다.
섬유는 부직포 형태로 제조시, 섬유의 종류나 길이, 배열, 성형법 등에 따라 물성이 다르게 나타난다. 섬유의 방향을 일정하게 배열하는 성형법과 불규칙(랜덤)하게 분산하는 성형법은 각각의 장단점이 있는데, 불규칙하게 분산하는 방법은 일정하게 배열하는 성형법보다 시설비용 및 가동성 부분의 공정상 이점뿐만 아니라 에너지 절감과 친환경적 이점이 있다. 하지만, 랜덤하게 배열되는 섬유는 응집, 꼬임 등의 현상으로 부직포의 기계적 물성을 저하할 수 있는 단점이 있다. 이에 따라, 습식 부직포 섬유의 수분산성을 높이기 위한 연구와 분산이 복합재료에 미치는 영향에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다.
유럽의 D. das 등은 천연 섬유의 수분산성을 높이기 위하여 양이온계 계면활성제를 적용하여 분산효과를 검증하였고, 중국의 J. Peng 등은 광섬유의 수분산성을 비교하기 위하여 상용 분산제와 양이온계, 음이온계 분산제를 적용하는 연구를 진행한 바 있다. 중국의 Wang 외 다수의 연구자는 분산이 탄소 섬유 복합재료에 미치는 영향에 관하여 조사하였으며, 특히 향상된 분산성은 탄소 섬유 복합재료의 인장 특성과 같은 기계적 물성에 매우 긍정적인 영향을 미쳤다는 결론을 공통적으로 나타냈다.
국내의 허건영 등은 습식 공정을 이용하여 유리 섬유 부직포를 제조하였으며, 유리섬유의 탄화 조건 (온도 등)에 따라 분산에 미치는 영향과 복합재료의 전기적 특성 변화를 연구하였다. 김현욱 등의 연구자는 섬유 표면에 오존 처리를 하여 친수성기를 도입한 후 습식공정 내에 수분산성이 향상된 것을 확인하였고, 탄소페이퍼 제조시 균일한 분산에 의한 물성 향상을 확인하였다.
일본 공개특허 2016-64321호 대한민국 특허등록 제0666769호 미국 공개특허 2009-0202829호 대한민국 특허등록 제1322698호
본 발명자들은 습식 공정을 이용한 탄소 섬유 웹을 제조함에 있어 탄소 섬유 분산성을 높일 수 있는 신규 분산제를 개발하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 이타콘산 공중합체가 수성 매질에서 탄소 섬유를 입체적으로 안정화하기에 적합한 분자량을 갖고, 효과적으로 탄소 섬유를 마이크로캡슐화하여 고른 분산을 유도할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 과제는 수성 매질에서 탄소 섬유의 고른 분산을 유도하여 이를 이용하여 제조된 탄소 섬유 웹을 포함하는 복합재료의 기계적 및 전기적 물성을 향상시킬 수 있는 분산제, 이를 포함하는 탄소 섬유 웹 및 이를 포함하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위해 본 발명은
하기 화학식 3 또는 화학식 4의 구조를 갖는 탄소 섬유 분산용 분산제를 제공한다:
[화학식 3]
Figure 112018089766605-pat00020

(상기 화학식 3에서,
n은 2000 내지 3000의 정수, m은 2000 내지 3000의 정수이다.)
[화학식 4]
Figure 112018089766605-pat00021

(상기 화학식 4에서,
n은 600 내지 1000의 정수, m은 600 내지 1000의 정수이다.)
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또한 본 발명은 상기 탄소 섬유 분산용 분산제, 탄소 섬유 및 물을 포함하는 분산 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 탄소 섬유; 및 상기 탄소 섬유 분산용 분산제를 포함하는 탄소 섬유 웹을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소 섬유 웹 및 폴리프로필렌계 수지를 포함하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 분산제는 수성 매질에서 탄소 섬유를 입체적으로 안정화하기에 적합한 분자량을 갖고, 효과적으로 탄소 섬유를 마이크로캡슐화하여 고른 분산을 유도할 수 있다.
도 1은 실시예 1 내지 3에서 제조된 분산제의 FTIR 스펙트럼이다.
도 2는 비교예 1 내지 2 및 실시예 4 내지 6의 탄소 섬유 웹 제조시 증류수에 분산된 탄소 섬유를 관찰한 사진이다((a): 비교예 1, (b) 실시예 4, (c) 실시예 5, (d) 실시예 6, (e) 비교예 2).
도 3은 탄소 섬유의 표면상의 작용기와 본 발명의 분산제의 작용기 사이 공유 결합 및 수소 결합에 대해 가능한 모델을 예시한 것이다.
도 4는 서로 다른 유형의 분산제를 사용하는 시간에 따른 탄소 섬유의 침전 속도를 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6은 광학 현미경 및 SEM으로 실시예 4 내지 6 및 비교예 1 내지 2의 탄소 섬유 웹의 표면을 관찰한 사진이다((a) 비교예 1 (b) 실시예 4 (c) 실시예 4 (d) 실시예 5 (e) 비교예 2).
도 7 및 도 8은 탄소 섬유 웹/PP 복합 재료의 인장 강도 및 인장 계수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예 4 내지 6 및 비교예 2 내지 3의 탄소 섬유 웹/PP 복합 재료의 전기전도도를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 분산용 분산제는 하기 화학식 3 또는 화학식 4의 구조를 갖는다:
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[화학식 3]
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Figure 112017051636351-pat00004
(상기 화학식 3에서,
n은 2000 내지 3000의 정수, m은 2000 내지 3000의 정수이다.)
[화학식 4]
Figure 112017051636351-pat00005
(상기 화학식 4에서,
n은 600 내지 1000의 정수, m은 600 내지 1000의 정수이다.)
본 발명에 따른 탄소 섬유 분산용 분산제는 -COOH, -OH, -CONH2, -SO3H 의 작용기를 가지며, 이들은 탄소 섬유 표면 상의 히드록시, 에폭시기와 수소 결합을 통해 상호 작용이 가능하다. 따라서, 수성 매질에서 탄소 섬유의 분산을 향상시킬 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따른 분산제의 수평균분자량(Mn)은 12만 내지 15만 g/mol이다. 이러한 수평균분자량 범위는 효과적인 탄소섬유 마이크로캡슐화를 위한 것으로 상기한 범위를 벗어나는 경우 수성 매질 내에서 탄소 섬유의 안정화 효과를 나타낼 수 없다.
본 발명에 있어서, 상기 분산제, 탄소 섬유 및 물을 포함하는 분산 조성물은, 분산매를 제거하여 시트화하는, 소위 습식 초지법이라고 불리는 방법 등에 의해 탄소 섬유 웹을 제조할 수 있다.
본 발명의 탄소 섬유 웹은 탄소 섬유 및 분산제를 함유한다.
상기 탄소 섬유는 PAN계, 피치계, 레이온계를 사용할 수 있다. 이러한 탄소 섬유의 길이에 특별한 제한은 없다. 탄소 섬유의 섬유 길이가 길어지면 도전성, 강도 등이 향상되는데 반해, 탄소 섬유의 길이가 지나치게 길면 분산성이 저하되고, 이와 반대로 섬유 길이가 너무 짧은 경우에는 섬유간 결합력이 저하되어 형태 안정성이 떨어질 수 있다. 바람직하기로, 본 발명에서 제시하는 탄소 섬유는 섬유 직경이 1∼50 ㎛이고, 중량평균 섬유 길이가 20∼150 mm인 것을 사용한다.
본 발명의 분산 조성물 중 상기 분산제의 함량은 물 1000 중량부에 대해 0.01 내지 1 중량부이다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면 수성 매질 내 탄소 섬유가 균일하게 분산되지 않아 탄소 섬유의 사용에 따른 물성 향상을 기대할 수 없으며, 반대로 상기 범위를 초과하더라도 효과상이 큰 증가가 없이 비용만 증가하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.
이때, 섬유 간의 결착을 증진하기 위해 바인더를 더욱 추가할 수 있다. 이러한 바인더 성분으로서는, 아크릴 수지, 스티렌-아크릴 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 폴리아미드(나일론) 수지, 폴리에스테르 수지, 변성 폴리에스테르 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌수지, 폴리비닐알코올 등이 가능하다.
본 발명의 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물은 상기 탄소 섬유 웹과 열가소성 수지를 포함한다. 구체적으로 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종이 가능하다.
상기 폴리프로필렌계 수지는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 폴리프로필렌 단독 중합체 또는 공중합체가 가능하며, 이소태틱(isotactic), 신디오택틱(syndiotactic) 및 어택틱(atactic) 구조를 모두 포함한다.
구체적으로 폴리프로필렌 코폴리머는 프로필렌 모노머와 알파 올레핀 모노머가 공중합된 공중합체를 의미한다. 이러한 알파 올레핀은 탄소수 3∼12의 탄화수소로, 일예로 1-부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 4-메틸-1-펜텐, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-노넨, 1-데센, 1-운데센 및 1-도데센, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 일례로, 폴리프로필렌 코폴리머는 프로필렌-에틸렌 공중합체, 프로필렌-에틸렌-알파 올레핀 공중합체 등일 수 있다.
상기 폴리프로필렌 공중합체는 랜덤 공중합체, 블록 공중합체 또는 그래프트 공중합체의 형태일 수 있으며, 사용 목적에 따라 적절하게 선택하여 사용한다.
본 발명에서 열가소성 수지는 전체 복합 재료 조성물 100 중량% 내에서 40∼90 중량%로 사용한다. 만약 열가소성 수지의 함량이 상기 범위 미만이면 복합 재료의 매트릭스로서 역할을 수행할 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 상대적으로 탄소 섬유의 함량이 줄어들어 원하는 물성을 얻을 수 없으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.
이외에도 본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물은 목적에 따라 원하는 물성을 확보하거나 성형을 용이하게 하기 위해, 통상의 열가소성 수지의 성형공정에서 사용하는 첨가제를 더욱 포함할 수 있다. 예를 들면, 산화 방지제, 가공 안정제, 광 안정제, 엘라스토머, 난연제, 무기충전제, 카본블랙, 결정핵제, 자외선 흡수제, 제진제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색제, 연화제, 활제, 안료, 염료, 열안정제, 이형제, 대전방지제, 가소제, 윤활제, 발포제, 제포제, 방부제 및 커플링제 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종이 가능하다.
첨가제는 복합 재료의 성형 공정 중에 첨가해도 되고, 또는 별도로 성형 공정 후에 첨가할 수 있으며, 필요한 경우 함침 공정에 의해 첨가할 수도 있다. 상기 첨가제로는 전체 조성물 내에서 5 중량% 이하로 사용하며, 당업자에 의해 필요한 첨가제의 선택과 함량을 제어할 수 있다.
상기한 바의 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물의 제조는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 공지된 바의 다양한 방법에 의해 제조가 가능하다.
예를 들면, 압출(extrusion), 사출(injection) 성형, 인발 (pultrusion) 성형, 압축 (compression) 성형, 레진 트랜스퍼 몰딩(Resin Transfer Molding, RTM) 성형, 핸드 레이업(Hand Lay-up) 성형, 오토 클레이브(Autoclave) 성형, 필라멘트 와인딩(Filament Winding) 성형 등 다양한 방법이 가능하다.
이러한 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물은, 예를 들면, 자동차 등의 수송 수단 재료, 우주 항공재료, 방위 부품재료, 전기 전자재료, 토목 건축재료, 생체 의료 재료 및 각종 스포츠용품 재료 등 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 바람직하기로 자동차에 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 실험예를 기재한다. 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재될 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 3: 분산제 제조
아크릴산 (AA, 79-10-7, Sigma Aldrich, USA), 아크릴 아마이드 (AAm, 79-06-01, 미국)를 사용하여 이타콘산 (IA, 97-65-4, Sigma Aldrich, USA) Sigma Aldrich, USA) 또는 비닐 술폰산 (VSA, 3039-83-6, Sigma Aldrich, USA)을 사용하여 수행 하였다. 분산제 합성을 위한 조건은 표 1에 각각 나타내었다.
구분 모노머 A
(mol)		 모노머 B
(mol)		 증류수
(ml)		 개시제
(wt %)		 교반 속도
(rpm)		 온도
(℃)
실시예 1
(IA-co-AA)

이타콘산
(0.4)		 아크릴산
(0.4)		 50

포타슘 퍼설페이트
(1.0)

250

60
실시예 2
(IA-co-AAm)		 아크릴아마이드
(0.4)
실시예 3
(IA-co-VSA)		 비닐술폰산
(0.4)
교반기, 응축기, 온도계 및 아르곤 라인이 장착된 4목 플라스크에 40 mol %의 수산화나트륨 (1310-73-2, Sigma Aldrich, USA) 용액 40 mL를 부었다. 반응기를 아르곤 대기 하에서 60 ℃로 가열하였다. 반응 혼합물에 개시제로서과 포타슘 퍼설페이트(7727-21-1, Sigma Aldrich, USA)을 첨가하였다. 다음, 이타콘산 및 아크릴산, 아크릴 아미드 또는 비닐 술폰산의 단량체가 첨가되었다. 단량체는 알루미나 컬럼을 통과시켜서 억제제를 제거한 후에 사용하였다. 반응 매질의 점도가 높아 교반이 불가능해지면 중합을 멈추었다. 생성물을 에탄올에 붓고, 진공 오븐 (OV-11, JEIO Tech, Korea)에서 60 ℃에서 24 시간 동안 건조시킨 다음, 최종적으로 분쇄 하였다.
제조된 분산제의 구조는 Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) (Thermo Nicolet, NEXUS, USA)을 이용하여 확인하였다. Symmetry C18 칼럼 (4.6mm × 250mm, 5㎛)을 사용하는 바이너리 HPLC 펌프 (Waters 1525, 미국) 및 굴절률 검출기 (Waters 2414, USA)를 사용하여 공중 합체의 분자량을 측정하였다. 이동상은 수성 매질에서 0.1M NaNO3이었고 유속은 1mL / min이었다. 측정 온도와 주입량은 각각 40 ℃와 20 μL이었다.
제조된 분산제의 FTIR 스펙트럼을 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 실시예 1 내지 3의 분산제 모두 이타콘산 중의 카르복실 그룹의 카보닐 C = O 스트레치와 연관된 1700-1730 cm-1에서의 강한 피크가 관찰되었다. 3400-2900 cm-1의 광대역 및 1215 cm-1의 날카로운 피크는 각각 카르복실 산의 O-H 및 C-O 신축과 관련되어있다. 실시예 1의 분산제(IA-co-AA)는 주로 카르복실 그룹으로 구성되기 때문에 상기 모든 피크를 포함한다. 도 1의 (b)는 실시예 2의 분산제(IA-co-AAm)의 스펙트럼을 나타낸다. 3500-3300 cm-1에서 나타나는 흡수 밴드는 실시예 2의 분산제(IA-co-AAm) 공중합체 내의 아크릴아마이드의 아미드 그룹에 기인한다. 도 1의 (c)는 실시예 3의 분산제(IA-co-VSA )의 IR 스펙트럼으로 약 1300 cm-1 및 1040 cm-1에서의 술폰산 피크는 이타콘산에 비닐 술폰산 기가 도입된 것을 보여준다.
적절한 분산제를 선택하려면 표적 물질 및 용매 매질의 극성을 고려해야 한다. 양친매성 계면 활성제인 SDS는 일반적으로 소수성 고분자 물질을 수용액에 분산시키는데 사용된다. SDS는 수용액에서 탄소나노튜브 또는 카본 블랙을 분산시키는데 특히 효과적이라고 알려져 있다. 바이너리 HPLC 펌프 (Waters 1525, USA)와 3 개의 컬럼 시리즈 (UltrahydrogelTM 1000, 500 및 250 컬럼, Waters, Ireland)로 연결된 굴절률 검출기 (Waters 2414, USA)가 장착된 수성 GPC (겔 투과 크로마토 그래피)를 사용한 분자량 분석에서 SDS의 다분산 지수(PDI)는 훨씬 낮고, SDS의 평균 분자량은 20,000 미만으로 비교적 낮지만, 실시예 1 내지 3의 분산제의 평균 분자량은 120,000 이상 이었다. 실시예 1 내지 3에서 제조된 분산제의 분자량 및 분자분포도는 아래 표 2에 나타내었다.
구분
 GPC
Mn Mw PDI
실시예 1
(IA-co-AA)		 139,642 1,423,351 10.19
실시예 2
(IA-co-AAm)		 134,999 1,072,964 7.95
실시예 3
(IA-co-VSA)		 125,052 624,736 5.00
실시예 4 내지 6 및 비교예 1 내지 2: 탄소 섬유 웹 제조
탄소 섬유(Torayca, T700SC-12K, 800 tex)는 섬유 절단기 (FiDoCut, Fiber Dosing and Cutting 시스템, Schmidt & Heinzmann GmbH & Co., Germany)를 사용하여 5-6 mm 길이로 절단했다. 실시예 1 내지 3의 분산제 0.3g과 함께 탄소 섬유 3.0g를 증류수 3000mL에 분산시킨 후 시료를 표 3과 같이 표시하였다.
구분
 증류수
(L)
 탄소 섬유
(g)
 분산제
종류 함량
(g)
비교예 1
(NCF cont)



3



3		 -



0.3
실시예 4
(NCF 1-AA)		 실시예 1
실시예 5
(NCF 1-AAm)		 실시예 2
실시예 6
(NCF 1-VSA)		 실시예 3
비교예 2
(NCF SDS)		 SDS
매질은 1 시간 동안 자기 교반기를 사용하여 연속적으로 교반하였다 . 분산 된 탄소 섬유를 습식 장치의 바닥에 놓인 철망 (10cm × 10cm)에 침전시켰다. 와이어 메쉬 상에 이와 같이 형성된 웹을 꺼내 60 ℃의 오븐에서 24 시간 동안 건조시켰다
도 2는 비교예 1 내지 2 및 실시예 4 내지 6의 탄소 섬유 웹 제조시 증류수에 분산된 탄소 섬유를 관찰한 사진이다((a): 비교예 1, (b) 실시예 4, (c) 실시예 5, (d) 실시예 6, (e) 비교예 2). 실시예 1 내지 3의 분산제를 사용한 실시예 4 내지 6의 경우 수성 매질에서의 탄소 섬유의 분산은 대조군 샘플인 비교예 1 또는 SDS을 사용한 비교예 2보다 우수하였다.
본 발명의 분산제는 소수성 그룹과 친수성 그룹을 모두 가지고 있기 때문에 반 데르 발스 (van der Waals) 또는 정전기 상호 작용에 의해 탄소 섬유의 표면으로 끌려 갈 수 있으며 따라서 탄소 섬유의 친수성 및 습윤성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 분산제는 상대적으로 높은 분자량을 가지며 본질적으로 중합체이기 때문에 효과적으로 탄소 섬유를 마이크로캡슐화할 수 있다. Peng 등("Dispersion Characterization of Short Slag Fiber in Aqueous Solution." Journal of Dispersion Science and Technology 37.8 (2016): 1097-1103)은 수용액에서 짧은 슬래그 섬유의 분산은 습윤 메커니즘, 정전기 안정화 및 입체 안정화에 영향을 받는다는 것을 발견했다. SDS는 양친매성이기 때문에 수성 매질에서 소수성 물질을 마이크로 캡슐화할 수 있으나, 비교예 2의 경우, 수성 매질에서 탄소 섬유를 분산시키는데 그다지 효과적이지 못했다. 이 현상은 SDS의 분자량이 탄소 섬유를 마이크로 캡슐화하기에는 너무 작기 때문이다. 반면에, 본 발명의 분산제는 수성 매질에서 탄소 섬유를 분산시키는데 훨씬 더 효과적이었다. 이러한 현상은 정전기 안정화뿐만 아니라 분산제의 입체적 안정화 효과에 기인할 수 있다.
본 발명의 분산제를 사용하면 탄소 섬유가 개별 원 섬유로 분리되어 안정한 수성 분산 물을 형성하는 것을 도왔다. 도 3은 탄소 섬유의 표면상의 작용기와 본 발명의 분산제의 작용기 사이 공유 결합 및 수소 결합에 대해 가능한 모델을 예시한 것이다. 탄소 섬유의 표면상의 히드록시 및 에폭시기는 수소 결합을 통해 본 발명의 분산제의 작용기(-COOH, -OH, -CONH, -SO3H)와 상호 작용할 수 있다. 이는 수계 시스템에서 탄소 섬유 분산을 향상시킨다.
교반 정지 직후의 수성 매체 중의 탄소의 침강 속도를 측정하였다. 침전 수준을 모니터링하고 15, 30, 60, 360 및 720 분에 기록하였고, 그 결과는 도 4에 나타내었다.
도 4는 서로 다른 유형의 분산제를 사용하는 시간에 따른 탄소 섬유의 침전 속도를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 분산제가 포함된 탄소 섬유 시스템의 경우 일정 기간 후에 침전 용적이 일정하게 유지되었다. 이러한 일정한 수준은 분산제를사용할 때 안정한 CF 분산의 형성 때문이다. 반대로, 비교예 1 및 비교예 2의 시스템의 경우 탄소 섬유의 분산 안정성은 섬유 집합체로 인해 좋지 않은 것으로 나타났다.
부직포 탄소 섬유의 표면 형태는 디지털 카메라 (PL 150, SAMSUNG), 광학 현미경 (CKX41, OLYMPUS, 일본) 및 전계 방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM, SU8010, Hitachi, Japan)으로 조사 하였다.
도 5 및 도 6은 광학 현미경 및 SEM으로 실시예 4 내지 6 및 비교예 1 내지 2의 탄소 섬유 웹의 표면을 관찰한 사진이다((a) 비교예 1 (b) 실시예 4 (c) 실시예 4 (d) 실시예 5 (e) 비교예 2). 비교예 1 및 비교예 2의 경우 탄소 섬유 다발이 고루 퍼지지 않았으나, 실시예 4 내지 6의 경우 탄소 섬유가 2D 방향에 의해 균일하게 분포되고 형성되었다. 탄소 섬유의 우수한 분산과 2D 방향성은 복합 재료의 기계적 및 전기적 특성에 긍정적인 영향을 미치나, 섬유가 잘 분산되지 않으면 기공 내에 구멍과 구멍이 생겨 복합재의 기계적 특성이 저하될 수 있다.
실시예 7 내지 9 및 비교예 3 내지 4: 탄소 섬유/폴리프로필렌 복합재료 제조
라미네이팅 및 핫 프레스 공정을 사용하여 부직포 CF / PP 복합 재료를 제조했다. 적층 복합체는 아래 표 4에 나타낸 바와 같이, 층 당 30 ± 5g / m2의 중량을 갖는 3 개의 층으로 구성되었다. 탄소 섬유 웹 층은 2 개의 PP 층 사이에 샌드위치되었다. 생성된 PP / 부직포 CF / PP 복합체를 압축 성형기 (MH-15, MASADA SEISAKU SHO, Japan)를 사용하여 고온 가압시켰다. 압축 성형 조건은 230 ℃에서 5 분간 예열한 후 2.5 MPa에서 1 분간 가압 한 후 실온으로 냉각하였다.
구분
 PP
(g/m2)
 탄소 섬유 웹
종류 투입
(g/m2)
비교예 3
(NCF cont/PP)



30±5
(per layer)



 비교예 1



30±5
실시예 5
(NCF 1-AA/PP)		 실시예 1
실시예 6
(NCF 1-AAm/PP)		 실시예 2
실시예 7
(NCF 1-VSA/PP)		 실시예 3
비교예 4
(NCF SDS/PP)		 비교예 2
실험예 1: 물성 측정
탄소 섬유 웹/PP 복합체의 인장 특성은 보편적인 시험기(UTM, H5K-T, Tinius Olsen, USA)에 의해 ASTM D638 표준에 따라 2 mm / min의 일정한 교차 헤드 속도로 측정되었다. 탄소섬우 웹 및 복합체의 전기 전도도는 시트 저항 측정기 (CMT-100S, AIT, Korea)를 사용하여 25 ℃ 온도에서 4 점 탐침 기술을 사용하여 측정하였다.
도 7 및 도 8은 실시예 4 내지 6 및 비교예 2 내지 3의 탄소 섬유 웹/PP 복합 재료의 인장 강도 및 인장 계수의 변화를 나타내는 그래프이다. 실시예 1 내지 3의 분산제를 사용한 탄소 섬유 웹/ PP 복합재의 인장 특성은 비교예 1의 탄소 섬유 웹 및 비교예 2의 탄소 섬유 웹을 사용하여 제조된 복합재료 보다 높았다.
도 9는 실시예 4 내지 6 및 비교예 2 내지 3의 탄소 섬유 웹/PP 복합 재료의 전기전도도를 나타낸 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전기 전도도는 CF의 분산 상태와 관련된다. 본 발명의 분산제를 사용한 탄소 섬유 웹/PP 복합재료의 전기 전도도는 비교예 1의 탄소 섬유 웹 및 비교예 2의 탄소 섬유 웹을 사용하여 제조된 복합재료 보다 높았다. 이러한 현상은 본 발명의 분산제가 탄소 섬유의 고른 분산을 유도하였기 때문이다.

Claims (10)

  1. 하기 화학식 3 또는 화학식 4의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 분산용 분산제:
    [화학식 3]
    Figure 112018089766605-pat00008

    (상기 화학식 3에서,
    n은 2000 내지 3000의 정수, m은 2000 내지 3000의 정수이다.)
    [화학식 4]
    Figure 112018089766605-pat00009

    (상기 화학식 4에서,
    n은 600 내지 1000의 정수, m은 600 내지 1000의 정수이다.)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 분산제의 수평균분자량(Mn)은 12만 내지 15만 g/mol인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 분산용 분산제.
  4. 삭제
  5. 제1항에 기재된 탄소 섬유 분산용 분산제, 탄소 섬유 및 물을 포함하는 분산 조성물.
  6. 탄소 섬유; 및
    제1항에 따른 탄소 섬유 분산용 분산제
    를 포함하는 탄소 섬유 웹.
  7. 제6항에 따른 탄소 섬유 웹 및 열가소성 수지를 포함하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 폴리프로필렌계 수지는 폴리프로필렌 단독 중합체 또는 폴리프로필렌과 알파 올레핀과의 공중합체인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물.
  10. 제7항에 있어서, 상기 조성물은 탄소 섬유 웹 10 내지 40 중량% 및 열가소성 수지 60 내지 90 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 복합 재료 조성물.
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