KR101956299B1 - 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법 - Google Patents

플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법 Download PDF

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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은, 분산성이 증가되고, 계면이 강화되고, 이에 따라 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있는 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법은, 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계; 탄소섬유를 플라즈마를 이용하여 표면 개질하는 단계; 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 이용하여 상기 탄소섬유를 함침하는 단계; 상기 탄소섬유를 건조하는 단계; 및 상기 탄소섬유를 고온 압착하는 단계;를 포함한다.

Description

플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법{Method of manufacturing multi scale composite using plasma treatment}
본 발명의 기술적 사상은 멀티 스케일 복합재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 멀티 스케일 복합재가 여러 분야에서 활발히 연구가 진행되고 있다. 멀티 스케일 복합재는 매크로 스케일의 고분자, 마이크로 스케일의 탄소섬유, 및 나노 스케일의 나노탄소물질로 구성된 복합재를 지칭한다. 이러한 멀티 스케일 복합재는 수지로 사용되는 고분자를 다양한 방법으로 강화시킴으로써 복합재의 물성을 월등히 향상시킬 수 있으므로, 고성능 소재 산업분야에서 각광받고 있다.
탄소섬유를 이용하여 강화한 고분자 물질은 탄소섬유와 고분자 사이의 계면이 하중전달을 용이하도록 유지하여야 기계적 특성이 향상될 수 있다. 이를 위하여, 탄소 섬유의 표면을 화학적 방법 등으로 개질시키거나, 탄소나노튜브 등과 같은 탄소나노물질을 이용하여 계면을 강화시키는 연구가 많이 진행되어 왔다. 열가소성 수지는 열경화성 수지에 비해 짧은 공정시간과 재활용이 가능한 장점을 가지므로, 복합재 제조에 많이 사용되고 있다. 그러나, 열가소성 수지는 용융점도가 높아 탄소섬유로의 고분자 함침에 한계가 있고, 열가소성 수지에 고농도로 탄소나노물질을 분산시키기 어려운 한계가 있다. 따라서, 탄소나노물질의 분산성이 증가되고, 계면이 강화되고, 이에 따라 우수한 기계적 특성을 제공하는 멀티 스케일 복합재의 요구가 증가되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1095874호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 분산성이 증가되고, 계면이 강화되고, 이에 따라 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있는 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법은, 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계; 탄소섬유를 플라즈마를 이용하여 표면 개질하는 단계; 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 이용하여 상기 탄소섬유를 함침하는 단계; 상기 탄소섬유를 건조하는 단계; 및 상기 탄소섬유를 고온 압착하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 플라즈마는 대기압 플라즈마를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 플라즈마를 방출하는 노즐의 이동속도는 1 m/분 내지 10 m/분의 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소섬유와 상기 플라즈마를 방출하는 노즐 사이의 거리는 5 mm 내지 20 mm의 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 플라즈마는 700W 내지 900W 범위의 전력으로 구동될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 건조하는 단계는 제1 온도에서 대기압 분위기 하에서 수행되는 1차 건조 및 상기 제1 온도에 비하여 높은 제2 온도에서 진공 분위기 하에서 수행되는 2차 건조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소섬유를 고온 압착하는 단계는 180℃ 내지 250℃의 온도에서, 5 MPa 내지 15 MPa의 범위의 압력에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소섬유는 직조형 탄소 섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계는, 고분자 물질을 제1 유기 용매에 투입하여 고분자 용액을 형성하는 단계; 탄소나노물질을 제2 유기 용매에 투입하여 탄소나노물질 분산 용액을 형성하는 단계; 상기 고분자 용액과 상기 탄소나노물질 분산 용액을 혼합하여 혼합 용액을 형성하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 유기 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 1차 감소시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 혼합 용액의 부피를 1차 감소시키는 단계를 수행한 후에, 상기 혼합 용액에 상기 탄소나노물질 분산 용액을 첨가하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 유기 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 2차 감소시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 혼합 용액에 상기 탄소나노물질 분산 용액을 첨가하는 단계와 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 유기 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 2차 감소시키는 단계는 반복 횟수로 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 반복 횟수는 1회 내지 50회 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질 분산 용액을 형성하는 단계는, 상기 탄소나노물질 분산 용액 내의 상기 탄소나노물질을 균질화시키는 단계; 및 상기 탄소나노물질 분산 용액을 초음파를 이용하여 분산시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 1차 감소된 혼합 용액의 부피는 상기 고분자 용액의 부피와 동일할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 2차 감소된 혼합 용액의 부피는 상기 고분자 용액의 부피와 동일할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 고분자 물질은, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르이미드, 및 폴리아미드이미드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 유기 용매 및 상기 제2 유기 용매는, 클로로포름, 아세토페논, 아닐린, 벤젠, 크레졸, 디클로로에탄, 메틸렌클로라이드, 톨루엔, 디메틸포름아미드, 및 테트라히드로푸란 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 및 그래핀 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 고분자 물질에 대한 상기 탄소나노물질의 무게비는 0.05 wt% 내지 1 wt% 의 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계는, 폴리카보네이트를 클로로포름 용매에 투입하여 폴리카보네이트-클로로포름 용액을 형성하는 단계; 탄소나노튜브를 클로로포름 용매에 투입하여 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액을 형성하는 단계; 상기 폴리카보네이트-클로로포름 용액과 상기 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액을 혼합하여 혼합 용액을 형성하는 단계; 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 클로로포름 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 1차 감소시키는 단계; 상기 혼합 용액에 상기 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액을 첨가하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 클로로포름 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 2차 감소시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법은, 분산성이 증가되고, 계면이 강화되고, 이에 따라 우수한 기계적 특성을 가지는 멀티 스케일 복합재를 제공할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상은, 탄소나노튜브 분산방법과 열가소성 복합재료 제조공정을 통해, 고농도의 탄소나노튜브를 점도가 높은 열가소성 수지에 높은 분산성으로 용액 기반 공정으로 짧은 시간에 용이하고 간단한 공정으로 멀티 스케일 복합재를 형성할 수 있다. 특히, 탄소나노튜브 첨가에 의한 강화효과와 탄소섬유의 플라즈마 표면 처리에 의한 강화효과를 가지는 멀티 스케일 복합재를 제공할 수 있다.
구체적으로, 고분산 고농도로 만들어진 폴리카보네이트/탄소나노튜브/ 클로로포름 분산 용액을 탄소섬유에 함침시킴으로써, 폴리카보네이트의 높은 용융점도에 기인한 함침의 한계를 극복할 수 있고, 탄소섬유에 대한 플라즈마 표면처리를 통하여 고분자의 함침을 더욱 효과적으로 발생시켰다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법에서 사용된 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액은 폴리카보네이트와 클로로포름을 포함하는 고분자 용액과 탄소나노튜브와 클로로포름을 포함하는 탄소나노물질 분산 용액을 혼합하여 혼합 용액을 형성하고, 상기 혼합 용액을 감압하여 클로로포름 용매를 증발시키는 용매 증발법을 수행하여 형성함으로써, 분산성이 향상된 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성할 수 있다. 또한, 원하는 탄소나노튜브의 농도를 1회에 모두 투입하여 1회의 용매 증발을 수행하는 것에 비하여, 수회에 걸쳐서 투입하고 용매 증발 또한 수회에 걸쳐서 수행하는 것이 분산성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 분산성이 향상된 고농도의 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 미세구조를 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 플라즈마 처리에 따른 탄소섬유 표면의 변화를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 플라즈마 처리에 된 탄소섬유와 고분자 물질의 결합을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 고분자 물질과 탄소나노튜브의 결합을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 저장 탄성계수를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 α-전이 활성화 에너지를 도출하기 위한 온도에 따른 주파수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법의 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계를 도시하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법의 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계의 탄소나노물질 분산 용액을 형성하는 단계를 도시하는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법에서 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계를 수행하는 용매 증발 장치를 도시하는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 나타내는 사진들이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액의 분산 상태를 보여주는 광학 현미경 사진들이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액의 초음파 처리 시간에 대한 파장에 따른 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액의 파장에 대한 초음파 처리 시간에 따른 흡수도를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법(S100)은, 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계(S110); 탄소섬유를 플라즈마를 이용하여 표면 개질하는 단계(S120); 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 이용하여 상기 탄소섬유를 함침하는 단계(S130); 상기 탄소섬유를 건조하는 단계(S140); 및 상기 탄소섬유를 고온 압착하는 단계(S150);를 포함한다.
상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계(S110)는 하기에 도 8 내지 도 14를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 여기에서, 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액은 용매 내에 고분자 물질과 탄소나노물질이 분산된 용액을 지칭한다.
상기 탄소섬유를 플라즈마를 이용하여 표면 개질하는 단계(S120)는 대기압 플라즈마를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 플라즈마는, 예를 들어 700W 내지 900W 범위의 전력으로 구동될 수 있고, 예를 들어 800W의 전력으로 구동될 수 있다. 상기 탄소섬유와 상기 플라즈마를 방출하는 노즐 사이의 거리는, 예를 들어 5 mm 내지 20 mm 의 범위일 수 있고, 예를 들어 10 mm 일 수 있다. 상기 플라즈마를 방출하는 상기 노즐은 출력부를 회전하여 넓은 면적에 분사하는 방식인 스위블(swivel) 노즐일 수 있다. 상기 노즐의 직경은, 예를 들어 20 mm 내지 40 mm의 범위일 수 있고, 예를 들어 30 mm 일 수 있다. 상기 노즐의 이동 이동속도는, 예를 들어 1 m/분 내지 10 m/분의 범위일 수 있다.
상기 플라즈마의 처리 시간은 상기 탄소 섬유의 크기에 따라 변화할 수 있고, 예를 들어 1초 내지 10분의 범위에서 수행될 수 있다. 대기압 플라즈마 장치는 일반적으로 진공 챔버가 없이 대기압 하에서 실행되고, 연속공정이므로 플라즈마 처리 시간이 매우 빠른 특징이 있다. 또한, 노즐의 형상에 따라 플라즈마 처리 시간의 증감이 가능하다. 예를 들어, 상기 탄소 섬유가 가로 75 mm 및 세로 75 mm의 경우에는 플라즈마 처리 시간은 약 12 초 내지 15 초 범위일 수 있다. 또한, 상기 탄소 섬유가 가로 300 mm 및 세로 300 mm의 경우에는 플라즈마 처리 시간은 약 68 초 내지 70 초 범위일 수 있다.
상기 탄소섬유는 직조형 탄소섬유(woven carbon fiber, WCF)일 수 있다. 상기 실시예에서 제시한 상기 탄소섬유는 예시적이며, 이에 한정되는 것은 아니고, 그래핀(grapheme), 탄소나노튜브(carbon nano tube)나 X-GNP(X-graphene nano plate) 등인 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 또한, 탄소섬유를 대신하여 다른 물질로 구성된 다양한 섬유인 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 이용하여 상기 탄소섬유를 함침하는 단계(S130)는 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 상기 탄소섬유에 주입하여 상기 탄소섬유가 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액에 의하여 전체적으로 젖을 수 있도록 수행할 수 있다. 따라서, 상기 탄소섬유의 치수에 따라 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액의 양이 정해질 수 있다.
상기 탄소섬유를 건조하는 단계(S140)는 제1 온도에서 수행되는 1차 건조와 상기 제1 온도에 비하여 높은 제2 온도에서 수행되는 2차 건조를 포함할 수 있다. 상기 1차 건조는 대기압 분위기 하에서 상온에서 수행될 수 있고, 예를 들어 20℃ 내지 30℃의 온도에서, 예를 들어 1 분 내지 60분의 범위에서 수행될 수 있다. 상기 2차 건조는 진공 분위기 하에서, 예를 들어 30℃ 내지 60℃의 온도에서, 예를 들어 1 시간 내지 24 시간의 범위에서 수행될 수 있다.
상기 탄소섬유를 고온 압착하는 단계(S150)는 핫 프레스(hot press) 장비를 이용하여 수행될 수 있고, 예를 들어 180℃ 내지 250℃의 온도에서, 예를 들어 215℃의 온도에서, 예를 들어 5 MPa 내지 15 MPa의 범위의 압력에서, 예를 들어 1 분 내지 60 분의 범위에서 수행될 수 있다.
플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법의 실시예
멀티 스케일 복합재의 제조
이하에서는 본 발명의 기술적 사상에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법의 예시적인 실시예를 설명하기로 한다.
멀티 스케일 복합재의 실시예를 형성하기 위한 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액은 하기에 설명한 바와 같이, 고분자 물질로서 폴리카보네이트, 탄소나노물질로서 탄소나노튜브, 및 용매로서 클로로포름을 포함하도록 형성하였다. 상기 폴리카보네이트에 대한 상기 탄소나노튜브의 무게비가 1 wt%이었다. 비교예1 내지 비교예3을 위하여 탄소나노튜브를 포함하지 않고, 폴리카보네이트와 클로로포름 만을 포함하는 고분자 분산 용액을 형성하였다.
상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 20 ml 준비하였다. 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액 20ml 내에는 폴리카보네이트 2g 및 탄소나노튜브 20 mg을 포함하였다. 또한, 비교예1 내지 비교예3을 위하여 상기 탄소나노튜브를 함유하지 않고 폴리카보네이트 2g을 포함하는 고분자 분산 용액을 20 ml 준비하였다.
직조형 탄소섬유 시트를 가로 100 mm, 세로 100 mm의 정사각형으로 절단하여 직조형 탄소섬유를 준비하였다. 상기 직조형 탄소섬유는 에탄올 용액으로 세정한 후에, 약 100℃의 오븐에서 약 10분 정도 건조하였다. 상기 직조형 탄소섬유는 하기의 표 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 처리를 수행한 경우와 플라즈마 처리를 수행하지 않은 경우로 분류하여 준비하였다.
상기 직조형 탄소섬유를 대기압 플라즈마를 이용하여 표면 개질하였다. 상기 플라즈마는 800W의 전력 및 39H의 주파수로 구동되었다. 상기 직조형 탄소섬유와 상기 플라즈마를 방출하는 노즐 사이의 거리는 10 mm이었고, 노즐 직경은 30 mm 이었다. 상기 노즐의 이동 속도는 2 m/분 또는 6 m/분으로 제어하였다. 참고로, 상기 직조형 탄소섬유는 x-축 방향으로 이동시키고, 상기 노즐은 상기 x-축 방향과는 수직인 y-축 방향으로 이동시키면서 플라즈마 처리를 수행하였다. 상기 플라즈마 처리는 상기 직조형 탄소섬유 시트 한 매당 12 초 내지 15 초의 시간 동안 수행하였다.
플라즈마 처리를 수행한 상기 직조형 탄소섬유는 테플론으로 구성된 상부 개방형 몰드에 위치시켰다. 상기 직조형 탄소섬유는 2 매를 서로 포개어 위치시켰다. 이어서, 폴리카보네이트, 탄소나노튜브, 및 클로로포름을 포함하는 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 상기 직조형 탄소섬유에 주입하여 함침시켰다. 하기의 표 1의 비교예1 내지 비교예3을 위하여는 상기 탄소나노튜브를 함유하지 않는 고분자 분산 용액을 상기 직조형 탄소섬유에 주입하여 함침시켰다.
이어서, 상기 탄소섬유는 대기압 분위기 하에서 상온에서 15분 동안 1차 건조하였고, 이어서 진공 오븐 내에서 진공 분위기 하에서 45℃에서 24 시간 동안 2차 건조하였다.
이어서, 상기 탄소섬유를 핫 프레스(hot press) 장비를 이용하여 215℃에서 10 MPa의 압력으로 15분 동안 고온 압착을 수행하여 멀티 스케일 복합재를 형성하였다. 이러한 고온 압착은 상기 멀티 스케일 복합재 내에서의 고분자의 함침 상태를 향상시킬 수 있고, 상기 멀티 스케일 복합재의 표면을 매끄럽게 할 수 있다.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 실시예와 비교예를 분류한 표이다. 표 1에서 "O"은 해당됨을 의미하고, "X"는 해당되지 않음을 의미한다.
분류 탄소섬유 폴리카보네이트 탄소나노튜브 플라즈마처리 노즐이동속도
비교예1 O O X X X
비교예2 O O X O 6 m/분
비교예3 O O X O 2 m/분
비교예4 O O O X X
실시예1 O O O O 6 m/분
실시예2 O O O O 2 m/분
멀티 스케일 복합재의 미세구조 분석
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 미세구조를 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 2를 참조하면, 탄소나노튜브가 첨가되지 않은 비교예1 내지 비교예3에서는, 플라즈마 처리에 따라 탄소섬유의 표면 모폴로지의 변화가 두드러지지 않았다. 탄소나노튜브가 첨가된 비교예4에서는 탄소섬유의 표면이 다소 거칠게 나타났으며, 이는 탄소 섬유에 대한 탄소나노튜브의 결합에 의한 것으로 분석된다. 탄소나노튜브가 첨가되고 플라즈마 처리된 실시예1 및 실시예2에서는 탄소섬유의 표면이 매우 거칠 상태를 보이며, 이는 탄소섬유의 결합이 강화됨을 나타낸다.
폴리카보네이트와 같은 열가소성 고분자 물질의 경우, 탄소섬유와 고분자 물질 사이의 흡착 메커니즘은 크게 두 가지로 분류된다. 첫째는, 탄소섬유와 고분자 물질 수지 사이의 기계적 인터록킹(mechanical interlocking)과 같은 물리적 흡착으로서, 탄소섬유와 고분자 물질 사이의 반데르발스 작용으로 일어나며, 전자의 이동이 없고 다층으로 흡착이 일어날 수 있다. 둘째는, 탄소섬유의 표면의 산소 작용기와 고분자 물질 사이의 화학적 흡착(즉, 결합)으로, 산소 작용기들은 배위수를 최대화하는 방향으로 서로 결합하고, 따라서 전자의 이동이 일어나며, 오로지 단층으로 흡착이 일어난다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 플라즈마 처리에 따른 탄소섬유 표면의 변화를 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 탄소섬유 표면을 플라즈마 처리를 하면, 락톤기(lactone, -CO2), 히드록실기(hydroxyl, -OH), 카르복실기(carboxyl, -COOH), 카르보닐기(carbonyl, -O) 등과 같은 산소 기능기와 이민기(imine, -NH), 및 아민기(amine, -NH2) 등과 같은 질소 기능기가 상기 탄소섬유의 표면에 결합하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 플라즈마 처리에 된 탄소섬유와 고분자 물질의 결합을 나타내는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 도 3에서 설명한 탄소 섬유의 표면에 결합한 산소 기능기들이 고분자 물질인 폴리카보네이트와 결합한다. 이러한 결합은 폴리카보네이트의 카보네이트 기능기와 탄소섬유 표면의 히드록실기 또는 카르복실기와 수소결합을 하여 구현될 수 있고, 극성을 나타낼 수 있다. 폴리카보네이트와 탄소섬유 간의 결합의 주요 메커니즘은 탄소섬유와 폴리카보네이트 사이의 공유결합을 생성하는 레디컬과 하전된 이온들의 이동이다. 따라서 섬유 표면에 적절한 기능기를 형성하는 것이 중요하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 고분자 물질과 탄소나노튜브의 결합을 나타내는 모식도이다.
도 5를 참조하면, 탄소나노튜브와 고분자 물질을 흡수층을 사이에 주고 결합할 수 있고, (a)와 같이 물리적 흡착에 의하여 결합하거나, (b)와 같이 화학적 흡착에 의하여 결합한다. 탄소나노튜브 표면에서 고분자 물질의 체인의 비이동성은 계면의 기계적 강성(mechanical stiffening)을 강화시키며, 이는 멀티 스케일 복합재의 부가적인 강화 요소를 제공할 수 있다. 탄소나노튜브의 넓은 표면적은 고분자와 탄소나노튜브 간의 계면 면적 증가시켜, 고분자 물질의 체인의 거동에 많은 영향을 미침으로써 그 강화효과도 증대된다. 고분자 물질과 흡수층 사이에서, 결박 효과에 의하여 고분자로부터 탄소나노튜브로의 하중전달을 향상시킬 수 있다.
멀티 스케일 복합재의 기계적 특성 분석
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 기계적 특성을 분석하기 위하여, 동역학 측정장치(dynamic mechanical analyzer, DMA)를 이용하여 80℃의 온도에서 저장 탄성계수(storage modulus, E')를 측정하였다. 주파수는 0.1 Hz, 1 Hz, 및 10 Hz로 변화시켰다.
표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 저장 탄성계수를 나타내는 표이다.
분류 0.1 Hz 1 Hz 10 Hz
E'(GPa) 비율 E'(GPa) 비율 E'(GPa) 비율
비교예1 6.2 100% 8.0 129% 13.4 216%
비교예2 16.5 266% 19.2 310% 25.2 406%
비교예3 25.6 413% 31.2 503% 46.5 750%
비교예4 13.1 212% 16.0 258% 17.4 281%
실시예1 23.4 377% 25.0 403% 26.0 419%
실시예2 28.7 463% 38.9 627% 53.1 856%
표 2에서 비율은 탄소나노튜브를 포함하지 않고 플라즈마 처리하지 않은 비교예1을 100%로 기준하여 산출하였다. 표 2의 저장 탄성계수를 주파수에 따라 그래프로 도시하여 도 6에 나타내었다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 저장 탄성계수를 나타내는 그래프이다.
도 6 및 표 2를 참조하면, 비교예들에 비하여 실시예들의 저장 탄성계수가 전반적으로 증가되었다. 특히, 탄소나노튜브를 포함하고, 2m/분의 노즐이동속도로 플라즈마 처리한 실시예2는 0.1 Hz의 주파수에서 28 GPa로 비교예1에 비하여 463%의 비율을 나타내었고, 1 Hz의 주파수에서 39 GPa로 627%의 비율을 나타내었고, 10 Hz의 주파수에서 53 GPa로 856%의 비율을 나타내는 등 가장 큰 강화효과를 가지는 것으로 분석된다.
모든 경우에서 주파수가 증가함에 따라 저장 탄성계수가 증가하였다. 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 비교예1, 비교예2 및 비교예3을 탄소나노튜브를 첨가한 비교예4, 실시예1, 및 실시예2와 각각 비교하면, 탄소나노튜브를 첨가한 경우가 저장 탄성계수가 증가하였다. 플라즈마 처리하지 않은 비교예1과 플라즈마 처리한 비교예2, 비교예3을 비교하고, 플라즈마 처리하지 않은 비교예4와 플라즈마 처리한 실시예1, 실시예2을 비교하면, 플라즈마 처리한 경우가 저장 탄성계수가 증가하였다. 따라서, 플라즈마 처리와 탄소나노튜브의 첨가는 멀티 스케일 복합재의 강화효과를 제공하는 것으로 분석된다.
또한, 비교예2와 비교예3을 비교하고, 실시예1과 실시예2를 비교하면, 노즐이동속도가 느릴수록, 즉 6 m/분에 비하여 2 m/분에서, 탄성계수가 더 큰 값을 나타내었다. 노즐이동속도가 느리다는 의미는 탄소섬유가 플라즈마에 노출되는 시간이 길어지는 것을 의미하므로, 표면 개질이 더 우수하게 수행될 수 있다.
멀티 스케일 복합재의 α-전이 활성화 에너지는 하기의 식에 의하여 도출될 수 있다.
F = A exp(-Eα /RT)
(여기에서, F는 주파수[1/s], A는 계수, Eα 는 α-전이 활성화 에너지[kJ/mol], R은 기체상수[kJ/mol K], T는 절대 온도[K]임)
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 α-전이 활성화 에너지를 도출하기 위한 온도에 따른 주파수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 그래프의 기울기로부터 α-전이 활성화에너지를 도출할 수 있다. 도출된 α-전이 활성화에너지를 하기의 표 3에 나타내었다.
표 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 α-전이 활성화 에너지를 나타내는 표이다.
분류 α-전이온도 (K) α-전이 활성화에너지
(KJ/mol)
주파수 (Hz)
0.1 1 10
비교예1 431 439 442 622
비교예2 433 438 439 963
비교예3 434 436 438 1768
비교예4 427 434 438 636
실시예1 429 434 438 645
실시예2 430 435 440 686
도 7 및 표 3을 참조하면, 노즐 이동 속도가 낮은 비교예3과 실시예2에서 α-전이 활성화 에너지가 높게 나타났다. 상기 α-전이 활성화 에너지는 교차밀도를 의미하므로, 상기 α-전이 활성화 에너지가 높을수록 상기 교차밀도가 높음을 의미한다. 비교예1, 비교예2, 및 비교예3와 같이 탄소나노튜브가 첨가되지 않은 경우에는 도 7의 기울기의 증가(즉, α-전이 활성화 에너지의 증가)가 두드러지게 나타나며, 반면, 비교예4, 실시예1, 및 실시예2와 같이 탄소나노튜브가 첨가된 경우에는 기울기의 증가가 두드러지지 않았다. 이는, 탄소나노튜브를 포함하지 않는 경우에는 플라즈마 처리에만 의존한 강화효과가 크게 나타나는 반면, 탄소나노튜브를 포함하는 경우에는 탄소나노튜브에 의한 강화효과를 이미 가지고 있으므로 플라즈마 처리에 의한 부가적인 강화효과는 상대적으로 작게 나타나는 것으로 분석된다.
탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액의 제조 방법
이하에서는 도 1의 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계(S110)에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법(S100)의 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계(S110)를 도시하는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계(S110)는, 고분자 물질을 제1 유기 용매에 투입하여 고분자 용액을 형성하는 단계(S111); 탄소나노물질을 제2 유기 용매에 투입하여 탄소나노물질 분산 용액을 형성하는 단계(S112); 상기 고분자 용액과 상기 탄소나노물질 분산 용액을 혼합하여 혼합 용액을 형성하는 단계(S113); 및 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 유기 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 1차 감소시키는 단계(S114);를 포함한다.
또한, 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계(S110)는, 상기 혼합 용액의 부피를 1차 감소시키는 단계(S114)를 수행한 후에, 상기 혼합 용액에 상기 탄소나노물질 분산 용액을 첨가하는 단계(S115); 및 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 유기 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 2차 감소시키는 단계(S116);를 더 포함할 수 있다.
상기 혼합 용액에 상기 탄소나노물질 분산 용액을 첨가하는 단계(S115)와 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 유기 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 2차 감소시키는 단계(S116)는 반복 횟수로 수행될 수 있다. 상기 반복 횟수는 예를 들어 1회 내지 50회 범위일 수 있고, 예를 들어 20회일 수 있다.
상술한 바와 같이, 용매 증발법을 이용하여 상기 혼합 용액의 부피를 감소시켜 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성할 수 있다.
상기 1차 감소된 혼합 용액의 부피는 상기 고분자 용액의 부피와 동일할 수 있다. 또한, 상기 2차 감소된 혼합 용액의 부피는 상기 고분자 용액의 부피와 동일할 수 있다.
상기 고분자 물질은 다양한 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 열가소성 수지일 수 있다. 상기 고분자 물질은, 예를 들어 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl metacrylate, PMMA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리아미드(polyamide), 폴리에스테르(polyester), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone, PEEK), 폴리에테르케톤케톤(polyether ketone ketone, PEKK), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 및 폴리아미드이미드(Polyamide imide, PAI) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 유기 용매 및 제2 유기 용매는 동일한 물질이거나 또는 서로 다른 물질일 수 있다. 상기 제1 유기 용매 및 제2 유기 용매는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 유기 용매는, 예를 들어 클로로포름(CHCl3), 아세토페논(acetophenone), 아닐린(aniline), 벤젠(benzene), 크레졸(cresol), 디클로로에탄(1,2-dichloroethane), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 톨루엔(Toluene), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 및 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노물질은, 예를 들어 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 그래핀 산화물(graphene oxide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법(S100)의 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계(S110)의 탄소나노물질 분산 용액을 형성하는 단계(S112)를 도시하는 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 상기 탄소나노물질 분산 용액을 형성하는 단계(S112)는, 상기 탄소나노물질 분산 용액 내의 상기 탄소나노물질을 균질화시키는 단계(S117); 및 상기 탄소나노물질 분산 용액을 초음파를 이용하여 분산시키는 단계(S118)를 더 포함할 수 있다.
상기 균질화시키는 단계(S117)는 균질기(Homogenizer)를 이용하여 수행할 수 있고, 상기 탄소나노물질이 상기 균질기의 로터(rotor)와 스테이터(stator) 사이를 지나가면서 상기 로터에 의하여 발생하는 고회전 에너지에 의하여 야기되는 전단력에 의하여 상기 탄소나노물질을 분쇄하여 균질화시킬 수 있다.
상기 균질화시키는 단계(S117)에서, 상기 균질기의 상기 로터는, 예를 들어 5000 rpm 내지 10000 rpm 속도로 회전할 수 있고, 예를 들어 7000 rpm의 속도로 회전할 수 있다. 상기 균질화하는 단계(S117)는, 예를 들어 1분 내지 60분의 범위의 시간 동안 수행될 수 있고, 예를 들어 20분 동안 수행될 수 있다.
상기 분산시키는 단계(S118)는, 초음파조(bath sonication)에서 발생한 초음파를 이용하여 수행할 수 있고, 예를 들어 1 시간 내지 24 시간의 범위의 시간 동안 수행될 수 있고, 예를 들어 8 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 초음파 처리로서 8 시간을 설정한 이유는 하기의 도 13 및 도 14를 참조하여 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법에서 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계(S110)를 수행하는 용매 증발 장치를 도시하는 개략도이다.
도 10을 참조하면, 상기 용매 증발 장치를 이용하여 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 유기 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 1차 감소시키는 단계(S114)를 수행할 수 있고, 또한, 상기 혼합 용액을 감압하여 상기 유기 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 2차 감소시키는 단계(S116)를 수행할 수 있다.
구체적으로, 고분자 용액을 반응조에 장입하고, 탄소나노물질 분산 용액을 투입하여 혼합 용액을 형성한다. 상기 고분자 용액을 대신하여 부피가 1차 또는 2차로 감소된 혼합 용액이 반응조에 장입될 수 있다. 모터를 통하여 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)으로 구성된 임펠러를 회전시켜 상기 혼합 용액을 교반한다. 상기 임펠러는, 예를 들어 100 rpm 내지 500 rpm으로 회전할 수 있고, 예를 들어 300 rpm으로 회전할 수 있다. 상기 반응조의 하측에 위치한 가열기를 이용하여 상기 혼합 용액을, 예를 들어 40℃ 내지 80℃의 온도로 가열하고, 예를 들어 60℃의 온도로 가열한다. 진공 펌프를 이용하여 상기 반응조 내부를 감압하여 상기 유기 용매를 기상화하여 추출한다. 상기 반응조는, 예를 들어 1 mbar 내지 200 mbar 범위로 감압될 수 있고, 예를 들어 100 mbar 또는 그 이하로 감압될 수 있다. 추출된 유기용매는 응축기를 거치면서 다시 액상으로 변화하고 저장부에 저장된다.
탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액의 제조 방법의 실시예
이하에서는 본 발명의 기술적 사상에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법에서 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계를 적용한 예시적인 실시예를 설명하기로 한다.
고분자 물질로서 폴리카보네이트 10 g을 제1 유기 용매로서 클로로포름(CHCl3) 용매 100 ml에 투입하여 용해시켜 폴리카보네이트-클로로포름 용액을 형성하였다. 상기 폴리카보네이트-클로로포름 용액을 도 10을 참조하여 설명한 용매 증발 장치의 반응조 내에 장입하였다.
탄소나노물질로서 탄소나노튜브 5 mg을 제2 유기 용매로서 클로로포름(CHCl3) 용매 500 ml에 투입하고, 균질기를 사용하여 7000 rpm으로 20분 동안 균질화하고, 이어서 초음파조에서 100% 파워로 8 시간 동안 초음파를 이용하여 교반하여 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액을 형성하였다.
상기 폴리카보네이트-클로로포름 용액이 장입된 상기 반응조에 상기 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액을 투입하여 혼합하여 혼합 용액을 형성하였다. 이어서, 상기 진공 펌프를 이용하여 상기 반응조 내의 압력을 100 mbar이하로 감압시켜 상기 클로로포름 용매의 증발을 유도함으로써, 상기 혼합 용액의 부피를 약 600 ml 로부터 100 ml로 1차 감소시켰다. 상기 혼합 용액 내에서, 상기 폴리카보네이트에 대한 상기 탄소나노튜브의 무게비는 0.05 wt%이었다.
이어서, 부피가 1차 감소된 상기 혼합 용액 100 ml에 동일한 함량으로 제조된 상기 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액 500 ml를 다시 투입하여 혼합하였다. 상기 혼합 용액을 동일한 방식으로 감압시켜 상기 클로로포름 용매의 증발을 유도함으로써, 상기 혼합 용액의 부피를 약 600 ml 로부터 100 ml로 2차 감소시켰다. 이 경우,상기 혼합 용액 내에서, 상기 폴리카보네이트에 대한 상기 탄소나노튜브의 무게비는 0.1 wt%이었다.
상기 혼합 용액에 상기 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액을 투입하고 용매 증발을 통한 2차 감소되는 과정을 더 반복하여, 상기 폴리카보네이트에 대한 상기 탄소나노튜브의 무게비가 1 wt%인 혼합 용액 100 ml 를 형성하였다. 반복 횟수에 따라 다양한 상기 무게비를 변화시킬 수 있고, 예를 들어 상기 폴리카보네이트에 대한 상기 탄소나노튜브의 무게비는 0.05 wt% 내지 1 wt% 의 범위일 수 있다. 그러나, 이러한 무게비는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 나타내는 사진들이다.
도 11을 참조하면, (a)는 탄소나노튜브 5mg이 분산된 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액 500 ml를 나타낸다. (b)는 폴리카보네이트에 대한 탄소나노튜브의 무게비가 1 wt%인 탄소나노튜브(100 mg)/폴리카보네이트(10 g)/클로로포름으로 구성된 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액 100ml를 나타낸다. 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따른 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액에서 균일한 색상을 나타내며, 침전물이 거의 발견되지 않으므로, 탄소나노튜브의 분산성이 우수한 것으로 분석된다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액의 분산 상태를 보여주는 광학 현미경 사진들이다.
도 12에서, 상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액은 폴리카보네이트, 탄소나노튜브, 및 클로로포름을 포함하며, 폴리카보네이트에 대한 탄소나노튜브의 무게비가 1 wt%인 경우이다. 다만, 도 12의 (a)는 용매 증발을 1회 수행하여 얻은 경우이고, 도 12의 (b)는 용매 증발을 20회 반복하여 수행하여 얻은 경우이다.
도 12를 참조하면, (b)가 (a)에 비하여 분산 상태가 더 우수하게 나타났으며, 이에 따라 원하는 탄소나노튜브의 농도를 1회에 모두 투입하여 1회의 용매 증발을 수행하는 것에 비하여, 수회에 걸쳐서 투입하고 용매 증발 또한 수회에 걸쳐서 수행하는 것이 분산성을 증가시키는 것으로 분석된다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액의 초음파 처리 시간에 대한 파장에 따른 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성한 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액의 파장에 대한 초음파 처리 시간에 따른 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 흡수도가 높을수록 용액 내에서 용질의 분산이 우수한 것을 의미한다. 4 시간의 초음파 처리를 수행한 경우에는, 흡수도가 300 nm 내지 360 nm 범위의 파장대에서 상대적으로 낮게 나타나며, 초음파 처리 시간이 증가될수록 흡수도가 증가되었다. 특히, 8 시간의 초음파 처리를 수행한 경우에는 흡수도가 크게 증가하며, 그 이후의 증가된 시간에서는 흡수도가 의미있는 수준으로 증가되지 않았다. 따라서, 8 시간의 초음파 처리를 수행하는 경우, 적절한 수준의 분산성을 확보할 수 있고, 따라서 본 실시예에서 초음파 처리를 8 시간으로 설정하였다.
결론
본 발명의 기술적 사상에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법은, 분산성이 증가되고, 계면이 강화되고, 이에 따라 우수한 기계적 특성을 가지는 멀티 스케일 복합재를 제공할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상은, 탄소나노튜브 분산방법과 열가소성 복합재료 제조공정을 통해, 고농도의 탄소나노튜브를 점도가 높은 열가소성 수지에 높은 분산성으로 용액 기반 공정으로 짧은 시간에 용이하고 간단한 공정으로 멀티 스케일 복합재를 형성할 수 있다. 특히, 탄소나노튜브 첨가에 의한 강화효과와 탄소섬유의 플라즈마 표면 처리에 의한 강화효과를 가지는 멀티 스케일 복합재를 제공할 수 있다.
구체적으로, 고분산 고농도로 만들어진 폴리카보네이트/탄소나노튜브/ 클로로포름 분산 용액을 탄소섬유에 함침시킴으로써, 폴리카보네이트의 높은 용융점도에 기인한 함침의 한계를 극복할 수 있고, 탄소섬유에 대한 플라즈마 표면처리를 통하여 고분자의 함침을 더욱 효과적으로 발생시켰다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법에서 사용된 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액은 폴리카보네이트와 클로로포름을 포함하는 고분자 용액과 탄소나노튜브와 클로로포름을 포함하는 탄소나노물질 분산 용액을 혼합하여 혼합 용액을 형성하고, 상기 혼합 용액을 감압하여 클로로포름 용매를 증발시키는 용매 증발법을 수행하여 형성함으로써, 분산성이 향상된 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성할 수 있다. 또한, 원하는 탄소나노튜브의 농도를 1회에 모두 투입하여 1회의 용매 증발을 수행하는 것에 비하여, 수회에 걸쳐서 투입하고 용매 증발 또한 수회에 걸쳐서 수행하는 것이 분산성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 분산성이 향상된 고농도의 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계;
    탄소섬유를 플라즈마를 이용하여 표면 개질하는 단계;
    상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 이용하여 상기 탄소섬유를 함침하는 단계;
    상기 탄소섬유를 건조하는 단계; 및
    상기 탄소섬유를 고온 압착하는 단계;를 포함하고,
    상기 플라즈마는 대기압 플라즈마를 이용하여 수행되고,
    상기 탄소섬유는 직조형 탄소 섬유이며,
    상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계는,
    고분자 물질을 제1 유기 용매에 투입하여 고분자 용액을 형성하는 단계;
    탄소나노물질을 제2 유기 용매에 투입하여 탄소나노물질 분산 용액을 형성하는 단계;
    상기 고분자 용액과 상기 탄소나노물질 분산 용액을 혼합하여 혼합 용액을 형성하는 단계; 및
    상기 혼합 용액을 감압하여 상기 유기 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 1차 감소시키는 단계;를 포함하고,
    상기 탄소나노물질 분산 용액을 형성하는 단계는,
    상기 탄소나노물질 분산 용액 내의 상기 탄소나노물질을 균질화시키는 단계; 및
    상기 탄소나노물질 분산 용액을 초음파를 이용하여 분산시키는 단계;를 포함하고,
    상기 탄소나노물질 함유 고분자 분산 용액을 형성하는 단계는,
    폴리카보네이트를 클로로포름 용매에 투입하여 폴리카보네이트-클로로포름 용액을 형성하는 단계;
    탄소나노튜브를 클로로포름 용매에 투입하여 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액을 형성하는 단계;
    상기 폴리카보네이트-클로로포름 용액과 상기 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액을 혼합하여 혼합 용액을 형성하는 단계;
    상기 혼합 용액을 감압하여 상기 클로로포름 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 1차 감소시키는 단계;
    상기 혼합 용액에 상기 탄소나노튜브 분산 클로로포름 용액을 첨가하는 단계; 및
    상기 혼합 용액을 감압하여 상기 클로로포름 용매의 증발을 유도함으로써 상기 혼합 용액의 부피를 2차 감소시키는 단계;를 포함하고,
    상기 탄소나노물질 분산 용액을 초음파를 이용하여 분산시키는 단계에서, 상기 초음파의 파장은 305nm 내지 315nm이고, 상기 초음파 처리 시간은 8시간 이상 40시간 이하인,
    플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법.
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  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마를 방출하는 노즐의 이동속도는 1 m/분 내지 10 m/분의 범위를 가지는, 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소섬유와 상기 플라즈마를 방출하는 노즐 사이의 거리는 5 mm 내지 20 mm의 범위를 가지는, 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마는 700W 내지 900W 범위의 전력으로 구동되는, 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 건조하는 단계는 제1 온도에서 대기압 분위기 하에서 수행되는 1차 건조 및 상기 제1 온도에 비하여 높은 제2 온도에서 진공 분위기 하에서 수행되는 2차 건조를 포함하는, 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소섬유를 고온 압착하는 단계는 180℃ 내지 250℃의 온도에서, 5 MPa 내지 15 MPa의 범위의 압력에서 수행되는, 플라즈마 처리를 이용한 멀티 스케일 복합재의 제조 방법.
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