KR101974046B1 - 탄소나노물질을 포함하는 나일론 중간재의 형성 방법 - Google Patents

탄소나노물질을 포함하는 나일론 중간재의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 분산성을 증가시킬 수 있는, 나일론 중간재의 형성 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 형성 방법은, 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 용매를 준비하는 단계; 상기 용매 내에 나일론 6,6을 첨가하여 용해시키는 단계; 및 상기 용매 내에 탄소나노튜브 및 산화 그래핀을 첨가하여 분산시켜 분산 용액을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

탄소나노물질을 포함하는 나일론 중간재의 형성 방법{Method of manufacturing nylon prepreg having carbon nano material}
본 발명의 기술적 사상은 나일론 중간재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노물질을 포함하는 나일론 중간재의 형성 방법, 이를 이용하여 형성한 나일론 중간재 및 나일론 중간재가 코팅된 섬유 복합재에 관한 것이다.
고분자 물질은 이제 현대 생활에 항상 존재하는 성분이 되었다. 종래에 노동 및 또는 에너지 집약형 공정을 이용하여 금속 및 그 밖의 고중량 물질로부터 제조되었던 제품이, 이제는 상대적으로 저렴하고 보다 신속하게, 적은 에너지를 투입하여 제조될 수 있다. 자동차 기술, 의학 기술, 정보 기술, 및 헬스 케어는 고분자 물질을 매우 흔하게 이용하는 공업의 몇 가지 예에 불과하다. 고분자 물질을 이용하여 소자를 제조하는 경우, 일반적으로 금속이나 그 밖의 구조 물질로부터 제조된 동등한 물품보다 가벼운 물품이 만들어진다. 그러나, 중량을 감소시키면 일반적으로 강도가 감소하게 된다. 강도가 감소된다는 것은, 허용될 수 없을 정도의 좌굴(buckling), 파괴, 또는 변형 없이는 비틀림(torsion), 전단력, 압축력, 압력 또는 기타 힘을 견딜 수 있는 능력이 감소된다는 것일 수 있다.
이러한 고분자 물질의 한계를 극복하기 위하여 나노 복합물이 제안되고 있다. 나노 복합물은 고분자 매트릭스 내에 나노 필러가 분산되어 형성되는 것이 일반적이다. 나노 필러는 수 나노 미터 크기의 길이를 가지는 새로운 개념의 필러이다. 이러한 나노 복합물은 경량화, 다기능화, 특성 개선 및 저비용과 같은 장점을 제공할 수 있다. 나노 복합물에서는 나노 필러의 분산성을 증가시키는 것이 매우 중요한 과제가 되고 있다.
한국특허공개번호 제10-2014-0034802호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 분산성을 증가시킬 수 있는, 탄소나노물질을 포함하는 나일론 중간재 및 그 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 나일론 중간재가 코팅된 섬유 복합재를 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 나일론 중간재의 형성 방법은, 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 용매를 준비하는 단계; 상기 용매 내에 나일론 6,6을 첨가하여 용해시키는 단계; 및 상기 용매 내에 탄소나노튜브 및 산화 그래핀을 첨가하여 분산시켜 분산 용액을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 분산 용액을 형성한 후에, 상기 분산 용액을 교반하는 단계; 상기 분산 용액을 초음파 처리하는 단계; 및 상기 분산 용액을 진공에서 용액 주조하여 나일론 중간재를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교반하는 단계는, 12 시간 내지 24 시간 동안 수행되고, 상기 초음파 처리하는 단계는 30분 내지 2 시간 동안 수행되고, 상기 용액 주조하는 단계는 1 시간 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노튜브와 상기 산화 그래핀은 상기 나일론 중간재 전체에 대하여 0.1 wt% 내지 10 wt%의 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노튜브와 상기 산화 그래핀은 무게비(wt%)로 1:10 내지 10:1의 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 트리플루오르아세트산, 상기 아세톤, 및 상기 n-메틸-2-피롤리돈은 동일한 부피비로 상기 용매에 포함될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나일론 6,6은 상기 분산 용액 전체에 대하여, 예를 들어 0.1 wt% 내지 5 wt%의 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나일론 6,6은 펠렛 형상을 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 나일론 중간재는, 나일론 6,6, 탄소나노튜브 및 산화 그래핀을 포함하고, 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 용매를 이용하여 용액 주조하여 형성한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 섬유 복합재는, 섬유; 및 상기 섬유의 외측에 코팅되고, 나일론 6,6, 탄소나노튜브 및 산화 그래핀을 포함하고, 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 용매를 이용하여 용액 주조하여 형성한 나일론 중간재;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 섬유는 탄소, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르이미드, 및 폴리아미드이미드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 나일론 중간재의 형성 방법은, 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 용매를 이용하여 나일론 6,6 매트릭스 내에 탄소나노튜브와 산화그래핀의 분산성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 높은 인장 강도와 인장 강성을 가지는 나일론 중간재를 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 형성 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 형성 방법에 사용된 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈이 혼합된 용매의 분산성을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 형성 방법에 사용된 용매 내의 용질의 분산 특징을 설명하기 위하여, 탄소나노튜브의 용매에 따른 분산 특성을 나타내는 사진들이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 인장 시편 제조 방법을 나타낸 사진들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재 필름의 육안 사진들 및 나일론 중간재의 주사전자현미경 사진들이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 표 1의 나일론 중간재의 인장 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 인장 강도와 인장 탄성율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재가 코팅된 섬유 복합재를 형성하는 방식을 나타내는 개략도이다.
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.
최근에, 탄소는 버키볼과 같은 구형 입자, 탄소나노튜브와 같은 파이프형 입자 및 그래핀과 같은 시트형 입자등의 매우 많은 동소체를 형성할 수 있음을 발견하였다. 이러한 탄소 동소체들을 이용하는 경우, 구조체 특성의 향상을 도모할 수 있고, 특히 인성(toughness) 증가에 매우 유리하다. 이중에서 탄소나노튜브는 약 1.0 의 영계수, 약 1500 m2/g의 표면적, 약 66 GPa의 파괴응력, 약 2000 W/m K의 열전도도, 약 6000 S/m의 전기전도도의 특성을 가지며, 그래핀은 약 1.1 의 영계수, 약 2630 m2/g의 표면적, 약 125 GPa의 파괴응력, 약 5000 W/m K의 열전도도, 약 15000 내지 20000 S/m의 전기전도도의 특성을 가진다.
탄소나노튜브, 그래핀과 같은 탄소나노소재가 들어간 나일론 중간재를 제조하는 방법은 고온 가압 몰딩(hot compression molding), 압출(extrusion), 용액 공정(solution processing) 등 다양한 방법이 제시되고 있다. 이중에서, 용액 공정은 나일론을 용매에 녹인 후 탄소나노소재를 분산시켜 필름을 만드는 방법으로서, 적은 양으로 수십 마이크론 두께의 필름을 제작하여 여러 물성을 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 형성 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 트리플루오르아세트산(trifluoroacetic acid, TFA), 아세톤(acetone), 및 n-메틸-2-피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP)을 포함하는 용매를 준비하는 단계(S110); 상기 용매 내에 나일론 6,6을 첨가하여 용해시키는 단계(S120); 및 상기 용매 내에 탄소나노물질로서 탄소나노튜브 및 산화 그래핀을 첨가하여 분산시켜 분산 용액을 형성하는 단계(S130);를 포함한다.
또한, 상기 나일론 중간재의 형성 방법(S100)은 상기 분산 용액을 교반하는 단계(S140); 상기 분산 용액을 초음파 처리하는 단계(S150); 및 상기 분산 용액을 진공에서 용액 주조하여 나일론 중간재를 형성하는 단계(S160);을 더 포함할 수 있다.
상기 교반하는 단계는, 예를 들어 12 시간 내지 24 시간 동안 수행될 수 있고, , 예를 들어 18 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 교반하는 단계는 100 rpm 내지 500 rpm의 교반 속도로 수행될 수 있다. 상기 교반하는 단계는, 상온에서 수행될 수 있고, 예를 들어 20℃ 내지 30℃의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 25℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 초음파 처리(bath sonication)하는 단계는, 상기 혼합 용액의 균질성을 더욱 확보하기 위하여 수행되는 것으로서, 예를 들어 30분 내지 2 시간 동안 수행될 수 있고, 예를 들어 1 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 초음파 처리(bath sonication)하는 단계는, 예를 들어 30℃ 내지 40℃의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 35℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 용액 주조하는 단계는, 예를 들어 1 시간 내지 3 시간 동안 수행될 수 있고, 예를 들어 2 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 용액 주조하는 단계는 상온에서 수행될 수 있고, 예를 들어 20℃ 내지 30℃의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 25℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 용액 주조하는 단계를 수행한 후에 상기 나일론 중간재를 상온에서, 예를 들어 20℃ 내지 30℃의 온도에서, 예를 들어 25℃의 온도에서 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 트리플루오르아세트산, 상기 아세톤, 및 상기 n-메틸-2-피롤리돈은 동일한 부피비로 상기 용매에 포함된다. 예를 들어, 상기 트리플루오르아세트산, 상기 아세톤, 및 상기 n-메틸-2-피롤리돈은 1:1:1의 부피비를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 부피비는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 나일론 6,6은 펠렛(pellet) 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이러한 형상에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 나일론 6,6이 분말 형상을 가지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 나일론 6,6은 상기 분산 용액 전체에 대하여, 예를 들어 0.1 wt% 내지 5 wt%의 범위일 수 있고, 예를 들어 1 wt% 일 수 있다. 상기 탄소나노튜브와 상기 산화 그래핀은 상기 나일론 중간재 전체에 대하여 0.1 wt% 내지 10 wt%의 범위일 수 있다. 또한 상기 탄소나노튜브와 상기 산화 그래핀은 무게비(wt%)로 1:10 내지 10:1의 범위일 수 있다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 형성 방법에 사용된 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈이 혼합된 용매의 분산성을 나타내는 사진이다. 도 2의 (a)는 트리플루오르아세트산과 아세톤을 포함하는 용매의 경우이며, 도 2의 (b)는 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 용매의 경우이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 트리플루오르아세트산과 아세톤이 혼합된 용매의 경우에는, 흑색과 갈색이 분리되어 나타난 바와 같이 응집 형상이 일어나므로, 따라서 나일론6,6, 탄소나노튜브, 및 산화 그래핀이 상기 용매에 대하여 분산성이 좋지 않음을 알 수 있다. 반면, 도 2의 (b)를 참조하면, 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈이 혼합된 용매의 경우에는, 전체적으로 흑색이 균일하게 나타남에 따라, 나일론6,6, 탄소나노튜브, 및 산화 그래핀의 용액 내에서의 분산성이 매우 우수함을 알 수 있다. 참고로, 종래의 연구에 따르면, 나일론6,6과 산화 그래핀이 혼합되고, 즉, 탄소나노튜브가 포함되지 않는 경우에는 트리플루오르아세트산과 아세톤이 혼합된 용매에서도 분산성이 잘 유지되고 기공이 적은 필름을 제조할 수 있었다. 그러나, 탄소나노튜브가 더 포함되는 경우에는 트리플루오르아세트산과 아세톤이 혼합된 용매로는 원하는 수준의 분산성을 나타내지 못하는 것으로 분석된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 형성 방법에 사용된 용매 내의 용질의 분산 특징을 설명하기 위하여, 탄소나노튜브의 용매에 따른 분산 특성을 나타내는 사진들이다.
도 3을 참조하면, 탈이온수(A), 에탄올(B), 및 톨루엔(D)에서는 탄소나노튜브가 매우 강하게 응집되며, 아세톤(C), 테트라히드로푸란(E), 디클로로메탄(F)에서는 탄소나노튜브가 부분적으로 응집된다. 반면, n-메틸-2-피롤리돈(G)에서는 탄소나노튜브가 전체적으로 고르게 분산됨을 알 수 있다.
상기 n-메틸-2-피롤리돈은 질소 분자를 포함한 용매로써, 탄소나노소재와 강한 결합을 유도하는 전자쌍을 가지고 있다. 상기 n-메틸-2-피롤리돈의 높은 극성 분자로 인하여 산화 그래핀이나 탄소나노튜브 등의 탄소나노물질의 분산성이 향상되는 것으로 분석된다.
또한, 트리플루오르아세트산은 강산으로서 많은 유기 용매와 친화성이 높고, 아세톤과 함께 용매로 사용될 때는, 케톤 산소와 트리플루오르아세트산 사이에서 발생하는 강한 수소결합에 의하여 매우 안정한 용액상태를 유지할 수 있고, 이에 따라 산화 그래핀이나 탄소나노튜브 등의 탄소나노물질의 분산성을 확보할 수 있다.
상술한 나일론 중간재의 인장 특성을 평가하기 위하여, 하기의 방법으로 인장 시편을 제조하였다.
본 발명의 실시예에 따른 나일론 중간재를 트리플루오로아세트산, 아세톤, 및 , n-메틸-2-피롤리돈이 1:1:1의 부피비로 혼합된 용매에 녹인 후, 상온에서 용매를 증발시키는 용액 주조법을 사용하여 인장 시편을 제조하였다. 참고로, 트리플루오로아세트산과 아세톤은 강한 수소결합으로 매우 안정한 용액상태를 유지하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 인장 시편 제조 방법을 나타낸 사진들이다.
도 4를 참조하면, (a)는 상술한 바와 같이, 트리플루오로 아세트산, 아세톤, 및 , n-메틸-2-피롤리돈의 혼합 용매에 용해된 나일론 중간재 용액이고, (b)는 용액 주조법을 수행한 후에 고형화된 나일론 중간재 필름이고, (c)는 인장 실험을 위하여 상기 나일론 중간재 필름으로부터 절취된 인장 시편이다. 상기 인장 시편의 치수는 가로 5 mm, 세로 30 mm, 및 두께 0.03 mm이었다.
인장 실험은 DMA Q800 TA 장비를 사용하였고, 상온 및 변형율 모드에서 수행하였다. 선 하중은 0.001N 이었고, 초기 변형은 10 μm, 변형율 속도는 100 μm/분 이었다.
본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재는, 나일론 6,6, 탄소나노튜브, 및 산화 그래핀을 포함한다. 상기 탄소나노튜브와 상기 산화 그래핀은 총합하여 나일론 중간재 전체에 대하여 5 wt% 이다. 또한, 상기 탄소나노튜브와 상기 산화 그래핀은 무게비로 동일할 수 있고, 예를 들어 상기 탄소나노튜브가 2.5 wt%이고 상기 산화 그래핀이 2.5 wt%일 수 있다.
또한, 비교예들을 하기와 같이 준비하였다. 이하에서, 비교예1은 나일론 6,6만을 포함하는 경우이고, 비교예2는 나일론 6,6에 1 wt% 의 탄소나노튜브를 포함하는 경우이고, 비교예3은 나일론 6,6에 10 wt% 의 탄소나노튜브를 포함하는 경우이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재 필름의 육안 사진들 및 나일론 중간재의 주사전자현미경 사진들이다.
도 5에서, (a), (b), (c)는 나일론 중간재 필름의 육안 사진들이고, (d), (e), (f)는 나일론 중간재의 주사전자현미경 사진들이다.
도 5를 참조하면, 실시예, 비교예2 및 비교예3에 대하여 나일론 중간재 필름의 상태 및 나일론 중간재의 미세구조에서 특별한 차이가 나타나지 않았다.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 인장 특성을 나타내는 표이다. 도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 표 1의 나일론 중간재의 인장 특성을 나타내는 그래프이다.
시편 종류 인장강도(MPa) 인장강성(GPa) 연신율(%)
실시예 (나일론 6,6/GO/CNT 5 wt%) 40.4 0.73 26.6
비교예1 (나일론 6,6) 18.2 0.29 23.6
비교예2 (나일론 6,6/CNT 1 wt%) 22.9 0.29 59.6
비교예3 (나일론 6,6/CNT 10 wt%) 24.8 0.46 38.5
표 1 및 도 6을 참조하면, 실시예가 40.4의 인장강도와 0.73의 인장강성을 가지며, 비교예들에 비하여 높게 나타났다. 이러한 증가는 도 6의 그래프에서 두드러지게 나타난다. 반면, 연신율은 저하되었으나, 나일론 6,6 만을 포함하는 비교예1에 비하면 높게 나타났다.
비교예3은 24.8 MPa의 인장 강도를 가지므로, 비교예2의 22.9의 인장 강도에 비하여 8.3% 증가되었으나, 연신율은 54.8% 감소되었다. 이러한 결과는 비교예2에 비하여 비교예3은 탄소나노튜브의 함량이 높아 탄소나노튜브가 응집되는 경향이 강해지기 때문으로 분석된다.
반면, 실시예는 상대적으로 높은 인장 강도와 인장 강성을 가지며, 그 이유는 탄소나노튜브와 산화 그래핀이 나일론6,6 매트릭스 내에서 우수한 분산성을 유지하고, 동시에 상호작용에 의한 하중 전달 및 배분이 원활히 일어난 것으로 분석된다.
종래의 연구 결과에 따르면, 트리플루오르아세트산과 아세톤 용액을 이용해 제작한 나일론 6,6과 산화 그래핀을 포함하는 필름은 산화 그래핀의 농도가 1 wt.%일 때 33 MPa의 최대 인장 강도를 가지며 인장 강성은 0.55 GPa을 가진다고 보고되었다. 따라서 상기 실시예는 이러한 종래 연구 결과에 대하여도 22.4 %의 인장 강도 증가 및 32.7%의 인장 강성 증가를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재의 인장 강도와 인장 탄성율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예가 비교예들에 비하여 높은 인장 강도를 가지면서도 우수한 인장 강성을 보유하고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재는 복합재를 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 일반적으로, 고분자 수지는 탄소섬유강화플라스틱을 구성하는 하나의 요소로서 섬유를 지지하여 일정한 형태를 유지할 수 있게 하며 각 섬유에 작용하는 물리적 요인들을 전달하여 복합재료의 기계적, 열적 특성을 향상시키는 역할을 한다. 특히 고분자 수지와 탄소섬유를 일정한 비율로 미리 함침시켜 놓은 프리프레그가 중간재로 널리 사용되고 있다. 고분자 수지의 특성에 따라 복합재료의 내충격성, 내화학성, 열적성질, 수분 흡수도 등이 크게 좌우되므로 수지의 특성에 따라 탄소섬유복합열경화성 수지(CFRTS)와 탄소섬유복합열가소성 수지 (CFRTP)로 분류할 수 있으며, 최근에는 다양한 열가소성 수지를 사용한 복합재료가 연구 개발되고 있다. 이하에서는 나일론 중간재가 코팅된 섬유 복합재에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 나일론 중간재가 코팅된 섬유 복합재(20)를 형성하는 방식을 나타내는 개략도이다.
도 8을 참조하면, 섬유 복합재(20)는 내부에 위치하는 섬유(22)와 섬유(22)의 외측에 코팅되고, 나일론 6,6, 탄소나노튜브 및 산화 그래핀을 포함하고, 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 용매를 이용하여 용액 주조하여 형성한 나일론 중간재(24)를 포함한다. 상기 나일론 6,6 단위체와 상기 탄소나노튜브 및 상기 산화 그래핀은 일정한 방향성을 가지지 않고 무작위로 배열되어 위치하게 되어, 강화 효과를 제공할 수 있다.
섬유(22)는 다양한 섬유일 수 있고, 예를 들어 탄소 섬유일 수 있다. 또한, 섬유(22)는 예를 들어 열가소성 섬유일 수 있고, 예를 들어 폴리아미드(polyamide), 폴리에스테르(polyester), 폴리카보네이트(polycarbonate), 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.
롤(11)에 감긴 섬유(22)가 화살표 방향으로 이동하면서 반응기(13) 내에 인입된다. 반응기(13)는 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈으로 구성된 용매와 탄소나노튜브, 산화 그래핀, 및 나일론 6,6이 분산된 용액(15)을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이 탄소나노튜브, 산화 그래핀, 및 나일론 6,6은 나일론 중간재(24)를 형성하게 되고, 이러한 나일론 중간재(24)는 화살표 방향으로 진행하는 섬유(22)의 표면을 코팅하게 되어 섬유 복합재(20)를 형성한다.
상기 섬유 복합재는 프리프레그 주요기술인 건식 필라멘트 윈도우용 토우 프리프레그로 활용 가능하다. 추가적으로, 산화 그래핀뿐만 아니라 탄소나노튜브를 함께 하이브리드 필러로 분산시켜 고강도, 고기능성의 프리프레그를 제작하는 것도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 이러한 프리프레그를 직조하면 시트 형상의 프리프레그도 제작가능하므로, 탄소섬유 제조 라인을 보유하고 있는 프리프레그 제조 업체와 탄소섬유 생산 기반이 없는 고성능 기능성 수지를 적용한 중간재 제조 업체에 공급이 가능하다. 이러한 섬유 복합재는 부가가치 증가에 기여할 수 있다. 일반적으로, 전구체를 탄소소재로 제조할 경우에는, 부가가치가 10배에서 20배로 증가하며, 탄소소재를 복합소재화 시 최소 30배에서 최대 250배의 고부가가치 실현 가능하다. 또한 섬유 복합재는 항공 부품, 자동차 부품, 산업기계 부품, 압력 용기, 풍력 블레이드, 골프채, 낚시대, 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 특히, 종전에는 스포츠레져용 프리프레그의 연구가 주로 이루어졌으나, 최근에는 산업용 내열 프리 프레그, 자동차용 고강도 프리프레그, 탄소나노튜브가 첨가된 기능성 프리프레그가 연구 개발 중이다.
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 (11)

  1. 트리플루오르아세트산, 아세톤, 및 n-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 용매를 준비하는 단계;
    상기 용매 내에 나일론 6,6을 첨가하여 용해시키는 단계;
    상기 용매 내에 탄소나노튜브 및 산화 그래핀을 첨가하여 분산시켜 분산 용액을 형성하는 단계; 및
    상기 분산 용액을 이용하여 나일론 중간재를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브와 상기 산화 그래핀은 상기 나일론 중간재 전체에 대하여 0.1 wt% 내지 10 wt%의 범위이고,
    상기 탄소나노튜브와 상기 산화 그래핀은 무게비(wt%)로 1:10 내지 10:1의 범위인, 나일론 중간재의 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 나일론 중간재를 형성하는 단계는,
    상기 분산 용액을 교반하는 단계;
    상기 분산 용액을 초음파 처리하는 단계; 및
    상기 분산 용액을 진공에서 용액 주조하여 나일론 중간재를 형성하는 단계;
    를 포함하는, 나일론 중간재의 형성 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 교반하는 단계는, 12 시간 내지 24 시간 동안 수행되고, 상기 초음파 처리하는 단계는 30분 내지 2 시간 동안 수행되고, 상기 용액 주조하는 단계는 1 시간 내지 3 시간 동안 수행되는, 나일론 중간재의 형성 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 트리플루오르아세트산, 상기 아세톤, 및 상기 n-메틸-2-피롤리돈은 동일한 부피비로 상기 용매에 포함된, 나일론 중간재의 형성 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 나일론 6,6은 상기 분산 용액 전체에 대하여, 0.1 wt% 내지 5 wt%의 범위인, 나일론 중간재의 형성 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 나일론 6,6은 펠렛 형상을 가지는, 나일론 중간재의 형성 방법.
  9. 삭제
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