KR101985849B1 - 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱 및 이를 포함하는 내외장재 - Google Patents

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Abstract

그래핀이 분산되어 있는 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 탄소 섬유를 포함하는, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱 및 이의 제조 방법, 및 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱을 포함하는 내외장재에 관한 것이다.

Description

탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱 및 이를 포함하는 내외장재{CARBON FIBER PREPREG OR CARBON FIBER - REINFORCED PLASTIC, AND MATERIALS INCLUDING THE SAME}
본원은, 그래핀이 분산되어 있는 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 프리프레그(prepreg) 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱 및 이의 제조 방법, 및 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱을 포함하는 내외장재에 관한 것이다.
강화 섬유와 수지 매트릭스로 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.
한편, 대한민국 공개특허 제2014-0121019호는 "폴리도파민을 이용한 탄소 섬유강화플라스틱 복합재 및 이의 제조방법"에 대해 개시하고 있다.
본원은, 그래핀이 분산 또는 첨가되어 있는 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 탄소 섬유를 포함하는, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유- 강화 플라스틱 및 이의 제조 방법, 및 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱을 포함하는 내외장재를 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 그래핀이 분산 또는 첨가되어 있는 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 탄소 섬유를 포함하는, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 상기 제 1 측면에 따른 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱을 포함하는 내외장재로서, 화재와 관련된 시험규격 Ds(1.5) ≤ 100, Ds(4) ≤ 200 (ASTM E 662), Is ≤35 (ASTM E 162) 및 R ≤1.6 (BR 6853)과 물리적 강도(충격강도)를 만족하는 것인, 내외장재를 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 하기를 포함하는, 상기 제 1 측면에 따른 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법을 제공한다:
경화제, 그래핀, 및 에폭시-함유 레진을 포함하는 혼합 분산액을 탄소 섬유에 코팅하고 1 차 경화시켜 탄소 섬유 프리프레그를 제조하는 단계; 및,
상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 두 개 이상의 상기 프리프레그의 적층체를 2 차 경화시켜 탄소 섬유-강화 플라스틱을 수득하는 단계;
여기서, 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은, 상기 그래핀이 분산되어 있는 상기 에폭시-함유 레진에 의해 코팅되어 있는 것임.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 그래핀이 분산되어 있는 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은, 물리적 충격 강도(Impact Strength)가 더 강화되고 우수한 난연 특성을 가진다. 또한, 본원의 구현예들에 따른 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱은 기존의 FRP 수지의 강도를 더 향상시킬 수 있고, 작업 조건 등의 외부 상황 변화에도 안정적인 성질을 나타냄으로써 작업성이 우수하며, 대량생산이 가능하다.
본원의 일 구현예에 따른 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은 자동차, 항공기, 선박, 풍차, 스포츠 용구, 휴대폰 케이스, 플라스틱 대체, 각종 전자기기, 드론, 컨테이너, 건축물 등의 내외장재로서 사용될 수 있다.
또한, 본원의 구현예들에 따른 탄소 섬유-강화 플라스틱은 전방향 도전성 가능, EMI, ESD 효과 등을 나타낼 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본원의 일 실시예에 따른 탄소 섬유-강화 플라스틱의 사진이다.
도 3a 내지 도 3c는 본원의 일 실시예에 따른 탄소 섬유-강화 플라스틱의 사진(100 배율)이다.
도 4a 및 도 4b는 본원의 일 실시예에 따른 탄소 섬유-강화 플라스틱의 특성 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 본원의 일 실시예에 따른 탄소 섬유-강화 플라스틱을 이용한 자전거 핸들 바 사진이다.
도 5b는 본원의 일 실시예에 따른 탄소 섬유-강화 플라스틱의 강도를 테스트하는 사진이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀"이라는 용어는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것을 의미하는 것으로서, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀이 형성하는 시트는 서로 공유 결합된 탄소 원자들의 단일층으로서 보일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 그래핀이 형성하는 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 그래핀이 형성하는 시트가 단일층으로 이루어진 경우, 이들이 서로 적층되어 복수층을 형성할 수 있으며, 상기 그래핀 시트의 측면 말단부는 수소 원자로 포화될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, "산화 그래핀"이라는 용어는 그래핀 옥사이드 (graphene oxide)라고도 불리고, "GO"로 약칭될 수 있다. 단일층 그래핀 상에 기저 평면(basal plane)에 히드록시기 또는 에폭시기와, 엣지 부분에 카르복실기 또는 케톤기 등의 산소를 함유하는 작용기가 결합된 구조를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, "환원된 산화 그래핀"이라는 용어는 환원 과정을 거쳐 산소 비율이 줄어든 그래핀 산화물을 의미하는 것으로서, "rGO"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 그래핀이 분산 또는 첨가되어 있는 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 탄소 섬유를 포함하는, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은, 상기 그래핀이 분산되어 있는 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 상기 탄소 섬유를 경화시키거나, 또는 상기 경화 후 성형하여 형성되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 성형은 프레스(열 및 압축), 오토 클레이브(진공, 열, 및 압력), 오븐 경화(상온, 진공, 및 열)에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 가압 성형함으로써 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱은 규칙적인 구조를 갖는 가교 고분자를 형성하여 여러가지 물리화학적 특성이 강화될 수 있다. 상기 가압 성형과 관련하여, 레진 고분자는 점성을 가지는 액체 상태이며, 에멀젼 혹은 점성 액체 상태에서의 고분자 매트릭스가 상당히 불완전한 구조(elastomer)로 이루어져 있다. 이것을 고온, 고압 하에서 가압 성형함으로써 일정한 규칙성을 가지는 가교 고분자(plastics)로 바뀌게 되는데, 이것이 최종 탄소 섬유-강화 플라스틱이 되고 원하는 물성을 가질 수 있게 된다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 환원된 산화 그래핀(rGO) 또는 산화 그래핀(GO)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀은 흑연을 산화 박리한 후 환원시켜 제조된 환원된 산화 그래핀(rGO)을 포함할 수 있으며, 특히, 멤브레인을 이용한 정제 공정을 거쳐 환원된 산화 그래핀(rGO)의 경우, 금속 불순물 함량이 낮고 비표면적이 큰 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀의 함량은 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱에 첨가되는 강화 플라스틱의 총 중량에 대하여 약 1 중량부 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀의 함량은 상기 강화 플라스틱의 100 중량부에 대하여 약 1 중량부 이하, 약 0.1 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.8 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.6 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.4 중량부, 또는 약 0.1 중량부 내지 약 0.2 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에폭시-함유 레진 100 중량부에 대해 상기 그래핀은 약 1 중량부 이하의 양으로 분산되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 에폭시-함유 레진 100 중량부에 대해 상기 그래핀은 약 0.1 내지 약 1 중량부, 약 0.1 내지 약 0.8 중량부, 약 0.1 내지 약 0.6 중량부, 약 0.1 내지 약 0.4 중량부, 약 0.1 내지 약 0.2 중량부, 약 0.2 내지 약 0.8 중량부, 약 0.2 내지 약 0.6 중량부, 약 0.2 내지 약 0.4 중량부, 약 0.4 내지 약 0.8 중량부, 약 0.4 내지 약 0.6 중량부, 약 0.6 내지 약 0.8 중량부, 또는 약 0.8 내지 약 1 중량부의 양으로 분산되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀은 첨가제 또는 충전제(filler)로서 소량이 들어감으로써 물성(충격 강도)을 기존보다 증가시키기 위한 역할을 한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀의 크기는 약 30 ㎛ 이하이고, 상기 그래핀의 두께는 약 10 nm 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 그래핀의 크기는 약 30 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 또는 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛일 수 있으며, 상기 그래핀의 두께는 약 10 nm 이하, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 10 nm, 인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 후처리 공정에 의해 불순물이 최소화되고, 얇은 두께에 높은 비표면적을 갖도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀의 후처리 공정은, 상기 그래핀으로서 흑연을 산화 박리한 후 환원시켜 제조된 환원된 산화 그래핀(rGO)을 포함할 수 있으며, 상기 후처리 공정으로서 멤브레인을 이용한 정제 공정을 거쳐 환원된 산화 그래핀(rGO)의 경우, 금속 불순물 함량이 낮고 비표면적이 큰 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에폭시-함유 레진은 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 상기 열경화성 수지 및 열가소성 수지는 본 기술분야에 공지된 것들을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열경화성 수지는 당업계에 공지된 것들 중에서 당업자가 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 예를 들어, 페놀 수지(PH), 에폭시 수지(EP), 멜라민 수지, 불포화폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 규소 수지, 또는 폴리우레탄 수지 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열가소성 수지는 당업계에 공지된 것들 중에서 당업자가 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 메틸메타크릴 수지, 폴리아미드 수지, 또는 셀룰로이드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에폭시-함유 레진은 열경화성 수지 중 난연 에폭시 수지, 예를 들어, 할로겐화계 난연 에폭시 레진을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 할로겐화계 난연 에폭시 레진은 하기 화학식 1 또는 2로서 표시되는 화합물로부터 형성되는 브롬화계 난연 에폭시 레진을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 브롬화계 난연 에폭시 레진은 테트라 브로모 비스페놀 A(tetra bromo bisphenol A, BPA)와 에피클로로하이드린(epichlorohydrin, ECH)을 알칼리 금속 존재 하에서 반응시켜 형성되는 레진, 열경화성 수지, 또는 열가소성 수지를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112017095766702-pat00001
[화학식 2]
Figure 112017095766702-pat00002
상기 화학식 2에서 　 CTBN은 카복실-말단 부타디엔 아크릴로니트릴(carboxyl-terminated butadiene-acrylonitrile)의 약어이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 섬유는 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.
본원의 일 구현예에 따른 상기 그래핀이 분산되어 있는 상기 에폭시-함유 레진 조성물에 의하여 코팅된 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은, 물리적 강도가 더 강화되고 우수한 난연 특성을 가지며, 기존의 FRP 수지의 강도를 더 향상시킬 수 있고, 작업 조건 등의 외부 상황 변화에도 안정적인 성질을 나타냄으로써 작업성이 우수하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은 자동차의 내외장재, 항공기의 내외장재, 전자기기의 내외장재 또는 케이스, 건축물의 내외장재, 스포츠 용구, 또는 용기의 제조를 위하여 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 상기 제 1 측면에 따른 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱을 이용하여 제조된 내외장재로서, 화재와 관련된 시험규격 Ds(1.5) ≤ 100, Ds(4) ≤ 200 (ASTM E 662), Is ≤35 (ASTM E 162) 및 R ≤1.6 (BR 6853)과 향상된 물리적 강도(충경 강도)를 갖는 것인, 내외장재를 제공한다.
본 측면에 따른 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은 본원의 제 1 측면에 대하여 기재된 내용이 모두 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 향상된 물리적 강도는 통상의 기준 샘플에 비하여 20% 이상의 충격 강도 증가를 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면에 따른 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은 상기한 내외장재로서 사용될 수 있으며, 예를 들어, 자동차의 내외장재, 항공기의 내외장재, 전자기기의 내외장재 또는 케이스, 건축물의 내외장재, 스포츠 용구, 또는 용기의 제조를 위하여 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 내외장재는 자동차, 항공기, 및 건축물의 구조판 용도로서 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 상기 그래핀이 분산되어 있는 에폭시-함유 레진 조성물에 의하여 코팅된 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은, 물리적 강도가 더 강화되고 우수한 난연 특성을 가지며, 기존의 FRP 수지의 강도를 더 향상시킬 수 있고, 작업 조건 등의 외부 상황 변화에도 안정적인 성질을 나타냄으로써 작업성이 우수하여, 상기한 각종 다양한 내외장재로서 유용하게 사용될 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 하기를 포함하는, 상기 제 1 측면에 따른 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법을 제공한다:
경화제, 그래핀, 및 에폭시-함유 레진을 포함하는 혼합 분산액을 이용하여 탄소 섬유를 코팅하고 1차 경화시켜 프리프레그(prepgrag)를 제조하는 단계; 및 상기 프리프레그 또는 두 개 이상의 상기 프리프레그의 적층체를 2 차 경화시켜 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱을 수득하는 단계를 포함하며, 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱은, 상기 그래핀이 분산되어 있는 상기 에폭시-함유 레진에 의해 코팅되어 있는 것임.
본 측면에 따른 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱에 대하여 제 1 측면에 기재된 내용이 모두 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 경화제는 디메틸포름아미드(DMF), 메틸노딕언하이드라이드(MNA), BF3-MEA(BF3 mono ethyl amine)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합 분산액은 용매로서 아세톤, 알코올류, 벤젠, 톨루엔, 메틸에틸케톤 등의 유기 용매를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합 분산액은 경화 촉진제를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 경화 촉진제는 NaOH, 페놀, 크레솔(cresol), 노닐페놀(nonylphenol), DMP-30, 또는 폴리머캡탄(polymercapatane) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합 분산액은, 상기 에폭시-함유 레진 100 중량부에 대해, 상기 경화제 약 15 내지 약 40 중량부, 필요한 경우 상기 경화 촉진제 약 10 내지 약 20 중량부, 및 그래핀 약 1 중량부 이하 또는 약 0.1 내지 약 1 중량부를 함유할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에폭시-함유 레진 100 중량부에 대해 상기 그래핀은 약 0.1 내지 약 1 중량부의 양으로 분산되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 에폭시-함유 레진 100 중량부에 대해 상기 그래핀은 약 0.1 내지 약 1 중량부, 약 0.1 내지 약 0.8 중량부, 약 0.1 내지 약 0.6 중량부, 약 0.1 내지 약 0.4 중량부, 약 0.1 내지 약 0.2 중량부, 약 0.2 내지 약 0.8 중량부, 약 0.2 내지 약 0.6 중량부, 약 0.2 내지 약 0.4 중량부, 약 0.4 내지 약 0.8 중량부, 약 0.4 내지 약 0.6 중량부, 약 0.6 내지 약 0.8 중량부, 또는 약 0.8 내지 약 1 중량부의 양으로 분산되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀은 첨가제 또는 충전제(filler)로서 소량이 들어감으로써 물성(충격 강도)을 기존보다 증가시키기 위한 역할을 한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 경화제와 상기 그래핀을 분산시키는 것은 초음파 분산법을 이용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합 분산액은 초음파 분산법, 트리 롤 밀(Three Roll Mill) 분산법, 바스켓 밀(Basket Mill) 분산법, Sc 밀 (Sc Mill) 분산법, 플래니터리 볼 밀(Planetary Ball Mill) 분산법, 마이크로플루다이저(Microfluidizer) 분산법을 이용하여 분산되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 분산법은 그래핀을 레진(액체) 혹은 유기용매에 혼합하여 분산할 시 팁-소니케이터(tip-sonicator)나 초음파세척기(bath type) 등을 사용한 초음파 분산 방법이며, 상기 트리 롤 밀 분산법은 그래핀을 레진에 혼합하여 분산할 시 장비의 롤러(roller) 간극에 의한 압력과 회전비에 따른 전단력을 이용하여 소재를 분쇄 또는 분산하는 방법이며, 상기 바스켓 밀 분산법은 분산 시 바스켓 안에 강한 충격을 주어 전단력을 얻는 구조를 이용하여 바스켓 안에 비즈(beads)를 가두어 핀에 의한 비즈에 강한 충격을 주어 그래핀과 레진 또는 유기용매를 균일하게 분산하는 방법이며, 상기 Sc 밀 분산법은 그래핀과 같은 판상형(flake)에 유리한 그래핀과 레진 또는 그래핀과 유기용매를 분산하는 방법이며, 상기 플래니터리 볼 밀 분산법은 그래핀과 레진의 혼합액에 그라인딩 볼(Grinding ball)과의 원심력에 의한 원심가속도를 이용하여 바깥쪽 메인-디스크가 공전하면서 상기 그라인딩 볼이 담긴 그라인딩 보울(Grinding bowl)이 반대방향으로 자전함으로써 강력한 임팩트 에너지로 균일한 분산이 가능한 방법이며, 및 상기 마이크로플루다이저(Microfluidizer) 분산법은 다이아몬드 구조로 고정된 인터렉션 챔버(interaction chamber) 안으로 그래핀과 혼합된 레진 또는 유기용매가 통과되면서 높은 시어(shear)와 임팩트(Impact)에 의해 균일한 분산을 가능하게 하는 방법이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 1 차 경화는 약 50℃ 내지 약 150℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이제 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 1 차 경화는 약 50℃ 내지 약 150℃, 약 80℃ 내지 약 150℃, 약 100℃ 내지 약 150℃, 약 120℃ 내지 약 150℃, 약 50℃ 내지 약 120℃, 약 80℃ 내지 약 120℃, 약 100℃ 내지 약 120℃, 약 50℃ 내지 약 100℃, 약 80℃ 내지 약 100℃, 또는 약 50℃ 내지 약 80℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2 차 경화는 약 80℃ 내지 약 200℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이제 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 2 차 경화는 약 80℃ 내지 약 200℃, 약 100℃ 내지 약 200℃, 약 120℃ 내지 약 200℃, 약 140℃ 내지 약 200℃, 약 160℃ 내지 약 200℃, 약 180℃ 내지 약 200℃, 약 80℃ 내지 약 180℃, 약 100℃ 내지 약 180℃, 약 120℃ 내지 약 180℃, 약 140℃ 내지 약 180℃, 약 160℃ 내지 약 180℃, 약 80℃ 내지 약 160℃, 약 100℃ 내지 약 160℃, 약 120℃ 내지 약 160℃, 약 140℃ 내지 약 160℃, 약 80℃ 내지 약 140℃, 약 100℃ 내지 약 140℃, 약 120℃ 내지 약 140℃, 약 80℃ 내지 약 120℃, 약 100℃ 내지 약 120℃, 또는 약 80℃ 내지 약 100℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2 차 경화는, 상기 프리프레그 또는 두 개 이상의 상기 프리프레그의 적층체를 가압하여 성형하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 성형 방법은 제품의 크기, 모양과 사용 분야에 따라 다름. 예를 들어, 프레스 방법은 제품의 크기에 제한이 비교적 적지만 보통 평판 제작 시 많이 사용하여 항공기에 들어가는 화물, 대형선박의 컨테이너 등에 사용에 용이하고, 오토 클레이브는 곡선 성형이 가능하여 차량용 내외장재, 항공기 내외장재 등의 항공, 자동차 산업의 부품제조에 용이하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 성형은 프레스(열 및 압축), 오토 클레이브(진공, 열, 및 압력), 오븐 경화(상온, 진공, 및 열)에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 가압 성형과 관련하여, 레진 고분자는 점성을 가지는 액체상태이며, 에멀젼 혹은 점성액체 상태에서의 고분자 매트릭스가 상당히 불완전한 구조(elastomer)로 이루어져 있다. 이것을 고온, 고압 하에서 가압 성형함으로 일정한 규칙성을 가지는 가교 고분자(plastics)로 바뀌게 되는데 이것이 최종 탄소 섬유강화 플라스틱이 되고 원하는 물성을 가질 수 있게 된다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가압은 약 10 bar의 압력 이하, 약 1 bar 내지 약 10 bar의 압력 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 가압은 약 10 bar 이하, 약 1 bar 내지 약 10 bar, 약 1 bar 내지 약 7 bar, 약 1 bar 내지 약 5 bar, 약 1 bar 내지 약 3 bar, 약 3 bar 내지 약 10 bar, 약 3 bar 내지 약 7 bar, 약 3 bar 내지 약 5 bar. 약 5 bar 내지 약 10 bar, 약 5 bar 내지 약 7 bar, 또는 약 7 bar 내지 약 10 bar 의 압력 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2 차 경화 후, 건조 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 과정을 나타내는 모식도이다. 구체적으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱은, 상기 경화제에 상기 그래핀을 넣고 분산시키고, 상기 분산 용액에 에폭시-함유 레진을 첨가 및 분산시켜 혼합 분산액을 제조한 후, 상기 혼합 분산액을 이용하여 탄소 섬유를 도포 또는 함침시킨 후 경화 및 성형한 후 상온의 건조한 공기 분위기에서 건조시킴으로써 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱은 Toray사에서 만든 1K, 3K, 6K, 12K 등의 종류에 UD(unidirectional) 직물, 평직 또는 능직의 직물(woven)로 직조된 탄소 섬유 직물을 이용하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 경화제, 상기 그래핀, 및 상기 에폭시-함유 레진을 포함하는 상기 혼합 분산액을 이용하여 탄소 섬유를 코팅하고 1 차 경화하여 프리프레그(prepgrag)를 제조하는 단계에서 상기 혼합 분산액을 탄소 섬유에 코팅하는 것은 스프레잉, 디핑 또는 핫 멜트 등의 방법에 의하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 직조된 천을 상기 경화제, 상기 그래핀 및 상기 에폭시-함유 레진을 포함하는 혼합 분산액에 함침시키는 디핑 방법과는 달리, 상기 핫 멜트 법을 이용하는 경우, 상기 혼합 분산액은 후퍼(Hopper)에 의하여 별도의 롤에 의하여 이동되는 상부 페이퍼의 일면에 공급되어 코팅되며, 상기 탄소 섬유는 2 개의 롤과 롤 사이로 이동되면서 별도의 롤에 의하여 각각 공급되는 상기 상부 페이퍼와 하부 페이퍼 사이에 합체되며, 이 때, 상기 혼합 분산액에 의하여 코팅된 상기 상부 페이퍼의 코팅된 면이 상기 2 개의 롤 사이를 이동하는 탄소 섬유의 일면에 접촉하여 프리프레그를 연속적으로 형성하게 된다. 즉, 상기 과정 후에 상기 상부 페이퍼 및 상기 하부 페이퍼를 제거하면 프리프레그가 수득된다. 혼합된 상기 에폭시-함유 레진과 상기 경화제는 용제에 녹여져 있는 상태가 아닌 열에 의해 점도가 낮은 상태로 존재하게 되고, 상기 상부 페이퍼의 한쪽 면 위에 공급 접착이 되게 된다. 이렇게 해서 한 방향으로 배열된 상기 탄소 섬유 한 쪽 면에 상기 에폭시-함유 레진이 접착된 종이가 부착되면서 연속적으로 진행이 된다. 이때 종이에 접착된 상기 에폭시-함유 레진이 상기 탄소 섬유에 잘 함침될 수 있도록 열과 압력을 가하여 압착하게 된다. 상기 그래핀은 상기 에폭시-함유 레진(Resin)에 직접적으로 분산하여 후퍼에 분산된 상태로 투입되게 된다. 실제로 콤팩션 롤 (Compaction Roll)의 개수는 때에 따라 다수의 롤들이 존재하기도 하고, 열가소성 수지는 경화제 없이 열가소성 수지의 온도를 컨트롤 하여 점도가 낮은 상태를 유지하여 종이에 접착하고, 열경화성 수지의 경우 수지에 경화제만 혼합하여 온도를 주어 점도를 낮추어 종이에 접착하여 카본섬유에 함침시킨다. 한편, 디핑(함침)과 차이점은 용제(DMF 등)를 사용하지 않는다는 것이 차이점이 될 수 있다. 핫 멜트 법은 높은 점도로 인해 평활도가 좋고 전체적으로 균일한 두께와 함침 농도를 가지게 된다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은, 환원된 산화 그래핀(rGO) 또는 산화 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 흑연을 산화 박리한 후 환원시켜 제조된 환원된 산화 그래핀(rGO)을 포함할 수 있으며, 또는, 본 기술 분야의 공지된 다른 방법에 의하여 제조된 환원된 산화 그래핀(rGO)을 사용하는 경우 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀의 함량은 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱에 첨가되는 강화 플라스틱의 총 중량에 대하여 약 1 중량부 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀의 함량은 상기 강화 플라스틱의 100 중량부에 대하여 약 1 중량부 이하, 약 0.1 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.8 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.6 중량부, 약 0.1 중량부 내지 약 0.4 중량부, 또는 약 0.1 중량부 내지 약 0.2 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 그래핀은 첨가제 또는 충전제(filler)로서 소량이 들어감으로써 물성(충격 강도)을 기존보다 증가시키기 위한 역할을 한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀의 크기는 약 30 ㎛ 이하이고, 상기 그래핀의 두께는 약 10 nm 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀의 크기는 약 30 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 또는 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛일 수 있으며, 상기 환원된 산화 그래핀의 두께는 약 10 nm 이하, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 10 nm, 인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에폭시-함유 레진은 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 상기 열경화성 수지 및 열가소성 수지는 본 기술분야에 공지된 것들을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열경화성 수지는 당업계에 공지된 것들 중에서 당업자가 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 예를 들어, 페놀 수지(PH), 에폭시 수지(EP), 멜라민 수지, 불포화폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 규소 수지, 또는 폴리우레탄 수지 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열가소성 수지는 당업계에 공지된 것들 중에서 당업자가 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 메틸메타크릴 수지, 폴리아미드 수지, 또는 셀룰로이드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에폭시-함유 레진은 열경화성 수지 중 할로겐화계 난연 에폭시 수지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 할로겐화계 난연 에폭시 레진은 Br계 난연 에폭시 레진을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에폭시-함유 레진은 할로겐화계 난연 에폭시 레진, 예를 들어 브롬계 난연 에폭시 레진 (Br 함령 약 10%)을 포함할 수 있으며, 특히, 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물로부터 형성되는 에폭시 레진, 즉, 테트라 브로모 비스페놀 A(tetra bromo bisphenol A) 와 에피클로로하이드린(epichlorohydrin, ECH)을 알칼리 금속 존재 하에서 반응시켜 형성되는 레진, 열경화성 수지, 또는 열가소성 수지를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112017095766702-pat00003
상기 열가소성 수지는 당업계에 공지된 것들 중에서 당업자가 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 예를 들어, 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 메틸메타크릴 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지, 또는 셀룰로이드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 섬유는 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.
이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
[ 실시예 ]
실시예 1: 그래핀을 첨가한 탄소 섬유- 프리프레그(Prepreg)와 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조
경화제인 DMF 용액에 환원된 산화 그래핀(스탠다드그래핀의 rGO를 사용함) 0.1~1 wt%를 넣고 초음파를 이용하여 분산시켰다. 상기 분산 용액 (15%)에 난연 Br-계 에폭시 레진(75%) (국도 화학, YDB-400 시리즈) 및 아세톤(10%)을 첨가하고 혼합하여 혼합 분산액을 제조하였다. 상기 혼합 분산액을 이용하여 탄소 섬유 플라스틱 (Toray사 제품: 12K 평직: 250mm x 250mm x 2t, 3K 원단사용)을 함침시킨 후 140℃/4분간 오븐에 1차 경화시켜 탄소 섬유-강화 플라스틱의 프리프레그 1장을 제조하였다. 이후, 상기와 동일한 방법으로 제조된 프리프레그 5 장을 겹쳐 2차 경화로서 145℃의 금형틀에서 약 60 분 동안 7 bar 압력으로 프레스한 후 상온의 건조한 공기 분위기에서 건조시킴으로써 성형된 탄소 섬유-강화 플라스틱을 제조하였다. 제조된 성형된 탄소 섬유-강화 플라스틱들 중 0.2 wt% 및 0.375 wt%의 rGO를 포함하는 탄소 섬유-강화 플라스틱의 광학 현미경 (Leica DM 2700M) 이미지를 도 2b 및 도 2c, 및 도 3b 및 도 3c (도 3b 및 도 3c:x 100 배 확대)에 각각 나타내었다.
상기 제조된 탄소 섬유-강화 플라스틱 샘플의 표면을 현미경을 이용하여 관찰한 결과, 상기 실시예에 따른 탄소 섬유-강화 플라스틱의 경우 탄소 섬유 직물의 가로 세로의 탄소 섬유 각각의 표면에 rGO가 분산된 난연성 레진이 균일하게 코팅되었음을 확인하였다.
상기 실시예에 따른 탄소 섬유-강화 플라스틱의 경우 탄소 섬유 직물의 가로 세로의 탄소 섬유 각각의 표면에 rGO가 분산된 에폭시 레진이 균일하게 코팅됨으로써 충격 강도가 향상됨을 확인하였다.
비교를 위하여, 상기 실시예와 동일하게 제조하되, rGO를 첨가하지 않은 탄소 섬유-강화 플라스틱을 제조하였으며, 비교예의 탄소 섬유-강화 플라스틱의 광학 현미경 이미지를 도 2a 및 도 3a (x 100 배 확대)에 각각 나타내었다.
[표 1]
Figure 112017095766702-pat00004
상기 표 1 및 도 4a 를 참고하면, rGO 0.1 내지 0.6 wt% 첨가에 의하여 충격 강도가 현저히 향상됨을 알 수 있다. 또한, 상기 표 1 및 도 4b를 참고하면, 상기 표 1의 하단의 충격 강도는 프리프레그(prepreg)를 각각 8장씩 가압 성형하여 제조한 경우를 비교한 경우로서, OX는 rGO가 첨가되지 않고 난연 에폭시 수지만을 이용하여 제조된 8장의 프리프레그를 가압하여 제조된 CFRP이고, 1X는 각각의 프리프레그 한 쪽 면에 rGO가 분산된 난연 에폭시 수지를 스프레이 도포 1 회만 하여 8장의 프리프레그를 프레스로 가압하여 제조한 CFRP이고, 3X는 프리프레그 한 쪽 면에 rGO가 분산된 난연 에폭시 수지를 스프레이 도포 3 회만 하여 8장의 프리프레그를 프레스로 가압하여 제조된 CFRP이다. 1X와 3X의 CFRP 모두 OX의 CFRP 보다 충격 강도가 현저히 향상되었다.
실시예 2: 그래핀을 포함하는 탄소 섬유-강화 플라스틱( CFRP )을 이용하여 제조된 자전거 핸들 바(bike handle bar)
상기 실시예 1과 같이 rGO를 첨가(0.1, 0.5, 및 1 wt%)한 탄소 섬유-강화 플라스틱을 제조하였으며, 비교예로서 rGO를 첨가하지 않은 탄소 섬유-강화 플라스틱을 제고하고, 이들을 이용하여 자전거 핸들 바를 도 5a의 모양과 같이 제조하였다. 제조된 자전거 핸들 바는 기존의 금속 자전거 핸들 바에 비해 가벼우면서도 적절한 강도를 갖는 특성을 가진다.
상기 제조된 핸들 바 4 종류에 대하여 강도 테스트를 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다. 테스트는 도 5b에 나타난 바와 같이 핸들 바 양쪽에 8 kg 추를 각각 달고 고정 지지대로 수평유지 후 높이 200 cm 내지 380 cm까지 낙하 충격을 가함으로써 진행되었다.
[표 2]
Figure 112017095766702-pat00005
상기 결과에서 확인되는 바와 같이, 그래핀이 ~1 wt%만 첨가되어도 강도가 크게 개선됨을 확인할 수 있었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 그래핀이 분산되어 있는 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 탄소 섬유를 포함하는, 탄소 섬유 프리프레그(prepreg) 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱으로서,
    상기 그래핀은 환원된 산화 그래핀(rGO) 또는 산화 그래핀(GO)을 포함하는 것이고,
    상기 그래핀이 분산되어 있는 상기 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 상기 탄소 섬유를 경화시켜 형성되는 것인,
    탄소 섬유 프리프레그(prepreg) 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀이 분산되어 있는 상기 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 상기 탄소 섬유를 경화시킨 후 성형에 의하여 형성되는 것인, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀의 함량은 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱의 총 중량에 대하여 0.1 중량부 내지 1 중량부인 것인, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 에폭시-함유 레진은 할로겐화계 난연 에폭시 레진을 포함하는 것인, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀의 크기는 30 ㎛ 이하이고, 상기 그래핀의 두께는 10 nm 이하인 것인, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱.
  8. 제 1 항에 있어서,
    자동차의 내외장재, 항공기의 내외장재, 전자기기의 내외장재 또는 케이스, 건축물의 내외장재, 스포츠 용구, 또는 용기의 제조를 위하여 사용되는 것인, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱.
  9. 제 1 항에 따른 그래핀이 분산되어 있는 에폭시-함유 레진에 의하여 코팅된 탄소 섬유를 포함하는, 탄소 섬유 프리프레그 또는 탄소 섬유-강화 플라스틱을 포함하는 내외장재로서,
    상기 그래핀은 환원된 산화 그래핀(rGO) 또는 산화 그래핀(GO)을 포함하는 것이고,
    화재와 관련된 시험규격 Ds(1.5) ≤ 100, Ds(4) ≤ 200 (ASTM E 662), Is ≤35 (ASTM E 162) 및 R ≤1.6 (BR 6853)과 물리적 강도를 만족하는 것인,
    내외장재.
  10. 제 9 항에 있어서,
    자동차의 내외장재, 항공기의 내외장재, 전자기기의 내외장재 또는 케이스, 건축물의 내외장재, 스포츠 용구, 또는 용기의 제조를 위하여 사용되는 것인, 내외장재.
  11. 제 9 항에 있어서,
    자동차, 항공기, 또는 건축물의 구조판 용도로서 사용되는 것인, 내외장재.
  12. 경화제, 그래핀, 및 에폭시-함유 레진을 포함하는 혼합 분산액에 의하여 탄소 섬유를 코팅하고 1 차 경화시켜 탄소 섬유 프리프레그(prepgrag)를 제조하는 단계, 및
    상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 두 개 이상의 상기 프리프레그의 적층체를 2 차 경화시켜 탄소 섬유-강화 플라스틱을 수득하는 단계
    를 포함하며,
    상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱은, 상기 그래핀이 분산되어 있는 상기 에폭시-함유 레진에 의해 코팅되어 있는 것이고,
    상기 그래핀은 환원된 산화 그래핀(rGO) 또는 산화 그래핀(GO)을 포함하는 것인,
    탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법.
  13. 경화제 및 에폭시-함유 레진을 포함하는 혼합액에 의하여 탄소 섬유를 코팅하고 1 차 경화시켜 탄소 섬유 프리프레그(prepgrag)를 제조하는 단계,
    상기 탄소 섬유 프리프레그 상에 그래핀 및 에폭시-함유 레진을 포함하는 혼합 분산액을 1회 이상 도포하는 단계, 및
    상기 혼합 분산액이 도포된 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 두 개 이상의 상기 프리프레그의 적층체를 2 차 경화시켜 탄소 섬유-강화 플라스틱을 수득하는 단계
    를 포함하며,
    상기 혼합 분산액이 도포된 상기 탄소 섬유 프리프레그 또는 상기 탄소 섬유-강화 플라스틱은, 상기 그래핀이 분산되어 있는 상기 에폭시-함유 레진에 의해 코팅되어 있는 것이고,
    상기 그래핀은 환원된 산화 그래핀(rGO) 또는 산화 그래핀(GO)을 포함하는 것인,
    탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 혼합액 또는 상기 혼합 분산액은 경화 촉진제를 추가 포함하는 것인, 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 2 차 경화는, 상기 프리프레그 또는 두 개 이상의 상기 프리프레그의 적층체를 가압하여 성형하는 것을 포함하는 것인, 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 그래핀의 크기는 30 ㎛ 이하이고, 상기 그래핀의 두께는 10 nm 이하인 것인, 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법.
  18. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 환원된 산화 그래핀(rGO)은 흑연의 박리 및 환원 공정에 의하여 형성되는 것인, 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법.
  19. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 혼합액 또는 상기 혼합 분산액은 초음파 분산법, 트리 롤 밀 분산법, 바스켓 밀 분산법, Sc 밀 분산법, 플래니터리 볼 밀 분산법, 또는 마이크로플루다이저 분산법을 이용하여 제조되는 것인, 탄소 섬유-강화 플라스틱의 제조 방법.
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