KR102191092B1 - Thermoplastic resin matrix fiber and carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite having excellent impregnation property produced therefrom and manufacturing method thereof - Google Patents

Thermoplastic resin matrix fiber and carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite having excellent impregnation property produced therefrom and manufacturing method thereof Download PDF

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Abstract

본 발명은 열가소성 수지 매트릭스 섬유, 이를 포함하는 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유 형태의 열가소성 수지 매트릭스 섬유를 제공함으로써 탄소섬유 내 함침성 및 계면 결착력이 향상된 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a thermoplastic resin matrix fiber, a highly impregnable carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material including the same, and more particularly, by providing a thermoplastic resin matrix fiber in the form of a fiber, impregnation in carbon fiber and interfacial binding force are improved. It is to provide an improved highly impregnable carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material and a method of manufacturing the same.

Description

열가소성 수지 매트릭스 섬유, 이를 포함하는 고함침성 탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱 복합재료 및 이의 제조방법{THERMOPLASTIC RESIN MATRIX FIBER AND CARBON FIBER-REINFORCED THERMOPLASTIC PLASTIC COMPOSITE HAVING EXCELLENT IMPREGNATION PROPERTY PRODUCED THEREFROM AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}A thermoplastic resin matrix fiber, a highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material containing the same, and a manufacturing method thereof {THERMOPLASTIC RESIN MATRIX FIBER AND CARBON FIBER-REINFORCED THERMOPLASTIC PLASTIC COMPOSITE HAVING EXCELLENT IMPREGNATION PROPERTY PRODUCED THEREFROM AND MANUFACTURING METHODREOF}

본 발명은 열가소성 수지 매트릭스 섬유, 이를 포함하는 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유 형태의 열가소성 수지 매트릭스 섬유를 제공함으로써 탄소섬유 내 함침성 및 계면 결착력이 향상된 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a thermoplastic resin matrix fiber, a highly impregnable carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material including the same, and more particularly, by providing a thermoplastic resin matrix fiber in the form of a fiber, impregnation in carbon fiber and interfacial binding force are improved. It is to provide an improved highly impregnable carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material and a method of manufacturing the same.

전세계적으로 환경오염 및 지구온난화에 따른 이산화탄소 배출 규제에 대한 규제가 강화되었으며, 에너지 절감 및 이산화탄소의 배출 감소가 요구되는 가운데 자동차, 항공 우주, 철도, 선박, 수송기계 등의 광범위한 분야에서 경량화를 위한 대체 소재의 기술개발이 활발히 진행되고 있다.Globally, regulations on carbon dioxide emission regulations due to environmental pollution and global warming have been strengthened, and while energy saving and carbon dioxide emission reduction are required, a wide range of fields such as automobiles, aerospace, railroads, ships, and transport machinery are used to reduce weight. Technology development of alternative materials is actively progressing.

이러한 대체 소재를 위해, 경량 재료인 고분자를 매트릭스로 하고 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유 등을 강화재로 사용하는 섬유강화 고분자 복합재료의 개발이 중요해지고 있다. For such an alternative material, the development of a fiber-reinforced polymer composite material using a light-weight polymer as a matrix and using glass fiber, carbon fiber, and aramid fiber as a reinforcing material is becoming important.

이 중 탄소섬유 강화 고분자 복합재료는 알루미늄 대비 약 30%, 스틸 대비 약 50% 정도의 우수한 경량화 효과를 가지고 있으며, 기존에 사용되었던 금속재료의 무게 대비 강도 및 강성, 경량성, 내충격성, 내화학성, 내부식성, 부품 일체화로 인한 제작의 용이성 등이 뛰어나 첨단기술 산업에 적용을 위한 소재로 각광 받고 있어 사용량이 급격하게 증가하고 있는 추세이다.Among them, carbon fiber reinforced polymer composites have excellent weight reduction effects of about 30% compared to aluminum and 50% compared to steel, and strength and stiffness, light weight, impact resistance, and chemical resistance compared to the weight of the metal materials that were used before. , Corrosion resistance, and ease of manufacture due to the integration of parts are in the spotlight as a material for application in the high-tech industry, and the usage is increasing rapidly.

열경화성 수지를 이용한 섬유 강화 고분자 복합재료는 고강도, 고강성의 특성을 갖는 장점이 있었으나, 그러나 경화반응으로 인한 복합재료 성형 사이클 시간이 오래 소요되며, 내충격성 등을 개선해야 할 필요성이 있었다.The fiber-reinforced polymer composite material using a thermosetting resin had the advantage of having high strength and high stiffness characteristics, but it took a long time to form the composite material due to the curing reaction, and there was a need to improve impact resistance.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 고분자 복합재료에 대한 연구가 집중적으로 진행되었다. 열가소성 수지의 경우 재활용이 가능하며, 인성이 높고, 경화반응이 요구되지 않아 복합재료 성형 사이클 시간이 매우 짧아 시간을 단축할 수 있어 생산성이 매우 우수하다는 장점이 있다. In order to solve the above problems, research on fiber-reinforced polymer composite materials using thermoplastic resins has been intensively conducted. In the case of a thermoplastic resin, it is recyclable, has high toughness, and does not require a curing reaction, so the cycle time for forming a composite material is very short, and thus the time can be shortened, and thus productivity is very excellent.

그러나, 열가소성 수지의 경우 탄소섬유와 낮은 계면 결합력을 가지고 있으며, 높은 용융점도를 가지고 있어 탄소섬유 번들 사이로 함침성이 매우 낮은 특성으로 인해 복합재료 제조 시 내부 기공(Void)를 형성할 수 있어, 기계적 물성 저하를 야기하여 실용화가 매우 제한적이었으며, 내열성이 부족하다는 단점이 있었다. 이러한 단점은 탄소섬유와 열가소성 수지 간의 낮은 계면전단강도(Interfacial shear strength)에 큰 영향을 미치며, 탄소섬유 강화 열가소성 복합재료(Carbon fiber reinforced thermoplastic composite, CFRTP)의 기계적 물성을 매우 저하시키는 요인이 되고 있다. However, in the case of thermoplastic resin, it has low interfacial bonding strength with carbon fibers and has a high melt viscosity, so that impregnation between carbon fiber bundles is very low, so that it can form internal voids when manufacturing composite materials. Due to the deterioration of physical properties, practical use was very limited, and there was a disadvantage of insufficient heat resistance. These shortcomings have a great influence on the low interfacial shear strength between the carbon fiber and the thermoplastic resin, and become a factor that greatly deteriorates the mechanical properties of the carbon fiber reinforced thermoplastic composite (CFRTP). .

이러한 문제를 해결하여 적용분야를 확대하기 위해, 열가소성 수지의 함침성을 개선하기 위한 연구가 널리 진행되고 있으며, 필름 형태의 열가소성 수지를 탄소섬유와 적층하여 고온 고압조건에서 탄소섬유에 함침시켜 탄소섬유 강화 열가소성 수지 복합재료를 제조하는 방법이 시도되었으나, 이러한 방법은 열가소성 수지의 용융점도가 매우 높아 낮은 함침성을 나타내었으며, 열가소성 수지의 열화가 발생하여 물성을 저하시킬 수 있다는 단점이 있었다.In order to solve these problems and expand the field of application, research to improve the impregnation of thermoplastic resins is being widely conducted, and by laminating a thermoplastic resin in a film form with carbon fibers and impregnating the carbon fibers with carbon fibers under high temperature and high pressure conditions Although a method of manufacturing a reinforced thermoplastic resin composite material has been attempted, this method has a disadvantage in that the melt viscosity of the thermoplastic resin is very high, so that the impregnation property is low, and deterioration of the thermoplastic resin may occur, thereby reducing the physical properties.

또한, 탄소섬유의 표면 자유에너지를 높여 열가소성 수지와의 계면 결합력을 높이기 위해 화학적 물리적 표면처리 방법이 적용되었나, 이 중 화학적 처리방법으로 산처리, 플라즈마 처리 등은 탄소섬유 표면을 식각시키는 단점으로 섬유 자체의 물성을 저하시키는 문제가 있었으며, 물리적인 표면처리 방법은 효과가 상대적으로 매우 낮아 한계가 있었다.In addition, chemical and physical surface treatment methods were applied to increase the surface free energy of carbon fibers to increase interfacial bonding with thermoplastic resins, but among them, acid treatment and plasma treatment as chemical treatment methods are disadvantages of etching the carbon fiber surface. There was a problem of deteriorating its own physical properties, and the physical surface treatment method had a limitation because the effect was relatively very low.

대한민국 공개특허 제10-1992-0009892(1992.06.25)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1992-0009892 (1992.06.25)

본 발명의 목적은 탄소섬유 내 함침성이 개선된 매트릭스 섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a matrix fiber with improved impregnation in carbon fiber and a method for producing the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은 탄소계 나노입자가 첨가되어 기계적 물성이 향상된 매트릭스 섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to provide a matrix fiber with improved mechanical properties by adding carbon-based nanoparticles and a method for manufacturing the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은 함침성이 우수한 섬유 형태의 매트릭스 섬유 및 이를 적용한 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 및 이들의 제조방법을 제공하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to provide a fibrous matrix fiber having excellent impregnation properties, a highly impregnable carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material to which the same, and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은 기계적 물성이 현저히 향상된 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to provide a highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material with remarkably improved mechanical properties, and a method for manufacturing the same.

본 발명에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법은 열가소성 수지 및 탄소계 나노입자를 포함하는 매트릭스 섬유를 제조하는 단계; 상기 매트릭스 섬유를 탄소섬유 층 일면 또는 양면에 적층하여 적층체를 형성하는 단계 및 상기 적층체를 가열 및 가압성형하여 상기 매트릭스 섬유를 상기 탄소섬유 사이로 함침시켜 결착하는 단계 등을 포함한다.The method of manufacturing a highly impregnated carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material according to the present invention comprises the steps of preparing a matrix fiber including a thermoplastic resin and carbon-based nanoparticles; And forming a laminate by laminating the matrix fibers on one or both sides of the carbon fiber layer, and impregnating the matrix fibers between the carbon fibers by heating and pressing the laminate to form a laminate.

본 발명의 일 예에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법에 있어, 상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리염화비닐리덴 수지, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴 스티렌 공중합체 수지, 메타크릴 수지, 폴리비닐 알코올 수지, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 수지, 셀룰로오스계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 변성 폴리페닐렌에테르 수지, 열가소성 폴리에스테르 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지, 불소계 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리에테르 케톤 수지, 액정 폴리에스테르 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리이미드 수지 및 폴리벤즈이미다졸 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 포함할 수 있다. In the method of manufacturing a highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material according to an embodiment of the present invention, the thermoplastic resin is a polyethylene resin, a polypropylene resin, a polyvinyl chloride resin, a polyvinylidene chloride resin, an acrylonitrile butadiene styrene copolymer. Polymer, polystyrene resin, acrylonitrile styrene copolymer resin, methacrylic resin, polyvinyl alcohol resin, ethylene vinyl acetate copolymer resin, cellulose resin, polyamide resin, polyacetal resin, polycarbonate resin, modified polyphenylene ether Resin, thermoplastic polyester resin, polytetrafluoroethylene resin, fluorine resin, polyphenylene sulfide resin, polysulfone resin, polyetherimide resin, polyethersulfone resin, polyether ketone resin, liquid crystal polyester resin, polyamideimide Resins, polyimide resins, and polybenzimidazole may include any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of.

본 발명의 일 예에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법에 있어, 상기 탄소계 나노입자는 그래핀 나노 리본, 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 그래핀 플레이크, 산화 그래핀 플레이크, 흑연 플레이크, 팽창 흑연 플레이크, 산화 흑연 플레이크, 플러렌 및 카본블랙 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 포함할 수 있다. In the method of manufacturing a highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material according to an embodiment of the present invention, the carbon-based nanoparticles are graphene nanoribbons, carbon nanotubes, graphene, graphite, graphene flakes, graphene oxide flakes , Graphite flakes, expanded graphite flakes, oxidized graphite flakes, fullerene, carbon black, and the like. It may include any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of.

본 발명의 일 예에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법에 있어, 상기 탄소계 나노입자는 상기 매트릭스 섬유 전체 중량에 대해서, 0.1 내지 10 wt%로 포함될 수 있다. In the method for manufacturing a highly impregnated carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material according to an embodiment of the present invention, the carbon-based nanoparticles may be included in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the matrix fiber.

본 발명의 일 예에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법에 있어, 상기 매트릭스 섬유의 두께는 1 내지 100 μm인 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a highly impregnated carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material according to an embodiment of the present invention, the thickness of the matrix fiber may include 1 to 100 μm.

본 발명의 일 예에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법에 있어, 상기 가열 및 가압성형 온도는 100 내지 300 ℃인 것을 포함할 수 있다. In the method of manufacturing a highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material according to an embodiment of the present invention, the heating and pressing temperature may include 100 to 300°C.

본 발명에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료는 상기 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법으로 제조되며, 상기 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 100중량부에 대해서, 상기 매트릭스 섬유가 20 내지 60 중량부이고, 상기 탄소섬유가 40 내지 80 중량부인 것을 포함할 수 있다. The highly impregnable carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material according to the present invention is manufactured by the method of manufacturing the highly impregnable carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material, and based on 100 parts by weight of the highly impregnable carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material, the matrix fiber Is 20 to 60 parts by weight, and the carbon fiber may include 40 to 80 parts by weight.

본 발명의 일 예에 따른 매트릭스 섬유는 및 이의 제조방법은 탄소섬유 내 함침성이 매우 우수하다는 장점이 있다. The matrix fiber and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention have an advantage in that impregnation in carbon fiber is very excellent.

본 발명의 일 예에 따른 매트릭스 섬유 및 이의 제조방법은 탄소계 나노입자가 첨가되어 기계적 물성이 우수하다는 장점이 있다. The matrix fiber and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention have the advantage of excellent mechanical properties by adding carbon-based nanoparticles.

본 발명의 일 예에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 및 이의 제조방법은 함침성이 우수한 섬유 형태의 매트릭스 섬유를 매트릭스로 사용함에 따라 탄소섬유 내 우수한 함침성을 가진다는 장점이 있다.The highly impregnable carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention have the advantage of having excellent impregnation in carbon fibers by using a fiber matrix fiber having excellent impregnation properties as a matrix.

본 발명의 일 예에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 및 이의 제조방법은 매트릭스 섬유와 탄소섬유 간의 결착력이 현저히 향상되어 기계적 물성이 우수하다는 장점이 있다.The highly impregnated carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention have an advantage in that the bonding strength between the matrix fiber and the carbon fiber is remarkably improved, and thus mechanical properties are excellent.

도 1의 a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 섬유를 나타내는 것이며, 도 1의 b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 섬유를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다. FIG. 1 a) shows a matrix fiber according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 b) shows a photograph of a matrix fiber according to an embodiment of the present invention observed with a scanning electron microscope (SEM). .

이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples or examples including the accompanying drawings. However, the following specific examples or examples are only one reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. In addition, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. The terms used in the description in the present invention are merely intended to effectively describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. In addition, the singular form used in the specification and the appended claims may be intended to include the plural form unless otherwise indicated in the context.

본 발명의 발명자들은 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 제조 시 열가소성 수지의 높은 점도로 인해 탄소섬유 내 함침성이 매우 낮은 문제를 해결하기 위해, 열가소성 수지를 섬유 형태의 매트릭스 섬유를 제조하였으며, 이를 적용할 경우 매트릭스 섬유의 유동거리가 짧아짐으로 인해 종래에 사용되던 필름형 열가소성 수지에 비해 탄소섬유 내 함침성이 상당히 향상된 복합재료를 제공할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다. In order to solve the problem of very low impregnation in carbon fiber due to the high viscosity of the thermoplastic resin when manufacturing a carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material, the inventors of the present invention prepared a matrix fiber in the form of a fiber using a thermoplastic resin, and applied this. In this case, the present invention was completed by finding that it is possible to provide a composite material with significantly improved impregnation in carbon fibers compared to conventional film-type thermoplastic resins due to a short flow distance of the matrix fibers.

이하, 본 발명에 대해서 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법을 제공하며, 열가소성 수지 및 탄소계 나노입자를 포함하는 매트릭스 섬유를 제조하는 단계; 상기 매트릭스 섬유를 탄소섬유 층 일면 또는 양면에 적층하여 적층체를 형성하는 단계; 상기 적층체를 가열 및 가압하여 상기 매트릭스 섬유를 상기 탄소섬유 사이로 함침시켜 결착하는 단계 등을 포함한다. The present invention provides a method for producing a highly impregnated carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material, comprising the steps of: preparing a matrix fiber including a thermoplastic resin and carbon-based nanoparticles; Forming a laminate by laminating the matrix fibers on one or both sides of the carbon fiber layer; Heating and pressing the laminate to impregnate and bind the matrix fibers between the carbon fibers.

상기 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법은 상기 결착하는 단계 이후 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method of manufacturing the highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material may further include cooling after the binding step.

먼저, 열가소성 수지 및 탄소계 나노입자를 포함하는 매트릭스 섬유를 제조하는 단계에 대해 설명한다. First, a step of preparing a matrix fiber including a thermoplastic resin and carbon-based nanoparticles will be described.

상기 열가소성 수지 및 탄소계 나노입자는 혼합된 후 상기 매트릭스 섬유를 제조하기 위한 원료로 사용될 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 상기 탄소계 나노입자는 상기 원료 전체 중량에 대해 0.1 내지 10 wt%, 구체적으로는 1 내지 7 wt%, 보다 구체적으로는 1 내지 5 wt%로 포함될 수 있다. The thermoplastic resin and the carbon-based nanoparticles may be mixed and used as a raw material for preparing the matrix fiber, and although not particularly limited, the carbon-based nanoparticles are 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the raw material, specifically It may be included in 1 to 7 wt%, more specifically 1 to 5 wt%.

상기 열가소성 수지는 특별히 제한되는 것은 아니지만 분말 및 펠렛 등의 형태로 존재할 수 있으며, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리염화비닐리덴 수지, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 코폴리머 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴스티렌 수지, 메타크릴 수지, 폴리비닐 알코올 수지, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 수지, 셀룰로오스계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 변성 폴리페닐렌에테르 수지, 열가소성 폴리에스테르 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지, 불소계 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리에테르 케톤 수지, 액정 폴리에스테르 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리이미드 수지 및 폴리벤즈이미다졸 수지 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. The thermoplastic resin is not particularly limited, but may be present in the form of powder and pellets, and the like, polyethylene resin, polypropylene resin, polyvinyl chloride resin, polyvinylidene chloride resin, acrylonitrile butadiene styrene copolymer resin, polystyrene resin, Acrylonitrile styrene resin, methacrylic resin, polyvinyl alcohol resin, ethylene vinyl acetate copolymer resin, cellulose resin, polyamide resin, polyacetal resin, polycarbonate resin, modified polyphenylene ether resin, thermoplastic polyester resin, Polytetrafluoroethylene resin, fluorine resin, polyphenylene sulfide resin, polysulfone resin, polyetherimide resin, polyethersulfone resin, polyether ketone resin, liquid crystal polyester resin, polyamideimide resin, polyimide resin and poly It may include any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of benzimidazole resins, but is not limited thereto.

상기 탄소계 나노입자는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 구체적인 일 예로 그래핀 나노 리본, 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 그래핀 플레이크, 산화 그래핀 플레이크, 흑연 플레이크, 팽창 흑연 플레이크, 산화 흑연 플레이크, 플러렌 및 카본블랙 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것을 포함할 수 있다. The carbon-based nanoparticles are not particularly limited, but specific examples are graphene nanoribbons, carbon nanotubes, graphene, graphite, graphene flakes, graphene oxide flakes, graphite flakes, expanded graphite flakes, oxide graphite flakes, fullerene. And it may include any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of carbon black.

상기 탄소나노튜브는 기계적, 전기적 특성이 매우 우수하여 상기 열가소성 수지 내 분산되어 열가소성 수지의 물성을 향상시킬 수 있으며, 구체적으로는 상기 매트릭스 섬유의 기계적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. The carbon nanotubes have excellent mechanical and electrical properties and are dispersed in the thermoplastic resin to improve physical properties of the thermoplastic resin, and specifically, the mechanical and electrical properties of the matrix fiber may be improved.

상기 탄소나노튜브는 튜브의 벽을 이루는 그래핀의 시트의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브 (multi-walled carbon nanotube) 및 여러 개의 탄소나노튜브가 다발 (bundled)의 형태 등으로 존재할 수도 있으며, 이들 모두가 상기 열가소성 수지 및 상기 매트릭스 섬유의 기계적, 전기적 물성을 향상 시키기 위해 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 일 예로, 상기 다중벽 탄소나노 튜브는 5 nm 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.The carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and several carbon nanotubes depending on the number of graphene sheets forming the wall of the tube. It may exist in the form of a bundle or the like, and all of them may be used without particular limitation in order to improve the mechanical and electrical properties of the thermoplastic resin and the matrix fiber. For example, the multi-walled carbon nanotube may have a thickness of 5 nm to 100 nm, but is not particularly limited thereto.

구체적인 일 양태로, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브를 사용 하는 것이 본 발명의 매트릭스 섬유를 제조하기 위해 보다 효과적일 수 있으나, 이는 일 예일 뿐 이에 제한되는 것은 아니다. In a specific embodiment, the carbon nanotubes may be more effective to manufacture the matrix fiber of the present invention to use the multi-walled carbon nanotubes, but this is only an example and is not limited thereto.

구체적인 일 양태로, 상기 탄소계 나노입자는 상기 매트릭스 섬유 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 wt%로 포함될 수 있으며, 구체적으로는 1 내지 7 wt%, 보다 구체적으로는 1 내지 5 wt%로 포함되는 것일 수 있으나, 상기 범위로 포함됨에 따라 상기 매트릭스 섬유 내 분산성이 우수할 수 있으나 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. In a specific aspect, the carbon-based nanoparticles may be included in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the matrix fiber, specifically 1 to 7 wt%, more specifically 1 to 5 wt% However, as it is included in the above range, the dispersion in the matrix fiber may be excellent, but is not particularly limited thereto.

상기 매트릭스 섬유를 제조하는 단계는 상기 열가소성 수지 및 탄소계 나노입자 등을 포함하는 혼합물을 이용해 용융 방사, 습식방사, 건식방사, 전기방사, 복합방사, 겔방사, 상분리방사 및 이형방사 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 두 가지 이상의 방법으로 제조하는 것일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니며 공지된 다양한 방법으로 제조할 수 있다. The step of preparing the matrix fiber is a group consisting of melt spinning, wet spinning, dry spinning, electrospinning, composite spinning, gel spinning, phase separation spinning, and release spinning, using a mixture containing the thermoplastic resin and carbon nanoparticles. It may be prepared by one or two or more methods selected from, but is not particularly limited thereto, and may be prepared by various known methods.

상기 용융방사는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 압출기를 이용해 수행되는 것일 수 있으며 이는 구체적으로 예시하기 위한 일 예일 뿐 이에 제한되는 것은 아니다.The melt spinning is not particularly limited, but may be performed using an extruder, which is only an example for exemplifying and is not limited thereto.

구체적인 일 양태로, 상기 매트릭스 섬유는 상기 용융방사를 통해 제조되는 것일 수 있으며, 상기 열가소성 수지 및 탄소계 나노입자를 혼합한 원료를 압출기에 투입하는 단계; 상기 원료를 용융 및 혼련시켜 상기 열가소성 수지 내 상기 탄소계 나노입자를 균일하게 분산시키는 단계; 상기 압출기의 다이로부터 상기 매트릭스 섬유를 얻어 냉각시키는 단계 등을 포함함으로써 제조되는 것일 수 있다. In a specific aspect, the matrix fiber may be produced through the melt spinning, and the step of introducing a raw material obtained by mixing the thermoplastic resin and the carbon-based nanoparticles into an extruder; Melting and kneading the raw material to uniformly disperse the carbon-based nanoparticles in the thermoplastic resin; It may be manufactured by including the step of cooling the matrix fiber obtained from the die of the extruder.

상기 원료를 제조하기 위해, 상기 탄소계 나노입자는 상기 원료 전체 중량에 대해 0.1 내지 10 wt%로 포함되는 것일 수 있으며, 구체적으로는 1 내지 7 wt%, 보다 구체적으로는 1 내지 5 wt%로 포함되는 것일 수 있으며, 상기 범위로 포함됨에 따라 상기 열가소성 수지와 균일하게 혼합될 수 있으며, 상기 열가소성 수지 내 우수한 분산성을 가질 수 있어 바람직하나, 특별히 이에 제한 되는 것은 아니다. In order to prepare the raw material, the carbon-based nanoparticles may be contained in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the raw material, specifically 1 to 7 wt%, more specifically 1 to 5 wt% It may be included, and as it is included in the above range, it may be uniformly mixed with the thermoplastic resin, and it is preferable to have excellent dispersibility in the thermoplastic resin, but is not particularly limited thereto.

상기 용융 및 혼련은 50 내지 300 ℃의 범위의 온도에서 수행되는 것일 수 있으며, 구체적으로는 70 내지 300 ℃, 보다 구체적으로는 100 내지 300 ℃에서 수행되는 것일 수 있으나, 상기 열가소성 수지를 용융시킬 수 있는 온도라면 특별히 제한되지 않으며, 상기 온도 범위에서 상기 용융온도를 다양하게 변경하면서 용융시키는 것일 수 있다. The melting and kneading may be performed at a temperature in the range of 50 to 300 °C, specifically 70 to 300 °C, more specifically 100 to 300 °C, but the thermoplastic resin can be melted. The temperature is not particularly limited, and may be melted while variously changing the melting temperature within the temperature range.

상기 원료를 용융 및 혼련시켜 상기 열가소성 수지 내 상기 탄소계 나노입자를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 구체적인 일 예로 상기 용융 및 혼련은 상기 원료를 투입한 후 압출기의 내부 실린더에서 다이까지 분류된 네 개의 온도 구간을 통과하면서 진행되는 것일 수 있으며, 상기 네 개의 온도 구간은 각각 다른 온도범위로 설정된 것일 수 있다. The raw material may be melted and kneaded to uniformly disperse the carbon-based nanoparticles in the thermoplastic resin, and as a specific example, the melting and kneading are four temperatures classified from the inner cylinder of the extruder to the die after the raw material is injected. It may be performed while passing through the section, and the four temperature sections may be set to different temperature ranges.

상기 네 개의 온도 구간은 상기 열가소성 수지를 용융시킬 수 있는 온도라면 특별히 제한되지 않으나, 구체적으로 예를 들자면, 상기 네 개의 온도구간은 각각 독립적으로 50 내지 300 ℃의 온도일 수 있으며, 구체적으로는 70 내지 300 ℃, 보다 구체적으로는 100 내지 300 ℃로 설정된 것일 수 있으며, 상기 상기 매트릭스 수지를 제조하기 위해 각 구간의 온도를 다양하게 변경하면서 상기 원료를 용융시킬 수 있으며, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. The four temperature sections are not particularly limited as long as they are temperatures capable of melting the thermoplastic resin, but specifically, for example, the four temperature sections may each independently be a temperature of 50 to 300 °C, and specifically 70 To 300° C., more specifically 100 to 300° C., the raw material may be melted while varying the temperature of each section in order to manufacture the matrix resin, but is not particularly limited thereto.

구체적인 일 양태로, 상기 네 개의 온도 구간은 각각 순서대로 100 내지 150 ℃, 150 내지 200 ℃, 230 내지 270 ℃, 250 내지 300 ℃일 수 있으며, 상기 원료를 상기 네 개의 온도 구간에 통과시키면서 용융 및 혼련하는 것일 수 있으나, 이는 일 예일 뿐 이에 제한되는 것은 아니다. In a specific aspect, the four temperature sections may be 100 to 150° C., 150 to 200° C., 230 to 270° C., 250 to 300° C., respectively, in order, and melt and melt while passing the raw material through the four temperature sections. It may be kneaded, but this is only an example and is not limited thereto.

상기 혼련을 위한 속도는 50 내지 500 rpm일 수 있으며, 구체적으로는 100 내지 500 rpm일 수 있으나, 상기 원료를 균일하게 혼합하고 상기 탄소계 나노입자를 상기 열가소성 수지 균일하게 분산시킬 수 잇는 속도라면 특별히 이에 제한되지 않는다. The kneading speed may be 50 to 500 rpm, specifically 100 to 500 rpm, but if it is a speed that allows the raw materials to be uniformly mixed and the carbon-based nanoparticles to be uniformly dispersed in the thermoplastic resin, It is not limited thereto.

상기 원료를 용융 및 혼련시킨 후 상기 압출기의 다이로부터 상기 매트릭스 섬유를 얻어 냉각시키는 단계를 통해 상기 매트릭스 섬유를 얻는 것일 수 있다. After melting and kneading the raw material, the matrix fiber may be obtained by cooling the matrix fiber obtained from the die of the extruder.

상기 냉각은 상기 다이로부터 압출된 상기 매트릭스 섬유를 공기 중에서 냉각시키거나, 물이 채워진 욕조에 담궈 수행되는 것일 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니며, 이외에 공지된 모든 방법을 사용할 수 있다. The cooling may be performed by cooling the matrix fiber extruded from the die in air or immersing it in a water-filled bath, and is not particularly limited, and any other known method may be used.

상기 냉각시키는 단계를 통해 얻어진 상기 매트릭스 섬유는 와인더 상에 수집되는 것일 수 있으며, 구체적인 예로, 상기 냉각단계를 통해 얻어진 상기 매트릭스 섬유의 두께는 1 내지 100 μm일 수 있으며, 구체적으로는 20 내지 90 μm, 보다 구체적으로는 30 내지 80 μm일 수 있으며, 상기 범위의 두께를 가짐으로써 본 발명의 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조 시 보다 우수한 함침성을 가질 수 있어 바람직하나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. The matrix fiber obtained through the cooling step may be collected on a winder, and as a specific example, the thickness of the matrix fiber obtained through the cooling step may be 1 to 100 μm, specifically 20 to 90 μm, more specifically 30 to 80 μm, and by having a thickness in the above range, it is preferable to have better impregnation properties when manufacturing the highly impregnable carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material of the present invention, but is particularly limited thereto It does not become.

상기 압출기는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 일 예로 단축 압출기 및 2축 내지 5축을 가지는 다축 압출기 등을 사용할 수 있으나, 이외에도 통상적으로 사용되는 Elastic melt 압출기, Hydro-dynamic 압출기, 램식 연속압출기 및 롤식 압출기 등 의 압출기라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. The extruder is not particularly limited, for example, a single-screw extruder and a multi-screw extruder having two to five shafts can be used, but in addition to the conventionally used elastic melt extruder, hydro-dynamic extruder, ram type continuous extruder, roll type extruder, etc. If it is an extruder, it may be used without particular limitation.

일 양태로, 본 발명에서 사용되는 압출기는 2축 압출기일 수 있으며, 상기 2축 압출기를 사용함에 따라 상기 원료를 보다 균일하게 혼합 및 혼련시킬 수 있으며, 상기 열가소성 수지 내 상기 탄소계 나노입자의 분산성이 보다 우수할 수 있으나, 이는 일 예일 뿐 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. In one aspect, the extruder used in the present invention may be a twin-screw extruder, and as the twin-screw extruder is used, the raw materials can be more evenly mixed and kneaded, and the amount of the carbon-based nanoparticles in the thermoplastic resin Acidity may be better, but this is only an example and is not particularly limited thereto.

구체적인 일 예로, 본 발명의 매트릭스 섬유는 상기 폴리카보네이트 수지 및 상기 다중벽 탄소나노튜브 입자를 포함하는 원료로 제조되는 것일 수 있으며, 상기 원료의 전체 중량에 대하여 상기 다중벽 탄소나노튜브 입자를 0.1 내지 10 wt%로 포함되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 7 wt%, 보다 바람직하게는 1 내지 5 wt%로 포함되는 것일 수 있으며, 상기 범위로 포함됨에 따라 상기 폴리카보네이트 수지와 균일하게 혼합될 수 있으며, 상기 폴리카보네이트 수지 내 우수한 분산성을 가질 수 있어 바람직하나, 이는 일 예시일 뿐 특별히 이에 제한 되는 것은 아니다.As a specific example, the matrix fiber of the present invention may be made of a raw material including the polycarbonate resin and the multi-walled carbon nanotube particles, and the multi-walled carbon nanotube particles are 0.1 to the total weight of the raw material. It may be included in 10 wt%, preferably 1 to 7 wt%, more preferably 1 to 5 wt%, and may be uniformly mixed with the polycarbonate resin as included in the above range. It may, and may have excellent dispersibility in the polycarbonate resin, so it is preferable, but this is only an example and is not particularly limited thereto.

상기 매트릭스 섬유는 본 발명의 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 제조 시 용융되어 상기 탄소섬유 사이에서 우수한 함침성을 가질 수 있으며, 상기 탄소섬유와 우수한 계면 결착력을 형성할 수 있다. The matrix fiber may be melted during the production of the highly impregnated carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material of the present invention to have excellent impregnation properties between the carbon fibers, and may form an excellent interfacial bonding strength with the carbon fibers.

다음으로, 상기 매트릭스 섬유를 탄소섬유 층 일면 또는 양면에 적층하여 적층체를 형성하는 단계에 대해서 설명한다. Next, the step of forming a laminate by laminating the matrix fibers on one or both sides of the carbon fiber layer will be described.

상기 매트릭스 섬유는 탄소섬유 층 일면 또는 양면에 적층되어 적층체를 형성할 수 있으며, 이를 한번 이상 반복하여 여러 개의 매트릭스 섬유 층 및 상기 탄소섬유 층이 교대로 반복되는 적층체를 형성할 수 도 있으나, 이는 특별히 제한되는 것은 아니며 본 발명의 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료를 제조하기 위해 자유롭게 변경이 가능하다. The matrix fiber may be laminated on one or both sides of the carbon fiber layer to form a laminate, and this may be repeated at least once to form a laminate in which several matrix fiber layers and the carbon fiber layers are alternately repeated. This is not particularly limited and can be freely changed to manufacture the highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material of the present invention.

본 발명에 사용될 수 있는 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유 및 피치계 탄소섬유를 포함하며, 특히 제한되는 것은 아니다.Carbon fibers that can be used in the present invention include PAN-based carbon fibers and pitch-based carbon fibers, and are not particularly limited.

본 발명에서 상기 탄소섬유 층은 다양한 형태를 가지는 탄소섬유로 이루어진 층을 말하는 것이며, 상기 단소섬유는 토우, 부직포 및 직물 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 형태로 이루어진 것을 포함할 수 있으며, 이외에 탄소섬유로 만들 수 있는 형태라면 특별이 이에 제한되지 않는다. In the present invention, the carbon fiber layer refers to a layer made of carbon fibers having various forms, and the short fiber may include any one or two or more types selected from the group consisting of tow, nonwoven fabric, and woven fabric, If it is a form that can be made of carbon fiber other than, there is no special limitation thereto.

본 발명의 일 양태에 따라, 상기 탄소섬유는 상기 열가소성 수지가 함침되어 있지 않거나, 또는 함침되어 있는 것일 수도 있으나, 이는 일 예시일 뿐, 본 발명의 목적에 따라 자유롭게 변경할 수 있다. According to an aspect of the present invention, the carbon fiber may not be impregnated with the thermoplastic resin or may be impregnated with the thermoplastic resin, but this is only an example and can be freely changed according to the purpose of the present invention.

다음으로 상기 적층체를 가열 및 가압성형하여 상기 매트릭스 섬유를 상기 탄소섬유 사이로 함침시켜 결착하는 단계를 설명한다. Next, a step of impregnating and binding the matrix fibers between the carbon fibers by heating and pressing the laminate will be described.

상기 결착하는 단계는 상기 매트릭스 섬유를 용융시켜 상기 탄소섬유 사이로 함침시키는 것일 수 있으며, 이를 통해 상기 탄소섬유 사이를 결착시켜 함침성 및 기계적 강도가 우수한 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료를 제조할 수 있다. The bonding step may be to melt the matrix fibers and impregnate them between the carbon fibers, through which the carbon fibers are bound to produce a highly impregnable carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material having excellent impregnation properties and mechanical strength. have.

본 발명의 일 양태에 있어, 상기 결착하는 단계 이후 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. In an aspect of the present invention, it may further include cooling after the binding step.

상기 가열 및 가압성형은 복합재료를 제조할 수 있는 공지된 방법이라면 특별히 제한되지 않으며, 다양한 방법을 적용할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 압출성형, 사출성형, 인발 (pultrusion) 성형, 압축(compression) 성형, 레진 트랜스퍼 몰딩(Resin Transfer Molding, RTM) 성형, 핸드 레이업(Hand Lay-up) 성형, 오토 클레이브(Autoclave) 성형 및 필라멘트 와인딩(Filament Winding) 성형 등 다양한 방법이 가능하다. The heating and press molding is not particularly limited as long as it is a known method capable of producing a composite material, and various methods may be applied. Specifically, for example, extrusion molding, injection molding, pultrusion molding, compression molding, resin transfer molding (RTM) molding, hand lay-up molding, autoclave ( Various methods such as autoclave) molding and filament winding molding are possible.

구체적인 일 양태로, 상기 적층체는 상기 압축 성형 방법을 적용하고, 가열 및 가압성형하여 본 발명의 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료를 제조할 수 있으며, 가열시편압축성형기(핫프레스)를 사용하는 것일 수 있으나, 특별히 이에 제한되지 않는다. In a specific embodiment, the laminate may be subjected to the compression molding method, heated and pressurized to produce the highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material of the present invention, and a heated specimen compression molding machine (hot press) is used. It may be, but is not particularly limited thereto.

상기 가열 및 가압성형 온도는 상기 매트릭스 섬유를 용융시킬 수 있는 온도라면 특별히 제한되지 않으나, 100 내지 300 ℃인 것일 수 있으며, 구체적으로는 150 내지 300 ℃, 보다 구체적으로는 200 내지 300 ℃일 수 있으며, 상기 범위에서 상기 매트릭스 섬유가 용융되어 상기 탄소섬유 사이에 우수한 함침성을 가질 수 있어 바람직하다. The heating and press molding temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the matrix fiber can be melted, but may be 100 to 300 °C, specifically 150 to 300 °C, more specifically 200 to 300 °C, and , It is preferable that the matrix fibers are melted in the above range to have excellent impregnation properties between the carbon fibers.

상기 가압은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 0.1 내지 20 MPa의 압력을 가하는 것일 수 있으며 1 내지 10MPa의 압력 조건으로 1 내지 30분 동안 가하는 것일 수 있다.The pressurization is not particularly limited, but may be, for example, applying a pressure of 0.1 to 20 MPa, and may be applied for 1 to 30 minutes under a pressure condition of 1 to 10 MPa.

상기 가열 및 가압성형 공정을 통해 함침성 및 기계적 물성이 우수한 본 발명의 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료가 제조될 수 있다. Through the heating and pressing process, the highly impregnated carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material of the present invention having excellent impregnation properties and mechanical properties can be manufactured.

구체적인 일 예로, 상기 가열 및 가압성형 공정을 통해 상기 매트릭스 섬유가 용융될 수 있는데, 상기 매트릭스 섬유의 경우 섬유 형상을 가짐에 따라 상기 탄소섬유와 접촉 면적이 넓고, 접촉 하지 않는 부분 또한 접촉 거리가 매우 가까워 용융 시 유동거리가 매우 짧으므로, 상기 탄소섬유 사이에서 매우 우수한 함침성을 가질 수 있다.As a specific example, the matrix fiber may be melted through the heating and pressing process. In the case of the matrix fiber, as the matrix fiber has a fiber shape, the contact area with the carbon fiber is wide, and the contact distance is also very large. Since it is close and the flow distance is very short during melting, it can have very good impregnation between the carbon fibers.

보다 구체적으로, 상기 적층체를 상기 가열 및 가압성형하여 상기 매트릭스 섬유를 상기 탄소섬유 사이로 함침시켜 결착하는 것일 수 있으며, 이로써 본 발명의 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료가 제조되는 것일 수 있다. More specifically, the laminate may be heated and press-molded to impregnate and bind the matrix fibers between the carbon fibers, whereby the highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material of the present invention may be manufactured.

일 양태로, 본 발명의 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법으로 복합재료를 제조할 경우, 상기 매트릭스 섬유는 상기 탄소섬유 내 우수한 함침성을 가지며, 이로 인해 탄소섬유와 계면 결착력이 우수하여 기계적 물성이 상당히 향상되는 효과를 가질 수 있다. In one aspect, when a composite material is manufactured by the method of manufacturing a highly impregnated carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material of the present invention, the matrix fiber has excellent impregnation property in the carbon fiber, and thus, excellent interfacial bonding strength with carbon fiber Thus, mechanical properties can be significantly improved.

본 발명에 따른 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료는 상기 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법으로 제조되며, 상기 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 100중량부에 대해서, 상기 매트릭스 섬유가 20 내지 60 중량부이고, 상기 탄소섬유가 40 내지 80 중량부인 것을 포함할 수 있다.The highly impregnable carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material according to the present invention is manufactured by the method of manufacturing the highly impregnable carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material, and based on 100 parts by weight of the highly impregnable carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material, the matrix fiber Is 20 to 60 parts by weight, and the carbon fiber may include 40 to 80 parts by weight.

구체적인 일 양태로, 상기 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 100중량부에 대해서, 상기 매트릭스 섬유가 20 내지 60 중량부일 수 있으며, 구체적으로는 40 내지 60 중량부, 보다 구체적으로는 40 내지 60 중량부인 것을 포함할 수 있다. In a specific aspect, with respect to 100 parts by weight of the highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material, the matrix fiber may be 20 to 60 parts by weight, specifically 40 to 60 parts by weight, more specifically 40 to 60 parts by weight. May include denials.

구체적인 일 양태로, 상기 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 100중량부에 대해서, 상기 탄소섬유가 40 내지 80 중량부인 것을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 40 내지 70 중량부, 보다 구체적으로는 40 내지 60 중량부인 것을 포함할 수 있다. In a specific aspect, based on 100 parts by weight of the highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material, the carbon fiber may include 40 to 80 parts by weight, specifically 40 to 70 parts by weight, more specifically 40 It may contain to 60 parts by weight.

이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples. However, the following Examples and Comparative Examples are only one example for describing the present invention in more detail, and the present invention is not limited by the following Examples and Comparative Examples.

[실시예 1] [Example 1]

1. 매트릭스 섬유의 제조1. Preparation of Matrix Fiber

평균직경 20 nm, 평균길이 25 um, 비표면적은 250m2/g인 다중벽 탄소나노튜브(, CM-95 grade, 일진나노텍)를 준비하였으며, 폴리카보네이트 펠렛(Iupilon E2000, Mitsubishi Engineering-Plastics Corporation)을 80℃의 진공오븐에서 건조하였다. 건조된 다중벽 탄소나노튜브와 폴리카보네이트 펠렛의 전체 중량에 대하여, 다중벽 탄소나노튜브를 5 wt%, 폴리카보네이트 펠렛을 95 wt%를 드라이 믹싱한 후, 이축 압출기(Ba-11, Bautech) 호퍼에 주입하여 압출하였다. Multi-walled carbon nanotubes (, CM-95 grade, Iljin Nanotech) with an average diameter of 20 nm, an average length of 25 um, and a specific surface area of 250 m 2 /g were prepared, and polycarbonate pellets (Iupilon E2000, Mitsubishi Engineering-Plastics Corporation) Was dried in a vacuum oven at 80°C. After dry mixing 5 wt% of multi-walled carbon nanotubes and 95 wt% of polycarbonate pellets based on the total weight of the dried multi-walled carbon nanotubes and polycarbonate pellets, a twin-screw extruder (Ba-11, Bautech) hopper And extruded.

다이는 L/D(길이/지름)이 20이며, 직경이 0.001 mm인 홀을 60개 가지는 원형 다이노즐을 사용하였으며, 스크류 속도는 300 rpm이며, 압출온도는 압출기 내부 실린더에서 다이까지 네 개의 온도 구간인 130 ˚C, 170 ˚C, 250 ˚C, 285 ˚C로 설정하였다.The die has a L/D (length/diameter) of 20 and a circular die nozzle having 60 holes with a diameter of 0.001 mm, the screw speed is 300 rpm, and the extrusion temperature is four temperatures from the cylinder inside the extruder to the die. The sections were set to 130 ˚C, 170 ˚C, 250 ˚C, and 285 ˚C.

상기 온도 조건으로 용융 및 혼련하여 폴리카보네이트와 다중벽 탄소나노튜브를 분산시킨 후 다이속으로 통과시켜 얻어진 섬유를 물속에서 냉각하였다. 권취 속도는 0.1 m/min로 섬유의 직경이 60 μm가 되도록 와인더 상에 수집하였으며, 100 ℃의 진공오븐에서 30분 동안 건조하여 최종적으로 다중벽 탄소나노튜브가 분산된 매트릭스 섬유를 제조하였다.After melting and kneading under the above temperature conditions to disperse polycarbonate and multi-walled carbon nanotubes, the fibers obtained by passing through a die were cooled in water. The winding speed was 0.1 m/min, and the fibers were collected on a winder so that the diameter of the fibers was 60 μm, and dried in a vacuum oven at 100° C. for 30 minutes to finally prepare matrix fibers in which multi-walled carbon nanotubes were dispersed.

2. 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조2. Manufacturing of highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material

탄소섬유 직물(12K Carbon Fiber, 탄소섬유 중량 200 g/㎡, Plain)을 각각 10 x 10 mm 정사각형 크기로 재단하여 준비하였으며, 상기 제조된 매트릭스 섬유(직경 60 μm)의 길이를 10 mm로 재단하여 준비하였다. 이때, 재단된 탄소섬유 직물 내 탄소섬유의 중량은 10 mg 이었다. Carbon fiber fabric (12K Carbon Fiber, carbon fiber weight 200 g/㎡, Plain) was prepared by cutting each 10 x 10 mm square size, and the length of the prepared matrix fiber (diameter 60 μm) was cut to 10 mm. Ready. At this time, the weight of the carbon fiber in the cut carbon fiber fabric was 10 mg.

상기 재단된 탄소섬유 직물 층 일 면에 면적을 전부 덮을 수 있도록 재단된 매트릭스 섬유를 흩뿌린 후 핫프레스(Hot press)를 이용하여 270 ℃에서 10분 동안 10 MPa의 압력을 가한 후 상온으로 냉각시켜 1 cm 두께의 복합재료 시편을 제조하였다. After spreading the cut matrix fibers to cover the entire area on one side of the cut carbon fiber fabric layer, a pressure of 10 MPa is applied at 270°C for 10 minutes using a hot press, and then cooled to room temperature. A 1 cm thick composite material specimen was prepared.

상기 제조된 복합재료에서 매트릭스 섬유가 함침되지 않은 부분을 나이프로 긁어낸 후, 상기 매트릭스 섬유가 탄소섬유 직물에 완전히 침투하여 일체화된 부분만을 추출하여 450 ℃ 퍼니스(Furnace)에서 넣고 매트릭스 섬유만을 태우는 과정을 거친 후, 남은 탄소섬유의 중량을 계산한 결과, 탄소섬유의 중량은 5.9 mg이었다. 이러한 결과를 통해 실시예 1로 제조된 복합재료의 경우 비교예 1에 비해 함침된 탄소섬유의 중량이 40.4 % 높은 것으로 확인되었으며, 이는 섬유 형태인 매트릭스 섬유의 경우 탄소섬유와 접촉하는 면적이 넓고 용융 시 유동거리가 짧음에 따라 탄소섬유 사이에 균일하게 함침되어 얻어진 결과임을 알 수 있다. The process of scraping off a portion of the prepared composite material not impregnated with matrix fibers with a knife, and then completely penetrating the carbon fiber fabric and extracting only the integrated portion, putting it in a furnace at 450°C, and burning only the matrix fibers. After passing through, the weight of the remaining carbon fiber was calculated, and the weight of the carbon fiber was 5.9 mg. Through these results, it was confirmed that the weight of the impregnated carbon fiber was 40.4% higher than that of Comparative Example 1 in the case of the composite material prepared in Example 1, which is a large area in contact with the carbon fiber and melting It can be seen that the result was obtained by uniformly impregnating the carbon fibers with the short flow distance.

[비교예 1] [Comparative Example 1]

실시예 1과 동일한 다중벽 탄소나노튜브가 분산된 폴리카보네이트 펠렛을 준비하였으며, 다중벽 탄소나노튜브와 폴리카보네이트 펠렛의 전체 중량에 대하여, 다중벽 탄소나노튜브를 5 wt%, 폴리카보네이트 펠렛 95 wt%를 고속 믹서로 분산 혼합하여 혼합분말을 준비한 후 270 ℃ 온도의 핫프레스에 위치시켜 용융시킨 후 10분 동안 10 MPa의 압력을 가한 후 상온으로 냉각시켜 60 μm 두께의 다중벽 탄소나노튜브가 분산된 열가소성 수지 필름을 얻었다. 이때, 60 μm 두께의 균일한 필름을 제조하기 위해 60 μm 두께 게이지를 사용하였다.Polycarbonate pellets in which the same multi-walled carbon nanotubes were dispersed as in Example 1 were prepared, and based on the total weight of the multi-walled carbon nanotubes and polycarbonate pellets, 5 wt% of multi-walled carbon nanotubes and 95 wt of polycarbonate pellets Disperse and mix% with a high-speed mixer to prepare mixed powder, place it on a hot press at 270 ℃ to melt it, apply a pressure of 10 MPa for 10 minutes, and cool to room temperature to disperse 60 μm thick multi-walled carbon nanotubes Obtained a thermoplastic resin film. At this time, a 60 μm thickness gauge was used to prepare a uniform film having a thickness of 60 μm.

상기 실시예 1과 동일한 10 x 10 mm 크기의 탄소섬유 직물 층 일면 위에 상기 재단된 열가소성 수지 필름을 적층한 후, 핫프레스를 이용하여 270 ℃에서 10분 동안 10 MPa의 압력을 가한 후 상온으로 냉각시켜 1 cm 두께의 복합재료 시편을 제조하였다.After laminating the cut thermoplastic resin film on one side of the same 10 x 10 mm carbon fiber fabric layer as in Example 1, applying a pressure of 10 MPa for 10 minutes at 270 °C using a hot press, and then cooling to room temperature To prepare a 1 cm thick composite material specimen.

상기 제조된 복합재료에서 상기 열가소성 수지 필름이 용융되어 함침되지 않은 부분을 나이프로 긁어낸 후, 상기 열가소성 수지 필름이 탄소섬유 직물에 완전히 침투하여 일체화된 부분만을 추출하여 450 ℃ 퍼니스(Furnace)에서 넣고, 매트릭스 섬유만을 태우는 과정을 거친 후 남은 탄소섬유의 중량을 계산한 결과, 탄소섬유의 중량은 4.2 mg이었다. 이러한 결과를 통해 비교예 1의 경우 필름 형태인 열가소성 수지 필름을 매트릭스로 사용한 것으로, 실시예 1에 비해 낮은 함침성을 가짐으로써 얻어진 결과임을 알 수 있다. The thermoplastic resin film is melted from the prepared composite material and the unimpregnated portion is scraped with a knife, and then the thermoplastic resin film completely penetrates the carbon fiber fabric, extracts only the integrated portion, and puts it in a furnace at 450°C. , As a result of calculating the weight of the carbon fiber remaining after the process of burning only the matrix fiber, the weight of the carbon fiber was 4.2 mg. From these results, it can be seen that in the case of Comparative Example 1, a thermoplastic resin film in the form of a film was used as a matrix, which was obtained by having lower impregnation properties than in Example 1.

Claims (7)

열가소성 수지 및 탄소계 나노입자를 포함하는 혼합물을 방사하여 매트릭스 섬유를 제조하는 단계,
상기 매트릭스 섬유를 탄소섬유 층 일면 또는 양면에 적층하여 적층체를 형성하는 단계 및
상기 적층체를 가열 및 가압성형하여 상기 매트릭스 섬유를 상기 탄소섬유 사이로 함침시켜 결착하는 단계를 포함하는, 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법.
Spinning a mixture containing a thermoplastic resin and carbon-based nanoparticles to prepare a matrix fiber,
Forming a laminate by laminating the matrix fibers on one or both sides of a carbon fiber layer, and
A method for producing a highly impregnable carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite material comprising the step of impregnating and binding the matrix fibers between the carbon fibers by heating and pressing the laminated body.
제 1항에 있어서,
상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리염화비닐리덴 수지, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴 스티렌 공중합체 수지, 메타크릴 수지, 폴리비닐 알코올 수지, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 수지, 셀룰로오스계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 변성 폴리페닐렌에테르 수지, 열가소성 폴리에스테르 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지, 불소계 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리에테르 케톤 수지, 액정 폴리에스테르 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리이미드 수지 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것인 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The thermoplastic resin is polyethylene resin, polypropylene resin, polyvinyl chloride resin, polyvinylidene chloride resin, acrylonitrile butadiene styrene copolymer resin, polystyrene resin, acrylonitrile styrene copolymer resin, methacrylic resin, polyvinyl alcohol resin , Ethylene vinyl acetate copolymer resin, cellulose resin, polyamide resin, polyacetal resin, polycarbonate resin, modified polyphenylene ether resin, thermoplastic polyester resin, polytetrafluoroethylene resin, fluorine resin, polyphenylene sulfide Resin, polysulfone resin, polyetherimide resin, polyethersulfone resin, polyether ketone resin, liquid crystal polyester resin, polyamideimide resin, polyimide resin, and any one or two or more selected from the group consisting of polybenzimidazole Method for producing a highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material consisting of a mixture.
제 1항에 있어서,
상기 탄소계 나노입자는 그래핀 나노 리본, 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 그래핀 플레이크, 산화 그래핀 플레이크, 흑연 플레이크, 팽창 흑연 플레이크, 산화 흑연 플레이크, 플러렌, 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 것인 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The carbon-based nanoparticles are selected from the group consisting of graphene nanoribbons, carbon nanotubes, graphene, graphite, graphene flakes, graphene oxide flakes, graphite flakes, expanded graphite flakes, graphite oxide flakes, fullerene, and carbon black. Method for producing a highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material consisting of any one or a mixture of two or more.
제 1항에 있어서,
상기 탄소계 나노입자는 상기 매트릭스 섬유 전체 중량에 대해서, 0.1 내지 10 wt%로 포함되는 것인 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The carbon-based nanoparticles are contained in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the matrix fiber.
제 1항에 있어서,
상기 매트릭스 섬유의 두께는 1 내지 100 μm인 것인 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The thickness of the matrix fiber is 1 to 100 μm, the method of manufacturing a highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material.
제 1항에 있어서,
상기 가열 및 가압성형 온도는 100 내지 300 ℃인 것인 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The heating and pressure molding temperature is 100 to 300 ℃ method for producing a highly impregnated carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material.
제 1항 내지 제 6항에서 선택되는 어느 한 항의 제조방법으로 제조되며,
고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료 100중량부에 대해서, 매트릭스 섬유가 20 내지 60 중량부이고, 탄소섬유가 40 내지 80 중량부인 것인 고함침성 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재료.
It is manufactured by the manufacturing method of any one selected from claim 1 to claim 6,
A highly impregnable carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material, wherein the matrix fiber is 20 to 60 parts by weight and the carbon fiber is 40 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the highly impregnable carbon fiber reinforced thermoplastic plastic composite material.
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