KR102198555B1 - 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

용매 중에, 탄소나노튜브 및 바인더를 첨가하여, 탄소 소스를 제조하는 단계, 상기 탄소 소스에 현무암 직물을 함침시킨 후에 건조하여, 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 제조하는 단계, 에폭시 수지에 경화제를 첨가하여, 수지 혼합물을 제조하는 단계, 상기 수지 혼합물에 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 함침시켜, 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하는 단계, 및 복수의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재를 적층하고, 열 압착하여 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법이 제공된다.

Description

현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 그의 제조 방법{Basalt fiber functional reinforced composite and manufacturing method thereof}
본 발명은 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 그의 제조 방법에 관련된 것으로, 상세하게는, 탄소 소스에 현무암 직물을 함침시키는 단계, 및 건조하는 단계가 하나의 단위 공정으로 정의되고, 상기 단위 공정이 반복하여 수행되어 제조된 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 그의 제조 방법에 관련된 것이다.
현무암 섬유는, 현무암을 용융 방사하여 제조할 수 있고, 이에 따라, 대량 생산이 용이하다. 또한, 현무암 섬유는, 무독성, 내화학성, 및 비가연성을 포함하는 것에 따라, 인체 및 환경에 무해하여, 항공 우주, 해양, 및 자동차 분야에서 소재로써 주목 받고 있다.
하지만, 현무암 섬유는 전기 저항이 높아, 비교적 높은 전기 전도성을 요구하는 정전기 방전(electrostatic discharge, ESD), 전자기 간섭 차폐(electro magenetic interferecne, EMI), 및 전열 분야에 적용하는데 한계가 있다.
이에 따라, 종래에는 탄소나노튜브, 그래핀, 카본 블랙, 또는 이들의 유도체를 포함하는 탄소 소재, 및 에폭시 수지를 포함하는 고분자 복합 재료가 제공된 현무암 섬유 복합재의 제조 방법이 이용되고 있다.
예를 들어, 대한민국특허 공개공보 KR101181789B1에는, 탄소나노튜브를 40 내지 60 ℃의 산 용액에 분산시키고 10 내지 30 시간 동안 환류시킨 다음, 산 용액이 pH 6 내지 7이 될 때까지 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90 ℃에서 10 내지 14 시간 건조하여 산화 탄소나노튜브를 제조하는 단계, 90 내지 99 %(v/v)의 에탄올 및 1 내지 3 %(v/v)의 3-아미노프로필트리에톡시실란을 포함하는 용액에 상기 산화 탄소나노튜브를 분산시키고 60 내지 80 ℃에서 3 내지 5 시간 동안 교반한 다음, 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90 ℃에서 10 내지 14 시간 건조하여 실란화 탄소나노튜브를 제조하는 단계, 에폭시 수지와 경화제를 1:1 내지 3:1의 비율(v/v)로 혼합하고, 상기 실란화 탄소나노튜브를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계, 및 현무암 섬유 및 상기 혼합물을 적층하고 2 내지 4 kgf/㎠의 압력으로 120 내지 140 ℃에서 1 내지 3 시간 동안 경화하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브, 현무암 및 에폭시 멀티스케일 복합 소재의 제조 방법이 개시되어 있다.
하지만, 에폭시 수지에 탄소나노튜브를 직접 첨가하는 방법은, 상기 에폭시 수지 및 상기 탄소나노튜브의 혼합물의 점도를 낮추기가 어렵고, CVD 공정 장비가 수반되어야 하는 문제가 있다. 또한, 에폭시 수지에 탄소나노튜브를 직접 첨가하는 방법은, 상기 에폭시 수지에 제공된 상기 탄소나노튜브의 함량이 낮아(~1 wt%) 수지 내에 탄소나노튜브의 균질한 분산, 및 이에 따른 현무암 직물에 균질한 코팅이 어려운 문제가 있다.
이에 따라, 균질하고 우수한 전기적 특성을 포함하되, 그 제조 방법이 간단한 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 소수성 그룹 및 친수성 그룹을 모두 갖는 바인더를 제공하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 탄소 소스에 현무암 직물을 함침시키는 단계, 및 건조하는 단계가 하나의 단위 공정으로 정의되고, 상기 단위 공정이 반복하여 수행되는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 일 기술적 과제는, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상되는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 일 기술적 과제는, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 온도 반응성이 빨라지고, 정상-상태 최고 온도에 도달하는 시간이 빨라지며, 전력이 효율적으로 열로 전환되고, 열-기계적 안정성이 향상되는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 일 기술적 과제는, 상기 단위 공정이 1 및 2회 반복하여 수행되어, 굽힘 강도를 포함하는 기계적 특성이 향상되는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 일 기술적 과제는, 현무암 직물 및 탄소나노튜브가 소수성 및 친수성 그룹을 포함하는 바인더에 의해 결합된 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 일 기술적 과제는, 현무암 직물에 제공된 탄소나노튜브의 양이 증가된 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제공하는 데 있다
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 일 기술적 과제는, 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상된 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제공하는 데 있다
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법은, 용매 중에, 탄소나노튜브 및 바인더를 첨가하여, 탄소 소스를 제조하는 단계, 상기 탄소 소스에 현무암 직물을 함침시킨 후에 건조하여, 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 제조하는 단계, 에폭시 수지에 경화제를 첨가하여, 수지 혼합물을 제조하는 단계, 상기 수지 혼합물에 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 함침시켜, 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하는 단계, 및 복수의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재를 적층하고, 열 압착하여 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더는, 소수성 그룹 및 친수성 그룹을 모두 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더의 상기 소수성 그룹 및 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브가 유기 결합될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더의 상기 친수성 그룹 및 상기 현무암 직물이 공유 결합할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더는, 아래의 <화학 구조식 1>로 표시될 수 있다.
<화학 구조식 1>
Figure 112018124461955-pat00001
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 소스에 상기 현무암 직물을 함침시키는 단계, 및 건조하는 단계는 하나의 단위 공정으로 정의되고, 상기 단위 공정이 반복하여 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 단위 공정은 1 내지 10회 반복하여 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물의 Si-OH 결합 수가 감소될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물의 Si-O-C 결합 수가 증가할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재는, 현무암 직물, 상기 현무암 직물에 제공된 탄소나노튜브, 에폭시 수지에 함침된 상기 현무암 직물을 포함하는 현무암 CNT 코팅 복합재를 포함하되, 복수의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재가 적층된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 직물 및 상기 탄소나노튜브는 소수성 및 친수성 그룹을 포함하는 바인더에 의해 결합될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 직물에 제공된 상기 탄소나노튜브의 양이 증가할수록, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 용매 중에, 탄소나노튜브 및 바인더를 첨가하여, 탄소 소스를 제조하는 단계, 상기 탄소 소스에 현무암 직물을 함침시킨 후에 건조하여, 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 제조하는 단계, 에폭시 수지에 경화제를 첨가하여, 수지 혼합물을 제조하는 단계, 상기 수지 혼합물에 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 함침시켜, 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하는 단계, 및 복수의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재를 적층하고, 열 압착하여 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법이 제공될 수 있다.
이에 따라, 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상된 현무암 섬유 기능성 강화 복합재가 제공될 수 있다. 또한, 온도 반응성이 빨라지고, 정상-상태 최고 온도에 도달하는 시간이 빨라지며, 전력이 효율적으로 열로 전환되고, 열-기계적 안정성이 향상된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재가 제공될 수 있다. 또한, 굽힘 강도가 향상되어, 기계적 특성이 우수한 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소 소스를 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브와 현무암 직물 사이의 상호 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수지 혼합물을 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 비교 예 1-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물의 사진이다.
도 10은 본 발명의 실험 예 1-3에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 사진이다.
도 11은 본 발명의 실험 예 1-5에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 사진이다.
도 12는 본 발명의 실험 예 1-1(BF-C1) 내지 1-5(BF-C10)에 따른 현무암 CNT 코팅 직물 및 비교 예 1-1(BF-C0)에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물의 FT-IR(Fourier transform infra-red) 스펙트라이다.
도 13은 비교 예 1-1(BF-C0)에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물 및 본 발명의 실험 예 1-2(BF-C2)에 따른 현무암 CNT 코팅 직물, 및 탄소나노튜브(MWCNT)의 라만(Raman) 스펙트라이다.
도 14는 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 I-V(current-voltage) 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 P-V(power-voltage) 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 전기 전도도 및 전기 저항을 보여주는 그래프이다.
도 17(A)는 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 디지털 사진이다.
도 17(B)는 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 적외선 사진이다.
도 18은 다양한 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예 3-2에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 시간에 대한 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 19는 다양한 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예 3-3에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 시간에 대한 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 20은 다양한 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예 3-4에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 시간에 대한 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 21은 다양한 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 시간에 대한 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실험 예 3-2 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 인가된 전압에 대한, 정상 상태 최고 온도(Tmax(steady-state maximum temperature)) 변화를 보여주는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실험 예 3-3에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전열 성능(electric heating performance)을 보여주는 그래프이다.
도 24는 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 굽힘 응력-변형 그래프이다,
도 25는 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 굽힘 강도 및 굽힘 탄성 계수를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 어느 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법이 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소 소스를 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노튜브와 현무암 직물 사이의 상호 작용을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수지 혼합물을 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 용매 중에, 탄소나노튜브(110) 및 바인더(120)를 첨가하여, 탄소 소스(100)를 제조할 수 있다(S110). 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브(110)는 다중벽 탄소나노튜브(multi walled carbon nanotube, MWCNT)일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 다중벽 탄소나노튜브는 수성으로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 용매 상기 탄소나노튜브(110)가 제공되는 경우, 상기 탄소나노튜브(110)가 상기 용매에 용이하게 용해될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 용매에 상기 탄소나노튜브(110)가 균질하게 분산된 상기 탄소 소스(100)를 제공할 수 있다. 이에 따라, 후술되는 단계에서, 상기 탄소 소스(100)에 현무암 직물(210)을 함침시키는 경우, 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)가 균질하게 코팅된 현무암 직물(200)을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 바인더(120)는, 아래의 <화학 구조식 1>로 표시될 수 있다.
<화학 구조식 1>
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상기 바인더(120)는, 소수성 그룹(121) 및 친수성 그룹(122)을 모두 가질 수 있다. 이에 따라, 후술되는 단계에서 상기 탄소 소스(100)에 현무암 직물(210)을 제공하는 경우, 상기 탄소 소스(100)의 상기 바인더(120)에 의해, 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)가 상기 현무암 직물(210)에 용이하게 코팅될 수 있다. 상기 바인더(120)의 상기 소수성 그룹(121) 및 친수성 그룹(122)에 대해서는 후술되는 단계에서 상세히 설명하기로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더(120)는 POENPE(Polyoxyethylene nonylphenyl ether)일 수 있고, 상기 용매는 증류수일 수 있다. 이에 따라, 증류수에 상기 다중벽 탄소나노튜브 및 상기 POENPE를 첨가하여, 상기 탄소 소스(100)가 제조될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 탄소 소스(100)에 현무암 직물(210)을 함침시킨 후에 건조하여, 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)을 제조할 수 있다(S120). 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 탄소 소스(100)에 상기 현무암 직물(210)을 함침시키는 단계, 및 건조하는 단계는 하나의 단위 공정으로 정의되고, 상기 단위 공정이 반복하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 소스(100)에, 600 g/m2의 직물 밀도를 갖는 현무암 직물(210)을 함침시키는 단계, 및 120 ℃에서 5 분 동안 건조하는 단계가 하나의 단위 공정으로 정의될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 단위 공정이 반복하여 수행되는 경우, 초기 단위 공정에서 제공되는 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110) 농도보다, 후기 단위 공정에서 제공되는 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110) 농도가 높을 수 있다. 또는, 상기 단위 공정이 반복하여 연속적으로 수행됨에 따라, 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110) 농도가 점차 높아질 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 직물(210) 상에 탄소나노튜브(110)가 응집되지 않고 균일하게 코팅된 현무암 직물(200)을 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 직물(210)은, 현무암 섬유 원사, 길고 좁은 현무암 섬유 다발, 또는 일방향으로 제조된 현무암 연속 섬유를 포함하는 현무암 섬유들 중에서 적어도 어느 하나로부터 제조될 수 있다. 후술되는 단계에서, 상기 탄소 소스(100)에 상기 현무암 섬유들로 제조된 현무암 직물(210)들을 함침시킨 후에 건조하여, 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(210)들을 제조하는 경우, 상기 현무암 직물(210)들에 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅되는 정도가 상이할 수 있다. 예를 들어, 상기 일방향으로 제조된 현무암 연속 섬유로부터 제조된 현무암 직물, 상기 길고 좁은 현무암 섬유 다발로부터 제조된 현무암 직물, 및 상기 현무암 원사로부터 제조된 현무암 직물의 순서로, 상기 현무암 직물(210)에 상기 탄소 나노튜브가 코팅(110)되는 것이 용이할 수 있다. 또한, 상기 현무암 직물(210)은 상기 현무암 섬유를 평직(plain weave), 능직(twill weave) 또는 주자직(satin weave 또는 sateen weave)으로 제직한 현무암 직물들 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상술된 방법으로 제직된 상기 현무암 직물들은 그 기계적 물성이 상이할 수 있다. 따라서, 상기 현무암 직물들 중에서, 용도에 맞는 기계적 물성을 포함하는 상기 현무암 직물(210)을 선택하는 경우, 후술되는 단계에서 용도 적합한 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 단위 공정은 1 내지 10회 반복하여 수행될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 탄소 소스(100)에 상기 현무암 직물(210)이 함침되는 양이 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)의 색상이 진해질 수 있다. 예를 들어, 상기 단위 공정이 1회 수행되는 경우 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)의 색상은 암갈색 또는 흑갈색일 수 있다. 한편, 상기 단위 공정이 10회 반복하여 수행되는 경우 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)의 색상은 흑색일 수 있다. 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)에 제공된 상기 탄소나노튜브(110)의 양이 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 후술되는 단계에서 제조되는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)의 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상될 수 있다.
또한, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)의 온도 반응성이 빨라지고, 정상-상태 최고 온도에 도달하는 시간이 빨라지며, 전력이 효율적으로 열로 전환되고, 열-기계적 안정성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 단위 공정이 1 및 2회 반복하여 수행되는 경우, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)의 굽힘 강도가 향상되어, 기계적 특성이 향상될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상술된 바와 같이, 상기 바인더(120)는, 소수성 그룹(121) 및 친수성 그룹(122)을 모두 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 바인더(120)의 상기 친수성 그룹(122) 및 상기 현무암 직물(210)이 공유 결합(124)될 수 있다. 다시 말해, 상기 바인더(120)의 상기 친수성 그룹(122) 및 상기 현무암 직물(210)의 Si-OH 그룹의 상호 작용에 의해 Si-O-C 결합이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더(120)의 상기 친수성 그룹(122) 및 상기 현무암 직물(210)의 상기 Si-OH 그룹이 상호 작용하여 탈수 반응이 일어나고, 공유 결합(124) 즉, 상기 Si-O-C 결합이 형성될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 바인더(120) 및 상기 현무암 직물(210) 사이의 상호 작용이 강해질 수 있다. 다시 말해, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)의 Si-OH 결합 수가 감소되는 반면, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물(200)의 상기 Si-O-C 결합 수가 증가될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 바인더(120)의 상기 소수성 그룹(121) 및 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)가 유기 결합(123)될 수 있다. 다시 말해, 상기 바인더(120)의 상기 소수성 그룹(121) 및 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)가 파이-파이 상호 작용(π-π interaction)을 할 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더(120)의 상기 소수성 그룹(121) 및 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)가, 유기 매개 분자를 이용해 비공유 기능화(noncovalent functionalization)될 수 있다. 상기 비공유 기능화에 있어서, 강산(strong acid)이 요구되지 않을 수 있고, 이에 따라, 상기 탄소나노튜브(110)의 sp2 하이브리드화 공액 구조(hybridized conjugated structure)가 용이하게 유지될 수 있다. 따라서, 상기 유기 매개 분자를 이용해 상기 비공유 기능화된, 즉, 유기 결합(123)된 상기 바인더(120)의 상기 소수성 그룹(121) 및 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)의 전기적 성능이 용이하게 유지될 수 있다.
다시 말해, 상기 바인더(120)의 상기 소수성 그룹(121) 및 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)의 상기 파이-파이 상호 작용에 의해, 상기 현무암 직물(210) 상에 상기 탄소나노튜브(110)가 용이하게 코팅될 수 있다. 즉, 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)이 용이하게 제조될 수 있다.
도 5를 참조하면, 에폭시 수지(310)에 경화제(320)를 첨가하여, 수지 혼합물(300)을 제조할 수 있다(S130). 일 실시 예에 따르면, 상기 에폭시 수지(310)는, DGEBA(Diglycidyl ether of bisphenol A)일 수 있다. 또한, 상기 경화제(320)는 DDM(4,4'-Diaminodiphenylmethane)일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 수지 혼합물(300)에 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)을 함침시켜, 현무암 CNT 코팅 복합재(410)를 제조할 수 있다(S140).
일 실시 예에 따르면, 상기 수지 혼합물(300)에 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)을 함침시키기 전에, 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)의 집속제를 제거하고 실란(silane) 처리하는 것을 포함할 수 있다. 또는, 실란 처리된 현무암 직물(210)에 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 상기 현무암 직물(200)을 이용해, 상기 수지 혼합물(300)에 함침시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 수지 혼합물(300)에 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)을 함침시켜, 현무암 CNT 코팅 복합재(410)의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 복수의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재(410)를 적층하고, 열 압착하여 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)를 제조할 수 있다(S150). 일 실시 예에 따르면, 3 장의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재(410)를 적층하고, 150 ℃에서 5 MPa로 1 시간 동안 열 압착하고, 경화하여, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)를 제조할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 CNT 코팅 복합재(410)를 적층하고, 열 압착하는 과정에서, 상기 열 압착하는 온도의 상승 및 유지, 냉각 속도 및 시간 조절에 의해, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)의 기계적 물성이 달라질 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)의 제조 방법이 설명되었다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 용매 중에, 탄소나노튜브(110) 및 바인더(120)를 첨가하여, 탄소 소스(100)를 제조하는 단계, 상기 탄소 소스(100)에 현무암 직물(210)을 함침시킨 후에 건조하여, 상기 탄소 소스(100)의 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)을 제조하는 단계, 에폭시 수지(310)에 경화제(320)를 첨가하여, 수지 혼합물(300)을 제조하는 단계, 상기 수지 혼합물(300)에 상기 탄소나노튜브(110)가 코팅된 현무암 직물(200)을 함침시켜, 현무암 CNT 코팅 복합재410)를 제조하는 단계, 및 복수의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재(410)를 적층하고, 열 압착하여 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)를 제조하는 단계를 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)의 제조 방법이 제공될 수 있다. 이에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 현무암 직물(210), 상기 현무암 직물(210)에 제공된 탄소나노튜브(110), 및 에폭시 수지(310)에 함침된 상기 현무암 직물(210)을 포함하는 현무암 CNT 코팅 복합재(410)를 포함하되, 복수의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재(410)가 적층된 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)가 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 탄소 소스(100)에 상기 현무암 직물(210)을 함침시키는 단계, 및 건조하는 단계는 하나의 단위 공정으로 정의되고, 상기 단위 공정은 1 내지 10회 반복하여 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가하는 것에 의해, 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)가 제공될 수 있다. 또한, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가하는 것에 의해, 온도 반응성이 빨라지고, 정상-상태 최고 온도에 도달하는 시간이 빨라지며, 전력이 효율적으로 열로 전환되고, 열-기계적 안정성이 향상된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)가 제공될 수 있다.
또한, 상기 단위 공정이 1 및 2회 반복하여 수행되는 경우, 굽힘 강도가 향상되어, 기계적 특성이 우수한 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재(400)가 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 구체적인 실험 예가 설명된다.
실험 예 1-1에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 제조( BF -C1)
증류수에 수성 다중벽 탄소나노튜브(multi walled carbon nanotube, MWCNT) 및 POENPE(Polyoxyethylene nonylphenyl ether)를 첨가하여, 탄소 소스를 제조하였다.
상기 탄소 소스에, 600 g/m2의 직물 밀도를 갖는 평직(plain weave)의 현무암 직물을 함침시키는 단계, 및 120 ℃에서 5 분 동안 건조하는 단계를 하나의 단위 공정으로 정의하되, 상기 단위 공정을 1회 수행하여, 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브가 코팅된, 실험 예 1-1에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 제조하였다.
실험 예 1-2에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 제조( BF -C2)
상술된 실험 예 1-1에서, 상기 단위 공정을 2회 수행하여, 실험 예 1-2에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 제조하였다.
실험 예 1-3에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 제조( BF -C3)
상술된 실험 예 1-1에서, 상기 단위 공정을 3회 수행하여, 실험 예 1-3에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 제조하였다.
실험 예 1-4에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 제조( BF -C4)
상술된 실험 예 1-1에서, 상기 단위 공정을 5회 수행하여, 실험 예 1-4에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 제조하였다.
실험 예 1-5에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 제조( BF -C5)
상술된 실험 예 1-1에서, 상기 단위 공정을 10회 수행하여, 실험 예 1-5에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 제조하였다.
비교 예 1-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물의 제조( BF -C0)
상술된 실험 예 1-1에서, 상기 단위 공정을 수행하지 않고, 비교 예 1-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물을 제조하였다.
본 발명의 실험 예 1-1 내지 1-5 및 비교 예 1-1에 따른 현무암 CNT 코팅 직물은 아래 [표 1]과 같이 정리될 수 있다.
단위 공정 반복 횟수
실험 예 1-1(BF-C1) 1회
실험 예 1-2(BF-C2) 2회
실험 예 1-3(BF-C3) 3회
실험 예 1-4(BF-C5) 5회
실험 예 1-5(BF-C10) 10회
비교 예 1-1(BF-C0) N/A
실험 예 2-1에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재의 제조
DGEBA(Diglycidyl ether of bisphenol A)에 25 phr(parts per hundred rubber)의 DDM(4,4'-Diaminodiphenylmethane)을 첨가하고, 80 ℃에서 마그네틱 바(magnetic bar)를 이용해 혼합하여, 수지 혼합물을 제조하였다.
상기 수지 혼합물에 실험 예 1-1에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 함침시켜, 실험 예 2-1에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하였다.
실험 예 2-2에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재의 제조
상술된 실험 예 2-1에서, 상기 수지 혼합물에 실험 예 1-2에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 함침시켜, 실험 예 2-2에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하였다.
실험 예 2-3에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재의 제조
상술된 실험 예 2-1에서, 상기 수지 혼합물에 실험 예 1-3에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 함침시켜, 실험 예 2-3에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하였다.
실험 예 2-4에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재의 제조
상술된 실험 예 2-1에서, 상기 수지 혼합물에 실험 예 1-4에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 함침시켜, 실험 예 2-4에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하였다.
실험 예 2-5에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재의 제조
상술된 실험 예 2-1에서, 상기 수지 혼합물에 실험 예 1-5에 따른 현무암 CNT 코팅 직물을 함침시켜, 실험 예 2-5에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하였다.
비교 예 2-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 복합재의 제조
상술된 실험 예 2-1에서, 상기 수지 혼합물에 실험 예 1-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물을 함침시켜, 실험 예 2-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 복합재를 제조하였다.
실험 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조( BF -C1- EP )
실험 예 2-1에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 준비하였다,
3 장의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재를 적층하고, 150 ℃에서 5 MPa로 1 시간 동안 열 압착하고, 경화하여, 실험 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하였다.
실험 예 3-2에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조( BF -C2- EP )
상술된 실험 예 3-1에서, 실험 예 2-2에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 준비하여, 실험 예 3-2에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하였다.
실험 예 3-3에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조( BF -C3- EP )
상술된 실험 예 3-1에서, 실험 예 2-3에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 준비하여, 실험 예 3-3에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하였다.
실험 예 3-4에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조( BF -C4- EP )
상술된 실험 예 3-1에서, 실험 예 2-4에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 준비하여, 실험 예 3-4에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하였다.
실험 예 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조( BF -C5- EP )
상술된 실험 예 3-1에서, 실험 예 2-5에 따른 현무암 CNT 코팅 복합재를 준비하여, 실험 예 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하였다.
비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 제조( BF -C0- EP )
상술된 실험 예 3-1에서, 비교 예 2-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 복합재를 준비하여, 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
도 9는 비교 예 1-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물의 사진이고, 도 10은 본 발명의 실험 예 1-3에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 사진이고, 도 11은 본 발명의 실험 예 1-5에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 사진이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 비교 예 1-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물보다 본 발명의 실험 예 1-3에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 색상이 더 진하고, 본 발명의 실험 예 1-3보다 실험 예 3-5에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 색상이 더 진한 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 탄소나`노튜브가 코팅된 현무암 CNT 코팅 직물의 색상이 진해지는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 실험 예에 따르면, 상술된 바와 같이, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 CNT 코팅 직물이 상기 탄소 소스에 함침되는 양이 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 CNT 코팅 직물에 제공되는 상기 탄소나노튜브의 양이 증가될 수 있고, 따라서, 상기 현무암 CNT 코팅 직물의 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실험 예 1-1(BF-C1) 내지 1-5(BF-C10)에 따른 현무암 CNT 코팅 직물 및 비교 예 1-1(BF-C0)에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물의 FT-IR(Fourier transform infra-red) 스펙트라이다.
도 12를 참조하면, 상기 현무암 CNT 코팅 직물들 및 상기 현무암 CNT 무코팅 직물의 친수성 상호 작용을 관찰할 수 있다. 비교 예 1-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물의 경우, ~905 cm-1에서 폭이 넓은 밴드 피크를 관찰할 수 있다. 이는, 상기 현무암 CNT 무코팅 직물의 상기 Si-OH 결합의 스트레칭 진동(stretching vibration) 때문일 수 있다.
반면에, 실험 예 1-1에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 경우, ~905 cm-1에서 밴드 피크의 강도가 감소할 뿐만 아니라, ~1020 cm-1에서 새로운 밴드 피크를 관찰할 수 있다. 이는, 상기 현무암 CNT 코팅 직물의 상기 바인더의 상기 친수성 그룹 및 상기 현무암 CNT 코팅 직물의 상기 Si-OH 그룹의 상호 작용에 의해 형성된 상기 Si-O-C 결합의 스트레칭 진동 때문일 수 있다.
또한, 실험 예 1-1 내지 1-5에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 FT-IR 스펙트라를 통해, ~1020 cm-1에서 관찰되던 상기 밴드 피크가, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 1098 cm-1에 가까운 파수(wavenumber)에서 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 상기 바인더 및 상기 현무암 CNT 코팅 직물 사이의 강한 상호 작용 때문일 수 있다.
이러한 실험 결과를 통해, 상기 바인더의 상기 친수성 그룹 및 상기 현무암 CNT 코팅 직물이 상호 작용하여 탈수 반응이 일어나고, 공유 결합 즉, 상기 Si-O-C 결합을 형성하는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 상술된 바와 같이, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 CNT 코팅 직물의 상기 Si-OH 결합 수가 감소하는 반면, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 CNT 코팅 직물의 상기 Si-O-C 결합 수가 증가할 수 있다.
도 13은 비교 예 1-1(BF-C0)에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물 및 본 발명의 실험 예 1-2(BF-C2)에 따른 현무암 CNT 코팅 직물, 및 탄소나노튜브(MWCNT)의 라만(Raman) 스펙트라이다.
도 13을 참조하면, 상기 탄소나노튜브에서 D 및 G 밴드 피크를 관찰할 수 있다. ~1335 cm-1의 파수에서 상기 D 밴드 피크가 관찰되는 것은, 무질서할뿐만 아니라 결함을 포함하는 sp3 하이브리드화 탄소 구조(hybridized carbon structure) 때문일 수 있다. 또한, ~1576 cm-1의 파수에서 상기 G 밴드 피크가 관찰되는 것은, sp2 하이브리드화 탄소 구조에서 C=C 결합의 면 내 탄젠셜 스트레칭(in-plane tangential stretching) 때문일 수 있다.
비교 예 1-1에 따른 현무암 CNT 무코팅 직물의 경우, 1000-2000 cm-1의 파수 범위에서, 어떠한 밴드 피크도 관찰되지 않는 것을 알 수 있다.
반면에, 본 발명의 실험 예 1-2에 따른 현무암 CNT 코팅 직물의 경우, 상기 탄소나노튜브에서 관찰되는 밴드 피크와 마찬가지로 상기 D 및 G 밴드 피크를 관찰할 수 있다. 이는, 본 발명의 실험 예 1-2에 따른 현무암 CNT 코팅 직물이 상기 탄소나노튜브를 포함하는 것을 의미할 수 있다.
한편, 상기 탄소나노튜브보다 본 발명의 실험 예 1-2에 따른 CNT 코팅 직물의 상기 D 및 G 밴드 피크가 더 높은 것은, 상기 바인더의 상기 소수성 그룹 및 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브의 파이-파이 상호 작용 때문일 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 바인더의 상기 소수성 그룹 및 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브가, 유기 매개 분자를 이용해 비공유 기능화될 수 있다. 상기 비공유 기능화에 있어서, 강산이 요구되지 않을 수 있고, 이에 따라, 상기 탄소나노튜브의 sp2 하이브리드화 공액 구조가 용이하게 유지될 수 있다. 따라서, 상기 유기 매개 분자를 이용해 상기 비공유 기능화된, 즉, 유기 결합된 상기 바인더의 상기 소수성 그룹 및 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브의 전기적 성능이 용이하게 유지될 수 있다. 다시 말해, 상기 바인더의 상기 소수성 그룹 및 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브의 상기 파이-파이 상호 작용에 의해, 상기 현무암 CNT 코팅 직물 상에 상기 탄소나노튜브가 용이하게 코팅될 수 있다. 즉, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 CNT 코팅 직물을 용이하게 제조할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 I-V(current-voltage) 그래프이고, 도 15는 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재, 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유강화 복합재의 P-V(power-voltage) 그래프이고, 도 16은 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 전기 전도도 및 전기 저항을 보여주는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 1~100 V의 전압을 인가하는 경우, 전류가 흐르지 않는 것을 알 수 있다. 이는, 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재가 전기적으로 절연되어 있는 것을 의미할 수 있다.
반면에, 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 1~100 V의 전압을 인가하는 경우, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록 상기 I-V 그래프의 곡선 기울기가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 이는, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 CNT 코팅 직물에 제공된 상기 탄소나노튜브의 양이 증가되기 때문일 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 CNT 코팅 직물 상의 상기 탄소나노튜브의 네트워크 구조가 긴밀하게 연결되어, 전기 저항이 감소된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 용이하게 제공할 수 있다.
아래 <수학식 1>로 표현되는 옴의 법칙(Ohm's law)에 의해, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 전기 저항 값을 계산할 수 있다.
<수학식 1>
I = V /R
여기서, I는 전류, V는 전압, 및 R은 전기 저항을 나타낼 수 있다.
또한, 도 15를 참조하면, 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 1~100 V의 전압을 인가하는 경우, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록 상기 P-V 그래프의 곡선 기울기가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 이는, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 CNT 코팅 직물에 제공된 상기 탄소나노튜브의 양이 증가되기 때문일 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 CNT 코팅 직물 상의 상기 탄소나노튜브의 네트워크 구조가 긴밀하게 연결되어, 전력이 향상된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 용이하게 제공할 수 있다.
아래 <수학식 2>에 의해, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 전력 값을 계산할 수 있다.
<수학식 2>
P = IV = V2R
여기서, P는 전력, I는 전류, V는 전압, 및 R은 전기 저항을 나타낼 수 있다.
또한, 아래 <수학식 3>에 의해, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 전기 전도도 값을 계산할 수 있다.
<수학식 3>
σ = 1/ρ = 1L/RA
여기서, σ는 전기 전도도, ρ는 전기 비저항, L은 전극 사이에 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 길이, R은 전기 저항. 및 A는 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 단면적을 나타낼 수 있다.
도 16 및 상기 <수학식 3>을 참조하면, 아래 [표 2]와 같이 정리될 수 있다.
단위 공정
(반복 횟수)		 현무암 CNT 코팅 직물에 제공된 탄소나노튜브의 양
(wt%)		 전기 저항
(Ω)		 전기 비저항
(Ωcm)		 전기 전도도
(S/cm)
실험 예 3-1 1 0.77 7.04Х105 7.04Х104 1.42Х10-5
실험 예 3-2 2 1.06 2.88Х103 2.88Х102 3.47Х10-3
실험 예 3-3 3 1.63 8.12Х102 8.12Х101 1.23Х10-2
실험 예 3-4 5 1.99 2.99Х102 2.99Х101 3.34Х10-2
실험 예 3-5 10 2.42 6.90Х101 6.90Х100 1.44Х10-1
비교 예 3-1 0 - 3.08Х109 3.08Х108 3.25Х10-9
상기 [표 2]를 참조하면, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 CNT 코팅 직물에 제공된 상기 탄소나노튜브의 양이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 현무암 CNT 코팅 직물에 제공된 상기 탄소나노튜브의 양이 증가되는 것에 따라, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 저항 및 전기 비저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 현무암 CNT 코팅 직물 상의 상기 탄소나노튜브의 양이 증가함에 따라, 상기 현무암 CNT 코팅 직물 상의 상기 탄소나노튜브의 네트워크 구조가 긴밀하게 연결되어, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 저항 및 전기 비저항이 감소하고, 전기 전도도가 향상되기 때문일 수 있다.
이러한 실험 결과를 통해, 본 발명의 실험 예에 따르면, 전기 저항 및 전기 비저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 용이하게 제공할 수 있다.
반면에, 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 전기 전도도는, 본 발명의 실험 예들에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 전도도보다 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 전기 전도도는, 절연체의 전기 전도도 수준에 해당할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실험 예와는 달리, 상기 단위 공정을 수행하지 않는 경우, 절연체에 가까운 전기 전도도를 나타내거나, 또는, 상기 단위 공정을 반복해서 수행하지 않는 경우, 전기 전도도가 향상된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제공하기 어려운 것을 알 수 있다.
하지만, 본 발명의 실험 예에 따르면, 상기 단위 공정이 반복하여 수행될 수 있고, 이에 따라, 전기 저항 및 전기 비저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 용이하게 제공할 수 있다. 반면에, 상기 단위 공정이 반복하여 수행되지 않을 수 있고, 이에 따라, 절연 특성이 향상된 현무암 섬유 강화 복합재를 제공할 수 있다. 다시 말해, 상기 단위 공정을 수행하지 않고, 절연 특성이 향상된 상기 현무암 섬유 강화 복합재를 제공하거나, 또는 상기 단위 공정을 수행하여, 전기 전도도가 향상된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제공함으로써, 그 전기적 특성을 이용한 제품 개발이 용이할 수 있다.
도 17(A)는 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 디지털 사진이고, 도 17(B)는 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 적외선 사진이다.
도 17(A) 및 도 17(B)를 참조하면, 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 다양한 전압을 인가하여, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전열 특성을 살펴볼 수 있다.
도 18은 다양한 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예 3-2에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 시간에 대한 온도 변화를 보여주는 그래프이고, 도 19는 다양한 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예 3-3에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 시간에 대한 온도 변화를 보여주는 그래프이고, 도 20은 다양한 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예 3-4에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 시간에 대한 온도 변화를 보여주는 그래프이고, 도 21은 다양한 전압 인가 상태에서, 본 발명의 실험 예 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 시간에 대한 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 18 내지 도 21을 참조하면, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들에 다양한 전압이 인가되는 경우, 전압이 인가되고 70 초 내에 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 온도가 최댓값에 도달하고, 이후 일정 전압이 인가되면 기준 시간 동안 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 온도가 유지되다가, 이후 인가된 전압이 제거되는 경우, 150 초 내에 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 온도가 상온으로 감소하는 것을 관찰할 수 있다.
다양한 전압 인가 상태에서, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 시간-온도 곡선은 복수의 단계로 구분될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 단계는, 30~100 초 범위에서 가열에 의한 승온 단계(제1 단계), 100~750 초 범위에서 평형에 의한 정상-상태 온도 단계(제2 단계), 및 750~900 초 범위에서 쿨링에 의한 온도 감쇠 단계 (제3 단계)를 포함할 수 있다.
상기 제1 단계는, 아래 <수학식 4>에 의해 설명될 수 있다.
<수학식 4>
(Tt-Ti)/(Tmax-Ti) = 1-exp(-t/τg)
여기서, Ti는 전압이 인가되기 전의 온도, Tmax는 정상 상태 최고 온도, Tt는 시간 t에서의 임의의 온도, 및 τg는 특성 시간 상수(characteristic time constant)를 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 4> 및 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 시간-온도 곡선을 대응시키면, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 특성 시간 상수 즉, τg 값을 계산할 수 있다. 상기 τg 값은 아래 [표 3]과 같이 정리될 수 있다.
전압
(V)		 τg
(s)
실험 예 3-1 No electrical heating behavior
실험 예 3-2 30~100 41.2±2.2
실험 예 3-3 10~50 41.7±1.8
실험 예 3-4 10~25 39.0±1.0
실험 예 3-5 3~5 37.4±2.0
비교 예 3-1 No electrical heating behavior
평균 - 40.3±2.4
상기 [표 3]을 참조하면, 실험 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 τg 값에 대한 측정 및 평가가 어려운 것을 확인할 수 있다. 이는, 상기 [표 2]를 참고하여 상술된 바와 같이, 실험 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 전기 전도도가 ~수십 마이크로 단위 이하의 상대적으로 낮은 값을 갖기 때문일 수 있다.
반면, 본 발명의 실험 예 3-2 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 τg 값을 살펴보면, 상기 단위 공정이 3회 반복하여 수행되는 경우보다 10회 반복하여 수행되는 경우, 상기 τg 값이 41.7±1.8 초에서 37.4±2.0 초로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는, 상기 [표 2]를 참고하여 상술된 바와 같이, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 전도도가 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 인가된 전력이 더 효율적으로 열로 전환될 수 있고, 따라서, 비교적 짧은 시간 내에 정상-상태 최고 온도에 도달하기 때문일 수 있다.
상기 제2 단계는, 아래 <수학식 5>에 의해 설명될 수 있다.
<수학식 5>
hr+c = IcVi/(Tm-Ti)
여기서, Ic는 정상-상태 전류, 및 Vi는 초기 인가 전압을 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 5>를 통해 계산된 상기 hr+c 값은 아래 [표 4]와 같이 정리될 수 있다.
전압
(V)		 hr+c
(mW/°C)
실험 예 3-1 No electrical heating behavior
실험 예 3-2 30~100 14.9±1.9
실험 예 3-3 10~50 14.6±0.9
실험 예 3-4 10~25 19.0±0.5
실험 예 3-5 3~5 21.6±0.8
비교 예 3-1 No electrical heating behavior
평균 - 16.8±2.9
상기 [표 4]를 참조하면, 상기 [표 3]을 통해 상술된 바와 마찬가지로, 실험 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 hr+c 값에 대한 측정 및 평가가 어려운 것을 확인할 수 있다. 이는, 상술된 바와 같이, 실험 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 전도도가 ~수십 마이크로 단위 이하의 상대적으로 낮은 값을 갖기 때문일 수 있다.
반면, 본 발명의 실험 예 3-2 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 hr+c 값을 살펴보면, 상기 hr+c 값은 평균 16.8±2.9 mW/°C인 것을 확인할 수 있다. 이는, 상술된 바와 같이, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 전도도가 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 현현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 인가된 전력이 더 효율적으로 열로 전환될 수 있고, 따라서, 비교적 짧은 시간 내에 정상-상태 최고 온도에 도달하기 때문일 수 있다.
상기 제3 단계는, 아래 <수학식 6>에 의해 설명될 수 있다.
<수학식 6>
(Tt-Tf)/(Tmax-Tf) = 1-exp(-t/τd)
여기서, Tf는 최종 주변 온도(final ambient temperature), 및 τd는 온도 감쇠의 특성 시간 상수(characteristic time constant of temperature decaying)를 나타낼 수 있다.
상기 <수학식 6> 및 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 시간-온도 곡선을 대응시키면, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 온도 감쇠의 특성 시간 상수 즉, τd 값을 계산할 수 있다. 상기 τd 값은 아래 [표 5]와 같이 정리될 수 있다.
전압
(V)		 τd
(s)
실험 예 3-1 No electrical heating behavior
실험 예 3-2 30~100 23.0±1.4
실험 예 3-3 10~50 22.6±1.1
실험 예 3-4 10~25 23.1±0.2
실험 예 3-5 3~5 28.2±2.1
비교 예 3-1 No electrical heating behavior
평균 - 23.6±2.2
상기 [표 5]를 참조하면, 실험 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 τd 값에 대한 측정 및 평가가 어려운 것을 확인할 수 있다. 이는, 상술된 바와 같이, 실험 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 전기 전도도가 ~수십 마이크로 단위 이하의 상대적으로 낮은 값을 갖기 때문일 수 있다.
반면, 본 발명의 실험 예 3-2 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 τd 값을 살펴보면, 상기 τd 값은 평균 23.6±2.2 초인 것을 확인할 수 있다. 이는, 상술된 바와 같이, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 전도도가 증가될 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 인가된 전력이 더 효율적으로 열로 전환될 수 있고, 따라서, 비교적 짧은 시간 내에 정상-상태 최고 온도에 도달하기 때문일 수 있다.
도 22는 본 발명의 실험 예 3-2 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 인가된 전압에 대한, 정상 상태 최고 온도(Tmax(steady-state maximum temperature)) 변화를 보여주는 그래프이다.
도 22를 참조하면, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 인가 전압이 동일한 상태에서, 측정된 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 정상 상태 최고 온도 즉, 상기 Tmax 값이 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 예를 들어, 30 V 전압을 인가하는 경우, 본 발명의 실험 예 3-2에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 Tmax 값이 ~68 °C인 한편, 본 발명의 실험 예 3-3에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 Tmax 값은 ~126 °C로 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다.
도 23은 본 발명의 실험 예 3-3에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전열 성능(electric heating performance)을 보여주는 그래프이다.
도 23을 참조하면, 40 V의 전압을 인가하는 제1 단계, 50 V의 전압을 인가하는 제2 단계, 및 40 V의 전압을 인가하는 제3 단계의 순서로 전압을 인가하여, 본 발명의 실험 예 3-3에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전열 성능을 평가할 수 있다. 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전열 성능을 평가하기 위해, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 상기 전압을 10 분 간격으로 30 분 동안 인가할 수 있다.
그 결과, 상기 제1 내지 제 3 단계에서, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 정상-상태 온도 및 온도 반응성이 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재가 열-기계적으로 안정(thermo-mechanically stable)하기 때문일 수 있다.
도 24는 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5 및 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 굽힘 응력-변형 그래프이고, 도 25는 본 발명의 실험 예 1 내지 5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재 및 비교 예 1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 굽힘 강도 및 굽힘 탄성 계수를 보여주는 그래프이다.
도 24 및 도 25를 참조하면, 굽힘 시험을 통해, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 기계적 특성을 살펴볼 수 있다. 상기 굽힘 시험은 상온에서 수행되었으며, 그 결과는 아래 [표 6]과 같이 정리될 수 있다.
굽힘 강도
(MPa)		 굽힘 탄성 계수
(GPa)		 굽힘 변형률
(%)
실험 예 3-1 240.4±11.2 17.4±1.8 1.8±0.1
실험 예 3-2 227.2±34.1 17.3±2.1 2.0±0.3
실험 예 3-3 154.9±22.1 16.9±1.2 1.9±0.7
실험 예 3-4 178.0±22.1 18.5±0.7 2.0±1.1
실험 예 3-5 165.0±17.6 15.0±1.6 1.5±0.2
비교 예 3-1 181.7±27.1 16.3±1.0 1.4±0.2
[표 6]을 참조하면, 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재의 굽힘 강도는 181.7±27.1 MPa, 굽힘 탄성 계수는 16.3±1.0 GPa, 및 굽힘 변형률은 1.4±0.2 %이고, 실험 예 3-1에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 굽힘 강도는 240.4±11.2 MPa, 굽힘 탄성 계수는 17.4±1.8 GPa, 및 굽힘 변형률은 1.8±0.1 %이고, 실험 예 3-2에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 굽힘 강도는 227.2±34.1 MPa, 굽힘 탄성 계수는 17.3±2.1 GPa, 및 굽힘 변형률은 2.0±0.3 %인 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재보다 본 발명의 실험 예 3-1 및 3-2에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 기계적 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
하지만, 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재보다, 본 발명의 실험 예 3-3 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 굽힘 강도가 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 3회 이상으로 증가함에 따라, 상기 현무암 CNT 코팅 직물에 제공된 상기 탄소나노튜브가, 약한 반데르발스 상호 작용(weak van der Waals interaction)을 통해 상기 현무암 CNT 코팅 직물 상에 부분적으로 축적되기 때문일 수 있다.
반면에, 비교 예 3-1에 따른 현무암 섬유 강화 복합재보다 본 발명의 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 굽힘 탄성 계수 및 굽힘 변형률 값이 더 큰 것을 관찰할 수 있다. 또한, 상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 굽힘 탄성 계수 및 굽힘 변형률 값이 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 비교 예 3-1보다 본 발명의 실험 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재들의 기계적 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예 및 실험 예에 따른 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 현무암 섬유 기능성 강화 복합재에 대해 상세히 설명하였다. 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 탄소 소스
110: 탄소나노튜브
120: 바인더
121: 소수성 그룹
122: 친수성 그룹
123: 유기 결합
124: 공유 결합
200: 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물
210: 현무암 직물
300: 수지 혼합물
310: 에폭시 수지
320: 경화제
400: 현무암 섬유 기능성 강화 복합재
410: 현무암 CNT 코팅 복합재

Claims (13)

  1. 용매 중에, 탄소나노튜브 및 바인더를 첨가하여, 탄소 소스를 제조하는 단계;
    상기 탄소 소스에 현무암 직물을 함침시킨 후에 건조하여, 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 제조하는 단계;
    에폭시 수지에 경화제를 첨가하여, 수지 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 수지 혼합물에 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 함침시켜, 현무암 CNT 코팅 복합재를 제조하는 단계; 및
    복수의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재를 적층하고, 열 압착하여 현무암 섬유 기능성 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물을 제조하는 단계에서, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물 내의 상기 탄소나노튜브의 함량은 1.06 wt% 이하인 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 바인더는, 소수성 그룹 및 친수성 그룹을 모두 갖는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 바인더의 상기 소수성 그룹 및 상기 탄소 소스의 상기 탄소나노튜브가 유기 결합되는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 바인더의 상기 친수성 그룹 및 상기 현무암 직물이 공유 결합하는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 바인더는, 아래의 <화학 구조식 1>로 표시되는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
    <화학 구조식 1>
    Figure 112018124461955-pat00003

  6. 제1 항에 있어서,
    상기 탄소 소스에 상기 현무암 직물을 함침시키는 단계, 및 건조하는 단계는 하나의 단위 공정으로 정의되고,
    상기 단위 공정이 반복하여 수행되는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 단위 공정은 1 내지 10회 반복하여 수행되는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상되는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물의 Si-OH 결합 수가 감소되는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 단위 공정의 반복 횟수가 증가할수록, 상기 탄소나노튜브가 코팅된 현무암 직물의 Si-O-C 결합 수가 증가하는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 제조 방법.
  11. 현무암 직물;
    상기 현무암 직물에 제공된 탄소나노튜브; 및
    에폭시 수지에 함침된 상기 현무암 직물을 포함하는 현무암 CNT 코팅 복합재를 포함하되,
    복수의 상기 현무암 CNT 코팅 복합재가 적층된 것을 포함하고,
    상기 현무암 직물에 제공된 상기 탄소나노튜브의 함량은 1.06 wt% 이하인 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 현무암 직물 및 상기 탄소나노튜브는 소수성 및 친수성 그룹을 포함하는 바인더에 의해 결합된 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 현무암 직물에 제공된 상기 탄소나노튜브의 양이 증가할수록, 상기 현무암 섬유 기능성 강화 복합재의 전기 저항이 감소되고, 전기 전도도가 향상되는 것을 포함하는 현무암 섬유 기능성 강화 복합재.
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