KR102233567B1 - 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 탄소섬유와 열가소성 섬유가 혼합된 혼합매트를 이용하며, 혼합매트를 가압하고 혼합매트에 전류를 흘려 탄소섬유를 발열시켜 열가소성 섬유를 용융시킨 후 냉각시켜 열가소성 수지 매트릭스를 만든다.
이렇게 열가소성 섬유가 녹으면서 생긴 열가소성 수지가 탄소섬유 사이사이로 골고루 침투될 수 있어, 탄소섬유 복합재의 탄소섬유 사이사이는 열가소성 수지로 빽빽하게 채워진다. 따라서, 탄소섬유 복합재를 고밀도로 만들 수 있다.

Description

고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING HIGH DENSITY CARBON FIBER COMPOSITE}

본 발명은 고밀도 탄소섬유 복합재에 관한 것이다.

최근 들어, 열경화성 수지 매트릭스 보다는 재 성형이 가능한 열가소성 수지 매트릭스를 가진 탄소섬유 복합재가 많이 제조되고 있다.

이러한 열가소성 수지는 필름형태로 만들어져, 적층된 탄소섬유 매트 사이사이에 삽입된 후, 히터로 상면과 하면을 가열된다. 그러면, 열가소성 수지가 용융되어 탄소섬유 사이사이로 침투되고 이후 냉각되어 열가소성 수지 매트릭스를 형성하게 된다.

그러나, 열가소성 수지는 열경화성 수지에 비해 점도가 매우 높아, 용융된 열가소성 수지가 탄소섬유 사이사이로 침투하기 어렵고, 침투하더라도 균일하게 침투하기 어렵다는 문제를 가지고 있다. 이는, 탄소섬유가 빽빽하게 채워진 탄소섬유 매트를 사용할 경우 더욱 심해진다.

이렇게 열가소성 수지가 탄소섬유 사이사이로 침투하지 못할 경우, 탄소섬유 복합재에 열가소성 수지가 침투하지 못한 공간이 많아, 탄소섬유 복합재의 밀도가 낮아지게 된다.

한국공개특허(10-1998-0053417)

본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법은,

탄소섬유와 열가소성 섬유가 혼합된 혼합매트를 준비하는 제1단계;

상기 혼합매트를 위아래에서 가압하는 제2단계; 및

상기 혼합매트에 전류를 흘려 상기 탄소섬유를 발열시켜, 상기 열가소성 섬유를 용융시키고 냉각시켜 열가소성 매트릭스를 형성하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적은,

탄소섬유와 열가소성 섬유가 혼합된 혼합매트를 준비하는 제1단계;

상기 혼합매트를 위아래에서 가압하는 제2단계; 및

상기 혼합매트에 전류를 흘려 상기 탄소섬유를 발열시켜, 상기 열가소성 섬유를 용융시키고 냉각시켜 열가소성 매트릭스를 형성하되, 상기 혼합매트의 상면과 하면은 별도로 더 가열하는 제3단계를 포함하는 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법에 의해 달성된다.

본 발명은, 탄소섬유와 열가소성 섬유가 혼합된 혼합매트를 이용하며, 혼합매트를 가압하고 혼합매트에 전류를 흘려 탄소섬유를 발열시켜 열가소성 섬유를 용융시킨 후 냉각시켜 열가소성 수지 매트릭스를 만든다.

이렇게 열가소성 섬유가 녹으면서 생긴 열가소성 수지가 탄소섬유 사이사이로 골고루 침투될 수 있어, 탄소섬유 복합재의 탄소섬유 사이사이는 열가소성 수지로 빽빽하게 채워진다. 따라서, 탄소섬유 복합재를 고밀도로 만들 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 혼합매트와 그 일부를 확대한 도면이다.
도 3은 고밀도 탄소섬유 복합재 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 고밀도 탄소섬유 복합재 제조장치의 상판과 하판사이에, 두께가 일정한 혼합매트가 삽입된 경우(a)와, 두께가 일정하지 않는 혼합매트가 삽입된 경우(b)를 나타낸 도면이다.
도 5는 1개의 혼합매트를 절반두께로 압축하여 가열한 경우(a)와, 3개의 혼합매트를 (a)와 동일한 두께로 압축하여 가열한 경우(b)에, 혼합매트 내 탄소섬유의 밀도를 보여주는 도면이다.
도 6은 혼합매트 내 탄소섬유의 함량 및 혼합매트에 가해지는 압력에 따른, 혼합매트의 저항값 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 혼합매트에 가해지는 압력과 혼합매트에 가해지는 전압에 따른 혼합매트의 온도변화를, 열가소성 섬유 대비 탄소섬유의 함량별로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법으로 제조된 탄소섬유 복합재의 인장강도 및 인장탄성을, 혼합매트 내 탄소섬유의 함량별로 내타낸 표이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법을 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법은,

탄소섬유와 열가소성 섬유가 혼합된 혼합매트를 준비하는 제1단계(S11);

상기 혼합매트를 위아래에서 가압하는 제2단계(S12); 및

상기 혼합매트에 전류를 흘려 상기 탄소섬유를 발열시켜, 상기 열가소성 섬유를 용융시키고 냉각시켜 열가소성 매트릭스를 형성하는 제3단계(S13)로 구성된다.

이하, 제1단계(S11)를 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같은, 탄소섬유(CF)와 열가소성 섬유(PC)가 혼합된 혼합매트(M)를 공급한다.

탄소섬유(CF)는 전기전도성을 가지므로, 탄소섬유(CF)가 혼합된 혼합매트(M) 역시 전기전도성을 가진다.

열가소성 섬유(PC)는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), PC(폴리카보네이트), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 등의 열가소성 플라스틱이 용융 방사되어 만들어진다.

혼합매트(M)는 탄소섬유(CF)와 열가소성 섬유(PC)가 무작위 방향으로 균일하게 분산 배치된 부직포(non-woven) 형태를 가진다. 이러한 부직포 형태의 혼합매트(M)는 건식법(air laid process) 또는 습식법(wet laid process)으로 제조된다.

이러한 부직포 형태로 혼합매트(M)를 만들면, 특정방향의 섬유 배치나 직조 등의 과정을 생략할 수 있다.

또한, 압축이 잘 되어 두께 조절이 용이하고, 압축에 의해 탄소섬유 복합재를 고밀도로 만들 수 있다. 또한, 압축으로 인해 열가소성 섬유와 탄소섬유(CF)와의 접촉 면적이 넓어지고, 열가소성 섬유가 용융되서 생긴 열가소성 수지가 탄소섬유 사이로 침투하기 위한 이동거리가 짧아진다.

이하, 제2단계(S12)를 설명한다.

먼저, 제2단계(S12)를 실행하기 위한 도 3에 도시된 바와 같은, 고밀도 탄소섬유 복합재 제조장치(1)를 설명한다.

고밀도 탄소섬유 복합재 제조장치(1)는 가압부(10)와 가열부(20)로 구성된다.

가압부(10)는 혼합매트(M)의 상부와 접촉하여 혼합매트(M)를 가압하는 상판(11)과, 혼합매트(M)의 하부와 접촉하여 혼합매트(M)를 가압하는 하판(12)으로 구성된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 혼합매트(M)와 접촉하는 상판(11)과 하판(12)의 접촉면의 형상은 혼합매트(M)의 형상에 대응하여 형성된다. 혼합매트(M)가 평면형상이라면 혼합매트(M)와 접촉하는 상판(11)과 하판(12)의 접촉면은 평면으로 구성되고, 혼합매트(M)가 곡면형상이라면 혼합매트(M)와 접촉하는 상판(11)과 하판(12)의 접촉면도 이에 대응하여 곡면형상으로 형성된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상판(11)과 하판(12)에는 상판(11)과 하판(12)을 상하 이동시키는 구동부(13)가 연결된다.

혼합매트(M)와 접촉하는 상판(11) 및 하판(12)의 접촉면은 전기절연체(14)가 부착된다. 혼합매트(M)에 흐르는 전류가 가압부(10)로 들어오는 것을 차단하기 위함이다. 전기절연체(14)는 혼합매트(M)와 접촉하는 상판(11) 및 하판(12)의 접촉면에 부착되지 않고 절연매트의 형태로 혼합매트(M)와 상판(11) 사이 및 혼합매트(M)와 하판(12) 사이 각각에 독립적으로 삽입될 수도 있다.

가압부(10)는 상판(11) 및 하판(12)의 내부에 가열부재(15)를 포함한다. 가열부재(15)는 혼합매트(M)와의 접촉면 가까이에 위치되어, 상판(11)과 하판(12)을 가열한다. 가열부재(15)는 상판(11) 및 하판(12)에 매설된 온도 조절용 매체가 유동하는 매체 유로 또는 온도 제어 가능한 전열체(예를 들어, 전기 히터)로 구성된다.

전기절연체(14)는 열전도율이 높은 것을 선택한다. 가열부재(15)에 의해 가열된 상판(11)과 하판(12)의 열이 혼합매트(M)에 잘 전달되기 위함이다.

한편, 혼합매트(M)의 상면과 하면에 가열부재(15)가 포함되지 않을 수도 있는데, 이 경우, 전기절연체(14)는 열전도율이 낮은 것을 선택한다. 혼합매트(M)에서 발생하는 열이 상판(11)과 하판(12)으로 손실되는 것을 방지하기 위함이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 가열부(20)는 혼합매트(M)의 두 단부에 연결되는 전극(21), 전원(22), 전극(21)과 전원(22)을 연결하는 도선(23)으로 구성된다.

전극(21)이 연결되는 혼합매트(M)의 두 단부는 서로 마주하는 단부이다. 전극(21)은 알루미늄테이프로, 혼합매트(M)의 마주하는 두 단부를 덮는 형식으로 연결된다.

가열부(20)는 온도를 측정하기 위해 열전대(thermocouple)를 더 구비할 수 있다.

혼합매트(M)가 압축되면 탄소섬유(CF)끼리 접촉이 잘 이루어져 전기통로가 잘 형성된다.

이하, 제3단계(S13)를 설명한다.

혼합매트(M)에 전류를 흘리면 탄소섬유(CF)가 저항체 역할을 하면서 발열한다. 탄소섬유(CF)의 발열로 인해, 탄소섬유(CF) 주변의 열가소성 섬유(PC)가 용융된다. 혼합매트(M)에서 탄소섬유(CF)의 길이 및 함량을 조절하면 혼합매트(M)의 저항값을 변화시킬 수 있다. 저항값에 따라 전압-전류값을 변화시키면 발열량을 조절할 수 있다.

탄소섬유(CF)와 열가소성 섬유(PC)가 무작위방향으로 서로 얽혀서 분포되고, 압축된 상태이므로, 전기통로가 혼합매트(M) 전체에 형성된다. 따라서 탄소섬유(CF)에서 발생된 열은 혼합매트(M) 전체에서 고르게 발생하고 탄소섬유(CF)와 혼합된 열가소성 섬유(PC)는 혼합매트(M) 전체에서 고르게 용융한다.

이로 인해, 도 4에 도시된 바와 같이, 혼합매트(M)의 두께가 일정한 경우(a) 뿐만 아니라, 혼합매트(M)의 두께가 일정하지 않은 경우(b)에도 두께에 상관없이 혼합매트(M) 전체에 고르게 열이 전달될 수 있어, 열가소성 섬유가 혼합매트(M)에 두께에 상관없이 균일하게 용융될 수 있다. 종래는 혼합매트(M)의 상부와 하부를 히터로 가열하므로, 혼합매트(M)의 두께가 일정하지 않은 경우(b)에 혼합매트(M)의 두께가 두꺼운 곳에 열이 잘 전달되지 않아 열가소성 수지 필름이 녹지 않는 현상이 발생하였으나, 본 발명은 그러한 현상이 발생하지 않는다.

도 5는 1개의 혼합매트(M)를 절반두께로 압축하여 가열한 경우(a)와 3개의 혼합매트(M)를 (a)와 동일한 두께로 압축하여 가열한 경우(b) 혼합매트(M) 내 탄소섬유(CF)의 밀도를 보여준다. 압축 후 동일한 두께의 혼합매트(M)라도 (b)에 작용하는 압력이 더 크고 탄소섬유(CF)의 함량도 더 높으므로, 혼합매트(M) 내의 탄소섬유(CF)의 밀도는 (b)가 더 크다. 밀도가 크면 탄소섬유(CF)에 전류가 더 잘 흐른다.

도 6에 도시된 그래프를 보면, 압력이 높을수록 그리고 열가소성 섬유 대비 탄소섬유(CF)의 함량이 높을수록 저항값이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 저항값이 내려가면 전류가 더 잘 흘러 발열량이 높아진다.

도 7에 도시된 그래프를 보면, 전압이 높을수록, 압력이 높을수록, 혼합매트(M)의 온도가 높아지는 것을 확인할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 열가소성 섬유(PC) 대비 탄소섬유(CF)의 함량이 30%일 때가 열가소성 섬유(PC) 대비 탄소섬유(CF)의 함량이 20% 나 40% 일 때 보다, 인장강도 및 인장탄성이 높게 나타는 것을 알 수 있다.

이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법을 설명한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법은,

탄소섬유와 열가소성 섬유가 혼합된 혼합매트를 준비하는 제1단계(S21);

상기 혼합매트를 위아래에서 가압하는 제2단계(S22); 및

상기 혼합매트에 전류를 흘려 상기 탄소섬유를 발열시켜, 상기 열가소성 섬유를 용융시키고 냉각시켜 열가소성 매트릭스를 형성하되, 상기 혼합매트의 상면과 하면은 별도로 더 가열하는 제3단계(S23)로 구성된다.

제1단계(S21) 및 제2단계(S22)는 제1실시예의 제1단계(S11) 및 제2단계(S12)와 동일하므로 그 설명을 생략한다.

이하, 제3단계(S23)를 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같은, 상판(11)과 하판(12)에 내장된 가열부재(15)로 혼합매트(M)를 상부와 하부에서 가열한다.

이렇게 제2실시예에서는 혼합매트(M)를 가열함에 있어서, 제1실시예에서 설명한 전류에 의한 탄소섬유(CF)의 발열을 이용하여 혼합매트(M)를 내부로부터 가열하는 방법과, 가열부재(15)로 혼합매트(M)를 상부와 하부에서 가열하는 방법을 다 같이 사용한다.

이로 인해, 혼합매트(M)는 탄소섬유(CF)에 흐르는 전류에 의한 발열로 인해 전 영역에서 고르게 가열되면서, 상판(11)과 하판(12)에 접촉됨으로 인해 혼합매트(M)의 상면과 하면이 온도가 하락하는 것도 막을 수 있다. 따라서, 혼합매트(M)가 전체적으로 균일한 온도분포를 가질 수 있다.

1: 고밀도 탄소섬유 복합재 제조장치
10: 가압부
11: 상판 12: 하판 13: 구동부
14: 전기절연체 15: 가열부재
20: 가열부 21: 전극
22: 전원 23: 도선
M: 혼합매트 CF: 탄소섬유
PC: 열가소성 섬유

Claims (5)

1. 압축에 의해 탄소섬유 복합재를 고밀도로 만들 수 있고, 압축으로 인해 열가소성 섬유와 탄소섬유와의 접촉 면적이 넓어지고, 상기 열가소성 섬유가 용융되서 생긴 열가소성 수지가 상기 탄소섬유 사이로 침투하기 위한 이동거리가 짧아지도록, 상기 탄소섬유와 상기 열가소성 섬유를, 수직 및 수평방향을 포함하는 무작위 방향으로 서로 얽혀 분포시킨, 부직포 형태의 혼합매트를 준비하는 제1단계;
   
   상기 혼합매트의 상부와 접촉하여 상기 혼합매트를 가압하는 상판과, 상기 혼합매트의 하부와 접촉하여 상기 혼합매트를 가압하는 하판과, 상기 상판과 상기 하판을 위아래로 이동시키는 구동부와, 상기 혼합매트와 접촉하는 상판 및 하판의 접촉면에 부착된 전기절연체로 구성된 제1가압부로,
   상기 혼합매트를 위아래에서 가압하여, 상기 탄소섬유와 상기 열가소성 섬유가 서로 얽혀진 상태로 압축시키고, 수직 및 수평방향을 포함하는 상기 혼합매트 전체 방향으로 전기통로를 형성하거나,
   
   상기 혼합매트의 상부와 접촉하여 상기 혼합매트를 가압하는 상판과, 상기 혼합매트의 하부와 접촉하여 상기 혼합매트를 가압하는 하판과, 상기 상판과 상기 하판을 위아래로 이동시키는 구동부와, 상기 혼합매트와 접촉하는 상판 및 하판의 접촉면에 부착된 전기절연체와, 상기 상판 및 상기 하판의 내부에 포함된 가열부재로 구성된 제2가압부로,
   상기 혼합매트를 위아래에서 가압하여, 상기 탄소섬유와 상기 열가소성 섬유가 서로 얽혀진 상태로 압축시키고, 수직 및 수평방향을 포함하는 상기 혼합매트 전체 방향으로 전기통로를 형성하는 제2단계; 및
   
   상기 제1가압부로 상기 혼합매트를 위아래에서 가압할 때, 상기 혼합매트에 전류를 흘려, 무작위 방향으로 분포된 상기 탄소섬유를 발열시켜, 무작위 방향으로 분포된 상기 열가소성 섬유를 용융시킨 후, 냉각시켜 열가소성 매트릭스를 형성하되,
   상기 제2가압부의 전기절연체 보다 상대적으로 열전도율이 낮은 상기 제1가압부의 전기절연체로 상기 혼합매트에 흐르는 전류가 상기 상판 및 하판으로 흘러들어가는 것을 차단하고 동시에,
   상기 탄소섬유에서 발생하는 열이 상기 상판 및 상기 하판으로 손실되는 것을 방지하거나,
   
   상기 제2가압부로 상기 혼합매트를 위아래에서 가압할 때, 상기 혼합매트에 전류를 흘려 무작위 방향으로 분포된 상기 탄소섬유를 발열시켜, 무작위 방향으로 분포된 상기 열가소성 섬유를 용융시킨 후, 냉각시켜 열가소성 매트릭스를 형성하되,
   상기 제2가압부의 전기절연체로 상기 혼합매트에 흐르는 전류가 상기 상판 및 하판으로 흘러들어가는 것을 차단하고 동시에,
   상기 제1가압부의 전기절연체 보다 상대적으로 열전도율이 높은 전기절연체를 통해서, 상기 상판 및 하판의 내부에 포함된 가열부재의 열을 상기 혼합매트로 전달시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 탄소섬유 복합재 제조방법.
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