KR102242368B1 - 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리아미드계 수지에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 혼합하여 소재의 비중은 유지하면서 인장강도를 증가시킨 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물은 폴리아미드계 수지를 베이스 수지로 사용하는 폴리아미드 수지 조성물로서, 탄소섬유(CF): 25 ~ 45wt%, 탄소나노튜브(CNT): 0.2 ~ 2.0wt% 및 나머지 폴리아미드계 수지를 포함한다.

Description

차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물{Polyamide resin composition for vehicle parts}
본 발명은 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리아미드계 수지에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 혼합하여 소재의 비중은 유지하면서 인장강도를 증가시킨 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물에 관한 것이다.
자동차 분야에서는 연비 향상을 위하여 부품의 경량화를 추구하고 있다.
그래서, 스틸(steel) 소재의 부품을 플라스틱으로 소재로 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 플라스틱 중에서도 폴리아미드 수지는 이러한 연구개발에 중요한 대체화 소재로 각광을 받고 있다.
이러한 폴리아미드 수지는 내충격성, 내마모성, 내화학성 등이 우수한 장점이 있지만, 인장강도 또는 인장신율 등의 물성이 상용 제품에 적용하기에는 낮은 한계점이 있다.
그래서, 일반적으로는 폴리아미드 수지의 인장강도 및 인장신율 등을 향상시키기 위하여 수지 내에 그라파이트, 유리섬유, 탄소섬유 등과 같은 강화용 필러를 첨가제로 분산시켜 폴리아미드 복합재를 제조하는 방법이 널리 사용 되고 있다.
하지만, 강화용 필러와 같은 첨가제의 함량이 증가할수록 비중이 증가하여 부품의 무게가 증가하는 문제가 있고, 폴리아미드와 그라파이트(흑연)를 혼합한 복합 재료에서 그라파이트의 함량을 증가시키면 강성이 어느 정도 증가하지만 충격 강도가 저하되는 문제가 발생된다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
등록특허공보 제10-1154303호 (2012.06.01)
본 발명은 폴리아미드 수지에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 혼합하여 소재의 비중은 유지하면서 인장강도를 증가시킨 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물은 폴리아미드계 수지를 베이스 수지로 사용하는 폴리아미드 수지 조성물로서, 탄소섬유(CF): 25 ~ 45wt%, 탄소나노튜브(CNT): 0.2 ~ 2.0wt% 및 나머지 폴리아미드계 수지를 포함한다.
상기 폴리아미드 수지 조성물은 커플링제: 5 ~ 8wt% 더 포함한다.
상기 커플링제는 아미드계 커플링제인 것을 특징으로 한다.
상기 폴리아미드 수지 조성물은 인장강도가 240MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 폴리아미드 수지 조성물은 러버(Rubber): 3 ~ 8wt%를 더 포함한다.
상기 러버(Rubber)는 PE계 러버(Rubber)인 것을 특징으로 한다.
상기 폴리아미드 수지 조성물은 인장신율이 4% 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 탄소섬유(CF)는 단섬유(Short fiber)인 것을 특징으로 한다.
상기 폴리아미드 수지 조성물은 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량이 0.2 ~ 0.5wt%인 것을 특징으로 한다.
상기 폴리아미드계 수지는 나일론 66(PA66)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 폴리아미드계 수지에 탄소섬유 및 탄소나노튜브의 혼합량을 한정하고, 커플링제와 러버(Rubber)의 종류 및 혼합량을 한정함으로써 소재의 비중은 유지하면서 인장강도와 인장신율의 향상을 기대할 수 있다.
도 1은 비교예 및 실시예의 조건 및 실험결과를 보여주는 표이고,
도 2a은 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량에 따른 인장강도의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 2b는 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량에 따른 외관품질 및 가공성의 변화를 보여주는 표이며,
도 3은 커플링제의 종류에 따른 인장강도와 인장신율의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 4는 러버(Rubber)의 종류에 따른 인장강도와 인장신율의 변화를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물은 폴리아미드계 수지를 베이스 수지로 사용하는 폴리아미드 수지 조성물로서, 탄소섬유(CF): 25 ~ 45wt%, 탄소나노튜브(CNT): 0.2 ~ 2.0wt% 및 나머지 폴리아미드계 수지를 포함한다.
폴리아미드계 수지는 베이스 수지(base rasin)로서, 내충격성, 내마모성, 내화학성 등이 우수한 장점이 있는 수지이다. 하지만, 인장강도와 인장신율이 차량의 부품용으로 적용하기에는 낮은 한계가 있기 때문에 본 발명에서는 폴리아미드계 수지에 탄소섬유(CF)와 탄소나노튜브(CNT)를 소정 함량으로 혼합하여 폴리아미드 복합재를 구현하였다.
본 실시예에서 폴리아미드계 수지는 특정 소재로 한정하지 않으며, 일예로 나일론 66(PA66)를 적용하였다.
탄소섬유(Carbon Fiber, CF)는 수지 조성물의 인장강도를 향상시키기 위하여 첨가되는 강화제로서, 본 실시예에서는 인장강도의 향상을 보장하면서 탄소섬유로 소재의 배합과 생산을 위한 가공성을 확보하기 위하여 단섬유(Short fiber)를 사용하였다.
탄소섬유는 25 ~ 45wt%를 혼합하였다. 만약 탄소섬유의 혼합량이 25wt%보다 적은 경우에는 인장강도의 향상을 보장할 수 없고, 탄소섬유의 혼합량이 45t%보다 많은 경우에는 가공성이 나빠지는 문제가 있다. 바람직하게는 탄소섬유를 35wt% 혼합하는 것이 좋다.
탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)는 탄소섬유와 함께 수지 조성물의 인장강도를 향상시키기 위하여 첨가되는 강화제로서, 본 실시예에서는 여러 강화제 중 비중의 변화를 최소화하면서 인장강도를 향상시키기 위하여 탄소나노튜브(CNT)를 혼합시켰다.
탄소나노튜브(CNT)는 0.2 ~ 2.0wt%를 혼합하였다. 탄소나노튜브(CNT)의 혼합에 따른 인장강도의 향상을 보장하기 위하여 바람직하게는 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량은 0.5 ~ 1.4wt%인 것이 좋다. 하지만, 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량이 증가할수록 외관 품질 및 가공성이 나빠지기 때문에 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량은 0.2 ~ 0.5wt%인 것이 바람직하다.
한편, 폴리아미드 수지 조성물은 베이스 수지인 폴리아미드계 수지와 탄소섬유(CF) 및 탄소나노튜브(CNT) 사이의 계면 접착력 향상을 위하여 커플링제(Coupling agent)를 더 혼합할 수 있다.
이때 커플링제는 5 ~ 8wt%를 혼합하는 것이 바람직하다. 커플링제의 혼합량이 5wt%보다 적은 경우에는 커플링제의 혼합에 따른 효과가 미비하고, 커플링제의 혼합량이 8wt%보다 많은 경우에는 물성이 오히려 저하되는 현상이 발생할 수 있다.
특히, 커플링제는 여러 종류가 있지만, 본 실시예에서는 인장강도를 유지하거나 향상시키면서 인장신율을 향상시켜서 내구성을 증대시키기 위하여 그 종류를 한정하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 커플링제를 아미드계 커플링제로 한정하였다.
한편, 폴리아미드 수지 조성물은 인장신율의 향상을 위하여 러버(Rubber)를 더 혼합할 수 있다.
이때 러버(Rubber)는 3 ~ 8wt%를 혼합하는 것이 바람직하다. 러버(Rubber)의 혼합량이 3wt%보다 적은 경우에는 러버(Rubber)의 혼합에 따른 효과가 미비하고, 러버(Rubber)의 혼합량이 8wt%보다 많은 경우에는 물성이 오히려 저하되는 현상이 발생할 수 있다.
특히, 커플링제와 마찬가지로 러버(Rubber)도 여러 종류가 있지만, 본 실시예에서는 인장강도의 저하를 최소화하면서 인장신율을 향상시켜서 내구성을 증대시키기 위하여 그 종류를 한정하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 러버(Rubber)를 PE계 러버(Rubber)로 한정하였다.
한편, 본 실시예에서 탄소섬유(CF), 탄소나노튜브(CNT), 커플링제(Coupling agent) 및 러버(Rubber)의 혼합량 이외의 잔부는 폴리아미드계 수지이다.
이하, 비교예 및 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.
도 1과 같이 각 성분의 혼합량을 변경하면서 폴리아미드 수지 조성물을 준비하였고, 준비된 폴리아미드 수지 조성물을 이용하여 인장강도 및 인장신율을 측정하기 위한 시편으로 제작하고, 각 시편에 대한 인장강도, 인장신율, 외관품질 및 가공성을 측정하여 도 1에 함께 나타내었다. 이때 인장강도 및 인장신율은 ASTM D638에 따른 시험규격에 따라 측정하였다.
도 1에서 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 3의 경우 비교예 1에 비하여 인장강도가 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이는 탄소나노튜브(CNT)의 혼합이 인장강도의 향상을 유도하였다고 유추할 수 있다.
그리고, 실시예 4 및 5의 경우 실시예 1 내지 3에 비하여 인장강도가 다소 증가하였고, 인장신율이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이는 커플링제의 혼합이 인장강도의 향상을 유도하면서 인장신율의 증가도 유도하였다고 유추할 수 있다.
또한, 실시예 6 및 7의 경우 실시예 1 내지 3에 비하여 인장강도는 다소 저하되었고, 인장신율이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이는 러버(Rubber)의 혼합이 인장강도의 저하를 초래하지만, 인장신율의 증가에 효과적이라는 것을 유추할 수 있다.
한편, 비교예 2 및 비교예 4는 실시예 1 및 실시예 2에 비하여 인장강도가 저하된 것을 확인할 수 있었다. 이는 탄소섬유 및 탄소나노튜브의 함량이 적을수록 인장강도가 저하된다는 것을 유추할 수 있다.
비교예 3 및 비교예 5은 탄소섬유 및 탄소나노튜브의 혼합량이 너무 많아서 인장강도는 상당히 향상되었지만, 외관품질 및 가공성이 나쁜 것을 확인할 수 있었다. 이는 탄소섬유의 함량이 너무 많으면 외관품질 및 가공성에 악영향을 미친다는 것을 유추할 수 있다.
비교예 6 및 7은 커플링제의 혼합량이 본 발명에서 제시하는 범위보다 적거나 많은 비교예로서, 실시예 4 및 5에 비하여 인장강도가 저하된 것을 확인할 수 있었다. 이는 커플링제의 혼합량을 본 발명에서 제시하는 범위로 제한하는 경우에 인장강도의 향상 효과를 기대할 수 있다는 것을 유추할 수 있다.
비교예 8 및 9는 러버(Rubber)의 혼합량이 본 발명에서 제시하는 범위보다 적거나 많은 비교예로서, 실시예 6 및 7에 비하여 인장신율이 저하된 것을 확인할 수 있었다. 이는 러버(Rubber)의 혼합량을 본 발명에서 제시하는 범위로 제한하는 경우에 인장신율의 향상 효과를 기대할 수 있다는 것을 유추할 수 있다.
비교예 10 및 11은 커플링제 및 러버(Rubber)의 혼합량이 본 발명에서 제시하는 범위보다 적거나 많은 비교예로서, 실시예 8에 비하여 인장강도 및 인장신율이 모두 저하된 것을 확인할 수 있었다. 이는 커플링제 및 러버(Rubber)의 혼합량을 본 발명에서 제시하는 범위로 제한하는 경우에 인장강도 및 인장신율의 향상 효과를 기대할 수 있다는 것을 유추할 수 있다.
다음으로, 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량에 따른 영향력을 알아보는 실험을 실시하였다.
베이스 수지인 PA66에 탄소섬유(CF)를 35wt% 혼합하고, 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량을 0wt%, 0.2wt%, 0.5wt%, 0.8wt%, 1.0wt% 및 2.0wt%로 변경하면서 폴리아미드 수지 조성물을 준비한 다음 시편을 제조하였다. 그리고, 각 시편의 인장강도를 측정하여 도 2a에 나타내었다. 또한 각 시편의 외관품질 및 가공성을 평가하여 도 2b에 나타내었다. 도 2b에서 '○'는 '좋음'을 나타내고, '△'는 '보통'을 나타내며, 'X'는 '나쁨'을 나타낸다.
도 2a에서 알 수 있듯이, 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량이 증가할수록 인장강도는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량이 0.5wt%를 넘어서면서 인장강도가 비약적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량이 0.8wt%를 넘어서면서 인장강도의 증가 효과가 미비해지는 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 2b에서 알 수 있듯이, 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량이 증가할수록 외관품질과 가공성이 나빠지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량은 인장강도의 증가 효과를 기대하면서 외관품질과 가공성을 좋게 유지하기 위하여 0.2 ~ 0.5wt%인 것이 바람직하다.
다음으로, 커플링제의 종류에 따른 영향력을 알아보는 실험을 실시하였다.
베이스 수지인 PA66에 탄소섬유(CF)를 35wt% 혼합하고, 탄소나노튜브(CNT)를 0.5wt% 혼합하며, 커플링제를 5wt% 혼합하되, 커플링제의 종류를 아미드계와 에폭시계로 변경하면서 폴리아미드 수지 조성물을 준비한 다음 시편을 제조하였다. 이때 비교예는 커플링제를 혼합하지 않는 폴리아미드 수지 조성물로 시편을 제조하였다. 그리고, 각 시편의 인장강도 및 인장신율을 측정하여 도 3에 나타내었다.
도 3에서 알 수 있듯이, 커플링제를 혼합함에 따라 커플링제를 혼합하지 않은 비교예에 비하여 인장강도 및 인장신율이 모두 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 아미드계 커플링제를 혼합한 경우가 에폭시계 커플링제를 혼합한 경우보다 인장강도 및 인장신율이 더 증가한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 커플링제는 아미드계 커플링제를 혼합하는 것이 더 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
다음으로, 러버(Rubber)의 종류에 따른 영향력을 알아보는 실험을 실시하였다.
베이스 수지인 PA66에 탄소섬유(CF)를 35wt% 혼합하고, 탄소나노튜브(CNT)를 0.5wt% 혼합하며, 러버(Rubber)를 5wt% 혼합하되, 러버(Rubber)의 종류를 PE계와 PS계로 변경하면서 폴리아미드 수지 조성물을 준비한 다음 시편을 제조하였다. 이때 비교예는 러버(Rubber)를 혼합하지 않는 폴리아미드 수지 조성물로 시편을 제조하였다. 그리고, 각 시편의 인장강도 및 인장신율을 측정하여 도 4에 나타내었다.
도 4에서 알 수 있듯이, 러버(Rubber)를 혼합함에 따라 러버(Rubber)를 혼합하지 않은 비교예에 비하여 인장강도는 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, PE계 러버(Rubber)를 혼합한 경우에는 인장신율이 증가하였지만, PS계 러버(Rubber)를 혼합한 경우에는 인장신율도 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 러버(Rubber)는 PE계 러버(Rubber)를 혼합하는 것이 더 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (10)

  1. 폴리아미드계 수지를 베이스 수지로 사용하는 폴리아미드 수지 조성물로서,
    탄소섬유(CF): 25 ~ 45wt%, 탄소나노튜브(CNT): 0.2 ~ 2.0wt%, 러버(Rubber): 3 ~ 8wt% 및 나머지 폴리아미드계 수지를 포함하고,
    인장강도가 222MPa 이상이고, 인장신율이 4% 이상인 것을 특징으로 하는 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리아미드 수지 조성물은 커플링제: 5 ~ 8wt% 더 포함하는 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 커플링제는 아미드계 커플링제인 것을 특징으로 하는 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 폴리아미드 수지 조성물은 인장강도가 240MPa 이상인 것을 특징으로 하는 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 러버(Rubber)는 PE계 러버(Rubber)인 것을 특징으로 하는 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소섬유(CF)는 단섬유(Short fiber)인 것을 특징으로 하는 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리아미드 수지 조성물은 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량이 0.2 ~ 0.5wt%인 것을 특징으로 하는 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리아미드계 수지는 나일론 66(PA66)인 것을 특징으로 하는 차량의 부품용 폴리아미드 수지 조성물.
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