KR102294685B1 - 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물 및 그의 제조방법 - Google Patents

기능성 입자 함유 탄소섬유 직물 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합 및 분쇄한 혼합 분말이 탄소섬유 직물의 적어도 일면에 열 융착되어 형성되며, 이때 혼합 분말은 상기 기능성 입자 및 상기 바인더 입자를 바인더 입자의 녹는점 이상으로 가열하여 균일하게 혼합한 후, 소정의 크기로 분쇄하여 형성된다. 이를 통해, 기능성 입자를 탄소섬유 직물 상에 균일하게 분포시켜 기능성 및 강도를 향상시킬 수 있고, 탄소섬유 직물의 기재 부착력을 향상시킬 수 있다.

Description

기능성 입자 함유 탄소섬유 직물 및 그의 제조방법{CARBON FIBER FABRIC INCLUDING FUNCTIONAL PARTICLE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 탄소섬유 직물에 관한 것으로, 보다 구체적으로 열경화성 탄소섬유 복합재료의 제조에 주로 사용되는 RTM, Va-RTM 및 RIM 성형법에 이용되는 탄소섬유 직물에 기능성을 부여하고 강도를 향상시킬 수 있는 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
열경화성 탄소섬유 복합재료는 탄소섬유로 강화한 플라스틱계 복합재료로서, 탄소섬유에 열경화성 수지를 함침시켜 제조된다. 열경화성 탄소섬유 복합재료는 뛰어난 기계적 특성과 플라스틱의 내식성을 동시에 가지고 있는 고성능, 고기능성 재료로 널리 사용되고 있다.
이러한, 열경화성 탄소섬유 복합재료는 성형 몰드 내에 탄소섬유 직물을 위치시키고 열경화성 수지를 주입하여 탄소섬유 직물에 열경화성 수지를 함침시켜 제조되며, 일반적으로 RTM(Resin Transfer Molding, 수지이송성형), Va-RTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) 및 RIM(Resin Injection Molding, 수지주입성형) 성형법을 이용하여 열경화성 탄소섬유 복합재료를 제조한다. 이들 중 RTM 성형은 프레스 금형에 원단을 적층하고 상부 금형을 닫은 후에 매트릭스 수지를 투입하여 탄소섬유 복합재료를 제조하는데, 이와 같이 RTM 성형은 매트릭스 수지가 빈 공간을 밀어내면서 성형하는 공법이기 때문에 제품의 수치안정성과 높은 물성을 기대할 수 있으며 작업성이 좋아 대량 생산에 유리한 장점을 가진다.
이때, 복합재료에 기능성을 부여하고 강도를 향상시키기 위하여, 주입되는 수지에 기능성 입자 또는 필러를 혼합하여 사용된다. 그러나 성형 몰드 내에 위치한 탄소섬유 직물이 일종의 필터 역할을 하여, 성형 몰드 내에 기능성 입자가 혼합된 수지가 주입될 때 수지가 탄소섬유 직물을 통과하면서 탄소섬유 직물이 주입된 수지 내부에 분산된 기능성 입자 또는 필러를 걸러내어, 수지 내부에 분산된 기능성 입자 또는 필러가 탄소섬유 직물 상에 균일하게 분포되지 못하고, 특정한 위치나 방향으로 치우쳐 분포되는 문제가 발생한다. 이와 같이 기능성 입자 또는 필러가 탄소섬유 직물 상에 불균일하게 분포될 경우, 필요로 하는 기능성 입자의 성능이 탄소섬유 복합재료에서 제대로 발현되지 않으며, 물성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
대한민국 공개특허 10-2018-0136639호는 스프레드 토우 탄소섬유 직물을 이용한 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법에 대한 발명으로, 기능성 입자인 전도성 분말을 포함하는 고분자 물질을 수지이송성형(RTM)으로 탄소섬유 직물에 함침하는 구성을 포함한다. 그러나 상기 특허는 기능성 입자로 전도성 분말을 사용하는 것 만이 개시되어 있을 뿐, 상술한 탄소섬유 직물이 필터 역할을 하여 발생하는 문제를 해결하지 못한다.
상술한 문제를 해결하기 위한 방안으로 탄소섬유 직물 상에 바인더 분말을 살포한 후 그 상부에 기능성 입자를 직접 살포하는 방식이 사용될 수 있으나, 이 경우 기능성 입자가 바인더 분말을 가리게 되어 탄소섬유 직물을 다른 기재에 부착시킬 때 기재 부착력이 낮아지고 기능성 입자의 사용량이 증가하는 문제가 발생하게 된다.
대한민국 공개특허 10-2018-0136639호
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 강화 기재인 탄소섬유 직물에 의한 필터링 문제를 해결하기 위한 수단으로 강화 기재에 기능성 입자(필러)를 부착시킴으로 기능성 입자(필러)의 분포 문제를 해결할 수 있는 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물 및 그의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 탄소섬유 직물 표면에 위치한 기능성 입자가 바인더 물질을 가려 탄소섬유 직물을 다른 기재에 부착시킬 때 기재 부착력이 낮아지고 기능성 입자의 사용량이 증가하는 문제를 해결할 수 있는 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합 및 분쇄한 혼합 분말을 사용하여, 탄소섬유 직물의 적어도 일면에 바인더 입자의 융착으로 기능성 입자가 고정된, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물에 의해 달성된다.
바람직하게는, 혼합 분말은 기능성 입자와 바인더 입자를 바인더 입자의 녹는점 이상으로 가열하면서 균일하게 혼합한 후 소정의 크기로 분쇄한 것일 수 있다.
바람직하게는, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 기재 부착력은 10gf 내지 2,000gf이고, 공기 투과성은 3cc/cm2·S 내지 1,000cc/cm2·S일 수 있다.
바람직하게는, 기능성 입자의 평균입경(d50)은 3nm 내지 600㎛일 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유 직물 상에 열 융착된 혼합 분말의 두께는 10㎛ 내지 720㎛일 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유 직물의 두께 대비 기능성 입자의 두께비는 0.000005:1 내지 1:1일 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유 직물 100 중량부 대비 기능성 입자는 0.1 내지 20 중량부일 수 있다.
바람직하게는, 기능성 입자는 실리카, 규조토, 알루미나, 산화아연, 산화티탄, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화철, 산화납, 산화안티몬, 페라이트, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 염기성탄산마그네슘, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산아연, 탄산바륨, 도소나이트, 하이드로탈사이트, 황산칼슘, 석고, 황산바륨, 석고섬유, 규산칼슘, 탈크, 세피오라이트, 클레이, 마이카, 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 활성백토, 이모고라이트, 세리사이트, 유리섬유, 그라스비즈, 글라스 버블, 시리카계발룬, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 카본블랙, 그라파이트, 탄소섬유, 탄소발룬, 목탄분말, CNT, 티탄산칼륨, MOS, 티탄산지르콘산납, 탄화규소, 스테인레스섬유, 붕산아연, 스라그섬유, 테프론분, 목분, 펄프, 고무분, 아라미드섬유 및 금속입자 중에서 선택되는 하나 이상의 입자일 수 있다.
바람직하게는, 바인더 입자는 비스페놀 A계 또는 비스페놀계 조성물일 수 있다.
바람직하게는, 바인더 입자의 녹는점은 50℃ 내지 150℃일 수 있다.
바람직하게는, 기능성 입자의 녹는점은 바인더 분말의 녹는점보다 적어도 10℃ 이상 높은 녹는점을 가질 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유 직물은 섬유의 가닥 수가 3,000 내지 50,000이며, 단위면적당 중량이 100 내지 600 g/m2일 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유 직물은 평직, 능직, 주자직, NCF, UD직물 및 부직포 중에서 어느 하나의 형태일 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유 직물은 면상에서 탄소섬유가 차지하는 면적비가 75% 이상일 수 있다.
바람직하게는, 혼합 분말은 스캐터를 통하여 탄소섬유 직물에 살포된 것일 수 있다.
또한, 상기 목적은 상술한 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물을 RTM 공정을 통하여 에폭시계 수지에 함침시켜 제조된 탄소섬유 복합소재에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합 및 분쇄하여 혼합 분말을 제조하는 단계, 혼합 분말을 스캐터를 이용하여 탄소섬유 직물 상에 살포하는 단계 및 혼합 분말이 살포된 탄소섬유 직물을 열처리하여 기능성 입자를 탄소섬유 직물의 표면에 열 융착시키는 단계를 포함하는, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 제조방법에 의해 달성된다.
바람직하게는, 혼합 분말을 제조하는 단계는 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합하는 단계, 혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 바인더 입자의 녹는점 이상으로 가열하면서 혼합하는 단계 및 가열하면서 혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 소정의 크기로 분쇄하여 혼합 분말을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 살포하는 단계는 혼합 분말을 스캐터 롤의 표면에 형성된 미세 홈에 채우고, 미세 홈에 채워진 혼합 분말을 털어내어 탄소섬유 직물 상에 균일하게 살포하는 단계일 수 있다.
바람직하게는, 열 융착시키는 단계는, 바인더 입자의 녹는점 이상의 온도 내지 상기 기능성 입자의 녹는점 온도 미만에서 열처리하는 단계일 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물 및 그의 제조방법은 탄소섬유 직물에 기능성 입자 또는 필러를 균일하게 분포시켜, RTM, Va-RTM 및 RIM 성형법을 통해 기능성 탄소섬유 직물로부터 제조되는 탄소섬유 복합재료의 기능성 및 강도를 향상시킬 수 있고, 탄소섬유 직물과 기능성 입자 사이의 부착력을 향상시키며, 탄소섬유 직물의 기재 부착력을 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 다른 양상에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 제조방법에서 혼합 분말을 만드는 단계의 세부 흐름도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
본 발명의 일 양상에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 기능성 입자(필러) 및 바인더 입자를 함께 혼합 및 분쇄하여 제조된 혼합 분말을 탄소섬유 직물의 적어도 일면에 도포한 후 열처리하여, 열에 의한 바인더 입자의 융착에 의해 탄소섬유 직물 상에 기능성 입자가 균일하게 고정(부착)된 것이다. 이때, 혼합 분말은 스캐터를 통해 탄소섬유 직물의 표면에 살포되는 것이 바람직하다.
본 발명은 열경화성 탄소섬유 복합재료의 성형에 사용되는 RTM, Va-RTM 및 RIM 성형법에 있어서, 강화 기재로 사용되는 탄소섬유 직물에 기능성 입자를 도입함으로써, 매트릭스 수지에 기능성 입자를 혼합할 필요가 없고, 기능성 입자를 탄소섬유 직물의 표면에 고르게 분포시킴으로써 탄소섬유 복합소재의 기능성 및 강도를 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 균일하게 혼합한 다음 이를 분쇄하여 혼합 분말을 만들고, 혼합 분말을 탄소섬유 표면에 도포하고 열처리하여, 탄소섬유 직물 상에 기능성 입자가 균일하게 열 융착될 수 있도록 한다. 이때, 혼합 분말은 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합하여 균일하게 분산된 혼합물을 준비하고, 바인더 입자의 녹는점 이상으로 가열하면서 혼합한 후, 얻어진 혼합물을 소정의 크기로 분쇄하여 제조될 수 있다.
이때, 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합하고 가열한 후 분쇄하여 형성된 혼합 분말의 입자 입경은 3 nm 내지 720㎛인 것이 바람직하다. 혼합 분말의 입자 입경이 3 nm 미만인 경우 균일한 살포가 어려운 문제가 있고, 720㎛ 초과인 경우 살포 시에 혼합 입자가 부분적으로 과밀되는 문제를 가진다. 이와 같은 혼합 분말의 입자 입경을 상기 범위로 달성하기 위한 방법 중 하나로 분쇄된 혼합 분말을 상기 범위의 크기를 가지는 체(sieve)를 통해 분리하는 방법을 사용할 수 있다.
이러한 과정은 바인더 입자와 기능성 입자가 서로 혼합되어 붙어있는 혼합 분말을 만들기 위한 것으로, 바인더의 형태는 입자 형태뿐만 아니라 고체상이나 액상도 무방하지만 입자상이 보다 바람직하다. 또한, 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합한 후 가열하는 온도는 기능성 입자의 녹는점과 바인더 입자 녹는점 사이의 온도인 것이 바람직하다.
이와 같이, 탄소섬유 직물에 기능성 입자 및 바인더 입자를 직접 살포하는 것이 아니라, 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합 및 가열 혼합한 후 다시 분쇄하여 기능성 입자와 바인더 입자가 서로 부착된 혼합 분말 상태로 뿌려 줌으로써, 탄소섬유 직물 상에 기능성 입자 및 바인더 입자가 균일하게 도포될 수 있도록 한다. 이 경우 바인더 입자가 부착되지 않거나 부족한 부분이 발생하지 않아, 바인더 부족으로 탈락되는 기능성 입자가 발생하지 않으므로, 기능성 입자의 부착율이 높아지게 된다. 또한, 바인더 입자를 도포한 후 기능성 입자를 도포하는 경우 기능성 입자에 의해 바인더가 외부로 충분히 노출되지 않아 제조된 기능성 탄소섬유 직물의 기재 부착력이 떨어지게 되는데, 본 발명에서는 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합하고 가열한 후 분쇄한 혼합 분말을 사용하므로 동일한 바인더 양에서도 높은 기재 부착력을 가지게 된다. 이와 같이, 본 발명은 바인더 입자가 기능성 입자와 혼합된 형태로 탄소섬유 직물 상에 열 융착되므로, 탄소섬유 직물을 이용하여 탄소섬유 복합소재를 제조하거나 프리포밍 시에 프리폼의 융착을 가능하게 한다.
바인더 입자는 상온에서 고체이고 열을 가했을 때 연화점을 가지며 점착 또는 접착력을 가지는 물질인 것이 바람직하다. 또한, 바인더 입자는 탄소섬유 복합소재를 제조할 때 사용되는 매트릭스 수지와 상용성이 있어서 한다. 즉, RTM 성형과 같은 탄소섬유 복합재료의 제조 과정에서 주입되는 매트릭스 수지와 탄소섬유 직물이 밀착되어 부착될 수 있도록, 바인더 입자는 매트릭스 수지와 상용성을 가지는 것이 바람직하다.
이를 위해, 바인더 입자는 비스페놀 A계 또는 비스페놀 조성물을 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 바인더 입자는 상술한 비스페놀 조성물에만 한정되는 것은 아니며, 폴리에스테르계, 비닐에스터계, 폴리우레탄계와 같은 열경화성 수지와 폴리에틸렌, 폴리아미드, ABS, 아크릴계 수지, 폴리프로필렌 수지 및 폴리비닐알콜과 같은 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 바인더 입자는 탄소섬유 직물 100 중량부 대비 0.5 내지 20 중량부인 것이 바람직하다. 바인더 입자가 0.5 중량부 미만인 경우 기능성 입자가 탄소섬유 직물 표면에 제대로 고정되지 않으며, 20중량부 초과인 경우 RTM 성형 공정 등에서 매트릭스 수지의 함침을 방해하여 물성이 저하되는 문제를 가진다.
일 실시예에서, 기능성 입자의 평균 입경(d50)은 3nm 내지 600㎛인 것이 바람직하고, 10 nm 내지 400㎛인 것이 보다 바람직하며, 15㎛ 내지 200㎛인 것이 보다 더 바람직하다. 기능성 입자의 평균 입경이 3nm 미만인 경우 혼합 분말을 제조하는 단계에서 균일한 혼합이 어려우며 기능성 입자에 의한 물성 증가 효과가 미비하고, 600㎛ 초과인 경우에는 탄소섬유 기재에 부착된 이후 물리적 힘에 의하여 탈락되기 쉽기 때문이다.
일 실시예에서, 탄소섬유 직물 상에 열 융착된 혼합 분말의 두께는 10㎛ 내지 720㎛인 것이 바람직하며, 10㎛ 내지 500㎛인 것이 보다 바람직하고, 15㎛ 내지 300㎛인 것이 보다 더 바람직하다. 열 융착되는 두께가 10㎛ 미만인 경우 기재 부착이 불가하고, 720㎛ 초과인 경우 충격강도가 감소하는 문제를 가진다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 탄소섬유 직물은 탄소섬유 직물의 표면을 기능성 입자가 완전하게 채우는 것이 아니기 때문에, 열 융착된 혼합 분말의 두께는 직경 10mm 이상의 두께 게이지를 사용하여 측정하는 것이 바람직하다.
또한, 탄소섬유 직물 상에 고정된 기능성 입자의 두께는 기능성 입자의 평균 입경과 동일하게 3nm 내지 600㎛인 것이 바람직하고, 10 nm 내지 400㎛인 것이 보다 바람직하며, 15㎛ 내지 200㎛인 것이 보다 더 바람직하다.
일 실시예에서, 탄소섬유 직물의 두께 대비 기능성 입자의 두께비는 0.000005:1 내지 1:1인 것이 바람직하다. 이의 두께비가 0.000005 미만이면 성능 증대 효과가 미비하고, 1을 초과할 경우 물성이 저하되며 탄소섬유 직물의 핸들링 과정에서 탈락될 수 있기 때문이다.
일 실시예에서, 탄소섬유 직물 100 중량부에 대비 기능성 입자는 0.1 내지 20 중량부인 것이 바람직하다. 기능성 입자의 함량이 0.1중량부 미만이면 성능 증대 효과가 미비하고, 20중량부를 초과하면 물성이 저하되는 요인이 된다.
일 실시예에서, 기능성 입자는 실리카, 규조토, 알루미나, 산화아연, 산화티탄, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화철, 산화납, 산화안티몬, 페라이트, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 염기성탄산마그네슘, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산아연, 탄산바륨, 도소나이트, 하이드로탈사이트, 황산칼슘, 석고, 황산바륨, 석고섬유, 규산칼슘, 탈크, 세피오라이트, 클레이, 마이카, 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 활성백토, 이모고라이트, 세리사이트, 유리섬유, 그라스비즈, 글라스버블, 시리카계발룬, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 카본블랙, 그라파이트, 탄소섬유, 탄소발룬, 목탄분말, CNT, 티탄산칼륨, MOS, 티탄산지르콘산납, 탄화규소, 스테인레스 섬유, 붕산아연, 스라그 섬유, 테프론분, 목분, 펄프, 고무분, 아라미드 섬유 및 금속입자 중에서 선택되는 하나 이상의 입자인 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 바인더 입자(바인더 분말)는 50 내지 150℃의 녹는점(융점)을 가지는 것이 바람직하다. 바인더 입자의 녹는점이 50℃ 미만이면 상온에서 서로 다른 탄소섬유 직물이 서로 달라붙어 핸들링성에 지장이 있으며, 150℃를 초과하면 탄소섬유 복합소재 또는 프리폼 제작 시에 가온 온도가 너무 높아지게 되고, RTM 성형에서 수지 함침을 저해하는 요인가 되거나 RTM 성형온도를 높이게 되어 RTM 성형에서의 프로세스 윈도우를 좁히는 문제가 있다.
일 실시예에서, 기능성 입자의 녹는점은 바인더 분말의 녹는점보다 적어도 10℃ 이상 높은 것이 바람직하다. 기능성 입자의 녹는점이 바인더 분말의 녹는점과 10℃ 미만의 차이를 가질 경우 바인더 입자를 융착시키기 위한 열처리 과정에서 기능성 입자가 융해 또는 연화되거나 손상될 수 있다.
일 실시예에서, 탄소섬유 직물은 섬유의 가닥수가 3,000 내지 50,000인 것이 바람직하다. 탄소섬유 직물의 섬유 가닥수가 3,000 미만인 경우 소재의 가격이 과다하게 상승하는 문제가 있으며, 50,000을 초과한 경우 소재의 물성 불균일이 증가하는 문제가 있다.
또한, 탄소섬유 직물은 단위면적당 중량이 100 내지 600g/m2인 것이 바람직하다. 탄소섬유 직물의 단위면적당 중량이 100g/m2미만인 경우 소재의 가격이 과다하게 상승하고 적층 공정에서 적층 수가 늘어나는 문제가 있으며, 600g/m2초과인 경우 탄소섬유 복합소재 제조 공정 또는 프리폼 공정에서 부형성(형상 구현성)이 감소하고, 함침성이 저하되는 문제가 있다.
일 실시예에서, 탄소섬유 직물은 탄소섬유 직물의 면상에서 탄소섬유가 차지하는 면적비가 75% 이상인 것이 바람직하며, 80% 이상인 것이 보다 바람직고, 85% 이상인 것이 보다 더 바람직하다. 탄소섬유가 차지하는 면적비가 75% 미만이면 기능성 입자의 균일한 분포를 방해하고, 매트릭스 수지 함침 시 매트릭스 수지가 많은 부분을 차지하게 되어 기능성 입자의 도입에 의해 물성이 증가되지 않거나 오히려 물성이 저하되는 문제를 가진다.
일 실시예에서, 탄소섬유 직물의 직조방식은 평직, 능직, 주자직 및 NCF, UD 직물, 부직포 중에서 어느 하나의 형태인 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 기재 부착력은 10gf 내지 2,000gf 인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 15gf 내지 1,500gf인 것이 바람직하다. 이때, 기재 부착력이 10gf 미만인 경우 탄소섬유 탄소섬유 직물 간의 부착력이 낮아 복합소재를 제조할 때 섬유가 흐트러지기 쉬워서 탄소섬유 복합소재의 강도가 낮아지고 핸들링성이 떨어지는 문제가 있고, 2,000gf 초과인 경우에는 매트릭스 수지의 함침이 어려워져 강도가 낮아지게 된다.
또한, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 공기 투과성은 3cc/cm2·S내지 1,000cc/cm2·S인 것이 바람직하고, 5cc/cm2·S내지 500cc/cm2·S인 것이 보다 바람직하며, 10cc/cm2·S내지 200cc/cm2·S인 것이 보다 더 바람직하다. 이때, 공기 투과성이 3cc/cm2·S미만인 경우 매트릭스 수지의 함침이 어려워져 강도가 낮아지는 문제가 있고, 1,000cc/cm2·S초과인 경우 기능성 입자에 의한 물성 변화가 매우 적은 문제를 가진다.
상술한 내용과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 RTM, Va-RTM 및 RIM 성형과 같이 매트릭스 수지를 이송하여 주입하는 공정을 통하여 탄소섬유 복합소재로 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물을 RTM 공정을 통하여 에폭시계 수지에 함침시켜 기능성 탄소섬유 직물을 이용한 탄소섬유 복합소재를 제조할 수 있다. 탄소섬유 복합소재 제조시에 에폭시계 수지만 매트릭스 수지로 사용되는 것은 아니며, 폴리에스테르계, 비닐에스터계 및 폴리페놀계 수지를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다른 양상에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 제조방법을 나타내는 흐름도이고, 도 2는 도 1의 제조방법에서 혼합 분말을 만드는 단계의 세부 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 양상에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 제조방법은 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합 및 분쇄하여 혼합분말을 제조하는 단계(S110), 혼합 분말을 스캐터를 이용하여 탄소섬유 직물 상에 살포하는 단계(S120) 및 혼합 분말이 살포된 탄소섬유 직물을 열처리하여 기능성 입자를 탄소섬유 직물의 표면에 열 융착하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
먼저, 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합 및 분쇄하여 혼합분말을 제조하는 단계(S110)는 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합하는 단계(S111), 혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 바인더 입자의 녹는점 이상으로 가열하면서 혼합하는 단계(S112) 및 가열하면서 혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 소정의 크기로 분쇄하여 혼합 분말을 형성하는 단계(S113)를 포함할 수 있다.
기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합하는 단계(S111)에서는 기능성 입자와 바인더 입자를 1: 0.025 ~ 200의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다. 이때 바인더 입자가 0.025 중량비 미만인 경우 바인더 입자가 부족하여 기능성 입자가 탄소섬유 직물 상에 제대로 열 융착되지 못하고, 200 중량부를 초과할 경우 물성의 상승 효과가 없는 문제를 가진다.
혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 바인더 입자의 녹는점 이상으로 가열하면서 혼합하는 단계(S112)에서는 S111 단계에서 균일하게 혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 바인더 입자의 녹는점 이상으로 가열하여 바인더 입자를 융해시킨 후 융해된 기능성 입자와 바인더 입자를 균일하게 혼합한다.
가열하면서 혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 소정의 크기로 분쇄하여 혼합 분말을 형성하는 단계(S113)에서는 S112 단계에서 가열하면서 혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 분쇄하여 융해된 바인더와 기능성 입자가 균일하게 혼합된 혼합 분말을 형성한다. 이때, 분쇄된 혼합 분말의 입자 입경은 3 nm 내지 720㎛ 인 것이 바람직하다.
S111 단계 내지 S113 단계를 통해 기능성 입자와 바인더 입자를 단순하게 혼합하는 것이 아니라, 바인더 입자를 융해하고 기능성 입자와 혼합한 후 다시 분쇄하는 과정을 통해 기능성 입자와 바인더 입자를 균일하게 혼합할 수 있다.
다음으로, 혼합 분말을 스캐터를 이용하여 탄소섬유 직물 상에 살포하는 단계(S120)에서는 S110 단계에서 형성된 혼합 분말을 탄소섬유 직물 상에 고르게 살포한다. 이때, 혼합 분말은 스캐터를 이용하여 탄소섬유 직물 상에 혼합 분말이 위치하도록 한다.
살포하는 단계(S120)에서의 스캐터 방식은 스캐터 롤을 사용하는 방식으로, 스캐터 롤의 표면에 형성된 미세 홈에 혼합 분말을 채우고, 미세 홈에 채워진 혼합 분말을 털어내어 탄소섬유 직물 상에 균일하게 살포하여, 기능성 입자의 균일한 도입이 가능해진다. 이때, 스캐터 롤의 미세 홈에 혼합 분말을 털어내는 장치는 에어분사장치, 고정브러쉬, 브러쉬롤 또는 브러쉬에 진동을 부여한 방식 등이 사용될 수 있다.
다음으로, 혼합 분말이 살포된 탄소섬유 직물을 열처리하여 기능성 입자를 탄소섬유 직물의 표면에 열 융착하는 단계(S130)에서는 바인더 입자의 녹는점 이상의 온도 내지 기능성 입자의 녹는점 온도 미만에서 열처리하여 바인더 입자를 통해 기능성 입자가 탄소섬유 직물 상에 융착되도록 한다. 이때 열처리 방식은 IR 히터 방식이 바람직하다.
이하 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1]
비스페놀계 바인더 분말(Huntsman사, LT3366)과 기능성 입자인 글라스버블 K15(입경 105㎛, 3M사)를 중량비 2:1 로 혼합한 후 바인더 분말의 녹는점보다 높은 온도 200℃로 가열하면서 혼합한 혼합물을 분쇄하여 혼합 분말을 만든다. 다음으로 혼합 분말을 두께가 300㎛이고 중량이 300g/m2인 탄소섬유 직물(T700SC-12K-50C, 평직물, 300gsm, Toray)에 스캐터인 바인더 처리기(W2000, Nitotechno사)를 사용하여 15g/m2의 범위로 살포하고, IR히터로 바인더 분말이 녹을 때까지 열처리하여 기능성 탄소섬유 직물을 제조하였다.
제조된 기능성 탄소섬유 직물을 4매 적층한 후 RTM 금형에 넣고 KER828수지:TR-C38경화제 = 100:95의 중량비로 혼합하여 수지 주입을 실시하며, 성형온도는 120℃에서 10분간 유지하여 성형품을 얻었다.
[실시예 2]
실시예 1에서 혼합 분말의 살포량을 0.9g/m2으로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 기능성 탄소섬유 직물을 제조하고, 성형품을 제조하였다.
[실시예 3]
실시예 1에서 혼합 분말의 살포량을 180g/m2으로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 기능성 탄소섬유 직물을 제조하고, 성형품을 제조하였다.
[실시예 4]
실시예 3에서 탄소섬유 직물을 두께가 600㎛이고 중량이 600g/m2인 탄소섬유 NCF(±45o)직물로 변경한 것 이외에는 실시예 3과 동일한 방법으로 기능성 탄소섬유 직물을 제조하고, 성형품을 제조하였다.
[실시예 5]
실시예 2에서 탄소섬유 직물을 두께가 100㎛이고 중량이 100g/m2인 탄소섬유 직물로 변경한 것 이외에는 실시예 2과 동일한 방법으로 기능성 탄소섬유 직물을 제조하고, 성형품을 제조하였다.
[실시예 6]
실시예 1에서 기능성 입자를 CNT(입경 3nm)로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[실시예 7]
실시예 1에서 글라스버블의 입경이 600㎛로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[실시예 8]
실시예 1에서 기능성 입자를 CNT(직경 3nm)로 변경하고, 혼합 분말의 살포량을 1.8g/m2으로 변경하고, 탄소섬유 직물을 두께가 600㎛이고 중량이 600g/m2인 탄소섬유 직물로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[실시예 9]
실시예 1에서 바인더분말과 기능성 입자의 중량비를 5:1로 하고 글라스버블의 직경이 300㎛로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[실시예 10]
실시예 1에서 CNT(직경 3nm)로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[실시예 11]
실시예 1에서 바인더분말과 기능성 입자의 중량비를 5:1로 하고 글라스버블의 직경이 600㎛로 변경하고 탄소섬유 직물을 두께가 600㎛이고 중량이 600g/m2인 탄소섬유 직물로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[비교예 1]
두께가 300㎛이고 중량이 300g/m2인 탄소섬유 직물(T700SC-12K-50C, 평직물, 300gsm, Toray) 4매 적층한 후, RTM 금형에 넣고 KER828수지:TR-C38경화제 = 100:95 중량부 비로 혼합하여 수지 주입을 실시하였으며, 성형온도는 120℃에서 10분간 유지하여 성형품을 제조하였다.
[비교예 2]
실시예 1에서 혼합 분말의 살포량을 0.5g/m2으로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[비교예 3]
실시예 1에서 혼합 분말의 살포량을 200g/m2으로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 기능성탄소섬유 직물을 제조하고, 성형품을 제조하였다.
[비교예 4]
비교예 3에서 탄소섬유 직물을 두께가 600㎛이고 중량이 600g/m2인 탄소섬유 NCF(±45o)직물로 변경한 것 이외에는 비교예 3과 동일한 방법으로 기능성 탄소섬유 직물을 제조하고, 성형품을 제조하였다.
[비교예 5]
비교예 2에서 탄소섬유 직물을 두께가 100㎛이고 중량이 100g/m2인 탄소섬유 직물로 변경한 것 이외에는 비교예 2과 동일한 방법으로 기능성탄소섬유 직물을 제조하고, 성형품을 제조하였다.
[비교예 6]
실시예 1에서 기능성 입자를 글라스버블(직경 2nm)로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[비교예 7]
실시예 1에서 글라스버블의 직경이 650㎛인 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[비교예 8]
실시예 1에서 기능성 입자를 CNT(직경 2nm)로 변경하고, 혼합 분말의 살포량을 1.5g/m2으로 변경하고, 탄소섬유 직물을 두께가 600㎛이고 중량이 600g/m2인 탄소섬유 직물로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[비교예 9]
실시예 1에서 바인더분말과 기능성 입자의 중량비를 5:1로 하고 글라스버블을 직경이 350㎛로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[비교예 10]
실시예 1에서 CNT(직경 2nm)로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
[비교예 11]
실시예 1에서 바인더분말과 기능성 입자의 중량비를 5:1로 하고 글라스버블의 직경이 650㎛로 변경하고 탄소섬유 직물을 두께가 600㎛이고 중량이 600g/m2인 탄소섬유 직물로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 성형품을 제조하였다.
본 발명에 따른 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 11에서 제조된 탄소섬유 직물 및 이로부터 제조된 성형품을 사용하여 다음과 같은 실험예를 통해 물리적 특성을 측정하고 그 결과를 다음 표 1 내지 표 5에 나타냈다.
[실험예]
(1) 혼합 분말의 두께 측정
디스크마이크로 미터(Mitutoyo, 369-250)를 사용하여 기능성 탄소섬유 직물의 두께를 측정한다. 그리고 측정된 기능성 탄소섬유 직물의 두께에서 표준직물 두께를 빼서 기능성 입자의 두께를 산출한다. 여기서 표준직물 두께는 기능성 탄소섬유 직물의 전체 두께에서 기능성 입자의 두께를 뺀 두께를 의미한다.
다만, 기능성 입자의 두께가 5㎛ 이하인 경우 간접법으로 측정한다.
<간접법 - 5㎛ 이하인 경우>
바인더처리기(W2,000)를 통하여 기능성 입자를 처리할 때 직물의 상부에 120×40mm의 슬라이드글라스를 올려두고, 혼합 분말을 처리한 후 중심부를 기준으로 절반의 기능성 입자를 제거한다. 그 후 단차측정기 Surfcom(1500SD3, TOKYO SEIMITSU)를 이용하여 단차를 측정하여 두께 값을 확인하였다.
(2) 기능성 입자의 중량비 측정(직물중량 100 대비)
투입한 기능성 입자의 중량과 사용한 탄소섬유 직물의 중량을 이용하여 중량비를 계산한다.
(3) 혼합 분말과 탄소섬유 직물의 두께비
실험예 1에서 측정된 혼합 분말의 두께 측정값과 표준직물 두께를 비교하여 계산한다.
(4) 기재 부착력 평가
ASTM D 3330측정법에 의해 180도 Peel평가를 실시하여 부착력 평가를 실시한다.
(5) 공기투과도 평가
JIS L 1096시험법을 이용하여 직물의 공기 투과성을 측정한다.
(6) 굴곡강도 측정
ASTM D 790측정법, 3점굽힘시험에 의거하여 측정하였다. 하기 표에 나타낸 굴곡강도는 탄소섬유 직물에 기능성 입자가 도포되지 않은 비교예 1을 100으로 두었을 때의 비율이다.
(7) 충격강도 측정
ISO 180측정법, IZOD 충격강도시험에 의거하여 측정하였다. 하기 표에 나타낸 충격강도는 탄소섬유 직물에 기능성 입자가 도포되지 않은 비교예 1을 100으로 두었을 때의 비율이다.
하기 표 1은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 11에서 제조된 탄소섬유 직물 및 이로부터 제조된 성형품을 사용하여 측정한 굴곡강도와 충격강도를 나타낸다.

 혼합비
(바인더 분말:
기능성 입자)		 혼합 분말
살포량
(g/m2)		 기능성 입자
입경		 직물
중량
(g/m2)		 기능성 입자 중량
(직물 100 중량 대비)		 굴곡
강도
(비율)		 충격
강도
(비율)
비교예1 - - - 300 - 100 100
실시예1 2:1 15 105㎛ 300 1.7 110 120
실시예2 2:1 0.9 105㎛ 300 0.1 110 120
실시예3 2:1 180 105㎛ 300 20 105 100
실시예4 2:1 180 105㎛ 600 10 105 100
실시예5 2:1 0.9 105㎛ 100 0.3 110 120
실시예6 2:1 15 3nm 300 1.7 120 110
실시예7 2:1 15 600㎛ 300 1.7 110 100
실시예8 2:1 1.8 3nm 600 0.1 105 105
실시예9 5:1 15 300㎛ 300 0.83 110 100
실시예10 2:1 15 3nm 300 1.7 120 110
실시예11 5:1 15 600㎛ 600 0.42 110 100
비교예2 2:1 0.5 105㎛ 300 0.06 100 100
비교예3 2:1 200 105㎛ 300 22.2 100 80
비교예4 2:1 200 105㎛ 600 11.1 100 80
비교예5 2:1 0.5 105㎛ 100 0.17 100 100
비교예6 2:1 15 2nm 300 1.67 100 100
비교예7 2:1 15 650㎛ 300 1.67 100 80
비교예8 2:1 1.5 2nm 600 0.08 100 100
비교예9 5:1 15 350㎛ 300 0.83 100 80
비교예10 2:1 15 2nm 300 1.67 110 90
비교예11 5:1 15 650㎛ 600 0.42 100 80
상기 표 1을 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 11에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 굴곡강도는 탄소섬유 직물에 기능성 입자가 도포되지 않은 비교예 1과 동등하거나 우수한 것을 확인할 수 있으며, 이 중 실시예 6과 10에서 가장 높은 굴곡강도를 가지는 것을 알 수 있다.
그러나, 탄소섬유 직물 100 중량부 대비 기능성 입자의 중량비가 0.06으로 0.1 미만인 비교예 2는 기재 부착력이 낮아 기재 부착이 불가하여(하기 표 3 참조) RTM 공정용 탄소섬유 직물로 사용하기 어려우며, 기능성 입자 및 바인더 입자의 함량이 부족하여 비교예 1과 비교하여 기능성 입자에 의한 성능 증대 효과가 미비하여 물성 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
또한, 탄소섬유 직물 100 중량부 대비 기능성 입자의 중량비가 22.2로 20초과인 비교예 3은 기재 부착력이 과도해지고(하기 표 3 참조) 실시예들과 비교하여 충격강도가 감소하는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 4는 공기투과도가 낮고(하기 표 2 참조), 비교예 1과 비교하여 충격강도가 감소하는 것을 확인할 수 있고, 비교예 5는 공기투과도가 매우 높고(하기 표 2 참조), 비교예 1과 비교하여 물성 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
또한, 기능성 입자의 입경이 2nm로, 3nm 미만인 비교예 6은 비교예 1과 비교하여 물성 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있고, 기능성 입자의 입경이 650㎛로 600㎛를 초과하는 비교예 7은 기능성 입자가 탄소섬유 기재에 부착된 이후 물리적 힘에 의해 쉽게 탈락되어 비교예 1과 비교하여 충격강도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 8은 기능성 입자에 의한 성능 증대 효과가 미비하여 물성이 증가하지 않는 문제가 나타나고, 비교예 9는 충격강도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 10은 물성의 증가는 있지만 기재 부착이 불가하여(하기 표 3 참조) RTM 공정용 탄소섬유 직물로 사용하기 어렵고, 또한 비교예 11은 충격강도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 표 2는 본 발명의 실시예 중 실시예 1, 4, 5 및 비교예 4, 5에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 공기 투과도를 측정한 결과를 나타낸다.

 공기투과도 (cc/cm2·S) 굴곡강도(비율) 충격강도(비율)
실시예1 66.5 110 120
실시예4 3 105 100
실시예5 1,000 110 120
비교예4 1 100 80
비교예5 1,100 100 100
상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1, 4, 5에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 공기 투과성이 3cc/cm2·S 내지 1,000cc/cm2·S로서, 강도가 향상되고, 기능성 입자에 의한 물성 변화가 큰 기술적 효과를 가지나, 비교예 4, 5에 따른 탄소섬유 직물은 공기 투과성이 3cc/cm2·S미만이거나 1,000cc/cm2·S를 초과하는 경우 매트릭스 수지의 함침이 어려워지는 문제와 매트릭스 수지의 부분적 과밀 현상을 일으켜 충격 강도가 약해지는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 표 3은 본 발명의 실시예 중 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3 및 10에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 기재 부착력을 측정한 결과를 나타낸다.

 기재 부착력 (gf) 굴곡강도(비율) 충격강도(비율)
실시예1 15 110 120
실시예2 10 110 120
실시예3 2,000 105 100
비교예1 부착 불가 100 100
비교예2 부착 불가 100 100
비교예3 2,200 100 80
비교예10 부착 불가 110 90
상기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 기재 부착력은 10gf 내지 2,000gf로서, 탄소섬유 복합소재를 제조할 때 투입되는 매트릭스 수지와 탄소섬유 직물 간의 적절한 부착력을 가짐으로 탄소섬유 복합소재의 강도가 높아져 균열이 발생하지 않는 기술적 효과를 가짐을 확인할 수 있다.
이에 대해, 비교예 1, 2 및 10에 따른 탄소섬유 직물은 기재로의 부착이 불가하여 탄소섬유 복합소재를 제조할 때 투입되는 매트릭스 수지와 탄소섬유 직물 간의 부착력이 낮아 탄소섬유 복합소재의 강도가 낮아지고 균열이 발생하며, 비교예 3에 따른 탄소섬유 직물은 기재 부착력이 매우 높아 충격강도가 감소하는 문제를 가진다.
다음으로, 표 4는 본 발명의 실시예 중 실시예 1, 8, 9 및 비교예 8, 9에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 두께 대비 기능성 입자의 두께(혹은 직경)에 대한 영향을 나타낸다. 여기서 기능성 입자가 섬유상인 경우 두께는 섬유의 직경을 나타낸다. 이러한 섬유상을 가지는 기능성 입자는 카본나노튜브(CNT) 또는 글라스화이버 촙(GF Chop) 등이 있다.

기능성 입자 입경
(직경)		 직물 두께
(㎛)		 두께비
(기능성 입자: 직물)		 굴곡강도
(비율)		 충격강도
(비율)
실시예1 105㎛ 300 0.35:1 110 120
실시예8 3nm 600 0.000005:1 105 105
실시예9 300㎛ 300 1:1 110 100
비교예8 2nm 600 0.000003:1 100 100
비교예9 350㎛ 300 1.17 :1 100 80
상기 표 4를 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예 1, 8, 9에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 굴곡강도 및 충격강도가 우수함을 확인할 수 있다.
반면에, 비교예 8에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 탄소섬유 직물의 두께 대비 기능성 입자의 두께비가 0.000003:1로서 0.000005:1 미만이므로, 기능성 입자에 의한 성능 증대 효과가 미비하여 비교예 1과 비교하여 물성이 증가하지 않는 문제가 나타난 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 9에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 탄소섬유 직물의 두께 대비 기능성 입자의 두께비가 1.17:1로 1:1을 초과하여 충격강도가 감소하고, 탄소섬유 직물의 핸들링 과정에서 탈락될 수 있다.
다음으로, 표 5는 본 발명의 실시예 중 실시예 1, 10, 11 및 비교예 10, 11에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 탄소섬유 직물 상에 열 융착된 혼합분말의 두께에 대한 영향을 나타낸다.

 열 융착된 혼합 분말의 두께
(㎛)		 굴곡 강도
(비율)		 충격 강도
(비율)
실시예1 150 110 120
실시예10 10 120 110
실시예11 720 110 100
비교예10 5 110 90
비교예11 800 100 80
상기 표 5를 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예 1, 10, 11에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 굴곡강도 및 충격강도가 우수함을 확인할 수 있다.
반면에, 비교예 10에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 탄소섬유 직물 상에 열 융착된 혼합 분말의 두께가 5㎛로서, 상술한 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 기재 부착이 불가함을 알 수 있다.
또한, 비교예 11에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물은 탄소섬유 직물 상에 열 융착된 혼합 분말의 두께가 800㎛로서 충격강도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 탄소섬유 직물 및 이를 이용한 탄소섬유 복합소재는 기능성 입자와 바인더 입자를 혼합하고 가열(가온)한 후 분쇄하여 형성된 혼합 분말 형태로 도포함으로서, 물성이 증가될 뿐만 아니라 충진재로 사용하여 비용 절감, 외관 광택도 향상 및 제품의 열변형율 감소 등의 여러가지 기능성 부여를 가능하게 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합 및 분쇄한 혼합 분말을 사용하여,
    탄소섬유 직물의 적어도 일면에 상기 바인더 입자의 융착으로 상기 기능성 입자가 고정되며,
    상기 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 기재 부착력은 10gf 내지 2,000gf인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 분말은 상기 기능성 입자와 상기 바인더 입자를 바인더 입자의 녹는점 이상으로 가열하면서 균일하게 혼합한 후 소정의 크기로 분쇄한, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 공기 투과성은 3cc/cm2·S 내지 1,000cc/cm2·S인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 입자의 평균입경(d50)은 3nm 내지 600㎛인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물 상에 열 융착된 혼합 분말의 두께는 10㎛ 내지 720㎛인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물의 두께 대비 상기 기능성 입자의 두께비는 0.000005:1 내지 1:1인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물 100 중량부 대비 상기 기능성 입자는 0.1 내지 20중량부인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 입자는 실리카, 규조토, 알루미나, 산화아연, 산화티탄, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화철, 산화납, 산화안티몬, 페라이트, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 염기성탄산마그네슘, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산아연, 탄산바륨, 도소나이트, 하이드로탈사이트, 황산칼슘, 석고, 황산바륨, 석고섬유, 규산칼슘, 탈크, 세피오라이트, 클레이, 마이카, 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 활성백토, 이모고라이트, 세리사이트, 유리섬유, 그라스비즈, 글라스 버블, 시리카계발룬, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 카본블랙, 그라파이트, 탄소섬유, 탄소발룬, 목탄분말, CNT, 티탄산칼륨, MOS, 티탄산지르콘산납, 탄화규소, 스테인레스섬유, 붕산아연, 스라그섬유, 테프론분, 목분, 펄프, 고무분, 아라미드섬유 및 금속입자 중에서 선택되는 하나 이상의 입자인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 입자는 비스페놀 A계 또는 비스페놀계 조성물인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 입자의 녹는점은 50℃ 내지 150℃인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 입자의 녹는점은 상기 바인더 입자의 녹는점보다 적어도 10℃ 이상 높은 녹는점을 가지는, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물은 섬유의 가닥 수가 3,000 내지 50,000이며, 단위면적당 중량이 100 내지 600 g/m2인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물은 평직, 능직, 주자직, NCF, UD직물 및 부직포 중에서 어느 하나의 형태인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물은 면상에서 탄소섬유가 차지하는 면적비가 75% 이상인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 혼합분말은 스캐터를 통하여 상기 탄소섬유 직물에 살포된, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물을 RTM공정을 통하여 에폭시계 수지에 함침시켜 제조된, 탄소섬유 복합소재.
  17. 기능성 입자와 바인더 입자를 함께 혼합 및 분쇄하여 혼합 분말을 제조하는 단계;
    상기 혼합 분말을 스캐터를 이용하여 탄소섬유 직물 상에 살포하는 단계; 및
    상기 혼합 분말이 살포된 탄소섬유 직물을 열처리하여 상기 기능성 입자를 상기 탄소섬유 직물의 표면에 열 융착시켜 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물을 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 기재 부착력은 10gf 내지 2,000gf인, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 혼합 분말을 제조하는 단계는,
    상기 기능성 입자와 상기 바인더 입자를 함께 혼합하는 단계;
    상기 혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 상기 바인더 입자의 녹는점 이상으로 가열하면서 혼합하는 단계; 및
    상기 가열하면서 혼합된 기능성 입자와 바인더 입자를 소정의 크기로 분쇄하여 혼합 분말을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 살포하는 단계는,
    상기 혼합 분말을 스캐터 롤의 표면에 형성된 미세 홈에 채우고, 미세 홈에 채워진 혼합 분말을 털어내어 상기 탄소섬유 직물 상에 균일하게 살포하는, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 제조방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 열 융착시키는 단계는, 상기 바인더 입자의 녹는점 이상의 온도 내지 상기 기능성 입자의 녹는점 온도 미만에서 열처리하는, 기능성 입자 함유 탄소섬유 직물의 제조방법.
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