KR102321837B1

KR102321837B1 - 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 이를 이용하여 태양광발전 구조체, 자동차 부품, 건설 자재 부품 제조 방법

Info

Publication number: KR102321837B1
Application number: KR1020200159255A
Authority: KR
Inventors: 김광석; 최두영; 김정필; 김명훈
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2021-11-08

Abstract

탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 이를 이용하여 태양광발전 구조체, 자동차 부품, 건설 자재 부품 제조 방법에 관한 것으로서, 촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계; 상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계; 및 상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계;를 포함하는 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 이를 이용하여 태양광발전 구조체, 자동차 부품, 건설 자재 부품 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 재활용 탄소섬유 표면 상에 IPL(Intense Pulsed Light)을 조사하여 기능화한 상태에서 플라스틱을 혼합하여 성형함으로써 산업용 탄소섬유 복합소재를 제조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 이를 이용하여 태양광발전 구조체, 자동차 부품, 건설 자재 부품 제조 방법{A method of obtaining a material for offshore solar power generation, vehecle, building structure in the state of mixing plastics in a functionalized state by irradiating IPL on the surface of carbon fiber}

탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 이를 이용하여 태양광발전 구조체, 자동차 부품, 건설 자재 부품 제조 방법에 관한 것으로서, 촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL(Intense Pulsed Light)을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계; 상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계; 및 상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계;를 포함하는 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 이를 이용하여 태양광발전 구조체, 자동차 부품, 건설 자재 부품 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 재활용 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 기능화한 상태에서 플라스틱을 혼합하여 성형함으로써 산업용 탄소섬유 복합소재를 제조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

탄소섬유는 가볍고 강하며 높은 탄성율의 장점을 가져 엔지니어링 플라스틱을 포함한 범용 플라스틱에도 광범위하게 사용되는 값싼 강화용 재료이다. 일반적으로 엔지니어링 플라스틱을 포함한 상용 플라스틱은 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유/플라스틱 복합재료로 제공된다. 탄소섬유 첨가량에 따라 수~수십배에 이르는 강도향상을 이룰 수 있다. 탄소섬유는 열경화성, 열가소성 등의 플라스틱 종류에 따라 팬(PAN)계, 핏치(Pitch)계 그리고 레이언(Rayon)계 등의 다양한 탄소섬유 종을 해당 플라스틱과 혼합하여 사용될 수 있다.

탄소섬유 복합재료는 높은 비강도와 강성 때문에 고기능성 재료로써 자동차, 스포츠, 항공 산업 등의 많은 분야에 적용되고 있다. 최근에는 열가소성 수지의 짧은 성형시간과 재활용이 가능하다는 장점이 부각되면서 열가소성 수지를 기저(matrix)로 하는 복합재료가 큰 관심을 끌고 있다. 한편, 탄소섬유와 폴리프로필렌 수지 등과의 사이의 약한 결합력으로 인해 계면 분리가 발생하게 된다. 따라서 섬유와 수지 사이의 계면 강도를 증가시키기 위한 많은 연구들이 시도되고 있다.

섬유와 수지 사이의 계면 접착강도의 향상을 위한 표면처리 방법들로는 산화처리, 플라즈마(plasma) 처리, 휘스키화 (whiskeri-zation) 처리, 커플링제 (coupling agent) 처리 등이 있다. 커플링제 처리는 가장 보편적인 섬유의 표면 처리 방법 중 하나이다.

각각의 탄소섬유는 플라스틱 수지 간 안정한 물리적 계면을 이루기 위하여 계면결합제로 코팅하는 사이징(sizing) 처리가 되어있다. 이러한 사이징 처리된 탄소섬유를 플라스틱과 혼합하여 복합재료 만든 경우, 상온에서의 강화 효과는 매우 뛰어나지만, 고온의 경우에서는 플라스틱 모재와 탄소섬유 표면 간 계면 안정성이 매우 낮아지기 때문에 고온 강도 향상 효과는 미미한 수준이다. 따라서, 고내열성 엔지니어링 플라스틱용 강화방법으로는 적합하지 않다.

현대에는 다양한 산업분야에 대하여 복합재료의 적용이 확대되고 있으며, 탄소섬유는 복합재료로서 다양한 분야에서 사용되고 있다. 따라서 이미 사용된 탄소섬유, 즉, 폐탄소섬유를 재활용하여 다시 재료로서 사용할 수 있다면, 이는 경제적으로나 환경적으로나 매우 유용하다.

그러나 종래까지는 재활용 탄소섬유의 경우 산업에 다시 사용되기 위해서는 일정의 품질이 인정되어야 하며, 이러한 품질을 검증하고 분석하는 기준이 많이 부족한 상태이다. 구체적으로, 폐탄소섬유를 재활용하여 다시 사용하기 위해서는 폐탄소섬유의 품질이 어느 수준인지 정밀하게 확인할 수 있어야 한다. 이러한 부분에 있어 종래에는 일반적으로 재활용된 섬유에 대한 인장강도를 평가하거나, 섬유의 상태를 현미경으로 확인하는 육안 측정 등이 대부분이었다. 인장강도 평가 방법의 경우, 보통 5~7 ㎛의 직경을 가지는 탄소섬유의 상태를 분석하고 제어하는 것은 매우 높은 숙련도가 필요하고, 분석에 소요되는 시간 또한 수 일에서 수 십 일로 매우 긴 단점이 있으므로 적합하지 못하다. 육안 측정 평가 방법의 경우, 탄소섬유의 손상 정도 등을 알 수 없어, 탄소섬유의 품질의 판단 자체가 매우 어려워 적합하지 못하다.

따라서 폐탄소섬유를 재활용하거나 저품위 탄소섬유를 성능을 높여서 사용할 수 있도록 표면 개질 방법이 필요하다.

탄소나노섬유의 표면처리방법을 제공하는 문헌으로는 등록특허 10-1658455를 참조할 수 있다.

본 발명은 저품위 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 기능화한 상태에서 플라스틱을 혼합하여 획득된 해상 태양광발전 부력체용 소재에 대한 것으로서, IPL 처리를 통해 표면에너지 값을 현저하게 상승하게 함으로써 분산성과 극성을 동시에 증가한 탄소섬유 복합재에 관한 것이다.

본 발명은 홈이 파인 패널 상에 저품위 탄소섬유를 공급한 상태에서 진동 및 스크레이핑을 행한 상태에서 IPL 램프를 통한 조사 과정을 통해 탄소섬유 상에 에너지를 인가함으로써 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하는 방안에 관한 것이다.

본 발명은 열가소성 탄소섬유 복합소재 및 열경화성 탄소섬유 복합소재의 폐기물로부터 리사이클된 저품위 탄소섬유의 표면을 개질하여 품질을 높여 재활용할 수 있도록 한다.

본 발명은 일반 탄소섬유 생산공정에서 발생하는 불량 탄소섬유들을 표면을 개질하여 품질을 높여 재활용할 수 있도록 한다.

본 발명은 저품위 탄소섬유의 표면을 개질하여 그 품질을 개선하여 자동차 부품, 신재생 에너지 산업 부품, 조선 해양 기자재 부품, 건축 자재, 전자 제품 부품, 일상 생활에서의 부품에 사용될 수 있도록 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소섬유 복합소재 제조 방법은 저품위 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 기능화하는 단계; 및 상기 기능화한 탄소섬유 및 플라스틱을 2축 압출기에 공급하여 혼합한 상태에서 압출하는 과정을 통해 탄소섬유 복합소재를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 IPL 조건은 400~1900 V 의 조건을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 IPL 조건 1,200 V, 4 ms, 1 Hz, 100회의 조건을 갖는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 따른 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법은,

촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계;

상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계; 및

상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계;를 포함한다.

상기 제2 단계에서 사용하는 압출기는 2축 압출기인 것을 특징으로 한다.

상기 제1 단계는,

복수의 홈이 형성된 기판을 준비하는 단계;

촙(chop)형태의 탄소섬유를 공급하여 상기 홈 내에 상기 탄소섬유를 배열하는 단계;

IPL 램프를 이용하여 상기 탄소섬유에 에너지를 인가하는 단계;를 포함하여 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하는 것을 특징으로 한다.

상기 에너지를 인가하는 단계에서, 상기 IPL 조사시 인가 전압은 1000V 내지 1400V 인 것을 특징으로 한다.

상기 플라스틱은 PE(폴리에틸렌) 또는 PA(폴리아미드) 인 것을 특징으로 한다.

또한, 탄소섬유 복합소재를 이용한 해상 태양광발전용 구조체 제조 방법은,

상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계;

상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계; 및

상기 제조된 펠렛을 프레스 공정 또는 압출 공정을 통하여 해상 태양광발전용 구조체를 제조하는 제4 단계를 포함한다.

또한, 탄소섬유 복합소재를 이용한 자동차 부품 제조 방법은,

상기 제조된 펠렛을 프레스 공정 또는 압출 공정을 통하여 해상 자동차 부품을 제조하는 제4 단계를 포함한다.

또한, 탄소섬유 복합소재를 이용한 건설 자재 부품 제조 방법은,

상기 제조된 펠렛을 프레스 공정 또는 압출 공정을 통하여 건설 자재 부품을 제조하는 제4 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 장치는,

복수의 홈(5)이 형성된 기판(10);

상기 기판(10)의 상측에 제공되어 상기 기판(10)의 상측으로 에너지를 인가하는 상부 IPL 램프(20);

상기 기판(10)의 하측에 제공되어 상기 기판(10)의 하측으로 에너지를 인가하는 하부 IPL 램프(30);

상기 상부 IPL 램프(20)와 상기 하부 IPL 램프(30)를 교차로 동작시키고, 상기 홈(5)에 chop 형태의 탄소섬유(1)를 삽입한 상태에서 상기 상부 및 하부 IPL 램프에서의 광에너지를 교차적으로 상기 기판의 상면과 하면에 인가하는 제어부; 및

상기 IPL이 인가된 탄소섬유(1)와 플라스틱을 혼합하여 펠렛 형태로 압출하는 압출기;를 포함한다.

상기 기판(10)은 투명한 유리 기판인 것을 특징으로 한다.

상기 IPL 램프(20, 30)에 인가된 전압은 1000V 내지 1400V 인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은 저품위 탄소섬유 표면 상에 IPL(Intense Pulsed Light)을 조사하여 기능화한 상태에서 표면에너지 값을 현저하게 상승하게 함과 동시에 분산성과 극성을 증가하게 한 후 플라스틱을 혼합하여 성형함으로써 해상 태양광발전 부력체용 소재를 제공하게 한다.

본 발명에 따라 IPL 처리 후에 탄소섬유의 표면에너지는 급격히 증가하였으며, 기존의 열처리, E-beam, ECR plasma, 산처리 방식에 비해 우수한 성능을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.

또한, IPL 방식은 표면에너지의 분산성과 극성을 동시에 증가시킬 수 있어 극성 및 무극성 매트릭스 수지와의 계면 결합특성 향상에 유리한다는 장점이 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 특정한 방향을 따라 홈이 파인 패널 상에 저품위 탄소섬유를 공급한 상태에서 진동 및 스크레이핑을 행한 상태에서 IPL 램프를 통한 조사 과정을 통해 탄소섬유 상에 에너지를 인가함으로써 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하게 한다.

본 발명은 연속적으로 공급되는 탄소섬유의 상하부 표면 상에 양방향 IPL 에너지 노출로 탄소섬유 표면을 기능화함으로써 저품위 탄소섬유의 표면에너지 값을 현저하게 상승하게 함과 동시에 분산성과 극성을 증가하게 한 후 플라스틱을 혼합하여 성형하게 한다.

본 발명은 홈이 파인 패널 상에 저품위 탄소섬유를 공급한 상태에서 진동 및 스크레이핑을 행한 상태에서 IPL 램프를 통한 조사 과정을 통해 탄소섬유 상에 에너지를 인가함으로써 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하는 효과를 제공한다.

본 발명은 열가소성 탄소섬유 복합소재 및 열경화성 탄소섬유 복합소재의 폐기물로부터 리사이클된 저품위 탄소섬유의 표면을 개질하여 품질을 높여 재활용할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 일반 탄소섬유 생산공정에서 발생하는 불량 탄소섬유들을 표면을 개질하여 품질을 높여 재활용할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 저품위 탄소섬유의 표면을 개질하여 그 품질을 개선하여 자동차 부품, 신재생 에너지 산업 부품, 조선 해양 기자재 부품, 건축 자재, 전자 제품 부품, 일상 생활에서의 부품에 사용될 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 저품위 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 기능화하는 과정을 보인다.
도 2는 IPL을 조사하여 기능화한 탄소섬유를 압출기 상에서 혼합하여 사출을 행하여 플라스틱과 저품의 탄소섬유를 합친 복합소재 펠렛을 구현한 상태를 보인다.
도 3은 본 발명에 따라 저품위 탄소섬유를 디사이징, 쵸핑, IPL 조사를 하는 과정을 보인다.
도 4는 저품위 탄소섬유 상에 IPL을 조사한 상태에서 표면 에너지 측정을 실시한 결과를 보인다.
도 5는 저품위 탄소섬유 상에 IPL을 조사한 상태에서 XPS 분석 결과를 보인다.
도 6은 저품위 탄소섬유 상에 IPL을 조사한 상태에서 Raman Spectrum 분석 결과를 보인다.
도 7 내지 도 9는 탄소섬유 표면처리 방식에 따른 표면개질 비교 결과를 보인다.
도 10 내지 도 15은 본 발명에 따른 표면개질의 실험결과를 나타낸다.
도 16은 본 발명에 따라 공급된 저품위 탄소섬유를 IPL 표면처리하는 공정 모식도를 보인다.
도 17는 Trench 구조를 활용한 chopped 탄소섬유 방향 배열을 보인다.
도 18은 양방향 IPL 에너지 노출로 탄소섬유 표면을 기능화하는 과정을 보인다.
도 19는 본 발명에 따른 IPL 인가 장치의 개념도이다.

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. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명은 저품위 탄소섬유를 활용하여 해상 태양광발전 부력체 및 구조물 부품을 제조하는 기술을 제공하는 것이다.

구체적으로는 IPL(Intense Pulsed Light)을 활용하여 저품위 탄소섬유의 표면처리를 실시함으로써 기능화하는 것을 핵심적인 특징으로 하는 것이다.

탄소섬유는 표면이 그래파이트 구조이기 때문에 복합재료로 사용되는 매트릭스 수지와의 접착 강도가 불충분하여 탄소섬유 표면의 개질이 필요하게 된다. 이에 따라서, IPL을 활용하여 탄소섬유의 표면처리를 실시하게 되는데, IPL 에너지는 다른 표면처리 방식에 비해 짧은 시간 및 간단한 공정으로 효과적인 표면 기능화가 가능하게 된다.

본 발명에 따른 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법은, 촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계; 상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계; 및 상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계;를 포함한다.

상기 제1 단계는, 복수의 홈이 형성된 기판을 준비하는 단계; 촙(chop)형태의 탄소섬유를 공급하여 상기 홈 내에 상기 탄소섬유를 배열하는 단계; IPL 램프를 이용하여 상기 탄소섬유에 에너지를 인가하는 단계;를 포함하여 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 탄소섬유 복합소재를 이용한 해상 태양광발전용 구조체 제조 방법은, 촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계; 상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계; 상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계; 및 상기 제조된 펠렛을 프레스 공정 또는 압출 공정을 통하여 해상 태양광발전용 구조체를 제조하는 제4 단계를 포함한다.

또한, 탄소섬유 복합소재를 이용한 자동차 부품 제조 방법은, 촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계; 상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계; 상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계; 및 상기 제조된 펠렛을 프레스 공정 또는 압출 공정을 통하여 해상 자동차 부품을 제조하는 제4 단계를 포함한다.

또한, 탄소섬유 복합소재를 이용한 건설 자재 부품 제조 방법은, 촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계; 상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계; 상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계; 및 상기 제조된 펠렛을 프레스 공정 또는 압출 공정을 통하여 건설 자재 부품을 제조하는 제4 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 장치는, 복수의 홈(5)이 형성된 기판(10); 상기 기판(10)의 상측에 제공되어 상기 기판(10)의 상측으로 에너지를 인가하는 상부 IPL 램프(20); 상기 기판(10)의 하측에 제공되어 상기 기판(10)의 하측으로 에너지를 인가하는 하부 IPL 램프(30); 상기 상부 IPL 램프(20)와 상기 하부 IPL 램프(30)를 교차로 동작시키고, 상기 홈(5)에 chop 형태의 탄소섬유(1)를 삽입한 상태에서 상기 상부 및 하부 IPL 램프에서의 광에너지를 교차적으로 상기 기판의 상면과 하면에 인가하는 제어부; 및 상기 IPL이 인가된 탄소섬유(1)와 플라스틱을 혼합하여 펠렛 형태로 압출하는 압출기;를 포함한다.

상기 기판(10)은 투명한 유리 기판인 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 대해 자세하게 설명하기로 한다.

도 1은 저품위 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 기능화하는 과정을 보인다.

도 2는 IPL을 조사하여 기능화한 탄소섬유를 압출기 상에서 혼합하여 사출을 행하여 플라스틱과 저품의 탄소섬유를 합친 복합소재 펠렛을 구현한 상태를 보인다.

압출기를 이루는 제1 입구 상에 PE(폴리에틸렌) 내지 PA(폴리아미드)와 같은 플라스틱을 투입하는 한편 압출기를 이루는 제2 입구 상에 IPL을 조사하여 기능화한 탄소섬유 동시에 투입한 상태에서, 멜팅(melting), 믹싱(mixing), 균일 방전(homogeneous discharge) 및 냉각(cooling)을 거친 상태에서 펠릿화하는 공정을 통해 플라스틱과 저품의 탄소섬유 복합소재 펠렛을 생산한다.

다음으로, 생산된 탄소섬유 복합소재 펠렛을 프레스, 사출/압출 성형을 통해 해상 태양광발전 부력체인 폰툰 및 구조물 부품을 이루게 한다.

도 3은 본 발명에 따라 저품위 탄소섬유를 디사이징, 쵸핑, IPL 조사를 하는 과정을 보인다.

디사이징(Desizing)은 예시적으로 아세톤에 침지(2 hr)하고 건조(110℃, 1 hr)하는 과정을 갖는다.

쵸핑(Chopping)은 그 길이를 6 mm로 설정 가능하다.

IPL 조사(irradiation)는 전압 : 400 ~ 1900 V, 노출시간 : 4 ms, 주파수 : 1 Hz, 횟수 : 100회, 분위기 : Ar:O2 (9:1), RT 로 설정 가능하다.

탄소섬유 복합재 제조 조건은 다음과 같다.

구체적인 소재는 IPL-irradiated chopped CF(50 wt.%) 및 Matrix(비극성인 HDPE, 극성인 epoxy) 일 수 있다.

중간재인 펠렛을 제조하는 압출기는 열가소성 복합소재 혼합시스템(Twin Screw Extruder Compounding system)일 수 있다.

구체적인 스펙은 다음과 같다. 압출온도 : 180~210℃ , Feeder speed : 3 rpm , Extruder speed : 60 rpm

인장/굴곡 시편을 제조하는 사출기는 사출성형기(Injection Machine) 일 수 있다.

구체적인 스펙은 다음과 같다. 사출온도 : 180~210℃ , 압력 : 15~50 bar , 사출속도 : 9 mm/s

도 4는 저품위 탄소섬유 상에 IPL을 조사한 상태에서 표면 에너지 측정을 실시한 결과를 보인다.

IPL 처리 후 탄소섬유의 표면에너지는 2~2.5배 증가하였으며, 특히 1,200 V, 4 ms, 1 Hz, 100회의 IPL 조건에서 가장 높은 표면에너지 값 50.3 mN/m를 나타낸 것을 알 수 있다. 또한, 1,200 V에서 분산성과 극성이 동시에 증가하였음을 알 수 있다. 한편, 1400 V 이상의 전압에서는 극성이 현저히 감소하였으며, 이는 과도한 에너지 인가에 의한 것으로 판단된다.

도 5는 저품위 탄소섬유 상에 IPL을 조사한 상태에서 XPS 분석 결과를 보인다. 1200 V까지 전압이 증가할수록 표면의 산소 relative concentration과 O/C 비율 값이 증가하였으며, 1400 V에서는 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.

도 6은 저품위 탄소섬유 상에 IPL을 조사한 상태에서 Raman Spectrum 분석 결과를 보인다.

IPL 처리 후 G peak 대비 D peak의 intensity 값이 증가하였으며, 1,200 V까지 인가전압이 증가할수록 ID/IG 값이 증가하다가 이후 감소하였다는 것을 알 수 있다. 한편, ID/IG 값은 1,200 V에서 1.515로 pristine 대비 0.645 증가하여 탄소섬유 표면에 결함 부여를 통한 기능화를 확인할 수 있다.

도 7 내지 도 9는 탄소섬유 표면처리 방식에 따른 표면개질 비교 결과를 보인다.

IPL 방식은 열처리, E-beam, ECR plasma, 산처리 방식에 비해 우수한 성능을 나타낸다는 점을 확인할 수 있고, 표면에너지의 분산성과 극성을 동시에 증가시킬 수 있어 극성/무극성 매트릭스 수지와의 계면 결합특성 향상에 유리하다는 것을 확인할 수 있다.

도 10은 탄소섬유 표면처리 방식에 따른 복합제 특성 평가 과정을 보인다.

IFSS(Interfacial shear strength) 시험(ASTM D 3379)을 진행한다.

인장시험 틀에 탄소섬유 한 가닥을 종이프레임에 샘플링한다.(20 EA)

탄소섬유 중앙에 80 ~ 150 μm크기의 수지방울을 형성시킨 후 경화시킨다.(120℃ 16시간 또는 상온 72시간)

0.1 ~ 0.3 mm/min 속도로 수지방울이 파단될 때까지 인장시험을 진행한다.

도 11은 본 발명에 따른 탄소섬유 표면처리 방식에 IFSS 측정 결과를 보인다.

IPL 표면처리한 저품위 탄소섬유는 pristine 대비 모든 전압 조건에서 IFSS 값이 증가하였고, 1,200 V에서 IFSS 값은 34.99 MPa로 최대 2.9배 증가하였고, 상용 A급 탄소섬유 대비 95%의 IFSS 값을 나타낸다. 가장 높은 IFSS 값을 나타낸 1200 V 조건으로 저품위 탄소섬유 복합재를 제조한다.

도 12는 본 발명에 따른 탄소섬유 표면처리 방식에 인장강도 결과(Matrix : HDPE)를 보인다.

IPL 표면처리한 저품위 탄소섬유 복합재의 항복강도, 인장강도, 연신율이 증가하였고, 50 wt.% 함량의 저품위 탄소섬유 복합재의 인장강도 값은 IPL 표면처리 전 대비 최대 23% 증가하였음을 확인할 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 탄소섬유 표면처리 방식에 굴곡강도 결과 (Matrix : HDPE)를 보인다.

IPL 표면처리한 저품위 탄소섬유 복합재의 굴곡강도, 굴곡탄성률, 파단거리가 증가하고, 50 wt.% 함량의 저품위 탄소섬유 복합재의 굴곡강도 값은 IPL 표면처리 전 대비 최대 36% 증가하였음을 알 수 있다.

한편, 저품위 탄소섬유와 수지간의 계면특성에 대한 강도는 인장강도보다 굴곡강도에서 더 큰 영향을 미침을 확인할 수 있다.

도 14는 본 발명에 따른 탄소섬유 표면처리 방식에 인장강도 결과 (Matrix : Epoxy)를 보인다.

IPL 표면처리한 저품위 탄소섬유 복합재의 항복강도, 인장강도, 연신율이 증가하였고, 50 wt.% 함량의 저품위 탄소섬유 복합재의 인장강도 값은 IPL 표면처리 전 대비 최대 28% 증가하였음을 알 수 있다.

도 15는 본 발명에 따른 탄소섬유 표면처리 방식에 굴곡강도 결과(Matrix : Epoxy)를 보인다.

IPL 표면처리한 저품위 탄소섬유 복합재의 굴곡강도, 굴곡탄성률, 파단거리가 증가하였고, 50 wt.% 함량의 저품위 탄소섬유 복합재의 굴곡강도 값은 IPL 표면처리 전 대비 최대 44% 증가하였음을 알 수 있다.

IPL 표면처리한 저품위 탄소섬유는 분산성 및 극성 표면에너지 증가로 비극성 수지 PE 보다 극성 수지 epoxy와의 계면특성이 더 효과적으로 향상되었음을 알 수 있다.

본 발명은 저품위 탄소섬유 표면 상에 IPL(Intense Pulsed Light)을 조사하여 기능화한 상태에서 표면에너지 값을 현저하게 상승하게 함과 동시에 분산성과 극성을 증가하게 한 후 플라스틱을 혼합하여 성형함으로써 이를 다양한 산업용 부품 소재로 제공하게 된다.

이하 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하는 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따라 공급된 저품위 탄소섬유를 IPL 표면처리하는 공정 모식도를 보인다.

먼저, 특정 방향으로 홈이 파인 유리판 상에 저품위 탄소섬유를 공급한다. 상기 유리판 상에는 일예로서 진행 방향을 따라서 Trench 구조를 갖는 홈이 소정 간격으로 형성된다. 유리판 하부 상에는 석션을 통해 상기 유리판을 고정한 상태에서 수평 방향을 따라 진동을 인가하여 저품위 탄소섬유를 유리판에 형성된 홈 상에 배열하게 한다. 즉, 유리판에 형성된 다수의 홈 형상 및 진동을 통해 공급된 chopped 탄소섬유의 방향을 일정하게 배열하게 한다.

다음으로, 저품위 탄소섬유가 홈을 따라 배열된 유리판에 대한 스크레이핑을 행하여 상기 유리판 상에 일정량의 탄소섬유만 남기도록 한다. 이는 홈 내측에 배열된 탄소섬유를 제외한 유리판 위의 탄소섬유들을 제거하는 공정이다. 즉, 저품위 탄소섬유가 배열된 유리판을 기준으로 일측에 스크레이퍼를 배치하는 한편으로 타측 상에는 탄소섬유 회수부를 배치한 상태에서, 상기 스트레이퍼를 유리판 상면 상에서 계속적으로 왕복 슬라이딩 운동하는 과정을 통해서여 일정량의 탄소섬유만 유리판 상의 홈 안에 남기게 한다.

다음으로, 양방향 램프를 교차적으로 유리판 상에 스크리닝하여 탄소섬유에 에너지를 인가하는 과정을 갖게 한다.

구체적으로는, 탄소섬유 표면 전체 기능화 부여를 위하여 양방향 교차 스크리닝 광에너지 노출 구조를 형성한다.

본 발명은 상기와 같이 홈이 형성된 유리 트레이를 연속적으로 이동하는 과정 상에서 탄소섬유 공급, 진동, 스크레이핑 및 IPL 광에너지 조사 등을 포함한 복수의 공정을 연속적으로 실시하게 한다.

상기 탄소섬유에 에너지를 인가하는 단계에서, 상기 판넬을 기준으로 상하부 상에 각각 IPL 램프를 배치하고, 상기 각각의 IPL 램프를 통한 광에너지 투과를 차단하는 스크린을 설치하며, 상기 스크린을 통해서 상기 양방향 램프에서의 광에너지를 교차적으로 상기 판넬의 상면과 하면 상에 인가하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 도 19를 참조하면, 본 발명에 따른 IPL 조사를 이용한 탄소섬유의 표면 처리 장치는, 복수의 홈(5)이 형성된 기판(10); 상기 기판(10)의 상측에 제공되어 상기 기판(10)의 상측으로 에너지를 인가하는 상부 IPL 램프(20); 상기 기판(10)의 하측에 제공되어 상기 기판(10)의 하측으로 에너지를 인가하는 하부 IPL 램프(30); 상기 상부 IPL 램프(20)와 상기 하부 IPL 램프(30)를 교차로 동작시키는 제어부;를 포함한다.

상기 제어부는 상기 홈(5)에 chop 형태의 탄소섬유(1)를 삽입한 상태에서 상기 상부 및 하부 IPL 램프에서의 광에너지를 교차적으로 상기 기판의 상면과 하면에 인가하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 교차적이라 함은 상부 IPL 램프가 동작하는 경우 하부 IPL 램프는 오프되고, 하부 IPL 램프가 동작하는 경우 상부 IPL 램프가 오프되는 것을 의미한다.

상기 각각의 IPL 램프와 상기 기판 사이에는 광에너지 투과를 차단하는 스크린(40, 50)이 각각 제공되고, 상기 스크린(40, 50)을 통해서 상기 램프에서의 광에너지를 교차적으로 상기 기판의 상면과 하면 상에 인가하는 것을 특징으로 한다. 도 19에 도시된 바와 같이 상기 스크린(40, 50)은 설치 및 제거가 가능하다. 예를 들어 상부 IPL 램프(20)가 동작하는 경우, 기판과 상부 IPL 램프 사이의 스크린(40)은 제거되고, 기판과 하부 IPL 램프 사이의 스크린(50)은 설치되어 광에너지가 기판에는 인가되지만 기판을 넘어서 더 외부로 방출되는 것을 방지한다.

마찬가지로, 하부 IPL 램프(30)가 동작하는 경우, 기판과 상부 IPL 램프 사이의 스크린(50)은 제거되고, 기판과 하부 IPL 램프 사이의 스크린(40)은 설치되어 광에너지가 기판에는 인가되지만 기판을 넘어서 더 외부로 방출되는 것을 방지한다.

광에너지가 기판을 통과해서 탄소섬유의 표면에 영향을 주기 위해서는 상기 기판(10)은 투명해야 하고, 특히 유리 기판인 것이 바람직하다.

상기 IPL 램프(20, 30)에 인가된 전압은 1000V 내지 1400V 인 것을 특징으로 한다. 후술하겠지만, 1000V 이하와 1400V 이상에서는 획득된 성능 지표가 감소되었다.

또한, 상기 기판(10) 위에 상기 탄소섬유(1)를 공급하는 공급부(도면 미도시)와, 상기 공급된 탄소섬유 중 상기 홈(5) 내에 위치하지 않은 탄소섬유를 기판 밖으로 이동시키는 스크레이퍼(60)를 더 포함한다.

본 발명의 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하는 IPL 조사를 이용한 탄소섬유의 표면 처리 방법은, 복수의 홈이 형성된 기판을 준비하는 제1 단계; 촙(chop)형태의 탄소섬유를 공급하여 상기 홈 내에 상기 탄소섬유를 배열하는 제2 단계; IPL 램프를 이용하여 상기 탄소섬유에 에너지를 인가하는 제3 단계;를 포함한다.

이때, 상기 기판은 투명한 유리 기판인 것을 특징으로 한다.

상기 제3 단계에서, 상기 기판을 기준으로 상하부 상에 각각 IPL 램프를 배치하고, 상기 램프에서의 광에너지를 교차적으로 상기 기판의 상면과 하면 상에 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기 각각의 IPL 램프와 상기 기판 사이에는 광에너지 투과를 차단하는 스크린이 각각 제공되고, 상기 스크린을 통해서 상기 양방향 램프에서의 광에너지를 교차적으로 상기 판넬의 상면과 하면 상에 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기 IPL 램프에 인가된 전압은 1000V 내지 1400V 인 것을 특징으로 한다.

도 2는 Trench 구조를 활용한 chopped 탄소섬유 방향 배열을 보인다. 즉, 홈이 파인 유리판 상에 저품위 탄소섬유를 공급한 상태에서 진동을 통한 Shaking을 실시하여 홈에 탄소섬유를 위치하게 한다.

도 3은 양방향 IPL 에너지 노출을 통해 탄소섬유 표면을 기능화하는 과정을 보인다. 즉, 홈이 파인 유리판을 기준으로 상하부 상에 각각 IPL 램프를 배치하고, 각각의 IPL 램프를 통한 광에너지 투과를 차단하는 스크린을 설치한다. 저품위 탄소섬유가 홈을 따라 배열된 유리판이 배치된 상태에서, 상부에 위치한 IPL 램프를 통해 IPL 광에너지를 조사함으로써 탄소섬유의 상부 상에 에너지를 인가한다. 다음으로, 상부에 위치한 IPL 램프의 하단으로 상부 스크린을 이동한 상태에서 하부에 위치한 IPL 램프를 통해 IPL 광에너지를 조사함으로써 탄소섬유의 하부 상에 에너지를 인가한다. 상기의 과정을 보면, 탄소섬유 상하 표면에 대한 전체적인 기능화 부여를 위하여 상하 양방향 교차 스크리닝 광에너지 노출 구조를 갖게 한다.

본 발명은 특정한 방향을 따라 홈이 파인 패널 상에 저품위 탄소섬유를 공급한 상태에서 진동 및 스크레이핑을 행한 상태에서 IPL 램프를 통한 조사 과정을 통해 탄소섬유 상에 에너지를 인가함으로써 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하게 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계;
상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계; 및
상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계;를 포함하고,
상기 제1 단계는,
복수의 홈이 형성된 기판을 준비하는 단계;
촙(chop)형태의 탄소섬유를 공급하여 상기 홈 내에 상기 탄소섬유를 배열하는 단계;
IPL 램프를 이용하여 상기 탄소섬유에 에너지를 인가하는 단계;를 포함하여 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법
제 1 항에 있어서,
상기 제2 단계에서 사용하는 압출기는 2축 압출기인 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 에너지를 인가하는 단계에서, 상기 IPL 조사시 인가 전압은 1000V 내지 1400V 인 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법
제 1 항에 있어서,
상기 플라스틱은 PE(폴리에틸렌) 또는 PA(폴리아미드) 인 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 방법
촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계;
상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계;
상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계; 및
상기 제조된 펠렛을 프레스 공정 또는 압출 공정을 통하여 해상 태양광발전용 구조체를 제조하는 제4 단계를 포함하고,
상기 제1 단계는,
복수의 홈이 형성된 기판을 준비하는 단계;
촙(chop)형태의 탄소섬유를 공급하여 상기 홈 내에 상기 탄소섬유를 배열하는 단계;
IPL 램프를 이용하여 상기 탄소섬유에 에너지를 인가하는 단계;를 포함하여 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 복합소재를 이용한 해상 태양광발전용 구조체 제조 방법
촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계;
상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계;
상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계; 및
상기 제조된 펠렛을 프레스 공정 또는 압출 공정을 통하여 해상 자동차 부품을 제조하는 제4 단계를 포함하고,
상기 제1 단계는,
복수의 홈이 형성된 기판을 준비하는 단계;
촙(chop)형태의 탄소섬유를 공급하여 상기 홈 내에 상기 탄소섬유를 배열하는 단계;
IPL 램프를 이용하여 상기 탄소섬유에 에너지를 인가하는 단계;를 포함하여 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 복합소재를 이용한 자동차 부품 제조 방법
촙(chop)형태의 탄소섬유 표면 상에 IPL을 조사하여 표면 개질하는 제1 단계;
상기 표면 개질된 탄소섬유 및 플라스틱을 압출기에 공급하고 가열하여 혼합하는 제2 단계;
상기 혼합된 소재를 압출하여 탄소섬유 복합소재를 펠렛 형태로 제조하는 제3 단계; 및
상기 제조된 펠렛을 프레스 공정 또는 압출 공정을 통하여 건설 자재 부품을 제조하는 제4 단계를 포함하고,
상기 제1 단계는,
복수의 홈이 형성된 기판을 준비하는 단계;
촙(chop)형태의 탄소섬유를 공급하여 상기 홈 내에 상기 탄소섬유를 배열하는 단계;
IPL 램프를 이용하여 상기 탄소섬유에 에너지를 인가하는 단계;를 포함하여 기능화한 탄소섬유를 연속적으로 생산하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 복합소재를 이용한 건설 자재 부품 제조 방법
복수의 홈(5)이 형성된 기판(10);
상기 기판(10)의 상측에 제공되어 상기 기판(10)의 상측으로 에너지를 인가하는 상부 IPL 램프(20);
상기 기판(10)의 하측에 제공되어 상기 기판(10)의 하측으로 에너지를 인가하는 하부 IPL 램프(30);
상기 상부 IPL 램프(20)와 상기 하부 IPL 램프(30)를 교차로 동작시키고, 상기 홈(5)에 chop 형태의 탄소섬유(1)를 삽입한 상태에서 상기 상부 및 하부 IPL 램프에서의 광에너지를 교차적으로 상기 기판의 상면과 하면에 인가하는 제어부; 및
상기 IPL이 인가된 탄소섬유(1)와 플라스틱을 혼합하여 펠렛 형태로 압출하는 압출기;를 포함하는,
탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 기판(10)은 투명한 유리 기판인 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 IPL 램프(20, 30)에 인가된 전압은 1000V 내지 1400V 인 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 복합소재 펠렛 제조 장치.