KR102358401B1 - Coating agents for carbon fibers and carbon fiber reinforced composites using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에틸렌 옥사이드 포함하는 에폭시 수지 및 에틸렌 옥사이드와 반응하는 작용기를 가지는 첨가제를 포함하며, 230℃ 이상, 30분 이상 열처리 후 푸리에 변환 적외선 분광학(FT-IR) 측정 결과가 3,420 cm-1부근의 피크 증가율이 2.5 내지 5배이고, 1,730 cm-1부근의 피크 증가율이 2.3 내지 5배이고, 1,000 cm-1부근의 피크 증가율이 1.1 내지 2.1 배이고, 940 cm-1부근의 피크 증가율이 1.2 내지 3배인 탄소섬유 코팅제 및 이를 사용하여 제조된 탄소섬유 강화 복합재료에 관한 것이다.The present invention includes an epoxy resin containing ethylene oxide and an additive having a functional group that reacts with ethylene oxide, and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) measurement results of 3,420 cm -1 after heat treatment at 230 ° C. or higher, 30 minutes or longer A carbon having a peak increase rate of 2.5 to 5 times, a peak increase rate near 1,730 cm -1 of 2.3 to 5 times, a peak increase rate near 1,000 cm -1 of 1.1 to 2.1 times, and a peak increase rate near 940 cm -1 of 1.2 to 3 times. It relates to a fiber coating agent and a carbon fiber reinforced composite material manufactured using the same.
Description
본 발명은 충격강도가 향상된 탄소섬유 강화 복합재료에 대한 것으로, 보다 구체적으로 충격강도 향상을 위한 탄소섬유 코팅제 및 탄소섬유의 표면에 탄소섬유 코팅제를 처리한 탄소섬유 강화 복합재료에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon fiber reinforced composite material with improved impact strength, and more particularly, to a carbon fiber coating agent for improving impact strength and a carbon fiber reinforced composite material in which the carbon fiber coating agent is treated on the surface of the carbon fiber.
종래, 탄소섬유는 강도, 내열성, 내충격성 및 내화학성이 우수하여 다양한 산업분야에서 고성능 소재로 사용되고 있다. 이와 같이 우수한 기계적. 화학적 물성을 보유한 탄소섬유는 그 자체로도 사용되나, 일반적으로는 매트릭스 수지를 함침시켜 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)로 사용된다. 탄소섬유 강화 복합재료는 무게가 가벼우면서도 강도나 탄성률 등의 기계적 강도가 매우 높으며, 특히 가장 널리 사용되는 고강도 소재인 금속과 비교하여 상대적으로 가벼우면서도 더 높은 인장강도 및 탄성계수를 가지기 때문에 무거운 금속을 대체하는 신소재로 사용되고 있으며, 특수 용도 또는 고가의 제품에 사용되다가 최근 그 용도가 계속해서 확장되고 있다. 특히, 자동차나 비행기와 같은 경량과 강성을 함께 요구하는 분야에서는 CFRP에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.Conventionally, carbon fiber is used as a high-performance material in various industrial fields because of its excellent strength, heat resistance, impact resistance and chemical resistance. Excellent mechanical like this. Carbon fibers with chemical properties are used by themselves, but are generally used as carbon fiber reinforced composites (CFRP) by impregnating a matrix resin. Carbon fiber reinforced composite materials are light in weight and have very high mechanical strength such as strength and modulus of elasticity. It is used as a substitute for a new material, used for special purposes or expensive products, but its use continues to expand recently. In particular, in fields that require both light weight and rigidity, such as automobiles and airplanes, the demand for CFRP is increasing.
그러나 탄소섬유 강화 복합재료는 금속 또는 아라미드, 유리섬유 및 고밀도 폴리에틸렌 섬유 강화 복합재료와 비교하여 상대적으로 취성(brittleness)이 취약한 단점이 있다. 이에 따라, 실제 헬멧 등과 같이 충격을 흡수 또는 완화시키는 용도에 적용할 경우 탄소섬유 단독으로 사용되지 않고 충격강도가 우수한 고성능 섬유인 아라미드 섬유, 유리섬유 및 고밀도 폴리에틸렌 섬유 등과 함께 사용되거나 탄소섬유 강화 복합재료 대신 금속이나 다른 플라스틱 소재를 사용하는 경우가 많다. 또한, 저가형 탄소섬유 강화 복합재료인 열가소성 펠릿의 경우, 인장강도 및 굴곡탄성률 등의 물성은 우수하지만 충격강도가 낮기 때문에 충격강도를 요구 수준으로 맞추려면 필요 이상의 많은 탄소섬유를 첨가하게 되고, 결국 충격강도 외의 물성은 기준치를 크게 초과하게 된다.However, the carbon fiber-reinforced composite material has a disadvantage in that it is relatively weak in brittleness compared to metal or aramid, glass fiber and high-density polyethylene fiber-reinforced composite material. Accordingly, when applied to the purpose of absorbing or alleviating impact, such as an actual helmet, carbon fiber is not used alone, but is used together with aramid fiber, glass fiber, and high-density polyethylene fiber, which are high-performance fibers with excellent impact strength, or carbon fiber reinforced composite material. Instead, metal or other plastic materials are often used. In addition, in the case of low-cost carbon fiber-reinforced composite material, thermoplastic pellets have excellent properties such as tensile strength and flexural modulus, but have low impact strength. Physical properties other than strength greatly exceed the standard value.
한편, CFRP의 물성을 향상시키는 방법으로 탄소섬유 생산 시 특정 매트릭스 수지와 화학적으로 유사한 성분을 이용하여 사이징 처리하여 CFRP의 물성을 향상시키는 방법 또는 탄소섬유의 표면을 화학적 또는 물리적으로 처리하는 표면처리법이 있다. 이들 중 표면처리법으로는 양극산화, 플라즈마 처리, 오존 처리 등의 방법이 있으나 이들 모두 탄소섬유에서 사이징제를 제거하기 때문에 공정 중 트러블 발생에 취약하다는 단점이 있고, 일부 표면처리법은 효과가 금방 사라지므로 후공정에의 요구 사항이 뒤따르게 된다.On the other hand, as a method for improving the physical properties of CFRP, there is a method for improving the physical properties of CFRP by sizing using a chemically similar component to a specific matrix resin when producing carbon fibers, or a surface treatment method for chemically or physically treating the surface of carbon fiber. have. Among these surface treatment methods, there are methods such as anodization, plasma treatment, and ozone treatment, but all of these methods remove the sizing agent from the carbon fiber, so they are vulnerable to troubles during the process, and some surface treatment methods lose their effectiveness quickly. Post-processing requirements follow.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소섬유 강화 복합재료 성형 공정 중 탄소섬유 손상을 최소화하고 매트릭스 수지와의 호환성을 향상시킬 수 있는 탄소섬유 코팅제 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 복합재료를 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to minimize carbon fiber damage during the carbon fiber reinforced composite material molding process and improve compatibility with matrix resin, and a carbon fiber coating agent using the same To provide a carbon fiber reinforced composite material.
또한, 본 발명의 다른 목적은 탄소섬유와 매트릭스 수지 사이의 접착력을 강화시키는 코팅제를 통해 충격강도가 향상된 탄소섬유 코팅제 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 복합재료를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a carbon fiber coating agent with improved impact strength through a coating agent that enhances adhesion between carbon fibers and a matrix resin, and a carbon fiber reinforced composite material using the same.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 충격강도가 향상된 복합재료를 통해 기존의 CFRP의 기계적 물성의 단점을 보완하고, 탄소섬유의 사용량을 줄여 탄소섬유 강화 복합재료의 제조비용을 낮출 수 있는 탄소섬유 코팅제 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 복합재료를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is a carbon fiber coating agent capable of compensating for the disadvantages of the mechanical properties of the existing CFRP through a composite material with improved impact strength, and reducing the amount of carbon fiber used to lower the manufacturing cost of the carbon fiber reinforced composite material. And to provide a carbon fiber reinforced composite material using the same.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.These and other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments.
상기 목적은, 에틸렌 옥사이드 포함하는 에폭시 수지 및 에틸렌 옥사이드와 반응하는 작용기를 가지는 첨가제를 포함하는 탄소섬유 코팅제에 의해 달성된다.The above object is achieved by a carbon fiber coating agent comprising an epoxy resin containing ethylene oxide and an additive having a functional group that reacts with ethylene oxide.
바람직하게는, 탄소섬유 코팅제는 230℃ 이상, 30분 이상 열처리 후 푸리에 변환 적외선 분광학(FT-IR) 측정 결과가 3,420 cm-1부근의 피크 증가율이 2.5 내지 5배이고, 1,730 cm-1부근의 피크 증가율이 2.3 내지 5배이며, 1,000 cm-1부근의 피크 증가율이 1.1 내지 2.1 배이고, 940 cm-1부근의 피크 증가율이 1.2 내지 3배일 수 있다.Preferably, the carbon fiber coating agent has a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) measurement result after heat treatment at 230 ° C. or higher for 30 minutes or more, and the peak increase rate near 3,420 cm -1 is 2.5 to 5 times, and the peak near 1,730 cm -1 The increase rate may be 2.3 to 5 times, the peak increase rate near 1,000 cm −1 may be 1.1 to 2.1 times, and the peak increase rate near 940 cm −1 may be 1.2 to 3 times.
바람직하게는, 첨가제는 탄소섬유 강화 복합재료 성형 시 매트릭스 수지와 결합되는 지방산을 더 포함하는 것일 수 있다.Preferably, the additive may further include a fatty acid that is combined with the matrix resin when the carbon fiber reinforced composite material is molded.
바람직하게는, 에폭시 수지의 고형분 100 중량부에 대해 첨가제 1 내지 7 중량부를 포함하는 것일 수 있다.Preferably, 1 to 7 parts by weight of the additive may be included with respect to 100 parts by weight of the solid content of the epoxy resin.
또한, 상기 목적은, 에틸렌 옥사이드 포함하는 에폭시 수지 및 에틸렌 옥사이드와 반응하는 작용기를 가지는 첨가제를 포함하는 탄소섬유 코팅제로 코팅된 탄소섬유 및 탄소섬유에 함침된 매트릭스 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 복합재료에 의해 달성된다.In addition, the above object is a carbon fiber reinforced composite material comprising an epoxy resin containing ethylene oxide and a carbon fiber coated with a carbon fiber coating agent containing an additive having a functional group reacting with ethylene oxide and a matrix resin impregnated in the carbon fiber. achieved by
바람직하게는, 탄소섬유 코팅제는 230℃ 이상, 30분 이상 열처리 후 푸리에 변환 적외선 분광학(FT-IR) 측정 결과가 3,420 cm-1부근의 피크 증가율이 2.5 내지 5배이고, 1,730 cm-1부근의 피크 증가율이 2.3 내지 5배이며, 1,000 cm-1부근의 피크 증가율이 1.1 내지 2.1 배이고, 940 cm-1부근의 피크 증가율이 1.2 내지 3배일 수 있다.Preferably, the carbon fiber coating agent has a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) measurement result after heat treatment at 230 ° C. or higher for 30 minutes or more, and the peak increase rate near 3,420 cm -1 is 2.5 to 5 times, and the peak near 1,730 cm -1 The increase rate may be 2.3 to 5 times, the peak increase rate near 1,000 cm −1 may be 1.1 to 2.1 times, and the peak increase rate near 940 cm −1 may be 1.2 to 3 times.
바람직하게는, 탄소섬유 코팅제는 에폭시 수지의 고형분 100 중량부에 대해 첨가제 1 내지 7 중량부를 포함하는 것일 수 있다.Preferably, the carbon fiber coating agent may include 1 to 7 parts by weight of the additive based on 100 parts by weight of the solid content of the epoxy resin.
바람직하게는, 첨가제는 탄소섬유 강화 복합재료 성형 시 매트릭스 수지와 결합되는 지방산을 더 포함하는 것일 수 있다.Preferably, the additive may further include a fatty acid that is combined with the matrix resin when the carbon fiber reinforced composite material is molded.
바람직하게는, 탄소섬유 100 중량부에 대해 매트릭스 수지 50 내지 900 중량부를 포함하는 것일 수 있다.Preferably, 50 to 900 parts by weight of the matrix resin may be included with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber.
바람직하게는, 탄소섬유 코팅제로 코팅된 탄소섬유는 0.9 내지 1.2 중량%의 탄소섬유 코팅제로 코팅된 것일 수 있다.Preferably, the carbon fiber coated with the carbon fiber coating agent may be coated with 0.9 to 1.2 wt % of the carbon fiber coating agent.
바람직하게는, 매트릭스 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드6,6, 폴리아미드 6,10, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12 및 폴리아미드 4,6 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.Preferably, the matrix resin may include at least one of
바람직하게는, 매트릭스 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드6,6, 폴리아미드 6,10, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12 및 폴리아미드 4,6 중 적어도 하나를 포함하는 폴리아미드 수지 100 중량부에 폴리아크릴로니트릴-부타디엔-스타이렌(ABS) 수지 5 내지 30 중량부가 혼합된 것일 수 있다.Preferably, the matrix resin is
바람직하게는, 탄소섬유 강화 복합재료가 장섬유 강화 펠릿 형태일 경우, ASTM D 235에 의거한 IZOD 충격테스트에 의해 측정된 탄소섬유 강화 복합재료의 충격강도가 탄소섬유 코팅제가 코팅되지 않은 탄소섬유로 제조한 동일한 형태의 탄소섬유 강화 복합재료보다 4.6 내지 13% 향상된 것일 수 있다.Preferably, when the carbon fiber reinforced composite material is in the form of long fiber reinforced pellets, the impact strength of the carbon fiber reinforced composite material measured by the IZOD impact test based on ASTM D 235 is a carbon fiber without a carbon fiber coating agent. It may be improved by 4.6 to 13% compared to the manufactured carbon fiber reinforced composite material of the same type.
바람직하게는, 탄소섬유 강화 복합재료가 일방향 프리프레그 형태일 경우, ASTM D 235에 의거한 IZOD 충격테스트에 의해 측정된 탄소섬유 강화 복합재료의 충격강도가 탄소섬유 코팅제가 코팅되지 않은 탄소섬유로 제조한 동일한 형태의 탄소섬유 강화 복합재료보다 8 내지 24.5% 향상된 것일 수 있다.Preferably, when the carbon fiber reinforced composite material is in the form of a unidirectional prepreg, the impact strength of the carbon fiber reinforced composite material measured by the IZOD impact test based on ASTM D 235 is made of carbon fiber that is not coated with a carbon fiber coating agent It may be improved by 8 to 24.5% compared to the carbon fiber reinforced composite material of the same type.
바람직하게는, 탄소섬유의 비중은 1.7 내지 1.9인 것일 수 있다.Preferably, the specific gravity of the carbon fiber may be 1.7 to 1.9.
또한, 상기 목적은, 에틸렌 옥사이드 포함하는 에폭시 수지 및 에틸렌 옥사이드와 반응하는 작용기를 가지는 첨가제를 혼합하여 탄소섬유 코팅제를 제조하는 단계, 탄소섬유 코팅제를 포함하는 수분산된 코팅액에 탄소섬유를 침지하여 코팅하는 단계, 코팅된 탄소섬유를 건조하는 단계 및 건조된 탄소섬유를 매트릭스 수지에 함침시켜 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하는 단계를 포함하는 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법에 의해 달성된다.In addition, the above object is to prepare a carbon fiber coating agent by mixing an epoxy resin containing ethylene oxide and an additive having a functional group that reacts with ethylene oxide; It is achieved by a method for producing a carbon fiber-reinforced composite material comprising the step of, drying the coated carbon fiber, and impregnating the dried carbon fiber in a matrix resin to prepare a carbon fiber-reinforced composite material.
바람직하게는, 수분산된 코팅액은 에폭시 수지의 고형분이 전체 수분산된 코팅액의 1 내지 5 중량%일 수 있다.Preferably, in the water-dispersed coating solution, the solid content of the epoxy resin may be 1 to 5 wt% of the total water-dispersed coating solution.
바람직하게는, 건조하는 단계는 100℃ 내지 180℃의 온도에서 2 내지 5분 동안 건조하는 1차 건조단계 및 200℃ 내지 260℃의 온도에서 1 내지 2분 동안 건조하는 2차 건조단계를 포함하는 것일 수 있다.Preferably, the drying step includes a primary drying step of drying at a temperature of 100° C. to 180° C. for 2 to 5 minutes and a secondary drying step of drying at a temperature of 200° C. to 260° C. for 1 to 2 minutes. it could be
더욱 바람직하게는, 1차 건조단계는 105℃ 내지 150℃의 온도에서 2 내지 5분 동안 건조하는 단계이고, 2차 건조단계는 220℃ 내지 240℃에서 100초 미만으로 건조하는 단계일 수 있다.More preferably, the primary drying step may be a step of drying at a temperature of 105° C. to 150° C. for 2 to 5 minutes, and the secondary drying step may be a step of drying at 220° C. to 240° C. in less than 100 seconds.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 코팅제 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 복합재료는 복합재료 성형 공정 중 탄소섬유 손상을 최소화하고 매트릭스 수지와의 호환성을 향상시키고, 종래의 탄소섬유 강화 복합재료와 비교하여 충격강도를 향상시킬 수 있다.The carbon fiber coating agent and the carbon fiber reinforced composite material using the same according to an embodiment of the present invention minimize carbon fiber damage during the composite material molding process, improve compatibility with the matrix resin, and compare with the conventional carbon fiber reinforced composite material. Impact strength can be improved.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 코팅제 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 복합재료는 충격강도가 향상된 복합재료를 통해 기존의 CFRP의 기계적 물성의 단점을 보완하여, 필요에 따라 탄소섬유의 사용량을 줄여 제조 비용을 줄일 수 있다.In addition, the carbon fiber coating agent and the carbon fiber reinforced composite material using the same according to an embodiment of the present invention compensate for the disadvantages of the mechanical properties of the existing CFRP through the composite material with improved impact strength, and the amount of carbon fiber used as needed is reduced. can reduce manufacturing cost.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명의 다른 양상에 따른 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 탄소섬유 코팅제의 반응 전, 후 FT-IR을 비교한 결과이다.
도 3은 실시예 3에 따른 탄소섬유 코팅제의 반응 전, 후 FT-IR을 비교한 결과이다.
도 4는 실시예 5에 따른 탄소섬유 코팅제의 반응 전, 후 FT-IR을 비교한 결과이다.
도 5는 실시예 1, 3 및 5의 열처리 시간에 따른 FT-IR 변화를 비교한 결과이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a carbon fiber reinforced composite material according to another aspect of the present invention.
2 is a comparison result of FT-IR before and after the reaction of the carbon fiber coating agent according to Example 1.
3 is a comparison result of FT-IR before and after the reaction of the carbon fiber coating agent according to Example 3.
4 is a comparison result of FT-IR before and after the reaction of the carbon fiber coating agent according to Example 5.
5 is a result of comparing the FT-IR change according to the heat treatment time of Examples 1, 3, and 5.
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.With reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.
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.In order to clearly express various layers and regions in the drawings, the thicknesses are enlarged. Throughout the specification, like reference numerals are assigned to similar parts. When a part, such as a layer, film, region, plate, etc., is “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where there is another part in between. Conversely, when we say that a part is "just above" another part, we mean that there is no other part in the middle.
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.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In case of conflict, the present specification, including definitions, will control. Also, although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of the present invention, suitable methods and materials are described herein.
본 발명의 일 양상에 따른 탄소섬유 코팅제(또는 코팅제 조성물)는 에틸렌 옥사이드를 포함하는 에폭시 수지 및 에틸렌 옥사이드와 반응하는 작용기를 가지는 첨가제를 포함할 수 있다. 여기서 에폭시 수지는 수계 에폭시인 것이 바람직하다.The carbon fiber coating agent (or coating composition) according to an aspect of the present invention may include an epoxy resin containing ethylene oxide and an additive having a functional group reacting with ethylene oxide. Here, the epoxy resin is preferably a water-based epoxy.
일 실시예에서, 탄소섬유 코팅제에 포함되는 첨가제는 에폭시 수지의 에틸렌 옥사이드와 상용성이 우수하거나 또는 반응할 수 있는 작용기를 가질 수 있다. 에틸렌 옥사이드기와 상용성이 우수하거나 반응할 수 있는 첨가제의 작용기로서는 반응하지 않을 경우 첨가제의 자유도가 증가하여 탄소섬유-매트릭스 수지 간의 바인더 기능에 유리하므로, 반응성이 상대적으로 낮은 하이드록시기(-OH)가 바람직하다.In one embodiment, the additive included in the carbon fiber coating agent may have excellent compatibility with ethylene oxide of the epoxy resin or a functional group capable of reacting. If the ethylene oxide group has excellent compatibility or does not react as a functional group of an additive capable of reacting, the degree of freedom of the additive increases, which is advantageous for the binder function between carbon fiber and matrix resin, so a hydroxyl group (-OH) with relatively low reactivity is preferable
일 실시예에서, 첨가제는 지방산 작용기를 더 포함할 수 있으며, 이러한 지방산 작용기는 탄소섬유 코팅제로 코팅된 탄소섬유를 매트릭스 수지에 함침시켜 탄소섬유 강화 복합재료를 성형할 때 매트릭스 수지와 바인딩을 유도한다.In one embodiment, the additive may further include a fatty acid functional group, and the fatty acid functional group induces binding with the matrix resin when the carbon fiber-reinforced composite material is molded by impregnating the carbon fiber coated with the carbon fiber coating agent into the matrix resin. .
일 실시예에서, 탄소섬유 코팅제는 에폭시 수지의 고형분 100 중량부에 대하여 첨가제 1 내지 7 중량부인 것이 바람직하며, 3 내지 5 중량부가 더욱 바람직하다. 첨가제가 1 중량부 미만인 경우 탄소섬유-매트릭스 수지간의 바인더 물질이 부족하여 물성 향상이 어렵고, 첨가제가 7 중량부 초과인 경우 수계 에폭시와 첨가제 간의 경화 반응이 유발되어 부작용이 발생한다. 예를 들면 첨가제가 7 중량부 초과일 때 경화 후 경질의 특성을 가져 탄소섬유의 내마찰성이 저하되거나 첨가제의 자유도가 떨어져 탄소섬유-매트릭스 수지간의 바인더 역할을 기대하기 어렵다. 반면에, 첨가제가 1 내지 7 중량부인 경우에는 특별한 반응 없이 열처리 후에도 액상을 유지하여 열처리 시 설비 오염이나 응어리로 인한 섬유 손상이 발생하지 않는다.In one embodiment, the carbon fiber coating agent is preferably 1 to 7 parts by weight of the additive based on 100 parts by weight of the solid content of the epoxy resin, more preferably 3 to 5 parts by weight. When the additive is less than 1 part by weight, it is difficult to improve the physical properties due to insufficient binder material between the carbon fiber and the matrix resin. For example, when the additive is more than 7 parts by weight, the carbon fiber has a hard property after curing, so that the friction resistance of the carbon fiber is lowered or the degree of freedom of the additive is low, so it is difficult to expect a binder role between the carbon fiber and the matrix resin. On the other hand, when the additive is 1 to 7 parts by weight, the liquid is maintained even after heat treatment without a special reaction, so that damage to the fibers due to contamination of equipment or lumps does not occur during heat treatment.
일 실시예에서, 탄소섬유 코팅제는 230℃ 이상, 30분 이상 열처리 후 푸리에 변환 적외선 분광학(FT-IR) 측정 결과가 3,420 cm-1부근의 피크 증가율이 2.5 내지 5배이고, 1,730 cm-1부근의 피크 증가율이 2.3 내지 5배이고, 1,000 cm-1부근의 피크 증가율이 1.1 내지 2.1 배이고, 940 cm-1부근의 피크 증가율이 1.2 내지 3배인 것이 바람직하다. 여기서, 탄소섬유 코팅제의 FR-IR 측정 결과, 즉 FT-IR 피크 성장이 상기 수치보다 작으면 바인딩을 할 수 있는 작용기가 너무 적어 물성 향상 효과가 거의 없고, 상기 수치를 초과하면 반응성이 너무 강해 이의 부작용으로, 경화된 응어리에 의한 공정 오염과 섬유 손상이 발생하는 문제가 있다.In one embodiment, the carbon fiber coating agent has a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) measurement result after heat treatment at 230 ° C. or more, 30 minutes or more, and the peak increase rate in the vicinity of 3,420 cm -1 is 2.5 to 5 times, and 1,730 cm -1 in the vicinity of It is preferable that the peak increase rate is 2.3 to 5 times, the peak increase rate near 1,000 cm -1 is 1.1 to 2.1 times, and the peak increase rate near 940 cm -1 is 1.2 to 3 times. Here, as a result of FR-IR measurement of the carbon fiber coating agent, that is, if the FT-IR peak growth is smaller than the above value, there are too few functional groups capable of binding, so there is little effect of improving physical properties. As a side effect, there is a problem of process contamination and fiber damage due to the hardened core.
보다 구체적으로, 푸리에 변환 적외선 분광학(FT-IR) 측정 결과에 따른 피크 성장이 상기 범위 미만인 경우 첨가제가 부족하여 CFRP의 물성 향상이 낮고, 피크 성장이 상기 범위 초과인 경우 반응성이 크기 때문에 공정 상 두 물질(수계 에폭시와 첨가제)간의 과도한 반응이 유발되어 첨가제의 배향 자유도가 떨어지며, CFRP의 물성 향상이 낮고 반응 물질이 불순물로 작용할 수 있다.More specifically, when the peak growth according to the Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) measurement result is less than the above range, the improvement of the physical properties of CFRP is low due to insufficient additives, and when the peak growth exceeds the above range, the reactivity is large. Excessive reaction between the materials (water-based epoxy and additives) is induced, and the orientation freedom of the additives is lowered, the improvement of the physical properties of CFRP is low, and the reactive materials may act as impurities.
상술한 탄소섬유 코팅제는 탄소섬유 강화 복합재료를 성형할 때 탄소섬유에 함침되어 탄소섬유 표면에 코팅됨으로써, 탄소섬유와 매트릭스 수지 사이의 결합력을 증가시켜 탄소섬유 강화 복합재료의 충격강도를 향상시킨다.The above-mentioned carbon fiber coating agent is impregnated in carbon fiber and coated on the carbon fiber surface when molding the carbon fiber reinforced composite material, thereby increasing the bonding force between the carbon fiber and the matrix resin to improve the impact strength of the carbon fiber reinforced composite material.
이때, 일반적인 탄소섬유는 에폭시계 물질의 사이징제가 함침되어 있으며, 탄소섬유 코팅제의 베이스 수지로 에폭시 수지를 사용하는 경우 사이징제와의 높은 상용성을 가지므로, 탄소섬유 코팅제는 탄소섬유에 함침되어 있는 사이징제를 제거하지 않고 바로 코팅하는 것이 바람직하다.At this time, the general carbon fiber is impregnated with a sizing agent of an epoxy-based material, and when an epoxy resin is used as the base resin of the carbon fiber coating agent, it has high compatibility with the sizing agent, so the carbon fiber coating agent is impregnated in the carbon fiber. It is preferable to directly coat without removing the sizing agent.
또한, 탄소섬유 표면에의 고른 코팅을 유도하기 위해 탄소섬유 코팅제에 포함되는 에폭시 수지는 용매에 희석된 형태의 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 제조방법에서의 건조 단계에서 화재 및 악취 문제를 방지하기 위해 수계 에폭시 수지인 것이 더욱 바람직하다.In addition, in order to induce an even coating on the carbon fiber surface, it is preferable to use an epoxy resin diluted in a solvent as the epoxy resin included in the carbon fiber coating agent, and to prevent fire and odor problems in the drying step of the manufacturing method In order to do so, it is more preferable that it is a water-based epoxy resin.
본 발명의 다른 양상에 따른 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)는 상술한 에틸렌 옥사이드 포함하는 에폭시 수지 및 에틸렌 옥사이드와 반응하는 작용기를 가지는 첨가제를 포함하는 탄소섬유 코팅제로 코팅된 탄소섬유 및 탄소섬유에 함침된 매트릭스 수지를 포함한다.Carbon fiber reinforced composite material (CFRP) according to another aspect of the present invention is impregnated with carbon fibers and carbon fibers coated with a carbon fiber coating agent containing an additive having a functional group reacting with the epoxy resin and ethylene oxide including the above-mentioned ethylene oxide. and matrix resin.
이때, 탄소섬유 코팅제는 탄소섬유에 함침 시 물과 혼합하여 수분산된 코팅액 형태로 함침되며, 탄소섬유 다발을 탄소섬유 코팅제가 물(증류수)과 혼합되어 형성된 수분산된 코팅액에 침지하여 코팅할 수 있다. 이때, 탄소섬유 코팅제와 물이 혼합된 수분산된 코팅액은 에폭시 수지의 고형분이 전체 수분산된 코팅액의 1 내지 5 중량%인 것이 바람직하며, 2 내지 4 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 수분산된 코팅액의 에폭시 수지의 고형분 함량이 1 중량% 미만일 경우 탄소섬유에 코팅되는 양이 매우 적어 탄소섬유-매트릭스 수지 간의 바인더 기능이 약화되며, 5 중량%를 초과하는 경우 탄소섬유 코팅제가 탄소섬유 표면에 코팅되는 수준이 아니라 탄소섬유-매트릭스 수지 사이에서 별도의 제3의 층을 형성하여 탄소섬유와 매트릭스 수지 사이를 접착시키는 바인더가 아닌 이물로 작용할 우려가 있다. 이때, 수분산된 코팅액에서 물은 제조방법 중 건조 과정을 통해 증발하여 탄소섬유 코팅제가 탄소섬유에 코팅된다.At this time, the carbon fiber coating agent is impregnated in the form of a coating solution dispersed in water by mixing with water when impregnating the carbon fiber, and the carbon fiber bundle is immersed in the coating solution formed by mixing the carbon fiber coating agent with water (distilled water) to coat. have. At this time, in the water-dispersed coating solution in which the carbon fiber coating agent and water are mixed, the solid content of the epoxy resin is preferably 1 to 5 wt% of the total water-dispersed coating solution, and more preferably 2 to 4 wt%. When the solid content of the epoxy resin in the water-dispersed coating solution is less than 1 wt%, the amount of coating on the carbon fiber is very small, so the binder function between the carbon fiber-matrix resin is weakened, and when it exceeds 5 wt%, the carbon fiber coating agent is a carbon fiber Rather than being coated on the surface, a separate third layer is formed between the carbon fiber and the matrix resin, and there is a fear that it may act as a foreign material rather than a binder that bonds the carbon fiber and the matrix resin. At this time, water in the aqueous dispersion coating solution is evaporated through a drying process during the manufacturing method, so that the carbon fiber coating agent is coated on the carbon fiber.
또한, 탄소섬유 코팅제가 코팅된 탄소섬유는 탄소섬유 코팅제가 0.9 내지 1.2 중량%인 것이 바람직하다. 탄소섬유 코팅제가 0.9 중량% 미만인 경우 탄소섬유에 코팅되는 양이 매우 적어 탄소섬유-매트릭스 수지간의 바인더 기능이 약화되며, 1.2 중량%를 초과하는 경우 탄소섬유 코팅제가 탄소섬유 표면에 코팅 상에 코팅되는 수준이 아니라 탄소섬유-매트릭스 수지 사이에 별도의 제3의 층을 형성하여 탄소섬유와 매트릭스 수지 사이를 접착시키는 바인더가 아닌 이물로 작용할 우려가 있다.In addition, the carbon fiber coated with the carbon fiber coating agent is preferably 0.9 to 1.2 wt% of the carbon fiber coating agent. When the carbon fiber coating agent is less than 0.9 wt%, the amount of carbon fiber coated is very small, so the binder function between carbon fiber-matrix resin is weakened, and when it exceeds 1.2 wt%, the carbon fiber coating agent is coated on the coating on the carbon fiber surface. Rather than a level, a separate third layer is formed between the carbon fiber and the matrix resin, and there is a fear that it may act as a foreign material rather than a binder for bonding the carbon fiber and the matrix resin.
일 실시예에서, 탄소섬유 강화 복합재료를 구성하는 매트릭스 수지는 열경화성 수지 및 열가소성 수지의 종류 중 무엇이든 사용할 수 있으나, 폴리아미드 수지, 폴리아미드 수지와 ABS 수지, 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지 및 폴리페닐렌설파이드 수지 중에서 적어도 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하며, 특히 폴리아미드 수지 단독으로 쓰이거나 녹는점 등을 감안하여 폴리아미드 수지와 ABS수지의 혼합물을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 폴리아미드 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드6,6, 폴리아미드 6,10, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12 및 폴리아미드 4,6 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 더욱 더 바람직하다. In one embodiment, the matrix resin constituting the carbon fiber reinforced composite material may be any kind of thermosetting resin and thermoplastic resin, but polyamide resin, polyamide resin and ABS resin, polyethylene resin, polypropylene resin, and polyphenyl It is preferable that at least one or a mixture of two or more of the lensulfide resins is used, and in particular, it is more preferable to use a polyamide resin alone or a mixture of a polyamide resin and an ABS resin in consideration of the melting point. In this case, the polyamide resin further preferably includes at least one of
일 실시예에서, 매트리스 수지가 폴리아미드 수지 및 ABS 수지의 혼합물일 경우 폴리아미드 6, 폴리아미드6,6, 폴리아미드 6,10, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12 및 폴리아미드 4,6 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 폴리아미드 수지 100 중량부에 폴리아크릴로니트릴-부타디엔-스타이렌(ABS) 수지 5 내지 30 중량부가 혼합되는 것이 바람직하다.In one embodiment, when the mattress resin is a mixture of polyamide resin and ABS resin, at least one of
일 실시예에서, 탄소섬유 강화 복합재료는 탄소섬유 100 중량부에 대해 매트릭스 수지 50 내지 900 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 매트릭스 수지의 함량이 50중량부 미만인 경우 수지 함침이 부족해 복합재료의 강도 발현율이 낮아지는 단점이 있고, 900 중량부를 초과하는 경우 탄소섬유로 인한 강도 보강 효과가 낮은 단점이 있다.In one embodiment, the carbon fiber-reinforced composite material preferably includes 50 to 900 parts by weight of the matrix resin based on 100 parts by weight of the carbon fiber. When the content of the matrix resin is less than 50 parts by weight, there is a disadvantage that the strength expression rate of the composite material is lowered due to insufficient resin impregnation, and when it exceeds 900 parts by weight, the strength reinforcement effect due to carbon fibers is low.
탄소섬유 강화 복합재료를 구성하는 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유, pitch계 탄소섬유 및 레이온계 탄소섬유 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소섬유는 비중이 1.7 내지 1.9인 PAN계 탄소섬유인 것이 더욱 바람직하다. Pitch계 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유와 비교하여 제조 공정이 복잡하고 비싸며, 레이온계 탄소섬유는 물성이 pitch계나 PAN계 탄소섬유보다 낮기 때문에 양산성과 물성을 모두 만족하는 PAN계 탄소섬유가 바람직하다. The carbon fibers constituting the carbon fiber-reinforced composite material preferably include at least one of PAN-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, and rayon-based carbon fibers. In addition, the carbon fiber is more preferably a PAN-based carbon fiber having a specific gravity of 1.7 to 1.9. Pitch-based carbon fibers are more complicated and expensive to manufacture than PAN-based carbon fibers, and rayon-based carbon fibers have lower physical properties than pitch-based or PAN-based carbon fibers, so a PAN-based carbon fiber that satisfies both mass productivity and physical properties is preferable.
또한, 탄소섬유는 비중이 1.7 내지 1.9인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 탄소섬유의 비중은 1.75 내지 1.85인 것이 바람직하다. 탄소섬유의 비중이 1.7보다 낮은 경우, 탄소섬유 토우를 형성하는 탄소섬유 필라멘트에 보이드(Void) 등이 많이 존재하거나, 탄소 필라멘트의 치밀성이 낮아지며, 이에 따라 이러한 탄소섬유 필라멘트 다수 개로 이루어지는 탄소섬유 토우를 이용하여 탄소섬유 복합재료를 성형할 경우 낮은 압축강도를 갖게 된다. 또한, 탄소섬유의 비중이 1.9보다 높을 경우, 탄소섬유 복합재료의 경량화의 효과가 낮아진다.In addition, the carbon fiber preferably has a specific gravity of 1.7 to 1.9. More preferably, the specific gravity of the carbon fiber is preferably 1.75 to 1.85. When the specific gravity of the carbon fiber is lower than 1.7, there are many voids in the carbon fiber filaments forming the carbon fiber tow, or the compactness of the carbon filament is lowered, and accordingly, the carbon fiber tow consisting of a plurality of these carbon fiber filaments When using the carbon fiber composite material to be molded, it has low compressive strength. In addition, when the specific gravity of the carbon fiber is higher than 1.9, the effect of reducing the weight of the carbon fiber composite material is lowered.
또한, 탄소섬유 토우의 토우당 필라멘트의 수는 1,000개 내지 50,000개인 것이 바람직하다. 필라멘트의 수가 1,000개 미만인 경우에는 대면적의 탄소섬유 복합재료 제조 시에 부피당 면적비가 낮아 제조비용이 상승하는 단점이 있고, 50,000개를 초과하는 경우에는 탄소섬유 토우당 필라멘트의 결점이 많아져 제조된 탄소섬유 강화 복합재료의 인장강도 및/또는 압축강도 가 낮아지는 단점이 발생한다.In addition, the number of filaments per tow of the carbon fiber tow is preferably 1,000 to 50,000. When the number of filaments is less than 1,000, there is a disadvantage in that the area ratio per volume is low when manufacturing a large-area carbon fiber composite material and the manufacturing cost increases. There is a disadvantage in that the tensile strength and/or compressive strength of the carbon fiber reinforced composite material is lowered.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 복합재료는 그 형태를 특별히 한정하지는 않으나, 매트릭스 수지로 폴리아미드 수지 또는 폴리아미드 수지와 ABS수지의 혼합물을 사용하는 경우 섬유 촙(Chop)이 매트릭스 수지 내에 분산된 단섬유 강화 플라스틱 또는 LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastics) 등의 사출용 장섬유 강화 펠릿이나 일방향(UD) 또는 직물 프리프레그로 형태로 적용되는 것이 바람직하며, 기계적 물성과 성형 비용을 감안했을 때 장섬유 강화 펠릿 또는 일방향 프리프레그(UD 테이프) 형태로 중간기재 내지 복합재료를 형성하는 것이 더욱 적합하다. 이와 같이, 장섬유 강화 펠릿 또는 일방향 프리프레그 형태로 제조된 탄소섬유 강화 복합재료는 기계적 물성이 우수하며, 특히 탄소섬유 코팅제가 코팅되지 않은 탄소섬유를 적용한 동일한 형태의 탄소섬유 강화 복합재료와 비교하여 충격강도가 향상된다.The carbon fiber-reinforced composite material according to an embodiment of the present invention is not particularly limited in its form, but when a polyamide resin or a mixture of polyamide resin and ABS resin is used as the matrix resin, the fiber chop is in the matrix resin. It is preferable to apply in the form of dispersed short fiber reinforced plastics or long fiber reinforced pellets for injection such as LFT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics), or unidirectional (UD) or fabric prepreg. It is more suitable to form intermediate substrates or composites in the form of fiber-reinforced pellets or unidirectional prepregs (UD tapes). In this way, the carbon fiber reinforced composite material prepared in the form of long fiber reinforced pellets or unidirectional prepreg has excellent mechanical properties, and in particular, compared to the carbon fiber reinforced composite material of the same type to which carbon fiber not coated with a carbon fiber coating agent is applied. Impact strength is improved.
일 실시예에서, 탄소섬유 강화 복합재료가 장섬유 강화 펠릿 형태일 경우, ASTM D 235에 의거한 IZOD 충격테스트에 의해 측정된 탄소섬유 강화 복합재료의 충격강도가 탄소섬유 코팅제가 코팅되지 않은 탄소섬유로 제조한 동일한 형태의 탄소섬유 강화 복합재료보다 4.6 내지 13% 향상된다. In one embodiment, when the carbon fiber reinforced composite material is in the form of long fiber reinforced pellets, the impact strength of the carbon fiber reinforced composite material measured by the IZOD impact test based on ASTM D 235 is the carbon fiber not coated with the carbon fiber coating agent. It is improved by 4.6 to 13% compared to the carbon fiber reinforced composite material of the same type made with
일 실시예에서, 탄소섬유 강화 복합재료가 일방향 프리프레그 형태일 경우, ASTM D 235에 의거한 IZOD 충격테스트에 의해 측정된 탄소섬유 강화 복합재료의 충격강도가 탄소섬유 코팅제가 코팅되지 않은 탄소섬유로 제조한 동일한 형태의 탄소섬유 강화 복합재료보다 8 내지 24.5% 향상된다.In one embodiment, when the carbon fiber reinforced composite material is in the form of a unidirectional prepreg, the impact strength of the carbon fiber reinforced composite material measured by the IZOD impact test based on ASTM D 235 is a carbon fiber that is not coated with a carbon fiber coating agent. It is improved by 8 to 24.5% compared to the manufactured carbon fiber reinforced composite material of the same type.
도 1은 본 발명의 다른 양상에 따른 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a carbon fiber reinforced composite material according to another aspect of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법은 에틸렌 옥사이드 포함하는 에폭시 수지 및 에틸렌 옥사이드와 반응하는 작용기를 가지는 첨가제를 혼합하여 탄소섬유 코팅제를 제조하는 단계(S101), 탄소섬유 코팅제를 포함하는 수분산된 코팅액에 탄소섬유를 침지하여 코팅하는 단계(S102), 코팅된 탄소섬유를 건조하는 단계(S103) 및 건조된 탄소섬유를 매트릭스 수지에 함침시켜 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하는 단계(S104)를 포함한다. Referring to Figure 1, the method of manufacturing a carbon fiber reinforced composite material according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a carbon fiber coating agent by mixing an epoxy resin containing ethylene oxide and an additive having a functional group reacting with ethylene oxide ( S101), coating the carbon fiber by immersing the carbon fiber in an aqueous dispersion containing a carbon fiber coating agent (S102), drying the coated carbon fiber (S103), and impregnating the dried carbon fiber in a matrix resin to carbon fiber It includes a step (S104) of manufacturing a reinforced composite material.
에틸렌 옥사이드 포함하는 에폭시 수지 및 에틸렌 옥사이드와 반응하는 작용기를 가지는 첨가제를 혼합하여 탄소섬유 코팅제를 제조하는 단계(S101)에서는 에폭시 수지와 소정의 첨가제를 혼합하여 탄소섬유 코팅제를 제조한다. 이때, 탄소섬유 코팅제에 포함된 에폭시 수지는 에틸렌 옥사이드를 포함하는 수계 에폭시인 것이 바람직하며, 첨가제는 한쪽 측면에 지방산 작용기를 가지며, 다른 측면에는 에폭시 수지의 에틸렌 옥사이드기와 상용성이 우수한 또는 반응할 수 있는 작용기를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 탄소섬유 코팅제는 에폭시 수지 고형분 100 중량부에 대하여 1 내지 7 중량부인 것이 바람직하며, 3 내지 5 중량부가 더욱 바람직하다.In the step of preparing a carbon fiber coating agent by mixing an epoxy resin containing ethylene oxide and an additive having a functional group that reacts with ethylene oxide (S101), the carbon fiber coating agent is prepared by mixing an epoxy resin and a predetermined additive. At this time, the epoxy resin included in the carbon fiber coating agent is preferably a water-based epoxy containing ethylene oxide, and the additive has a fatty acid functional group on one side, and excellent compatibility with or reacts with the ethylene oxide group of the epoxy resin on the other side. It is preferable to have a functional group. In addition, the carbon fiber coating agent is preferably 1 to 7 parts by weight, more preferably 3 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the epoxy resin solid content.
다음으로, 코팅제를 포함하는 수분산된 코팅액에 탄소섬유를 침지하여 코팅하는 단계(S102)에서는 S101 단계에서 제조된 탄소섬유 코팅액을 탄소섬유에 코팅한다. 이때, 탄소섬유 표면에 탄소섬유 코팅제가 균일하게 분산되어 코팅될 수 있도록 탄소섬유 코팅제는 물과 혼합하여 수분산된 코팅액 형태로 탄소섬유를 침지시켜 코팅하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소섬유 코팅제와 물이 혼합된 수분산된 코팅액은 에폭시 수지의 고형분이 전체 수분산된 코팅액의 1 내지 5 중량%인 것이 바람직하며, 2 내지 4 중량%인 것이 더욱 바람직하다Next, in the step (S102) of coating the carbon fiber by immersing the carbon fiber in the water-dispersed coating solution containing the coating agent, the carbon fiber coating solution prepared in step S101 is coated on the carbon fiber. At this time, it is preferable to coat the carbon fiber coating agent by immersing the carbon fiber in the form of a coating solution dispersed in water by mixing the carbon fiber coating agent with water so that the carbon fiber coating agent can be uniformly dispersed and coated on the surface of the carbon fiber. In addition, in the water-dispersed coating solution in which the carbon fiber coating agent and water are mixed, the solid content of the epoxy resin is preferably 1 to 5 wt% of the total water-dispersed coating solution, more preferably 2 to 4 wt%
다음으로, 코팅된 탄소섬유를 건조하는 단계(S103)에서는 탄소섬유에 침지된 수분산된 코팅액에서 수분을 건조시켜 탄소섬유에 탄소섬유 코팅제만이 코팅되도록 하는 단계이다. 이때, 건조 단계는 2차에 나누어 실시하는 것이 바람직하다.Next, in the step of drying the coated carbon fiber ( S103 ), moisture is dried in the water-dispersed coating solution immersed in the carbon fiber so that only the carbon fiber coating agent is coated on the carbon fiber. In this case, the drying step is preferably carried out by dividing the second.
1차 건조는 100℃ 내지 180℃에서, 더욱 바람직하게는 105℃ 내지 150℃에서 2분 내지 5분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 1차 건조의 온도가 100℃ 미만인 경우 수분 제거가 불가능하고, 180℃ 초과인 경우 코팅액이 비산되어 균일한 코팅을 할 수 없는 단점이 있다.The primary drying is preferably performed at 100° C. to 180° C., more preferably at 105° C. to 150° C. for 2 minutes to 5 minutes. If the temperature of the primary drying is less than 100 ℃, moisture removal is impossible, and if it is more than 180 ℃, there is a disadvantage in that the coating solution is scattered and a uniform coating cannot be performed.
2차 건조는 200℃ 내지 260℃의 온도에서 1분 내지 2분으로 실시하는 것이 바람직하고, 220℃ 내지 240℃에서 100초 미만으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 2차 건조의 온도가 200℃ 미만일 경우 사이징제와 코팅제 베이스 수지간의 열 융착이 불가능하기 때문에 탄소섬유 코팅제가 탄소섬유 강화 복합재료의 바인더로서의 기능을 하는 것을 기대하기 어렵고, 260℃를 초과할 경우 수계 에폭시와 첨가제 간의 반응이 유도되어 상대적으로 분자량이 낮은 첨가제가 분자량이 높은 에폭시에 결합되기 때문에 작용기가 올바른 방향으로 배향되지 않아 첨가제의 자유도가 떨어질 수 있다. 또한, 건조 단계를 1차 건조 및 2차 건조로 구분하지 않을 경우, 상술한 바와 같이 코팅액 비산으로 인한 문제가 발생할 수 있다.The secondary drying is preferably performed for 1 minute to 2 minutes at a temperature of 200°C to 260°C, and more preferably less than 100 seconds at 220°C to 240°C. When the secondary drying temperature is less than 200℃, it is difficult to expect the carbon fiber coating agent to function as a binder of the carbon fiber reinforced composite material because thermal fusion between the sizing agent and the coating agent base resin is impossible. Since a reaction between the epoxy and the additive is induced, and the additive with a relatively low molecular weight is bonded to the epoxy with a high molecular weight, the functional groups are not oriented in the correct direction, and the degree of freedom of the additive may be reduced. In addition, if the drying step is not divided into primary drying and secondary drying, problems due to scattering of the coating solution may occur as described above.
다음으로, 건조된 탄소섬유를 매트릭스 수지에 함침시켜 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하는 단계(S104)에서는 S103 단계에서 건조되어 탄소섬유 코팅제가 코팅된 탄소섬유를 매트릭스 수지에 함침시켜 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하는 단계이다. 이때, 매트릭스 수지는 열경화성 수지 및 열가소성 수지의 종류 중 무엇이든 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 폴리아미드 수지 또는 폴리아미드 수지와 ABS 수지, 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 폴리페닐렌설파이드 수지 등의 혼합물이 적합하며, 폴리아미드 수지 단독으로 쓰이거나 녹는점 등을 감안하여 폴리아미드 수지와 ABS수지의 혼합물이 더욱 적합하다.Next, in the step (S104) of manufacturing the carbon fiber reinforced composite material by impregnating the dried carbon fiber in the matrix resin, the carbon fiber, which is dried in step S103 and coated with the carbon fiber coating agent, is impregnated in the matrix resin to make the carbon fiber reinforced composite material. is a manufacturing step. At this time, the matrix resin may be any kind of thermosetting resin and thermoplastic resin, but in the present invention, polyamide resin or a mixture of polyamide resin and ABS resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyphenylene sulfide resin, etc. is suitable In addition, polyamide resin alone or a mixture of polyamide resin and ABS resin is more suitable in consideration of the melting point.
도 1을 통해 설명한 본 발명의 다른 양상에 따른 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법에서 상술한 탄소섬유 강화 복합재료와 중복되는 내용은 중복하여 기재하지 않았으나, 상술한 탄소섬유 강화 복합재료에 대한 구성은 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법에도 적용할 수 있음은 물론이다. In the method for manufacturing a carbon fiber reinforced composite material according to another aspect of the present invention described with reference to FIG. 1, the content overlapping with the carbon fiber reinforced composite material described above was not described as overlapping, but the configuration of the carbon fiber reinforced composite material described above is Of course, it can also be applied to the manufacturing method of the carbon fiber reinforced composite material.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration of the present invention and its effects will be described in more detail through Examples and Comparative Examples. However, these examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
[실시예][Example]
[실시예 1][Example 1]
1-1. 탄소섬유 코팅제 및 수분산된 코팅액 제조1-1. Manufacture of carbon fiber coating agent and water-dispersed coating solution
먼저, 탄소섬유 코팅제와 이를 이용한 수분산된 코팅액을 하기와 같은 순서로 제조하였다.First, a carbon fiber coating agent and a coating solution dispersed in water using the same were prepared in the following order.
베이스 수지는 수계 에폭시인 KWER-828(금호피앤비화학)을 100 중량부 적용하고, 첨가제로서 지방산을 가지는 부착증진제(BYK-4510, BYK Korea)를 수계 에폭시 고형분 100중량부에 대해 5 중량부 첨가하여 탄소섬유 코팅제를 제조하였다. For the base resin, 100 parts by weight of KWER-828 (Kumho P&B Chemical), a water-based epoxy, is applied, and 5 parts by weight of an adhesion enhancer having a fatty acid as an additive (BYK-4510, BYK Korea) based on 100 parts by weight of the water-based epoxy solid content is added. to prepare a carbon fiber coating agent.
다음으로 탄소섬유 코팅제가 탄소섬유에 코팅되는 양을 맞추기 위해 수계 에폭시의 고형분이 3 중량%가 되도록 증류수를 첨가하고, 자력 교반기를 이용하여 상온에서 12시간 교반하여 수분산된 코팅액 5L를 제조하였다.Next, in order to match the amount of carbon fiber coating agent to be coated on carbon fiber, distilled water was added so that the solid content of water-based epoxy was 3 wt%, and stirred at room temperature for 12 hours using a magnetic stirrer to prepare 5 L of a water-dispersed coating solution.
1-2. 코팅 공정1-2. coating process
1-1을 통해 제조된 수분산된 코팅액을 함침조에 넣고 탄소섬유(도레이첨단소재의 T700SC-50C-24k)가 함침조에 침지되도록 사도(공정 내 섬유의 주행 조건)를 구성하였다. 탄소섬유는 직경 260mm의 함침롤을 통해 침지되었으며 함침롤은 상시 하부로부터 100mm 이상 코팅액에 담겨있도록 관리하였다. 함침조를 통과한 후 탄소섬유를 130℃ 조건에서 2분간 1차 건조하여 대부분의 수분을 증발시켰다. 그 후 230℃ 분위기로 가열된 오븐에서 90초간 체류시켜 2차 건조를 진행하였다. 다음으로 코팅 공정을 마친 탄소섬유를 탄소섬유용 와인더로 권취하여 탄소섬유 코팅제가 코팅된 탄소섬유를 제조하였다.The water-dispersed coating solution prepared in step 1-1 was put into the impregnation tank, and the sand road (running conditions of fibers in the process) was configured so that carbon fibers (T700SC-50C-24k of Toray Advanced Materials) were immersed in the impregnation tank. The carbon fiber was immersed through an impregnation roll with a diameter of 260 mm, and the impregnation roll was maintained to be immersed in the coating solution by 100 mm or more from the bottom at all times. After passing through the impregnation tank, the carbon fibers were first dried at 130° C. for 2 minutes to evaporate most of the moisture. Thereafter, the secondary drying was performed by staying in an oven heated to 230° C. for 90 seconds. Next, the carbon fiber after the coating process was wound with a winder for carbon fiber to prepare a carbon fiber coated with a carbon fiber coating agent.
1-3. 탄소섬유 강화 복합재료의 제조1-3. Manufacture of carbon fiber reinforced composites
1-2를 통해 얻은 탄소섬유 1다발을 매트릭스 수지가 용융된 함침조에 통과시켜 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다. 이때 사용한 매트릭스 수지는 폴리아미드 6(코오롱플라스틱)이고, 탄소섬유 100 중량부에 대해 매트릭스 수지가 900 중량부를 포함하도록 하였으며, 온도는 270℃로 유지하여 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다. 이때, 매트릭스 수지가 함침된 탄소섬유가 함침조에서 빠져나올 때 통과하는 금형에 따라 LFT(장섬유 강화 펠릿) 및 UD 테이프(일방향 프리프레그)의 각각 서로 다른 두 가지 형태의 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다. A carbon fiber-reinforced composite material was prepared by passing one bundle of carbon fibers obtained through 1-2 through an impregnation tank in which the matrix resin was melted. The matrix resin used at this time was polyamide 6 (Kolon Plastics), and the matrix resin was made to contain 900 parts by weight based on 100 parts by weight of carbon fibers, and the temperature was maintained at 270° C. to prepare a carbon fiber reinforced composite material. At this time, two different types of carbon fiber reinforced composite materials, LFT (long fiber reinforced pellet) and UD tape (unidirectional prepreg), respectively, depending on the mold through which the carbon fiber impregnated with the matrix resin exits from the impregnation tank prepared.
LFT는 직경 3.5 mm의 금형을 적용했고, 24k 탄소섬유 1다발에 대하여 수지 함량(resin content, RC) 80 중량%가 되도록 제조 후 12 mm 길이의 펠릿 형태로 가공하였다.For LFT, a mold having a diameter of 3.5 mm was applied, and the resin content (RC) was 80% by weight with respect to one bundle of 24k carbon fibers, and then processed into pellets of 12 mm in length.
또한, UD 테이프는 폭 22 mm, 두께 0.5 mm 슬릿 형태의 금형을 적용했고, 수지 함량(RC)은 50 중량%가 되도록 하였다.In addition, for the UD tape, a slit-shaped mold with a width of 22 mm and a thickness of 0.5 mm was applied, and the resin content (RC) was set to 50% by weight.
[실시예 2][Example 2]
수계 에폭시로서 KWER-834(금호피앤비화학)를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that KWER-834 (Kumho P&B Chemical) was applied as a water-based epoxy.
[실시예 3][Example 3]
첨가제로서 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-192, BYK Korea)를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that a wetting and dispersing agent (DISPERBYK-192, BYK Korea) having a fatty acid as an additive was applied.
[실시예 4][Example 4]
수계 에폭시로서 KWER-834(금호피앤비화학)를 적용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 3, except that KWER-834 (Kumho P&B Chemical) was applied as a water-based epoxy.
[실시예 5][Example 5]
첨가제로서 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-2096, BYK Korea)을 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that a wetting and dispersing agent (DISPERBYK-2096, BYK Korea) having a fatty acid as an additive was applied.
[실시예 6][Example 6]
수계 에폭시로서 KWER-834(금호피앤비화학)를 적용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 5, except that KWER-834 (Kumho P&B Chemical) was applied as a water-based epoxy.
[실시예 7][Example 7]
첨가제로서 지방산을 가지는 부착증진제(BYK-4510) 2중량부와 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-192) 3중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 2 parts by weight of an adhesion promoter (BYK-4510) having a fatty acid as an additive and 3 parts by weight of a wetting and dispersing agent (DISPERBYK-192) having a fatty acid were added.
[실시예 8][Example 8]
첨가제로서 지방산을 가지는 부착증진제(BYK-4510) 3중량부와 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-192) 2중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 parts by weight of an adhesion promoter (BYK-4510) having a fatty acid as an additive and 2 parts by weight of a wetting and dispersing agent (DISPERBYK-192) having a fatty acid were added.
[실시예 9][Example 9]
첨가제로서 지방산을 가지는 부착증진제(BYK-4510) 2중량부와 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-2096) 3중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 2 parts by weight of an adhesion promoter (BYK-4510) having a fatty acid as an additive and 3 parts by weight of a wetting and dispersing agent (DISPERBYK-2096) having a fatty acid were added.
[실시예 10][Example 10]
첨가제로서 지방산을 가지는 부착증진제(BYK-4510) 3중량부와 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-2096) 2중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 parts by weight of an adhesion promoter (BYK-4510) having a fatty acid as an additive and 2 parts by weight of a wetting and dispersing agent (DISPERBYK-2096) having a fatty acid were added.
[실시예 11][Example 11]
첨가제로서 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-192) 2중량부와 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-2096) 3중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 2 parts by weight of a wetting and dispersing agent having a fatty acid (DISPERBYK-192) and 3 parts by weight of a wetting and dispersing agent having a fatty acid (DISPERBYK-2096) were added as additives.
[실시예 12][Example 12]
첨가제로서 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-192) 3중량부와 지방산을 가지는 습윤분산제(DISPERBYK-2096) 2중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 parts by weight of a wetting and dispersing agent having a fatty acid (DISPERBYK-192) and 2 parts by weight of a wetting and dispersing agent having a fatty acid (DISPERBYK-2096) were added as additives.
[실시예 13] [Example 13]
첨가제로서 지방산을 가지는 부착증진제(BYK-4510)를 수계 에폭시 고형분 100 중량부에 대해 1 중량부 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다. A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 1 part by weight of an adhesion promoter (BYK-4510) having a fatty acid as an additive was added with respect to 100 parts by weight of a water-based epoxy solid content.
[실시예 14] [Example 14]
첨가제로서 지방산을 가지는 부착증진제(BYK-4510)를 수계 에폭시 고형분 100 중량부에 대해 7 중량부 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 7 parts by weight of an adhesion promoter (BYK-4510) having a fatty acid as an additive was added based on 100 parts by weight of a water-based epoxy solid content.
[비교예][Comparative example]
[비교예 1][Comparative Example 1]
도레이첨단소재에서 생산한 T700-50C-24k 탄소섬유를 이용하여 탄소섬유 코팅제의 코팅 공정 없이(실시예 1의 1-1, 1-2 과정 생략) 실시예 1과 동일한 규격의 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.Carbon fiber-reinforced composite material of the same specification as Example 1 without a coating process of carbon fiber coating agent using T700-50C-24k carbon fiber produced by Toray Advanced Materials was prepared.
[비교예 2][Comparative Example 2]
첨가제를 적용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that no additives were applied.
[비교예 3][Comparative Example 3]
첨가제를 적용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 2, except that no additives were applied.
[비교예 4] [Comparative Example 4]
첨가제로서 지방산을 가지는 부착증진제(BYK-4510)을 수계 에폭시 고형분 100 중량부에 대해 0.5 중량부 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.5 parts by weight of an adhesion promoter (BYK-4510) having a fatty acid as an additive was added based on 100 parts by weight of a water-based epoxy solid content.
[비교예 5] [Comparative Example 5]
첨가제로서 지방산을 가지는 부착증진제(BYK-4510)을 수계 에폭시 고형분 100 중량부에 대해 8 중량부 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that 8 parts by weight of an adhesion promoter (BYK-4510) having a fatty acid as an additive was added based on 100 parts by weight of a water-based epoxy solid content.
[비교예 6] [Comparative Example 6]
첨가제로 실란계 부착증진제(BYK C8000)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1 except that a silane-based adhesion enhancer (BYK C8000) was used as an additive.
본 발명에 따른 실시예 1 내지 14 및 비교예 1 내지 6에서 제조한 탄소섬유 코팅제의 물성 및 코팅공정 후의 탄소섬유 코팅제 부착량을 표 1에 나타내었고, 실시예 및 비교예에 따라 제조된 CFRP의 물성을 표 2에 나타내었다.The physical properties of the carbon fiber coating agents prepared in Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 6 according to the present invention and the carbon fiber coating agent adhesion amount after the coating process are shown in Table 1, and the physical properties of CFRPs prepared according to Examples and Comparative Examples is shown in Table 2.
[실험예][Experimental example]
(1) 수분산된 코팅액의 고형분 함량 측정(1) Measurement of solid content of water-dispersed coating solution
수분산된 코팅액을 50g씩 세 개의 바이알(Vial)에 담은 후, 수분을 완전히 건조시킨 후 하기 수학식 1을 통해 고형분 함량을 측정하였다. 측정 횟수는 5회이며 평균값을 수분산된 코팅액의 고형분 함량으로 판단하였다.50 g each of the dispersed coating solution was placed in three vials, and after the moisture was completely dried, the solid content was measured through
(수학식 1)(Equation 1)
: 빈 바이알의 질량 : mass of empty vial
: 수분산된 코팅액을 포함한 바이알의 질량 : The mass of the vial including the water-dispersed coating solution
: 수분 증발 후 바이알의 질량 : Mass of vial after water evaporation
: 수분산된 코팅액의 고형분 함량 : Solid content of water-dispersed coating solution
(2) 사이징제 및 탄소섬유 코팅제 함량 측정(2) Measurement of sizing agent and carbon fiber coating agent content
실시예 및 비교예에서 사용된 탄소섬유를 450℃로 가열된 전기로에 넣어 15분 동안 열처리하여 탄소섬유를 제외한 사이징제 및 코팅제 성분을 제거했다. 이때, 탄소섬유는 2 내지 3 g 수준으로 준비했고 시편 수는 조건 당 20개였다. 전기로 내부는 질소(N2)분위기로 퍼징했고, 사이징제 및 탄소섬유 코팅제 부착량은 하기 수학식 2를 통해 계산하였다. The carbon fibers used in Examples and Comparative Examples were put into an electric furnace heated to 450° C. and heat-treated for 15 minutes to remove the sizing agent and coating agent components except for the carbon fibers. At this time, the carbon fiber was prepared at a level of 2 to 3 g, and the number of specimens was 20 per condition. The inside of the electric furnace was purged with nitrogen (N 2 ) atmosphere, and the amount of sizing agent and carbon fiber coating agent attached was calculated through
(수학식 2)(Equation 2)
: 열처리 전, 사이징제 및 코팅제를 포함하는 탄소섬유의 질량 : Weight of carbon fiber including sizing agent and coating agent before heat treatment
: 열처리 후, 사이징제 및 코팅제가 제거된 탄소섬유의 질량 : Weight of carbon fiber from which sizing agent and coating agent are removed after heat treatment
: 탄소섬유의 사이징제 및 코팅제 부착량 : Amount of carbon fiber sizing agent and coating agent
또한 수학식 2를 통해 계산된 탄소섬유의 사이징제 및 코팅제 부착량(Sz(%))에서 비교예 1을 통해 계산된 도레이첨단소재의 T700SC-24k-50C의 사이징제 부착량을 빼서 탄소섬유 코팅제의 함량을 측정하였다.In addition, the content of the carbon fiber coating agent by subtracting the sizing agent adhesion amount of T700SC-24k-50C of Toray Advanced Materials calculated in Comparative Example 1 from the sizing agent and coating agent adhesion amount (Sz (%)) of the carbon fiber calculated through
(3) 탄소섬유 코팅제의 FT-IR 분석(3) FT-IR analysis of carbon fiber coatings
탄소섬유 코팅제의 특성을 확인하기 위해 코팅제의 반응 전, 후 FT-IR 분석을 실시했다. FT-IR 기기는 Bruker사의 설비를 사용했다. 반응 전 시료는 실시예 및 비교예에서 사용된 수분산된 코팅액을 동결건조하여 얻었으며, 반응 후 시료는 상기 동결건조한 시료를 230℃ 오븐에서 30분간 열처리하여 준비했다. FT-IR의 측정 시, 수계 에폭시와 첨가제 간의 반응이 예상되는 3,420 cm-1,1,730cm-1,1,000cm-1,940cm-1부근의 피크의 열처리 전, 후 증가율을 확인했다.In order to confirm the characteristics of the carbon fiber coating agent, FT-IR analysis was performed before and after the reaction of the coating agent. The FT-IR instrument was equipped with Bruker's equipment. The sample before the reaction was obtained by freeze-drying the aqueous dispersion coating solution used in Examples and Comparative Examples, and the sample after the reaction was prepared by heat-treating the freeze-dried sample in an oven at 230° C. for 30 minutes. When measuring FT-IR, the increase rate of the peak near 3,420 cm -1 , 1,730 cm -1 , 1,000 cm -1 ,940 cm -1 where the reaction between the water-based epoxy and the additive is expected before and after heat treatment was confirmed.
(4) LFT 형태의 물성 평가(4) Evaluation of physical properties of LFT form
실시예 1 내지 14 및 비교예 1 내지 6에서 얻은 LTF 형태의 탄소섬유 강화 복합재료를 사출성형하여 탄소섬유 강화 복합재료 시편의 인장, 굴곡 및 내충격 특성을 평가하였다. The carbon fiber reinforced composite materials obtained in Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 6 were injection molded to evaluate tensile, flexural and impact resistance properties of the carbon fiber reinforced composite material specimens.
인장 특성은 ASTM D 638 규격에 따라 Instron Model 5985 UTM과 최대 하중 100 kN의 로드 셀을 이용하여 평가했고, 굴곡 특성은 ASTM D 790 규격에 따라 INSTRON Model 5965 UTM과 최대 하중 5 kN의 로드 셀을 이용하여 평가했고, 내충격 특성은 ASTM D 256 규격에 따라 CEAST MODEL 6898 충격강도 시험기와 0.5J 해머를 이용하여 평가했다.Tensile properties were evaluated according to ASTM D 638 using Instron Model 5985 UTM and a load cell with a maximum load of 100 kN, and for flexural properties, INSTRON Model 5965 UTM and a load cell with a maximum load of 5 kN according to ASTM D 790 were evaluated. was evaluated, and the impact resistance was evaluated using a CEAST MODEL 6898 impact strength tester and a 0.5J hammer according to ASTM D 256 standard.
또한, 평가 후 물성 보정(normalization)을 위해 시편의 탄소섬유 함량을 측정했으며, 시편을 500℃로 가열된 전기로에서 50분 동안 연소하고 시편 내 탄소섬유 함유량을 하기 수학식 3을 통해 측정하였다.In addition, the carbon fiber content of the specimen was measured for normalization after evaluation, and the specimen was burned in an electric furnace heated to 500° C. for 50 minutes, and the carbon fiber content in the specimen was measured through
(수학식 3)(Equation 3)
: 측정에 사용한 도가니 : Crucible used for measurement
: 연소 전, 탄소섬유 강화 복합재료를 포함한 도가니 : Before combustion, crucible containing carbon fiber reinforced composite material
: 연소 후 잔여물을 포함한 도가니 : Crucible containing residues after combustion
: 탄소섬유 강화 복합재료에 포함된 탄소섬유의 함유량 : Content of carbon fiber in carbon fiber reinforced composite material
(5) UD 테이프 형태의 물성 평가(5) Evaluation of physical properties in the form of UD tape
실시예 1 내지 14 및 비교예 1 내지 6에서 얻은 UD 테이프 형태(일방향 프리프레그)의 탄소섬유 강화 복합재료의 인장, 굴곡, 내충격 특성을 평가했다. The tensile, flexural, and impact resistance properties of the carbon fiber reinforced composite materials in the form of UD tapes (unidirectional prepregs) obtained in Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 6 were evaluated.
인장 특성은 ASTM D 3039 규격에 따라 Instron Model 5985 UTM과 최대 하중 100 kN의 로드 셀을 이용하여 평가했고, 굴곡 특성은 ASTM D 790 규격에 따라 INSTRON Model 5965 UTM과 최대 하중 5 kN의 로드 셀을 이용하여 평가했고, 내충격 특성은 ASTM D 256 규격에 따라 CEAST MODEL 6898 충격강도 시험기와 22.6 J 해머를 이용하여 평가했다. Tensile properties were evaluated according to ASTM D 3039 using Instron Model 5985 UTM and a load cell with a maximum load of 100 kN, and flexural properties were evaluated using an INSTRON Model 5965 UTM with a load cell with a maximum load of 5 kN according to ASTM D 790 standards. was evaluated, and the impact resistance was evaluated using a CEAST MODEL 6898 impact strength tester and a 22.6 J hammer according to ASTM D 256 standard.
또한, 평가 후 물성 보정(normalization)을 위해 시편의 탄소섬유 함량을 측정했으며, 시편을 500℃로 가열된 전기로에서 50분동안 연소하여 시편 내 탄소섬유 함유량을 측정하였다. 시험 및 계산은 상술한 실험예 4와 동일한 방법으로 실시했다.In addition, the carbon fiber content of the specimen was measured for normalization after evaluation, and the carbon fiber content in the specimen was measured by burning the specimen in an electric furnace heated to 500° C. for 50 minutes. Tests and calculations were performed in the same manner as in Experimental Example 4 described above.
고형분
농도 (wt%)coating solution
solid content
Concentration (wt%)
코팅제 함량
(wt%)after coating
Coating content
(wt%)
위 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 14의 탄소섬유 코팅제의 경우 비교예 2 및 3과 비교하여 코팅제의 함량이 소폭 많은 것을 확인할 수 있으며, 이는 첨가제로 인해 습윤성이 증가했기 때문이다.As can be seen from Table 1 above, in the case of the carbon fiber coating agents of Examples 1 to 14, it can be confirmed that the content of the coating agent is slightly higher than that of Comparative Examples 2 and 3, which is because the wettability is increased due to the additive. .
실시예 1 내지 14로부터 얻은 탄소섬유 코팅제는 공통적으로 230℃, 30분 간 열처리 시 수계 에폭시와 첨가제 간의 반응이 있는 것을 확인했으며, 이는 FT-IR 분석 결과로서 확인되었다.It was confirmed that the carbon fiber coating agents obtained from Examples 1 to 14 had a reaction between the water-based epoxy and the additive during heat treatment at 230° C. for 30 minutes in common, which was confirmed as a result of FT-IR analysis.
실시예 1 내지 14는 모두 230℃, 30분 이상 열처리 시 3,420 cm-1부근의 피크 증가율이 2.5 내지 5배, 1,730 cm-1부근의 피크 증가율이 2.3 내지 5배, 1,000 cm-1부근의 피크 증가율이 1.1 내지 2.1 배, 940 cm-1부근의 피크 증가율이 1.2 내지 3배인 공통점이 확인되었으며, 상기 현상에 대해 물질에 따라 반응 조건 및 반응 속도에서 소폭 차이가 난다는 것은 당 업계의 종사자들은 쉽게 알 수 있을 것이다.In Examples 1 to 14, the peak increase rate in the vicinity of 3,420 cm -1 is 2.5 to 5 times, the peak increase rate in the vicinity of 1,730 cm -1 is 2.3 to 5 times, and the peak in the vicinity of 1,000 cm -1 is 230 ° C., when heat treatment for 30 minutes or more. It was confirmed that the increase rate was 1.1 to 2.1 times, and the peak increase rate near 940 cm -1 was 1.2 to 3 times. you will know
본 명세서에서는 실시예 1 내지 14에 따른 탄소섬유 코팅제의 반응 전, 후 FT-IR을 비교한 결과 중 몇 개를 첨부하였다. 예컨대, 도 2는 실시예 1에 따른 탄소섬유 코팅제의 반응 전, 후 FT-IR을 비교한 결과이고, 도 3은 실시예 3에 따른 탄소섬유 코팅제의 반응 전, 후 FT-IR을 비교한 결과이며, 도 4는 실시예 5에 따른 탄소섬유 코팅제의 반응 전, 후 FT-IR을 비교한 결과이다. 여기서 FT-IR 결과는 탄소섬유 코팅제 자체의 특성이다.In the present specification, some of the results of comparing the FT-IR before and after the reaction of the carbon fiber coating agent according to Examples 1 to 14 are attached. For example, FIG. 2 is a comparison result of FT-IR before and after the reaction of the carbon fiber coating agent according to Example 1, and FIG. 3 is a comparison result of FT-IR before and after the reaction of the carbon fiber coating agent according to Example 3 and FIG. 4 is a comparison result of FT-IR before and after the reaction of the carbon fiber coating agent according to Example 5. Here, the FT-IR result is a characteristic of the carbon fiber coating agent itself.
이로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 5에 사용된 첨가제는 수계 에폭시와의 반응이 상대적으로 느리지만, 실시예 3에 사용된 첨가제는 수계 에폭시와의 반응 속도가 빠른 것을 확인할 수 있다. 다만, 열처리 시간이 길어질 경우 첨가제와 수계 에폭시 간의 반응이 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 첨가제와 수계 에폭시 간의 반응을 최대한 억제하기 위하여 200℃ 이상에서의 열처리 시간을 120초 미만으로 한정하는 것이 바람직하다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 열처리 시간이 2분(120초) 이상이 되는 경우 120초 미만인 경우에 비해 피크가 성장한 것을 통해 열처리 시간을 120초 미만으로 하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from this, it can be seen that the additives used in Examples 1 and 5 have a relatively slow reaction with the water-based epoxy, but the additive used in Example 3 has a fast reaction rate with the water-based epoxy. However, since the reaction between the additive and the water-based epoxy may occur when the heat treatment time is prolonged, in the present invention, it is preferable to limit the heat treatment time at 200° C. or more to less than 120 seconds in order to suppress the reaction between the additive and the water-based epoxy as much as possible. In particular, as shown in FIG. 5 , when the heat treatment time is 2 minutes (120 seconds) or more, it can be confirmed that it is preferable to set the heat treatment time to less than 120 seconds through peak growth compared to the case where the heat treatment time is less than 120 seconds.
또한, 첨가제를 적게 사용한 비교예 4는 복합재료의 물성 증가 효과가 미미한 문제를 가지며, 첨가제를 과도하게 사용한 비교예 5는 FT-IR 측정 결과가 본 발명에서 한정한 범위를 벗어나 수계 에폭시와 첨가제 간의 반응이 쉽게 이루어져 이 또한 복합재료의 물성 증가를 저해하는 문제를 가진다.In addition, Comparative Example 4 using a small amount of additives has a slight problem in that the effect of increasing the physical properties of the composite material is insignificant, and in Comparative Example 5 using an excessive amount of additives, the FT-IR measurement result is out of the range limited by the present invention, and between the water-based epoxy and the additive. Since the reaction is easy, this also has a problem of inhibiting the increase of the physical properties of the composite material.
또한, 지방산이 아닌 실란계 첨가제를 사용한 비교예 6은 FT-IR 측정 결과가 본 발명에서 한정한 범위를 벗어난 것으로 이는 수계 에폭시와 첨가제 간의 반응이 쉽게 이루어진 것을 의미하여, 코팅액의 수분산 안정성을 저하시키는 문제를 가진다. 이에 따라, 실란계 첨가제와 수계 에폭시 간의 반응성이 높아 시간이 지날수록 두 물질의 반응물이 응어리 형태로 석출되는 문제로 이어지며, 따라서 균일한 코팅 공정이 불가능한 문제가 있다. 또한 반응물이 탄소섬유 표면에 묻을 경우, 복합재료의 물성을 저하시키는 결점으로 작용할 수 있다.In addition, in Comparative Example 6 using a silane-based additive rather than a fatty acid, the FT-IR measurement result was outside the range limited in the present invention, which means that the reaction between the water-based epoxy and the additive was easily made, thereby lowering the water dispersion stability of the coating solution have the problem of making Accordingly, the reactivity between the silane-based additive and the water-based epoxy is high, which leads to a problem that the reactants of the two materials are precipitated in the form of lumps as time goes by, so there is a problem that a uniform coating process is impossible. In addition, when the reactant is attached to the surface of the carbon fiber, it may act as a defect that reduces the physical properties of the composite material.
탄성률 (GPa)Seal
Modulus of elasticity (GPa)
탄성률 (GPa)curve
Modulus of elasticity (GPa)
탄성률 (GPa)Seal
Modulus of elasticity (GPa)
탄성률 (GPa)curve
Modulus of elasticity (GPa)
위 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 14는 각각 다른 수계 에폭시 및 첨가제를 적용한 것으로 인장강도, 인장탄성률, 굴곡강도 및 굴곡탄성률이 발현되는 경향이 동등 이상 수준으로 나타남을 확인할 수 있다. As can be seen from Table 1 above, Examples 1 to 14 each applied different water-based epoxies and additives, and it can be confirmed that tensile strength, tensile modulus, flexural strength, and flexural modulus tend to be expressed at equal or higher levels. .
특히, 실시예 1 내지 14의 모든 실시예에서 탄소섬유 코팅제를 사용하지 않은 비교예 1 대비 충격강도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 이때 탄소섬유 코팅제를 사용하지 않은 비교예 1과 대비하여 실시예 1 내지 14의 충격강도 증가 폭은 LFT일 때 4.6 내지 13%이고, UD 테이프일 때 8 내지 24.5% 향상되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 복합재료는 매트릭스 수지와 탄소섬유의 계면 결합력이 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한, 실란계 작용기를 가지는 첨가제를 사용하여 지방산을 갖지 않는 비교예 6와 대비하여 실시예 1 내지 14의 충격강도 증가 폭은 LFT일 때 31 내지 42%이고, UD 테이프일 때 13 내지 31% 향상되는 것을 확인할 수 있다.In particular, it can be seen that in all Examples of Examples 1 to 14, the impact strength was improved compared to Comparative Example 1 in which the carbon fiber coating agent was not used. At this time, as compared to Comparative Example 1 in which the carbon fiber coating agent is not used, it can be seen that the increase in the impact strength of Examples 1 to 14 is 4.6 to 13% for LFT, and 8 to 24.5% for UD tape. Therefore, it can be confirmed that the carbon fiber-reinforced composite material according to the present invention has improved interfacial bonding strength between the matrix resin and the carbon fiber. In addition, compared to Comparative Example 6 without a fatty acid by using an additive having a silane-based functional group, the impact strength increase in Examples 1 to 14 was 31 to 42% in the case of LFT, and 13 to 31% in the case of UD tape. it can be confirmed that
반면에, 비교예 2 및 3은 첨가제를 사용하지 않고 수계 에폭시만을 코팅한 것으로, 충격강도 및 기타 물성 모두 비교예 1과 비교하여 같거나 낮게 측정되었다.On the other hand, Comparative Examples 2 and 3 were coated with only a water-based epoxy without using an additive, and both impact strength and other physical properties were measured to be the same or lower than those of Comparative Example 1.
또한, 첨가제를 적게 사용한 비교예 4는 탄소섬유-매트릭스 수지간의 바인더 물질이 부족하여, 충격강도가 실시예 1 내지 14와 비교하여 낮은 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that Comparative Example 4 using a small amount of additives lacks a binder material between the carbon fiber and the matrix resin, and thus the impact strength is lower than those of Examples 1 to 14.
또한, 첨가제를 과도하게 사용한 비교예 5는 FT-IR 피크 변동 폭이 실시예 1 내지 14보다 큰 것이 확인되어 수계 에폭시와 첨가제 간의 반응이 쉽게 이루어진 것을 알 수 있으며, 이에 의해 복합재료의 물성 증가를 저해하는 문제를 가진다.In addition, in Comparative Example 5 using excessive additives, it was confirmed that the FT-IR peak fluctuation range was larger than that of Examples 1 to 14, indicating that the reaction between the water-based epoxy and the additive was easily made, thereby increasing the physical properties of the composite material. have a hindrance problem.
또한, 실란계 작용기를 가지는 첨가제를 사용한 비교예 6은 수계 에폭시와 첨가제 간의 반응이 쉽게 이루어져, 충격강도가 실시예 1 내지 14와 비교하여 낮은 것을 확인할 수 있다.In addition, in Comparative Example 6 using the additive having a silane-based functional group, the reaction between the water-based epoxy and the additive is easily made, and it can be seen that the impact strength is lower than that of Examples 1 to 14.
이와 같은 탄소섬유 강화 복합재료의 물성 측정 결과는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 코팅제로 탄소섬유를 코팅함으로써 매트릭스 수지와 탄소섬유의 계면 결합력이 향상된 효과가 있음을 잘 나타낸다.The result of measuring the physical properties of the carbon fiber reinforced composite material well indicates that the interfacial bonding force between the matrix resin and the carbon fiber is improved by coating the carbon fiber with the carbon fiber coating agent according to an embodiment of the present invention.
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.Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the
Claims (19)
상기 에틸렌 옥사이드와 반응하는 작용기를 가지는 첨가제;
를 포함하며,
230℃ 이상, 30분 이상 열처리 후 푸리에 변환 적외선 분광학(FT-IR) 측정 결과가 3,420 cm-1부근의 피크 증가율이 2.5 내지 5배이고, 1,730 cm-1부근의 피크 증가율이 2.3 내지 5배이고, 1,000 cm-1부근의 피크 증가율이 1.1 내지 2.1 배이고, 940 cm-1부근의 피크 증가율이 1.2 내지 3배인, 탄소섬유 코팅제.an epoxy resin comprising ethylene oxide; and
an additive having a functional group that reacts with the ethylene oxide;
includes,
Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) measurement results after heat treatment at 230 ° C. or higher for 30 minutes or more show that the peak increase rate near 3,420 cm -1 is 2.5 to 5 times, and the peak increase rate near 1,730 cm -1 is 2.3 to 5 times, and 1,000 The peak increase rate in the vicinity of cm -1 is 1.1 to 2.1 times, and the peak increase rate in the vicinity of 940 cm -1 is 1.2 to 3 times, the carbon fiber coating agent.
상기 첨가제는 탄소섬유 강화 복합재료 성형 시 매트릭스 수지와 결합되는 지방산을 더 포함하는, 탄소섬유 코팅제.According to claim 1,
The additive further comprises a fatty acid that is combined with the matrix resin when molding the carbon fiber reinforced composite material, carbon fiber coating agent.
상기 에폭시 수지의 고형분 100 중량부에 대해 상기 첨가제 1 내지 7 중량부를 포함하는, 탄소섬유 코팅제.According to claim 1,
A carbon fiber coating agent comprising 1 to 7 parts by weight of the additive based on 100 parts by weight of the solid content of the epoxy resin.
상기 탄소섬유에 함침된 매트릭스 수지;
를 포함하며,
상기 탄소섬유 코팅제는 230℃ 이상, 30분 이상 열처리 후 푸리에 변환 적외선 분광학(FT-IR) 측정 결과가 3,420 cm-1부근의 피크 증가율이 2.5 내지 5배이고, 1,730 cm-1부근의 피크 증가율이 2.3 내지 5배이고, 1,000 cm-1부근의 피크 증가율이 1.1 내지 2.1 배이고, 940 cm-1부근의 피크 증가율이 1.2 내지 3배인, 탄소섬유 강화 복합재료.Carbon fibers coated with a carbon fiber coating agent comprising an epoxy resin containing ethylene oxide and an additive having a functional group reacting with the ethylene oxide; and
a matrix resin impregnated in the carbon fiber;
includes,
The carbon fiber coating agent has a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) measurement result after heat treatment at 230 ° C. or higher for 30 minutes or more, and the peak increase rate in the vicinity of 3,420 cm -1 is 2.5 to 5 times, and the peak increase rate in the vicinity of 1,730 cm -1 is 2.3. to 5 times, and the peak increase rate in the vicinity of 1,000 cm -1 is 1.1 to 2.1 times, and the peak increase rate in the vicinity of 940 cm -1 is 1.2 to 3 times, the carbon fiber reinforced composite material.
상기 탄소섬유 코팅제는 상기 에폭시 수지의 고형분 100 중량부에 대해 상기 첨가제 1 내지 7 중량부를 포함하는, 탄소섬유 강화 복합재료.6. The method of claim 5,
The carbon fiber coating agent comprising 1 to 7 parts by weight of the additive based on 100 parts by weight of the solid content of the epoxy resin, carbon fiber reinforced composite material.
상기 첨가제는 복합재료 성형 시 매트릭스 수지와 결합되는 지방산을 더 포함하는, 탄소섬유 강화 복합재료.6. The method of claim 5,
The additive further comprises a fatty acid combined with the matrix resin when molding the composite material, carbon fiber reinforced composite material.
상기 탄소섬유 100 중량부에 대해 상기 매트릭스 수지 50 내지 900 중량부를 포함하는, 탄소섬유 강화 복합재료.6. The method of claim 5,
A carbon fiber reinforced composite material comprising 50 to 900 parts by weight of the matrix resin with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber.
상기 탄소섬유 코팅제로 코팅된 탄소섬유는 상기 탄소섬유 코팅제 0.9 내지 1.2 중량%가 코팅된, 탄소섬유 강화 복합재료.6. The method of claim 5,
The carbon fiber coated with the carbon fiber coating agent is a carbon fiber reinforced composite material coated with 0.9 to 1.2 wt% of the carbon fiber coating agent.
상기 매트릭스 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드6,6, 폴리아미드 6,10, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12 및 폴리아미드 4,6 중 적어도 하나를 포함하는, 탄소섬유 강화 복합재료.6. The method of claim 5,
wherein the matrix resin comprises at least one of polyamide 6, polyamide 6,6, polyamide 6,10, polyamide 11, polyamide 12 and polyamide 4,6.
상기 매트릭스 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드6,6, 폴리아미드 6,10, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12 및 폴리아미드 4,6 중 적어도 하나를 포함하는 폴리아미드 수지 100 중량부에 폴리아크릴로니트릴-부타디엔-스타이렌(ABS) 수지 5 내지 30 중량부가 혼합된, 탄소섬유 강화 복합재료.6. The method of claim 5,
The matrix resin is polyacrylonitrile in 100 parts by weight of a polyamide resin including at least one of polyamide 6, polyamide 6,6, polyamide 6,10, polyamide 11, polyamide 12 and polyamide 4,6 -Butadiene-styrene (ABS) resin 5 to 30 parts by weight is mixed, carbon fiber reinforced composite material.
상기 탄소섬유 강화 복합재료가 장섬유 강화 펠릿 형태일 경우, ASTM D 235에 의거한 IZOD 충격테스트에 의해 측정된 상기 탄소섬유 강화 복합재료의 충격강도가 상기 탄소섬유 코팅제가 코팅되지 않은 탄소섬유로 제조한 동일한 형태의 탄소섬유 강화 복합재료보다 4.6 내지 13% 향상된, 탄소섬유 강화 복합재료.6. The method of claim 5,
When the carbon fiber reinforced composite material is in the form of long fiber reinforced pellets, the impact strength of the carbon fiber reinforced composite material measured by the IZOD impact test based on ASTM D 235 is made of carbon fiber that is not coated with the carbon fiber coating agent A carbon fiber reinforced composite material, which is improved by 4.6 to 13% compared to a carbon fiber reinforced composite material of the same type.
상기 탄소섬유 강화 복합재료가 일방향 프리프레그 형태일 경우, ASTM D 235에 의거한 IZOD 충격테스트에 의해 측정된 상기 탄소섬유 강화 복합재료의 충격강도가 상기 탄소섬유 코팅제가 코팅되지 않은 탄소섬유로 제조한 동일한 형태의 탄소섬유 강화 복합재료보다 8 내지 24.5% 향상된, 탄소섬유 강화 복합재료.6. The method of claim 5,
When the carbon fiber-reinforced composite material is in the form of a unidirectional prepreg, the impact strength of the carbon fiber-reinforced composite material measured by the IZOD impact test based on ASTM D 235 is made of carbon fiber that is not coated with the carbon fiber coating agent A carbon fiber reinforced composite material, which is improved by 8 to 24.5% compared to the carbon fiber reinforced composite material of the same type.
상기 탄소섬유의 비중은 1.7 내지 1.9인, 탄소섬유 강화 복합재료.6. The method of claim 5,
The specific gravity of the carbon fiber is 1.7 to 1.9, carbon fiber reinforced composite material.
상기 탄소섬유 코팅제를 포함하는 수분산된 코팅액에 탄소섬유를 침지하여 코팅하는 단계;
상기 코팅된 탄소섬유를 건조하는 단계; 및
상기 건조된 탄소섬유를 매트릭스 수지에 함침시켜 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하는 단계;
를 포함하며,
상기 탄소섬유 코팅제는 230℃ 이상, 30분 이상 열처리 후 푸리에 변환 적외선 분광학(FT-IR) 측정 결과가 3,420 cm-1부근의 피크 증가율이 2.5 내지 5배이고, 1,730 cm-1부근의 피크 증가율이 2.3 내지 5배이고, 1,000 cm-1부근의 피크 증가율이 1.1 내지 2.1 배이고, 940 cm-1부근의 피크 증가율이 1.2 내지 3배인, 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.Preparing a carbon fiber coating agent by mixing an epoxy resin containing ethylene oxide and an additive having a functional group that reacts with ethylene oxide;
coating the carbon fiber by immersing the carbon fiber in the water-dispersed coating solution containing the carbon fiber coating agent;
drying the coated carbon fiber; and
preparing a carbon fiber reinforced composite material by impregnating the dried carbon fiber into a matrix resin;
includes,
The carbon fiber coating agent has a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) measurement result after heat treatment at 230 ° C. or higher for 30 minutes or more, and the peak increase rate in the vicinity of 3,420 cm -1 is 2.5 to 5 times, and the peak increase rate in the vicinity of 1,730 cm -1 is 2.3. to 5 times, the peak increase rate in the vicinity of 1,000 cm -1 is 1.1 to 2.1 times, and the peak increase rate in the vicinity of 940 cm -1 is 1.2 to 3 times, the method for producing a carbon fiber reinforced composite material.
상기 수분산된 코팅액은 상기 에폭시 수지의 고형분이 전체 수분산된 코팅액의 1 내지 5 중량%인, 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.17. The method of claim 16,
The method for producing a carbon fiber reinforced composite material, wherein the water-dispersed coating solution is 1 to 5% by weight of the total water-dispersed coating solution in the solid content of the epoxy resin.
상기 건조하는 단계는,
100℃ 내지 180℃의 온도에서 2 내지 5분 동안 건조하는 1차 건조단계; 및
200℃ 내지 260℃의 온도에서 1 내지 2분 동안 건조하는 2차 건조단계;
를 포함하는, 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.17. The method of claim 16,
The drying step is
A primary drying step of drying for 2 to 5 minutes at a temperature of 100 ℃ to 180 ℃; and
a secondary drying step of drying at a temperature of 200° C. to 260° C. for 1 to 2 minutes;
A method for producing a carbon fiber reinforced composite material comprising a.
상기 1차 건조단계는 105℃ 내지 150℃의 온도에서 2 내지 5분 동안 건조하는 단계이고,
상기 2차 건조단계는 220℃ 내지 240℃에서 100초 미만으로 건조하는 단계인, 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.19. The method of claim 18,
The first drying step is a step of drying at a temperature of 105 ° C. to 150 ° C. for 2 to 5 minutes,
The secondary drying step is a step of drying at 220 ° C. to 240 ° C. for less than 100 seconds, a method for producing a carbon fiber reinforced composite material.
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