KR102403343B1 - 실란계 사이징제를 포함하는 복합 재료 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실란계 사이징제를 포함하는 복합 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 상기 실란계 사이징제를 탄소 섬유 표면에 코팅 및 결합하여 표면 자유에너지를 제어함으로써 기지 수지와의 상호작용이 강화된 복합 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

실란계 사이징제를 포함하는 복합 재료 및 이의 제조 방법{Composite material comprising silane-based sizing agent and method for preparing thereof}
본 발명은 실란계 사이징제를 포함하는 복합 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 상기 실란계 사이징제를 탄소 섬유 표면에 코팅 및 결합하여 표면 자유에너지를 제어함으로써 기지 수지와의 상호작용이 강화된 복합 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 금속 재료를 대체하기 위한 소재로 뛰어난 물성과 다양한 특성을 가지는 복합 재료의 사용이 증가하고 있다. 이러한 복합 재료의 물성은 모재(matrix)와 강화재의 물성에 가장 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 하지만 모재와 강화재 사이의 계면 특성은 복합 재료의 기계적 성질을 결정하는데 큰 영향을 준다. 따라서 복합 재료의 계면 강도를 높여 복합 재료의 기계적 특성을 향상시키려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이와 같은 복합 재료의 표면처리 방법은 화학적, 물리적으로 다양한 방법들이 존재하며, 이 중 복합 재료의 모재와 강화재의 종류를 고려하여 적절한 방법을 선정하여 표면 처리한다. 특히 다양한 복합 재료 중에서도 탄소 섬유 강화 복합 재료의 사용이 매우 크게 증가하고 있으며 이에 대한 계면 처리방법 역시 많이 연구되고 있다.
탄소 섬유의 경우 비활성 표면을 가지고 있어 모재로 사용되는 수지와 약하게 결합을 하게 된다. 이러한 문제점 때문에 탄소 섬유 복합 재료의 계면 접착력을 증가시키기 위한 방법으로, 크게 모재로 사용되는 수지의 개질 방법 및 탄소 섬유의 표면 처리 방법이 있다. 그 중 널리 사용되는 탄소 섬유는 에폭시 수지를 사이징제로 사용하여 탄소 섬유와 에폭시 수지 사이의 계면 강도를 증가시킨 것이다.
그러나, 재활용이 가능하고 성형 시간이 짧다는 장점 때문에 그 사용량이 크게 증가하고 있는 열가소성 수지를 모재로 사용하였을 경우, 계면 강도가 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 열가소성 수지와 탄소 섬유 사이의 결합력을 높일 수 있는 표면 처리 방법이 필요하며, 나아가 기존의 에폭시 사이징을 대체하여 열가소성 수지와 탄소 섬유의 결합력을 증가시킬 수 있는 사이징 방법의 필요성이 대두되고 있다.
이에 탄소 섬유 복합 재료의 계면 접착력을 증가시킬 수 있는 복합 재료의 제조방법 및 이를 이용하여 계면 접착력이 증가된 탄소 섬유 복합 재료의 획득이 가능한 경우 관련 분야에서 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0076281호 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0091928호
본 발명의 목적은 실란계 사이징제를 탄소 섬유 표면에 코팅 및 결합하여 표면 자유에너지를 제어함으로써 기지 수지와의 상호작용이 강화된 복합 재료 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실란계 사이징제를 포함하는 복합 재료 및 이의 제조 방법을 제공한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 탄소 섬유; 상기 탄소 섬유를 코팅하는 실란계 사이징제; 및 기지 수지를 포함하는 복합 재료이다.
본 발명에 있어서, 상기 실란계 사이징제는 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)의 혼합물이다.
본 발명에 있어서, 상기 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)은 1:1의 비율로 혼합된다.
본 발명에 있어서, 상기 기지 수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 염화비닐, 아크릴 수지, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리술폰 및 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명은 하기 단계로 구성된 복합 재료의 제조 방법이다.
S1) 유기 용매 및 증류수를 혼합하여 사이징 용액을 제조하는 단계;
S2) 상기 사이징 용액에 탄소 섬유를 첨가하고 초음파 처리하는 단계;
S3) 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)를 첨가하는 단계;
S4) 졸겔 가수분해 반응을 수행하는 단계; 및
S5) 자연 건조하는 단계.
본 발명에 있어서, 상기 사이징제 용액은 메탄올, 에탄올, 프로판올, n-부탄올, 이소부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소 섬유는 0.5 g/㎖ 내지 2 g/㎖ 범위의 양으로 첨가된다.
상기 복합 재료 및 이의 제조 방법에 언급된 모든 사항은 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.
본 발명의 실란계 사이징제를 포함하는 복합 재료는 상기 실란계 사이징제를 탄소 섬유 표면에 코팅 및 결합하여 표면 자유에너지를 제어함으로써 기지 수지와의 상호작용을 강화시킨다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시예 1의 탄소 섬유의 화학 구조를 나타내는 예시도이다.
도 2는 실시예 1의 탄소 섬유의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 3은 실시예 1의 탄소 섬유의 X-선 광전자 분광 스펙트럼이다.
도 4는 실시예 1의 탄소 섬유의 현미경 사진이다.
도 5는 실시예 1의 탄소 섬유의 에너지 분산 X-선 분광 스펙트럼이다.
도 6은 비교예 1의 탄소 섬유의 화학 구조를 나타내는 예시도이다.
도 7은 비교예 1의 탄소 섬유의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 8은 비교예 1의 탄소 섬유의 X-선 광전자 분광 스펙트럼이다.
도 9는 비교예 3의 코팅된 탄소 섬유의 광학현미경 사진이다.
도 10은 비교예 4의 코팅된 탄소 섬유의 주사 전자 현미경 사진이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어 ‘사이징된’, ‘사이징 처리된’ 및 ‘표면 처리된’은 모두 동의어이며 상호교환적으로 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 ‘탄소 섬유 강화 복합 재료’ 및 ‘복합 재료’는 모두 동의어이며 상호교환적으로 사용될 수 있다.
복합 재료
본 발명은 탄소 섬유; 상기 탄소 섬유를 코팅하는 실란계 사이징제; 및기지 수지를 포함하는 복합 재료에 관한 것으로, 본 발명과 같이 상기 실란계 사이징제로 표면 처리된 탄소 섬유는 표면 자유에너지를 고분자와 유사한 수준으로 제어가능할 수 있으며, 계면 전단 강도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 탄소 섬유는 PAN계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유 및 레이온계 탄소 섬유를 포함할 수 있으며, 이는 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 사용될 수 있는 탄소 섬유는 직물, 편조물, 펠트 및 매트 등의 형상을 갖는 탄소 섬유를 포함할 수 있으며, 이는 특별히 제한되지 않는다.
또한, 본 발명에 사용될 수 있는 탄소 섬유는 사이징 처리된 탄소 섬유, 재활용된 탄소 섬유 및 폐기된 탄소 섬유를 포함할 수 있으며, 이는 특별히 제한되지 않는다.
상기 사이징을 위해, 먼저 상기 탄소 섬유는 산과 혼합될 수 있다.
이때 상기 탄소 섬유는 0 초과 내지 20 g/L 이하의 양으로 첨가될 수 있고, 바람직하게는 0 초과 내지 10 g/L 이하의 양으로 첨가될 수 있으며, 상기 탄소 섬유가 20 g/L 초과의 양으로 첨가되는 경우, 양호하게 분산되지 않아 사이징이 적절히 이루어지지 않을 수 있다.
상기 산은 40부피% 내지 60부피%로 첨가될 수 있고, 바람직하게는 45부피% 내지 55부피%로 첨가될 수 있다.
상기 산과 혼합된 탄소 섬유는 초음파 처리를 통해 분산되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 본 발명의 실란계 사이징제는 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)의 혼합물인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)은 1:1의 비율로 혼합되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 성분 중 어느 하나가 더 많이 포함되는 경우에는 반응하지 못한 잔류물이 발생하여, 최종적으로 제조되는 탄소 섬유 강화 복합 재료의 특성에 악영향을 미칠 수 있다.
도 1은 1:1의 비율의 DDTES:TEOS로 코팅된 탄소 섬유의 화학 구조를 나타낸 예시도이다.
상기 실란계 사이징제는 표면 처리를 위해 사이징 용액 내에서 탄소 섬유와 혼합될 수 있다.
상기 사이징 용액은 80 내지 95 부피%의 유기 용매, 1 내지 10 부피%의 증류수, 0.1 내지 5 부피%의 실란계 사이징제 및 추가로 필요한 경우 산 또는 염기로 구성될 수 있다.
상기 유기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, n-부탄올, 이소부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 알코올류 유기 용매인 한 이는 특별히 제한되지 않는다.
상기 실란계 사이징제는 0.01 g/㎖ 내지 0.025 g/㎖의 양으로 첨가될 수 있고, 바람직하게는 0.01 g/㎖ 내지 0.020 g/㎖의 양으로 첨가될 수 있다. 상기 실란계 사이징제가 0.040 g/㎖ 이상의 양으로 첨가되는 경우, 탄소 섬유 간 융착이 일어날 수 있고, 코팅이 불균일하게 이루어질 수 있다.
상기 사이징 용액에는 산 또는 염기가 포함될 수 있거나 포함되지 않을 수 있다.
상기 산 또는 염기는 통상의 당업자에게 공지된 산 또는 염기라면 제한되지 않는다.
상기 산 또는 염기가 첨가되는 경우, 이는 0.01 g/㎖ 이하의 양으로 첨가될 수 있다.
도 2를 참조하면, 4000-3500 cm-1에서 유리 OH, 3500-3000 cm-1의 영역에서 수소 결합된 OH가 관찰되어 실란올 구조를 확인할 수 있다. 또한, 2900 cm-1 부근에서 DDTES 및 TEOS가 모두 포함된 폴리실록산의 도데실 부위의 C-H 신축을 확인할 수 있으며, 1250 cm-1 및 770 cm-1 부근에서 (RO)3-Si-C 결합의 Si-C 흡수가 나타나고, 1100 cm-1 부근에서 Si-O-Si 결합에서 유래하는 강한 흡수가 나타나고, 900 cm-1에서 실란올의 Si-O 흡수가 명확하게 나타난 바 DDTES 및 TEOS가 모두 포함된 폴리실록산으로부터의 실란 코팅이 형성되었음을 확인할 수 있었다.
도 3을 참조하면, 상기 탄소 섬유에서 유래하는 탄소의 피크가 284.91 eV에서, 폴리실록산에서 유래하는 Si2s와 Si2p의 피크가 154.08 eV 및 102.72 eV에서, 탄소 섬유와 폴리실록산 모두에서 발생하는 산소의 흡수가 532.64 eV에서 확인되어 DDTES 및 TEOS가 모두 포함된 폴리실록산으로부터의 실란 코팅이 형성되었음을 확인할 수 있었다.
도 4를 참조하면, 1:1의 비율의 DDTES:TEOS로 코팅된 탄소 섬유의 표면 상에서 섬유 다발 간의 융착 현상은 나타나지 않아, 코팅이 얇고 균일하게 이루어졌음을 확인할 수 있다. 또한, 도 4d로부터, 거친 표면이 관찰되었고, 이로써 적절한 사이징 처리가 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
도 5를 참조하면, 1:1의 비율의 DDTES:TEOS로 코팅된 탄소 섬유 측면 상에서 규소의 존재를 확인할 수 있었다.
상기 사이징 처리된 탄소 섬유는 전체 표면 자유에너지를 25 내지 50 mJ/m2의 범위, 바람직하게는 30 내지 50 mJ/m2의 범위로 제어할 수 있다.
상기 사이징 처리된 탄소 섬유는 표면 자유에너지 비극성 요소를 10 내지 40 mJ/m2의 범위, 바람직하게는 20 내지 40 mJ/m2의 범위로 제어할 수 있다.
상기 사이징 처리된 탄소 섬유는 표면 자유에너지 극성 요소를 10 내지 40 mJ/m2의 범위, 바람직하게는 10 내지 25 mJ/m2의 범위로 제어할 수 있다.
상기 기지 수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 염화비닐, 아크릴 수지, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리술폰 및 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에스테르로부터 선택될 수 있다.
상기 사이징된 탄소 섬유를 상기 기지 수지에 혼입하여 탄소 섬유 강화 복합 재료를 제조할 수 있다.
상기 사이징된 탄소 섬유는 탄소 섬유와 기지 수지의 총 중량을 기준으로 5 wt% 내지 20 wt%의 양으로 첨가될 수 있고, 바람직하게는 10 wt% 내지 20 wt%의 양으로 첨가될 수 있다.
이들은 바람직하게는 140 내지 180℃의 온도에서 용융 혼합될 수 있고, 바람직하게는 150 내지 160℃의 온도에서 용융 혼합될 수 있다.
상기 용융 후, 핫프레스 몰딩, 사출 성형 및 롤 성형 등의 방법을 이용하여 시편을 성형할 수 있으나, 이는 특별히 제한되지 않는다.
상기 제조된 탄소 섬유 강화 복합 재료는 40 내지 56 MPa 범위로 인장 강도가 증가할 수 있으며, 이는 순수 프로필렌에 비해 38% 내지 51% 증가한 값일 수 있다.
상기 제조된 탄소 섬유 강화 복합 재료는 4750 내지 5500 MPa 범위로 인장 탄성률이 증가할 수 있으며, 이는 순수 프로필렌에 비해 290% 내지 325% 증가한 값일 수 있다.
복합 재료의 제조 방법
본 발명의 복합 재료는 하기 단계로 구성된 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
S1) 유기 용매 및 증류수를 혼합하여 사이징 용액을 제조하는 단계;
S2) 상기 사이징 용액에 탄소 섬유를 첨가하고 초음파 처리하는 단계;
S3) 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)를 첨가하는 단계;
S4) 졸겔 가수분해 반응을 수행하는 단계; 및
S5) 자연 건조하는 단계.
상기 S1) 단계에서, 유기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, n-부탄올, 이소부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 알코올류 유기 용매인 한 이는 특별히 제한되지 않는다.
상기 S2) 단계에서, 상기 탄소 섬유는 0.2 g/㎖ 내지 2 g/㎖의 양으로 첨가될 수 있고, 바람직하게는 상기 탄소 섬유는 0.5 g/㎖ 내지 2 g/㎖의 양으로 첨가될 수 있다.
상기 S2) 단계에서, 상기 초음파 처리는 바람직하게는 1분 내지 15분의 시간이 소요될 수 있고, 더욱 바람직하게는 5분 내지 10분의 시간이 소요될 수 있다.
상기 S3) 단계에서, 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)은 1:1의 비율로 첨가될 수 있다.
상기 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)은 0.01 g/㎖ 내지 0.025 g/㎖의 양으로 첨가될 수 있고, 바람직하게는 0.01 g/㎖ 내지 0.02 g/㎖의 양으로 첨가될 수 있다.
상기 S4) 단계에서, 산 또는 염기가 포함될 수 있거나 포함되지 않을 수 있다.
상기 산 또는 염기는 통상의 당업자에게 공지된 산 또는 염기라면 제한되지 않는다.
상기 산 또는 염기가 첨가되는 경우, 이는 0.01 g/㎖ 이하의 양으로 첨가될 수 있다.
마지막으로, 상기 S5) 단계에서 상기 실란 코팅된 탄소 섬유는 20 내지 40℃ 의 온도에서 12시간 내지 52시간 동안 자연 건조될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
실시예 1 - DDTES:TEOS 1:1로 표면처리된 탄소 섬유의 제조
2 L 유리 비커에 1 ㎝ 간격으로 커팅된 탄소 섬유 20 g과 70% 질산 1 L를 첨가하고, 초음파 처리하여 탄소 섬유를 산화시키고 팽윤시켰다. 이후, 증류수로 세정 후 탄소 섬유를 회수하였다. 이후, 에탄올 450 ㎖와 증류수 50 ㎖를 혼합한 코팅용 용액에 상기 회수된 탄소 섬유 10 g를 함침하고 10분 동안 초음파 처리하여 분산 팽윤시켰다. 이후, 도데실트리에톡시실란(dodecyltriethoxysilane, DDTES, Sigma-Aldrich)과 테트라에틸오쏘실리케이트(Tetraethylorthosilicate, TEOS, Sigma-Aldrich)를 각각 2.5 ㎖씩 투입하고 2분간 교반하여 균일 용액을 제조하였다. 그리고 1N HCl을 5 ㎖ 추가하여 졸겔 가수분해 반응을 시작하고 30분 동안 초음파 처리를 진행하여 반응을 종결하였다. 제조된 실란 코팅된 탄소 섬유는 과량의 에탄올과 증류수를 이용하여 미량의 실리카 입자를 세정해낸 후 용매의 제거를 위해 30℃의 진공 오븐에서 24시간 건조되었다.
실시예 2 - 폴리프로필렌 복합 재료의 제조
실시예 1의 탄소 섬유와 롯데케미칼 사의 H1500 등급 폴리프로필렌을 이용하여 복합 재료를 제조하였다. Thermo사의 HAAKE MiniCTW를 사용하여 18.0 g의 수지와 2.0 g의 탄소 섬유를 160℃의 온도에서 용융 혼합시켜 펠렛 제조를 2회 수행하였다. 이후, 핫프레스 몰딩법을 이용하여 시편을 성형하여 복합 재료 제조를 완료하였다.
실시예 3 - DDTES:TEOS 1:1로 표면처리된 탄소 섬유의 제조(탄소 섬유의 길이 변경)
5 ㎝ 간격으로 커팅된 탄소 섬유를 첨가한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 절차를 진행하였다.
비교예 1 - TEOS로 표면처리된 탄소 섬유의 제조
2.5 ㎖의 DDTES 및 TEOS 대신 5 ㎖의 TEOS를 단독으로 첨가한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 절차를 진행하였다.
비교예 2 - 폴리프로필렌 복합 재료의 제조
비교예 1의 탄소 섬유를 이용하여, 실시예 2와 동일한 절차로 복합 재료를 제조하였다.
비교예 3 - DDTES:TEOS 1:1로 표면처리된 탄소 섬유의 제조(첨가량의 변경)
2.5 ㎖의 DDTES 및 TEOS 대신 각각 10 ㎖의 DDTES 및 TEOS를 첨가한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 절차를 진행하였다.
비교예 4 - DDTES:TEOS 1:1로 표면처리된 탄소 섬유의 제조(분산 생략)
초음파 처리 대신 자석 교반기를 사용하여 분산 팽윤시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 절차를 진행하였다.
실험예 1 - 실시예 1의 탄소 섬유의 FT-IR
실시예 1에서 제조된 두 탄소 섬유에 대해 Jasco 사의 푸리에 변환 적외선 분광광도계 FT/IR-4100 모델의 감쇠전반사 키트를 이용하여 화학 구조에 대해 분석하였고, 측정 결과를 도 2에 나타냈다. 그리고 본 발명의 실시예 1에서 얻어진 탄소 섬유의 화학 구조를 도 1에 나타냈다.
실험예 2 - 실시예 1의 탄소 섬유의 XPS
ThermoFisher 사의 NEXSA X-선 광전자 분광기를 이용하여 실시예 1의 탄소 섬유의 화학 구조를 분석하였다. 이의 결과를 도 3 및 표 1에 제시하였다. 특히, 원소 존재 비율을 나타내는 표 1에서 규소 함량으로부터, 실시예 1의 탄소 섬유 표면에 실란계 사이징제가 코팅되었음을 확인할 수 있었다.
원소 탄소 산소 규소
원소비(atomic%) 79.92 13.93 6.15
실험예 3 - 실시예 1의 탄소 섬유의 현미경 관찰
실시예 1에서 제조된 탄소 섬유를 광학현미경(도 4a 및 4b) 및 주사전자현미경(도 4c 및 4d)을 이용하여 분석하였다. 또한, 주사전자현미경 측정 과정에서 에너지 분산 X선 분광법을 이용하여 탄소 섬유 상의 원소 함량에 대해 분석하였으며, 이를 도 5에 제시하였다.
실험예 4 - 실시예 1의 탄소 섬유의 표면 자유에너지 측정
Dataphysics 사의 모델 DCAT 25를 사용하고, Washburn법에 따라 실시예 1에서 제조된 탄소 섬유의 동적 접촉각을 분석하였고, 표면 자유에너지를 확인하였다. 상용 탄소 섬유 2종, 산 처리된 탄소 섬유, 실시예 1의 탄소 섬유에 대해 측정을 진행하여 결과를 표 2에 나타냈다. 하기 표 2를 참조하면, 실시예 1의 탄소 섬유는 극성 요소가 대폭 감소한 것을 확인할 수 있고 이를 통해 표면 자유에너지 전체 값을 감소시켰다는 것을 확인할 수 있었다.
탄소 섬유 종류 표면 자유에너지
γ [mJ/m2]		 표면 자유에너지
비극성 요소
γD [mJ/m2]		 표면 자유에너지
극성 요소
γP [mJ/m2]
탄소 섬유 원사 1 45 33 12
탄소 섬유 원사 2 46 31 15
산 처리 탄소 섬유 41 21 20
실시예 1의 탄소 섬유 36 22 14
실험예 5 - 실시예 2의 복합 재료의 물성 측정
ASTM D638에 따라 5개의 시편에 대해 물성을 측정하였다. 하기 표 3를 참조하면, 실시예 2의 복합 재료는 순수 폴리프로필렌에 비해 인장 강도 및 인장 탄성률 모두에서 증가를 보였는데, 이는 실시예 1의 탄소 섬유의 표면 자유에너지 값이 폴리프로필렌의 표면 자유에너지 값과 유사하여 계면 상호 작용이 강화되었다는 것을 증명하였다.
인장 강도 (MPa) 인장 탄성률 (MPa) 파단 신율 (%)
폴리프로필렌 33 ± 4 1280 ± 125 450 ± 78
실시예 2의 복합 재료 48 ± 8 5125 ± 372 70 ± 12
실험예 6 - 비교예 1의 탄소 섬유의 FT-IR
실험예 1에서와 같이 비교예 1에서 제조된 탄소 섬유에 대한 화학 구조를 분석하여 측정 결과를 도 7에 제시하였고, 상기 비교예 1에서 얻어진 탄소 섬유의 화학 구조를 도 6에 나타냈다. 실험예 1에 비해, 본 실험에서는 2900 cm-1 부근에서 DDTES 및 TEOS가 모두 포함된 폴리실록산의 도데실 부위의 C-H 신축이 거의 관찰되지 않았다.
실험예 7 - 비교예 1의 탄소 섬유의 XPS
실험예 2에서와 같이 비교예 1에서 제조된 탄소 섬유에 대한 화학 구조를 분석하여 측정 결과를 도 8에 제시하였다. 도 8을 참조하면, 실시예 1에 대한 화학 구조를 분석한 도 3에 비해 피크의 위치와 형상이 상이한 것을 확인할 수 있고, 이로써 상이한 구조의 폴리실록산으로부터 코팅이 형성되었음을 확인할 수 있었다.
실험예 8 - 비교예 1의 탄소 섬유의 표면 자유에너지 측정
실험예 1에서와 동일한 절차로 비교예 1의 탄소 섬유의 표면 자유에너지를 확인하였고, 이를 하기 표 4에 나타냈다. 실험예 1에서 수득한 결과에 비해 표면 자유에너지 값과 표면 자유에너지 극성 요소 값이 높아져 일반적인 열가소성 수지와 젖음성은 불량함을 알 수 있었다.
탄소 섬유 종류 표면 자유에너지
γ [mJ/m2]		 표면 자유에너지
비극성 요소
γD [mJ/m2]		 표면 자유에너지
극성 요소
γP [mJ/m2]
비교예 1의 탄소 섬유 48.2 20.4 27.8
실험예 9 - 비교예 2의 복합 재료의 물성 측정
실험예 5와 동일한 절차로 비교예 2의 복합 재료의 물성을 측정하여 하기 표 5에 제시하였다.
인장 강도 (MPa) 인장 탄성률 (MPa) 파단 신율 (%)
제조한 탄소 섬유(10 wt%)/폴리프로필렌(90 wt%) 복합재료 42 ± 7 4312 ± 354 73 ± 14
상기 표 3의 값과 비교하면, 실시예 2의 복합 재료에 비해 강화 효과가 크지 않음을 확인할 수 있었다.
실험예 10 - 비교예 3의 탄소 섬유의 현미경 관찰
도 9를 참조하면, 과량의 실란 물질로 인해, 폴리실록산 입자 형성과 응집된 부분이 관찰되었으며, 코팅이 불균일하게 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
실험예 11 - 비교예 4의 탄소 섬유의 현미경 관찰
도 10을 참조하면, 분산이 충분히 이루어지지 않아 코팅이 불균일하게 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
실험예 12 - 계면 전단 강도 측정
실시예 3의 탄소 섬유 1다발에 폴리프로필렌을 용융 점적하여 구형 액적을 형성하고 액적의 파단시까지 pull out 시험법에 의해 계면 전단 강도를 측정하였고, 이의 결과를 하기 표 6에 제시하였다. 표 6을 참조하면, 실시예 3의 탄소 섬유는 탄소 섬유 원사에 비해 124% 이상 계면 전단 강도가 향상되었고, 이를 통해 계면 상호 작용의 강화됨을 확인할 수 있었다.
탄소 섬유 원사 산처리 탄소 섬유 실시예 3의 탄소 섬유
IFSS (MPa) 8.7 ± 0.8 7.2 ± 1.7 19.5 ± 3.4
이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

Claims (7)

  1. 탄소 섬유;
    상기 탄소 섬유를 코팅하는 실란계 사이징제; 및
    기지 수지를 포함하며,
    상기 실란계 사이징제는 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)이 1:1의 부피비로 혼합된 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기지 수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 염화비닐, 아크릴 수지, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리술폰 및 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  5. S1) 유기 용매 및 증류수를 혼합하여 사이징 용액을 제조하는 단계;
    S2) 상기 사이징 용액에 탄소 섬유를 첨가하고 초음파 처리하는 단계;
    S3) 상기 사이징 용액 전체 100 부피부에 대하여, 테트라에톡시실란(TEOS) 및 도데실트리에톡시실란(DDTES)을 1:1의 부피비로 각각 0.4 내지 0.6 부피부 첨가하는 단계;
    S4) 졸겔 가수분해 반응을 수행하는 단계; 및
    S5) 자연 건조하는 단계;를 포함하는
    복합 재료의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, n-부탄올, 이소부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 탄소 섬유는 0.5 g/㎖ 내지 2 g/㎖ 범위의 양으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.

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