KR102439566B1 - Manufacturing method of carbon fiber-reinforced PA6 composite by LFT process and long-fiber reinforced PA6 composite manufactured thereby - Google Patents

Manufacturing method of carbon fiber-reinforced PA6 composite by LFT process and long-fiber reinforced PA6 composite manufactured thereby Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of a carbon fiber-reinforced PA6 composite by an LFT process, which impregnates carbon fibers with a molten PA6 resin through the LFT process by supplying and filling the molten PA6 resin from an extruder into a die for resin impregnation, and then supplying the carbon fibers to the die, thereby improving the impregnability between the carbon fibers and the PA6 resin and physical properties of the carbon fiber-reinforced PA6 composite manufactured by the method.

Description

LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄소섬유 강화 PA6 복합재{Manufacturing method of carbon fiber-reinforced PA6 composite by LFT process and long-fiber reinforced PA6 composite manufactured thereby}Manufacturing method of carbon fiber-reinforced PA6 composite by LFT process and long-fiber reinforced PA6 composite manufactured thereby}

본 발명은 LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법에 관한 것으로서, LFT 공정 중 수지함침용 다이의 형태를 조절하여 탄소섬유에 대한 PA6 수지의 함침성 및 탄소섬유와 열가소성 수지와의 계면접착특성을 향상시켜 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 물성을 향상시키는 LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a carbon fiber reinforced PA6 composite by an LFT process, and by controlling the shape of a die for resin impregnation during the LFT process, the impregnation of the PA6 resin to the carbon fiber and the interfacial adhesion between the carbon fiber and the thermoplastic resin It relates to a method for manufacturing a carbon fiber reinforced PA6 composite by an LFT process that improves the properties of the carbon fiber reinforced PA6 composite and improves the physical properties of the carbon fiber reinforced PA6 composite.

탄소섬유 강화 복합재료(carbon fiber reinforced composites, CFRC)는 열경화성 또는 열가소성 고분자 매트릭스에 높은 강도를 갖는 탄소섬유를 보강섬유로서 조합한 것으로, 뛰어난 기계적, 열적 특성을 바탕으로 수십 년간 항공우주, 자동차, 해양, 토목/건축, 풍력 터빈블레이드, 군사 및 방위산업 등 다양한 분야에서 경량소재로 널리 이용되어 왔으며, 이러한 탄소섬유 강화 복합재료의 매트릭스 수지로 열경화성 수지가 오랜 시간 사용되어왔다.Carbon fiber reinforced composites (CFRC) are a combination of high-strength carbon fibers as reinforcing fibers in a thermosetting or thermoplastic polymer matrix. It has been widely used as a lightweight material in various fields such as civil engineering/construction, wind turbine blades, military and defense industries, and thermosetting resins have been used for a long time as a matrix resin for carbon fiber reinforced composite materials.

열경화성 수지는 경화 후 기계적, 열적 특성이 뛰어날 뿐만 아니라, 경화 전 점도가 매우 낮아 보강섬유에 대한 함침성이 높아, 이를 매트릭스로 할 경우, 촙(chop) 섬유, 장섬유, 3차원 프리폼(preform) 등 다양한 형태의 섬유를 사용할 수 있다. 그러나 열경화성 수지는 경화반응을 필요로 하여 성형사이클 시간이 증가하고 생산성이 감소하며 재활용이 불가능하다는 문제점이 있어, 다양한 소재분야에 적용하는데 어려움이 있다.Thermosetting resins not only have excellent mechanical and thermal properties after curing, but also have a very low viscosity before curing and have high impregnation properties for reinforcing fibers. Various types of fibers can be used. However, since thermosetting resins require a curing reaction, the molding cycle time increases, productivity decreases, and recycling is impossible, so it is difficult to apply them to various material fields.

따라서 최근에는 경화반응이 필요없어 성형사이클 시간을 단축할 수 있고 생산성이 높으며 재활용이 가능한 열가소성수지를 이용한 기술개발이 진행되고 있다. 일 예로, 열가소성 수지 중 하나인 PA6 수지는 내마모성, 내식성, 낮은 마찰계수, 내열성, 우수한 인성 등 우수한 기계적 특성 및 열적 특성을 가짐에 따라 탄소섬유 강화 복합재의 매트릭스로 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 PA6 수지는 일반적인 열경화성 수지에 비해 용융점도가 높아 탄소섬유와의 혼합성 및 탄소섬유에 대한 함침성이 낮아 이를 매트릭스로 하여 제조된 탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱은 주로 단섬유 또는 촙섬유를 사용하여 용융과 컴파운딩(compounding) 단계를 거치는 압출 및 사출 성형공정을 통해 제조되었다.Therefore, in recent years, there is no need for curing reaction, so the molding cycle time can be shortened, the productivity is high, and technology development using a recyclable thermoplastic resin is in progress. For example, PA6 resin, which is one of the thermoplastic resins, may be used as a matrix of a carbon fiber reinforced composite material as it has excellent mechanical and thermal properties such as abrasion resistance, corrosion resistance, low friction coefficient, heat resistance, and excellent toughness. However, these PA6 resins have a higher melt viscosity than general thermosetting resins, and thus have low compatibility with carbon fibers and low impregnation properties for carbon fibers. It was manufactured through extrusion and injection molding processes that go through melting and compounding steps.

그러나 압출 또는 사출 성형공정으로 탄소섬유 강화 복합재를 제조할 경우, 압출기 내 스크류 작용으로 인한 탄소섬유의 파단이 발생되어 탄소섬유의 길이가 크게 줄어들고, 낮은 섬유 종횡비를 초래하여 상기 공정에 따라 복합재료를 제조할 경우 높은 물성을 구현하는데 어려움이 있다.However, when a carbon fiber reinforced composite is manufactured by extrusion or injection molding process, the carbon fiber is broken due to the screw action in the extruder, and the length of the carbon fiber is greatly reduced, resulting in a low fiber aspect ratio. In the case of manufacturing, it is difficult to realize high physical properties.

따라서 탄소섬유의 파단 발생 방지를 통해 섬유 종횡비를 높이고 열가소성 수지 매트릭스의 단점을 보완하여 향상된 물성을 갖는 섬유강화 열가소성 플라스틱을 제조하기 위하여, 장섬유 강화 열가소성 플라스틱(long fiber thermoplastic, LFT) 공정기술이 적용된다.Therefore, long fiber thermoplastic (LFT) process technology is applied to increase the fiber aspect ratio by preventing the occurrence of breakage of carbon fibers and to manufacture fiber-reinforced thermoplastics with improved physical properties by supplementing the shortcomings of the thermoplastic resin matrix. do.

LFT 공정은 장섬유(3mm∼25mm)와 열가소성수지를 이용하고, 인발(pultrusion)기술과 압출(extrusion)기술을 조합한 열가소성 복합재료 성형기술로서, 탄소섬유가 압출공정을 거치지 않은 상태에서 인발되므로 공정 중 섬유가 손상, 절단 또는 분쇄되지 않고 상대적으로 긴 보강섬유 상태가 유지되어 종횡비가 커져, 이로서 제조된 복합재는 현저한 물성 향상을 나타낼 수 있다.The LFT process is a thermoplastic composite material molding technology that uses long fibers (3mm to 25mm) and thermoplastic resin, and combines pultrusion and extrusion technology. The fibers are not damaged, cut, or pulverized during the process, and a relatively long reinforcing fiber state is maintained, thereby increasing the aspect ratio, and thus, the composite material prepared therefrom can exhibit significant improvement in physical properties.

미국 공개특허 제2013-0113133호(공개일: 2013.05.09)는 장섬유로 보강된 혼성 구조 복합재를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 함침용 수지를 섬유필라멘트가 통과하는 통로로 주입하여, 장섬유로 보강된 혼성구조 복합재를 제조함을 개시하고 있고, 상기 함침용 수지로 PA, ABS, 등을 개시하고 있고, 섬유 필라멘트로서 탄소섬유를 개시하고 있다. 그러나, 상기 선행문헌의 경우, 함침용 수지가 섬유 필라멘트 입구에서 떨어진 부분으로부터 공급되며, 필라멘트의 이동방향에 대해 90ㅀ 미만의 각도로 공급되고 있어, 상기 탄소섬유에 PA, ABS 등의 수지가 함침되는데 한계가 있다. U.S. Patent Publication No. 2013-0113133 (published on May 9, 2013) relates to a method for manufacturing a hybrid structure composite material reinforced with long fibers, wherein a resin for impregnation is injected into a passage through which fiber filaments pass, and long fibers It discloses manufacturing a composite material reinforced with a hybrid structure, and discloses PA, ABS, etc. as the impregnating resin, and discloses carbon fiber as a fiber filament. However, in the case of the prior document, the impregnating resin is supplied from a portion away from the fiber filament inlet, and is supplied at an angle of less than 90° with respect to the movement direction of the filament, so that the carbon fiber is impregnated with a resin such as PA, ABS, etc. There is a limit to

또한, 한국 공개특허 제1996-0033683호(공개일: 1996.10.22.)는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 용융된 수지를 압출기로부터 크로스헤드로 공급하고 상기 크로스헤드로 보강섬유 로빙을 통과시켜 상기 섬유 로빙에 수지를 코팅한 후, 이를 함침 다이로 이동시켜 상기 로빙에 도포된 수지를 로빙의 섬유 사이로 함침시키는 단계를 포함하여, 장섬유 강화 열가소성 복합재료를 제조함을 개시하고 있다.In addition, Korean Patent Application Laid-Open No. 1996-0033683 (published on October 22, 1996) relates to a method for manufacturing a long fiber reinforced thermoplastic composite material, wherein a molten resin is supplied from an extruder to a crosshead, and reinforcing fibers are used as the crosshead. After passing the roving to coat the fiber roving with a resin, moving it to an impregnation die to impregnate the resin applied to the roving between the fibers of the roving, manufacturing a long fiber reinforced thermoplastic composite material. have.

그러나, 선행문헌의 경우, 크로스헤드로 공급되는 보강섬유 로빙을 크로스헤드로 공급하기 전에 예비 가열하여야 하고, 더욱이 상기 보강섬유 로빙은 크로스헤드에서 용융수지에 의해 함침되는 것이 아니라 일차적으로 크로스헤드에서 보강섬유 로빙에 수지가 코팅된 후 함침다이로 이동되어, 상기 함침다이에서 상기 로빙에 도포된 수지가 로빙의 섬유 사이로 함침되고 있어, 공정효율 및 생산성이 저하될 수 있다.However, in the case of the prior literature, the reinforcing fiber roving supplied to the crosshead must be preheated before feeding to the crosshead, and furthermore, the reinforcing fiber roving is not impregnated with the molten resin in the crosshead, but is primarily reinforced at the crosshead. After the resin is coated on the fiber roving, it is moved to an impregnation die, and the resin applied to the roving in the impregnation die is impregnated between the fibers of the roving, thereby reducing process efficiency and productivity.

이러한 LFT 공정을 이용한 장섬유 강화 열가소성 복합재는 그 제조방법에 따라 섬유조성, 섬유길이, 섬유배향, 매트릭스의 특성뿐만 아니라 섬유와 매트릭스 간의 계면접착, 그리고 물성에 영향을 준다.Long fiber reinforced thermoplastic composites using this LFT process affect not only the fiber composition, fiber length, fiber orientation, and matrix properties, but also the interfacial adhesion between the fibers and the matrix, and physical properties depending on the manufacturing method.

일 예로, 섬유강화 열가소성 프리프레그 재료의 인발성형(Composites Part B 89 / p.328-339 (2016), 서대경)에서는 열가소성 매트릭스 프리그레그 제품 제작시, 크로스-헤드 압출 다이를 사용하되, 상기 크로스-헤드 압출 다이를 통과하는 섬유에 대해 수직인 방향으로 수지를 공급하여, 프리프레그를 제조함을 개시하고 있다.As an example, in pultrusion molding of fiber-reinforced thermoplastic prepreg materials (Composites Part B 89 / p.328-339 (2016), Daekyung Seo), a cross-head extrusion die is used when manufacturing a thermoplastic matrix prepreg product, but the cross - Disclosed is the production of prepregs by feeding the resin in a direction perpendicular to the fibers passing through the head extrusion die.

그러나, 크로스-헤드 다이에서 섬유에 대하여 수직인 방향으로 수지를 압출하여 프리프레그를 제조하는 경우, 섬유에 대한 수지의 침투성이 불충분하여 복합재의 물성 향상에 한계가 있다.However, when the prepreg is manufactured by extruding the resin in a direction perpendicular to the fiber in the cross-head die, the permeability of the resin to the fiber is insufficient, so there is a limit in improving the physical properties of the composite material.

따라서, 본 발명은 종래 LFT에 의한 탄소섬유 강화 복합재 제조의 문제점을 개선하여, 섬유의 손상을 방지하면서 섬유에 대한 수지의 함침성을 현저히 향상시켜, 복합재의 물성이 향상되도록 LFT 에 의해 탄소섬유 강화 PA6 복합재를 제조하되, 상기 LFT 공정 중 탄소섬유에 대한 PA6 수지 함침법을 달리한 발명을 제공한다.Therefore, the present invention is to improve the problems of the conventional carbon fiber reinforced composite material manufacturing by LFT, to prevent damage to the fiber, and to significantly improve the impregnation property of the resin to the fiber, carbon fiber reinforced by LFT to improve the physical properties of the composite material However, it provides an invention in which the PA6 resin impregnation method for carbon fiber during the LFT process is different to prepare a PA6 composite material.

미국 공개특허 제2013-0113133호(공개일: 2013. 05. 09)US Patent Publication No. 2013-0113133 (published date: 2013.05.09) 한국 공개특허 제1996-0033683호(공개일: 1996. 10. 22.)Korean Patent Publication No. 1996-0033683 (published date: October 22, 1996)

섬유강화 열가소성 프리프레그 재료의 인발성형(Composites Part B 89 / p.328-339 (2016), 서대경)Pultrusion molding of fiber-reinforced thermoplastic prepreg materials (Composites Part B 89 / p.328-339 (2016), Daekyung Seo)

본 발명은 LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재 제조에 있어서, 상기 LFT 공정의 수지함침용 다이의 형태를 조절하여 탄소섬유에 대한 PA6 수지의 함침성을 향상시키고, 이를 통해 상기 탄소섬유와 PA6 수지와의 계면접착특성, 인장강도, 굴곡탄성률, 충격강도 등 물성을 향상시키는 LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법을 제공하는 것을 첫 번째 해결과제로 한다.The present invention improves the impregnation property of the PA6 resin to the carbon fiber by controlling the shape of the die for resin impregnation of the LFT process in the production of the carbon fiber reinforced PA6 composite material by the LFT process, and through this, the carbon fiber and the PA6 resin The first task is to provide a method for manufacturing a carbon fiber reinforced PA6 composite material by the LFT process that improves physical properties such as interfacial adhesive properties, tensile strength, flexural modulus, and impact strength.

또한, 본 발명은 상기 LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법에 의해 제조된 탄소섬유 강화 PA6 복합재를 제공하는 것을 두 번째 해결과제로 한다.In addition, the present invention makes a second solution to provide a carbon fiber reinforced PA6 composite manufactured by the method for manufacturing a carbon fiber reinforced PA6 composite by the LFT process.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법에 있어서, (a) 압출기로부터 용융된 PA6 수지를 수지함침용 다이로 압출하여, 상기 수지함침용 다이 내부를 용융된 PA6 수지로 충전하는 단계; (b) 상기 용융된 PA6 수지로 충전된 수지함침용 다이의 일단에서 타단으로 탄소섬유를 인발하여, 상기 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 냉각하여 고상의 토우프레그를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, in the method of manufacturing a carbon fiber reinforced PA6 composite by the LFT process, (a) the molten PA6 resin from the extruder is extruded into a resin impregnation die, and the inside of the resin impregnation die filling with molten PA6 resin; (b) drawing carbon fibers from one end of a die for resin impregnation filled with the molten PA6 resin to the other end to prepare a towpreg impregnated with the molten PA6 resin; and (c) cooling the towpreg impregnated with the molten PA6 resin to produce a solid towpreg;

일 실시예로, 상기 (c) 단계에서 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 냉각하기 전, 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, before cooling the towpreg impregnated with the PA6 resin melted in step (c), the method may further include pressing.

일 실시예로, 상기 수지함침용 다이는 상기 용융된 PA6 수지와 탄소섬유가 수평의 동일 방향으로 함께 이동하며 상기 탄소섬유에 용융된 PA6 수지가 함침되는 크로스헤드-다이(crosshead-die)일 수 있다.In one embodiment, the resin impregnation die may be a crosshead-die in which the molten PA6 resin and the carbon fiber move together in the same horizontal direction and the carbon fiber is impregnated with the molten PA6 resin. have.

또한, 본 발명은 상기 LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법으로 제조되는 탄소섬유 강화 PA6 복합재를 제공한다.In addition, the present invention provides a carbon fiber-reinforced PA6 composite prepared by the manufacturing method of the carbon fiber-reinforced PA6 composite by the LFT process.

일 실시예로, 상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재는 탄소섬유 및 폴리아미드 6(PA6) 수지를 포함하고, 인장강도가 195 내지 250 MPa이고, 인장탄성률은 8.0 내지 15 GPa 이며, 굴곡강도가 250 내지 300 MPa 이고, 굴곡탄성률이 13 내지 25 GPa 일 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber reinforced thermoplastic composite material includes carbon fiber and polyamide 6 (PA6) resin, a tensile strength of 195 to 250 MPa, a tensile modulus of 8.0 to 15 GPa, and a flexural strength of 250 to 300 MPa, and may have a flexural modulus of 13 to 25 GPa.

본 발명에 의해 수지함침 다이에 용융된 PA6 수지를 충전한 후, 탄소섬유를 상기 수지함침용 다이에 통과시켜, 탄소섬유 강화 PA6 복합재를 제조할 경우, 상기 PA6 수지 매트릭스 사이에 탄소섬유들이 고르게 분포되어 계면접착특성이 향상되고 수지가 함침되지 않은 탄소영역이 존재하지 않거나 또는 그 영역 범위가 현저히 감소되어 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성률 등 물성이 향상된다.After filling the molten PA6 resin in the resin impregnation die according to the present invention, carbon fibers are passed through the resin impregnation die to produce a carbon fiber reinforced PA6 composite, the carbon fibers are evenly distributed between the PA6 resin matrix As a result, interfacial adhesion properties are improved, and there is no resin-impregnated carbon area or the range of the area is significantly reduced, so physical properties such as tensile strength, flexural strength, and flexural modulus are improved.

도 1(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LFT 공정의 T-type 형태의 수지함침용 다이 및 이에 따른 토우프레그 제조 공정을 나타낸 것이고, 도 1(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LFT 공정의 I-type 형태의 수지함침용 다이 및 이에 따른 토우프레그 제조 공정을 나타낸 것이다.
도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LFT 공정의 T-type 형태의 수지함침용 다이에 따른 토우프레그 제조 및 이를 가압하는 공정을 나타낸 것이고, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LFT 공정의 I-type 형태의 수지함침용 다이에 따른 토우프레그 제조 및 이를 가압하는 공정을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 사출성형공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 사출성형된 탄소섬유/PA6 복합재료의 (a) 인장강도 및 (b) 인장탄성률을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 사출성형된 탄소섬유/PA6 복합재료의 (a) 굴곡강도 및 (b) 굴곡탄성률을 나타낸 그래프이다.
Figure 1 (a) shows a T-type type of resin impregnation die of the LFT process according to an embodiment of the present invention and a towpreg manufacturing process according thereto, Figure 1 (b) is an embodiment of the present invention It shows a die for resin impregnation of the I-type type of the LFT process and the towpreg manufacturing process accordingly.
Figure 2 (a) shows the manufacturing of the towpreg according to the T-type resin impregnation die of the LFT process according to an embodiment of the present invention and a process for pressing the same, and Figure 2 (b) is the present invention. It shows the manufacturing of the towpreg according to the I-type resin impregnation die of the LFT process according to an embodiment and the process of pressing the same.
3 is a view showing an injection molding process according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing (a) tensile strength and (b) tensile modulus of carbon fiber/PA6 composite material injection-molded according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing (a) flexural strength and (b) flexural modulus of a carbon fiber/PA6 composite material injection-molded according to an embodiment of the present invention.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.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 general, the nomenclature used herein is those well known and commonly used in the art.

본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

도 1(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 LFT 공정의 수지함침용 다이의 형태 및 이에 따른 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조 공정을 나타낸 도면으로, 이를 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.1 (b) is a view showing the shape of the resin impregnation die of the LFT process according to an embodiment of the present invention and the manufacturing process of the carbon fiber reinforced PA6 composite material according thereto, and the present invention will be described in detail with reference to this.

본 발명은 일 측면으로, LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법에 있어서, (a) 압출기로부터 용융된 PA6 수지를 수지함침용 다이로 압출하여, 상기 수지함침용 다이 내부를 용융된 PA6 수지로 충전하는 단계; (b) 상기 용융된 PA6 수지로 충전된 수지함침용 다이의 일단에서 타단으로 탄소섬유를 인발하여, 상기 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 냉각하여 고상의 토우프레그를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법을 제공한다.In one aspect, in a method for manufacturing a carbon fiber reinforced PA6 composite by an LFT process, (a) extruding a molten PA6 resin from an extruder with a resin impregnation die, and molten PA6 inside the resin impregnation die filling with resin; (b) drawing carbon fibers from one end of a die for resin impregnation filled with the molten PA6 resin to the other end to prepare a towpreg impregnated with the molten PA6 resin; and (c) cooling the towpreg impregnated with the molten PA6 resin to produce a solid towpreg;

본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계는 압출기의 호퍼에 PA6 수지를 투입하여 용융시킨 다음 상기 용융된 PA6 수지를 압출기 헤드에 연결된 수지함침용 다이로 공급하여 상기 수지함침용 다이의 내부 전체 길이를 상기 용융된 PA6 수지로 충전하는 단계이다.In the present invention, in the step (a), the PA6 resin is put into the hopper of the extruder and melted, and then the molten PA6 resin is supplied to the resin impregnation die connected to the extruder head to determine the total internal length of the resin impregnation die. Filling with the molten PA6 resin.

상기 PA6 수지는 폴리아마이드(Polyamide, PA)에서 아미드(amide: -CONH-)기를 포함하는 분자사슬 구조의 반복단위에서의 탄소개수가 6인 것으로, 카프로락탐(caprolactam)에 10∼20%의 물을 넣고 압력 및 열을 가하여 중합하여 제조할 수 있다. PA6는 N-H 결합과 C-O 결합 모두 극성(polarity)을 띄고 N과 O는 음전하를 띈다. 이러한 극성이 PA6의 분자 사이에 이중결합을 형성할 수 있도록 돕는다. 이러한 이중결합은 수소결합으로서 PA6의 분자들이 서로의 움직임을 제한하여 결과적으로 인장강도를 증가시킨다. 또한 PA6의 분자사슬이 주변에 있는 분자사슬과 수소결합으로 평면의 적층구조를 이루어 높은 결정성을 가지도록 한다. 따라서 PA6는 높은 결정성과 함께 우수한 물성과 인성, 낮은 가스투과성, 내피로성, 내후성, 내열성 등 뛰어난 특성을 가질 뿐만 아니라 가공성이 좋아 산업적으로 매우 활용도가 높은 엔지니어링 플라스틱이다. 특히, PA6의 우수한 내마모성, 내식성, 그리고 낮은 마찰계수를 가지므로, 이러한 우수한 기계적 특성 및 열적 특성을 갖는 PA6는 탄소섬유 강화 복합재의 매트릭스로 사용될 수 있다.The PA6 resin has 6 carbons in the repeating unit of the molecular chain structure including the amide (-CONH-) group in polyamide (PA), and contains 10 to 20% of water in caprolactam. It can be prepared by polymerization by adding pressure and heat. In PA6, both the N-H bond and the C-O bond have polarity, and N and O are negatively charged. This polarity helps to form double bonds between the molecules of PA6. This double bond is a hydrogen bond, which restricts the movement of PA6 molecules with each other and consequently increases the tensile strength. In addition, the molecular chain of PA6 forms a flat laminated structure by hydrogen bonding with the surrounding molecular chains to have high crystallinity. Therefore, PA6 has excellent properties such as high crystallinity, excellent properties and toughness, low gas permeability, fatigue resistance, weather resistance, and heat resistance, as well as excellent processability, making it an engineering plastic with high industrial utility. In particular, since PA6 has excellent wear resistance, corrosion resistance, and low coefficient of friction, PA6 having such excellent mechanical and thermal properties can be used as a matrix of carbon fiber reinforced composites.

본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 용융된 PA6 수지로 충전된 수지함침용 다이의 일단에서 타단으로 탄소섬유를 인발하여, 상기 용융된 열가소성 수지가 함침된 토우프레그를 제조하는 단계이다. In the present invention, step (b) is a step of producing a towpreg impregnated with the molten thermoplastic resin by drawing carbon fibers from one end of the die for resin impregnation filled with the molten PA6 resin to the other end.

구체적으로는 상기 (b) 단계에서는 상기 용융된 PA6 수지로 충전된 수지함침용 다이로 탄소섬유를 공급하여 상기 탄소섬유가 상기 수지함침용 다이의 전 구간에서 걸쳐 상기 용융된 PA6 수지와 맞닿으며 이동하여 상기 수지 함침용 다이의 타단으로 인발되도록 한다. 이에 따라, 상기 수지함침용 다이에서의 탄소섬유와 용융된 PA6 수지는 접촉 시간 및 접촉 면적이 증가되게 되어 상기 용융된 PA6 수지가 탄소섬유에 침투할 수 있는 환경이 오랜 시간 지속되어 상기 용융된 PA6 수지의 함침성이 향상된 토우프레그를 제조한다.Specifically, in step (b), carbon fibers are supplied to the resin impregnation die filled with the molten PA6 resin so that the carbon fibers come into contact with the molten PA6 resin throughout the entire section of the resin impregnation die and move to draw out the other end of the resin impregnation die. Accordingly, the contact time and contact area between the carbon fiber and the molten PA6 resin in the resin impregnation die are increased, so that the environment in which the molten PA6 resin can penetrate the carbon fiber continues for a long time, and the molten PA6 resin A towpreg with improved resin impregnation property is prepared.

이러한 수지함침용 다이는 압출기에 대해 수직으로 장착된 크로스헤드-다이(crosshead-die)로, 상기 수지함침용 다이로의 용융된 PA6 수지의 유입부와 배출부의 방향은 상이하나, 상기 수지함침용 다이에서의 용융된 PA6 수지와 이를 통과하는 탄소섬유의 배출부를 향한 이동 방향은 동일하다. This resin impregnation die is a crosshead-die mounted vertically with respect to the extruder, and the inlet and outlet directions of the molten PA6 resin into the resin impregnation die are different, but the resin impregnation die The direction of movement toward the discharge of the molten PA6 resin in the die and the carbon fiber passing through it is the same.

구체적으로는 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 상기 용융된 PA6 수지는 압출기와 연결된 수지함침용 다이, 즉 크로스헤드-다이로 공급되어, 상기 크로스헤드-다이의 전체길이를 용융된 PA6 수지로 충전하며, 상기 탄소섬유는 상기 용융된 PA6 수지로 충전된 수지함침용 다이로 진입하여 상기 용융된 PA6 수지와 수평의 동일한 방향으로 함께 배출부쪽으로 인발되어, 상기 탄소섬유에 용융된 PA6 수지가 침투 및 함침된, 토우프레그를 제조한다.Specifically, as shown in FIG. 1(b), the molten PA6 resin is supplied to a resin impregnation die connected to an extruder, that is, a crosshead-die, and the entire length of the crosshead-die is molten PA6 resin. The carbon fiber enters the resin impregnation die filled with the molten PA6 resin and is drawn toward the discharge part in the same horizontal direction as the molten PA6 resin, so that the molten PA6 resin in the carbon fiber is The impregnated and impregnated, towpregs are prepared.

상기 과정에 의해 제조되어 수지함침용 다이에서 배출되는 토우프레그는 다소 유연한 상태로, 도 2(b)에 도시한 것처럼 이를 냉각하기 전 선택적으로 5 내지 10 kgf의 하중을 가하여, 토우프레그내 탄소섬유에 대한 용융된 PA6 수지의 함침성 및 계면접착특성을 보다 향상시킬 수 있다.The towpreg produced by the above process and discharged from the resin impregnation die is in a somewhat flexible state, and as shown in FIG. It is possible to further improve the impregnability and interfacial adhesion properties of the molten PA6 resin to the fiber.

상기 (b) 단계에 있어서, 상기 탄소섬유는 수지함침용 다이로 연속적으로 공급되며 꼬지 않은 연속 필라멘트 다발로 이루어진 토우(tow)이다. 상기 토우 사이즈는 제한되지 않으나, 1K 내지 60K일 수 있고, 바람직하게는 1K 내지 24K일 수 있으며, 여기서 'K'탄소섬유 토우의 필라멘트 개수를 나타내는 것으로서, 1K 토우는 가느다란 섬유 필라멘트 1,000개로 이루어짐을 의미한다.In step (b), the carbon fibers are continuously supplied to the resin impregnation die and are tows made of untwisted continuous filament bundles. The tow size is not limited, but may be 1K to 60K, preferably 1K to 24K, where 'K' represents the number of filaments in the carbon fiber tow, and 1K tow is made of 1,000 thin fiber filaments. it means.

또한, 상기 탄소섬유는 PAN(polyacrylonitrile)계, 피치(pitch)계 또는 레이온(rayon)계 탄소섬유일 수 있고, 바람직하게는 PAN계 탄소섬유이다.In addition, the carbon fiber may be a PAN (polyacrylonitrile)-based, pitch-based or rayon-based carbon fiber, preferably a PAN-based carbon fiber.

본 발명에 있어서, (c) 단계는 상기 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 냉각하여 고상의 토우프레그를 제조하는 단계이다. 상기 과정은 일반적으로 알려진 LFT 공정에 의해 진행되므로, 구체적으로 기재하지 않으며, 상기 (a) 내지 (c)의 LFT 일련의 공정은 압출 및 인발에 의한 탄소섬유 및 용융된 PA6 수지의 연속적인 공급에의해 연속적으로 이루어지며, 이에 따라 제조된 토우프레그는 서로 얽히지 않도록 보빈에 감아 보관하거나 또는 절단하여 펠렛(pellet) 형태로 제조할 수 있다.In the present invention, step (c) is a step of preparing a solid towpreg by cooling the towpreg impregnated with the molten PA6 resin. Since the above process is carried out by the generally known LFT process, it is not specifically described, and the LFT series of processes (a) to (c) above are for continuous supply of carbon fiber and molten PA6 resin by extrusion and drawing. The tow pregs produced in this way may be stored in a bobbin so as not to be entangled with each other, or may be cut and manufactured in the form of pellets.

본 발명 따라 제조된 펠렛은 탄소섬유를 펠렛 총 중량을 기준으로 20 내지 45 중량%로 포함한다. 탄소섬유 함량이 20 중량% 미만일 경우에는 탄소섬유 보강 PA6 복합재의 충분한 물성향상을 기대할 수 없으며, 45중량%를 초과할 경우에는 탄소섬유가 과량으로 존재하여 매트릭스 수지와의 계면접착 특성이 오히려 저하되거나 또는 불순물로서 작용하여 탄소섬유 보강 PA6 복합재의 물성을 저해할 수 있다. 따라서 상기 펠렛에 있어서 탄소섬유는 20 내지 45중량%로 포함되며, 바람직하게는 25 내지 35 중량%로 포함된다. The pellets prepared according to the present invention contain 20 to 45% by weight of carbon fibers based on the total weight of the pellets. When the carbon fiber content is less than 20% by weight, it is not possible to expect sufficient improvement of the properties of the carbon fiber-reinforced PA6 composite material. Alternatively, it may act as an impurity to impair the physical properties of the carbon fiber reinforced PA6 composite. Therefore, in the pellet, the carbon fiber is included in an amount of 20 to 45% by weight, preferably 25 to 35% by weight.

또한, 상기 펠렛의 종횡비는 3 내지 20 이다. 상기 펠렛의 종횡비가 3 미만인 경우 펠렛의 길이가 너무 짧아 복합재에서의 기계적 특성을 효과적으로 높이는데 어려움이 있고, 20을 초과할 경우 펠렛을 이용하여 사출성형공정 시 펠렛이 꺽이거나 절단되어 오히려 기계적 특성 향상 효과를 제한하는 문제점이 있을 수 있다.In addition, the aspect ratio of the pellets is 3 to 20. When the aspect ratio of the pellets is less than 3, the length of the pellets is too short, so it is difficult to effectively increase the mechanical properties in the composite. There may be problems limiting the effectiveness.

따라서 바람직하게는 상기 펠렛의 종횡비는 5 내지 15이다.Therefore, preferably, the aspect ratio of the pellets is 5 to 15.

또한, 상기 펠렛은 사출성형 또는 압착되어 성형될 수 있으며, 상기 토우프레그 절단, 펠렛 제조, 사출성형 또는 압착은 일반적으로 알려진 공정에 의해 진행될 수 있어 상기 공정에 대해서는 구체적으로 기재하지 않는다.In addition, the pellet may be molded by injection molding or compression, and the towpreg cutting, pellet manufacturing, injection molding or compression may be performed by a generally known process, so the process is not specifically described.

이러한 상기 방법에 따라 제조된 탄소섬유 강화 PA6 복합재는 탄소섬유 및 PA6 수지를 포함하여, 인장강도가 195 내지 250 MPa이고, 인장탄성률은 8.0 내지 15 GPa 이며, 굴곡강도가 250 내지 300 MPa 이며, 굴곡탄성률이 13 내지 25 GPa 일 수 있다.The carbon fiber-reinforced PA6 composite prepared according to this method, including carbon fiber and PA6 resin, has a tensile strength of 195 to 250 MPa, a tensile modulus of 8.0 to 15 GPa, and a flexural strength of 250 to 300 MPa, and the flexural strength is 250 to 300 MPa. The modulus of elasticity may be 13 to 25 GPa.

상기 탄소섬유 강화 PA6 복합재는 상기 방법에 따라 LFT 공정에서 크로스헤드-다이를 사용하여 수지가 함침된 토우프레그를 제조하되, 상기 크로스헤드-다이에 용융된 PA6 수지를 먼저 충전한 다음, 상기 크로스헤드-다이로 탄소섬유를 통과시켜 토우프레그를 제조하여, 탄소섬유에 대한 PA6 수지의 합침성을 향상시킨다.The carbon fiber reinforced PA6 composite material is prepared by using a crosshead-die in the LFT process according to the above method to prepare a resin-impregnated towpreg, but the crosshead-die is first filled with a molten PA6 resin, and then the crosshead -A tow preg is produced by passing carbon fibers through a die, and the impregnation property of PA6 resin to carbon fibers is improved.

이에 따라 상기 탄소섬유 강화 PA6 복합재는 PA6 수지가 함침되지 않은 탄소영역이 존재하지 않거나 또는 그 영역범위가 적게 되고, 상기 PA6 수지 매트릭스 사이에 탄소섬유들이 고르게 분포하게 되어 탄소섬유와 PA6 수지의 계면접착 특성이 향상된다.Accordingly, the carbon fiber-reinforced PA6 composite material does not have a carbon region impregnated with the PA6 resin or has a small region range, and the carbon fibers are evenly distributed between the PA6 resin matrix, so that the carbon fiber and the PA6 resin interfacial adhesion characteristics are improved.

따라서, 상기 탄소섬유 강화 PA6 복합재는 외부로부터 하중이 가해질 때 이웃하는 탄소섬유와 수지 매트릭스로 상기 하중이 고르게 전달되어 초기에 가해진 하중보다 상대적으로 작은 하중을 받게 되어, 인장강도, 인장탄성률, 굴곡강도, 굴곡탄성률이 향상된다.Therefore, when a load is applied from the outside, the carbon fiber-reinforced PA6 composite material receives a relatively small load than the initially applied load as the load is uniformly transmitted to the neighboring carbon fiber and resin matrix, and tensile strength, tensile modulus of elasticity, flexural strength , the flexural modulus is improved.

더욱이, 상기 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 경우, 열가소성수지 중 비교적 낮은 점도를 갖는 PA6를 매트릭스로 사용하여 탄소섬유에 대한 매트릭스 수지의 흐름성 및 침투성을 보다 향상시키며, 이를 통해 제조된 복합재는 높은 점도를 갖는 수지를 매트릭스로 사용한 경우에 비해 인장강도, 인장탄성률, 굴곡강도, 굴곡탄성률 등의 물성을 보다 현저히 향상시킬 수 있다.Moreover, in the case of the carbon fiber-reinforced PA6 composite, PA6, which has a relatively low viscosity among thermoplastic resins, is used as a matrix to further improve the flowability and permeability of the matrix resin to carbon fibers, and the composite manufactured through this has a high viscosity Compared to the case of using a resin having a resin as a matrix, physical properties such as tensile strength, tensile modulus of elasticity, flexural strength, and flexural modulus can be more remarkably improved.

이하, 본 발명을 실시예로서 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples, but the present invention is not limited by the Examples.

<실시예><Example>

재료ingredient

(1) 탄소섬유(1) carbon fiber

탄소섬유강화 PA6 복합재의 보강섬유로 사용된 PAN계 탄소섬유(carbon fiber, 12K, T700 등급)는 (주)도레이첨단소재(대한민국)에서 제조된 것으로, 밀도(density)는 1.8 g/cm3, 인장강도(tensile strength)는 약 4,900 MPa이고 인장탄성률(tensile modulus)은 약 230 GPa이며, LFT 공정용으로 원통형 보빈(bobbin)에 감겨진 연속섬유(continuous fiber) 형태로 공급받았다.The PAN-based carbon fiber (carbon fiber, 12K, T700 grade) used as the reinforcing fiber of the carbon fiber-reinforced PA6 composite is manufactured by Toray Advanced Materials (Korea) and has a density of 1.8 g/cm 3 , The tensile strength was about 4,900 MPa and the tensile modulus was about 230 GPa, and it was supplied in the form of a continuous fiber wound on a cylindrical bobbin for the LFT process.

(2) 매트릭스 수지 - PA6(2) Matrix resin - PA6

탄소섬유강화 PA6 복합재의 매트릭스로 사용된 polyamide 6(PA6) 수지(KN136)는 물성이 우수한 엔지니어링 플라스틱으로서, 코오롱플라스틱㈜(대한민국)에서 제조한 것으로 펠렛 형상을 가지며, 밀도는 1.14 g/cm3, 인장강도는 약 80 MPa, 굴곡강도는 130 약 MPa, 굴곡탄성률은 약 2,950 MPa, Izod 충격강도는 약 60 J/m, 그리고 열변형온도는 약 65℃이고, 용융흐름지수(melt flow index, 260℃, 5 kg)는 127.3 g/10 min이다.Polyamide 6 (PA6) resin (KN136) used as a matrix for carbon fiber reinforced PA6 composite is an engineering plastic with excellent physical properties, manufactured by Kolon Plastics (Korea), has a pellet shape, and has a density of 1.14 g/cm 3 , The tensile strength is about 80 MPa, the flexural strength is about 130 MPa, the flexural modulus is about 2,950 MPa, the Izod impact strength is about 60 J/m, and the heat deflection temperature is about 65°C, and the melt flow index (260) °C, 5 kg) is 127.3 g/10 min.

상기 PA6 수지의 흐름성이 우수하여 이를 사용하여 LFT 공정으로 복합재를 제조할 때, 높은 수지 함침성을 나타낼 수 있을 것으로 예상할 수 있다.Since the PA6 resin has excellent flowability, it can be expected to exhibit high resin impregnation properties when using the PA6 resin to prepare a composite material by an LFT process.

LFT 펠렛제조LFT pellet manufacturing

수지가 함침된 탄소섬유 토우프레그를 제조하기 위해 Bautek(한국)에서 제작된 압출기(single-screw extruder, Ø20)와 인발기(pulling machine)를 조합한 실험실 규모(lab-scale)의 LFT 장치를 사용하였으며, 이를 이용한 LFT 펠렛 제조는 하기 LFT 펠렛 제조방법에 의해 실시되되, 탄소섬유 토우가 통과하는 다이(die) 형태에 따른 탄소섬유에 함침된 수지 형태에 따라, I-type, MI-type, T-type 및 MT-type으로 각각 제조하였다.A lab-scale LFT device that combines a single-screw extruder (Ø20) and a pulling machine manufactured by Bautek (Korea) was used to manufacture the resin-impregnated carbon fiber towpreg. LFT pellet production using this is carried out by the following LFT pellet manufacturing method, I-type, MI-type, T according to the resin type impregnated in the carbon fiber according to the die shape through which the carbon fiber tow passes. -type and MT-type were prepared, respectively.

(LFT 펠렛 제조방법)(LFT pellet manufacturing method)

LFT 펠렛 제조는 LFT 공정에 따라 보빈 형태의 연속성 탄소섬유 토우가 압출기 헤드(head)에 연결된 die를 통과하고, 압출기의 호퍼를 통해 투입된 PA6 펠렛이 압출기 내부에서 용융되어 스크류 회전에 의해 압출기에 연결된 die로 압출되어, 상기 압출기 헤드에 연결된 die를 통과하는 연속성 탄소섬유 토우에 용융된 수지의 함침이 이루어졌다.According to the LFT process, continuous carbon fiber tow in the form of a bobbin passes through a die connected to the extruder head, and PA6 pellets fed through the hopper of the extruder are melted inside the extruder and the die connected to the extruder by screw rotation. The molten resin was impregnated into a continuous carbon fiber tow that was extruded into a furnace and passed through a die connected to the extruder head.

수지가 함침된 토우프레그는 인발기에 의해 당겨지면서 수조(water bath)를 거쳐 냉각되었다. 이에 따라 제조된 토우프레그는 서로 얽히지 않도록 원통형 보빈에 감아 보관하였다. The resin-impregnated towpreg was cooled through a water bath while being pulled by a drawing machine. The towpreg thus prepared was wound and stored on a cylindrical bobbin so as not to become entangled with each other.

토우프레그는 (주)ACE C&TECH(대한민국)에서 개발한 펠렛타이저(pelletizer)를 사용하여 12 mm의 길이로 절단하여 LFT 펠렛을 제조하였다. The towpreg was cut to a length of 12 mm using a pelletizer developed by ACE C&TECH (Korea) to prepare LFT pellets.

수지 대비 탄소섬유의 함량은 10 cm 길이의 탄소섬유 토우의 무게를 수지가 함침된 동일한 길이의 탄소섬유 무게로 나눈 후 100%를 곱하여 계산하였다.The carbon fiber content compared to the resin was calculated by dividing the weight of the carbon fiber tow of 10 cm length by the weight of the carbon fiber of the same length impregnated with the resin and then multiplying by 100%.

Figure 112021051586518-pat00001
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또한, LFT 펠렛 제조과정에서의 수분의 영향을 제거하기 위하여 80℃인 건조오븐에서 12시간 동안 건조된 PA6 펠렛과 탄소섬유 보빈을 각각 사용하여 압출기의 스크류 회전속도와 인발기의 속도를 조절하여 LFT 펠렛을 제조하였다.In addition, in order to remove the influence of moisture in the LFT pellet manufacturing process, PA6 pellets and carbon fiber bobbins dried for 12 hours in a drying oven at 80°C were used respectively, and the screw rotation speed of the extruder and the speed of the drawing machine were adjusted by adjusting the LFT Pellets were prepared.

(1) I-type 및 MI-type LFT 펠렛(1) I-type and MI-type LFT pellets

상기 LFT 공정에 따라 LFT 펠렛을 제조하되, 도 1(b)와 같이, 상기 연속성 탄소섬유 토우에 용융된 수지를 함침하는 공정에 있어서, 상기 크로스-다이로 압출된 용융된 PA6 수지로 충전한 후, 상기 크로스-다이로 연속성 탄소섬유를 공급하여, 상기 크로스-다이에서 탄소섬유와 용융 PA6 수지는 수평하게 동일한 방향으로 이동하면서, 상기 탄소섬유 토우에 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 제조하였으며, 이에 따라 제조된 펠렛을 I-type으로 명명하였다.In the process of impregnating the molten resin into the continuous carbon fiber tow, as shown in FIG. 1(b), the LFT pellets are prepared according to the LFT process, after filling with the molten PA6 resin extruded by the cross-die. , by supplying continuous carbon fiber to the cross-die, the carbon fiber and the molten PA6 resin in the cross-die moved horizontally in the same direction, and the towpreg impregnated with the molten PA6 resin in the carbon fiber tow was prepared. , the pellets thus prepared were named I-type.

또한, 도 2(b)와 같이 상기 제조된 토우프레그를 냉각 전 가압하는 단계를 더 포함하여 제조한 LFT 펠렛을 MI-type 으로 명명하였다.In addition, as shown in FIG. 2(b), the LFT pellets prepared by further including the step of pressing the prepared towpreg before cooling were named MI-type.

(2) T-type(2) T-type

상기 LFT 공정에 따라 LFT 펠렛을 제조하되, 도 1(a)와 같이, 크로스-다이(cross-die)와 연결된 압출기 헤드를 통해 용융된 수지를 상기 크로스-다이를 통과하는 탄소섬유 토우에 대해 수직인 방향으로 원형으로 뭉친 형태로 압출하여, 상기 탄소섬유 토우에 용융된 수지를 함침한 토우프레그를 제조하였다. 이에 따라 제조된 펠렛은 T-type으로 명명하였다. According to the LFT process, LFT pellets are prepared, but as shown in FIG. 1(a), the molten resin is passed through an extruder head connected to a cross-die, perpendicular to the carbon fiber tow passing through the cross-die. A towpreg was prepared in which the carbon fiber tow was impregnated with a molten resin by extruding it in a round shape in the phosphor direction. The pellets thus prepared were named T-type.

또한, 상기 제조된 토우프레그를 냉각수조로 진입시키기 전 도 2(a)와 같이 눌러주어 제조한 펠렛은 MT-type으로 명명하였다.In addition, the pellets prepared by pressing the prepared towpreg as shown in FIG. 2(a) before entering the cooling water bath were named MT-type.

상기 T-type 및 I-type LFT 펠렛 제조에 있어서, LFT 공정 조건 및 이에 따라 제조된 LFT 펠렛의 탄소섬유 함량에 대하여 하기 표 1에 나타내었다.In the preparation of the T-type and I-type LFT pellets, the LFT process conditions and the carbon fiber content of the LFT pellets prepared accordingly are shown in Table 1 below.

Barrel Temperature (℃)Barrel Temperature (℃) Thermoplastic ResinThermoplastic Resin Zone 1Zone 1 Zone 2Zone 2 HeadHead DieDie PA6PA6 160160 200200 260260 260260 Thermoplastic ResinThermoplastic Resin Cross-die typeCross-die type Screw speed
(rpm)
screw speed
(rpm)
Pulling speed
(rpm)
pulling speed
(rpm)
Carbon fiber
(wt%)
carbon fiber
(wt%)
PA6PA6 T-typeT-type 6.86.8 4.14.1 30∼3330-33 I-typeI-type 4.94.9 3.83.8

사출성형된 탄소섬유/PA6 복합재료 제조Manufacture of injection molded carbon fiber/PA6 composite material

상기 제조된 각 펠렛 타입(T-type, I-type, MT-type 및 MI-type)의 탄소섬유/PA6 LFT 펠렛을 사출성형공정을 통해 각 펠렛 타입에 따른 탄소섬유/PA6 복합재료를 제조하였다. The carbon fiber/PA6 LFT pellets of each pellet type (T-type, I-type, MT-type and MI-type) prepared above were subjected to an injection molding process to prepare a carbon fiber/PA6 composite material according to each pellet type. .

사출성형공정을 수행하기 전에 수분의 영향을 제거하기 위해 80℃의 건조오븐에서 각 타입의 LFT 펠렛을 12시간 동안 건조하였다. 사출성형공정은 동신유압(대한민국)에서 제작된 사출성형기(PRO-WD 80)를 사용하여 실시되었으며, 도 3 및 하기 표 2에 나타낸 조건에 따라 사출성형을 실시하였다.Before performing the injection molding process, each type of LFT pellets were dried in a drying oven at 80° C. for 12 hours to remove the effect of moisture. The injection molding process was performed using an injection molding machine (PRO-WD 80) manufactured by Dongshin Hydraulics (Korea), and injection molding was performed according to the conditions shown in FIG. 3 and Table 2 below.

또한, 상기 사출성형공정에 의해 제조된 각 펠렛 타입에 따른 복합재료는 하기 특성 분석을 수행하기 위한 시편 형상으로 준비하였다.In addition, the composite material according to each pellet type manufactured by the injection molding process was prepared in the form of a specimen for performing the following characteristic analysis.

하기 표 2는 탄소섬유/PA6 LFT 펠렛에 의한 탄소섬유/PA6 복합재료의 사출성형 조건을 나타낸 것으로, 도 3의 사출성형기에 의해 이루어졌다.Table 2 below shows the injection molding conditions of the carbon fiber/PA6 composite material by the carbon fiber/PA6 LFT pellet, which was made by the injection molding machine of FIG. 3 .

Barrel Temperature (℃)Barrel Temperature (℃) Mold Temperature (℃)Mold Temperature (℃) Cooling time (s)Cooling time (s) zone 1zone 1 zone 2zone 2 zone 3zone 3 NozzleNozzle 9090 2020 280280 270270 260260 280280 Molding Process conditionsMolding Process conditions ParameterParameter Injection 1Injection 1 Injection 2Injection 2 Injection 3Injection 3 Injection 4Injection 4 Injection 5Injection 5 Holding
Pressure1
holding
Pressure1
Holding
Pressure2
holding
Pressure2
Holding
Pressure3
holding
Pressure3
Pressure
(kg/cm2)
Pressure
(kg/cm2)
5050 5050 5050 5555 5555 2020 2020 2020
Speed(%)Speed (%) 3535 3030 3030 3030 3030 2525 Time(s)Time(s) 4.04.0 4.04.0 4.04.0 4.04.0 4.04.0 5.05.0 1.01.0 1.01.0 Position
(mm)
Position
(mm)
48.048.0 38.038.0 23.023.0 21.021.0 18.018.0

특성분석Characterization

(1) 인장시험(1) Tensile test

도 4는 상기 사출성형공정을 통해 제조한 탄소섬유/PA6 복합재료의 (a) 인장강도와 (b) 인장탄성률 결과를 나타낸 것으로 인장강도 및 인장탄성률은 하기 방법으로 시험되었다.4 shows the results of (a) tensile strength and (b) tensile modulus of carbon fiber/PA6 composite material manufactured through the injection molding process. The tensile strength and tensile modulus were tested by the following method.

(인장강도 및 인장탄성률 시험방법)(Test method for tensile strength and modulus of elasticity)

Shimadzu JP(일본)의 만능시험기(UTM, AG-50kNX)를 사용하여 복합재료의 인장시험을 수행하였으며, ASTM-D638에 의거하여 길이가 약 165 mm, 너비가 약 12.5 mm, 두께가 약 3 mm인 독본(dog-bone) 형태를 가진 시편을 사용하였다. 사용된 로드셀(load cell)은 50 kN이었으며, crosshead speed는 5 mm/min, gauge length는 100 mm이었다. 복합재료 당 시편 10개의 평균값을 통하여 인장강도와 인장탄성률을 구하였다.The tensile test of the composite material was performed using a universal testing machine (UTM, AG-50kNX) of Shimadzu JP (Japan). According to ASTM-D638, the length is about 165 mm, the width is about 12.5 mm, and the thickness is about 3 mm. A specimen having a dog-bone shape was used. The load cell used was 50 kN, the crosshead speed was 5 mm/min, and the gauge length was 100 mm. Tensile strength and tensile modulus were obtained from the average values of 10 specimens per composite material.

도 4의 탄소섬유/PA6 복합재료의 경우에는 T-type, MT-type, I-type, 그리고 MI-type에서 인장강도는 각각 약 151, 196, 201, 210 MPa(도 4(a))이고, 인장탄성률은 각각 약 8.2, 8.4, 8.9, 9.2 GPa(도 4(b))로, 상기 복합재료의 인장강도와 인장탄성률은 LFT 펠렛에서의 탄소섬유에 대한 수지함침 정도에 따라 T-type, MT-type, I-type, 그리고 MI-type LFT로 제조된 복합재료 순으로 향상되었다. In the case of the carbon fiber / PA6 composite material of Figure 4, the tensile strength in T-type, MT-type, I-type, and MI-type is about 151, 196, 201, and 210 MPa (Figure 4(a)), respectively. , the tensile modulus of elasticity are about 8.2, 8.4, 8.9, and 9.2 GPa (Fig. 4(b)), respectively, and the tensile strength and tensile modulus of the composite material are T-type, depending on the degree of resin impregnation for carbon fibers in LFT pellets. Composite materials manufactured with MT-type, I-type, and MI-type LFTs improved in that order.

T-type 탄소섬유/PA6 복합재료와 MT-type 탄소섬유/PA6 복합재료에서는 수지의 함침이 제대로 이루어지지 않은 탄소섬유 영역이 존재하였고 탄소섬유의 분산성이 좋지 않았다. 이처럼 복합재료 내에 탄소섬유가 수지 매트릭스에 고르게 분산되지 않을 경우, 외부에서 가해진 하중이 복합재료를 구성하고 있는 수지 매트릭스와 탄소섬유 사이로 고르게 전달되지 않아 하중에 대한 저항성을 저하시키는 원인을 제공하여 준다. 아울러 수지함침이 되지 않은 탄소섬유들 주변에 보이드(void)와 결함(defect)과 같은 미세결함(microdefect)들이 존재할 수 있다. 이때 탄소섬유와 수지 매트릭스 사이의 불연속성(discontinuity)이 파손(failure)을 야기하고, 결과적으로 복합재료의 인장강도와 인장탄성률을 감소시킨다. In the T-type carbon fiber/PA6 composite material and the MT-type carbon fiber/PA6 composite material, there was a region of carbon fiber that was not properly impregnated with resin, and the dispersibility of the carbon fiber was not good. As such, when the carbon fibers in the composite material are not evenly distributed in the resin matrix, the load applied from the outside is not evenly transmitted between the resin matrix and the carbon fibers constituting the composite material, thereby providing a cause of lowering the resistance to load. In addition, microdefects such as voids and defects may exist around carbon fibers that are not impregnated with resin. At this time, the discontinuity between the carbon fiber and the resin matrix causes failure, and consequently reduces the tensile strength and tensile modulus of the composite material.

반면, 복합재료 내에서 탄소섬유가 고르게 분산되고 수지가 함침되지 않은 탄소섬유 영역이 존재하지 않거나 그 영역이 상대적으로 적은 I-type 탄소섬유/PA6 복합재료와 MI-type 탄소섬유/PA6 복합재료의 경우에는, 외부 하중이 가해졌을 때 이웃하는 탄소섬유와 수지 매트릭스 간에 하중이 효율적으로 전달되어 초기에 가해졌던 하중보다 상대적으로 작은 하중을 받게 되면서 복합재료의 인장강도와 인장탄성률이 향상되었다.On the other hand, in the composite material, carbon fibers are evenly dispersed and there is no area of carbon fiber impregnated with resin or the area is relatively small between I-type carbon fiber/PA6 composite material and MI-type carbon fiber/PA6 composite material. In this case, when an external load is applied, the load is efficiently transferred between the adjacent carbon fiber and the resin matrix, and the tensile strength and tensile modulus of the composite material are improved as the load is relatively smaller than the initially applied load.

이는 PA 수지는 점도가 매우 낮아 복합재료 내 탄소섬유의 분산에도 유리하기 때문이다.This is because the PA resin has a very low viscosity, which is advantageous for the dispersion of carbon fibers in the composite material.

(2) 굴곡시험(2) Flexural test

도 5는 상기 각 타입의 LFT 펠렛을 사출성형하여 제조한 각 타입별 탄소섬유/PA6 복합재료의 (a) 굴곡강도 및 (b) 굴곡탄성률을 나타낸 것이다. 굴곡강도 및 굴곡탄성률은 하기 방법에 의해 측정되었다.5 shows (a) flexural strength and (b) flexural modulus of each type of carbon fiber/PA6 composite material manufactured by injection molding each type of LFT pellets. Flexural strength and flexural modulus were measured by the following method.

(굴곡강도 및 굴곡탄성률 측정)(Measurement of flexural strength and flexural modulus)

Shimadzu JP(일본)의 만능시험기(UTM, AG-50kNX)를 사용하여 복합재료의 3점 굴곡시험을 수행하였다. ASTM-D790에 의거하여 길이가 약 125 mm, 너비가 약 12.5 mm, 두께가 약 3 mm인 바(bar) 형태를 가진 시편을 사용하였다. 사용된 로드셀은 50 kN이며, crosshead speed는 5.1 mm/min, span-to-depth ratio는 32:1, support span은 96 mm이었다. 복합재료당 시편 10개의 평균값을 통하여 굴곡강도와 굴곡탄성률을 구하였다.A three-point bending test of the composite material was performed using a universal testing machine (UTM, AG-50kNX) of Shimadzu JP (Japan). According to ASTM-D790, a specimen having a bar shape having a length of about 125 mm, a width of about 12.5 mm, and a thickness of about 3 mm was used. The load cell used was 50 kN, the crosshead speed was 5.1 mm/min, the span-to-depth ratio was 32:1, and the support span was 96 mm. Flexural strength and flexural modulus were obtained from the average values of 10 specimens per composite material.

도 5의 탄소섬유/PA6 복합재료의 경우, T-type, MT-type, I-type, 그리고 MI-type의 굴곡강도가 각각 약 184, 242, 253, 280 MPa(도 5(a))이고, 굴곡탄성률이 각각 약 12.5, 13.1, 14.5, 16.6 GPa(도 5(b))로, 상기 복합재료는 LFT 펠렛에서의 수지함침 정도에 따라 T-type, MT-type, I-type, 그리고 MI-type 복합재료 순으로 굴곡강도와 굴곡탄성률이 향상되었다.In the case of the carbon fiber / PA6 composite material of FIG. 5, the flexural strengths of T-type, MT-type, I-type, and MI-type are about 184, 242, 253, and 280 MPa (Fig. 5(a)), respectively. , the flexural modulus is about 12.5, 13.1, 14.5, and 16.6 GPa (Fig. 5(b)), respectively, and the composite material is T-type, MT-type, I-type, and MI depending on the degree of resin impregnation in the LFT pellets. Flexural strength and flexural modulus were improved in the order of -type composite material.

일반적으로 섬유강화 복합재료에 있어서, 보강섬유와 고분자매트릭스 사이의 계면특성은 복합재료의 굴곡강도 및 굴곡탄성률에 매우 중요한 역할을 한다. T-type과 MT-type 탄소섬유/PA6 복합재료에서는 수지와 계면결합이 형성되지 않은 탄소섬유 다발이 존재하였다. 이러한 수지가 함침되지 않은 탄소섬유 영역은 보이드와 결함으로 작용하고, 응력집중 영역이 형성되어 복합재료의 굴곡강도와 굴곡탄성률을 저하시킨다. 또한 탄소섬유가 수지 매트릭스에 잘 분산되지 않으면서, 탄소섬유 사이에 존재하는 수지 매트릭스가 너무 두껍거나 얇게 형성되어 하중을 고르게 분산시키지 못하여 복합재료의 파단이 발생된다. In general, in fiber-reinforced composite materials, the interfacial properties between the reinforcing fibers and the polymer matrix play a very important role in the flexural strength and flexural modulus of the composite material. In the T-type and MT-type carbon fiber/PA6 composite materials, there were carbon fiber bundles that did not form an interfacial bond with the resin. The carbon fiber regions not impregnated with these resins act as voids and defects, and a stress concentration region is formed to lower the flexural strength and flexural modulus of the composite material. In addition, the carbon fibers are not well dispersed in the resin matrix, and the resin matrix existing between the carbon fibers is formed too thick or thin, so that the load cannot be evenly distributed, resulting in fracture of the composite material.

반면, I-type과 MI-type 탄소섬유/PA6 복합재료에서는 수지 매트릭스 사이에 탄소섬유들이 고르게 분포되어 외부에서 가해진 하중이 이웃하는 탄소섬유와 매트릭스에 효과적으로 전달되고 하중이 분산되면서 복합재료의 굴곡강도와 굴곡탄성률이 향상되었다. On the other hand, in the I-type and MI-type carbon fiber/PA6 composite materials, the carbon fibers are evenly distributed between the resin matrix, so that the load applied from the outside is effectively transmitted to the neighboring carbon fibers and matrix, and the load is dispersed, resulting in the flexural strength of the composite material. and flexural modulus were improved.

Claims (5)

LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법에 있어서,
(a) 압출기로부터 용융된 PA6 수지를 수지함침용 다이로 압출하여, 상기 수지함침용 다이 내부를 용융된 PA6 수지로 충전하는 단계;
(b) 상기 용융된 PA6 수지로 이미 충전된 수지함침용 다이의 일단에서 타단으로 탄소섬유를 인발하여, 상기 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 냉각하여 고상의 토우프레그를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법.
In the manufacturing method of the carbon fiber reinforced PA6 composite material by the LFT process,
(a) extruding the molten PA6 resin from the extruder into a resin impregnation die, and filling the inside of the resin impregnation die with the molten PA6 resin;
(b) drawing carbon fibers from one end of a die for resin impregnation already filled with the molten PA6 resin to the other end to prepare a towpreg impregnated with the molten PA6 resin; and
(c) manufacturing a solid towpreg by cooling the towpreg impregnated with the molten PA6 resin;
제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 용융된 PA6 수지가 함침된 토우프레그를 냉각하기 전, 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법.
The method of claim 1,
Before cooling the towpreg impregnated with the molten PA6 resin in step (c), the method for producing a carbon fiber reinforced PA6 composite by the LFT process, characterized in that it further comprises the step of pressing.
제 1 항에 있어서,
상기 수지함침용 다이는 상기 용융된 PA6 수지와 탄소섬유가 수평의 동일 방향으로 함께 이동하며 상기 탄소섬유에 용융된 PA6 수지가 함침되는 크로스헤드-다이(crosshead-die)인 것을 특징으로 하는, LFT 공정에 의한 탄소섬유 강화 PA6 복합재의 제조방법.
The method of claim 1,
The resin impregnation die is a crosshead-die in which the molten PA6 resin and the carbon fiber move together in the same horizontal direction and the carbon fiber is impregnated with the molten PA6 resin, LFT Manufacturing method of carbon fiber reinforced PA6 composite material by the process.
제 1 항 내지 제 3 항 중 선택되는 어느 한 항의 방법으로 제조되는 탄소섬유 강화 PA6 복합재.
A carbon fiber-reinforced PA6 composite material prepared by the method of any one of claims 1 to 3.
제 4 항에 있어서,
상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재는 탄소섬유 및 폴리아미드 6(PA6) 수지를 포함하고, 인장강도가 195 내지 250 MPa이고, 인장탄성률은 8.0 내지 15 GPa 이며, 굴곡강도가 250 내지 300 MPa 이고, 굴곡탄성률이 13 내지 25 GPa 인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 PA6 복합재.
5. The method of claim 4,
The carbon fiber reinforced thermoplastic composite material includes carbon fiber and polyamide 6 (PA6) resin, has a tensile strength of 195 to 250 MPa, a tensile modulus of 8.0 to 15 GPa, a flexural strength of 250 to 300 MPa, and a flexural modulus of elasticity Carbon fiber reinforced PA6 composite, characterized in that the 13 to 25 GPa.
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