KR102470872B1 - Modified carbon fiber/ABS composites and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양이온성 고분자전해질인 폴리에틸렌이민(PEI)로 표면이 기능화된 MWCNT로 코팅한 탄소섬유와, 분쇄탄소섬유(MCF)를 혼입해 개질된 ABS 매트릭스, 이를 적용한 탄소섬유/ABS 복합재료 및 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료는 계면특성 및 기계적 특성, 열적 특성이 향상되는 효과가 있다.The present invention is a carbon fiber coated with MWCNT whose surface is functionalized with polyethyleneimine (PEI), a cationic polyelectrolyte, and an ABS matrix modified by incorporating pulverized carbon fiber (MCF), and carbon fiber/ABS composite material and manufacturing using the same It's about how. The carbon fiber/ABS composite material according to the present invention has an effect of improving interfacial properties, mechanical properties, and thermal properties.
Description
본 발명은 양이온성 고분자전해질인 폴리에틸렌이민(PEI)로 기능화된 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 코팅된 탄소섬유와, 분쇄탄소섬유(MCF)를 혼입해 개질된 ABS 매트릭스, 이를 적용하여 LFT 공정으로 제조한 탄소섬유/ABS 복합재료 및 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to carbon fibers coated with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) functionalized with polyethyleneimine (PEI), a cationic polyelectrolyte; It relates to an ABS matrix modified by incorporating pulverized carbon fiber (MCF), a carbon fiber/ABS composite material manufactured by an LFT process by applying the same, and a manufacturing method.
최근 세계 각국의 환경 및 연비규제 강화로 인해 자동차를 포함한 운송산업에서 경량화는 글로벌 경쟁력을 좌우하는 핵심기술로 부각되고 있다. 또한, 전기자동차, 수소자동차와 같은 친환경 자동차에 대한 수요가 증가함에 따라 자동차 경량화 기술은 더욱 주목을 받고 있다. 그 이유는 친환경 자동차의 배터리와 같은 부품이 매우 무거워서 내연기관차의 중량을 증가시키기 때문이다. 자동차 경량화를 실현하는 가장 효과적인 방법으로 기존의 철강소재를 가벼운 소재로 대체하려는 기술이 큰 관심을 받고 있다. 탄소섬유강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics: CFRP)은 보강재인 탄소섬유와 매트릭스인 고분자수지로 구성된 복합재료를 일컫는다. 탄소섬유는 철에 비해 약 75% 가량 가벼우면서도 비강도와 비탄성률이 7∼10배 우수한 특성을 가지고 있다. 따라서, 고분자수지를 탄소섬유로 보강한 CFRP는 경량화가 필요하면서 높은 성능을 요구하는 부품에 사용하기에 적합하다. Due to the recent strengthening of environmental and fuel efficiency regulations around the world, weight reduction is emerging as a key technology that determines global competitiveness in the transportation industry, including automobiles. In addition, as the demand for eco-friendly vehicles such as electric vehicles and hydrogen vehicles increases, vehicle weight reduction technology is receiving more attention. The reason is that parts such as batteries of eco-friendly vehicles are very heavy, which increases the weight of internal combustion locomotives. As the most effective way to realize vehicle weight reduction, technology to replace existing steel materials with lightweight materials is receiving great attention. Carbon fiber reinforced plastics (CFRP) refers to a composite material composed of carbon fiber as a reinforcing material and a polymer resin as a matrix. Carbon fiber is about 75% lighter than steel and has 7 to 10 times better specific strength and modulus of elasticity. Therefore, CFRP, in which polymer resin is reinforced with carbon fiber, is suitable for use in parts requiring light weight and high performance.
전통적으로, CFRP의 고분자수지로 열경화성 수지를 사용하였지만 열경화성 수지를 적용하는 경우에는 경화반응을 거처야 하기 때문에 성형공정, 제조시간 등 생산적인 측면, 원가절감 및 재활용 측면을 고려하여 열가소성 수지를 매트릭스로 사용하는 탄소섬유강화 열가소성플라스틱(carbon fiber reinforced thermoplastics: CFRTP)이 주목을 받고 있다. 열가소성 수지는 경화반응을 동반하지 않고, 성형공정시간이 매우 짧아 부품의 생산성이 높으며, 내충격성이 우수한 복합재료를 제조하는데 주로 쓰인다.Traditionally, a thermosetting resin has been used as a polymer resin for CFRP, but when applying a thermosetting resin, it must undergo a curing reaction, so a thermoplastic resin is used as a matrix in consideration of productivity aspects such as molding process and manufacturing time, as well as cost reduction and recycling. The use of carbon fiber reinforced thermoplastics (CFRTP) is attracting attention. Thermoplastic resins are mainly used to manufacture composite materials that do not undergo a curing reaction, have a very short molding process time, have high productivity of parts, and have excellent impact resistance.
이에, 한국등록특허공보 제 10-1470803 호(2014.12.08. 공고일)는 열가소성 수지와 탄소섬유를 압착하는 방식으로 제조된 탄소섬유강화 열가소성플라스틱 및 그 제조 방법을 제시한 바 있으나, 압출/사출공정을 통해 제조하였기 때문에, 열가소성 수지의 높은 용융점도로 인해 섬유에 수지의 함침이 어려우며, 섬유-수지 사이의 계면결합력이 낮고, 탄소섬유가 압출공정을 거치면서 손상되므로 고성능을 구현하기 어렵다는 문제점이 있었다.Accordingly, Korean Patent Registration No. 10-1470803 (2014.12.08. Publication date) has proposed a carbon fiber-reinforced thermoplastic produced by compressing a thermoplastic resin and carbon fiber and a method for manufacturing the same, but an extrusion/injection process Since it was manufactured through, it is difficult to impregnate the resin into the fiber due to the high melt viscosity of the thermoplastic resin, the interfacial bonding force between the fiber and the resin is low, and the carbon fiber is damaged during the extrusion process, so it is difficult to implement high performance. There was a problem.
또한, 한국공개특허공보 제 10-2020-0109593 호(2020.09.23. 공개일)는 열가소성 수지 매트릭스 섬유와 고함침성 탄소섬유를 가열 및 가압성형 방식으로 제조된 고함침성 탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱 복합재료 및 그 제조 방법을 제시하여 함침성을 개선하였으나, 섬유의 균일한 분산과 가공의 어려움 등으로 또 다른 문제를 야기할 수 있다.In addition, Korean Patent Publication No. 10-2020-0109593 (published on September 23, 2020) discloses a highly impregnated carbon fiber-reinforced thermoplastic composite material prepared by heating and pressing thermoplastic resin matrix fibers and highly impregnated carbon fibers, and Although the impregnability was improved by suggesting a manufacturing method, other problems may arise due to uniform dispersion of fibers and difficulty in processing.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 장섬유 열가소성 플라스틱(long fiber thermoplastic: LFT) 공정을 통해 탄소섬유강화 열가소성플라스틱(CFRTP)을 구성하는 탄소섬유의 종횡비를 높이고, 탄소기반 소재를 복합재료에 도입하여 탄소섬유와 고분자 매트릭스 사이의 계면 특성 및 기계적 특성, 열적 특성이 우수한 CFRTP를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.The present invention is intended to solve the above problems, and increases the aspect ratio of carbon fibers constituting carbon fiber reinforced thermoplastic (CFRTP) through a long fiber thermoplastic (LFT) process, and composites carbon-based materials. The purpose is to provide CFRTP with excellent interface properties, mechanical properties, and thermal properties between carbon fibers and a polymer matrix by introducing it into materials.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 (a) 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotubes : MWCNT)에 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine : PEI)을 혼합하여 상기 다중벽 탄소나노튜브의 표면이 기능화되는 단계; (b) 기능화된 MWCNT로 탄소섬유를 개질하는 단계; (c) 분쇄탄소섬유(Milled Carbon Fiber : MCF)로 ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지를 개질하는 단계; 및 (d) 상기 (b) 단계에서 개질된 탄소섬유 및 상기 (c) 단계에서 개질된 ABS 수지를 LFT 공정으로 가공하여 탄소섬유/ABS 복합재료를 제조하는 단계;를 포함하는 탄소섬유/ABS 복합재료의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention is (a) mixing polyethyleneimine (PEI) with multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) to the multi-walled carbon nanotubes. Step of functionalizing the surface of; (b) modifying carbon fibers with functionalized MWCNTs; (c) modifying ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) resin with milled carbon fiber (MCF); and (d) preparing a carbon fiber/ABS composite material by processing the carbon fiber modified in step (b) and the ABS resin modified in step (c) through an LFT process. A method for manufacturing the material is provided.
일 실시예에 있어서, 상기 ABS 수지를 개질하기 위한 MCF의 비율은, ABS 수지 100 중량부 대비 0.5 중량부 ~ 30 중량부인 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, the ratio of MCF for modifying the ABS resin may be characterized in that 0.5 parts by weight to 30 parts by weight relative to 100 parts by weight of the ABS resin.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소섬유/ABS 복합재료의 탄소섬유 비율은 탄소섬유/ABS 복합재료 중 20 wt% ~ 40 wt%인 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber ratio of the carbon fiber/ABS composite material may be 20 wt% to 40 wt% of the carbon fiber/ABS composite material.
본 발명의 다른 일례는, 복합재료 성분으로 PEI로 표면이 기능화된 MWCNT탄소섬유와, MCF로 개질된 ABS 수지를 포함하며, 상기 개질된 ABS 수지 100 중량부에 대하여 MCF의 비율이 0.5 중량부 ~ 30 중량부이고, 상기 개질된 탄소섬유/ABS 복합재료의 탄소섬유 비율은 탄소섬유/ABS 복합재료 중 20 wt% ~ 40 wt%인 탄소섬유/ABS 복합재료이다.Another example of the present invention, as a composite material component, includes MWCNT carbon fibers whose surfaces are functionalized with PEI and ABS resin modified with MCF, and the ratio of MCF is 0.5 parts by weight to 100 parts by weight of the modified ABS resin. 30 parts by weight, and the carbon fiber ratio of the modified carbon fiber/ABS composite material is 20 wt% to 40 wt% of the carbon fiber/ABS composite material.
상기 개질된 탄소섬유/ABS 복합재료의 계면 전단 강도(interfacial shear strength: IFSS)는 50 ~ 60 MPa 일 수 있다. Interfacial shear strength (IFSS) of the modified carbon fiber/ABS composite material may be 50 to 60 MPa.
상기 개질된 탄소섬유/ABS 복합재료는 인장강도가 80 ~ 100 MPa, 인장탄성률이 8 ~ 10 GPa 일 수 있으며, 굴곡강도가 130 ~ 140 MPa, 굴곡탄성률이 25 ~ 30 GPa 일 수 있으며, 충격강도가 150 ~ 180 J/m 일 수 있다.The modified carbon fiber / ABS composite material may have a tensile strength of 80 to 100 MPa, a tensile modulus of 8 to 10 GPa, a flexural strength of 130 to 140 MPa, a flexural modulus of 25 to 30 GPa, and an impact strength may be 150 to 180 J/m.
본 발명은 양이온성 고분자전해질인 PEI로 기능화된 MWCNT로 코팅한 탄소섬유와, MCF를 혼입해 개질된 ABS 매트릭스, 이를 적용한 탄소섬유/ABS 복합재료 및 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료는 탄소기반 재료를 복합재료에 도입하여 탄소섬유와 고분자 매트릭스 사이의 계면특성이 향상되는 효과와 더불어 기계적 특성 및 열적 특성이 향상되는 효과가 있다.The present invention relates to carbon fibers coated with MWCNTs functionalized with PEI, a cationic polyelectrolyte, an ABS matrix modified by incorporating MCF, a carbon fiber/ABS composite material using the same, and a method for manufacturing the carbon fibers according to the present invention. /ABS composite material has the effect of improving mechanical properties and thermal properties as well as the effect of improving the interface properties between carbon fiber and polymer matrix by introducing carbon-based materials into the composite material.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 (A) MWCNT의 카르복실화 공정 및 (B) MWCNT를 PEI로 기능화한 후, 탄소섬유를 개질하는 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ABS 수지에 MCF를 개질하는 공정을 나타낸 것이다.
도 3은 탄소섬유와 ABS 수지를 이용하여 single fiber microbonding 공정을 나타낸 것이다.
도 4는 (A) 탄소섬유/ABS LFT 펠렛을 제조하기 위한 LFT 공정 및 (B) 탄소섬유/ABS 토우프레그 공정을 나타낸 것이다.
도 5는 상기 탄소섬유/ABS 복합재료 성형을 위한 사출성형공정을 나타낸 것이다.
도 6은 상기 개질에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료의 계면 전단 강도(IFSS)를 나타낸 것이다.
도 7은 상기 개질에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료의 (A) 인장강도 및 (B) 인장탄성을 나타낸 것이다.
도 8은 neat ABS와 개질에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료의 (A) 굴곡강도 및 (B) 굴곡탄성률을 나타낸 것이며, (C)는 3점 굴곡 표본의 중간면에서 발생하는 압축력과 인장력의 조합을 나타낸 것이다.
도 9는 neat ABS 및 상기 개질에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료의 충격강도를 나타낸 것이다.
도 10은 neat ABS와 상기 개질에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료에 대한 충격시험을 수행한 후, 시편의 파단면을 FE-SEM으로 분석한 이미지이다
도 11은 neat ABS와 상기 개질에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료의 열변형 온도를 나타낸 것이다.1 shows (A) a carboxylation process of MWCNTs and (B) a process of modifying carbon fibers after functionalizing MWCNTs with PEI according to an embodiment of the present invention.
2 shows a process of modifying MCF in an ABS resin according to an embodiment of the present invention.
3 shows a single fiber microbonding process using carbon fiber and ABS resin.
4 shows (A) an LFT process for producing carbon fiber/ABS LFT pellets and (B) a carbon fiber/ABS tow preg process.
5 shows an injection molding process for molding the carbon fiber/ABS composite material.
6 shows the interfacial shear strength (IFSS) of the carbon fiber/ABS composite material according to the modification.
7 shows (A) tensile strength and (B) tensile elasticity of the carbon fiber/ABS composite material according to the modification.
8 shows (A) flexural strength and (B) flexural modulus of carbon fiber/ABS composites according to neat ABS and modification, and (C) is a combination of compressive force and tensile force generated in the middle plane of a three-point flexure specimen. is shown.
9 shows the impact strength of neat ABS and carbon fiber/ABS composites according to the modification.
10 is an image of a fractured surface of a specimen analyzed by FE-SEM after performing an impact test on neat ABS and a carbon fiber/ABS composite material according to the above modification.
11 shows the thermal deflection temperatures of neat ABS and carbon fiber/ABS composites according to the modification.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 one well known and commonly used in the art.
본원 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.When it is said that a certain part "includes" a certain component throughout the present specification, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료 제조의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of manufacturing a carbon fiber/ABS composite material according to the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. .
본 발명은 일 관점에서, (a) 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)에 폴리에틸렌이민(PEI)을 혼합하여 상기 다중벽 탄소나노튜브의 표면이 기능화되는 단계; (b) 기능화된 MWCNT로 탄소섬유를 개질하는 단계; (c) 분쇄탄소섬유(MCF)로 ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지를 개질하는 단계; 및 (d) 상기 (b) 단계에서 개질된 탄소섬유 및 상기 (c) 단계에서 개질된 ABS 수지를 LFT 공정으로 가공하여 탄소섬유/ABS 복합재료를 제조하는 단계;를 포함하는 탄소섬유/ABS 복합재료의 제조방법을 제공한다.In one aspect, the present invention includes: (a) mixing polyethyleneimine (PEI) with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) to functionalize the surface of the multi-walled carbon nanotubes; (b) modifying carbon fibers with functionalized MWCNTs; (c) modifying ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) resin with pulverized carbon fiber (MCF); and (d) preparing a carbon fiber/ABS composite material by processing the carbon fiber modified in step (b) and the ABS resin modified in step (c) through an LFT process. A method for manufacturing the material is provided.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (a) 단계는 MWCNT의 분산도를 극대화하고 탄소섬유와 MWCNT 사이에 화학적 결합을 형성하기 위한 단계로서, 황산과 질산 혼합용액을 사용하여 MWCNT에 관능기를 부착하는 카르복실화 공정을 수행 후, 카르복실화된 MWCNT를 PEI로 기능화하여 균일하게 분산될 수 있도록 한다. According to one embodiment of the present invention, step (a) is a step for maximizing the dispersion of MWCNTs and forming a chemical bond between carbon fibers and MWCNTs, and attaching functional groups to MWCNTs using a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid. After performing the carboxylation process to perform, the carboxylated MWCNTs are functionalized with PEI so that they can be uniformly dispersed.
상기 카르복실화 과정을 통해 MWCNT의 표면에 카르복실기(-COOH)를 가지게 되는데, 수용액상에서 카르복실기는 COO-와 H+로 해리되고 PEI는 NH3+로 해리된다. 따라서, COO-와 NH3+ 사이에 물이 빠지면서 일어나는 축합반응을 통해 공유결합이 일어나면서 아마이드결합이 형성된다. MWCNT 표면의 카보닐기(>C=O)의 산소와 PEI의 2차 아민 사이의 전기음성도의 차이로 인해 수소결합이 형성될 수도 있다. 양이온성 고분자전해질인 PEI로 기능화된 MWCNT는 양전하를 띤다. MWCNT 사이에는 서로 (+,+)반발력이 작용하여 MWCNT가 응집되지 않고 균일하게 분산될 수 있다.Through the carboxylation process, a carboxyl group (-COOH) is formed on the surface of the MWCNT. In an aqueous solution, the carboxyl group dissociates into COO - and H + , and PEI dissociates into NH 3+ . Therefore, an amide bond is formed as a covalent bond occurs through a condensation reaction that occurs when water is lost between COO - and NH 3+ . A hydrogen bond may be formed due to the difference in electronegativity between the oxygen of the carbonyl group (>C=O) of the MWCNT surface and the secondary amine of PEI. MWCNTs functionalized with PEI, a cationic polyelectrolyte, are positively charged. MWCNTs can be uniformly dispersed without aggregation due to mutual (+,+) repulsive forces acting between the MWCNTs.
상기 폴리에틸렌이민의 중량평균분자량(Mw)은 200 ~ 30,000이고, 바람직하게는 200 ~ 25,000이고, 더욱 바람직하게는 200 ~ 1,500이다. 또한, 수평균분자량(Mn)은 200 ~ 12,000이고, 바람직하게는 200 ~ 10,000이며, 더욱 바람직하게는 200 ~ 1,400이다. 상기 폴리에틸렌이민의 Mw 및 Mn이 각각 30,000 및 12,000을 초과하는 경우에는 PEI와 MWCNT의 응집체가 형성되어 탄소섬유 표면에 코팅이 되지 않을 수 있고, 본 발명에 따른 복합소재의 계면결합력을 약화시킬 수 있다.The weight average molecular weight (Mw) of the polyethyleneimine is 200 to 30,000, preferably 200 to 25,000, more preferably 200 to 1,500. In addition, the number average molecular weight (Mn) is 200 to 12,000, preferably 200 to 10,000, more preferably 200 to 1,400. When the Mw and Mn of the polyethyleneimine are greater than 30,000 and 12,000, respectively, aggregates of PEI and MWCNTs may not be coated on the surface of the carbon fibers, and the interfacial bonding force of the composite material according to the present invention may be weakened. .
본 발명의 상기 (b) 단계는 기능화된 MWCNT를 탄소섬유에 코팅하여 개질하는 단계로서, 상기 PEI로 기능화된 MWCNT 용액에 탄소섬유 토우를 침지시켜 탄소섬유를 개질한다.The step (b) of the present invention is a step of coating and modifying the functionalized MWCNTs on the carbon fiber, and the carbon fiber tow is immersed in the PEI-functionalized MWCNT solution to modify the carbon fiber.
상기 기능화된 MWCNT로 개질한 탄소섬유는 MWCNT의 코팅 영향으로 인해 표면이 거칠게 나타나지만, PEI 처리로 인해 탄소 섬유의 표면에서 뭉침이 거의 존재하지 않고, 탄소섬유 전반에 걸쳐 균일한 분산과 코팅이 이루어질 수 있다.The carbon fiber modified with the functionalized MWCNT has a rough surface due to the coating effect of the MWCNT, but due to the PEI treatment, there is almost no aggregation on the surface of the carbon fiber, and uniform dispersion and coating can be achieved throughout the carbon fiber have.
본 발명의 상기 (c) 단계는 MCF를 이용하여 ABS 수지를 개질하는 단계로서, MCF와 ABS 수지의 수분을 제거하기 위해 환류오븐에서 건조 후 압출공정 수행하며, 그 다음 약 3 mm로 펠렛화 하는 것을 특징으로 한다.The step (c) of the present invention is a step of modifying the ABS resin using MCF, and in order to remove moisture from the MCF and ABS resin, an extrusion process is performed after drying in a reflux oven, and then pelletized to about 3 mm characterized by
상기 ABS 수지를 개질하기 위한 MCF의 비율은, ABS 수지 100중량부 대비 0.5 중량부 ~ 30 중량부이다. 만일, 상기 MCF의 함량이 0.5 중량부 미만일 경우, 매트릭스 외부에서 복합재료에 가해지는 하중이 탄소섬유에 그대로 전달되거나 크랙이 생겨, 인성(toughness) 또한 감소한다. 상기 MCF의 함량이 30 중량부 초과일 경우, 과잉의 MCF로 인해 과도한 크랙의 발생으로 복합재료의 강도를 저하시킬 수 있다.The ratio of MCF for modifying the ABS resin is 0.5 parts by weight to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the ABS resin. If the content of the MCF is less than 0.5 parts by weight, the load applied to the composite material from the outside of the matrix is transferred to the carbon fiber as it is or cracks occur, and thus the toughness is also reduced. When the content of the MCF exceeds 30 parts by weight, the strength of the composite material may be reduced due to excessive cracking due to the excessive MCF.
상기 ABS 수지 개질에 이용되는 MCF는 MWCNT에 비해 고분자수지에 분산이 용이하고, 섬유 형상으로 비교적 높은 종횡비를 가지고 있다. ABS 매트릭스 내에서 MCF는 다양한 섬유길이분포를 가지고, 무질서한 배향으로 분산되기 때문에, 하중이 가해졌을 때 MCF가 장애물질로 작용하여 크랙 굴절(crack deflection)이 생김과 동시에 에너지를 흡수 및 손실이 발생된다. 따라서, 탄소섬유/ABS 복합재료에 MCF를 도입하면 복합재료에 가해지는 하중을 효과적으로 전달하고, 에너지흡수를 높여 기계적 특성, 충격특성 및 열적 특성을 증가시키는데 기여할 수 있다.The MCF used for modifying the ABS resin is easier to disperse in the polymer resin than MWCNT, and has a relatively high aspect ratio in a fibrous shape. MCF in the ABS matrix has various fiber length distributions and is distributed in a disorderly orientation, so when a load is applied, the MCF acts as an obstacle, resulting in crack deflection and energy absorption and loss. . Therefore, when MCF is introduced into the carbon fiber/ABS composite material, the load applied to the composite material can be effectively transmitted, and energy absorption can be increased to contribute to increasing mechanical properties, impact properties, and thermal properties.
또한 상기 (d) 단계는 개질된 탄소섬유와 개질된 ABS 수지를 이용하여 탄소섬유/ABS 복합재료를 제조하는 단계로서, LFT 공정 과정을 통해 연속섬유 형태의 탄소섬유 토우가 용융되어 압출된 ABS 수지와 교차하면서 토우에 수지가 함침시켜 탄소섬유/ABS 토우프레그(towpreg)를 제조한다. 그 다음, 토우프레그는 펠렛타이저를 통해 평균 12 mm 길이의 LFT 펠렛을 제조한다.In addition, the step (d) is a step of manufacturing a carbon fiber/ABS composite material using modified carbon fiber and modified ABS resin, and ABS resin in which carbon fiber tow in the form of continuous fiber is melted and extruded through the LFT process. While intersecting with the resin, the tow is impregnated to produce a carbon fiber/ABS towpreg. Then, the toupreg produces LFT pellets with an average length of 12 mm through a pelletizer.
상기 LFT 기술 기반 복합재료는 보강섬유의 종횡비가 임계 종횡비보다 큰 장섬유와 열가소성 고분자매트릭스로 구성된 복합재료이기 때문에, 우수한 기계적 특성 및 가공 용이성, 재활용성, 내충격성 등을 가지고 있다.Since the LFT technology-based composite material is a composite material composed of long fibers and a thermoplastic polymer matrix with a reinforcing fiber aspect ratio greater than a critical aspect ratio, it has excellent mechanical properties, ease of processing, recyclability, and impact resistance.
상기 탄소섬유/ABS 복합재료의 탄소섬유 비율은 탄소섬유/ABS 복합재료 중 20 wt% ~ 40 wt%이며, 바람직하게는 25 wt% ~ 35 wt%이다. 본 발명에서 높은 탄소섬유의 함량은 열변형에 대한 저항성을 증가시켜주는데, 만약 상기 탄소섬유 비율이 20 wt% 미만일 경우, 열변형에 대한 저항성이 크게 감소한다. 반면, 상기 탄소섬유의 비율이 40 wt%를 초과할 경우, 비교적 점도가 높은 ABS 수지와 함께 MWCNT로 개질한 탄소섬유 토우를 사용했을 때 형성된 MWCNT bridge가 과도하게 형성되어 탄소섬유 필라멘트 사이사이의 함침을 어렵게 하여, 복합재료의 기계적 특성이 저하될 수 있다.The carbon fiber ratio of the carbon fiber/ABS composite material is 20 wt% to 40 wt%, preferably 25 wt% to 35 wt%, of the carbon fiber/ABS composite material. In the present invention, the high carbon fiber content increases the resistance to thermal deformation, but if the carbon fiber ratio is less than 20 wt%, the resistance to thermal deformation is greatly reduced. On the other hand, when the ratio of the carbon fiber exceeds 40 wt%, the MWCNT bridge formed when the carbon fiber tow modified with MWCNT is used together with the ABS resin having a relatively high viscosity is excessively formed, resulting in impregnation between the carbon fiber filaments. making it difficult, the mechanical properties of the composite material may deteriorate.
본 발명의 다른 일례는, 복합재 성분으로 PEI로 표면이 기능화된 MWCNT로 개질된 탄소섬유와, MCF로 개질된 ABS 수지를 포함하며, 상기 개질된 ABS 수지 100중량부 대비 0.5 중량부 ~ 30 중량부이고, 상기 탄소섬유/ABS 복합재료의 탄소섬유 비율은 탄소섬유/ABS 복합재료 중 20 wt% ~ 40 wt%인 탄소섬유/ABS 복합재료이다.Another example of the present invention includes, as a composite component, carbon fiber modified with MWCNT whose surface is functionalized with PEI, and an ABS resin modified with MCF, in an amount of 0.5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the modified ABS resin. And, the carbon fiber ratio of the carbon fiber / ABS composite material is 20 wt% to 40 wt% of the carbon fiber / ABS composite material.
또한, 본 발명의 탄소섬유/ABS 복합재료는 탄소기반 소재인 MWCNT와 MCF를 복합재료에 도입하여 탄소섬유와 고분자 매트릭스 사이의 계면 특성을 향상시키고 매트릭스의 기계적 강도를 강화할 수 있다.In addition, the carbon fiber/ABS composite material of the present invention can improve the interface properties between the carbon fiber and the polymer matrix and enhance the mechanical strength of the matrix by introducing carbon-based materials, MWCNT and MCF, into the composite material.
구체적으로 상기 개질된 탄소섬유/ABS 복합재료는 계면 전단 강도(IFSS)가 50 ~ 60 MPa, 인장강도는 80 ~ 100 MPa, 인장탄성률이 8 ~ 10 GPa, 굴곡강도가 130 ~ 140 MPa, 굴곡탄성률이 25 ~ 30 GPa이며, 충격강도가 150 ~ 180 J/m로서 계면 특성 및 기계적 특성, 열적 특성이 모두 우수하였다.Specifically, the modified carbon fiber/ABS composite material has an interfacial shear strength (IFSS) of 50 to 60 MPa, a tensile strength of 80 to 100 MPa, a tensile modulus of 8 to 10 GPa, a flexural strength of 130 to 140 MPa, and a flexural modulus. It was 25 ~ 30 GPa, and the impact strength was 150 ~ 180 J/m, and the interface properties, mechanical properties, and thermal properties were all excellent.
이하, 본 발명의 보다 구체적인 설명을 위하여 실시예를 들어 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples will be described for more specific explanation of the present invention. However, the following examples are only preferred examples of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1><Example 1>
1. 재료1. Materials
(주)도레이첨단소재(대한민국)에서 제조한 PAN계 탄소섬유(carbon fiber, 12K, T700 등급)를 복합재료의 보강재로 사용하였다. 탄소섬유의 표면은 상업용 에폭시로 사이징(commercial epoxy-sizing)된 것이다. LFT 공정에 사용된 탄소섬유는 보빈(bobbin)에 감겨진 연속섬유 형태로 제공받았다. 제조사로부터 제공된 정보에 의하면, 탄소섬유의 밀도(density)는 1.8 g/cm3, 단위길이당 질량(mass per unit length, tex)은 800 g/1000m, 인장강도(tensile strength)는 약 4,900 MPa, 인장탄성률(tensile modulus)은 약 230 GPa이다.PAN-based carbon fiber (12K, T700 grade) manufactured by Toray Advanced Materials Co., Ltd. (Korea) was used as a reinforcing material for the composite material. The surface of the carbon fiber is commercial epoxy-sizing. The carbon fibers used in the LFT process were provided in the form of continuous fibers wound on bobbins. According to the information provided by the manufacturer, the density of carbon fiber is 1.8 g/cm 3 , the mass per unit length (tex) is 800 g/1000m, the tensile strength is about 4,900 MPa, The tensile modulus is about 230 GPa.
탄소섬유 표면개질에 사용된 MWCNT(K-Nanos 100P)는 다발 형태이며 (주)금호석유화학(대한민국)에서 제조하였다. 제조사로부터 제공된 정보에 의하면, MWCNT의 직경(diameter)은 10∼15 nm, 다발 길이(bundle length)는 10∼50 μm, 벌크밀도(bulk density)는 0.02∼0.04 g/mL이다. MWCNTs (K-Nanos 100P) used for surface modification of carbon fibers are bundled and manufactured by Kumho Petrochemical Co., Ltd. (Korea). According to information provided by the manufacturer, MWCNTs have a diameter of 10 to 15 nm, a bundle length of 10 to 50 μm, and a bulk density of 0.02 to 0.04 g/mL.
MWCNT의 기능화에 사용된 PEI(branch type, MW∼1,300)는 Sigma-Aldrich Co., Ltd.(미국)으로부터 구입한 것이다. PEI는 공유결합 및 수소결합을 형성할 수 있는 아민그룹을 가지고 있는 양이온성 고분자전해질(polyelectrolyte)이며, 물에서 해리될 때 양(+)전하를 띤다.PEI (branch type, MW∼1,300) used for functionalization of MWCNTs was purchased from Sigma-Aldrich Co., Ltd. (USA). PEI is a cationic polyelectrolyte with an amine group capable of forming covalent and hydrogen bonds, and has a positive (+) charge when dissociated in water.
탄소섬유강화 복합재료의 고분자매트릭스로는 (주)금호석유화학(대한민국)에서 제조한 ABS 수지(ABS-780F 모델)를 사용하였다. ABS 수지는 안료로 카본블랙이 함유되어 있기 때문에 검정색의 펠렛(pellet) 형태를 보이고 있다. 제조사의 정보에 따르면, ABS 수지에 함유된 acrylonitrile, butadiene 및 styrene에 대한 정확한 함량별 성분비는 공개되지 않았으나, 각각 약 20∼30%, 15∼25%, 55∼65% 범위의 함량비를 갖는 것으로 알려져 있다. ABS 수지의 밀도는 1.04 g/cm3, 용융흐름지수(melt flow index: MFI, 220℃, 10 kg)는 65 g/10min이다. ABS-780F 모델은 (주)금호석유화학의 상용화된 다른 ABS 모델보다 MFI값이 약 85%가량 개선되어 상대적으로 유동성이 높은 수지이다.ABS resin (ABS-780F model) manufactured by Kumho Petrochemical (Korea) was used as the polymer matrix of the carbon fiber reinforced composite material. Since ABS resin contains carbon black as a pigment, it shows a black pellet form. According to the manufacturer's information, the exact composition ratio for each content of acrylonitrile, butadiene, and styrene contained in ABS resin has not been disclosed, but it is believed to have a content ratio in the range of about 20 to 30%, 15 to 25%, and 55 to 65%, respectively. It is known. The density of the ABS resin is 1.04 g/cm 3 , and the melt flow index (MFI, 220° C., 10 kg) is 65 g/10min. ABS-780F model is a resin with relatively high fluidity, with an MFI value improved by about 85% compared to other commercially available ABS models of Kumho Petrochemical Co., Ltd.
ABS 수지의 개질에 사용된 재활용 PAN계 탄소섬유를 분쇄한 MCF는 ZOLTEK Co., Ltd(미국)에서 제조한 것이다. MCF는 육안으로는 분말처럼 보이지만, 현미경상에서는 섬유 형상으로 비교적 높은 종횡비를 가지고 있다. 제조사로부터 제공된 정보에 의하면, MCF의 직경은 7.2 μm, 평균 섬유길이는 100 μm, 평균 종횡비는 약 14, 밀도는 1.81 g/mL이다. 탄소섬유와 ABS 수지는 사용하기 전에 80℃로 설정된 환류오븐에서 12시간 동안 건조하였다.MCF obtained by pulverizing recycled PAN-based carbon fibers used for modification of ABS resin was manufactured by ZOLTEK Co., Ltd (USA). MCF looks powdery to the naked eye, but has a relatively high aspect ratio in the form of fibers under a microscope. According to the information provided by the manufacturer, the MCF has a diameter of 7.2 μm, an average fiber length of 100 μm, an average aspect ratio of about 14, and a density of 1.81 g/mL. Carbon fiber and ABS resin were dried for 12 hours in a reflux oven set at 80 °C before use.
2. 제조2. Manufacturing
(1) PEI로 기능화된 MWCNT를 이용한 탄소섬유의 개질(1) Modification of carbon fiber using MWCNTs functionalized with PEI
PEI로 기능화된 MWCNT를 이용한 탄소섬유의 개질은 MWCNT의 카르복실화 과정(도 1(A))과 카르복실화된 MWCNT를 PEI로 기능화한 후, 탄소섬유를 개질하는 과정(도 1(B))으로 나누어 진행하였다.Modification of carbon fibers using MWCNTs functionalized with PEI is a process of carboxylating MWCNTs (Fig. 1(A)) and modifying carbon fibers after functionalizing carboxylated MWCNTs with PEI (Fig. 1(B)). ) was divided into
둥근바닥 플라스크에 MWCNT 0.24 g과 8 M H2SO4/HNO3(v/v, 3/1) 혼합용액 400 mL를 넣고, 교반가열기(hot plate & magnetic stirrer)를 사용하여 70℃에서 물중탕을 통해 650 rpm으로 40분 동안 혼합한다. 다음으로, 혼합물은 배스형 초음파기(bath-type sonicator, Power sonic 510, 미국)를 사용하여 2시간 동안 300 W, 40 kHz의 조건에서 초음파처리를 통해 분산시킨 후, pH시험지가 중성을 나타낼 때까지 증류수로 충분히 세척하였다.Put 0.24 g of MWCNT and 400 mL of a mixed solution of 8 MH 2 SO 4 /HNO 3 (v/v, 3/1) in a round bottom flask, and heat in a water bath at 70 °C using a hot plate & magnetic stirrer. Mix for 40 minutes at 650 rpm. Next, the mixture was dispersed through sonication under conditions of 300 W and 40 kHz for 2 hours using a bath-type sonicator (Power sonic 510, USA), and then until the pH test paper showed neutrality. Wash thoroughly with distilled water.
상기 MWCNT의 카르복실화 공정 후, 비이커에 카르복실화된 MWCNT 0.24g(0.07 wt%), PEI 0.048 g(0.014 wt%), NaCl 0.34 g(0.1 wt%), 증류수 343 g을 넣고, 자기교기(magnetic stirrer)를 사용하여 상온에서 150 rpm으로 30분 동안 혼합하였다. 각 물질의 함량은 증류수 중량 대비 함량을 나타낸다. 다음으로, 혼합물은 탐침형 초음파기(probe-type sonicator, VC-505, SONICS, 미국)를 사용하여 2시간 동안 150 W, 20 kHz의 조건에서 초음파처리를 한 후, 반응하지 못한 PEI 및 NaCl를 제거하기 위해 감압기를 사용하여 증류수로 세척하였다. 343 mL의 증류수에 여과된 MWCNT를 넣어서 탐침형 초음파기로 15분 동안 150 W, 20 kHz의 조건에서 초음파처리하여 MWCNT를 다시 분산하였다. 세척 및 재분산 과정은 3회 반복하였다. 세척된 MWCNT는 탐침형 초음파기를 통해 1시간 동안 150 W, 20 kHz 조건에서 초음파처리하여 0.1 mM NaCl 수용액에 분산하였다. PEI로 기능화된 MWCNT 용액에 탄소섬유 토우를 정적인 상태로 5분 동안 침지시킨 후, 80℃로 설정된 환류오븐에서 12시간 동안 건조하였다.After the carboxylation process of the MWCNTs, 0.24 g (0.07 wt%) of the carboxylated MWCNTs, 0.048 g (0.014 wt%) of PEI, 0.34 g (0.1 wt%) of NaCl, and 343 g of distilled water were added to a beaker, followed by a magnetic stirrer. (magnetic stirrer) was used to mix at room temperature at 150 rpm for 30 minutes. The content of each substance represents the content relative to the weight of distilled water. Next, the mixture was sonicated at 150 W and 20 kHz for 2 hours using a probe-type sonicator (VC-505, SONICS, USA), and then unreacted PEI and NaCl were removed. To do so, it was washed with distilled water using a pressure reducer. MWCNTs were dispersed again by putting filtered MWCNTs in 343 mL of distilled water and sonicating with a probe sonicator at 150 W and 20 kHz for 15 minutes. The washing and redispersing process was repeated three times. The washed MWCNTs were sonicated at 150 W and 20 kHz for 1 hour using a probe-type sonicator and dispersed in 0.1 mM NaCl aqueous solution. After the carbon fiber tow was immersed in the MWCNT solution functionalized with PEI for 5 minutes in a static state, it was dried in a reflux oven set at 80 ° C. for 12 hours.
상기 탄소섬유에 코팅된 MWCNT의 함량은 탄소섬유 대비 0.20 wt%이었으며, 식(1)을 사용하여 구하였다.The content of MWCNTs coated on the carbon fibers was 0.20 wt% compared to the carbon fibers, and was obtained using Equation (1).
(1) (One)
여기서, 는 탄소섬유에 코팅된 PEI로 기능화된 MWCNT의 함량, 는 PEI로 기능화된 MWCNT가 코팅된 탄소섬유의 질량, 는 pristine 탄소섬유의 질량이다.here, is the content of MWCNTs functionalized with PEI coated on carbon fibers, is the mass of carbon fibers coated with MWCNTs functionalized with PEI, is the mass of the pristine carbon fiber.
이에 따라, 최종적으로 PEI로 표면이 기능화된 MWCNT가 코팅된 탄소섬유를 준비하였다. Accordingly, carbon fibers coated with MWCNTs whose surfaces were finally functionalized with PEI were prepared.
(2) MCF를 이용한 ABS 매트릭스의 개질(2) Modification of ABS matrix using MCF
MCF와 ABS 수지에 존재할 수 있는 수분을 제거하기 위해 80℃로 설정된 환류오븐에서 MCF와 ABS 수지를 각각 12시간 동안 건조하였다. MCF 함량은 ABS 수지 대비 1 wt%로 고정하였다. MCF의 균일한 분산과 혼합을 위해 수동으로 충분히 프리믹싱(pre-mixing)하여 호퍼를 통해 MCF를 공급하였다. 다음으로, 컴파운딩(compounding)된 압출물(extrudate)은 압출기 다이(die)를 통해 나오고 수조(water bath)에서 냉각된 후, 펠렛타이저(pelletizer)를 통해 약 3 mm 길이로 펠렛화하여 MCF로 개질한 ABS 펠렛을 준비하였다. 이 과정은 도 2에 나타내었으며, 연구에 필요한 양의 펠렛이 얻어질 때까지 반복적으로 수행되었다.In order to remove moisture that may exist in the MCF and ABS resin, the MCF and ABS resin were dried in a reflux oven set at 80 ° C for 12 hours, respectively. The MCF content was fixed at 1 wt% compared to the ABS resin. For uniform dispersion and mixing of MCF, MCF was supplied through a hopper after sufficiently pre-mixing manually. Next, the compounded extrudate comes out through an extruder die, is cooled in a water bath, and then pelletized to a length of about 3 mm through a pelletizer to MCF ABS pellets modified with were prepared. This process is shown in Figure 2, and was performed repeatedly until the required amount of pellets for the study was obtained.
(3) 탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질한 ABS microdroplet 제조(3) Manufacture of ABS microdroplets by modifying both carbon fiber and matrix
280℃로 설정한 인두기(iron)를 ABS 펠렛 표면에 위치시킨 후, 용융된 ABS 펠렛을 빠르게 잡아당기며 냉각하여 섬유 형상의 ABS 필라멘트를 제조하였다. ABS 필라멘트를 종이 프레임에 고정된 탄소섬유 필라멘트 중앙에 접촉하여 240℃로 설정한 인두기로 용융시키며 탄소섬유 필라멘트를 감쌀 수 있게 탄소섬유를 돌리면서 냉각시켜 ABS microdroplet을 형성하였다. 상기 개질한 ABS microdroplet 제조 공정은 도 3에 나타내었다.After placing an iron set at 280 ° C. on the surface of the ABS pellets, the molten ABS pellets were rapidly pulled and cooled to prepare fiber-shaped ABS filaments. The ABS filament was brought into contact with the center of the carbon fiber filament fixed to the paper frame, melted with an iron set at 240 ° C, and then cooled while turning the carbon fiber to wrap the carbon fiber filament, thereby forming ABS microdroplets. The modified ABS microdroplet manufacturing process is shown in FIG. 3 .
(4) 탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질한 탄소섬유/ABS LFT 펠렛의 제조(4) Manufacture of carbon fiber/ABS LFT pellets with both carbon fiber and matrix modified
탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질한 탄소섬유/ABS LFT 펠렛을 제조하기 위해서 LFT 공정을 수행하였으며, LFT 공정 과정은 도 4(A)에 나타내었다. Creel rack에 걸린 연속섬유 형태의 탄소섬유 토우(12k) 1개는 토우를 펼쳐주는 가이드(guide)를 거쳐 인발기에 의해 cross-die를 통과하고, 용융되어 압출된 ABS 수지는 cross-die 내부에서 섬유를 끌어당기는 방향으로 나오는 탄소섬유 토우와 교차하면서 토우에 수지가 함침되게 하는 방법으로 탄소섬유/ABS 토우프레그(towpreg)를 제조하였다.The LFT process was performed to produce carbon fiber/ABS LFT pellets in which both the carbon fiber and the matrix were modified, and the LFT process is shown in FIG. 4(A). One carbon fiber tow (12k) in the form of continuous fibers caught on a creel rack goes through a guide that spreads the tow and passes through a cross-die by a drawing machine. A carbon fiber/ABS towpreg was prepared by intersecting with the carbon fiber tow coming out in the pulling direction and impregnating the tow with resin.
도 4(B)는 LFT 토우프레그 과정을 나타낸 것으로, 상기 탄소섬유를 용융수지와 수평방향으로 함침시켰다. 토우프레그가 냉각되기 전, ABS 수지가 다소 유연한 상태에서 rolling guide를 통해 토우프레그를 가볍게 눌러주면서 탄소섬유 필라멘트 사이로 수지가 침투되도록 유도하여 수지함침 정도를 개선하였다. 탄소섬유/ABS 토우프레그는 냉각팬(cooling fan)을 통해 냉각되고, 탄소섬유/ABS 토우프레그가 서로 얽히는 것을 방지하기 위해 즉시 보빈에 감았다. 탄소섬유/ABS 토우프레그는 펠렛타이저(tailor-made pelletizer, ACE C&TECH, 대한민국)를 통해 평균 12 mm 길이의 LFT 펠렛을 제조하였다.4(B) shows the LFT tow prep process, in which the carbon fiber is impregnated with the molten resin in a horizontal direction. Before the toe prep is cooled down, while the ABS resin is in a somewhat flexible state, the toe prep is lightly pressed through the rolling guide to induce the resin to permeate between the carbon fiber filaments, thereby improving the resin impregnation level. The carbon fiber/ABS towpreg was cooled by a cooling fan and immediately wound onto a bobbin to prevent the carbon fiber/ABS towpreg from tangling together. LFT pellets with an average length of 12 mm were prepared from the carbon fiber/ABS toupreg using a tailor-made pelletizer (ACE C&TECH, Korea).
상기 LFT 장비는 ABS 수지의 용융 및 컴파운딩을 위한 압출기와 탄소섬유를 연속적으로 공급하고 끌어당기는 인발기(pulling machine)를 조합하여 실험실 규모(lab-scale)로 맞춤 제작되었다. LFT 공정을 위해 스크류 직경이 20 mm, L/D가 30인 단축압출기(single-screw extruder, BAUTEK, 대한민국)를 사용하였다. The LFT equipment was custom-made on a lab-scale by combining an extruder for melting and compounding ABS resin and a pulling machine for continuously supplying and pulling carbon fibers. For the LFT process, a single-screw extruder (BAUTEK, Korea) with a screw diameter of 20 mm and an L/D of 30 was used.
상기 LFT 공정 조건은 표 1에 나타내었다. 가공온도, 스크류의 속도, 인발기의 속도를 제어하여 탄소섬유/ABS 토우프레그의 탄소섬유 함량을 ABS 수지 대비 38 wt%로 고정하였다. 탄소섬유의 함량은 식(2)를 사용하여 구하였다.The LFT process conditions are shown in Table 1. The carbon fiber content of the carbon fiber/ABS toupreg was fixed at 38 wt% compared to the ABS resin by controlling the processing temperature, the speed of the screw, and the speed of the drawing machine. The content of carbon fiber was obtained using equation (2).
(2) (2)
여기서 는 탄소섬유/ABS 토우프레그의 탄소섬유 함량, 는 탄소섬유의 질량, 는 탄소섬유/ABS 토우프레그의 질량이다.here is the carbon fiber content of the carbon fiber/ABS tow preg, is the mass of the carbon fiber, is the mass of the carbon fiber/ABS tow preg.
(5) 탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질한 탄소섬유/ABS 복합재료 성형(5) Molding of carbon fiber/ABS composite material with both carbon fiber and matrix modified
탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질한 탄소섬유/ABS 복합재료를 성형하기 위해 도 5와 같이, 형체력(die clamping force)이 80 ton인 사출성형기(injection molding machine, Model PRO-WD 80, 동신유압, 대한민국)를 사용하여 사출성형공정을 수행하였다. 형체력은 사출공정 시, 사출압(injection pressure)과 보압(holding pressure)에 의해 금형이 열리려고 할 때, 이를 잡아주는 힘이다. 상기 탄소섬유/ABS LFT 펠렛은 80℃로 설정된 환류오븐에서 12시간 동안 건조한 후 사용하였다. 표 2은 상기 발명에서 사용한 사출성형 조건을 나타낸 것이다. In order to mold the carbon fiber/ABS composite material in which both the carbon fiber and the matrix are modified, as shown in FIG. 5, an injection molding machine (Model PRO-WD 80, Dongshin Hydraulics, Korea) with a die clamping force of 80 ton ) was used to perform the injection molding process. The clamping force is the force holding the mold when it is about to open due to injection pressure and holding pressure during the injection process. The carbon fiber / ABS LFT pellets were used after drying for 12 hours in a reflux oven set at 80 ° C. Table 2 shows the injection molding conditions used in the above invention.
<비교예 1 내지 3><Comparative Examples 1 to 3>
(1) 비교예 1(1) Comparative Example 1
실시예 1과 동일한 제조 공정을 적용하되, 개질하지 않은 탄소섬유 및 ABS 수지를 사용하였다.The same manufacturing process as in Example 1 was applied, but unmodified carbon fiber and ABS resin were used.
(2) 비교예 2(2) Comparative Example 2
실시예 1과 동일한 제조 공정을 적용하되, PEI로 기능화된 MWCNT가 코팅된 탄소섬유와, 개질하지 않은 ABS 수지를 사용하였다.The same manufacturing process as in Example 1 was applied, but carbon fibers coated with PEI-functionalized MWCNTs and unmodified ABS resin were used.
(3) 비교예 3(3) Comparative Example 3
실시예 1과 동일한 제조 공정을 적용하되, 개질하지 않은 탄소섬유와, MCF로 개질된 ABS 수지를 사용하였다.The same manufacturing process as in Example 1 was applied, but unmodified carbon fiber and MCF-modified ABS resin were used.
<특성 분석><Characteristic Analysis>
상기 실시예 1과 비교예 1 내지 3의 계면특성 및 기계적 특성, 열적 특성을 비교하였으며, 상기 개질에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료의 종류는 표3에 나타내었다.The interfacial properties, mechanical properties, and thermal properties of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were compared, and the types of carbon fiber/ABS composite materials according to the modification are shown in Table 3.
and
neat ABS resinPristine carbon fiber
and
neat ABS resin
and
neat ABS resinCarbon fiber modified with MWCNT
and
neat ABS resin
and
ABS resin modified with MCFPristine carbon fiber
and
ABS resin modified with MCF
and
ABS resin modified with MCFCarbon fiber modified with MWCNT
and
ABS resin modified with MCF
(1) 계면 특성(1) Interfacial properties
도 6은 개질에 따른 탄소섬유/ABS 복합재료의 계면특성을 분석한 결과로, 계면특성 분석은 상기 ABS mircodroplet이 형성된 탄소섬유 필라멘트의 single fiber microbonding 시험으로 분석하였다.6 shows the result of analyzing the interface characteristics of the carbon fiber/ABS composite material according to the modification. The interface characteristics were analyzed by single fiber microbonding test of the carbon fiber filament on which the ABS mircodroplet was formed.
탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질하지 않은 탄소섬유/ABS 복합재료(UM)는 약 28 MPa의 가장 낮은 IFSS 값을 보여준다. 탄소섬유의 표면이 매끈하고, 탄소섬유 표면에 ABS 수지와 화학적으로 결합할 수 있는 관능기가 거의 존재하지 않아 물리적 결합이나 화학적 결합이 이루어지지 않았기 때문이라고 해석된다. 탄소섬유만 개질한 탄소섬유/ABS 복합재료(FM)는 탄소섬유와 ABS 매트릭스를 모두 개질하지 않은 것에 비해 약 43%가 증가한 40 MPa의 IFSS 값을 보였고, 매트릭스만 개질한 탄소섬유/ABS 복합재료(MM)의 IFSS 값은 약 37 MPa로써, 개질을 하지 않은 것(UM)에 비해 약 29%가 증가하였으나 탄소섬유만 개질한 것(FM)보다 낮은 상승폭을 나타내었다. 이것은 MCF로 개질하지 않은 ABS 수지는 연성(ductility)을 가지기 때문에 전단작용에 의해 쉽게 변형된다. 반면, MCF로 개질한 ABS 수지는 MCF가 전단력에 저항하는 능력을 높여주었기 때문에 IFSS 값이 증가한 것으로 여겨진다. The carbon fiber/ABS composite (UM) in which both the carbon fiber and the matrix are not modified shows the lowest IFSS value of about 28 MPa. It is interpreted that this is because the surface of the carbon fiber is smooth and there is almost no functional group capable of chemically bonding with the ABS resin on the surface of the carbon fiber, so no physical or chemical bonding is made. The carbon fiber/ABS composite (FM) in which only the carbon fiber was modified showed an IFSS value of 40 MPa, which is about 43% higher than that in which both the carbon fiber and the ABS matrix were not modified, and the carbon fiber/ABS composite material in which only the matrix was modified. The IFSS value of (MM) was about 37 MPa, which increased by about 29% compared to that of unmodified (UM), but showed a lower increase than that of carbon fiber only (FM). This is because ABS resin not modified with MCF has ductility, so it is easily deformed by shearing. On the other hand, it is believed that the IFSS value of the ABS resin modified with MCF increased because MCF increased the ability to resist shear force.
탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질한 탄소섬유/ABS 복합재료(DM)는 53.2 MPa의 가장 높은 IFSS 값을 보여주었다. 이는 MWCNT에 의한 섬유-매트릭스 사이의 계면결합력의 개선과 MCF에 의한 하중에 대한 저항성 향상이 조합된 시너지효과에 의한 결과라고 해석된다. MWCNT와 MCF를 통한 탄소섬유와 ABS 매트릭스의 개질은 섬유와 매트릭스 사이의 계면특성 향상에 기여함을 알 수 있다.The carbon fiber/ABS composite (DM) with both carbon fiber and matrix modified showed the highest IFSS value of 53.2 MPa. This is interpreted as the result of the synergistic effect of the combination of the improvement of the interfacial bonding force between the fiber-matrix by MWCNT and the improvement of resistance to load by MCF. It can be seen that the modification of carbon fiber and ABS matrix through MWCNT and MCF contributes to improving the interfacial properties between fiber and matrix.
(2) 기계적 특성(2) mechanical properties
ⅰ) 인장특성i) Tensile properties
도 7은 neat ABS 및 상기 개질에 따른 4 종류의 탄소섬유/ABS 복합재료의 인장강도(도 7(A))와 인장탄성률(도 7(B))을 보여준다. Neat ABS와 탄소섬유/ABS 복합재료에 대한 인장강도와 인장탄성률의 변화 경향은 서로 유사하였다. Neat ABS의 인장강도와 인장탄성률은 각각 약 37 MPa, 약 1.6 GPa로 가장 낮았다. 탄소섬유/ABS 복합재료의 인장특성은 탄소섬유의 보강효과로 인해 크게 증가하였다.7 shows the tensile strength (FIG. 7(A)) and tensile modulus (FIG. 7(B)) of neat ABS and 4 types of carbon fiber/ABS composites according to the modification. The change trends of tensile strength and tensile modulus for Neat ABS and carbon fiber/ABS composites were similar. The tensile strength and tensile modulus of Neat ABS were the lowest at about 37 MPa and about 1.6 GPa, respectively. The tensile properties of carbon fiber/ABS composites were significantly increased due to the reinforcing effect of carbon fiber.
섬유강화 열가소성 복합재료에서 인장강도는 섬유표면의 미세결함 등에 의해 크게 영향을 받고, 인장탄성률은 매트릭스 내의 섬유분포와 배향에 주로 영향을 받는다. 상기 실시예에서 사용된 ABS 수지는 다른 상용화된 ABS 수지보다는 용융흐름지수가 높지만, 다른 통상의 열가소성 고분자에 비해서는 상대적으로 용융점도가 높아 용융흐름지수가 낮다. 따라서, 용융점도가 상대적으로 높은 ABS 수지가 탄소섬유를 함침시키는 과정에서 섬유-수지 사이의 접착이 제대로 이루어지지 않아 틈이 형성되고, 이 틈이 미세결함으로 작용하여 개질하지 않은 복합재료가 탄소섬유/ABS 복합재료 중에서 가장 낮은 인장강도를 보였다.In fiber-reinforced thermoplastic composites, the tensile strength is greatly influenced by microscopic defects on the fiber surface, and the tensile modulus is mainly influenced by the fiber distribution and orientation in the matrix. The ABS resin used in the above embodiment has a higher melt flow index than other commercially available ABS resins, but has a relatively high melt viscosity and a low melt flow index compared to other conventional thermoplastic polymers. Therefore, in the process of impregnating the carbon fiber with the ABS resin having a relatively high melt viscosity, the adhesion between the fiber and the resin is not properly formed, and a gap is formed. / showed the lowest tensile strength among the ABS composite materials.
탄소섬유만 개질한 복합재료(FM)의 인장특성은 개질하지 않은 복합재료(UM)의 인장특성보다 약간 증가하였으나 그 차이가 미미하다. ABS 수지의 낮은 용융점도로 인해 미세결함으로 작용한 섬유와 매트릭스 사이의 틈에 MWCNT가 도입되어 계면결합력을 높여준다. 상기 single fiber microbonding 시험 결과와 달리, 실제 복합재료를 사용한 경우에는 계면결합의 효과가 크게 나타나지 않았다. Single fiber microbonding 시험은 미시적인 관점에서의 계면결합력을 평가하는 시험으로써 탄소섬유 필라멘트를 사용하지만, 실제 복합재료에서는 탄소섬유 토우를 사용한다. 탄소섬유 토우를 MWCNT로 개질할 때 탄소섬유 필라멘트 사이에 MWCNT bridge가 형성되는데, MWCNT bridge가 과하게 형성된 부분은 탄소섬유 필라멘트 사이사이의 함침을 어렵게 하여 인장특성의 향상이 미미한 것으로 여겨진다.The tensile properties of the composite material (FM) modified only with carbon fiber slightly increased compared to that of the unmodified composite material (UM), but the difference was insignificant. Due to the low melt viscosity of the ABS resin, MWCNTs are introduced into the gap between the fibers and the matrix, which acted as micro-defects, to increase the interfacial bonding force. Unlike the single fiber microbonding test results, the effect of interfacial bonding did not appear significantly when the actual composite material was used. The single fiber microbonding test uses carbon fiber filaments as a test to evaluate the interfacial bonding force from a microscopic point of view, but in actual composite materials, carbon fiber tow is used. When carbon fiber tow is modified with MWCNTs, MWCNT bridges are formed between the carbon fiber filaments, and the excessively formed MWCNT bridges make it difficult to impregnate between the carbon fiber filaments, so the improvement in tensile properties is considered to be insignificant.
매트릭스만 개질한 복합재료(MM)의 인장강도는 탄소섬유만 개질한 것보다 약간 더 높은 값을 가진다. 인장강도는 섬유와 매트릭스의 계면특성보다 보강섬유의 고유한 특성에 더 의존적이다. ABS 매트릭스에 혼입된 MCF의 평균길이는 탄소섬유에 비해 매우 짧은 약 100 μm이다. 이는 사출성형기 내에서 스크류와 배럴 사이의 좁은 간격에 의한 손상을 받지 않고, 온전한 MCF의 물성을 발휘할 수 있게 된다. 매트릭스만 개질한 복합재료(MM)의 인장탄성률 증가폭은 인장강도의 증가폭보다 더 높았다. 사출성형 시 복합재료 내에서 탄소섬유와 MCF는 사출압(injection pressure)으로 인해 주로 길이방향으로 섬유의 배향이 이루어진다. 따라서, 길이방향으로의 복합재료의 rigidity가 증가하여 인장탄성률이 높아진 것으로 해석된다.The tensile strength of the composite material (MM) modified only by the matrix has a slightly higher value than that of the modified carbon fiber alone. Tensile strength is more dependent on the intrinsic properties of the reinforcing fibers than on the interfacial properties of the fibers and matrix. The average length of MCF incorporated into the ABS matrix is about 100 μm, which is very short compared to that of carbon fiber. This makes it possible to exhibit intact MCF properties without being damaged by the narrow gap between the screw and the barrel in the injection molding machine. The increase in tensile modulus of the composite material (MM) with only matrix modification was higher than the increase in tensile strength. During injection molding, carbon fibers and MCF in composite materials are oriented mainly in the longitudinal direction due to injection pressure. Therefore, it is interpreted that the rigidity of the composite material in the longitudinal direction is increased and the tensile modulus is increased.
탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질한 복합재료(DM)는 인장강도와 인장탄성률 모두 가장 높은 값을 보여준다. 이는 개질에 사용된 MWCNT와 MCF가 ABS 매트릭스와 물리적으로 결합하여 ABS 수지의 인장하중에 의한 변형을 감소시켜 단단해졌기 때문이라고 해석된다.The composite material (DM), in which both the carbon fiber and the matrix are modified, shows the highest values in both tensile strength and tensile modulus. This is interpreted as the fact that the MWCNTs and MCFs used in the modification were physically bonded to the ABS matrix to reduce the strain caused by the tensile load of the ABS resin and become hard.
ⅱ) 굴곡특성ii) Flexural characteristics
도 8(A) 및 (B)는 neat ABS와 상기 개질에 따른 4 종류의 탄소섬유/ABS 복합재료의 굴곡강도(도 8(A))와 굴곡탄성률(도 8(B))을 보여준다. 전반적으로, 굴곡특성은 인장특성과 유사한 경향을 나타내었다. Neat ABS는 굴곡강도와 굴곡탄성률이 각각 약 50 MPa, 약 2 GPa로 가장 낮다. 탄소섬유/ABS 복합재료의 굴곡특성은 탄소섬유의 보강효과로 현저하게 증가하였다. 도 8(C)에서 보여주는 바와 같이, 시편의 두께방향에 가해지는 굴곡하중에 의한 응력은 시편 중앙의 상단에서 가해지는 압축응력과 시편 하단의 양쪽에서 가해지는 인장응력의 조합에 의해 영향을 받는다. 압축응력과 인장응력으로 인해 시편 내부에 전단력이 발생한다. 따라서 굴곡시험은 섬유강화복합재료의 섬유와 매트릭스의 계면특성 평가에서 인장시험보다 더 중요하다.8(A) and (B) show the flexural strength (FIG. 8(A)) and flexural modulus (FIG. 8(B)) of neat ABS and four types of carbon fiber/ABS composites according to the modification. Overall, flexural properties showed similar trends to tensile properties. Neat ABS has the lowest flexural strength and flexural modulus of about 50 MPa and about 2 GPa, respectively. The flexural properties of the carbon fiber/ABS composite material were remarkably increased by the reinforcing effect of the carbon fiber. As shown in FIG. 8(C), the stress due to the bending load applied in the thickness direction of the specimen is influenced by a combination of compressive stress applied at the top of the center of the specimen and tensile stress applied at both sides of the bottom of the specimen. Shear forces are generated inside the specimen due to compressive and tensile stresses. Therefore, the flexural test is more important than the tensile test in evaluating the interfacial properties of fibers and matrices of fiber-reinforced composites.
탄소섬유와 ABS 매트릭스의 개질은 더 높은 굴곡특성을 야기한다. MWCNT 코팅에 의한 탄소섬유 개질은 탄소섬유 표면의 거칠기를 증가시키고 섬유와 매트릭스 사이의 계면결합력이 증대되어 굴곡강도가 향상된 것으로 판단된다. 탄소섬유와 ABS 수지 사이의 약한 계면에 도입된 MWCNT는 굴곡하중을 지지하여 변형에 대한 저항성을 높여주었다. 매트릭스만 개질한 복합재료의 굴곡특성도 개질하지 않은 것에 비해 향상되었다. 이는 개질에 사용된 MCF가 ABS 매트릭스와 물리적으로 결합하여서 굴곡하중을 보다 효율적으로 탄소섬유에 전달하여 얻어진 결과이다.Modification of the carbon fiber and ABS matrix results in higher flexural properties. It is believed that the carbon fiber modification by the MWCNT coating increases the roughness of the carbon fiber surface and increases the interfacial bonding force between the fiber and the matrix, thereby improving the flexural strength. The MWCNTs introduced into the weak interface between the carbon fiber and the ABS resin supported the bending load and increased the resistance to deformation. The flexural properties of composites with only matrix modification were also improved compared to those without modification. This is the result obtained because the MCF used for modification is physically combined with the ABS matrix to more efficiently transfer the bending load to the carbon fiber.
굴곡시험도 single fiber microbonding 시험과 유사하게 전단작용이 일어나지만, 모델 복합재료의 결과와 달리 실제 복합재료에서는 탄소섬유의 개질보다 매트릭스의 개질의 효과가 더 크게 나타났다. 이는 사출성형에 의한 탄소섬유의 손상에 기인한 결과라고 여겨진다. 사출성형을 거치면 사출성형기의 스크류와 배럴 사이의 전단력에 의해 탄소섬유에 코팅된 MWCNT가 손상을 받기 때문이다. MWCNT 코팅층이 손상된 탄소섬유는 손상되지 않은 탄소섬유에 비해 매트릭스와의 계면결합력이 다소 떨어지기 때문에 계면전단강도와 동일한 경향이 보이지 않은 것으로 판단된다.In the bending test, shear action occurs similarly to the single fiber microbonding test, but unlike the results of the model composite material, the effect of matrix modification was greater than that of carbon fiber modification in the actual composite material. This is believed to be the result of damage to the carbon fiber caused by injection molding. This is because MWCNTs coated on carbon fibers are damaged by the shear force between the screw and the barrel of the injection molding machine during injection molding. Carbon fibers with a damaged MWCNT coating layer do not show the same tendency as the interfacial shear strength because the interfacial bonding force with the matrix is somewhat lower than that of the undamaged carbon fibers.
섬유와 매트릭스 양쪽을 모두 개질한 복합재료는 탄소섬유와 ABS 매트릭스에 각각 MWCNT와 MCF 도입에 의한 시너지효과에 기인하여 굴곡강도는 약 134 MPa, 굴곡탄성률은 약 27 GPa로 가장 높은 값을 나타내었다. 굴곡강도와 굴곡탄성률을 비교하였을 때, 굴곡강도에서 증가폭이 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 굴곡탄성률에 비해 굴곡강도가 계면특성에 더 의존적이라고 여겨진다.The composite material with both fiber and matrix modified showed the highest values of flexural strength of about 134 MPa and flexural modulus of about 27 GPa due to the synergistic effect of introducing MWCNT and MCF into the carbon fiber and ABS matrix, respectively. When comparing flexural strength and flexural modulus, it can be seen that the increase in flexural strength is larger. Through this, it is considered that the flexural strength is more dependent on the interface properties than the flexural modulus.
ⅲ) 충격특성iii) Impact characteristics
도 9는 neat ABS와 상기 개질에 따른 4 종류의 탄소섬유/ABS 복합재료의 충격강도를 보여준다. Neat ABS는 약 283 J/m의 가장 높은 충격강도를 보여준다. 이는 ABS 수지의 구성성분 중 하나인 butadiene의 높은 toughness에 기인한 결과이다. 탄소섬유/ABS 복합재료의 충격강도는 neat ABS의 충격강도에 비해 현저히 감소하였고, 탄소섬유만 개질한 복합재료(FM)의 충격강도는 149 J/m이며, 매트릭스만 개질한 복합재료(MM)의 충격강도는 탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질하지 않은 복합재료의 충격강도보다 11% 가량 증가한 130 J/m이다. 섬유와 매트릭스를 모두 개질한 복합재료의 충격강도는 약 169 J/m로 가장 높다. 탄소섬유에 코팅된 MWCNT 사이에 MCF가 부분적으로 채워지면서 충격강도 증가에 충분히 기여하였다고 여겨진다. 다시 말하면, 복합재료에 가해지는 충격하중에 의한 균열의 이동경로가 MCF에 막히게 되어 다른 방향으로 경로가 이탈되는 과정에서 에너지가 손실되고, 균열 끝부분이 MWCNT와MCF로 두꺼워진 계면층을 뚫지 못 하여 탄소섬유 표면과의 직접 접촉을 방지하였다고 판단된다.9 shows the impact strength of neat ABS and four types of carbon fiber/ABS composites according to the modification. Neat ABS shows the highest impact strength of about 283 J/m. This is a result of the high toughness of butadiene, one of the components of ABS resin. The impact strength of the carbon fiber/ABS composite material was significantly reduced compared to that of neat ABS. The impact strength of the composite material (FM) modified only with carbon fiber was 149 J/m, and the composite material (MM The impact strength of is 130 J/m, which is 11% higher than that of the composite material without modifying both the carbon fiber and the matrix. The impact strength of the composite material with both fiber and matrix modified is the highest at about 169 J/m. It is believed that the partial filling of the MCF between the MWCNTs coated on the carbon fibers contributed sufficiently to the increase in impact strength. In other words, the crack movement path due to the impact load applied to the composite material is blocked by MCF, and energy is lost in the process of escaping the path in the other direction, and the crack tip cannot penetrate the interface layer thickened with MWCNTs and MCF. Therefore, it is judged that direct contact with the carbon fiber surface was prevented.
(3) 복합재료 파단면(3) Composite material fracture surface
도 10은 neat ABS와 상기 개질에 따른 4 종류의 탄소섬유/ABS 복합재료에 대한 충격시험을 수행한 후, 시편의 파단면을 FE-SEM으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다. Neat ABS(도 10(A))는 열가소성 수지의 전형적인 연성파단(ductile fracture)를 보여준다. 섬유강화 복합재료는 파단과정에서 섬유의 풀아웃(pull-out), 섬유의 파단, 섬유와 매트릭스 사이의 탈결합이 발생할 수 있다. 10 shows a photograph of the fracture surface of a specimen observed with FE-SEM after performing an impact test on neat ABS and four types of carbon fiber/ABS composite materials according to the above modification. Neat ABS (Fig. 10(A)) shows typical ductile fracture of thermoplastics. Fiber-reinforced composite materials may cause pull-out of fibers, breakage of fibers, and debonding between fibers and the matrix during the fracture process.
탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질하지 않은 복합재료(도 10(B))의 경우, 탄소섬유의 표면과 섬유가 풀아웃(pull-out)된 부분의 ABS 매트릭스의 표면이 매우 매끈하고 깨끗하다. 이는 섬유와 매트릭스 사이의 계면결합이 매우 약하다는 것을 의미한다. 또한, 탄소섬유와 ABS 매트릭스 사이의 계면결합이 제대로 이루어지지 않아 빈틈이 형성되었음을 관찰할 수 있다. 섬유와 매트릭스 사이의 빈틈은 외부에서 가해지는 충격하중을 탄소섬유로 고르게 전달하는데 효과적이지 않다.In the case of the composite material in which both the carbon fiber and the matrix are not modified (FIG. 10(B)), the surface of the carbon fiber and the surface of the ABS matrix where the fiber is pulled out are very smooth and clean. This means that the interfacial bonding between the fibers and the matrix is very weak. In addition, it can be observed that interfacial bonding between the carbon fibers and the ABS matrix is not properly formed, resulting in gaps. Gaps between the fibers and the matrix are not effective in evenly transferring the externally applied impact load to the carbon fibers.
탄소섬유만 개질한 복합재료(도 10(C))의 파단면을 관찰한 결과, 탄소섬유 표면에 MWCNT에 의해 ABS 수지가 군데군데 묻어있는 것을 관찰할 수 있다. 개질하지 않은 복합재료의 파단면에서 관찰된 섬유와 매트릭스 사이의 빈틈에 MWCNT가 도입되어 섬유-매트릭스 계면결합력을 높여주었다. MWCNT는 충격에너지를 매트릭스에서 탄소섬유로 전달해주는 경로를 제공해줄 수 있다고 여겨진다.As a result of observing the fracture surface of the composite material modified only with carbon fibers (FIG. 10(C)), it can be observed that ABS resin is embedded in places by MWCNTs on the surface of carbon fibers. MWCNTs were introduced into the gaps between the fibers and the matrix observed at the fracture surface of the unmodified composite material to increase the fiber-matrix interfacial bonding strength. It is believed that MWCNTs can provide a pathway for transferring impact energy from the matrix to the carbon fibers.
매트릭스만 개질한 복합재료(도 10(D))의 경우, 개질하지 않은 복합재료와 비슷한 파단면을 보여주지만, 군데군데 MCF를 관찰할 수 있다. MCF는 재활용 탄소섬유를 분쇄하여 제조한 것으로, 표면에 상당한 손상이 보인다. 이러한 손상은 MCF의 표면 거칠기를 증가시켜 ABS 매트릭스와 우수한 계면결합력을 보이며 MCF와 매트릭스 사이의 빈틈이 관찰되지 않는다. 따라서, MCF는 ABS 매트릭스 내에서 하중에 저항하고, 효과적으로 충격에너지를 분산시켰다.In the case of the composite material with only the matrix modified (FIG. 10(D)), a fracture surface similar to that of the unmodified composite material is shown, but MCF can be observed here and there. MCF is manufactured by crushing recycled carbon fiber, and shows significant damage to the surface. This damage increases the surface roughness of the MCF, showing excellent interfacial bonding strength with the ABS matrix, and no gaps between the MCF and the matrix are observed. Therefore, the MCF resisted the load and effectively dissipated the impact energy within the ABS matrix.
섬유와 매트릭스를 모두 개질한 복합재료(도 10(E))의 파단면 사진에서는 탄소섬유의 표면에 ABS 수지가 일정량 묻어있고, MCF가 매트릭스 내에 우수한 계면결합력을 보여주며 분산되어 있는 것을 관찰할 수 있다. 이는 충격에너지가 가해져서 섬유-매트릭스 계면을 따라 균열이 전달될 때, 효과적인 응력전달과 외부하중에 대한 저항력을 제공해준다.In the photograph of the fracture surface of the composite material (FIG. 10(E)) in which both the fiber and the matrix are modified, it can be observed that a certain amount of ABS resin is embedded on the surface of the carbon fiber, and MCF is dispersed in the matrix, showing excellent interfacial bonding strength. have. This provides effective stress transfer and resistance to external loads when impact energy is applied and cracks are propagated along the fiber-matrix interface.
(4) 열적 특성(4) Thermal properties
도 11는 neat ABS와 상기 개질에 따른 4 종류의 탄소섬유/ABS 복합재료의 열변형온도를 통해 향상된 열적 특성을 보여준다. Neat ABS의 열변형온도는 89℃이다. 모든 탄소섬유/ABS 복합재료는 neat ABS보다 약 10 ℃ 가량 높은 열변형온도를 나타낸다. 이는 탄소섬유의 보강효과로 인해 시편의 너비방향으로 가해지는 3점 굴곡하중에 대한 시편의 저항성 향상에 기인한 것으로 판단된다. 탄소섬유는 제조공정에서 이미 고온의 열처리를 거쳤기 때문에 고온의 환경에서도 물성 저하가 적다. 반면에 고분자수지는 탄소섬유에 비해 열적 변화에 매우 민감하다. 본 발명에서 탄소섬유/ABS 복합재료의 탄소섬유 함량은 ABS 매트릭스 대비 38 wt%이다. 열변형온도는 3점 굴곡하중에 의해 0.254 mm의 변형이 일어나는 온도를 측정하는 것이다. 따라서, 높은 탄소섬유의 함량은 열변형에 대한 저항성을 증가시켜준다. 개질하지 않은 복합재료의 열변형온도가 이미 높은 탄소섬유의 함량에 의해 증가되었기 때문에 기계적 특성의 상승 폭에 비해 열적 특성의 상승 폭이 작았다. 11 shows the improved thermal properties through the heat deflection temperatures of neat ABS and four types of carbon fiber/ABS composites according to the above modification. The heat deflection temperature of Neat ABS is 89℃. All carbon fiber/ABS composites exhibit a heat deflection temperature about 10 °C higher than that of neat ABS. This is considered to be due to the improvement of the resistance of the specimen to the three-point bending load applied in the width direction of the specimen due to the reinforcing effect of the carbon fiber. Since carbon fiber has already undergone high-temperature heat treatment in the manufacturing process, there is little deterioration in physical properties even in a high-temperature environment. On the other hand, polymer resins are very sensitive to thermal changes compared to carbon fibers. In the present invention, the carbon fiber content of the carbon fiber/ABS composite material is 38 wt% compared to the ABS matrix. The thermal deflection temperature is to measure the temperature at which a deformation of 0.254 mm occurs by a three-point bending load. Therefore, the high carbon fiber content increases the resistance to thermal deformation. Since the heat deflection temperature of the unmodified composite material was increased by the already high carbon fiber content, the increase in thermal properties was small compared to the increase in mechanical properties.
탄소섬유와 매트릭스를 모두 개질하지 않은 복합재료(UM)는 탄소섬유/ABS 복합재료 중에서 100℃의 가장 낮은 열변형 온도를 나타내었다. 탄소섬유로의 ABS 수지의 함침이 제대로 이루어지지 않아 형성되는 빈틈은 약한 계면결합력을 야기한다. 열이 가해지는 조건에서 굴곡하중을 시편에 가하면 섬유와 매트릭스 사이의 빈틈에 의해 시편의 변형이 쉽게 이루어진다.The composite material (UM) in which neither the carbon fiber nor the matrix was modified showed the lowest heat deflection temperature of 100 °C among the carbon fiber/ABS composite materials. Gaps formed when the ABS resin is not properly impregnated into the carbon fibers cause weak interfacial bonding force. When a bending load is applied to the specimen under the condition that heat is applied, the specimen is easily deformed by the gap between the fiber and the matrix.
반면에, 탄소섬유만 개질한 복합재료(FM)는 불안정한 계면에 MWCNT를 도입하여 ABS 수지를 지탱하는 지지대역할을 하여 변형을 늦춰준다. 또한, MWCNT가 탄소섬유로의 효과적인 하중전달을 유도하였고, 이는 열변형온도 상승으로 이어졌다. 매트릭스만 개질한 복합재료(MM)의 열변형온도 향상은 열이 가해졌을 때 분자의 움직임이 활발해지는 ABS 매트릭스 내에 MCF를 도입하여 분자의 움직임을 감소시키고, 하중을 고르게 분산시켜 ABS 매트릭스의 하중저항 능력 증가에 기인한다.On the other hand, the composite material (FM) modified only with carbon fibers introduces MWCNTs into the unstable interface and acts as a support to support the ABS resin, slowing down the deformation. In addition, MWCNTs induced effective load transfer to the carbon fibers, which led to an increase in the heat deflection temperature. The improvement in the heat distortion temperature of the composite material (MM) with only the matrix modified is to reduce the movement of molecules by introducing MCF into the ABS matrix, where the movement of molecules becomes active when heat is applied, and evenly distribute the load, thereby increasing the load resistance of the ABS matrix. due to increased capacity.
섬유와 매트릭스를 동시에 개질한 복합재료는 가장 높은 열변형온도를 보여준다. 이는 탄소섬유와 ABS 매트릭스 계면에 MWCNT와 MCF의 도입에 의해서 하중을 지지하여 굴곡하중에 대한 저항성을 높이고, 열에너지를 흡수하였기 때문이라고 판단된다. 열적 특성은 기계적 특성과 매우 유사한 결과를 보여주며, 이러한 결과는 섬유-매트릭스의 계면특성과 MWCNT 및 MCF의 보강효과에 의해 설명될 수 있다.The composite material in which the fiber and the matrix are simultaneously modified shows the highest heat deflection temperature. It is believed that this is because the introduction of MWCNTs and MCFs at the interface between carbon fiber and ABS matrix supported the load, increased resistance to bending load, and absorbed thermal energy. The thermal properties show very similar results to the mechanical properties, and these results can be explained by the fiber-matrix interface properties and the reinforcing effect of MWCNTs and MCFs.
Claims (7)
(b) 기능화된 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)로 탄소섬유를 개질하는 단계;
(c) 분쇄탄소섬유(MCF)로 ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지를 개질하는 단계; 및
(d) 상기 (b) 단계에서 개질된 탄소섬유 및 상기 (c) 단계에서 개질된 ABS 수지를 LFT 공정으로 가공하여 탄소섬유/ABS 복합재료를 제조하는 단계;를 포함하는 탄소섬유/ABS 복합재료의 제조방법.
(a) mixing polyethyleneimine (PEI) with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) to functionalize the surface of the multi-walled carbon nanotubes;
(b) modifying carbon fibers with functionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs);
(c) modifying ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) resin with pulverized carbon fiber (MCF); and
(d) preparing a carbon fiber/ABS composite material by processing the carbon fiber modified in step (b) and the ABS resin modified in step (c) through an LFT process; carbon fiber/ABS composite material including Manufacturing method of.
상기 ABS 수지를 개질하기 위한 분쇄탄소섬유(MCF)의 비율은, ABS 수지 100중량부 대비 0.5 중량부 ~ 30 중량부인 것을 특징으로 하는 탄소섬유/ABS 복합재료의 제조방법.
According to claim 1,
The ratio of pulverized carbon fibers (MCF) for modifying the ABS resin is 0.5 parts by weight to 30 parts by weight relative to 100 parts by weight of the ABS resin.
상기 탄소섬유/ABS 복합재료의 탄소섬유 비율은, 탄소섬유/ABS 복합재료 중 20 wt% ~ 40 wt%인 것을 특징으로 하는 탄소섬유/ABS 복합재료의 제조방법.
According to claim 1,
The carbon fiber ratio of the carbon fiber / ABS composite material is 20 wt% to 40 wt% of the carbon fiber / ABS composite material, characterized in that the manufacturing method of the carbon fiber / ABS composite material.
A carbon fiber/ABS composite material manufactured by the method of any one of claims 1 to 3.
상기 개질된 ABS 수지 100중량부 대비 분쇄탄소섬유의 비율은 0.5 중량부 ~ 30 중량부이고,
상기 개질된 탄소섬유/ABS 복합재료의 탄소섬유 비율은 탄소섬유/ABS 복합재료 중 20 wt% ~ 40 wt%인 탄소섬유/ABS 복합재료.
As a composite material component, it includes carbon fiber modified with multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) whose surface is functionalized with PEI, and ABS resin modified with pulverized carbon fiber (MCF),
The ratio of the pulverized carbon fiber to 100 parts by weight of the modified ABS resin is 0.5 parts by weight to 30 parts by weight,
The carbon fiber ratio of the modified carbon fiber / ABS composite material is 20 wt% to 40 wt% of the carbon fiber / ABS composite material.
상기 개질된 탄소섬유/ABS 복합재료의 계면 전단 강도(interfacial shear strength: IFSS)이 50 ~ 60 MPa인, 탄소섬유/ABS 복합재료.
According to claim 5,
The modified carbon fiber / ABS composite material has an interfacial shear strength (IFSS) of 50 to 60 MPa, a carbon fiber / ABS composite material.
상기 개질된 탄소섬유/ABS 복합재료의 인장강도가 80 ~ 100 MPa, 인장탄성률이 8 ~ 10 GPa이며,
상기 개질된 탄소섬유/ABS 복합재료의 굴곡강도가 130 ~ 140 MPa, 굴곡탄성률이 25 ~ 30 GPa이며,
상기 개질된 탄소섬유/ABS 복합재료의 충격강도가 150 ~ 180 J/m인, 탄소섬유/ABS 복합재료.According to claim 5,
The modified carbon fiber / ABS composite material has a tensile strength of 80 to 100 MPa and a tensile modulus of 8 to 10 GPa,
The modified carbon fiber / ABS composite material has a flexural strength of 130 to 140 MPa and a flexural modulus of 25 to 30 GPa,
The impact strength of the modified carbon fiber / ABS composite material is 150 ~ 180 J / m, carbon fiber / ABS composite material.
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Hwang et. al., ‘Fiber aspect ratio effect on mechanical and thermal properties of carbon fiber/ABS composites via extrusion and long fiber thermoplastic processes’ Journal of Industrial and Engineerin |
Kamae et. al., ‘Carbon fiber/epoxy composite property enhancement through incorporation of carbon nanotubes at the fiber-matrix interphase - Part I: The development of carbon nanotube coated carbon fi |
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