KR20110079033A - 열가소성 프리프레그의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 열가소성 프리프레그 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 구현예들은 열가소성 프리프레그의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 열가소성 프리프레그에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열가소성 수지가 결합된 CNT 컴파운드 칩을 강화섬유속에 균일하게 연속 도포하여 프리프레그 내부에 CNT 입자들이 고르게 분산된 열가소성 프리프레그의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 열가소성 프리프레그에 관한 것이다.
CNT 컴파운드 칩, 열가소성, 프리프레그, 강화섬유속

Description

열가소성 프리프레그의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 열가소성 프리프레그{A method of preparing thermoplastic prepreg and thermoplastic prepreg prepared by the same}
본 발명의 구현예들은 열가소성 프리프레그의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 열가소성 프리프레그에 관한 것이다.
최근, 프리프레그가 항공기나 자동차 부품, 스포츠(sports), 레저(leisure) 와 같은 각종 산업분야에 있어서 넓게 이용되고 있다. 예를 들면, 탄소섬유나 유리섬유로된 강화섬유의 단사를 복수개 나란히 하여 이루어진 강화섬유속을 복수개 서로 평행하게 나란하게 놓은 후, 에폭시수지나 불포화폴리에스테르 등의 열경화성 수지를 함침시켜서 시트화한 프리프레그가 항공기용 재료나 자동차용 소재 등의 일반 공업재료 외에도, 예를 들면, 의료용 소재나 스포츠레저용도의 성형재료로서 넓게 이용되고 있다.
또한, 필요에 따라 부가적인 성형단계를 거치고, 두 개 이상의 프리프레그 를 적층한 후, 경화와 압밀화 공정을 수행함으로써 프리프레그 적층체를 제조할 수도 있다. 프리프레그 또는 프리프레그 적층체는 대개 열 및 압력에 의해, 또는 진공 백 성형 및 오토클레이브 내 압축에 의해서와 같이 열과 진공을 이용하여 경화 및 압밀화된다.
최근, 환경보호 차원에서 기존에 기지재로 사용되던 열경화성 수지 대신 복합재료화 했을 경우 차후 분리가 가능한 열가소성수지에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 그러나, 열가소성 수지는 열경화성 수지와 달리 상대적으로 높은 점도 때문에 섬유상 기재 등 강화재 상에 함침되기 어렵다. 따라서, 이를 보완할 수 있는 새로운 프리프레그 제작공정이 기술적 과제로 인식되고 있다.
본 발명의 구현예들은 탄소나노튜브(CNT)와 열가소성 수지가 결합된 컴파운드 칩(compound chip)을 이용하여 수지와 강화섬유의 결합력이 우수할 뿐 아니라 외력에 의한 박리현상을 현저히 저하시킬 수 있는 프리프레그의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들은 상기 방법에 의해 제조된 우수한 강성 및 강도를 갖는 프리프레그를 제공한다.
본 발명의 하나의 양상은,
강화섬유속을 제공하는 단계;
이형지를 제공하는 단계;
탄소나노튜브(CNT)와 열가소성 수지가 결합된 컴파운드칩을 상기 강화섬유속에 균일하게 공급하는 단계;
가열판을 이용하여 상기 컴파운드칩을 상기 강화섬유속에 1차 용융 및 함침시켜 강화재를 형성하는 단계; 및
상기 강화재를 압출기를 이용하여 2차 용융 및 함침시키는 단계를 포함하는 프리프레그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양상은, 상기 방법에 의하여 제조된 우수한 강성 및 강도를 갖는 프리프레그에 관한 것이다.
본 발명의 구현예들에 의하면 프리프레그 제조시 이형지에 도포하는 수지 함침 공정을 생략함으로써 공정을 단순화하여 제조비용을 절감할 수 있으며, 분산성이 좋지 못한 CNT를 칩화하여 강화섬유다발에 균일하게 연속 도포함으로써 CNT가 접목된 열가소성 프리프레그 제작이 가능하다. 또한, 본 발명의 구현예들에 의해 제조된 프리프레그는 CNT입자가 수지와 함께 강화섬유 사이에 함침되어 수지와 강화섬유의 결합력이 우수할 뿐 아니라 구조물 제작시 CNT입자들에 의해 층과 층사이의 계면결합력이 높아져 외력에 의한 박리현상을 현저히 저하시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예들에 대하여 도면을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 의한 열가소성 프리프레그의 제조방법을 단계적으로 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 강화섬유속(8)이 언와인더(1)로부터 풀링되고 이형지가 이형지 공급롤(2)에 의해 공급된다.
본 발명의 일 구현예에서, 강화섬유속(8)은 복수개의 단사가 나란히 된 1 개의 섬유속이거나, 이 섬유속이 복수개 서로 평행하게 나란히 되어 시트상으로 되어 있는 섬유속일 수 있다. 또한, 강화섬유속(8)을 형성하는 강화섬유의 종류는 특별히 한정되지 않고, 탄소섬유나 유리섬유, 아라미드섬유 등이 적용될 수 있다. 또한, 이형지로는 단면 또는 양면에 열에 강한 실리콘 계열이 코팅된 종이류를 사용할 수 있다.
다음으로 미리 제작된 CNT 열가소성 컴파운드 칩(compound chip)(4)을 공급할 수 있는 회전형 칩공급기(3)을 통해 CNT 열가소성 컴파운드 칩(4)을 강화섬유속(8) 상단에 균일 도포한다.
CNT 열가소성 컴파운드 칩은 모재(Matrix)로 폴리에틸렌수지, 나일론수지, 폴리아세탈수지, 염화비닐수지, 폴리스티렌수지, ABS수지, 아크릴수지 또는 이들의 혼합물인 열가소성 수지를 사용하며 열가소성 수지에 대한 CNT의 함량비는 0.1 내지 1.5wt% 비율로 한다.
익스트루더(Extruder)와 같은 칩 형태로의 가공이 가능한 장비를 사용하여 CNT와 열가소성수지를 혼합한다. 이 때 CNT와 열가소성수지의 결합력 및 분산상태를 높이기 위해 CNT표면을 화학적으로 처리할 수 있고, 용제를 사용하거나 믹서(mixer)를 사용한 기계적 분산 등이 가능하다.
이와 같이 본 발명의 구현예들은 CNT 열가소성 컴파운드 칩(4)을 사용하여 프리프레그 제조시 이형지에 도포하는 수지 함침 공정을 생략하여 공정을 단순화할 수 있다. 또한, 분산성이 좋지 못한 CNT를 칩화하여 강화섬유다발에 균일하게 연속 도포할 수 있을 뿐 아니라 CNT입자가 수지와 함께 강화섬유 사이에 함침되 어 수지와 강화섬유의 결합력을 증대시킬 수 있다. 이러한 CNT가 접목된 열가소성 프리프레그를 이용해 구조물을 제작하면 CNT입자들에 의해 층과 층사이의 계면결합력이 높아져 외력에 의한 박리현상을 현저히 저하시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 회전형 칩공급기(3)의 내부에 톱니바퀴형상 공급기(5)가 장착될 수 있는데, 이에 의해 칩의 균일한 공급이 가능하다. 도 2는 본 발명의 일 구현예에 의한 회전형 칩공급기(3)의 내부도로서, 톱니바퀴형상 공급기(5)가 도시되었다.
본 발명의 구현예들에서 CNT와 결합하는 열가소성 수지는 필요에 따라 열 안정제, 가소제, 화학 경화제, 무기 충진재, 점도 조절제, 광 안정제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이러한 열가소성 합성수지 조성물은 불용성인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다음, 도포된 CNT 컴파운드 칩은 가열판(6)을 통해 1차적으로 용용 함침되고, 생성된 강화재는 상하 압출기(7)를 통해 2차 용융 함침된다. 이후 냉각수에 의해 강화섬유속을 냉각시키면 열가소성 프리프레그가 형성된다.
상하 압출기(7)는 금속 재질 또는 고무 재질의 롤이 두 개 이상 조합되어 사용된다. 또한, 형성된 열가소성 프리프레그에 요철을 부여하도록 상하 압출기(7)에는 요철이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 의하면 형성된 열가소성 프리프레그의 표면을 매끄럽게 하기 위하여 상기 열가소성 프리프레그를 가열하고 압연하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
실시예 1:열가소성 프리프레그 제조
열가소성 프리프레그의 제조를 위한 섬유상 기재로는 탄소섬유를, 이형지로는 양면에 실리콘이 코팅된 종이를 사용하였고, CNT함량이 0.5wt%인 CNT 열가소성 컴파운드 칩을 이용하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 직물을 풀링하면서, 이형지를 공급하였다. 이어서, 회전형 칩공급기을 통해 CNT 열가소성 컴파운드 칩을 강화섬유 상단에 균일하게 도포하였다. 다음, 도포된 CNT 컴파운드 칩을 가열판을 통해 1차적으로 용용 함침시키고, 생성된 강화재를 상하 압출기를 통해 2차 용융 함침시켰다. 이후 냉각수에 의해 탄소섬유 직물을 냉각시켜 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 의한 열가소성 프리프레그의 제조방법을 단계적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 의한 회전형 칩공급기의 내부도이다.
** 도면의 주요 부호에 대한 설명 **
1: 언와인더 2: 이형지 공급롤
3: 회전형 칩공급기 4: CNT 열가소성 컴파운드 칩
5: 톱니바퀴형상 공급기 6: 가열판
7: 상하 압출기 8: 강화섬유속

Claims (9)

  1. 강화섬유속을 제공하는 단계;
    이형지를 제공하는 단계;
    탄소나노튜브(CNT)와 열가소성 수지가 결합된 컴파운드칩을 상기 강화섬유속에 균일하게 공급하는 단계;
    가열판을 이용하여 상기 컴파운드칩을 상기 강화섬유속에 1차 용융 및 함침시켜 강화재를 형성하는 단계; 및
    상기 강화재를 압출기를 이용하여 2차 용융 및 함침시키는 단계를 포함하는 프리프레그 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 컴파운드칩은 내부에 톱니바퀴형상의 회전형 공급기가 장착된 칩공급기에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 강화섬유속은 복수개의 단사가 나란히 된 1개의 섬유속인 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 강화섬유속은 상기 1개의 섬유속이 복수개 서로 평행하게 시트상으로 되어 있는 섬유속인 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 강화섬유속은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌수지, 나일론수지, 폴리아세탈수지, 염화비닐수지, 폴리스티렌수지, ABS수지, 아크릴수지 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 열가소성 고분자인 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 열가소성 수지에 대한 탄소나노튜브(CNT)의 함량비는 0.1 내지 1.5wt% 인 것을 특징으로 하는 프리프레그 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제 2차 용융 및 함침 단계 이후에 상기 형성된 열가소성 프리프레그를 가열하고 압연하여 열가소성 프리프레그의 표면을 매끄럽게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제작된 프리프레그.
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