KR20130122229A - 탄소 나노 튜브를 함유하는 프리프레그 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소 나노 튜브를 함유하는 프리프레그 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 나노 튜브를 함유한 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 섬유로 형성된 직물, 상기 직물 상에 코팅되며 탄소 나노 튜브를 함유하는 실리카층 및 상기 실리카층 상에 코팅되는 고분자 수지층을 구비함으로써, 대전방지성 및 층간 결합력이 우수한 탄소 나노 튜브를 함유한 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

탄소 나노 튜브를 함유하는 프리프레그 및 그 제조방법{Prepregs comprising carbon nano tubes and Method of preparing the same}
본 발명은 탄소 나노 튜브를 함유한 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 층간 결합력 및 전기전도성이 우수한 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것이다.
프리프레그는 자동차산업, 항공산업, 우주산업, 국방산업, 건축업, 조선업, 전자산업, 스포츠산업 및 기타 제조업에 다양한 용도로 사용된다. 예를 들면, 자동차, 항공, 우주산업 및 조선업에서는 경량성과 강도를 충족시키는 내외장재로, 건축업에서는 욕조, 바닥재, 벽재, 천장재 등의 건축 내외장재 및 상하수도관, 보수재 등의 구조재로, 전자산업에서는 기판소재, 패키징 소재등의 절연체 및 구조재로, 스포츠산업에서는 낚시, 골프 등의 용품 자재로 사용된다.
프리프레그는 수지 조성물을 섬유상 기재 등 강화재에 함침시켜 제조한다. 또한, 필요에 따라 부가적인 성형단계를 거치고, 두 개 이상의 프리프레그를 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, 노트북, 휴대전화, 휴대정보단말이나 디지털 카메라와 같은 전기/전자기기, 정보기기 등의 사용이 확대되면서 이러한 제품에 사용되는 소재들의 대전방지성이 점차 중요하게 되었다.
하지만, 종래와 같이 섬유상 기재와 고분자 수지로 형성되는 프리프레그로는 요구되는 대전방지성능을 만족시키지 못하고 있다.
따라서, 프리프레그의 다른 물성은 저하시키지 않으면서 대전방지성이 우수한 프리프레그의 개발이 시급하다.
본 발명은 전기전도성이 높아 대전방지성이 우수한 프리프레그 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 층간 접착력이 우수한 프리프레그 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
1. 섬유로 형성된 직물; 상기 직물 상에 코팅되며 탄소 나노 튜브를 함유하는 실리카층; 및 상기 실리카층 상에 코팅되는 고분자 수지층;을 구비하는 프리프레그.
2. 위 1에 있어서, 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 붕소 섬유, 금속 섬유, 천연 섬유 및 광물 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 프리프레그.
3. 위 1에 있어서, 실리카층에서 탄소 나노 튜브는 실리카 100 중량부 대비 0.01 내지 10중량부로 포함되는 프리프레그.
4. 위 1에 있어서, 고분자 수지층은 에폭시 수지, 페놀 수지 및 멜라민 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 열경화성 수지; 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리 스티렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 및 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 수지; 또는 이들의 혼합 수지를 포함하는 프리프레그.
5. 위 1에 있어서, 고분자 수지층은 에폭시 수지, 페놀 수지 및 멜라민 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 열경화성 수지를 포함하는 프리프레그.
6. 위 1에 있어서, 상기 실리카층은 고분자 수지층과 화학적 결합을 형성하는 반응성기를 구비하는 실란 커플링제를 더 포함하는 프리프레그.
7. 위 1 내지 6 중 어느 한 항의 프리프레그를 단독으로 또는 복수의 층으로 적층하고 경화하여 제조되는 복합체.
8. (S1) 탄소 나노 튜브 분산액을 준비하는 단계; (S2) 상기 탄소 나노 튜브 분산액과 실리카졸의 혼합액을 제조하는 단계; (S3) 상기 혼합액에 섬유로 형성된 직물을 함침시킨 후 건조하여 제1 함침체를 얻는 단계; 및 (S4) 고분자 수지 용액을 상기 제1 함침체에 함침시키고 건조하는 단계;를 포함하는 프리프레그의 제조방법.
9. 위 8에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브 분산액은 탄소 나노 튜브, 분산제 및 분산매를 포함하는 프리프레그의 제조방법.
10. 위 8에 있어서, 상기 실리카졸은 알콕시기의 탄소수가 1-20인 테트라알콕시실란 화합물 1몰에 대하여, 알코올계 용매 2 내지 15몰, H2O 2 내지 10몰, 실란 커플링제 0.1 내지 0.5몰 및 산촉매 0.001 내지 0.01몰이 혼합되어 형성되는 프리프레그의 제조방법.
11. 위 10에 있어서, 상기 실란커플링제는 고분자 수지층과 화학적 결합을 형성하는 반응성기를 구비하는 것인 프리프레그의 제조방법.
12. 위 8에 있어서, 상기 고분자 수지 용액은 에폭시 수지, 페놀 수지 및 멜라민 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 열경화성 수지; 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리 스티렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 및 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 수지; 또는 이들의 혼합 수지를 포함하는 프리프레그의 제조방법.
13. 위 8에 있어서, 상기 고분자 수지 용액은 에폭시 수지, 페놀 수지 및 멜라민 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 열경화성 수지를 포함하는 프리프레그의 제조방법.
14. 위 13에 있어서, 상기 열경화성 수지는 120 내지 200℃에서 경화되는 고온 경화형 열경화성 수지인 프리프레그의 제조방법.
15. 위 13에 있어서, 상기 고분자 수지 용액은 경화제를 더 포함하는 프리프레그의 제조방법.
본 발명의 프리프레그는 탄소 나노 튜브를 함유하여 대전방지성이 우수할 뿐만 아니라 내열성도 우수하다.
또한, 본 발명의 프리프레그는 탄소 나노 튜브를 필러로 포함함에도 불구하고 층간 결합력이 우수하다.
본 발명은 섬유로 형성된 직물, 상기 직물 상에 코팅되며 탄소 나노 튜브를 함유하는 실리카층 및 상기 실리카층 상에 코팅되는 고분자 수지층 을 구비함으로써, 대전방지성 및 층간 결합력이 우수한 탄소 나노 튜브를 함유한 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명의 프리프레그는 섬유로 형성된 직물, 상기 직물 상에 코팅되며 탄소 나노 튜브를 함유하는 실리카층, 상기 실리카층 상에 코팅되는 고분자 수지층을 구비한다.
본 발명의 프리프레그에 있어서, 직물을 형성하는 섬유는 당분야에서 프리프레그에 사용되는 직물이라면 특별한 제한이 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 붕소 섬유, 금속 섬유, 천연 섬유, 광물 섬유 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 유리 섬유를 사용할 수 있다.
섬유로 형성되는 직물도 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 직조물, 편직물과 같이 일정한 규칙으로 제조되는 직물이거나, 부직포와 같이 일정한 규칙없이 생성되는 직물일 수도 있다.
본 발명의 프리프레그는 탄소 나노 튜브를 함유하는 실리카층이 상기 직물에 코팅된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 프리프레그는 탄소 나노 튜브를 함유함으로써 우수한 대전방지성을 확보할 수 있다. 또한, 실리카층은 탄소 나노 튜브를 고정시킴과 동시에 직물과 고분자 수지층의 결합을 도와 우수한 층간 결합력을 확보한다.
본 발명에 따른 실리카층에서, 탄소 나노 튜브는 실리카 100 중량부 대비 0.01내지 10중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 10 중량부를 초과하게 되면 실리카에 의해 바인딩되지 못하는 탄소 나노 튜브가 생길 수 있으며, 0.01 중량부 미만이면 대전방지 효과가 미미하다.
본 발명의 프리프레그에 있어서, 고분자 수지층을 형성하는 고분자 수지로는 당분야의 프리프레그에 사용되는 고분자 수지라면 특별한 제한이 없다. 예를 들면 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 열경화성 수지로는 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 열가소성 수지로는 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리 스티렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 아크릴 수지 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 열경화성 수지를 사용할 수 있으며, 열경화성 수지는 120 내지 200℃에서 경화되는 고온 경화형 열경화성 수지를 사용하는 것이 보관성, 성형성 측면에서 보다 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예에서, 실리카층은 고분자 수지층과 화학적 결합을 형성하는 반응성기를 구비하는 실란 커플링제를 더 포함하도록 제조될 수 있다. 고분자 수지층의 고분자는 중합에 사용되는 반응성기를 가지고 있는데, 실리카층에 상기 고분자와 화학적 결합을 형성할 수 있는 실란 커플링제를 더 포함함으로써, 본 발명의 프리프레그를 사용하여 목적하는 최종 완제품을 만들기 위한 성형과정에서 고분자 수지층의 완전 경화 시에 실리카층과 고분자 수지층 사이에 화학적 결합을 함께 형성할 수 있다.
예를 들면, 고분자 수지층에 에폭시 수지를 사용하는 경우에는, 실리카층에 에폭시기를 갖는 화합물을 첨가하여, 추후 경화반응을 진행시킴으로써 고분자 수지층과 실리카층 사이에 화학적 결합을 형성하게 할 수 있다. 이에 따라 완제품의 층간 결합력을 더욱 강화시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 프리프레그를 제조하는 방법의 일 구현예를 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 탄소 나노 튜브 분산액을 준비한다(S1).
탄소 나노 튜브 분산액은 탄소 나노 튜브, 분산제 및 분산매를 포함하여 제조될 수 있다.
탄소 나노 튜브(CNT)는 통상의 아크(arc) 방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 기상 합성법, 열분해법 등과 같은 방법으로 제조된 후 열처리된 것일 수 있다. 위 합성법에 의해 제조된 생성물에는 합성된 탄소 나노 튜브와 함께 비정질 탄소 또는 결정성 흑연 입자와 같은 탄소 불순물과 촉매 전이금속 입자 등이 존재한다. 예컨대, 아크 방전법으로 제조되는 경우 생성물 100중량% 중에 탄소 나노 튜브 15-30중량%, 탄소 불순물 45-70중량% 및 촉매 전이금속 입자 5-25중량%가 포함된다. 이와 같이 불순물이 함유된 탄소 나노 튜브를 정제과정 없이 직접 코팅액에 적용하는 경우 코팅액의 분산성과 코팅성이 저하되고 탄소 나노 튜브 고유의 독특한 물성이 제대로 발현되기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 아크 방전법으로 제조된 생성물을 열처리하여 불순물을 최대한 제거시킨 탄소 나노 튜브를 사용한다. 구체적으로, 위 합성법에 의해 제조된 생성물을 시트 또는 평균직경이 2-5㎜인 과립 형상으로 만든 후 진행방향(수평 기준)에 대하여 아래쪽으로 1-5° 각도로 경사진 회전성 반응기에 투입하고, 회전성 반응기를 350-500℃로 가열하면서 산화성 가스를 위 투입된 생성물 1g에 대하여 200-500㏄/분의 속도로 공급하여 60-150분 동안 열처리한다. 이때, 경사진 회전성 반응기가 5-20rpm의 속도로 회전함으로써 생성물이 분산되면서 접촉 표면적이 최대화되는 동시에 자동적으로 진행방향으로 이동하여 산화성 가스와의 접촉 표면적이 최대화되고 국부적인 산화가 방지된 상태로 열처리된다. 이 방법에 의하면, 투입된 생성물의 무게가 60-85% 감소되어 고순도의 탄소 나노 튜브가 수득된다.
탄소 나노 튜브는 총 100중량% 중에 탄소 불순물이 40중량% 이하, 보다 바람직하게는 25중량% 이하로 포함된 것이 분산성과 안정성뿐만 아니라 수지 복합체의 열전도성 확보에 있어서 좋다.
탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브 또는 다중벽 탄소 나노 튜브일 수 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
탄소 나노 튜브는 분산매 100 중량부 대비 0.01 내지 1 중량부로 포함되는 것이 분산성을 확보하는 측면에서 바람직하다.
본 발명에 따른 탄소 나노 튜브는 분산액에 포함되기 전에 미리 산처리되거나 산처리 되지 않은 것일 수 있다. 산처리된 탄소 나노 튜브는 그 표면에 반응성기를 갖게 된다. 이러한 반응성기는 추후 실리카졸과 화학적 결합을 형성하므로 탄소 나노 튜브의 바인딩 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 반응성기의 구체적인 예로는 히드록시기 또는 카르복시기를 들 수 있다.
분산제는 음이온계 계면활성제라면 그 종류가 특별히 한정되지 않으나, 도데실술폰산나트륨(sodium dodecylsulfonate, SDS) 또는 도데실벤젠술폰산나트륨(sodium dodecyl benzene sulfonate, NaDDBS) 탄소 나노 튜브와의 상용성이 우수하여 분산성을 극대화시킬 수 있다는 점에서 바람직하다.
분산매로는 통상적으로 물(H2O), 또는 탄소수 1 내지 5의 저급 알코올이 사용될 수 있다.
다음으로, 탄소 나노 튜브 분산액과 실리카졸의 혼합액을 제조한다(S2).
실리카졸은 알콕시기의 탄소수가 1-20인 테트라알콕시실란 화합물 1몰에 대하여, 알코올계 용매 2 내지 15몰, H2O 2 내지 10몰, 실란 커플링제 0.1 내지 0.5몰 및 산촉매 0.001 내지 0.01몰이 혼합되어 졸-겔 반응에 의해 형성될 수 있다. 상기 성분들이 상기 함량 범위로 혼합되는 경우에 졸-겔 반응이 잘 일어난다.
테트라알콕시실란 화합물은 실리카졸을 형성하기 위한 성분으로서 알콕시기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있으며 탄소수가 1-20인 것이 바람직하다. 그 중에서도 테트라에톡시실란, 테트라메톡시실란, 테트라-n-프로폭시실란 또는 이들의 올리고머 등이 바람직하며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
알코올계 용매와 물은 실리카졸의 형성 시 가수분해에 영향을 미치기 위한 것이다. 알코올계 용매는 가수분해 반응에 사용되는 점을 고려하여 친수성 알코올계 용매인 것이 좋다. 구체적으로, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부탄올, 이소부탄올, sec-부탄올, tert-부탄올, n-아밀알코올, 이소아밀알코올, sec-아밀알코올, tert-아밀알코올, 1-에틸-1-프로판올, 2-메틸-1-부탄올, n-헥산올 또는 시클로헥산올 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
실란 커플링제는 직물과 실리카졸의 결합력을 강화시키기 위한 것이다. 실란 커플링제는 직물의 표면과 화학적 결합을 통해 층간 결합력을 강화시킬 수 있다. 실란 커플링제로는 직물과 화학적 결합을 할 수 있는 것이라면 당분야에서 통상적으로 사용되는 실란 커플링제를 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 실란 커플링제는 추후 코팅되는 고분자 수지층의 고분자와 화학적 결합을 형성하는 반응성기를 함유하는 것이 바람직하다. 이러한 화학적 결합을 통해 고분자 수지층과의 층간결합력이 현저하게 향상된다. 실란 커플링제가 함유하는 반응성기로는 예를 들면, 에폭시기, 탄소-탄소 불포화 결합 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 반응성기를 함유한 실란 커플링제를 예로 들면, (3-글리시독시프로필)트리메톡시실란((3-glycidoxypropyl)trimethoxysilane, GPTMS), (3-글리시독시프로필)트리에톡시실란((3-glycidoxypropyl)triethoxysilane, GPTES), (3-글리시독시프로필)메틸디에톡시실란((3-glycidoxypropyl)methyldiethoxysilane), (3-글리시독시프로필)메틸디메톡시실란((3-glycidoxypropyl)methyldimethoxysilane ) 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
산촉매는 실리카졸에 적정 가교도를 부여하기 위한 것으로서, 염산, 황산, 인산, 질산, 희석된 플루오르화 수소산 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 성분들을 적절하게 혼합함으로써 졸-겔 반응에 의한 실리카졸을 얻을 수 있게 된다. 본 발명에 따른 상기 실리카졸은 별도로 제조된 탄소 나노 튜브 분산액과 혼합하게 된다. 이 때 탄소 나노 튜브 분산액과 실리카졸의 혼합은 상기 분산액 내의 탄소 나노 튜브의 구체적인 농도나 실리카졸 내의 알콕시실란 화합물의 구체적인 농도에 따라 적절한 비율로 수행될 수 있다. 바람직하게는, 실리카졸 1 중량부 대비 탄소 나노 튜브 분산액 1 내지 10 중량부 정도가 되도록 혼합하는 것이 바람직하다. 혼합 중량비가 상기 범위인 경우에 가공성, 대전방지성 등의 측면에서 바람직하다.
다음으로, 상기 혼합액에 섬유로 형성된 직물을 함침시킨 후 건조하여 제1 함침체를 얻는다(S3).
앞서 설명한 섬유로 형성된 직물을 탄소 나노 튜브 분산액과 실리카졸의 혼합액에 충분히 함침시킨다. 건조는 50 내지 150℃의 온도에서 5분 내지 20분 동안 수행될 수 있다.
다음으로, 고분자 수지 용액을 상기 제1 함침체에 함침시키고 건조한다(S4).
고분자 수지 용액을 형성하는 고분자 수지로는 당분야의 프리프레그에 사용되는 고분자 수지라면 특별한 제한이 없다. 예를 들면 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 열경화성 수지로는 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 열가소성 수지로는 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리 스티렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 아크릴 수지 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 열경화성 수지를 사용할 수 있으며, 열경화성 수지는 120 내지 200℃에서 경화되는 고온 경화형 열경화성 수지를 사용하는 것이 보관성, 성형성 측면에서 보다 바람직하다.
필요에 따라, 고분자 수지 용액은 경화제를 더 포함할 수 있다. 경화제의 구체적인 종류는 사용되는 고분자 수지의 구체적인 종류 및 경화 조건에 따라 당분야에서 사용되는 경화제가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 고분자 수지로서 페놀수지를 사용하는 헥사메틸렌테트라민계 화합물을 경화제로 사용할 수 있으며, 에폭시 수지를 사용하는 경우에는 아민계 화합물을 경화제로 사용할 수 있다. 아민계 화합물의 보다 구체적인 예로는 저분자 아민 화합물과 아민 부가생성물을 사용할 수 있으며, 이들은 병용하여 사용할 수 있다. 저분자 아민 화합물로는 1급, 2급 또는 3급 아미노기를 갖는 저분자 화합물을 들 수 있으며, 아민 부가생성물은 카르복실산 화합물, 술폰산 화합물, 이소시아네이트 화합물, 요소 화합물 또는 에폭시 수지 화합물 중 1종 이상의 화합물과 아민 화합물을 반응시켜 얻어지는 아미노기를 갖는 화합물을 의미한다.
고분자 수지 용액에 제1 함침체를 함침시킨 후에는 80 내지 120℃에서 건조시킴으로써 반-경화를 시켜 본 발명에 따른 프리프레그를 얻을 수 있다.
제조된 프리프레그는 구체적인 용도에 따라 단독으로 또는 복수의 층으로 적층시킨 후, 오토클레이브 또는 핫 프레스 등을 사용하여 완전 경화 및 성형 공정을 수행함으로써 원하는 용도의 복합체 제품으로 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
<탄소 나노 튜브 분산액 제조>
아크 방전법으로 합성된 탄소 나노 튜브(SA100, ㈜나노솔루션)를 경사각도가 3°인 로터리 킬른 회전성 반응기를 이용하여 5-20rpm의 회전속도, 420℃의 온도, 250㏄/분의 산화성 가스 공급 속도로 100분 동안 열처리하여 탄소 불순물의 함량이 15%인 탄소 나노 튜브를 사용하였다. 상기 탄소 나노 튜브 0.1 중량부, 도데실벤젠술폰산나트륨(NaDDBS) 0.4중량부 및 에탄올 98.4중량부를 혼합하고 30분 동안 초음파분산기로 처리하였다. 처리된 용액을 6,000rpm으로 12분 동안 원심분리하여 탄소 나노 튜브 분산액을 제조하였다.
< 실리카졸 제조>
테트라에톡시실란 208.3g, 에탄올 230g, 염산수용액(0.18% 수용액) 10g, (3-글리시독시프로필)트리메톡시실란 47.2g 및 물(DI) 72.8g을 24시간 동안 혼합하여 졸-겔 반응시켜 실리카졸을 제조하였다.
< 프리프레그 제조>
제조된 탄소 나노 튜브 분산액과 실리카졸을 10:1의 중량비로 혼합한 혼합액에 유리 섬유로 제조된 직물( WR 570-100, 오웬스 코닝사 )을 함침시킨 후 90℃에서 10분동안 건조했다. 건조된 함침체를 다시 이를 에폭시 수지( YD -128, 국도화학) 및 경화제( DDM , 국도화학)를 70: 30 중량비로 혼합한 후 함침이 원활하도록 에틸메틸 케톤(MEK)로 희석하여 제조된 고분자 수지 용액에 함침시킨 후 90℃에서 24시간 건조시킨 후 프리프레그를 제조하였다.
실시예 2
탄소 나노 튜브 0.2 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 프리프레그를 제조하였다.
비교예 1
탄소나노튜브 분산액을 사용하지 않고 실리카졸만을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 프리프레그를 제조하였다.
비교예 2
실리카졸을 사용지 않고 탄소 나노 튜브 분산액만을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 프리프레그를 제조하였다.
시험예
실시예 및 비교예에서 제조된 프리프레그를 8층으로 적층하고 열압착기를 이용하여 진공분위기 하에서 7.35MPa의 압력으로 150 ℃에서 2시간 30분 동안 경화시켜 복합체를 제조하였으며, 제조된 복합체에 대해서 하기와 같은 물성을 평가하였다.
1. 인장강도 측정
실시예 및 비교예로부터 제조된 복합체들에 대해서, 인스트론 UTM을 이용하여 ASTM D638 규격에 의거하여 인장강도를 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
2. 표면저항 측정
제조된 복합체로 10cm×10cm 시편을 제작한 후 4-point probe 표면저항 측정기(저저항율계, 미츠비시 케미컬사)로 표면저항을 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
1차함침 2차함침 인장강도(MPa) 표면저항(Ω/sq.)
CNT 실리카졸 수지+경화제
실시예1 ○ ○ ○ 38.0 3ⅹ107
실시예2 ○ ○ ○ 39.0 4ⅹ106
비교예1 × ○ ○ 34.8 측정불가
비교에2 ○ × ○ 30.5 9ⅹ107
표 1을 참고하면, 실시예들은 비교예들에 비해서 인장강도는 높고 표면 저항이 매우 낮은 것을 알 수 있다.
특히 비교예 1은 탄소 나노 튜브를 포함하지 않아 표면 저항이 매우 커서 표면저항값이 측정장치의 한계(5ⅹ1013Ω/sq.)를 기록하여서 정확한 수치는 측정이 불가능하였다. 또한, 비교예 2는 실리카졸을 사용하지 않아 층간 결합력이 매우 낮은 것을 알 수 있다.
이로부터 실시예들은 탄소 나노 튜브를 포함한 실리카층을 구비함으로써 우수한 층간 결합력 및 전기전도성을 갖는 것을 알 수 있다.

Claims (15)

  1. 섬유로 형성된 직물;
    상기 직물 상에 코팅되며 탄소 나노 튜브를 함유하는 실리카층; 및
    상기 실리카졸층 상에 코팅되는 고분자 수지층;
    을 구비하는 프리프레그.
  2. 청구항 1에 있어서, 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 붕소 섬유, 금속 섬유, 천연 섬유 및 광물 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 프리프레그.
  3. 청구항 1에 있어서, 실리카졸층에서 탄소 나노 튜브는 실리카 100 중량부 대비 0.01 내지 10중량부로 포함되는 프리프레그.
  4. 청구항 1에 있어서, 고분자 수지층은 에폭시 수지, 페놀 수지 및 멜라민 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 열경화성 수지; 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리 스티렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 및 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 수지; 또는 이들의 혼합 수지를 포함하는 프리프레그.
  5. 청구항 1에 있어서, 고분자 수지층은 에폭시 수지, 페놀 수지 및 멜라민 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 열경화성 수지를 포함하는 프리프레그.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 실리카층은 고분자 수지층과 화학적 결합을 형성하는 반응성기를 구비하는 실란 커플링제를 더 포함하는 프리프레그.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항의 프리프레그를 단독으로 또는 복수의 층으로 적층하고 경화하여 제조되는 복합체.
  8. (S1) 탄소 나노 튜브 분산액을 준비하는 단계;
    (S2) 상기 탄소 나노 튜브 분산액과 실리카졸의 혼합액을 제조하는 단계;
    (S3) 상기 혼합액에 섬유로 형성된 직물을 함침시킨 후 건조하여 제1 함침체를 얻는 단계; 및
    (S4) 고분자 수지 용액을 상기 제1 함침체에 함침시키고 건조하는 단계;
    를 포함하는 프리프레그의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브 분산액은 탄소 나노 튜브, 분산제 및 분산매를 포함하는 프리프레그의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 실리카졸은 알콕시기의 탄소수가 1-20인 테트라알콕시실란 화합물 1몰에 대하여, 알코올계 용매 2 내지 15몰, H2O 2 내지 10몰, 실란 커플링제 0.1 내지 0.5몰 및 산촉매 0.001 내지 0.01몰이 혼합되어 형성되는 프리프레그의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 실란커플링제는 고분자 수지층과 화학적 결합을 형성하는 반응성기를 구비하는 것인 프리프레그의 제조방법.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 고분자 수지 용액은 에폭시 수지, 페놀 수지 및 멜라민 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 열경화성 수지; 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리 스티렌 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 및 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 수지; 또는 이들의 혼합 수지를 포함하는 프리프레그의 제조방법.
  13. 청구항 8에 있어서, 상기 고분자 수지 용액은 에폭시 수지, 페놀 수지 및 멜라민 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 열경화성 수지를 포함하는 프리프레그의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 열경화성 수지는 120 내지 200℃에서 경화되는 고온 경화형 열경화성 수지인 프리프레그의 제조방법.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 고분자 수지 용액은 경화제를 더 포함하는 프리프레그의 제조방법.
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