KR20150002945A - 접착제 및 이를 이용한 복합소재 접합방법 - Google Patents

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홍재성
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Abstract

본 발명은 접착제 및 이를 이용한 복합소재 접합방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 접착제에 첨가물은 함유함으로써, 기계적 특성을 향상시킨 접착제 및 이를 이용한 복합소재 접합방법에 관한 것이다. 상기 접착제는 적어도 2개 이상의 상기 복합소재 사이에 도포되며, CNT(Carbon nano tube: 카본 나노 튜브)가 함유된다. 또한, 상기 접착제를 이용한 복합소재 접합방법은 복합소재 구조물의 파손 부위를 테이퍼 형태로 절단하고, 절단면을 표면처리하는 단계, 상기 구조물의 일측에 백업부재가 구비되며, 상기 구조물의 파손 부위에 CNT를 함유한 상기 접착제를 도포하는 단계, 상기 파손 부위에 대응하는 형태로 다수의 복합소재 패치를 적층하는 단계, 상기 복합소재 패치의 일면 및 상기 구조물 일면 각각에 전도체가 부착되고, 상기 전도체에 전원을 공급함으로써, 상기 복합소재 패치와 상기 구조물 사이에 전기장을 형성하는 단계, 상기 전기장에 의해 상기 접착제 내의 CNT가 일정한 방향으로 배향성을 띄면서, 상기 복합소재 패치와 상기 구조물 사이를 접착하는 접착층을 형성하는 단계 및 상기 접착층을 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

접착제 및 이를 이용한 복합소재 접합방법{The Adhesive and method for repair using the same}
본 발명은 접착제 및 이를 이용한 복합소재 접합방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 접착제에 첨가물은 함유함으로써, 기계적 특성을 향상시킨 접착제 및 이를 이용한 복합소재 접합방법에 관한 것이다.
종래에는 일반적으로 경량인 재료로서 복합소재를 이용하여, 항공기, 우주 기기, 자동차 및 철도 등 여러 가지의 분야에서 다양한 방식으로 사용되고 있다. 특히, 복합소재는 경량의 재료이기 때문에, 여러 운송수단의 구조용 외장재 또는 내장재로 사용된다.
최근에는 복합소재가 항공기나 자동차 부품, 스포츠(sports), 레저(leisure) 와 같은 각종 산업분야에 있어서 넓게 이용되고 있다. 예를 들면, 복합소재는 탄소섬유나 유리섬유로 구성된 강화섬유에 에폭시 수지 또는 불포화폴리에스테르 등의 열경화성 수지를 함침시켜서, 패치화한 복합소재가 항공기용 재료나 자동차용 소재 등의 일반 공업재료 외에도, 예를 들면, 의료용 소재나 스포츠레저용도의 성형재료로서 넓게 이용되고 있다.
한편, 복합소재를 이용하여, 운송수단의 외관 또는 내부의 구조물을 형성할 수 있다. 이 때, 상기 구조물들을 조립 또는 결합할 때 상처가 생기거나 손상될 수 있으며, 외부의 힘에 의해 일부분이 파손될 수 있다. 따라서, 손상부위 또는 파손부위에 복합소재의 강도가 저하되기 때문에 신속한 복구가 필요하다.
도1은 종래의 복합소재 구조물에서 파손부를 수리하는 복합소재 접합방법을 도시한 개념도이다.
먼저, 복합소재 구조물(10)에 형성된 파손부의 파손된 면을 절단장치를 이용하여 테이퍼 형태로 절단한다. 여기서, 복합소재 구조물(10)의 파손된 면을 테이퍼 형태로 절단함으로써, 파손된 면에 발생하는 응력집중 현상을 해소할 수 있다.
다음으로, 복합소재 구조물(10)의 파손된 일면에 백업부재(40)를 구비하고, 파손된 일면 및 백업부재(40)의 상면에 접착제(30) 또는 접착필름(30)을 도포한 뒤 복수의 복합소재 패치(20)를 적층한다.
복합소재 패치(20) 적층 후 복합소재 구조물(10)의 파손된 타면에 여분부재(50)를 설치하고, 진공백(Vaccm bag) 성형 기법을 이용하여, 복합소재 구조물(10)과 복합소재 패치(20) 사이에 형성된 접착제(30) 또는 접착필름(30)을 경화시켜, 복합소재 구조물(10)에 복합소재 패치(20)가 접착되도록 한다.
그런데, 극한환경 또는 사고에 의해 복합소재 구조물이 충격을 받게 되면, 수리한 부분에 대해 기계적 파손이 먼저 발생될 수 있다. 따라서, 복합소재 구조물를 수리하는 데 사용되는 접착제 및 접합 방법에 있어서, 수리한 부분의 기계적 강도를 향상시키는 연구가 필요하다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 접착제에 첨가물을 함유하여, 접착제의 기계적 물성 및 접착성능을 향상시키는 접착제 및 복합소재 접합방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 복합소재의 복구하는 부위에 전기장을 형성하여, 접착면의 접착력을 향상시키는 접착제 및 복합소재 접합방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른, 복합소재를 접착하는 접착제는 적어도 2개 이상의 상기 복합소재 사이에 도포되며, CNT(Carbon nano tube: 카본 나노 튜브)가 함유된다.
일 실시예에 따른, 상기 복합소재 양단에 전도체가 부착되며, 상기 전도체에 전기를 공급하여 상기 복합소재 사이에 전기장을 형성함으로써, 상기 CNT가 일정한 방향으로 배향된다.
일 실시예에 따른, 상기 CNT의 함량은 상기 접착제의 전체 함량의0.1 ~ 0.5% 인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른, 상기 복합소재는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 접착제를 이용한 복합소재 접합방법은 복합소재 구조물의 파손 부위를 테이퍼 형태로 절단하고, 절단면을 표면처리하는 단계, 상기 구조물의 일측에 백업부재가 구비되며, 상기 구조물의 파손 부위에 CNT를 함유한 상기 접착제를 도포하는 단계, 상기 파손 부위에 대응하는 형태로 다수의 복합소재 패치를 적층하고, 적층된 상기 복합소재 패치의 일면에 여분부재가 구비되는 단계, 상기 여분부재 일면 및 상기 구조물 일면 각각에 전도체가 부착되고, 상기 전도체에 전원을 공급함으로써, 상기 여분부재와 상기 구조물 사이에 전기장을 형성하는 단계, 상기 전기장에 의해 상기 접착제 내의 CNT가 일정한 방향으로 배향성을 띄면서, 상기 복합소재 패치와 상기 구조물 사이를 접착하는 접착층을 형성하는 단계 및 상기 접착층을 경화시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따른, 상기 접착제는 CNT, 바인더 및 용매를 혼합 및 교반시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른, 상기 복합소재 패치는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)인 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른, 상기 전도체는 알루미늄 호일을 사용하며, 진공백(Vacuum bag) 기법을 이용하여, 상기 복합소재 패치 또는 상기 구조물에 부착되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른, 상기 전원은 90 ~ 110 V/cm사이의 일정한 전압으로 상기 전도체에 인가하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성 및 방법으로, 접착제에 첨가물을 함유하여, 접착제의 기계적 물성 및 접착 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 복합소재의 복구하는 부위에 전기장을 형성하여, 접착면의 접착력을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 접착제에 첨가물을 함유하여, 접착제의 기계적 물성 및 접착 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 복합소재의 복구하는 부위에 전기장을 형성하여, 접착면의 접착력을 향상시킬 수 있다.
도1은 종래의 복합소재 구조물에서 파손부를 수리하는 복합소재 접합방법을 도시한 개념도이다.
도2는 본 발명의 실시예들에 따른 접착제를 이용한 복합소재 구조물에서 파손부를 수리하는 복합소재 접합방법을 도시한 개념도이다.
도3은 도2의 접착제에 의해 접착된 면을 확대한 확대도이다.
도4는 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 접합방법을 도시한 순서도이다.
이하, 도 2 내지 도4을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 접착제 및 복합소재 접합방법에 대해서 자세히 설명한다.
도2는 본 발명의 실시예들에 따른 접착제를 이용한 복합소재 구조물에서 파손부를 수리하는 복합소재 접합방법을 도시한 개념도이고, 도3은 도2의 접착제에 의해 접착된 면을 확대한 확대도이다.
도2 내지 도3를 참고하면, 복합소재(100,200)를 접착하는 접착제(300)는 적어도 2개 이상의 상기 복합소재(100,200)로 구성된 구조물 사이에 도포되며, CNT(Carbon nano tube: 카본 나노튜브)가 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 CNT(카본 나노튜브)는 직경 2 내지 20㎚의 원통형 탄소원자 결정을 말하며, 상기 CNT가 단일벽 나노튜브 (Single Wall nanotube, SWNT) 또는 다중벽 나노튜브 (Multi Wall nanotube, MWNT)에서 선택적으로 사용될 수 있다.
상기 CNT의 평균길이는 0.01 내지 20㎛인 것이 바람직하다. CNT의 평균길이가 0.01㎛ 미만인 경우에는 물리적인 면에서 접착 강도가 떨어지고, 20㎛를 초과하는 경우에는 접착제로써 사용시에 상기 CNT 입자끼리의 엉킴이 발생하게 되어 오히려 접착력에 악영향을 미치게 된다.
또한, 복합소재 구조물(100) 양단에 전도체(미도시)가 부착되며, 상기 전도체(미도시)에 전기를 공급하여 상기 복합소재 구조물(100) 사이에 전기장을 형성함으로써, 상기 CNT가 일정한 방향으로 배향되는 것을 특징으로 한다.
특히, 복합소재 구조물(100) 사이에 형성된 전기장에 의한 영향으로 접착제(300) 내에 함유된 CNT가 바이폴러(Bipolar) 특성에 의하여, 일정한 방향으로 배향성을 띄게 되며, 일정한 방향으로 배향된 CNT에 의해 접착제의 접착력을 향상시킬 수 있다. 여기서, 복합소재 구조물(100) 사이에 형성된 전기장은 복합소재 구조물(100) 사이에90 ~ 110 V/cm사이의 일정한 전압을 인가함으로써, 상기 전기장을 형성할 수 있다.
또한, 복합소재(100,200)를 접착하는 접착제(300)에 함유되는 CNT의 함량은 상기 접착제(300)의 전체 함량의0.1 ~ 0.5% 인 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, CNT의 함량은 접착제(300)의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 0.5% 인 것이 바람직하다. 여기서, CNT의 함량이 접착제(300)의 전체 중량에 대하여 0.1%이하면 복합소재(100,200)와 CNT간의 접착강도가 떨어지고, 0.5%를 초과하는 경우에는 CNT간의 엉킴이 형성되는 원인이 되어 바람직하지 않다.
여기서, 상기 복합소재(100,200)는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)인 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 프리프레그는 섬유 강화 복합재료용의 중간 기재로, 강화섬유에 매트릭스 수지를 예비 함침한 성형 재료이며, 상기 프리프레그를 적층하여 가열·가압하여 수지를 경화시키는 것으로 복합소재(100,200)을 형성할 수 있다. 또한, 프리프레그는 강화섬유의 형태에 따라 일방향 프리프레그와 크로스 프리프레그로 구분되며, 사용조건에 따라 적절한 것으로 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 도4는 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 접합방법을 도시한 순서도이다.
도4를 참고하면, 접착제를 이용한 복합소재 접합방법은 복합소재 구조물의 파손 부위를 테이퍼 형태로 절단하고, 절단면을 표면처리하는 단계(S10), 상기 구조물의 일측에 백업부재가 구비되며, 상기 구조물의 파손 부위에 CNT를 함유한 상기 접착제를 도포하는 단계(S20), 상기 파손 부위에 대응하는 형태로 다수의 복합소재 패치를 적층하고, 적층된 상기 복합소재 패치의 일면에 여분부재가 구비되는 단계(S30), 상기 여분부재 일면 및 상기 구조물 일면 각각에 전도체가 부착되고, 상기 전도체에 전원을 공급함으로써, 상기 여분부재와 상기 구조물 사이에 전기장을 형성하는 단계(S40), 상기 전기장에 의해 상기 접착제 내의 CNT가 일정한 방향으로 배향성을 띄면서, 상기 복합소재 패치와 상기 구조물 사이를 접착하는 접착층을 형성하는 단계(S50) 및 상기 접착층을 경화시키는 단계(S60)를 포함한다.
보다 구체적으로, 접착제를 이용한 복합소재 접합방법에 대해서 자세히 설명한다.
먼저, 복합소재 구조물의 파손 부위를 테이퍼 형태로 절단하고, 절단된 면을 표면처리 하는 단계(S10)는 복합소재 구조물(100)의 파손 부위(110)를 복구하기 위해 테이퍼 형태로 절단하고, 절단된 면을 표면처리 함으로써, 복합소재(100,200)와 접착제(300) 간의 접착력이 향상되도록 할 수 있다.
다음으로, 복합소재 구조물의 일측에 백업부재가 구비되며, 복합소재 구조물의 파손 부위에 CNT를 함유한 접착제를 도포하는 단계(S20)는 복합소재 구조물(100)의 하부에 백업부재(400)를 부착하며, 파손 부위(110) 및 백업부재(400) 상면에 CNT를 함유한 접착제(300)를 균일하게 도포할 수 있다. 여기서, 상기 접착제(300)는 CNT, 바인더 및 용매를 혼합 및 교반시켜 제조될 수 있다. 또한, 상기 CNT는 직경 2 내지 20㎚의 원통형 탄소원자 결정을 말하며, 상기 CNT가 단일벽 나노튜브 (Single Wall nanotube, SWNT) 또는 다중벽 나노튜브 (Multi Wall nanotube, MWNT)에서 선택적으로 사용될 수 있다.
상기 CNT의 평균길이는 0.01 내지 20㎛인 것이 바람직하다. CNT의 평균길이가 0.01㎛ 미만인 경우에는 물리적인 면에서 접착 강도가 떨어지고, 20㎛를 초과하는 경우에는 접착 필름으로서 사용시에 상기 CNT 입자끼리의 엉킴이 발생하게 되어 오히려 접착력에 악영향을 미치게 된다.
그 다음으로, 복합소재 구조물의 파손 부위에 대응하는 형태로 다수의 복합소재 패치를 적층하고, 적층된 상기 복합소재 패치의 일면에 여분부재가 구비되는 단계(S30)는 파손 부위(110)의 테이퍼 형태에 대응되는 형태로 다수의 복합소재 패치(200)를 적층하며, 적층된 복합소재 패치(200)의 상부 및 복합소재 구조물(100)의 상부에 여분부재(500)가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 복합소재 패치(200)는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)가 사용될 수 있다. 특히, 프리프레그는 섬유 강화 복합재료용의 중간 기재로, 강화섬유에 매트릭스 수지를 예비 함침한 성형 재료이며, 상기 프리프레그를 적층하여 가열·가압하여 수지를 경화시키는 것으로 복합소재(100,200)을 형성할 수 있다. 또한, 프리프레그는 강화섬유의 형태에 따라 일방향 프리프레그와 크로스 프리프레그로 구분되며, 사용조건에 따라 적절한 것으로 선택하여 사용할 수 있다.
그 다음으로, 상기 여분부재 일면 및 상기 구조물 일면 각각에 전도체가 부착되고, 상기 전도체에 전원을 공급함으로써, 상기 여분부재와 상기 구조물 사이에 전기장을 형성하는 단계(S40)는 적층된 복합소재 패치(200) 상부에 구비된 여분부재(500) 일면 및 복합소재 구조물(100) 일면에 각각 전도체(미도시)가 부착되며, 전도체(미도시)에 전원을 공급하기 위해 전원 공급부(600)가 구비되며, 전도체(미도시)에 전원을 공급함으로써, 여분부재(500)와 복합소재 구조물(100) 사이에 전기장을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 전도체(미도시)는 알루미늄 호일을 사용하며, 진공백(Vacuum bag) 기법을 이용하여, 상기 여분부재(500) 또는 상기 구조물(100)에 부착될 수 있다.
또한, 전원 공급부(600)에서 공급하는 상기 전원은 90 ~ 110 V/cm사이의 일정한 전압으로 상기 전도체(미도시)에 인가할 수 있다.
그 다음으로, 상기 전기장에 의해 상기 접착제 내의 CNT가 일정한 방향으로 배향성을 띄면서, 상기 복합소재 패치와 상기 구조물 사이를 접착하는 접착층을 형성하는 단계(S50)는 전원 공급부(600)에서 공급된 전원에 의해 복합소재 패치(200)와 복합소재 구조물(100) 사이에 형성된 전기장에 의해 접착제(300) 내부에 함유된 CNT가 일정한 방향 즉, 전류가 흐르는 방향으로 배향성을 띄면서, 복합소재 패치(200)와 복합소재 구조물(100) 사이에 접착층을 형성하며, 접착제(300)의 접착강도를 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 복합소재 패치(200)와 복합소재 구조물(100) 사이에 형성된 접착층을 경화시키는 단계(S60)는 상온에서 접착층이 경화되도록 일정시간 동안 자연스럽게 경화시킬 수 있다.
이와 같은 구성 및 방법으로, 접착제에 첨가물을 함유하여, 접착제의 기계적 물성 및 접착 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 복합소재의 복구하는 부위에 전기장을 형성하여, 접착면의 접착력을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 복합소재 구조물 500: 여분부재
20: 복합소재 패치 600: 전원공급부
30: 접착제 또는 접착필름 S10: 절단 및 표면처리 단계
40: 백업부재 S20: 접착제 도포 단계
50: 여분부재 S30: 패치 적층 단계
100: 복합소재 구조물 S40: 전기장 형성 단계
200: 복합소재 패치 S50: 접착층 형성 단계
300: 접착제 S60: 경화 단계
400: 백업부재

Claims (9)

  1. 복합소재를 접착하는 접착제에 있어서,
    적어도 2개 이상의 상기 복합소재 사이에 도포되며, CNT(Carbon nano tube: 카본 나노 튜브)가 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 접착제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합소재 양단에 전도체가 부착되며, 상기 전도체에 전기를 공급하여 상기 복합소재 사이에 전기장을 형성함으로써, 상기 CNT가 일정한 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 접착제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 CNT의 함량은 상기 접착제의 전체 함량의0.1 ~ 0.5% 인 것을 특징으로 하는 접착제.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복합소재는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)인 것을 특징으로 하는 접착제.
  5. 접착제를 이용한 복합소재 접합방법에 있어서,
    복합소재 구조물의 파손 부위를 테이퍼 형태로 절단하고, 절단면을 표면처리하는 단계;
    상기 구조물의 일측에 백업부재가 구비되며, 상기 구조물의 파손 부위에 CNT를 함유한 상기 접착제를 도포하는 단계;
    상기 파손 부위에 대응하는 형태로 다수의 복합소재 패치를 적층하고, 적층된 상기 복합소재 패치의 일면에 여분부재가 구비되는 단계;
    상기 여분부재 일면 및 상기 구조물 일면 각각에 전도체가 부착되고, 상기 전도체에 전원을 공급함으로써, 상기 여분부재와 상기 구조물 사이에 전기장을 형성하는 단계;
    상기 전기장에 의해 상기 접착제 내의 CNT가 일정한 방향으로 배향성을 띄면서, 상기 복합소재 패치와 상기 구조물 사이를 접착하는 접착층을 형성하는 단계; 및
    상기 접착층을 경화시키는 단계;
    를 포함하는 복합소재 접합방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 접착제는 CNT, 바인더 및 용매를 혼합 및 교반시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 복합소재 접합방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복합소재 패치는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)인 것을 특징으로 하는 복합소재 접합방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 전도체는 알루미늄 호일을 사용하며, 진공백(Vacuum bag) 기법을 이용하여, 상기 복합소재 패치 또는 상기 구조물에 부착되는 것을 특징으로 하는 복합소재 접합방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 전원은 90 ~ 110 V/cm사이의 일정한 전압으로 상기 전도체에 인가하는 것을 특징으로 하는 복합소재 접합방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2016163614A1 (ko) * 2015-04-08 2016-10-13 한국철도기술연구원 복합소재용 접착제 및 이를 이용한 접착방법

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