KR20150021279A - 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보강재의 배향방향 제어를 통한 고분자 복합재료 성형방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 보강재의 배향방향 제어를 통한 고분자 복합재료 성형방법은 보강재와 수지를 혼합하여 고분자 복합재료를 제조하는 복합재료 제조단계; 상기 고분자 혼합액을 예비 성형하여 예비 성형물을 제조한 뒤, 상기 예비 성형물을 절단하여 다수 개의 고분자 펠렛(pellet)을 제조하는 펠렛 제조단계; 상기 펠렛 제조단계에서 절단된 상기 펠렛의 배치를 변경하여 상기 보강재의 배향방향을 변경한 상태에서 서로 연결되도록 하여 최종 성형물을 성형하는 본 성형단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 금형 내부에 특정 배향을 지닌 고분자 복합재료 펠렛을 배치한 후 압축 성형함으로써 최종 성형품 내부의 보강재 배향을 제어할 수 있는 보강재의 배향방향 제어를 통한 고분자 복합재료 성형방법이 제공된다.
이에 의하여, 금형 내부에 특정 배향을 지닌 고분자 복합재료 펠렛을 배치한 후 압축 성형함으로써 최종 성형품 내부의 보강재 배향을 제어할 수 있는 보강재의 배향방향 제어를 통한 고분자 복합재료 성형방법이 제공된다.
Description
본 발명은 보강재의 배향방향 제어를 통한 고분자 복합재료 성형방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 성형물을 절단한 펠렛의 배치를 변경하여 보강재의 배향방향을 변경함으로써 고분자 복합재료의 배향방향을 제어할 수 있는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법에 관한 것이다.
복합재료란 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적 화학적으로 보다 뛰어난 효과를 나타내는 재료를 말한다.
복합재료는 기지 재료(matrix)에 따라 고분자 복합재료, 금속 복합재료, 세라믹 복합재료 등으로 나뉘어지며, 고분자 복합재료란 고분자 수지 등에 무기물 등의 보강재(filler)를 섞어서 만든 것을 의미한다.
최근 기능성 나노재료를 보강재로 사용하는 고분자 나노복합재가 부각되고 있다.
나노복합재는 분자레벨이나 나노미터 스케일의 이종물질을 분산시켜 복합화한 것으로 기존의 고분자에 비해 향상된 성질을 가진다.
이러한 나노복합재에 많이 사용되는 대표적인 나노재료로 탄소나노튜브, 그래핀 등을 예로 들 수 있다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱모양을 이루는 지름 1nm 크기의 미세한 분자로, 인장력이 강철보다 100배 강하고 유연성이 뛰어나다.
탄소나노튜브는 종횡비와 비표면적이 크고 기계적 특성, 전기적 특성, 열적 특성이 뛰어나고 화학적으로 안정한 우수한 특성을 갖고 있어서 전도성 투명전극, 트랜지스터, 전자방출소자 등 많은 분야에서의 응용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 탄소나노튜브 등의 보강재를 이용하여 고분자 복합재료를 성형하는 방법에는 사출성형 또는 압출성형의 방법 등이 있다.
도 1은 보강재의 배향방향에 의한 고분자 복합재료의 성질을 나타내는 도면이다.
도 1(a)는 압출성형을 이용하여 고분자 복합재료를 성형하는 것을 나타내는 도면이며, 도 1(b)는 사출성형을 이용하여 고분자 복합재료를 성형하는 것을 나타내는 도면이다.
도 1(a)를 참조하여 보면, 압출성형기(10)를 이용하여 판형의 예비 성형물(120)을 압출성형 하는 경우에는 고분자 복합재료(110)를 호퍼 등의 주입부(11)로 주입한 뒤 실린더 내부의 스크류(12)를 통해 용융시키고 노즐을 통해 판형의 예비 성형물(120)을 압출한다.
도 1(b)를 참조하여 보면, 사출성형기(20)를 이용하여 판형의 예비 성형물(120)을 사출성형 하는 경우에 고분자 복합재료(110)를 주입부(21)로 주입한 뒤 실린더 내부의 스크류(12)를 통해 용융시키고 이를 금형에 사출하여 최종 판형의 예비 성형물(120)을 얻는다.
한편, 도 1(c)에 도시된 바와 같이 사출성형 또는 압출성형 등의 방법을 이용하여 고분자 복합재료 판형 성형품을 생산하는 경우 사출 또는 압출방향에 따라서 보강재(121)의 배향방향이 형성되며, 일반적으로 보강재(121)의 배향은 성형품 표면부(shell layer)에서 표면에 나란하게 되고, 중심부(core layer)에서 무작위 배향을 가지게 된다.
이때, 배향방향을 따라서는 보강재(121)에 의한 전기적, 기계적, 열적 물성 향상이 뛰어나나, 두께방향 등과 같이 배향방향과 다른 방향의 경우에는 뛰어난 성질을 나타내지 못하는 문제점이 있다.
이러한 배향 특성은 두께 방향으로의 전기전도 및 열전도가 중요한 판형 제품에 대해 불리한 점으로 작용하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고분자 복합재료 압축물을 절단하여 제작한 펠렛을 금형 내부에 배치한 후 압축성형 함으로써, 최종 성형품 내부 보강재의 배향을 제어하고 이를 통해 두께 방향으로 뛰어난 전기전도 및 열전도 성질을 가진 고분자 복합재료 판형 제품을 얻을 수 있도록 하는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 보강재와 수지를 혼합하여 고분자 복합재료를 제조하는 복합재료 제조단계; 상기 고분자 복합재료를 예비 성형하여 예비 성형물을 제조한 뒤, 상기 예비 성형물을 절단하여 다수 개의 고분자 펠렛(pellet)을 제조하는 펠렛 제조단계; 상기 펠렛 제조단계에서 제작된 펠렛을 금형에 배치하여 보강재의 배향을 조절한 상태에서 압축성형하여 최종 성형물을 성형하는 본 성형단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법에 의하여 달성된다.
또한, 상기 펠렛 제조단계에서는 상기 고분자 복합재료를 압출성형 또는 사출성형하여 상기 예비 성형물을 제조할 수 있다.
또한, 상기 예비 성형물 표면에 인접하는 보강재의 배향방향은 상기 예비 성형물의 표면에 나란한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 본 성형단계는 상기 예비 성형물의 표면에 인접하는 보강재의 배향방향이 상기 예비 성형물의 표면에 수직하도록 상기 펠렛의 배치를 변경할 수 있다.
또한, 본 성형단계는 이웃하게 배열되는 복수개의 상기 펠렛을 가열 및 압축하여 최종 성형물을 성형할 수 있다.
또한, 상기 보강재는 탄소나노튜브 또는 그래핀 또는 유리섬유일 수 있다.
본 발명에 따르면, 특정 배향을 지닌 펠렛을 제작한 뒤 이를 금형에 배치하여 압축성형 함으로써 보강재의 배향을 제어할 수 있는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법이 제공된다.
또한, 압출성형 또는 사출성형 방법으로 펠렛을 제조함으로써 특정한 배향을 지닌 펠렛을 제조할 수 있다.
또한, 금형에 펠렛의 배치를 조절하여 압축 성형함으로써 보강재의 배향을 보다 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 고분자 성형물을 절단한 펠렛의 배치를 변경함으로써 보강재의 배향방향을 변경하여 보다 용이하게 고분자 복합재료 배향방향을 제어할 수 있다.
또한, 고분자 성형물의 표면에 수직하도록 펠렛의 배치를 변경함으로써 고분자 성형물 표면의 수직방향으로 보강재가 지닌 전기전도성 등의 성질이 향상되도록 할 수 있다.
도 1은 압출성형 및 사출성형을 통해 제작된 고분자 복합재료 판형 성형품의 보강재 배향 특성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법의 공정순서도이다.
도 3은 도 2의 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법에 따라 배향방향이 제어된 최종 성형물을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법의 공정순서도이다.
도 3은 도 2의 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법에 따라 배향방향이 제어된 최종 성형물을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법에 대하여 상세하게 설명한다. 이는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 정하여지는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법의 공정순서도이며, 도 3은 도 2의 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하여 보면, 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법(S100)은 고분자 복합재료 압축물을 절단하여 제작한 펠렛을 금형 내부에 배치한 후 압축성형 함으로써, 최종 성형품 내부 보강재의 배향을 제어하고 이를 통해 두께 방향으로 뛰어난 전기전도 및 열전도 성질을 가진 고분자 복합재료 판형 제품을 얻을 수 있도록 하는 것으로서, 복합재료 제조단계(S110)와 펠렛 제조단계(S120)와 본 성형단계(S130)를 포함한다.
상기 복합재료 제조단계(S110)는 고분자 복합재료를 이용하여 성형물을 성형하기 위하여 고분자 복합재료(110)를 제조하는 단계로서, 보강재(121)와 수지를 혼합하여 고분자 복합재료(110)를 제조한다.
여기서, 혼합방법에는 용융기법(melt processing), 용해기법(solution dispersion), 직접중합(in-situ polymerization)
한편, 복합재료란 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 거시적으로 서로 간에 구분되는 계면을 가지도록 조합되어 유효한 기능을 가지는 재료를 말하므로, 보강재와 수지는 거시적으로 경계면을 가지게 된다.
이 때, 보강재(121)는 섬유(fiber) 또는 판상입자(flake)등 어느 것을 사용할 수 있으며 그 종류는 제한되지 않는다.
여기서, 보강재(121)는 고분자 수지에 혼합·분산되어 기존의 고분자가 가지는 성질들을 더욱 향상시키기 위한 것으로서 탄소나노튜브, 그래핀, 유리섬유, 탄소섬유 등이 이에 해당한다.
보강재(121)를 고분자 수지에 혼합·분산하여 향상할 수 있는 특성은 강도 및 강성도·내식성·피로수명·내열성·전기 전도성, 열전도성 등이 있다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱모양을 이루는 지름 1nm 크기의 미세한 분자이다.
또한, 탄소나노튜브는 종횡비와 비표면적이 크고 인장력이 강철보다 100배 강하고 유연성이 뛰어나며, 높은 전기 전도도와 높은 열전도율 등의 우수한 성질을 가지고 있다.
한편, 그래핀은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결된 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서 화학적으로 안정성이 높은 특성을 보이는 물질이다.
또한, 그래핀은 실리콘보다 100배 이상 우수한 전기적 전도성을 가지고, 유연하며 투명하여 물리적 화학적으로 우수한 성질을 지니는 물질이다.
한편, 유리섬유는 용액상태로부터 결정화 없이 고체상태까지 냉각된 무기제품을 용융방사한 물질이다.
유리섬유는 제조가 편리하며 저렴한 가격, 높은 인장강도의 성질을 지니며,E-glass fiber와 S-glass fiber 및 S-2 glass fiber 등으로 분류된다.
한편, 탄소섬유는 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유이다. 탄소섬유는 비탄성율이 높으며, 높은 인장 강도 및 인장 강성 등의 우수한 성질을 지니는 물질이다.
즉, 복합재료 제조단계(S110)는 탄소나노튜브, 그래핀, 유리섬유 또는 탄소섬유 등의 보강재(121)와 수지를 혼합하여 기존의 수지가 가지는 성질을 더욱 향상시킨 고분자 복합재료(110)를 제조하는 단계이다.
상기 펠렛 제조단계(S120)는 특정 배향을 지닌 고분자 복합재료 펠렛을 제조하는 단계로서, 복합재료 제조단계(S110)에서 제조된 고분자 복합재료(110)를 예비성형하여 예비 성형물(120)을 성형한뒤, 이를 절단하여 복수 개의 고분자 펠렛(pellet)(130)을 제조하는 단계이다.
고분자 복합재료(110)를 예비성형하여 예비 성형물(120)을 성형하는 방법에는 압출성형·사출성형 등의 방법이 이용된다.
도 3(a)를 참조하여 보면, 압출성형기(10)를 이용하여 예비 성형물(120)을 압출성형 하는 경우에는 고분자 복합재료(110)를 호퍼 등의 주입부(11)로 주입한 뒤 실린더 내부의 스크류(12)를 통해 용융시킨 후 압출 노즐 또는 압축 틀(die)을 통해 압출한다.
본 실시예에서는 예비 성형물(120)이 원기둥 형상이 되도록 압출 틀을 설계하였으나, 압출 틀의 설계에 따라서 예비 성형물(120)의 형상을 달리 결정할 수 있다.
압출성형기(10) 또는 사출성형기(20)을 통과한 고분자 복합재료(110)는 금형또는 틀을 통과하면서 냉각, 고화되어 예비 성형물(120)이 된다.
한편, 사출성형 또는 압출성형의 방법을 이용하여 예비 성형물(120)을 성형하는 경우 예비 성형물(120)의 보강재(121)가 사출 또는 압출되는 방향을 따라서 형성된다.
이때, 도 3(b)를 참고하여 보면, 예비 성형품의 표면부(shell layer)에 인접한 보강재(121)의 배향은 사출 또는 압출되는 방향에 평행하게 형성되나, 예비 성형물(120) 중심부(core layer)의 보강재(121)의 배향은 무작위하게 형성된다.
즉, 예비 성형물(120) 표면에 인접하는 보강재(121)의 배향은 예비 성형물(120)의 표면에 나란하게 형성된다.
여기서, 예비 성형물(120) 또는 최종 성형물(140)은 그 두께가 상당히 얇으므로 성형물 표면부(shell layer)가 성형물 중심부(core layer)보다 두껍게 형성된다.
한편, 펠렛(130)이란 후술하는 본 성형단계(S140)에서 보다 용이하게 보강재(121)의 배향방향을 변경할 수 있도록 예비 성형물(120)을 미세한 크기로 만든 것을 의미한다.
본 실시예에서는 예비 성형물(120)을 길이방향과 수직한 방향으로 절단한 펠렛(130)을 제조하였으나, 본 성형단계(S140)에서 최종 성형물(140)의 형상 및 배향조절에 따라 사선으로 절단하는 등 펠렛(130) 형상은 달리 할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 펠렛(130)을 제조하는 방법으로 예비 성형물(120)을 절단하는 방법을 이용하였으나, 보강재(121)의 배향방향을 변경할 수 있도록 예비 성형물(120)을 미세한 크기로 만들 수 있다면 펠렛(130) 제조 방법은 제한되지 않는다.
상기 본 성형단계(S130)는 보강재(121)의 배향방향이 변경된 최종 성형물(130)을 성형하는 단계이다.
도 3(c)에 도시된 바와 같이, 먼저 펠렛 제조단계(S120)에서 제조된 복수 개의 펠렛(130)을 금형에 배치하여 보강재(121)의 배향방향을 조절한다.
본 실시예에서는 보강재(121)의 배향방향을 최종 성형물(140)의 표면에 수직하도록 하기 위하여 펠렛(130)을 배치하였으나, 배향을 최종 성형물(140)의 표면에 사선이 되도록 하는 경우 등 펠렛(130)의 배치 변경은 달리할 수 있다.
이 때, 펠렛 제조단계(S120)에서 성형된 예비 성형물(120)은 압출성형 또는 사출성형으로 제조되어 보강재(121)의 배향방향이 표면에 나란하게 형성되어 있으므로 펠렛(130)의 배치 변경만으로도 용이하게 배향방향을 변형 및 제어할 수 있다.
이 때, 최종 성형물(140)의 형상과 동일하도록 펠렛(130)을 상호 이웃하게 배열하는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 박막 혹은 판 형상의 최종 성형물(140)을 성형하기 위하여 펠렛(130)을 배열하였으나 최종 성형물(140)의 용도에 따라 달리 배열될 수 있다.
이때, 압축성형을 위하여 금형(30)의 하판(32)에 박막 또는 판 형상의 공간을 형성한 뒤, 펠렛(130)을 배치한 후, 상판(31)과 하판(32)이 상호 가압한다.
즉, 최종 성형물(140)을 성형하기 위하여 상호 이웃하게 배열된 복수 개의 펠렛(130)을 가열 및 압축한다.
도 4는 도 2의 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법에 따라 배향방향이 제어된 최종 성형물을 나타내는 도면이다.
도 4를 참고하여 보면, 이로써 최종 성형물(140)의 표면에 인접한 보강재(121)의 배향방향이 최종 성형물(140)의 표면에 수직하는 최종 성형물(140)을 성형할 수 있다.
즉, 두께 방향의 보강재 배향을 가진 최종 성형물(140)을 성형할 수 있다.
이로 인해, 최종 성형물(140)의 두께방향 또는 표면에 수직하는 방향을 따라서 전기 전도성·내열성·단열성 등의 성질이 향상된 최종 성형물(140)을 성형할 수 있다.
한편, 예비 성형물(120)을 사선으로 절단하여 펠렛(130)을 제조하여 최종 성형물(140)을 성형함으로써 최종 성형물(140)의 표면에 사선방향으로도 성질이 향상된 최종 성형물(140)을 성형할 수 있으며, 반드시 최종 성형물(140)의 표면에 수직하는 방향을 따라서 향상된 성질을 지니는 최종 성형물(140)을 성형하는 것에 제한되는 것은 아니다.
즉, 본 발명을 이용함으로써 보강재(121)의 배향방향을 임의로 제어하여 그 방향으로 성질이 향상된 최종 성형물(140)을 성형할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
S100 : 보강재의 배향방향 제어를 통한 고분자 복합재료 성형방법
S110 : 복합재료 제조단계 S120 : 펠렛 제조단계
S130 : 본 성형단계 10 : 압출성형기
11 : 주입부 12 : 스크류
20 : 사출성형기 110 : 고분자 혼합액
120 : 예비 성형물 121 : 보강재
130 : 펠렛 140 : 최종 성형물
S110 : 복합재료 제조단계 S120 : 펠렛 제조단계
S130 : 본 성형단계 10 : 압출성형기
11 : 주입부 12 : 스크류
20 : 사출성형기 110 : 고분자 혼합액
120 : 예비 성형물 121 : 보강재
130 : 펠렛 140 : 최종 성형물
Claims (6)
- 보강재와 수지를 혼합하여 고분자 복합재료를 제조하는 복합재료 제조단계;
상기 고분자 복합재료를 예비 성형하여 예비 성형물을 제조한 뒤, 상기 예비 성형물을 절단하여 다수 개의 고분자 펠렛(pellet)을 제조하는 펠렛 제조단계;
상기 펠렛 제조단계에서 제작된 펠렛을 금형에 배치하여 보강재의 배향을 조절한 상태에서 압축성형하여 최종 성형물을 성형하는 본 성형단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법. - 제1항에 있어서,
상기 펠렛 제조단계에서는 상기 고분자 복합재료를 압출성형 또는 사출성형하여 상기 예비 성형물을 제조하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 예비 성형물 표면에 인접하는 보강재의 배향방향은 상기 예비 성형물의 표면에 나란한 것을 특징으로 하는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법. - 제3항에 있어서,
상기 본 성형단계는 상기 예비 성형물의 표면에 인접하는 보강재의 배향방향이 상기 예비 성형물의 표면에 수직하도록 상기 펠렛의 배치를 변경하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법. - 제4항에 있어서,
상기 본 성형단계는 이웃하게 배열되는 복수 개의 상기 펠렛을 가열 및 압축하여 최종 성형물을 성형하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법. - 제5항에 있어서,
상기 보강재는 탄소나노튜브 또는 그래핀 또는 유리섬유 또는 탄소섬유인 것을 특징으로 하는 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130098433A KR20150021279A (ko) | 2013-08-20 | 2013-08-20 | 고분자 복합재료의 보강재 배향 제어 성형방법 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150021279A true KR20150021279A (ko) | 2015-03-02 |
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ID=53019724
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR20150021279A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180012952A (ko) * | 2016-07-28 | 2018-02-07 | 권원현 | 탄소복합재 제조방법 및 이를 통해 제조된 탄소복합재 |
| US11325281B2 (en) | 2018-07-23 | 2022-05-10 | Ut-Battelle, Llc | Rapid manufacturing of tailored preforms |
-
2013
- 2013-08-20 KR KR20130098433A patent/KR20150021279A/ko not_active Application Discontinuation
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