KR20150073831A

KR20150073831A - 섬유 강화 복합재료 제조용 현무암 섬유 마스터배치 칩 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20150073831A
Application number: KR1020140128268A
Authority: KR
Inventors: 박선민; 노광철
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2015-07-01

Abstract

본 발명은 고분자 수지로 이루어진 기지 및 상기 기지 내에 균질하게 분산된 현무암 단섬유(chopped basalt fiber)를 포함하는, 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩은 기존에 섬유 강화 복합재료에서 강화 재료로서 주로 사용되던 탄소 단섬유 또는 유리 단섬유를 대체할 수 있는 현무암 단섬유를 강화재를 포함함으로써, 이를 이용해 현무암 단섬유 강화 복합재료를 제조할 경우 탄소 단섬유 포함 복합재료에 비해서는 제조 비용이 크게 절감되면서도 그에 견줄만한 강도를 가지며, 유리 단섬유 포함 복합재료에 비해서는 현저히 개선된 물성(우수한 내화학성 및 내열성 등)을 가지며, 현무암 단섬유가 균일하게 분산된 고품질의 섬유 강화 복합재료의 제조가 가능하다.

Description

섬유 강화 복합재료 제조용 현무암 섬유 마스터배치 칩 및 그 제조방법{BASALT FIBER MASTER BATCH CHIP USED FOR FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 현무암 단섬유(chopped basalt fiber)가 포함된 마스터배치 칩 및 그 제조방법에 대한 것이다.

복합재료(composite material)란 2 이상의 구성 성분이 혼합된 소재로서 서로 화학적으로 구분되는 각각의 구성 성분들이 본연의 특성을 유지한 채로 결합되어 있으면서 각 구성 성분의 독특한 기계적, 물리적, 화학적 특성이 서로 상호 보완적으로 작용하여 개개의 구성 성분이 분리되어 있을 때 보다 좋은 특성을 얻고자 인위적으로 형성되는 소재를 말한다.

이와 같은 복합재료 중 구조용 복합재료의 구성 성분은 기지와 강화재로 나눌 수 있으며, 기지는 복합재료 내에서 연속적인 구조를 가지면서 강화재를 서로 결합시키고 강화재를 외부로부터 보호하며 복합재료의 형태를 유지하게 하는 기능을 가지며, 강화재는 외부응력을 지탱하여 복합재료가 기지에 비해 좋은 기계적 성질을 나타내게 하며 기지 내에 분산되어 있는 섬유(fiber), 입자(particle), 휘스커(whisker) 등의 형상을 가지는 구성물질이다.

이러한 구조용 복합재료 중에서도 섬유 강화 복합재료(fiber-reinforced composite, FRC)는 경량성, 우수한 기계적 물성 등의 장점을 가지기 때문에 고강도, 고강성, 고내열성, 및 진동 및/또는 고내충격성의 소재를 필요로 하는 자동차 산업, 스포츠 용품 분야, 항공 우주 산업 등의 다양한 산업 분야에 널리 사용되고 있는데, 상기 섬유 강화 복합재료 중 FRP(fiber-reinforced plastic)로 대표되는 장섬유 강화 복합재료는 그 제조 방법에 제약이 따르며 기지로서 열경화성 수지를 사용하는 일방향성 재료가 중심이 되므로, 다방향 강도, 재활용성, 재가공성 등에서 문제점을 가지는 반면, 단섬유 강화 복합재료는 강화 섬유의 특성을 최대한 발휘할 수 있는 다방향 강도, 재활용성 및 재가공성을 가진다는 장점을 가진다.

현재, 단섬유 강화 복합재료를 제조함에 있어서, 보강 성분으로서 탄소 단섬유(carbon short fiber), 유리 섬유(glass short fiber) 등이 널리 사용되고 있다[특허문헌 0001 및 0002].

상기 탄소섬유는 탄소 원자의 결정 구조를 이용한 고강도 섬유로서 강철과 비교해 무게는 5분의 1 정도로 가볍지만, 강도는 10배 이상 강하기 때문에 강화 섬유로서 복합재료 생산에 가장 많이 이용되고 있으며, 특히, 최근 자동차 산업에서 친환경적, 저에너지 소비형 미래 자동차를 지향함에 따라 그 수요가 증가되고 있다. 그러나, 탄소섬유는 자동차 산업 분야를 비롯해 현재 널리 사용되는 용도를 고려할 때 너무나 고가이기 때문에 그 사용에 제약이 따른다.

또한, 상기 유리섬유는 규사(silica), 석회석(limestone), 붕사(borax) 등을 주성분으로 포함하며, 그 원료조성에 따라 A-glass(고알카리용), C-glass(화학용), E-glass(전기부품용), S-glass(고강도용) 등으로 나뉘는데, 유리섬유는 인장 강도가 우수하고, 가격이 저렴하다는 장점을 가지는 반면, 내화학성 및 내열성이 떨어지며 착색이 불가능하다는 단점을 가진다.

대한민국 공개특허공보 제10-1996-0017575호 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0115067호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래 단섬유 강화 복합재료의 강화 성분으로 널리 사용된 탄소 단섬유 또는 유리 단섬유를 대체할 수 있는 새로운 단섬유 강화 재료로서, 현무암 단섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 고분자 수지로 이루어진 기지 및 상기 기지 내에 분산된 현무암 단섬유(chopped basalt fiber) 포함하는, 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩을 제안한다.

또한, 본 발명은 (a) 현무암 단섬유(chopped basalt fiber)를 준비하는 단계; (b) 상기 현무암 단섬유를 표면 처리하는 단계; 및 (c) 상기 표면 처리된 현무암 단섬유를 고분자 수지와 혼합한 후 압출하는 단계를 포함하는 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 제조방법을 제안한다.

또한, 본 발명은 상기 마스터배치 칩 또는 상기 제조방법에 의해 제조된 마스터배치 칩을 이용해 제조되는 현무암 단섬유 강화 복합재료를 제안한다.

본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩은 기존에 섬유 강화 복합재료에서 강화 재료로서 주로 사용되던 탄소 단섬유 또는 유리 단섬유를 대체할 수 있는 현무암 단섬유를 강화재를 포함함으로써, 이를 이용해 현무암 단섬유 강화 복합재료를 제조할 경우 탄소 단섬유 포함 복합재료에 비해서는 제조 비용이 크게 절감되면서도 그에 견줄만한 강도를 가지며, 유리 단섬유 포함 복합재료에 비해서는 현저히 개선된 물성(우수한 내화학성 및 내열성 등)을 가지며, 현무암 단섬유가 균일하게 분산된 고품질의 섬유 강화 복합재료의 제조가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 제조방법에 포함되는 각 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본원 실시예에서 제조된 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 광학 카메라 사진이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩은 고분자 수지로 이루어진 기지(matrix) 및 상기 기지 내에 분산된 현무암 단섬유(chopped basalt fiber) 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 명세서에 있어서 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩이란, 섬유 강화 재료 및 고분자 수지를 원료로 압출이나 사출 등의 성형 방법을 통해 복합재료를 제조함에 있어서, 최종적으로 제조되는 섬유 강화 복합재료 내에서의 강화 섬유의 균일한 분산을 확보할 목적으로, 고분자 수지에 강화 섬유가 일정 농도로 농축, 분산된 펠렛(pellet), 슬립(slip) 등의 형태로 미리 제작되어 섬유 강화 복합재료의 제조에 제공되는 칩을 의미한다.

본 발명에 따른 마스터배치 칩에 포함되는 현무암 단섬유는 그 길이가 2 ~ 50mm이며, 직경이 9 ~ 24㎛일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 마스터배치를 이용하여 최종적으로 제조하고자 하는 현무암 단섬유 강화 복합재료의 특성을 고려하여 그 범위를 적절히 선택할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

참고로, 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩에 단섬유 형태로 포함되는 현무암 섬유는 전 세계에 분포돼 있는 불활성 암석인 현무암을 그 원료로 하는 차세대 광물섬유(mineral fiber)로서 무기 섬유의 일종이며, 화산작용에 의하여 지구내부에 있는 마그마가 지표로 유출되어 급격히 냉각, 응고 되어서 형성된 화성암인 현무암 원광을 약 1500℃ 부근의 온도에서 용융시켜 약 10^2.8 ~ 10³ poise의 점도를 가지는 용융액에서 노즐을 통해 사용 용도에 따라 9 ~ 24㎛의 초미세극사로 인발하여 만든 섬유를 말한다.

이와 같은 현무암 섬유는 자연친화적일 뿐만 아니라 우수한 내화학성 (내알칼리성, 내산성), 고강도, 내열성, 내수성, 흡음성, 높은 원적외선 방사율을 나타내 의료기기 및 침구류, 주방기기 등 생활용품 전반에 걸쳐 활용할 수 있으며, 900℃ 이상의 고온에서도 원형을 유지할 수 있어 방염복과 방화문 등 화재 관련 제품으로도 그 적용이 가능하다. 나아가, 군수산업이나 우주/항공산업 등으로도 그 적용범위를 확대할 수 있을 것으로 예상된다.

한편, 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 고분자 기지(matrix)는 열가소성 수지인 것이 바람직한데, 본 발명에 있어서 이러한 열가소성의 수지의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴리프로필렌 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, ABS 수지, 폴리페닐렌설파이드 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에테르이미드 수지 등일 수 있다.

다음으로, 위에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 제조방법에 대해 이하에서 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 제조방법은, (a) 현무암 단섬유(chopped basalt fiber)를 준비하는 단계; (b) 상기 현무암 단섬유를 표면 처리하는 단계; 및 (c) 상기 표면 처리된 현무암 단섬유를 고분자 수지와 혼합한 후 압출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 단계 (a)에서는 현무암 장섬유로부터 현무암 단섬유를 형성하는 단계로서, 현무암 단섬유의 형성이 가능하기만 하면 현무암 장섬유의 유형이나 이를 이용한 단섬유 형성 방법에 특별한 제약이 따르지 않는다. 예를 들어, 본 단계에서는 절단기(chopping machine)를 이용해 현무암 섬유 로빙(roving)을 용도에 맞게 2 ~ 50mm로 절단하여 현무암 단섬유를 형성할 수 있으며, 이때, 상기 현무암 섬유 로빙은 다이렉트 로빙(200, 400, 800, 3000, 6000 filament)이나 합사로빙(74, 444, 800, 1200, 3600 Tex) 중 그 어떤 것도 사용가능하다.

상기 단계 (b)에서는 절단한 현무암 단섬유를 표면 처리하는 단계로서, 구체적으로, 본 단계는 (b-1) 현무암 단섬유를 산 수용액에 분산시켜 일정 시간 유지하는 단계; (b-2) 상기 현무암 단섬유를 수세하는 단계; 및 (b-3) 상기 현무암 단섬유를 건조시키는 단계를 포함해 이루어질 수 있다.

상기 단계 (c)에서는 전 단계에서 얻어진 표면 처리된 현무암 단섬유를 공지의 방법에 따라 고분자 수지와 혼합한 후 압출하는 단계이다.

상기에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩을 이용해 섬유 강화 복합재료를 제조할 경우, 탄소 단섬유 포함 복합재료에 비해서 제조 비용이 크게 절감되면서도 그에 견줄만한 강도를 가지며, 유리 단섬유 포함 복합재료에 비해서 현저히 우수한 내화학성 및 내열성 등을 가지는, 현무암 단섬유가 고분자 기지 내에 균일하게 분산된 현무암 단섬유 강화 복합재료를제조할 수 있다.

아래에서 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

< 실시예 > 현무암 섬유 강화 복합재료의 제조

chopping기를 이용해 현무암 섬유 로빙(74 tex)을 약 3mm의 길이를 가지는 현무암 촙 섬유(chopped basalt fiber)로 절단한 후, 상기 현무암 촙 섬유 10g을 각기 다른 농도(0.1M, 1M 또는 2M)의 염산(HCl) 수용액 500ml에 분산시켰다가 원심분리를 통해 pH 7에 이를 때까지 수세한 후 80℃의 오븐에서 하루 동안 건조시켰다.

다음으로, 상기와 같이 얻어진 현무암 촙 섬유 5 wt%를 용융된 폴리프로필렌(PP) 수지 95%와 함께 압출기로 투입하여 압출을 수행하여 도 2에 도시된 슬립(slip) 형태의 균질하게 분산된 현무암 단섬유를 포함하는 마스터배치 칩을 제조하였다.

Claims

고분자 수지로 이루어진 기지 및 상기 기지 내에 분산된 현무암 단섬유(chopped basalt fiber) 포함하는, 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩.
제1항에 있어서, 상기 현무암 단섬유는 2 ~ 50mm의 길이 및 9 ~ 24㎛의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩.
제1항에 있어서, 상기 고분자 수지는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩.
제3항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, ABS 수지, 폴리페닐렌설파이드 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지 및 폴리에테르이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩.
(a) 현무암 단섬유(chopped basalt fiber)를 준비하는 단계;
(b) 상기 현무암 단섬유를 표면 처리하는 단계; 및
(c) 상기 표면 처리된 현무암 단섬유를 고분자 수지와 혼합한 후 압출하는 단계를 포함하는 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 단계 (a)에서 현무암 섬유 로빙(roving)을 절단하여 현무암 단섬유를 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 현무암 섬유 로빙은, 다이렉트 로빙(200, 400, 800, 3000 또는 6000 filament) 또는 합사로빙(74, 444, 800, 1200 또는 3600 Tex)인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 단계 (b)는 하기 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재료 제조용 마스터배치 칩의 제조방법:
(b-1) 현무암 단섬유를 산 수용액에 분산시켜 일정 시간 유지하는 단계;
(b-2) 상기 현무암 단섬유를 수세하는 단계; 및
(b-3) 상기 현무암 단섬유를 건조시키는 단계.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 마스터배치 칩 또는 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 마스터배치 칩을 이용해 제조되는 현무암 단섬유 강화 복합재료.