KR20150091928A - 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물, 이를 이용한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물, 이를 이용한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물, 이를 이용한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용도에 맞는 특히 백색가전의 외장 부품으로써 사용 가능하며, 탄소섬유 강화 복합재료 고유의 우수한 기계적 물성의 유지함으로써 다양한 기계적 강도가 요구되는 부품에 이용이 가능하고 또한 성형품의 도색공정과 같은 추가 공정 없이 제작 가능한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물, 이를 이용한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물, 이를 이용한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품 및 이의 제조방법{CARBON FIBER REINFORCED THERMOPLASTIC COMPOSITION, CARBON FIBER REINFORCED THERMOPLASTIC USING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물, 이를 이용한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용도에 맞는 특히 백색가전의 외장 부품으로써 사용 가능하며, 탄소섬유 강화 복합재료 고유의 우수한 기계적 물성의 유지함으로써 다양한 기계적 강도가 요구되는 부품에 이용이 가능하고 또한 성형품의 도색공정과 같은 추가 공정 없이 제작 가능한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물, 이를 이용한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자제품 및 자동차용 부품에 복합재료를 적용하고자 하는 시도가 1990년대부터 지속적으로 이루어져 왔다. 이는 복합재료의 우수한 내구성과 내충격성 등의 기계적 물성을 전자제품 및 자동차용 부품에 적용하고자 하는 것이었다. 이러한 이유로 유리섬유 강화 복합재료를 시작으로 2000년대부터 탄소섬유의 우수한 기계적 강도 및 탄소섬유라는 고급스러운 이미지를 이용하고자 전자제품 및 자동차용 부품으로의 적용시도가 현재까지 지속적으로 시도되고 있고 시제품 단계를 거쳐 양산화 및 판매되고 있다.
그러나 전자제품군 중에서 백색가전이라 불리우는 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 전자제품 시장과 자동차부품 중에서 조향장치, 사이드미러 커버, 기어박스 등에서는 유리섬유 강화 복합재료로의 부품화는 이미 많은 연구를 거쳐 적용되고 있지만, 탄소섬유 강화 복합재료는 실질적으로 많이 적용되고 있지 못하고 있다.
최근 탄소섬유에 대한 관심이 높아지면서 탄소섬유 강화 복합재료에 대한 시장의 기대와 적용 영역이 점차 확대되고 있는 실정이다. 그로 인해 자동차, 해양, 건축물 등의 분야로 확대되고 있으며 최근에는 전자제품으로도 확대되고 있는 실정이다. 특히 2000년대부터 일본에서 노트북 케이스를 시작으로 최근 OLED용 티비 케이스까지 전자제품의 부품으로써 적용이 확대되고 있다고 할 수 있다.
그러나 탄소섬유는 제조방법 중 탄화처리라는 고유의 특징으로 인해 탄소섬유 강화 복합재료는 전부 탄소섬유 고유의 색상인 검정색을 나타내고 있다.
전자제품 중 백색가전이라고 할 수 있는 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 부품이나 자동차 내·외장재 중에 탄소섬유 강화 복합재료의 우수한 기계적 물성과 경량화 효과로 인해 적용하고자 하는 시도가 있었으나 탄소섬유 강화 복합재료의 고유 색상으로 인해 외장부품이나 외부로 돌출된 부품에는 적용이 제한적이었다.
따라서 탄소섬유 강화 복합재료는 탄소섬유의 고유 색상으로 인해 특히 착색이 필요한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품으로 적용하기 위해서는 복합재료의 부품으로써의 성형공정 이후에도 표면 연마공정을 거쳐 도색공정이 필요로 하기 때문에 백색가전을 생산하는 업체로서는 추가 공정비용이 소요된다는 단점이 있었다. 즉 탄소섬유 강화 복합재료는 고유 색상으로 인한 적용 확대에 한계를 갖고 있고, 이를 해결하고자 유기안료 또는 무기안료를 첨가하여 탄소섬유 강화 복합재료를 착색하고자 하는 시도는 현재까지 많았으나 안료 첨가로 인한 기계적 강도 저하로 인해 본래의 용도에 맞는 제품을 만들기가 매우 어려운 문제점이 있었다. 이는 탄소섬유 강화 복합재료에 유기안료 혹은 무기안료를 첨가함으로써 착색이 가능하나 유기안료의 경우 부가 반응에 의한 물성저하를 야기하고, 무기안료의 경우 마이크로사이즈 이상의 크기에서는 유기안료와 마찬가지로 물성저하를 일으킬 수 있기 때문이다.
본 발명은 탄소섬유 강화 복합재료 중 최근 전자제품 및 자동차용 부품으로 사용이 확대되고 있는 탄소섬유 강화 열가소성 제품의 고유 색상으로 인한 제한적 사용 문제와 무기 안료 첨가로 인한 기계적 물성 저하 문제를 해결하고자 무기안료 특히 티타늄다이옥사이드로 착색하여도 우수한 기계적 물성을 갖는 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물 및 이를 이용한 성형품을 제조하는데 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 용도에 맞는 특히 백색가전의 외장 부품으로써 사용 가능하며, 탄소섬유 강화 복합재료 고유의 우수한 기계적 물성의 유지함으로써 다양한 기계적 강도가 요구되는 부품에 이용이 가능하고 또한 성형품의 도색공정과 같은 추가 공정 없이 제작 가능한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물, 이를 이용한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.
상기 목적은, 탄소섬유와 열가소성 수지 조성물로서 열가소성 수지 및 무기안료를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물에 의해 달성된다.
여기서, 상기 무기안료는 티타늄다이옥사이드(TiO2, Titanium Dioxide)인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 티타늄다이옥사이드의 크기는 100~600nm인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 열가소성 수지 조성물은 상기 열가소성 수지 100중량에 대하여 상기 무기안료 0.1 내지 20중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 열가소성 수지의 상대점도는 2.0~3.0인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 탄소섬유의 직경은 6 내지 8마이크로미터이고, 길이는 10 내지 6000마이크로미터이며, 종횡비 (Aspect ratio)는 0.16 내지 1000인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물 전체 100중량에 대해 상기 탄소섬유는 10중량% 내지 50중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적은, 상술한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 사출공정을 통해 성형한 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품에 의해 달성된다.
또한 상기 목적은, 열가소성 수지에 무기안료인 티타늄다이옥사이드를 용융 및 혼련하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제1단계와, 탄소섬유를 사이징제로 표면 처리하는 제2단계와, 상기 열가소성 수지 조성물과 상기 표면처리된 탄소섬유를 압출기에서 혼련하여 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물의 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 티타늄다이옥사이드의 크기는 100~600nm인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 탄소섬유의 직경은 6 내지 8마이크로미터이고, 길이는 10 내지 6000마이크로미터이며, 종횡비 (Aspect ratio)는 0.16 내지 1000인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1단계의 상기 열가소성 수지 조성물은 상기 열가소성 수지 100중량에 대하여 상기 무기안료 0.1 내지 20중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제3단계의 상기 탄소섬유의 함유량은 상기 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물 전체 100중량에 대해 10중량% 내지 50중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 용도에 맞는 특히 백색가전의 외장 부품으로써 사용 가능하며, 탄소섬유 강화 복합재료 고유의 우수한 기계적 물성의 유지함으로써 다양한 기계적 강도가 요구되는 부품에 이용이 가능한 등의 효과가 있다.
이로 인해 본 발명은 성형품의 도색공정과 같은 추가 공정 없이 제작 가능한 등의 효과를 가진다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 무기안료인 티타늄다이옥사이드(TiO2) 함량에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품의 색상 변화를 나타낸 사진이다.
도 2는 무기안료인 티타늄다이옥사이드가 첨가된 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품의 단면을 나타낸 SEM사진이다.
도 3은 무기안료인 티타늄다이옥사이드가 첨가된 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품의 SEM-EDX 측정 결과이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다.
본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
달리 기술되지 않는다면, 모든 백분율, 부, 비 등은 중량 기준이다. 또한 양, 농도, 또는 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위 또는 바람직한 상한치와 바람직한 하한치의 목록 중 어느 하나로 주어질 경우, 이것은 범위가 별도로 개시되는 지에 관계없이 임의의 상한 범위 한계치 또는 바람직한 값과 임의의 하한 범위 한계치 또는 바람직한 값의 임의의 쌍으로부터 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 수치 값의 범위가 본 명세서에서 언급될 경우, 달리 기술되지 않는다면, 그 범위는 그 종점 및 그 범위 내의 모든 정수와 분수를 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 범주는 범위를 정의할 때 언급되는 특정 값으로 한정되지 않는 것으로 의도된다.
용어 "약"이라는 용어가 값 또는 범위의 종점을 기술하는 데 사용될 때, 본 개시 내용은 언급된 특정의 값 또는 종점을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "포함하다(comprise)", "포함하는(comprising)", "구비하다(include)", "구비하는(including) ", "함유하는(containing)", "~을 특징으로 하는(characterized by)", "갖는다(has)", "갖는(having)"이라는 용어들 또는 이들의 임의의 기타 변형은 배타적이지 않은 포함을 커버하고자 한다. 예를 들어, 요소들의 목록을 포함하는 공정, 방법, 용품, 또는 기구는 반드시 그러한 요소만으로 제한되지는 않고, 명확하게 열거되지 않거나 그러한 공정, 방법, 용품, 또는 기구에 내재적인 다른 요소를 포함할 수도 있다. 또한, 명백히 반대로 기술되지 않는다면, "또는"은 포괄적인 '또는'을 말하며 배타적인 '또는'을 말하는 것은 아니다.
출원인이 "포함하는"과 같은 개방형 용어로 발명 또는 그 일부를 정의한 경우, 달리 명시되지 않는다면 그 설명이 "본질적으로 이루어진"이라는 용어를 이용하여 그러한 발명을 설명하는 것으로도 해석되어야 함이 쉽게 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물은 탄소섬유와 열가소성 수지 조성물을 포함한다. 여기서 열가소성 수지 조성물은 열가소성 수지 및 무기안료를 포함하는 것이다.
전자제품 및 자동차용 부품의 복합재료로써 열가소성 수지를 매트릭스로 하는 복합재료가 주로 사용된다. 이는 사출성형을 통한 고속 및 대량 생산에 가장 적합한 것이 열가소성 수지이기 때문이다.
이러한 열가소성 수지를 매트릭스로 하는 탄소섬유 강화 복합재료는 압출공정 및 사출 공정 시 탄소섬유가 분산되기 매우 어려운데, 그 이유는 매트릭스 수지로 사용되는 열가소성 수지와 탄소섬유 간의 비중차이가 커서 탄소섬유가 분산성이 떨어지는 문제가 발생하기 때문이다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결한 것에 있다.
본 발명에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 이용한 성형품은 크게 열가소성 수지 마스터배치 제조, 탄소섬유가 분산된 열가소성 수지 펠렛 제조 및 사출성형을 통한 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품 제조와 같이 세가지 방법으로 나눌 수 있다.
[열가소성 수지 마스터배치 제조]
탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물용 열가소성 수지 마스터배치 칩을 제조함에 있어서 무기안료인 티타늄다이옥사이드는 열가소성 수지 100중량에 대하여 1에서 20중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다. 무기안료의 함량이 1중량부 미만인 경우 본 발명에서 해결하고자 하는 그레이 색상을 구현할 수 없다는 단점이 있고, 20중량부를 초과하는 경우 무기안료인 티타늄다이옥사이드의 매트릭스 내에서 분산성이 떨어지고, 탄소섬유와 컴파운딩 공정을 거쳐 성형품 제조 시 성형품의 기계적 물성이 떨어진다는 단점이 있기 때문이다.
본 발명에서 사용되는 열가소성 수지로는 ABS, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르이미드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌옥사이드, 변성폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르케톤 또는 이들 수지의 알로이(alloy) 등, 거의 모든 열가소성 수지를 사용할 수 있다. 그리고 좀 더 바람직하게 폴리아미드계로서는 나일론6, 나일론6.6, 나일론6.9, 나일론6.10, 나일론 6.11, 나일론6.12, 나일론6T, 나일론6/6.6, 나일론6/12, 나일론6/6T, 나일론6T/6I, 나일론MXD6 등을 들 수 있고, 복수 종의 폴리아미드 수지를 사용하는 것이 가능하나 나일론6 혹은 나일론6.6이 가장 보편적이며 바람직하다.
마스터배치용 폴리아미드 수지의 상대점도는 2.0∼3.0이 적절하나 더욱 바람직하게는 상대점도가 2.4∼2.8이 적절하다. 상대점도가 2.0 미만인 경우 폴리아미드 수지의 분자량이 낮아 성형품의 기계적 물성 저하 및 표면특성이 나빠진다는 단점이 있고, 상대점도가 3.0를 초과할 경우 용융 흐름성이 저하되어 티타늄다이옥사이드의 균일한 분산성을 얻기 어렵기 때문이다.
열가소성 수지와 무기안료인 티타늄다이옥사이드를 일정한 혼합비로 혼합한 후 압출기를 통과시키면 용융·혼련되어 본 발명에서 설명하고 있는 열가소성 수지 마스터배치(열가소성 수지 조성물)가 제조된다.
[탄소섬유가 분산된 열가소성 수지 펠렛]
본 발명에 있어서는, 범용적인 강도 2000∼7000㎫, 탄성율 150∼500㎬를 가지는 탄소섬유가 통상 사용되나, 특히 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 탄소섬유가 분산된 열가소성 수지 펠렛의 제조방법에 있어서 사용되는 탄소섬유속은, 단섬유 데니르가 0.3∼2.0데니르, 바람직하게는 0.6~1.0데니르, 필라멘트수가 20,000∼150,000개로 이루어지는 다필라멘트 탄소섬유로, 1m당 0∼10회의 꼬임을 가지는 탄소섬유를 사용할 수 있다.
바람직하게는 탄소섬유의 직경은 6 내지 8마이크로미터이고, 길이는 10 내지 6000마이크로미터이며, 종횡비 (Aspect ratio)는 0.16 내지 1000인 탄소섬유를 사용할 수 있다.
탄소섬유가 분산된 열가소성 수지 펠렛의 원료가 되는 촙드 탄소섬유 제조 프로세스에 따라서 취급성을 개선하기 위한 1차 사이징제를 0.1∼2.0중량％ 부여하여 건조된 탄소섬유속을 촙드 탄소섬유의 원료로서 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에 사용하는 사이징제는, 집속성을 부여할 수 있는 것이면, 열경화성 수지, 열가소성 수지 중 어느 것이라도 좋다.
예컨대, 우레탄수지, 에폭시수지, 우레탄변성에폭시수지, 에폭시변성우레탄수지, 폴리에스테르수지, 페놀수지, 폴리아미드수지, 폴리카보네이트수지, 폴리이미드수지, 폴리에테르이미드수지, 비스말레이미드수지, 폴리술폰수지, 폴리에테르술폰수지, 폴리비닐알콜수지, 폴리비닐피롤리돈수지, 폴리아크릴수지, 또는 이들 수지의 단독 또는 혼합이다. 이들 수지는, 수분산액 또는 수용액으로서 사용한다. 또한, 수분산액 또는 수용액에는 약간의 용제를 함유하고 있어도 좋다.
또한 본 발명에 있어서, 사이징제가 에폭시수지인 것도 바람직하다. 에폭시수지는, 매트릭스수지와의 접착성이나 내열성이 우수한 사이징제이다. 에폭시수지를 단독으로 사용하는 것도 바람직하나, 우레탄수지와 병용하면 촙드 탄소섬유의 집속성이 더욱 향상되기 때문에 바람직하다.
본 발명에 있어서, 우레탄수지라 함은, 디이소시아네이트와 이소시아네이트기와 반응성의 수소원자를 갖는 화합물 폴리올의 부가중합에 의하여 얻어진다.
에폭시수지로서는, 아민류, 페놀류 등을 전구체로 하는 에폭시수지가 바람직하다.
구체적으로는, 아민류를 전구체로 하는 에폭시수지로서, 테트라글리시딜디아민디페닐메탄, 트리글리시딜-p-아미노페놀, 트리글리시딜-m-아미노페놀, 트리글리시딜아미노크레졸이 열거된다. 페놀류를 전구체로 하는 에폭시수지로서는, 비스페놀A형 에폭시수지, 비스페놀F형 에폭시수지, 비스페놀S형 에폭시수지, 페놀노볼락형 에폭시수지, 크레졸노볼락형 에폭시수지, 레조르시놀형 에폭시수지가 열거된다.
에폭시수지는, 대부분이 수불용성인 것이므로 수분산계로서 사용된다. 이때, 고분자량의 에폭시수지에 저분자량의 에폭시수지를 병용하면 분산안전성이 향상한다. 또한, 사이징제를 부여한 섬유의 유연성도 향상하고, 공정통과성이 좋게되어 바람직하다.
본 발명의 촙드 탄소섬유를 강화제로서 사용함으로써, 뛰어난 탄소섬유가 분산된 열가소성 수지 펠렛을 제조할 수가 있다.
따라서 위와 같이 제조된 촙드 탄소섬유와 열가소성 수지 마스터배치를 원료로써 압출기에서 혼련 공정을 거쳐 본 발명에서 제조하고자 하는 탄소섬유가 분산된 열가소성 수지 펠렛(탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물)을 제조할 수 있다.
상기 제조방법을 통해 촙드 탄소섬유 함유량과 티타늄다이옥사이드의 함유량을 조절함으로써 우수한 기계적 물성을 갖고 있는 그레이 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 제조할 수 있다. 본 발명에서는 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물 전체 100중량에 대해 탄소섬유 10중량% 내지 50중량%를 포함하는 것이 바람직한데, 탄소섬유의 함량이 10중량% 미만인 경우 강화섬유로써 성형품의 기계적 물성의 강화효과가 낮다는 단점이 있고 50중량%를 초과하는 경우 사출 공정시 용융점도가 높아 사출 금형 내에서 원하는 섬유 분산 상태와 섬유길이, 섬유배향을 얻기 어려워 기계적 물성이 크게 감소한다는 단점이 있기 때문이다.
또한 압출공정으로 통해 제조된 그레이 탄소섬유 강화 열가소성 수지 펠렛을 이용하여 사출공정으로 통해 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품을 제조할 수 있다. 도 1은 무기안료인 티타늄다이옥사이드(TiO2) 함량에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품의 색상 변화를 나타낸 사진으로서 티타늄다이옥사이드의 함량이 증가할수록 탄소섬유 고유의 색을 버리고 착색되는 것을 확인할 수 있고, 도 2는 무기안료인 티타늄다이옥사이드가 첨가된 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품의 단면을 나타낸 SEM사진이며 도 3은 무기안료인 티타늄다이옥사이드가 첨가된 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품의 SEM-EDX 측정 결과이다.
[실시예 및 비교예]
본 발명에서는 하기 표 1과 같이 탄소섬유 함유량과 티타늄다이옥사이드의 함유량이 조절된 그레이 탄소섬유 강화 열가소성 수지 펠렛을 이용하여 사출 성형을 통해 기계적 물성을 측정할 수 있는 시편(성형품)을 제조하여 비교하였다. 한편, 비교예 11은 탄소섬유 대신 유리섬유를 사용한 성형품에 관한 것이다.
구분 매트릭스 강화섬유[wt%] TiO2 [wt%]
실시예 1 PA6.6 CF30% 1%
실시예 2 PA6.6 CF30% 3%
실시예 3 PA6.6 CF30% 5%
실시예 4 PA6.6 CF30% 10%
실시예 5 PA6.6 CF10% 5%
실시예 6 PA6.6 CF20% 5%
실시예 7 PA6.6 CF30% 5%
실시예 8 PA6.6 CF40% 5%
실시예 9 PA6.6 CF50% 5%
실시예 10 PA6 CF10% 5%
실시예 11 PA6 CF20% 5%
실시예 12 PA6 CF30% 5%
실시예 13 PA6 CF40% 5%
실시예 14 PA6 CF50% 5%
비교예 1 PA6 CF10% 0%
비교예 2 PA6 CF20% 0%
비교예 3 PA6 CF30% 0%
비교예 4 PA6 CF40% 0%
비교예 5 PA6 CF50% 0%
비교예 6 PA6.6 CF10% 0%
비교예 7 PA6.6 CF20% 0%
비교예 8 PA6.6 CF30% 0%
비교예 9 PA6.6 CF40% 0%
비교예 10 PA6.6 CF50% 0%
비교예 11 PA6.6 GF60 0%
상기 실시예 1 내지 14 및 비교예 1 내지 11에 따른 그레이 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 사용하여 다음과 같은 실험예를 통해 물성을 측정하고 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다. 본 발명에서는 사출성형 특성상 사출성형 조건에 따라 성형품의 기계적 물성이 달라지는 문제점을 배제하기 위해 동일한 사출성형 조건으로 실시한 시편을 평가하였다.
[실험예]
인장강도[MPa]의 평가방법: ASTM-D638
굴곡강도[MPa]의 평가방법: ASTM-D790
굴곡탄성율[GPa]의 평가방법: ASTM-D790
충격강도[KJ/m2]의 평가방법: ASTM-D256
비중[g/cc]의 평가방법: ASTM-D792
구분 인장강도 굴곡강도 굴곡탄성율 충격강도 비중
실시예 1 223 238 12.3 9.6 1.28
실시예 2 221 236 12.1 9.4 1.28
실시예 3 220 234 11.9 9.7 1.29
실시예 4 217 231 13.3 10.1 1.30
실시예 5 189 208 7.2 5.6 1.19
실시예 6 208 223 10.2 7.7 1.24
실시예 7 220 234 11.9 9.7 1.29
실시예 8 235 243 12.7 10.5 1.34
실시예 9 243 251 13.2 11.3 1.37
실시예 10 158 183 5.9 4.8 1.19
실시예 11 178 199 8.9 6.7 1.24
실시예 12 192 211 10.8 8.7 1.29
실시예 13 206 218 11.3 9.7 1.33
실시예 14 213 226 12.1 10.2 1.38
비교예 1 160 185 6 5 1.17
비교예 2 180 200 9 7 1.23
비교예 3 194 213 10.9 8.8 1.27
비교예 4 207 220 11.5 9.8 1.32
비교예 5 215 228 12.2 10.3 1.36
비교예 6 190 210 7.5 5.8 1.18
비교예 7 210 225 10.4 7.9 1.23
비교예 8 223 236 12.1 9.9 1.28
비교예 9 237 245 12.9 10.7 1.32
비교예 10 245 253 13.4 11.5 1.36
비교예 11 215 230 11.0 8.4 1.78
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1~4를 보면 TiO2함량에 따라 인장·굴곡·충격강도는 소폭 감소하나 TiO2의 함량이 10wt% 이상될 때에는 굴곡탄성률의 경우 향상되는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 TiO2의 함량이 10wt% 미만일 경우에는 물성 저하의 원인으로 작용하나, 10wt% 이상일 경우에는 TiO2가 강화제로 작용하여 굴곡탄성률이 상승하는 것으로 판단된다.
실시예 5~14를 보면 탄소섬유의 함량이 변하더라도 비교예 1~10을 동시 비교하였을 때에도 탄소섬유 강화 열가소성 성형품의 우수한 기계적 물성을 저하시키지 않는다는 것을 확인하였다.
비교예 11의 경우 유리섬유 60wt%을 첨가하였을 때보다 TiO2를 첨가한 탄소섬유 강화 열가소성 성형품의 기계적 물성이 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.
이를 통하여 무기안료로써 TiO2가 첨가된 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품의 기계적 물성이 유리섬유 강화 열가소성 수지 성형품 대비 뛰어나고, TiO2가 첨가되지 않은 성형품 대비 동등한 물성을 유지 가능하다는 것을 알 수 있었다.
따라서 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 이용하여 제조된 전자제품용 부품은 무기안료 첨가로 인해 용도에 맞는 특히 백색가전의 외장 부품으로써 사용 가능하며, 탄소섬유 강화 복합재료 고유의 우수한 기계적 물성의 저하를 방지함으로써 다양한 기계적 강도가 요구되는 부품에 이용이 가능하다. 이로 인해 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 이용한 성형품은 자동차용 내장재와 외장재, 냉장고 힌지부, 세탁기 힌지부, 에어컨 루바 및 대형 TV 받침대 등과 같은 다양한 전자제품에 적용될 수 있을 것이다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims (13)

  1. 탄소섬유와,
    열가소성 수지 조성물로서 열가소성 수지 및 무기안료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 조성물의 상기 무기안료는 티타늄다이옥사이드(TiO2, Titanium Dioxide)인 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 티타늄다이옥사이드의 크기는 100~600nm인 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 조성물은 상기 열가소성 수지 100중량에 대하여 상기 무기안료 0.1 내지 20중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지의 상대점도는 2.0~3.0인 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 직경은 6 내지 8마이크로미터이고, 길이는 10 내지 6000마이크로미터이며, 종횡비 (Aspect ratio)는 0.16 내지 1000인 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 함유량은 상기 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물 전체 100중량에 대해 10중량% 내지 50중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 사출공정을 통해 성형한 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 성형품.
  9. 열가소성 수지에 무기안료인 티타늄다이옥사이드를 용융 및 혼련하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제1단계와,
    탄소섬유를 사이징제로 표면 처리하는 제2단계와,
    상기 열가소성 수지 조성물과 상기 표면처리된 탄소섬유를 압출기에서 혼련하여 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 티타늄다이옥사이드의 크기는 100~600nm인 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 직경은 6 내지 8마이크로미터이고, 길이는 10 내지 6000마이크로미터이며, 종횡비 (Aspect ratio)는 0.16 내지 1000인 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1단계의 상기 열가소성 수지 조성물은 상기 열가소성 수지 100중량에 대하여 상기 무기안료 0.1 내지 20중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계의 상기 탄소섬유의 함유량은 상기 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물 전체 100중량에 대해 10중량% 내지 50중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소섬유 강화 열가소성 수지 조성물의 제조방법.
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