KR20160038543A - Fiber reinforced thermoplastic resin composites including filler and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a fiber-reinforced thermoplastic resin composite material containing filler, and to a production method thereof. the fiber-reinforced composite material which has improved mechanical properties and conductivity and is made of a filler, a polymeric resin, and a fibrous material. To this end, the production method comprises the following steps: producing a thermoplastic resin composition after dispersing and mixing a polymeric catalyst into a polymerizable thermoplastic resin; mixing the thermoplastic resin composition with the filler; spreading the same on the fibrous material; and in-situ polymerizing the same via heat application while impregnating the same into the fibrous material.

Description

필러를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합재료 및 그 제조 방법 {Fiber reinforced thermoplastic resin composites including filler and method for preparing the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fiber-reinforced thermoplastic resin composite material containing a filler,

본 명세서는 필러 및 섬유 직물이 동시에 혼입된 열가소성 수지 복합재료 및 그 제조방법에 관하여 기술한다.
This specification describes a thermoplastic resin composite material in which a filler and a fiber fabric are simultaneously mixed, and a manufacturing method thereof.

섬유 강화 복합 재료는 원자재의 특성과 복합재의 사용 용도, 크기 및 형상에 따라 다양한 방법으로 성형, 제조될 수 있다. 그 중 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법은 복잡한 형태의 탄소 섬유 강화 복합 재료를 성형하는 대표적인 방법이다. Fiber-reinforced composites can be molded and manufactured in a variety of ways depending on the nature of the raw materials and the intended use, size and shape of the composite. Among them, Resin Transfer Molding (RTM) method is a typical method for molding a complex type of carbon fiber reinforced composite material.

수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법에서는, 금형 캐비티(Cavity) 내에 섬유 매트나 직물을 위치시킨 후, 여기에 저점도 수지를 주입시켜서 성형 및 경화하는 과정을 거치게 된다.In the resin transfer molding (RTM) method, a fiber mat or a fabric is placed in a mold cavity, and then a low viscosity resin is injected into the mold to form and cure the resin mat.

그런데, 이러한 종래의 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법에 의하면, 수지의 주입 시간과 경화 시간에 따라 제품 제조 시간이 많이 지연된다. 특히, 수지의 장시간 경화가 요구되므로 제품 생산성이 저하되는 문제점이 있다. 이에 따라, 종래 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법은 실제 산업에의 적용이 제한적이었다.However, according to the conventional resin transfer molding (RTM) method, the production time of the product is delayed considerably depending on the resin injection time and the curing time. In particular, since the resin is required to be cured for a long time, there is a problem that product productivity is lowered. As a result, conventional resin transfer molding (RTM) methods have been limited to practical industries.

한편, 이러한 수지 이송 성형(RTM; Resin Transfer Molding) 방법 등의 성형 방법에 있어서, 수지로서 열경화성 수지를 사용하여 제조된 섬유 강화 열경화성 수지 복합 재료의 경우 한번 경화되면 다시 녹지 않기 때문에 내열 특성 및 기계적 물성이 뛰어나지만, 복잡한 형상의 제품에 적용하기 어렵고, 열경화 과정을 거치기 때문에 생산성이 떨어지며, 재생(Recycle)이 되지 않는 단점이 있다.On the other hand, in a molding method such as a resin transfer molding (RTM) method, a fiber-reinforced thermosetting resin composite material produced by using a thermosetting resin as a resin does not melt again once cured, But it is difficult to apply it to a product having a complicated shape and has a disadvantage in that the product is inferior due to heat curing process and does not recycle.

반면, 수지로서 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료는 사출(Injection molding)이나 압출 가공이 가능하여 다양한 형태의 제품 가공이 가능하고, 재생이 가능한 장점이 있다. 그러나, 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료는 용융물이 냉각됨에 따라 점도가 급격히 증가하게 되어 가공성이 떨어지므로 섬유 직물 등에 적절히 함침 되지 않는 단점이 있다. On the other hand, a fiber-reinforced thermoplastic resin composite material using a thermoplastic resin as a resin is capable of injection molding or extrusion processing, so that various types of products can be processed and reproduced. However, the fiber-reinforced thermoplastic resin composite material is disadvantageous in that it is not properly impregnated into a fiber fabric or the like because the viscosity of the fiber-reinforced thermoplastic resin composite material is rapidly increased as the melt is cooled.

위와 같은, 섬유로 강화된 열경화성 및/또는 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법의 단점을 보완하기 위하여 수십에서 수백 cps의 저용융점도를 갖는 중합 가능한 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate) 혹은 카프로락탐(Caprolactam) 혹은 올리고머 등의 열가소성 수지를 이용한 탄소 섬유 강화 복합 재료 제조 방법이 제안되었다. In order to overcome the disadvantages of the above-mentioned methods of producing a fiber-reinforced thermosetting and / or thermoplastic resin composite material, polymerizable CBT (Cyclic Butylene Terephthalate) or caprolactam or oligomer having a low melt viscosity of tens to hundreds of cps A method of manufacturing a carbon fiber reinforced composite material using the thermoplastic resin of the present invention has been proposed.

이러한 중합 가능한 열가소성 수지는 가열하여 용융되면 점도가 낮아져 수십에서 수백 cps의 저점도 용융액 상태로 되고, 이 후 지속적인 가열에 의하여 중합되어 고분자로 된다. 즉, 해당 열가소성 수지는 위와 같은 저점도 용융액 상태에서 섬유 직물 등에 함침 된 후 지속적인 가열을 통하여 중합되어 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료를 구성하게 되는 것이다.
When the polymerizable thermoplastic resin is heated and melted, the viscosity of the polymerizable thermoplastic resin becomes low, resulting in a low-viscosity melt state of several tens to several hundreds of cps. Thereafter, the polymerized thermoplastic resin is polymerized by continuous heating. That is, the thermoplastic resin is impregnated into a fabric or the like in the state of a low-viscosity melt as described above, and then polymerized through continuous heating to form a fiber-reinforced thermoplastic resin composite material.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0043519호Korean Patent Publication No. 10-2014-0043519 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0062849호Korean Patent Publication No. 10-2012-0062849

Composites Science and Technology 89 (2013) 29-37Composites Science and Technology 89 (2013) 29-37 Macromolecular Research 22 (2014) 528-533Macromolecular Research 22 (2014) 528-533

본 발명의 구현예들에서는 필러 예컨대, 금속 필러나 세라믹 필러 또는 카본 필러 특히 탄소나노튜브 또는 나노 그래핀 등의 나노 카본을 열가소성 수지 내에 포함하고 또한 섬유로 강화된 열가소성 수지 복합 재료에 있어서, 상기 전도성 필러의 함량이 열가소성 수지 내에 30 중량% 이상으로 고함량으로 함유할 수 있으면서도 이와 같은 고함량의 필러 및 열가소성 수지의 복합화 시 (특히 대량 생산의 경우) 발생하게 되는 필러의 분산 문제와 필러들 간의 응집, 불완전한 접착 등의 문제를 완화하면서, 또한 섬유 재료 (섬유 매트 혹은 직물)도 완전히 함침시켜 전기 및 열적 전도특성을 향상할 수 있는 필러를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
In embodiments of the present invention, in a thermoplastic resin composite material comprising a filler, for example, a metal filler, a ceramic filler or a carbon filler, particularly a nano-carbon such as carbon nanotube or nano-graphene, in a thermoplastic resin and reinforced with a fiber, The content of the filler can be contained in the thermoplastic resin in a high content of 30 wt% or more, and the dispersion problem of the filler occurring in the complexation of such a high amount of filler and thermoplastic resin (especially in mass production) To provide a fiber-reinforced thermoplastic resin composite material containing a filler capable of completely impregnating a fiber material (a fiber mat or a fabric) and improving electrical and thermal conduction characteristics while mitigating problems such as incomplete adhesion and the like, and a manufacturing method thereof do.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제1 단계; 필러와 상기 열가소성 수지 조성물을 혼합하여 섬유 재료에 도포 한 후 가열하여 중합 가능한 열가소성 수지를 인시츄 중합하고 필러 및 열가소성 수지 조성물을 섬유 재료에 함침시키는 제2 단계;를 포함하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법을 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention include a first step of preparing a thermoplastic resin composition by dispersing and mixing a polymerization catalyst in a polymerizable thermoplastic resin; And a second step of mixing the filler with the thermoplastic resin composition, applying the composition to a fiber material, heating the mixture to in situ polymerize the polymerizable thermoplastic resin, and impregnating the fiber material with the filler and the thermoplastic resin composition. A composite material manufacturing method is provided.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 필러, 고분자 수지 및 섬유 재료를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로서, 상기 고분자 수지는 중합 가능한 열가소성 수지가 중합된 것이고, 상기 중합 가능한 열가소성 수지는 중합 시 용융 점도가 저하하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료를 제공한다.
Exemplary embodiments of the present invention also include a fiber-reinforced composite material comprising a filler, a polymeric resin, and a fiber material, wherein the polymeric resin is a polymerizable thermoplastic resin, and the polymerizable thermoplastic resin has a melt viscosity The present invention provides a fiber-reinforced composite material containing a filler which is deteriorated in heat resistance.

본 발명의 구현예들에 따르면 전도성 필러를 30중량% 이상의 고함량으로 열가소성 수지 내에 포함시키더라도 필러를 고루 분산시키기 용이하고 동시에 섬유 재료(섬유 매트 혹은 직물)를 쉽게 완전히 함침시켜 전기 및 열 전도 특성이 향상된 섬유 강화 복합재료를 쉽고 빠르게 생산 할 수 있다. According to the embodiments of the present invention, even when the conductive filler is contained in the thermoplastic resin at a high content of 30 wt% or more, it is easy to disperse the filler uniformly and at the same time, the fiber material (fiber mat or fabric) This improved fiber-reinforced composite material can be produced easily and quickly.

또한, 본 발명의 구현예들에 따라 제조되는 필러를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합재료는 기계적 특성뿐만 아니라 전기 및 열전도 특성 특히 열전도 특성의 제반 물성이 향상될 수 있다.
In addition, the fiber-reinforced thermoplastic resin composite material containing the filler produced according to the embodiments of the present invention can improve not only the mechanical properties but also the electrical and thermal properties, especially the physical properties such as thermal conductivity.

도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 필러 (예:나노 카본)를 고함량으로 열가소성 수지(예:CBT) 내에 포함시킴과 동시에 섬유 매트 혹은 직물을 함침시키는 기계적 특성 및 전도 특성이 향상된 섬유 강화 복합재료 제조 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에서 제조된 기계적 특성 및 전도 특성이 향상된 섬유 강화 복합재료를 나타내는 사진이다(도 2a는 평면, 도 2b는 측면).
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the present invention in which a filler (e.g., nano-carbon) according to an embodiment of the present invention is contained in a thermoplastic resin (e.g., CBT) Fig. 2 is a schematic view showing a composite material manufacturing process.
Fig. 2 is a photograph showing a fiber reinforced composite material improved in mechanical properties and conduction characteristics produced in embodiments of the present invention (Fig. 2A is a plan view, and Fig. 2B is a side view).

이하, 본 발명의 예시적 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이에 의해 본 발명이 제한되지 않는다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, it is to be understood that the present invention is not limited thereto.

본 명세서에서 중합 가능한 열가소성 수지란 가열하여 용융되면 점도가 낮아지고 계속 가열하면 중합되어 고분자 수지로 되는 열가소성 수지를 의미한다. In the present specification, the polymerizable thermoplastic resin means a thermoplastic resin which is lowered in viscosity when heated and melted, and is polymerized when heated continuously to form a polymer resin.

본 명세서에서 인시츄(in-situ) 중합이란 중합 가능한 열가소성 수지가 가열에 의하여 용융되고 중합되어 고분자 수지로 되는 것을 의미한다. In this specification, in-situ polymerization means that a polymerizable thermoplastic resin is melted by heating and polymerized to form a polymer resin.

본 명세서에서 나노 카본이란 크기가 나노 단위(1000nm 이하)이면서, 분자 수준에서 결합할 수 있는 탄소 기반 물질을 의미한다. In this specification, nano-carbon means a carbon-based material having a size in nanometers (1000 nm or less) and capable of bonding at a molecular level.

본 명세서에서 매트릭스란 열가소성 수지로 이루어지는 매트릭스를 의미한다.In this specification, a matrix means a matrix made of a thermoplastic resin.

본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 섬유와 고분자 수지로 구성된 섬유 혼입 복합재료는 기계적 특성이 상대적으로 우수한 섬유 혼입물의 연속적인 구조로 인해 복합재료의 기계적 특성이 월등히 향상될 수 있으나, 섬유의 전도성 정도와 관계없이 섬유가 고분자 수지에 함침 되는 구조이기 때문에 복합재료의 전도성은 우수하지 못하게 된다. According to the results of the inventors' study, the fiber-reinforced composite material composed of the fiber and the polymer resin has a continuous structure of the fiber mixture having a relatively good mechanical property, so that the mechanical properties of the composite material can be remarkably improved. However, Since the fiber is impregnated in the polymer resin regardless of the structure, the conductivity of the composite material is not excellent.

한편, 필러 및 고분자 수지로 구성된 복합재료의 경우, 전도성 필러 간 퍼콜레이션 (percolation) 이 유도될 수 있는 함량 이상으로 혼입하면 복합재료는 우수한 전도 특성을 나타낼 수 있다. 그러나, 이러한 복합 재료는 기계적 특성의 향상이 제한적이 되고 대부분의 경우 구조용 소재로의 적용이 불가능하게 된다. 한편, 필러를 섬유와 함께 함침하는 경우 필러의 분산 내지 응집 등의 문제는 더 큰 이슈가 될 수 있다. On the other hand, in the case of a composite material composed of a filler and a polymer resin, the composite material can exhibit excellent conduction characteristics when it is mixed with the conductive filler in an amount exceeding that of percolation induction. However, the improvement of the mechanical properties of such a composite material is limited, and in most cases, it is impossible to apply it as a structural material. On the other hand, when the filler is impregnated with the fibers, the problem of dispersion or agglomeration of the filler can be a bigger issue.

본 발명의 구현예들에서는 중합 촉매와 중합 가능한 열가소성 수지를 일차적으로 분산, 혼합한 조성물(바람직하게는 파우더 형태의 조성물)에, 필러(바람직하게는 파우더 형태의 필러)를 혼합(mixing)하고, 동시에 섬유 재료(예컨대, 섬유 매트 혹은 직물)에 도포한 후 인시츄(in-situ) 중합하여 기계적 특성 및 전기 전도 및 열 전도 특성이 크게 향상된 섬유 강화 복합 재료를 제공한다.In the embodiments of the present invention, a filler (preferably a powder type filler) is mixed with a composition (preferably a powder type composition) in which a polymerization catalyst and a polymerizable thermoplastic resin are primarily dispersed and mixed, And at the same time, it is applied to a fiber material (for example, a fiber mat or a fabric) and then in-situ polymerized to provide a fiber-reinforced composite material having greatly improved mechanical properties and electrical conductivity and heat conduction properties.

이에 따라 상기 필러, 열가소성 수지 및 섬유 재료의 복합 재료를 제조 특히 대량 생산으로 제조하는 경우에도, 해당 필러 함량을 섬유를 제외하고도 적어도 30중량% 이상으로 고함량으로 함유하도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 이와 같이 고함량으로 함유하며 또한 섬유 재료와 함께 복합 재료 내에 포함되더라도 필러의 분산 문제와 필러들 간의 응집이나 접촉 불량 등의 문제점 등을 완화할 수 있으며, 기계적 특성, 열적 특성 및 전기적 특성 등의 제반 물성, 특히 열적 특성이 크게 향상된 기계적 특성 및 전도 특성이 향상된 섬유 강화 복합 재료를 얻을 수 있다. Accordingly, even when the composite material of the filler, the thermoplastic resin and the fiber material is produced by the production, particularly the mass production, the filler content can be contained at a high content of at least 30% by weight or more, excluding the fibers. In addition, even if it is contained in such a high content and contained in the composite material together with the fiber material, it is possible to alleviate the dispersion problem of the filler and the problems such as cohesion or poor contact between the fillers, and the mechanical properties, And a fiber reinforced composite material improved in mechanical properties and conduction characteristics, in particular, thermal properties, can be obtained.

본 발명의 구현예들에 따른 필러 및 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 방법은, 중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계, 필러와 상기 열가소성 수지 조성물을 혼합하고 섬유 재료에 도포한 후 (필요에 따라 반복적으로 적층하여 두께를 두껍게 할 수 있다) 가열하여 인시츄 중합함과 동시에 섬유 내에 함침하는 단계를 포함한다. The method for producing a filler and a fiber-reinforced thermoplastic resin composite material according to embodiments of the present invention includes the steps of preparing a thermoplastic resin composition by dispersing and mixing a polymerization catalyst in a polymerizable thermoplastic resin, mixing the filler and the thermoplastic resin composition, (Which can be repeatedly laminated and thickened as necessary) to the material, and then heating to impregnate the fibers with the in situ polymer.

이하, 각 단계 별로 설명한다. 필러 중 나노 카본은 특히 고함량화와 고분산을 유도하기가 상대적으로 더 어렵기 때문에 본 발명의 구현예들이 유용하게 적용될 수 있다는 점에서, 이하에서는 필러 중 특히 나노 카본을 중심으로 설명한다. 그러나, 다른 필러들 예컨대 탄소 기반이 아닌 다른 재질의 필러(예컨대 금속 필러나 세라믹 필러들 등)와 나노 사이즈가 아닌 마이크로 사이즈의 필러 등 모든 종류의 필러를 고분자 수지 복합 재료 내에서 고함량으로 함유하면서도 고분산하는데 본 발명의 구현예들이 적합하게 사용될 수 있다. 또한, 상기 필러 들은 하나 또는 그 이상의 조합을 사용할 수 있다. Each step will be described below. Since the nano-carbon in the filler is relatively difficult to induce particularly high content and high dispersion, the embodiments of the present invention may be usefully applied. In particular, the nano-carbon among the fillers will be mainly described below. However, other fillers such as fillers of other materials (e.g., metal fillers or ceramic fillers) other than carbon-based fillers and micro-sized fillers other than nano-sized fillers are contained in a high content in the polymer resin composite material Embodiments of the present invention may be suitably used for high dispersion. In addition, the fillers may use one or more combinations.

도 1은 본 발명의 예시적인 일구현예에 따른 필러(예: 나노카본)를 함유하는 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료 제조 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a schematic illustration of a process for making fiber-reinforced thermoplastic resin composites containing fillers (e.g., nanocarbons) according to one illustrative embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 구현예에서는 우선 중합 가능한 열가소성 수지 및 중합 촉매(1: 열가소성 수지 및 중합 촉매를 1로 표시함)를 믹서(10) 등을 이용하여 분산 혼합하여 열가소성 수지 조성물(2)을 제조한다.1, in one embodiment of the present invention, a polymerizable thermoplastic resin and a polymerization catalyst (1: a thermoplastic resin and a polymerization catalyst are represented by 1) are dispersed and mixed using a mixer (10) or the like to obtain a thermoplastic resin Composition (2) is prepared.

상기 중합 가능한 열가소성 수지는 이후 상기 필러 및 섬유 강화 열가소성 수지 복합재료 제조단계에서 나노 카본에 침투 및 섬유 재료(예컨대, 섬유 매트 혹은 직물 등)에 함침이 용이하도록 저 용융 점도를 가지는 것을 사용하도록 한다.The polymerizable thermoplastic resin is then used to infiltrate the nanocarbon in the step of preparing the filler and the fiber-reinforced thermoplastic resin composite material and to have a low melt viscosity to facilitate impregnation into a fiber material (e.g., a fiber mat or fabric).

즉, 상기 중합 가능한 열가소성 수지는 용융 점도가 예컨대, 수십에서 수백 cps의 저 용융 점도를 가지는 것으로서, 예컨대 CBT(Cyclic Butylene Terephthalate), 카프로락탐(Caprolactam) 또는 올리고머(Oligomer) 수지일 수 있다. 상기 CBT는 중합 후 PBT(Polybutylene Terephtalate)가 될 수 있고, 상기 카프로락탐은 중합 후 폴리아미드 수지(나일론 수지)가 될 수 있으며, 상기 올리고머 수지는 중합 후 고분자 수지가 될 수 있다. 특히 CBT 및 카프로락탐 수지는 내열성과 기계적 강도가 우수하여 복합 재료로서 적합하다. That is, the polymerizable thermoplastic resin has a low melt viscosity of, for example, several tens to several hundreds of cps, For example, CBT (Cyclic Butylene Terephthalate), Caprolactam, or Oligomer resin. The CBT may be polybutylene terephthalate (PBT) after polymerization, the caprolactam may be a polyamide resin (nylon resin) after polymerization, and the oligomer resin may be a polymer resin after polymerization. Particularly, CBT and caprolactam resins are excellent in heat resistance and mechanical strength, and are suitable as composite materials.

상기 열가소성 수지는 파우더 또는 펠릿 형태를 사용할 수 있지만, 후술하는 섬유강화 복합재료 제조 시 파우더 혼합(powder mixing) 후 인시츄 중합을 하는 것이 고함량의 필러(특히 나노 카본)를 고분산시키는 것에 바람직하다는 관점에서, 열가소성 수지는 파우더(Powder) 형태인 것이 바람직하다.The thermoplastic resin may be in the form of a powder or pellets. However, it is preferable to conduct in situ polymerization after powder mixing in the production of a fiber-reinforced composite material to be described later, in order to highly disperse a high amount of filler (especially nano-carbon) It is preferable that the thermoplastic resin is in the form of a powder.

상기 중합 촉매는 중합 가능한 열가소성 수지와 혼합되어 열가소성 수지 조성물을 구성하게 되는 것으로서, 열가소성 수지의 중합 반응을 유도 및 촉진할 수 있는 것이다. The polymerization catalyst is mixed with a polymerizable thermoplastic resin to form a thermoplastic resin composition, and is capable of inducing and promoting the polymerization reaction of the thermoplastic resin.

예시적인 구현예에서, 중합 촉매로서 Titanates 및 Stannoxanes 등을 사용할 수 있으며, 특히 사산화티타늄(TiO4)을 사용할 수 있다. In an exemplary embodiment, Titanates and Stannoxanes may be used as the polymerization catalyst, and titanium tetraoxide (TiO 4 ) may be used in particular.

상기 중합 촉매는 열가소성 수지 조성물 중 예컨대 약 0.02~1mol%, 보다 구체적으로 예컨대 약 0.5mol%로 분산 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조할 수 있다. The polymerization catalyst may be dispersed and mixed in, for example, about 0.02 to 1 mol%, more specifically about 0.5 mol%, of the thermoplastic resin composition to prepare a thermoplastic resin composition.

상기 제조된 열가소성 수지 조성물(2)은 나노 카본(3)과 thinky mixer(20) 등을 이용하여 혼합된다. The thermoplastic resin composition (2) is mixed with the nano-carbon (3) and the thinky mixer (20).

나노 카본(3)과 혼합된 열가소성 수지 조성물(2)의 중합 가능한 열가소성 수지는 용융 시 점도가 현저히 떨어지면서 나노 카본 사이로 함침되어 고른 분산을 가능하게 하면서 동시에 혼입된 섬유 재료 (예컨대, 섬유 매트 혹은 직물 등)에 고른 함침을 유도한 후 중합되어 나노 카본을 고함량으로 매트릭스 내에 포함한 섬유 강화 복합재료를 제조하게 된다. The polymerizable thermoplastic resin of the thermoplastic resin composition (2) mixed with the nano-carbon (3) is impregnated with the nano-carbons so that the viscosity can be remarkably decreased upon melting, and at the same time, Etc.) and then polymerized to produce a fiber-reinforced composite material containing a high amount of nano-carbon in the matrix.

이에 따라 나노 카본은 열가소성 수지 및 나노 카본에 대하여 30중량% 이상의 고함량으로 함유되는 경우에도 분산이 양호하고 나노 카본들간 접촉 불량을 방지할 수 있고 또한 섬유 매트 혹은 직물 등의 섬유 재료에도 고르게 함침되어 복합 재료의 물성을 향상시킬 수 있다. Accordingly, even when the nano-carbon is contained in a high content of 30% by weight or more with respect to the thermoplastic resin and the nano-carbon, the dispersion is satisfactory and the poor contact between the nano-carbons can be prevented and the fiber material such as a fiber mat or fabric is uniformly impregnated The physical properties of the composite material can be improved.

예시적인 구현예에서, 상기 섬유 재료로는 섬유 매트 또는 섬유 직물을 사용할 수 있고, 예컨대 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 글라스 섬유(Glass fiber) 매트를 1층 이상 적층한 것을 사용할 수 있다.In an exemplary embodiment, the fiber material may be a fiber mat or a fiber fabric, for example, carbon fiber (Carbon fiber) or glass fiber mat (laminated one or more layers).

예시적인 구현예에서, 열가소성 수지와 함께 사용되는 필러는, 재질에 제한이 되지 않지만, 금속 필러, 세라믹 필러 및 카본 필러 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 카본 필러일 수 있다.In an exemplary embodiment, the filler used with the thermoplastic resin is not limited to a material, but may be at least one selected from a metal filler, a ceramic filler, and a carbon filler, and may be a carbon filler.

상기 카본 필러는 마이크로미터 사이즈일 수 있지만, 나노 카본일 수 있다. 전술한 바와 같이 특히 탄소나노튜브나 나노 그래핀 등과 같은 나노 카본의 경우 고분자 수지 복합 재료 중에서 고함량으로 포함되도록 하면서 동시에 분산성을 높이는 것이 어렵다. 그러나, 본 발명의 구현예들에 의하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다.The carbon filler may be of micrometer size, but may be nano-carbon. As described above, in particular, in the case of nano-carbon such as carbon nanotubes and nano-graphene, it is difficult to increase the dispersibility while allowing the polymeric resin composite material to have a high content. However, these problems can be solved by embodiments of the present invention.

예시적인 구현예에서, 상기 나노 카본은 탄소나노튜브(CNT), 나노 그래핀(Graphene) 및 나노 그래핀 산화물(Graphene Oxide)로 이루어지는 나노 카본 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 또한, 나노 카본은 상기 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그래핀 산화물 등의 나노 카본이 열 처리, 과산화수소 처리 또는 왕수 처리 등을 거친 것일 수 있다. In an exemplary embodiment, the nano-carbon may be at least one selected from a group of nano-carbon materials consisting of carbon nanotube (CNT), nano-graphene (Graphene) and nano-graphene oxide (Graphene Oxide). The nano-carbon may be one obtained by subjecting the nano-carbon such as the carbon nanotube, graphene or graphene oxide to heat treatment, hydrogen peroxide treatment, or water treatment.

예시적인 구현예에서, 상기 나노 카본은 최종 복합 재료 내의 나노 카본의 고른 분산을 위하여 바람직하게는 파우더 형태이다.In an exemplary embodiment, the nano-carbon is preferably in the form of a powder for even dispersion of the nano-carbon in the final composite material.

열가소성 수지 조성물과 나노 카본을 혼합하는 방법은 열가소성 수지 조성물과 나노 카본이 균일하게 혼합될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.The method of mixing the thermoplastic resin composition and the nano-carbon is not particularly limited as long as the thermoplastic resin composition and the nano-carbon can be uniformly mixed.

예시적인 구현예에서 상기 혼합 과정은 씽키 믹서(Thinky mixer) 또는 볼 밀(Ball mill) 등을 이용하여 이루어질 수 있다. In an exemplary embodiment, the mixing process may be performed using a Thinky mixer or a ball mill.

상기 혼합 후, 인시츄 중합을 진행한다. 즉, 열가소성 수지 조성물(2)과 나노 카본(3)을 혼합한 혼합물(4)을 섬유 매트 혹은 직물 등의 섬유 재료 (5) 위에 도포한 후(섬유 재료의 섬유 사이에 고르게 분산/분포시키고, 이를 반복하여 원하는 두께 (예컨대, 수 mm ~ 수 cm) 적층물을 성형기(또는 중합기)(30)에 제공하고 인시츄 중합하여 나노 카본 및 고분자 수지를 포함하고 섬유로 강화된 복합 재료를 제조한다. 이와 같이 인시츄 중합 과정을 거치면, 전술한 바와 같이 나노 카본들 사이에 고분자 수지가 고르게 침투, 동시에 섬유 매트 혹은 직물에 함침됨으로써 나노 카본이 고르게 분산된 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다. After the mixing, the in situ polymerization proceeds. That is, the mixture (4) obtained by mixing the thermoplastic resin composition (2) and the nano-carbon (3) is applied on a fiber material (5) such as a fiber mat or a fabric (evenly distributed / This is repeated to provide a laminate having a desired thickness (for example, several mm to several cm) to a molding machine (or polymerizer) 30 and to perform in situ polymerization to produce a composite material containing nano-carbon and polymer resin and reinforced with fibers . As described above, when the in situ polymerization is carried out, the polymer resin is uniformly penetrated between the nano-carbons and impregnated with the fiber mat or fabric, so that the nano-carbon is evenly dispersed.

중합 가능한 열가소성 수지는 고온에서 중합이 빨리 진행되고 저온에서 중합이 느리게 진행된다. 따라서, 해당 열가소성 수지의 중합 시작 온도 이상 열 분해 전 온도의 범위로 가열하도록 한다. 또한 중합 가능한 열가소성 수지는 단 시간 내에 중합 시작 온도로 가열하고, 중합 시작 온도 내지 열분해 전 온도에서 일정 시간 유지한 후, 급속 냉각하는 것이 바람직하다. The polymerizable thermoplastic resin undergoes polymerization at a high temperature at a high temperature and proceeds slowly at a low temperature. Therefore, the thermoplastic resin is heated to a temperature within the range of the polymerization initiation temperature and the pre-thermal decomposition temperature of the thermoplastic resin. Further, it is preferable that the polymerizable thermoplastic resin is heated to the polymerization initiation temperature within a short time and maintained at the polymerization initiation temperature to the pre-pyrolysis temperature for a certain period of time, followed by rapid cooling.

예컨대 CBT는 130℃ 부근에서 용융되고 150℃ 이상에서 중합이 진행되기 시작하여 고온일수록 빨리 진행되지만 260℃를 초과하는 경우 열분해 될 수 있으므로, 단 시간(예컨대 0초 초과 30초 이하의 시간)내에 해당 온도 범위(예컨대 150℃ 내지 260℃)로 가열하고, 일정 시간 유지(예컨대, 1분 내지 24시간, 가능한 유지 시간은 작도록 하는 것이 바람직하다)한 후, 급속(예컨대, 0초 내지 60 초 이하의 시간)으로 냉각하도록 한다. For example, CBT is melted at about 130 ° C. and polymerization proceeds at 150 ° C. or higher. As the temperature is higher, the polymerization proceeds faster. When the temperature exceeds 260 ° C., pyrolysis can occur. (For example, from 0 seconds to 60 seconds or less) after heating to a temperature range (e.g., 150 to 260 占 폚) and maintaining a certain time (for example, 1 to 24 hours, Of time).

예시적인 구현예에서, 상기한 인 시츄 중합을 위한 가열 및 냉각 과정을 금형의 온도 조절을 이용하여 수행할 수 있다. 즉, 상기 열가소성 수지 조성물과 나노카본을 혼합하여 혼합물을 제조한 후, 섬유 매트 혹은 직물 등의 섬유 재료에 도포한 뒤, 이를 금형에 투입하고, 상기 금형을 0초 초과 내지 30초 이하의 단시간 동안 150℃ 내지 260℃ 범위의 온도를 가지도록 급속 가열한 후, 상기 온도 범위 내에서 1분 내지 24시간 유지한다. 상기 유지 과정 이후, 상기 금형을 상온으로 0초 초과 내지 60초 이하의 시간 동안 급속 냉각시킬 수 있다. 상기 가열 속도 또는 냉각 속도는 예를 들어, 초당 40℃ 내지 50℃일 수 있다. In an exemplary embodiment, the heating and cooling processes for the in situ polymerization described above can be performed using temperature control of the mold. That is, the thermoplastic resin composition and the nano-carbon are mixed to prepare a mixture, the mixture is applied to a fiber material such as a fiber mat or a fabric, the mixture is introduced into a mold, and the mold is heated for a short period of time Rapidly heated to have a temperature in the range of 150 to 260 ° C, and then maintained within the temperature range for 1 minute to 24 hours. After the holding process, the mold may be rapidly cooled to room temperature for a time of more than 0 seconds to 60 seconds or less. The heating rate or cooling rate may be, for example, 40 ° C to 50 ° C per second.

예시적인 구현예에서, 상기 금형을 230 ℃의 온도로 가열하고, 해당 가열 온도에서 10분 동안 유지하도록 하는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, it is preferred that the mold is heated to a temperature of 230 캜 and maintained at the heating temperature for 10 minutes.

상기와 같이 급속히 금형을 가열하고, 일정 시간 유지한 후 단시간에 냉각하는 경우, 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료를 고속 제조할 수 있게 되므로 대량 생산하는데 유리하다. 또한, 금형만이 급속 냉각되기 때문에 제품 물성에 영향을 줄 수 있는 요인들을 차단할 수 있어 균일한 물성의 복합 재료를 제조하는 것이 유리하다.When the mold is rapidly heated and maintained for a predetermined period of time as described above and then cooled for a short time, it is advantageous to mass-produce the fiber-reinforced composite material in which a high content of nano-carbon is incorporated. In addition, since only the mold is rapidly cooled, it is possible to block factors that may affect the physical properties of the product, and it is advantageous to produce a composite material having uniform physical properties.

예시적인 구현예에서, 상기 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료 제조 시 가열과 더불어 압력을 가하여 열 압착(hot pressing)을 수행할 수 있다. 이러한 열 압착은 열압 성형 금형 내에서 이루어질 수 있다.In an exemplary embodiment, hot pressing may be performed by applying pressure while heating to produce a fiber-reinforced composite material having a high content of the nano-carbon. Such thermocompression can be accomplished in a thermoforming mold.

상기 설명한 바와 같이 제조되는 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합 재료는 나노 카본의 함량이 고함량인 경우에도(예컨대 30중량% 이상) 나노 카본(필러)를 복합재료의 메트릭스 내에 고르게 분산시킬 수 있다. 특히 파우더 형태의 나노 카본 및 파우더 형태의 열가소성 수지 조성물(중합 촉매 및 중합 가능한 열가소성 수지가 분산 및 혼합된 조성물)을 혼합 즉 파우더 혼합한 후, 이를 인시츄 중합하는 것에 의하면 나노 카본의 함량이 고함량인 경우에도 섬유 강화 복합재료의 메트릭스 내에서 매우 고른 분산을 유도하는 것에 특히 바람직하다. 이에 따라 최종 제조되는 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료의 물성이 크게 향상될 수 있다. 특히 열 전도도 면에 있어서 월등한 효과를 가지도록 할 수 있다. 예컨대, 상기 제조되는 나노카본이 고함량으로 혼입된 섬유 강화 복합재료는 면방향으로 뛰어난 열전도도(20W/m·K 이상)와 기계적 특성(예컨대, 500Mpa 이상의 인장 강도)를 나타낼 수 있다. The fiber-reinforced composite material in which the nano-carbon produced as described above is incorporated in a high content can be obtained by dispersing the nano-carbon (filler) evenly in the matrix of the composite material even when the content of the nano- . Particularly, when the nano-carbon and powder-type thermoplastic resin composition (the composition in which the polymerization catalyst and the polymerizable thermoplastic resin are dispersed and mixed) are mixed, that is, the powder is mixed and then the in situ polymerization is carried out, , It is particularly preferable to induce a very uniform dispersion in the matrix of the fiber-reinforced composite material. Accordingly, the physical properties of the fiber-reinforced composite material mixed with the nano-carbon to be produced at a high content can be greatly improved. It is possible to obtain a superior effect particularly in terms of thermal conductivity. For example, a fiber reinforced composite material having a high content of the nano-carbon produced may exhibit excellent thermal conductivity (20 W / m · K or more) and mechanical properties (for example, tensile strength of 500 Mpa or more) in the planar direction.

또한, 상기 얻어진 복합 재료는 다양한 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어, LED 방열구조체, 노트북 및 휴대폰 케이스 및 방열 특성을 요구하는 자동차 부품 및 스프레이 코팅 등의 방법으로 도색성이 요구되는 구조용 부품 등에서 유용하게 활용될 수 있다. Further, the obtained composite material can be usefully used in various fields. For example, it can be usefully used in LED heat-radiating structure, notebook and cellular phone case, automobile parts requiring heat-dissipating characteristics, and structural parts requiring paintability by methods such as spray coating.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 예시적인 구현예들을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail by way of examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예Example

(1) 열가소성 수지 조성물 제조(1) Production of thermoplastic resin composition

본 실시예에 따른 나노 카본 및 고분자 수지 복합 재료의 제조를 위해서, 필러와 열가소성 수지로 Cyclics 사에서 공급받은 CBT 0.6g(시편 하나당 사용량)에 중합 촉매인 사산화티타늄(TiO4)을 분산 혼합하였다. 상기 사산화티타늄은 상기 열가소성 조성물의 0.5몰%로 포함되었다. For the production of the nano-carbon and polymer resin composite material according to the present embodiment, titanium tetraoxide (TiO 4 ) as a polymerization catalyst was dispersed and mixed in 0.6 g of CBT supplied from Cyclics as a filler and a thermoplastic resin . The titanium tetraoxide was contained in an amount of 0.5 mol% of the thermoplastic composition.

상기 필러로는 XG science에서 공급받아 특별한 전처리 과정을 거치지 않은 Graphene nano platelet (GNP, M5)를 준비하였다(실시예 1).As the filler, Graphene nano platelets (GNP, M5) supplied from XG science and not subjected to a special pretreatment process were prepared (Example 1).

또한, 필러로서 상기 GNP 외에 카본 블랙(CB)(실시예 2), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)(실시예 3), 그라파이트(Graphite)(실시예 4), 피치 카본 피버(pitch CF)(실시예 5)를 사용해 보았다. 각 실시예의 함량은 표 1에 표시하였다. 각 실시예들에서 섬유(carbon fiber)는 공통적으로 76wt%를 사용하였다. 필러의 각 함량(12wt% 또는 3wt%) 및 섬유 함량(76wt%) 외 나머지는 열가소성 수지이다(12wt% 또는 21wt%). 한편, 비교예로서, 열가소성 수지만을 이용한 경우(비교예 1) 및 열가소성 수지에 필러를 넣지 않고 섬유 강화만을 수행한 경우(비교예 2)를 대비하였다.
In addition to the GNP as the filler, carbon black CB (Example 2), multiwall carbon nanotubes (MWCNT) (Example 3), graphite (Example 4), pitch carbon fiber (pitch CF) Example 5) was used. The contents of each example are shown in Table 1. In each of the examples, carbon fiber was commonly used in an amount of 76 wt%. (12 wt% or 3 wt%) and fiber content (76 wt%) and the remainder is thermoplastic resin (12 wt% or 21 wt%). On the other hand, as a comparative example, the case where only thermoplastic water was used (Comparative Example 1) and the case where only the fiber reinforcing was performed without adding a filler to the thermoplastic resin (Comparative Example 2) was prepared.

(2) (2) 나노카본이Nano-carbon 고함량으로With high content 혼입된 섬유 강화 복합재료의 제조 Manufacture of incorporated fiber-reinforced composites

상기 나노 카본과 상기 열가소성 수지 조성물의 혼합물을 탄소섬유 직물 (한국카본, CF-3327EPC) 에 균일하게 도포한 후, 반복 공정을 통해 적층하여 시편 두께를 조절한 후 230℃로 가열한 후, 20MPa 압착 압력에서 10분간 압착 성형하여 중합 반응을 유도(인시츄 중합)하여 진행하였고, 이를 완료하였다. The mixture of the nano-carbon and the thermoplastic resin composition was uniformly applied to a carbon fiber fabric (Korean Carbon, CF-3327EPC), laminated through repeated processes to adjust the thickness of the specimen, heated to 230 캜, The polymerization reaction was induced by compression molding at the pressure for 10 minutes (in situ polymerization), and the polymerization was completed.

참고로, 도 2는 본 발명의 실시예1에서 제조된 전도성이 향상된 필러 및 섬유 강화 열가소서 수지 복합 재료를 나타내는 사진이다(도 2a는 평면, 도 2b는 측면).
2 is a photograph showing the conductive improved filler and fiber reinforced thermosetting resin composite material produced in Example 1 of the present invention (FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a side view).

(3) (3) 나노카본이Nano-carbon 고함량으로With high content 혼입된 섬유 강화 복합재료의 물성 Properties of Fiber-Reinforced Composites Contained

시트의 전기전도도와 열전도도는 각각 4-point probe 방법 및 hot-disk 방법에 의해 측정되었다. 또한, 나노카본이 고함량으로 혼입된 필러 및 섬유 강화 열가소성 수지의 복합 재료의 기계적 특성은 만능인장시험기를 이용하여 측정되었다. The electrical conductivity and thermal conductivity of the sheet were measured by the 4-point probe method and the hot-disk method, respectively. In addition, the filler and the fiber-reinforced thermoplastic resin composite material mixed with a high content of the nano- The mechanical properties were measured using a universal tensile tester.

표 1은 본 발명의 실시예들에서 제조된 제조된 필러 및 섬유 강화 열가소성 수지 복합 재료의 전기전도도, 열전도도 및 인장강도를 나타내는 것이다.
Table 1 shows the electrical conductivity, thermal conductivity and tensile strength of the prepared filler and fiber-reinforced thermoplastic composite material prepared in the examples of the present invention.

함량(wt%)Content (wt%) 열전도도Thermal conductivity 전기전도도Electrical conductivity 인장강도The tensile strength 등방(W/m·K)Isotropic (W / m · K) 면(W/m·K)The surface (W / m · K) S/mS / m (MPa)(MPa) 비교예 1
(수지만 포함)
Comparative Example 1
(Including resin only)
0.180.18 -- -- 9090
비교예 2
(섬유 강화 수지)
Comparative Example 2
(Fiber reinforced resin)
0.690.69 1.651.65 00 440440
실시예 1
GNP (12wt%)
Example 1
GNP (12wt%)
5.125.12 35.4235.42 21202120 505505
실시예 2
CB
(3wt%)
Example 2
CB
(3 wt%)
0.950.95 2.582.58 120120 445445
실시예 3
MWCNT
(12wt%)
Example 3
MWCNT
(12 wt%)
0.570.57 2.262.26 12001200 495495
실시예 4
Graphite
(12wt%)
Example 4
Graphite
(12 wt%)
1.891.89 4.074.07 780780 460460
실시예 5
Pitch CF
(12wt%)
Example 5
Pitch CF
(12 wt%)
3.853.85 8.468.46 13501350 500500

표 1에서 알 수 있듯이, 최종 제조된 복합 재료트의 전기적, 열적, 기계적 특성은 메트릭스 내에 혼입된 나노 카본 필러의 함량에 비례하여 증가하였으며, 90 wt% 함량에서 각각 2120 S/m, 35.42 W/m·K 및 505 MPa의 뛰어난 전기전도도, 열전도도 및 인장강도를 나타내었다. As can be seen in Table 1, the electrical, thermal and mechanical properties of the finally produced composite strands increased in proportion to the content of nanocarbon fillers incorporated into the matrix, and 90 wt% The results showed excellent electrical conductivity, thermal conductivity and tensile strength of 2120 S / m, 35.42 W / m · K and 505 MPa, respectively.

이와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예들을 통해, 필러를 고함량으로 메트릭스 내에 고분산 시켜 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 전기 및 열적 전도특성을 향상시킨 섬유 강화 복합재료를 쉽고 빠르게 제조할 수 있다.
Thus, through the exemplary embodiments of the present invention, the filler can be highly dispersed in the matrix with a high content to easily and quickly produce a fiber-reinforced composite material having excellent mechanical properties as well as improved electrical and thermal conduction characteristics.

Claims (23)

중합 가능한 열가소성 수지에 중합 촉매를 분산 및 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 제1 단계;
필러와 상기 열가소성 수지 조성물을 혼합하여 섬유 재료에 도포 한 후 가열하여 중합 가능한 열가소성 수지를 인시츄 중합하고 필러 및 열가소성 수지 조성물을 섬유 재료에 함침시키는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
A first step of dispersing and mixing a polymerization catalyst in a polymerizable thermoplastic resin to prepare a thermoplastic resin composition;
And a second step of mixing the filler with the thermoplastic resin composition and applying the filler and the thermoplastic resin composition to a fiber material and heating the mixture to in situ polymerize the polymerizable thermoplastic resin and impregnating the filler and the thermoplastic resin composition into the fiber material. By weight based on the total weight of the fiber reinforced composite material.
제 1항에 있어서,
섬유 재료의 섬유 사이에 필러 및 열가소성 수지 조성물이 함침되는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that a filler and a thermoplastic resin composition are impregnated between the fibers of the fiber material.
제 1 항에 있어서,
파우더 형태의 열가소성 수지 조성물 및 파우더 형태의 필러를 혼합하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
A method for producing a fiber-reinforced composite material containing a filler, which comprises mixing a thermoplastic resin composition in powder form and a filler in powder form.
제 1 항에 있어서,
상기 필러는 필러 및 열가소성 수지 총 중량에 대하여 30중량% 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the filler comprises at least 30% by weight based on the total weight of the filler and the thermoplastic resin.
제 1 항에 있어서,
상기 필러는 필러 및 열가소성 수지 총 중량에 대하여 30중량% 내지 95wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the filler is contained in an amount of 30 wt% to 95 wt% based on the total weight of the filler and the thermoplastic resin.
제 1 항에 있어서,
상기 복합 재료 제조 시, 상기 열가소성 수지를 용융하여 필러 사이에 함침한 후 열가소성 수지의 중합 개시 온도 이상 열분해 되기 전 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoplastic resin is melted and impregnated between the fillers at the time of producing the composite material, followed by heating to a temperature before pyrolysis of the thermoplastic resin at a polymerization initiation temperature or higher.
제 6 항에 있어서,
가열 시 압력을 더 가하여 열 압착하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 6,
Characterized in that a pressure is further applied during heating to thermocompression.
제 1 항에 있어서,
상기 중합 가능한 열가소성 수지는 CBT(Cyclic Butylene Terephtalate), 카프로락탐(Caprolactam) 또는 올리고머(Oligomer) 수지인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the polymerizable thermoplastic resin is a cyclic butylene terephthalate (CBT), a caprolactam, or an oligomer resin.
제 6 항에 있어서,
상기 중합 가능한 열가소성 수지는 CBT이고,
금형 내에 필러와 열가소성 수지 조성물의 혼합물을 섬유 재료의 섬유 사이에 투입한 후 금형 내에서 인시츄 중합을 수행하는 것이고,
상기 금형을 0초 초과 30초 이하의 시간 내에 150 내지 260℃의 온도로 가열하고, 해당 가열 온도에서 1분 내지 24 시간 동안 가열을 유지한 후, 상기 금형을 상온까지 0초 초과 60초 이하의 시간 내에 냉각하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 6,
The polymerizable thermoplastic resin is CBT,
A mixture of a filler and a thermoplastic resin composition is injected between fibers of a fiber material and then the in situ polymerization is carried out in the mold,
The mold is heated to a temperature of 150 to 260 ° C. within a time period of not less than 0 seconds but not longer than 30 seconds and the mold is maintained at a heating temperature for 1 minute to 24 hours, Wherein the fiber-reinforced composite material is cooled within a predetermined period of time.
제 1 항에 있어서,
중합 촉매로 사산화티타늄(TiO4)를 사용하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that titanium dioxide (TiO 4 ) is used as a polymerization catalyst.
제 1 항에 있어서,
상기 필러는 금속 필러, 세라믹 필러 및 카본 필러 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the filler is at least one selected from a metal filler, a ceramic filler, and a carbon filler.
제 1 항에 있어서,
상기 필러는 나노 카본인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the filler is nanocarbon. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제 12 항에 있어서,
상기 나노 카본은 탄소나노튜브(CNT), 나노 그래핀(Graphene) 및 나노 그래핀 옥사이드(GO, Graphene Oxide)로 구성되는 나노 카본 그룹에서 선택되는 하나 이상이거나, 또는 상기 나노 카본 그룹에서 선택되는 하나 이상이 열 처리, 과산화수소 처리 또는 왕수(regal water) 처리된 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
13. The method of claim 12,
The nano-carbon may be at least one selected from a nano-carbon group consisting of carbon nanotubes (CNT), nano-graphene and nano-graphene oxide (GO) Or more is treated with heat treatment, hydrogen peroxide treatment or regal water treatment.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유 재료는 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 글라스 섬유(Glass fiber)로 이루어진 매트를 1층 이상 적층한 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합재료 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the fiber material is a laminate of one or more mats made of a carbon fiber or a glass fiber.
필러, 고분자 수지 및 섬유 재료를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로서,
상기 고분자 수지는 중합 가능한 열가소성 수지가 중합된 것이고, 상기 중합 가능한 열가소성 수지는 중합 시 용융 점도가 저하하는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
A fiber-reinforced composite material comprising a filler, a polymer resin and a fiber material,
Wherein the polymer resin is a polymerizable thermoplastic resin, and the polymerizable thermoplastic resin has a lowered melt viscosity upon polymerization.
제 15 항에 잇어서,
상기 필러는 필러 및 열가소성 수지 총 중량에 대하여 30중량% 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
15. The method of claim 15,
Wherein the filler is contained in an amount of 30% by weight or more based on the total weight of the filler and the thermoplastic resin.
제 15 항에 있어서,
섬유 재료의 섬유 사이에 필러 및 열가소성 수지가 분포된 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
16. The method of claim 15,
Characterized in that a filler and a thermoplastic resin are distributed between the fibers of the fiber material.
제 15 항에 있어서,
상기 섬유 재료는 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 글라스 섬유(Glass fiber)로 이루어진 매트가 1층 이상 적층된 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
16. The method of claim 15,
Wherein the fiber material comprises one or more layers of mats made of carbon fiber or glass fiber.
제 15 항에 있어서,
상기 필러는 금속 필러, 세라믹 필러 및 카본 필러 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
16. The method of claim 15,
Wherein the filler is at least one selected from a metal filler, a ceramic filler, and a carbon filler.
제 19 항에 있어서,
상기 필러는 카본 필러인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
20. The method of claim 19,
Wherein the filler is a carbon filler.
제 20 항에 있어서,
상기 카본 필러는 나노 카본인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
21. The method of claim 20,
Wherein the carbon filler is a nano-carbon.
제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복합재료의 열전도도는 20 W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
22. The method according to any one of claims 15 to 21,
Wherein the thermal conductivity of the composite material is 20 W / m · K or more.
제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복합재료의 인장강도가 500 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 필러를 함유하는 섬유 강화 복합 재료.
22. The method according to any one of claims 15 to 21,
Wherein the composite material has a tensile strength of 500 MPa or more.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101952932B1 (en) * 2017-11-29 2019-02-27 울산과학기술원 Method of manufacturing carbon fiber-polymer resin composite
KR20190055596A (en) * 2017-11-15 2019-05-23 (주)엘지하우시스 Method for manufacturing fiber-reinforced composite material and fiber-reinforced composite material prepared by the same
KR102129415B1 (en) * 2019-01-16 2020-07-02 성균관대학교산학협력단 Conductive composites and electrionic device including the same
KR20200109593A (en) * 2019-03-13 2020-09-23 경상대학교산학협력단 Thermoplastic resin matrix fiber and carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite having excellent impregnation property produced therefrom and manufacturing method thereof

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100856137B1 (en) 2007-08-08 2008-09-02 제일모직주식회사 Electro-conductive thermoplastic resin compositions and articles manufactured therefrom

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190055596A (en) * 2017-11-15 2019-05-23 (주)엘지하우시스 Method for manufacturing fiber-reinforced composite material and fiber-reinforced composite material prepared by the same
KR101952932B1 (en) * 2017-11-29 2019-02-27 울산과학기술원 Method of manufacturing carbon fiber-polymer resin composite
KR102129415B1 (en) * 2019-01-16 2020-07-02 성균관대학교산학협력단 Conductive composites and electrionic device including the same
KR20200109593A (en) * 2019-03-13 2020-09-23 경상대학교산학협력단 Thermoplastic resin matrix fiber and carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic composite having excellent impregnation property produced therefrom and manufacturing method thereof

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