KR20160072944A - 고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유에 사이징제를 부여한 후 탄소섬유 와인딩 전에 섬유를 가열 및 가압하여 사폭의 확대와 균일성을 향상시켜서 고강도 탄소섬유 복합재료를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법{Method for preparing high performance carbon fiber-reinforced composite}

본 발명은 고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 탄소섬유에 사이징제를 부여한 후 탄소섬유 와인딩 전에 섬유를 가열 및 가압하여 사폭의 확대와 균일성을 향상시켜서 고강도 탄소섬유 복합재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

건축, 자동차, 전자재료 분야에 걸쳐 물성 개선된 고성능 소재에 대한 요구가 증가함에 따라 경량, 고강도, 고탄성율 등의 물성을 갖는 소재를 개발하려는 연구가 활발하다. 이에 종래에 이용되는 소재에 강화재를 첨가한 복합재료를 이용하려는 시도가 다양하게 전개되고 있는데 이러한 강화재의 한 종류가 탄소섬유로서 그 응용분야가 급속하게 확장되고 있는 실정이다.

탄소섬유란 탄소원자의 질량 함유율이 92% 이상으로 이루어진 섬유장의 탄소재료를 일컬으며 직경 5 내지 15 ㎛의 섬유장인 것을 지칭한다. 탄소섬유의 제조방법은 전구체 섬유를 공기 또는 산화성 가스 분위기에서 내염화 처리한 후 불활성 분위기하에서 탄화처리 공정을 거치며, 표면처리 공정 및 사이징 처리 공정을 거쳐 제조한다.

탄소섬유 토우의 사폭이 좁으면 토우의 단면형태가 불균일하여, 탄소섬유 복합재료 제조 시 탄소섬유 및 수지가 복합재료 내부에서 고르게 배치되지 않아 복합재료의 물성이 저감되는 경향이 있다. 또한, 토우의 폭과 두께가 균일하지 않은 상태로 보빈에 권취될 경우, 사겹침과 꼬임이 부과된 상태로 권취되어 개섬 시 작업성이 떨어지게 된다. 이를 개선하고자, 탄소섬유 해사 시 다수의 가이드를 통과하여 사꼬임을 풀고 폭을 균일화하는 방법이 제안되어 왔다.

예를 들면, "가이드 장치, 연속섬유다발의 권취기, 연속 섬유다발의 제조방법 및 탄소섬유다발"을 발명의 명칭으로 하고 있는 일본특허 제5574630호(미츠비시레이온) 에 의하면, 연속하는 탄소섬유다발을 보빈에 감을 때 사용하는 가이드 장치로서, 연속하는 탄소섬유다발의 주행로 상에 배치되어 상기 연속하는 탄소섬유다발을 비틀어 꼬임을 풀어낼 수 있게 축선의 공간상에 위치한 1조의 제1 가이드 및 제2 가이드와 상기 1조의 가이드의 상기 주행로 후단에 배치되어 상기 꼬임을 풀어낸 연속하는 탄소섬유다발을 보빈에 이송하는 평행 가이드를 구비하고, 상기 제1 가이드 및 상기 제2 가이드는 원추형 가이드이며, 상기 평행 가이드는 그 일부가 요형으로 만곡한 가이드이며, 상기 평행 가이드가 가지는 상기 요형으로 만곡한 부분의 곡률 반지름 R가 5㎜ 이상 15㎜ 이하인 가이드 장치에 대하여 기재하고 있다.

상기 특허는 탄소섬유를 탄소섬유 복합재료 강화재로 사용하기 전에 토우 폭을 일정하게 제어하는 것으로, 이러한 탄소섬유 토우의 폭과 두께를 균일하게 하기 위해 탄소섬유를 보빈에 권취하기 전에 다수의 가이드를 거치고 있다.

그러나, 본 발명은 탄소섬유에 사이징제를 부여한 후 탄소섬유 와인딩 전에 섬유를 가열 및 가압하여 사폭의 확대와 균일성을 향상시켜서 고강도 탄소섬유 복합재료를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명의 한 구현예에 의하면,

탄소섬유복합재료의 강화재인 탄소섬유를 제조하는 소성공정에 있어서 보빈에 권취되는 탄소섬유 토우의 사폭을 확대하고 두께를 균일화하기 위하여 사이징제가 부여된 탄소섬유를 권취하기 전에, 가열판에 가압접촉하여 사퍼짐을 유도하는 단계; 상기 가열판 좌우에 가이드를 두어 사두께의 균일성을 유도하는 단계로 이루어진 고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법인 것이다.

또한, 상기 탄소섬유와 접촉하는 가열판의 가장자리를 따라서 추가로 열선이 설치되어 있는 것을 특징으로 하며, 가열판은 한 쌍으로 구성되어 있으며 탄소섬유를 상하에서 가압하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법에 의하면, 보빈에 권취되는 탄소섬유의 사폭이 확대되고 두께가 균일해져 탄소섬유 복합재료 내부에 탄소섬유 및 수지가 고르게 배치되고, 내부결함이 감소하여 고강도 탄소섬유 복합재료를 얻을 수 있다.

또한 탄소섬유 개섬 시 사꼬임이 적게 발생하여 작업성이 향상되고, 사꼬임을 풀어주는 가이드가 추가적으로 필요하지 않아 탄소섬유/가이드 간 접촉에 따른 생산속도 저감을 방지해 복합재료 생산성이 증대된다.

도 1은 본 발명에 따른 사폭 확대 장치의 모식도이다.
도 2는 상기 도 1에서 가열판의 확대도이다.

이와 같은 본 발명을 다음에서 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용하는 "탄소섬유"의 용어는 거의 100% 탄소원자로 구성된 무기섬유로 미세한 흑연 결정 구조를 가진 섬유상의 탄소 물질을 말한다. 즉, 프리커서라고 불리는 전단계 섬유를 소성하여 탄소만을 남기는 방식으로 공업화를 하며, 프리커서의 종류에 따라 레이온계, 피치계, PAN계로 분류되고 그 중 PAN계가 가장 많다.

본 발명의 고강도 탄소섬유 복합재료는 먼저 사이징제로 탄소섬유 표면을 처리한 다음 사폭 확대장치 통해서 가열 및 가압하고 건조시켜서 제조를 한다.

첨부하는 도면 중 도 1은 본 발명에 따른 고강도 탄소섬유 복합재료를 제조하기 위한 사폭 확대 장치의 구성도를 예시한 것이고, 도 2는 도 1의 탄소섬유를 가열 및 가압하는 가열판을 확대하여 나타낸 도면이다.

도 1에서 부호 10은 탄소섬유를 권취하는 보빈이고, 부호 12는 탄소섬유를 가열 및 가압하는 한 쌍의 가열판이고, 부호 14는 탄소섬유이다.

본 발명에 의하면, 탄소섬유 복합재료의 강화재인 탄소섬유를 제조하는 소성공정에 있어서 보빈(10)에 권취되는 탄소섬유(14) 토우의 사폭을 확대하고 두께를 균일화하기 위하여 사이징제가 부여된 탄소섬유(14)를 권취하기 전에, 가열판에 가압 접촉하여 사퍼짐을 유도하고, 상기 가열판 좌우에 가이드를 두어 사두께의 균일성을 유도하는 것으로 이루어진다. 여기서 기재하는 가열판의 온도는 사이징제가 열분해 되지 않도록 그 범위를 한정하고, 압력은 탄소섬유와 가열판 사이의 과도한 접촉에 의한 마찰로 탄소섬유의 표면이 손상되고 탄소섬유 토우를 구성하는 탄소섬유의 축방향 배열이 흐트러지지 않도록 그 범위를 제한한다.

즉, 도 1에 의하면, 탄소섬유(14)가 한 쌍의 가열판(12)을 통해서 화살표로 나타낸 바와 같이 가열 및 가압된 후에 보빈(10)에 권취된다. 본 발명의 사폭 확대 장치에서 가열판(12)은 도 2에 확대하여 나타낸 바와 같이, 탄소 섬유의 가열 및 가압을 위해서 탄소섬유(14)와 접촉하게 되는 가장자리를 따라서 열선(16)이 설치되어 있다. 이에 따라서, 탄소섬유(12)가 가열판(12) 내에서 보빈(10)이 있는 방향으로 이동하면서 화살표 방향으로 가압되는 가열판(12)에 의해서 가압과 동시에 가열이 이루어지게 되어 사폭 확대가 일어나게 일어나게 되고, 상기 가열판의 좌우에 설치된 가이드에 의해서 탄소섬유 토우의 과도한 사폭 확대로 인한 주변 탄소섬유 토우와의 간섭을 막고 가이드 내부의 열선에 의해 탄소섬유 토우의 측면 형태를 직사각형으로 만들어 사두께의 균일성을 유도하게 된다.

본 발명에서 사용하는 탄소섬유는 통상적인 장섬유형 탄소섬유를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 T100 내지 T1200, 1K 내지 48K, PAN계, 피치(Pitch)계, 레이온(Rayon)계 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 좋다.

이와 같은 방법에 따르면, 보빈에 권취되는 탄소섬유의 사폭이 확대되고 두께가 균일해져 탄소섬유 복합재료 내부에 탄소섬유 및 수지가 고르게 배치되고, 내부결함이 감소하여 고강도 탄소섬유 복합재료를 얻을 수 있으며, 또한, 탄소섬유 개섬 시 사꼬임이 적게 발생하여 작업성이 향상되고, 사꼬임을 풀어주는 가이드가 추가적으로 필요하지 않아 탄소섬유/가이드 간 접촉에 따른 생산속도 저감을 방지해 복합재료 생산성이 증대되는 효과가 있게 된다.

10: 보빈
12: 가열판
14: 탄소섬유
16: 열선

Claims (4)

1. 탄소섬유 복합재료를 제조하는 방법에 있어서,
   탄소섬유복합재료의 강화재인 탄소섬유를 제조하는 소성공정에 있어서 보빈에 권취되는 탄소섬유 토우의 사폭을 확대하고 두께를 균일화하기 위하여 사이징제가 부여된 탄소섬유를 권취하기 전에, 가열판에 가압 접촉하여 사폭 확대를 유도하는 단계; 상기 가열판 좌우에 가이드를 두어 사두께의 균일성을 유도하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유와 접촉하는 가열판의 가장자리를 따라서 추가로 열선이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 가열판의 한 쌍으로 구성되어 있으며 탄소섬유를 상하에서 가압하는 것을 특징으로 하는 고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 가이드는 상기 가열판의 가장자리를 직사각형의 측면형태로 형성한 것을 특징으로 하는 고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법.
   

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