KR20170055468A - 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법 및 탄소섬유 수지 테이프 - Google Patents

탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법 및 탄소섬유 수지 테이프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고압력의 가압 및 고온의 가열을 거치지 않고도 높은 접착력으로 접착이 가능한 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 탄소섬유 수지 테이프(F2)의 제조 방법은, 다수개의 탄소섬유를 갖는 탄소섬유 다발(F1)을 부(負)의 산화 환원 전위를 갖는 환원수에 담가 상기 탄소섬유 다발을 평평하게 확장하는 제1단계, 상기 제1단계 공정 후에, 접착제(S), 알루미나 졸(A) 및 과황산 칼륨(B)을 포함하는 접착 용액에 상기 탄소섬유 다발을 담가 놓는 제2단계, 상기 제2단계 공정 후에, 상기 탄소섬유 다발을 건조시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법 및 탄소섬유 수지 테이프{PROCESS FOR PRODUCING CARBON-FIBER RESIN TAPE, AND CARBON-FIBER RESIN TAPE}
본 발명은 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법 및 탄소섬유 수지 테이프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고압력의 가압 및 고온의 가열을 거치지 않고도 높은 접착력으로 접착이 가능한 벨트 형상의 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법 및 탄소섬유 수지 테이프에 관한 것이다.
다수의 탄소섬유와 수지를 복합화하여 만들어지는 탄소섬유 수지 테이프는 금속 재료에 필적하는 강도·탄성률을 가지면서도, 금속 재료보다 비중이 작은 관계로 부재의 경량화를 도모할 수 있는 장점이 있다. 또한, 산화 변색과 같은 문제도 발생하기 어렵기 때문에, 연비 저감을 목적으로 한 항공기나 자동차에 대한 채용이 증가하고 있다.
이러한 탄소섬유 수지 테이프를 이용하여 3차원 형상을 형성하려면 다음과 같은 공정이 필요하다. 여러 장의 탄소섬유 수지 테이프를 적층하고, 이 적층체를 가열·가압하여 탄소섬유에 함침(含浸)된 수지를 경화시킴으로써 3차원 형상으로 형성한다. 이 때, 3차원 형상을 갖는 형성체 내에서 적층체를 가열·가압함으로써 원하는 3차원 형상으로 형성할 수 있도록 구성된다(특허문헌 1 참조).
그러나, 탄소섬유 수지 테이프의 적층체를 가열·가압하기 위해서는 금형이 필요하고, 가열도 300℃ 이상으로 해야 하므로, 비용이 상승한다.
(특허문헌 1) JP2014-98127 P
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 고압력의 가압 및 고온의 가열을 거치지 않고도 높은 접착력으로 접착이 가능한 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 다수개의 탄소섬유를 갖는 탄소섬유 다발을 부(負)의 산화 환원 전위를 갖는 환원수에 담가 상기 탄화 섬유 다발을 평평하게 확장하는 제1단계, 상기 제1단계 공정 후 상기 탄소섬유 다발을 접착제, 알루미나 졸(alumina sol) 및 과황산 칼륨(potassium persulfate)을 포함하는 접착 용액에 담가 놓는 제2단계, 상기 제2단계 공정 후 상기 탄소섬유 다발을 건조시키는 제3단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법에 관한 것이다.
탄소섬유 수지 테이프의 폭은 얼마로 하든지 상관 없으며, 시트 형상의 것도 탄소섬유 수지 테이프의 형상에 포함된다.
또한 본 발명은, 상기 환원수의 산화 환원 전위가 800 mV 이하인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은, 상기 접착 용액 중의 접착제가 폴리비닐 알코올로 구성되며, 폴리비닐 알코올의 농도는 0.5 ~ 30 wt% 이고, 상기 알루미나 졸의 농도는 0.5 ~ 16.7 wt% 이며, 과황산 칼륨의 농도가 0.5 ~ 10 wt% 인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은, 다수개의 탄소섬유가 평평하게 펴져 있는 탄소섬유 수지 테이프에 있어서, 알루미나 졸과 과황산 칼륨을 함유하고 건조된 접착제를 탄소섬유의 표면과 틈에 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 수지 테이프에 관한 것이다.
본 발명의 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법에 따르면, 탄소섬유의 표면과 틈에 건조된 접착제, 알루미나 졸과 과황산 칼륨을 보유하고 있기 때문에, 접착제를 사용했을 때의 탄소섬유 수지 테이프의 접착력이 높아진다. 또한, 다수의 탄소섬유 수지 테이프에 접착제를 발라 적층하여 3차원 형상으로 형성하는 경우에도, 높은 압력으로 가압할 필요가 없으며, 가열하는 경우도 100℃ 이하의 낮은 온도의 가열로도 충분히 높은 접착력을 얻을 수 있도록 구성된다.
또한, 본 발명의 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법에 따르면, 환원수의 산화 환원 전위가 800 mV 이하로 구성되므로, 제1단계 공정에서 상기 탄소섬유 다발을 평평하게 확장하는 작업을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법에 따르면, 접착제, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨의 양이 적정하기 때문에, 접착제를 사용했을 때의 탄소섬유 수지 테이프의 접착력이 더욱 높아진다.
또한 본 발명의 탄소섬유 수지 테이프에 따르면, 탄소섬유의 표면과 틈에 건조된 접착제, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 보유하고 있기 때문에, 접착제를 사용했을 때의 탄소섬유 수지 테이프의 접착력이 높아진다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법에 사용되는 탄소섬유 수지 테이프의 제조 장치에 대한 개략도이다.
도 2는 섬유의 확장 작용을 보조하기 위한 구성의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 제조 방법에 있어서 탄소섬유 다발에 대한 형태의 변화를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 제조 방법의 실시예에 있어서 박리 강도에 대한 차트를 도시한다.
이하, 본 발명에 따른 탄소섬유 수지 테이프 제조 방법의 바람직한 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시예의 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법은, 다수개의 탄소섬유로 이루어진 탄소섬유 다발을 부의 산화 환원 전위를 갖는 환원수에 담가 상기 탄소섬유 다발을 평평하게 확장하는 제1단계, 상기 제1단계 공정 후 접착제, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 포함하는 접착 용액에 상기 탄소섬유 다발을 담가 놓는 제2단계, 상기 제2단계 공정 후 상기 탄소섬유 다발을 건조시키는 제3단계를 포함한다.
또한 본 실시예에서는, 다수개의 탄소섬유로 이루어진 탄소섬유 다발을 제3단계 공정에서 건조시킨 후 이로부터 나온 제품을 탄소섬유 수지 테이프라고 부른다.
도 1은, 본 발명의 탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법에 사용되는 탄소섬유 수지 테이프 제조 장치를 나타낸다. 탄소섬유 수지 테이프의 제조 장치는 탄소섬유 다발(F1)을 공급하기 위한 공급 롤러(1) 및 형성 완료된 탄소섬유 수지 테이프(F2)를 감아 올리기 위한 권취 롤러(8)를 포함한다.
탄소섬유 수지 테이프 제조 장치는 공급 롤러(1)와 권취 롤러(8)의 사이에 탄소섬유 다발(F1)을 차례로 담가 놓기 위한 제1수조(2) 및 제2수조(6)를 포함하고, 제2수조(6)와 권취 롤러(8)의 사이에 탄소섬유 다발(F1)을 건조시키기 위한 건조 장치(7)를 포함한다. 또한, 탄소섬유 수지 테이프 제조 장치는 공급 롤러(1)와 권취 롤러(8)의 사이에 탄소섬유 다발(F1)을 송출하기 위한 용도의 롤러를 적절히 구비하고 있다.
제1수조(2)에는 부의 산화 환원 전위를 갖는 환원수가 저장되어 있다. 제2수조(6)에는 접착제, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 포함하는 접착 용액이 저장되어 있다.
이하에, 본 실시예의 탄소섬유 수지 테이프(F2)에 대한 제조 방법의 각 공정에 대해 설명한다.
<제1단계 공정>
도 1에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 다발(F1)은 공급 롤러(1)에서 연속으로 배출된 후, 제1수조(2) 내에 저장된 물에 소정시간 동안 담기도록 구성된다.
탄소섬유 다발(F1)은 무연 탄소섬유 3K(3000개 묶음), 6K(6000개 묶음), 12K(12,000개 묶음) 등으로 구성될 수 있다. 탄소섬유로는 아크릴계, 피치계 등 어떤 종류라도 모두 적용 가능하다.
본 발명에서 제1수조(2) 내에 저장된 물은 부의 산화 환원 전위를 갖는 환원수로 구성되어 있다.
보통의 물은 정(正)의 산화 환원 전위(수돗물의 경우: +400 ~ +600 mV 정도)를 가지는 반면, 환원수의 경우는 부의 산화 환원 전위를 가지도록 구성되며, 이러한 환원수는 물 분자 클러스터가 작은 관계로 인해, 우수한 침투력을 가지고 있다.
탄소섬유 다발(F1)을 이러한 환원수 안에 담가 놓음으로써, 초음파 등의 물리적 외력을 작용시키지 않고도 탄소섬유 다발이 자연스럽게 확장되도록 구성된다.
본 발명에서 이용되는 환원수의 산화 환원 전위는 -800 mV 이하의 것으로 구성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 산화 환원 전위가 낮은 환원수를 이용함으로써, 탄소섬유 다발(F1)을 구성하는 탄소섬유를 신속하고 안정적으로 평평하게 확장시켜 벨트 형상의 평평한 섬유 다발을 얻을 수 있도록 구성된다. 또한, 얻어진 벨트 형상의 평평한 섬유 다발이 원래대로 돌아가기 어렵도록 만들 수 있다.
본 발명에서 이용되는 환원수의 제조 방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 다음의 방법들을 예시할 수 있다.
< 1. 가스 버블링법 >
질소 가스, 아르곤 가스 또는 수소 가스의 버블링에 의해 수중의 산소 농도를 저하시킴으로써, 산화 환원 전위를 저하시키도록 구성된다.
< 2. 히드라진의 첨가에 의한 방법 >
히드라진(hydrazine)을 첨가하여 수중의 산소 농도를 저하시킴으로써, 산화 환원 전위를 저하시키도록 구성된다.
< 3. 전기 분해에 의한 방법 >
(a) 정부(正負)의 파고(波高)값 및/또는 충격 계수(duty ratios)가 비대칭인 고주파 전압을 인가함으로써 물의 전기 분해를 수행하는 한편, 산화 환원 전위를 저하시키도록 구성된다.
(b) 전극을 1장의 그랜드 전극(캐소드 극), 애노드 극과 캐소드 극이 번갈아 변화하는 2장의 Pt 및 Ti로 이루어진 특수 형상 전극(마름모꼴의 메쉬형 전극 또는 육각형의 메쉬형 전극)으로 구성하고, 고주파 전압을 인가함으로써 물의 전기 분해를 수행하는 한편, 산화 환원 전위를 저하시킨다.
본 발명은 상술한 방법 중 특히「3.(b)」의 방법에 의해 얻어진 환원수를 이용하는 것이 바람직하다.
그 이유는,「3.(b)」의 방법에 의하면, 다른 방법에 비해 보다 용이하고 확실하게 산화 환원 전위가 낮고(-800 mV 이하), 부의 산화 환원 전위를 장시간 유지할 수 있는 환원수를 얻을 수 있기 때문이다.
또한,「3.(b)」의 방법을 실시하기 위한 장치에 대해서는, 본원 출원인이 일본 특허공개 2000-239456호 공보에 공개하고 있으며, 이러한 개시 내용에 따라 실시하는 것이 가능하다.
본 발명은 탄소섬유 다발(F1)을 상기와 같은 환원수 안에 담가 놓음으로써 물리적 외력을 작용시키지 않고도 자연스럽게 확장되도록 구성되어 있으나, 이러한 확장 작용을 보조하기 위해 도 2와 같은 구성을 채용하고 있다.
도 2(a)는 제1수조(2) 중에서 탄소섬유 다발(F1)을 지지하고 이송시키기 위한 2개의 반송 롤러(3) 중 2번째 롤러(31)에 확장 작용을 갖게 한 것이다.
구체적으로는, 2번째 롤러(31)의 단면(회전축에 따른 단면) 형상을, 도면에 그려진 화살표가 가리키는 곳에 도시한 바와 같이, 양쪽 끝에서 중앙을 향해 부풀어 오른 형상으로 구성함으로써, 롤러(31)의 표면을 따라 섬유가 확장되기 쉽게 한 것이다.
도 2(b)는 제1수조(2) 중에 반송 롤러(3)를 3개 이상(그림에서는 3개) 설치함으로써 탄소섬유 다발(F1)을 굴곡시키면서 반송하도록 구성하는 한편, 2번째 이후의 롤러(도면에서는 2번째 롤러[32])에 확장 작용을 갖게 한 것이다.
구체적으로는, 롤러(32)를 도 2(a)의 경우와 동일한 단면 형상으로 구성함으로써, 롤러(32)의 표면을 따라 섬유가 확장되기 쉽게 한 것이다.
도 2(c)는 제1수조(2) 중에서 탄소섬유 다발(F1)을 지지하고 이송시키기 위한 반송 롤러들(3)의 사이에 평판(4)을 설치하여, 탄소섬유 다발(F1)이 평판(4)의 표면을 따라 반송되도록 함으로써, 섬유가 평평하게 확장되기 쉽게 한 것이다.
도 2(d)는 제1수조(2) 중에서 탄소섬유 다발(F1)을 지지하고 이송시키기 위한 반송 롤러들(3)에 평벨트(5)를 감아 탄소섬유 다발(F1)이 평벨트(5)의 표면을 따라 반송되도록 함으로써, 섬유가 평평하게 확장되기 쉽게 한 것이다.
<제2단계 공정>
제1수조(2)를 통해 환원수에 담가 놓음으로써 평평하게 확장된 탄소섬유(평섬유 다발)은 제1수조(2)에서 꺼내진 후, 계속해서 제2수조(6) 내로 연속적으로 유입되도록 구성된다.
제2수조(6)에는 접착제, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 포함하는 접착 용액이 수용되어 있으며, 환원수에 담가 놓음으로써 얻어진 평섬유 다발은 제2수조(6) 내의 접착 용액에 담기도록 구성된다.
접착제로는 친수기(親水基)를 갖도록 구성된, 세탁용 풀과 같은 수용성 풀, PVA(폴리비닐 알코올), PTFE 분산액, 흑연 나노 분산액, 글리콜, 수용성 점토 분산액, 녹말 풀, OH- 기를 갖는 유기 또는 무기재 함유 분산 용액 등이 바람직하게 사용된다.
접착제의 농도가 소정의 범위보다 낮을 경우, 평평하게 확장된 탄소섬유 다발(F1)이 원래대로 돌아갈 우려가 있다. 또한, 접착제의 농도가 소정의 범위보다 높을 경우, 접착제가 탄소섬유 다발(F1)에 침투하기 어려워질 우려가 있다.
접착제가 PVA인 경우의 농도는 0.5 ~ 30 wt%가 바람직하다.
알루미나 졸의 농도는 0.5 ~ 16.7 wt%가 바람직하다. 알루미나 졸의 농도가 상기 하한치보다 낮을 경우, 탄소섬유 수지 테이프의 접착력이 낮아질 우려가있다. 또한, 알루미나 졸의 농도가 상기 상한치보다 높아도, 탄소섬유 수지 테이프의 접착력은 그 이상으로는 증가하기 어렵다.
또한, PVA와 알루미나 졸의 농도비는 3 : 1이 바람직하다. 또한, 과황산 칼륨의 농도는 0.5 ~ 10 wt%가 바람직하다.
알루미나 졸의 알루미나 형상은 판 모양, 기둥 모양, 섬유 형상, 육각판 형상 등의 어떤 것이라도 좋다.
또한, 알루미나 졸이 섬유 형상인 경우의 알루미나 섬유를 알루미나 섬유상 결정(fibrous crystal of alumina)이라 하며, 구체적으로는 알루미나의 무수화물(無水和物)로 형성된 알루미나 섬유, 수화물(水和物)을 포함한 알루미나로 형성된 알루미나 수화물 섬유 등을 포함할 수 있다.
알루미나 섬유의 결정계에는 무정형(無定形, amorphous), 베마이트(boehmite) 및 유사 베마이트 등이 있는데, 어느 결정계라도 좋다. 여기서 베마이트는 조성식: Al2O3·nH2O로 표시되는 알루미나 수화물의 결정이다. 알루미나 섬유의 결정계는 예컨대, 후술하는 가수분해성(加水分解性) 알루미늄 화합물의 종류, 그 가수분해 조건 또는 해리 조건에 따라 조정할 수 있다. 알루미나 섬유의 결정계는 X선 회절장치(예를 들면, 맥사이언스사의 상품명「Mac.Sci.MXP-18」제품)를 이용하여 확인할 수 있다.
이와 같이, 평섬유 다발을 접착제, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 함유하는 용액 내에 담가 놓음으로써, 확장된 섬유와 섬유 사이에 접착제, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 포함하는 혼합액이 침투되도록 구성된다.
도 3은 지금까지의 공정을 모식적으로 나타내는 도면이며, 다수개의 탄소섬유로 이루어진 탄소섬유 다발(F1)을 환원수에 담가 놓음으로써 탄소섬유(F3)가 평평하게 확장된 평섬유 다발(H)이 되고, 이 평섬유 다발(H)을 접착제, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 함유하는 용액 내에 담가 놓음으로써 탄소섬유(F3)의 사이에 접착제(S), 알루미나 졸(A) 및 과황산 칼륨(B)이 침투되도록 구성된다.
본 발명에서는, 접착제를 녹이는 용매로서 상술한 환원수를 사용해도 좋은데, 이렇게 할 경우 접착제의 침투력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 제2수조(6)를 설치하지 않고, 환원수에 담가 놓음으로써 평평하게 확장된 탄소섬유(평섬유 다발)에 접착제를 함유하는 용액을 분무 상태로 만들어 분사하는 방법을 채용해도 좋다.
<제3단계 공정>
접착제 및 알루미나 졸을 포함한 용액에 담가 놓은 후 확장된 탄소섬유 다발(F1)은 제2수조(6)에서 꺼내진 후, 건조 장치(7)에 공급되어 건조 처리 작업을 실시하도록 구성된다.
건조 장치(7)의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 히터식 가열 장치도 좋고, 온풍 난방 장치도 좋으며, 원적외선을 이용한 가열 장치도 좋다. 단, 본 발명에 따른 방법에 있어서는, 반드시 건조 장치(7)를 설치할 필요는 없으며, 자연 건조 방법을 실시해도 좋다.
또한, 이러한 제3단계 공정 후, 탄소섬유 수지 테이프(F2)를 더 세정하여 여분의 접착제를 제거하고 건조시켜도 좋다. 여분의 불순물이 제거되고 필요한 OH-가 남겨짐으로써 박리 강도가 향상된다.
접착제를 함유하는 용액에 담가 놓은 후의 탄소섬유 다발(F1)이 건조됨에 따라, 확장된 섬유와 섬유 사이에 침투한 접착제, 알루미나 졸과 및 과황산 칼륨이 고형화된다.
이와 같이, 섬유가 평평하게 확장된 상태에서 접착제에 의해 고형화됨으로써, 시간이 경과하더라도 원래대로 돌아갈 수 없도록 할 수 있는 반면, 이에 따라 높은 기계적 강도를 갖는 탄소섬유 수지 테이프(F2)를 얻을 수 있도록 구성된다.
건조 장치(7)를 통과하여 접착제가 고형화된 후의 탄소섬유 수지 테이프(F2)는 권취 롤러(8)에 감기도록 구성되고, 이에 따라 탄소섬유 수지 테이프(F2)의 제조가 완료된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에 의하면, 물리적 외력을 작용시키지 않고도, 섬유를 평평하게 확장시켜 벨트 형상의 탄소섬유 수지 테이프(F2)를 제조할 수 있도록 구성된다.
단, 본 발명은 물리적 외력을 작용시키는 것을 완전히 배제하는 것은 아니며, 본 발명에 따른 방법과 기존의 물리적 외력을 작용시키는 방법을 조합할 수도 있다.
예컨대, 상기 제1수조(2) 중에 초음파 발생 장치를 설치하여 환원수 안에 담가 놓은 탄소섬유 다발(F1)에 대해 초음파를 사용하는 방법을 채용하는 것도 가능하다.
이러한 경우, 환원수의 확장 작용에 따라 초음파의 출력을 약하게 해도 충분한 확장이 구현될 수 있기 때문에, 섬유의 손상을 확실하게 방지하면서도 충분히 확장된 벨트 형상의 평섬유 다발을 효율적으로 제조할 수 있는 효과가 얻어진다.
이와 같이 제조한 탄소섬유 수지 테이프(F2)는 접착제에 의해 다른 물건에 견고하게 접착될 수 있으며, 또한, 접착제를 통해 여러 탄소섬유 수지 테이프(F2)를 적층하거나 또는 접착제를 통하지 않고 적층하여 3차원 형상으로 형성할 수도 있다. 이러한 접착이나 적층 작업시 높은 압력으로 가압할 필요가 없으며, 가열을 하는 경우에도 100℃ 이하의 낮은 온도의 가열로도 높은 접착력을 얻을 수 있도록 구성된다.
이러한 탄소섬유 수지 테이프(F2)의 높은 접착력은 탄소섬유 사이에 접착된 알루미나 졸과 과황산 칼륨의 OH-기에 기인한다.
접착제로는 세탁용 풀과 같은 수용성 풀, PVA(폴리비닐 알코올), 페놀 수지, PTFE 분산액, 에폭시 수지, 흑연 나노 분산액, 실리콘 수지, 글리콜, 수용성 점토 분산액, 녹말 풀, 우레탄계 수지, 부틸계 수지 및 기타 유기 또는 무기재 함유 분산 용액 등이 바람직하게 사용된다.
<실시예>
본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 탄소섬유 수지 테이프의 접착력을 나타내는 실시예를 도시한다.
도 1의 탄소섬유 수지 테이프 제조 장치를 이용함으로써, 제1수조의 환원수의 산화 환원 전위를 -850 mV로 하고, 제2수조의 용액 조성을 표 1의 조성과 같이 하여, 상술한 제3단계 공정 후에 세정을 거치지 않은 방법과 거친 방법에 의해 탄소섬유 수지 테이프를 제조하였다.
제2수조의 용액 건조후 세정
PVA
(wt%)		 알루미나 졸
(wt%)		 과황산 칼륨
(wt%)		 유무 세정시간
(분)
실시예1 5 16.7 10 무 0
실시예2 5 16.7 10 유 1
실시예3 0.5 0.5 0.5 유 1
실시예4 3 1 1 유 1
실시예5 6 2 2 유 1
실시예6 15 5 5 유 3
실시예7 30 10 10 유 3
비교예1 5 0 10 무 0
비교예2 5 0 10 유 1
비교예3 50 0 0 무 0
PVA는 키시다 주식회사(Kishida)의「PVA500」를 사용하였다.
알루미나 졸은 카와켄(Kawaken) 정밀화학 주식회사의「CSA-110AD」를 사용하였다.
건조 후의 세정은 80℃의 온수를 이용하였고, 세정 후 80 ~ 90℃에서 15 ~ 20분간 건조시켰다.
이와 같이 생성된 탄소섬유 수지 테이프를 페놀계 접착제에 의해 SUS판(두께 0.05mm)에 접착하였다. 접착시에는 C-클램프로 탄소섬유 수지 테이프와 SUS 판을 고정한 후, 160℃에서 20분간 유지하였다.
접착한 후, JIS K6854-1 (접착제-박리 접착강도 시험방법)에 준거한 방법으로 탄소섬유 수지 테이프의 SUS판에서 박리 접착 강도를 측정했다.
인장 시험기는 시마즈사(SHIMADZU Corporation)의 인장 시험기 AGX-50형을 사용하였다.
인장 속도는 5mm/sec로 하였다.
탄소섬유 수지 테이프 시료의 크기는 두께 0.25mm 및 25mm(폭) x 250mm(길이)의 크기로 하였다.
측정한 박리 강도와 관련한 차트를 도 4에 도시하는 한편, 박리 강도(25mm 폭)를 표 2에 도시한다.
박리 강도는 평균 강도를 평가하였고, 일부에 대해서는 차트에서의 최대 피크의 강도도 평가하였다.
시험 No. 최대치 평균
실시예1 12.07 6.50
실시예2 24.70 14.72
실시예3 - 16
실시예4 - 18
실시예5 - 20
실시예6 - 22
실시예7 - 13
비교예1 1.59 1.25
비교예2 11.71 8.20
비교예3 3.63 1.52
(단위: N/25mm 폭)
그 결과,
(1) PVA, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 갖는 실시예1 내지 7의 경우, PVA 및 과황산 칼륨을 갖고 알루미나 졸을 갖지 않는 비교예 1,2의 경우보다 박리 강도가 높았다.
(2) PVA 및 과황산 칼륨을 갖고 알루미나 졸을 갖지 않는 비교예1,2의 경우, PVA 50%인 비교예3의 경우보다 박리 강도가 높았다.
(3) 건조 후 세정을 한 쪽(실시예2, 비교예2)이 세정을 하지 않는 쪽(실시예1, 비교예1)보다 박리 강도가 높았다. 이것은 여분의 불순물을 제거하고 필요한 OH-를 남긴 때문이다.
(4) PVA: 0.5 ~ 30 wt%, 알루미나 졸: 0.5 ~ 16.7 wt% 및 과황산 칼륨: 0.5 ~ 10 wt%에서, 건조 후 세정을 실시한 실시예2 내지 7의 경우에, 박리 강도가 13(N/25mm 폭) 이상으로 높은 강도를 나타냈다.
특히, PVA: 15 wt%, 알루미나 졸: 5 wt% 및 과황산 칼륨: 5 wt%에서, 건조 후 세정을 실시한 실시예6에서 박리 강도가 22(N / 25mm 폭)로 최고치를 나타냈다.
(5) 과황산 칼륨은 실시예의 범위보다 더 많이 넣는다 하더라도, 침전 분리한다.
(6) 알루미나 졸을 실시예의 범위보다 더 많이 넣는다 하더라도, 표면이 스티프(stiff)해지므로, 접착력에 대한 기여는 적다.
본 발명의 탄소섬유 수지 테이프는 테이프 형태로 사용하는 이외에도 직조하여 시트 형태로 사용하여도 좋고, 또한 테이프 형태의 것이나 직조한 시트 형태의 것을 적층시켜 3차원 구조물로 사용할 수도 있다. 3차원 구조물로 이용하는 경우에는 경량이면서도 높은 강도를 얻을 수 있다. 이 때문에 자동차나 항공기 등의 이동체에 사용할 경우 연비를 좋게 할 수 있다. 또한, 라켓과 낚시 도구 등에도 적합하게 사용할 수 있다.
F1 탄소섬유 다발
F2 탄소섬유 수지 테이프
A 알루미나 졸
B 과황산 칼륨
S 접착제

Claims (4)

  1. 다수개의 탄소섬유를 갖는 탄소섬유 다발을 부(負)의 산화 환원 전위를 갖는 환원수에 담가 상기 탄소섬유 다발을 평평하게 확장하는 제1단계,
    상기 제1단계 공정 후에, 접착제, 알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 포함하는 접착 용액에 상기 탄소섬유 다발을 담가 놓는 제2단계,
    상기 제2단계 공정 후에, 상기 탄소섬유 다발을 건조시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 환원수의 산화 환원 전위가 -800 mV 이하인 것을 특징으로 하는
    탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 접착 용액 중의 접착제가 폴리비닐 알코올이고, 폴리비닐 알코올의 농도는 0.5 ~ 30 wt%이며, 상기 알루미나 졸의 농도가 0.5 ~ 16.7 wt%이고, 과황산 칼륨의 농도가 0.5 ~ 10 wt%인 것을 특징으로 하는
    탄소섬유 수지 테이프의 제조 방법.
  4. 다수개의 탄소섬유가 평평하게 확장된 탄소섬유 수지 테이프에 있어서,
    알루미나 졸 및 과황산 칼륨을 갖는 건조된 접착제를 탄소섬유의 표면과 틈에 구비하는 것을 특징으로 하는
    탄소섬유 수지 테이프.
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