KR20170092767A - 플라즈마 처리를 통한 표면이 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재 및 그 제조 방법 - Google Patents

플라즈마 처리를 통한 표면이 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170092767A
KR20170092767A KR1020160013851A KR20160013851A KR20170092767A KR 20170092767 A KR20170092767 A KR 20170092767A KR 1020160013851 A KR1020160013851 A KR 1020160013851A KR 20160013851 A KR20160013851 A KR 20160013851A KR 20170092767 A KR20170092767 A KR 20170092767A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon fiber
engineering plastic
composite material
treated
hydrogen plasma
Prior art date
Application number
KR1020160013851A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101777945B1 (ko
Inventor
임대순
이응석
이충현
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020160013851A priority Critical patent/KR101777945B1/ko
Priority to US16/075,820 priority patent/US10647827B2/en
Priority to PCT/KR2017/001176 priority patent/WO2017135723A1/ko
Publication of KR20170092767A publication Critical patent/KR20170092767A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101777945B1 publication Critical patent/KR101777945B1/ko
Priority to US16/840,647 priority patent/US11008428B2/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C08J5/06—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material using pretreated fibrous materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/02—Fibres or whiskers
    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
    • C08K7/06—Elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/04—Ingredients treated with organic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00—Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/02—Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements ultrasonic or sonic; Corona discharge
    • D06M10/025—Corona discharge or low temperature plasma
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00—Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/04—Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/06—Inorganic compounds or elements
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M11/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
    • D06M11/01—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with hydrogen, water or heavy water; with hydrides of metals or complexes thereof; with boranes, diboranes, silanes, disilanes, phosphines, diphosphines, stibines, distibines, arsines, or diarsines or complexes thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M14/00—Graft polymerisation of monomers containing carbon-to-carbon unsaturated bonds on to fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials
    • D06M14/36—Graft polymerisation of monomers containing carbon-to-carbon unsaturated bonds on to fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials on to carbon fibres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2300/00—Characterised by the use of unspecified polymers
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M2101/00—Chemical constitution of the fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, to be treated
    • D06M2101/40—Fibres of carbon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)

Abstract

본 발명은 엔지니어링 플라스틱 복합재 및 그 제조 방법을 제공한다. 이 엔지니어링 플라스틱 복합재는 수소 플라즈마에 의하여 그 표면이 개질되어 기능기를 구비한 탄소 섬유; 및 엔지니어링 플라스틱을 포함한다. 상기 탄소 섬유는 상기 엔지니어링 플라스틱에 혼합되어 복합재를 구성한다.

Description

플라즈마 처리를 통한 표면이 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재 및 그 제조 방법{Carbon fiber reinforced polymer composite comprising carbon fibers reformed by plasma treatment and the manufacturing method of the same}
본 발명은 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재에 관한 것으로, 더 구체적으로 플라즈마 처리를 통하여 표면 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 플리머 복합재에 관한 것이다.
엔지니어링 플라스틱은 일반적인 범용 플라스틱과 비교하여 높은 강도 및 탄성, 열적 안정성뿐만 아니라 내약품성, 전기절연성 등이 우수하여 최근 각종 생활용품, 전기전자 제품, 항공기 구조재 등 각종 산업분야에 응용되고 있으며, 금속을 대체할 수 있는 후보재료로 활발한 연구가 진행 중이다.
엔지니어링 플라스틱은 사용량이 많은 5대 범용 엔지니어링 플라스틱을 포함하는 일반 엔지니어링 플라스틱과 내열성이 탁월한 고기능성 엔지니어링 플라스틱으로 나눌 수 있다. 그러나 이 같은 고기능성 플라스틱 재료는 타 플라스틱에 비해 우수한 성능에도 불구하고 생산단가가 높기 때문에 대량생산이 용이한 범용 플라스틱과는 달리 최종 사용 용도에 요구되는 맞춤형 개발 및 생산이 주를 이룬다.
결국 실제 가장 많은 수요가 있을 수 있는 금속 대체용 자동차 부품, 터빈 재료 등에는 금속재료와 비교하여 상대적으로 낮은 고온 기계적 특성으로 인하여 고기능성 플라스틱 재료의 실제 응용은 현재까지 매우 제한적인 실정이다.
한편 탄소섬유는 가볍고 강하며 높은 탄성율의 장점을 가져 엔지니어링 플라스틱을 포함한 범용 플라스틱에도 광범위하게 사용되는 값싼 강화용 재료이다. 일반적으로 엔지니어링 플라스틱을 포함한 상용 플라스틱은 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유/플라스틱 복합재료로 제공된다. 탄소섬유 첨가량에 따라 수~수십배에 이르는 강도향상을 이룰 수 있다. 탄소섬유는 열경화성, 열가소성 등의 플라스틱 종류에 따라 팬(PAN)계, 핏치(Pitch)계 그리고 레이언(Rayon)계 등의 다양한 탄소섬유 종을 해당 플라스틱과 혼합하여 사용될 수 있다.
각각의 탄소섬유는 플라스틱 수지 간 안정한 물리적 계면을 이루기 위하여 계면결합제로 코팅하는 사이징(sizing) 처리가 되어있다. 이러한 사이징 처리된 탄소섬유를 플라스틱과 혼합하여 복합재료 만든 경우, 상온에서의 강화 효과는 매우 뛰어나지만, 고온의 경우에서는 플라스틱 모재와 탄소섬유 표면 간 계면 안정성이 매우 낮아지기 때문에 고온 강도 향상 효과는 미미한 수준이다. 따라서, 고내열성 엔지니어링 플라스틱용 강화방법으로는 적합하지 않다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해 탄소섬유의 표면을 개질하는 방법으로 폴리 글리시딜 에테르류를 포함하는 사이즈제(sizing agent)의 용제용액을 탄소섬유에 부여하는 것이 개시되어 있다(특허 문헌 1). 하지만 이러한 방법은 산 혹은 화학 약품 첨가에 이해 환경오염 등을 유발할 수 있어 바람직하지 못하다.
또한 탄소섬유의 제조시 상압 플라즈마를 이용하여 탄소섬유의 표면을 개질하는 방법이 제시되었으나 이는 탄소섬유의 표면에 나노 박막을 형성시켜 순수한 탄소섬유의 우수한 특성을 사용하기에는 한계가 있다(특허 문헌 2).
이를 해결하기 위하여 본 발명에서 제시한 기술은 상용으로 판매되는 탄소 섬유를 플라즈마 처리하여 친환경 및 단순한 공정으로 제조단가를 낮추고, 또한 탄소섬유 표면을 개질 및 기능기를 부여하여 플라스틱과 탄소섬유간의 기계적, 화학적 결합을 유도하여 기계적 특성 향상을 유도한다. 이로 인해 고온에서도 안정적인 기계적 물성을 확보하여 그 사용범위를 넓히고자 함에 있다.
특허 문헌 1. 일본공개특허 제50-59589호
특허 문헌 2. 한국공개특허 제10-2012-0055042호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 기존 탄소섬유의 플라즈마 처리를 통해 탄소섬유 표면에 화학적 기능기 및 탄소 결정 구조를 조절하여, 고온에서의 플라스틱 모재와의 접착력을 향상시켜 상온 및 고온 기계적 특성과 마모 및 마찰 특성을 향상시킬 수 있는 탄소섬유 강화 엔지니어링 플라스틱 복합제와 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔지니어링 플라스틱 복합재는 수소 플라즈마에 의하여 그 표면이 개질되어 기능기를 구비한 탄소 섬유; 및 엔지니어링 플라스틱을 포함한다. 상기 탄소 섬유는 상기 엔지니어링 플라스틱에 혼합되어 복합재를 구성한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 개질된 탄소 섬유는 탄소(C) 및 수소(H)로 이루어진 기능기들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 개질된 탄소 섬유는 상기 엔지니어링 플라스틱 부피 대비 20 부피 퍼센트 내지 30 부피 퍼센트 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탄소 섬유는 팬(PAN)계, 핏치(Pitch)계 그리고 레이언(Rayon)계에서 중에서 어느 하나이고, 상기 탄소 섬유는 폴리우레탄(poly-urethane)에 의하여 표면 코팅되고, 상기 수소 플라즈마 처리에 의하여 상기 폴리우레탄은 제거될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 엔지니어링 플라스틱의 인장강도는 상온에서 239 MPa 이하이고, 상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 인장강도는 섭씨 150도에서 150 MPa 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 마찰계수가 0.12 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 항복강도가 149 MPa 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 탄성계수가 25 GPa 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 강성이 35.7 MN/m 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의의 마모량이 1.17 × 10-9 (mm3/N·m) 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔지니어링 플라스틱 복합재의 제조 방법은 탄소섬유 다발을 수소를 포함하는 반응 가스를 이용하여 플라즈마 처리하여 상기 탄소섬유 다발의 표면을 개질하고 기능기를 부착하는 단계; 및 상기 개질된 탄소섬유와 엔지니어링 플라스틱을 혼합하여 복합재를 구성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반응가스는 수소 가스(H2)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탄소섬유 다발은 폴리우레탄(poly-urethane)에 의하여 표면 코팅되고, 상기 플라즈마 처리에 의하여 상기 폴리우레탄은 제거될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 처리는, 진공 용기의 내부에 배치되고 서로 마주보는 상부 전극과 하부 전극을 구비한 플라즈마 장치에서, 상기 하부 전극에 상기 탄소섬유 다발을 배치하고, 상기 하부 전극을 가열하고, 수소 가스를 제공받아 상기 상부 전극에 공급되는 RF 전력에 의하여 형성된 축전 결합 수소 플라즈마에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 진공 용기의 공정 압력은 50 밀리토르 내지 1000 밀리토르이고, 상기 하부 전극의 반응 온도는 섭씨 300 도 내지 섭씨 700 도이고, 상기 상부 전극에 인가되는 전력은 100 와트 내지 1000 와트일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탄소섬유는 상기 엔지니어링 플라스틱 부피 대비 20~30 부피 퍼센트 범위일 수 있다.
탄소섬유는 플라즈마로 처리되면, 그 표면에 화학적 기능기 및 탄소의 결합 구조가 조절되어, 표면 개질된 탄소 섬유는 상온 및 고온에서 플라스틱 모재와 결합력 및 마찰 특성 등을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재는 고강도, 내마모, 저마찰 특성을 제공할 수 있다.
탄소섬유를 포함한 고강도 엔지니어링 플라스틱은 기존 범용플라스틱보다 높은 열적특성을 갖지만, 실제 고온용 기계 부품재료에 사용될 경우 고온 강도가 금속재료보다 현저히 낮아 파괴 또는 마모가 심하게 일어나는 문제가 있다. 본 발명에 따라 플라즈마가 처리된 탄소섬유를 이용하면 섬유표면에 생성된 기능기로 인하여 엔지니어링 플라스틱 내에서 모재와의 접착력이 높아져 고온 강도 및 마찰 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명을 통해 제조된 내열용 엔지니어링 플라스틱 복합재는 내열 특성이 요구되는 부품 표면의 코팅재료 등으로 사용될 수 있으며, 특히 자동차 부품, 고온 터빈 등 기계 금속재료를 대체하는 재료로 적합하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유를 플라즈마 처리하는 플라즈마 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 수소 플라즈마 처리된 탄소 섬유의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 FT-IR 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 수소 플라즈마 처리된 탄소 섬유의 라만(Ramman) 분광법의 결과이다.
도 4는 도 3의 라만 분석 결과의 D 피크와 G 피크의 적분한 신호의 비를 나타내는 결과이다.
도 5는 도 3의 라만 분석 결과를 분석하여 평균 그래핀(Graphene) 크기(La)와 평균 결정 크기(Leq)를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 수소 플라즈마 처리되지 않은 탄소 섬유의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)의 결과이다.
도 6b는 수소 플라즈마 처리된 소 섬유의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)의 결과이다.
도 6c는 수소 플라즈마 처리되지 않은 탄소 섬유와 수소 플라즈마 처리된 탄소 섬유의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)의 결과를 분석한 것이다.
도 7a는 수소 플라즈마 처리 전/후의 표면 거칠기를 측정한 결과이다.
도 7b는 수소 플라즈마 처리 전/후의 표면 거칠기를 확인하기 위한 AFM(Atomic-force microscopy) 사진이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리되지 않은 탄소 섬유를 구비한 엔지니어링 플라스틱 복합제의 인장시험을 실시한 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리된 탄소 섬유를 구비한 엔지니어링 플라스틱 복합제의 인장시험을 실시한 그래프이다.
도 9는 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 인장강도(tensile strength)를 나타낸다.
도 10은 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 탄성계수(Modulus of elasticity)를 나타낸다.
도 11은 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 항복 강도(Yield strength)를 나타낸다.
도 12는 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 강성도(Stiffness)를 나타낸다.
도 13은 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 마찰 계수(Friction Coefficient)를 나타낸다.
도 14는 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 마모율(Wear rate)를 나타낸다.
도 15는 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 전자 현미경(Scanning electron microscope; SEM) 사진을 나타낸다.
도 16은 측정 온도 및 복합재의 구성 성분 및 측정 온도에 따른 인장 강도를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 탄소섬유 표면 플라즈마 처리는 그 표면을 개질하고, 화학적 기능기를 부착하고, 탄소의 결합구조를 조절하고 및 거칠기를 조절한다. 개질된 탄소섬유는 엔지니어링 플라스틱과 혼합되어 복합재를 구성한다. 이 복합재는 상온 및 고온 기계적 특성 및 높은 마모·마찰 특성을 제공한다. 이 복합재는 고내열성, 내마모 저마찰용 엔지니어링 플라스틱 복합재이고, 고온용 강화제로는 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 플라즈마 처리는 탄소섬유 표면에 C-C, C=C, -CH, C-H, OH 등의 화학적 기능기들이 형성시킨다. 또한 수소 플라즈마에 의해 탄소섬유 표면의 개질하여 탄소 결합들을 변형한다. 즉 흑연 구조의 SP 2 결합에서 다이아몬드 구조의 SP 3 결합 구조로 변형시킨다. 상기 탄소섬유는 팬(PAN)계, 핏치(Pitch)계 그리고 레이언(Rayon)계에서 선택된 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예와 결과 등에 대해 설명하고자 한다. 이하의 실시 예와 결과는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유를 플라즈마 처리하는 플라즈마 장치를 설명하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 상기 플라즈마 처리 장치(100)는 진공 챔버(112), 상기 진공 챔버(112)의 내부에 구비되고 서로 마주 보는 상부 전극(114) 및 하부 전극(116)을 포함한다. 상기 상부 전극(114)은 라디오 주파수(radio frequency; RF) 전원(132)으로 부터 RF 전력을 매칭 네트워크(134)를 통하여 RF 전력을 공급받는다. 상기 상부 전극(114)은 축전 결합 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 상부 전극(114)은 외부로 부터 반응 가스를 제공받아 가스를 분배하여 토출할 수 있다. 상기 반응 가스는 수소 가스이다. 상기 RF 전력의 주파수는 13.56 MHz이고, 상기 상부 전극(114)에 공급되는 전력은 수십 와트 내지 수 킬로와트일 수 있다.
상기 상용 탄소 섬유 다발을 플라즈마 처리하는 공정에서 기체의 방전 특성 조절, 또는 기능기 형성을 위하여 반응가스 이외에 아르곤과 같은 불활성 가스가 첨가될 수 있다.
상기 하부 전극(116)은 내부에 히터(118)를 구비하고 있으며, 접지될 수 있다. 상기 하부 전극(116) 상에는 세라믹 재질의 도가니(10)가 배치된다. 상기 도가니(119)는 상용 탄소 섬유 다발(10)을 수납한다. 상기 도가니(119)는 상기 히터(116)에 의하여 가열된다. 상기 히터 또는 도가니의 온도는 섭씨 300도 내지 섭씨 700도 일 수 있다. 상기 도가니의 온도가 너무 높으면, 탄소 섬유는 불순물에 의하여 증착될 수 있다. 바람직하게는, 상기 도가나의 온도는 섭씨 300도 내지 섭씨 400도 일 수 있다. 상기 반응 가스는 상기 도가니의 온도가 설정된 공정 온도에 도달한 이후 공급되고, 압력이 안정화되면, RF 전력이 상기 상부 전극(114)에 공급되어 수소 플라즈마를 생성한다.
상기 반응 온도는 섭씨 300 도인 것이 바람직한데, 상기 온도가 섭씨 200 도 미만이면 충분한 반응이 수행될 수 없어 바람직하지 않고, 상기 반응 온도가 섭씨 1000도를 초과하면 지나치게 높은 온도로 인해 탄소 섬유의 물리적 또는 화학적 변화를 야기할 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 상용 탄소 섬유의 플라즈마 처리 시간은 수분 내지 수 시간일 수 있다. 상기 상용 탄소 섬유는 폴리우레탄(poly-urethane)으로 표면에 코팅된 10mm 길이 및 5㎛두께를 가진다.
상기 진공 용기의 공정 압력은 100 밀리토르 내지 1000 밀리토르 범위이고, 바람직하게는 250 밀리토로일 수 있다.
상기 탄소섬유의 수소 플라즈마 처리 시간은 1시간 내지 5시간일 수 있다. 상기 수소 플라즈마는 화학적 반응을 일으켜 기재 표면을 활성화( 또는 에칭)하는 동시에 표면에 탄소 결정 구조 변형 및 화학적 기능기들을 생성시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유 강화 엔지니어링 플라스틱 복합재의 제조 방법은 탄소섬유 다발을 수소를 포함하는 반응 가스를 이용하여 플라즈마 처리하여 상기 탄소섬유 다발의 표면을 개질하고 기능기를 부착하는 단계; 및 상기 개질된 탄소섬유와 엔지니어링 플라스틱을 혼합하여 복합재를 구성하는 단계를 포함한다.
상기 엔지니어링 플라스틱은 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르술폰(PES), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 그리고 4불화에틸렌수지(PTFE) 포함하는 고기능성 엔지니어링 플라스틱 중 선택되는 하나 이상을 포함한다.
상기 복합재의 탄소섬유 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 부피 대비 20 내지 30 부피 퍼센트일 수 있다. 상기 범위를 벗어나면, 고온강도를 포함한 기계적 특성 및 마찰 특성이 감소하여 바람직하지 않다.
상기 탄소 섬유 강화 엔지니어링 플라스틱 복합재의 크기 및 모양은 플라스틱 성형법에 따라 어떠한 모양 및 크기도 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 수소 플라즈마 처리된 탄소 섬유의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 FT-IR 결과이다.
도 2를 참조하면, 수소 플라즈마 처리된 탄소 섬유는 출발 물질로 상용 탄소 섬유를 사용하였으며, 상용 탄소 섬유는 폴리우레탄(poly-urethane)으로 표면 코팅되었으며, 길이는 10mm이고, 두께는 5㎛이다. 상기 탄소 섬유는 플라즈마 처리 장치(100)에서 RF 전력 450W, 압력 250 mTorr, 수소 유량 100 sccm, 반응 온도 섭씨 300도 에서 1시간 동안 처리되었다. 실시예1은 플라즈마 처리된 시편을 FT-IR 분석 결과로, 탄소(C) 및 수소(H)로 이루어진 기능기들이 생성됨을 확인하였다.
비교예1은 플라즈마 처리되지 않은 상용 탄소 섬유의 측정 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 수소 플라즈마 처리된 탄소 섬유의 라만(Ramman) 분광법의 결과이다.
도 3을 참조하면, 라만 이동(Ramman shift)는 D 피크(disorded peak)와 G 피크(graphite)를 구비한다. D 피크는 SP3 결합 정도를 나타내고, G 피크는 SP2 결합 정도를 나타낸다.
도 4는 도 3의 라만 분석 결과의 D 피크와 G 피크의 적분한 신호의 비를 나타내는 결과이다.
도 4를 참조하면, D 피크 적분 신호(ID)는 D 피크의 면적을 적분한 결과이고, G 피크 적분 신호(IG)는 G 피크의 면적을 적분한 결과이다. 신호비(ID/IG)는 플라즈마를 생성하는 수소 가스의 유량이 증가함에 따라 증가한다. 따라서, SP3 결합 정도가 탄소 섬유의 수소 플라즈마 처리에 의하여 증가하여, 표면 개질이 발생한다. 비교예 1은 수소 플라즈마 처리를 하지 않은 결과이며, 실시예1은 50 sccm의 수소가스 유량을 가지고 수소 플라즈마 처리된 결과이다.
도 5는 도 3의 라만 분석 결과를 분석하여 평균 그래핀(Graphene) 크기(La)와 평균 결정 크기(Leq)를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 수소 플라즈마 처리를 함에 따라, 평균 그래핀(Graphene) 크기(La)와 평균 결정 크기(Leq)가 모두 감소한다. 이것은 탄소 섬유의 표면이 개질되었음을 나타낸다.
도 6a는 수소 플라즈마 처리되지 않은 탄소 섬유의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)의 결과이다.
도 6a를 참조하면, 빨간 점선(또는 흑색)은 수소 플라즈마 처리되지 않은 탄소 섬유의 결과이다. XPS 스펙트럼은 각각의 결합 성분으로 분리될 수 있다. 파란색은 SP2 결합을 나타내고, 분홍색은 SP3 결합이고, 초록색은 OH 결합이고, 어두운 노란색은 COOH 결합이다.
도 6b는 수소 플라즈마 처리된 소 섬유의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)의 결과이다.
도 6b를 참조하면, 빨간 점선(또는 흑색)은 플라즈마 처리되지 않은 탄소 섬유의 결과이다. XPS 스펙트럼은 각각의 결합 성분으로 분리될 수 있다. 파란색은 SP2 결합을 나타내고, 분홍색은 SP3 결합이고, 초록색은 OH 결합이고, 어두운 노란색은 COOH 결합이다.
도 6c는 수소 플라즈마 처리되지 않은 탄소 섬유와 수소 플라즈마 처리된 탄소 섬유의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)의 결과를 분석한 것이다.
도 6c를 참조하면, SP2 결합은 수소 플라즈마 처리에 의하여 감소하고, SP3 결합, OH 결함, 및 COOH 결합은 플라즈마 처리에 의하여 증가한다. 따라서, 수소 플라즈마 처리에 의하여 탄소 섬유는 개질되고 기능기를 가진다.
도 7a는 수소 플라즈마 처리 전/후의 표면 거칠기를 측정한 결과이다.
도 7a를 참조하면, 수소 플라즈마 처리에 의하여 표면 거칠기(Ra)는 증가한다.
도 7b는 수소 플라즈마 처리 전/후의 표면 거칠기를 확인하기 위한 AFM(Atomic-force microscopy) 사진이다.
도 7b를 참조하면, 수소 플라즈마 처리된 경우, 표면 거칠기가 증가되었다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리되지 않은 탄소 섬유를 구비한 엔지니어링 플라스틱 복합제의 인장시험을 실시한 그래프이다.
도 8a를 참조하면, 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소섬유와 고강도 엔지니어링 플라스틱인 상용 폴리에테르이미드(PEI)를 혼합하여 복합재를 제조하였다. 상기 탄소섬유의 부피 비는 상기 고강도 엔지니어링 플라스틱 부피에 대비 0, 10, 20, 30, 그리고 40 퍼센트로 증가시킨 시편을 각각 제작하였다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리된 탄소 섬유를 구비한 엔지니어링 플라스틱 복합제의 인장시험을 실시한 그래프이다.
도 8b를 참조하면, 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 고강도 엔지니어링 플라스틱인 상용 PEI를 혼합하여 복합재를 제조하였다. 탄소섬유의 부피 비는 0, 10, 20, 30, 그리고 40 퍼센트로 증가시킨 시편을 각각 제작하였다. 부피 비에 따른 PEI 모재로 이루어지는 복합재는 섭씨 260도에서 30분간 니더(kneader) 장비로 혼합하여 탄소섬유가 고르게 분산된 복합재를 완성하였다. 수득된 복합재를 압축/성형장치를 이용하여 섭씨 290도 에서 35 MPa의 압력을 가하여 압축/성형하여 두께가 3.0 mm인 시편을 제작하였다. 또한 탄소섬유를 첨가하지 않은 PEI 시편도 동일한 방법으로 제조하여 그 성능을 비교하였다.
도 9는 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 인장강도(tensile strength)를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 시료는 도 8a 및 도 8b에서 설명한 방법으로 제작되었다. 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소섬유를 구비한 복합재에 비하여 더 높은 인장강도(tensile strength)를 보인다. 따라서, 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 더 우수한 기계적 특성을 보인다.
탄소섬유가 전혀 첨가되지 않은 PEI의 경우, 인장강도는 104 MPa이다. 이에 비해 플라즈마 처리되지 않은 탄소섬유가 첨가된 비교예 2의 경우, 탄소섬유 30 부피비의 시편에서 170 MPa 로 크게 증가하였다. 플라즈마로 처리된 탄소섬유로 부턴 제작된 실시예 2의 시편은 탄소섬유 30 부피비에서 비교예 2로 부터 제작된 시편보다 더 높은 239 MPa 의 인장강도를 나타냈었다.
마찬가지로 탄성계수, 항복강도, 강성도 탄소섬유 30 부피비의 시편에서 가장 높은 성능을 보여주었다. 플라즈마 처리된 탄소섬유 즉 실시예 2의 경우가 비교예 2에 비해 더 높은 성능을 나타내었다. 이는 플라즈마 탄소섬유 처리에 위한 탄소섬유 표면에 화학적 기능기 형성, 탄소 결정 구조 및 크기 변화, 거칠기 증가로 인하여 복합재 내에서 모재와의 부착성이 향상되었기 때문이다. 또한 실시예 2는 상용 금속재료로 사용되는 주철(cast iron)의 인장강도인 173 MPa 보다도 우수한 상온 인장강도를 갖는 것으로 나타났다.
도 10은 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 탄성계수(Modulus of elasticity)를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 시료는 도 8a 및 도 8b에서 설명한 방법으로 제작되었다. 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소섬유를 구비한 복합재에 비하여 더 높은 탄성계수(Modulus of elasticity)를 나타낸다. 따라서, 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 더 우수한 기계적 특성을 보인다. 수소 플라즈마로 처리된 30 퍼센트의 부피비를 가진 탄소 섬유가 함유된 복합재의 탄성계수는 25 GPa이다.
도 11은 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 항복 강도(Yield strength)를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 시료는 도 8a 및 도 8b에서 설명한 방법으로 제작되었다. 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소섬유를 구비한 복합재에 비하여 더 높은 항복 강도(Yield strength)를 나타낸다. 따라서, 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 우수한 기계적 특성을 보인다. 수소 플라즈마로 처리된 30 퍼센트 부피비를 가진 탄소 섬유가 함유된 복합재의 항복강도는 149 MPa이다.
도 12는 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 강성도(Stiffness)를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 시료는 도 8a 및 도 8b에서 설명한 방법으로 제작되었다. 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소섬유를 구비한 복합재에 비하여 더 높은 강성도(Stiffness)를 나타낸다. 따라서, 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 우수한 기계적 특성을 보인다. 수소 플라즈마로 처리된 30 퍼센트의 부피비를 가진 탄소 섬유가 함유된 복합재의 강성이 35.7 MN/m이다.
도 13은 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 마찰 계수(Friction Coefficient)를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 시료는 도 8a 및 도 8b에서 설명한 방법으로 제작되었다. 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소섬유를 구비한 복합재에 비하여 더 낮은 마찰 계수(Friction Coefficient)를 나타낸다. 따라서, 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 우수한 마찰 특성을 보인다. 수소 플라즈마로 처리된 40 퍼센트의 부피비를 가진 탄소섬유를 구비한 복합재의 마찰계수는 0.12이다.
마찰계수는 그 값이 작을수록 바람직하다. 마찰계수는 플라즈마 처리된 탄소섬유를 40 부피비로 첨가한 엔지니어링 플라스틱 실시예 2의 마찰계수가 0.12, PEI의 경우 0.43, 플라즈마 처리하지 않은 탄소섬유를 40 부피비로 첨가한 PEI의 비교예 2의 경우 0.17 보다도 우수한 값을 가짐을 알 수 있다. 이는 엔지니어링 플라스틱 내부의 기지강화로 인한 강도 증가에 의하여 내마모성이 향상됨에 따라 재료와 상대재의 접촉면적이 줄어들어 이에 따라 접촉저항이 낮아져 마찰계수가 낮아짐을 알 수 있다.
도 14는 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 탄소 섬유 부피 비에 따른 마모율(Wear rate)를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 시료는 도 8a 및 도 8b에서 설명한 방법으로 제작되었다. 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소섬유를 구비한 복합재에 비하여 더 낮은 마모율(Wear Rate)를 나타낸다. 따라서, 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 우수한 마모 특성을 보인다.
비교예 2는 플라즈마 처리하지 않은 탄소섬유를 첨가한 PEI 복합재이다. 실시예 2는 플라즈마 처리된 탄소섬유를 첨가한 PEI 복합재이다. 플라즈마 처리된 탄소섬유를 40 부피비로 첨가한 PEI의 경우 1.17 × 10-9 (mm3/N·m) 으로 일반적인 탄소섬유를 40 부피비로 첨가한 시편의 경우 2.14 × 10-9 (mm3/N·m) 에 비해 마모량이 상당히 낮음을 알 수 있다. 마찰계수가 낮아지는 원인에 대해서 기술한 바와 같이 탄소섬유를 플라즈마 처리할 경우 엔지니어링 플라스틱과의 화학적 결합으로 인해 기지강화에 의한 효과임을 알 수 있다.
실시예 2로 사용된 플라즈마가 처리된 탄소섬유를 사용한 복합재에 첨가한 경우, 같은 비율로 아무런 처리를 하지 않은 탄소섬유가 첨가된 엔지니어링 플라스틱의 비교예 2 보다 상온 및 고온 인장강도, 항복강도, 탄성계수, 강성, 마찰계수 및 마모량이 모두 우수하였다.
도 15는 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유와 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소 섬유를 포함한 복합재의 전자 현미경(Scanning electron microscope; SEM) 사진을 나타낸다.
도 15를 참조하면, 시료는 도 8a 및 도 8b에서 설명한 방법으로 제작되었다. 수소 플라즈마로 처리된 탄소섬유를 구비한 복합재는 수소 플라즈마로 처리되지 않은 탄소섬유를 구비한 복합재에 비하여 모재인 폴리에테르이미드(PEI)와 결합력을 보인다. 비교예 2로부터 제조된 복합재에 비하여 실시예 2로 부터 제조된 복합재에서 탄소섬유 표면에 모재인 PEI가 다량 붙어있는 것으로 확인된다. 이는 플라즈마 처리에 의한 탄소섬유 표면에 화학적 기능기 및 탄소 결정구조 변형으로 인하여 복합재 내에서 모재와의 부착성이 향상되었기 때문이다.
도 16은 측정 온도 및 복합재의 구성 성분 및 측정 온도에 따른 인장 강도를 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 비교예 1은 PEI 만으로 구성되고, 비교예 2는 플라즈마 처리되지 않은 30 퍼센트의 부피비를 가진 탄소 섬유를 PEI와 혼합한 복합재이다. 비교예 3은 금속인 주철(cast iron)이다. 실시예 2는 플라즈마 처리된 30 퍼센트의 부피비를 가진 탄소 섬유를 PEI와 혼합한 복합재이다.
시편들을 이용하여 상온 및 섭씨 150도에서의 인장강도를 측정하였다. 섭씨 150도에서 인장 강도를 비교하여, PEI의 고온 인장강도와 플라즈마 처리되지 않은 탄소섬유가 추가된 비교예 2의 인장 강도는 거의 비슷한 60 MPa 의 고온 인장강도를 보인다. 따라서, 150도의 고온에서, 종래의 탄소 섬유 강화 엔지니어링 플라스틱 복합재는 그 성능이 현저히 감소한다.
하지만. 실시예 2의 시편에서는 탄소섬유의 플라즈마 처리 효과로 인하여 고온 인장강도가 150 MPa 로 급격히 증가한다. 150 M Pa의 값은 금속재료인 비교예 3와 비슷한 값임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재는 상온에서 금속 재료보다 더 높은 인장 강도를 보이며, 섭씨 150도의 고온에서도 금속 재료와 비슷한 인장 강도를 보인다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재는 금속재료를 대체할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
10: 탄소 섬유
114: 상부 전극
116: 하부 전극

Claims (16)

  1. 수소 플라즈마에 의하여 그 표면이 개질되어 기능기를 구비한 탄소 섬유; 및
    엔지니어링 플라스틱을 포함하고,
    상기 탄소 섬유는 상기 엔지니어링 플라스틱에 혼합되어 복합재를 구성하는 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질된 탄소 섬유는 탄소(C) 및 수소(H)로 이루어진 기능기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 엔지니어링 플라스틱.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질된 탄소 섬유는 상기 엔지니어링 플라스틱 부피 대비 20 부피 퍼센트 내지 30 부피 퍼센트 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유는 팬(PAN)계, 핏치(Pitch)계 그리고 레이언(Rayon)계에서 중에서 어느 하나이고,
    상기 탄소 섬유는 폴리우레탄(poly-urethane)에 의하여 표면 코팅되고,
    상기 수소 플라즈마 처리에 의하여 상기 폴리우레탄은 제거되는 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱의 인장강도는 상온에서 239 MPa 이하이고,
    상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 인장강도는 섭씨 150도에서 150 MPa 이하인 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 마찰계수가 0.12 이하인 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 항복강도가 149 MPa 이하인 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 탄성계수가 25 GPa 이하인 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의 강성이 35.7 MN/m 이하인 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 복합재의의 마모량이 1.17 × 10-9 (mm3/N·m) 이하인 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재.
  11. 탄소섬유 다발을 수소를 포함하는 반응 가스를 이용하여 플라즈마 처리하여 상기 탄소섬유 다발의 표면을 개질하고 기능기를 부착하는 단계; 및
    상기 개질된 탄소섬유와 엔지니어링 플라스틱을 혼합하여 복합재를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재의 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 반응가스는 수소 가스(H2)인 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재의 제조 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 탄소섬유 다발은 폴리우레탄(poly-urethane)에 의하여 표면 코팅되고,
    상기 플라즈마 처리에 의하여 상기 폴리우레탄은 제거되는 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재의 제조 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리는, 진공 용기의 내부에 배치되고 서로 마주보는 상부 전극과 하부 전극을 구비한 플라즈마 장치에서, 상기 하부 전극에 상기 탄소섬유 다발을 배치하고, 상기 하부 전극을 가열하고, 수소 가스를 제공받아 상기 상부 전극에 공급되는 RF 전력에 의하여 형성된 축전 결합 수소 플라즈마에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 진공 용기의 공정 압력은 50 밀리토르 내지 1000 밀리토르이고,
    상기 하부 전극의 반응 온도는 섭씨 300 도 내지 섭씨 700 도이고,
    상기 상부 전극에 인가되는 전력은 100 와트 내지 1000 와트인 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재의 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 상기 엔지니어링 플라스틱 부피 대비 20~30 부피 퍼센트 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔지니어링 플라스틱 복합재의 제조 방법.
KR1020160013851A 2016-02-04 2016-02-04 플라즈마 처리를 통한 표면이 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재 및 그 제조 방법 KR101777945B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160013851A KR101777945B1 (ko) 2016-02-04 2016-02-04 플라즈마 처리를 통한 표면이 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재 및 그 제조 방법
US16/075,820 US10647827B2 (en) 2016-02-04 2017-02-03 Polymer composite strengthened with carbon fiber surface-modified by plasma treatment and method for producing polymer composite
PCT/KR2017/001176 WO2017135723A1 (ko) 2016-02-04 2017-02-03 플라즈마 처리를 통한 표면이 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재 및 그 제조 방법
US16/840,647 US11008428B2 (en) 2016-02-04 2020-04-06 Polymer composite strengthened with carbon fiber surface-modified by plasma treatment and method for producing polymer composite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160013851A KR101777945B1 (ko) 2016-02-04 2016-02-04 플라즈마 처리를 통한 표면이 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재 및 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170092767A true KR20170092767A (ko) 2017-08-14
KR101777945B1 KR101777945B1 (ko) 2017-09-12

Family

ID=59500821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160013851A KR101777945B1 (ko) 2016-02-04 2016-02-04 플라즈마 처리를 통한 표면이 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재 및 그 제조 방법

Country Status (3)

Country Link
US (2) US10647827B2 (ko)
KR (1) KR101777945B1 (ko)
WO (1) WO2017135723A1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102202748B1 (ko) * 2019-12-06 2021-01-13 (주)에이엔에이치스트럭쳐 탄소복합재 대기압 플라즈마 표면 처리 장치
WO2022114458A1 (ko) * 2020-11-24 2022-06-02 한국생산기술연구원 Ipl을 이용하여 표면개질된 저품위 탄소섬유 및 이를 포함하는 탄소섬유 복합재
WO2022182022A1 (ko) * 2021-02-26 2022-09-01 엘지전자 주식회사 금속 산화물 나노로드를 포함하는 플라스틱 수지 복합체 및 이의 제조방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11976178B2 (en) * 2017-10-24 2024-05-07 The Boeing Company Compositions with coated carbon fibers and methods for manufacturing compositions with coated carbon fibers
KR102193671B1 (ko) 2019-03-19 2020-12-21 한국과학기술연구원 벤젠 고리를 가지는 화합물로 코팅된 탄소섬유의 급속 플라즈마 처리를 통한 표면 처리 방법 및 장치, 이에 따른 탄소 섬유의 물성 향상 방법 및 물성이 향상된 탄소 섬유

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01122911A (ja) * 1987-11-07 1989-05-16 Nippon Steel Corp 表面硬質化黒鉛材料の製造方法
ATE276388T1 (de) * 1996-09-17 2004-10-15 Hyperion Catalysis Int Plasma behandelte kohlenstoffibrillen und herstellungsverfahren
JP4969363B2 (ja) * 2006-08-07 2012-07-04 東レ株式会社 プリプレグおよび炭素繊維強化複合材料
JP5059589B2 (ja) 2007-12-27 2012-10-24 帝人株式会社 窒化ホウ素ナノ繊維及びその製造方法
KR20120124404A (ko) * 2009-12-08 2012-11-13 어플라이드 나노스트럭처드 솔루션스, 엘엘씨. 열가소성 매트릭스 중의 씨엔티-주입된 섬유
KR101163468B1 (ko) 2010-11-22 2012-07-18 현대자동차주식회사 탄소섬유의 표면처리시스템 및 이를 이용한 탄소섬유의 표면처리방법
KR101282626B1 (ko) * 2011-08-22 2013-07-12 주식회사 데스코 프론트 엔드 모듈 캐리어용 경량화된 강화플라스틱 복합소재 조성물
KR101498559B1 (ko) * 2013-04-04 2015-03-05 한국기계연구원 폴리도파민을 이용한 탄소섬유강화플라스틱 복합재 및 이의 제조방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102202748B1 (ko) * 2019-12-06 2021-01-13 (주)에이엔에이치스트럭쳐 탄소복합재 대기압 플라즈마 표면 처리 장치
WO2022114458A1 (ko) * 2020-11-24 2022-06-02 한국생산기술연구원 Ipl을 이용하여 표면개질된 저품위 탄소섬유 및 이를 포함하는 탄소섬유 복합재
WO2022182022A1 (ko) * 2021-02-26 2022-09-01 엘지전자 주식회사 금속 산화물 나노로드를 포함하는 플라스틱 수지 복합체 및 이의 제조방법
KR20220122215A (ko) * 2021-02-26 2022-09-02 엘지전자 주식회사 금속 산화물 나노로드를 포함하는 플라스틱 수지 복합체 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017135723A9 (ko) 2018-10-04
US10647827B2 (en) 2020-05-12
WO2017135723A1 (ko) 2017-08-10
US20190040214A1 (en) 2019-02-07
US20200231768A1 (en) 2020-07-23
US11008428B2 (en) 2021-05-18
KR101777945B1 (ko) 2017-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101777945B1 (ko) 플라즈마 처리를 통한 표면이 개질된 탄소섬유를 구비한 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재 및 그 제조 방법
Hu et al. A two-step combination strategy for significantly enhancing the interfacial adhesion of CF/PPS composites: The liquid-phase oxidation followed by grafting of silane coupling agent
Gu et al. Synchronously improved dielectric and mechanical properties of wave-transparent laminated composites combined with outstanding thermal stability by incorporating iysozyme/POSS functionalized PBO fibers
JP5849308B2 (ja) 表面改質フッ素樹脂フィルムの製造方法及び表面改質フッ素樹脂フィルム
Ma et al. A study of the effect of oxygen plasma treatment on the interfacial properties of carbon fiber/epoxy composites
Eyckens et al. Improving the effects of plasma polymerization on carbon fiber using a surface modification pretreatment
JP2006213569A (ja) 表面処理カーボンナノファイバーおよびその製造方法
Kareem et al. Electrical and thermal characteristics of MWCNTs modified carbon fiber/epoxy composite films
WO2016093250A1 (ja) 表面処理炭素繊維、表面処理炭素繊維ストランド及びこれらの製造方法
Chen et al. Influence of DBD-grafted multi-carboxyl polyurethane on interfacial properties of PBO fibre-reinforced BMI resin composites
Xu et al. Dramatically improving the interfacial adhesion of CF/epoxy composite through synergistic deposition of silver nanoparticles and polydopamine
Ren et al. Improvement of the interfacial properties of CF/PEEK composites by introducing aminated polyphenylene sulphide (PPS‐NH2) as a sizing agent
EP3680100B1 (de) Verbundmaterial mit haftvermittlerschicht auf basis von si, c und o
WO2010125996A1 (ja) フッ素樹脂成形体およびその製造方法
KR101231629B1 (ko) 카본나노튜브를 성장시킨 카본파이버를 포함하는 연료전지 분리판용 복합체 및 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지용 분리판
CN114016286B (zh) 一种官能化氧化石墨烯电泳沉积修饰碳纤维的方法及其碳纤维复合材料
Chen et al. Codeposition of Polyethyleneimine/Catechol on Fully Drawn Polyester Fiber‐Bundles for Investigating Interfacial Properties with Epoxy Resin
Chen et al. Enhanced thermal conductivity of epoxy resin by incorporating pitch-based carbon fiber modified by Diels-Alder reaction
JP3748712B2 (ja) ライナー用樹脂成形体
CN110527950B (zh) 一种防粘材料
TW201630987A (zh) 碳纖維強化塑膠成形品之製造方法
KR20200046539A (ko) 탄소섬유 복합체의 제조방법
Wu et al. Optimized interfacial compatibility of carbon fiber and epoxy resin via controllable thickness and activated ingredients of polydopamine layer
CN108884554B (zh) 金属表面的覆膜形成方法
US20220403754A1 (en) Part having improved abrasion resistance

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant