KR20170100082A - 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층 시트 - Google Patents

난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층 시트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 50~65 wt%와 난연 폴리카보네이트 수지 35~50 wt%로구성되며, 상기 난연 폴리카보네이트 수지는 순수한 폴리카보네이트 또는 실록산 공중합 폴리카보네이트 중에서 선택되는 폴리카보네이트 수지를 65~75 wt% 함유하고, 인산염계 난연제 20~30 wt% 및 기타 첨가제 0.1~10 wt% 함유한 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층시트가 특징이다.
상기 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그는 두께가 120~200 um이며, 밀도는 1.35~1.55 g/㎤, 굴곡탄성율은 79Gpa 이상의 특징을 갖는다. 상기 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 적층한 시트는 0.8~1.4 mm 두께 범위에서 UL-94 시험법에 의한 V-0 난연성, 종, 횡 방향 모두 굴곡탄성율 35GPa 이상을 갖고 있어, IT용 경량 고물성 요구 판재 소재로 활용이 가능하다.

Description

난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층 시트{Laminated sheet using flame retardant carbon fiber/polycabonate prepreg}
본 발명은 우수한 난연성을 갖는 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층 시트에 관한 것이다.
현재 노트북, 이북, 태블릿 및 개인용 컴퓨터와 같은 전자 및 전기 장치에 사용되는 금속성 바디 패널은 중량이 더 가볍고 견고한 기계적 특성을 갖는 재료로 대체되고 있다.
IT, 가전용의 판재는 주로 Al, Mg 등의 금속이나 플라스틱 사출품이 사용되는데, 1.0~1.2 t 정도 또는 이보다 얇은 판재의 경우, 사출 성형이 쉽지 않고 물성이 높지 않아 활용이 제한된다는 단점이 있었다.
따라서, 연속상의 탄소섬유 보강 난연 폴리카보네이트 프리프레그 및 이로 적층된 시트의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
공개특허공보 제10-2008-0079278호(2008.08.29.공개)에는 폴리카보네이트 조성물 5~70 중량%; 유리섬유 또는 유리섬유와 탄소섬유의 조합물을 포함하는 섬유질의 보강조성물 5~60 중량%; 인 기반 난연제를 포함하는 난연제 조성물 1~10 중량%; 및 상승제(폴리실록산 등) 조성물 1~10 중량%를 포함하는 조성물로서, 약 1.8 메가파스칼의 변형력이 가해질 때, 약 76 ℃이상의 열변성 온도조건에서 UL-94 테스트 측정시, 약 1.6 ㎜까지의 두께를 갖는 샘플들에 대하여, V-1 또는 그 이상의 난연성을 갖는 것을 특징으로 하는 폴리카보네이트 조성물 및 그의 제조방법, 그의 성형품 등이 소개되어 있으며, 이때, 인 기반 난연제로는 방향족 포스페이트인 페닐 비스(도데실) 포스페이트를 시작으로, 다기능 포스페이트 화합물질인 비스(디페닐 포스페이트), 비스페놀 A 비스(디페닐 포스페이트), N,N'-비스[디-(2,6-크실릴)포스포릴]-피페라진 등 많은 인 화합물이 단독 또는 조합 할 수 있음이 소개되어 있다. 공개특허공보 제10-2014-0075517호(2014.06.19.공개)에는 내광성 및 난연성이 우수한 폴리카보네이트 수지 조성물이 소개되어 있는바, 폴리카보네이트 수지 100 중량부에 대하여 폴리오르가노실록산 함유 그라프트 공중합체 0.1~5 중량부; 유기 실록산 중합체 0.1~5 중량부; 인계 난연제 1~5 중량부; 및 이산화티탄 5~50 중량부를 포함하며, 추가하여 충진제(탄소섬유 등) 1~100 중량부를 더 포함할 수 있으며, 이때, 인계 난연제로는 적인, 포스페이트, 포스포네이트, 포스피네이트, 포스핀옥사이드, 포스파젠, 및 이들의 금속염, 및 이들의 혼합물이 포함되며, ASTM D 256에 의거하여 측정한 충격강도가 14~16 kgf ㎝/㎝이고, ASTM D 790에 의거하여 측정한 굴곡탄성율이 37000~39500 kgf/㎠인 것을 특징으로 하는 폴리카보네이트 수지 조성물이 소개되어 있다. 공개특허공보 제10-2014-0085246호(2014.07.07.공개)에는 난연성 열가소성 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품이 소개되어 있는바, 열가소성 수지(폴리카보네이트 수지 10~99 중량%와 방향족 비닐계 수지 1 내지 90 중량% 포함) 100 중량부; 난연제(인산 등) 5~25 중량부; 충전재(탄소섬유, 유리 섬유 등) 1~50 중량부 포함하는 조성물로, 이때 난연제로는 인산, 인산에스테르계 화합물, 폴리인산염계 화합물, 적인계 화합물, 할로겐계 난연제 등이 포함되고 (특히, 비스 페놀 A 디포스페이트), 충전재가 ASTM D281에 의거하여 측정한 흡유량이 0.1~10 ㎖/100 g임을 특징으로 한다. 일본공개특허공보 제2014-133841호(2014.07.20.공개)에는 탄소섬유에 수지 함침성이 높고, 고온시 강도 유지율이 양호하며, 성형 가공성이 우수한 탄소섬유 강화 폴리카보네이트계 프리프레그 및 복합재료를 제공하기 위하여, 구조 일부에 디히드록시 화합물에서 유래된 구조단위를 적어도 포함하는 폴리카보네이트 수지와 일방향으로 당겨진 탄소섬유로 이루어진, 탄소섬유 강화 폴리카보네이트계 프리프레그가 소개되어 있고, 일본공개특허공보 제2014-91825호(2014.05.19.공개)에는 종래의 탄소섬유 강화 열가소성 수지 시트와 비교하여, 80 ℃에서 굴곡강도가 현저히 개선되고, 고온시 강도의 보존율이 우수하며, 함침성이나 성형가공성도 양호하고, 제조코스트의 저감, 성형코스트의 저감 가능성이 높아, 자동차의 구조재, 준구조재 최적인 프리프레그 및 복합재료에 관한 것으로, 250 ℃의 용융점도가 1~100 Pas의 폴리카보네이트 수지와, 일방향으로 당겨진 탄소 섬유로 되고, 탄소섬유 강화 폴리카보네이트계 프리프레그와 함께, 탄소섬유 강화 폴리카보네이트계 프리프레그를 섬유방향이 유사 등방이 되도록 시트상에 적층한 탄소섬유 강화 폴리카보네이트계 복합재료를 얻는다고 소개되어 있다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명된 것으로, IT용 경량 및 고물성의 판재용으로 적용될 수 있는 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층 시트를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트 프리프레그는, 탄소섬유 50~65 wt%와 난연 폴리카보네이트 수지 35~50 wt%로 구성되며, 상기 난연 폴리카보네이트 수지는 순수한 폴리카보네이트 또는 실록산 공중합 폴리카보네이트 중에서 선택되는 폴리카보네이트 수지를 65~75 wt% 함유하고, 인산염계 난연제 20~30 wt% 및 기타 첨가제 1~10 wt% 함유한 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층시트를 제공한다.
본 발명의 적층시트는 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그가 유사 등방을 이루도록 적층되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층시트는 IT용 경량 고물성 요구 판재소재로 활용이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그의 적층 구조의 모식도이다.
도 2(a) 본 발명의 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그의 0°방향인 경우이며, 도 2(b)는 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그의 90° 방향인 경우를 나타낸 평면도이다.
이와 같은 본 발명을 다음에서 상세하게 설명하기로 하며, 이하의 내용은 단지 예시하기 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층시트는 탄소섬유 50~65 wt%와 난연 폴리카보네이트 수지 35~50 wt%로 구성된다. 상기 난연 폴리카보네이트는 순수한 폴리카보네이트 또는 실록산 공중합 폴리카보네이트 중에서 선택되는 1종 이상의 폴리카보네이트 수지를 65~75 wt% 함유하고, 인산염계 난연제를 20~30 wt% 및 기타 첨가제를 1~10 wt% 함유한 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용하여 유사등방을 이루도록 적층된다.
본 발명의 난연제로는 폴리카보네이트의 자체 난연 메커니즘과 시너지를 갖을 수 있도록 인계 난연제를 적용하는 것이 바람직하며, 난연제의 함량이 증가할수록 난연 성능이 향상되나, 상기 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그의 두께가 1.0 mm 기준에서 안정적인 난연 성능(UL-94 V0)을 보이려면 20 wt% 이상 첨가되어야 하며, 난연제 함량이 30 wt% 이상 첨가되면 안정적인 컴파운딩이 되지 않는다.
기타첨가제로는 통상의 충격보강제, 난연보조제, 산화방지제, 윤활제 등이 사용될 수 있다.
폴리카보네이트의 종류에 대해서는 별도의 제한을 갖지 않으나, 탄소섬유 내 필라멘트(filament) 사이로의 원활한 함침을 위해서는 공정 온도에서 1,000~200,000 cps 의 점도를 갖는 것이 좋다. 만약 폴리카보네이트 점도가 1,000 cps 미만이면 수지의 물성이 낮아 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트 프리프레그의 물성이 저하되고, 200,000 cps 초과이면 수지가 필라멘트 사이로 제대로 침투하지 못하여 내부에 공극(void) 함유율이 높아져 물성이 저하된다.
통상의 탄소섬유/폴리카보네이트 복합재료의 난연성은 수지를 단독으로 사용했을 때보다 난연성이 떨어지는데, 이는 연소 과정 중에서 탄소섬유의 매우 높은 열전도도로 인해 외부/표면층의 열을 내부로 쉽게 전달시키며 탄소섬유의 낮은 열팽창율로 인해 탄소섬유/수지의 계면이 박리되어 산소 및 저분자 물질의 통과 채널을 형성하기 때문이다. 따라서 탄소섬유 함량이 높은 UD-prepreg 복합재료에 난연성을 부과하기 위해서는 상기 문제를 해소할 수 있는 난연제를 사용하는 것이 효과적이다.
난연제 중 인계 난연제는 그 메커니즘에서 연소과정 중 고분자와 가교를 형성하여 char를 형성하고, 형성된 char는 연소가 일어나는 샘플의 표면과 CF-수지 간의 미세 채널을 둘러싸 산소와 저분자 물질의 투과를 차단한다.
본 발명에서는 인계 난연제 중 인산염(Phosphate)계 난연제를 적용하였으나, 꼭 인산염계로 국한되지는 않으며 같은 인계 난연제인 포스포네이트(phosphonate)계나 포스피네이트 (phosphinate)계도 적용 가능하다.
상기 인삼염계 난연제로는 비스페놀 에이 비스(디페닐포스페이트)(BDP; Bisphenol A bis(diphenylphospate), 트리페닐 포스페이트(Tri-phenyl Phosphate, TPP), 레조시놀 비스(디페닐포스페이트)(Resorcinol bis(diphenyl phosphate), RDP), 암모늄 폴리포스페이트(Ammonium polyphosphate, APP) 중에서 선택되는 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하며, 비스페놀 에이 비스(디페닐포스페이트)(BDP; Bisphenol A bis(diphenylphospate)를 사용하는 것이 더 바람직하다.
상기 포스포네이트계 난연제로는 디메틸 메틸포스포네이트(Dimethyl methylphosphonate, DMMP), 트라아진 포스포네이트(Triazine Phosphonate) 등인 것이 바람직하다.
상기 포스피네이트계 난연제로는 알루미늄 디에틸 포스피네이트(Aluminium diethyl phosphinate), 알루미늄 메틸에틸포스피네이트(Aluminum methylethylphosphinate) 등 인 것이 바람직하다.
이와 같은 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그의 기계적 물성은 탄소섬유의 함량에 가장 크게 영향 받으며, 탄소섬유 함량이 50 wt% 이하이면 ASTM D-790에 의거하여 굴곡탄성율이 79 GPa 이상의 물성을 나타내지 않으며, 탄소섬유 함량이 65 wt% 이하일 때 탄소섬유에 폴리카보네이트 수지가 안정적인 함침성을 나타낸다.
상기 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그의 두께는 100~200 um이며, 밀도는 1.35~1.55 g/㎤, 굴곡탄성율은 79 GPa 이상의 특성을 갖는다.
본 발명의 상기 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층시트는 상기 프리프레그(Prepreg)를 각 층별로 임의의 방향으로 방향이 같거나 또는 다르게 적층하되, 두께 방향의 적층 순서가 대칭성을 갖는다. 중앙부에는 상기 프리프레그(Prepreg)를 대신하여 임의의 필름 또는 다른 보강소재를 갖는 프리프레그(Prepreg)를 적용할 수 있다.
상기 적층시트의 두께는 0.8~1.4 mm 이며, 1.2 mm 이하로 적층되는 것이 바람직하다. 종/횡 방향의 굴곡탄성율은 동일하거나 또는 두 방향의 값 중 작은 것이 다른 방향의 값의 적어도 60 % 이상의 물성을 갖는다. 또한 종/횡 방향 모두 최소 35 GPa 이상의 굴곡탄성율을 갖는다. 또한 이 적층 시트는 UL-94 테스트 시험에 의거하여 V-1 또는 V-0의 난연성을 갖는다.
[실시예]
실시예 1~6
인계난연제(BDP) 25 wt% 및 충격보강제(rubber) 5 wt%, 기타 첨가제(Metal Hydrate 및 FR synergist 등) 2 wt%를 포함한 폴리카보네이트 수지를 제조하였다. 이 수지를 적용하여 아래 표 1의 탄소섬유 함량에 따라 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 제조하였다.
실시예 1 내지 6의 프리프레그 제조시 탄소섬유 함량은 56 wt% 부터 62 wt%까지 다양하며, 평균 두께는 약 0.13~0.15 mm이다.(표 1 참조)
제조한 프리프레그를 중앙의 PC 필름의 상, 하면에 도 1의 순서로 적층한 후 프레스로 가열가압 성형하여 프레스로 가열,가압 성형하여 판재(sheet) 형태로 만들었다.
[비교예]
인계난연제(BDP)를 16 wt%, 충격보강제(rubber) 5 wt%, 기타 첨가제(Metal Hydrate 및 FR synergist 등) 2 wt%를 갖는 폴리카보네이트 수지를 제조하였다. 이 수지를 적용하여 표 1의 탄소섬유 함량 56 wt%에 따라 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 제조하였다.
제조한 프리프레그를 중앙의 PC 필름의 상, 하면에 도 1의 순서로 적층한 후 프레스로 가열가압 성형하여 프레스로 가열,가압 성형하여 판재(sheet) 형태로 만들었다.
[ 실험예 ]
제조한 시트의 난연성 평가(UL-94) 및 굴곡탄성율 평가(ASTM D-790)를 수행하고, 아래 표 1에 나타냈다.
구분 Prepreg 적층 시트
탄소섬유
함량
(wt%)		 두께
(mm)		 두께
(mm)		 난연성능
(UL-94, 개 당
평균 연소시간(초))		 굴곡탄성율
(GPa)
0°
방향		 90°
방향		 0°
방향		 90°
방향
실시예1 56 0.15 1.0 V0(6.4) V0(3.8) 53.5 34.2
실시예2 58 0.14 1.0 V0(7.0) V0(4.9) 46.2 37.9
실시예3 56 0.15 0.9 V1(11.6) V0(7.4) 61.6 31.1
실시예4 56 0.15 1.1 V0(5.0) V0(1.9) 51.1 36.7
실시예5 62 0.13 1.0 V0(4.1) V0(2.1) 62.4 40.0
실시예6 61 0.13 1.0 V0(6.2) V0(4.3) 61.5 38.2
비교예1 56 0.15 1.0 V1(23.0) V1(16.1) 55.2 34.4
22: 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그
24: 접합선

Claims (4)

  1. 탄소섬유 50~65 wt%와 난연 폴리카보네이트 수지 35~50 wt%로 구성되되, 상기 난연 폴리카보네이트 수지는 순수한 폴리카보네이트 또는 실록산 공중합 폴리카보네이트 중에서 선택되는 폴리카보네이트 수지를 65~75 wt% 와 인산염계 난연제 20~30 wt% 및 기타 첨가제 0.1~10 wt%를 함유한 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층시트.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그는 두께가 100~200 ㎛이며, 밀도는 1.35~1.55 g/㎤, 굴곡탄성율은 79 GPa 이상인 것을 특징으로 하는 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층시트.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 적층시트는 두께 0.8~1.4 mm에서 UL-94 의거하여 난연 성능이 V-0인 것을 특징으로 하는 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층시트.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 적층시트는 종/횡 방향 모두 35GPa 이상의 굴곡탄성율을 갖는 것을 특징으로 하는 난연성 탄소섬유/폴리카보네이트계 프리프레그를 이용한 적층시트.
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KR (1) KR20170100082A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102235705B1 (ko) 2020-04-20 2021-04-02 박정준 리니어피더용 진동기의 탄성지지체

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