KR20170121920A - 탄소섬유 강화 열가소성 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄소섬유 강화 열가소성 복합재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 강화 열가소성 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법은 열가소성 고분자를 용매에 용해시켜 열가소성 고분자 용액을 제조하는 단계, 상기 열가소성 고분자 용액에 탄소섬유를 함침시키는 단계, 그리고 상기 탄소섬유가 함침된 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계를 포함하며, 상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서, 상기 용매의 증발 속도를 조절함으로써, 상기 탄소섬유 표면에서 상기 열가소성 고분자가 트랜스크리스탈린(transcrystalline) 형태의 결정 구조를 가지도록 성장시키는 것이다.
상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법은 탄소섬유를 손상시키지 않고 탄소섬유와 열가소성 고분자의 계면 전단 강도를 향상시키고, 별도의 표면 처리 공정 없이 이들의 계면 결합력을 향상시킬 수 있다.

Description

탄소섬유 강화 열가소성 복합재 및 이의 제조방법{CARBON FIBER REINFORCED THERMOPLASTICS AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 탄소섬유 강화 열가소성 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소섬유를 손상시키지 않고 탄소섬유와 열가소성 고분자의 계면 전단 강도를 향상시키고, 별도의 표면 처리 공정 없이 이들의 계면 결합력을 향상시킬 수 있는 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 탄소섬유 강화 열가소성 복합재를 제공하는 것이다.
탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon fiber reinforced plastics; CFRP)은 탄소섬유를 강화재로 하는 고강도, 고탄성의 경량 구조재로 주목을 받고 있는 첨단 복합재료로 높은 비강도와 비강성을 가지고 있으며 강도뿐만 아니라 피로특성을 갖고 내마찰, 마모성이 뛰어나다. 기능적으로 열팽창 계수가 작기 때문에 치수 안전성이 뛰어나고, 전기 전도성, 내식성, 진동 감쇠성, X선 투과성 등이 뛰어난 성능을 갖고 있다.
한편, 상기 탄소섬유 강화 복합재는 매트릭스에 따라 탄소섬유 강화 열경화성 복합재와 탄소섬유 강화 열가소성 복합재로 나눌 수 있다. 상기 탄소섬유 강화 열경화성 복합재료는 에폭시 수지나 불포화폴리에스터계 수지가 주로 사용되며 수지의 경화반응이 시작되면 재가공이 불가능하다. 또한, 탄소섬유의 우수한 물성에도 불구하고 성형 공정이 복잡하고 제조 시간이 길어 대량생산에 불리하며 가격이 비싸기 때문에 적용분야가 제한적이다. 이러한 탄소섬유 강화 열경화성 복합재의 단점을 극복하기 위해 열가소성 수지를 기지재(Matrix)로 사용하는 탄소섬유 강화 열가소성 복합재에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
한편, 열가소성 수지는 열경화성 수지에 비해 인성(Toughness)이 우수하기 때문에 충격 흡수(Impact absorption) 능력, 파괴인성(Fracture toughness), 크리프(Creep)에 강하다. 하지만, 상기 탄소섬유는 섬유를 이루고 있는 분자구조의 안정성으로 인한 낮은 표면자유에너지(Surface free energy)를 갖기 때문에 수지와의 결합력이 낮다. 복합재에서 계면은 외부에서 가해지는 응력이나 변형의 이동 경로이기 때문에 섬유와 수지 사이의 계면 결합력(Interfacial strength)에 의해 복합재료의 최종적인 기계적 물성이 결정되는데, 이러한 탄소섬유의 표면 안정성은 복합재료의 낮은 계면 물성을 초래한다.
이에 따라, 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 계면 결합력을 높이기 위한 방법에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
본 발명의 목적은 탄소섬유를 손상시키지 않고 탄소섬유와 열가소성 고분자의 계면 전단 강도를 향상시키고, 별도의 표면 처리 공정 없이 이들의 계면 결합력을 향상시킬 수 있는 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법에 따라 제조된 탄소섬유 강화 열가소성 복합재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열가소성 고분자를 용매에 용해시켜 열가소성 고분자 용액을 제조하는 단계, 상기 열가소성 고분자 용액에 탄소섬유를 함침시키는 단계, 그리고 상기 탄소섬유가 함침된 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계를 포함하며, 상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서, 상기 용매의 증발 속도를 조절함으로써, 상기 탄소섬유 표면에서 상기 열가소성 고분자가 트랜스크리스탈린(transcrystalline) 형태의 결정 구조를 가지도록 성장시키는 것인 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법을 제공한다.
상기 열가소성 고분자 용액의 점도는 100 cP 내지 7000 cP일 수 있다.
상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서 상기 용매의 증발 온도는 10 ℃ 내지 400 ℃일 수 있다.
상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서, 상기 열가소성 고분자 용액에 마이크로파(microwave)를 조사하여 용매의 증발 속도를 증가시킬 수 있다.
상기 열가소성 고분자 용액에 상기 탄소섬유를 함침시킨 후, 상기 열가소성 고분자 용액에 마이크로파(microwave)를 조사하여 상기 탄소섬유 표면에 관능기를 도입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 마이크로파는 1 GHz 내지 300 GHz, 10 W 내지 2 kW의 파워일 수 있다.
상기 마이크로파의 조사 시간은 3초 내지 3 시간일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 탄소섬유를 포함하는 매트릭스, 그리고 상기 매트릭스에 의해 지지된 열가소성 고분자를 포함하며, 상기 열가소성 고분자는 상기 탄소섬유 표면을 둘러싸는 관상(冠狀)의 트랜스크리스탈린(transcrystalline) 층을 포함하며, 상기 트랜스크리스탈린 층은 상기 열가소성 고분자가 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조를 가지는 것인 탄소섬유 강화 열가소성 복합재를 제공한다.
상기 트랜스크리스탈린 층의 두께는 5 nm 내지 30 ㎛일 수 있다.
상기 열가소성 고분자의 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조는 상기 열가소성 고분자가 상기 탄소섬유의 표면에서 상기 탄소섬유의 길이 방향에 대한 수직 방향으로 결정이 성장한 것일 수 있다.
본 발명의 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법은 탄소섬유를 손상시키지 않고 탄소섬유와 열가소성 고분자의 계면 전단 강도를 향상시키고, 별도의 표면 처리 공정 없이 이들의 계면 결합력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 열가소성 고분자 용액의 제조 과정을 도시한 그림이다.
도 2는 용매의 증발 속도에 따른 열가소성 고분자의 결정화 형태와 결정화 거동의 관찰을 용이하게 하기 위해 탄소섬유에 제조된 열가소성 고분자 용액을 얇게 형성시키기 위한 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 실험예 1에서 탄소섬유 주변에 형성된 결정의 형태를 편광 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.
도 4는 실험예 2에서 계면전단강도 측정을 위해 제조한 시편의 사진이다.
도 5는 상기 도 4에서 제조된 시편의 계면전단강도를 측정하기 위한 장치의 모식도이다.
도 6는 실험예 2에서 측정한 용매 증발 속도에 따른 계면전단강도 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 특정한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 것이며, 발명의 범주를 상세히 알려주기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법은 열가소성 고분자를 용매에 용해시켜 열가소성 고분자 용액을 제조하는 단계, 상기 열가소성 고분자 용액에 탄소섬유를 함침시키는 단계, 그리고 상기 탄소섬유가 함침된 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계를 포함한다.
한편, 상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법은 상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서, 상기 용매의 증발 속도를 조절함으로써, 상기 탄소섬유 표면에서 상기 열가소성 고분자가 트랜스크리스탈린(transcrystalline) 형태의 결정 구조를 가지도록 성장시킬 수 있다.
우선, 상기 열가소성 고분자를 용매에 용해시켜 열가소성 고분자 용액을 제조한다.
도 1은 열가소성 고분자 용액의 제조 과정을 도시한 그림이다. 상기 도 1을 참조하면 열가소성 고분자를 낮은 온도에서 용매에 녹여 용액을 제조할 수 있다.
이와 같이, 상기 열가소성 고분자를 용매에 녹이면 상기 열가소성 고분자의 점도를 낮추고 함침을 용이하게 할 수 있다. 즉, 상기 열가소성 수지의 높은 용융 점도에 따른 함침 문제에 의거한 취약한 계면결합력에 의해 발생하는 낮은 전단강도 값을 향상시키는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해 열가소성 수지를 용매에 녹여 보다 낮은 온도에서 낮은 점도를 갖는 고분자 수지를 제조하고 함침성을 높일 수 있다.
상기 열가소성 고분자는 범용 열가소성 수지 및 용매에 녹는 모든 열가소성 수지를 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 열가소성 고분자는 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리아미드 6(Polyamide 6), 폴리아미드 66(Polyamide 66), 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리스티렌(Polystyrene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 열가소성 고분자를 용해시키면서 상기 열가소성 고분자의 점도를 낮추어 함침을 용이하게 할 수 있는 용매로는 디클로로벤젠(Dichlorobenzene), 클로로포름(Chloroform), 톨루엔(Toluene), 카본 테트라클로라이드(Carbon tetra- chloride), 포름산(Formic acid), 칼슘 클로라이드(Calcium chloride), 디에틸에테르(Diethyl ether), 벤젠(Benzene), 아세톤(Acetone), 트리클로로에탄(Trichloro- ethane), 트리클로로벤젠(Trichlorobenzene), 톨루엔(Toluene), 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 리날로올 (Linalool), 테르피네올(Terpineol), 니트로벤젠(Nitrobenzene), n,n-디메틸포름아마이드(n,n-Dimethyformamide), 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide), N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone), 디메틸설폭사이드(Dimethylsulfoxide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
이중 상기 열가소성 고분자의 용해도 계수(Solubility parameter)를 고려하여 톨루엔, 벤젠, 트리클로로벤젠, 니트로벤젠, 디클로로벤젠과 같은 무극성 용매를 사용하거나, 후술하는 마이크로파 조사에 의한 화학 반응을 유도하기 위해서는 포름산, O-디클로로벤젠, 디메틸포름아마이드, 테트라하이드로퓨란, 디메틸설폭사이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈과 같은 극성 용매가 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 열가소성 고분자를 용매에 녹여 상기 열가소성 고분자의 점도를 낮추고 함침을 용이하게 하기 위하여, 상기 열가소성 고분자 용액의 점도는 100 cP 내지 7000 cP 일 수 있다. 상기 열가소성 고분자 용액의 점도가 100 cP 미만인 경우 분자량이 낮은 열가소성 고분자를 용매에 녹인 경우 또는 분자량에 관계없이 용매의 함량이 증가한 경우인데, 이는 분자량이 낮음에 따른 복합재의 물성 저하 또는 용매의 함량 증가로 인한 잔여 용매 및 기공 형성의 문제가 있을 수 있고, 7000 cP를 초과하는 경우 고점도로 인한 섬유 번들 내 함침 상태의 불량 문제가 있을 수 있다.
다음으로, 상기 제조된 열가소성 고분자 용액에 탄소섬유를 함침시킨다.
한편, 상기 탄소섬유는 섬유를 이루고 있는 분자구조의 안정성으로 인하여 낮은 표면자유에너지(Surface free energy)를 갖기 때문에 상기 열가소성 고분자와의 결합력이 낮을 수 있다. 상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재에서 그 계면은 외부에서 가해지는 응력이나 변형의 이동 경로이기 때문에 상기 탄소섬유와 상기 열가소성 고분자 사이의 계면 결합력(Interfacial strength)에 의해 상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 최종적인 기계적 물성이 결정되는데, 이러한 상기 탄소섬유의 표면 안정성은 복합재료의 낮은 계면 물성을 초래할 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 선택적으로 상기 탄소섬유는 미리 디사이징(De-sizing) 공정을 수행함으로써, 그 표면에 에폭시 사이징(Sizing)층을 제거하고 표면자유에너지를 높이는 단계를 더 포함할 수 있다.
마지막으로, 상기 탄소섬유가 함침된 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시킨다.
본 발명의 발명자들은 상기 용매 증발 속도를 조절함으로써 상기 열가소성 고분자의 결정의 형성 거동, 결정 형태 및 결정화도가 변화하고, 그 영향이 상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 계면 전단 강도에 영향을 미치는 것을 발견함으로써 본 발명을 완성하였다.
상기 열가소성 고분자를 기지재로 사용할 경우, 상기 열가소성 고분자 내의 결정 형태(Crystal morphology) 및 결정화도(Degree of crystallization)에 따라 상기 탄소섬유와 상기 열가소성 고분자의 계면에서 응력 전달의 동선(Path)을 조절함으로써 복합재료의 계면 결합력을 향상 시킬 수 있다. 다시 말해 상기 탄소섬유의 표면 조건(Surface condition) 및 표면 거칠기(Roughness)는 상기 결정성 고분자의 기핵(Nucleation) 작용을 일으키고 이들 계면에서의 결정 구조의 변화로 인해 복합재의 물성에 영향을 미칠 수 있다.
이에, 본 발명에서는 상기 용매의 증발 속도를 조절함으로써 상기 탄소섬유를 손상시키지 않으면서, 상기 탄소섬유 주변에 상기 열가소성 고분자의 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조를 형성시킴으로써 계면 전단 강도 및 상기 복합재의 물성을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 탄소섬유 표면을 따라 높은 밀도의 비균질핵화(Heterogeneous nucleation)가 발생할 때 결정이 섬유 측면으로 성장하는 것을 제한하고 섬유의 수직 방향으로 결정이 성장하도록 하여 상기 탄소섬유 주변에 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조를 가지는 관상(冠狀) 모양의 트랜스크리스탈린 층을 형성하게 된다.
상기 용매의 증발 속도는 상기 용매의 증발 온도를 달리함으로써 조절할 수 있고, 상기 트랜스크리스탈린 형성을 위한 온도는 10 ℃ 내지 400 ℃일 수 있고, 바람직하게 20 ℃ 내지 300 ℃일 수 있다. 상기 용매의 증발 온도가 10 ℃ 미만인 경우 잔여 용매로 인한 물성 저하의 문제가 있을 수 있고, 400 ℃를 초과하는 경우 열가소성 고분자의 열화(Thermal degradation)의 문제가 있을 수 있다.
한편, 상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서, 상기 열가소성 고분자 용액에 마이크로파(microwave)를 조사하여 용매의 증발 속도를 증가시킬 수 있다.
상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서 상기 마이크로파를 조사하는 경우 상기 용매의 빠른 증발 속도에 의해 상기 탄소섬유 주변의 Shear rate가 증가하면서 더 넓은 면적의 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조 형성이 가능하다.
또한, 상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서 상기 마이크로파를 조사하는 경우 상기 용매를 휘발시키는 동시에, 상기 용매와 상기 탄소섬유 표면 사이에 화학적 반응에 필요한 에너지를 상기 마이크로파를 이용하여 가함으로써 상기 탄소섬유와 상기 열가소성 고분자의 계면 결합력을 향상시킬 수도 있다.
한편, 상기 마이크로파를 이용하여 상기 용매와 상기 탄소섬유 표면 사이에 화학적 반응을 일으키는 효과를 더욱 극대화하기 위하여, 상기 열가소성 고분자 용액에 상기 탄소섬유를 함침시킨 후, 상기 열가소성 고분자 용액에 마이크로파(microwave)를 조사하여 상기 탄소섬유 표면에 관능기를 도입하는 별도의 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 열가소성 고분자 용액에 상기 마이크로파를 조사하는 경우, 상기 탄소섬유와 상기 용매 사이의 화학적 반응을 통해 상기 탄소섬유 표면에 관능기를 도입함으로써 상기 탄소섬유의 표면자유에너지를 높이고, 상기 탄소섬유와 상기 열가소성 고분자 사이의 계면 결합력을 향상시킬 수 있다.
이를 위하여, 상기 열가소성 고분자 용액 제조시 사용되는 용매로는 포름산, O-디클로로벤젠, 디메틸포름아마이드, 테트라하이드로퓨란, 디메틸설폭사이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈과 같은 극성 용매가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 탄소섬유와 상기 용매 사이의 화학적 반응을 통해 상기 탄소섬유 표면에 도입된 관능기는 예를 들어, 하이드록실기(Hydroxyl group), 카르보닐기(Carbonyl), 카르복실기(Carboxyl), 알데하이드(Aldehyde), 카르복실레이트(Carboxylate), 에스터(Ester), 에테르(Ether) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 이들 관능기들은 상기 탄소섬유의 표면자유에너지를 높임으로써 상기 탄소섬유와 상기 열가소성 고분자 사이의 계면 결합력을 향상시킬 수 있다.
상기 마이크로파는 바람직하게 1 GHz 내지 300 GHz이고, 10 W 내지 2 kW의 파워일 수 있다. 상기 마이크로파가 1 GHz 미만이거나 파워가 10 W 미만인 경우 용매의 증발 속도가 느려 장시간이 소요되며 이로 인한 잔류 용매 존재 및 열가소성 고분자의 열화 문제가 있을 수 있고, 300 GHz 또는 2 kW를 초과하는 경우 높은 주파수로 인해 열가소성 고분자의 급격한 열화 및 물성 저하의 문제가 있을 수 있다.
상기 마이크로파의 조사 시간은 3초 내지 3 시간일 수 있고, 바람직하게, 3초 내지 2 시간일 수 있다. 상기 마이크로파의 조사 시간이 3초 미만인 경우 잔여 용매로 인한 열가소성 고분자의 낮은 결정화도의 문제가 있을 수 있고, 3 시간을 초과하는 경우 열가소성 고분자 수지의 과열로 인한 물성 저하의 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 복합재는 탄소섬유를 포함하는 매트릭스, 그리고 상기 매트릭스에 의해 지지된 열가소성 고분자를 포함한다.
상기 탄소섬유 강화 열가소성 복합재는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법에 의해 제조됨에 따라 상기 열가소성 고분자는 상기 탄소섬유 표면을 둘러싸는 관상(冠狀)의 트랜스크리스탈린(trans- crystalline) 층을 포함할 수 있다.
상기 트랜스크리스탈린 층은 상기 열가소성 고분자가 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조를 가지는 것으로서, 상기 열가소성 고분자의 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조는 상기 열가소성 고분자가 상기 탄소섬유의 표면에서 상기 탄소섬유의 길이 방향에 대한 수직 방향으로 결정이 성장한 것일 수 있다.
상기 트랜스크리스탈린 층의 두께는 5 nm 내지 30 ㎛일 수 있고, 바람직하게 5 nm 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 트랜스크리스탈린 층의 두께가 5 nm 미만인 경우 얇은 트랜스크리스탈린 층의 두께로 인해 계면전단강도 향상에 효과가 미비할 수 있고, 10 ㎛를 초과하는 경우 지나치게 두꺼운 트랜스크리스탈린 층의 형성으로 탄소섬유의 부피 분율이 낮아져 복합재의 물성이 저하될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[실험예 1: 용매의 증발 속도에 따른 결정 형태 및 결정화도 평가]
도 2는 용매의 증발 속도에 따른 열가소성 고분자의 결정화 형태와 결정화 거동의 관찰을 용이하게 하기 위해 탄소섬유에 제조된 열가소성 고분자 용액을 얇게 형성시키기 위한 과정을 나타낸 모식도이다.
상기 도 2를 참고하면, 용매가 증발 속도에 따라 발생하는 결정 형태 및 결정화도의 변화를 관찰하기 위해서, 슬라이드 글라스(Slide glass substrate) 위에 탄소섬유(Carbon fiber) 한 가닥을 중앙에 위치시킨 후, 열가소성 고분자 용액(Polymer solution)을 메이어 바(Mayer bar)를 이용하여 도포하여 시편을 제조하였다. 이때, 양 측면에 부착시킨 두께 게이지(Thickness gauge)는 상기 열가소성 고분자 용액의 두께를 균일하게 도포하기 위함이다.
상기 열가소성 고분자 용액은 폴리아미드 6 펠렛 20 g에 극성인 용매 80 mL를 첨가한 후, 마그네틱바를 이용하여 혼합하였다. 이 때 제조된 열가소성 고분자 용액의 점도는 100 cP 이었다.
상기 제조된 시편에 대하여, 용매의 증발 속도에 따른 결정 형태 및 결정화도를 평가하기 위해 하기 표 1에서와 같은 조건으로 용매를 증발시킨 후, 편광 광학 현미경(Polarizing optical microscope; POM)을 통해 결정화 분석 이미지를 관찰하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3 용매 증발 조건
실시예 1-1 ×50 (SR) 상온, 2시간 건조, 사이징(sizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 1-2 ×50 (S O50) 50 ℃, 2시간 건조, 사이징(sizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 1-3 ×50 (S O80) 80 ℃, 2시간 건조, 사이징(sizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 1-4 ×50 (SM) 마이크로파(2.45 GHz, 700 W, 25분), 사이징(sizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 1-5 ×50 (DR) 상온, 2시간 건조, 디사이징(desizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 1-6 ×50 (D O50) 50℃, 2시간 건조, 디사이징(desizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 1-7 ×50 (D O80) 80℃, 2시간 건조, 디사이징(desizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 1-8 ×50 (DM) 마이크로파(2.45 GHz, 700 W, 25분), 디사이징(desizing) 탄소섬유, 50 배율
상기 도 3에 따르면 용매 끓는점에 근접한 온도를 적용하여 용매를 증발시킨 경우, 급격한 증발 속도에 의해 탄소섬유 주변에 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조가 형성되는 것을 확인할 수 있다.
보다 구체적으로, 사이징 탄소섬유를 적용하여 상온에서 용매를 증발시킨 시편(SR), 발열로 내 50 ℃에서 용매를 증발시킨 시편(SO50), 발열로 내 80 ℃에서 용매를 증발시킨 시편(SO80), 그리고 마이크로웨이브를 적용하여 용매를 증발시킨 시편(SM)들의 경우, 용매의 증발 속도에 상관없이 트랜스크리스탈린 결정 구조를 나타내지 않는다. 반면, 디사이징 탄소섬유를 적용하여 마이크로웨이브를 통해 용매를 증발시킨 시편(DM)에서는 용매의 급격한 증발에 의해 탄소섬유 주변에 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조가 형성됨을 확인할 수 있다.
[실험예 2: 탄소섬유 주변의 결정의 형태로 인한 계면전단강도 평가]
도 4는 탄소섬유 주변의 결정의 형태로 인한 복합재의 계면전단강도를 확인하기 위해 탄소섬유에 폴리아미드 6 용액을 사용하여 하기 표 2의 증발 조건에 따라 Micro-drop을 형성시킨 사진이다. 상기 도 4를 참조하면, 상기 Micro-drop은 80 내지 120 ㎛의 크기로 형성되었다.
상기 Micro-drop이 형성된 탄소섬유를 만능인장시험기(Universal testing machine)를 통해서 계면전단강도를 측정하였다. 도 5는 상기 Micro-drop이 형성된 탄소섬유의 계면전단강도를 측정하기 위한 시편의 모식도이다. 이때 시험 속도는 0.1 mm/min이었다.
또한, 상기 계면전단강도는 다음과 같은 식으로 계산하였고, 그 결과는 도 6에 나타내었다.
[수학식 1]
Figure pat00001
IFSS : Interfacial shear strength,
F max : Maximum load,
d f : Fiber diameter,
l e : Embedded length
도 6 용매 증발 조건
실시예 2-1 50 (SR) 상온, 2시간 건조, 사이징(sizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 2-2 50 (S O50) 50 ℃, 2시간 건조, 사이징(sizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 2-3 50 (S O80) 80 ℃, 2시간 건조, 사이징(sizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 2-4 50 (SM) 마이크로파(2.45 GHz, 700 W, 25분), 사이징(sizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 2-5 50 (DR) 상온, 2시간 건조, 디사이징(desizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 2-6 50 (D O50) 50℃, 2시간 건조, 디사이징(desizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 2-7 50 (D O80) 80℃, 2시간 건조, 디사이징(desizing) 탄소섬유, 50 배율
실시예 2-8 50 (DM) 마이크로파(2.45 GHz, 700 W, 25분), 디사이징(desizing) 탄소섬유, 50 배율
상기 도 6을 참고하면, 사이징이 되어있는 탄소섬유와 디사이징이 되어있는 탄소섬유 모두 용매 증발 온도가 빠를수록 계면 전단강도 값이 높게 나온 것을 확인할 수 있다. 이는 용매가 급격하게 증발함에 따라 결정화가 빠르게 진행되고 핵이 동시 다발적으로 형성되어 작은 결정핵들이 밀도 있게 형성되며, 구형 결정에 전단력(Shear force)이 가해지면서 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조를 형성시킨 것으로 볼 수 있다.
상기 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (7)

  1. 열가소성 고분자를 용매에 용해시켜 열가소성 고분자 용액을 제조하는 단계,
    상기 열가소성 고분자 용액에 탄소섬유를 함침시키는 단계, 그리고
    상기 탄소섬유가 함침된 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계를 포함하며,
    상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서, 상기 용매의 증발 속도를 조절함으로써, 상기 탄소섬유 표면에서 상기 열가소성 고분자가 트랜스크리스탈린(transcrystalline) 형태의 결정 구조를 가지도록 성장시키는 것인 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 용액의 점도는 100 cP 내지 7000 cP인 것인 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서 상기 용매의 증발 온도는 10 ℃ 내지 400 ℃인 것인 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 용액의 용매를 증발시키는 단계에서, 상기 열가소성 고분자 용액에 마이크로파(microwave)를 조사하여 용매의 증발 속도를 증가시키는 것인 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자 용액에 상기 탄소섬유를 함침시킨 후, 상기 열가소성 고분자 용액에 마이크로파(microwave)를 조사하여 상기 탄소섬유 표면에 관능기를 도입하는 단계를 더 포함하는 것인 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 마이크로파는 1 GHz 내지 300 GHz, 10 W 내지 2 kW의 파워이고,
    상기 마이크로파의 조사 시간은 3초 내지 3 시간인 것인 탄소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조방법.
  7. 탄소섬유를 포함하는 매트릭스, 그리고
    상기 매트릭스에 의해 지지된 열가소성 고분자를 포함하며,
    상기 열가소성 고분자는 상기 탄소섬유 표면을 둘러싸는 관상(冠狀)의 트랜스크리스탈린(transcrystalline) 층을 포함하며, 상기 트랜스크리스탈린 층은 상기 열가소성 고분자가 트랜스크리스탈린 형태의 결정 구조를 가지는 것인 탄소섬유 강화 열가소성 복합재.
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