KR20180029350A - 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법 - Google Patents

연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계; 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계; 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 및 상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계; 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계; 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계; 상기 복합재료를 직조하여 직물을 형성하는 단계; 및 상기 직물을 열간 프레스 성형(Hot pressing)하여 복합성형체를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은, 개섬된 연속 탄소섬유다발에, 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 주입한 후 가열함으로써 연속 탄소섬유다발에 엔지니어링 플라스틱 분말이 균일하게 분포하여 내부 기공이 없을 뿐만 아니라, 기계적, 열적 특성이 우수한 효과가 있다.

Description

연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF CONTINUOUS CARBON FIBER-REINFORCED COMPOSITE MATERIALS AND MANUFACTURING METHOD OF COMPOSITE FORMED ARTICLE}
본 발명은 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 내부 기공이 없을 뿐만 아니라, 기계적, 열적 특성이 우수한 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 섬유 강화 복합재료는 가공성은 우수하나 기계적 강도가 상대적으로 부족한 플라스틱에 탄소섬유, 아라미드 섬유, 유리섬유, 바잘트 섬유 등의 보강섬유를 수 mm 이하의 단섬유 형태로 첨가하거나, 5 내지 50mm 정도의 장섬유 형태로 첨가하여 제조될 수 있다. 하지만 이러한 단섬유 또는 장섬유 강화 복합재료는 보강섬유를 연속 상으로 내장한 연속 섬유 강화 복합재료와 비교하여 기계적 강도, 충격 강도 및 강성 등의 성능이 매우 부족하다. 따라서 연속 섬유 강화 복합재료는 다양한 기계적 성능이 요구되는 제품을 제조할 때 주로 사용될 수 있다.
연속 섬유 강화 복합재료 제조에 사용될 수 있는 보강섬유 중에서 탄소섬유는 경량이고 기계적 강도가 높으며, 내열성이 우수한 점 이외에도 고온에서의 기계적 성질과 내열 충격성 등이 우수한 특성을 가지므로 항공기용 구조재, 우주 왕복선의 소재 등으로 널리 사용되고 있다.
이러한 탄소섬유를 강화재로 사용한 복합재료의 제조방법으로는 여러 가지가 있으나, 토우(Tow), 클로스(Cloth), 팰트(Felt), 매트(Mat) 등의 형태를 가진 탄소섬유에 기질재 원료로서 열경화성 수지나 열가소성 수지를 함침시킨 후, 이것을 적층하고 경화시키는 방법이 가장 일반적인 방법이다. 이러한 방법은 다단계 공정과 고온, 고압에서의 열경화 공정을 거쳐야 하므로, 최근에는 이러한 단점을 보완하기 위하여 빠른 열경화 특성을 부여한 수지 등이 개발되고 있으며, 많은 적용 연구가 이루어지고 있다. 하지만 여전히 공정변수가 많을 뿐만 아니라 별도의 전용 장비들을 사용해야 한다는 문제점이 지적되고 있다.
한편, 고성능의 기계적 특성을 가진 연속 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하기 위해서는 탄소섬유 사이에 공극이 없을 정도로 기질재 원료가 높은 밀도로 함유되어야 하며, 탄소섬유와 기질재 원료의 계면접착특성을 확대시키는 것이 중요하다. 따라서 최근 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 고성능화 및 스마트화에 따른 수요가들의 다양한 요구를 해결하기 위해서는 내부 기공이 형성되지 않게 하는 새로운 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법이 필요하다.
종래에는 개섬시킨 탄소섬유의 상하층에 열가소성 수지 필름을 부착한 후, 2단계로 가압, 가열하여 개섬시킨 탄소섬유의 필라멘트 사이에 수지를 함침시키는 프리프레그 형태의 중간재 제조방법(대한민국 공개특허 10-2014-0085713) 등이 해결책으로 제시되고 있다. 하지만, 이러한 프리프레그 형태의 중간재 제조방법은 충분한 함침성 및 흐름성을 확보하기 어려우므로 고성능의 복합재료를 제조하기 곤란하였다. 또한, 함침을 위한 별도의 공정들이 마련되고 그 공정에서의 특수한 조건을 만족시켜야 하므로 다양한 용도에서 사용이 촉진될 만한 저가의 제조 비용으로 제공하기가 어렵다. 또한, 가압, 가열 공정을 거치면서 개섬시킨 탄소섬유들 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 것이 곤란할 뿐만 아니라, 이러한 간격의 변화에 따라 최종적으로 제조되는 프리프레그의 두께가 달라지므로 제품의 균일성을 확보하는 것이 기술적으로 어려운 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2014-0085713
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 내부 기공이 없을 뿐만 아니라, 기계적, 열적 특성이 우수한 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계; 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼(Emulsion) 혼합물을 형성하는 단계; 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 및 상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 엔지니어링 플라스틱 분말은 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리에테르에테르케톤(PEKK), 폴리아미드(PA), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며, 상기 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량은 상기 복합재료의 총 중량에 대하여 30 내지 70중량%인 것이 바람직하다.
엔지니어링 플라스틱 분말의 함량이 30중량% 미만일 경우에는 충분한 복합재료의 강도를 얻을 수 없게 되므로 추가로 기질재인 엔지니어링 플라스틱 분말 또는 액상 물질을 함침시켜야 하는 문제점이 있으며, 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량이 70중량%를 초과할 경우에는 기질재 함량이 지나치게 높아짐으로써 탄소섬유의 보강효과를 충분히 발현시킬 수 없는 문제가 있다.
그리고, 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는, 상기 엔지니어링 플라스틱 분말에 비이온성 계면 활성제, 첨가제 분말을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 첨가제 분말은 그래핀, 탄소나노튜브, 흑연분말, 팽창흑연 미 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다. 비이온성 계면 활성제로는 Triton X, Pluronic, Tween 등의 시판 중인 제품을 사용할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계; 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계; 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계; 상기 복합재료를 직조하여 직물을 형성하는 단계; 및 상기 직물을 열간 프레스 성형(Hot pressing)하여 복합성형체를 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 엔지니어링 플라스틱 분말은 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리에테르에테르케톤(PEKK), 폴리아미드(PA), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며, 상기 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량은 상기 복합재료의 총 중량에 대하여 30 내지 70중량%인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는, 상기 엔지니어링 플라스틱 분말에 비이온성 계면 활성제, 첨가제 분말을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 첨가제 분말은 그래핀, 탄소나노튜브, 흑연분말, 팽창흑연 미 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다. 비이온성 계면 활성제로는 Triton X, Pluronic, Tween 등의 시판 중인 제품을 사용할 수 있다.
또한, 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계는, 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발의 상측에 위치한 분사 노즐을 통하여 상기 에멀젼 혼합물이 1 내지 1.5bar의 압력으로 분사되면서 주입되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 의한 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계; 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계; 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계; 상기 복합재료를 테이프 형태로 가공하는 단계; 및 상기 테이프 형태로 가공된 복합재료를 압축 성형 또는 적층 성형하여 복합성형체를 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 엔지니어링 플라스틱 분말은 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아미드(PA), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며, 상기 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량은 상기 복합재료의 총 중량에 대하여 30 내지 70중량%인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는, 상기 엔지니어링 플라스틱 분말에 비이온성 계면 활성제, 첨가제 분말을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 첨가제 분말은 그래핀, 탄소나노튜브, 흑연분말, 팽창흑연 미 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다. 비이온성 계면 활성제로는 Triton X, Pluronic, Tween 등의 시판 중인 제품을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 개섬된 연속 탄소섬유다발에, 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 주입한 후 가열함으로써 연속 탄소섬유다발에 엔지니어링 플라스틱 분말이 균일하게 분포하여 내부 기공이 없을 뿐만 아니라, 기계적, 열적 특성이 우수한 효과가 있다.
또한, 엔지니어링 플라스틱 분말을 연속 탄소섬유들 사이 및 표면에 직접 복합화함으로써, 항상 일정한 폭의 복합재료를 제조할 수 있으므로, 최종 복합성형체를 제조하기 위한 성형 공정에서의 용융 수지의 흐름(flow)을 최소화할 수 있다.
또한, 제조시 목적에 맞는 다양한 재료를 에멀젼 혼합물에 혼합하여 사용함으로써, 한 가지 특성이 아닌 멀티(Multi) 특성을 부여할 수 있다.
또한, 연속 탄소섬유다발을 개섬할 때 사용되는 치구의 넓이를 조절하거나 복합재료를 스릿팅(Slitting)함으로써, 다양한 두께 및 폭을 갖는 연속 탄소섬유 강화 복합재료를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 복합재료의 일 실시예를 나타낸 사진 및 전자현미경 촬영 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 4는 직물의 일 실시예를 나타낸 사진이다.
도 5는 복합성형체의 일 실시예를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조 방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 제1 단계(S110)와, 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼(Emulsion) 혼합물을 형성하는 제2 단계(S120)와, 개섬된 연속 탄소섬유다발에 에멀젼 혼합물을 주입하는 제3 단계(S130)와, 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 제4 단계(S140)를 포함한다.
제1 단계(S110)에서, 연속 탄소섬유다발은 개섬(Spreading)된다. 이때, 연속 탄소섬유다발은 일방향으로 배열된 복수의 연속 탄소섬유들을 포함할 수 있다. 24K(24,000가닥) 이상의 연속 탄소섬유다발은 필라멘트 수가 많기 때문에 사전에 개섬될 경우 제3 단계(S130)에서 주입될 에멀젼 혼합물의 침투가 용이하게 이루어질 수 있다. 비록 도시되지는 않았으나, 연속 탄소섬유다발은 권출 롤러에 권취된 상태에서 풀리면서 제공될 수 있다. 또한, 연속 탄소섬유다발은 개섬을 위한 장력 조절과 확산성을 향상시키기 위해 개섬 노즐에 형성된 홀(Hole)을 통과함으로써 개섬될 수 있다. 연속 탄소섬유다발의 개섬 폭은 탄소섬유 토우(Tow)의 필라멘트 수에 따라 달라질 뿐만 아니라, 개섬 노즐의 폭에 따라 달라질 수 있다. 따라서 탄소섬유 토우의 필라멘트 수에 따라 개섬 노즐의 폭을 조절함으로써 연속 탄소섬유다발의 개섬 폭이 조절될 수 있다.
제2 단계(S120)는, 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물이 형성된다. 엔지니어링 플라스틱 분말은 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아미드(PA), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 중에서 적어도 하나의 분말을 포함할 수 있다. 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아미드(PA), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO)과 같은 고성능의 엔지니어링 플라스틱은 열가소성을 보유함과 동시에 높은 기계적 특성과 더불어 열적 특성이 매우 우수하므로 자동차 및 항공기용 부품제조 원료로서 다양하게 사용되고 있다.
또한, 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는, 엔지니어링 플라스틱 분말에 비이온성 계면 활성제, 첨가제 분말을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 사용하는 에멀젼 혼합물은 탄소섬유의 표면을 개질하기 위하여 사용하는 사이징재를 코팅하기 위한 역할이 아니라, 복합재료의 기질재(Matrix)로서 작용하기 위하여 사용하는 것이며, 첨가제 분말은 그래핀, 탄소나노튜브, 흑연분말, 팽창흑연 미 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함한다. 또한, 비이온성 계면 활성제로는 Triton X, Pluronic, Tween 등의 시판 제품을 사용할 수 있다.
한편, 도 1에서는 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 제1 단계(S110)와, 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼(Emulsion) 혼합물을 형성하는 제2 단계(S120)가 순차적으로 수행되는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 제1 단계(S110)와 제2 단계(S120)는 서로 순서를 바꾸어 수행될 수도 있고, 실질적으로 동시에 수행될 수도 있다.
제3 단계(S130)는, 제2 단계(S120)에서 제조된 에멀젼 혼합물이 개섬된 연속 탄소섬유다발에 주입된다. 이때, 에멀젼 혼합물은 개섬된 연속 탄소섬유다발의 상측에 위치한 분사 노즐을 통하여 일정한 압력으로 분사되면서 주입되며, 사용되는 분사 압력 1 내지 1.5bar 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 분사 압력이 1bar보다 낮을 경우, 분사되지 않고 그대로 흘러내리는 현상이 발생하게 되며, 분사 압력이 1.5bar보다 높을 경우, 지나치게 강하게 분사됨으로서 오히려 복합율을 저하시키게 된다.
제4 단계(S140)에서, 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발이 터널식 가열로를 통과하여 연속적으로 열처리됨으로써 복합재료가 형성된다. 이때 열처리 온도는 350℃ 이하에서 이루어지는 것이 바람직하며, 이송 속도는 분당 10m 이내에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 에멀젼 혼합물에 혼합된 엔지니어링 플라스틱 분말은 가열되는 동안 연속 탄소섬유다발에 고착화된다.
제4 단계(S140)에서 제조된 복합재료는 리본(ribbon), 테이프(tape), 시트(sheet) 및 직물(cloth) 등의 형태를 가질 수 있다. 또한, 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량은, 엔지니어링 플라스틱 분말이 연속 탄소섬유다발에 고착화되면서 형성된 복합재료의 총 중량에 대하여 30중량% 내지 70중량%가 되는 것이 바람직하다. 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량이 30중량% 미만일 경우에는 충분한 복합재료의 강도를 얻을 수 없게 되므로 추가로 기질재인 엔지니어링 플라스틱 분말 또는 액상물질을 함침시켜야 하는 문제점이 있으며, 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량이 70중량%를 초과할 경우에는 기질재 함량이 지나치게 높아짐으로써 충분한 탄소섬유의 보강효과를 기대하기 어렵다.
종래의 단순 함침 공정으로 행해졌던 복합화 방식은 확산 물질의 흐름 방향 또는 높이에 따라 혼합물의 편재가 발생하기 때문에 일정한 함량의 복합재료를 연속적으로 제조하기가 어려운 문제점이 있었다. 그러나 제2 단계(S120)에서 제조된 에멀젼 혼합물을 분사하는 복합화 방식은 개섬된 연속 탄소섬유다발의 상측으로부터 1 내지 1.5bar 범위의 일정한 압력으로 분사하기 때문에, 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량이 복합재료의 총 중량에 대하여 30 내지 70중량%가 되는 복합재료를 연속적으로 제조하기가 용이하다. 이와 같이, 엔지니어링 플라스틱 분말을 연속 탄소섬유다발에 직접 복합화함으로써, 내부 결함이 없도록 복합화율을 극대화할 뿐만 아니라 기계적, 열적 특성이 우수한 복합재료를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 복합재료의 폭은 연속 탄소섬유다발의 폭과 비교하여 5 내지 50배인 것이 바람직하다. 한편, 리본, 테이프, 시트 및 직물 형태로 제조된 복합재료는 고속 성형용 CFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermal Plastic) 중간재로도 활용할 수 있다.
도 2(a)는 복합재료의 일 실시예를 나타낸 사진이다. 도 2(a)를 참조하면, 일방향으로 배열된 연속 탄소섬유다발에, 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 주입한 후 가열함으로써 복합재료가 형성된다. 복합재료에 포함된 연속 탄소섬유다발은 제1 단계(S110)의 개섬 과정을 거치면서 확산된 상태이다.
도 2(b)는 복합재료의 일 실시예를 나타낸 전자현미경 촬영 사진이다. 도 2(b)을 참조하면, 복합재료의 연속 탄소섬유들 사이 및 표면에 엔지니어링 플라스틱 분말이 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조 방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 제1 단계(S210)와, 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 제2 단계(S220)와, 개섬된 연속 탄소섬유다발에 에멀젼 혼합물을 주입하는 제3 단계(S230)와, 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 제4 단계(S240)와, 복합재료를 직조하여 직물을 형성하는 제5 단계(S250)와, 직물을 열간 프레스 성형(Hot pressing)하여 복합성형체를 형성하는 제6 단계(S260)를 포함한다.
제1 단계(S210) 내지 제4 단계(S240)는 전술한 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조 방법과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
제4 단계(S240)에서 가열되어 엔지니어링 플라스틱 분말의 고착화가 이루어진 복합재료는, 텐션 롤러에 의하여 지지된 상태에서 권취 롤러에 권취될 수 있다. 이때, 복합재료는 10 내지 50mm의 폭을 갖는 형상일 수 있다. 또한, 복합재료는 스릿터를 통과하면서 스릿팅(Slitting)되어 1 내지 25mm의 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
제5 단계(S250)에서, 권취 롤러에 권취된 복합재료는 직조기에 의해 직물로 직조된다. 도 4는 직물의 일 실시예를 나타낸 사진이다. 이와 같이, 복합재료는 평직, 능직 및 주자직, 3D 및 4D 직물로 직조될 수 있다. 또한, 제조된 직물은 권취기를 통해 롤 형태로 권취될 수 있다.
제6 단계(S260)에서, 롤 형태로 권취된 직물은 열간 프레스 성형(Hot pressing)을 통해 복합성형체로 제조된다. 이때, 직물은 연속적으로 일정한 크기로 절단되어 열간 프레스 성형용 몰드(Mold)에 장입된 후, 가열 및 가압될 수 있다. 도 5는 복합성형체의 일 실시예를 나타낸 사진이다. 이와 같이, 복합재료로 제조된 직물은 열간 프레스 성형되어 고성능, 고강도의 복합성형체로 간단히 제조될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조 방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 제1 단계(S310)와, 엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼(Emulsion) 혼합물을 형성하는 제2 단계(S320)와, 개섬된 연속 탄소섬유다발에 에멀젼 혼합물을 주입하는 제3 단계(S330)와, 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 제4 단계(S340)와, 복합재료를 테이프 형태로 가공하는 제5 단계(S350)와, 상기 테이프 형태로 가공된 복합재료를 압축 성형 또는 적층 성형하여 복합성형체를 형성하는 제6 단계(S360)를 포함한다.
제1 단계(S310) 내지 제4 단계(S340)는 전술한 복합재료의 제조 방법과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다. 제5 단계(S350)에서, 복합재료는 테이프 형태로 가공된다. 이때, 복합재료는 일정한 크기로 절단(Chopping) 또는 분쇄(Milling)될 수 있다. 그리고 제6 단계(S360)에서, 테이프 형태로 가공된 복합재료는 압축 성형 또는 적층 성형을 통해 복합성형체로 제조된다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계;
    엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 및
    상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 분말은 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아미드(PA), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며,
    상기 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량은 상기 복합재료의 총 중량에 대하여 30 내지 70중량%인 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는,
    상기 엔지니어링 플라스틱 분말에 비이온성 계면 활성제, 첨가제 분말을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 첨가제 분말은 그래핀, 탄소나노튜브, 흑연분말, 팽창흑연 미 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
  4. 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계;
    엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계;
    상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계;
    상기 복합재료를 직조하여 직물을 형성하는 단계; 및
    상기 직물을 열간 프레스 성형(Hot pressing)하여 복합성형체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 분말은 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리에테르에테르케톤(PEKK), 폴리아미드(PA), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며,
    상기 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량은 상기 복합재료의 총 중량에 대하여 30 내지 70중량%인 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는,
    상기 엔지니어링 플라스틱 분말에 비이온성 계면 활성제, 첨가제 분말을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 첨가제 분말은 그래핀, 탄소나노튜브, 흑연분말, 팽창흑연 미 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계는,
    상기 개섬된 연속 탄소섬유다발의 상측에 위치한 분사 노즐을 통하여 상기 에멀젼 혼합물이 1 내지 1.5bar의 압력으로 분사되면서 주입되는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
  8. 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계;
    엔지니어링 플라스틱 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계;
    상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계;
    상기 복합재료를 테이프 형태로 가공하는 단계; 및
    상기 테이프 형태로 가공된 복합재료를 압축 성형 또는 적층 성형하여 복합성형체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 분말은 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아미드(PA), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며,
    상기 엔지니어링 플라스틱 분말의 함량은 상기 복합재료의 총 중량에 대하여 30 내지 70중량%인 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는,
    상기 엔지니어링 플라스틱 분말에 비이온성 계면 활성제, 첨가제 분말을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 첨가제 분말은 그래핀, 탄소나노튜브, 흑연분말, 팽창흑연 미 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111113946A (zh) * 2019-12-17 2020-05-08 江苏理工学院 一种混杂复合材料层合板及其制备工艺
KR102337118B1 (ko) * 2021-07-29 2021-12-09 (유)한성산기 내마모성이 향상된 탄소웨어링 제조방법
KR20230019282A (ko) * 2021-07-29 2023-02-08 (유)한성산기 탄소웨어링 성형체 제조장치

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