KR20180076041A - 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 복합재는 열가소성 수지를 메인 피더로 공급하고, 복수의 탄소섬유 그룹을 사이드 피더로 공급하여 압출하는 단계를 포함하여 제조되며, 상기 탄소섬유 그룹은 6 내지 8 cm 길이의 탄소섬유 단사가 복수개로 형성되며, 단일 방향으로 배향된 것을 특징으로 한다.

Description

복합재 및 그 제조방법{COMPOSITE AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 탄소섬유 단사로부터 형성된 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics: CFRP)은 금속에 비해 매우 가볍고, 높은 강성 등을 가져 차세대 복합소재로 주목 받고 있으며, 자동차, 항공기 등의 경량화 구조체 등으로 사용되고 있다.
탄소섬유 강화 플라스틱은 자체 가공방법이 매우 복잡하고, 주로 자동화 방식을 채택하고 있어 제품을 제작한 후 발생되는 잔여물인 CFRP 스크랩(scrap)이 많이 발생하지만, 이를 폐기하거나 적당한 재활용 방법을 찾는데 어려움이 있다.
CFRP 스크랩의 대표적인 재활용 방법으로는 CFRP 스크랩을 잘게 잘라 태우거나 마스터 배치화하여 컴파운딩 제품에 투입하는 방법 등이 있으나, 이러한 방법은 공정이 복잡하며 효율이 낮아 널리 사용되지 않는다.
특히, CFRP 스크랩으로부터 제조된 탄소섬유를 사용하여 압출할 경우 탄소섬유를 투입하는 사이드 피더 입구에서 탄소섬유들이 엉켜 투입이 곤란하거나 공정에 어려움이 있다. 이러한 엉킴을 방지하기 위해 탄소섬유를 분쇄하여 파우더 형태로 투입하는 방법을 고려할 수 있겠으나, 섬유 형태에 비해 강성이나 기계적 물성 등을 구현하는데 충분하지 않은 문제가 있다.
또한 종래의 CFRP 스크랩을 이용한 복합재의 경우, 기계적 물성이 불균일하고, 탄소섬유 신재를 이용한 복합재에 비해 기계적 물성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 2013-0139857호 등에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 탄소섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 재활용할 수 있는 친환경적인 복합재 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 충분한 기계적 강성을 유지하면서, 기계적 물성의 불균일이 없고, 유동성이 우수한 복합재 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공정 시 탄소섬유간 엉킴 현상이 발생하지 않는 복합재의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 한 관점은 복합재의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 열가소성 수지를 메인 피더로 공급하고, 복수의 탄소섬유 그룹을 사이드 피더로 공급하여 압출하는 단계를 포함하는 복합재의 제조방법이며, 상기 탄소섬유 그룹은 6 내지 8 cm 길이의 탄소섬유 단사가 복수개로 형성되며, 단일 방향으로 배향된 것을 특징으로 한다.
상기 열가소성 수지는 결정성 수지를 포함할 수 있다.
상기 열가소성 수지는 폴리아미드, 폴리에스터 및 폴리올레핀 중 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 탄소섬유 단사는 평균 직경이 0.5 내지 3.0 mm일 수 있다.
상기 탄소섬유 단사는 탄소섬유 스테이플을 카딩하여 형성된 것일 수 있다. 다른 구체예에서 상기 탄소섬유 단사는 탄소섬유 스테이플을 카딩 후 정방하여 형성된 것일 수 있다.
상기 탄소섬유 스테이플은 탄소섬유 강화 플라스틱 스크랩을 900 내지 1,400℃에서 탄화시킨 것 일 수 있다.
상기 탄소섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 100 내지 1,000 GPa일 수 있다.
상기 탄소섬유 스테이플은 평균 직경이 5 내지 10 ㎛, 평균 길이가 20 내지 100 mm일 수 있다.
상기 복합재는 상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 상기 복수의 탄소섬유 그룹 5 내지 250 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 복합재에 관한 것이다. 상기 복합재는 하기 식 1 및 식 2를 만족할 수 있다:
[식 1]
250 MPa ≤ TS
(상기 식 1에서, TS는 폴리아미드 수지 50 중량% 및 탄소섬유 50 중량%를 포함하는 복합재에 대해 ASTM D638 기준에 의해 측정한 인장강도임)
[식 2]
15 g/10min ≤ MI
(상기 식 2에서, MI는 폴리아미드 수지 50 중량% 및 탄소섬유 50 중량%를 포함하는 복합재에 대해 ASTM D1238 기준에 의해 265, 2.16kg 조건에서 측정한 유동지수임)
본 발명은 탄소섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 재활용할 수 있으며, 충분한 기계적 강성을 유지하면서, 기계적 물성의 불균일이 없고, 유동성이 우수하고 제조 공정 시 탄소섬유간 엉킴 현상이 발생하지 않는 복합재 및 그 제조방법을 제공하는 발명의 효과를 가진다.
본 발명의 복합재는 열가소성 수지를 메인 피더로 공급하고, 복수의 탄소섬유 그룹을 사이드 피더로 공급하여 압출하는 단계를 포함하여 제조된다.
상기 열가소성 수지는 바람직하게는 결정성 수지가 사용될 수 있다. 예를 들면 폴리아미드, 폴리에스터 및 폴리올레핀 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다. 또한 상기 열가소성 수지는 결정성 수지와 함께 비결정성 수지도 혼합하여 사용될 수 있다. 구체예에서는 비결정성 수지를 전체 수지 성분 중 40 중량% 이하로 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 탄소섬유 그룹은 탄소섬유 단사가 복수개로 형성된 것이다.
상기 탄소섬유 단사는 탄소섬유 스테이플로부터 제조될 수 있다. 여기서, 상기 탄소섬유 스테이플은 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics: CFRP) 제품 제조 시 발생하는 잔여물인 탄소섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap) 등으로부터 제조되는 것이다. 구체예에서, 상기 탄소섬유 스테이플은 탄소섬유 강화 플라스틱 스크랩을 900 내지 1,400℃, 예를 들면 1,000 내지 1,300℃에서 탄화시켜 제조될 수 있다. 상기 온도 범위에서 97 중량% 이상의 탄소 성분을 포함하는 탄소섬유 스테이플을 제조할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소섬유 스테이플은 열중량분석기(Thermogravimetric Analyzer: TGA)로 측정한 탄소 성분의 함량이 97 중량% 이상, 예를 들면 98 내지 99.9 중량%일 수 있다. 상기 범위에서 우수한 인장 탄성률을 확보할 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유 스테이플은 현미경으로 측정한 평균 직경(D50)이 5 내지 10 ㎛, 예를 들면 6 내지 8 ㎛일 수 있고, 평균 길이가 20 내지 100 mm, 예를 들면 30 내지 90 mm일 수 있다. 상기 범위에서, 카딩 단계에서 작업성과 생산성이 우수하고 쉽게 부서지지 않으며, 기계적 물성을 확보할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 100 내지 1,000 GPa, 예를 들면 110 내지 990 GPa일 수 있다. 상기 범위에서 탄소섬유 스테이플을 포함하는 단사의 인장 탄성률 등 기계적 물성이 우수할 수 있다.
상기 탄소섬유 단사는 탄소섬유 스테이플을 카딩 및 정방하여 제조된다. 구체예에서 상기 카딩(carding)은 탄소섬유 스테이플을 평행으로 배열하고 빗질하여 굵은 슬라이버(sliver)를 제조하는 단계이다. 상기 정방은 슬라이버를 당겨 늘리고 100 내지 200 TPM(Twist per Meter)으로 꼬임을 주어 단사를 완성하는 공정이다.
한 구체예에서는 상기 카딩 이후에 정방 및 코빙을 선택적으로 더 할 수 있다. 또한 카딩 전에 탄소섬유 스테이플이 엉겨서 달라 붙거나 부서지는 것을 최소화하기 위한 전처리 단계를 추가할 수 있다.
상기 탄소섬유 단사의 길이는 6 내지 8 cm 인 것을 특징으로 한다. 만일 탄소섬유 단사의 길이가 8 cm 를 초과할 경우, 탄소섬유 간 엉킴이 발생하고 사이드 피더로 공급시 피더에 달라 붙어서 압출 자체가 불가능하고, 탄소섬유 단사의 길이가 6 cm 미만일 경우, 압출 시 탄소섬유 단사가 너무 짧은 길이로 부서져 본 발명에서 목적으로 하는 충분한 기계적 강도를 구현할 수 없다.
또한, 상기 탄소섬유 단사는 평균 직경이 0.5 내지 3.0 mm 일 수 있다. 상기 범위에서 사이드 피더로 공급이 용이한 장점이 있다.
상기 탄소섬유 단사는 복수개, 예를 들면 10 내지 2,000 개의 탄소섬유 단사가 탄소섬유 그룹을 형성하여 압출기에 투입된다. 탄소섬유 그룹은 복수개로 압출기에 투입될 수 있다. 이 때, 단일 탄소섬유 그룹을 이루는 복수개의 탄소섬유 단사는 단일 방향으로 배향된 것을 특징으로 한다. 이처럼 단일 방향으로 배향된 탄소섬유 단사를 적용함으로서, 사이드 피더 입구에서 엉킴 현상이 발생하지 않으며, 우수한 기계적 강도와 균일한 물성을 갖는 복합재를 얻을 수 있다. 이와 같이 단일 방향으로 배향된 탄소섬유 단사는 앞서 설명한 바와 같이 탄소섬유 스테이플을 카딩 및 정방하여 제조될 수 있다.
압출기의 종류는 특별한 제한이 없으며, 메인 피더와 사이드 피더가 구비된 통상의 압출기가 적용될 수 있다.
예를 들면, 상기 복합재는 스크류 직경이 20mm 이상인 이축 압출기로 압출온도 220 내지 260 ℃ 조건에서 제조될 수 있다.
구체예에서 상기 복합재는 상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 상기 복수의 탄소섬유 그룹 5 내지 250 중량부를 포함한다. 상기 범위에서 충분한 기계적 강도와 함께 우수한 유동성 및 외관을 갖는다.
구체예에서 상기 복합재는 하기 식 1 및 식 2를 만족할 수 있다:
[식 1]
250 MPa ≤ TS
(상기 식 1에서, TS는 폴리아미드 수지 50 중량% 및 탄소섬유 50 중량%를 포함하는 복합재에 대해 ASTM D638 기준에 의해 측정한 인장강도임)
[식 2]
15 g/10min ≤ MI
(상기 식 2에서, MI는 폴리아미드 수지 50 중량% 및 탄소섬유 50 중량%를 포함하는 복합재에 대해 ASTM D1238 기준에 의해 265, 2.16kg 조건에서 측정한 유동지수임)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
실시예 1
탄소 성분의 함량이 50 중량%, 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이(D50)가 90 mm인 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 1,300℃에서 탄화시켜, 탄소 성분의 함량이 98 중량%, 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이(D50)가 90 mm이고, 인장 탄성률이 250 GPa인 탄소섬유 스테이플을 제조하였다. 제조된 탄소섬유 스테이플을 카딩, 코밍 및 정방 단계를 거쳐 직경이 0.5 mm 이고, 길이가 6 cm인 탄소섬유 단사를 제조하였다.
제조된 탄소섬유 단사 1,000개를 단일 방향으로 배향시켜 탄소섬유 그룹(B1)을 형성하고, 상기 탄소섬유 그룹 100 중량부를 스크류 직경이 40mm 인 이축 압출기의 사이드 피더에 투입하였다. 메인 피더에는 폴리아미드 수지(A) 100 중량부를 투입하였으며, 250 ℃ 압출온도 조건에서 압출하였다. 폴리아미드 수지(A)는 KP켐텍社의 폴리아미드 6(PA6) 수지인 EN 300 제품을 사용하였다.
실시예 2
탄소섬유 단사 직경이 3 mm 이고, 길이가 8 cm인 탄소섬유 단사를 사용하여 단일 방향으로 배향된 탄소섬유 그룹(B2)을 형성하고, 상기 탄소섬유 그룹 100 중량부를 스크류 직경이 40mm 인 이축 압출기의 사이드 피더에 투입하였다. 메인 피더에는 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리아미드 수지(A) 100 중량부를 투입하였으며, 250 ℃ 압출온도 조건에서 압출하였다.
비교예 1
탄소섬유 단사 직경이 3 mm 이고, 길이가 9 cm인 탄소섬유 단사를 사용하여 단일 방향으로 배향된 탄소섬유 그룹(B3)을 형성하고, 상기 탄소섬유 그룹 100 중량부를 스크류 직경이 40mm 인 이축 압출기의 사이드 피더에 투입하였다. 메인 피더에는 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리아미드 수지(A) 100 중량부를 투입하였으며, 압출온도를 250 ℃ 로 설정하였다.
비교예 2
탄소섬유 단사 직경이 3 mm 이고, 길이가 5 cm인 탄소섬유 단사를 사용하여 단일 방향으로 배향된 탄소섬유 그룹(B4)을 형성하고, 상기 탄소섬유 그룹 100 중량부를 스크류 직경이 40mm 인 이축 압출기의 사이드 피더에 투입하였다. 메인 피더에는 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리아미드 수지(A) 100 중량부를 투입하였으며, 250 ℃ 압출온도 조건에서 압출하였다.
비교예 3
실시예 1에서 제조된 탄소섬유 단사를 적용하되, 단일 방향으로 배향시키는 단계를 거치지 않아 배향성이 없고 불규칙한 탄소섬유 그룹(B5)을 사이드 피더에 공급한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
물성 측정 방법
(1) 유동지수(MI; Melt Flow Index, 단위: g/10min)
ASTM D1238에 규정된 평가방법에 의하여 265℃/2.16kg 조건에서 측정하였다.
(2) 인장강도(TS; Tensile Strength, 단위: MPa)
ASTM D638에 규정된 평가방법에 의하여 측정하였다.
(3) 압출 성형성
압출성형을 통한 펠렛 형태의 복합재 제조시, 압출 가능여부를 평가하였다.
O: 압출 양호
X: 압출 불가
실시예 비교예
1 2 1 2 3
(A) 폴리아미드 수지
(중량부)		 100 100 100 100 100
(B) 탄소섬유
그룹
(중량부)		 (B1)단일방향 배향 100 - - - -
(B2)단일방향 배향 - 100 - - -
(B3)단일방향 배향 - - 100 - -
(B4)단일방향 배향 - - - 100 -
(B5)불규칙 배향 - - - - 100
유동지수 (g/10min) 18 15 - 20 -
인장강도 (MPa) 250 255 - 195 -
압출 성형성 O O X O X
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 2는 유동지수와 인장강도가 모두 우수하였으며, 사이드 피더 입구에서 탄소섬유 간 엉킴 현상이 발생되지 않았다. 비교예 1은 탄소섬유 단사의 길이가 길어서, 사이드 피더 투입 시 탄소섬유 간 서로 엉킴 현상이 발생하였으며, 엉킴으로 인해 사이드 피더 투입이 불가능하여 압출 자체를 할 수가 없었다. 비교예 2는 압출 성형성은 양호했지만 실시예 대비 인장강도가 현저히 저하된 것을 알 수 있었다. 또한, 비교예 3과 같이 배향성이 없고 불규칙한 탄소섬유 그룹을 그대로 사이드 피더에 공급할 경우, 사이드 피더 입구에서 탄소섬유 간 엉킴이 발생하여 투입이 불가능하다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (11)

  1. 열가소성 수지를 메인 피더로 공급하고, 복수의 탄소섬유 그룹을 사이드 피더로 공급하여 압출하는 단계를 포함하는 복합재의 제조방법이며,
    상기 탄소섬유 그룹은 6 내지 8 cm 길이의 탄소섬유 단사가 복수개로 형성되며, 단일 방향으로 배향된 것을 특징으로 하는 복합재의 제조방법.

  2. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 결정성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리아미드, 폴리에스터 및 폴리올레핀 중 하나 이상 선택되는 복합재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유 단사는 평균 직경이 0.5 내지 3.0 mm인 복합재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유 단사는 탄소섬유 스테이플을 카딩하여 형성된 것인 복합재의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 탄소섬유 단사는 탄소섬유 스테이플을 카딩 후 정방하여 형성된 것인 복합재의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 탄소섬유 스테이플은 탄소섬유 강화 플라스틱 스크랩을 900 내지 1,400℃에서 탄화시킨 것을 특징으로 하는 복합재의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 탄소섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 100 내지 1,000 GPa인 복합재의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 탄소섬유 스테이플은 평균 직경이 5 내지 10 ㎛, 평균 길이가 20 내지 100 mm인 복합재의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복합재는 상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 상기 복수의 탄소섬유 그룹 5 내지 250 중량부를 포함하는 복합재의 제조방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 의해 제조된 복합재이며, 하기 식 1 및 식 2를 만족하는 복합재:
    [식 1]
    250 MPa ≤ TS
    (상기 식 1에서, TS는 폴리아미드 수지 50 중량% 및 탄소섬유 50 중량%를 포함하는 복합재에 대해 ASTM D638 기준에 의해 측정한 인장강도임)
    [식 2]
    15 g/10min ≤ MI
    (상기 식 2에서, MI는 폴리아미드 수지 50 중량% 및 탄소섬유 50 중량%를 포함하는 복합재에 대해 ASTM D1238 기준에 의해 265, 2.16kg 조건에서 측정한 유동지수임)



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