KR20190001323A - 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소섬유층 사이에 탄성체 층을 구비하여 연성을 가지면서도 높은 강도를 가질 수 있는 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 (a) 합성고무 100중량부에 대하여 에폭시 수지 1~20중량부, 충전제 1~20중량부, 가소제 1~20중량부, 내후성 향상제 0.5~10중량부, 첨가제 1~20중량부를 포함하는 고분자 화합물층; 및 (b) 상기 고분자 화합물의 상부 또는 상하부에 위치하는 탄소섬유층을 포함하는 탄소섬유 복합재를 제공한다.
Description
본 발명은 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 탄소섬유층 사이에 탄성체 층을 구비하여 연성을 가지면서도 높은 강도를 가질 수 있는 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소복합재(Carbon-Carbon Composite)는 마찰 및 마모 특성과 열 충격 저항성이 우수하여, 항공기 브레이크 디스크, 내열재 등으로 많이 사용되고 있다. 탄소복합재의 제조 방법은, 탄소계 섬유를 이용하여 섬유층을 제조하는 공정과, 섬유층을 밀도화 하는 공정으로 나눌 수 있다.
섬유층을 밀도화 하는 공정은, 액상함침법과 화학기상침투법으로 구분된다.
액상함침법은 섬유층에 수지를 함침시킨 후 그 수지를 열분해하여, 탄소매트릭스를 형성하는 방법이다. 화학기상침투법은 섬유층에 탄화수소가스를 침투시키고, 그 탄화수소 가스를 열분해하여, 탄소매트릭스를 형성하는 방법이다.
화학기상침투법은 등온(ISOTHERMAL)법과 열구배(THERMAL GRADIENT)법으로 구분된다.
등온법은 섬유층의 내부온도와 외부온도가 균일한 상태가 된 상태에서, 탄화수소가스를 열분해 한다. 따라서, 등온법으로 만들어진 탄소복합재는, 탄소매트릭스 전체의 특성이 균일해져 우수한 열전도도를 가진다. 그러나, 등온법은 섬유층의 내외부에서 동시에 탄화수소 가스의 열분해반응이 일어나므로, 섬유층의 내부로 확산되지 않고 외부에서 열 분해된 탄소는, 섬유층의 표면에 증착된다. 이로 인해, 섬유층 표면의 기공이 막혀, 탄화수소 가스가 섬유층 내부로 침투하지 못하게 한다. 따라서, 섬유층의 표면을 주기적으로 갈아서 막힌 기공을 뚫어주어야 한다. 이렇게 주기적으로 섬유층의 표면을 갈아 내면, 실제 제품을 만들 수 있는 섬유층의 크기가 점점 줄어든다. 또한, 주기적으로 막힌 기공을 뚫어주어야 하기 때문에, 탄소복합재를 만드는 데 많은 시간(2~3개월)이 소요된다.
열구배법은 섬유층의 내부에서 외부로 온도구배를 주어, 탄화수소 가스의 열분해 반응이 섬유층의 내부에서부터 외부로 점차 진행되게 한다. 따라서, 기공 막힘 현상이 발생하지 않아, 섬유층의 표면을 주기적으로 갈아낼 필요도 없고, 탄소복합재를 만드는데 걸리는 시간(2~3주)도 단축된다. 그러나, 열구배법은 열구배를 선형으로 정확하게 만들기 어려워, 탄화수소 가스 열분해시, 섬유층의 내 외부의 온도가 등온법처럼 일정치 못하게 된다. 따라서, 등온법으로 만들어진 탄소복합재는, 탄소매트릭스 전체의 특성이 균일하지 못해, 등온법으로 만든 탄소복합재 보다 열전도도가 떨어진다.
하지만 상기와 같이 제조된 탄소섬유 복합재의 경우 탄소섬유의 함량에 높아질수록 복합재의 연성과 전성이 떨어져 강한 충격을 받는 경우 복합재가 파손될 수 있을 뿐만 아니라 탄소섬유와 복합재의 결합이 분리되어 탄소섬유가 외부에 노출되어 손상될 수 있어 그 강도에 비하여 내구성이 떨어진다는 단점을 가지고 있다.
대한민국 공개특허 제 10-2016-0033448호에서는 균일한 전도성을 가지는 열가소성 수지 함유 복합재 및 이를 포함하는 성형품에 관하여 개시하고 있다. 이 발명에서는 종횡비가 큰 탄소나노튜브를 함유하여 균일한 전도성을 가질 수 있는 복합재를 개시하고 있지만, 탄소섬유와 복합재를 단순히 혼합하고 있어 복합재의 연성과 전성이 떨어질 수 있다는 문제점을 가지고 있다
대한민국 등록특허 제10-1437212호에서는 함침성이 우수한 연속 탄소섬유 보강 열가소성 플라스틱 복합재 및 그 제조방법에 관하여 개시하고 있다. 이 발명에서는 열가소성 수지에 광폭화된 연속 탄소섬유를 함침하여 높은 함침성을 나타내고 있지만 제조되는 복합재의 연성과 전성이 부족하여 충격에 의한 내구성이 떨어질 수 있다.
따라서, 본 발명은 기계적 물성이 우수한 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 (a) 합성고무 100중량부에 대하여 에폭시 수지 1~20중량부, 충전제 1~20중량부, 가소제 1~20중량부, 내후성 향상제 0.5~10중량부, 첨가제 1~20중량부를 포함하는 고분자 화합물층; 및 (b) 상기 고분자 화합물의 상부 또는 상하부에 위치하는 탄소섬유층을 포함하는 탄소섬유 복합재를 제공한다.
상기 합성고무는 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR)이며, 아크릴로니트릴의 함량이 20~60중량%일 수 있다.
상기 에폭시 수지는 1액형 에폭시 수지이며, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무 변성 에폭시 수지일 수 있다.
상기 충전제는 카본블랙, 탄산칼슘, 실리카 및 규조토로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 (i) 합성고무 100중량부에 대하여 에폭시 수지 1~20중량부, 충전제 1~20중량부, 가소제 1~20중량부, 내후성 향상제 0.5~10중량부, 첨가제 1~20중량부를 포함하는 고분자 화합물 프리프레그를 준비하는 단계; (ii) 탄소섬유와 열경화성 고분자를 혼합하여 탄소섬유 프리프레그를 준비하는 단계; 및 (iii) 상기 (ii) 단계의 탄소섬유 프리프레그와 (i)단계의 고분자 화합물 프리프래그를 교대로 적층한 다음 가열 및 성형하여 탄소섬유 복합재를 제조하는 단계;를 포함하는 탄소섬유 복합재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 및 그 제조방법은 탄소섬유 층 사이에 고무 층을 포함하고 있어 기존의 탄소섬유 복합재와는 달리 연성과 전성을 가지는 탄소섬유 복합제를 제공할 수 있으므로, 고내구성이 필요한 경량 부품, 케이스 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 탄소섬유 복합재의 구조를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 탄소섬유 복합재 성형장치를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소섬유 프리프래그를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 ASTM D3163의 시험에 사용되는 시편을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소섬유 복합재로 제조된 휴대통신기기용 케이스의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소섬유 복합재로 제조된 휴대통신기기용 케이스의 단면부를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 탄소섬유 복합재 성형장치를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소섬유 프리프래그를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 ASTM D3163의 시험에 사용되는 시편을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소섬유 복합재로 제조된 휴대통신기기용 케이스의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소섬유 복합재로 제조된 휴대통신기기용 케이스의 단면부를 나타낸 사진이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 (a) 합성고무 100중량부에 대하여 에폭시 수지 1~20중량부, 충전제 1~20중량부, 가소제 1~20중량부, 내후성 향상제 0.5~10중량부, 첨가제 1~20중량부를 포함하는 고분자 화합물층; 및 (b) 상기 고분자 화합물의 상부 또는 상하부에 위치하는 탄소섬유층을 포함하는 탄소섬유 복합재에 관한 것이다.
상기 고분자 화합물층은 상기 탄소섬유 층 사이에 위치하여 탄소섬유 층에 가해지는 충격을 흡수하며, 소음 및 진동을 저감할 수 있다. 또한 기존의 탄소복합재와는 달리 상기 고분자 화합물 층이 탄소 섬유층 사이에 위치하게 되므로 탄소섬유 복합재가 연성을 가질 수 있으며, 이에 따라 굴곡강도가 상승하게 된다.
이러한 상기 고분자 화합물 층은 열경화성 고무로 구성되며, 바람직하게는 합성고무 100중량부에 대하여 에폭시 수지 1~20중량부, 충전제 1~20중량부, 가소제 1~20중량부, 내후성 향상제 0.5~10중량부, 첨가제 1~20중량부를 포함할 수 있다.
상기 합성고무는 상기 고분자 화합물층의 주성분으로 탄성을 가지는 열경화성 고무라면 제한 없이 사용가능하지만 바람직하게는 부타디엔계 고무, 더욱 바람직하게는 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR)을 사용할 수 있다. 상기 아크릴로니트릴-부타디엔 고무는 아크릴로 니트릴과 부타디엔을 저온에서 유화중합하여 제조한 공중합체로, 내유성 및 내약품성이 우수한 합성고무로서, 본 발명에서는 아크릴로니트릴의 함량이 20~60중량%, 바람직하게는 30~45중량% 더욱 바람직하게는 33~41중량%일 수 있다. 아크릴로니트릴의 함량이 20중량% 미만인 경우 고분자 화합물 층의 연성이 떨어져 탄소섬유 복합재의 내구성이 떨어질 수 있으며, 60중량%를 초과하는 경우 고분자 화합물 층과 탄소섬유 층 사이의 고착이 어려워져 층분리가 일어날 수 있다.
상기 에폭시 수지는 상기 합성고무의 물성을 개선하기 위하여 첨가되는 것으로, DIMER ACID 변성 타입, NBR 변성 타입, CTBN 변성 타입 또는 우레탄 변성 타입이 사용될 수 있지만 바람직하게는 아크릴로니트릴-부타디엔 고무 변성 에폭시 수지를 사용할 수 있다. 또한 상기 에폭시 수지는 사용상의 편의성과 부반응 방지를 위하여 1액형을 사용할 수 있다. 상기 에폭시 수지는 상기 합성고무 100중량부에 대하여 1~20중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 3~15중량부, 가장 바람직하게는 5~10중량부를 사용할 수 있다. 상기 에폭시 수지가 1중량부 미만으로 사용되는 경우 에폭시 수지에 의한 합성고무의 물성개선효과를 기대할 수 없으며, 20중량부를 초과하여 사용하는 경우에는 합성고무의 신율을 높아지지만 인열강도가 낮아져서 제조된 탄소섬유 복합재의 접합강도가 떨어지게 된다.
상기 충전제는 상기 합성고무의 강도를 향상시키며, 경화전 흐름성을 낮춰 가공성을 개선하기 위하여 사용되는 물질로 카본블랙, 탄산칼슘, 실리카 및 규조토로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 카본블랙을 사용할 수 있다. 상기 합성고무의 경우 경화전 흐름성이 높을 경우 탄소섬유 층과의 적층이 어려우며, 일정 높이로 적층하기 어렵다. 따라서 상기와 같은 충전제를 첨가하여 흐름성을 조절하는 것이 바람직하다. 또한 상기 충전제 특히 카본 블랙의 경우에는 고무와 혼합되면 고무의 강도, 내구성, 내마모성을 높일 수 있으므로, 합성고무 100중량부에 대하여 1~20중량부, 바람직하게는 1~10중량부, 더욱 바람직하게는 4~6중량부를 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 충전제가 1중량부 미만으로 혼합되는 경우 충전제에 의한 흐름성 개선 및 내구성 개선효과를 기대하기 어려우며, 20중량부를 초과하여 사용되는 경우에는 고무의 탄성 및 신율이 떨어져 탄소섬유 복합재의 내구성 및 연성이 떨어질 수 있다.
상기 가소제는 상기 고무의 연성을 부여하는 물질로 프탈레이트계 가소제, 에폭시계 가소제, 폴리에스터계 가소제 또는 유기산계 가소제를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 디 옥틸 프탈레이트(DOP) 또는 스테아린산(Stearic Acid)을 포함하는 가소제를 사용할 수 있다. 상기 가소제는 합성고무 100중량부에 대하여 1~20중량부, 바람직하게는 3~10중량부, 더욱 바람직하게는 5~7중량부를 사용할 수 있다. 상기 가소재가 1중량부 미만으로 사용되는 경우 가소재에 의한 고무의 연성개선효과를 기대할 수 없으며, 20중량부를 초과하여 사용되는 경우 최종제품인 탄소섬유 복합재에서 가소제 성분이 용출되어 인체에 악영향을 줄 수 있다.
상기 내후성 향상제는 화학 또는 물리적 변화에 의한 상기 합성고무의 내후성을 향상시키는 첨가물로 상기 합성고무가 대기중에 노출되어 물리적 또는 화학적인 자극을 받을 경우 상기 합성고무의 성질이 변화되지 않도록 한다. 특히 온도 및 대기압의 변화, 직사광선의 조사와 같은 물리적 변화나 산성비, 세제, 인체 분비물 등의 접촉과 같은 화학적 변화에 의한 물성 변화를 방지하기 위하여 상기 내후성 향상제를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 내후성 향상제는 화학적 내후성 향상제로 테트라 메틸 큐놀린(TMQ, RD) 및 물리적 내후성 향상제로 파라핀 왁스(paraffine wax, SUN652)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 내후성 향상제는 합성고무 100중량부에 대하여 0.5~10중량부, 바람직하게는 1~5중량부, 더욱 바람직하게는 2~4중량부가 사용될 수 있다. 상기 내후성 향상제가 0.5중량부 미만으로 사용되는 경우에는 내후성의 향상이 낮아 탄소섬유 복합재의 내후성이 떨어질 수 있으며, 10중량부를 초과하여 사용되는 경우에는 내후성은 높아지지만 합성고무의 물성이 떨어질 수 있다.
상기 첨가제는 상기 합성고무의 가공성 및 물성을 보충하기 위하여 사용되는 것으로, 합성고무 100중량부에 대하여 1~20중량부, 바람직하게는 5~15중량부가 사용될 수 있다. 1중량부 미만으로 사용되는 경우 물성의 향상을 기대하기 어려우며, 20중량부를 초과하여 사용되는 경우에는 물성의 향상을 가져올 수는 있지만 합성고무의 고유물성인 탄성이 떨어질 수 있다. 또한 상기 첨가제는 다종의 성분을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 가교제, 가교촉진제, 산화방지제, 반응 촉진제, 반응지연제 등을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 탄소섬유 복합재는 기존의 탄소섬유 복합재에 비하여 탄성을 가지고 있으며, 뛰어난 내구성을 가지고 있으므로, 자동차 내외장재, 건축 구조물, 건축 내장재, 선박용 구조재, 휴대통신기기용 케이스등에 사용될 수 있다.
이하 탄소섬유 복합재의 제조방법을 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 (i) 합성고무 100중량부에 대하여 에폭시 수지 1~20중량부, 충전제 1~20중량부, 가소제 1~20중량부, 내후성 향상제 0.5~10중량부, 첨가제 1~20중량부를 포함하는 고분자 화합물 프리프레그를 준비하는 단계; (ii) 탄소섬유와 열경화성 고분자를 혼합하여 탄소섬유 프리프레그를 준비하는 단계; 및 (iii) 상기 (ii) 단계의 탄소섬유 프리프레그와 (i)단계의 고분자 화합물 프리프래그를 교대로 적층한 다음 가열 및 성형하여 탄소섬유 복합재를 제조하는 단계;를 포함하는 탄소섬유 복합재의 제조방법에 관한 것이다.
상기 (i)단계는 고분자 화합물 프리프레그를 준비하는 단계로, 합성고무 100중량부를 기준으로 하여 에폭시 수지 1~20중량부, 충전제 1~20중량부, 가소제 1~20중량부, 내후성 향상제 0.5~10중량부, 첨가제 1~20중량부를 혼합한 다음, 일정한 두께를 가지는 판형으로 성형하여 준비한다. 상기 고분자 화합물 프리프레그는 열경화성 수지가 경화되지 않았으므로, 탄성을 가지고 있으므로, 열과 압력을 가하여 성형하기 이전에는 다양한 모양으로 성형이 가능하다. 상기 고분자 화합물의 종류 및 바람직한 혼합비는 상기에서 살펴본 바와 같다.
상기 (ii) 단계는 탄소섬유층 프리프레그(도 3)를 준비하는 단계로, 기본의 탄소섬유 복합재의 제조방법에서는 탄소섬유와 열경화성 고분자를 혼합한 다음, 성형하여 탄소섬유 판재를 제작하고 상기 판재의 상부에 고분자 화합물을 적층하여 탄소섬유 복합재를 제조하였다. 하지만 본 발명에서는 상기 탄소섬유와 열경화성 수지는 혼합하고 판형의 탄소섬유 프리프레그를 제조한 다음, 경화과정을 거치치 않고 탄소섬유층과 고분자 화합물을 적층하며, 도 2에 나타난 성형 수단을 이용하여 한번에 가열 및 성형한다.
상기 탄소섬유는 시중에서 구입할 수 있는 것이라면 길이 및 굵기에 관계없이 사용 가능하며, 용도 및 사용 환경에 다라 적절한 길이 및 굵기를 가지는 탄소섬유를 선택하여 사용할 수 있다. 또한 상기 탄소섬유는 탄소나노튜브일 수 있으며, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 이들의 혼합물을 사용하는 것도 가능하다.
상기 열경화성 수지는 탄소섬유에 함침되어 탄소섬유를 고정하는 역할을 수행하는 것으로 시중에서 구할 수 있는 열경화성 수지라면 용도 및 사용 환경에 따라 선택하여 사용할 수 있다. 다만, 상기 열경화성 수지는 상기 고분자 화합물과 유사한 경화온도 및 압력을 가져 탄소섬유층과 고분자화합물이 동시에 경화되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 열경화성 수지는 요소수지, 멜라민 수지, 에폭시수지, 불포화폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지 및 페놀수지로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 경화제, 가소제, 산화방지제 등 다양한 첨가제와 혼합되어 사용되는 것도 가능하다.
상기 (iii)단계는 상기 탄소섬유 프리프래그와 상기 고분자 화합물 프리프레그를 교대로 적층한 다음, 가멸 및 경화시켜 탄소섬유 복합재를 제조하는 단계로, 기존의 탄소섬유 복합재와는 달리 탄소섬유 프리프레그와 고분자 화합물 프리프레그를 한번에 경화한다. 따라서 상기 고분자 화합물과 상기 열경화성 수지가 유사한 경화온도 및 압력을 가져야하는 것은 위에서 살펴본 바와 같다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다.
실시예 1
아크릴로니트릴의 함량이 35중량%인 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(KNB35L, 금호석유화학)1kg에 1액형 NBR변성 에폭시수지 50g, 카본블랙(N744) 50g, 가소제(DOP) 50g, 내후성 향상제(RD, SUN652) 30g을 혼합한 다음, 가교제 10g과 가교촉진제(TT, CZ) 35g을 추가하여 고분자 화합물을 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 아크릴로니트릴의 함량이 35중량%인 아크릴로니트릴-부타디엔 고무 대신 아크릴로니트릴의 함량이 40중량%인 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(KNB40M, 금호석유화학)를 사용한 것을 제외하고 동일하게 고분자 화합물을 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 에폭시수지를 100g을 사용한 것을 제외하고 동일하게 고분자 화합물을 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 2에서 에폭시수지를 100g을 사용한 것을 제외하고 동일하게 고분자 화합물을 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 에폭시 수지를 사용하지 않은 것을 제외하고 동일하게 고분자 화합물을 준비하였다.
비교예 2
상시 실시예 1에서 아크릴로니트릴의 함량이 35중량%인 아크릴로니트릴-부타디엔 고무 대신 아크릴로니트릴의 함량이 25중량%인 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(KNB25M, 금호석유화학)를 사용한 것을 제외하고 동일하게 고분자 화합물을 제조하였다.
비교예 3
기존의 탄소섬유 복합재의 접착에 사용되는 고무 화합물을 사용하였다.
실험예 1
상기 실시예 1~4 및 비교예 1~3의 고분자 화합물을 20cmX20cm의 크기의 틀에 두께 1.5mm로 장입한 다음 경화시켜 각 샘플의 물성을 조사하였다. 각 샘플의 물성은 하기의 표 1과 같다.
비중 | 경도 (JIS A) |
인장강도 (kgf/㎟) |
신율(%) | 100%신율 인장강도 (kgf/㎟) |
300%신율 인장강도 (kgf/㎟) |
인열강도 (kN/m) |
|
실시예1 | 1.1 | 54.0 | 43.0 | 376 | 13 | 30 | 30 |
실시예2 | 1.1 | 54.0 | 62.0 | 395 | 14 | 37 | 39.2 |
실시예3 | 1.1 | 53.0 | 54.0 | 448 | 12 | 29 | 31.3 |
실시예4 | 1.1 | 54.0 | 82.0 | 480 | 14 | 36 | 34.0 |
비교예1 | 1.0 | 51.6 | 32.1 | 274 | 11 | 21 | 25.3 |
비교예2 | 1.0 | 50.7 | 39.7 | 318 | 9 | 18 | 26.7 |
비교예3 | 1.2 | 46.8 | 28.7 | 137 | 3 | - | 12.8 |
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 실시예 1~4는 기존에 사용되던 비교예 3의 고무 화합물에 비하여 높은 내구성을 가지는 것으로 나타났다. 또한 에폭시 수지는 사용하지 않은 비교예 1 및 아크릴로니트릴의 함량이 25중량%인 비교예 2의 경우 기존 고무화합물인 비교예 3에 비해서는 높은 내구성을 가지는 것으로 나타났지만, 실시예 1~4에 비해서는 낮은 물성을 가지는 것으로 나타났다.
실시예 5
상기 실시예 1의 고분자 화합물을 이용하여 탄소섬유 복합제를 제조하였다.
탄소섬유(연속탄소섬유, 3K, PW(Plain Woven))에 열경화성 수지(에폭시 45wt%)함침된 프리프레그(prepreg) 시트를 20cmX20cm의 금형에 0.5mm의 높이로 주입한 다음, 상기 실시예 1의 고분자 화합물을 0.5mm의 높이로 장입하였다. 이때 사용된 탄소섬유 프리프레그의 물성은 하기의 표 2와 같다.
Grade | 두께(mm) | Total Wt (g/m2) |
Fiber ArealWt (g/m2) |
Resin Content(%) |
WSN3K | 0.227 | 336 | 198 | 41 |
Tensile Strength | Tensile Modulus | Fiber Density | Resin Density | |
450 ㎏f/mm2 | 24×103 ㎏f/mm2 | 1.77 g/cm2 | 1.2 g/cm2 |
이후 다시 탄소섬유 프리프레그(prepreg) 시트를 0.5mm의 높이로 적층 총 1.5T로 샌드위치 구조를 구성 하였다. 상기 금형의 상부를 100kg/㎠의 압력을 가하면서 150℃의 오븐에서 경화를 수행하였다.
실시예 6
상기 실시예 2의 고분자 화합물을 사용한 것을 제외하고 실시예 5와 동일하게 탄소섬유 북합재를 제조하였다.
실시예 7
상기 실시예 3의 고분자 화합물을 사용한 것을 제외하고 실시예 5와 동일하게 탄소섬유 북합재를 제조하였다.
실시예 8
상기 실시예 4의 고분자 화합물을 사용한 것을 제외하고 실시예 5와 동일하게 탄소섬유 복합재를 제조하였다.
비교예 4
상기 실시예 5와 동일한 재료를 사용하였으며, 다만 탄소섬유 프리프레그(prepreg) 시트를 20cmX20cm의 금형에 0.5mm의 높이로 장입하고, 상부를 100kg/㎠의 압력을 가하면서 150℃의 오븐에서 경화하여 탄소섬유층을 먼저 제작하였다. 상기 탄소섬유층 사이에 실시예 5와 동일한 고분자 화합물 0.5mm를 주입한 다음 동일한 조건에서 2차 경화하였다.
비교예 5
상기 비교예 1의 고분자 화합물을 사용한 것을 제외하고 실시예 5와 동일한 방법으로 탄소섬유 복합재를 제조하였다.
실험예 2
상기 실시예 5~8 및 비교예 4~5의 탄소섬유 복합재를 이용하여 접착강도실험을 수행하였으며, 그 결과를 하기의 표3에 나타내었다. 접착강도 실험은 ASTM D3163의 방법으로 실시하였으며, 이때 사용된 시편은 도4에 나타난 바와 같다.
굴곡강도(Mpa) | 접착강도(N/㎟) | 접착강도 상승률 (%, 비교예 5 기준) |
|
실시예5 | 179.4 | 4.59 | 14.36 |
실시예6 | 180.2 | 4.70 | 17.21 |
실시예7 | 192.5 | 4.98 | 24.19 |
실시예8 | 173.8 | 4.42 | 10.22 |
비교예4 | 110.3 | 1.87 | -53.37 |
비교예5 | 160.3 | 4.01 | - |
표 3에 나타난 바와 같이, 에폭시 수지를 사용하지 않은 비교예 5에 비하여 본 발명의 실시예 5~8은 높은 접착강도의 상승이 있었다. 또한 비교예 4의 방법으로 제작된 탄소섬유 복합재의 경우 본원 발명의 방법으로 제작된 실시예 5~8에 비하여 매우 낮은 접착강도를 가지고 있어, 본원 발명의 방법으로 제작되는 경우 탄소섬유 복합재의 내구성이 크게 개선되는 것으로 나타났다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (5)
- (a) 합성고무 100중량부에 대하여 에폭시 수지 1~20중량부, 충전제 1~20중량부, 가소제 1~20중량부, 내후성 향상제 0.5~10중량부, 첨가제 1~20중량부를 포함하는 고분자 화합물층; 및
(b) 상기 고분자 화합물의 상부 또는 상하부에 위치하는 탄소섬유층;
을 포함하는 탄소섬유 복합재. - 제1항에 있어서,
상기 합성고무는 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR)이며, 아크릴로니트릴의 함량이 30~60중량%인 탄소섬유 복합재. - 제1항에 있어서,
상기 에폭시 수지는 1액형 에폭시 수지이며, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무 변성 에폭시 수지인 탄소섬유 복합재. - 제1항에 있어서,
상기 충전제는 카본블랙, 탄산칼슘, 실리카 및 규조토로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 탄소섬유 복합재. - (i) 합성고무 100중량부에 대하여 에폭시 수지 1~20중량부, 충전제 1~20중량부, 가소제 1~20중량부, 내후성 향상제 0.5~10중량부, 첨가제 1~20중량부를 포함하는 고분자 화합물 프리프레그를 준비하는 단계;
(ii) 탄소섬유와 열경화성 고분자를 혼합하여 탄소섬유 프리프레그를 준비하는 단계; 및
(iii) 상기 (ii) 단계의 탄소섬유 프리프레그와 (i)단계의 고분자 화합물 프리프래그를 교대로 적층한 다음 가열 및 성형하여 탄소섬유 복합재를 제조하는 단계;
를 포함하는 탄소섬유 복합재의 제조방법.
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KR20200113040A (ko) * | 2019-03-19 | 2020-10-06 | (주)네프 | 수상 태양광 발전의 태양광 단위모듈을 연결하는 탄소섬유-고무복합 연결재의 제조방법 및 이를 이용한 탄소섬유-고무복합 연결재 |
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2017
- 2017-06-27 KR KR1020170081154A patent/KR101987827B1/ko active IP Right Grant
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