KR20190025461A - 탄소섬유 강화 고분자 복합재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄소섬유 강화 고분자 복합재료 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유로 강화된 고분자 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상세히는 양친매성 블록 공중합체(Amphiphilic block copolymer)로 탄소섬유의 표면을 개질한 뒤, 표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 복합화함으로써 계면 결합력을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

Description

탄소섬유 강화 고분자 복합재료 및 이의 제조방법{POLYMER COMPOSITE REINFORCED WITH CARBON FIBERS AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 탄소섬유로 강화된 고분자 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상세히는 양친매성 블록 공중합체(Amphiphilic block copolymer)로 탄소섬유의 표면을 개질한 뒤, 표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 복합화함으로써 계면 결합력을 향상시킨 것을 특징으로 한다.
자동차 산업 분야에서는 CO2발생 억제 및 연비향상을 위하여 꾸준히 연구 중이며, 이를 달성하기 위하여 자동차의 금속 부품을 고분자 복합재료로 대체하기 위한 노력이 지속되고 있다. 그 중 탄소섬유 복합재료는 전기적, 열적 그리고 기계적 특성이 우수하여 자동차 산업에서는 물론 우주, 항공분야에 이르기까지 다양한 응용을 위해 연구되고 있다.
탄소섬유는 제조공정에서 마찰에 의한 섬유의 손상 방지 및 열경화성 수지와의 젖음성 향상, 그리고 표면 공극 감소 등의 이유로 최종 공정에서 사이징(sizing)이라는 표면처리 과정을 거치게 된다. 이러한 사이징은 에폭시와 같은 열경화성 수지와는 계면 결합력이 우수할 수 있지만, 일반적인 열가소성 수지, 특히 소수성이 강한 고분자와는 상용성이 좋지 않아 기계적 특성 등이 발현되기 어렵다. 따라서 각종 산업에서 사용되고 있는 고분자 복합재료는 표면처리가 용이하고 대부분의 고분자와 상용성을 용이하게 부여할 수 있는 유리섬유로 보강한 것이 사용되고 있으며, 탄소섬유의 경우에는 나일론과 같이 친수성이 강한 고분자에 제한적으로 적용되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1627622호는 탄소섬유의 표면을 UV-오존 처리한 후, 상기 탄소섬유의 표면을 다시 계면 결합제로 관능화하여 수지 매트릭스와의 결합력을 향상시키고자 하였다.
또한 대한민국 등록특허 제10-1741052호는 탄소섬유를 질산으로 처리한 후, 실레인계 계면 결합제를 첨가하여 폴리프로필렌 등의 열가소성 고분자와 혼합함으로써 양 구성 간 결합력을 향상시키고자 하였다.
즉, 종래의 대부분의 기술은 탄소섬유의 표면에 부착된 사이징제를 산 또는 염기 처리, 오존 또는 플라즈마 처리하여 제거하는 전처리 과정을 수행한 뒤, 고분자와 혼합하여 탄소섬유와 고분자의 결합력을 높이고자 하였다.
그러나 위와 같은 전처리 과정은 공정이 매우 위험하고, 탄소섬유 자체의 특성을 파괴할 수도 있으며, 표면처리 후 배출되는 폐기물 등의 많은 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1627622호 대한민국 등록특허 제10-1741052호
본 발명의 목적은 탄소섬유에 대한 전처리 없이 탄소섬유와 고분자의 계면 접착력을 향상시킬 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 탄소섬유와 고분자의 계면 접착력을 향상시켜 인장강도 등의 기계적 특성을 대폭 향상시킨 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법은 탄소섬유의 표면을 화학식1 또는 화학식2로 표현되는 블록 공중합체로 개질하는 단계; 및 표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 혼합하는 단계;를 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 a는 10 내지 50 사이의 정수이고, 상기 b는 a≤b≤50 범위의 정수이며,
상기 R1은 메틸 또는 에틸이고, 상기 n은 1 내지 10 사이의 정수이다.
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 x는 50 내지 90 사이의 정수이고, 상기 y는 10≤y≤x≤90 범위의 정수이며,
상기 n은 1 내지 10 사이의 정수이다.
상기 탄소섬유는 그 표면에 에폭시기를 포함하거나 포함하지 않는 것일 수 있다.
상기 탄소섬유가 에폭시기(epoxy group)를 포함하는 것인 경우 상기 에폭시기 100중량부를 기준으로 100 내지 500중량부의 블록 공중합체로 상기 탄소섬유의 표면을 개질할 수 있다.
상기 탄소섬유가 에폭시기를 포함하지 않는 것인 경우 상기 탄소섬유 100중량부를 기준으로 0.5 내지 5.0중량부의 블록 공중합체로 상기 탄소섬유의 표면을 개질할 수 있다.
상기 블록 공중합체는 무게 평균 분자량이 10,000 내지 50,000g/mol인 것일 수 있다.
상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 단계는 상기 탄소섬유를 용매에 분산시키는 단계, 상기 블록 공중합체를 용매에 용해시키는 단계, 분산액과 용액을 혼합하는 단계 및 혼합액을 70℃ 내지 90℃로 2시간 내지 4시간 동안 교반하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 단계는 상기 블록 공중합체를 극성도 2.4 ~ 9.0인 용매에 용해시키는 단계, 상기 탄소섬유에 용액을 분사하는 단계 및 상기 탄소섬유와 용액을 70℃ 내지 90℃로 2시간 내지 4시간 동안 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고분자는 열가소성 고분자 또는 열경화성 고분자일 수 있다.
표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 혼합하는 단계는 표면 개질된 탄소섬유 5중량% 내지 55중량%와 고분자 45중량% 내지 95중량%;를 혼합하는 것일 수 있다.
표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 혼합하는 단계는 표면 개질된 탄소섬유와 고분자를 150℃ 내지 300℃로 30분 내지 2시간 동안 혼합하는 것일 수 있다.
표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 혼합하는 단계는 표면 개질된 탄소섬유 및 고분자에 말레산무수물 그래프트 폴리프로필렌, 유리섬유, 산화방지제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제을 더 혼합하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 고분자 복합재료는 고분자 및 상기 고분자 내부에 분산되어 있고, 화학식1 또는 화학식2로 표현되는 블록 공중합체로 표면이 개질된 탄소섬유를 포함한다.
본 발명의 일 실시예인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법에 따르면, 탄소섬유에 대한 전처리 과정을 수행하지 않고도 탄소섬유와 고분자의 계면 접착력을 향상시킬 수 있으므로 탄소섬유의 손상, 폐기물의 배출 등의 문제가 생기지 않는다.
또한 본 발명의 일 실시예인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법에 따르면, 탄소섬유를 적게 사용하더라도 복합재료의 기계적 특성을 대폭 향상시킬 수 있으므로 경량화에 유리하다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 탄소섬유의 표면을 습식 처리법으로 개질시키는 방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 탄소섬유의 표면을 건식 처리법으로 개질시키는 방법을 도시한 것이다.
도 4(a)는 본 발명의 실시예1에서 얻은 블록 공중합체로 표면 개질된 탄소섬유의 표면을 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)로 분석한 결과이다.
도 4(b)는 본 발명의 비교예1에서 얻은 블록 공중합체로 표면 개질된 탄소섬유의 표면을 XPS로 분석한 결과이다.
도 5(a)는 본 발명의 비교예1에서 얻은 시편의 파단면에 대한 SEM(Scanning electron microscopy) 분석 결과이다.
도 5(b)는 본 발명의 비교예1에서 얻은 시편의 파단면에 대한 SEM 분석 결과이다.
도 5(c)는 본 발명의 실시예1에서 얻은 시편의 파단면에 대한 SEM 분석 결과이다.
도 5(d)는 본 발명의 실시예1에서 얻은 시편의 파단면에 대한 SEM 분석 결과이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법을 도시한 것이다.
이를 참조하면, 상기 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법은 탄소섬유의 표면을 양친매성 블록 공중합체로 개질하는 단계 및 표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 탄소섬유는 고분자 내부에 분산되어 상기 고분자와 복합체를 형성함으로써 인장강도 등의 기계적 특성을 향상시키는 구성이다. 상기 탄소섬유는 이에 한정되지 않으나 길이가 약 4mm 내지 8mm인 장섬유일 수 있다.
상기 탄소섬유는 그 표면에 사이징에 의한 에폭시기가 부착된 것이거나, 부착되지 않은 것일 수 있다. 다만 본 발명에 따른 효과를 극대화하기 위해서는 사이징에 의한 에폭시기를 제거하지 않은 즉, 산 또는 염기 처리, 오존 또는 플라즈마 처리 등의 전처리 과정을 거치지 않은 탄소섬유를 사용하는 것이 좋을 수 있다. 참고로 본 명세서에서 '사이징에 의한 에폭시기가 부착되지 않은 탄소섬유' 또는 '에폭시기가 부착되지 않은 탄소섬유' 등의 취지로 기재된 탄소섬유는 전처리를 거쳐 사이징에 의한 에폭시기가 제거된 탄소섬유뿐만 아니라 처음부터 사이징을 하지 않은 탄소섬유도 포함하여 해석되어야 한다.
이하 본 명세서에서 '탄소섬유'라 함은 블록 공중합체로 표면이 개질되기 전의 탄소섬유를 의미하고, 블록 공중합체로 표면이 개질된 탄소섬유는 '표면 개질된 탄소섬유'라 지칭하여 양자를 명확히 구분하여 사용하기로 한다.
상기 탄소섬유는 이하 화학식1 또는 화학식2로 표현되는 양친매성 블록 공중합체로 표면이 개질된다.
[화학식 1]
Figure pat00003
상기 a는 10 내지 50 사이의 정수이고, 상기 b는 a≤b≤50 범위의 정수이며,
상기 R1은 메틸 또는 에틸이고, 상기 n은 1 내지 10 사이의 정수이다.
[화학식 2]
Figure pat00004
상기 x는 50 내지 90 사이의 정수이고, 상기 y는 10≤y≤x≤90 범위의 정수이며,
상기 n은 1 내지 10 사이의 정수이다.
상기 화학식1로 표현되는 블록 공중합체는 3차 아민기가 있는 단위 구조를 포함한다. 따라서 상기 블록 공중합체로 탄소섬유의 표면을 개질하면, 상기 3차 아민기가 상기 탄소섬유의 표면에 부착된 사이징에 의한 에폭시기와 반응한다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 에폭시기에 의한 소수성 고분자와의 상용성 저하 문제가 발생하지 않는다.
상기 화학식1의 a는 3차 아민기를 포함하는 단위 구조의 중합도로서, 10 내지 50 사이의 정수인 것이 바람직하다. a가 10 미만이면 표면 개질된 탄소섬유와 고분자의 계면 결합력의 향상 정도가 미미할 수 있고, 50을 초과하면 오히려 표면 개질된 탄소섬유와 고분자의 상용성이 저하될 수 있다.
상기 화학식2로 표현되는 블록 공중합체는 에폭시기가 있는 단위 구조를 포함한다. 따라서 상기 블록 공중합체로 탄소섬유의 표면을 개질하면, 상기 에폭시기가 상기 탄소섬유의 표면에 부착된 사이징에 의한 에폭시기와 반응한다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 탄소섬유에 부착되어 있던 에폭시기에 의한 소수성 고분자와의 상용성 저하 문제가 발생하지 않는다.
상기 화학식2의 y는 에폭시기를 포함하는 단위 구조의 중합도로서, 10≤y≤x≤90 범위의 정수인 것이 바람직하다. 상기 화학식2의 x는 폴리스티렌의 중합도로서, 50 내지 90 사이의 정수인 것이 바람직하다. x 및 y가 위의 조건을 만족할 때, 표면 개질된 탄소섬유와 고분자의 계면 결합력이 충분히 향상되고 상용성 저하의 문제가 생기지 않는다.
상기 화학식1로 표현되는 블록 공중합체는 친수성 이온 그룹(3차 아민기를 포함하는 단위 구조)과 소수성 이온 그룹(R1을 포함하는 단위 구조)을 모두 구비하고, 상기 화학식2로 표현되는 블록 공중합체 역시 친수성 이온 그룹(에폭시기를 포함하는 단위 구조)과 소수성 이온 그룹(폴리스티렌)을 모두 포함한다. 즉, 상기 블록 공중합체는 양친매성 블록 공중합체이다. 따라서 이를 이용하여 표면을 개질한 탄소섬유는 친수성 고분자뿐만 아니라 폴리올레핀과 같은 열가소성의 소수성 고분자 내에서도 고르게 분산될 수 있으므로 복합재료의 계면 결합력 및 기계적 특성이 크게 향상된다.
상기 화학식1 또는 화학식2로 표현되는 블록 공중합체는 무게 평균 분자량이 10,000g/mol 내지 100,000g/mol, 자세히는 10,000g/mol 내지 50,000g/mol, 더욱 자세히는 10,000g/mol 내지 30,000g/mol인 것일 수 있다. 무게 평균 분자량이 10,000g/mol 미만이면 분자량이 너무 낮아 고분자와의 상용성이 저하될 수 있고, 100,000g/mol을 초과하면 표면 개질이 용이하지 않을 뿐만 아니라 블록 공중합체가 결합으로 작용할 수 있다.
상기 화학식1 또는 화학식2로 표현되는 블록 공중합체는 단위 구조에 해당하는 단량체와 이하 화학식3으로 표현되는 사슬 전이제를 반응시켜 얻을 수 있다.
[화학식 3]
Figure pat00005
상기 n은 1 내지 10 사이의 정수이다.
구체적으로 톨루엔 등의 용매 내에 상기 화학식3으로 표현되는 사슬 전이제 및 반응 개시제를 용해시킨 뒤, 그 용액에 각 단량체를 순차적으로 또는 동시에 투입 및 반응시켜 얻을 수 있다. 다만 상기 블록 공중합체의 합성 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탄소섬유의 표면 개질은 습식 처리법 또는 건식 처리법으로 수행할 수 있다.
도 2는 상기 탄소섬유의 표면을 습식 처리법으로 개질시키는 방법을 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 단계는 탄소섬유를 용매에 분산시키는 단계, 블록 공중합체를 용매에 용해시키는 단계, 상기 탄소섬유가 분산된 분산액과 상기 블록 공중합체가 용해된 용액을 혼합하는 단계 및 상기 혼합액을 특정 조건으로 교반하는 단계를 포함한다.
상기 탄소섬유를 용매에 분산시키는 단계의 용매는 상기 탄소섬유의 종류에 맞게 변경하여 사용할 수 있다. 상기 탄소섬유의 표면에 사이징에 의한 에폭시기 등이 부착되어 있는 경우에는 상기 에폭시기가 용해되지 않도록 비극성 용매를 사용할 수 있고, 그렇지 않은 경우에는 극성도가 2.4 내지 9.0인 용매를 사용할 수 있다.
또한 상기 블록 공중합체를 용매에 용해시키는 단계의 용매는 상기 탄소섬유를 분산시키는 단계에서 사용한 용매와 동일한 것을 사용하는 것이 좋을 수 있다. 분산액과 용액의 균일한 혼합을 위함이다. 상기 블록 공중합체는 양친매성 블록 공중합체이므로 어떠한 용매를 사용하더라도 쉽게 용해될 수 있다.
그 후 상기 탄소섬유의 분산액과 블록 공중합체의 용액을 혼합한 혼합액을 70℃ 내지 90℃로 2시간 내지 4시간 동안 교반하여 상기 탄소섬유의 표면을 개질한다. 상기 교반 조건이 70℃ 미만이거나 2시간 미만이면 탄소섬유 표면의 개질이 이루어지지 않을 수 있고, 90℃를 초과하거나 4시간을 초과하면 표면의 개질 정도가 과도할 수 있다.
도 3은 상기 탄소섬유의 표면을 건식 처리법으로 개질시키는 방법을 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 단계는 블록 공중합체를 용매에 용해시키는 단계, 탄소섬유에 상기 블록 공중합체가 용해된 용액을 분사하는 단계 및 상기 탄소섬유와 용액을 특정 조건으로 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 블록 공중합체를 용매에 용해시키는 단계의 용매는 양친매성 블록 공중합체라는 특성상 특별히 한정되지 않으나, 극성도가 2.4 내지 9.0인 용매를 사용할 수 있다.
상기 블록 공중합체가 용해된 용액을 탄소섬유에 분사하기 전, 상기 탄소섬유를 믹서 등을 이용하여 분리 또는 분쇄시키는 단계를 더 수행할 수 있다. 탄소섬유와 용액의 접촉 면적을 늘리기 위함이다.
상기 용액의 분사 방법은 특별히 한정되지 않고, 용매의 종류, 양, 탄소섬유의 양 등에 따라 적절히 변경하여 수행할 수 있다.
상기 탄소섬유에 용액을 분사한 뒤, 상기 탄소섬유와 용액을 70℃ 내지 90℃로 2시간 내지 4시간 동안 혼합하여 상기 탄소섬유의 표면을 개질한다. 상기 교반 조건이 70℃ 미만이거나 2시간 미만이면 탄소섬유 표면의 개질이 이루어지지 않을 수 있고, 90℃를 초과하거나 4시간을 초과하면 표면의 개질 정도가 과도할 수 있다. 혼합의 방법은 특별히 한정되지 않고, 상기 탄소섬유 및 그에 분사된 용액이 서로 적절히 접촉하여 반응할 수 있다면 어떠한 방법으로도 혼합할 수 있다.
상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 단계에서 사용되는 용매의 양은 특별히 한정되지 않고, 습식 처리법이라면 상기 탄소섬유가 충분히 함침되어 분산될 수 있을 정도의 양, 건식 처리범이라면 스프레이 분사 등이 가능할 정도의 양이면 된다. 다만 건식 처리법이라면 종료 후 용매의 용이한 제거를 위해 용매의 양을 최소한으로 제한하는 것이 좋을 수 있다.
상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 단계에서 사용되는 블록 공중합체의 양은 상기 탄소섬유의 종류에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로 상기 탄소섬유가 사이징에 의한 에폭시기를 포함하는 것인 경우와 포함하지 않는 것인 경우에 따라 달라질 수 있다.
상기 탄소섬유가 그 표면에 사이징에 의한 에폭시기를 포함하는 경우 즉, 전처리를 하지 않은 탄소섬유인 경우에는 상기 에폭시기 100중량부를 기준으로 100중량부 내지 500중량부의 블록 공중합체로 상기 탄소섬유의 표면을 개질할 수 있다. 상기 에폭시기의 중량은 상기 탄소섬유의 전체 무게의 약 1.4중량%이다.
상기 탄소섬유가 그 표면에 사이징에 의한 에폭시기를 포함하지 않는 경우 즉, 전처리를 하여 상기 에폭시기를 제거하거나, 아예 사이징 처리를 하지 않은 탄소섬유인 경우에는 상기 탄소섬유 100중량부를 기준으로 0.5중량부 내지 5.0중량부의 블록 공중합체로 상기 탄소섬유의 표면을 개질할 수 있다.
본 발명은 위와 같이 상기 화학식1 또는 화학식2로 표현되는 블록 공중합체로 표면이 개질된 탄소섬유를 고분자와 혼합하여 계면 결합력을 향상시킴으로써 인장강도 등의 기계적 특성이 우수한 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 제공한다.
상기 고분자는 열가소성 고분자 또는 열경화성 고분자일 수 있다. 구체적으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 열가소성 고분자일 수 있고, 페놀계 수지, 폴리에스테르, 폴리우레탄 등의 열경화성 고분자일 수 있다.
표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 혼합하는 단계는 표면 개질된 탄소섬유 5중량% 내지 55중량%와 고분자 45중량% 내지 95중량%를 혼합하는 것일 수 있다. 상기 표면 개질된 탄소섬유의 함량이 5중량% 미만이면 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 기계적 특성의 향상 정도가 미미할 수 있고, 55중량%를 초과하면 사출성형, 몰딩 등에 의한 부품의 형상 제작이 어려울 수 있다.
표면 개질된 탄소섬유와 고분자의 혼합은 150℃ 내지 300℃로 30분 내지 2시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 또한 혼합 방식은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 니더(kneader) 등을 이용하여 혼합할 수 있다.
표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 혼합할 때, 말레산무수물 그래프트 폴리프로필렌, 유리섬유, 산화방지제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 더 혼합할 수 있다.
말레산무수물 그래프트 폴리프로필렌은 탄소섬유와 고분자의 계면 결합력을 더욱 향상시키기 위한 구성으로서, 12중량% 이하로 첨가할 수 있다. 12중량%를 초과하면 말레산무수물 그래프트 폴리프로필렌의 낮은 기계적 특성으로 인해 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 인장강도 등이 저하될 수 있다.
유리섬유는 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 기계적 특성을 더욱 향상시키기 위한 구성으로서, 표면 개질된 탄소섬유와 유리섬유를 합하여 70중량% 이하가 되도록 첨가할 수 있다.
위와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 고분자 복합재료는 고분자 및 상기 고분자 내부에 분산되어 있고 화학식1 또는 화학식2로 표현되는 블록 공중합체로 표면이 개질된 탄소섬유를 포함한다. 고분자 및 블록 공중합체에 대해서는 전술하였는바, 이하 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명은 에폭시 수지 등으로 사이징(표면 처리)되어 있는 탄소섬유를 3차 아민기 또는 에폭시기를 포함하는 블록 공중합체로 표면 처리한 뒤, 그 표면 개질된 탄소섬유를 열가소성 고분자 또는 열경화성 고분자와 혼합하여 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 제조하는 것이다. 그에 따라 표면 개질된 탄소섬유와 고분자의 계면 결합력이 크게 향상되므로 인장강도 등의 기계적 특성이 매우 우수한 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 제공할 수 있다.
구체적으로 종래에는 에폭시 수지 등으로 사이징된 탄소섬유에 산 또는 염기 처리, 오존 또는 플라즈마 처리를 하여 상기 탄소섬유의 표면에 부착된 에폭시기를 제거한 뒤, 탄소섬유에 고분자와 상용성을 높일 수 있는 상용화제를 처리하였다. 그에 따라 탄소섬유 자체의 특성이 파괴될 수 밖에 없었고, 대량생산 측면에서도 매우 불리하였다. 그러나 본 발명은 위와 같은 전처리 과정을 거치지 않고서도 계면 결합력을 향상시킬 수 있으므로 탄소섬유의 본래 특성을 유지할 수 있고, 대량생산에도 유리하다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예1
1. 화학식1로 표현되는 블록 공중합체의 준비
500ml의 플라스크에 화학식3으로 표현되는 사슬 전이제(n=10) 4g과 반응 개시제인 아조비스이소부티로니트릴(Azobisisobutyronitrile, AIBN) 0.2g을 넣고, 진공상태에서 약 30분간 교반하였다. 그 후 수분을 충분히 제거한 뒤, 톨루엔을 넣고 사슬 전이제와 반응 개시제가 충분히 용해될 때까지 상온(25℃)에서 약 300RPM으로 교반하였다.
디메틸아미노에틸 메타아크릴레이트(Dimethyl aminoethyl methacrylate, DMAEMA, sigma-aldrich) 단량체 0.2mol(환산하면 화학식1의 중합도 a=38이다)을 아르곤 가스로 퍼징(purging)시킨 후, 사슬 전이제 및 반응 개시제가 용해된 용액에 넣고 약 80℃로 유지되는 오일 배스(Oil bath)에서 약 16시간 동안 반응시켰다.
다음으로 메틸 메타아크릴레이트(Methyl methacrylate, MMA, sigma-aldrich) 단량체 1mol(환산하면 화학식1의 중합도 b=50이다)을 역시 아르곤 가스로 퍼징시킨 후, 상기 용액에 넣고 위와 동일한 조건으로 약 24시간 동안 반응시켜 블록 공중합체를 합성하였다.
최종적으로 합성된 블록 공중합체를 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran) 용매로 희석시킨 후 헥산(Hexane) 용매에 소량씩 침전시켰다.
0.2μm 크기의 테프론 필터를 사용하여 침전물을 여과시킨 후, 미반응한 단량체를 제거하기 위하여 다시 테트라하이드로퓨란 용매에 용해시키고 상기 여과 과정을 총 3회 반복하였다. 최종 여과 과정을 거친 블록 공중합체를 약 50℃의 진공 오븐에서 약 하루 정도 건조시켰다.
2. 탄소섬유의 표면을 블록 공중합체로 개질 / 습식 처리법
사이징 과정을 거친 탄소섬유(Toray Carbon Fiber America Co., T-700S)를 자일렌(Xylene) 용매에 기계적 믹싱을 이용하여 분산시켜 분산액을 얻었다.
또한 위와 같은 방법으로 얻은 블록 공중합체를 자일렌에 용해시켜 용액을 준비하였다.
이 때, 상기 블록 공중합체는 사이징 과정을 거친 탄소섬유에 포함된 에폭시기 100중량부를 기준으로 300중량부의 함량을 용해시켰다.
상기 분산액과 용액을 혼합하고, 약 80℃의 온도에서 약 3시간 동안 기계적 방법으로 교반하였다. 교반을 종료한 뒤, 결과물을 자일렌 용매로 3회 세척하고, 약 24시간 동안 상온(25℃)에서 건조하여 블록 공중합체로 표면 개질된 탄소섬유를 얻었다.
3. 표면 개질된 탄소섬유와 고분자를 혼합
위와 같은 방법으로 얻은 표면 개질된 탄소섬유 20중량%와 폴리프로필렌(GS칼텍스, H550) 80중량%를 혼합하였다. 구체적으로 니더(Kneader)를 사용하여 약 200℃로 약 40분간 혼합하여 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 얻었다.
상기 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 다시 통상의 압출기로 약 200℃에서 용융 혼합한 뒤, 펠렛타이징(Pelletizing)하였다. 이를 통해 얻은 펠릿(pellet) 형상의 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 사출성형하여 시편을 제작하였다.
비교예1
사이징 과정을 거친 탄소섬유를 표면 개질하지 않고 곧바로 폴리프로필렌과 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 시편을 제작하였다.
실험예1
1. XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 분석
상기 실시예1에서 얻은 블록 공중합체로 표면 개질된 탄소섬유의 표면을 XPS로 분석하였다. 그 결과는 도 4(a)와 같다. 또한 상기 비교예1의 사이징 과정을 거친 탄소섬유의 표면을 XPS로 분석하였다. 그 결과는 도 4(b)와 같다.
도 4(b)의 사이징 과정을 거친 탄소섬유의 표면에 존재하는 에폭시기의 286.6eV에서의 피크(Peak)가 도 4(a)의 블록 공중합체로 표면 개질된 탄소섬유의 표면의 XPS 분석 결과에서 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있다. 또한 도 4(a)에서 상기 블록 공중합체의 구조에 해당하는 286.1eV(C-O-C)와 287.7eV(C=O)의 피크는 상당히 증가한 것을 알 수 있다.
이를 통해 실시예1의 경우 사이징 과정을 거친 탄소섬유의 표면에 부착되어 있던 에폭시기가 블록 공중합체의 3차 아민기와 반응하여 상기 블록 공중합체가 탄소섬유의 표면에 제대로 관능화되었음을 알 수 있다.
2. 기계적 특성의 측정
상기 실시예1 및 비교예1에 따른 시편의 인장 강도, 인장 탄성율 및 연신율을 측정하였다. 구체적으로 ASTM D 638에 의거하여 시험하였고, 상온(25℃)에서 50mm/min의 인장 속도로 측정하였다. 그 결과는 이하의 표 1과 같다.
구분 인장 강도[MPa] 인장 탄성율[GPa] 연신율[%]
폴리프로필렌 41.3±3.4 1.4±0.2 12.0±1.1
비교예1 77.0±2.2 7.5±0.9 1.7±0.1
실시예1 106.1±7.1 8.9±0.2 1.5±0.2
이를 참조하면, 실시예1에 따른 시편의 인장 강도는 평균 106.1Mpa로 비교예1에 따른 시편에 비해 약 37.8% 증가하였음을 알 수 있다. 이는 블록 공중합체로 표면 개질된 탄소섬유와 고분자(폴리프로필렌) 간의 계면 결합력이 향상된 것으로부터 기인한 결과이다.
3. SEM (Scanning electron microscopy) 분석
상기 실시예1 및 비교예1에 따른 시편의 파단면을 SEM 사진으로 측정하였다. 그 결과는 도 5(a) 내지 도 5(b)와 같다. 구체적으로 도 5(a) 및 (b)는 비교예1의 결과이고, 도 5(c) 및 (d)는 실시예1의 결과이다.
이를 참조하면, 비교예1에 따른 시편은 탄소섬유와 고분자의 계면 상태가 매우 좋지 않고 분리되어 있는 반면에, 실시예1에 따른 시편은 표면 개질된 탄소섬유와 고분자 사이가 빈 공간 없이 매우 잘 결합되어 있음을 알 수 있다.
본 실험예1을 통해 본 발명의 일 실시예에 따르면 각 구성 간의 계면 결합력이 매우 우수하여 인장 강도 등의 기계적 물성이 뛰어난 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 얻을 수 있음을 확인하였다.
실시예2 내지 실시예7
블록 공중합체의 분자량, 중합도, 처리 함량 등의 조건을 변경하고, 실시예1과 동일한 방법으로 시편을 제작하였다.
먼저 이하 표 2와 같은 블록 공중합체를 준비하고, 이를 이용하여 사이징 과정을 거친 탄소섬유의 표면을 개질하였다.
구분 탄소섬유 블록 공중합체
종류 중합도 분자량[g/mol] 함량1 ) 개질 방식
실시예2 sp-CF2 ) 화학식1 a=20, b=70 11,500 100중량부 습식
실시예3 sp-CF 화학식1 a=40, b=50 11,500 100중량부 습식
실시예4 sp-CF 화학식1 a=20, b=70 11,500 300중량부 습식
실시예5 sp-CF 화학식1 a=40, b=50 11,500 300중량부 습식
실시예6 sp-CF 화학식1 a=20, b=70 19,800 300중량부 습식
실시예7 sp-CF 화학식1 a=20, b=70 28,400 300중량부 습식
상기 표 2의 1) 사이징 과정을 거친 탄소섬유에 포함된 에폭시기 100중량부를 기준으로 함
2) 사이징 과정을 거친 탄소섬유를 의미함(sizing pristine carbon fiber)
이후 상기 실시예1과 동일한 방법으로 고분자(폴리프로필렌)와 혼합하여 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 시편을 제작하였다.
실험예2
상기 실시예2 내지 실시예7에 따른 시편의 인장 강도, 인장 탄성율 및 연신율을 측정하였다. 측정 방법은 상기 실험예1과 동일하다. 그 결과는 이하의 표 3과 같다.
구분 인장 강도[MPa] 인장 탄성율[GPa] 연신율[%]
실시예2 98.6±4.1 8.3±0.2 1.7±0.2
실시예3 101.1±1.4 8.4±0.4 1.7±0.1
실시예4 102.7±2.7 8.1±0.1 1.6±0.1
실시예5 108.0±1.1 9.1±0.2 1.6±0.1
실시예6 118.0±1.6 9.3±0.1 1.6±0.1
실시예7 120.2±4.2 9.4±0.6 1.7±0.2
실시예2, 실시예6 및 실시예7의 결과를 통해 블록 공중합체의 분자량이 높을수록 인장 강도 등의 기계적 특성이 향상됨을 알 수 있다.
또한 실시예2와 실시예3의 결과를 비교하거나, 실시예4와 실시예5의 결과를 비교하면 3차 아민기를 포함하는 단위구조의 중합도(a)가 높을수록 기계적 특성이 향상됨을 알 수 있다. 이와 함께 실시예2와 실시예4의 결과를 비교하거나, 실시예3과 실시예5의 결과를 비교하면 블록 공중합체의 처리 함량이 많을수록 기계적 물성이 높아짐을 알 수 있다.
실시예8 및 실시예9
실시예4와 동일한 방법으로 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 시편을 제조하되, 표면 개질된 탄소섬유와 고분자(폴리프로필렌)를 혼합할 때, 말레산무수물 그래프트 폴리프로필렌(Sigma-aldrich, MAH graft ratio; 0.6중량%)을 첨가하였다. 각 구성의 조성은 이하 표 4와 같다.
구분 고분자 표면 개질된 탄소섬유 말레산무수물 그래프트 폴리프로필렌
실시예8 76.3중량% 19.1중량% 4.6중량%
실시예9 75.2중량% 18.8중량% 6.0중량%
실험예3
상기 실시예8 및 실시예9에 따른 시편의 인장 강도, 인장 탄성율 및 연신율을 측정하였다. 측정 방법은 상기 실험예1과 동일하다. 그 결과는 이하의 표 5과 같다.
구분 인장 강도[MPa] 인장 탄성율[GPa] 연신율[%]
실시예4 102.7±2.7 8.1±0.1 1.6±0.1
실시예8 123.5±3.2 9.1±0.2 1.7±0.1
실시예9 128.4±2.7 9.4±0.3 1.6±0.1
이를 참조하면, 말레산무수물 그래프트 폴리프로필렌을 더 첨가하면 표면 개질된 탄소섬유의 함량이 적어도 인장 강도가 크게 향상됨을 알 수 있다.
실시예10 및 실시예11
탄소섬유의 표면을 습식 처리법이 아닌 건식 처리법으로 개질하였고, 개질 전 상기 탄소섬유에 산 처리를 하여 그 표면에 부착된 사이징에 의한 에폭시기를 제거하였다. 구체적인 제조방법은 다음과 같다.
1. 탄소섬유의 처리
실시예1 내지 실시예9와 달리 사이징 과정을 거친 탄소섬유를 그대로 사용하지 않고, 질산:황산:탈이온수가 1:3:3의 부피비로 혼합된 용액에 넣고 80℃에서 약 2시간 동안 교반한 뒤 탈이온수로 3회 세척하고 80℃에서 약 12시간 건조하여 그 표면에 부착되어 있던 에폭시기를 제거한 것을 사용하였다.
2. 탄소섬유의 표면을 블록 공중합체로 개질 / 건식 처리법
블록 공중합체를 자일렌(Xylene)에 용해시킨 용액을 얻었다. 이 때, 상기 블록 공중합체는 탄소섬유 100중량부를 기준으로 2중량부를 용해시켰다.
상기 용액을 위와 같은 방법으로 얻은 탄소섬유에 골고루 분사한 뒤, 약 80℃에서 약 3시간 동안 기계적으로 혼합하면서 상기 탄소섬유를 개질하였다. 이 과정에서 사용한 탄소섬유와 블록 공중합체는 이하의 표 6과 같다.
구분 탄소섬유 블록 공중합체
종류 중합도 분자량[g/mol] 함량1 ) 개질 방식
실시예10 a-CF2 ) 화학식1 a=20, b=70 11,500 2중량부 건식
실시예11 a-CF 화학식1 a=20, b=70 19,800 2중량부 건식
상기 표 6의 1) 탄소섬유 100중량부를 기준으로 함
2) 산 처리 과정을 거친 탄소섬유를 의미함(acid-treated desizing carbon fiber)
이후 실시예1과 동일한 방법으로 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 제작하였다.
실험예4
상기 실시예10 및 실시예11에 따른 시편의 인장 강도, 인장 탄성율 및 연신율을 측정하였다. 측정 방법은 상기 실험예1과 동일하다. 그 결과는 이하의 표 7과 같다.
구분 인장 강도[MPa] 인장 탄성율[GPa] 연신율[%]
실시예10 111.1±2.2 9.0±0.2 1.7±0.2
실시예11 119.9±2.5 9.3±0.2 1.6±0.2
이를 참조하면, 산 처리 등을 통해 표면의 에폭시기를 제거한 탄소섬유를 사용하고, 상기 탄소섬유의 표면을 건식 처리법으로 개질하여도 실시예1 내지 실시예7과 실질적으로 동일 또는 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
실시예12 및 실시예13
블록 공중합체를 화학식2로 표현되는 것으로 교체하여 탄소섬유의 표면을 개질한 뒤, 고분자와 혼합함으로써 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 제작하였다.
본 실시예12 및 실시예13에서 준비한 블록 공중합체는 이하의 표 8과 같다.
구분 탄소섬유 블록 공중합체
종류 중합도 분자량[g/mol] 함량1 ) 개질 방식
실시예12 sp-CF2 ) 화학식2 x=70, y=30 19,800 100중량부 습식
실시예13 sp-CF 화학식2 x=70, y=30 19,800 300중량부 습식
상기 표 8의 1) 사이징 과정을 거친 탄소섬유에 포함된 에폭시기 100중량부를 기준으로 함
2) 사이징 과정을 거친 탄소섬유를 의미함(sizing pristine carbon fiber)
실험예5
상기 실시예12 및 실시예13에 따른 시편의 인장 강도, 인장 탄성율 및 연신율을 측정하였다. 측정 방법은 상기 실험예1과 동일하다. 그 결과는 이하의 표 9와 같다.
구분 인장 강도[MPa] 인장 탄성율[GPa] 연신율[%]
실시예12 108.0±1.7 8.7±0.2 1.7±0.1
실시예13 118.0±1.6 9.3±0.1 1.6±0.1
이를 참조하면, 화학식2로 표현되는 블록 공중합체를 사용할 때에도 실시예1 내지 실시예7과 실질적으로 동일 또는 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 강화 고분자 복합재료는 유리섬유 등의 추가적인 보강재가 없어도 그와 동등 또는 그 이상의 뛰어난 기계적 물성을 보이는바, 경량화가 필요한 대부분의 장치에 유용하게 사용될 수 있다.
특히 기계적 물성과 경량화가 모두 중요한 자동차 등의 운송수단의 부품에 사용하기 적합하고, 그 중에서 시트 프레임, 루프 프레임, 크로스 빔 등의 차체를 형성하는 부품에 유용하게 적용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 탄소섬유의 표면을 화학식1 또는 화학식2로 표현되는 블록 공중합체로 개질하는 단계; 및
    표면 개질된 탄소섬유를 고분자와 혼합하는 단계;를 포함하는
    탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
    [화학식 1]
    Figure pat00006

    상기 a는 10 내지 50 사이의 정수이고, 상기 b는 a≤b≤50 범위의 정수이며,
    상기 R1은 메틸 또는 에틸이고, 상기 n은 1 내지 10 사이의 정수이다.
    [화학식 2]
    Figure pat00007

    상기 x는 50 내지 90 사이의 정수이고, 상기 y는 10≤y≤x≤90 범위의 정수이며,
    상기 n은 1 내지 10 사이의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 그 표면에 에폭시기를 포함하거나 포함하지 않는 것인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄소섬유가 에폭시기(epoxy group)를 포함하는 것인 경우
    상기 에폭시기 100중량부를 기준으로 100 내지 500중량부의 블록 공중합체로 상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 것인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 탄소섬유가 에폭시기를 포함하지 않는 것인 경우
    상기 탄소섬유 100중량부를 기준으로 0.5 내지 5.0중량부의 블록 공중합체로 상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 것인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 블록 공중합체는 무게 평균 분자량이 10,000 내지 50,000g/mol인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 단계는;
    상기 탄소섬유를 용매에 분산시키는 단계;
    상기 블록 공중합체를 용매에 용해시키는 단계;
    분산액과 용액을 혼합하는 단계; 및
    혼합액을 70℃ 내지 90℃로 2시간 내지 4시간 동안 교반하는 단계;
    를 포함하는 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 표면을 개질하는 단계는;
    상기 블록 공중합체를 극성도 2.4 ~ 9.0인 용매에 용해시키는 단계;
    상기 탄소섬유에 용액을 분사하는 단계; 및
    상기 탄소섬유와 용액을 70℃ 내지 90℃로 2시간 내지 4시간 동안 혼합하는 단계;
    를 포함하는 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는 열가소성 고분자 또는 열경화성 고분자인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    표면 개질된 탄소섬유 5중량% 내지 55중량%;와 고분자 45중량% 내지 95중량%;를 혼합하는 것인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    표면 개질된 탄소섬유와 고분자를 150℃ 내지 300℃로 30분 내지 2시간 동안 혼합하는 것인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    표면 개질된 탄소섬유 및 고분자에 말레산무수물 그래프트 폴리프로필렌, 유리섬유, 산화방지제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제을 더 혼합하는 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 제조방법.
  12. 고분자; 및
    상기 고분자 내부에 분산되어 있고, 화학식1 또는 화학식2로 표현되는 블록 공중합체로 표면이 개질된 탄소섬유;를 포함하는 탄소섬유 강화 고분자 복합재료.
    [화학식 1]
    Figure pat00008

    상기 a는 10 내지 50 사이의 정수이고, 상기 b는 a≤b≤50 범위의 정수이며,
    상기 R1은 메틸 또는 에틸이고, 상기 n은 1 내지 10 사이의 정수이다.
    [화학식 2]
    Figure pat00009

    상기 x는 50 내지 90 사이의 정수이고, 상기 y는 10≤y≤x≤90 범위의 정수이며,
    상기 n은 1 내지 10 사이의 정수이다.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고분자는 열가소성 고분자 또는 열경화성 고분자인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 블록 공중합체는 무게 평균 분자량이 10,000 내지 50,000g/mol인 탄소섬유 강화 고분자 복합재료.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 고분자 45중량% 내지 95중량%; 및
    표면 개질된 탄소섬유 5중량% 내지 55중량%를 포함하는 탄소섬유 강화 고분자 복합재료.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 고분자 내부에 분산되어 있고, 말레산무수물 그래프트 폴리프로필렌, 유리섬유, 산화방지제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제를 더 포함하는 탄소섬유 강화 고분자 복합재료.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항의 탄소섬유 강화 고분자 복합재료를 포함하는 운송수단용 부품.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 부품은 시트 프레임(seat frame), 루프 프레임(roof frame), 크로스 빔(cross beam) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 운송수단용 부품.
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