KR20190112279A - 복합 소재, 및 이것을 사용한 프리프레그 - Google Patents

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Abstract

탄소 섬유속의 특성 및 카본 나노 튜브 유래의 특성에 기초한, 보다 높은 강도를 발휘할 수 있는 복합 소재, 및 이것을 사용한 프리프레그를 제공한다. 복수의 연속된 탄소 섬유가 배열된 탄소 섬유속과, 상기 탄소 섬유의 각각의 표면에 부착된 카본 나노 튜브와, 상기 카본 나노 튜브가 부착된 상기 표면의 적어도 일부를 덮는 사이징제를 구비하는 복합 소재로서, 길이 방향을 상하로 하여 배치된 상기 복합 소재에, 상기 길이 방향을 횡단하여 직경 0.55 ㎜ 의 검사 바늘 (20) 을 찌르고, 상기 복합 소재와 상기 검사 바늘 (20) 을, 300 ㎜/min 의 속도로 상기 길이 방향으로 40 ㎜ 상대적으로 이동시켰을 때, 상기 복합 소재와 상기 검사 바늘 (20) 사이에 작용하는 하중의 최대값이 0.5 N 미만인 것을 특징으로 한다.

Description

복합 소재, 및 이것을 사용한 프리프레그
본 발명은, 탄소 섬유속을 구성하고 있는 복수의 연속된 탄소 섬유의 표면에 카본 나노 튜브 (이하, CNT 라고 칭한다) 를 부착시킨 복합 소재, 및 이것을 사용한 프리프레그에 관한 것이다.
강화 섬유를 모재인 수지 중에 분산시킨 섬유 강화 성형품은, 역학 특성이나 치수 안정성이 우수한 점에서, 폭넓은 분야에서 사용되고 있다. 탄소 섬유의 표면에, 복수의 CNT 가 휘감겨 CNT 네트워크 박막이 형성된 구조를 갖는 CNT/탄소 섬유 복합 소재가, 강화 섬유로서 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1).
연속된 탄소 섬유를 수천 ∼ 수만의 단위로 묶은 탄소 섬유속은, 저밀도, 고비강도, 고비탄성률 등의 우수한 특성을 갖고 있다. 이러한 탄소 섬유속에 수지를 함침시켜 얻어지는 프리프레그는, 성능에 대한 요구가 보다 엄격한 용도 (항공·우주 관련 용도 등) 에 대한 적용이 기대되고 있다.
일본 공개특허공보 2013-76198호
특허문헌 1 에 있어서는, CNT 를 포함하는 분산액 중에 탄소 섬유를 침지하여, 진동, 광 조사, 열 등의 에너지를 부여함으로써, 탄소 섬유 표면에 CNT 네트워크를 형성하고 있다. 특허문헌 1 의 복합 소재 중에 모재를 함침하면, 모재의 특징을 살리면서, 모재와 탄소 섬유가 강고하게 접착한 섬유 강화 성형품이 얻어지는 것이 기재되어 있다.
복수의 연속된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유속에 있어서, 각 탄소 섬유의 표면에 CNT 를 부착시킨 경우에는, CNT 유래의 특성도 겸비한 보다 우수한 강화 섬유 (복합 소재) 를 얻을 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유의 길이 방향의 강도가 보다 높아진 프리프레그를 제조하기 위해서는, 길이 방향의 강도가 보다 높은 복합 소재가 요구된다.
그래서 본 발명은, 탄소 섬유속의 특성 및 CNT 유래의 특성에 기초한, 보다 높은 강도를 발휘할 수 있는 복합 소재, 및 이것을 사용한 프리프레그를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관련된 복합 소재는, 복수의 연속된 탄소 섬유가 배열된 탄소 섬유속과, 상기 탄소 섬유의 각각의 표면에 부착된 카본 나노 튜브와, 상기 카본 나노 튜브가 부착된 상기 표면의 적어도 일부를 덮는 사이징제를 구비하는 복합 소재로서, 길이 방향을 상하로 하여 배치된 상기 복합 소재에, 상기 길이 방향을 횡단하여 직경 0.55 ㎜ 의 검사 바늘을 찌르고, 상기 복합 소재와 상기 검사 바늘을, 300 ㎜/min 의 속도로 상기 길이 방향으로 40 ㎜ 상대적으로 이동시켰을 때, 상기 복합 소재와 상기 검사 바늘 사이에 작용하는 하중의 최대값이 0.5 N 미만인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관련된 프리프레그는, 전술한 복합 소재와, 상기 복합 소재에 함침된 매트릭스 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 복합 소재는, 소정의 조건에서 길이 방향으로 받는 하중이 소정값 미만으로 규정되어 있으므로, 탄소 섬유속에 포함되어 있는 탄소 섬유끼리의 낙합이 실질적으로 존재하지 않는다. 탄소 섬유속 중의 탄소 섬유의 각각이 강도에 기여할 수 있고, 탄소 섬유속 본래의 강도가 발휘된다.
또한, 본 발명의 복합 소재는, 탄소 섬유속에 포함되는 탄소 섬유의 각각의 표면에 CNT 가 부착되어 있다. 그에 따라, 본 발명의 복합 소재는, 보다 높은 강도를 발휘할 수 있다. 본 발명의 복합 소재를 사용함으로써, 보다 고강도의 프리프레그를 제조할 수 있다.
도 1 은 본 실시형태에 관련된 복합 소재의 구성을 나타내는 부분 개략도이다.
도 2 는 복합 소재에 있어서의 탄소 섬유의 낙합의 평가 방법을 설명하는 개략도이다.
도 3 은 CNT 부착 공정을 설명하는 개략도이다.
도 4 는 가이드 롤러를 설명하는 측면도이다.
도 5 는 플랜지 롤러를 설명하는 부분 측면도이다.
도 6 은 실시예 1 의 복합 소재와 검사 바늘 사이에 작용하는 하중을 나타내는 그래프이다.
도 7 은 실시예 2 의 복합 소재와 검사 바늘 사이에 작용하는 하중을 나타내는 그래프이다.
도 8 은 비교예의 복합 소재와 검사 바늘 사이에 작용하는 하중을 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 상세하게 설명한다.
1. 전체 구성
도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 복합 소재 (10) 는, 복수의 연속된 탄소 섬유 (12a) 가 배열된 탄소 섬유속 (12) 을 구비하고 있다. 탄소 섬유 (12a) 는, 직경이 약 5 ∼ 20 ㎛ 이고, 화석 연료 유래의 유기 섬유나, 목재나 식물 섬유 유래의 유기 섬유의 소성에 의해 얻어진다.
도면에는, 설명을 위해서 10 개만의 탄소 섬유 (12a) 를 나타내고 있지만, 본 실시형태에 있어서의 탄소 섬유속 (12) 은, 1 천 ∼ 10 만개의 탄소 섬유 (12a) 를 포함할 수 있다. 탄소 섬유속 (12) 을 구성하고 있는 탄소 섬유 (12a) 는, 실질적으로 서로 낙합되지 않고 직선성을 유지하고 있다. 이러한 탄소 섬유 (12a) 를 포함하는 본 실시형태의 복합 소재 (10) 는, 두께 방향으로 탄소 섬유 (12a) 가 3 ∼ 30 개 늘어선 띠상이다.
각 탄소 섬유 (12a) 의 표면에는, CNT (14a) 가 부착되어 있다. CNT (14a) 는, 탄소 섬유 (12a) 의 표면의 거의 전체에서 균등하게 분산되어 낙합됨으로써, 서로 직접 접촉 내지는 직접 접속되어 네트워크 구조를 형성할 수 있다. CNT (14a) 끼리의 사이에는, 계면 활성제 등의 분산제나 접착제 등의 개재물이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 또, CNT (14a) 는, 탄소 섬유 (12a) 의 표면에 직접 부착되어 있다. 여기서 말하는 접속이란, 물리적인 접속 (단순한 접촉) 을 포함한다. 또, 여기서 말하는 부착이란, 판데르발스력에 의한 결합을 말한다. 또한 「직접 접촉 내지 직접 접속」이란, 복수의 CNT 가 단순히 접촉하고 있는 상태를 포함하는 것 외에, 복수의 CNT 가 일체적이 되어 접속하고 있는 상태를 포함한다.
CNT (14a) 의 길이는, 0.1 ∼ 50 ㎛ 인 것이 바람직하다. CNT (14a) 는 길이가 0.1 ㎛ 이상이면, CNT (14a) 끼리가 낙합되어 직접 접속된다. 또 CNT (14a) 는 길이가 50 ㎛ 이하이면, 균등하게 분산되기 쉬워진다. 한편, CNT (14a) 는 길이가 0.1 ㎛ 미만이면 CNT (14a) 끼리가 얽히기 어려워진다. 또 CNT (14a) 는 길이가 50 ㎛ 초과이면 응집하기 쉬워진다.
CNT (14a) 는, 평균 직경 약 30 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. CNT (14a) 는 직경이 30 ㎚ 이하이면, 유연성이 풍부하고, 각 탄소 섬유 (12a) 의 표면에서 네트워크 구조를 형성할 수 있다. 한편, CNT (14a) 는 직경이 30 ㎚ 초과이면, 유연성이 없어지고, 각 탄소 섬유 (12a) 표면에서 네트워크 구조를 형성하기 어려워진다. 또한, CNT (14a) 의 직경은 투과형 전자 현미경 (TEM : Transmission Electron Microscope) 사진을 사용하여 측정한 평균 직경으로 한다. CNT (14a) 는, 평균 직경이 약 20 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다.
복수의 CNT (14a) 는, 탄소 섬유속 (12) 중의 탄소 섬유 (12a) 의 각각의 표면에, 균일하게 부착되어 있는 것이 바람직하다. 탄소 섬유 (12a) 표면에 있어서의 CNT (14a) 의 부착 상태는, 주사형 전자 현미경 (SEM : Scanning Electron Microscope) 에 의해 관찰하고, 얻어진 화상을 육안으로 평가할 수 있다.
또한, 복수의 CNT (14a) 가 부착되어 있는 탄소 섬유 (12a) 의 표면의 적어도 일부는, 사이징제라고 칭해지는 수지로 덮여 있다. 사이징제로는, 일반적으로는, 우레탄 에멀션이나 에폭시 에멀션이 사용된다.
상기 서술한 바와 같이, 탄소 섬유속 (12) 에 포함되어 있는 탄소 섬유 (12a) 는, 실질적으로 서로 낙합되지 않고 직선성을 유지하고 있다. 탄소 섬유속 (12) 중에 있어서의 탄소 섬유 (12a) 의 낙합은, 탄소 섬유 (12a) 끼리의 직선성에 의해 평가할 수 있다.
도 2 를 참조하여, 탄소 섬유 (12a) 끼리의 직선성을 평가하는 방법을 설명한다. 평가에는, 상하로 이동 가능한 가로봉부 (34) 가 기립부 (32) 에 형성된 지지대 (30) 를 사용할 수 있다. 복합 소재 (10) 는, 소정 길이 (예를 들어, 150 ∼ 300 ㎜ 정도) 로 절단하여 측정용 샘플 (100) 을 준비한다.
측정용 샘플 (100) 은, 길이 방향을 상하로 하고, 일단에 연결 부재 (36) 를 개재하여 가로봉부 (34) 에 장착한다. 측정용 샘플 (100) 이 느슨해지지 않도록, 적절한 무게의 추 (24) 를 측정용 샘플 (100) 의 타단에 접속한다. 추 (24) 의 무게는, 측정용 샘플 (100) 의 본래의 길이가 유지되도록 선택된다. 적절한 무게의 추 (24) 를 사용함으로써, 측정용 샘플 (100) 은, 지지대 (30) 의 가로봉부 (34) 로부터 안정적으로 매달린다.
지지대 (30) 의 기립부 (32) 에는, 검사 바늘 (20) (직경 0.55 ㎜) 이 가로 방향으로 연장되어 형성되어 있다. 측정용 샘플 (100) 의 길이 방향을 횡단하여 검사 바늘 (20) 을 찌르고, 가로봉부 (34) 를 상방으로 이동시킴으로써, 측정용 샘플 (100) 과 검사 바늘 (20) 을 상대적으로 이동시킨다. 이동 속도는 300 ㎜/min 으로 하고, 이동 거리는 40 ㎜ 로 한다.
검사 바늘 (20) 에는, 도시되지 않은 로드 셀이 접속되어 있다. 측정용 샘플 (100) 과 검사 바늘 (20) 을 상대적으로 이동시킬 때, 이들 사이에 작용하는 하중이 로드 셀에 의해 측정된다. 측정된 하중이 작을수록, 탄소 섬유속 (12) 에 있어서의 탄소 섬유 (12a) (도 1 참조) 는 직선성이 우수하다. 즉, 탄소 섬유속 (12) 에 포함되어 있는 탄소 섬유 (12a) 끼리는, 낙합이 적게 된다.
본 실시형태의 복합 소재 (10) 는, 소정의 조건에서 검사 바늘 (20) 과 상대적으로 이동시켰을 때, 복합 소재 (10) 와 검사 바늘 (20) 사이에 작용하는 하중의 최대값이 0.5 N 미만이므로, 복수의 연속된 탄소 섬유 (12a) 는, 실질적으로 낙합되지 않고 직선성을 유지하여 배열되어 있다.
복합 소재 (10) 와 검사 바늘 (20) 사이에 작용하는 하중의 평균값은, 0.4 N 미만인 것이 바람직하다. 작용하는 하중의 평균값은, 복합 소재 (10) 와 검사 바늘 (20) 을 40 ㎜ 상대적으로 이동시키는 동안에 810 점의 하중을 측정하고, 그 810 점의 하중의 평균으로서 산출한다.
2. 제조 방법
다음으로, 본 실시형태에 관련된 복합 소재 (10) 의 제조 방법을 설명한다. 복합 소재 (10) 는, CNT (14a) 가 단리 분산된 CNT 분산액 (이하, 단순히 분산액이라고도 칭한다) 중에, 복수의 탄소 섬유 (12a) 를 포함하는 탄소 섬유속 (12) 을 침지하여 주행시켜, 탄소 섬유 (12a) 의 각각의 표면에 CNT (14a) 를 부착시킴으로써 제조할 수 있다. 이하, 각 공정에 대해 순서대로 설명한다.
(분산액의 조제)
분산액의 조제에는, 이하와 같이 하여 제조된 CNT (14a) 를 사용할 수 있다. CNT (14a) 는, 예를 들어 일본 공개특허공보 2007-126311호에 기재되어 있는 열 CVD 법을 사용하여 실리콘 기판 상에 알루미늄, 철로 이루어지는 촉매막을 성막하고, CNT 의 성장을 위한 촉매 금속을 미립자화하고, 가열 분위기 중에서 탄화 수소 가스를 촉매 금속에 접촉시킴으로써, 제조할 수 있다.
불순물을 최대한 포함하지 않는 CNT 이면, 아크 방전법, 레이저 증발법 등 그 밖의 방법에 의해 제조된 CNT 를 사용해도 된다. 제조 후의 CNT 를 불활성 가스 중에서 고온 어닐함으로써, 불순물을 제거할 수 있다. 이렇게 하여 제조되는 CNT 는, 직경이 30 ㎚ 이하이고 길이가 수 100 ㎛ 내지 수 ㎜ 라는 높은 어스펙트비와 직선성을 구비하고 있다. CNT 는, 단층 및 다층의 어느 것이어도 되는데, 바람직하게는 다층이다.
상기와 같이 제조된 CNT (14a) 를 사용하여, CNT (14a) 가 단리 분산된 분산액을 조제한다. 단리 분산이란, CNT (14a) 가 1 개씩 물리적으로 분리되어 낙합되지 않고 분산매 중에 분산되어 있는 상태를 말하고, 2 이상의 CNT (14a) 가 다발상으로 집합한 집합물의 비율이 10 ％ 이하인 상태를 가리킨다.
분산액은, 호모게나이저나 전단력, 초음파 분산기 등에 의해 CNT (14a) 의 분산의 균일화를 도모한다. 분산매로는, 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올 등의 알코올류 ; 톨루엔, 아세톤, 테트라하이드로푸란 (THF), 메틸에틸케톤 (MEK), 헥산, 노말헥산, 에틸에테르, 자일렌, 아세트산메틸, 아세트산에틸 등의 유기 용매를 사용할 수 있다.
분산액의 조제에는, 분산제, 계면 활성제 등의 첨가제는 반드시 필요시되지 않지만, 탄소 섬유 (12a) 및 CNT (14a) 의 기능을 저해하지 않는 범위이면, 이러한 첨가제를 사용해도 된다.
(CNT 의 부착)
상기와 같이 하여 조제한 분산액 중에, 탄소 섬유속 (12) 을 침지하여 소정의 조건에서 주행시키면서, 분산액에 기계적 에너지를 부여함으로써 탄소 섬유 (12a) 표면에 CNT (14a) 를 부착시킨다.
도 3 을 참조하여, 탄소 섬유 (12a) 에 CNT (14a) 를 부착시키는 공정을 설명한다. 분산액 (46) 이 수용된 CNT 부착조 (40) 내에는, 탄소 섬유속 (12) 을 화살표 A 방향으로 주행시키기 위한 가이드 롤러 (42) 가 복수 배치되어 있다. 가이드 롤러 (42) 는, 도 4 의 측면도에 나타내는 바와 같이, 직경 (D) 이 50 ㎜, 길이 (L) 가 100 ㎜ 인 평롤러이다.
탄소 섬유속 (12) 은, 두께 방향으로 탄소 섬유 (12a) 가 3 ∼ 30 개 늘어선 정도이다. 가이드 롤러 (42) 의 길이 (L) 가 탄소 섬유속 (12) 의 폭 (w) 에 대해 충분히 크다. 탄소 섬유속 (12) 은, 보다 작은 접촉각 (90°이하) 으로 가이드 롤러 (42) 에 끌어 안겨지는 것이 바람직하다. 가이드 롤러 (42) 는, 탄소 섬유속 (12) 을 직선상으로 주행시키도록 배치하는 것이 바람직하다.
탄소 섬유속 (12) 은, 가이드 롤러 (42) 에 확실하게 지지되어, 수축되지 않고 분산액 (46) 중을 주행할 수 있다. 탄소 섬유속 (12) 에 포함되어 있는 탄소 섬유 (12a) 는, 가이드 롤러 (42) 에 지지된 상태에서 인장 장력을 받음으로써, 낙합이 저감되어 직선성이 향상된다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 복수의 가이드 롤러 (42) 에 의해, 탄소 섬유속 (12) 은 CNT 부착조 (40) 내의 일정한 깊이를, 과도한 부하를 받지 않고 주행 속도로 주행한다. 주행 중, 탄소 섬유속 (12) 은 굴곡되는 일이 없기 때문에, 탄소 섬유속 (12) 에 포함되어 있는 탄소 섬유 (12a) 가 낙합될 우려는 저감된다. 탄소 섬유속 (12) 의 주행 속도는, 1 ∼ 20 m/min 정도로 하는 것이 바람직하다. 주행 속도가 느릴수록, 탄소 섬유속 (12) 에 있어서의 탄소 섬유 (12a) 의 직선성을 높일 수 있다.
분산액 (46) 에 대해서는, 진동, 초음파, 요동 등의 기계적 에너지를 부여한다. 이로써, 분산액 (46) 중에서는, CNT (14a) 가 분산되는 상태와 응집되는 상태가 항상 발생하는 가역적 반응 상태가 만들어진다.
가역적 반응 상태에 있는 분산액 중에, 복수의 연속된 탄소 섬유 (12a) 를 포함하는 탄소 섬유속 (12) 이 침지되면, 탄소 섬유 (12a) 표면에 있어서도 CNT (14a) 의 분산 상태와 응집 상태의 가역적 반응 상태가 일어난다. CNT (14a) 는, 분산 상태로부터 응집 상태로 변할 때, 탄소 섬유 (12a) 표면에 부착된다.
응집될 때에는, CNT (14a) 에 판데르발스력이 작용하고 있고, 이 판데르발스력에 의해 탄소 섬유 (12a) 표면에 CNT (14a) 가 부착된다. 이렇게 하여, 탄소 섬유속 (12) 중의 탄소 섬유 (12a) 각각의 표면에 CNT (14a) 가 부착된 탄소 섬유속 (10A) 이 얻어진다.
그 후, 사이징 처리 및 건조를 실시하여, 본 실시형태의 복합 소재 (10) 가 제조된다. 사이징 처리는, 일반적인 사이징제를 사용하여 일반적인 방법에 의해 실시할 수 있다. 건조는, 사이징 처리 후의 탄소 섬유속을, 예를 들어 핫 플레이트 상에 재치 (載置) 하여 달성할 수 있다.
(프리프레그의 제조)
본 실시형태의 복합 소재 (10) 는, 매트릭스 수지를 함침시켜 프리프레그로 할 수 있다. 매트릭스 수지는, 특별히 한정되지 않지만, 에폭시 수지 등의 열경화성 수지, 페녹시 수지나 나일론 등의 열가소성 수지 등을 들 수 있다.
상기 서술한 바와 같이, 본 실시형태의 복합 소재 (10) 는, 탄소 섬유속 (12) 에 있어서의 탄소 섬유 (12a) 끼리의 낙합이 실질적으로 존재하지 않는 것이므로, 프리프레그에 있어서도, 탄소 섬유 (12a) 끼리가 낙합되는 일은 없다. 또한, 탄소 섬유속 (12) 중에 있어서의 탄소 섬유 (12a) 각각의 표면에는, CNT (14a) 가 양호하게 부착되어 있다.
이러한 복합 소재 (10) 에 수지를 함침한 프리프레그는, 탄소 섬유 (12a) 끼리의 낙합에서 기인되는 강도 저하의 우려는 매우 작기 때문에, 탄소 섬유속 (12) 의 특성이 충분히 발휘된다. 이것에 더하여, 각 탄소 섬유 (12a) 의 표면에는 CNT (14a) 가 양호하게 부착되어 있기 때문에, 얻어지는 프리프레그는, CNT 유래의 특성도 충분히 발휘할 수 있다.
3. 작용 및 효과
본 실시형태에 관련된 복합 소재 (10) 는, 직경 0.55 ㎜ 의 검사 바늘 (20) 을 찔러, 이 검사 바늘 (20) 과 길이 방향으로 상대적으로 이동시켰을 때, 검사 바늘 (20) 과의 사이에 작용하는 하중의 최대값이 0.5 N 미만이므로, 탄소 섬유속 (12) 에 포함되어 있는 탄소 섬유 (12a) 끼리의 직선성이 우수하다. 탄소 섬유 (12a) 는, 실질적으로 서로 낙합되지 않고 직선성을 유지하고 있다. 직선성을 유지하여 배열되어 있는 탄소 섬유 (12a) 는, 복합 소재 (10) 의 강도의 향상에 기여할 수 있다.
또한, 탄소 섬유 (12a) 의 각각의 표면에는 CNT (14a) 가 부착되고, CNT (14a) 가 부착되어 있는 표면의 적어도 일부는, 수지로 덮여 있다.
본 실시형태의 복합 소재 (10) 는, 표면에 CNT 가 부착된 탄소 섬유 (12a) 가 직선성을 유지하고 있으므로, CNT 유래의 특성 및 탄소 섬유속의 특성에 기초한, 보다 높은 강도를 발휘할 수 있다. 이러한 본 실시형태의 복합 소재 (10) 를 사용함으로써, 보다 고강도의 프리프레그를 제조할 수 있다.
4. 실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
상기 제조 방법에 나타내는 순서로, 실시예 1 의 복합 소재를 제조하였다. CNT (14a) 로는, 열 CVD 에 의해 실리콘 기판 상에 직경 10 ∼ 15 ㎚, 길이 100 ㎛ 이상으로 성장시킨 MW-CNT (Multi-walled Carbon Nanotubes, 다층 카본 나노 튜브) 를 사용하였다.
CNT (14a) 는, 황산과 질산의 3 : 1 혼산을 사용하여 세정하고 촉매 잔류물을 제거한 후, 여과 건조시켰다. 분산매로서의 MEK 에 CNT (14a) 를 첨가하여, 분산액을 조제하였다. CNT (14a) 는, 초음파 호모게나이저를 사용하여 분쇄하고 0.5 ∼ 10 ㎛ 의 길이로 절단하였다. 분산액 중에 있어서의 CNT (14a) 의 농도는, 0.01 wt％ 로 하였다. 이 분산액에는, 분산제나 접착제가 함유되어 있지 않다.
도 3 에 나타낸 CNT 부착조 (40) 를 준비하고, 이렇게 하여 조제된 분산액 (46) 을 수용하였다. CNT 부착조 (40) 에는, 도 4 를 참조하여 설명한 가이드 롤러 (42) (직경 50 ㎜, 길이 100 ㎜) 가 형성되어 있다. 분산액 (46) 에는, 기계적 에너지로서의 진동이나 초음파, 요동을 부여하였다.
탄소 섬유속 (12) 으로는, T700SC-12000 (도레 (주) 제조) 을 사용하였다. 이 탄소 섬유속 (12) 에는, 12000 개의 탄소 섬유 (12a) 가 포함되어 있다. 탄소 섬유 (12a) 의 직경은 7 ㎛ 정도이고, 길이는 100 m 정도이다. 탄소 섬유속 (12) 을 분산액 (46) 중에 침지하고, 가이드 롤러 (42) 를 개재하여 3.5 m/min 의 속도로 주행시켰다.
그 후, 사이징제로서 에폭시 수지를 사용하여 사이징 처리를 실시하고, 약 80 ℃ 의 핫 플레이트 상에서 건조시켰다. 이와 같이 하여, 실시예 1 의 복합 소재 (10) 를 제조하였다. 실시예 1 의 복합 소재 (10) 는, 두께 방향으로 탄소 섬유가 12 개 늘어선 띠상이었다.
탄소 섬유속 (12) 의 주행 속도를, 5 m/min 으로 변경한 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여, 실시예 2 의 복합 소재 (10) 를 제조하였다. 실시예 2 의 복합 소재 (10) 는, 두께 방향으로 탄소 섬유가 12 개 늘어선 띠상이었다.
또한, 플랜지 롤러를 구비한 종래의 CNT 부착조를 사용하고, 탄소 섬유속의 주행 속도를 3 m/min 으로 변경하여 비교예의 복합 소재를 제조하였다. 플랜지 롤러의 측면의 일부를 도 5 에 나타낸다. 플랜지 롤러 (52) 는, 측면의 원주에 플랜지부 (54) 를 갖고, 플랜지부 (54) 의 사이의 영역 (56) 에서 탄소 섬유속 (12) 을 지지한다. 플랜지 롤러 (52) 는, 탄소 섬유속 (12) 을 지지하는 영역 (56) 의 폭이 12 ㎜ 이다. 비교예의 복합 소재는, 두께 방향으로 탄소 섬유가 17 개 늘어선 띠상이었다.
실시예 1, 2 및 비교예의 복합 소재는, 탄소 섬유속에 포함되어 있는 탄소 섬유의 표면에 복수의 CNT 가 균등하게 분산되어 부착되어 있는 것이, SEM 관찰에 의해 확인되었다.
＜탄소 섬유의 낙합의 평가＞
실시예 1, 2 및 비교예의 복합 소재에 대해, 탄소 섬유속에 포함되어 있는 탄소 섬유의 낙합을 평가하였다. 평가는, 도 2 를 참조하여 설명한 방법에 의해, 탄소 섬유끼리의 직선성을 조사함으로써 실시하였다.
실시예 1 의 복합 소재를 150 ㎜ 의 길이로 절단하여, 측정용 샘플 (100) 을 준비하였다. 측정용 샘플 (100) 은, 지지대 (30) 의 가로봉부 (34) 에 일단을 고정시키고, 타단에는 20 g 의 추 (24) 를 접속하였다. 지지대 (30) 의 기립부 (32) 로부터 연장되어 형성된 검사 바늘 (20) (직경 0.55 ㎜) 을, 측정용 샘플 (100) 의 길이 방향을 횡단하여 찔렀다.
측정용 샘플 (100) 과 검사 바늘 (20) 사이에 작용하는 하중을, 도시되지 않은 로드 셀로 측정하면서, 측정용 샘플 (100) 을 매단 가로봉부 (34) 를 300 ㎜/min 의 속도로 40 ㎜ 상승시켰다. 측정된 하중의 변화를 도 6 의 그래프에 나타낸다. 도 6 중, 가로축은 가로봉부 (34) 가 상승한 이동 거리 (㎜) 이다. 실시예 2 의 복합 소재 및 비교예의 복합 소재에 대해서도, 동일한 수법에 의해 하중을 측정하였다. 그 결과를, 도 7 및 도 8 에 각각 나타낸다.
또한, 실시예 1, 2 및 비교예에 대해, 측정된 하중의 최대값, 최소값 및 평균값을 하기 표 1 에 정리한다. 평균값은, 가로봉부 (34) 를 40 ㎜ 상승시키는 동안에 측정한 810 점의 하중의 평균으로서 구하였다.
Figure pct00001
실시예 1, 2 의 복합 소재는, 하중의 최대값이 각각 0.172 N 및 0.425 N 으로 0.5 N 미만이다. 실시예 1, 2 의 복합 소재는, 하중의 평균값이 각각 0.0764 N 및 0.287 N 으로 0.4 N 미만이다. 이에 대하여, 비교예의 복합 소재는, 하중의 최대값이 0.908 N 이다. 비교예의 경우, 하중의 최소값이라도 0.531 N 으로 0.5 N 을 초과하고 있고, 하중의 평균값은 0.689 N 에도 이르고 있다.
하중의 크기는, 탄소 섬유속에 포함되어 있는 탄소 섬유끼리의 낙합의 정도를 나타내는 지표이다. 하중이 작을수록 탄소 섬유끼리의 직선성이 우수하므로, 탄소 섬유끼리의 낙합이 억제되어 있게 된다.
실시예의 복합 소재와 비교예의 복합 소재는, 롤러나 접촉각 등의 CNT 부착 공정이 상이한 것 이외에는 동일한 조건에서 제조한 것이다. 실시예에서는, 평롤러를 구비한 CNT 부착조를 사용하고, 비교예에서는, 플랜지 롤러를 구비한 종래의 CNT 부착조를 사용하였다. 실시예 및 비교예의 결과로부터, 평롤러를 구비한 CNT 부착조를 사용함으로써, 탄소 섬유끼리의 낙합을 대폭 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 탄소 섬유속의 이동 속도가 느릴수록, 그 효과가 높아진다.
실시예의 복합 소재는, 탄소 섬유속 중의 탄소 섬유끼리의 낙합이 실질적으로 존재하지 않고, 직선성을 유지하여 배열되어 있다. 또한, 탄소 섬유의 표면에는, 복수의 CNT 가 균등하게 분산되어 부착되어 있다. 따라서, 실시예의 복합 소재는, 탄소 섬유속의 특성 및 CNT 유래의 특성에 기초한, 보다 높은 강도를 발휘할 수 있다. 실시예의 복합 소재를 사용함으로써, 보다 높은 강도를 갖는 프리프레그를 얻을 수 있다.
비교예의 복합 소재는, 탄소 섬유의 표면에 복수의 CNT 가 균등하게 분산되어 부착되어 있어도, 탄소 섬유끼리의 낙합이 발생하고 있다. 비교예의 복합 소재는, 직선성을 유지하여 배열되어 있는 탄소 섬유가, 실시예의 복합 소재의 경우보다 대폭 적은 것이 추측된다. 비교예의 복합 소재에서는, 탄소 섬유속의 특성에 기초한, 보다 높은 강도는 발휘되지 않는다. 비교예의 복합 소재를 사용해도, 프리프레그의 강도를 보다 높이는 것은 곤란하다.
5. 변형예
본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지의 범위 내에서 적절히 변경하는 것이 가능하다.
복합 소재와 검사 바늘 사이에 작용하는 하중을 측정할 때에는, 복합 소재와 검사 바늘을 300 ㎜/min 의 속도로 상대적으로 이동시키면 되고, 사용하는 지지대는 특별히 한정되지 않는다. 복합 소재가 고정되어 검사 바늘이 이동 가능한 지지대, 혹은 복합 소재와 검사 바늘을 서로 역방향으로 이동 가능한 지지대를 사용할 수 있다.
복합 소재와 검사 바늘 사이에 작용하는 하중은, 임의의 수법으로 측정할 수 있고, 예를 들어 스프링 저울을 사용할 수 있다.
10 : 복합 소재
12 : 탄소 섬유속
12a : 탄소 섬유
14a : 카본 나노 튜브 (CNT)

Claims (4)

  1. 복수의 연속된 탄소 섬유가 배열된 탄소 섬유속과, 상기 탄소 섬유의 각각의 표면에 부착된 카본 나노 튜브와, 상기 카본 나노 튜브가 부착된 상기 표면의 적어도 일부를 덮는 사이징제를 구비하는 복합 소재로서,
    길이 방향을 상하로 하여 배치된 상기 복합 소재에, 상기 길이 방향을 횡단하여 직경 0.55 ㎜ 의 검사 바늘을 찌르고, 상기 복합 소재와 상기 검사 바늘을, 300 ㎜/min 의 속도로 상기 길이 방향으로 40 ㎜ 상대적으로 이동시켰을 때, 상기 복합 소재와 상기 검사 바늘 사이에 작용하는 하중의 최대값이 0.5 N 미만인 것을 특징으로 하는 복합 소재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 소재는, 두께 방향으로 상기 탄소 섬유가 3 ∼ 30 개 늘어선 띠상인 것을 특징으로 하는 복합 소재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복합 소재와 상기 검사 바늘 사이에 작용하는 하중의 평균값이 0.4 N 미만인 것을 특징으로 하는 복합 소재.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 복합 소재와, 상기 복합 소재에 함침된 매트릭스 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리프레그.
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