KR20210113874A - 표면 처리 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 표면 처리 탄소 섬유를 포함하는 표면 처리 탄소 섬유 복합체 - Google Patents

표면 처리 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 표면 처리 탄소 섬유를 포함하는 표면 처리 탄소 섬유 복합체 Download PDF

Info

Publication number
KR20210113874A
KR20210113874A KR1020200029161A KR20200029161A KR20210113874A KR 20210113874 A KR20210113874 A KR 20210113874A KR 1020200029161 A KR1020200029161 A KR 1020200029161A KR 20200029161 A KR20200029161 A KR 20200029161A KR 20210113874 A KR20210113874 A KR 20210113874A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon
carbon fiber
nanofilm
treated
treated carbon
Prior art date
Application number
KR1020200029161A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102398650B1 (ko
Inventor
김건호
박영빈
조범곤
람 조시 샬릭
Original Assignee
울산과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 울산과학기술원 filed Critical 울산과학기술원
Priority to KR1020200029161A priority Critical patent/KR102398650B1/ko
Publication of KR20210113874A publication Critical patent/KR20210113874A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102398650B1 publication Critical patent/KR102398650B1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M11/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
    • D06M11/73—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with carbon or compounds thereof
    • D06M11/74—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with carbon or compounds thereof with carbon or graphite; with carbides; with graphitic acids or their salts
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00—Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/02—Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements ultrasonic or sonic; Corona discharge
    • D06M10/025—Corona discharge or low temperature plasma
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M2101/00—Chemical constitution of the fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, to be treated
    • D06M2101/40—Fibres of carbon

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

탄소 섬유; 및 상기 탄소 섬유 표면에서 형성된 탄소 나노 필름;을 포함하고, 상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인, 표면 처리(surface treated) 탄소 섬유, 이를 제조하는 방법, 및 이를 포함한 표면 처리 탄소 섬유 복합체가 제공된다.

Description

표면 처리 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 표면 처리 탄소 섬유를 포함하는 표면 처리 탄소 섬유 복합체{A surface treated carbon fiber, method of preparing the same, and surface treated carbon fiber composite comprising the same}
표면 처리 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 표면 처리 탄소 섬유를 포함하는 표면 처리 탄소 섬유 복합체에 관한 것이다.
최근 들어, 자동차, 비행기 등과 같은 운송수단의 배출 가스 규제가 전세계적으로 엄격해지고 있는 상황에서, 연료 효율을 높이기 위한 일환으로 운송수단의 중량을 감소시키기 위한 노력이 진행되고 있다. 대부분의 운송수단은 강성을 유지하기 위하여 강철을 이용하므로, 강철과 동등한 수준의 강성을 유지하며 중량이 감소한 재료에 관한 연구가 진행되고 있다.
이와 관련하여, 탄소 섬유를 강화재로 이용하는 탄소섬유/수지 복합재(탄소 섬유 강화 플라스틱; CFRP)가 개발되었으며, 이는 강철에 비해 경량이면서 비강도는 6배 높고, 비탄성률도 3배 높은 것으로 알려져 있다. 하지만, 이러한 탄소 섬유 강화 플라스틱은 탄소 섬유와 수지 사이의 계면에서의 낮은 결합력에 기인한 층간 분리 문제가 대두되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 탄소 섬유 표면 및 수지 상에 탄소 나노-필러를 도입하여 계면 특성을 향상시키는 방법이 제안되었다. 구체적으로, 탄소 섬유 표면을 플라즈마 처리하여 탄소 섬유 표면에 산소-함유 관능기, 예를 들어 히드록실기, 카복실기, 카보닐기 등을 제공하고, 이후에 환원된 그래핀 옥사이드(RGO)를 상기 산소-함유 관능기에 결합시키는 방식을 통해 탄소 섬유 표면의 계면 특성을 향상시켰다. 하지만, 이러한 방식은 탄소 섬유 표면 중 산소-함유 관능기가 존재하는 부분에만 환원된 그래핀 옥사이드가 결합하는 결과, 표면에 환원된 그래핀 옥사이드가 표면에 균일하게 분산된 탄소 섬유를 얻기 어렵기 때문에, 계면 특성 향상에 여전히 한계점이 존재한다.
또 다른 방법으로는, 탄소 섬유 상에 전기영동 증착(electrophoretic deposition) 또는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)에 의하여 그래핀 옥사이드(GO)를 증착한 후, 화학적, 열적, 또는 전기화학적 환원 공정을 통해 그래핀 옥사이드를 환원시키는 방법에 의하여, 탄소 섬유 상에 환원된 그래핀 옥사이드를 도입하여 탄소 섬유 표면의 계면 특성을 향상시키는 방법이 제안되었다. 그러나, 화학적, 열적, 또는 전기화학적 환원 공정은 기본적으로 고온조건에서 진행되어 그래핀 옥사이드의 탄소 골격 중 일부가 물 또는 이산화탄소로 소모되어, 탄소 섬유의 표면에 균일한 환원된 그래핀 옥사이드층의 형성이 어렵다는 한계점이 존재한다. 또한, 화학적 또는 전기화학적 환원 공정은 환경에 유해한 화학물질의 사용에 따른 환경 오염의 문제를 수반할 뿐만 아니라, 완전히 환원된 그래핀 옥사이드층의 형성이 어려울 뿐만 아니라 일부의 경우에서는 응집현상에 따라 균일한 환원된 그래핀 옥사이드층의 형성이 어렵다는 한계점이 존재한다.
이에, 탄소 섬유 함유 재료에서 탄소 섬유와 다른 재료들 간의 계면 특성이 향상되어 층간 박리가 억제된, 탄소 섬유 및 이의 제조방법에 관한 니즈가 여전히 존재하는 실정이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소 섬유 표면에 균일하게 분산되어 형성된 탄소 나노 필름을 포함하는 표면 개질 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 표면 개질 탄소 섬유 복합체가 제공된다.
일 측면에 따르면, 탄소 섬유; 및
상기 탄소 섬유 표면에 형성된 탄소 나노 필름;을 포함하고,
상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99: 1인, 표면 처리(surface treated) 탄소 섬유가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 탄소 섬유;
상기 탄소 섬유 표면에 형성된 탄소 나노 필름; 및
상기 탄소 나노 필름 상에 배치된 고분자 기지;를 포함하고,
상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 93:7인, 표면 처리 탄소 섬유 복합체가 제공된다.
또 다른 측면에 따르면, 탄소원을 포함하는 코팅 용액을 탄소 섬유 상에 제공하는 단계; 및
코팅 용액이 제공된 탄소 섬유를 열처리하여 상기 탄소 섬유 상에 탄소 나노 필름을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 93:7인, 표면 처리 탄소 섬유의 제조방법이 제공된다.
일 측면에 따른 표면 처리 탄소 섬유는, 탄소 섬유의 표면에 탄소 나노 필름이 형성되고, 상기 탄소 나노 필름의 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인 것에 의하여, 탄소 섬유와 탄소 나노 필름이 견고하게 결합될 뿐만 아니라, 다양한 수지와의 복합체 형성시에 탄소 섬유와 수지 사이에서 수소 결합이 형성되어 결합력이 현저히 증가하여 계면 특성이 향상된다.
도 1은 쉘락의 분자식을 나타낸 도면이다.
도 2는 대조군 1 및 2, 비교예 1 및 2, 및 실시예 1 내지 8의 탄소 섬유 표면에 대한 SEM 사진이다.
도 3은 대조군 1 및 2, 비교예 1 및 2, 및 실시예 4 및 8의 탄소 섬유에 대한 FT-IR 분석 그래프이다.
도 4는 대조군 1 및 2, 비교예 1 및 2, 및 실시예 1 내지 8의 탄소 섬유에 대한 산소 함유 관능기의 비율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예 3 및 4, 실시예 9 내지 16에서 제작된 표면 처리 탄소 섬유 복합체에 대한 층간전단강도 값을 보여주는 그래프이다.
도 6은 비교예 3 및 4, 실시예 9 내지 16에서 제작된 표면 처리 탄소 섬유 복합체에 대한 굽힘강도 값을 보여주는 그래프이다.
도 7은 플라즈마 미처리 탄소 섬유로 제작한 표면 처리 탄소 섬유 복합체(좌측) 및 플라즈마 처리 탄소 섬유로 제작한 표면 처리 탄소 섬유 복합체(우측)의 절단면에 대한 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 표면 처리 탄소 섬유의 제조 방법의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 표면 처리 탄소 복합체의 제조 방법의 개략도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 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. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 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. 또한 각 도면에서, 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
각 구성요소의 설명에 있어서, 상(on)에 또는 하(under)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(on)과 하(under)는 직접 또는 다른 구성요소를 개재하여 형성되는 것을 모두 포함하며, 상(on) 및 하(under)에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
본 명세서에서, 용어 "환원된 그래핀 옥사이드"는 그래핀 시트에 산소가 결합된 산소를 포함하는 그래핀은 의미한다.
본 명세서에서, 용어 "쉘락(shellac)" 또는 "씨드락(seedlac)"은 스틱락(sticklac)을 가공한 락(Lac) 수지의 과립형(granular form)으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 하이드록실기와 아세테이트기가 부착된 긴 지방족 사슬을 갖는 5원 및 6원 탄소 고리를 포함한 구조를 갖는다.
본 명세서에서, 용어 "Cx-Cy"는 탄소수 x 내지 y를 의미하는 것으로서, 예를 들어, C6-C20 지방족 탄화수소는 탄소수 6 내지 20의 지방족 탄화수소를 의미하며 헥산, 헵탄, 옥탄, 노난, 도데칸 등을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하되, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
일 측면에 따른 표면 처리(surface treated) 탄소 섬유는 탄소 섬유; 및 상기 탄소 섬유 표면에 형성된 탄소 나노 필름;을 포함하고, 상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1이다. 구체적으로, 상기 탄소 나노 필름의 상기 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율은 88:12 내지 95:5일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 탄소 나노 필름의 상기 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율은 88:12 내지 93:7일 수 있다. 여기서, 상기 탄소 나노 필름에 포함된 탄소 함량은 탄소 나노 필름을 형성하는 조건, 예를 들어, 열처리 온도 또는 공정상의 화학 첨가물 등에 따라 바뀔 수 있다. 본 발명에서는 편의를 위하여, 상기 탄소 나노 필름의 상기 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 93:7인 경우에 대해서 설명하기로 한다.
상기 탄소 섬유는 플라즈마 처리된 탄소 섬유일 수 있다. 상기 탄소 섬유는 플라즈마 처리에 의하여 표면에 수산기(OH), 카복실기(COOH), 및 카보닐기(C(O))와 같은 산소 함유 관능기가 도입될 수 있다. 이러한 산소 함유 관능기는 도 1의 구조를 갖는 쉘락의 수산기(OH) 또는 카복실기(COOH)와 공유결합을 형성하는 것에 의하여, 탄소 섬유 표면에서의 분산성이 향상될 수 있다. 그 결과, 탄소 섬유 표면의 일부에 응집되지 않고, 탄소 섬유 전체를 균일하게 덮는 탄소 나노 필름의 형성이 가능하다. 따라서, 이어지는 열처리 과정에 의하여 탄소 섬유 전체를 균일하게 덮는 탄소 나노 필름이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 표면 처리 탄소 섬유는 탄소 섬유 표면에서 탄소 나노 필름이 직접 형성되는 것에 의하여, 탄소 섬유와 탄소 나노 필름이 일체형(one body)의 구조를 가질 수 있다. 탄소 섬유와 탄소 나노 필름이 일체형의 구조를 가지는 것에 의하여 탄소 섬유로부터 탄소 나노 필름이 탈리되는 것을 방지할 수 있고, 그 결과 탄소 섬유와 탄소 나노 필름의 견고한 결합이 보장된다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 표면 처리 탄소 섬유는 탄소 섬유에 형성된 탄소 나노 필름의 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인 것에 의하여, 상기 표면 처리 탄소 섬유가 수지와 조합되어 사용되는 경우에 상용성이 뛰어날 뿐만 아니라, 수소 결합의 형성에 의하여 기계적 강도가 현저히 향상된다.
일 구현예에 있어서, 상기 탄소 나노 필름은 쉘락 유래 탄소 나노 필름을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노 필름은 쉘락의 도포 후 열처리하여 형성된 탄소 나노 필름일 수 있다.
상기 쉘락은 6각 및 5각 탄소 고리를 함유하고 히드록실기와 카복실기가 지방족 탄소쇄에 결합된 구조를 갖는 생고분자(biopolymer)로서, 히드록실기와 카복실기의 존재로 인해 기재에 대한 강력한 결합력을 부여할 수 있다. 쉘락은 150℃ 이상의 온도에서 탈수 반응이 진행되어 수증기와 함께 메틸, 에틸과 같은 탄화수소 단분자로 분해된다. 이러한 탄화수소 단분자는 이후에 탄소 나노 필름, 예를 들어 그래핀 산화물층을 형성하는 원료로 이용된다. 한편, 본원의 발명자는 온도를 상승시킴에 따라, 쉘락이 탄화수소 단분자들의 재배열화에 의하여 완전하지 않은 그래핀 산화물층을 형성하는 것을 확인하였다.
종래에는 탄소 섬유의 계면 특성을 향상시키기 위하여 탄소 섬유의 표면에 환원된 그래핀 산화물층을 도입하는 방법이 제안되어 왔다. 하지만, 탄소 섬유의 표면에 존재하는 관능기와 환원된 그래핀 산화물의 말단에 존재하는 관능기의 반응에 의해 형성된 화학 결합을 통해 탄소 섬유 표면에 환원된 그래핀 산화물층을 도입하는 것이기 때문에, 탄소 섬유 표면을 균일하게 환원된 그래핀 산화물로 코팅하기에는 한계점이 존재하였다. 대안적으로, 탄소 섬유 표면에 그래핀 산화물층을 CVD 법을 통하여 균일하게 코팅한 후, 그래핀 산화물을 환원시키는 방법으로 탄소 섬유 표면에 환원된 그래핀 산화물층을 도입하는 방법이 제안되었으나, 환원 공정의 극심한 공정 조건으로 인해 그래핀 산화물층의 붕괴가 발생하여, 탄소 섬유 전체를 균일하게 코팅하기 위한 과제는 난제로 남아 있었다. 한편, 본 발명자는 쉘락을 탄소 섬유에 코팅하고, 코팅된 상기 쉘락 필름이 열처리 공정에서 탄소섬유 위에 탄소 나노층으로 바로 변환됨으로써, 탄소 섬유 표면에 균일하고도 탄소 섬유를 완전히 덮는 동시에 기저 탄소 섬유와 단단히 결합하는 탄소 나노 코팅층을 형성할 수 있었다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노 필름은 단일층 또는 멀티층의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노 필름은 단일의 시트 형상을 갖거나, 단일의 시트가 복수개 적층되어 있는 멀티층의 구조를 가질 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노 필름은 상기 탄소 섬유의 표면을 완전히 덮을 수 있다. 상기 탄소 나노 필름이 상기 탄소 섬유의 표면을 완전히 덮음으로써, 후술하는 고분자 기지와의 결합력이 현저히 향상된다. 탄소 섬유 표면 전반에 탄소 나노 필름이 배치되지 않은 경우, 탄소 섬유와 고분자 기지의 계면에서의 결합력 약화로 인해 서로 분리될 수 있고, 이는 내구성의 저하로 이어질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노 필름은 하나 이상의 환원된 그래핀 산화물층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 그래핀 산화물층은 2 내지 75개의 환원된 그래핀 산화물 시트가 적층된 구조를 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노 필름은 2 내지 100 nm의 범위의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노 필름은 2 내지 90 nm, 2 내지 80 nm, 2 내지 70 nm, 2 내지 60 nm, 2 내지 50 nm, 4 내지 90 nm, 6 내지 90 nm, 8 내지 90 nm, 10 내지 90 nm, 20 내지 90 nm, 30 내지 90 nm, 40 내지 90 nm의 범위의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 탄소 나노 필름 제조 공정 조건, 예를 들어 탄소 섬유 및 탄소원의 공급량, 열처리의 온도 및 시간을 적절히 조절함에 따라 제어될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노 필름 및 상기 탄소 섬유는 화학적으로 결합되어 있을 수 있다. 여기서, 용어 "화학적으로 결합"은 물리적인 결합, 예를 들어 단순 접합, 단순 적층이 아닌, 공유결합, 수소결합 등과 같은 원자간 화학 결합을 의미한다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노 필름 및 상기 탄소 섬유는 탄소-탄소 공유결합에 의해 연결될 수 있다. 따라서, 이러한 공유 결합에 의하여 탄소 나노 필름 및 탄소 섬유의 결합이 매우 안정적이고, 계면 특성이 향상된다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노 필름은 표면에 카복실레이트기(COO) 및 수산기(OH) 중 적어도 하나의 관능기를 포함할 수 있다. 이러한 카복실레이트기 또는 수산기는 예를 들어 매트릭스에 혼합하여 사용하는 경우에, 매트릭스와 수소 결합을 형성함으로써 매트릭스와 탄소 섬유 사이에 강력한 계면력을 갖는다. 이에 의하여, 매트릭스로부터 탄소 섬유의 분리가 억제된다. 상기 카복실레이트기 및 수산기는 탄소 나노 필름을 형성하는 재료로부터 유래되거나, 추가적인 플라즈마 처리에 의하여 도입될 수 있다.
일 측면에 따르면, 탄소 섬유; 상기 탄소 섬유 표면에 형성된 탄소 나노 필름; 및 상기 탄소 나노 필름 상에 배치된 고분자 기지;를 포함하고, 상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인, 표면 처리 탄소 섬유 복합체가 개시된다.
일 구현예에 따르면, 상기 고분자 기지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 비닐에스터 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리아미드 (polyamide) 수지, 폴리카보네이트 (polycarbonate) 수지, 폴리에테르케톤케톤 (polyether ketone ketone, PEKK) 수지, 폴리에테르이미드 (polyetherimide, PEI) 수지, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 고분자 기지는 카보닐기(C(O)), 플루오린기(F), 수산기(OH) 및 아민기(NH) 중 적어도 하나를 관능기로 포함하는 고분자 수지일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 기지는 카보닐기(C(O)), 아미노기(NH), 또는 이들의 조합을 관능기로 포함하는 고분자 수지일 수 있다. 상기 고분자 기지에서 상기 관능기는 고분자 수지 자체에 기존재하거나, 카보닐기 또는 아미노기를 포함하는 전구체와의 반응에 의하여 고분자 수지에 도입될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 탄소 나노 필름과 상기 고분자 기지는 화학적으로 결합되어 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노 필름과 상기 고분자 기지는 수소 결합에 의하여 결합될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 탄소 나노 필름은 카복실레이트기(COO) 및 수산기(OH)기 중 적어도 하나의 관능기를 포함하고, 상기 고분자 기지는 카보닐기(C(O)) 및 아미노기(NH) 중 적어도 하나를 관능기로 포함할 수 있다. 이로부터 탄소 나노 필름과 고분자 기지 사이에 복수의 수소 결합이 형성되어, 탄소 나노 필름과 고분자 기지가 견고하게 결합된다.
도 7을 참고하면, 플라즈마 처리하지 않은 탄소 섬유를 이용하여 제조한 표면 처리 탄소 섬유 복합체(좌측) 및 플라즈마 처리한 탄소 섬유를 이용하여 제조한 표면 처리 탄소 섬유 복합체(우측)의 절단면에 대한 SEM이 제공된다. 좌측의 사진에서는 고분자 기지와 탄소 나노 필름이 탄소 섬유와 약한 계면력에 의하여 분리되어 존재하고 있으나, 우측의 사진에서는 고분자 기지와 탄소 나노 필름이 탄소 섬유와 강력한 계면력에 의하여 결합되어 있음을 확인할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 탄소 나노 필름이 표면에 형성된 복수의 탄소 섬유; 복수의 탄소 섬유 사이에 개재된 고분자 기지;를 포함하고, 상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인, 표면 처리 탄소 섬유 복합 적층 구조체가 제공된다.
또 다른 측면에 있어서, 탄소 나노 필름은 5nm 내지 25 nm의 표면거칠기(Ra)를 가질 수 있다. 일 구현예에 따르면, 탄소 나노 필름은 400˚C의 열처리 후 5 nm 내지 15 nm의 표면거칠기를 가질 수 있다. 다른 구현예에 따르면, 탄소 나노 필름은 700˚C의 열처리 후 15 nm 내지 25 nm의 표면거칠기를 가질 수 있다. 탄소 나노 필름의 표면 거칠기가 높아짐에 따라, 탄소 섬유는 탄소 섬유 표면에 배치된 탄소 나노 필름의 표면과 고분자 기지 사이의 인터로킹(interlocking) 효과를 통해 강한 결합을 형성할 수 있다.
따라서, 복수의 표면 처리 탄소 섬유를 적층하여 적층 구조체(laminate structure)를 형성하는 경우, 복수의 전술한 표면 처리 탄소 섬유에 고분자 기지를 개재함으로써, 복수의 표면 처리 탄소 섬유가 고분자 기지를 통해 견고하게 결합된 적층 구조체가 얻어진다.
표면 처리 탄소 섬유 복합 적층 구조체는, 예를 들어 (i) 탄소 섬유/탄소 나노 필름/고분자 기지/탄소 나노 필름/탄소 섬유; (ii) 탄소 섬유/탄소 나노 필름/고분자 기지/탄소 나노 필름/탄소 섬유/탄소 나노 필름/고분자 기지/탄소 나노 필름/탄소 섬유; 또는 (iii) 탄소 섬유/탄소 나노 필름/고분자 기지/탄소 나노 필름/탄소 섬유/탄소 나노 필름/고분자 기지/탄소 나노 필름/탄소 섬유/탄소 나노 필름/고분자 기지/탄소 나노 필름/탄소 섬유;의 구조를 가질 수 있다.
상기 표면 처리 탄소 섬유 복합 적층 구조체는 높은 내구성을 가짐으로써, 스포츠, 레져, 산업용 장비, 전자 장치, 건축자재, 의료장비, 운송장비, 비행기 등의 다양한 분야에서의 적용이 가능하다.
도 8을 참고하면, 일 측면에 따른 탄소 섬유의 제조 방법이 개시된다. 구체적으로는, 탄소원을 포함하는 코팅 용액을 탄소 섬유 상에 제공하는 단계; 및 코팅 용액에 제공된 탄소 섬유를 열처리하여 상기 탄소 섬유 상에 탄소 나노 필름을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인, 표면 처리 탄소 섬유의 제조방법이 제공된다.
일 구현예에 따르면, 상기 코팅 용액을 탄소 섬유 상에 제공하는 단계 이전에, 상기 탄소 섬유를 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 처리는 대기중에서 탄소 섬유의 표면을 플라즈마 처리하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 플라즈마 처리에 의하여, 탄소 섬유 표면에 탄소원과 결합이 가능한 산소 함유 관능기가 도입되고, 이에 의하여 코팅 용액이 탄소 섬유 표면 전체에 균일하게 코팅될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소원은 쉘락을 포함할 수 있다. 상기 쉘락에 관한 내용은 전술한 바를 참고한다.
일 구현예에 따르면, 상기 코팅 용액은 탄소원을 유기 용매에 용해시키는 것에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 용매는 알코올계 용매, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소원은 유기 용매에 용해시키기 이전에, 상기 탄소원을 기계적 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 기계적 분쇄는 물리적 힘에 의한 분쇄를 의미한다. 예를 들어, 기계적 분쇄는 볼밀, 해머밀, 롤러밀 등을 이용하여 수행될 수 있다. 씨드락을 용매에 첨가하기 이전에 기계적 분쇄하는 것에 의하여, 용매에 대한 분산성이 향상될 수 있고, 이와 동시에 용해시간을 단축시킬 수 있으므로, 전체 공정 시간이 단축될 수 있다.
상기 코팅 용액 내에 상기 탄소원은 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%로 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅 용액 내에 상기 탄소원은 약 0.5 중량% 내지 약 10 중량%, 약 1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 2 중량% 내지 약 10 중량%, 약 3 중량% 내지 약 10 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 9 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 8 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 7 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 6 중량%, 또는 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량% 포함될 수 있다.
상기 코팅 용액을 상기 탄소 섬유 상에 제공하는 단계는 상기 코팅 용액을 상기 탄소 섬유에 분무하여 코팅하는 분무 코팅법(spray coating), 또는 상기 탄소 섬유를 상기 코팅 용액에 침지하여 코팅하는 딥 코팅법(dip coating)에 의하여 수행될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 섬유를 상기 코팅 용액에 침지시키는 경우, 코팅 용액에 적셔진 탄소 섬유를 건조하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 건조 단계는 약 5~20분간 실온(예를 들어, 25℃)에서 건조하는 단계를 포함하지만, 이에 한정되지 않고 탄소 섬유의 물성을 해치지 않는 실온보다 높은 온도에서 실온에서의 건조시간 보다 짧은 시간 동안 건조할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 열처리는 약 400 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리는 약 400 내지 약 1000℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 열처리는 약 450 내지 약 750℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 열처리가 전술한 온도 범위의 고온에서 수행됨으로써, 코팅층에서 산소의 아웃개싱(outgasing) 현상에 의해 산소함량이 감소하게 되고, 그 결과 산소 함량이 줄어든 고품질의 그래핀의 제조가 가능하다.
일 구현예에 따르면, 상기 열처리하는 단계는 불활성 분위기 하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리하는 단계는 질소, 아르곤, 수소, 또는 이들의 조합의 가스 분위기 하에서 수행될 수 있다.
상기 열처리하는 단계는 약 1분 내지 약 60분의 시간 동안 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리하는 단계는 약 10분 내지 약 50분의 시간 동안 수행될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 열처리하는 단계는 약 25분 내지 약 40분의 시간 동안 수행될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 열처리는 13 mbar 이하 압력의 진공에서 수행될 수 있다. 더 구체적으로, 1 mbar 이하 압력의 진공에서 수행될 수 있다. 더 구체적으로, 0.1 mbar 이하 압력의 진공에서 수행될 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 열처리하는 단계는, 대기조건에서 수행될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 열처리하는 단계는 복사열전달에 기반한 열원을 통해 국소부위의 온도를 향상시켜 수행될 수 있고, 이때 복사 열원은 레이저일 수 있다.
전술한 온도, 시간 및 압력 조건에서 열처리가 수행됨에 따라, 탄소 섬유 전반에 걸쳐서 균일한 탄소 나노 필름이 형성될 수 있다.
상기 열처리 단계에 의하여, 탄소 섬유 상에 제공된 코팅 용액 중 용매가 제거되고, 이와 동시에 탄소원, 예를 들어 쉘락으로부터 탄소 나노 필름 형성 재료인 탄화수소 소분자가 형성되고, 이러한 탄화수소 소분자가 탄소 섬유 표면에서 환원된 그래핀 산화물과 같은 sp2 혼성화된 탄소 네트워크를 형성한다. 이에 의하여, 탄소 나노 필름으로 덮힌 표면 처리 탄소 섬유가 형성된다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 섬유와 상기 탄소 나노 필름은 공유 결합에 의하여 연결되어 일체를 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 열처리 단계에 의하여 탄소 섬유 표면에 sp2 혼성화된 탄소 네트워크를 갖는 탄소 나노 필름이 형성되고, sp2 탄소에 존재하는 비공유 전자 1개가 인접한 탄소 섬유의 탄소에 존재하는 비공유 전자 1개와 공유 결합을 형성한다. 이에 의하여, 탄소 섬유 및 탄소 나노 필름이 견고하게 결합되고, 외력에 대한 파괴강도가 높아지는 이점을 갖는다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 나노 필름은 복수의 환원된 그래핀 산화물층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노 필름은 2층 이상의 환원된 그래핀 산화물층을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 섬유 상에 탄소 나노 필름을 형성하는 단계 이후에, 상기 탄소 나노 필름에 플라즈마 처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 탄소 섬유 상에 탄소 나노 필름을 형성하는 단계와 동시에 상기 탄소 나노 필름에 플라즈마 처리 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄소 나노 필름에 플라즈마 처리를 수행함에 따라 탄소 나노 필름 표면에 추가적인 카보닐기 또는 수산기와 같은 산소-함유 관능기를 도입할 수 있다. 이러한 추가의 산소-함유 관능기는 표면 처리 탄소 섬유와 고분자 기지 사이의 화학적 결합력의 증가에 기여한다.
도 9을 참고하면, 표면 처리 탄소 섬유 복합체의 제조 방법이 개시된다. 구체적으로는, 탄소원을 포함하는 코팅 용액을 탄소 섬유 상에 제공하는 단계; 및 코팅 용액에 제공된 탄소 섬유를 열처리하여 상기 탄소 섬유 상에 탄소 나노 필름을 형성하는 단계; 탄소 나노 필름 상에 매트릭스 층을 적층한 후 압축 성형하는 단계를 포함하고, 상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인, 표면 처리 탄소 섬유 복합체의 제조방법이 제공된다. 구체적으로, 상기 탄소 나노 필름의 상기 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율은 88:12 내지 95:5일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 탄소 나노 필름의 상기 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율은 88:12 내지 93:7일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 매트릭스 층을 적층한 후, 탄소 나노 필름이 형성된 탄소 섬유를 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 압축 성형은 약 260℃ 내지 약 280℃의 온도, 약 1 bar 내지 약 100 bar의 압력 하에서 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 표면 처리 탄소 섬유 복합체가 파손되지 않는 온도 및 압력 하에서 수행될 수 있다.
[실시예]
(표면 처리 탄소 섬유의 제조 및 평가)
대조군 1
Toray 사로부터 T300의 탄소 섬유 직물을 구입하여 준비하였다.
대조군 2
Toray 사로부터 구입한 탄소 섬유 직물에 대하여 700W 내지 900W 범위의 전력으로 구동되는 대기압 플라즈마 장비(atmospheric plasma)를 이용하여 표면 플라즈마 처리를 수행하여, 플라즈마 처리된 탄소 섬유를 얻었다.
비교예 1
122 ml (96g)의 이소프로필 알코올 중에 4g의 쉘락 플레이크를 첨가하고 60℃에서 1시간 동안 교반하여, 코팅 용액을 제조하였다. 이어서, 대조군 1의 탄소 섬유 직물을 상기 코팅 용액 내에 1회 침지시켰다. 침지된 탄소 섬유를 25℃의 실온에서 10분간 건조하여, 표면에 탄소 코팅층이 배치된 탄소 섬유를 얻었다.
비교예 2
대조군 1의 탄소 섬유 직물 대신에, 대조군 2의 탄소 섬유 직물을 이용한 점을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 표면에 탄소 코팅층이 배치된 탄소 섬유를 얻었다.
실시예 1
122 ml (96g)의 이소프로필 알코올 중에 4g의 쉘락 플레이크를 첨가하고 60℃에서 1시간 동안 교반하여, 코팅 용액을 제조하였다. 이어서, 대조군 1의 탄소 섬유 직물을 상기 코팅 용액 내에 1회 침지시켰다. 침지된 탄소 섬유를 25℃의 실온에서 10분간 건조한 후, 여, 탄소 섬유를 로(furnace)에 넣고 400℃에서 열처리하는 것에 의하여, 표면에 탄소 나노 필름이 형성된 표면 처리 탄소 섬유를 얻었다.
실시예 2
열처리 온도를 500℃로 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 표면 처리 탄소 섬유를 얻었다.
실시예 3
열처리 온도를 600℃로 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 표면 처리 탄소 섬유를 얻었다.
실시예 4
열처리 온도를 700℃로 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 표면 처리 탄소 섬유를 얻었다.
실시예 5
122 ml (96g)의 이소프로필 알코올 중에 4g의 쉘락 플레이크를 첨가하고 60℃에서 1시간 동안 교반하여, 코팅 용액을 제조하였다. 이어서, 대조군 2의 탄소 섬유 직물을 상기 코팅 용액 내에 1회 침지시켰다. 침지된 탄소 섬유를 25℃의 실온에서 10분간 건조한 후, 여, 탄소 섬유를 로(furnace)에 넣고 400℃에서 열처리하는 것에 의하여, 표면에 탄소 나노 필름이 형성된 표면 처리 탄소 섬유를 얻었다.
실시예 6
열처리 온도를 500℃로 조정한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로, 표면 처리 탄소 섬유를 얻었다.
실시예 7
열처리 온도를 600℃로 조정한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로, 표면 처리 탄소 섬유를 얻었다.
실시예 8
열처리 온도를 700℃로 조정한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로, 표면 처리 탄소 섬유를 얻었다.
평가예 1
대조군 1 및 2, 비교예 1 및 2, 실시예 1 내지 8에서 얻은 탄소 섬유의 표면을 관찰하기 위하여 SEM 사진을 찍었고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
사진에서 보는 바와 같이, 플라즈마 처리된 탄소 섬유 직물을 이용하는 대조군 2, 비교예 2, 실시예 5 내지 8의 표면 처리 탄소 섬유는 표면에 균일한 탄소 나노 필름이 형성된 것을 확인할 수 있고, 플라즈마 처리되지 않은 탄소 섬유 직물을 이용하는 대조군 1, 비교예 1, 실시예 1 내지 4의 표면 처리 탄소 섬유는 탄소 나노 필름이 부분적으로 표면에 존재하거나, 응집된 형태를 보이는 것이 확인된다.
이러한 결과를 통해, 탄소 섬유의 플라즈마 처리에 의하여 탄소 섬유 표면에 균일하고 완전한 탄소 필름의 형성이 가능함을 알 수 있다.
평가예 2
대조군 1 및 2, 비교예 1 및 2, 실시예 1 내지 8의 표면 처리 탄소 섬유의 표면에 대한 분석을 위하여, XPS 분석을 수행하였고, C1s, O1s 원자 비율(at%), 및 C/O 비율을 하기 표 1에 나타내었다.
플라즈마 처리 여부 열처리 온도
(℃)		 원자 원자% C/O 비율
대조군 1 무 - C1s 87.3 6.87
O1s 12.7
대조군 2 유 - C1s 85.9 6.09
O1s 14.1
비교예 1 무 - C1s 57.2 1.34
O1s 42.8
비교예 2 유 - C1s 56.9 1.32
O1s 43.1
실시예 1 무 400 C1s 88.2 7.47
O1s 11.8
실시예 2 무 500 C1s 89.4 8.43
O1s 10.6
실시예 3 무 600 C1s 89.3 8.35
O1s 10.7
실시예 4 무 700 C1s 91.8 11.2
O1s 8.2
실시예 5 유 400 C1s 88.4 7.62
O1s 11.6
실시예 6 유 500 C1s 90.1 9.1
O1s 9.9
실시예 7 유 600 C1s 91.6 10.9
O1s 8.4
실시예 8 유 700 C1s 92.2 11.82
O1s 7.8
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 비교예 1 및 2의 경우 쉘락이 단순 코팅된 됨으로써 상대적으로 O의 비율이 높게 나타났으나, 열처리에 과정에 의하여 쉘락 중 산소 원자가 제거되고 탄소 원자가 재배열되어 탄소 나노 필름을 형성함에 따라 탄소 원자의 비율이 산소에 비해 월등히 높아졌다. 또한, 동일한 열처리 온도에서는 탄소 섬유 직물을 플라즈마 처리한 경우에 탄소 섬유 표면에 더욱 조밀한 탄소 나노 필름이 형성됨에 따라 더 높은 C/O 비율을 보였다.
평가예 3
대조군 1 및 2, 비교예 1 및 2, 실시예 4 및 실시예 8의 탄소 섬유 표면을 FT-IR 장치를 이용하여 측정하는 것에 의하여 관능기의 종류를 확인하였다. 그 결과는 도 3에서 제공하였다.
도 3을 참고하면, 탄소원으로 쉘락을 사용하여 플라즈마 처리 또는 비처리된 탄소 섬유 표면에 탄소 나노 필름을 형성한 경우, 표면 처리 탄소 섬유에 함유된 산소 함유 관능기는 이산화탄소(CO2), 카보닐기(C(O)), 수산기(OH), 에테르기(C-O)인 것을 확인할 수 있다.
평가예 4
대조군 1 및 2, 비교예 1 및 2, 실시예 1 내지 8의 탄소 섬유에 대하여 FT-IR 장치를 이용하여 그래프를 얻은 후, 피크 크기의 적분을 통해 C=C 결합에 대한 산소 함유 관능기의 비율, 및 이산화탄소(CO2)에 대한 카보닐기(C(O)) 및 수산기(OH)의 비율을 계산하여 그래프로 도 4에서 나타내었다.
도 4의 상단 그래프를 참고하면, 열처리 온도가 높아짐에 따라 C=C 결합의 비율이 높아지고, 그 결과 C=C 결합에 대한 산소 함유 관능기의 비율이 점차적으로 낮아지는 것을 관찰할 수 있다. 이는 열처리 온도의 증가에 따라 탄소 섬유 표면에 탄소 나노 필름이 형성되는 것을 의미한다. 또한, 플라즈마 처리된 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 그래프의 기울기가 더 가파르고, 이는 더욱 조밀한 탄소 나노 필름의 형성을 의미한다.
도 4의 하단 그래프를 참고하면, 카보닐기 및 수산기의 비율은 열처리 온도의 증가에 따라 점진적으로 증가하는 추세를 확인할 수 있다. 이는 다른 재료와의 수소 결합의 높은 가능성을 나타내는 것이고, 매트릭스와 복합체를 이루는 경우 수소 결합의 형성에 의하여 높은 접착력을 부여한다.
(적층된 표면 처리 탄소 섬유 복합체의 제조 및 평가)
비교예 3
대조군 1의 탄소 섬유의 일면에 PA66 필름을 적층하고, 270℃온도와 10 bar의 압력에서 압축 성형하여 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제조하였다.
비교예 4
대조군 1의 탄소 섬유 대신에, 대조군 2에서 제작한 표면처리 탄소 섬유를 사용한 점을 제외하고는, 비교예 3과 동일한 방법으로 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제작하였다.
실시예 9
실시예 1에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유의 일면에 PA66 필름을 적층하고, 270℃온도와 10 bar의 압력에서 압축 성형하여 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제조하였다.
실시예 10
실시예 1에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유 대신에, 실시예 2에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제작하였다.
실시예 11
실시예 1에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유 대신에, 실시예 3에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제작하였다.
실시예 12
실시예 1에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유 대신에, 실시예 4에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제작하였다.
실시예 13
실시예 1에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유 대신에, 실시예 5에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제작하였다.
실시예 14
실시예 1에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유 대신에, 실시예 6에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제작하였다.
실시예 15
실시예 1에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유 대신에, 실시예 7에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제작하였다.
실시예 16
실시예 1에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유 대신에, 실시예 8에서 제작한 표면 처리 탄소 섬유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 9와 동일한 방법으로 표면 처리 탄소 섬유 복합체를 제작하였다.
평가예 5
비교예 3 및 4, 실시예 9 내지 16에서 제작된 표면 처리 탄소 섬유 복합체에 대하여 ASTM D2344에 의거하여 층간전단강도(ILSS)를 측정하였고, ASTM D7264에 의거하여 굽힘강도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 3, 및 도 5 및 6에서 나타내었다.
상기 ASTM D2344에 의거한 층간전단강도 층적은 crosshead 하강 속도 (1mm/min), 실험온도 (상온, 27℃)에서 수행되었다.
상기 ASTM D7264에 의거한 굽힘강도 측정은 crosshead 하강 속도 (1mm/min), 실험온도 (상온, 27℃)에서 수행되었다.
플라즈마 처리 유무 열처리 온도
(℃)		 ILSS
(MPa)		 증가율(%)
(a) (b)
비교예 3 무 - 25.1 기준 -
비교예 4 유 - 26.8 6.8 기준
실시예 9 무 400 27.7 10.4 -
실시예 10 무 500 28.6 13.9
실시예 11 무 600 31.1 24
실시예 12 무 700 36.9 47
실시예 13 유 400 28.5 13.5 6.3
실시예 14 유 500 29.5 17.5 10.1
실시예 15 유 600 34.1 35.9 27.2
실시예 16 유 700 40.1 59.8 49.6
((a)는 비교예 3 대비 실시예 9 내지 16의 ILSS의 증가율을 나타낸 것이고, (b)는 비교예 4 대비 플라즈마 처리된 실시예의 13 내지 16의 ILSS의 증가율을 나타냄.)
플라즈마 처리 유무 열처리 온도
(℃)		 굽힘강도
(MPa)		 증가율(%)
(a) (b)
비교예 3 무 - 231.2 기준
비교예 4 유 - 267.3 15.6 기준
실시예 9 무 400 338.1 46.2
실시예 10 무 500 362.4 56.7
실시예 11 무 600 435.7 88.5
실시예 12 무 700 531.7 130
실시예 13 유 400 352.5 52.5 31.9
실시예 14 유 500 426.2 84.4 59.4
실시예 15 유 600 476 105.9 78.1
실시예 16 유 700 582.5 152 117.9
((a)는 비교예 3 대비 실시예 9 내지 16의 굽힘강도의 증가율을 나타낸 것이고, (b)는 비교예 4 대비 플라즈마 처리된 실시예의 13 내지 16의 굽힘강도의 증가율을 나타냄.)
표 2 및 도 5를 참고하면, 열처리 온도가 높아짐에 따라 층간전단강도 값은 점점 높아짐을 알 수 있다. 이는 탄소 섬유 표면에 형성된 탄소 나노 필름에 존재하는 산소 함유 관능기의 비율이 높아짐에 따라 PA66 필름과 더 많은 수소 결합을 형성하기 때문인 것으로 평가된다. 또한, 동일한 열처리 온도에서는 플라즈마 처리된 탄소 섬유를 이용한 경우에 더 높은 층간전단강도 값을 보였는데, 이는 플라즈마 처리에 의하여 탄소 섬유 표면 전체에 걸쳐서 탄소 나노 필름이 형성될 수 있는 환경이 조성되고, 이로부터 탄소 섬유 표면에 전반에 탄소 나노 필름이 균일하게 형성된 것에 기인한다.
또한, 표 3 및 도 6을 참고하면, 앞서 설명한 바와 동일한 이유로, 열처리 온도의 증가 및 플라즈마 처리에 따라 층간 벗겨짐 또는 층간 부서짐 없이 단단하게 결합되어 굽힘 강도가 증가하는 것을 알 수 있다.
이상에서는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 탄소 섬유; 및
    상기 탄소 섬유 표면에서 형성된 탄소 나노 필름;을 포함하고,
    상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인, 표면 처리(surface treated) 탄소 섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름은 쉘락 유래 탄소 나노 필름인, 표면 처리 탄소 섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름은 하나 이상의 그래핀 옥사이드층을 포함하는, 표면 처리 탄소 섬유.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름은 2 내지 100 nm의 범위의 두께를 갖는, 표면 처리 탄소 섬유.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름 및 상기 탄소 섬유는 화학적으로 결합되어 있는, 표면 처리 탄소 섬유.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름 및 상기 탄소 섬유는 탄소-탄소 공유결합에 의해 연결된, 표면 처리 탄소 섬유.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름은 표면에 카복실레이트기(COO) 및 수산기(OH) 중 적어도 하나의 관능기를 포함하는, 표면 처리 탄소 섬유.
  8. 탄소 섬유;
    상기 탄소 섬유 표면에 형성된 탄소 나노 필름; 및
    상기 탄소 나노 필름 상에 배치된 고분자 기지;를 포함하고,
    상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인, 표면 처리 탄소 섬유 복합체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고분자 기지는 에폭시(epoxy) 수지, 페놀(phenol) 수지, 비닐에스터(vinylester) 수지, 폴리에스테르(polyester) 수지, 폴리에틸렌(polyethylene) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone) 수지, 폴리아미드 (polyamide) 수지, 폴리카보네이트 (polycarbonate) 수지, 폴리에테르케톤케톤 (polyether ketone ketone, PEKK) 수지, 폴리에테르이미드 (polyetherimide, PEI) 수지, 또는 이들의 조합을 포함하는, 표면 처리 탄소 섬유 복합체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름과 상기 고분자 기지는 화학적으로 결합되어 있는, 표면 처리 탄소 섬유 복합체.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름과 상기 고분자 기지는 수소 결합에 의하여 결합된, 표면 처리 탄소 섬유 복합체.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름은 카복실레이트기(COO) 및 수산기(OH)기 중 적어도 하나의 관능기를 포함하고,
    상기 고분자 기지는 카보닐기(C(O)), 플루오린기(F), 수산기(OH) 및 아민기(NH) 중 적어도 하나를 관능기로 포함하는, 표면 처리 탄소 섬유 복합체.
  13. 탄소원을 포함하는 코팅 용액을 탄소 섬유 상에 제공하는 단계; 및
    코팅 용액에 제공된 탄소 섬유를 열처리하여 상기 탄소 섬유 상에 탄소 나노 필름을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 탄소 나노 필름은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 비율이 88:12 내지 99:1인, 표면 처리 탄소 섬유의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 탄소원은 쉘락을 포함하는, 표면 처리 탄소 섬유의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 코팅 용액은 탄소원을 유기 용매에 분산시키는 것에 의하여 제조된, 표면 처리 탄소 섬유의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 탄소원을 포함하는 코팅 용액을 탄소 섬유 상에 제공하는 단계는 딥 코팅법에 의하여 수행된, 표면 처리 탄소 섬유의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 열처리는 400℃ 내지 1500℃ 범위의 온도에서 수행된, 표면 처리 탄소 섬유의 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름은 복수의 환원된 그래핀 산화물층을 포함하는, 표면 처리 탄소 섬유의 제조 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 탄소 나노 필름에 플라즈마 처리 하는 단계를 더 포함하는, 표면 처리 탄소 섬유의 제조 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 탄소 섬유와 상기 탄소 나노 필름은 공유 결합에 의하여 연결되어 일체(one body)를 형성하는, 표면 처리 탄소 섬유의 제조 방법.
KR1020200029161A 2020-03-09 2020-03-09 표면 처리 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 표면 처리 탄소 섬유를 포함하는 표면 처리 탄소 섬유 복합체 KR102398650B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200029161A KR102398650B1 (ko) 2020-03-09 2020-03-09 표면 처리 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 표면 처리 탄소 섬유를 포함하는 표면 처리 탄소 섬유 복합체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200029161A KR102398650B1 (ko) 2020-03-09 2020-03-09 표면 처리 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 표면 처리 탄소 섬유를 포함하는 표면 처리 탄소 섬유 복합체

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210113874A true KR20210113874A (ko) 2021-09-17
KR102398650B1 KR102398650B1 (ko) 2022-05-16

Family

ID=77924155

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200029161A KR102398650B1 (ko) 2020-03-09 2020-03-09 표면 처리 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 표면 처리 탄소 섬유를 포함하는 표면 처리 탄소 섬유 복합체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102398650B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115538170A (zh) * 2022-09-06 2022-12-30 长春工业大学 一种改性碳纤维及其制备方法和应用以及改性碳纤维环氧树脂复合材料

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150026092A (ko) * 2013-08-30 2015-03-11 한국기계연구원 부분 환원된 산화 그래핀을 포함하는 탄소 섬유 복합재 및 이의 제조방법
CN107687090A (zh) * 2017-08-14 2018-02-13 杭州高烯科技有限公司 一种石墨烯交联的碳纤维丝束、织物及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150026092A (ko) * 2013-08-30 2015-03-11 한국기계연구원 부분 환원된 산화 그래핀을 포함하는 탄소 섬유 복합재 및 이의 제조방법
CN107687090A (zh) * 2017-08-14 2018-02-13 杭州高烯科技有限公司 一种石墨烯交联的碳纤维丝束、织物及其制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115538170A (zh) * 2022-09-06 2022-12-30 长春工业大学 一种改性碳纤维及其制备方法和应用以及改性碳纤维环氧树脂复合材料
CN115538170B (zh) * 2022-09-06 2023-10-13 长春工业大学 一种改性碳纤维及其制备方法和应用以及改性碳纤维环氧树脂复合材料

Also Published As

Publication number Publication date
KR102398650B1 (ko) 2022-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4969363B2 (ja) プリプレグおよび炭素繊維強化複合材料
Jin et al. Review of methods for enhancing interlaminar mechanical properties of fiber-reinforced thermoplastic composites: Interfacial modification, nano-filling and forming technology
EP2803694B1 (en) Prepreg, preform, molded product, and method for manufacturing prepreg
US8273448B2 (en) Reinforced silicone resin films
Rahmani et al. Surface modification of carbon fiber for improving the interfacial adhesion between carbon fiber and polymer matrix
US9358756B2 (en) Interlaminer reinforced composite structures
CN111440342B (zh) 具有化学键强界面的cf/peek复合材料及其制备方法
KR102398650B1 (ko) 표면 처리 탄소 섬유, 이의 제조방법, 및 표면 처리 탄소 섬유를 포함하는 표면 처리 탄소 섬유 복합체
CN111410759A (zh) 高温力学性能优异的cf/peek复合材料及其制备方法
Ding et al. Enhancement of interfacial strength of overmolded hybrid structures of short fiber reinforced polyamide 6 on continuous fiber reinforced epoxy composites under various surface pretreatments
Xiong et al. A new strategy for improvement of interface and mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites by grafting graphene oxide onto carbon fiber with hyperbranched polymers via thiol‐ene click chemistry
Quan et al. Bio‐inspired metal ion coordination cross‐linking synergistic strategy to enhance the interfacial properties of carbon fiber composites
KR101089060B1 (ko) 최적화된 경화조건을 이용한 고강도 탄소섬유 강화 복합재료 제조방법
Fang et al. Study on catechol/tetraethylenepentamine and nano zinc oxide co‐modifying ultrahigh molecular weight polyethylene fiber surface to improve interfacial adhesion
Chen et al. Mechanism of adhesion promotion between aluminium sheet and polypropylene with maleic anhydride‐grafted polypropylene by γ‐aminopropyltriethoxy silane
WO2013011256A1 (en) Method for manufacturing a nanocomposite material
KR101357277B1 (ko) 탄소 나노 튜브를 함유하는 프리프레그 및 그 제조방법
Maharani et al. Nanosilica‐Chitosan Composite Coating on Cotton Fabrics
CN114016286A (zh) 一种官能化氧化石墨烯电泳沉积修饰碳纤维的方法及其碳纤维复合材料
CN108503865B (zh) 一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法
JP3109928B2 (ja) 炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法
KR101864512B1 (ko) 탄소섬유의 제조방법.
CN111923554B (zh) 具有高柔性及力学性能的复合材料及其制备方法和应用
WO2023218969A1 (ja) Ｆｒｐ前駆体の製造方法及びｆｒｐの製造方法
Lyu et al. Improving the interfacial adhesion between recycled carbon fibres and polyphenylene sulphide by bio-inspired dopamine for advanced composites manufacturing

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant