KR20220058130A - Polyamide-based carbon fiber reinforced composite material with enhanced bonding strength by light source and the method for producing the same - Google Patents

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Abstract

In the present specification, provided is a carbon fiber reinforced composite material which comprises a plurality of laminated carbon fiber reinforced sheets including carbon fibers and polyamide-based polymers, wherein -NH- and CH_2- functional groups are present on a surface of the matrix of the polyamide-based polymer.

Description

광원에 의하여 접착강도가 향상된 폴리아미드계열 탄소섬유강화 복합재료 및 그 제조 방법{POLYAMIDE-BASED CARBON FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL WITH ENHANCED BONDING STRENGTH BY LIGHT SOURCE AND THE METHOD FOR PRODUCING THE SAME}Polyamide-based carbon fiber-reinforced composite material with improved adhesive strength by light source and manufacturing method thereof

본 명세서는 광원에 의한 폴리아미드계열 탄소섬유강화 복합재료의 접착강도 향상 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present specification relates to an improvement in the adhesive strength of a polyamide-based carbon fiber-reinforced composite material by a light source and a method for manufacturing the same.

열가소성 (thermoplastic) 복합재료는 열경화성 (thermoset) 복합재료에 비해 충격내구성과 내환경성 등이 좋으며, 특히 재활용이 가능하여 친환경 경량소재라는 특징을 지닌다. 취성이 강한 복합재료는 구멍 가공을 통한 볼트 (Bolt), 리벳 (Rivet) 등을 통한 체결 방법보다 접착을 통한 조립 및 체결이 이뤄진다. 구조용 접착제는 대부분 열경화성 폴리머 기반 소재로 열가소성 복합재료와 접착강도가 낮은 문제점을 갖는다.Thermoplastic composite materials have better impact resistance and environmental resistance compared to thermoset composite materials, and are particularly characterized as eco-friendly lightweight materials because they can be recycled. Composite materials with strong brittleness are assembled and fastened through bonding rather than fastening through bolts and rivets through hole processing. Structural adhesives are mostly thermosetting polymer-based materials and have a problem of low adhesive strength with thermoplastic composite materials.

접착강도 향상을 위하여 기존에 널리 사용되는 샌딩(Sanding)이나 샌드 블라스팅(Sand blasting)과 같은 기계적 표면처리 방법은 복합재료 표면의 섬유를 손상시켜 물성이 저하되는 문제를 가지며, 또한 산 표면 처리(acid surface treatment) 혹은 프라이버 코팅 등과 같은 화학적 표면처리 방법 역시 열가소성 복합재료에 적용이 어려운 문제점이 지적되어 왔다.Mechanical surface treatment methods such as sanding or sand blasting, which are widely used in the past to improve adhesive strength, damage the fibers on the surface of the composite material and have a problem of lowering physical properties, and also acid surface treatment (acid surface treatment) Chemical surface treatment methods such as surface treatment) or private coating have also been pointed out as difficult to apply to thermoplastic composite materials.

한편, 최근 연구되고 있는 플라즈마 (plasma) 표면처리는 효과적이나 대면적 처리가 어렵고 상대적으로 비싼 공정으로 일반적 구조물에 적용이 어려운 실정이다.On the other hand, plasma surface treatment, which has been recently studied, is effective, but it is difficult to treat a large area and is a relatively expensive process, so it is difficult to apply to a general structure.

따라서, 넓은 면적의 열가소성 복합재료 표면을 저렴한 가격 처리하여 접착력을 효과적으로 높이는 기술 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for the development of a technology for effectively increasing the adhesive strength by treating a large area of the surface of a thermoplastic composite material at a low price.

이를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 구현예들은 광원을 이용한 표면 처리 방법을 도입하여 넓은 면적의 열가소성 복합재료 표면을 저렴한 가격 처리하여 접착력을 향상시키고자 한다.In order to solve this problem, the embodiments according to the present invention introduce a surface treatment method using a light source to treat a large area of a thermoplastic composite material at a low price to improve adhesion.

또한, 표면 처리를 통하여 폴리아미드계열 복합재료의 접착 강도를 향상시킴으로써 각종 경량화 이동체 (버스, 승용차, 항공기 등) 및 구조물에 열경화성 복합재료 대체 및 활용이 가능하도록 하고자 한다.In addition, by improving the adhesive strength of polyamide-based composite materials through surface treatment, it is intended to make it possible to substitute and utilize thermosetting composite materials for various lightweight moving objects (bus, passenger car, aircraft, etc.) and structures.

또한, 종래의 기계적 접합방법에서 접합을 위한 개구를 만드는 과정에서 표면 및 섬유의 손상을 가져와 물성이 저하되는 문제를 해결하고자 한다.In addition, in the conventional mechanical bonding method, in the process of making an opening for bonding, damage to the surface and fibers is caused to solve the problem of deterioration of physical properties.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 탄소 섬유 및 폴리아미드계 고분자를 포함하는, 적층된 복수의 탄소섬유 강화 시트;를 포함하며, 상기 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면 상에 -NH- 및 CH2- 작용기가 존재하는, 탄소섬유강화 복합재료를 제공한다.In one embodiment according to the present invention to achieve the above object, a plurality of laminated carbon fiber reinforced sheets comprising carbon fibers and a polyamide-based polymer is included, and on the surface of the matrix of the polyamide-based polymer Provided is a carbon fiber-reinforced composite material in which -NH- and CH 2 - functional groups exist.

일 구현예에서, 상기 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면 상에 폴리아미드계 고분자의 아미드 결합(CONH2)으로부터 유래된 -NH- 및 CH2- 작용기가 존재할 수 있다.In one embodiment, -NH- and CH 2 - functional groups derived from the amide bond (CONH 2 ) of the polyamide-based polymer may be present on the surface of the matrix of the polyamide-based polymer.

일 구현예에서, 상기 탄소섬유강화 복합재료의 표면은 FTIR 측정에 따른 N-H 스트레칭 피크 및 -CH2 스트레칭 피크를 가질 수 있다.In one embodiment, the surface of the carbon fiber-reinforced composite material may have an NH stretching peak and a -CH 2 stretching peak according to FTIR measurement.

일 구현예에서, 열경화성 접착제를 포함하는 접착층;을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the adhesive layer comprising a thermosetting adhesive; may further include.

일 구현예에서, 상기 -NH- 및 CH2- 작용기는 열경화성 접착제의 OH- 작용기와 화학결합을 형성할 수 있다.In one embodiment, the -NH- and CH 2 - functional groups may form a chemical bond with the OH- functional group of the thermosetting adhesive.

본 발명에 따른 다른 구현예에서, 탄소섬유강화 복합체를 준비하는 단계; 및 상기 탄소섬유강화 복합체 상에 광원을 조사하여 표면 처리하는 단계;를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료 제조방법을 제공한다.In another embodiment according to the present invention, preparing a carbon fiber reinforced composite; and surface-treating by irradiating a light source on the carbon fiber-reinforced composite.

일 구현예에서, 상기 표면 처리 단계에서 광원에 의하여 탄소섬유강화 복합재료 표면의 아미드 결합(CONH2)이 광분리(photo scission)될 수 있다.In one embodiment, in the surface treatment step, an amide bond (CONH 2 ) on the surface of the carbon fiber-reinforced composite material may be photo-scissed by a light source.

일 구현예에서, 상기 표면 처리 단계에서 폴리아미드계 고분자의 매트릭스는 산화, 탄화, 또는 화학적으로 분해되지 않을 수 있다.In one embodiment, in the surface treatment step, the matrix of the polyamide-based polymer may not be oxidized, carbonized, or chemically decomposed.

일 구현예에서, 상기 광원은 1.4 J/mm2 미만의 출력 밀도를 가질 수 있다.In one embodiment, the light source may have a power density of less than 1.4 J/mm 2 .

일 구현예에서, 열경화성 접착제를 포함하는 접착층을 표면 처리된 탄소섬유강화 복합체 상에 형성할 수 있다.In one embodiment, an adhesive layer including a thermosetting adhesive may be formed on the surface-treated carbon fiber-reinforced composite.

본 발명의 구현예들에 따른 탄소섬유강화 복합재료는 종래의 기계적 표면 처리방법이나 화학적 표면 처리방법이 표면의 강화 섬유를 손상시키거나 열가소성 고분자에는 적용이 곤란하였던 것과는 달리, 이러한 제한 없이 넓은 면적의 열가소성 복합재료 표면에 표면 처리가 가능하여 접착력을 향상시킬 수 있다.The carbon fiber-reinforced composite material according to embodiments of the present invention has a large area without this limitation, unlike conventional mechanical surface treatment methods or chemical surface treatment methods that damage the reinforcing fibers on the surface or are difficult to apply to thermoplastic polymers. Surface treatment is possible on the surface of the thermoplastic composite material to improve adhesion.

도 1은 본 발명의 구현예에서, 레이저 광원을 탄소섬유강화 복합체의 표면에 조사하여 탄소섬유강화 복합재료 표면의 아미드 결합(CONH2)이 광분리(photo scission)되는 단계의 모식도를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 구현예에서, 레이저 광원을 탄소섬유강화 복합체의 표면에 조사하여 표면 처리한 탄소섬유강화 복합재료의 FTIR 측정 결과를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 구현예에서, λ=365 mm인 UV 광원을 탄소섬유강화 복합체의 표면에 조사하여 표면 처리한 탄소섬유강화 복합재료의 FTIR 측정 결과를 도시한다.
도 2c는 본 발명의 구현예에서, 레이저 광원의 파워를 달리하여 탄소섬유강화 복합체의 표면에 조사하여 표면 처리한 탄소섬유강화 복합재료의 FTIR 측정 결과를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 구현예에서, 레이저 광원을 탄소섬유강화 복합체의 표면에 조사하여 표면 처리한 탄소섬유강화 복합재료의 접착 강도를 비교한 결과를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 구현예에서, λ=365 mm인 UV 광원을 탄소섬유강화 복합체의 표면에 조사하여 표면 처리한 탄소섬유강화 복합재료의 접착 강도를 비교한 결과를 도시한다.
도 4a는 광원으로 표면 처리하지 않은 탄소섬유강화 복합체의 접착력 실험 이후 파괴된 접착체의 표면을 도시한다.
도 4b는 레이저 광원으로 표면 처리한 탄소섬유강화 복합체의 접착력 실험 이후 파괴된 접착체의 표면을 도시한다.
도 4c는 λ=365 mm인 UV 광원으로 표면 처리한 탄소섬유강화 복합체의 접착력 실험 이후 파괴된 접착체의 표면을 도시한다.
도 5는 레이저 광원으로 표면 처리한 탄소섬유강화 복합체의 단면도로서, 레이저 광원에 의하여 연소된 매트릭스(레진)의 두께를 도시한다.
도 6은 레이저 광원의 출력을 달리하여 표면 처리한 탄소섬유강화 복합체의 접착 강도를 비교한 결과를 도시한다.
1 shows a schematic diagram of a step in which an amide bond (CONH 2 ) on the surface of a carbon fiber-reinforced composite material is irradiated with a laser light source to the surface of the carbon fiber-reinforced composite material in an embodiment of the present invention is photo-scission.
Figure 2a shows the FTIR measurement result of the carbon fiber-reinforced composite material surface-treated by irradiating a laser light source to the surface of the carbon fiber-reinforced composite in an embodiment of the present invention.
Figure 2b shows the FTIR measurement results of the carbon fiber-reinforced composite material surface-treated by irradiating the surface of the carbon fiber-reinforced composite with a UV light source having λ=365 mm in the embodiment of the present invention.
Figure 2c shows the FTIR measurement results of the carbon fiber-reinforced composite material surface-treated by irradiating the surface of the carbon fiber-reinforced composite by varying the power of the laser light source in the embodiment of the present invention.
Figure 3a shows the result of comparing the adhesive strength of the carbon fiber-reinforced composite material surface-treated by irradiating a laser light source to the surface of the carbon fiber-reinforced composite in an embodiment of the present invention.
Figure 3b shows the result of comparing the adhesive strength of the carbon fiber reinforced composite material surface-treated by irradiating the surface of the carbon fiber reinforced composite with a UV light source having λ = 365 mm in the embodiment of the present invention.
Figure 4a shows the surface of the adhesive body destroyed after the adhesion test of the carbon fiber-reinforced composite not surface-treated with a light source.
Figure 4b shows the surface of the adhesive body destroyed after the adhesion test of the carbon fiber-reinforced composite surface-treated with a laser light source.
Figure 4c shows the surface of the adhesive body destroyed after the adhesion test of the carbon fiber-reinforced composite surface-treated with a UV light source of λ = 365 mm.
5 is a cross-sectional view of a carbon fiber-reinforced composite surface-treated with a laser light source, showing the thickness of the matrix (resin) burned by the laser light source.
6 shows a comparison result of the adhesive strength of the carbon fiber-reinforced composite surface-treated by varying the output of the laser light source.

이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for the purpose of explanation only, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention can make various changes and can have various forms, and the embodiments are not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention should be understood as including

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, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or a combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

탄소섬유강화 복합재료Carbon Fiber Reinforced Composite Material

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 탄소 섬유 및 폴리아미드계 고분자를 포함하는, 적층된 복수의 탄소섬유 강화 시트;를 포함하며, 상기 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면 상에 -NH- 및 CH2- 작용기가 존재하는, 탄소섬유강화 복합재료를 제공한다.In one embodiment according to the present invention to achieve the above object, a plurality of laminated carbon fiber reinforced sheets comprising carbon fibers and a polyamide-based polymer is included, and on the surface of the matrix of the polyamide-based polymer Provided is a carbon fiber-reinforced composite material in which -NH- and CH 2 - functional groups exist.

일 구현예에서, 상기 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면 상에 폴리아미드계 고분자의 아미드 결합(CONH2)으로부터 유래된 -NH- 및 CH2- 작용기가 존재할 수 있다. 예를 들어, 폴리아미드계 고분자는 폴리머의 분자 구조에 따라 폴리아미드 6 (PA6, 나일론 6), 폴리아미드 66 (PA 66, 나일론 66), 또는 폴리아미드 12 (PA 12, 나일론 12) 등을 포함할 수 있으며, 고분자 내에 아미드 결합(CONH2)을 포함한다면 여기에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게 폴리아미드계 고분자는 폴리아미드 6 또는 폴리아미드 66일 수 있는데, 구조용 복합소재에 적용되는 경우 우수한 강도 및 강성을 가질 수 있다.In one embodiment, -NH- and CH 2 - functional groups derived from the amide bond (CONH 2 ) of the polyamide-based polymer may be present on the surface of the matrix of the polyamide-based polymer. For example, the polyamide-based polymer includes polyamide 6 (PA6, nylon 6), polyamide 66 (PA 66, nylon 66), or polyamide 12 (PA 12, nylon 12) depending on the molecular structure of the polymer. It can be, and if it includes an amide bond (CONH 2 ) in the polymer, it is not limited thereto. Preferably, the polyamide-based polymer may be polyamide 6 or polyamide 66, and when applied to a structural composite material, it may have excellent strength and rigidity.

일 구현예에서, 상기 탄소 섬유는 폴리아미드계 고분자의 매트릭스 상에 일 방향으로 배열될 수 있다. 한편, 인접한 강화섬유 시트는 강화섬유의 배열 방향을 서로 같거나 또는 달리할 수 있다. 예를 들어 적층된 일 탄소섬유 강화 시트는 적층된 다른 일 탄소섬유 강화 시트와 탄소 섬유의 배열 방향이 서로 같은 경우, 즉 단방향(Unidirectional, UD)으로 배열되는 경우 측면 강성이 약할 수 있는 반면 일 방향으로 우수한 강도 특성을 가질 수 있다.In one embodiment, the carbon fibers may be arranged in one direction on the matrix of the polyamide-based polymer. Meanwhile, adjacent reinforcing fiber sheets may have the same or different arrangement directions of reinforcing fibers. For example, one laminated carbon fiber reinforced sheet may have weak lateral stiffness when the other laminated carbon fiber reinforced sheet and the carbon fibers are arranged in the same direction, that is, when arranged in a unidirectional (UD) direction. can have excellent strength characteristics.

반면, 적층된 일 탄소섬유 강화 시트는 적층된 다른 일 탄소섬유 강화 시트와 탄소 섬유의 배열 방향이 서로 다른 경우, 물리적 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 인접한 강화섬유 시트는 강화섬유의 배열 방향을 0°, 45°, 또는 90°로 하여 적층할 수 있으며, 바람직하게, 인접한 강화섬유 시트는 강화섬유의 배열 방향을 90°로 하여 적층될 수 있다.On the other hand, when one laminated carbon fiber reinforced sheet and the other laminated carbon fiber reinforced sheet have different alignment directions of carbon fibers, physical properties may be improved. For example, adjacent reinforcing fiber sheets may be laminated with the reinforcing fiber arrangement direction of 0°, 45°, or 90°, and preferably, adjacent reinforcing fiber sheets are laminated with the reinforcing fiber arrangement direction of 90°. can be

일 구현예에서, 상기 복수의 강화섬유 시트의 두께는 적용되는 두께에 따라서 층 수를 달리할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 강화섬유 시트는 2층 이상으로 적층될 수 있다. 강화섬유 시트가 2층 미만으로 적층되는 경우 강화섬유 시트에서 일 방향으로 배열된 강화 섬유는 인접한 시트들이 배열 방향을 달리하여 적층이 불가하여 물성 향상을 가져오기 어려울 수 있다.In one embodiment, the thickness of the plurality of reinforcing fiber sheets may vary in the number of layers depending on the applied thickness. For example, the plurality of reinforcing fiber sheets may be laminated in two or more layers. When the reinforcing fiber sheet is laminated in less than two layers, the reinforcing fibers arranged in one direction in the reinforcing fiber sheet cannot be laminated because adjacent sheets have different arrangement directions, so it may be difficult to improve properties.

일 구현예에서, 상기 탄소섬유 강화 시트는 탄소섬유를 포함할 수 있으며, 상기 탄소섬유는 직조 또는 비직조 강화섬유일 수 있다. 구체적으로 상기 직조 탄소섬유는 단방향(Unidirectional, UD) 직물, NCF, 평직, 능직, 견직, 바구니 조직 등 직조된 탄소섬유를 포함할 수 있다. In one embodiment, the carbon fiber reinforced sheet may include carbon fibers, and the carbon fibers may be woven or non-woven reinforced fibers. Specifically, the woven carbon fiber may include a woven carbon fiber such as a unidirectional (UD) fabric, an NCF, a plain weave, a twill weave, a silk weave, and a basket structure.

일 구현예에서, 상기 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면 상에 -NH- 및 CH2- 작용기가 존재하는 일 부분과 다른 부분의 매트릭스 두께가 실질적으로 동일할 수 있다. 구체적으로, 탄소섬유강화 복합재료에서 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면을 광분리 하는 경우 광원에 의하여 고분자 매트릭스의 표면의 고분자가 산화, 탄화, 분해 등에 의하여 함께 제거될 수 있다. 이때 광분리에 의하여 형성된 -NH- 및 CH2- 작용기가 존재하는 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면이 일부 제거어 탄소 섬유의 일부분이 표면에 노출될 수 있다. 탄소 섬유가 고분자 매트릭스의 표면에 노출되면 매트릭스 소재에 비하여 열경화성 접착제와 보다 높은 접착력을 가질 수 있다. 다만, 이 경우 기계적 표면처리 방법과 동일하게 복합재료 자체의 물성이 저하될 수 있고, 고분자 매트릭스를 제거하는 광원의 파워가 더 커지면 탄소 섬유 혹은 탄소 섬유와 고분자 수지 계면이 손상되어 섬유가 뽑혀져 나오거나 부러지는 등 손상을 입고 오히려 접착력이 더 작아질 수 있다.In one embodiment, the matrix thickness of one portion and the other portion in which -NH- and CH 2 - functional groups are present on the surface of the matrix of the polyamide-based polymer may be substantially the same. Specifically, in the case of optical separation of the surface of the polyamide-based polymer matrix in the carbon fiber-reinforced composite material, the polymer on the surface of the polymer matrix may be removed together by oxidation, carbonization, decomposition, etc. by a light source. In this case, the surface of the polyamide-based polymer matrix having -NH- and CH 2 - functional groups formed by light separation is partially removed, so that a portion of the carbon fiber may be exposed on the surface. When the carbon fiber is exposed to the surface of the polymer matrix, it can have a higher adhesion to the thermosetting adhesive compared to the matrix material. However, in this case, as in the mechanical surface treatment method, the physical properties of the composite material itself may be reduced, and if the power of the light source to remove the polymer matrix becomes larger, the carbon fiber or the interface between the carbon fiber and the polymer resin is damaged and the fiber is pulled out. It may be damaged, such as cracking or breaking, and the adhesive strength may become smaller.

일 구현예에서, 상기 탄소섬유강화 복합재료의 표면은 FTIR 측정에 따른 N-H 스트레칭 피크 및 -CH2 스트레칭 피크를 가질 수 있으며, 상기 N-H 스트레칭 피크 및 -CH2 스트레칭 피크는 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면 상의 아미드 결합(CONH2)이 광분리 되기 이전에는 존재하지 않을 수 있다.In one embodiment, the surface of the carbon fiber-reinforced composite material may have NH stretching peaks and -CH 2 stretching peaks according to FTIR measurement, and the NH stretching peaks and -CH 2 stretching peaks are the polyamide-based polymer matrix. The amide bond (CONH 2 ) on the surface may not exist before photo-cleavage.

일 구현예에서, 상기 탄소섬유강화 복합재료 전체 부피에 대하여, 탄소 섬유를 50-70 부피%로 포함할 수 있다. 상기 탄소 섬유의 함량이 50 부피% 미만인 경우, 탄소 섬유의 강화 효과가 적을 수 있고, 70 부피% 초과인 경우, 광분리에 의하여 형성된 -NH- 및 CH2- 작용기의 부재로 접착력 향상이 작을 수 있다.In one embodiment, based on the total volume of the carbon fiber-reinforced composite material, 50 to 70% by volume of carbon fibers may be included. When the content of the carbon fiber is less than 50% by volume, the reinforcing effect of the carbon fiber may be small, and when it is more than 70% by volume, the -NH- and CH 2 - formed by light separation may have little improvement in adhesion due to the absence of functional groups there is.

일 구현예에서, 열경화성 접착제를 포함하는 접착층;을 더 포함할 수 있다. 상기 열경화성 접착제는 열융착 필름 또는 열융착 접착제와 같은 열가소성 접착제에 비하여 우수한 접착력을 갖는데, 특히 이들 열가소성 접착제는 접착력이 매우 떨어져 자동차 등의 구조물에는 사용이 불가능하다. 또한 열융착을 위해서 열가소성 접착제가 완전히 녹을 만큼 높은 온도로 가열해야 하는데, 이 과정에서 접착하고자 하는 복합재료 자체가 손상되는 문제가 있으며 따라서 금속 소재의 접착에만 한정적으로 사용되고 있다. 반면, 열경화성 접착제를 포함하는 접착층은 이러한 문제 없이 탄소섬유강화 복합재료 표면에서 결합하여 우수한 접착 강도를 가질 수 있다.In one embodiment, the adhesive layer comprising a thermosetting adhesive; may further include. The thermosetting adhesive has excellent adhesion compared to a thermoplastic adhesive such as a heat-sealing film or a heat-sealing adhesive. In particular, these thermoplastic adhesives have very poor adhesiveness, so that they cannot be used in structures such as automobiles. In addition, for thermal fusion, the thermoplastic adhesive must be heated to a high enough temperature to completely melt. In this process, the composite material to be bonded is damaged, and therefore, it is used only for bonding metal materials. On the other hand, the adhesive layer including the thermosetting adhesive may have excellent adhesive strength by bonding on the surface of the carbon fiber-reinforced composite material without this problem.

상기 접착층을 통하여 탄소섬유강화 복합재료와 적용하고자 하는 부재와 접합이 가능한데, 부재와 기계적 결합을 위하여 개구 등을 필요로 하지 않으며, 이에 개구를 형성하는 과정에서 섬유가 기계적으로 손상을 입지 않으며, 우수한 기계적 물성을 유지할 수 있다. 즉, 상기 탄소섬유강화 복합재료는 기계적인 결합을 위한 개구 등의 구조를 포함하지 않을 수 있다.It is possible to bond the carbon fiber-reinforced composite material and the member to be applied through the adhesive layer, but an opening is not required for mechanical bonding with the member, and the fiber is not mechanically damaged in the process of forming the opening, and excellent Mechanical properties can be maintained. That is, the carbon fiber-reinforced composite material may not include a structure such as an opening for mechanical bonding.

일 구현예에서, 상기 -NH- 및 CH2- 작용기는 열경화성 접착제의 OH- 작용기와 화학결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학결합은 수소결합일 수 있다. 이러한 화학 결합의 형성을 통하여 접착 강도를 향상시킬 수 있으며, 접착 강도를 향상시킴으로써 각종 경량화 이동체(버스, 승용차, 항공기 등) 및 구조물에서 종래의 열경화성 복합 재료들을 대체하거나 이에 적용하여 활용할 수 있다.In one embodiment, the -NH- and CH 2 - functional groups may form a chemical bond with the OH- functional group of the thermosetting adhesive. For example, the chemical bond may be a hydrogen bond. It is possible to improve the adhesive strength through the formation of such a chemical bond, and by improving the adhesive strength, it can be used to replace or apply conventional thermosetting composite materials in various lightweight moving objects (bus, passenger car, aircraft, etc.) and structures.

탄소섬유강화 복합재료 제조 방법Carbon Fiber Reinforced Composite Material Manufacturing Method

본 발명에 따른 다른 구현예에서, 탄소섬유강화 복합체를 준비하는 단계; 및 상기 탄소섬유강화 복합체 상에 광원을 조사하여 표면 처리하는 단계;를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료 제조방법을 제공한다.In another embodiment according to the present invention, preparing a carbon fiber reinforced composite; and surface-treating by irradiating a light source on the carbon fiber-reinforced composite.

이러한 광원 조사에 따른 표면 처리를 통한 탄소섬유강화 복합재료 제조방법은 종래에 널리 사용되던 샌딩 혹은 샌드 블라스팅과 같은 기계적 표면 처리 방법이 복합 재료의 표면의 섬유를 손상시켜 물성을 저하시키며, 산 처리나 프라이머 코팅과 같은 화학적 표면 처리 방법이 열가소성 복합 재료에 적용이 어려운 것과 달리 우수한 물성을 유지하면서 열가소성 고분자를 포함하는 다양한 재료에 적용될 수 있다.In the carbon fiber-reinforced composite material manufacturing method through surface treatment according to such light source irradiation, mechanical surface treatment methods such as sanding or sandblasting, which have been widely used in the prior art, damage the fibers on the surface of the composite material and reduce the physical properties, acid treatment or Unlike a chemical surface treatment method such as primer coating, which is difficult to apply to a thermoplastic composite material, it can be applied to various materials including a thermoplastic polymer while maintaining excellent physical properties.

먼저, 탄소섬유강화 복합체를 준비할 수 있다. 사용되는 탄소 섬유와 폴리아미드계 고분자는 전술한 내용과 동일한 것을 사용할 수 있다.First, a carbon fiber-reinforced composite may be prepared. The carbon fiber and polyamide-based polymer used may be the same as those described above.

일 구현예에서, 상기 탄소 섬유 강화 복합체는 프리프레그인 강화섬유 시트를 적층하여 제조할 수 있으며, 구체적으로 상기 프리프레그는 일 방향으로 배열된 복수의 강화섬유를 포함하는 탄소섬유 강화 시트를 복수의 층으로 적층하여 형성할 수 있으며, 상기 강화섬유는 고분자 수지에 함침시킨 것일 수 있다.In one embodiment, the carbon fiber reinforced composite may be manufactured by laminating a reinforcing fiber sheet that is a prepreg, and specifically, the prepreg includes a plurality of carbon fiber reinforced sheets including a plurality of reinforcing fibers arranged in one direction. It may be formed by laminating it in layers, and the reinforcing fiber may be impregnated with a polymer resin.

다음으로, 준비된 탄소섬유강화 복합체 상에 광원을 조사하여 표면 처리할 수 있다.Next, it can be surface-treated by irradiating a light source on the prepared carbon fiber-reinforced composite.

일 구현예에서, 상기 표면 처리 단계에서 광원에 의하여 탄소섬유강화 복합재료 표면의 아미드 결합(CONH2)이 광분리(photo scission)될 수 있다. 광분리 된 표면은 -NH- 및 CH2- 작용기를 다수 포함할 수 있는데, 이를 통하여 접착 강도를 향상시킬 수 있다.In one embodiment, in the surface treatment step, an amide bond (CONH 2 ) on the surface of the carbon fiber-reinforced composite material may be photo-scissed by a light source. The photo-isolated surface may include a plurality of -NH- and CH 2 - functional groups, through which adhesive strength may be improved.

이에 따라서, 상기 표면 처리를 통하여 탄소섬유강화 복합재료의 표면은 FTIR 측정에 따른 N-H 스트레칭 피크 및 -CH2 스트레칭 피크를 가질 수 있다. 여기서 N-H 스트레칭 피크는 3290 cm- 1부근에 위치할 수 있고, -CH2 스트레칭 피크는 2860cm-1 및 2930cm- 1부근에 위치할 수 있다. 상기 N-H 스트레칭 피크 및 -CH2 스트레칭 피크는 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면 상의 아미드 결합(CONH2)이 광분리 되기 이전에는 존재하지 않으며, 광분리된 표면이 -NH- 및 CH2- 작용기를 다수 포함함을 나타낸다.Accordingly, through the surface treatment, the surface of the carbon fiber-reinforced composite material may have an NH stretching peak and a -CH 2 stretching peak according to FTIR measurement. Here, the NH stretching peak may be located in the vicinity of 3290 cm -1 , and the -CH 2 stretching peak may be located in the vicinity of 2860 cm -1 and 2930 cm -1. The NH stretching peak and -CH 2 stretching peak do not exist before the amide bond (CONH 2 ) on the surface of the polyamide-based polymer matrix is photo-separated, and the photo-separated surface is -NH- and CH 2 - functional groups indicates that it contains many.

일 구현예에서, 상기 표면 처리 단계에서 폴리아미드계 고분자의 매트릭스는 산화, 탄화, 또는 화학적으로 분해되지 않을 수 있다. 따라서 표면 처리 단계 전/후의 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 두께가 유지될 수 있다. 구체적으로 광원에 의하여 고분자 매트릭스의 표면의 고분자가 산화, 탄화, 분해 등에 의하여 제거될 수 있으며, 이렇게 고분자 매트릭스가 일부 제거된 부분에서 탄소 섬유의 일부분이 노출될 수 있는데, 전술한 바와 같이 탄소 섬유가 고분자 매트릭스의 표면에 노출되는 경우 매트릭스 소재에 비하여 열경화성 접착제와 보다 높은 접착력을 가질 수 있으나, 광원 출력이 지나치게 큰 경우 탄소 섬유 손상으로 인하여 오히려 접착력이 더 작아질 수 있다.In one embodiment, in the surface treatment step, the matrix of the polyamide-based polymer may not be oxidized, carbonized, or chemically decomposed. Therefore, the thickness of the matrix of the polyamide-based polymer before/after the surface treatment step can be maintained. Specifically, the polymer on the surface of the polymer matrix may be removed by oxidation, carbonization, decomposition, etc. by the light source, and a portion of the carbon fiber may be exposed in the portion where the polymer matrix is partially removed. As described above, the carbon fiber When exposed to the surface of the polymer matrix, it may have higher adhesion to the thermosetting adhesive compared to the matrix material, but if the light source output is too large, the adhesion may be rather small due to damage to the carbon fiber.

한편, 고분자 매트릭스가 제거되면서 표면 거칠기가 커지고 탄소 섬유가 고분자 매트릭스의 표면에 노출되는 경우 물리적 표면 처리 효과로 접착력이 증가할 수 있다.On the other hand, when the surface roughness increases as the polymer matrix is removed and the carbon fibers are exposed to the surface of the polymer matrix, the adhesion may increase due to the effect of physical surface treatment.

일 구현예에서, 상기 광원은 레이저 또는 UV 광원을 포함할 수 있으며, 아미드 결합을 광분해시켜 -NH- 및/또는 CH2- 작용기를 형성할 수 있는 광원이라면 제한되지 않고 포함할 수 있다.In one embodiment, the light source may include a laser or UV light source, and may include, without limitation, any light source capable of photolysis of an amide bond to form -NH- and/or CH 2 - functional groups.

일 구현예에서, 상기 광원은 1.4 J/mm2 미만의 출력 밀도를 가질 수 있다. 상기 광원의 출력 밀도가 1.4 J/mm2 초과인 경우, 광 아미드 결합의 분리를 넘어 고분자 자체를 연소, 산화, 분해시켜 고분자 매트릭스 자체가 제거될 수 있고, 광분해 효과를 얻지 못하고 탄소섬유가 가열되고 주변 열가고성 수지가 용융되어 수지와 섬유 사이의 계면 박리 현상(Delamination)이 발생할 수 있다.In one embodiment, the light source may have a power density of less than 1.4 J/mm 2 . When the power density of the light source is greater than 1.4 J/mm 2 , the polymer matrix itself can be removed by burning, oxidizing, and decomposing the polymer itself beyond the separation of the photoamide bond, and the photolysis effect is not obtained and the carbon fiber is heated The peripheral thermoplastic resin may be melted, causing interfacial delamination between the resin and the fiber.

일 구현예에서, 열경화성 접착제를 포함하는 접착층을 표면 처리된 탄소섬유강화 복합체 상에 형성할 수 있다.In one embodiment, an adhesive layer including a thermosetting adhesive may be formed on the surface-treated carbon fiber-reinforced composite.

실시예Example

이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effect of the present invention will be described in more detail by way of examples. However, these examples are provided only for the purpose of illustration to help the understanding of the present invention, and the scope and scope of the present invention are not limited by the following examples.

실시예 1: 폴리아미드계열 탄소섬유강화 복합재료 제조(CFRTP)Example 1: Preparation of polyamide-based carbon fiber-reinforced composite material (CFRTP)

탄소섬유/PA6 프리프레그를(코오롱 플라스틱, 대한민국)을 사용하여 적층 순서를 [08/908/08]로 하여 탄소섬유강화 복합체를 제조한 뒤, 250℃ 7 bar 조건으로 오토클레이브 진공 백 탈기법(autoclave vacuum bag degassing method)으로 CFRTP를 제조하였다.Carbon fiber/PA6 prepreg (Kolon Plastics, Korea) was used to prepare a carbon fiber reinforced composite with the lamination order [0 8 /90 8 /0 8 ], and then autoclave vacuum bag at 250 7 bar condition. CFRTP was prepared by degassing (autoclave vacuum bag degassing method).

여기서, 프리프레그는 T300 탄소 섬유 (Toray, Japan)를 사용하여 CFRTP 전체 부피에 대하여 60 부피%로 함유하였다. 시편의 두께는 약 3.5mm였으며, 워터젯 절단기 (SUPERJET T500-3015, 대한민국 TOPS)로 절단 하여 준비하였다.Here, the prepreg was contained in an amount of 60% by volume based on the total volume of CFRTP using T300 carbon fiber (Toray, Japan). The thickness of the specimen was about 3.5 mm, and it was prepared by cutting with a water jet cutter (SUPERJET T500-3015, TOPS, Korea).

실시예 2: 레이저 표면처리된 탄소섬유강화 복합재료 제조Example 2: Preparation of laser surface-treated carbon fiber-reinforced composite material

실시예 1의 CFRTP에 레이저 광원으로 표면 처리하였다. CFRTP 표면은 CO2 레이저 소스를 사용하는 Gaussian 빔과 펄스파(PW) 모드 레이저 스캐닝 장비(ILS 12.75, Universal Laser Systems, U.S.A.)를 사용하여 처리하였다. 레이저 헤드는 자동화된 CNC(Computerized Numerical Control) 시스템에 의해 제어되었으며 0.2mm 해치 거리와 1,000mm/s 스캐닝 속도로 섬유 방향을 따라 이동하여 처리하였다.CFRTP of Example 1 was surface-treated with a laser light source. The CFRTP surface was processed using a Gaussian beam using a CO 2 laser source and a pulse wave (PW) mode laser scanning device (ILS 12.75, Universal Laser Systems, USA). The laser head was controlled by an automated CNC (Computerized Numerical Control) system and processed by moving along the fiber direction with a 0.2 mm hatch distance and 1,000 mm/s scanning speed.

10.6㎛ 파장의 레이저 빔을 사용하였으며, 18mm 직경 렌즈를 사용하여 50.8mm 초점 거리와 0.13mm 스폿 직경으로 초점을 맞췄다.A laser beam with a wavelength of 10.6 μm was used, and an 18 mm diameter lens was used to focus at a focal length of 50.8 mm and a spot diameter of 0.13 mm.

그런 뒤, 표면 처리한 접착면에 에폭시 필름 접착제(신성 복합 소재, 대한민국)를 사용하여 접착층을 형성하였다. PTFE 두께 게이지(Tool tech, Air-tech, USA)를 사용하여 두께를 0.32mm로 조절하였으며, 형성된 접착층은 120℃ 1 bar 조건으로 2시간동안 오토클레이브 진공 백 탈기법을 통하여 경화되었다.Then, an adhesive layer was formed on the surface-treated adhesive surface using an epoxy film adhesive (Shinsung Composite Material, Korea). The thickness was adjusted to 0.32 mm using a PTFE thickness gauge (Tool tech, Air-tech, USA), and the formed adhesive layer was cured by autoclave vacuum bag degassing at 120° C. and 1 bar conditions for 2 hours.

실시예 3: UV 표면처리된 탄소섬유강화 복합재료 제조Example 3: UV surface-treated carbon fiber reinforced composite material preparation

레이저 광원 대신 λ=365 mm인 UV 광원으로 표면 처리한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 탄소섬유강화 복합재료를 제조하였다.A carbon fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 2, except that the surface was treated with a UV light source having λ=365 mm instead of a laser light source.

실험예 1: 광분리 반응에 따른 표면 구조 분석(FTIR)Experimental Example 1: Surface structure analysis (FTIR) according to the light separation reaction

광원으로 표면 처리한 CFRTP 표면의 특성을 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR)으로 분석하였다. FTIR은 다이아몬드 크리스탈 (6600FV, Jasco, Japan)이 장착된 ATR 장치로 측정되었다. 측정된 스펙트럼 범위는 750 ~ 4000cm-1이며, 4cm-1 해상도에서 32 회 스캔을 수행하여 측정하였다.The properties of the CFRTP surface treated with a light source were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). FTIR was measured with an ATR device equipped with a diamond crystal (6600FV, Jasco, Japan). The measured spectral range was 750 ~ 4000 cm -1 , and it was measured by performing 32 scans at 4 cm -1 resolution.

도 2a는 본 발명의 구현예에서, 레이저 광원을 탄소섬유강화 복합체의 표면에 조사하여 표면 처리한 탄소섬유강화 복합재료의 FTIR 측정 결과를 도시한다. 탄소섬유강화 복합재료의 표면은 레이저 처리 후 3290cm-1, 2925cm-1 및 2856cm-1에서 피크의 강도가 크게 변한 것을 확인하였다. 여기서, 3290 cm-1에 위치한 피크는 N-H 스트레칭 진동에 해당하며, 2860cm-1 및 2930cm-1에 위치한 피크는 각각 대칭 및 비대칭 -CH2 스트레칭 진동에 해당하는 것으로 널리 알려져 있다.Figure 2a shows the FTIR measurement result of the carbon fiber-reinforced composite material surface-treated by irradiating a laser light source to the surface of the carbon fiber-reinforced composite in an embodiment of the present invention. After laser treatment on the surface of the carbon fiber reinforced composite material, it was confirmed that the peak intensity was significantly changed at 3290 cm -1 , 2925 cm -1 and 2856 cm -1 . Here, it is widely known that the peak located at 3290 cm -1 corresponds to the NH stretching vibration, and the peak located at 2860 cm -1 and 2930 cm -1 corresponds to the symmetric and asymmetric -CH 2 stretching vibration, respectively.

또한 조사 광원을 λ=365 mm인 UV 광원으로 하는 도 2b에서도 마찬가지로 3290cm-1, 2925cm-1 및 2856cm-1에서 피크의 강도가 크게 변한 것을 확인하였으며, 광원 종류가 달라져도 광분리 현상이 관찰됨을 확인할 수 있다.In addition, it was confirmed that the intensity of the peak changed significantly at 3290 cm -1 , 2925 cm -1 and 2856 cm -1 also in FIG. 2b using a UV light source with λ = 365 mm as the irradiation light source, and it was confirmed that the light separation phenomenon was observed even if the light source type was changed. can

한편, 도 2c는 광원의 파워를 달리하여 표면 처리한 결과를 나타낸다. Meanwhile, FIG. 2C shows the result of surface treatment by varying the power of the light source.

N-H 및 -CH2- 스트레칭 진동 피크 강도는 1.4 J/mm2 파워 레이저 처리 후 증가하였으며, 이로부터 특정 에너지에서 PA 6의 화학적 결합이 광분리 반응에 의해 분해되는 것을 알 수 있으며, PA 6 매트릭스의 경우는 광분리 반응을 위하여 적어도 1.4 J/mm2 파워를 필요로 하는 적을 알 수 있다. NH and -CH 2 -stretching oscillation peak intensity increased after 1.4 J/mm 2 power laser treatment. In this case, it can be seen that the enemy requires at least 1.4 J/mm 2 power for the photo-separation reaction.

광분리 반응을 통하여 카르보닐기(C=O)는 일산화탄소(C≡O)의 형태로 기화하여 CFRTP 표면에서 자유 N-H(수소 결합되지 않음) 및 -CH2- 신장을 증가시켰다. 새롭게 형성된 N-H 연신은 에폭시 접착제의 O-H와 수소 결합을 향상시키고 이를 통하여 계면 결합 강도를 증가시킬 수 있다. 반면, PA 6에서 원래 존재하던 N-H 스트레칭은 이미 PA 6에서 C=O와 수소 결합을 형성하였기 때문에 에폭시 접착제와 수소 결합을 형성 할 수 없다.Through the light separation reaction, the carbonyl group (C=O) was vaporized in the form of carbon monoxide (C≡O), thereby increasing free NH (not hydrogen bonding) and -CH 2 - elongation on the CFRTP surface. The newly formed NH stretching may improve the OH and hydrogen bonding of the epoxy adhesive, thereby increasing the interfacial bonding strength. On the other hand, the NH stretching originally present in PA 6 cannot form hydrogen bonds with the epoxy adhesive because it has already formed hydrogen bonds with C=O in PA 6 .

한편, 2.8 J/mm2보다 높은 레이저 출력으로 처리 된 CFRTP의 FTIR 강도는 처리되지 않은 CFRTP와 동일한 FTIR 스펙트럼 결과를 나타냈다. 도 2c에서 확인할 수 있는 바와 같이 2.8 J/mm2 이상의 출력을 가진 레이저 빔을 조사한 결과 PA6이 NOx와 CH4로 연소되어 제거되었다. 즉, 2.8 J/mm2 이상의 파워로 레이저 처리하여서는 N-H 스트레칭과 에폭시 접착제가 수소 결합을 형성할 수는 없으며, 1.4 J/mm2 파워 레이저로 표면 처리하는 경우 강력한 계면을 형성하여 에폭시 접착제와의 최대 접착 결합 강도를 형성하는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, the FTIR intensity of CFRTP treated with laser power higher than 2.8 J/mm 2 showed the same FTIR spectral result as that of untreated CFRTP. As can be seen in FIG. 2c, as a result of irradiating a laser beam having an output of 2.8 J/mm 2 or more, PA6 was burned and removed as NOx and CH 4 . That is, NH stretching and the epoxy adhesive cannot form hydrogen bonds when laser treatment with a power of 2.8 J/mm 2 or higher, and when surface treatment with a power laser of 1.4 J/mm 2 forms a strong interface, the maximum with the epoxy adhesive It can be confirmed that the adhesive bond strength is formed.

실험예 2: 접착 강도 측정Experimental Example 2: Adhesive strength measurement

레이저와 UV 광원 표면 처리에 따른 접착 강도를 랩 전단 강도(Lap shear strength)를 측정하여 비교하였다. 전단 강도 시험은 ASTM D3163-01에 따라 수행되었으며, 크로스 헤드 속도는 2mm /min으로 하였다.The adhesive strength according to the laser and UV light source surface treatment was compared by measuring the lap shear strength. The shear strength test was performed according to ASTM D3163-01, and the crosshead speed was 2 mm/min.

먼저 도 3a는 본 발명의 구현예에서, 레이저 광원을 탄소섬유강화 복합체의 표면에 조사하여 표면 처리한 탄소섬유강화 복합재료의 접착 강도를 비교하고 있다. 레이저 처리를 하지 않은 경우 접착 강도는 10.3 MPa인 반면, 레이저 조사를 한 경우 25.5 MPa로 약 150%가량 증가한 것을 확인할 수 있다.First, Figure 3a compares the adhesive strength of the carbon fiber-reinforced composite material surface-treated by irradiating a laser light source to the surface of the carbon fiber-reinforced composite in an embodiment of the present invention. It can be seen that the adhesive strength without laser treatment was 10.3 MPa, whereas it was increased by about 150% to 25.5 MPa with laser irradiation.

한편 도 3b를 참고하면, UV 광원으로 표면 처리한 경우 레이저 처리 전 접착 강도 10.3 MPa에 비하여 처리 후의 접착 강도가 17.7 MPa로 향상되어 레이저 광원으로 표면 처리하는 것에 비하여 접착 강도의 증가 폭이 더 작은 것을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to Figure 3b, when the surface treatment with a UV light source, the adhesive strength after treatment is improved to 17.7 MPa compared to the adhesive strength before laser treatment of 10.3 MPa, compared to the surface treatment with a laser light source, the increase in adhesive strength is smaller can be checked

실험예 3: 접착 강도 측정 실험 후의 표면 몰폴로지 분석Experimental Example 3: Surface morphology analysis after adhesive strength measurement experiment

1) 도 4a 내지 4c는 레이저 표면 처리된 CFRTP 표면(도 4b)와 UV 광원 표면 처리된 CFRTP 표면(도 4c)의 접착력 실험(Lap shear test) 이후 파괴된 접착제 표면의 이미지를 도시한다. 이미지는 디지털 광학 현미경 (VHX-900F, Keyence Corporation, Japan)을 사용하여 관찰하였다.1) FIGS. 4a to 4c show images of the adhesive surface that was broken after lap shear test of the laser surface-treated CFRTP surface ( FIG. 4b ) and the UV light source surface-treated CFRTP surface ( FIG. 4c ). Images were observed using a digital optical microscope (VHX-900F, Keyence Corporation, Japan).

도 4a는 광원으로 표면 처리하지 않은 탄소섬유강화 복합체의 접착력 실험 이후 파괴된 접착체의 표면을 도시하며, 복합재료 표면과 접착제 사이에서 쉽게 박리가 일어나 파괴 후 깔끔한 접착제 표면을 갖는 것을 확인할 수 있다.Figure 4a shows the surface of the adhesive agent destroyed after the adhesion test of the carbon fiber-reinforced composite not subjected to surface treatment with a light source, and it can be confirmed that peeling occurs easily between the surface of the composite material and the adhesive and has a neat adhesive surface after destruction.

도 4b와 도 4c에서는 레이저 광원와 λ=365 mm인 UV 광원으로 표면 처리한 탄소섬유강화 복합체의 접착력 실험 이후 파괴된 접착체의 표면을 각각 도시하는데, 레이저와 UV 광원으로 표면 처리하는 경우 표면 처리를 하지 않은 샘플과 비교할 때(도 4a), 접착력 실험을 수행한 접착제 표면의 고분자 수지가 풍부한 부분이 완전히 제거되고 탄소 섬유가 표면에 노출되는 것을 확인할 수 있다.4b and 4c show the surface of the destroyed adhesive after the adhesion test of the carbon fiber-reinforced composite surface-treated with a laser light source and a UV light source having λ = 365 mm, respectively. When the surface treatment is performed with a laser and a UV light source, the surface treatment is performed Compared with the sample without (Fig. 4a), it can be seen that the polymer resin-rich portion of the adhesive surface subjected to the adhesion test is completely removed and the carbon fibers are exposed on the surface.

특히, 도 4b는 레이저 광원으로 표면 처리한 탄소섬유강화 복합체에서 전단 강도 시험 후 파괴된 접착제 표면에서 섬유가 뽑혀져 나온 파괴 단면을 도시하는데 이는 광원에 의하여 탄소섬유가 가열되고 주변 열가고성 수지가 용융되어 수지와 섬유 사이의 계면 박리 현상(Delamination)이 발생한 결과이다. 이 경우 탄소섬유가 고분자 수지로부터 쉽게 뽑혀져 나와 접착력이 오히려 감소하게 된다.In particular, FIG. 4b shows a fracture cross-section in which the fiber is pulled out from the surface of the destroyed adhesive after the shear strength test in the carbon fiber reinforced composite surface-treated with a laser light source, which is that the carbon fiber is heated by the light source and the surrounding thermoplastic resin is melted. This is the result of interfacial delamination between the resin and the fiber. In this case, the carbon fiber is easily pulled out from the polymer resin, and the adhesive force is rather reduced.

도 4c는 λ=365 mm인 UV 광원으로 표면 처리한 탄소섬유강화 복합체에서 전단 강도 시험 후 파괴된 접착제 표면을 도시하며, 표면의 폴리아미드와 접착제와 강하게 접착되어 복합재료 표면에서 폴리아미드 수지가 떨어져 나온 것을 확인할 수 있다.Figure 4c shows the surface of the adhesive fractured after the shear strength test in the carbon fiber-reinforced composite surface-treated with a UV light source of λ = 365 mm, and the polyamide resin on the surface of the composite material fell off due to strong adhesion with the polyamide and the adhesive. You can check what came out.

2) 한편, 도 5는 레이저 표면 처리에 따른 CFRTP 표면의 단면 이미지와 레이저의 출력 파워에 따른 연소된 고분자 수지의 두께를 도시한다. 여기서 비교를 위하여 탄소 섬유 강화 없이 PA6 프리프레그를 사용하여 실시예 1과 동일하게 제조한 샘플('PA 6 Block')를 적용하였다.2) Meanwhile, FIG. 5 shows a cross-sectional image of the CFRTP surface according to the laser surface treatment and the thickness of the burned polymer resin according to the output power of the laser. Here, for comparison, a sample ('PA 6 Block') prepared in the same manner as in Example 1 using a PA6 prepreg without carbon fiber reinforcement was applied.

그 결과, CFRTP(실시예 1)과 PA 6 Block 모두 약 4.3 J/mm2 이하의 낮은 출력 파워에서는 레이저 출력이 증가함에 따라서 표면 처리 깊이가 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 약 1.4 J/mm2 이하 출력의 레이저로 표면 처리하는 경우 양 샘플의 표면 형태에는 거의 영향을 미치지 않았다.As a result, it was confirmed that both CFRTP (Example 1) and PA 6 Block increased in proportion to the surface treatment depth as the laser output increased at a low output power of about 4.3 J/mm 2 or less. However, when the surface was treated with a laser with an output of about 1.4 J/mm 2 or less, the surface shape of both samples was hardly affected.

PA 6 Block에서 표면 처리 깊이는 2.8 J/mm2 ~ 7 J/mm2 출력 범위에서 레이저 출력에 비례하여 증가하였으나, CFRTP의 경우 표면 처리 깊이는 약 20㎛에 수렴하였으며, 이는 탄소 섬유 약 3층 정도의 두께에 해당한다. 이때 약 20㎛의 두께는 CFRTP 표면의 잉여수지층 (Resin rich area)의 두께에 해당하여, 그 이상의 두께에 존재하는 탄소 섬유는 레이저에 의하여 제거되지 않는다. 따라서, CFRTP의 표면의 고분자 수지 매트릭스가 상당부분 제거되어 탄소섬유가 노출될 수 있다.In the PA 6 Block, the surface treatment depth increased in proportion to the laser output in the output range of 2.8 J/mm 2 ~ 7 J/mm 2 , but in the case of CFRTP, the surface treatment depth converged to about 20 μm, which was about 3 layers of carbon fiber. corresponding to the thickness. At this time, a thickness of about 20 μm corresponds to the thickness of the resin rich area on the CFRTP surface, and carbon fibers existing in a thickness greater than that are not removed by the laser. Accordingly, a significant portion of the polymer resin matrix on the surface of CFRTP may be removed to expose carbon fibers.

레이저 출력 파워가 지나치게 높은 경우, 레이저에 의해 탄소섬유가 가열되어 주변 열가고성 수지가 용융되어 수지와 섬유 사이의 계면이 박리(Delamination)가 발생하고 이에 의해 탄소섬유가 쉽게 뽑혀져 나와 접착력이 오히려 감소하게 된다.If the laser output power is too high, the carbon fiber is heated by the laser and the surrounding thermosetting resin is melted, causing delamination of the interface between the resin and the fiber, which causes the carbon fiber to be easily pulled out and the adhesive force is rather reduced. will do

따라서, CFRTP의 탄소 섬유가 손상될 수 있으며, 이 경우 복합 재료의 기계적 물성이 저하될 수 있다. 따라서, 레이저 출력을 조절하여 탄소 섬유의 손상을 최소화 할 필요가 있다.Therefore, the carbon fiber of CFRTP may be damaged, and in this case, the mechanical properties of the composite material may be deteriorated. Therefore, it is necessary to minimize the damage to the carbon fiber by adjusting the laser power.

3) 이에, 탄소 섬유의 손상을 최소화하면서 높은 전단 강도를 갖는 광원의 출력값을 확인하였다. 이를 위하여 실시예 2에서 레이저 출력 파워를 달리하여 제조한 샘플들의 전단 강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 도시하였다.3) Accordingly, the output value of the light source having high shear strength while minimizing damage to the carbon fiber was confirmed. To this end, the shear strength of the samples prepared by varying the laser output power in Example 2 was measured, and the results are shown in FIG. 6 .

도 6을 참고하면, 레이저에 의해서 표면의 수지가 제거되거나 용융되지 않고 광분해만 일어난 1.4 J/mm2의 파워에서 최대 접착력을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉 1.4 J/mm2 파워의 레이저 처리로는 표면 아미드 수지의 광분해를 통해 -NH- 및 CH2- 작용기를 만들어 접착력이 향상되며, 이에 반해 더 강한 출력의 레이저에 의해서는 고분자 수지 자체가 연소 혹은 분해되어 결과적으로 접착력을 오히려 감소시키기 때문임을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 , it can be confirmed that the resin on the surface is not removed or melted by the laser, but has the maximum adhesion at a power of 1.4 J/mm 2 where only photolysis occurs. In other words, with laser treatment of 1.4 J/mm 2 power, -NH- and CH 2 - functional groups are created through photolysis of the surface amide resin to improve adhesion. It can be seen that this is because it is decomposed and consequently the adhesive force is rather reduced.

한편, 2.1 J/mm2 이상의 출력에서는 출력 증가에 따라서 접착력이 다시 상승하는 것을 볼 수 있는데, 이는 레이저에 의해 표면 거칠기가 커지고 탄소섬유가 노출되는 등의 물리적인 표면 처리 효과에 의한 것으로 판단된다.On the other hand, at an output of 2.1 J/mm 2 or more, it can be seen that the adhesive force rises again as the output increases.

따라서, 본 발명에 따른 탄소섬유강화 복합재료는 고분자 수지 손상을 최소화하면서도 표면을 -NH- 및 CH2- 작용기로 광분리시켜 우수한 접착력을 갖는 것을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the carbon fiber-reinforced composite material according to the present invention has excellent adhesion by light-separating the surface with -NH- and CH 2 - functional groups while minimizing damage to the polymer resin.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and it is possible for those of ordinary skill in the art to improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as it is apparent to those of ordinary skill in the art.

Claims (11)

탄소 섬유 및 폴리아미드계 고분자를 포함하는, 적층된 복수의 탄소섬유 강화 시트;를 포함하며,
상기 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면 상에 -NH- 및 CH2- 작용기가 존재하는, 탄소섬유강화 복합재료.
A plurality of laminated carbon fiber-reinforced sheets comprising carbon fibers and polyamide-based polymers;
A carbon fiber-reinforced composite material in which -NH- and CH 2 - functional groups exist on the surface of the matrix of the polyamide-based polymer.
제1항에 있어서,
상기 폴리아미드계 고분자의 매트릭스의 표면 상에 폴리아미드계 고분자의 아미드 결합(CONH2)으로부터 유래된 -NH- 및 CH2- 작용기가 존재하는, 탄소섬유강화 복합재료.
According to claim 1,
A carbon fiber-reinforced composite material in which -NH- and CH 2 - functional groups derived from the amide bond (CONH 2 ) of the polyamide-based polymer exist on the surface of the polyamide-based polymer matrix.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유강화 복합재료의 표면은 FTIR 측정에 따른 N-H 스트레칭 피크 및 -CH2 스트레칭 피크를 갖는, 탄소섬유강화 복합재료.
According to claim 1,
The surface of the carbon fiber-reinforced composite material has an NH stretching peak and a -CH 2 stretching peak according to FTIR measurement, a carbon fiber-reinforced composite material.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유강화 복합재료 전체 부피에 대하여, 탄소 섬유를 50-70 부피%로 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료.
According to claim 1,
With respect to the total volume of the carbon fiber-reinforced composite material, the carbon fiber-reinforced composite material comprising 50-70% by volume of carbon fibers.
제1항에 있어서,
열경화성 접착제를 포함하는 접착층;을 더 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료.
According to claim 1,
An adhesive layer comprising a thermosetting adhesive; further comprising, a carbon fiber-reinforced composite material.
제5항에 있어서,
상기 -NH- 및 CH2- 작용기는 열경화성 접착제의 OH- 작용기와 화학결합을 형성하는, 탄소섬유강화 복합재료.
6. The method of claim 5,
The -NH- and CH 2 - functional groups form a chemical bond with the OH- functional group of the thermosetting adhesive, carbon fiber reinforced composite material.
탄소섬유강화 복합체를 준비하는 단계; 및
상기 탄소섬유강화 복합체 상에 광원을 조사하여 표면 처리하는 단계;를 포함하는, 탄소섬유강화 복합재료 제조방법.
Preparing a carbon fiber reinforced composite; and
A method for producing a carbon fiber-reinforced composite material, including; surface treatment by irradiating a light source on the carbon fiber-reinforced composite.
제7항에 있어서,
상기 표면 처리 단계에서 광원에 의하여 탄소섬유강화 복합재료 표면의 아미드 결합(CONH2)이 광분리(photo scission)되는, 탄소섬유강화 복합재료 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the surface treatment step, the amide bond (CONH 2 ) on the surface of the carbon fiber-reinforced composite material by the light source is optically separated (photo scission), a carbon fiber-reinforced composite material manufacturing method.
제7항에 있어서,
상기 표면 처리 단계에서 폴리아미드계 고분자의 매트릭스는 산화, 탄화, 또는 화학적으로 분해되지 않는, 탄소섬유강화 복합재료 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the surface treatment step, the matrix of the polyamide-based polymer is not oxidized, carbonized, or chemically decomposed, carbon fiber-reinforced composite material manufacturing method.
제7항에 있어서,
상기 광원은 1.4 J/mm2 미만의 출력 밀도를 갖는, 탄소섬유강화 복합재료 제조방법.
8. The method of claim 7,
The light source has a power density of less than 1.4 J / mm 2 , carbon fiber reinforced composite material manufacturing method.
제7항에 있어서,
열경화성 접착제를 포함하는 접착층을 표면 처리된 탄소섬유강화 복합체 상에 형성하는, 탄소섬유강화 복합재료 제조방법.
8. The method of claim 7,
Forming an adhesive layer comprising a thermosetting adhesive on the surface-treated carbon fiber reinforced composite, carbon fiber reinforced composite material manufacturing method.
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