KR20230028956A - Ipl을 이용하여 표면개질된 저품위 탄소섬유 및 이를 포함하는 탄소섬유 복합재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 IPL을 이용하여 표면개질된 저품위 탄소섬유, 탄소섬유의 표면개질 방법 및 이를 포함하는 탄소섬유 복합재에 관한 것으로, 탄소섬유에 IPL을 조사함으로써 공정이 간단하고 공정 시간이 짧으면서도 부산물이 거의 없고, 상대적으로 장기간 개질된 반응기가 유지되는 탄소섬유의 표면개질 방법 및 표면개질된 탄소섬유를 제공할 수 있으며, 표면개질된 탄소섬유는 표면 에너지가 증가하므로, 이를 포함하는 탄소섬유 복합재는 인장강도, 굴곡강도 및 접착력이 우수하다.
Description
본 발명은 IPL을 이용하여 표면개질된 탄소섬유, 탄소섬유의 표면개질 방법 및 이를 포함하는 탄소섬유 복합재에 관한 것이다.
본 발명은 하기 과제의 지원에 의해 수행되었다.
과제고유번호: RA202004-5-C4
부처명: 전라북도
연구관리 전문기관: (재)전북테크노파크
연구사업명: 전라북도 혁신성장 R&D+사업
연구과제명: 태풍, 지진 등 자연재해에 대응 가능한 고내구성의 폴리머 복합재 기반 해상태양광 플로팅 시스템 실증 및 사업화
주관기관: 유한회사 세미
연구기간: 2021.07.01 ~ 2022.05.31.
탄소섬유(Carbon Fiber, CF)는 수많은 탄소 원자가 결정 구조를 이루어 길게 늘어서 있는 분자 사슬로 이루어진 섬유이다. 탄소섬유는 경량임에도 불구하고 인장강도가 높고, 내열성 및 내식성이 우수하며, 열팽창이 적어 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 탄소섬유는 매트릭스 수지와 혼합하여 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)의 형태로 주로 사용된다.
CFRP는 매트릭스 수지 내에서 탄소섬유가 일정한 공정에 의하여 침투된 상태로, 높은 인장 강도 및 강성을 제공하고, 매트릭스 수지는 탄소섬유를 감싸서 구조 재료로서의 형태를 유지하는 동시에 내충격성을 부여하는 탄소섬유 복합재이다.
CFRP는 각각 알루미늄 대비 약 30%, 철강 대비 약 50%의 경량화 효과를 얻을 수 있어, 자동차 등에 사용되어 차체를 크게 경량화할 수 있으며, 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있어 친환경 소재로서 주목받고 있다.
CFRP의 제조에 사용되는 매트릭스 수지는 열가소성 수지외에도 불포화 폴리에스테르, 페놀 수지 및 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지가 주로 사용된다. 특히, 에폭시 수지는 낮은 점도를 가지고 있어 탄소섬유와 가공이 유리하고 기계적 물성이 우수하여 가장 널리 사용되고 있다.
그런데, 이러한 열경화성 수지는 경화 후 매트릭스 수지와 탄소섬유를 분리해내기 매우 어려우며, 이에 따라 열경화성 수지를 사용한 CFRP는 대부분 산업폐기물로서 폐기되고 있다. 또한, 재활용을 위하여 어렵게 탄소섬유를 분리해 내더라도 일단 사용이 된 탄소섬유는 접착 특성 및 강성이 현저하게 떨어져 있어, 품질면에서 충분히 만족스럽지 못하다.
따라서, 탄소섬유의 재활용을 위하여 일단 사용된 저품위 탄소섬유를 표면개질하여 열화된 특성을 개선하기 위한 다양한 시도가 있었다.
예를 들어, 비특허문헌 1(Kim, Bo-Hye, et al. ACS Applied Materials & Interfaces 3.2 (2011) 119-123.)에는 플라즈마를 이용하여 저품위 탄소섬유의 표면을 개질하는 방법을 개시하고 있으나, 플라즈마의 경우 복잡한 진공장비가 요구되고, 연속 처리공정의 구현이 어려우며, 높은 초기 투자 비용 및 관리 비용이 발생하는 문제가 있다. 비특허문헌 2(Dai, Zhishuang, et al. Applied Surface Science 257.20 (2011) 8457-8461.)에는 열처리에 의한 탄소섬유의 개질 방법을 개시하나 열처리는 탄소섬유의 물성을 함께 저하시키는 문제가 있다. 또한, 비특허문헌 3(Huan, Xianhua, et al. Composites Part B: Engineering (2020) 107987.)에는 습식 방법에 의해 탄소섬유를 표면개질하는 방법을 개시하나 화학적 습식 방법은 유독 가스 또는 폐수를 발생시키며 이에 따라 지속적인 관리 비용이 소모되는 문제가 있다.
Kim, Bo-Hye, et al. ACS Applied Materials & Interfaces 3.2 (2011) 119-123.
Dai, Zhishuang, et al. Applied Surface Science 257.20 (2011) 8457-8461.
Huan, Xianhua, et al. Composites Part B: Engineering (2020) 107987.
본 발명은 공정이 간단하고 공정 시간이 짧으면서도 부산물이 거의 없고, 상대적으로 장기간 개질된 반응기가 유지되는 저품위 탄소섬유의 표면개질 방법 및 표면개질된 탄소섬유를 제공한다.
또한, 상기 탄소섬유를 포함하는 인장강도, 굴곡강도 및 접착력이 우수한 탄소섬유 복합재를 제공한다.
본 발명은 라만스펙트럼의 G밴드의 피크 강도(IG)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID)의 비율인 강도비(ID/IG)가 1.0 이상이고, X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)이 0.16 이상이며, 열분해 개시온도가 710℃ 이하인 탄소섬유를 제공한다.
일 실시예로서, X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C-C 결합에 대한 C=O 결합의 비율이 0.22 이상일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 탄소섬유의 표면 에너지는 30mN/m 이상일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 탄소섬유의 표면 에너지 중 극성 성분의 에너지가 8mN/m 이상일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 탄소섬유는 두께 방향의 직경이 7.4μm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 탄소섬유 및 매트릭스 수지를 포함하는 탄소섬유 복합재를 제공할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 매트릭스 수지는 비극성 또는 극성 수지일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 탄소섬유 복합재는 ASTM D 3379에 따른 계면전단강도(IFSS)가 20MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소섬유 표면상에 IPL을 조사하는 IPL 조사 단계를 포함하는 탄소섬유의 표면개질 방법을 제공한다.
일 실시예로서, 상기 IPL 조사 단계는 1000V 내지 1400V의 전압을 인가하는 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 IPL 조사 단계는 노출 시간이 1 내지 10ms이고, 주파수는 0.1 내지 10Hz일 수 있다.
일 실시예로서, 표면개질 전 탄소섬유의 라만스펙트럼에서 G밴드의 피크 강도(IG1)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID1)의 비율을 강도비 A(ID1/IG1)라고 하고, 표면개질 후 탄소섬유의 라만스펙트럼에서 G밴드의 피크 강도(IG2)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID2)의 비율을 강도비 B(ID2/IG2)라고 할 때, 강도비 A에 대한 강도비 B의 값이 1.5 이상이고, 표면개질 전 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)을 비율 A라 하고, 표면개질 후 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)을 비율 B라고 할 때, 비율 A에 대한 비율 B의 값이 1 이상일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 탄소섬유는 열분해 개시온도가 710℃ 이하이거나, 열분해 종결온도가 860℃이하이거나 또는 두께 방향의 직경이 7.4μm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소섬유 표면상에 IPL을 조사하여 탄소섬유를 표면개질하는 IPL 조사 단계, 상기 표면개질된 탄소섬유와 플라스틱을 가열 및 혼합하는 혼합 단계 및 상기 혼합된 소재를 압출하는 압출 단계를 포함하는 탄소섬유 복합재의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 탄소섬유에 IPL을 조사함으로써 공정이 간단하고 공정 시간이 짧으면서도 부산물이 거의 없고, 상대적으로 장기간 개질된 반응기가 유지되는 탄소섬유의 표면개질 방법 및 표면개질된 탄소섬유를 제공할 수 있다.
또한, 표면개질된 탄소섬유는 표면 에너지가 증가하므로, 이를 포함하는 탄소섬유 복합재는 인장강도, 굴곡강도 및 접착력이 우수하다.
도 1은 상용 탄소섬유 및 저품위 탄소섬유의 FE-SEM 이미지이다.
도 2는 상용 탄소섬유 및 저품위 탄소섬유의 TGA 측정에 따른 열분해 개시 온도(a) 및 열분해 종결온도(b)이다.
도 3은 본 발명의 탄소섬유의 표면개질 방법을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 탄소섬유 복합재 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IPL 조사 단계를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면개질 장치를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압별 표면 에너지 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압별 X-선 광전자 분광(XPS) 분석을 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압별 라만스펙트럼 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면전단강도 측정 방법을 나타낸 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 8과 실시예 1의 인장시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 8과 실시예 1의 굴곡시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 9와 실시예 2의 인장시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 9와 실시예 2의 굴곡시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 상용 탄소섬유 및 저품위 탄소섬유의 TGA 측정에 따른 열분해 개시 온도(a) 및 열분해 종결온도(b)이다.
도 3은 본 발명의 탄소섬유의 표면개질 방법을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 탄소섬유 복합재 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IPL 조사 단계를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면개질 장치를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압별 표면 에너지 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압별 X-선 광전자 분광(XPS) 분석을 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압별 라만스펙트럼 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면전단강도 측정 방법을 나타낸 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 8과 실시예 1의 인장시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 8과 실시예 1의 굴곡시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 9와 실시예 2의 인장시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 9와 실시예 2의 굴곡시험 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
본 발명에서 탄소섬유는 탄소 원자들이 결정 구조를 이루어 길게 늘어서 있는 분자 사슬로 이루어진 섬유를 의미하고, 탄소 함량이 90wt% 이상이며, 두께 방향의 장축 직경이 1μm 내지 10μm일 수 있다.
본 발명에서 저품위 탄소섬유는 상용 탄소섬유의 제조과정에서 특성이 못미쳐 버려지거나 일단 제품화되어 사용된 후 외부환경에 의해 물성이 열화된 것을 의미한다. 구체적으로, 본 발명에서 저품위 탄소섬유는 두께 방향으로의 장축 직경이 7.4μm 이하, 7.2μm 이하 또는 7.0μm 이하일 수 있으며, 하한은 특별히 제한되지 않으나, 5.0μm 이상일 수 있다.
본 발명에서 저품위 탄소섬유는 열중량 분석(TGA) 시 열분해 개시온도가 710℃ 이하, 708℃ 이하, 706℃ 이하, 704℃ 이하, 702℃ 이하 또는 700℃이하일 수 있으며, 예를 들어, 열중량 분석(TGA) 시 열분해 개시온도가 690℃내지 710℃, 692℃내지 710℃, 692℃내지 708℃, 695℃내지 706℃, 695℃내지 704℃ 또는 697℃ 내지 703℃일 수 있다.
본 발명에서 열중량 분석(TGA) 시 열분해 종결온도가 865℃이하, 860℃이하, 855℃이하 또는 850℃이하일 수 있으며, 예를 들어, 열중량 분석(TGA) 시 열분해 종결온도가 800℃내지 865℃, 820℃ 내지 860℃, 830℃ 내지 855℃, 840℃ 내지 853℃ 또는 845℃ 내지 852℃일 수 있다.
도 1에는 상용 탄소섬유 및 저품위 탄소섬유의 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지를 나타내었으며, 도 2에는 상용 탄소섬유 및 저품위 탄소섬유의 TGA 측정에 따른 열분해 개시 온도(도 2a) 및 열분해 종결온도(도 2b)를 나타내었다.
또한, 본 발명에서 저품위 탄소섬유는 전술한 구체적인 예시에 한정되지 않고, 일반적인 폐탄소섬유를 의미할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명은 저품위 탄소섬유의 표면특성을 향상시키기 위하여 저품위 탄소섬유의 표면상에 IPL을 조사하여 표면개질된 탄소섬유를 제공한다.
표면개질된 본 발명의 탄소섬유는 라만스펙트럼의 G밴드의 피크 강도(IG)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID)의 비율인 강도비(ID/IG)가 1.0 이상이고, X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)이 0.16 이상이며, 열분해 개시온도가 710℃ 이하이다.
구체적으로, 상기 라만스펙트럼의 G 피크는 1580cm-1 부근에서 나타나고, D 피크는 1350 cm-1 부근에서 나타날 수 있다. 특히, 상기 D 피크는 포논에 의한 비탄성 산란과 결함(Defect)/치환 지점의 주변에서 탄성산란이 연이어 발생하는 경우 나타나며, 결함/치환이 많이 일어날수록 피크의 강도(ID)가 크게 나타난다. 따라서, 상기 G밴드의 피크 강도(IG)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID)의 비율인 강도비(ID/IG)가 클수록 탄소섬유의 표면에 결함이 많이 발생하여 기능화가 많이 된 것을 의미할 수 있다.
탄소섬유는 라만스펙트럼의 G밴드의 피크 강도(IG)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID)의 비율인 강도비(ID/IG)가 1.0 이상, 1.3 이상, 1.4 이상, 또는 1.5이상일 수 있으며, 상한은 특별히 제한되지 않으나, 2.0 이하일 수 있다.
또한, 탄소섬유는 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)이 0.16 이상일 수 있으며, 예를 들어, O/C 값이 0.19 이상, 0.21 이상, 0.23 이상, 0.25 이상, 0.30 이상 또는 0.34 이상일 수 있다. 또한, 탄소섬유는 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)이 0.16 내지 0.50, 0.20 내지 0.45, 0.25 내지 0.45 또는 0.25 내지 0.40일 수 있다.
탄소섬유가 상기와 같은 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)을 가지는 경우, 높은 극성 및 분산성을 가짐으로써 극성 또는 무극성 매트릭스 수지와 결합 시 계면 결합 특성이 향상될 수 있다.
이때, 탄소섬유는 열중량 분석(TGA) 시 열분해 개시온도가 710℃ 이하, 708℃ 이하, 706℃ 이하, 704℃ 이하, 702℃ 이하 또는 700℃이하인 저품위 탄소섬유일 수 있다.
본 발명의 표면개질된 탄소섬유는 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C-C 결합에 대한 C=O 결합의 비율이 0.22 이상일 수 있다. 예를 들어, 표면개질된 탄소섬유는 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C-C 결합에 대한 C=O 결합의 비율이 0.25 이상, 0.28 이상, 0.30 이상 또는 0.35 이상일 수 있으며, 상한은 특별히 제한되지 않으나 0.5 이하일 수 있다. 상기와 같은 C-C 결합에 대한 C=O 결합의 비율을 가지는 경우 탄소섬유의 극성이 향상될 수 있다.
상기 C-C 결합 및 C=O 결합은 결합에너지(Binding energy, eV)에 대한 강도(Intensity)를 나타내는 XPS 측정 결과에서 C-C 결합을 나타내는 피크의 면적 및 C=O 결합을 나타내는 피크의 면적을 의미한다.
본 발명에 따른 탄소섬유는 IPL(Intense Pulsed Light)을 이용한 저품위 탄소섬유의 표면 처리를 통하여 상기와 같은 라만스펙트럼의 G밴드의 피크 강도(IG)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID)의 비율, X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C) 또는 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C-C 결합에 대한 C=O 결합의 비율을 가질 수 있다.
IPL(Intense Pulse Light)은 짧은 시간(수 ms 내지 μs) 동안 고에너지의 광을 조사하여 에너지를 인가하는 것을 통칭하는 것으로, 좁은 의미로는 350nm 내지 1200nm의 넓은 대역의 빛을 발생시키는 플래시 램프 또는 제논 램프(xenon lamp)를 이용하는 광원을 의미할 수 있으나, 파장 범위 및 램프의 종류는 이에 한정되지 않는다. IPL 조사는 빠른 속도로 펄스를 바꿔가며 에너지를 조사하기 때문에 기판이나 조사 대상 물질의 손상을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, IPL은 다른 표면 처리 방식과 달리 짧은 시간에 강한 에너지를 탄소섬유 표면에 인가하므로, 탄소표면에 결함 및 C=O 결합의 비율을 높일 수 있다.
또한, 탄소섬유의 표면 에너지(Surface Energy)는 30mN/m 이상일 수 있다. 상기 탄소섬유의 표면 에너지는 표면장력이 알려진 물 및 다이오도메탄(Diiodomethane)의 접촉각을 이용하여 측정할 수 있다. 측정된 표면 에너지의 분산 성분(Dispersive part) 및 극성 성분(Polar part)을 각각 구하고 각 성분을 합산하여 표면 에너지로 할 수 있다.
이때, 탄소섬유의 분산 성분은 20mN/m 이상일 수 있으며, 예를 들어, 25mN/m 이상, 30mN/m 이상, 35mN/m 이상, 40mN/m 이상 또는 45mN/m 이상일 수 있다. 탄소섬유의 분산 성분의 상한은 특별히 제한되지 않으나, 50mN/m 이하 또는 60mN/m 이하일 수 있다.
또한, 탄소섬유의 극성 성분은 8mN/m 이상일 수 있으며, 예를 들어, 9mN/m 이상 또는 10mN/m 이상일 수 있다. 탄소섬유의 극성 성분의 상한은 특별히 제한되지 않으나, 15mN/m 이하 또는 20mN/m 이하일 수 있다.
탄소섬유의 분산 성분 및 극성 성분을 합산한 전체 표면 에너지는 30mN/m 이상일 수 있으며, 예를 들어, 35mN/m 이상, 40mN/m 이상, 45mN/m 이상 또는 50mN/m 이상일 수 있다. 탄소섬유의 표면 에너지의 상한은 특별히 제한되지 않으나, 60mN/m 이하 또는 80mN/m 이하일 수 있다.
본 발명의 탄소섬유는 상기와 같은 표면 에너지를 가짐으로써 분산성 및 극성이 동시에 우수하고, 이에 따라 극성 또는 무극성 매트릭스 수지와 결합 시 계면 결합 특성이 향상될 수 있다.
본 발명의 탄소섬유는 탄소섬유 표면에 IPL 조사 단계를 포함하여 표면이 개질된 탄소섬유일 수 있다.
탄소섬유는 표면이 그래파이트 구조로서 복합재료로 이용 시 사용되는 매트릭스 수지와의 접착 강도가 불충분하기 때문에 탄소섬유의 표면개질이 요구되며, 본 발명은 IPL을 이용하여 탄소섬유의 표면을 개질함으로써 매트릭스 수지와의 접착 강도를 향상할 수 있다.
구체적으로, 상기 IPL 조사 단계는 1000V 내지 1400V의 전압을 인가하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 IPL 조사 단계의 전압은 1100V 내지 1400V, 1000V 내지 1300V, 1100V 내지 1300V 또는 1150V 내지 1250V일 수 있다.
또한, IPL 조사 단계는 노출 시간이 1ms 내지 10ms, 2ms 내지 9ms, 2ms 내지 6ms 또는 3ms 내지 5ms일 수 있으며, 주파수는 0.1Hz 내지 10Hz, 0.3Hz 내지 8Hz, 0.5Hz 내지 6Hz, 0.7Hz 내지 3Hz 또는 0.8Hz 내지 2Hz일 수 있다.
상기 IPL 조사는 10회 내지 100회 수행될 수 있으며, 예를 들어, 30회 내지 70회 또는 40회 내지 60회 수행될 수 있고, 이를 반복하여 2회 내지 3회 수행할 수 있다.
이때, IPL 조사는 아르곤 가스 분위기에서 수행될 수 있으며, 예를 들어, 아르곤:산소의 비율이 부피비로 9.5:0.5 내지 8.5:1.5일 수 있다.
IPL 조사 전 탄소섬유는 저품위 탄소섬유 또는 폐탄소섬유를 이용할 수 있다. 본 발명은 저품위 탄소섬유 또는 폐탄소섬유를 IPL을 이용하여 표면개질함으로써, 극성 또는 무극성 매트릭스 수지와 결합 시 계면 결합 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 조건에 의한 IPL 조사 시 저품위 탄소섬유 또는 폐탄소섬유는 표면개질에 의해 상용 탄소섬유의 95% 수준의 계면전단강도(IFSS)를 가질 수 있다.
구체적으로, 표면개질 전 탄소섬유의 라만스펙트럼에서 G밴드의 피크 강도(IG1)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID1)의 비율을 강도비 A(ID1/IG1)이라고 하고, 표면개질 후 탄소섬유의 라만스펙트럼에서 G밴드의 피크 강도(IG2)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID2)의 비율을 강도비 B(ID2/IG2)라고 할 때, 강도비 A에 대한 강도비 B의 값이 1.5 이상일 수 있으며, 예를 들어, 강도비 A에 대한 강도비 B의 값이 1.6 이상 또는 1.7 이상일 수 있고, 상한은 특별히 제한되지 않으나, 2.0 이하일 수 있다.
이는 IPL을 특정 조건으로 탄소섬유에 조사하는 경우 탄소섬유의 표면에 결함을 많이 발생시킬 수 있고, 이를 통해 기능화 부여가 가능하다는 것을 의미한다.
또한, 표면개질 전 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)을 비율 A라 하고, 표면개질 후 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)을 비율 B라고 할 때, 비율 A에 대한 비율 B의 값이 1 이상일 수 있으며, 예를 들어, 비율 A에 대한 비율 B의 값이 1.3 이상, 1.6 이상 또는 2.1 이상일 수 있고, 상한은 특별히 제한되지 않으나, 2.5 이하 또는 3.0 이하일 수 있다.
탄소섬유에 IPL을 특정 조건으로 조사하는 경우 C 원자에 대한 O 원자의 비율이 급격히 증가함으로써, 표면개질된 탄소섬유는 높은 극성 및 분산성을 가져 극성 또는 무극성 매트릭스 수지와 결합 시 계면 결합 특성이 향상될 수 있다.
또한, 표면개질된 탄소섬유는 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C-C 결합이 표면개질 전 탄소섬유에 비하여 줄어들 수 있고, 표면개질된 탄소섬유는 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C=O 결합이 표면개질 전 탄소섬유에 비하여 늘어날 수 있다.
예를 들어, 표면개질된 탄소섬유는 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C-C 결합에 대한 C=O 결합의 비율인 (C=O)/(C-C) 값이, 표면개질 전에 비해 1.1배 이상 증가한 것을 수 있으며, 구체적으로, 1.3배, 1.5배 또는 1.7배 증가한 것일 수 있다.
상기와 같이 C-C 결합에 대한 C=O 결합의 비율이 증가됨으로써, 탄소섬유의 극성이 매우 향상될 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 표면개질된 탄소섬유 및 매트릭스 수지를 포함하는 탄소섬유 복합재를 제공할 수 있다.
상기 매트릭스 수지는 비극성 또는 극성 수지일 수 있다. 상기 비극성 수지는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌일 수 있으며, 상기 극성 수지는 폴리아미드 또는 에폭시 수지일 수 있다. 또한, 매트릭스 수지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지일 수 있으며, 열가소성 수지의 예로는, 나일론, 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등을 들 수 있고, 열경화성 수지로는 에폭시, 불포화 폴리에스테르, 폴리이미드, 비닐에스테르 또는 페놀 수지 등을 들 수 있다. 복합재의 강도 및 탄소섬유와의 상용성을 고려할 때, 상기 매트릭스 수지는 폴리에틸렌 또는 에폭시 수지일 수 있다.
상기 탄소섬유 복합재는 복수의 홈이 형성된 기판 및 상기 기판에 에너지를 조사하는 IPL 램프를 포함하는 표면개질 장치와 탄소섬유와 매트릭스 수지를 혼합하여 펠렛 형태로 압출하는 압출기를 이용하여 제조될 수 있다. 이때, 상기 IPL 램프는 제논 램프일 수 있으며, 상기 기판은 유리 기판일 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유 복합재의 제조방법은, 탄소섬유 표면상에 IPL을 조사하여 탄소섬유를 표면개질하는 IPL 조사 단계, 상기 표면개질된 탄소섬유와 매트릭스 수지 성분을 가열 및 혼합하는 혼합 단계 및 상기 혼합된 소재를 압출하는 압출 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 IPL 조사 단계는 탄소섬유를 디사이징(Desizing) 및 쵸핑(Chopping)하는 단계, 쵸핑된 탄소섬유를 표면개질 장치의 홈 내에 배열하는 단계, IPL 램프를 이용하여 상기 탄소섬유에 에너지를 조사하는 단계를 포함하여 표면개질된 탄소섬유를 연속적으로 생산할 수 있다.
상기 디사이징은 탄소섬유를 아세톤과 같은 용매에 1hr 내지 3hr 침지한 후 100℃내지 120℃에서 0.5hr 내지 2hr 건조하는 것일 수 있으며, 상기 쵸핑은 탄소섬유의 길이 방향으로의 길이를 2mm 내지 10mm, 4mm 내지 8mm 또는 5mm 내지 7mm로 절단하는 것일 수 있다.
또한, 에너지를 조사하는 단계는 1000V 내지 1400V의 전압을 인가하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 IPL 조사 단계의 전압은 1100V 내지 1400V, 1000V 내지 1300V, 1100V 내지 1300V 또는 1150V 내지 1250V일 수 있다.
또한, IPL 노출 시간은 1ms 내지 10ms, 2ms 내지 9ms, 2ms 내지 6ms 또는 3ms 내지 5ms일 수 있으며, 주파수는 0.1Hz 내지 10Hz, 0.3Hz 내지 8Hz, 0.5Hz 내지 6Hz, 0.7Hz 내지 3Hz 또는 0.8Hz 내지 2Hz일 수 있다.
상기 IPL 조사는 10회 내지 100회 수행될 수 있으며, 예를 들어, 30회 내지 70회 또는 40회 내지 60회 수행될 수 있고, 이를 반복하여 2회 내지 3회 수행할 수 있다. 이때, IPL 조사는 아르곤 가스 분위기에서 수행될 수 있으며, 예를 들어, 아르곤:산소의 비율이 부피비로 9.5:0.5 내지 8.5:1.5일 수 있다.
또한, 탄소섬유는 저품위 탄소섬유 또는 폐탄소섬유를 이용할 수 있다.
상기 표면개질된 탄소섬유와 매트릭스 수지를 가열 및 혼합하는 혼합 단계는 압출기를 이루는 제1 입구 상에 매트릭스 수지 성분을 투입하고, 압출기를 이루는 제2 입구 상에 IPL을 조사하여 표면개질된 탄소섬유를 투입한 후 가열 및 혼합한다. 가열 및 혼합된 소재는 압출기에서 압출되어 펠렛 형태로 제조될 수 있다.
이때, 압출온도는 170℃ 내지 210℃ 또는 180℃ 내지 200℃일 수 있으며, 유입 속도는 1rpm 내지 5rpm, 압출 속도는 50rpm 내지 70rpm일 수 있다. 압출 조건을 상기와 같이 설정함으로써, 탄소섬유 복합재의 인장특성 및 굴곡특성과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 표면개질된 탄소섬유는 ASTM D 3379에 따른 계면전단강도(IFSS)가 20MPa 이상일 수 있으며, 예를 들어, 25MPa 이상, 30MPa 이상, 20MPa 내지 50 MPa, 25MPa 내지 50 MP 또는 30MPa 내지 50 MPa일 수 있다.
상기와 같은 계면전단강도는 표면개질된 탄소섬유의 표면 에너지, X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C) 또는 표면개질 후 탄소섬유의 라만스펙트럼에서 G밴드의 피크 강도(IG)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID)의 비율인 강도비(ID/IG)가 전술한 특정 범위를 만족함으로써 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소섬유 복합재는 상기와 같은 계면전단강도를 만족함으로써, 인장강도 및 굴곡강도가 매우 높을 수 있다.
예를 들어, 탄소섬유 복합재의 인장강도는 45MPa 이상, 또는 120MPa 이상일 수 있으며, 구체적으로, 매트릭스 수지로 HDPE를 사용한 경우 탄소섬유 복합재의 인장강도는 50MPa 이상 또는 53MPa 이상일 수 있고, 매트릭스 수지로 에폭시 수지를 사용한 경우 탄소섬유 복합재의 인장강도는 130MPa 이상, 140MPa 이상 또는 140MPa 이상일 수 있다.
또한, 탄소섬유 복합재의 굴곡강도는 550MPa 이상, 또는 180MPa 이상일 수 있으며, 구체적으로, 매트릭스 수지로 HDPE를 사용한 경우 탄소섬유 복합재의 인장강도는 60MPa 이상 또는 70MPa 이상일 수 있고, 매트릭스 수지로 에폭시 수지를 사용한 경우 탄소섬유 복합재의 인장강도는 190MPa 이상, 210MPa 이상 또는 250MPa 이상일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
표면개질된 탄소섬유
탄소섬유로 저품위 탄소섬유(주식회사 효성, 필라멘트 수: 12K)를 준비하였다. 본 실험에 사용된 탄소섬유의 특성은 하기 표 1에 나타내었다.
| 직경 | 열분해 개시온도 | 열분해 종결온도 | |
| 탄소섬유 | 6.53 μm | 699.94℃ | 849.25℃ |
이때, 탄소섬유의 직경은 FE-SEM 이미지를 통한 탄소섬유 두께 방향의 장축 길이를 측정한 것이며, 이때, FE-SEM(JSM-7100F, JEOL, 일본)은 30kV에서 작동하는 고분해능 모드에서 수행하였다
열분해 개시 온도는 상온에서 1℃/min의 승온 속도로 승온한 열중량 분석(TG) 측정에 의해 얻어진 횡축에 온도 및 세로축에 중량 감소율%의 그래프에 있어서 탄소섬유의 중량 감소량 0wt%를 기점으로 1 wt% 중량 감소 시의 온도와 2 wt% 중량 감소 시의 측정점에 대하여, 2점을 통과하는 직선을 그어서 중량 감소량 0 wt%인 기점을 통과하는 수평선과 교차하는 점에 해당하는 온도를 열분해 개시 온도로 정의하였다. 또한, 열분해 종결온도는 열중량곡선을 미분한 DTG(Derivative Thermogravimetric)곡선의 최대값의 온도로 정의하고, 열중량분석은 열중량분석기(Q5000 IR, TA instruments, 미국)를 통해 측정하였다.
탄소섬유를 아세톤에 2hr 침지한 후 110℃에서 1hr 건조하여 디사이징(Desizing)하였다. 이후 디사이징한 탄소섬유를 6mm의 길이로 쵸핑(Chopping)한 후 IPL을 조사하였다.
구체적으로, 복수의 홈이 형성된 투명한 유리 기판에 쵸핑된 탄소섬유를 배열한 후 IPL 램프를 이용하여 탄소섬유에 에너지를 인가하였다.
IPL은 아르곤과 산소의 비율이 9:1인 분위기 및 RT 조건에서 노출 시간을 4ms로 하고, 주파수 1 Hz로 100회(50회 x 2번) 실시하였다.
IPL 조사 시 전압은 제조예 1(800V), 제조예 2(1000V), 제조예 3(1200V) 및 제조예 4(1400V)로 각각 설정하였으며, 비교를 위하여 IPL 처리하지 않은 저품위 탄소섬유를 비교예 1로 하였다.
(표면 에너지 측정) 표면장력이 알려진 물, 다이오도메탄의 접촉각을 25℃및 50%RH의 조건 하에서 동적접촉각측정기(K100SF, Kr
ss, 독일)를 이용하여 측정하였다. 계산에 이용한 접촉각은 단섬유를 각 액에 삽입 및 추출 시 변화하는 힘을 측정하고, Wilhelmy 이론으로 계산하여 탄소섬유의 표면 에너지의 분산 성분 및 극성 성분을 구하고 각 성분을 합산한 것을 표면 에너지로 하였다. 상기 계산은 접촉각측정기 내의 계산 소프트웨어를 이용하여 수행하였다.
제조예 1 내지 4 및 비교예 1의 표면 에너지 측정 결과를 도 7 및 하기 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 전압(V) | 표면에너지 (mN/m) |
분산성분 (mN/m) |
극성성분 (mN/m) |
표면에너지 증가 비율 |
| 제조예 1 | 800 | 38.4 | 33.5 | 4.9 | 1.73 |
| 제조예 2 | 1000 | 38.4 | 33.2 | 5.1 | 1.73 |
| 제조예 3 | 1200 | 50.3 | 40.3 | 10.0 | 2.27 |
| 제조예 4 | 1400 | 47.6 | 47.3 | 0.4 | 2.14 |
| 비교예 1 | - | 22.2 | 15.7 | 6.4 | - |
도 7 및 표 2를 참조하면, IPL 조사 후 탄소섬유(제조예 1 내지 제조예 4)의 표면 에너지는 IPL을 조사하지 않은 비교예 1에 비하여 2 내지 2.5배 증가하였으며, 특히 1,200V, 4ms, 1Hz 및 100회의 IPL 조건에서 가장 높은 표면 에너지 값인 50.3 mN/m를 나타내었는데, 1,200V에서는 분산 성분과 극성 성분이 동시에 증가하였다. 반면, 1400V 이상의 전압에서는 극성이 현저히 감소하였는데, 이는 과도한 에너지 인가에 의한 것으로 판단된다.
(X선 광전자 분광 분석) X-선 광전자 분광(XPS)은 Thermo/K-Alpha ESCA System X-선 광전자 분광기에 의해 5.0x10-9 Torr의 초고진공 하에서 1.0eV의 에너지 단계 크기를 가진 단색 Al-Kα 소스를 사용하여 수행되었으며, 측정 결과를 하기 도 8, 표 3 및 표 4에 나타내었다.
| 구분 | C-C | C=C | C-O | O-C-O | C=O | (C=O)/(C-C) |
| 제조예 1 | 38.25 | 1.8 | 26.56 | 22.9 | 10.48 | 0.27 |
| 제조예 2 | 36.92 | 2.35 | 26.11 | 21.11 | 10.64 | 0.29 |
| 제조예 3 | 38.92 | 3.36 | 25.39 | 17.5 | 14.14 | 0.36 |
| 제조예 4 | 64.24 | 5.19 | 0 | 14.97 | 15.6 | 0.24 |
| 비교예 1 | 48.2 | 2.2 | 18.55 | 21.05 | 10 | 0.21 |
| 구분 | C1s | O1s | O1s/C1s | 증가 비율 |
| 제조예 1 | 80.23 | 14.77 | 0.18 | 1.17 |
| 제조예 2 | 72.31 | 17.75 | 0.25 | 1.56 |
| 제조예 3 | 63.70 | 22.74 | 0.36 | 2.27 |
| 제조예 4 | 87.52 | 6.62 | 0.08 | 0.48 |
| 비교예 1 | 83.20 | 13.10 | 0.16 | - |
상기 표 4에서 증가 비율은 비교예 1의 O1s/C1s 값에 대한 실시예 1 내지 4의 O1s/C1s 값의 비율을 나타낸 것이다. 상기 표 3 및 표 4를 참조하면, 1200 V까지 전압이 증가할수록 표면의 산소 relative concentration과 O/C 비율 값이 증가하였으며, 1400V에서는 크게 감소한 것을 확인할 수 있다. O/C 비율의 증가는 탄소섬유 표면의 기능화가 이루어진 것을 나타내며 1200V까지 기능화 비율이 증가하다가 1400V에서는 과도한 에너지에 노출돼 C-O 결합의 파괴로 인해 표면 기능화 비율감소를 유발하였다.
(라만스펙트럼 측정) 라만스펙트럼 측정 장치(Nanofinder 30, Tokyo instrument, 일본)를 이용하였으며, 측정 조건은 레이저파 길이: 532nm, 조사 강도:1.0mW, 조사 시간: 100초, 측정 범위: 100cm-1 내지 1800cm-1로 하였다. 얻어진 라만스펙트럼을 도 10에 나타내었으며, 얻어진 라만스펙트럼에서 1350cm-1 부근에 나타나는 피크의 강도와 면적을 Id, AD, 1580cm-1 부근에 나타나는 피크의 강도와 면적을 각각 Ig, AG 으로 하고, 그 양 피크의 강도비와 면적비 Id/Ig와 AD/AG를 구하여 이를 하기 표 5에 나타내었다.
| 구분 | ID/IG | AD/AG | 증가 비율 |
| 제조예 1 | 1.378 | 5.370 | 1.583 |
| 제조예 2 | 1.415 | 5.666 | 1.625 |
| 제조예 3 | 1.515 | 6.155 | 1.739 |
| 제조예 4 | 1.412 | 5.289 | 1.622 |
| 비교예 1 | 0.871 | - | - |
상기 표 5에서 증가 비율은 비교예 1의 ID/IG 값에 대한 실시예 1 내지 4의 ID/IG 값의 비율을 나타낸 것이다. IPL 처리 후 G peak 대비 D peak의 강도 값이 증가하였으며, 1,200 V까지 인가전압이 증가할수록 ID/IG 값이 증가하다가 이후 감소하였다는 것을 알 수 있다. 한편, ID/IG 값은 1,200 V에서 1.515로 비교예 1 대비 0.644 증가하여 탄소섬유 표면에 결함 부여를 통한 기능화를 확인할 수 있으며 AD/AG 비율도 ID/IG 비율과 유사한 경향을 나타내 산소를 포함한 작용기 형성의 효율을 비교할 수 있다..
IPL 조사 외의 방법으로 탄소섬유의 표면을 개질한 것과 비교를 위하여 열처리, 습식(화학/전기화학 반응) 및 플라즈마 처리에 의하여 탄소섬유를 표면개질한 비교예 2 내지 5의 표면 에너지 변화를 하기 표 6에 나타내었다.
| 구분 | 개질 방법 | 분산 성분 | 극성 성분 | ||||
| 처리 전 | 처리 후 | 비율 | 처리 전 | 처리 후 | 비율 | ||
| 제조예 3 | IPL | 15.7 | 40.3 | 2.57 | 6.4 | 10.0 | 1.56 |
| 비교예 2 | 열처리 | 9 | 8 | 0.89 | 31 | 34 | 1.10 |
| 비교예 3 | 화학 | 23.82 | 32.39 | 1.36 | 10.64 | 11.7 | 1.10 |
| 비교예 4 | 전착 | 9 | 8 | 0.89 | 17 | 26 | 1.53 |
| 비교예 5 | 화학 | 27.4 | 26.7 | 0.97 | 5.0 | 12.4 | 2.48 |
상기 비교예 2는 Dai, Zhishuang, et al. Applied Surface Science 257.20 (2011) 8457-8461.에 개시된 방법 및 측정 결과이며, 비교예 3은 Ferreira, Filipe V., et al. Applied Surface Science 389 (2016) 921-929.에 개시된 방법 및 측정 결과이고, 비교예 4는 Schneck, Tanja K., et al. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 120 (2019) 64-72.에 개시된 방법 및 측정 결과이며, 비교예 5는 Huan, Xianhua, et al. Composites Part B: Engineering (2020) 107987.에 개시된 방법 및 측정 결과이다.
| 구분 | 개질 방법 | O/C | ID/IG | ||||
| 처리 전 | 처리 후 | 비율 | 처리 전 | 처리 후 | 비율 | ||
| 제조예 3 | IPL | 0.16 | 0.36 | 2.25 | 0.87 | 1.52 | 1.75 |
| 비교예 3 | 습식 | 0.2 | 0.34 | 1.70 | - | - | - |
| 비교예 4 | 전착 | 0.19 | 0.22 | 1.16 | - | - | - |
| 비교예 6 | 플라즈마 | 1.03 | 1.21 | 1.17 | 0.77 | 0.98 | 1.27 |
| 비교예 7 | 전자빔 | 0.71 | 0.23 | 0.32 | 2.15 | 2.26 | 1.05 |
상기 비교예 6은 Yu, Hyunjin, et al. ACS Applied Materials & Interfaces 12.5 (2020) 5820-5830. 에 개시된 방법 및 측정 결과이며, 비교예 7은 Kim, Bo-Hye, et al. ACS Applied Materials & Interfaces 3.2 (2011) 119-123. 에 개시된 방법 및 측정 결과이다.
표 6에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 IPL 조사에 의한 탄소섬유 개질방법에 의하면, 분산 및 극성이 각각 2.57배 및 1.56배로 크게 증가하여 표면 에너지가 매우 증가하였으나, 비교예 2 내지 5는 분성 성분 또는 극성 성분 중 어느 하나의 감소를 수반하거나(비교예 2, 비교예 4 및 비교예 5), 둘 다 증가하는 경우에도 증가량을 미미(비교예 3)하였다.
또한, 표 7에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 IPL 조사에 의한 탄소섬유 개질방법에 의하면, O/C 비율이 2.25배 증가하였으며, ID/IG 강도비가 1.75배 증가하여, 가장 높은 증가율을 나타내었다.
따라서, IPL 방식은 열처리, 전자빔, 플라즈마 및 습식(화학적) 방식에 비해 우수한 성능을 나타낸다는 점을 확인할 수 있고, 표면에너지의 분산성과 극성을 동시에 증가시킬수 있어 극성/무극성 매트릭스 수지와의 계면 결합특성 향상에 유리하다는 것을 확인할 수 있다.
(계면전단강도 측정) 계면전단강도(Interfacial shear strength, IFSS)는 ASTM D3379에 따라 측정하였다. 구체적으로, 도 11에 나타낸 바와 같이 인장시험 틀에 탄소섬유 한 가닥을 종이프레임에 샘플링(20 EA)한 후 탄소섬유 중앙에 80 내지 150μm크기의 수지방울을 형성시킨 후 120℃에서 16시간 또는 상온에서 72시간 경화하였다. 이후, 0.1 내지 0.3mm/min 속도로 수지방울이 파단될 때까지 인장시험을 진행하였다.
계면전단강도 측정 결과를 하기 표 8에 나타내었다.
| 구분 | 전압(V) | IFSS(MPa) |
| 제조예 1 | 800 | 21.47 ± 4.81 |
| 제조예 2 | 1000 | 23.97 ± 3.69 |
| 제조예 3 | 1200 | 34.99 ± 3.55 |
| 제조예 4 | 1400 | 22.95 ± 1.49 |
| 비교예 1 | - | 11.94 ± 3.77 |
표 8을 참조하면, 저품위 탄소섬유에 IPL 조사를 통해 표면처리한 경우 비교예 1 대비 모든 전압 조건에서 IFSS값이 증가하였고, 1200V에서 IFSS 값은 34.99MPa로 비교예 1 대비 약 2.9배 증가하였으며, 상용 A급 탄소섬유 대비 95%의 IFSS 값을 나타낸다.
한편, IPL 조사를 통해 표면개질된 탄소섬유의 직경, 열분해 개시온도, 열분해 종결온도 및 XRD 결정 구조를 측정하였다. 그 결과, 표 1에 기재된 값과 차이가 없어 IPL 조사는 이들 탄소섬유의 직경, 열분해 개시온도, 열분해 종결온도 및 결정구조에는 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
탄소섬유 복합재
상기 제조예 3에서 제조된 표면개질된 탄소섬유 50wt%와 매트릭스 수지를 2축 압출기(열가소성 복합소재 혼합시스템, 한국이엠㈜사)에서 혼합 및 압출하여 탄소섬유 복합재 펠렛을 제조하였다. 상기 표면개질된 탄소섬유는 1mm 크기로 절단 후 사용하였으며, 매트릭스 수지로는 각각 무극성인 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 극성을 가지는 에폭시 수지를 사용하였다. 압출 온도는 195±15℃로 하고, 유입 속도는 3rpm, 압출 속도는 60rpm으로 하였다.
매트릭스 수지로 HDPE를 사용한 탄소섬유 복합재를 실시예 1로 하고, 매트릭스 수지로 에폭시 수지를 사용한 탄소섬유 복합재를 실시예 2로 하였다.
또한, 탄소섬유로 비교예 1의 탄소섬유를 사용한 이외에 실시예 1과 동일하게 제조한 탄소섬유 복합재를 비교예 8로 하고, 탄소섬유로 비교예 1의 탄소섬유를 사용한 이외에 실시예 2와 동일하게 제조한 탄소섬유 복합재를 비교예 9로 하였다.
(인장강도 및 굴곡강도 측정) 인장강도 및 굴곡강도 측정을 위하여, 사출 성형기(동신유압사)에서 사출 온도 195±15℃, 압력 32±17bar 및 사출 속도 9mm/s로 시편을 제조하였다. 인장강도 및 굴곡강도는 각각 ASTM D638 및 ASTM D790에 준거하여 측정하였다.
실시예 1의 인장시험 및 굴곡시험 결과를 각각 도 12 및 도 13에 나타내었고, 실시예 2의 인장시험 및 굴곡시험 결과를 각각 도 14 및 도 15에 나타내었다.
또한, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 8 및 비교예 9의 인장강도 및 굴곡강도를 하기 표 8에 나타내었다.
| 구분 | 수지종류 | 인장강도(MPa) | 굴곡강도(MPa) |
| 비교예 8 | HDPE | 42.65 | 54.27 |
| 실시예 1 | HDPE | 54.56 | 73.99 |
| 비교예 9 | 에폭시 | 111.59 | 178.08 |
| 실시예 2 | 에폭시 | 142.84 | 256.44 |
도 12 내지 도 15 및 표 9를 참조하면, IPL 표면처리한 저품위 탄소섬유 복합재의 항복강도, 인장강도, 연신율이 증가하였고, 50wt% 함량의 저품위 탄소섬유 복합재의 인장강도 값은 IPL 표면처리 전 대비 각각 23%(실시예 1) 및 28%(실시예 2) 증가하였음을 확인할 수 있다.
또한, IPL 표면처리한 저품위 탄소섬유 복합재의 굴곡강도, 굴곡탄성률, 파단거리가 증가하고, 50wt% 함량의 저품위 탄소섬유 복합재의 굴곡강도 값은 IPL 표면처리 전 대비 각각 36%(실시예 1) 및 44%(실시예 2) 증가하였음을 알 수 있다.
한편, 저품위 탄소섬유와 수지간의 계면특성에 대한 강도는 인장강도보다 굴곡강도에서 더 큰 영향을 미침을 확인할 수 있었으며, 분산성 및 극성 표면에너지 증가로 비극성 수지 PE 보다 극성 수지 epoxy와의 계면특성이 더 효과적으로 향상되었음을 알 수 있다.
Claims (14)
- 라만스펙트럼의 G밴드의 피크 강도(IG)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID)의 비율인 강도비(ID/IG)가 1.0 이상이고,
X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)이 0.16 이상이며,
열분해 개시온도가 710℃ 이하인 탄소섬유.
- 제1항에 있어서,
X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C-C 결합에 대한 C=O 결합의 비율이 0.22 이상인 탄소섬유.
- 제1항에 있어서,
표면 에너지가 30mN/m 이상인 탄소섬유.
- 제3항에 있어서,
표면 에너지 중 극성 성분의 에너지가 8mN/m 이상인 탄소섬유.
- 제1항에 있어서,
두께 방향의 직경이 7.4μm 이하인 탄소섬유.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 탄소섬유 및 매트릭스 수지를 포함하는 탄소섬유 복합재.
- 제6항에 있어서,
매트릭스 수지는 비극성 또는 극성 수지인 탄소섬유 복합재.
- 제6항에 있어서,
ASTM D 3379에 따른 계면전단강도(IFSS)가 20MPa 이상인 탄소섬유 복합재.
- 탄소섬유 표면상에 IPL을 조사하는 IPL 조사 단계를 포함하는 탄소섬유의 표면개질 방법.
- 제9항에 있어서,
IPL 조사 단계는 1000V 내지 1400V의 전압을 인가하는 것인 탄소섬유 표면개질 방법.
- 제9항에 있어서,
IPL 조사 단계는 노출 시간이 1 내지 10ms이고, 주파수는 0.1 내지 10Hz인 탄소섬유 표면개질 방법.
- 제9항에 있어서,
표면개질 전 탄소섬유의 라만스펙트럼에서 G밴드의 피크 강도(IG1)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID1)의 비율을 강도비 A(ID1/IG1)라고 하고, 표면개질 후 탄소섬유의 라만스펙트럼에서 G밴드의 피크 강도(IG2)에 대한 D밴드의 피크 강도(ID2)의 비율을 강도비 B(ID2/IG2)라고 할 때, 강도비 A에 대한 강도비 B의 값이 1.5 이상이고,
표면개질 전 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)을 비율 A라 하고, 표면개질 후 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 측정한 C 원자에 대한 O 원자의 비율(O/C)을 비율 B라고 할 때, 비율 A에 대한 비율 B의 값이 1 이상인 탄소섬유 표면개질 방법.
- 제9항에 있어서,
탄소섬유는 열분해 개시온도가 710℃ 이하이거나, 열분해 종결온도가 860℃이하이거나 또는 두께 방향의 직경이 7.4μm 이하인 탄소섬유의 표면개질 방법.
- 탄소섬유 표면상에 IPL을 조사하여 탄소섬유를 표면개질하는 IPL 조사 단계;
상기 표면개질된 탄소섬유와 플라스틱을 가열 및 혼합하는 혼합 단계; 및
상기 혼합된 소재를 압출하는 압출 단계를 포함하는 탄소섬유 복합재의 제조방법.
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| KR20120129780A (ko) * | 2011-05-18 | 2012-11-28 | 한양대학교 산학협력단 | 극단파 백색광 조사법을 이용한 탄소-합금 복합체의 제조 방법 |
| KR20140112499A (ko) * | 2012-03-05 | 2014-09-23 | 아사히 가세이 케미칼즈 가부시키가이샤 | 표면 처리 카본 나노 튜브 및 수지 조성물 |
| KR20170028036A (ko) * | 2015-09-03 | 2017-03-13 | 전자부품연구원 | 그래핀 복합 금속와이어 및 그의 제조방법 |
| JP2019178223A (ja) * | 2018-03-30 | 2019-10-17 | 山形県 | カーボンナノチューブ複合樹脂成形体及びその製造方法 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102521678B1 (ko) | 2023-04-14 |
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