KR20230075273A - 탄소섬유복합소재 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 탄소섬유복합소재는, 탄소섬유와 열가소성고분자섬유가 혼합된 복합원사와, 외부로부터 열을 제공받아 상기 열가소성고분자섬유와 용해되어 복합원사 내측에 함침후 경화된 열가소성수지를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

탄소섬유복합소재{Carbon fiber composite material}

본 발명은 탄소섬유복합소재에 관한 것으로, 탄소섬유를 포함하는 복합원사에 열가소성수지필름을 함침하여 매트 형태로 제조함으로써 성형성이 향상될 수 있도록 한 탄소섬유복합소재에 관한 것이다.

본 발명은 복합원사에 열가소성고분자섬유를 포함하여 열가소성수지필름과 같이 용융되게 함으로써 함침이 균일하게 이루어질 수 있도록 한 탄소섬유복합소재에 관한 것이다.

본 발명은 탄소섬유의 길이를 제어하여 분산성을 높임으로써 균일한 특성을 갖도록 한 탄소섬유복합소재에 관한 것이다.

본 발명은 복합원사에 서로 상이한 길이 범위의 탄소섬유를 혼합하여 사용함으로써 면밀도를 높일 수 있도록 한 탄소섬유복합소재에 관한 것이다.

근래에는 차체의 고강도 경량화 추세에 따라 차체 소재로서, 초고장력강 등과 같은 강판, 알루미늄 또는 마그네슘과 같은 비철 금속판재, 뿐만 아니라 탄소 섬유 강화플라스틱(CFRP: 플라스틱(CFRP: CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS) 또는 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastic) 등과 같은 플라스틱 복합소재의 판재를 적용하는 사례가 빈번해 졌다.

여기서, 상기 플라스틱 복합소재는 강도, 탄성률, 경량성, 안정성 등이 우수하기 때문에, 항공 분야나 자동차 분야에서 주요한 재료 중 하나로 각광받고 있으며, 상기 플라스틱 복합소재의 향후 사용이 더욱 확대되고, 제조량 또한 비약적으로 증가될 것으로 기대하고 있다.

그리고 자동차의 경우 경량화를 위하여 탄소섬유가 포함된 복합재에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.

탄소섬유는 철보다 1/5로 가볍고 강도는 10배 강한 첨단 소재로서, 인장 강도 및 인장 탄성률 등이 다른 섬유에 비해 매우 높고, 비강도(比强度), 비탄성률(比彈性率)이 우수한 하기 때문에 복합 재료의 보강재로 사용되기에 적합하다. 또한, 탄소섬유는 내열성, 화학적 안정성, 전기전도성 및 유연성 등이 우수하기 때문에 우주, 항공, 풍력발전, 스포츠 및 레저 산업뿐만 아니라 의료, 건설 등여러 분야에서 폭넓은 응용이 가능하고, 우수한 계면결합력을 가지는 탄소섬유는 고분자 복합재료에 주재료로 사용될 만한 물질로 알려져 있다.

일반적으로 탄소섬유의 경우 직경이 약 7㎛의 탄소단섬유 3,000 ~ 320,000 가닥이 모여서 다발을 이루는 토우를 형성하고, 상기 토우의 탄소단섬유들 사이로 열가소성수지 단섬유들을 혼재하는 혼섬작업을 실시하는데 혼섬이 용이하지 않다.

따라서 도 1과 같이 탄소단섬유(13)와 열가소성수지섬유(11)를 혼섬하여 복합사(12)를 제조하여 사용되며, 도 2와 같이 섬유시트(110)에 고분자 폴리머 필름(200)을 적층한 후 가열 및 가압하여 일체로 함침시킨 탄소섬유복합재가 개시되어 있다.

그러나 수지의 점도가 높아 섬유시트(110) 내부로 열가소성수지를 함침(含浸)시키기 어려운 문제점이 있었다.

이에 따라 대한민국 공개특허 제10-2021-0042321호에는 도 3과 같이 열가소성 수지(2)를 저류하는 도포부(20)에 연속 섬유를 포함하는 강화 섬유를 일방향으로 배열한 시트상 강화 섬유 다발을 통과시켜 열가소성수지를 도포할 수 있도록 한 도공장치가 개시되어 있다.

그러나 도 3의 종래기술 역시 강화 섬유 다발이 균일하게 분포하지 않아 수지의 뭉침현상이 발생하게 되므로 물성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소섬유를 포함하는 복합원사에 열가소성수지필름을 함침하여 매트 형태로 제조함으로써 성형성이 향상될 수 있도록 한 탄소섬유복합소재를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 복합원사에 열가소성고분자섬유를 포함하여 열가소성수지필름과 같이 용융되게 함으로써 함침이 균일하게 이루어질 수 있도록 한 탄소섬유복합소재를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 탄소섬유의 길이를 제어하여 분산성을 높임으로써 균일한 특성을 갖도록 한 탄소섬유복합소재를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 복합원사에 서로 상이한 길이 범위의 탄소섬유를 혼합하여 사용함으로써 면밀도를 높일 수 있도록 한 탄소섬유복합소재를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 탄소섬유복합소재는, 탄소섬유와 열가소성고분자섬유가 혼합된 복합원사와, 외부로부터 열을 제공받아 상기 열가소성고분자섬유와 용해되어 복합원사 내측에 함침후 경화된 열가소성수지를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 열가소성수지와 열가소성고분자섬유는 동일한 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 절단부는, 상기 탄성부보다 큰 강도를 가지며, 상기 절단부와 접촉시 압력에 의해 변형되면서 탄성복원력을 발생하는 것을 특징으로 하는 함침성이 우수한 열가소성 복합재 제조장치.

상기 탄소섬유는 서로 상이한 길이 범위의 탄소섬유를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 탄소섬유는, 24 내지 32㎜의 길이로 절단된 장섬유와, 10 내지 20㎜의 길이로 절단된 단섬유를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 탄소섬유는 전체 중량에 대하여 상기 단섬유의 중량이 장섬유의 중량보다 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따FMS 탄소섬유복합소재는 탄소섬유를 포함하는 복합원사에 열가소성수지필름을 함침하여 매트 형태로 제조된다.

따라서 성형성이 향상될 수 있다.

그리고 복합원사에 열가소성고분자섬유를 포함하여 열가소성수지필름과 같이 용융되게 함으로써 함침이 균일하게 이루어질 수 있으므로 물성을 높일 수 있다.

또한 탄소섬유의 길이를 제어하여 분산성을 높임으로써 물성의 불균일을 미연에 차단할 수 있다.

뿐만 아니라, 복합원사에 서로 상이한 길이 범위의 탄소섬유를 혼합하여 사용함으로써 면밀도를 높일 수 있다.

도 1 은 종래의 복합사를 제조하는 공정을 나타낸 모식도.
도 2 는 대한민국 등록특허 제10-1554264호에 개시된 탄소섬유복합재의 구조를 보인 사시도.
도 3 은 대한민국 공개특허 제10-2021-0042321호에 개시된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 도공장치를 도시한 단면도.
도 4 는 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재의 외관을 보인 실물 사진.
도 5 는 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재 제조장치의 구조를 보인 모식도.
도 6 은 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재에서 일 구성인 탄소섬유와 열가소성고분자섬유를 보인 실물사진.
도 7 은 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재에서 일 구성인 탄소섬유와 열가소성고분자섬유가 혼합 및 개섬된 복합원사의 모습을 보인 실물사진.
도 8 은 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재에서 복합원사가 절단 후 열가소성수지필름 위에 분산된 모습을 보인 실물 사진.

이하 첨부된 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재(100)에 대하여 설명한다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4에는 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재(100)의 외관을 보인 실물 사진이 도시되어 있다.

도면과 같이 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재(100)는 매트(MAT)형태로 제조되며, 탄소섬유(120)와 열가소성고분자섬유(140)가 혼합된 복합원사(도 7의 도면부호 160 참조)와, 외부로부터 열을 제공받아 상기 열가소성고분자섬유(140)와 용해되어 복합원사(160) 내측에 함침 후 경화된 열가소성수지(도 5의 도면부호 180 참조)를 포함하여 구성된다.

상기 복합원사(160)는 탄소섬유(도 6의 도면부호 120 참조)와 열가소성고분자섬유(140)(도 6의 도면부호 140 참조)가 소정의 길이만큼 절단된 형태로 혼합된 것으로서, 상기 열가소성고분자섬유(140)는 열가소성수지(180)와 동일한 소재로 이루어지며, 시트 형태의 열가소성수지(180)에 복합원사(160)가 흩뿌려진 상태에서 가열 및 가압함으로써 열가소성수지(180)와 열가소성고분자섬유(140)가 녹아 융합되고 복합원사(160) 내부의 공간에는 열가소성수지(180)가 침투하여 함침될 수 있다.

그리고 상기 복합원사(160)는 서로 상이한 길이 범위의 탄소섬유(120)를 포함하여 구성된다. 즉 상기 복합원사(160)에 포함되는 탄소섬유(120)는 동일한 길이를 갖는 것으로만 구성된 것이 아니라, 24 내지 32㎜의 길이로 절단된 장섬유와, 10 내지 20㎜의 길이로 절단된 단섬유가 섞인 상태이다.

이것은 탄소섬유복합소재(100)의 면중량을 높이고 기계적 물성을 향상시키기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예에서 상기 단섬유의 중량은 장섬유의 중량보다 크게 배합하였다.

이하 첨부된 도 5 내지 도 8을 참조하여 상기 탄소섬유복합소재(100)를 제조하는 과정 및 제조 공정별 구성요소의 상태를 설명한다.

도 5에는 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재(100) 제조장치의 구조를 보인 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재(100)에서 일 구성인 탄소섬유(120)와 열가소성고분자섬유(140)를 보인 실물사진이 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재(100)에서 일 구성인 탄소섬유(120)와 열가소성고분자섬유(140)가 혼합 및 개섬된 복합원사(160)의 모습을 보인 실물사진이 도시되어 있으며, 도 8에는 본 발명에 의한 탄소섬유복합소재(100)에서 복합원사(160)가 절단 후 열가소성수지(180) 위에 분산된 모습을 보인 실물 사진이 도시되어 있다.

도면과 같이 제조장치(10)는 매트 형태의 탄소섬유복합소재(100)를 연속적으로 제조하기 위한 장치로서, 탄소섬유(120)와 열가소성고분자섬유(140)는 섬유공급유닛(11) 내부로 공급되어 개섬유닛(12) 내부로 투입된다.

상기 섬유공급유닛은 내부에 스크류가 설치되어 우측 방향으로 탄소섬유(120)와 열가소성고분자섬유(140)를 개섬유닛 상부공간으로 투입시키게 된다.

상기 개섬유닛 내부로 투입된 탄소섬유(120)와 열가소성고분자섬유(140)는 개섬유닛 내부에 설치된 개섬롤러에 의해 섞이면서 개섬되며, 분산유닛(13) 내부로 공급된다.

그리고 상기 개섬유닛 내부에는 별도의 절단날이 더 구비될 수 있다.

상기 분산유닛은 열가소성수지(180) 상면에 복합원사(160)를 고르게 낙하시키기 위한 구성으로, 내부에는 교반롤러(14)가 다수 구비된다. 상기 다수 교반롤러는 상측에서 낙하하는 탄소섬유(120)와 열가소성고분자섬유(140)를 균일하게 혼합할 수 있도록 하는 구성이며, 상기 분산유닛의 하부는 선택적으로 개구되어 하측에 위치한 열가소성수지(180) 상면에 도 8과 같은 상태의 복합원사(160)를 낙하시키게 된다.

상기 분산유닛 하측에는 이송벨트(15)가 구비되어 복합원사(160)가 얹혀진 열가소성수지(180)를 연속적으로 우측 방향으로 이동시키게 된다.

상기 이송벨트의 우측에는 성형유닛(16)이 구비된다. 상기 성형유닛은 한 쌍의 무한궤도 형태로 이루어지고, 사이로 열가소성수지(180)와 복합원사(160)를 통과시키면서 가열 및 가압함으로써 탄소섬유복합소재(100)를 성형하는 구성이다.

상기 성형유닛의 우측상부에는 냉각유닛(17)이 구비된다. 상기 냉각유닛은 성형유닛을 통과하면서 가열된 탄소섬유복합소재(100)를 냉각하기 위한 구성으로 본 발명의 실시예에서 상기 냉각유닛은 에어를 분사하도록 구성하였다.

상기 냉각유닛의 우측에는 권취유닛(18)이 설치된다. 상기 권취유닛은 냉각된 탄소섬유복합소재(100)를 도 4와 같은 상태로 권취하기 위한 구성이다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서 이송롤러(19)는 열가소성수지(180)를 이송하고, 분산유닛(13)은 열가소성수지(180) 상면에 복합원사(160)를 낙하하도록 구성하였으나, 이송롤러(19)가 탄소섬유복합소재(100)를 우측 방향으로 이송하고, 탄소섬유복합소재(100) 상면에 복합원사(160)를 분산 낙하시켜 두께를 증가시킨 탄소섬유복합소재(100)의 제조가 가능할 수 있다.

10. 제조장치 11. 섬유공급유닛
12. 개섬유닛 13. 분산유닛
14. 교반롤러 15. 이송벨트
16. 성형유닛 17. 냉각유닛
18. 권취유닛 19. 이송롤러
100. 탄소섬유복합소재 120. 탄소섬유
140. 열가소성고분자섬유 160. 복합원사
180. 열가소성수지

Claims (5)

1. 탄소섬유와 열가소성고분자섬유가 혼합된 복합원사와,
   외부로부터 열을 제공받아 상기 열가소성고분자섬유와 용해되어 복합원사 내측에 함침후 경화된 열가소성수지를 포함하여 구성되는 탄소섬유복합소재.
   
2. 제 2 항에 있어서, 상기 열가소성수지와 열가소성고분자섬유는 동일한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소섬유복합소재.
   
3. 제 3 항에 있어서, 상기 탄소섬유는 서로 상이한 길이 범위의 탄소섬유를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 탄소섬유복합소재.
   
4. 제 4 항에 있어서, 상기 탄소섬유는,
   24 내지 32㎜의 길이로 절단된 장섬유와, 10 내지 20㎜의 길이로 절단된 단섬유를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 탄소섬유복합소재.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 탄소섬유는 전체 중량에 대하여
   상기 단섬유의 중량이 장섬유의 중량보다 큰 것을 특징으로 하는 탄소섬유복합소재.

Images