KR950003974B1 - 탄소섬유 복합재의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도는 종래의 탄소섬유 복합재 제조과정에 대한 공정도.
제2도는 본 발명의 일실시예 제조과정에 대한 공정도
제3도는 본 발명의 다른 실시예 제조과정에 대한 공정도.
제4도는 본 발명의 방법에 의해 제조된 탄소섬유 복합재의 온도 변화에 따른 중량감소량을 종래의 탄소섬유 복합재와 비교하여 나타낸 그래프.
제5도는 탄소섬유 복합재에 대한 주사전자 현이경 사진으로서, (a)는 종래의 산처리를 거치지 않은 경우이고, (b)는 본 발명의 산처리를 행한 경우이다.
본 발명은 내열융삭 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 특히 복합재료의 강화재로 작용하는 탄소섬유가고온의 산화성 분위기중에서 산화되는 것을 방지하기 위하여 복합재료의 제조시 탄소섬유를 루이스산(Lewis acid)으로 처리하여 탄소섬유의 내산화성을 향상시킨 탄소섬유 복합재의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 내열융삭 복합재료는 대개 고속으로 유동하는 고온(1000℃이상)의 분위기중에 노출되어 사용됨에 따라 고온에서의 내열안정성과 고속(음속의 2배이상)가스노출시 급격한 물성의 변화가 없을 것과 복합재 표면의 삭마가 적어야 하는 내삭마성(Erosion reslstant)이 요구되고 있다. 이같은 내열융삭 복합재료는제1도의 제조공정도에 나타나 있는 바와 같은 방법으로 제조된다.
즉, 고온용 내열융삭 복합재료는 먼저 기지조직(Matrix)을 이루는 페눌수지등의 고분자수지와 강화재로서의 탄소섬유 및 충진재를 원료조성으로 하여 이들을 혼합해서 프리프래그(Prepreg)를 제작한 다음 프리프래그를 적층(Lamination)하여 성형함으로써 얻어지게 된다.
이와 같은 종래의 내열융삭 복합재료에서 강화재로 작용하는 탄소섬유는 고온에서의 열적, 기계적 성질이 양호하고 또한 삭마(Erosion)특성이 우수하다는 장점이 있는 반면에 공기나 산화성 분위기중에 노출되는 경우에는 탄소의 특성에 기인하여 400-500℃ 이상의 온도에서는 산화가 일어나서 결과적으로 복합재료 자체의 여러 물성이 저하되고 이로인하여 삭마가 급격히 진행하게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래의 탄소섬유강화 복합재료에서 탄소섬유의 고온산화 분위기중의 산화로 인한 문제점을 해결하기 위하여 루이스산(Lewis acid)계의 산화억제제를 사용하여 탄소섬유를 산처리함으로써 복합재료를 이루고 있는 탄소섬유의 고온·고속가스분위기중의 노출시 산화를 억제하여 복합재료의 내열성과 내삭마성을 증진시킨 탄소섬유 복합재의 제조방법을 제공하는데 발명의 목적이 있다.
본 발명에서 탄소섬유의 산화감소를 위한 산처리용 산화억제제로는 염산(HC1), 불화수소산(HF), 붕산(Boric acid) 및 아세트산(Acetic acid)등의 루이스산계가 사용된다.
본 발명의 탄소섬유 복합재의 제조방법은 제조공정중 탄소섬유에 대한 산처리시기에 따라 두가지 형태로 구별되는 바, 이들 두가지 형태의 본 발명 탄소섬유 복합재의 제조방법이 제2도 및 제3도에 나타나 있다.
먼저, 제2도의 공정도에 따른 본 발명의 탄소섬유 복합재 제조방법에서는 일차적으로 고분자수지와 루이스산 및 충진제를 혼합하여 얻어진 혼합액을 탄소섬유에 도포한 후 건조시켜 프리프래그를 제작한 다음 프리프래그를 소정크기로 절단하여 적층한 후 이를 성형함으로써 탄소섬유 복합재를 얻는 과정으로 이루어진다.
다음, 제2도에 나타나 있는 바와는 다소 상이한 공정으로서의 제3도에 따른 본 발명의 탄소섬유 복합재제조방법에서는 종래의 탄소섬유 복합재 제조방법과 동일한 공정으로서의 탄소섬유와 고분자수지 및 충진재등의 원료조성을 혼합하여 프리프래그를 얻고 이를 소정크기로 절단하여 적층한 후 성형함으로써 탄소섬유복합재를 제조한 후, 이 탄소섬유 복합재를 100℃ 이상의 루이스산에 3-5시간 침적시켜 산처리를 행하는공정으로 이루어진다.
본 발명의 탄소섬유 복합재의 구체적인 제조공정과 본 발명의 방법을 통해 얻어진 탄소섬유 복합재의 특성 및 효과등은 다음의 실시예를 통하여 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 실시예에서는 제2도에 나타나 있는 공정에 의거 탄소섬유 복합재를 제조함에 있어 탄소섬유로는 직조형 (Fabric) 폴리 아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile)을, 고분자 수지로는 레졸형 (Resole type) 페놀릭수지를, 그리고 충진제로는 카본블랙(Carbon black)을 사용하였다.
상기와 같은 원료를 사용하여 페놀릭수지에 루이스산을 2-10wt% 첨가하고 충진제로 카본블랙을 가하여 혼합해서 얻어진 혼합액을 직조형태의 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 탄소섬유위에 일정하게 도포한 후 상온에서 하루동안 건조하여 프리프래그를 제조하였다. 이때 프리프래그중의 고분자수지의 량은 45wt%가 유지되도록 하였으며, 건조가 완료된 프리프래그는 100×100mm의 크기를 절단하여 적층한 다음, 이 적층프리폼은 프레스(Press) 또는 오토크레이브(Autoclave)를 이용하여 성형함으로써 본 발명의 탄소섬유 복합재시편을 제작하였다.
이와 같은 공정을 통하여 얻어진 본 발명 시편의 내산화성을 알아보기 위하여 종래의 탄소섬유 복합재와 함께 열중량 분석기(TGA)를 사용하여 공기중에서 중량감소 실험을 행하였던 바, 그 결과는 제4도에 나타나 있다.
제4도를 통하여 알 수 있듯이, 본 발명 시편이나 종래의 시편 모두 500℃ 이상의 온도에서는 중량의 감소가 발생하게 되는데 본 발명의 시편이 종래의 시편에 비해 적은 중량감소를 보이고 있는 바, 이는 본 발명 시편의 탄소섬유가 산처리에 의해·산화반응이 억제되거나 더딘 산화반응을 나타내기 때문이다.
산처리된 본 발명 시편은 종래 시편에 비해 특히 800 이상의 고온에서 약 44%나 적은 중량감소를 나타내고 있다.
다음, 고온,고속가스노출시에 본 발명 시편의 열적안정성과 삭마성 및 산화상태를 알아보기 위하여ASTM E285-80 규격에 의해 산소-아세틸렌토치(oxy-acetylene torch)시험을 행하였다 이때 시험은 토치불꽃이 시편(두께방향)을 완전히 관통할 때까지 시간을 측정하였으며, 불꽃의 온도는 1300-1400℃였다.
관통이 이루어진 시간의 감소된 무게로 나타낸 삭마속도(감소무게/시간)는 본 발명 시편이 종래의 시편에 비하여 평균 25% 낮은 결과를 나타냈다.
이같은 결과는 산처리가 행해지지 않은 종래의 시편중의 탄소섬유가 본 발명의 산처리된 시편에 비해 많은 산화발생이 일어났기 때문인 것으로 보여지며, 이로인하여 삭마면적이 넓게 나타났다.
이같은 사실은 토치시험이 행해진 시편에서 시료를 채취하여 주사전자현미경으로 찰영한 제5도의 조직확대사진을 통하여 확인된다.
제5도의 (a)는 산처리가 이루어지지 않은 종래 시편으로서 탄소섬유의 직경이 2.2㎛이고 많은 산화가일어났음을 확인할 수 있는 반면에, (b)의 산처리를 거친 본 발명 시편은 탄소섬유의 평균직경이 3.2㎛로서 심한 산화작용의 발생흔적은 관찰되지 않는다.
알려진 바와 같이, 탄소섬유의 산화는 고온가스노출시에 보다 많은 탄소섬유 표면의 산화를 가져오는데, 위의 결과로부터 본 발명에서 사용된 루이스산이 고온에서 탄소섬유의 산화는 상당히 방지 또는 억제하는효과를 발휘하고 있음을 확인할 수 있다.
결과적으로, 본 발명은 탄소섬유 복합재 제조공정중에 탄소섬유에 대한 산처리를 행하여 탄소섬유에 산화저항성을 부여함으로서 고온, 고속가스분위기중에 노출시 우수한 고온 내열융삭 특성을 나타내는 탄소섬유복합재의 제조가 가능하게 된다.
Claims (1)
- 탄소섬유와 고분자수지 및 충전제를 혼합하여 얻어진 프리프래그를 적층한 후 성형하는 공지의 방법으로 얻어진 탄소섬유 복합재를 l00℃ 이상의 루이스산에 3-5시간 침적시켜 산처리함을 특징으로 하는 탄섬유 복합재의 제조방법.
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