WO2018080251A1 - 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물 및 이로부터 형성된 성형품 - Google Patents

탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물 및 이로부터 형성된 성형품 Download PDF

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배윤석
홍창민
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Definitions

  • the present invention relates to woven fabrics for carbon fiber reinforced plastics and molded articles formed therefrom. More specifically, the present invention relates to woven fabrics for carbon fiber reinforced plastics produced from scrap generated from carbon fiber reinforced plastic products and molded articles formed therefrom (carbon fiber reinforced plastic products).
  • Carbon fiber reinforced plastics are much lighter than metals, have high rigidity, and are attracting attention as next-generation composite materials, and are being used for lightweight structures such as automobiles and aircrafts.
  • Carbon fiber-reinforced plastics are very complicated in their own processing methods, and mainly adopt the automated method, so that a lot of CFRP scraps, which are residues after manufacturing products, are difficult to dispose of or find suitable recycling methods. .
  • Representative recycling methods of CFRP scrap include a method of finely cutting the CFRP scrap and burning or master batch into the compounding product, but such a method is not widely used due to its complicated process and low efficiency.
  • carbon fibers with a high carbon content have high tensile modulus and can be singled or broken during processing, making it difficult to manufacture molded articles from recycled CFRP scrap containing carbon fibers.
  • mechanical properties, conductivity, etc. of the molded article due to carbon fiber single yarn may be reduced.
  • An object of the present invention is to provide a woven fabric for carbon fiber reinforced plastic and molded articles formed therefrom that can economically recycle carbon fiber reinforced plastic scrap (CFRP scrap) without deterioration of mechanical properties and the like.
  • CFRP scrap carbon fiber reinforced plastic scrap
  • Another object of the present invention is to provide a woven fabric for carbon fiber reinforced plastic and a molded article formed therefrom having a high cycle time, high productivity, little directivity, and excellent flexural modulus during molding.
  • the woven fabric for carbon fiber reinforced plastic is a woven fabric of a spun yarn comprising about 10 to about 60 wt% of carbon fiber staples and about 40 to about 90 wt% of thermoplastic resin fibers having a carbon content of at least about 97 wt%, wherein the carbon fiber Staples are characterized in that the carbon fiber reinforced plastic scrap is carbonized at about 900 to about 1,400 °C.
  • the spun yarn may have an average diameter of about 0.5 to about 3.0 mm.
  • the carbon fiber staples may have a tensile modulus of about 100 GPa to about 1,000 GPa as measured according to ASTM D3379.
  • the carbon fiber staples may have an average diameter of about 5 to about 10 ⁇ m and an average length of about 20 to about 100 mm.
  • thermoplastic resin fibers may include one or more of polyamide fibers, polyester fibers and acrylic fibers.
  • the thermoplastic resin fibers may have an average diameter of about 5 to about 30 ⁇ m and an average length of about 10 to about 110 mm.
  • the woven fabric may be further impregnated with a thermoplastic resin.
  • the woven fabric may have a notched Izod impact strength measured by ASTM D256 based on a specimen for evaluation of physical properties of 1/8 "by compression molding according to ASTM D256.
  • the woven fabric is a specimen for evaluation of physical properties of 1/4 "thickness manufactured by compression molding in the longitudinal direction (X axis direction) of the specimen and in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the specimen (Y axis direction).
  • the flexural modulus measured according to the present invention is about 5 to about 35 GPa, and the difference between the flexural modulus of the specimen molded in the X-axis direction and the flexural modulus of the specimen formed in the Y-axis direction may be about -5 to about 5%. have.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing a woven fabric for carbon fiber reinforced plastics.
  • the method for producing a spun yarn by mixing about 10 to about 60 wt% of carbon fiber staples and about 40 to about 90 wt% of thermoplastic resin fibers having a carbon content of at least about 97 wt%; And weaving the yarn; And the carbon fiber staples are carbonized carbon fiber reinforced plastic scraps at about 900 to about 1,400 ° C.
  • the step of blending the carbon fiber staples and thermoplastic fibers to produce a spun yarn may include carding, combing and spinning.
  • Another aspect of the invention relates to a molded article formed from the woven fabric for the carbon fiber reinforced plastics.
  • the molded article may be prepared by compression molding the woven fabric.
  • the present invention can economically recycle carbon fiber reinforced plastic scrap (CFRP scrap) without deterioration of mechanical properties, etc., and when forming, the cycle time is short, productivity is high, there is little directivity and excellent flexural modulus is achieved. It has the effect of providing the woven fabric for carbon fiber reinforced plastic which has, and the molded article formed therefrom.
  • CFRP scrap carbon fiber reinforced plastic scrap
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a yarn manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a woven fabric according to an embodiment of the present invention.
  • the woven fabric for the carbon fiber reinforced plastic weaving a spun yarn comprising about 10 to about 60% by weight of carbon fiber staples and about 40 to about 90% by weight of thermoplastic resin fibers having a carbon content of about 97% by weight or more.
  • the carbon fiber staple is manufactured (recycled) from carbon fiber reinforced plastic scrap (CFRP scrap), etc., which is a residue generated when manufacturing carbon fiber reinforced plastics (CFRP) products.
  • the carbon fiber staples may be carbonized carbon fiber reinforced plastic scrap at about 900 to about 1,400 °C, for example about 1,000 to about 1,300 °C.
  • Carbon fiber staples comprising at least about 97% by weight carbon component in the above temperature range can be prepared.
  • the carbon fiber staple may have a carbon content of at least about 97% by weight, for example, about 98 to about 99.9% by weight, as measured by a thermogravimetric analyzer (TGA), measured microscopically.
  • the average diameter D50 may be about 5 to about 10 ⁇ m, for example about 6 to about 8 ⁇ m, and the average length may be about 20 to about 100 mm, for example about 30 to about 90 mm. If the carbon component content of the carbon fiber staple is less than about 97% by weight, the tensile modulus of the carbon fiber staple may be lowered, and when the average diameter of the carbon fiber staple is less than about 5 ⁇ m, workability is decreased when manufacturing the yarn.
  • the average length of the carbon fiber staples is less than about 20 mm, the tensile modulus of the carbon fiber staples may be lowered. There exists a possibility that when it exceeds about 100 mm, when manufacturing a yarn, there exists a possibility that workability may fall at the carding step and productivity may fall.
  • the carbon fiber staples may have a tensile modulus of about 100 to about 1,000 GPa, for example about 110 to about 990 GPa, measured according to ASTM D3379. In the above range may be excellent mechanical properties such as tensile modulus of the yarn containing a carbon fiber staple.
  • the carbon fiber staples may be included in about 10% to about 60% by weight, such as about 10% to about 50% by weight, specifically about 15% to about 45% by weight, based on 100% by weight of the total yarn. If the content of the carbon fiber staple is less than about 10% by weight of the total 100% by weight of the yarn, there is a fear of lowering the flexural modulus of the molded article formed by using the woven material, and when the content exceeds about 60% by weight, the woven fabric is used. There exists a possibility of impact resistance fall of the molded article shape
  • thermoplastic resin fibers may be prepared in the form of fibers of a thermoplastic resin used in conventional synthetic fibers or thermoplastic resin compositions.
  • thermoplastic resin fibers of the same component as thermoplastic resins used in carbon fiber reinforced plastic products can be used.
  • thermoplastic resin fibers include polyamide fibers such as aramid fibers and nylon fibers; Polyester fibers; Acrylic fibers; Combinations thereof, and the like.
  • the thermoplastic resin fibers may have a mean diameter (D50) as measured microscopically from about 5 to about 30 ⁇ m, for example from about 6 to about 25 ⁇ m, and an average length of from about 10 to about 110 mm, eg For example, about 20 to about 100 mm. In the above range, a spun yarn having excellent mechanical properties and the like can be produced.
  • D50 mean diameter
  • the thermoplastic resin fibers may be included in about 40 to about 90% by weight, such as about 50 to about 90% by weight, specifically about 55 to about 85% by weight of the total 100% by weight of the yarn.
  • the content of the thermoplastic resin fiber is less than about 40% by weight of the total 100% by weight of the yarn, there is a risk of lowering the impact resistance of the molded article formed by using the woven material, and when exceeding about 90% by weight, the woven material is used. There exists a possibility of the flexural modulus fall of the molded article shape
  • the spun yarn may be prepared by mixing the carbon fiber staples and the thermoplastic resin fibers.
  • carbon fiber reinforced plastic scraps are carbonized at about 900 to about 1,400 ° C., such as about 1,000 to about 1,300 ° C. to produce carbon fiber staples;
  • the carbon fiber staples and thermoplastic resin fibers may be mixed to produce a spun yarn.
  • the spun yarn may have a mean diameter (D50) measured under a microscope of about 0.5 to about 3.0 mm, for example about 1.0 to about 2.5 mm, but is not limited thereto.
  • D50 mean diameter measured under a microscope of about 0.5 to about 3.0 mm, for example about 1.0 to about 2.5 mm, but is not limited thereto.
  • the carbon fiber staples (pre-blend staples) produced by the carbonization process have a carbon content of at least about 97% by weight, for example from about 98 to about 98, as measured by a thermogravimetric analyzer (TGA). 99.9% by weight, and the average diameter (D50) measured under a microscope may be about 5 to about 10 ⁇ m, for example about 6 to about 8 ⁇ m, and the average length is about 60 to about 120 mm, for example About 65 to about 115 mm.
  • TGA thermogravimetric analyzer
  • the carbon fiber staples may have a tensile modulus of about 100 to about 1,000 GPa, for example about 110 to about 990 GPa, measured according to ASTM D3379. In the above range may be excellent mechanical properties such as tensile modulus of the yarn containing a carbon fiber staple.
  • the step of blending the carbon fiber staples and thermoplastic fibers to produce a spun yarn may comprise carding, combing, and spinning step.
  • the carding step is a step of arranging and combing each staple and fibers in parallel to produce a thick sliver
  • the combing step is to comb the sliver finely again
  • the spinning step may be a process of pulling and increasing the sliver and twisting with about 100 to about 200 TPM (Twist per Meter) to complete and wind the yarn.
  • TPM Torist per Meter
  • a pretreatment step may be added to minimize the breakdown of the carbon fiber staples before the carding step.
  • the yarn of the present invention may have a mixed yarn form in which thermoplastic resin fibers 1 and carbon fiber staples 2 are mixed.
  • Woven according to an embodiment of the present invention can be prepared by weaving the yarn.
  • the weaving method may use a known weaving method, for example, supplying a plurality of yarns (inclined) along the longitudinal direction; And it can be produced according to the weaving method comprising the step of weaving a plurality of yarn (weft) in the orthogonal direction with respect to the yarn (slope).
  • the woven fabrics (wovens) produced can be made in various fabric forms.
  • the woven fabric of the present invention may have the form of a conventional woven fabric in which a plurality of yarns (weft, 20) is woven into a number of yarns (tilt, 10).
  • the woven fabric may be a further impregnated with a thermoplastic resin in the woven fabric.
  • the thermoplastic resin may be a thermoplastic resin used in a conventional woven fabric, for example, aramid resin; Polyamide resins such as nylon; Polyester resins; Acrylic resins; Epoxy resins; Combinations thereof, and the like.
  • the thermoplastic resin is a total amount of about 40 to about 90% by weight, for example about 50 to about 90% by weight, specifically about 55 to about 85% by weight of 100% by weight of the total woven fabric Can be impregnated. In the above range, the mechanical properties and the like of the woven fabric may be excellent.
  • the woven fabric is a specimen for evaluation of physical properties of 1/4 "thickness manufactured by compression molding in the longitudinal direction (X axis direction) of the specimen and in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the specimen (Y axis direction).
  • the flexural modulus measured on the basis of about 5 to about 35 GPa, for example about 10 to about 30 GPa, and the difference in the flexural modulus of the specimen molded in the X-axis direction and the flexural modulus of the specimen molded in the Y-axis direction
  • the woven fabric has a short cycle time in molding, which can be reduced by about 4 to about 6 times compared to the molding cycle time of conventional carbon fiber reinforced plastic (CFRP) products.
  • the woven fabric can be manufactured by the compression molding process only, without the conventional resin impregnation process, curing process, the cycle time (molding time) during molding (about 10 to about 60 minutes, for example about 20 to about Short to 40 minutes
  • the molded article (carbon fiber reinforced plastic article) according to the invention is formed from the woven fabric.
  • the woven fabric may be manufactured by forming a molded article having a desired thickness and shape by stacking the woven fabric in one or several layers and then molding according to a known compression molding method.
  • the woven fabric of the present invention can be economically produced by recycling CFRP scrap without deterioration of mechanical properties and the like, and can be produced again as a carbon fiber reinforced plastic product (molded article) by a simple molding method.
  • Carbon fiber reinforced plastic scrap (CFRP scrap) containing carbon fiber having a carbon content of 50% by weight, an average diameter (D50) of 6 ⁇ m, and an average length of 90 mm was carbonized at 1,300 ° C., whereby the carbon content was increased.
  • a carbon fiber staple (A1) having 98% by weight, an average diameter (D50) of 6 mu m, an average length of 90 mm, and a tensile modulus of 250 GPa was prepared. Thereafter, the prepared carbon fiber staples (A1) and the thermoplastic resin fibers (nylon (PA6) fiber, manufacturer: KP Chemtech) (B) having an average diameter (D50) of 6 ⁇ m and an average length of 90 mm are listed in Table 1 below.
  • the contents were mixed, spun through carding, combing and spinning to prepare a spun yarn having an average diameter (D50) of 1.5 mm.
  • the average diameter (D50) of the carbon fiber staples (A1) in the prepared yarns was 6 ⁇ m, and the average length was 50 mm.
  • the woven yarn was woven to prepare a woven fabric in the form of a cloth having a size of 100 cm ⁇ 100 cm ⁇ 1.5 mm, and the woven fabric was repeatedly laminated by a desired thickness, and then compression molded to prepare a specimen for evaluation of physical properties.
  • the prepared specimens were measured for flexural modulus and impact resistance according to the following physical property measurement method, and cycle times during molding were shown in Table 1 below.
  • Flexural modulus (unit: GPa): evaluation of physical properties of 1/4 "thickness produced by compression molding the woven fabric in the longitudinal direction (X axis direction) of the specimen and in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the specimen (Y axis direction) According to ASTM D790, the flexural modulus (X-axis direction, Y-axis direction) was measured using a universal testing machine (UTM) in accordance with ASTM D790.
  • UPM universal testing machine
  • Cycle time measurement (unit: minute): Using the woven fabric of the above-mentioned example and the resin composition of Comparative Example 1, the specimens for evaluation of physical properties were prepared, respectively, and the total time taken to manufacture each molded article was measured. It was.
  • the woven fabric of the present invention is manufactured from a spun yarn made from recycled carbon fiber staples (A1) having a carbon content of 97% by weight or more, and even when using recycled carbon fiber staples, impact resistance and the like are not lowered, and aromaticity is achieved. With almost no flexural modulus, the physical properties of each part of the molded part are uniform, and there is little warpage. The direct compression molding is possible without the conventional impregnation or hardening process. .

Abstract

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물은 탄소 성분의 함량이 약 97 중량% 이상인 탄소 섬유 스테이플 약 10 내지 약 60 중량% 및 열가소성 수지 섬유 약 40 내지 약 90 중량%를 포함하는 방적사의 직조물이며, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 약 900 내지 약 1,400℃에서 탄화시킨 것을 특징으로 한다. 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물은 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품 제조 시 발생하는 스크랩으로부터 제조된 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 것으로서, 기계적 물성 등의 저하 없이, 경제적으로 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 재활용할 수 있고, 성형 시, 사이클 타임이 짧아 생산성이 높고, 방향성이 거의 없고 우수한 굴곡탄성률을 갖는다.

Description

탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물 및 이로부터 형성된 성형품
본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물 및 이로부터 형성된 성형품에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품 제조 시 발생하는 스크랩(scrap)으로부터 제조된 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물 및 이로부터 형성된 성형품(탄소 섬유 강화 플라스틱 제품)에 관한 것이다.
탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics: CFRP)은 금속에 비해 매우 가볍고, 높은 강성 등을 가져 차세대 복합소재로 주목 받고 있으며, 자동차, 항공기 등의 경량화 구조체 등으로 사용되고 있다.
탄소 섬유 강화 플라스틱은 자체 가공방법이 매우 복잡하고, 주로 자동화 방식을 채택하고 있어 제품을 제작한 후 발생되는 잔여물인 CFRP 스크랩(scrap)이 많이 발생하지만, 이를 폐기하거나 적당한 재활용 방법을 찾는데 어려움이 있다.
CFRP 스크랩의 대표적인 재활용 방법으로는 CFRP 스크랩을 잘게 잘라 태우거나 마스터 배치화하여 컴파운딩 제품에 투입하는 방법 등이 있으나, 이러한 방법은 공정이 복잡하며 효율이 낮아 널리 사용되지 않는다. 더욱이, 탄소 성분의 함량이 높은 탄소 섬유는 인장 탄성률(tensile modulus)이 높아 가공 과정에서 단사화되거나, 부서질 수 있으므로, 탄소 섬유를 포함하는 CFRP 스크랩을 재활용할 경우, 이로부터 성형품을 제조하기 어렵거나, 탄소 섬유 단사화로 인한 성형품의 기계적 물성, 전도성 등이 저하될 수 있다.
따라서, 기계적 물성 등의 저하 없이, 경제적으로 CFRP 스크랩을 재활용한 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물 및 이로부터 형성된 성형품(탄소 섬유 강화 플라스틱 제품)의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 2013-0139857호 등에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 기계적 물성 등의 저하 없이, 경제적으로 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 재활용할 수 있는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물 및 이로부터 형성된 성형품을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 성형 시, 사이클 타임(cycle time)이 짧아 생산성이 높고, 방향성이 거의 없고 우수한 굴곡탄성률을 갖는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물 및 이로부터 형성된 성형품을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 한 관점은 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물에 관한 것이다. 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물은 탄소 성분의 함량이 약 97 중량% 이상인 탄소 섬유 스테이플 약 10 내지 약 60 중량% 및 열가소성 수지 섬유 약 40 내지 약 90 중량%를 포함하는 방적사의 직조물이며, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 약 900 내지 약 1,400℃에서 탄화시킨 것을 특징으로 한다.
구체예에서, 상기 방적사는 평균 직경이 약 0.5 내지 약 3.0 mm일 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 약 100 내지 약 1,000 GPa일 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 평균 직경이 약 5 내지 약 10 ㎛, 평균 길이가 약 20 내지 약 100 mm일 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 아크릴계 섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 평균 직경이 약 5 내지 약 30 ㎛, 평균 길이가 약 10 내지 약 110 mm일 수 있다.
구체예에서, 상기 직조물은 열가소성 수지를 더 함침시킨 것일 수 있다.
구체예에서, 상기 직조물은 압축 성형하여 제조한 두께 1/8"의 물성평가용 시편을 ASTM D256에 의거하여 측정한 노치 아이조드 충격강도가 약 3.5 kgf·cm/cm 이상일 수 있다.
구체예에서, 상기 직조물은 시편의 길이 방향(X축 방향) 및 시편의 길이 방향에 직교하는 방향(Y축 방향)으로 압축 성형하여 제조한 두께 1/4"의 물성평가용 시편을 ASTM D790에 의거하여 측정한 굴곡탄성률이 약 5 내지 약 35 GPa이고, 상기 X축 방향으로 성형한 시편의 굴곡탄성률 및 상기 Y축 방향으로 성형한 시편의 굴곡탄성률의 차이가 약 -5 내지 약 5%일 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은 탄소 성분의 함량이 약 97 중량% 이상인 탄소 섬유 스테이플 약 10 내지 약 60 중량% 및 열가소성 수지 섬유 약 40 내지 약 90 중량%를 혼방하여 방적사를 제조하고; 그리고 상기 방적사를 직조하는; 단계를 포함하며, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 약 900 내지 약 1,400℃에서 탄화시킨 것을 특징으로 한다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조하는 단계는 카딩, 코밍 및 정방 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물로부터 형성된 성형품에 관한 것이다.
구체예에서, 상기 성형품은 상기 직조물을 압축 성형하여 제조될 수 있다.
본 발명은 기계적 물성 등의 저하 없이, 경제적으로 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 재활용할 수 있고, 성형 시, 사이클 타임(cycle time)이 짧아 생산성이 높고, 방향성이 거의 없고 우수한 굴곡탄성률을 갖는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물 및 이로부터 형성된 성형품을 제공하는 발명의 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따라 제조된 방적사의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 직조물의 모식도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면, 다음과 같다.
본 발명에 따른 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물은 탄소 성분의 함량이 약 97 중량% 이상인 탄소 섬유 스테이플 약 10 내지 약 60 중량% 및 열가소성 수지 섬유 약 40 내지 약 90 중량%를 포함하는 방적사를 직조하여 제조된 직조물이다. 여기서, 상기 탄소 섬유 스테이플(staple)은 탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics: CFRP) 제품 제조 시 발생하는 잔여물인 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap) 등으로부터 제조(재활용)되는 것이다. 예를 들면, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 약 900 내지 약 1,400℃, 예를 들면 약 1,000 내지 약 1,300℃에서 탄화시킨 것일 수 있다. 상기 온도 범위에서 약 97 중량% 이상의 탄소 성분을 포함하는 탄소 섬유 스테이플을 제조할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 열중량분석기(Thermogravimetric Analyzer: TGA)로 측정한 탄소 성분의 함량이 약 97 중량% 이상, 예를 들면 약 98 내지 약 99.9 중량%일 수 있고, 현미경으로 측정한 평균 직경(D50)이 약 5 내지 약 10 ㎛, 예를 들면 약 6 내지 약 8 ㎛일 수 있으며, 평균 길이가 약 20 내지 약 100 mm, 예를 들면 약 30 내지 약 90 mm일 수 있다. 상기 탄소 섬유 스테이플의 탄소 성분 함량이 약 97 중량% 미만일 경우, 탄소 섬유 스테이플의 인장 탄성율이 저하될 우려가 있고, 상기 탄소 섬유 스테이플의 평균 직경이 약 5 ㎛ 미만일 경우, 방적사 제조시 작업성이 저하되고 전도성이 저하될 우려가 있고, 약 10 ㎛를 초과할 경우 탄소 섬유 스테이플이 쉽게 부서질 우려가 있으며, 상기 탄소 섬유 스테이플의 평균 길이가 약 20 mm 미만일 경우, 탄소 섬유 스테이플의 인장 탄성율이 저하될 우려가 있고, 약 100 mm를 초과할 경우, 방적사 제조 시, 카딩 단계에서 작업성이 저하되어 생산성이 떨어질 우려가 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 약 100 내지 약 1,000 GPa, 예를 들면 약 110 내지 약 990 GPa일 수 있다. 상기 범위에서 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사의 인장 탄성률 등 기계적 물성이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 방적사 전체 100 중량% 중, 약 10 내지 약 60 중량%, 예를 들면 약 10 내지 약 50 중량%, 구체적으로 약 15 내지 약 45 중량%로 포함될 수 있다. 상기 탄소 섬유 스테이플의 함량이 방적사 전체 100 중량% 중, 약 10 중량% 미만일 경우, 직조물을 이용하여 성형한 성형품의 굴곡탄성률 저하 등의 우려가 있고, 약 60 중량%를 초과할 경우, 직조물을 이용하여 성형한 성형품의 내충격성 저하 등의 우려가 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 통상적인 합성 섬유 또는 열가소성 수지 조성물에 사용되는 열가소성 수지를 섬유 형태로 제조한 것일 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품에 사용되는 열가소성 수지와 동일한 성분의 열가소성 수지 섬유를 사용할 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 아라미드 섬유, 나일론 섬유 등의 폴리아미드 섬유; 폴리에스테르 섬유; 아크릴계 섬유; 이들의 조합 등을 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 현미경으로 측정한 평균 직경(D50)이 약 5 내지 약 30 ㎛, 예를 들면 약 6 내지 약 25 ㎛일 수 있으며, 평균 길이가 약 10 내지 약 110 mm, 예를 들면 약 20 내지 약 100 mm일 수 있다. 상기 범위에서 기계적 물성 등이 우수한 방적사가 제조될 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 방적사 전체 100 중량% 중, 약 40 내지 약 90 중량%, 예를 들면 약 50 내지 약 90 중량%, 구체적으로 약 55 내지 약 85 중량%로 포함될 수 있다. 상기 열가소성 수지 섬유의 함량이 방적사 전체 100 중량% 중, 약 40 중량% 미만일 경우, 직조물을 이용하여 성형한 성형품의 내충격성 저하 등의 우려가 있고, 약 90 중량%를 초과할 경우, 직조물을 이용하여 성형한 성형품의 굴곡탄성률 저하 등의 우려가 있다.
구체예에서, 상기 방적사는 상기 탄소 섬유 스테이플과 상기 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 제조할 수 있다. 구체적으로, 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 약 900 내지 약 1,400℃, 예를 들면 약 1,000 내지 약 1,300℃에서 탄화시켜 탄소 섬유 스테이플을 제조하고; 그리고 상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조할 수 있다.
구체예에서, 상기 방적사는 현미경으로 측정한 평균 직경(D50)이 약 0.5 내지 약 3.0 mm, 예를 들면 약 1.0 내지 약 2.5 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
구체예에서, 상기 탄화 공정에 의해 제조된 탄소 섬유 스테이플(혼방 전 스테이플)은 열중량분석기(Thermogravimetric Analyzer: TGA)로 측정한 탄소 성분의 함량이 약 97 중량% 이상, 예를 들면 약 98 내지 약 99.9 중량%일 수 있고, 현미경으로 측정한 평균 직경(D50)이 약 5 내지 약 10 ㎛, 예를 들면 약 6 내지 약 8 ㎛일 수 있고, 평균 길이가 약 60 내지 약 120 mm, 예를 들면 약 65 내지 약 115 mm일 수 있다. 상기 범위에서, 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사 제조시 생산성이 우수하고 방적사의 기계적 물성 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 약 100 내지 약 1,000 GPa, 예를 들면 약 110 내지 약 990 GPa일 수 있다. 상기 범위에서 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사의 인장 탄성률 등 기계적 물성이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조하는 단계는 카딩, 코밍, 및 정방 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 카딩(carding) 단계는 각 스테이플 및 섬유를 평행으로 배열하고 빗질하여 굵은 슬라이버(sliver)를 제조하는 단계이고, 상기 코밍(combing) 단계는 상기 슬라이버를 다시 곱게 빗질하는 단계이고, 상기 정방(spinning) 단계는 슬라이버를 당겨 늘리고 약 100 내지 약 200 TPM(Twist per Meter)으로 꼬임을 주어 방적사를 완성하고 감는 공정일 수 있다. 또한, 선택적으로, 카딩 단계 전에 탄소 섬유 스테이플이 부서지는 것을 최소화하기 위한 전처리 단계를 추가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따라 제조된 방적사의 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방적사는 열가소성 수지 섬유(1)와 탄소 섬유 스테이플(2)이 혼합된 혼방사 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 직조물은 상기 방적사를 직조하여 제조될 수 있다. 상기 직조 방법은 공지된 직조 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 다수의 방적사(경사)를 길이 방향을 따라 공급하고; 그리고 상기 방적사(경사)에 대해 직교 방향으로 다수의 방적사(위사)를 엮는 단계를 포함하는 직조 방법에 따라 제조할 수 있다. 제조된 직조물(직조물)는 다양한 천 형태로 제조될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 직조물의 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 직조물은 다수의 방적사(경사, 10)에 다수의 방적사(위사, 20)가 엮어진 통상적인 직조물의 형태를 가질 수 있다.
구체예에서, 상기 직조물은 직조물에 열가소성 수지를 더 함침시킨 것일 수 있다. 상기 열가소성 수지는 통상적인 직조물에 사용되는 열가소성 수지를 사용할 수 있으며, 예를 들면 아라미드 수지; 나일론 등의 폴리아미드 수지; 폴리에스테르 수지; 아크릴계 수지; 에폭시 수지; 이들의 조합 등을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 열가소성 수지는 전체 직조물 100 중량% 중, 상기 열가소성 수지 섬유와 합계량이 약 40 내지 약 90 중량%, 예를 들면 약 50 내지 약 90 중량%, 구체적으로 약 55 내지 약 85 중량%이 되도록 함침될 수 있다. 상기 범위에서 직조물의 기계적 물성 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 직조물은 시편의 길이 방향(X축 방향) 및 시편의 길이 방향에 직교하는 방향(Y축 방향)으로 압축 성형하여 제조한 두께 1/4"의 물성평가용 시편을 ASTM D790에 의거하여 측정한 굴곡탄성률이 약 5 내지 약 35 GPa, 예를 들면 약 10 내지 약 30 GPa이고, 상기 X축 방향으로 성형한 시편의 굴곡탄성률 및 상기 Y축 방향으로 성형한 시편의 굴곡탄성률의 차이가 약 -5 내지 약 5%로 차이가 거의 없어, 구조가 복잡한 성형품도 부위별 물성이 균일하고 방향성이 없어 성형품의 휨 발생이 적은 장점이 있다.
구체예에서, 상기 직조물은 성형 시, 사이클 타임(cycle time)이 짧은 것으로서, 통상적인 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 제품의 성형 사이클 타임에 비해 약 4 내지 약 6배 단축시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 직조물은 통상적인 수지 함침 공정, 경화 공정 없이, 압축 성형 공정만으로 성형품을 제조할 수 있어, 성형 시 사이클 타임(cycle time)이 약 10 내지 약 60분, 예를 들면 약 20 내지 약 40분으로 짧다.
본 발명에 따른 성형품(탄소 섬유 강화 플라스틱 제품)은 상기 직조물로부터 형성된다. 예를 들면, 직조물을 한 겹 또는 여러 겹으로 겹쳐놓은 후 공지된 압축 성형법에 따라 성형하여 원하는 두께 및 모양을 갖는 성형품으로 제조될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 직조물은 기계적 물성 등의 저하 없이, 경제적으로 CFRP 스크랩을 재활용하여 제조되고, 간단한 성형 방법으로 다시 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품(성형품)으로 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
실시예 1 내지 4: 직조물 제조 및 이를 이용한 물성평가용 시편의 제조
탄소 성분의 함량이 50 중량%, 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이가 90 mm인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 1,300℃에서 탄화시켜, 탄소 성분의 함량이 98 중량%, 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이가 90 mm이고, 인장 탄성률이 250 GPa인 탄소 섬유 스테이플(A1)을 제조하였다. 이후, 제조된 탄소 섬유 스테이플(A1)과 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이가 90 mm인 열가소성 수지 섬유(나일론(PA6) 섬유, 제조사: KP켐텍)(B)를 하기 표 1에 기재된 함량으로 혼합하고, 카딩, 코밍 및 정방 단계를 거쳐 방적하여, 평균 직경(D50)이 1.5 mm인 방적사를 제조하였다. 제조된 방적사에서의 탄소 섬유 스테이플(A1)의 평균 직경(D50)은 6 ㎛이고, 평균 길이는 50 mm이었다. 제조된 방적사를 직조하여, 크기 100 cm × 100 cm × 1.5 mm인 천 형태의 직조물을 제조하고, 상기 직조물을 원하는 두께만큼 여러 겹 겹친 후 압축 성형하여 물성평가용 시편을 제조하였다. 상기 제조된 시편을 하기 물성 측정 방법에 따라, 굴곡탄성률, 내충격성을 측정하고 성형 시 사이클 타임을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
(A2) 신재 탄소 섬유(탄소 성분 97 중량%, 평균 직경(D50) 6 ㎛)로 이루어진 방적사(평균 직경(D50) 1.5mm)를 제조하고 이를 이용하여 실시예 1과 같은 직조물을 제조하였다. 상기 직조물 50중량부를 에폭시(epoxy) 수지 용액 50중량부에 함침시킨 후 압축 및 경화하여 물성평가용 시편을 제조하였다.
물성 측정 방법
(1) 굴곡탄성률(단위: GPa): 직조물을 시편의 길이 방향(X축 방향) 및 시편의 길이 방향에 직교하는 방향(Y축 방향)으로 압축 성형하여 제조한 두께 1/4"의 물성평가용 시편을 ASTM D790에 의거하여, 만능 시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 굴곡탄성률(X축 방향, Y축 방향)을 측정하였다.
(2) 내충격성(단위: kgf·cm/cm): 직조물을 압축 성형하여 제조한 두께 1/8"의 물성평가용 시편을 ASTM D256에 의거하여 노치 아이조드 충격강도를 측정하였다.
(3) 사이클 타임(cycle time) 측정(단위: 분): 상기 실시예의 직조물 및 비교예 1의 수지 조성물을 사용하여, 각각 물성평가용 시편을 제조하고, 각각의 성형품 제조에 걸리는 총 시간을 측정하였다.
실시예 비교예
1 2 3 4 1
(A1) (중량%) 50 40 30 20 -
(A2) (중량%) - - - - 50
(B) (중량%) 50 60 70 80 -
(C) (중량%) - - - - 50
굴곡탄성률 (X축) 30 20 15 10 40
굴곡탄성률 (Y축) 30 20 15 10 40
내충격성 4 5 7 10 3
Cycle time(min) 20~40 20~40 20~40 20~40 240~300
상기 결과로부터, 본 발명의 직조물은 97 중량% 이상의 탄소 성분 함량을 갖는 재활용 탄소 섬유 스테이플(A1)로부터 제조된 방적사로부터 제조되는 것으로서, 재활용 탄소 섬유 스테이플을 사용함에도 내충격성 등이 저하되지 않고, 방향성이 거의 없는 굴곡탄성률을 가져 성형품 부위별 물성이 균일하고 휨 발생이 적은 장점이 있으며, 성형 시 기존의 함침 공정이나 경화 공정을 거치지 않고 직접 압축 성형이 가능하기 때문에 사이클 타임이 짧아 경제적임을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (13)

  1. 탄소 성분의 함량이 약 97 중량% 이상인 탄소 섬유 스테이플 약 10 내지 약 60 중량% 및 열가소성 수지 섬유 약 40 내지 약 90 중량%를 포함하는 방적사의 직조물이며, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 약 900 내지 약 1,400℃에서 탄화시킨 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방적사는 평균 직경이 약 0.5 내지 약 3.0 mm인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 약 100 내지 약 1,000 GPa인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 평균 직경이 약 5 내지 약 10 ㎛, 평균 길이가 약 20 내지 약 100 mm인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지 섬유는 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 아크릴계 섬유 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지 섬유는 평균 직경이 약 5 내지 약 30 ㎛, 평균 길이가 약 10 내지 약 110 mm인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 직조물은 열가소성 수지를 더 함침시킨 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 직조물을 압축 성형하여 제조한 두께 1/8"의 물성평가용 시편을 ASTM D256에 의거하여 측정한 노치 아이조드 충격강도가 약 3.5 kgf·cm/cm 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 직조물은 시편의 길이 방향(X축 방향) 및 시편의 길이 방향에 직교하는 방향(Y축 방향)으로 압축 성형하여 제조한 두께 1/4"의 물성평가용 시편을 ASTM D790에 의거하여 측정한 굴곡탄성률이 약 5 내지 약 35 GPa이고, 상기 X축 방향으로 성형한 시편의 굴곡탄성률 및 상기 Y축 방향으로 성형한 시편의 굴곡탄성률의 차이가 약 -5 내지 약 5%인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물.
  10. 탄소 성분의 함량이 약 97 중량% 이상인 탄소 섬유 스테이플 약 10 내지 약 60 중량% 및 열가소성 수지 섬유 약 40 내지 약 90 중량%를 혼방하여 방적사를 제조하고; 그리고
    상기 방적사를 직조하는; 단계를 포함하며,
    상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 약 900 내지 약 1,400℃에서 탄화시킨 것인 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조하는 단계는 카딩, 코밍 및 정방 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방적사의 제조방법.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱용 직조물로부터 형성된 성형품.
  13. 제12항에 있어서, 상기 성형품은 상기 직조물을 압축 성형하여 제조되는 것을 특징으로 하는 성형품.
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