WO2023121118A1 - 유전물질의 유도발열을 활용한 고분자 복합재 성형용 몰드 - Google Patents

유전물질의 유도발열을 활용한 고분자 복합재 성형용 몰드 Download PDF

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WO2023121118A1
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polymer composite
mold
polymer
molding
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천진실
이상진
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재단법인 한국섬유기계융합연구원
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    • B29C2035/0811—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation using induction

Definitions

  • the present invention relates to a mold apparatus for forming a polymer composite material, and more particularly, to a mold apparatus for molding a polymer resin or polymer composite material by utilizing induced heating of carbon nanomaterials contained in a mold body.
  • fiber composite materials are generally provided in the form of prepregs in which liquid synthetic resin is infiltrated into fiber reinforcement materials. suitable for making
  • the fiber reinforcement used as the raw material of the fiber composite material is glass fiber, carbon fiber, aramid fiber represented by Kevlar, and boron, which is rarely used. Ceramic fibers such as boron fibers and silicon carbide are also used.
  • liquid synthetic resin used as a base material after infiltrating the fiber reinforcement epoxy resin and unsaturated polyester resin are generally used, and phenol resin and polyimide for high temperature
  • phenol resin and polyimide for high temperature A thermosetting resin such as a polyimide resin is used, and recently, a thermoplastic resin is also used.
  • fiber composite materials having high strength and rigidity as well as light weight by efficient combination of materials are replacing existing materials by effectively utilizing their properties, and are used in aerospace, automobiles, sports, and industrial machinery. It is applied in various industries such as medical devices, military supplies, construction and civil materials.
  • Korean Patent Publication No. 10-2014-0148081 discloses that a fiber-reinforced prepreg is prepared by impregnating a low-temperature curable epoxy resin composition with fibers, and laminated to form A technique for forming a polymer composite material by supplying thermal energy from a hot air blower or a heating mold in which a hot wire is inserted into the mold is known.
  • the molding of fiber-reinforced polymer composites is basically manufactured through a molding cycle of heating, cooling, and reheating of a metal mold.
  • the molding cycle is completed only when cooling is performed to a temperature below the temperature.
  • CNTs carbon nanotubes
  • CNTs carbon nanotubes
  • microwaves their high dielectric loss (bound charge) and conductivity (free electrons)
  • CNTs single-walled carbon nanotubes exposed to microwave irradiation generated local temperatures reaching ⁇ 2000 °C.
  • this research team improved the quality of the final molding by using a molding mold made of a polymer composite material having a similar coefficient of thermal expansion to the target molding, and also selectively heated and processed local parts of the molding to shorten the molding process time.
  • a molding mold made of a polymer composite containing carbon nanomaterials that generate induced heat by high-frequency electromagnetic radiation was developed.
  • the main object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and introduces a dielectric material that generates induced heating by high-frequency electromagnetic radiation into a molding mold without using an external heat source such as a heating cartridge, so that a high-quality polymer material or
  • An object of the present invention is to provide a mold device for forming a polymer composite material capable of performing a molding process of the polymer composite material.
  • the present invention is a first insulator in which an induction coil is inserted; a first mold body; an upper portion and a second mold body in which the first mold body is sequentially arranged; And a second insulator with an induction coil inserted; a lower portion in which is sequentially arranged, and the first and second mold bodies are formed by mixing polymer resin and carbon nanomaterials with carbon fibers chemically bonded to carbon nanomaterials. It is prepared by impregnating the prepared polymer mixture and then curing the impregnated material, and the carbon nanomaterial chemically bonded to the carbon fibers in the first and second mold bodies is less than 1 wt% with respect to the polymer resin, and is directly mixed with the polymer resin. The carbon nanomaterial is less than 1 wt% of the polymer resin, and the first mold body and the second mold body are inductively heated by high-frequency electromagnetic radiation to set the molding temperature of the polymer composite material. Mold) device is provided.
  • the heat insulating material may be a ceramic component.
  • the surface of the carbon fibers in the mold body may be modified.
  • the surface of the carbon fibers in the mold body may be modified by sizing or flame treatment.
  • the carbon nanomaterial in the mold body introduces a hydrophilic functional group to the surface, applies the carbon nanomaterial prepared in the form of a water dispersion to the carbon fiber, and dries the carbon fiber and the carbon nanomaterial chemically. bonds can be formed.
  • the carbon nanomaterial in the mold body may include at least one selected from pulverized carbon fiber, carbon nanotube, carbon black, and graphene.
  • the amount of carbon nanomaterials chemically bonded to the carbon fibers in the mold body is less than 0.5wt% relative to the polymer resin, and the amount of carbon nanomaterials directly mixed with the polymer resin is 0.5wt% relative to the polymer resin. % may be less.
  • the polymer resin in the mold body may include at least one selected from novolac-modified epoxy, aromatic amine, and bismaleimide.
  • the present invention provides a method for molding a polymer composite material, characterized in that a thermoplastic polymer composite material or a thermosetting polymer composite material is molded by generating induced heat by high-frequency electromagnetic radiation in the mold apparatus for molding the polymer composite material. do.
  • the polymer composite containing the thermoplastic polymer is heated with high-frequency electromagnetic radiation to form a polymer composite at a melting point (Tm), or the polymer composite containing the curable polymer is heated with high-frequency electromagnetic radiation At the curing point (Tc), the polymer composite can be molded.
  • the molding temperature by the induced heating may be in the range of 200 to 1000 ⁇ C.
  • the high frequency electromagnetic radiation may be in the frequency range of 50 - 300 kHz.
  • the mold apparatus for forming polymer composites according to the present invention introduces a dielectric material that generates induced heating by high-frequency electromagnetic radiation, thereby enabling rapid heating or rapid cooling by induced heating, and improving economic feasibility by shortening the molding cycle. can be expected
  • the mold apparatus for forming a polymer composite material according to the present invention uses a durable polymer as a polymer resin, so that the weight of the mold is reduced and durability is improved by maintaining excellent mechanical properties.
  • Figure 1 shows the components and driving flow of the high-frequency electromagnetic field generating equipment used in the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of a mold apparatus for molding a polymer composite to which a mold body according to the present invention is applied.
  • FIG 3 is a schematic view of an arrangement of an induction coil inserted into an insulator in a mold apparatus for forming a polymer composite material.
  • FIG. 4 is a side view of an induction coil array inserted into an insulator in a mold apparatus for forming a polymer composite material.
  • FIG. 5 is a SEM photograph of the surface of carbon fiber filaments anchored with carbon nanomaterials (MWCNT) in the mold body according to the present invention.
  • the first insulator into which the induction coil is inserted includes a first mold body; an upper portion and a second mold body in which the upper portions are sequentially arranged; And a second insulator in which an induction coil is inserted; includes a lower portion in which are sequentially arranged,
  • the mold body is prepared by impregnating carbon fibers in which carbon nanomaterials are chemically bonded with a polymer mixture prepared by mixing a polymer resin and carbon nanomaterials, and then curing the impregnated material.
  • the combined carbon nanomaterial is less than 1wt% with respect to the polymer resin, and the carbon nanomaterial directly mixed with the polymer resin is less than 1wt% with respect to the polymer resin, and the first mold body and the second mold body are induced by high-frequency electromagnetic radiation.
  • a mold device for forming a polymer composite characterized in that by heating to set the molding temperature of the polymer composite.
  • An object to be molded which is a polymer resin or a polymer composite, is positioned between the first mold body and the second mold body in the mold apparatus for forming the polymer composite material, and the first mold body is formed by high-frequency electromagnetic radiation generated from an induction coil inserted in the first insulator.
  • An object to be molded is formed due to induction heat generated in the mold body and induction heat generated in the second mold body due to high-frequency electromagnetic radiation generated in the induction coil inserted in the second insulator.
  • the first insulator and the second insulator in which the induction coil is inserted prevent induced heat by high-frequency electromagnetic radiation from being dissipated to the outside
  • the material of the insulator may be a ceramic component, specifically aluminum oxide. It may be any one selected from silicon oxide, silicon carbide, and zirconium oxide, and ceramic composites including calcined ferrite with high magnetic permeability, amorphous alloy, permalloy, etc. to prevent induction heating efficiency degradation due to external leakage of electromagnetic fields may be utilized.
  • Figure 3 below is a schematic diagram of the arrangement of induction coils inserted inside the insulator, and since the direction of electromagnetic field formation is determined according to the direction of current from the power source, current directions divided into In and Out are distinguished. By doing so, it is possible to prevent cancellation of eddy currents caused by electromagnetic field interference.
  • FIG. 4 below shows a side view of the insertion of the induction coil shown in FIG. 3 and shows how In and Out of current are divided.
  • the surface of the carbon fibers in the first mold body or the second mold body may be modified to improve material properties such as strength, modulus of elasticity, lightness and stability of the mold body.
  • carbon fiber Since carbon fiber has weak interfacial bonding power due to the low activity and smoothness of the fiber surface, it is intended to prevent damage to carbon fiber due to friction in the manufacturing process and improve bonding strength with the surface of carbon nanomaterials, such as sizing or flame treatment of carbon fiber It is preferable that the fiber surface is modified through the process of.
  • the purpose of the surface treatment process of carbon fibers is to effectively introduce carbon nanomaterials into carbon fibers by inducing a chemical bond between the carbon fibers and the carbon nanomaterials added to the polymer composite.
  • the main component of the sizing agent used in the sizing process is preferably an amino functional silane such as 3-Aminopropyltriethoxysilane, 3-Aminopropylmethoxydiethoxysilane, and amino propylmethoxydimethoxysilane (Aminopropylmethoxydimethoxysilane), aminoethylaminopropyltrimethoxysilane (3-(2-Aminoethyl)aminopropyl]trimethoxysilane, etc.; Sulfur functional silanes, for example, bis (triethoxysilylpropyl) tetrasulfide (Bis (3- (triethoxysilyl) propyl) tetrasulfide), mercaptopropyltrimethoxysilane (Mercaptopropyltrimethoxysilane), mercaptopropyltriethoxysilane ( Mercaptopropyltriethoxysilane
  • the exposure time of the carbon fiber to the sizing bath is preferably in the range of 10 seconds to 10 minutes. Less than 10 seconds is undesirable because the amount of sizing on the surface of carbon fiber is small because the diffusion and reaction time of the solution by immersion is insufficient, and if it exceeds 10 minutes, it is difficult to use as a reinforcing agent due to hydrolysis and phase separation inside the solution.
  • the flame treatment exposes the carbon fiber to a premixed flame to improve the wettability of the carbon fiber or the adhesion between the carbon fiber and the carbon nanomaterial, so that the molecular chain on the surface of the fiber is broken and a polar functional group is added to obtain the carbon fiber.
  • the surface can be modified to be hydrophilic.
  • the carbon nanomaterial in the first mold body or the second mold body introduces a hydrophilic functional group to the surface, applies the carbon nanomaterial prepared in the form of water dispersion to carbon fiber, and dries the carbon fiber and carbon nanomaterial. Nanomaterials can form chemical bonds.
  • the carbon nanomaterial is a material in which induced heating occurs due to high-frequency electromagnetic radiation, and is evenly dispersed in the mold body through chemical bonding with carbon fiber, thereby stably providing a heating function of the forming mold.
  • the carbon nanomaterial may be any one or more selected from pulverized carbon fibers, carbon nanotubes, carbon black, and graphene, but is not limited thereto.
  • the surface treatment of the carbon nanomaterial may be performed by using an acidic aqueous solution such as dilute nitric acid or sulfuric acid, or by using an oxidizing agent such as an aqueous hydrogen peroxide solution.
  • an acidic aqueous solution such as dilute nitric acid or sulfuric acid
  • an oxidizing agent such as an aqueous hydrogen peroxide solution.
  • the method of introducing a hydrophilic functional group into the carbon nanomaterial is to apply a method of introducing a hydrophilic functional group to the particle surface using an oxidizing agent such as an aqueous hydrogen peroxide solution after the primary oxidation reaction using an acidic aqueous solution such as dilute nitric acid and sulfuric acid aqueous solution.
  • an oxidizing agent such as an aqueous hydrogen peroxide solution after the primary oxidation reaction using an acidic aqueous solution such as dilute nitric acid and sulfuric acid aqueous solution.
  • the surface-modified carbon nanomaterial with a hydrophilic functional group is prepared by preparing a carbon nanomaterial dispersion in the form of an aqueous dispersion, then applying the carbon nanomaterial dispersion to untreated carbon fibers or surface-modified carbon fibers, and then drying the carbon nanomaterials and carbon nanomaterials. It forms chemical bonds in the fibers.
  • the sum of the weights of the carbon nanomaterials in the dispersion of carbon nanomaterials prepared in the form of an aqueous dispersion may preferably be less than 10 wt.%, and preferably less than 5 wt.%, based on the total amount of the carbon nanomaterials dispersion.
  • the carbon nanomaterials in the polymer composite are dispersed together with the carbon fibers by forming chemical bonds with the carbon fibers, they can be highly dispersed in a high content.
  • the temperature of the first mold body and the second mold body can be effectively controlled to manufacture a high-quality polymer molded article or polymer composite molded article.
  • the mold apparatus for forming a polymer composite material according to the present invention is not only a carbon nanomaterial chemically bonded to carbon fibers in a mold body (first mold body, second mold body), but also carbon nanomaterial directly mixed with a polymer resin. By including it, it is characterized by containing a high content and high dispersion of carbon nanomaterials.
  • the carbon nanomaterial chemically bonded to the carbon fiber is less than 1 wt% with respect to the polymer resin, and the carbon nanomaterial directly mixed with the polymer resin is a polymer. It may contain less than 1wt% of the resin, more preferably, the carbon nanomaterial chemically bonded to the carbon fiber is less than 0.5wt% of the polymer resin, and the carbon nanomaterial directly mixed with the polymer resin is the polymer resin. It may be less than 0.5wt% with respect to.
  • a polymer mixture may be prepared by a mechanical mixing method in order to introduce carbon nanomaterials into the polymer resin.
  • the polymer resin preferably includes at least one selected from thermosetting polymer resins having low molecular chain flow including a large amount of benzene rings, such as novolac-modified epoxy, aromatic amine, and bismaleimide, and these polymer resins have high temperature durability. Since it has characteristics, the mold device for molding the final polymer composite can exhibit excellent mechanical properties and durability in a processing environment of 300 ° C.
  • the carbon fibers chemically bonded to the carbon nanomaterials are impregnated with a polymer mixture prepared by mixing a polymer resin and a carbon nanomaterial, and then the impregnated material is cured to prepare a mold body.
  • a process of impregnating the carbon fibers chemically bonded to the carbon nanomaterials into the polymer mixture resin is not particularly limited, and for example, a resin injection method using a vacuum environment or an impregnation method through hand lay-up may be used.
  • the current applied to the carbon nanomaterial in the mold apparatus for forming the polymer composite according to the present invention is an induced current due to an induced electromotive force applied externally, that is, an external coil surrounding the carbon nanomaterial without directly contacting it, e.g.
  • an induced electromotive force applied externally that is, an external coil surrounding the carbon nanomaterial without directly contacting it, e.g.
  • a high-frequency induced electromotive force to a conductive metal coil such as a copper coil
  • an induced heating phenomenon occurs in the carbon nanomaterial due to the induced current.
  • an induced current is generated by the high-frequency induced electromotive force applied to the mold apparatus for forming a polymer composite according to the present invention, and Joule heat is generated in the carbon nanomaterial in the polymer composite by this induced current, so that the mold body can be heated. .
  • the present invention provides a method for molding a polymer composite material, wherein the thermoplastic polymer composite material or the thermosetting polymer composite material is molded by generating induced heat by high-frequency electromagnetic radiation in the mold apparatus for molding the polymer composite material.
  • the polymer composite when a thermoplastic polymer resin is used, the polymer composite may be subjected to a molding process at a melting point (Tm) through induced heating by high frequency electromagnetic radiation, and when a thermosetting polymer resin is used, the polymer composite may be subjected to high frequency electromagnetic radiation. It is possible to mold the polymer composite material at the curing point (Tc) through the induced heating.
  • Tm melting point
  • Tc curing point
  • the molding temperature by the induced heating may be specifically in the range of 120 to 400 °C.
  • the molding temperature is preferably in the range of 120 ⁇ 150 ⁇ C, and polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacrylate (PA) )-based composites, the molding temperature is preferably in the range of 120 ⁇ 250 ⁇ C.
  • polyetheretherketone PEEK polyphenylene sulfide (PPS)-based composites, is preferably in the range of 120 to 400 °C.
  • the induced electromotive force applied to the outside is preferably a high-frequency current in a frequency range of 50 to 300 kHz. Since the frequency of the high-frequency current determines the penetration depth of the induced current, it is set according to the size and thickness of the object to be molded. If the size of the object to be molded is large or thick, it is preferable to use a low frequency so that the penetration depth of the induced current becomes deep.

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Abstract

본 발명은 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에 관한 것으로, 특히 몰드 본체에 함유된 탄소나노물질의 유도발열을 활용하여 고분자 수지 또는 고분자 복합재를 성형하기 위한 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에 관한 것이다.

Description

유전물질의 유도발열을 활용한 고분자 복합재 성형용 몰드
본 발명은 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에 관한 것으로, 특히 몰드 본체에 함유된 탄소나노물질의 유도발열을 활용하여 고분자 수지 또는 고분자 복합재를 성형할 수 있는 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에 관한 것이다.
최근 산업 전반에 걸쳐 소재의 고강도 경량화의 추세에 따라 고강도 금속소재 또는 경량의 비철금속재뿐만 아니라, 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastics, 이하, FRP라 칭함)으로 이루어지는 섬유 복합소재를 적용하는 사례가 빈번해 졌다.
특히, 섬유 복합소재는 섬유 강화재에 액상 합성수지를 침투시킨 프리프레그(Prepreg) 형태로 제공되는 것이 일반적이며, 금형 내에서 열과 압력을 받으면 기계적, 열적 물성이 뛰어나 고강도 경량의 복합재 부품(composite part)의 제작에 적합하다.
상기 섬유 복합소재의 원재료로 사용되는 섬유 강화재는 유리섬유(glass fiber), 탄소섬유(carbon fiber), 케블라(Kevlar)로 대표되는 아라미드 섬유(aramid fiber)섬유가 주로 사용되며, 사용빈도가 적은 보론 섬유(boron fiber)와 실리콘 카바이드(silicon carbide) 등의 세라믹(ceramic) 섬유 등도 사용된다.
또한, 섬유 강화재에 침투되어 기지재료로 사용되는 액상 합성수지는 일반적으로 에폭시 수지(epoxy resin), 불포화 폴리에스테르 수지(unsaturated polyester resin)가 일반적으로 사용되며, 고온용으로 페놀(phenol resin), 폴리이미드 수지(polyimide resin)와 같은 열경화성 수지가 사용되며, 최근에는 열가소성 수지도 사용되는 추세이다.
이와 같이, 재료의 효율적인 조합에 의하여 높은 강도 및 강성뿐만 아니라, 경량이라는 재료의 특성을 갖는 섬유 복합소재는 그 특성을 효과적으로 활용함으로써 기존의 재료를 대체하고 있으며, 항공우주, 자동차, 스포츠, 산업기계, 의료기기, 군수용품, 건축 및 토목자재와 같이 다양한 산업 분야에서 응용되고 있다.
이러한 고분자 복합재를 성형에 이용되는 금속 몰드(Mold)의 경우 대부분 히팅 카트리지를 이용한 전기저항체의 발열에 의한 가열을 통해 성형온도까지 가열이 이루어졌다.
이와 관련한 종래기술로서, 한국 공개특허공보 제10-2014-0148081호(공개일: 2014년12월31일)는 저온 경화형 에폭시 수지 조성물에 섬유를 함침시켜 섬유 강화 프리프레그를 제조하고, 적층하여 형상을 만들고 열풍기 또는 금형에 열선을 삽입한 가열 금형에서 열에너지를 공급하여 고분자 복합재료를 성형하는 기술이 공지되었다.
그러나, 금속 몰드를 이용한 고분자 재료 또는 고분자 복합재의 성형은 성형물과 금속 몰드의 열팽창계수차가 높아 성형 공정에서 성형물의 내부응력 형성된다. 이 경우에 최종 성형 후 내부응력 완화에 따라 제품의 뒤틀림 및 층간 박리로 이어지게 되어 제품의 불량으로 연결된다.
또한, 섬유강화 고분자 복합재의 성형은 기본적으로 금속 몰드의 가열, 냉각, 재가열의 성형 Cycle을 통해 제품이 제조되며, 특히, 열가소성 고분자 재료를 매트릭스로 하는 섬유강화 고분자의 경우 냉각 과정에서 재료의 유리전이온도 이하의 온도까지 냉각이 이루어져야 성형 Cycle이 종료된다.
이에 종래의 가열방식인 히팅 카트리지 또는 스팀 방식의 경우 분자의 충돌에 따른 열 전달이 이루어지므로 낮은 에너지 전환율을 갖는다. 특히, 열 전달과정에서 금속 몰드의 국소부위(성형물과 금속 몰드의 접촉부)에 대한 가열이 불가능할 뿐만 아니라 불필요한 부위에 대한 가열, 냉각이 동시에 이루어지므로 성형 Cycle이 장기화되므로 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 유전 물질의 한 종류인 탄소 나노튜브(CNT)의 경우에, 여러 연구에서, 탄소 나노튜브(CNT)가 마이크로파에 노출될 때 이들의 높은 유전 손실(구속 전하) 및 전도도(자유 전자)로 인해, 강한 에너지 흡수가 관찰되고, 강한 가열, 탈기 및 빛 방출을 일으킴이 나타났다. 한 연구에서, 마이크로파 조사에 노출된 단일벽 탄소 나노튜브(CNT)가 ~ 2000℃에 이르는 국소적인 온도를 발생시켰다.
또한, 마이크로파 조사에 의한 CNT/고분자 결합과 관련된 주제에 대한 연구 결과로서, 얇은 층의 다중벽 탄소 나노튜브(CNT)를 플라스틱 부품에 용접하기 위한 마이크로파 처리 실행가능성을 입증했다. 또한, 연구자들은 마이크로파 복사가 고분자 및 복합재 처리의 다른 영역에서 많은 바람직한 기능을 제공할 수 있음을 보여주었다.
따라서, 본 연구진은 대상 성형물과 유사한 열팽창계수를 가지는 고분자 복합재로 이루어진 성형 몰드를 사용하여 최종 성형물의 품질을 개선시키고, 또한 성형물의 국소 부위를 선택적으로 가열 및 가공하여 성형 공정 시간을 단축시키고자, 고주파 전자기 복사에 의한 유도발열을 발생시키는 탄소나노물질이 포함된 고분자 복합재로 이루어진 성형용 몰드를 개발하였다.
본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 히팅 카트리지와 같은 외부 열원을 사용하지 않고, 고주파 전자기 복사에 의한 유도발열을 발생시키는 유전물질을 성형 몰드에 도입하여, 고품질의 고분자 재료 또는 고분자 복합재의 성형 공정이 가능한 고분자 복합재 성형용 몰드 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유도 코일이 삽입된 제1 단열재; 제1 몰드 본체;가 순차적으로 배열된 상부와 제2 몰드 본체; 및 유도 코일이 삽입된 제2 단열재;가 순차적으로 배열된 하부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 몰드 본체는 탄소나노물질을 화학적으로 결합시킨 탄소섬유에, 고분자 수지와 탄소나노물질을 혼합하여 제조한 고분자 혼합물을 함침시킨 후 함침물을 경화시켜 제조하며, 상기 제1 및 제2 몰드 본체 내의 탄소섬유에 화학적으로 결합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 1wt% 미만이고, 고분자 수지에 직접 혼합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 1wt% 미만이며, 고주파 전자기 복사로 상기 제1 몰드 본체와 제2 몰드 본체를 유도가열하여 고분자 복합재의 성형온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 단열재는 세라믹 성분일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 몰드 본체내 탄소섬유는 표면 개질될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 몰드 본체내 탄소섬유는 사이징 또는 화염처리하여 표면을 개질할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 몰드 본체내 탄소나노물질은 표면에 친수성 관능기를 도입하여, 수분산 형태로 제조된 탄소나노물질을 탄소섬유에 도포 및 건조하여 탄소섬유와 탄소나노물질이 화학적 결합을 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 몰드 본체내 탄소나노물질은 분쇄된 탄소섬유, 탄소나노튜브, 카본블랙, 그래핀 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 몰드 본체내 탄소섬유에 화학적으로 결합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 0.5wt% 미만이고, 고분자 수지에 직접 혼합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 0.5wt% 미만일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 몰드 본체내 고분자 수지는 Novolac-modified epoxy, Aromatic amine 및 Bismaleimide 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 본 발명은 상기 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에 고주파 전자기 복사에 의한 유도발열을 발생시켜 열가소성 고분자 복합재 또는 열경화성 고분자 복합재를 성형하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 열가소성 고분자가 포함된 고분자 복합재를 고주파 전자기 복사로 가열하여 용융점(Tm)에서 고분자 복합재를 성형하거나, 상기 경화성 고분자가 포함된 고분자 복합재를 고주파 전자기 복사로 가열하여 경화점(Tc)에서 고분자 복합재를 성형할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 유도발열에 의한 성형온도는 200 ~ 1000 ˚C 범위일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 고주파 전자기 복사는 주파수 50 - 300 kHz 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 고분자 복합재 성형용 몰드 장치는 고주파 전자기 복사에 의한 유도발열을 발생시키는 유전물질을 도입함으로써, 유도발열에 의한 급속 가열 또는 급속 냉각이 가능하며, 성형 Cycle 단축에 따라 경제성이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고분자 복합재 성형용 몰드 장치는 고분자 수지로써 내구성 고분자를 적용하여 몰드의 중량이 감소하고, 우수한 기계적 특성을 보유함에 따라 내구성이 향상되었다.
도 1은 본 발명에 이용되는 고주파 전자기장 발생 설비의 구성요소와 구동 흐름을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 몰드 본체가 적용된 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에 대한 모식도이다.
도 3은 고분자 복합재 성형용 몰드 장치내 단열재에 삽입된 유도 코일 배열에 대한 모식도이다.
도 4는 고분자 복합재 성형용 몰드 장치내 단열재에 삽입된 유도 코일 배열에 대한 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 몰드 본체내 탄소나노물질(MWCNT)이 Anchoring된 탄소섬유 필라멘트의 표면을 관찰한 SEM 사진이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은, 유도 코일이 삽입된 제1 단열재; 제1 몰드 본체;이 순차적으로 배열된 상부와 제2 몰드 본체; 및 유도 코일이 삽입된 제2 단열재;이 순차적으로 배열된 하부를 포함하며,
상기 몰드 본체는 탄소나노물질을 화학적으로 결합시킨 탄소섬유에, 고분자 수지와 탄소나노물질을 혼합하여 제조한 고분자 혼합물을 함침시킨 후 함침물을 경화시켜 제조하며, 상기 몰드 본체내 탄소섬유에 화학적으로 결합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 1wt% 미만이고, 고분자 수지에 직접 혼합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 1wt% 미만이며, 고주파 전자기 복사로 상기 제1 몰드 본체와 제2 몰드 본체를 유도가열하여 고분자 복합재의 성형온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치를 제공한다.
상기 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에서의 제1 몰드 본체와 제2 몰드 본체 사이에 고분자 수지 또는 고분자 복합재인 성형 대상물이 위치하며, 제1 단열재내 삽입된 유도 코일에서 발생하는 고주파 전자기 복사에 의해 제1 몰드 본체에서 발생하는 유도 발열과, 제2 단열재내 삽입된 유도 코일에서 발생하는 고주파 전자기 복사로 인하여 제2 몰드 본체에서 발생하는 유도 발열로 인하여 성형 대상물의 성형이 이루어진다.
바람직한 일 실시예로서, 유도 코일이 삽입된 제1 단열재와 제2 단열재는 고주파 전자기 복사에 의한 유도발열이 외부로 발산되는 것을 방지하며, 상기 단열재의 재질은 세라믹 성분일 수 있으며, 구체적으로 산화알루미늄, 산화규소, 탄화규소 및 산화지르코늄 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 전자기장의 외부 유출에 의한 유도가열 효율 저하방지를 위한 고투자율의 소성 페라이트, 비정질 합금, 퍼멀로이 등을 포함하는 세라믹 복합재가 활용될 수 있다.
아래의 도 3은 단열재 내부에 삽입되는 유도 코일(Induction coil)의 배열에 대한 대략적인 도면이며, 이처럼 전원로부터 전류의 방향에 따라 전자기장의 형성 방향이 결정되므로 In과 Out으로 구분되는 전류 방향을 구분함으로써 전자기장의 간섭에 의한 와전류의 상쇄를 방지할 수 있다.
아래의 도 4는 상기 도 3에서 나타낸 유도 코일의 삽입에 대한 측면도를 나타낸 것으로 전류의 In과 Out을 구분한 것에 대해 나타내고 있다.
또한, 바람직한 일 실시예로서, 상기 제1 몰드 본체 또는 제2 몰드 본체내 탄소섬유는 표면을 개질하여 몰드 본체의 강도, 탄성률, 경량성 및 안정성 등의 재료 특성을 개선시킬 수 있다.
탄소섬유는 섬유 표면의 저활성과 평활성 때문에 약한 계면 결합력을 가지고 있으므로, 제조 공정에서의 마찰에 의한 탄소섬유의 손상 방지 및 탄소나노물질 표면과의 결합력 향상을 위하며 탄소섬유의 사이징 또는 화염처리 등의 공정을 통하여 섬유 표면이 개질되는 것이 바람직하다.
즉, 탄소섬유의 표면 처리 공정은 탄소섬유와 함께 고분자 복합재에 첨가되는 탄소나노물질과의 화학적 결합을 유도하여 탄소나노물질을 탄소섬유에 효과적으로 도입하는 것을 목적으로 한다.
상기 사이징 공정에서 사용되는 사이징제의 주성분으로는 바람직하게는, 아미노 기능성 실란, 예를 들면, 아미노프로필트리에톡시실란(3-Aminopropyltriethoxysilane) 아미노프로필메톡시다이에톡시실란(3-Aminopropylmethoxydiethoxysilane), 아미노프로필메톡시다이메톡시실란(Aminopropylmethoxydimethoxysilane), 아미노에틸아미노프로필트리메톡시실란(3-(2-Aminoethyl)aminopropyl]trimethoxysilane) 등; 황 기능성 실란, 예를 들면, 비스(트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드(Bis(3-(triethoxysilyl)propyl) tetrasulfide), 메르캅토프로필트리메톡시실란(Mercaptopropyltrimethoxysilane), 메르캅토프로필트리에톡시실란(Mercaptopropyltriethoxysilane) 등; 에폭시 기능성 실란, 예를 들면, 글리시독시프로필트리메톡시실란(Glycidoxypropyltrimethoxysilane), 글리시독시프로필트리에톡시실란(Glycidoxypropyltriethoxysilane), 글리시독시프로필메틸다이에톡시실란(Glycidoxypropylmethyldiethoxysilane), 글리시독시프로필메틸다이메톡시실란(Glycidoxypropylmethlydimethoxysilane) 등; 바이닐 기능성 실란, 예를 들면, 바이닐트리메톡시실란(Vinyltrimethoxysilane), 바이닐트리에톡시실란(Vinyltriethoxysilane) 등;으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 에폭시 기능성 실란을 사용할 수 있다.
상기 탄소섬유의 사이징욕 노출 시간은 10초 내지 10분 범위인 바람직하다. 10초 미만에서는 침지에 의한 용액의 확산 및 반응시간이 부족하기 때문에 탄소섬유 표면에 사이징 되는 양이 적어 바람직하지 못하며, 10분을 초과하면 가수분해 및 용액내부 상분리 등의 이유로 보강제로 사용하기 어렵다.
또한, 상기 화염처리는 탄소섬유의 습윤성 또는 탄소섬유와 탄소나노물질과의 접착성을 개선하기 위하여 탄소섬유을 예비혼합된 화염에 노출시켜 섬유 표면의 분자 사슬이 끊어지고 극성 작용기가 추가되어 탄소섬유의 표면을 친수성으로 개질시킬 수 있다.
바람직한 일 실시예로서, 상기 제1 몰드 본체 또는 제2 몰드 본체내 탄소나노물질은 표면에 친수성 관능기를 도입하여, 수분산 형태로 제조된 탄소나노물질을 탄소섬유에 도포 및 건조하여 탄소섬유와 탄소나노물질이 화학적 결합을 형성시킬 수 있다.
상기 탄소나노물질은 고주파 전자기 복사로 인하여 유도발열이 일어나는 물질로서 탄소섬유와의 화학적 결합을 통하여 몰드 본체내 고르게 분산됨으로써 성형 몰드의 가온 기능을 안정적으로 제공할 수 있다.
여기서, 탄소나노물질은 분쇄된 탄소섬유, 탄소나노튜브, 카본블랙, 그래핀 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이때, 탄소나노물질의 표면 처리는 묽은 질산 혹은 황산과 같은 산성 수용액을 이용하거나, 또는 과산화수소 수용액과 같은 산화제를 이용하는 방법에 의해 수행될 수 있다.
또한, 친수성 관능기를 탄소나노물질에 도입하는 방법은, 상기 묽은 질산 및 황산 수용액과 같은 산성 수용액을 이용한 1차 산화반응 이후, 과산화수소 수용액과 같은 산화제를 이용하여 입자 표면에 친수성 관능기를 도입방법이 적용될 수 있다.
친수성 관능기로 표면 개질된 탄소나노물질은 수분산 형태로 탄소나노물질 분산액을 제조한 후, 표면 처리 되지 않은 탄소섬유 또는 표면 개질된 탄소섬유에 탄소나노물질 분산액을 도포 및 건조하여 탄소나노물질과 탄소섬유의 화학적 결합을 형성하게 된다.
이때, 수분산 형태로 제조된 탄소타노물질 분산액내 탄소나노물질의 중량의 합은 바람직하게는 전체 탄소나노물질 분산액에 대하여 10 wt.% 미만일 수 있으며, 바람직하게는 5 wt.% 미만일 수 있다.
즉, 고분자 복합재내 탄소나노물질은 탄소섬유에 화학적인 결합을 형성하여 탄소섬유와 함께 분산되므로 높은 함량으로 고분산될 수 있으며, 이러한 몰드 본체내 탄소나노물질의 고분산도는, 이후 고분자 수지 또는 고분자 복합재의 성형 공정에서 제1 몰드 본체와 제2 몰드 본체의 온도를 효과적으로 제어하여 고품질의 고분자 성형물 또는 고분자 복합재 성형물을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고분자 복합재 성형용 몰드 장치는 몰드 본체(제1 몰드 본체, 제2 몰드 본체)내 탄소섬유에 화학적으로 결합된 탄소나노물질뿐만 아니라, 고분자 수지에 직접 혼합된 탄소나노물질을 포함함으로써, 탄소나노물질을 높은 함량과 높은 분산도로 함유하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제1 몰드 본체 또는 제2 몰드 본체는 바람직하게는, 상기 탄소섬유에 화학적으로 결합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 1wt% 미만이고, 고분자 수지에 직접 혼합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 1wt% 미만으로 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 탄소섬유에 화학적으로 결합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 0.5wt% 미만이고, 고분자 수지에 직접 혼합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 0.5wt% 미만일 수 있다.
여기서, 고분자 수지 내부로 탄소나노물질을 도입하기 위하여 기계적 혼합법으로 고분자 혼합물을 제조할 수 있다.
여기서 고분자 수지는 Novolac-modified epoxy, Aromatic amine 및 Bismaleimide와 같이 다량의 벤젠고리를 포함하여 분자사슬의 유동이 적은 열경화성 고분자 수지 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 고분자 수지는 고온 내구 특성을 가지고 있으므로, 최종 고분자 복합재 성형용 몰드 장치는 300℃ 수준의 가공 환경에서 우수한 기계적 특성과 내구성을 나타낼 수 있다.
이후, 상기 탄소나노물질을 화학적으로 결합된 탄소섬유를 고분자 수지와 탄소나노물질을 혼합하여 제조한 고분자 혼합물을 함침시킨 후 함침물을 경화시켜 몰드 본체를 제조한다.
상기 탄소나노물질을 화학적으로 결합된 탄소섬유를 고분자 혼합물 수지에 함침시키는 공정은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 진공환경을 이용한 수지 주입방법 혹은 핸드 레이업을 통한 함침 방법이 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 고분자 복합재 성형용 몰드 장치내 탄소나노물질에 가해지는 전류는 외부에 가해진 유도기전력에 의한 유도전류이며, 즉 탄소나노물질에 직접적으로 접촉하지 않으면서 그 주위를 둘러싸고 있는 외부 코일, 예를 들어 구리코일과 같은 도전성 금속코일에 고주파 유도기전력을 인가하여, 탄소나노물질에 유도전류에 의한 유도발열 현상이 발생한다.
따라서, 본 발명에 따른 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에 인가된 고주파 유도기전력에 의한 유도전류가 발생하고, 이러한 유도전류에 의하여 고분자 복합재내 탄소나노물질에서 줄열이 발생함으로써, 몰드 본체의 가열이 가능해진다.
또한, 본 발명은 상기 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에 고주파 전자기 복사에 의한 유도발열을 발생시켜 열가소성 고분자 복합재 또는 열경화성 고분자 복합재를 성형하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형방법을 제공한다.
이때, 열가소성 고분자 수지가 사용된 경우에 고분자 복합재는 고주파 전자기 복사에 의한 유도발열을 통해 용융점(Tm)에서 성형 공정을 수행될 수 있으며, 또한 열경화성 고분자 수지가 사용된 경우에는 고분자 복합재는 고주파 전자기 복사에 의한 유도발열을 통해 경화점(Tc)에서 고분자 복합재를 성형할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 유도발열에 의한 성형온도는 구체적으로 120 ~ 400˚C 범위일 수 있다.
구체적으로 에폭시(epoxy) 수지 기반의 복합재를 제조하는 경우 성형온도는 120 ~ 150˚C 범위인 것이 바람직하며, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PA) 기반의 복합재를 제조하는 경우 성형온도는 120 ~ 250˚C 범위인 것이 바람직하며, 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone PEEK), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide, PPS) 기반의 복합재를 제조하느 경우 성형온도는 120 ~ 400˚C 범위인 것이 바람직하다.
외부에 가해지는 유도기전력은 50~300 kHz 주파수 범위의 고주파 전류인 것이 바람직하다. 고주파 전류의 주파수는 유도전류의 침투깊이를 결정하므로, 성형 대상물의 크기 및 두께에 맞추어 설정한다. 성형 대상물의 크기가 크거나 두꺼우면, 유도전류의 침투 깊이가 깊어지도록 낮은 주파수를 사용하는 것이 바람직하다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적은 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
[부호의 설명]
101 : 몰드 본체
102 : 단열재
103 : 유도 코일
104 : 성형 대상물

Claims (12)

  1. 유도 코일이 삽입된 제1 단열재; 제1 몰드 본체;가 순차적으로 배열된 상부와 제2 몰드 본체; 및 유도 코일이 삽입된 제2 단열재;가 순차적으로 배열된 하부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 몰드 본체는 탄소나노물질을 화학적으로 결합시킨 탄소섬유에, 고분자 수지와 탄소나노물질을 혼합하여 제조한 고분자 혼합물을 함침시킨 후 함침물을 경화시켜 제조하며,
    상기 제1 및 제2 몰드 본체 내의 탄소섬유에 화학적으로 결합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 1wt% 미만이고, 고분자 수지에 직접 혼합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 1wt% 미만이며,
    고주파 전자기 복사로 상기 제1 몰드 본체와 제2 몰드 본체를 유도가열하여 고분자 복합재의 성형온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단열재는 세라믹 성분인 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몰드 본체내 탄소섬유는 표면 개질된 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 몰드 본체내 탄소섬유는 사이징 또는 화염처리하여 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 몰드 본체내 탄소나노물질은 표면에 친수성 관능기를 도입하여, 수분산 형태로 제조된 탄소나노물질을 탄소섬유에 도포 및 건조하여 탄소섬유와 탄소나노물질이 화학적 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 몰드 본체내 탄소나노물질은 분쇄된 탄소섬유, 탄소나노튜브, 카본블랙, 그래핀 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 몰드 본체내 탄소섬유에 화학적으로 결합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 0.5wt% 미만이고, 고분자 수지에 직접 혼합된 탄소나노물질은 고분자 수지에 대하여 0.5wt% 미만인 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 몰드 본체내 고분자 수지는 Novolac-modified epoxy, Aromatic amine 및 Bismaleimide 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형용 몰드(Mold) 장치.
  9. 제7항의 고분자 복합재 성형용 몰드 장치에 고주파 전자기 복사에 의한 유도발열을 발생시켜 열가소성 고분자 복합재 또는 열경화성 고분자 복합재를 성형하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열가소성 고분자가 포함된 고분자 복합재를 고주파 전자기 복사로 가열하여 용융점(Tm)에서 고분자 복합재를 성형하거나,
    상기 경화성 고분자가 포함된 고분자 복합재를 고주파 전자기 복사로 가열하여 경화점(Tc)에서 고분자 복합재를 성형하는 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 유도발열에 의한 성형온도는 200 ~ 1000 ˚C 범위인 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 고주파 전자기 복사는 주파수 50 - 300 kHz 범위인 것을 특징으로 하는 고분자 복합재 성형방법.
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