KR101449204B1 - 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조 방법 - Google Patents

연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광폭화된 복수 개의 탄소섬유를 제공하는 단계; 상기 광폭화된 탄소섬유의 상부 및 하부에 열가소성 필름을 배치하여 적층체를 제조하는 단계; 상기 적층체에 마이크로웨이브를 조사하는 단계; 및 상기 적층체를 접합하는 단계를 포함하는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 의하면 연속 탄소섬유를 일방향(Uni-Directional) 배열 후 또는 이축(Bi-axial)(0도, 90도) 배열 후 직조가 용이하면서도 직조 후 열용융 함침 시 균일성 및 함침성이 뛰어나고, 다양한 종류의 열가소성 필름이 적용될 수 있으며, 균일성이 뛰어난 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그를 획득할 수 있다. 또한, 제조 시 열경화성 수지에 대비하여 상대적으로 점도가 높은 열가소성 수지의 함침율을 극대화하여, 성형체 내부의 공극(Void)을 최소화하고 탄소섬유의 부피분율을 극대화하여, 고강도의 열가소성 탄소섬유복합소재 (CFRTP, Carbon Fiber Reinforced ThermoPlastics) 부품을 제조할 수 있다.

Description

연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조 방법{Method of Preparing Continuous Carbon Fiber-reinforced Thermoplastic Prepreg}
본 발명은 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유를 용융된 열가소성 수지에 직접적으로 함침하지 않고 복수 층의 열가소성수지 필름 사이에 탄소섬유를 전개 및 배열한 후 접합하는 공정을 통해 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연속섬유 강화 플라스틱(Continuous Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic)은 기계적 강도가 상대적으로 취약한 플라스틱 속에 유리 섬유(Glass Fiber) 또는 탄소섬유(Carbon Fiber) 등의 보강 섬유를 연속 상으로 내장하고 있는데, 이러한 연속 섬유 강화 플라스틱은 길이 1 mm 이하의 단섬유 강화 플라스틱(Short Fiber-reinforced Thermoplastics) 또는 장섬유 강화 플라스틱(Long Fiber-reinforced Thermoplastics, LFT)이나 GMT(Glass Mat-reinforced Thermoplastics)와 같은 5~50 mm 길이 수준의 장-섬유 강화 플라스틱과 비교하여 기계적 강도, 강성 및 충격 성능이 매우 우수하다.
또한, 연속 섬유 강화 플라스틱은 유연성이 뛰어나 단 방향 또는 양 방향으로 직조될 수 있으며, 이를 통해 직조된 연속 섬유 강화 플라스틱 구조물은 다양한 기계적 성능이 요구되는 제품에 적용될 수 있다.
상기와 같은 연속 섬유 강화 플라스틱은 통상적으로 펄트루젼(Pultrusion) 방법 또는 혼합방사(Commingle) 내지 핫프레싱(Hot Pressing) 방법 등에 의하여 제조된다.
상기 펄트루젼(Pultrusion) 방법은 넓게 펼쳐진 연속 섬유 다발을 액상 또는 용융된 수지조 또는 다이를 통과시켜 연속 섬유 다발에 플라스틱 수지를 함침시키는 방법으로, 공정 조건을 최적화하면 함침도를 증가시킬 수는 있으나, 연속 섬유와 같은 보강 섬유 및 플라스틱 수지의 함량 조절이 어렵고, 유연성이 떨어져 직조가 용이하지 않은 단점이 있다.
또한, 종래의 가열 방식에 의하면 필름이 표면에서부터 녹게 되어 표면이 쉽게 구부러지는 문제가 있었다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 극복할 수 있는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그 제조방법이 제공되는 경우 관련 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본 발명의 한 측면은 제조가 용이하며 보이드(Void) 발생이 감소된 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 광폭화된 복수 개의 탄소섬유를 제공하는 단계; 상기 광폭화된 탄소섬유의 상부 및 하부 중 적어도 일부에 열가소성 필름을 배치하여 적층체를 제조하는 단계; 상기 적층체에 마이크로웨이브를 조사하는 단계; 및 상기 적층체를 접합하는 단계를 포함하는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법이 제공된다.
상기 광폭화된 복수 개의 탄소섬유는 일정한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 열가소성 필름은 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상기 열가소성 필름의 두께는 5 내지 100㎛인 것이 바람직하다.
상기 접합하는 단계는 한 쌍의 롤러에 의한 진공 또는 상압 압착에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
상기 접합하는 단계는 한 쌍의 롤러에 의한 진공 또는 상압 압착에 후속적으로, 가열하는 단계 및 추가의 한 쌍의 롤러에 의해 진공 또는 상압 압착하는 단계를 더욱 포함하는 것이 바람직하다.
상기 가열하는 단계는 할로겐 램프 및 적외선 램프로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 열원에 의하여 수행되는 것이 바람직하다.
상기 압착 단계는 100 내지 300 ℃ 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 가열하는 단계는 140 내지 400 ℃ 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 추가의 압착 단계는 100 내지 350 ℃ 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 방법은 상온에서 자연 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 적층체는 3층 이상으로 적층된 열가소성 필름, 및 열가소성 필름 사이에 배치된 탄소섬유를 포함하여 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에 의하면 연속 탄소섬유를 단방향(Uni-Directional) 배열 후 또는 이축(Bi-axial)(0도, 90도) 배열 후 직조가 용이하면서도 직조 후 열용융 함침 시 균일성 및 함침성이 뛰어나고, 다양한 종류의 열가소성 필름이 적용될 수 있으며, 균일성이 뛰어난 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그를 획득할 수 있다. 또한, 제조 시 열경화성 수지에 대비하여 상대적으로 점도가 높은 열가소성 수지의 함침율을 극대화하여, 성형체 내부의 공극(Void)을 최소화하고 탄소섬유의 부피분율을 극대화하여, 고강도의 열가소성 탄소섬유복합소재 (CFRTP, Carbon Fiber Reinforced ThermoPlastics) 부품을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조 공정의 흐름을 간략히 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의해 제조된 탄소섬유 강화 열가소성 필름의 사시도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3(a) 및 (b)은 본 발명에 의해 제조된 탄소섬유 강화 열가소성 필름의 단면을 다른 배율로 각각 나타낸 것이다
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 탄소섬유를 용융된 열가소성 수지에 직접적으로 함침시키지 않고 복수의 열가소성 필름 사이에 탄소섬유를 배열한 후 접합하는 공정을 통해 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그를 제조하는 방법이 제공된다.
상기 본 발명의 프리프레그는 테잎(tape) 및 시트(sheet) 등의 형태를 포함하는 것을 의미한다.
보다 상세하게, 본 발명의 방법은 광폭화된 복수 개의 탄소섬유를 제공하는 단계; 상기 광폭화된 탄소섬유의 상부 및 하부 중 적어도 일부에 열가소성 필름을 배치하여 적층체를 제조하는 단계; 상기 적층체에 마이크로웨이브를 조사하는 단계; 및 상기 적층체를 접합하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 제조 방법의 공정의 흐름도를 개략적으로 나타낸 것으로 이를 참고 하여 본 발명을 살펴보면, 본 발명에 있어서 상기 복수 개의 탄소섬유를 제공하는 단계는 구체적으로 탄소섬유를 권출하는 단계 및 탄소섬유를 전개하는 단계를 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 복수 개의 탄소섬유 토우(tow)가 탄소섬유 권출 롤러에 권취된 상태에서 풀리면서 제공되고, 이렇게 권출되는 탄소섬유 토우가 균일하게 펼쳐지도록 다수의 스프레딩 롤러(spreading roller)를 이용하여 폭 방향으로 원하는 간격을 두고 펼칠 수 있다.
예를 들어, 상기 탄소섬유를 전개하는 단계는 토우(tow) 형태의 탄소섬유 다발이 섬유 분리 장치에 형성된 각각의 홀(hole)을 통과하도록 수행됨으로써 각각의 탄소섬유들이 서로 엉키지 않고 하나의 방향으로 배열되도록 할 수 있다.
상기 광폭화된 복수 개의 탄소섬유는 일정한 간격으로 배치될 수 있으나, 다만 이에 제한되는 것은 아니고 필요에 따라 불규칙한 간격으로도 조절하여 배치될 수 있다.
이렇게 제공된 광폭화된 복수 개의 탄소섬유의 상부 및 하부 중 적어도 일부에 열가소성 필름을 배치하여 적층체를 제조한 후, 이렇게 제조된 상기 적층체에 마이크로웨이브를 조사하는 단계를 수행한다.
이때, 상기 적층체는 기본적으로 하나의 열가소성 필름 및 탄소섬유층을 포함할 수 있으며, 나아가 탄소섬유층의 상부 및 하부에 열가소성 필름을 포함하거나, 열가소성 필름의 상부 및 하부에 탄소섬유층을 포함할 수도 있다.
상기 열가소성 필름은 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 각각의 열가소성 필름의 두께는 5 내지 100㎛ 인 것이 바람직하고, 20 내지 40㎛인 것이 보다 바람직하며, 상기 두께가 5 ㎛ 미만인 경우에는 제조 공정의 수행이 용이하지 않을 수 있고, 가격 상승의 문제가 있으며, 100㎛을 초과하는 경우에는 균일한 함침이 저하될 수 있는 문제가 있다.
상기 마이크로웨이브를 조사하는 단계는 마이크로웨이브 장치에 의해 수행될 수 있으며, 상기 마이크로웨이브 조사에 의하여 상기 탄소섬유가 열가소성 필름보다 먼저 마이크로웨이브의 열을 흡수하여 열을 발생시키고, 이렇게 발생된 열이 열가소성 필름을 녹여 열가소성 필름이 상기 탄소섬유의 접점에서 먼저 융착하여 안정적으로 적층되어, 후속적으로 가압 핫 롤러(hot roller)를 통과할 때 필름과 탄소섬유 다발의 적층 배열이 유지될 수 있도록 해 준다. 즉, 상기 탄소섬유와 열가소성 필름의 계면에서 열가소성 필름이 먼저 용융됨에 따라 이들이 탄소섬유와 필름의 접점에서 융착된다.
후속적으로, 상기 적층체를 접합하는 단계를 수행하며, 상기 접합하는 단계는 용융 및 함침 과정, 즉 열가소성 필름의 용융과 이에 수반되는 탄소섬유의 함침 과정에 의해 수행될 수 있다. 이와 같은 접합하는 단계는 예를 들어 한 쌍의 롤러에 의한 진공 또는 상압 압착에 의해 수행될 수 있다.
나아가, 상기 접합하는 단계는 한 쌍의 롤러에 의한 진공 또는 상압 압착에 후속적으로, 가열하는 단계 및 추가의 한 쌍의 롤러에 의해 진공 또는 상압 압착하는 단계를 더욱 포함하여 수행될 수 있으며, 이 경우 압착이 보다 완전하게 수행될 수 있다.
즉, 이 경우 복수 층의 열가소성 필름과 광폭화된 탄소섬유의 적층체 내에 잔존하는 기포를 압착 방식에 의하여 보다 용이하고 완전하게 제거할 수 있다. 한편, 진공 분위기의 경우 이러한 기포 제거가 더욱 용이하며, 기포의 잔존을 보다 최소화할 수 있다.
상기 가열하는 단계는 할로겐 램프 및 적외선 램프로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 열원에 의하여 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 압착 단계는 100 내지 300 ℃ 온도에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 가열하는 단계는 140 내지 400 ℃ 온도에서 수행되는 것이 바람직하고, 상기 추가의 압착 단계는 100 내지 350 ℃ 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 가열하는 단계는 그 전후에 수행되는 압착 단계보다 높은 온도로 설정하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 마이크로웨이브 조사 및 접합하는 단계를 거치면서 탄소섬유의 온도가 높아지므로 이의 온도를 낮추기 위하여 본 발명의 방법은 상온에서 자연 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이와 같은 냉각 단계는 공기의 주입에 의해 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같은 자연냉각을 수행하는 경우 이와 같은 냉각을 수행하면서 와인딩롤(winding roll)에 제조된 필름 또는 테잎을 감는 단계가 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그를 구성하는 적층체는 복수 층의 열가소성 필름, 및 각 열가소성 필름 사이에 배치된 탄소섬유 층을 포함하여 제조되거나, 복수 층의 탄소섬유층, 및 각 탄소섬유층 사이에 배치된 열가소성 필름을 포함할 수 있다.
도 2는 예시적으로 3층의 열가소성 필름 사이에 탄소섬유 층이 2층 형성되어 압착된 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그를 도식적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법은 도 1에 나타난 바와 같이 본 발명에 의해 제조된 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그를 텐션 롤러에 의하여 지지하면서 권취 롤러에 권취하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법에 의하면 다양한 두께 및 폭의 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조가 가능하며, 이와 같이 제조된 테이프 및/또는 필름은 고속 성형용 CFRP의 중간재로도 활용이 가능하다.
통상적으로 고점도 열가소성 수지 또는 필름 용융 수지는 점도가 너무 높기 때문에 일반적인 방법으로 직경 약 7um의 탄소섬유 토우(tow, 24K)의 ~ 24,000 가닥 속으로 원활하게 함침이 이루어지지 않는다. 따라서 지금까지 연속 섬유로 고함침율의 고강도 열가소성 CFRP를 제조하는 것이 기술적으로 어려웠다.
그러나, 본 발명에 의하면 광폭화된 수십 ㎛ 두께의 탄소섬유 다발 층 사이에 5 ~ 100 ㎛ 두께의 열가소성수지 필름을 삽입한 후, 고온 및 가압(hot roller)에 의하여 미리 용융수지가 함침된 CF 테잎를 획득할 수 있으므로, 최종 성형체를 제조하기 위한　고온 가압 공정에서 고점도의 용융수지 흐름(flow)을 최소화하면서 탄소섬유 다발 속에 함침이 잘 되도록 하여 수지가 완전 함침된　고강도의 CFRP 성형체를 제조하는 데　필요한 중간재인 테잎 및 시트 형태를 포함하는 CF 프리프레그를 획득할 수 있으며, 3(a) 및　(b)는 이러한 CF　프리프레그 중 테잎 형태로 제조된성형체의 단면을 다른 배율로 각각 나타낸 SEM 분석 결과이다.
한편, 본 발명의 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법에 있어서, 상기 탄소섬유는 통상적인 보강섬유인 유리섬유, 아라미드섬유, 세라믹섬유, 금속섬유 등의 유기섬유, 무기섬유, 금속섬유 등에 널리 적용할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (12)

  1. 광폭화된 복수 개의 탄소섬유를 제공하는 단계;
    상기 광폭화된 탄소섬유의 상부 및 하부 중 적어도 일부에 열가소성 필름을 배치하여 적층체를 제조하는 단계;
    상기 열가소성 필름과 탄소섬유의 접점이 융착되도록 상기 적층체에 마이크로웨이브를 조사하는 단계; 및
    상기 적층체를 접합하는 단계
    를 포함하는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광폭화된 복수 개의 탄소섬유는 일정한 간격으로 배치되는 탄소섬유 강화 열가소성 필름의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 필름은 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 필름의 두께는 50 내지 100㎛인 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접합하는 단계는 한 쌍의 롤러에 의한 진공 또는 상압 압착에 의해 수행되는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 접합하는 단계는 한 쌍의 롤러에 의한 진공 또는 상압 압착에 후속적으로, 가열하는 단계 및 추가의 한 쌍의 롤러에 의해 진공 또는 상압 압착하는 단계를 더욱 포함하는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 압착 단계는 100 내지 300 ℃ 온도에서 수행되는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 가열하는 단계는 140 내지 400 ℃ 온도에서 수행되는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 추가의 압착 단계는 100 내지 350 ℃ 온도에서 수행되는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 가열하는 단계는 할로겐 램프 및 적외선 램프로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 열원에 의해 수행되는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유 강화 열가소성 필름의 제조방법은 상온에서 자연냉각 하는 단계를 추가로 포함하는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 적층체는 3층 이상으로 적층된 열가소성 필름 및 열가소성 필름 사이에 배치된 탄소섬유를 포함하여 제조되는 연속 탄소섬유 강화 열가소성 프리프레그의 제조방법.
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