KR101470803B1 - 열가소성 탄소섬유강화 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열가소성 탄소섬유강화 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어 포켓이 없고 일정한 두께를 갖는 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료 및 이를 대량생산 할 수 있는 신규한 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 탄소섬유 표면처리 등의 복잡한 공정을 수행하지 않고서도 탄소섬유에 수지의 함침성이 향상되어 에어 포켓이 없는 일정한 두께의 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 대량생산 할 수 있고, 이를 이용한 성형체를 단시간 내에 제조할 수 있다.

Description

열가소성 탄소섬유강화 복합재료 및 그 제조방법{Thermoplastic carbon fiber reinforced composite and manufacturing method thereof}

본 발명은 열가소성 탄소섬유강화 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어 포켓이 없고 일정한 두께를 갖는 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료 및 이를 대량생산 할 수 있는 신규한 제조방법에 관한 것이다.

최근 항공·우주 분야로부터 광범위한 산업 분야에 이르기까지 새로운 특성을 지닌 재료가 요구되어 이에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 그 중 탄소섬유는 고강도, 고탄성 소재로서 경량이면서도 가공성이 높아 첨단 복합재료의 강화재로 널리 이용되고 있다. 이러한 첨단 복합재료의 대표적인 예로서는 탄소섬유를 고분자 수지에 섞어 강도를 높인 탄소섬유강화 수지를 들 수 있다. 이 복합재료는 고분자 수지의 우수한 성형성과 높은 강도를 갖는 탄소섬유의 장점을 결합한 것으로, 그 매트릭스가 되는 수지의 종류에 따라 열가소성과 열경화성으로 분류한다.

종래에는 주로 에폭시, 불포화폴리에스테르, 비닐에스테르, 페놀수지 또는 폴리이미드 등의 열경화성 수지를 사용하여, 탄소섬유의 매트에 유동성이 뛰어난 저분자 상태의 수지를 함침하게 하고 오토클레이브(autoclave) 또는 레진 트랜스퍼 몰딩(resin transfer molding, RTM) 성형방식에 의하여 가열·가압하면 수지 내에서 가교결합이 형성됨으로써 열경화성 탄소섬유강화 복합재료가 제조되었으나, 이러한 공정을 거쳐 원하는 성형체를 얻기까지는 오랜 시간이 걸리는 단점이 있었다(특허문헌 1).

또한, 상기 방법 이외에 진공 백 몰딩(vacuum bag molding, VBM) 방법으로 열경화성 탄소섬유강화 복합재료를 제조할 때, 열경화성 수지 용액의 점도 저하 때문에 발생하는 복합재료의 물성저하를 방지하고자 프리프레그의 선 열처리 과정을 도입하여 반경화 상태를 유도하는 방법이 공지되어 있으나, 열처리에 따른 에너지 소모를 포함하여 기존 제조공정에 또 다른 공정이 추가됨으로써 전체적으로 열경화성 탄소섬유강화 복합재료의 제조공정이 복잡해지는 문제점이 있었다(특허문헌 2).

따라서 매트릭스로서 열경화성 수지 대신에 나일론, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 열가소성 수지를 이용하여 탄소섬유의 매트에 가열시켜 용융된 수지를 함침한 후 냉각시키거나, 단섬유를 수지 내에 분산시킨 후 펠렛 상으로 사출성형하는 등의 간단한 방법으로 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 제조하려는 시도가 많이 있었다.

근래에는 매트릭스 수지가 열가소성인 경우, 탄소섬유와 열가소성 수지를 시트 위에 도포한 후, 그 도포된 탄소섬유와 열가소성 수지를 정착하는 공정을 포함하는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조방법이 공지된바 있으나, 이 공정에서는 섬유상 또는 분말상의 열가소성 수지를 사용함과 아울러 에어 흡인법을 적용하기 때문에 탄소섬유강화 복합재료에 에어 포켓과 같은 공간이 존재하여 기계적 물성이 저하되는 원인이 되거나, 일정한 두께를 갖는 균일한(homogeneous) 탄소섬유강화 복합재료를 제조할 수 없는 문제점이 생길 수 있었다(특허문헌 3).

또한, 탄소섬유강화 복합재료를 제조함에 있어서 탄소섬유에 수지의 함침성을 증가(탄소섬유와 수지의 결합력 증가) 시키기 위하여 탄소섬유 표면을 플라즈마 처리 하거나 코로나 방전처리 등을 행하는 경우가 있으나, 이러한 방법은 처리 속도가 늦고 처리 시간이 오래 걸리며, 큰 장치가 필요할 뿐만 아니라, 공정도 복잡하여 궁극적으로는 만족스러운 효과를 얻지 못하는 단점이 있다(특허문헌 4).

따라서 본 발명자들은, 열가소성 수지를 필름상으로 만들고, 이를 탄소섬유와 함께 가열·가압하면 열가소성 수지가 용융하게 되며, 일정 압력으로 용융된 열가소성 수지가 탄소섬유 내부로 스며들게 됨으로써, 복잡한 공정을 도입하지 않고서도 탄소섬유에 수지의 함침성이 향상되어 에어 포켓이 없는 일정한 두께의 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 대량생산 할 수 있고, 이를 통하여 궁극적으로 원하는 성형체를 단시간 내에 제조할 수 있음에 착안하여 본 발명에 이르렀다.

특허문헌 1 일본공개특허공보 제2009-114611호 특허문헌 2 한국공개특허공보 제2010-0108858호 특허문헌 3 일본공개특허공보 제2013-49749호 특허문헌 4 유럽공개특허공보 제0590656호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은 에어 포켓이 없는 일정한 두께의 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 제공하는 것이며, 본 발명의 제 2목적은 탄소섬유 표면처리 등의 복잡한 공정을 수행하지 않고서도 탄소섬유에 수지의 함침성이 향상되어 에어 포켓이 없는 일정한 두께의 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료 및 성형체를 단시간 내에 대량생산 할 수 있는 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 a) 필름상의 열가소성 수지 매트릭스, 및 b) 3K~48K 굵기의 탄소섬유 직물 또는 6~12 mm 길이의 탄소섬유 촙을 포함하며, 상기 열가소성 수지는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 10~100 중량부인 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 제공한다.

상기 열가소성 수지는 열가소성 폴리우레탄, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 아크릴수지, 메타크릴수지, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리락티드, 폴리페닐렌술피드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 및 폴리부틸렌나프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.

상기 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 이용한 플라스틱 성형체를 제공한다.

또한, 본 발명은 i) 열가소성 수지 시트와 탄소섬유를 함께 더블 벨트 압착기에 공급하는 단계; ii) 고정 롤러에서 열가소성 수지를 용융시킨 후 순환 롤러를 통하여 이송하는 단계; iii) 용융된 열가소성 수지를 등압 상태로 가압하여 탄소섬유에 필름상의 열가소성 수지를 함침시키는 단계; 및 iv) 냉각 롤러에서 고화시키는 단계;를 포함하는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조방법을 제공한다.

상기 ii) 단계에서 열가소성 수지는 열가소성 수지의 융점 이상 또는 유리전이온도 이상에서 용융시키는 것을 특징으로 한다.

상기 i) 내지 iv) 단계는 더블 벨트 압착기에 의하여 0.2~0.5m/min 속도로 수행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따라 제조된 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 핫 스탬핑하여 플라스틱 성형체를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 탄소섬유 표면처리 등의 복잡한 공정을 수행하지 않고서도 탄소섬유에 수지의 함침성이 향상되어 에어 포켓이 없는 일정한 두께의 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 대량생산 할 수 있고, 이를 이용한 성형체를 단시간 내에 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 롤 형태의 열가소성 탄소섬유강화 복합재료.
도 2는 성형체 제조를 위하여 금형에 맞게 절단한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 이용하여 핫 스탬핑 성형에 의하여 얻은 성형체.
도 4는 본 발명에 따라 더블 벨트 압착기를 이용하여 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 제조하는 실제 공정.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 더블 벨트 압착기를 이용한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조공정도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 핫 스탬핑 성형하는 공정도.

이하에서는 본 발명에 따른 에어 포켓이 없고 일정한 두께를 갖는 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료 및 이를 대량생산 할 수 있는 신규한 제조방법에 관하여 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 a) 필름상의 열가소성 수지 매트릭스, 및 b) 3K~48K 굵기의 탄소섬유 직물 또는 6~12 mm 길이의 탄소섬유 촙을 포함하며, 상기 열가소성 수지는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 10~100 중량부인 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 제공한다.

먼저, 본 발명의 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 구성하는 열가소성 수지 매트릭스로서는 후술하는 등압 압착기(isobaric press)에 의하여 형성되는 필름상의 것을 사용하는바, 종래에는 액상, 섬유상 또는 분말상의 열가소성 수지를 사용하고, 탄소섬유에 열가소성 수지를 함침시키는 과정에서 에어 흡인법을 적용하기 때문에 탄소섬유강화 복합재료에 에어 포켓과 같은 공간(void)이 존재하여 기계적 물성이 저하되는 원인이 되거나, 일정한 두께를 갖는 균일한(homogeneous) 탄소섬유강화 복합재료를 제조할 수 없는 문제점이 있었다. 따라서 본 발명에서는 상기 필름상의 열가소성 수지 매트릭스를 사용함으로써 탄소섬유에 열가소성 수지의 함침성을 기본적으로 향상시킬 수 있게 된다.

이러한 필름상 열가소성 수지 매트릭스의 소재로서는 통상 열가소성 수지로 알려진 것이면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나, 구체적인 예로서 열가소성 폴리우레탄, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 아크릴수지, 메타크릴수지, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리락티드, 폴리페닐렌술피드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 및 폴리부틸렌나프탈레이트 등을 들 수 있으며, 특히 지금까지 적용된 예가 거의 없는 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU)을 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 구성하는 탄소섬유로서는 직물(fabric) 형태의 것이든 촙(chop) 형태의 것이든 그 형태에 제한을 받지 않으나, 직물 형태의 경우에는 탄소섬유의 굵기가 3K~48K인 것, 촙 형태의 경우에는 탄소섬유의 길이가 6~12 mm인 장섬유를 사용하는 것이 균일한(homogeneous) 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 얻을 수 있어서 바람직하다.

그리고 상기 열가소성 수지는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 10~100 중량부를 함유하는 것이 고강도 및 고탄성에 기여하여 기계적 물성을 극대화시킬 수 있으므로, 상기 범위 내에서 열가소성 수지와 탄소섬유의 배합량을 조절한다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 롤 형태의 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 실물 사진을 나타낸 것으로, 대면적의 열가소성 탄소섬유강화 복합재료가 안정적으로 대량생산될 수 있음을 보여준다.

또한, 도 2에 나타낸 바와 같이 성형체 제조를 위하여 롤 형태의 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 금형에 맞게 절단한 후, 공지의 진공성형법, 액압성형법, 핫 스탬핑 성형법 또는 콜드 압착기 등에 의하여 성형함으로써 적정한 플라스틱 성형체를 제조할 수 있는데, 본 발명에서는 도 3에서 보는 바와 같이 핫 스탬핑 성형법에 의하여 제조된 플라스틱 성형체가 고속 성형의 측면에서 더욱 바람직하다.

아울러 본 발명에서는 에어 포켓이 없고 일정한 두께를 갖는 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 대량생산하기 위하여, i) 열가소성 수지 시트와 탄소섬유를 함께 더블 벨트 압착기에 공급하는 단계; ii) 고정 롤러에서 열가소성 수지를 용융시킨 후 순환 롤러를 통하여 이송하는 단계; iii) 용융된 열가소성 수지를 등압 상태로 가압하여 탄소섬유에 필름상의 열가소성 수지를 함침시키는 단계; 및 iv) 냉각 롤러에서 고화시키는 단계;를 포함하는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조방법을 제공한다.

상기 i) 단계의 열가소성 수지 시트는 시트상의 열가소성 수지라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 열가소성 폴리우레탄, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 아크릴수지, 메타크릴수지, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리락티드, 폴리페닐렌술피드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 및 폴리부틸렌나프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것일 수 있다.

한편, 탄소섬유는 직물(fabric) 형태의 것이든 촙(chop) 형태의 것이든 그 형태에 제한을 받지 않으나, 직물 형태의 경우에는 탄소섬유의 굵기가 3K~48K인 것, 촙 형태의 경우에는 탄소섬유의 길이가 6~12 mm인 장섬유를 사용하는 것이 균일한(homogeneous) 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 얻을 수 있어서 바람직하다.

그리고 열가소성 수지는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 10~100 중량부를 함유하는 것이 고강도 및 고탄성에 기여하여 기계적 물성을 극대화시킬 수 있으므로, 상기 범위 내에서 열가소성 수지와 탄소섬유의 공급량을 조절한다.

본 발명에서는 종래에 거의 적용된 바 없는 도 4에 나탄낸 더블 벨트 압착기(double belt press)를 이용하여 연속 공정으로 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 제조한다.

상기 ii) 단계에서는 열가소성 수지가 결정성(crystalline)이라면 열가소성 수지의 융점 이상에서, 또는 열가소성 수지가 무정형(amorphous)이라면 유리전이온도 이상에서 용융시킨다.

상기 iii) 단계에서는 필름상의 열가소성 수지 매트릭스를 얻기 위하여 용융된 열가소성 수지를 냉각 및 등압 상태로 가압(isobaric press)함으로써 탄소섬유에 열가소성 수지의 함침성이 증가한다.

마지막으로, iv) 단계에서 냉각 롤러로 고화시킴으로써 에어 포켓이 없고 일정한 두께를 갖는 균일한 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 대량생산 할 수 있다.

상기 i) 내지 iv) 단계를 통하여 더블 벨트 압착기에 의하여 운전되는 공정 속도는 용융 온도를 비롯한 공정 조건에 따라 차이가 있을 수 있지만, 0.2~0.5m/min 속도로 수행되는 것이 바람직하다.

이하 구체적인 실시예를 상세히 설명한다(도 5 참조).

( 실시예 )

열가소성 폴리우레탄 수지 시트 2.5kg과 탄소섬유(섬유길이 12mm의 탄소섬유 촙) 5kg을 미리 설정한 공급 속도로 더블 벨트 압착기에 공급하였다. 258℃ 및 259℃의 고정 롤러에서 열가소성 폴리우레탄 수지 시트를 용융시킨 후 순환 롤러를 통하여 이송시켰다. 이어서, 60℃ 및 70℃에서 등압 상태(4Mpa)로 가압하여 탄소섬유에 필름상의 열가소성 폴리우레탄 수지를 함침시켰다. 마지막으로 40℃로 설정한 냉각 롤러에서 고화시킴으로써 열가소성 탄소섬유강화 폴리우레탄 복합재료를 제조하였으며, 이때 전체 공정은 0.25m/min 속도로 수행하였다.

또한, 본 발명에서는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 전구체로 이용하여 원하는 플라스틱 성형체를 제조할 수 있는데, 상기 실시예에 따라 제조된 열가소성 탄소섬유강화 폴리우레탄 복합재료를 도 6에 나타낸 바와 같이 핫 스탬핑 성형함으로써 1분 이내에 고속으로 다양한 형태의 플라스틱 성형체를 제조할 수 있다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. i) 필름상의 열가소성 수지 매트릭스와 탄소섬유를 함께 더블 벨트 압착기에 공급하는 단계;
   ii) 고정 롤러에서 열가소성 수지를 용융시킨 후 순환 롤러를 통하여 이송하는 단계;
   iii) 용융된 열가소성 수지를 등압 상태로 가압하여 탄소섬유에 필름상의 열가소성 수지를 함침시키는 단계; 및
   iv) 냉각 롤러에서 고화시키는 단계;를 포함하는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 열가소성 폴리우레탄, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 아크릴수지, 메타크릴수지, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리락티드, 폴리페닐렌술피드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 및 폴리부틸렌나프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조방법.
6. 제4항에 있어서, 탄소섬유는 3K~48K 굵기의 탄소섬유 직물 또는 6~12 mm 길이의 탄소섬유 촙인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조방법.
7. 제4항에 있어서, 열가소성 수지는 탄소섬유 100 중량부에 대하여 10~100 중량부를 함유하는 것을 특징으로 하는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조방법.
8. 제4항에 있어서, 상기 ii) 단계의 열가소성 수지는 열가소성 수지의 융점 이상 또는 유리전이온도 이상에서 용융시키는 것을 특징으로 하는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조방법.
9. 제4항에 있어서, 상기 i) 내지 iv) 단계는 0.2~0.5m/min 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 열가소성 탄소섬유강화 복합재료의 제조방법.
10. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 열가소성 탄소섬유강화 복합재료를 핫 스탬핑 성형하여 플라스틱 성형체를 제조하는 방법.

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