KR101504154B1 - 산화아연 나노로드를 포함하는 탄소섬유 및 이의 제조방법 - Google Patents
산화아연 나노로드를 포함하는 탄소섬유 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 제1섬유 시트체 및 상기 제1섬유 시트체의 표면에 위치하는 제1나노로드를 포함하는 제1섬유 시트; 제2섬유 시트체 및 상기 제2섬유 시트체의 표면에 위치하는 제2나노로드를 포함하는 제2섬유 시트; 및 상기 제1섬유 시트 및 상기 제2섬유 시트 사이에 함침된 수지층을 포함하고, 탄소섬유 보강 복합재료를 제조할 때, 표면에서 성장이 된 산화아연 나노로드가 수지와의 접촉 면적 및 밀착력을 향상시키고 크랙 전파를 방해하여, 탄소섬유 복합재의 기계적 계면강도를 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 산화아연 나노로드를 포함하는 탄소섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 탄소섬유 보강 복합재료를 제조할 때, 표면에서 성장이 된 산화아연 나노로드가 수지와의 접촉 면적 및 밀착력을 향상시키고 크랙 전파를 방해하여, 탄소섬유 복합재의 기계적 계면강도를 향상시킬 수 있는 산화아연 나노로드를 포함하는 탄소섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
탄소섬유는 여러 보강섬유 중에서도 기계적 강도 및 탄성율이 높고 내열성이나 내약품성 등의 성질이 우수하여 항공/우주산업 및 토목/건축재료, 자동차, 선박, 전기/전자재료, 스포츠/레저용품 분야 등 성능 복합재의 보강섬유 소재로서 이용되고 있다.
탄소섬유로 보강된 매트릭스 수지는, 서로 다른 물질이 혼합된 복합재료로서, 무게가 가볍고, 강도 및 탄성률이 우수하여, 스포츠용품, 레저용품, 우주 항공 장비 등의 제조에 유용하게 사용되고 있다.
하지만, 일반적으로, 탄소섬유와 매트릭스 수지는 접착 강도가 불충분하므로, 전단응력이 낮다.
특히 탄소섬유 시트와 매트릭스 수지 사이의 계면에서 분리가 일어나는 층간전단응력(ILSS)을 포함한 기계적 계면강도가 복합재료에서의 가장 취약점이라고 할 수 있다.
도 1a는 일반적인 구조의 탄소 섬유 직물을 제조하는 공정을 도시한 개략적인 공정도이고, 도 1b는 일반적인 구조의 탄소 섬유 직물을 도시한 개략적인 단면도이며, 도 1c는 일반적인 구조의 탄소 섬유 직물에서의 탄소섬유 시트와 매트릭스 수지의 계면 분리를 도시한 개략적인 단면도이다.
먼저, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일반적인 구조의 탄소 섬유 직물(10)은 복수의 탄소섬유 시트(11a, 11b, 11c)를 반복하여 적층하고, 이를 매트릭스 수지(12)에 함침시킴으로써 제조될 수 있다.
이때, 상기 탄소섬유 시트(11) 각각은 탄소 섬유 한가닥인 필라멘트가 복수개(약 수백개 내지 수만개) 뭉쳐져 구성된 필라(1)가 예를 들면, 가로방향과 세로방향으로 배열되어 형성될 수 있으며, 이때, 상기 각각의 필라(1)의 사이에도 메트릭스 수지(2)가 함침될 수 있다.
다음으로, 도 1b를 참조하면, 탄소섬유 시트(11a, 11b, 11c)와 매트릭스 수지(12a, 12b)는 접착 강도가 불충분하여, 탄소섬유 시트와 매트릭스 수지 사이의 계면에서 분리가 일어나게 된다.
이를 방지하기 위해 보강재인 탄소섬유의 표면을 개질하여 매트릭스 수지와의 접착 강도를 향상시킴으로써, 탄소섬유와 매트릭스 수지가 긴밀히 접착된 복합재료를 형성하고 있다.
이와 같은 탄소섬유의 표면처리 방법으로는, 사이징 처리, 가열 세정법, 기상 산화법, 전기도금법, 양극산화법 등이 알려져 있다.
하지만, 이러한 방법들은 매트릭스 수지와 탄소섬유 간에 물리화학적 상호작용을 증가시키지만 밀착력 증가에 한계가 있고 전기나 열을 사용함으로써 비용이 높은 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단한 공정에 의하여, 매트릭스 수지와 탄소섬유 간의 접착강도를 향상시킬 수 있는 탄소 섬유 직물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 제1섬유 시트체 및 상기 제1섬유 시트체의 표면에 위치하는 제1나노로드를 포함하는 제1섬유 시트; 제2섬유 시트체 및 상기 제2섬유 시트체의 표면에 위치하는 제2나노로드를 포함하는 제2섬유 시트; 및 상기 제1섬유 시트 및 상기 제2섬유 시트 사이에 함침된 수지층을 포함하고, 상기 제1나노로드 및 상기 제2나노로드는 서로 엉키어 배치되는 것을 특징으로 하는 섬유 직물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1섬유 시트는 제1섬유 필라 및 제2섬유 필라가 각각 가로방향과 세로방향으로 배열되어 제조되며, 상기 제1섬유 필라 및 상기 제2섬유 필라는 각각 제3나노로드 및 제4나노로드를 포함하고, 상기 제3나노로드 및 제4나노로드가 서로 엉키어, 상기 제1섬유 필라 및 상기 제2섬유필라가 각각 가로방향과 세로방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 섬유 직물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1섬유필라는 단일의 섬유가닥인 섬유 필라멘트가 뭉쳐져 복수의 섬유가닥으로 제조된 것인 섬유 직물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 섬유 필라멘트는 섬유체 및 상기 섬유체의 표면에 위치하는 제5나노로드를 포함하는 섬유 직물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 섬유체의 두께와 상기 제5나노로드의 두께 비는 1:0.5~1.5인 것을 특징으로 하는 섬유 직물을 제공한다.
또한, 본 발명은 섬유체의 표면에 나노로드를 형성하여, 단일의 섬유가닥인 섬유 필라멘트를 제조하는 단계; 상기 섬유 필라멘트 복수개를 뭉쳐, 복수의 섬유가닥인 섬유 필라를 제조하는 단계; 상기 섬유 필라 복수개를 각각 가로방향과 세로방향으로 배열시켜 섬유 시트를 제조하는 단계; 및 상기 섬유 시트 복수개를 적층하여 섬유 직물을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 섬유체의 표면에 나노로드를 형성하는 것은, 상기 섬유체를 무전해 도금액에 침지하여, 상기 섬유체의 표면에 나노로드를 성장하는 것인 섬유 직물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 섬유체를 무전해 도금액에 침지하기 전에, 상기 섬유체를 촉매화하는 전처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 직물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 섬유는 탄소 섬유이고, 상기 나노로드는 산화아연 나노로드이며, 상기 전처리 단계는, 염화아연 또는 질산아연 용액에 상기 탄소 섬유를 침지하는 단계인 것을 특징으로 하는 섬유 직물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 복수의 섬유가닥인 섬유 필라를 제조하는 단계; 상기 섬유 필라 복수개를 각각 가로방향과 세로방향으로 배열시켜 섬유 시트를 제조하는 단계; 상기 섬유시트의 표면에 나노로드를 형성하는 단계; 및 상기 섬유 시트 복수개를 적층하여 섬유 직물을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 섬유시트의 표면에 나노로드를 형성하는 것은, 상기 섬유 시트를 무전해 도금액에 침지하여, 상기 섬유 시트의 표면에 나노로드를 성장하는 것인 섬유 직물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 섬유 시트를 무전해 도금액에 침지하기 전에, 상기 섬유 시트를 촉매화하는 전처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 직물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 섬유는 탄소 섬유이고, 상기 나노로드는 산화아연 나노로드이며, 상기 전처리 단계는, 염화아연 또는 질산아연 용액에 상기 탄소 섬유 시트를 침지하는 단계인 것을 특징으로 하는 섬유 직물의 제조방법을 제공한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 탄소섬유 보강 복합재료를 제조할 때, 표면에서 성장이 된 산화아연 나노로드가 수지와의 접촉 면적 및 밀착력을 향상시키고 크랙 전파를 방해하여, 탄소섬유 복합재의 기계적 계면강도를 향상시킬 수 있다.
도 1a는 일반적인 구조의 탄소 섬유 직물을 제조하는 공정을 도시한 개략적인 공정도이고, 도 1b는 일반적인 구조의 탄소 섬유 직물을 도시한 개략적인 단면도이며, 도 1c는 일반적인 구조의 탄소 섬유 직물에서의 탄소섬유 시트와 매트릭스 수지의 계면 분리를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 용어를 정의하기 위한 개략적인 도면이다.
도 3a는 본 발명에 따른 섬유 필라멘트를 도시한 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 섬유 필라멘트를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 섬유 필라를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 섬유 시트를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 섬유 직물을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 7은 전처리에 따른 산화아연 나노로드의 성장 거동을 도시한 실사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 탄소 섬유 상에 형성된 산화아연 나노로드의 성장을 도시한 실사진이다.
도 9는 탄소섬유 직물의 ILSS 값을 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 용어를 정의하기 위한 개략적인 도면이다.
도 3a는 본 발명에 따른 섬유 필라멘트를 도시한 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 섬유 필라멘트를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 섬유 필라를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 섬유 시트를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 섬유 직물을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 7은 전처리에 따른 산화아연 나노로드의 성장 거동을 도시한 실사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 탄소 섬유 상에 형성된 산화아연 나노로드의 성장을 도시한 실사진이다.
도 9는 탄소섬유 직물의 ILSS 값을 측정한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 용어를 정의하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 본 발명에서는 단일의 섬유 가닥을 섬유 필라멘트라고 정의하기로 한다.
다음으로, 상기 섬유 필라멘트가 수백개 내지 수만개가 뭉쳐져 구성된 복수의 섬유가닥을 섬유 필라로 정의하기로 한다. 이때, 상기 복수개의 섬유 필라멘트를 뭉쳐 상기 섬유 필라를 형성하기 위해, 섬유 필라멘트와 섬유 필라멘트의 사이에 매트릭스 수지(이하, "수지"라 함)가 함침될 수 있다.
이때, 상기 수지는 폴리아미드, 폴리에스테르, 공중합폴리에스테르, 염화비닐리덴, 염화비닐 또는 폴리우레탄일 수 있으며, 다만 본 발명에서 상기 수지의 종류를 제한하는 것은 아니다. 이하 동일하다.
다음으로, 상기 섬유 필라가 가로방향과 세로방향으로 배열되어 형성된 것을 섬유시트라고 정의하기로 한다. 이때, 상기 복수개의 섬유 필라를 배열하여, 상기 섬유 시트를 형성하기 위해, 섬유 필라와 섬유 필라 사이에 수지가 함침될 수 있다.
다음으로, 상기 섬유 시트가 복수개 적층되어 형성된 것을 섬유 직물이라고 정의하기로 한다. 이때, 상기 복수개의 섬유 시트를 적층하여 섬유 직물을 형성하기 위해, 섬유 시트와 섬유 시트의 사이에 수지가 함침될 수 있다.
한편, 본 발명에서 섬유 시트는 탄소 섬유 시트일 수 있으며, 이 경우, 상기 섬유 필라멘트는 탄소 섬유 필라멘트일 수 있고, 상기 섬유 필라는 탄소 섬유 필라일수 있으며, 상기 섬유 시트는 탄소 섬유 시트일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 섬유의 종류를 제한하는 것은 아니다.
도 3a는 본 발명에 따른 섬유 필라멘트를 도시한 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명에 따른 섬유 필라멘트를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 섬유 필라멘트는 섬유체(110) 및 상기 섬유체(110)의 표면에 위치하는 나노로드(120)를 포함할 수 있다.
상기 섬유체(110)는 단일의 탄소 섬유 가닥일 수 있으며, 상기 나노로드는 산화아연(ZnO) 나노로드인 것이 바람직하다.
이때, 본 발명에서 상기 나노로드는 무전해 도금법에 의해 성장하는 것을 특징으로 한다.
상기 무전해 도금법은 피막형성에 있어 공지된 도금법으로, 자기촉매에 의한 화학적 반응을 이용한 도금방법으로서 전기도금과는 달리 피도금 물체에 전기를 통하지 아니하여도 피막이 형성되며, 금속은 물론 플라스틱, 종이, 섬유, 세라믹 등 거의 모든 재료에 피막을 형성시킬 수 있다. 또한 복잡한 구조물 형재에도 피막을 형성시킬 수 있으며, 형성된 피막의 물성도 내식성, 내알칼리성, 내마모성, 납땜성, 밀착성, 내열성 등이 우수하여 자동차, 항공기, 일반기계, 전자부품, 화학플랜에 많이 응용되고 있다.
즉, 본 발명에서는 피막형성에 있어 공지된 무전해 도금법을 통하여, 상기 섬유체의 표면에 나노로드를 성장시킬 수 있으며, 구체적인 방법은 다음과 같다.
본 발명에 따른 섬유체의 표면에 나노로드를 형성하는 방법은, 상기 섬유체를 수세하는 제1수세단계를 포함한다.
상기 제1수세단계는 상기 섬유체, 즉, 탄소 섬유를 수산화나트륨 및 비이온계면활성제가 포함된 용액에서 침지 처리하여 불순물을 제거하는 단계일 수 있다.
다음으로, 상기 제1수세단계를 거친 상기 섬유체를 예민화(sensitizing)하는 제1전처리 단계를 포함한다.
상기 제1전처리 단계는 염화주석 및 강산의 혼합 용액에 상기 탄소 섬유를 침지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 상기 제1전처리 단계를 거친 상기 섬유체를 수세하는 제2수세단계를 포함한다.
상기 제2수세단계는 상기 섬유체, 즉, 탄소 섬유를 수산화나트륨 및 비이온계면활성제가 포함된 용액에서 침지 처리하여, 제1전처리 단계시의 용액을 제거하는 단계일 수 있다.
다음으로, 상기 제2수세단계를 거친 상기 섬유체를 활성화(activating)하는 제2전처리 단계를 포함한다.
상기 제2전처리 단계는 염화팔라듐 및 강산의 혼합 용액에 상기 탄소 섬유를 침지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 상기 제2전처리 단계를 거친 상기 섬유체를 수세하는 제3수세단계를 포함한다.
상기 제3수세단계는 상기 섬유체, 즉, 탄소 섬유를 수산화나트륨 및 비이온계면활성제가 포함된 용액에서 침지 처리하여, 제2전처리 단계시의 용액을 제거하는 단계일 수 있다.
다음으로, 제3수세단계를 거친 상기 섬유체를 촉매화(catalysting)하는 제3전처리 단계를 포함할 수 있다.
상기 촉매화는 피도금재인 탄소 섬유의 표면에 형성하기 위한 산화아연의 금속, 즉, 아연 함유 피막을 형성시킨 후에 무전해 도금 공정을 진행하는 것으로 이해될 수 있다.
따라서, 상기 제3전처리 단계는 탄소 섬유의 표면에 형성하기 위한 산화아연의 금속을 포함하는 염화아연 또는 질산아연 용액에 상기 탄소 섬유를 침지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 상기 제3전처리 단계를 거친 상기 섬유체를 수세하는 제4수세단계를 포함한다.
상기 제4수세단계는 상기 섬유체, 즉, 탄소 섬유를 수산화나트륨 및 비이온계면활성제가 포함된 용액에서 침지 처리하여, 제3전처리 단계시의 용액을 제거하는 단계일 수 있다.
이때, 본 발명에서 상기 제1수세단계 내지 상기 제4수세단계, 상기 제1전처리 단계 내지 상기 제3전처리 단계는 필요에 따라 생략이 가능하다.
다음으로, 제4수세단계를 거친 상기 섬유체를 무전해 도금액에 침지하여, 상기 섬유체의 표면에 나노로드를 성장시키는 나노로드 성장 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 나노로드는 산화아연(ZnO) 나노로드인 것이 바람직하다.
따라서, 상기 무전해 도금액의 주성분은 산화아연을 형성하기 위한 금속염인 아연염과 환원제이고, 보조성분으로 착화제를 포함할 수 있다.
상기 환원제는 글리옥실산, 차아인산, 차아인산 나트륨, 차아인산칼륨, 차아인산 암모늄, 디메틸아민보란(DMAB), 디에틸아민보란(DEAB), 수소화붕소나트륨, 히드라진, 포도당 중 적어도 어느 하나이상을 포함할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 환원제의 종류를 제한하는 것은 아니다.
상기 착화제는 EDTA, 트리에탄올 아민, 히드록시에틸에틸렌트리아세트산, 시클로헥산디아민테트라아세트산, 디에틸렌트리아민펜타아세트산, 테트라키스(2-히드록시프로필)에틸렌디아민구연산, 롯셀염(주석산칼륨나트륨염), 주석산, 사과산, QUADROL 및 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 착화제의 종류를 제한하는 것은 아니다.
이상과 같은 공정, 즉, 무전해 도금법에 의하여, 섬유체(110) 및 상기 섬유체(110)의 표면에 위치하는 산화아연 나노로드(120)를 포함하는 섬유 필라멘트를 제조할 수 있다.
이때, 상기 상기 나노로드의 직경은 10 ~ 500 nm 이며, 길이는 10 nm ~ 4 ㎛ 정도이다.
한편, 본 발명에서 상기 섬유체(110)의 두께(d1)와 상기 나노로드(120)의 두께(또는 길이)(d2) 비는 1:0.5~1.5인 것이 바람직하다.
상기 섬유체(110)의 두께(d1)와 상기 나노로드(120)의 두께(또는 길이)(d2) 비가 1:0.5 미만인 경우는 후술하는 섬유 시트와 섬유 시트 간의 접착 강도의 향상에 기여할 수 없는 문제점이 발생할 수 있으며, 상기 섬유체(110)의 두께(d1)와 상기 나노로드(120)의 두께(또는 길이)(d2) 비는 1:1.5인 경우에는 나노로드의 두께 또는 길이가 너무 커서 역시 섬유 시트와 섬유 시트 간의 접착 강도의 향상에 기여할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 섬유 필라를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상술한 도 3a 및 도 3b의 단일의 섬유 가닥인 섬유 필라멘트를 제조하고, 상기 섬유 필라멘트가 수백개 내지 수만개가 뭉쳐져 구성된 복수의 섬유가닥인 섬유 필라(200)를 제조한다.
즉, 제1섬유체(111) 및 상기 제1섬유체의 표면에 위치하는 제1나노로드(121)를 포함하는 제1섬유 필라멘트, 제2섬유체(112) 및 상기 제2섬유체의 표면에 위치하는 제2나노로드(122)를 포함하는 제2섬유 필라멘트, 제3섬유체(113) 및 상기 제3섬유체의 표면에 위치하는 제3나노로드(123)를 포함하는 제3섬유 필라멘트의 복수개의 섬유 필라멘트의 사이에 수지(131, 132)를 각각 함침시킴으로써, 복수의 섬유가닥인 섬유 필라(200)를 제조할 수 있다.
이때, 본 발명에서는 상기 복수개의 섬유 필라멘트가 수지(131, 132)에 함침됨에 있어서, 섬유 필라멘트 각각의 나노로드가 서로 엉키게 됨으로써, 각각의 섬유 필라멘트 간에 접착강도를 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 섬유 시트를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상술한 도 4의 섬유 필라를 가로방향과 세로방향으로 배열시킴으로써, 섬유 시트(300)를 제조할 수 있다.
한편, 상기 섬유 필라는 각각 나노로드를 포함하고 있기 때문에, 상기 섬유 필라가 배열되어 형성된 섬유시트도 그 표면 영역에는 나노로드(320)를 포함하게 된다.
다만, 도 5에서는 설명의 편의를 위하여, 섬유 시트 내면 영역(310)은 상세히 표현하지는 않았으나, 본 발명에서는 상기 섬유 시트의 내면 영역(310)에도 나노로드가 서로 엉키면서 섬유 필라가 가로방향과 세로방향으로 배열될 수 있다.
이때, 본 발명에서는 상기 섬유 시트(300)의 표면에 나노로드(320)를 포함하는 것이 바람직하다.
즉, 후술할 바와 같이, 복수개의 섬유 시트가 적층되어 형성된 것이 섬유 직물이고, 상기 섬유 직물에서의 각각의 섬유 시트와 수지층의 접착 강도를 향상시키는 것이 본 발명의 주요 목적이므로, 이를 달성하기 위하여, 상기 섬유 시트(300)의 표면에 나노로드(320)를 포함하는 것이 바람직하다.
따라서, 상술한 도 3a 및 도 3b에서는 단일의 탄소 섬유 가닥인 섬유 필라멘트 단계에서 나노로드를 형성하는 것을 설명하였으나, 이와는 달리, 섬유 필라멘트를 통해 섬유 필라를 형성하고, 섬유 필라를 배열하여 섬유 시트를 형성한 이후에, 상기 섬유 시트의 표면에 나노로드를 성장시키는 것도 가능하다.
즉, 상술한 도 3a 및 도 3b의 공정에서와 같이, 상기 섬유 시트를 무전해 도금액에 침지하여, 상기 섬유 시트의 표면에 나노로드를 형성하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 섬유 직물을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상술한 도 5의 섬유 시트(도 5의 도면부호 300)를 제조하고, 상기 섬유 시트를 복수개 적층하여 섬유 직물(400)을 제조할 수 있으며, 이때, 상기 섬유 시트(300)는 표면에 나노로드(320)를 포함한다.
즉, 제1섬유 시트체(311) 및 상기 제1섬유 시트체의 표면에 위치하는 제1나노로드(321)를 포함하는 제1섬유 시트, 제2섬유 시트체(312) 및 상기 제2섬유 시트체의 표면에 위치하는 제2나노로드(322)를 포함하는 제2섬유 시트, 제3섬유 시트체(313) 및 상기 제3섬유 시트체의 표면에 위치하는 제3나노로드(323)를 포함하는 제3섬유 시트를 적층하고, 복수개의 섬유 시트의 사이에 수지층(331, 332)을 각각 함침시킴으로써, 복수개의 섬유 시트를 포함하는 섬유 직물(400)을 제조할 수 있다.
이때, 본 발명에서는 상기 복수개의 섬유 시트가 수지(331, 332)에 함침됨에 있어서, 섬유 시트 각각의 나노로드(321, 322, 323)가 서로 엉키게 됨으로써, 각각의 섬유 시트 간에 접착강도를 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명에서는 섬유 시트의 표면에 각각 나노로드를 포함함으로써, 상기 섬유 직물에서의 각각의 섬유 시트와 수지층의 접착 강도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 일반적인 탄소 섬유 직물에서는 탄소섬유 시트와 매트릭스 수지의 접착 강도가 불충분하여, 탄소섬유 시트와 매트릭스 수지 사이의 계면에서 분리가 일어나게 되나, 본 발명에서는 섬유 시트의 표면의 나노로드가 서로 엉키면서, 탄소섬유 시트와 매트릭스 수지의 접착 강도를 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 설명하기로 하며, 다만, 본 발명에서 상기 실험예에 제한되는 것은 아니다.
도 7은 전처리에 따른 산화아연 나노로드의 성장 거동을 도시한 실사진이다. 이때, 도 7에서의 (가)는 제2전처리 공정만을 실시한 실험예이고, (나)는 제1전처리 공정 및 제2전처리 공정을 실시한 실험예이며, (다)는 제1전처리공정 내지 제3전처리 공정을 실시한 실험예이다.
도 7을 참조하면, 일반적인 전처리 공정인 (나)의 경우보다, 섬유체를 촉매화(catalysting)하는 제3전처리 단계를 포함하는 (다)의 경우가 산화아연 나노로드가 균일하게 성장하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전처리 공정에 있어서, 섬유체를 촉매화(catalysting)하는 제3전처리 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명에 따른 탄소 섬유 상에 형성된 산화아연 나노로드의 성장을 도시한 실사진이다.
도 8을 참조하면, 도금 용액의 유속 및 환원제의 농도 등을 최적화 하여, 탄소섬유를 무전해 도금액에 침지하여 다양한 크기의 산화아연 나노로드를 성장시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 탄소 섬유의 물성 평가를 설명하기로 한다.
먼저, 탄소섬유 상에 ZnO 나노로드를 성장시킨 경우(이하, "나노로드 탄소섬유"라 함)와 성장시키지 않은 경우(이하, "무처리의 탄소섬유"라 함)의 전기전도도를 비교하였다.
전기전도도 측정은 슬라이드 글라스위에 Ag paste로 2cm 간격의 전극을 형성한 뒤, 탄소섬유를 1, 10, 20 가닥을 붙이고, 전기저항을 측정한 뒤, 그때의 기울기로부터 전기전도도를 계산하였다.
무처리의 탄소섬유(Toray T-300)의 전기전도도는 4.46 Х 104 S/m 로 측정이 되었고, Toray 사의 technical data sheet에서는 5.8 Х 104 S/m 소개되어 있는 것으로 상기 측정방법에 오류가 없음을 확인할 수 있었다.
또한, 나노로드 탄소섬유의 전기전도도는 6.41 Х 104 S/m으로 전기전도도가 향상됨을 확인할 수 있었다.
한편 무전해 도금의 경우, 도금 용액이 탄소 섬유 전체에 균일하게 침투하여 반응이 일어나 균일하게 막이 형성되었기 때문에 전기전도도를 크게 향상시킬 수 있으며, 한편, 전기도금의 경우, 전류밀도의 분포가 탄소섬유의 안쪽까지 균일하게 분포하기 어려워 도금 층이 균일한 막이 아니라 island 형태로 성장이 됨으로써 전도도가 낮은 경향이 있었다.
도 9는 탄소섬유 직물의 ILSS 값을 측정한 그래프이다.
즉, 탄소섬유 상에 ZnO 나노로드를 성장시킨 경우(이하, "나노로드 탄소섬유"라 함)와 성장시키지 않은 경우(이하, "무처리의 탄소섬유"라 함)의 ILSS값을 비교하였다.
무처리의 탄소섬유의 경우, ILSS 값이 약 43MPa인데 반해, 나노로드 탄소섬유의 경우, ILSS 값이 약 80MPa로 크게 향상됨을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 탄소섬유 보강 복합재료를 제조할 때, 표면에서 성장이 된 산화아연 나노로드가 수지와의 접촉 면적 및 밀착력을 향상시키고 크랙 전파를 방해하여, 탄소섬유 복합재의 기계적 계면강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 산화아연 나노로드를 형성함으로써, 전기 전도성을 향상시킴으로써, 복합재료 제조시에 전기 전도성이 향상될 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110, 111, 112, 113 : 섬유체
120, 121, 122, 123, 320 : 나노로드
131, 132, 331, 332 : 수지
300 : 섬유 시트 300 : 섬유 직물
120, 121, 122, 123, 320 : 나노로드
131, 132, 331, 332 : 수지
300 : 섬유 시트 300 : 섬유 직물
Claims (12)
- 제1섬유 시트체 및 상기 제1섬유 시트체의 표면에 위치하는 제1나노로드를 포함하는 제1섬유 시트;
제2섬유 시트체 및 상기 제2섬유 시트체의 표면에 위치하는 제2나노로드를 포함하는 제2섬유 시트; 및
상기 제1섬유 시트 및 상기 제2섬유 시트 사이에 함침된 수지층을 포함하고,
상기 제1나노로드 및 상기 제2나노로드는 서로 엉키어 배치되며,
상기 제1섬유 시트는 제1섬유 필라 및 제2섬유 필라가 각각 가로방향과 세로방향으로 배열되어 제조되고,
상기 제1섬유필라는 단일의 섬유가닥인 섬유 필라멘트가 뭉쳐져 복수의 섬유가닥으로 제조되며,
상기 섬유 필라멘트는 섬유체 및 상기 섬유체의 표면에 위치하는 제5나노로드를 포함하고,
상기 섬유체의 두께와 상기 제5나노로드의 두께 비는 1:0.5~1.5인 섬유 직물. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1섬유 필라 및 상기 제2섬유 필라는 각각 제3나노로드 및 제4나노로드를 포함하고, 상기 제3나노로드 및 제4나노로드가 서로 엉키어, 상기 제1섬유 필라 및 상기 제2섬유필라가 각각 가로방향과 세로방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 섬유 직물. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 섬유는 탄소 섬유이고, 상기 나노로드는 산화아연 나노로드인 것을 특징으로 하는 섬유 직물. - 섬유체의 표면에 나노로드를 형성하여, 단일의 섬유가닥인 섬유 필라멘트를 제조하는 단계;
상기 섬유 필라멘트 복수개를 뭉쳐, 복수의 섬유가닥인 섬유 필라를 제조하는 단계;
상기 섬유 필라 복수개를 각각 가로방향과 세로방향으로 배열시켜 섬유 시트를 제조하는 단계; 및
상기 섬유 시트 복수개를 적층하여 섬유 직물을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 섬유체의 표면에 나노로드를 형성하는 것은, 상기 섬유체를 무전해 도금액에 침지하여, 상기 섬유체의 표면에 나노로드를 성장하는 것인 섬유 직물의 제조방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 섬유체를 무전해 도금액에 침지하기 전에, 상기 섬유체를 촉매화하는 전처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 직물의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 섬유는 탄소 섬유이고, 상기 나노로드는 산화아연 나노로드이며,
상기 전처리 단계는, 염화아연 또는 질산아연 용액에 상기 탄소 섬유를 침지하는 단계인 것을 특징으로 하는 섬유 직물의 제조방법. - 복수의 섬유가닥인 섬유 필라를 제조하는 단계;
상기 섬유 필라 복수개를 각각 가로방향과 세로방향으로 배열시켜 섬유 시트를 제조하는 단계;
상기 섬유시트의 표면에 나노로드를 형성하는 단계; 및
상기 섬유 시트 복수개를 적층하여 섬유 직물을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 섬유시트의 표면에 나노로드를 형성하는 것은, 상기 섬유 시트를 무전해 도금액에 침지하여, 상기 섬유 시트의 표면에 나노로드를 성장하는 것인 섬유 직물의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 섬유 시트를 무전해 도금액에 침지하기 전에, 상기 섬유 시트를 촉매화하는 전처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 직물의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 섬유는 탄소 섬유이고, 상기 나노로드는 산화아연 나노로드이며,
상기 전처리 단계는, 염화아연 또는 질산아연 용액에 상기 탄소 섬유 시트를 침지하는 단계인 것을 특징으로 하는 섬유 직물의 제조방법.
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