KR101574059B1 - 탄소나노튜브가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체와 이를 이용한 복합재료 및 이들의 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체와 이를 이용한 복합재료 및 이들의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 포함하는 에폭시 프리프레그에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에폭시 프리프레그를 에칭시키는 에칭액을 함유하는 탄소나노튜브 분산액을 에폭시 프리프레그에 분사하여 탄소나노튜브를 균일하게 코팅된 에폭시 프리프레그와 이의 제조방법 및 이를 이용한 복합재료에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 포함하는 에폭시 프리프레그를 이용한 복합재료는 우수한 기계적 물성 및 전기전도성을 구현할 수 있어, 산업계 전반에 두루 적용이 가능할 것으로 기대된다.

Description

탄소나노튜브가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체와 이를 이용한 복합재료 및 이들의 제조방법{Epoxy prepreg composite coated with carbon nano tube, composite material using same and method for producing each}
본 발명은 탄소나노튜브를 포함하는 에폭시 프리프레그 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적인 물성이 강화되고, 전기전도성, 내열성이 우수한 에폭시 프리프레그 복합체와 이를 이용한 복합재료 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
프리프레그는 비경화된 또는 부분적으로 경화된 수지 매트릭스로 함침시킨 섬유 보강물로써, 자동차산업, 항공산업, 우주산업, 국방산업, 건축업, 조선업, 전자산업, 스포츠산업 및 기타 제조업에 다양한 용도로 사용된다. 예를 들면, 자동차, 항공, 우주산업 및 조선업에서는 경량성과 강도를 충족시키는 내외장재로, 건축업에서는 욕조, 바닥재, 벽재, 천장재 등의 건축 내외장재 및 상하수도관, 보수재 등의 구조재로, 전자산업에서는 기판소재, 패키징 소재등의 절연체 및 구조재로, 스포츠산업에서는 낚시, 골프 등의 용품 자재로 사용되며, 최근, 노트북, 휴대전화, 휴대정보단말이나 디지털 카메라와 같은 전기/전자기기, 정보기기 등의 사용이 확대되면서 이러한 제품에 사용되는 소재들의 전기전도성이 점차 중요하게 대두되어 지고 있다.
한편 탄소나노튜브는 우수한 기계적, 전기적, 열적, 화학적, 양자적 성질을 지닌 소재로써 고성능/고기능성 소재분야에 활용되고 있다.
그러나, 탄소나노튜브는 반데르발스의 힘(Van der Waals force)에 의한 강한 응집성 때문에, 균일하게 분산 및 배열시키기 어려운 특성이 있었으며, 이와 같은 탄소나노튜브는 응집성에 의해 탄소나노튜브와 기지 재료 간의 계면 강도의 약화 또는 기지 재료의 기계적 특성이 저하되는 단점을 해결하지 못하고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제10-0558966호로 분자수준 혼합공정이 개시된 바 있다. 이때 사용된 혼합공정은 고 에너지 밀링 공정으로 탄소나노튜브를 기지 내에 균질분산하기 위해서는 장시간 동안 높은 에너지를 주입해야 하며, 이 과정에서 탄소나노튜브가 파괴되거나 또는 비결정 탄소의 생성에 의한 결정성이 크게 훼손되는 문제점이 있었다.
또한 대한민국 공개특허 제2013-0122229호에는 탄소나노튜브를 함유하는 프리프레그의 제조방법이 개시된 바 있다. 이때 사용된 프리프레그의 제조방법은 탄소나노튜브를 함유하는 실리카층 및 상기 실리카층 상에 코팅되는 고분자 수지층을 구비함으로써 프리프레그를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이때 사용된 제조방법은 상기 탄소나노튜브 분산액과 실리카졸의 혼합액을 제조하고, 혼합액에 직물을 함침하여 제 1함침체를 만들고, 이를 고분자 수지용액에 함침하여 건조시키는 단계를 포함하며, 실리카층과 고분자 수지층의 화학적 결합을 형성하게 하는 실란 커플링제를 더 포함하여야 하며, 상기 제조방법의 경우 제조시간이 길고, 공정에 따른 번거로움으로 인해 대량 생산에는 한계가 있다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 극복하고자, 탄소나노튜브를 에폭시 프리프레그를 용해시킬 수 있는 에칭 용매에 분산한 탄소나노튜브 분산액을 에폭시 프리프레그 표면에 고압 분사함으로써, 탄소나노튜브를 에칭 및 코팅하여 탄소나노튜브가 균일하게 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체와 이의 제조방법 및 이를 이용하여 기계적 물성 및 전기전도성이 이 우수한 복합재료와 이의 제조방법을 제공하고자 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허 제10-0558966호 대한민국 공개특허 제2013-0122229호
본 발명은 균일하게 탄소나노튜브가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브를 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체를 이용하여 기계적인 물성이 강화되고, 전기전도성, 내열성이 우수한 복합재료와 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 해결 수단에 의하여 구현된다.
본 발명은 탄소나노튜브를 에폭시 프리프레그를 용해시킬 수 있는 에칭 용매에 분산한 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 분산액을 에폭시 프리프레그에 고압 분사하여 탄소나노튜브를 에칭 및 코팅시키는 단계; 및 상기 에폭시 프리프레그에 탄소나노튜브가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체를 건조하는 단계; 를 포함하는 에폭시 프리프레그 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 에칭 용매는 아세톤, 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸피롤리돈(NMP) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여, 에칭 용매를 10 내지 100 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 코팅은 스프레이 코팅 방법을 사용하고, 코팅을 실시하는 분사 압력과 온도는 3 내지 5kgf/㎠ 와 10 내지 30℃로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 에폭시 프리프레그는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 테트라브로모 비스페놀 A형 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지 또는 이들의 혼합된 수지를 포함 할 수 있다.
본 발명은 상기 기재된 프리프레그의 제조방법에 의해 제조되는 탄소나노튜브가 표면에 고정된 에폭시 프리프레그 복합체를 제공한다.
본 발명은 상기 기재된 제조방법으로 제조된 에폭시 프리프레그 복합체를 둘 이상의 층으로 적층하고 가열 경화하는 단계를 더 포함하는 복합재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 쉽고 간편하게 에폭시 프리프레그를 용해시킬 수 있는 에칭 용매에 분산한 탄소나노튜브 분산액을 에폭시 프리프레그에 고압 분사함으로써, 탄소나노튜브를 에칭 및 코팅하여 탄소나노튜브가 균일하게 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한 균일하게 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체를 이용하여 제조되는 복합재료는 우수한 전기전도성 및 내열성을 가지며, 강성, 인장강도, 압축강도 및 굴곡강도를 강화시킬 수 있다는 장점을 가지며, 활성이 다한 에폭시 프리프레그를 이용할 경우에도 높은 기계적 물성을 구현할 수 있다는 장점을 가진다.
따라서 본 발명에 따른 에폭시 프리프레그 복합체를 이용한다면 전기전도성과 기계적 물성이 향상된 복합재료를 간단하면서도 경제적으로 제조가 가능하여 산업계 전반에 두루 적용이 가능할 것으로 기대된다.
도1은 (a) 활성이 다한 에폭시 프리프레그와 (b) 탄소나노튜브가 균일하게 고정된 에폭시 프리프레그 복합체의 모습이며,
도2는 아세톤에 의하여 에폭시 프리프레그 표면이 에칭된 모습과 탄소나노튜브가 고정된 에폭시 프리프레그 복합체의 표면의 모습이며,
도3은 탄소나노튜브가 고정된 에폭시 프리프레그 복합체 표면의 FE-SEM 결과이며,
도4는 에폭시 프리프레그 복합체를 이용하여 제조된 복합재료의 굴곡물성 확인 결과이다.
본 출원인은 이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어를 하기와 같이 정의한다.
본 발명에서는 에폭시 수지가 포함되어 있으며, 무처리된 프리프레그를 이하 “에폭시 프리프레그”라 칭하며, 상기 에폭시 프리프레그에 본 발명에 따른 제조방법으로 탄소나노튜브가 포함된 프리프레그를 이하“에폭시 프리프레그 복합체”라 칭한다.
또한 상기 에폭시 프리프레그 복합체를 둘 이상의 층으로 적층하고 경화하여 제조되는 성형체를 이하 “복합재료”라 칭한다.
“에칭”은 에폭시 프리프레그의 표면을 용해시키고, 이를 다시 고화시켜 에폭시 프리프레그에 결착하여 코팅되는 것을 의미한다.
“안정한 분산액”은 균일한 분산을 통해 응집 또는 침전이 발생되지 않은 상태의 분산액을 의미한다.
“표면의 활성”은 다른 물질의 화학적 흡착 또는 다른 물질의 가역적 및 비가역적 물리적 흡착을 위해 조절될 수 있는 표면의 특성을 의미한다.
“활성이 다한 에폭시 프리프레그”는 섬유와 에폭시 수지가 혼합된 반 경화상태의 에폭시 수지로써 시간이 지남에 따라 에폭시 수지의 반응기들이 활성이 감소되어 반응성을 잃은 에폭시 프리프레그를 의미한다.
프리프레그는 섬유로 형성된 직물로 이루어져 있으며, 직물을 형성하는 섬유는 당분야에서 프리프레그에 사용되는 섬유라면 특별한 제한이 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소섬유, 붕소 섬유, 금속 섬유, 천연 섬유, 광물 섬유 또는 이들이 혼합된 섬유를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 유리 섬유를 사용할 수 있다. 상기 섬유로 형성되는 직물은 다양한 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어 직조물, 편직물과 같이 일정한 규칙으로 제조되는 직물이거나, 부직포와 같이 일정한 규칙 없이 생성되는 직물일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 탄소나노튜브는 구형 형상이 아닌 튜브 형상으로 서로 네트웍을 구성하고 있기 때문에 분진 가능성이 적으며, 내구성이 우수한 특징을 가진다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 또는 이들의 조합일 수 있으며, 기계적 특성이 우수하고 내구성이 좋은 다중벽 탄소나노튜브가 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.
이하에, 본 발명에 따른 프리프레그의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
탄소나노튜브를 에폭시 프리프레그를 용해시킬 수 있는 에칭 용매에 분산한 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계; 상기 탄소나노튜브 분산액을 에폭시 프리프레그에 고압 분사하여 탄소나노튜브를 에칭 및 코팅시키는 단계; 및 상기 에폭시 프리프레그에 탄소나노튜브가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체를 건조하는 단계; 를 포함하는 프리프레그 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 에폭시 프리프레그를 용해시킬 수 있는 에칭 용매에 분산한 탄소나노튜브 분산액을 에폭시 프리프레그에 고압 분사하여 탄소나노튜브를 에칭 및 코팅함으로써, 쉽고 간편하게 탄소나노튜브의 균일한 결착을 이룰 수 있다. 또한 에폭시 프리프레그에 탄소나노튜브를 코팅시키기 위한 결착제 또는 코팅제의 첨가 없이도 견고한 결착을 이룰 수 있어 경제적인 공정을 제공 할 수 있다.
본 발명에 따른 에폭시 프리프레그 복합체의 제조방법을 사용하여 탄소나노튜브가 포함된 에폭시 프리프레그 복합체를 제조할 경우, 쉽고 간편한 공정을 제공할 수 있어, 저비용으로 양산성이 우수한 공정을 실현 시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 에폭시 프리프레그 복합체의 제조방법을 이용함으로써, 활성이 다한 에폭시 프리프레그를 재활용할 수 있다. 일반적으로 복합재료로 용이하게 사용하기 위해 제조되는 에폭시 프리프레그는 반 경화상태로 존재하며, 이는 시간이 지남에 따라 에폭시 수지의 반응기들의 활성이 감소하게 된다. 이에 상기 에폭시 프리프레그의 경우 12개월 정도의 유통기한이 존재하며, 이 기간이 경과될 경우 에폭시 프리프레그의 기계적인 물성이 초기값 대비 급격히 떨어져 폐기해야한다. 그러나 본 발명에 따른 에폭시 프리프레그 복합체의 제조방법으로 활성이 다한 에폭시 프리프레그를 이용하여 기계적인 물성을 높여줌과 동시에 전기전도도 및 내열성을 가지는 에폭시 프리프레그 복합체를 제조할 경우, 다시 사용가능하도록 함으로써, 경제적인 이점을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 및 에칭 용매를 포함하며, 이때 사용되는 에칭 용매는 탄소나노튜브의 분산에도움을 주면서 상기 에폭시 프리프레그에 함유되어 있는 에폭시 수지를 용해할 수 있는 용액 일 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 에폭시 프리프레그를 용해시킬 수 있는 에칭 용매에 분산한 탄소나노튜브 분산액을 준비하는 단계에 대하여 설명한다.
상기 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 및 에칭 용매를 포함하며, 추가적분산 용매를 더 포함 할 수 있다. 이때, 상기 분산 용매는 탄소나노튜브의 균일한 분산 및 에폭시 프리프레그의 에칭 효과를 극대화하기 위해 사용 될 수 있다.
따라서, 상기 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여, 에칭용매를 10 내지 100 중량부로 포함할 수 있으며, 상기 에칭 용매가 10 중량부 미만이면, 에폭시 프리프레그 표면의 에칭을 야기시킬 수 없으며, 100 중량부 초과이면 에폭시 수지의 흘러내림이 발생 때문에 바람직하지 않다.
또한 상기 탄소나노튜브 분산액에 추가적으로 분산 용매가 사용될 수 있으며, 상기 분산 용매는 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여, 10 내지 100 중량부로 더 포함될 수 있다. 이때, 추가적으로 포함되는 분산 용매가 10 중량부 미만이면, 탄소나노튜브의 응집으로 균일한 분산이 어려우며, 100 중량부 초과이면, 분사 후 휘발되는 공정 시간이 길어져 프리프레그의 성능을 저하시킬 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 상기 에칭 용매는 아세톤, 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸피롤리돈(NMP) 또는 이들의 혼합물과 같은 에폭시 수지를 용해할 수 있는 용매일 수 있으며, 바람직하게는 용매의 휘발성이 높은 아세톤 일 수 있다.
또한 상기 탄소나노튜브 분산액은 균일하게 분산하기 위한 방법으로, 추가적으로 분산제를 첨가하는 화학적 분산, 기기적인 물리적 분산 또는 이들의 혼합된 분산 방법을 이용할 수 있으며, 이로써 응집 또는 침전이 발생되지 않은 안정한 분산액을 이룰 수 있다. 상기 화학적 분산 방법은 탄소나노튜브의 도전성에는 영향을 미치지 않고 단지 탄소나노튜브의 분산을 도와주는 역할을 하는 분산제를 사용하여, 분산매 상에서 탄소나노튜브의 균일한 분산 및 응집을 방지하기 위해 사용되며, 구체적인 예로는 소듐 도데실 설페이트(SDS), 트리톤 X(Triton X)(Sigma사), Tween20(Polyoxyethyelene Sorbitan Monooleate), CTAB(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide),PVP(Polyvinylpyrrolidone)또는 이들의 혼합물 일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 물리적 분산 방법으로는 초음파 분산 방법이 널리 사용되는바, 사용되는 초음파로는 장파장 또는 단파장의 초음파가 모두 사용될 수 있으나, 장파장의 경우 진폭이 너무 작아 큰 에너지를 내기가 어려운 단점이 있으므로, 단파장이면서도 진폭이 큰 프로브 타입 초음파(probe type ultrasonic)를 사용하는 것이 바람직하며, 초음파 분산의 온도 및 시간은 특별히 한정되지는 않으나, 15~50℃에서 30~90 분 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 이러한 두 가지 방법을 병행하여 사용하는 것도 가능하다.
다음으로, 본 발명에 따른 상기 탄소나노튜브 분산액을 에폭시 프리프레그에 고압 분사하여 탄소나노튜브를 에칭 및 코팅시키는 단계에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 상기 에칭 용매를 함유하는 탄소나노튜브 분산액을 에폭시 프리프레그에 고압 분사함으로써, 에폭시 프리프레그의 표면을 에칭시킬 수 있으며, 상기 에칭된 에폭시 프리프레그 표면의 활성을 높일 수 있다. 이때의 활성은 상기 에폭시 프리프레그에 다른 물질의 화학적 흡착 또는 물리적 흡착이 증가된 표면 활성을 의미하며, 상기 에칭된 에폭시 프리프레그에 탄소나노튜브는 우수한 부착성 또는 결착력을 가질 수 있다.
상기 에칭 용매는 상기 에폭시 프리프레그에 포함된 에폭시 수지를 용해시키고, 이를 다시 고화시켜 에폭시 프리프레그에 결착하여 코팅되는 것을 특징으로 하며, 상기 에폭시 수지를 용해 할 수 있는 용매로, 에칭 용매는 아세톤, 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸피롤리돈(NMP) 또는 이들의 혼합물과 같은 에폭시 수지를 용해할 수 있는 용매일 수 있으며, 바람직하게는 용매의 휘발성이 높은 아세톤 일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 상기 탄소나노튜브 분산액은 에폭시 프리프레그에 고압 분사됨으로써, 탄소나노튜브를 에칭 및 견고한 코팅을 이룰 수 있다. 이때, 탄소나노튜브는 에폭시 프리프레그 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 10 중량부로 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브가 에폭시 프리프레그 100 중량부에 대하여, 0.01 중량부 미만이면, 전기전도성의 효과가 미미하며, 10 중량부 초과이면, 탄소나노튜브 사이의 응집현상으로 인해 분산이 어려워 바람직하지 않다. 이때, 전기전도성을 극대화하기 위한 방법으로 상기 탄소나노튜브 분산액을 복수회 수행함으로써 탄소나노튜브의 함량을 증량하여 코팅할 수도 있다.
상기 에폭시 프리프레그는 상기 에칭 용매를 이용한 스프레이 코팅에 따른 표면의 에칭이 발생될 수 있으며, 에폭시 프리프레그에 포함되는 에폭시 수지의 구체적인 예로는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 테트라브로모 비스페놀 A형 에폭시 수지 등의 비스페놀형 에폭시 수지와 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지 등의 노볼락형 에폭시 수지 또는 이들의 혼합된 수지일 수 있으며, 바람직하게는 비스페놀 A 형 에폭시 수지일 수 있다. 이때, 상기 에폭시 수지를 포함하는 프리프레그는 경화제를 사용하여 경화반응을 진행시킴으로써 얻어 질 수 있으며, 상기 경화반응을 일으킬 수 있는 경화제는 에폭시기와 반응할 수 있는 활성기를 갖는 화합물이면 제한되지 않는다. 구체적인 예로는, 아민계 경화제로서 에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라민, 헥사메틸렌디아민, m-크실릴렌디아민과 같은 지방족 아민류, 메타페닐렌디아민, 디아미노디페닐메탄, 디아미노디에틸디페닐메탄, 디아미노디에틸디페닐술폰 등의 방향족 아민류, 벤질디메틸아민, 테트라메틸구아니딘, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀 등의 제3 아민류, 또한 디시안디아미드와 같은 염기성 활성 수소 화합물이나, 아디프산 디히드라지드 등의 유기산 디히드라지드, 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸 등의 이미다졸류와 산 무수물계 경화제로서 폴리아디프산 무수물, 폴리(에틸옥타데칸디오산)무수물, 폴리세박산 무수물 등의 지방족 산 무수물, 메틸테트라히드로 무수 프탈산, 헥사히드로 무수 프탈산, 메틸시클로헥센디카르복실산 무수물 등의 지환식 산 무수물, 무수 프탈산, 무수 트리메트산, 무수 피로멜리트산, 글리세롤트리스트리멜리테이트 등의 방향족 산 무수물, 무수 헤트산, 테트라브로모 무수 프탈산 등의 할로겐계 산 무수물 및 이들의 혼합물에서 선택되는 하나 이상의 경화제일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 코팅은 스프레이 코팅, 그라비아 코팅, 슬롯다이 코팅, 딥코팅, 바코팅, 롤투롤 코팅일 수 있으며, 이에 한정되지는 않으나 바람직하게는 대면적이 균일하게 코팅될 수 있는 스프레이 코팅 방법을 활용할 수 있다. 이때, 코팅을 실시하는 분사 압력과 온도는 3 내지 5 kgf/㎠ 와 10 내지 30 ℃ 로 조절될 수 있다. 상기 스프레이 코팅 방법에 있어, 분사 압력이 3 kgf/㎠이하일 경우, 분사 압이 낮아 프리프레그의 표면에 나노입자의 흡착이 용이하게 발생되지 않을 가능성이 있으며, 5kgf/㎠ 초과일 경우, 프리프레그를 구성하는 섬유의 배열에 영향을 주기 때문에 바람직하지 않으며, 코팅을 실시하는 온도가 10 ℃ 미만일 경우, 화학적 반응에 대한 활성이 낮아지는 문제가 존재하며, 에칭 용매가 휘발되는 시간이 길어져 탄소나노튜브의 부착력과 결착력을 확보하기 어려우며, 30 ℃ 초과일 경우, 에칭 용매가 너무 빨리 휘발되어 에폭시 프리프레그의 표면을 에칭시킬 수 없으며, 이로 인해 탄소나노튜브의 견고한 결착을 이루기가 어려우므로 바람직하지 않다. 또한 섬유의 배열 및 에폭시 수지의 흘러내림이 발생되기 때문에 문제가 될 수 있다.
또한 상기 에폭시 프리프레그에 코팅되는 탄소나노튜브는 상기 탄소나노튜브 분산액의 조성비에 따라 조절될 수 있으며, 코팅되는 횟수에 의해서도 상기 에폭시 프리프레그에 코팅되는 탄소나노튜브의 함량은 조절 될 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 에폭시 프리프레그에 탄소나노튜브가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체를 건조하는 단계를 통하여, 잔존하는 에칭 용매를 제거 할 수 있다. 상기 건조 단계는 50 내지 100 ℃에서 30분 내지 120분 동안 수행될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상기 기재된 제조방법에 의해 제조된 에폭시 프리프레그 복합체를 제공하며, 이는 일정한 함량의 탄소나노튜브가 첨가되었는 바, 기계적 물성인 강성, 인장강도, 압축강도 및 굴곡강도를 강화시킬 수 있으며, 우수한 전기전도성을 가진다.
본 발명은 상기 기재된 제조방법으로 제조된 에폭시 프리프레그 복합체를 둘 이상의 층으로 적층시키고, 열과 압력을 부여하면서, 가열 경화시킬 수 있다. 이러한 가열 경화 방법에는 프레스 성형법, 오토클레이브 성형법, 버깅 성형법, 랩핑 테이프법 및 내압 성형법 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 탄소나노튜브가 에폭시 프리프레그 에칭 표면에 고정된 에폭시 프리프레그 복합체를 둘 이상의 층으로 적층하고 경화하여 제조되는 복합재료를 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
CNT가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체의 제조
CNT(CM95, 한화나노텍) 1.0g을 아세톤 100.0g에 첨가 시키고, 1시간 동안 초음파 분산하여 균일하게 분산된 탄소나노튜브 분산액을 준비하였다. 50cm*50cm 크기의 에폭시 프리프레그에 균일하게 분산된 탄소나노튜브 분산액을 5kgf/㎠의 압력, 상온 조건에서 30초간 스프레이 분사과정을 통하여 에폭시 프리프레그를 에칭시킴으로써, 탄소나노튜브를 에폭시 프리프레그 표면에 코팅 고정 시켰다. 탄소나노튜브가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체는 80도 오븐에서 1시간동안 건조시킴으로써, 잔존할 수 있는 아세톤을 제거 하였다.
활성이 다한 에폭시 프리프레그를 이용하여 CNT가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체 제조
실시예1에서 사용된 에폭시 프리프레그 대신, 활성이 다한 에폭시 프리프레그를 사용하는 것을 제외하고 (실시예1)과 동일하게 실시하였다.
복합재료 제조
실시예1에서 제조된 에폭시 프리프레그 복합체를 8층으로 적층하고 열압착기를 이용하여 진공분위기 하에서 10 psi의 압력으로 120℃에서 3 시간 동안 경화시켜 복합재료를 제조하였으며, 제조된 복합재료에 대해서 하기와 같은 물성을 평가하였다.
1. 인장강도
실시예3 으로부터 제조된 복합재료에 대해서, 로이드 UTM을 이용하여 ASTM D638 규격에 의거하여 인장강도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
2. 압축강도
실시예3 으로부터 제조된 복합재료에 대해서, 로이드 UTM을 이용하여 ASTM D695 규격에 의거하여 인장강도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
2. 굴곡강도
실시예3 으로부터 제조된 복합재료에 대해서, 로이드 UTM을 이용하여 ASTM D790 규격에 의거하여 인장강도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
3. 계면강도
실시예3 으로부터 제조된 복합재료에 대해서, 로이드 UTM을 이용하여 ASTM D2344 규격에 의거하여 인장강도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
4. 전기전도도
제조된 복합체로 10cm×10cm 시편을 제작한 후 4-point probe 표면저항 측정기(표면저항측정기, 다솔이엔지)로 표면저항을 측정하고 평균값을 이용하여 전기저항 분석 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
활성이 다한 에폭시 프리프레그를 이용하여 제조되는 CNT가 코팅된 에폭시 프리프레그 복합체를 이용하여 복합재료 제조
실시예1에서 제조된 에폭시 프리프레그 복합체 대신, 실시예2를 사용하는 것을 제외하고 (실시예3)과 동일하게 복합재료를 제조하였다.
(비교예1)
CNT가 코팅되지 않은 에폭시 프리프레그를 이용하여 복합재료 제조
실시예1에서 제조된 에폭시 프리프레그 복합체 대신, CNT가 코팅되지 않은 에폭시 프리프레그를 사용하는 것을 제외하고 (실시예3)과 동일하게 복합재료를 제조하였다.
(비교예2)
CNT가 코팅되지 않은 활성이 다한 에폭시 프리프레그를 이용하여 복합재료 제조
실시예1에서 제조된 에폭시 프리프레그 복합체 대신, CNT가 코팅되지 않은 활성이 다한 에폭시 프리프레그를 사용하는 것을 제외하고 (실시예3)과 동일하게 복합재료를 제조하였다.
인장강도
[kgf/㎟]		 굴곡강도
(MPa)		 계면강도
(단위)		 전기전도도
(㏀/sq)
실시예1 500 800 44 200
실시예2 400 500 24 1000
비교예1 420 500 32 -
비교예2 260 300 15 -
그 결과, 본 발명에 따른 에폭시 프리프레그 복합체를 이용하여 복합재료를 제조할 경우 인장강도, 굴곡강도 및 계면강도와 같은 기계적인 강도가 증가됨을 확인할 수 있었으며, 우수한 전기전도도를 확인할 수 있었다(표1 참조).
또한 활성이 다한 에폭시 프리프레그를 사용하여 복합재료를 제조할 경우에도 기계적 물성 및 전기전도성을 높임으로써, 복합재료의 재활용이 가능할 수 있음을 확인하였다.

Claims (7)

  1. 탄소나노튜브를 에폭시 프리프레그를 용해시킬 수 있는 에칭 용매에 분산한 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계,
    상기 탄소나노튜브 분산액을 에폭시 프리프레그에 고압 분사하여 상기 에폭시 프리프레그 표면을 용해시켜 애칭하고 이를 다시 고화시켜 탄소나노튜브를 에폭시 프리프레그 표면에 결착시키는 단계 및
    상기 에폭시 프리프레그에 탄소나노튜브가 결착된 에폭시 프리프레그 복합체를 건조하는 단계,
    를 포함하는 탄소나노튜브가 에폭시 프리프레그 표면을 용해 및 고화시켜 결착된 에폭시 프리프레그 복합체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에칭 용매는 아세톤, DMF, NMP 또는 이들의 혼합물인 에폭시 프리프레그 복합체의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브 1 중량부에 대하여, 에칭 용매 10 내지 100 중량부를 포함하는 에폭시 프리프레그 복합체의 제조방법.

  4. 제 1항에 있어서,
    상기 결착시키는 단계는 분사 압력과 온도가 3 내지 5 kgf/㎠와 10 내지 30 ℃로 고압 분사에 의해 수행되는 것인 에폭시 프리프레그 복합체의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 에폭시 프리프레그는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 테트라브로모 비스페놀 A형 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지 또는 이들의 혼합된 수지를 포함하는 에폭시 프리프레그 복합체의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 에폭시 프리프레그 복합체를 둘 이상의 층으로 적층하고 가열 경화하는 단계를 더 포함하는 복합재료의 제조방법.
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