KR101708546B1 - 인장강도와 파괴인성이 향상된 복합재료와 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기 - Google Patents

인장강도와 파괴인성이 향상된 복합재료와 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인장강도와 파괴인성이 향상된 에폭시 수지 조성물과 인장강도와 파괴인성 등의 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 인장강도와 파괴인성이 향상된 에폭시 수지 조성물은 탄소나노튜브가 매트릭스 수지인 에폭시 수지에 균일하게 분산된 것을 특징으로 한다.

Description

인장강도와 파괴인성이 향상된 복합재료와 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기{Composite material Having Improved Tensile Strength and Fracture Toughness and Pressure Vessel Having Superior Pressure-Resistant and Mechanical Properties}
본 발명은 인장강도와 파괴인성이 향상된 에폭시 수지 조성물과 인장강도와 파괴인성 등의 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기에 관한 것이다.
일반적으로, 압력용기는 압력 하에서 유체, 예를 들어 액체, 액화 가스, 응축 가스 및 이들의 조합을 함유할 수 있는 구조체이다. 예시적인 압력용기에는 저장용기(연료탱크, 휴대용 가스 저장탱크 등)뿐만 아니라 파이프 및 승압하여 유체를 전달하는데 사용될 수 있는 다른 도관(유압라인 등) 및 일시적인 승압에 노출되는 구조체(로켓 모터 케이싱, 런치 튜브(Launch tube) 등)가 포함된다.
이러한 압력용기는 전통적으로 금속으로 제조되었다. 열적 안정성, 내부식성 및 피로 성능을 비롯한 다수의 인자가 재료 선택에 영향을 미치지만, 중량 감소, 파열압 개선 및 수명의 증가가 압력용기 설계 시 중요한 인자이다. 이러한 요구는 용기의 구성에서 강화섬유 복합재료의 사용을 증가시켰다. 그러나, 훨씬 큰 중량 감소 및 강도의 개선이 바람직한 실정이다.
에폭시 수지는 전기적 성질, 내마모성 및 치수안정성과 같은 기계적 성질 그리고 내수성, 내약품성, 접착성, 저장안정성 등과 같은 물리적 또는 화학적 성질이 우수한 관계로 범용수지 및 복합재료 매트릭스로서 폭 넓게 활용되고 있으며, 최근 압력용기, 자동차 등의 경량화 및 기계적 성질의 향상을 목적으로 에폭시 수지를 적용한 복합재료의 활용이 증대되고 있다.
이러한 에폭시 수지를 경화시키기 위해 사용되는 안하이드라이드 계 경화제는 저렴한 가격 및 우수한 전기적, 기계적 특성이 있어 여러 분야에 사용되고 있지만, 취성 특성 및 낮은 인성(Toughness)으로 인하여, 특히 전자, 항공 및 우주비행 산업에서 사용되는 고성능 응용에 있어서, 그의 구조 재료로서의 적용에는 큰 단점이 된다.
이러한 단점을 극복하기 위해, 물성 향상을 위한 충진재를 첨가하는 방법이 있다. 충진재로서 무기질은 활석, 모래, 실리카, 탈크, 탄산칼슘 등의 증량재, 마이카, 석영, 유리 섬유 등의 보강성 충진재, 석영분, 그라파이트, 알루미나, Aerosil(요변성을 부여하는 목적) 등의 특수한 용도를 지닌 것이 있고, 금속질로는 알루미늄, 산화알루미늄, 철, 산화철, 구리 등의 열팽창계수, 내마모성, 열전도성, 접착성에 기여하는 것이나, 산화안티몬(SB2O3)등의 난연성을 부여하는 것이 있으며, 유기물로는 미세한 고분자(페놀수지, 요소수지 등)와 같은 경량화용 충진재 등이 있다.
일반적으로 충진재의 사용량은 가벼운 타입의 경우 첨가 시 수지의 점도를 매우 크게 만들므로 대개 25중량부 이상 첨가하지 않는다. 중 정도의 무게를 갖는 충진재는 보통 200중량부까지 사용할 수 있으며, 비중이 높은 충진재는 300중량부~900중량부 정도까지 첨가하기도 한다. 충진을 더 많이 하는 경우도 있지만, 그 경우는 수지 조성이 충진재 간의 바인더 역할 만을 하므로 수지내의 충진의 역할과는 다른 개념으로 생각해야 할 것이다.
충진재를 첨가한 수지는 충진재의 희석효과로 반응 자체가 느리게 되고, 일부는 경화반응을 억제하는 것이 있고, 또한 경화물을 고온에서 분해하는 작용을 하는 것도 있으므로 주의할 필요가 있다.
이에, 높은 비표면적을 가지며 소량으로도 우수한 강도 향상 효과가 있는 탄소나노튜브의 적용 시도가 증가하고 있다.
1991년 이이지마(Iijima)에 의해 최초로 발견된 탄소나노튜브(CNT)는 탄소를 원료로 한 다른 소재인 다이아몬드, 흑연, 풀러렌(fulerene)보다 종횡비가 크고, 밀도가 낮으며, 우수한 기계적 강도, 전기전도도, 열전도도, 열안정성을 가지고 있다. 이러한 탄소나노튜브의 우수한 특성으로 나노복합재료 분야에서의 이상적인 강화제로 여겨지며, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
탄소나노튜브를 이용하여 에폭시 수지를 보강하고 강인화하는 것은 바람직하지만, 탄소나노튜브를 수지 안으로 어떻게 균일하게 분산시킬 것인가와 탄소나노튜브와 수지 사이의 우수한 접착을 어떻게 실현하느냐는 것이 지금까지 주요 과제로 남아 있다.
큰 종횡비를 갖는 탄소나노튜브는 뒤엉킴이 심하여 큰 응집체를 형성하고, 이는 생성되는 탄소나노튜브 함유 에폭시 수지 조성물의 기계적 및 전기적 특성을 모두 손상시킨다.
유기 용매의 보조로 탄소나노튜브를 수지 안으로 분산시키는 것은, 용매에 대한 추가비용 이외에도, 시간 및 에너지 소비적인데, 이는 용매가 경화 전에 수지로부터 완전히 제거되어야만 하기 때문이다. 또한, 유기 용매는 환경 및 건강에 유해한 효과를 초래한다. 관능화된 탄소나노튜브의 경우에도 산이 강한 액체 산화제로서 이용될 때 유사한 문제가 또한 나타난다. 탄소나노튜브 분산을 향상시키기 위해 계면활성제를 이용하는 것이 또한 문제가 될 수 있는데, 이는 계면활성제가 생성된 수지 조성물에 남게 되고, 성능을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브가 균일하게 분산되어 인장강도 및 파괴인성이 향상된 에폭시 수지 조성물을 제공하고자 하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 상술한 에폭시 수지 조성물을 이용하여 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.
상기 목적은, 탄소나노튜브가 매트릭스 수지인 에폭시 수지에 균일하게 분산된 것을 특징으로 하는 인장강도와 파괴인성이 향상된 에폭시 수지 조성물에 의해 달성된다.
여기서, 상기 탄소나노튜브는 길이가 1㎛ 이상 25㎛ 이하의 단일 벽 또는 다중 벽 탄소나노튜브일 수 있다.
바람직하게는, 상기 에폭시 수지 조성물에 포함된 상기 탄소나노튜브의 함량은 상기 에폭시 수지 100중량 대비 0.01중량부 내지 10중량부일 수 있다.
바람직하게는, 경화제 및 경화촉진제를 더 포함하되, 상기 에폭시 수지 조성물 100중량 기준 에폭시 수지 35중량부 내지 65중량부, 경화제 34중량부 내지 60중량부, 경화촉진제 0.1중량부 내지 2중량부 및 탄소나노튜브 0.0035중량부 내지 6.5중량부를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 에폭시 수지 조성물의 경화물은 시차 주사 열량계(DSC)를 이용한 열 분석에 의해 얻어지는 유리전이온도(Tg)가 75℃ 내지 140℃일 수 있다.
바람직하게는, 상기 에폭시 수지 조성물의 경화물은 ASTM D5045-99 평가에 의해 얻어지는 파괴인성(Fracture toughness, KIC)이 0.6 MPa(m)1/2내지 2.5 MPa(m)1/2일 수 있다.
바람직하게는, 상기 에폭시 수지 조성물의 경화물은 ASTM D638 평가에 의해 얻어지는 신율이 1.0% 내지 10%일 수 있다.
상기 목적은, 상술한 에폭시 수지 조성물을 강화섬유에 함침시킨 복합재료로부터 제조된 것을 특징으로 하는 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기에 의해 달성된다.
여기서, 상기 강화섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 금속 섬유 중 적어도 1개 또는 2개 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 압력용기는 KGS AC412 검사기준 200bar 내지 1,200bar의 파열압력을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 프로브 타입의 초음파 분산을 통하여 탄소나노튜브가 균일하게 분산되어 종래의 에폭시 수지 조성물에 비해 인장강도 및 파괴인성(Fracture toughness)이 향상된 에폭시 수지 조성물을 제공할 수 있고, 이러한 탄소나노튜브를 함유한 에폭시 수지 조성물을 강화섬유에 함침시킨 복합재료를 이용하여 압력용기를 제조함으로써 인장강도와 파괴인성 등의 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 등의 효과를 가진다.
이에 따라, 압력용기 제조 시 사용되는 섬유의 양을 증가시키는 것과 관련된 상당한 중량 불이익 없이 강도를 증가시킬 수 있다. 즉 바람직한 강도를 유지하면서 섬유의 양을 줄일 수 있어 압력용기의 중량을 감소시킬 수 있는 등의 효과를 가진다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
본 발명의 일 양상에 따른 인장강도와 파괴인성이 향상된 에폭시 수지 조성물은 탄소나노튜브가 매트릭스 수지인 에폭시 수지에 균일하게 분산된 것을 특징으로 한다. 이로써 인장강도 및 파괴인성(Fracture toughness)을 향상시킬 수 있다.
탄소나노튜브는 길이가 1㎛ 내지 25㎛인 단일 벽 또는 다중 벽 탄소나노튜브인 것이 바람직한데, 1㎛ 미만인 경우 낮은 종횡비로 인해 기계적 강도의 향상 효과가 떨어지고, 25㎛를 초과하는 경우 탄소나노튜브 입자끼리의 응집이 발생하게 되어 오히려 복합재의 기계적 특성이 저하되기 때문이다.
또한 에폭시 수지 조성물에 포함된 탄소나노튜브의 함량은 에폭시 수지 100중량 대비 0.01중량부 내지 10중량부인 것이 바람직한데, 탄소나노튜브의 함량이 0.01중량부 미만인 경우 인장강도 및 파괴인성의 향상 효과가 없고, 10중량부를 초과하는 경우 탄소나노튜브의 응집으로 인해 전체 복합재의 가공성과 생산성이 저하되기 때문이다.
본 명세서에 기술되는 매트릭스 수지는 고분자 수지로서 예를 들면, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지로 구성된 그룹 중에서 선택될 수 있으며, 기타 임의의 고분자 수지가 사용 가능하다. 본 명세서는 매트릭스 수지로서 에폭시 수지를 이용하여 설명하나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시, 비스페놀 F형 에폭시, 노볼락 에폭시, 난연성 에폭시, 환형지방족 에폭시 및 고무 변성 에폭시로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 경화제 및 경화촉진제를 더 포함하되, 에폭시 수지 조성물 100중량 기준 에폭시 수지 35중량부 내지 65중량부, 경화제 34중량부 내지 60중량부, 경화촉진제 0.1중량부 내지 2중량부 및 탄소나노튜브 0.0035중량부 내지 6.5중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
경화제는 안하이드라이드 화합물이며, 경화촉진제는 아민계 화합물인 것이 바람직하다.
또한 에폭시 수지 조성물의 경화물은 시차 주사 열량계(DSC)를 이용한 열분석에 의해 얻어지는 유리전이온도(Tg)가 75℃ 내지 140℃인 것이 바람직한데, 75℃ 미만인 경우 압력용기 충, 방전 시 발생하는 열에 의해 유연해져 안전성에 문제가 있고, 140℃를 초과하는 경우 취성이 크고 신율이 작아, 압력용기 충, 방전 시 깨지기 쉽기 때문이다.
또한, 에폭시 수지 조성물의 경화물은 ASTM D5045-99 평가에 의해 얻어지는 파괴인성(Fracture toughness, KIC)이 0.6 MPa(m)1/2내지 2.5 MPa(m)1/2인 것이 바람직하며, ASTM D638 평가에 의해 얻어지는 신율이 1.0% 내지 10%인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 양상에 따른 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기는 상술한 에폭시 수지 조성물을 강화섬유에 함침시킨 복합재료로부터 제조된 것을 특징으로 한다.
강화섬유는 당해 분야에서 사용될 수 있는 모든 강화섬유를 사용할 수 있으며, 그 용도에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 예컨대 강화섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 금속 섬유 중 적어도 1개 또는 2개 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게는 비중이 1.7 내지 1.9인 탄소섬유 토우를 사용할 수 있다. 비중이 1.7보다 낮은 경우, 탄소섬유 토우를 형성하는 탄소섬유 필라멘트에 보이드(Void) 등이 많이 존재하거나, 탄소 필라멘트의 치밀성이 낮아지며, 이에 따라 이러한 탄소섬유 필라멘트로서 다수 개로 이루어지는 탄소섬유 토우를 이용하여 성형되는 탄소섬유 복합재료는 낮은 압축강도를 갖게 된다. 또한 비중이 1.9보다 높을 경우, 탄소섬유 복합재료의 경량화의 효과가 낮아진다. 이러한 이유로, 이의 비중은 보다 바람직하게 1.75 내지 1.85이다.
또한 탄소섬유 토우의 토우당 필라멘트의 수는 1,000개 내지 300,000개인 것이 바람직하다. 필라멘트의 수가 1,000개 미만인 경우에는 대면적의 탄소섬유 복합재료 제조 시에 부피당 면적비가 낮아 제조비용이 많이 들어가는 단점이 있고, 300,000개를 초과하는 경우에는 탄소섬유 토우당 필라멘트의 결점이 많아짐으로 인해 제조된 탄소섬유 복합재료의 인장강도 또는 압축강도 등이 낮아지는 단점이 발생한다.
또한 에폭시 수지 조성물을 강화섬유에 함침시킨 복합재료를 이용하여 제조한 압력용기는 KGS AC412 검사기준 200bar 내지 1,200bar의 파열압력을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합재료의 제조방법은, 프로브 타입의 초음파 처리를 이용하여 경화제에 탄소나노튜브를 분산시키는 단계 경화제에 에폭시 수지와 경화촉진제를 기계적으로 혼합하여 에폭시 수지 조성물을 제조하는 단계 및 에폭시 수지 조성물을 강화섬유에 함침하는 단계를 포함한다. 이렇게 제조된 복합재료를 맨드릴을 이용하여 라이너에 감음으로써 압력용기를 제조할 수 있다.
상술한 압력용기에 따르면 기계적 특성과 내압 특성이 우수함에 따라 바람직한 강도를 유지하면서도 섬유의 양을 줄일 수 있어 압력용기의 중량을 감소시킬 수 있다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
1-1. 탄소나노튜브 함유 에폭시 수지 조성물 제조
먼저, 탄소나노튜브가 분산된 경화제를 하기와 같이 제조하였다.
에폭시 수지 조성물에서의 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 기준으로 0.01중량부로 설정하여 경화제(Methyltetrahydrophthalic anhydride: 국도화학 HJ-2200M)에 탄소나노튜브(CNT社 Ctube-120)를 첨가하고 프로브 타입 초음파 처리(probe type ultrasonic)를 30분 동안 실시하여, 탄소나노튜브가 에폭시 100중량부 대비 0.01중량부 분산된 경화제를 준비하였다.
상기 탄소나노튜브가 분산된 경화제를 이용하여 에폭시 수지 조성물은 하기와 같이 제조하였다.
에폭시 수지 조성물 혼합물은 이관능성 에폭시 수지(Diglycidylether of bisphenol A, DGEBA; 국도화학 YD-128) 100중량부에 탄소나노튜브가 분산된 경화제를 첨가하여 경화제 96중량부, 탄소나노튜브 0.01중량부로 하고, 경화촉진제(N, N-Dimethylbenzylamine; 국도화학 BDMA) 0.5중량부를 첨가하여 제조하였다.
위 혼합물을 교반기를 이용하여 30분 동안 기계적으로 혼합하여 탄소나노튜브가 함유된 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
1-2. 탄소섬유 복합재료 제조
본 발명에서 얻어진 탄소나노튜브 함유 에폭시 수지 조성물을 탄소섬유 토우에 함침시켜 탄소섬유 복합재료를 제조하였다.
습식 필라멘트 와인딩기(Wet Filament Winder)를 이용하여 에폭시 수지 조성물이 함침된 탄소섬유 복합재료(Toray T700S)를 100L 용량의 플라스틱 라이너에 감았다.
에폭시 수지 조성물에 함침된 탄소섬유 복합재료가 감긴 압력용기를 경화로에 넣어 85℃에서 5시간 동안 에폭시 수지 조성물을 경화시켜, 본 발명에서 제공하는 에폭시 수지 조성물을 이용한 압력용기를 제조하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 0.05중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 0.1중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 0.2중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<실시예 5>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 0.25중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<실시예 6>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 0.3중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<실시예 7>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 0.4중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<실시예 8>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 0.5중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<실시예 9>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 1.0중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<실시예 10>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 5.0중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<실시예 11>
상기 실시예 1과 동일한 과정을 실시하되 탄소나노튜브 함량을 에폭시 100중량부 대비 10.0중량부로 하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 압력용기를 제조하였다.
<비교예>
탄소나노튜브를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 혼합물을 교반기를 이용하여 30분 동안 기계적으로 혼합하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 후 실시예 1과 같이 압력용기를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 11 및 비교예에 따른 에폭시 수지 조성물 및 압력용기를 사용하여 다음과 같은 실험예를 통해 물성을 측정하고 그 결과를 다음 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
[실험예]
<실험예 1> 에폭시 수지 조성물의 유리전이온도 측정
유리전이온도 측정을 위한 시편을 제조하기 위해, 실시예 1~11을 통해 제조한 탄소나노튜브 함유 에폭시 수지 조성물 및 비교예를 통해 제조한 에폭시 수지 조성물을 85℃에서 5시간 동안 오븐에서 경화시켰다. 시편을 시차 주사 열량계(DSC, Differential Scanning Calorimetry)를 이용하여 유리전이온도(℃)를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5
유리전이온도 70 87 96 107 121 135
실시예6 실시예7 실시예8 실시예9 실시예10 실시예11
유리전이온도 129 120 108 101 89 80
표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 탄소나노튜브를 포함하지 않은 비교예에 비하여 탄소나노튜브를 포함한 실시예 1~11의 유리전이온도가 높은 것으로 나타났다.
이는 실시예에서 탄소나노튜브가 에폭시 수지 조성물 내에 고르게 분산되어, 계면에 접근한 에폭시 수지 분자의 운동성을 제한하고, 그에 따라 탄소나노튜브 함유 에폭시 수지 조성물의 유리전이온도가 크게 향상되는 것으로 판단된다.
또한, 탄소나노튜브의 첨가량이 에폭시 100중량부 대비 0.25중량부일 때가 가장 우수한 값을 나타냈으며, 이를 초과하면 에폭시 수지 조성물 내에서 탄소나노튜브의 응집이 발생하여 분산성이 떨어지는 것에 기인하는 것으로 판단된다.
<실험예 2> 에폭시 수지 조성물의 기계적 물성 측정: 인장강도, 신율
인장강도 측정을 위한 시편을 제조하기 위해, 도그-본(Dog-bone) 형틀에 실시예 1~11을 통해 제조한 탄소나노튜브 함유 에폭시 수지 조성물 및 비교예를 통해 제조한 에폭시 수지 조성물을 각각 주입하여 85℃에서 5시간 동안 오븐에서 경화시켰다.
인장시험은 Instron Model 8501 UTM을 이용하여 ASTM D638 규격으로 평가하였다. 최대하중 10톤의 로드 셀(Load cell)을 사용하였으며, 인장시험 시 크로스 헤드 속도(Cross head speed)는 0.05mm/min으로 일정하게 유지하며 시험하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
<실험예 3> 에폭시 수지 조성물의 기계적 물성 측정: 파괴인성(Fracture toughness)
파괴인성 측정을 위한 시편을 제조하기 위해, 실시예 1~11을 통해 제조한 탄소나노튜브 함유 에폭시 수지 조성물 및 비교예를 통해 제조한 에폭시 수지 조성물을 85℃에서 5시간 동안 오븐에서 경화시켜 시편을 제조하였다. 파괴인성 측정은 ASTM D5045-99 규격에 준하여 Instron Model 8501 UTM을 이용하여 Single Edge Notch(SEN)-Three Point Bending 법으로 실시하였다. 이때, 시편의 노치 깊이는 두께의 1/2로 고정하고 지지대간 거리와 시편 두께와의 비(Spin-to-Depth Ratio)는 4:1로 크로스 헤드 속도(Cross head speed)는 0.85mm/min으로 일정하게 유지하며 시험하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
인장강도(MPa) 신율(%) 파괴인성(MPa(m)1/2)
비교예 46.8 0.9 0.56
실시예1 55.6 1.2 0.75
실시예2 61.7 2.5 0.92
실시예3 85.6 4.5 1.43
실시예4 97.3 7.3 1.82
실시예5 120.5 9.8 2.43
실시예6 97.5 7.4 1.91
실시예7 87.0 4.8 1.52
실시예8 77.4 3.7 1.34
실시예9 71.2 3.1 1.19
실시예10 61.1 2.3 0.89
실시예11 57.9 1.4 0.78
표 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 탄소나노튜브 함유 에폭시 수지 조성물은 탄소나노튜브를 포함하지 않은 에폭시 수지 조성물보다 인장강도가 최대 2.5배 이상 상승하는 결과를 나타내었고, 신율은 최대 10.8배, 파괴인성(Fracture toughness)은 최대 4.3배 이상 향상되었음을 알 수 있다.
<실험예 4> 탄소나노튜브 함유 압력용기의 파열압 측정
실시예 1~11 및 비교예를 통해 제조한 압력용기의 파열압 측정을 위해, KGS AC412 규격으로 평가하였다. 경화된 압력용기에 고압 수 펌프를 연결하여 압력용기의 내부압력을 높여가며 압력용기가 파열될 때의 압력을 기록하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
라이너 사용량 파열압
(bar)
길이
(mm)		 직경
(mm)		 무게
(Kg)		 섬유량
(Kg)		 수지량
(Kg)
비교예 951.4 440.7 24.6 9.98 4.48 192
실시예 1 951.8 441.0 25.2 9.98 4.82 518
실시예 2 952.1 441.3 25.3 9.98 4.76 684
실시예 3 951.3 440.8 24.8 9.98 4.72 752
실시예 4 951.7 440.9 24.7 9.98 4.81 896
실시예 5 952.3 441.3 25.2 9.98 4.64 976
실시예 6 952.2 441.1 25.1 9.98 4.67 893
실시예 7 952.1 441.2 25.2 9.98 4.73 764
실시예 8 951.8 440.8 24.9 9.98 4.59 698
실시예 9 952.6 441.4 24.8 9.98 4.81 615
실시예 10 952.5 441.3 25.1 9.98 4.67 587
실시예 11 952.3 441.0 25.3 9.98 4.72 512
표 3를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 탄소나노튜브 함유 에폭시 수지 조성물을 이용한 압력용기는, 탄소나노튜브를 포함하지 않은 에폭시 수지 조성물로 제조한 압력용기보다 파열압이 향상되었음을 알 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims (10)

  1. 탄소섬유 토우를 포함하는 강화 섬유, 및
    상기 강화 섬유에 함침되어 있으며 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 에폭시 수지 조성물을 포함하며,
    상기 탄소나노튜브는 상기 에폭시 수지 100중량부 대비 0.2~0.3중량부를 포함하고,
    상기 탄소섬유 토우는 비중이 1.7 내지 1.9이고, 상기 탄소섬유 토우의 각 필라멘트의 수는 1,000개 내지 300,000개인 인장 강도와 파괴 인성이 향상된 복합재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 길이가 1㎛ 이상 25㎛ 이하의 단일 벽 또는 다중 벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는, 인장강도와 파괴인성이 향상된 복합재료.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 조성물은 경화제 및 경화촉진제를 더 포함하되, 상기 에폭시 수지 조성물 100중량 기준 에폭시 수지 35중량부 내지 65중량부, 상기 경화제 34중량부 내지 60중량부 및 상기 경화촉진제 0.1중량부 내지 2중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인장강도와 파괴인성이 향상된 복합재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 조성물의 경화물은 시차 주사 열량계(DSC)를 이용한 열 분석에 의해 얻어지는 유리전이온도(Tg)가 75℃ 내지 140℃인 것을 특징으로 하는, 인장강도와 파괴인성이 향상된 복합재료.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 조성물의 경화물은 ASTM D5045-99 평가에 의해 얻어지는 파괴인성(Fracture toughness, KIC)이 0.6 MPa(m)1/2내지 2.5 MPa(m)1/2인 것을 특징으로 하는, 인장강도와 파괴인성이 향상된 복합재료.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 조성물의 경화물은 ASTM D638 평가에 의해 얻어지는 신율이 1.0% 내지 10%인 것을 특징으로 하는, 인장강도와 파괴인성이 향상된 복합재료.
  8. 탄소섬유 토우를 포함하는 강화 섬유, 및
    상기 강화 섬유에 함침되어 있으며 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 에폭시 수지 조성물을 포함하며,
    상기 탄소나노튜브는 상기 에폭시 수지 100중량부 대비 0.2~0.3중량부를 포함하고,
    상기 탄소섬유 토우는 비중이 1.7 내지 1.9이고, 상기 탄소섬유 토우의 각 필라멘트의 수는 1,000개 내지 300,000개인 인장 강도와 파괴 인성이 향상된 복합재료로 형성된 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 압력용기는 KGS AC412 검사기준 200bar 내지 1,200bar의 파열압력을 갖는 것을 특징으로 하는, 기계적 특성과 내압 특성이 우수한 압력용기.
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