KR101935632B1 - 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 방적사는 탄소 성분의 함량이 97 중량% 이상인 탄소 섬유 스테이플; 및 열가소성 수지 섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 방적사는 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품 제조 시 발생하는 스크랩(scrap)으로부터 제조된 탄소 섬유 스테이플을 포함하며, 기계적 물성, 전도성 등이 우수하다.

Description

탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사 및 이의 제조방법{SPUN YARN COMPRISING CARBON FIBER STAPLE AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품 제조 시 발생하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)으로부터 제조된 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics: CFRP)은 금속에 비해 매우 가볍고, 높은 강성 등을 가져 차세대 복합소재로 주목 받고 있으며, 자동차, 항공기 등의 경량화 구조체 등으로 사용되고 있다.
탄소 섬유 강화 플라스틱은 자체 가공방법이 매우 복잡하고, 주로 자동화 방식을 채택하고 있어 제품을 제작한 후 발생되는 잔여물인 CFRP 스크랩(scrap)이 많이 발생하지만, 이를 폐기하거나 적당한 재활용 방법을 찾는데 어려움이 있다.
CFRP 스크랩의 대표적인 재활용 방법으로는 CFRP 스크랩을 잘게 잘라 태우거나 마스터 배치화하여 컴파운딩 제품에 투입하는 방법 등이 있으나, 이러한 방법은 공정이 복잡하며 효율이 낮아 널리 사용되지 않는다. 더욱이, 탄소 성분의 함량이 높은 탄소 섬유는 인장 탄성률(tensile modulus)이 높아 가공 과정에서 단사화되거나, 부서질 수 있으므로, 탄소 섬유를 포함하는 CFRP 스크랩을 재활용할 경우, 이로부터 성형품을 제조하기 어렵거나, 탄소 섬유 단사화로 인한 성형품의 기계적 물성, 전도성 등이 저하될 수 있다.
또한, 탄소 성분의 함량이 높은 탄소 섬유는 방적사 등을 제조 시, 부스러지므로, 폴리아크릴로니트릴계 중합체 등과 함께 저온에서 탄화시켜 탄소 성분 및 인장 탄성률 등을 낮춘 탄소 섬유 스테이플을 제조하고 이를 사용하여 방적사 등을 제조하는 기술이 개발되었으나, 제조 공정이 복잡하여 CFRP 스크랩의 재활용 방법으로는 적합하지 못하다.
따라서, 기계적 물성, 전도성 등의 저하 없이, 경제적으로 CFRP 스크랩을 재활용할 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 2012-0104629호, 2016-0012429호 등에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품 제조 시 발생하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)으로부터 제조된 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탄소 함량이 높은 탄소 섬유 스테이플을 포함하여, 인장 탄성률, 표면저항 값 등이 우수한 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기계적 물성, 전도성 등의 저하 없이, 경제적으로 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 재활용할 수 있는 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 한 관점은 방적사에 관한 것이다. 상기 방적사는 탄소 성분의 함량이 97 중량% 이상인 탄소 섬유 스테이플; 및 열가소성 수지 섬유를 포함한다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 900 내지 1,400℃에서 탄화시킨 것일 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 100 내지 1,000 GPa이고, ASTM D257에 의거하여 측정한 표면저항 값이 1 × 10-5 내지 1 × 10-3 Ω·cm일 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 평균 직경이 5 내지 10 ㎛, 평균 길이가 20 내지 80 mm일 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 아크릴계 섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 평균 직경이 5 내지 30 ㎛, 평균 길이가 10 내지 110 mm일 수 있다.
구체예에서, 상기 방적사는 상기 탄소 섬유 스테이플 10 내지 60 중량% 및 상기 열가소성 수지 섬유 40 내지 90 중량%를 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 방적사는 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 30 내지 120 GPa일 수 있다.
구체예에서, 상기 방적사는 ASTM D257에 의거하여 측정한 표면저항 값이 1 × 102 내지 1 × 107 Ω·cm일 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 방적사의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 900 내지 1,400℃에서 탄화시켜 탄소 섬유 스테이플을 제조하고; 그리고 상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조하는 단계를 포함한다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 성분의 함량이 97 중량% 이상이고, 스테이플 제조 시, 평균 직경이 5 내지 10 ㎛이고, 평균 길이가 60 내지 120 mm이며, 방적사 제조 후, 평균 직경이 5 내지 10 ㎛이고, 평균 길이가 20 내지 80 mm일 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조하는 단계는 카딩, 코밍 및 정방 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품 제조 시 발생하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)으로부터 제조되는 탄소 섬유 스테이플을 포함하며, 기계적 물성, 전도성 등이 우수한 방적사 및 이의 제조방법을 제공하는 발명의 효과를 가진다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면, 다음과 같다.
본 발명에 따른 방적사는 탄소 섬유 스테이플; 및 열가소성 수지 섬유를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 따른 탄소 섬유 스테이플(staple)은 탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics: CFRP) 제품 제조 시 발생하는 잔여물인 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap) 등으로부터 제조(재활용)되는 것이다. 예를 들면, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 900 내지 1,400℃, 예를 들면 1,000 내지 1,300℃에서 탄화시킨 것일 수 있다. 상기 온도 범위에서 97 중량% 이상의 탄소 성분을 포함하는 탄소 섬유 스테이플을 제조할 수 있다.
구체예에서, 방적사 내에 포함되는 탄소 섬유 스테이플은 열중량분석기(Thermogravimetric Analyzer: TGA)로 측정한 탄소 성분의 함량이 97 중량% 이상, 예를 들면 98 내지 99.9 중량%일 수 있고, 현미경으로 측정한 평균 직경(D50)이 5 내지 10 ㎛, 예를 들면 6 내지 8 ㎛일 수 있으며, 평균 길이(D50)가 20 내지 80 mm, 예를 들면 30 내지 70 mm일 수 있다. 상기 탄소 섬유 스테이플의 탄소 성분 함량이 97 중량% 미만일 경우, 탄소 섬유 스테이플의 인장 탄성율이 저하되거나, 표면저항 값이 상승할 우려가 있고, 상기 탄소 섬유 스테이플의 평균 직경이 5 ㎛ 미만일 경우, 탄소 섬유 스테이플의 표면저항 값이 상승할 우려가 있고, 10 ㎛를 초과할 경우 탄소 섬유 스테이플이 쉽게 부서질 우려가 있으며, 상기 탄소 섬유 스테이플의 평균 길이가 20 mm 미만일 경우, 탄소 섬유 스테이플의 인장 탄성율이 저하될 우려가 있고, 80 mm를 초과할 경우, 방적사 제조 시, 카딩 단계에서 작업성이 저하되어 생산성이 떨어질 우려가 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 100 내지 1,000 GPa, 예를 들면 110 내지 990 GPa일 수 있다. 상기 범위에서 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사의 인장 탄성률 등 기계적 물성이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D257에 의거하여 측정한 표면저항 값이 1 × 10-5 내지 1 × 10-3 Ω·cm, 예를 들면 1.1 × 10-5 내지 0.9 × 10-3 Ω·cm일 수 있다. 상기 범위에서 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사의 전도성 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 방적사 전체 100 중량% 중, 10 내지 60 중량%, 예를 들면 10 내지 50 중량%, 구체적으로 15 내지 45 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 방적사의 기계적 물성, 전도성 등이 우수할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 열가소성 수지 섬유는 통상적인 합성 섬유 또는 열가소성 수지 조성물에 사용되는 열가소성 수지를 섬유 형태로 제조한 것일 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품에 사용되는 열가소성 수지와 동일한 성분의 열가소성 수지 섬유를 사용할 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 아라미드 섬유, 나일론 섬유 등의 폴리아미드 섬유; 폴리에스테르 섬유; 아크릴계 섬유; 이들의 조합 등을 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 현미경으로 측정한 평균 직경(D50)이 5 내지 30 ㎛, 예를 들면 6 내지 25 ㎛일 수 있으며, 평균 길이(D50)가 10 내지 110 mm, 예를 들면 20 내지 100 mm일 수 있다. 상기 범위에서 기계적 물성, 전도성 등이 우수한 방적사가 제조될 수 있다.
구체예에서, 상기 열가소성 수지 섬유는 방적사 전체 100 중량% 중, 40 내지 90 중량%, 예를 들면 50 내지 90 중량%, 구체적으로 55 내지 85 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 방적사의 기계적 물성, 전도성 등이 우수할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 방적사는 상기 탄소 섬유 스테이플과 상기 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 제조할 수 있다. 구체적으로, 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 900 내지 1,400℃, 예를 들면 1,000 내지 1,300℃에서 탄화시켜 탄소 섬유 스테이플을 제조하고; 그리고 상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄화 공정에 의해 제조된 탄소 섬유 스테이플(혼방 전 스테이플)은 열중량분석기(Thermogravimetric Analyzer: TGA)로 측정한 탄소 성분의 함량이 97 중량% 이상, 예를 들면 98 내지 99.9 중량%일 수 있고, 현미경으로 측정한 평균 직경(D50)이 5 내지 10 ㎛, 예를 들면 6 내지 8 ㎛일 수 있고, 평균 길이(D50)가 60 내지 120 mm, 예를 들면 65 내지 115 mm일 수 있다. 상기 범위에서, 방적 후 탄소 섬유 스테이플이 상기 방적사 내 탄소 성분 함량, 평균 직경 및 평균 길이를 가질 수 있고, 방적사의 기계적 물성, 전도성 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 100 내지 1,000 GPa, 예를 들면 110 내지 990 GPa일 수 있다. 상기 범위에서 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사의 인장 탄성률 등 기계적 물성이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D257에 의거하여 측정한 표면저항 값이 1 × 10-5 내지 1 × 10-3 Ω·cm, 예를 들면 1.1 × 10-5 내지 0.9 × 10-3 Ω·cm일 수 있다. 상기 범위에서 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사의 전도성 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조하는 단계는 카딩, 코밍, 및 정방 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 카딩(carding) 단계는 각 스테이플 및 섬유를 평행으로 배열하고 빗질하여 굵은 슬라이버(sliver)를 제조하는 단계이고, 상기 코밍(combing) 단계는 상기 슬라이버를 다시 곱게 빗질하는 단계이고, 상기 정방(spinning) 단계는 슬라이버를 당겨 늘리고 100 내지 200 TPM(Twist per Meter)으로 꼬임을 주어 방적사를 완성하고 감는 공정일 수 있다. 또한, 선택적으로, 카딩 단계 전에 탄소 섬유 스테이플이 부서지는 것을 최소화하기 위한 전처리 단계를 추가할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 방적사는 상기 제조방법과 같이, 경제적으로 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 재활용하여 제조될 수 있으며, 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품의 기계적 물성, 전도성 등이 구현될 수 있다.
구체예에서, 상기 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 30 내지 120 GPa, 예를 들면 50 내지 100 GPa 일 수 있다.
구체예에서, 상기 방적사는 ASTM D257에 의거하여 측정한 표면저항 값이 1 × 102 내지 1 × 107 Ω·cm, 예를 들면 1 × 103 내지 1 × 106 Ω·cm일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
실시예 1 내지 4: 방적사의 제조
탄소 성분의 함량이 50 중량%, 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이(D50)가 90 mm인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 1,300℃에서 탄화시켜, 탄소 성분의 함량이 98 중량%, 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이(D50)가 90 mm이고, 인장 탄성률이 250 GPa이며, 표면저항 값이 1 ×10-4 Ω·cm인 탄소 섬유 스테이플(A1)을 제조하였다. 이후, 제조된 탄소 섬유 스테이플(A1)과 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이(D50)가 90 mm인 열가소성 수지 섬유(나일론(PA6) 섬유, 제조사: KP켐텍)(B)를 하기 표 1에 기재된 함량으로 혼합하고, 카딩, 코밍 및 정방 단계를 거쳐 방적하여, 방적사를 제조하였다. 제조된 방적사에서의 탄소 섬유 스테이플(A1)의 평균 직경(D50)은 6 ㎛이고, 평균 길이(D50)는 50 mm이었다. 제조된 방적사의 인장 탄성률 및 표면 저항 값을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1 내지 4: 방적사의 제조
탄소 성분의 함량이 50 중량%, 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이(D50)가 90 mm인 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩(CFRP scrap)을 250℃에서 탄화시켜, 탄소 성분의 함량이 60 중량%, 평균 직경(D50)이 6 ㎛, 평균 길이(D50)가 90 mm이고, 인장 탄성률이 15 GPa이며, 표면저항 값이 1 ×101 Ω·cm인 탄소 섬유 스테이플(A2)을 제조한 후, 하기 표 1에 기재된 함량으로 탄소 섬유 스테이플(A2)과 열가소성 수지 섬유(나일론(PA6) 섬유, 제조사: KP켐텍)(B)를 혼합하고, 카딩, 코밍 및 정방 단계를 거쳐 방적하여, 방적사를 제조하였다. 제조된 방적사에서의 탄소 섬유 스테이플(A1)의 평균 직경(D50)은 6 ㎛이고, 평균 길이(D50)는 50 mm이었다. 제조된 방적사의 인장 탄성률 및 표면 저항 값을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
물성 측정 방법
(1) 인장 탄성률(단위: GPa): ASTM D3379에 의거하여, 만능 시험기(Universal Testing Machine, UTM)로 인장 탄성률을 측정하였다.
(2) 표면저항 값(단위: Ω·cm): ASTM D257에 의거하여, 표면저항 측정 장치(제조사: 미쯔비시케미칼, 장치명: Hiresta-UP(MCP-HT450))로 측정하였다.
실시예 비교예
1 2 3 4 1 2 3 4
(A1) (중량%) 50 40 30 20 - - - -
(A2) (중량%) - - - - 50 40 30 20
(B) (중량%) 50 60 70 80 50 60 70 80
인장 탄성률 100 80 65 50 7 5 4 3
표면저항 값 1×103 1×104 1×105 1×106 1×109 1×1010 1×1010 1×1011
상기 결과로부터, 본 발명의 방적사는 97 중량% 이상의 탄소 성분 함량을 갖는 탄소 섬유 스테이플(A1)로부터 제조가 가능하며, 기계적 물성(인장 탄성률) 및 전도성(표면저항 값) 등이 모두 우수함을 알 수 있다.
반면, 탄소 성분의 함량이 97 중량% 미만인 탄소 섬유 스테이플을 포함하는 방적사는 기계적 물성(인장 탄성률) 및 전도성(표면저항 값)이 저하됨을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (12)

  1. ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 100 내지 1,000 GPa이고, 탄소 성분의 함량이 97 중량% 이상인 탄소 섬유 스테이플; 및
    평균 직경이 5 내지 30 ㎛, 평균 길이가 10 내지 110 mm인 열가소성 수지 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방적사.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 900 내지 1,400℃에서 탄화시킨 것을 특징으로 하는 방적사.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 평균 직경이 5 내지 10 ㎛, 평균 길이가 20 내지 80 mm인 것을 특징으로 하는 방적사.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지 섬유는 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 아크릴계 섬유 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방적사.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 방적사는 상기 탄소 섬유 스테이플 10 내지 60 중량% 및 상기 열가소성 수지 섬유 40 내지 90 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방적사.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방적사는 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 30 내지 120 GPa인 것을 특징으로 하는 방적사.
  9. 제1항에 있어서, 상기 방적사는 ASTM D257에 의거하여 측정한 표면저항 값이 1 × 102 내지 1 × 107 Ω·cm인 것을 특징으로 하는 방적사.
  10. 탄소 섬유 강화 플라스틱 스크랩을 900 내지 1,400℃에서 탄화시켜 탄소 섬유 스테이플을 제조하고; 그리고
    상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조하는 단계를 포함하며,
    상기 탄소 섬유 스테이플은 ASTM D3379에 의거하여 측정한 인장 탄성률이 100 내지 1,000 GPa이고, 상기 열가소성 수지 섬유는 평균 직경이 5 내지 30 ㎛, 평균 길이가 10 내지 110 mm인 것을 특징으로 하는 방적사의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 탄소 섬유 스테이플은 탄소 성분의 함량이 97 중량% 이상이고, 스테이플 제조 시, 평균 직경이 5 내지 10 ㎛이고, 평균 길이가 60 내지 120 mm이며, 방적사 제조 후, 평균 직경이 5 내지 10 ㎛이고, 평균 길이가 20 내지 80 mm인 것을 특징으로 하는 방적사의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 탄소 섬유 스테이플과 열가소성 수지 섬유를 혼방하여 방적사를 제조하는 단계는 카딩, 코밍 및 정방 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방적사의 제조방법.
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