KR101968646B1 - surface modification method of carbon fiber for carbon fiber reinforced plastics - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소섬유강화플라스틱에 사용되는 탄소섬유의 표면개질방법 및 그 표면개질방법에 의해 제조된 탄소섬유에 관한 것으로, 보다 자세하게는 탄소섬유와 메트릭스인 수지와의 계면 결합력을 향상시키기 위하여 탄소섬유의 표면에 사이징된 수지를 디사이징시켜 제거하고, 디사이징된 탄소섬유의 표면을 표면개질 처리하여 탄소섬유를 개질시키고, 다시 메트릭스 수지와 결합성이 우수한 수지를 사이징하는 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유의 표면개질방법 및 그 표면개질방법에 의해 제조된 탄소섬유에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for modifying the surface of a carbon fiber used in a carbon fiber-reinforced plastic and a carbon fiber produced by the method for surface modification, The surface of the desized carbon fiber is subjected to a surface modification treatment to modify the carbon fiber and the carbon fiber reinforced plastic carbon fiber for sizing the resin having excellent bonding property with the matrix resin And a carbon fiber produced by the surface modification method.
Description
본 발명은 탄소섬유강화플라스틱에 사용되는 탄소섬유의 표면개질방법 및 그 표면개질방법에 의해 제조된 탄소섬유에 관한 것으로, 보다 자세하게는 탄소섬유와 메트릭스 수지와의 계면 결합력을 향상시키기 위하여 탄소섬유의 표면에 사이징된 수지를 디사이징시켜 제거하고, 디사이징된 탄소섬유의 표면을 개질 처리하고, 다시 메트릭스 수지와 결합성을 위한 수지를 사이징하는 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유의 표면개질방법 및 그 표면개질방법에 의해 제조된 탄소섬유에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근 자동차 산업은 세계적으로 이산화탄소 저감과 관련된 각종 규제 증가 및 연료 효율성 향상에 대한 요구가 높아짐에 따라 자동차 경량화 연구가 활발히 진행되고 있다.In recent years, automobile industry has been actively pursuing automobile lightweighting as the demand for various regulations and fuel efficiency improvement related to carbon dioxide reduction is increasing worldwide.
신규소재를 통한 경량화 방안으로 고분자 복합 재료를 이용하는 방법이 있는데, 이 중 섬유강화플라스틱(FRP), 특히 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 경량이면서도 높은 기계적 성질을 가지는 복합재료로서 자동차의 연비는 높이면서도 안정성을 추구하기 위하여 차체의 재질을 금속으로부터 섬유강화플라스틱 소재로 대체하고자 하는 추세에 따라 매우 높은 강도를 가지면서도 무게가 가벼운 탄소섬유강화플라스틱이 개발되고 있으며, 점차 그 수요가 늘어나 이에 대한 대량생산 및 정밀한 3차원 면상체 형태의 제품을 효율적으로 생산할 수 있는 장치 및 공정에 대한 개발이 필요하게 되었다.Fiber reinforced plastics (FRP), especially carbon fiber reinforced plastics (CFRP), are composite materials with lightweight and high mechanical properties, while increasing the fuel efficiency of automobiles As a result of the tendency to replace the material of the vehicle body with the fiber-reinforced plastic material in order to pursue the stability, the carbon fiber-reinforced plastic having a very high strength and light weight is being developed, and the demand for the carbon fiber- It is necessary to develop a device and a process capable of efficiently producing a precise three-dimensional surface shape product.
탄소섬유 제조사에서 출하되는 탄소섬유 제품에는 사이징(sizing) 물질이 1.0 % 내외로 처리되어 있다. 섬유를 강화재로 한 섬유강화 복합재료의 기계적 성질은 섬유와 메트릭스 사이의 계면상태가 응력, 변형 및 충격강도와 같은 기계적 특성에 중요한 영향을 미친다. 그러므로 탄소섬유와 메트릭스 수지와의 접착력 향상을 위하여 탄소섬유 표면에 carboxyl기나 carbonyl기, pheonl성 수산기 및 중선 수산기 등과 같은 극성기를 도입이 필요하다. 또한 탄소섬유의 경우 섬유 표면의 저활성과 평활성 때문에 열가소성 수지와의 계면결합력이 약하다는 문제점과 열가소성 수지의 용융상태에서의 높은 점도를 가지고 있어 섬유 사이로의 수지함침에 어려움이 발생되고 있다. Carbon fiber products manufactured by carbon fiber manufacturers contain sizing materials at around 1.0%. The mechanical properties of fiber-reinforced composites with fiber reinforcement have a significant effect on the mechanical properties such as stress, strain and impact strength of the interfacial state between the fibers and the matrix. Therefore, it is necessary to introduce a polar group such as a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group and a hydroxyl group on the surface of carbon fiber in order to improve adhesion between the carbon fiber and the matrix resin. In addition, the carbon fiber has a problem in that the interfacial bonding strength with the thermoplastic resin is weak due to the low activity and smoothness of the fiber surface, and the resin has a high viscosity in the molten state, which makes it difficult to impregnate the resin between the fibers.
본 발명은 이와 같이 탄소섬유와 열가소성 수지와의 계면결합력이 약한 단점과 열가소성 수지의 용융상태에서의 높은 점도로 인하여 탄소섬유 사이로 수지가 함침되기 어려운 문제점을 해결하고자 하는 것이다. 본 발명의 목적은 탄소섬유의 제조시 섬유표면에 사이징된 수지를 디사이징시켜 제거하고, 디사이징된 탄소섬유의 표면을 개질 처리하고, 다시 메트릭스 수지와 결합성이 우수한 수지를 사이징시킴으로써, 표면개질된 탄소섬유와 메트릭스 수지의 계면 결합력을 높이데 있다.The present invention aims at solving the problem that the resin is not easily impregnated between the carbon fibers due to the weak point that the interfacial bonding strength between the carbon fiber and the thermoplastic resin is low and the high viscosity in the molten state of the thermoplastic resin. DISCLOSURE OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for producing a carbon fiber by dispersing a resin sized on a surface of a fiber during the production of the carbon fiber, And the interface between the carbon fiber and the matrix resin is enhanced.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유의 표면개질방법은 탄소섬유를 디사이징시키는 단계; 디사이징된 탄소섬유의 표면을 표면개질 처리하는 단계; 표면개질 처리된 탄소섬유를 사이징하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for surface modification of carbon fiber for carbon fiber reinforced plastic, comprising: dissizing carbon fiber; Subjecting the surface of the desized carbon fiber to surface modification treatment; And a step of sizing the surface-modified carbon fibers.
본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유의 표면개질방법의 탄소섬유의 표면을 표면개질 처리하는 단계는 플라즈마 처리 또는 코로나 방전인 것을 특징으로 한다.The step of surface-modifying the surface of the carbon fibers of the method for surface modification of carbon fibers for carbon fiber-reinforced plastic according to the present invention is characterized by plasma treatment or corona discharge.
본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유의 표면개질방법은 탄소섬유를 디사이징시키는 단계;이전에 탄소섬유를 스프레딩시키는 단계;가 추가되는 것을 특징으로 한다.The method for surface modification of carbon fiber for carbon fiber reinforced plastic according to the present invention is characterized in that a step of dissizing carbon fiber and a step of previously spreading carbon fiber are added.
본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유의 표면개질방법은 탄소섬유를 디사이징시키는 단계;와 표면개질 처리하는 단계; 사이에 디사이징된 탄소섬유를 건조시키는 단계;가 추가되는 것을 특징으로 한다.The method for surface modification of carbon fiber for carbon fiber reinforced plastic according to the present invention comprises the steps of: dissizing carbon fiber; And drying the dispersed carbon fibers between the carbon fibers.
본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유의 표면개질방법은 표면개질 처리된 탄소섬유를 사이징하는 단계;이후에 사이징된 탄소섬유를 건조시키는 단계;가 추가되는 것을 특징으로 한다.The method for surface modification of carbon fiber for carbon fiber reinforced plastic according to the present invention is characterized by further comprising the steps of: sizing the surface-modified carbon fibers; and drying the sized carbon fibers.
본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유는 상기 표면개질방법으로 제조된 탄소섬유인 것을 특징으로 한다.The carbon fiber for carbon fiber reinforced plastic according to the present invention is carbon fiber produced by the above surface modification method.
본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유의 표면개질방법에 의하면, 안정적인 비극성 화학구조와 불활성 표면을 가지고 있는 탄소섬유 표면에 표면개질방법 중 하나인 플라즈마 처리를 통해 carboxyl기나 carbonyl기, pheonl성 수산기 및 중선 수산기 등과 같은 극성기를 도입하여 탄소섬유와 기지재 사이의 강한 계면 결합을 형성시킴으로써 탄소섬유 강화 플라스틱의 기계적 물성을 향상시키는 효과를 가진다. 또한, 본 발명에 따른 연속적인 표면개질방법에 의하면, 탄소섬유 생산 시간 및 비용 절감은 통한 공정 개선과 표면개질 향상으로 인한 품질 향상으로 인한 제품 경쟁력 강화 효과가 있다. According to the method for surface modification of carbon fiber for carbon fiber reinforced plastic according to the present invention, a carbon fiber surface having a stable nonpolar chemical structure and an inert surface is subjected to plasma treatment, which is one of surface modification methods, to form a carboxyl group, a carbonyl group, And a hydroxyl group such as a heavy hydroxyl group to introduce a strong interfacial bond between the carbon fiber and the substrate, thereby improving the mechanical properties of the carbon fiber-reinforced plastic. Further, according to the continuous surface modification method according to the present invention, there is an effect of enhancing product competitiveness due to quality improvement due to process improvement and surface modification through carbon fiber production time and cost reduction.
또한, 본 발명에서 대기압에서 처리하는 코로나 방전의 경우 진공 플라즈마 처리와 동등한 개질 효과를 얻을 수 있으며 연속생산설비 구축 및 유지측면에서 효과적이다. 생산설비의 유지에 대한 어려움으로 산업에 직접적인 적용이 쉽지 않았던 진공 플라즈마 대신 동일한 효과를 얻을 수 있는 대기압 코로나 방전 처리로 에너지 절감 및 친환경적인 탄소섬유 가공이 가능하다.Further, in the present invention, the corona discharge to be treated at atmospheric pressure can obtain the same effect as the vacuum plasma treatment and is effective in terms of construction and maintenance of continuous production equipment. Because of the difficulties in maintaining production facilities, atmospheric pressure corona discharge treatment that can achieve the same effect instead of vacuum plasma, which is not easy to apply directly to industry, can save energy and make environmentally friendly carbon fiber processing.
도 1은 탄소섬유의 디사이징되지 않은 탄소섬유와 디사이징된 탄소섬유를 메트릭스 수지와 혼련시켜 성형한 비교 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유 표면 개질을 위한 장치도이다.
도 3은 본 발명의 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유 표면개질방법의 프로세스이다.
도 4는 출하된 탄소섬유, 플라즈마 처리 방식에 따른 인장강도를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소섬유의 표면개질이후 사용방법에 대한 예시도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a comparative microphotograph of carbon fiber disassociated with carbon fiber and dislocated carbon fiber kneaded with a matrix resin. Fig.
2 is a device diagram for carbon fiber reinforced plastic surface modification of the present invention.
3 is a process of a carbon fiber reinforced plastic surface modification method of the present invention.
4 is a graph comparing the tensile strengths of the carbon fibers and the plasma treatment method shipped.
5 is an exemplary view illustrating a method of using carbon fiber after surface modification according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 실시 예는 발명의 다양한 관점을 설명한다. 예를 들면, 일 실시 예에 관하여 기술된 특징은 또 다른 실시 예로 대체되기 위한 또 다른 전형으로 사용될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. The embodiments illustrate various aspects of the invention. For example, the features described with respect to one embodiment may be used as another alternative to be replaced with another embodiment.
일반적으로 제조업체에서 출하된 탄소섬유의 표면에는 에폭시계열의 수지가 사이징된 상태로 출하된다. 이 상태로 출하된 탄소섬유를 강화재로 한 탄소섬유강화 복합재료의 기계적 성질은 섬유와 메트릭스 수지 사이의 계면상태가 응력, 변형 및 충격강도와 같은 기계적 특성에 중요한 영향을 미친다.Generally, the surface of carbon fiber shipped from the manufacturer is shipped with the epoxy-based resin sized. The mechanical properties of carbon fiber reinforced composites reinforced with carbon fiber shipped in this state have an important influence on the mechanical properties such as stress, strain and impact strength of the interfacial state between fiber and matrix resin.
도 1은 탄소섬유의 디사이징되지 않은 탄소섬유와 디사이징된 탄소섬유를 메트릭스 수지와 혼련시켜 성형한 비교 현미경 사진이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a comparative microphotograph of carbon fiber disassociated with carbon fiber and dislocated carbon fiber kneaded with a matrix resin. Fig.
도 1의 좌측사진은 탄소섬유가 출하된 상태 즉, 디사이징되지 않은 탄소섬유를 메트릭스 수지와 혼련한 후, 성형된 상태의 사진이다. 이 사진에서도 파악되는 바와 같이 탄소섬유와 메트릭스 수지의 결합상태가 나쁘다는 것을 알 수 있다. 반면, 도 1의 우측사진은 디사이징된 탄소섬유를 메트릭스 수지와 혼련한 후, 성형된 상태의 사진이다. 이 우측사진은 좌측사진의 탄소섬유와 메트릭스 수지와 결합상태가 양호하다는 것을 알 수 있다.The photograph on the left side of Fig. 1 is a photograph of a state in which the carbon fiber is shipped, that is, the carbon fiber which is not dessized is kneaded with the matrix resin and then molded. As can be seen from this photograph, it can be seen that the bonding state of the carbon fiber and the matrix resin is poor. On the other hand, the photograph on the right side of FIG. 1 is a photograph of a molded state after kneading the dis-sized carbon fiber with a matrix resin. This right photograph shows that the bonding state with the carbon fiber and the matrix resin in the left photograph is good.
이와 같이 제조사에서 출하된 탄소섬유의 표면에 코팅된 수지를 제거하는 것 만으로도 메트릭스 수지와의 결합상태가 좋아진다는 것을 알 수 있다.Thus, it can be seen that the bonding state with the matrix resin is improved by removing the resin coated on the surface of the carbon fiber shipped from the manufacturer.
본 발명은 탄소섬유를 강화재로 한 탄소섬유강화플라스틱에 사용되는 탄소섬유를 메트릭스 수지와의 결합력을 향상시키기 위한 탄소섬유의 표면개질방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for modifying the surface of a carbon fiber for improving bonding force between a carbon fiber and a matrix resin used in a carbon fiber reinforced plastic using carbon fiber as a reinforcement material.
도 2는 본 발명의 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유 표면 개질을 위한 장치도이다. 2 is a device diagram for carbon fiber reinforced plastic surface modification of the present invention.
먼저 탄소섬유를 언와이딩기에서 스프레딩장치로 이송시킨다. First, the carbon fibers are transferred from the unwinder to the spreading device.
탄소섬유는 제조사로부터 출고시 한가닥시 제조되는 것이 아니라, 16,000가닥(16K), 24,000(24K)가닥과 같이 수만개의 탄소섬유로 제조되므로, 제조사에서 출하된 탄소섬유의 코팅물질을 효과적으로 제거시키려면, 탄소섬유를 넓게 스프레딩시키는 것이 바람직하다.The carbon fiber is not manufactured at the time of shipment from the manufacturer but is made of tens of thousands of carbon fibers such as 16,000 strands (16K) and 24,000 (24K) strands. Therefore, in order to effectively remove the carbon fiber coating material shipped from the manufacturer, It is preferable to spread the carbon fiber widely.
이는 수천 가닥의 탄소섬유가 뭉쳐져 있기 때문에 스프레딩을 통하여 탄소섬유를 넓게 펴서 후공정에서 진행될 디사이징 용액에 침지시 쉽게 코팅된 수지를 제거하기 위한 것이다. This is because the thousands of carbon fibers are gathered together so that the carbon fiber is stretched widely through spreading to easily remove the coated resin when dipped in a desizing solution to be performed in a post-process.
상기 스프레딩장치는 언와이딩기에서 공급된 수천가닥의 탄소섬유가 사이징된 상태에서 다발(뭉쳐져)형태인 탄소섬유를 단탄소섬유로 분리시켜 후속되는 디사이징장치에서 단탄소섬유의 표면에 코팅되어 있는 수지를 제거하기 쉽도록 하기 위하여 탄소섬유를 분리시키는 역할을 한다.The spreading device is formed by separating carbon fibers in the form of bundles into carbon fibers in a state where thousands of carbon fibers supplied from the unwinder are sized and coated on the surface of the carbon fibers in the subsequent sizing device It is responsible for separating the carbon fibers to make it easier to remove the resin.
상기 스프레딩장치는 도 2에 도시된 바와 같이 한 쌍의 롤러가 다수개 배치되어 있고, 한쌍의 롤러는 볼록롤러와 오목롤러가 교호로 배열된 롤러들 사이로 탄소섬유 다발이 통과된다. 탄소섬유 다발은 볼록롤러를 통과시키면서 탄소섬유 단섬유다발을 펴고, 오목롤러를 통과시키면서 탄소섬유 단섬유다발을 모으는 단계를 수회 반복하여 탄소섬유가 다발상태에서 단섬유 상태로 분리시키는 장치이다.As shown in FIG. 2, the spreading device has a plurality of pairs of rollers, and the pair of rollers passes the bundle of carbon fibers between rollers in which convex rollers and concave rollers are alternately arranged. The carbon fiber bundle is a device for separating the carbon fibers from the bundle state to the short fiber state by repeating the step of spreading the bundle of carbon fiber short fibers while passing through the convex roller and collecting the bundle of carbon fiber short fibers while passing through the concave roller.
스프레딩장치에 공급된 탄소섬유 단섬유는 스프레딩장치의 볼록롤러를 통과하면서 탄소섬유 단섬유로 분리되고, 오목롤러를 통과하면서 탄소섬유 단섬유가 모아진다. 이렇게 볼록롤러와 오목롤러를 수회반복하여 탄소섬유 단섬유가 통과하게 되면 탄소섬유 단섬유의 분리가 용이하게 된다.The carbon fiber staple fibers fed to the spreading device are separated into carbon fiber staple fibers while passing through the convex rollers of the spreading device, and the carbon fiber staple fibers are collected while passing through the concave rollers. Thus, if the carbon fiber staple fibers pass through the convex roller and the concave roller several times, separation of the carbon fiber staple fibers becomes easy.
이때 배열된 볼록롤러와 오목롤러의 수에 따라 탄소섬유 단섬유의 스프레딩 정도가 결정되게 되며, 롤러위치 가이드(미도시)를 이용하여 롤러의 위치를 조절하여 볼록롤러와 오목롤러에 마찰되는 탄소섬유 단섬유의 장력을 조절함으로써 스프레딩 정도를 조절할 수 있다.At this time, the degree of spreading of the carbon fiber staple fibers is determined according to the number of the arranged convex rollers and the concave rollers, and the position of the rollers is adjusted by using a roller position guide (not shown) The degree of spreading can be controlled by adjusting the tension of the short fibers.
이렇게 스프레딩된 탄소섬유 단섬유는 디사이징 장치의 함침조 내 디사이징용액에 침지시켜 탄소섬유의 표면에 코팅된 수지를 제거한다.The spread carbon fiber short fiber is immersed in a desizing solution in the impregnation tank of the desizing device to remove the resin coated on the surface of the carbon fiber.
상기 디사이징 용액은 일정 수준의 질량비를 갖는 유기용재 등에 희석된 상당한 고형분으로 이루어진다. 스프레딩된 탄소섬유 단섬유는 상온의 디사이징 용액의 함침조에서 일정 시간 동안 침지시켜 탄소섬유의 표면에 코팅된 유기물을 제거한다.The desizing solution is composed of a considerably high solids content diluted with an organic solvent having a certain level of mass ratio. The spread carbon fiber short fiber is immersed in the impregnation tank of the desizing solution at room temperature for a predetermined time to remove the organic material coated on the surface of the carbon fiber.
본 발명의 일실시예로 디사이징 용액은 MEK(메틸에틸케톤), IPA(이소프로필알콜), Aceton 등에 희석된 고형분 40~60%을 갖는다. In one embodiment of the present invention, the desizing solution has a solid content of 40 to 60% diluted with MEK (methyl ethyl ketone), IPA (isopropyl alcohol), Aceton and the like.
상기 디사이징된 탄소섬유 단섬유는 디사이징 유기용재를 제거하기 위하여 건조장치로 공급된다. 건조온도는 100~150℃의 온도범위이고, 가열열원은 Hot air 또는 IR 히터를 사용하며 공정속도는 1~20m/min로 진행한다. 건조방식은 인라인방식, 이중 수직형 Roll to Roll 방식 등을 사용할 수 있다.The desiccated carbon fiber staple fiber is supplied to a drying apparatus to remove desizing organic strips. The drying temperature is in the range of 100 ~ 150 ℃. Hot air or IR heater is used as heating source and the process speed is 1 ~ 20m / min. Drying can be done in-line or double vertical roll-to-roll.
상기 디사이징후 건조된 탄소섬유 단섬유는 플라즈마 처리장치로 공급한다.The carbon fiber short fibers dried after the desizing are supplied to a plasma processing apparatus.
상기 플라즈마 처리장치에서 탄소섬유표면을 개질시켜 탄소섬유의 표면에 미세한 구멍을 형성시킨다. 이와 같이 탄소섬유의 표면을 개질함으로써, 탄소섬유강화플라스틱의 메트릭스 수지와의 계면결합력을 향상시킨다.The surface of the carbon fiber is modified in the plasma processing apparatus to form fine holes on the surface of the carbon fiber. By modifying the surface of the carbon fiber in this manner, the interfacial bonding force of the carbon fiber-reinforced plastic with the matrix resin is improved.
상기 플라즈마처리를 하는 이유는 종래의 수지와 탄소섬유 간의 결합력이 낮아 인장강도, 강성 등 기계적 성질이 낮은 점을 해결하기 위한 것이다.The reason for carrying out the plasma treatment is to solve the problem of low mechanical strength such as tensile strength and rigidity due to low bonding force between the conventional resin and carbon fiber.
표면개질장치의 다른 실시예로 코로나방전장치를 사용할 수도 있다.As another embodiment of the surface modification apparatus, a corona discharge device may be used.
코로나방전에 의한 표면개질은 고에너지의 레디컬이나 이들 주위의 오존, 산소, 질소, 수분 등이 반응하여 카르보닐기, 카르복실기, 히드록실기, 시아노기, 등의 극성관능기가 도입되어 탄소섬유의 단섬유 표면을 개질시키는 것으로 진공중에서 처리되는 플라즈마 처리에 비하여 대기중에서 코로나방전 처리를 할 수 있으므로 표면개질 처리조건이 자유롭고, 대기중에서 공정을 진행할 수 있어 연속공정이 가능한 장점을 갖는다.The surface modification by the corona discharge is carried out by a radical of a high energy or ozone, oxygen, nitrogen, moisture and the like around them, and polar functional groups such as a carbonyl group, a carboxyl group, a hydroxyl group and a cyano group are introduced, Since the corona discharge treatment can be performed in the air compared with the plasma treatment in which the surface is modified in vacuum, the surface modification treatment condition is free and the process can be carried out in the atmosphere, and the continuous process can be performed.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마처리는 아래와 같은 조건에서 수행하였다.The plasma treatment according to the embodiment of the present invention was performed under the following conditions.
가. 진공도 5.0×10-5torrend. Vacuum degree 5.0 × 10 -5 torr
나. LIS 플라즈마 표면처리 조건I. LIS plasma surface treatment conditions
1) Plasma voltage : 1.5kV, Plasma current : 100mA1) Plasma voltage: 1.5kV, Plasma current: 100mA
2) Ar 가스, Ar+O2 혼합가스 사용 : 2종 가스적용2) Using Ar gas and Ar + O2 mixed gas: Applying two kinds of gas
3) 공정 주행 속도 : 1.0 m/min3) Process running speed: 1.0 m / min
- 500m 작업 후 진공 파괴 후 sample 1차 unloading- Sample unloading after vacuum breaking after 500m operation
- 재 pumping하여 잔여 500m 작업 후 동일 작업 진행하였다.- After re-pumping, the same operation was performed after remaining 500 m.
본 발명의 실시 예는 장섬유 강화 열가소성 탄소섬유 복합재를 이용한 자동차부품을 LFT-D 시스템에 적용하기 위한 것으로, 탄소섬유 강화플라스틱제품의 성능향상을 위하여 플라즈마 표면처리(탄소 섬유 500mm x 2roll 기준 총 1,000m 처리)하였다. An embodiment of the present invention is to apply an automobile part using a long fiber-reinforced thermoplastic carbon fiber composite material to an LFT-D system. To improve the performance of a carbon fiber reinforced plastic product, a plasma surface treatment (carbon fiber 500 mm x 2 roll m).
탄소섬유에 TPU(Thermoplastic Poly Urethane) 수지 코팅을 위한 전처리 과정으로 탄소섬유의 표면에 Ar 또는 Ar+O2 혼합가스로 스퍼터링 처리를 진행하였다.Sputtering of carbon fiber with Ar or Ar + O2 mixed gas was performed on the surface of carbon fiber by preprocessing process for TPU (Thermoplastic Poly Urethane) resin coating.
상기 탄소섬유의 표면개질처리한 탄소섬유 단섬유는 사이징장치로 공급된다.The carbon fiber staple fibers subjected to the surface modification treatment of the carbon fibers are supplied to a sizing apparatus.
사이징장치는 탄소섬유 단섬유와 메트릭스 수지와의 계면결합력을 향상시키기 위한 탄소섬유 표면에 표면개질처리 이후에 메트릭스 수지와의 결합성이 좋은 물질의 수지를 다시 사이징하기 위한 것이다.The sizing device is for resizing the resin of the material having good bonding property with the matrix resin after the surface modification treatment on the surface of the carbon fiber to improve the interfacial bonding strength between the carbon fiber staple fiber and the matrix resin.
탄소섬유 단섬유를 사이징을 위한 유기용재는 기지재인 메트릭스 수지를 적용한다. 사이징을 위한 수지의 용융온도는 복합재 기지재인 수지별 용융점과 열분해 개시온도 특성에 맞춰 제조 공정상의 최소 온도를 용융점 이상, 열분해 개시온도 미만으로 설정되어야 한다. 그러나 실제 공정 중 작업온도는 수지의 산화방지 및 기타 잔류 휘발성분의 기화방지 등을 위하여 최고 열분해 개시온도 보다 낮은 온도인 것이 바람직하다. 사이징 수지의 일정한 도포(코팅)를 위해서 플라즈마와 사이징장치 사이에 탄소섬유의 장력을 제어하기 위한 제어모듈이 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 사이징장치에서 탄소섬유 단섬유의 함침효과를 증대시키기 위해 사이징장치 후단에 스퀴징 롤러를 배치한다.The organic matrix for sizing of carbon fiber staple is matrix resin. The melting temperature of the resin for sizing should be set so that the minimum temperature in the manufacturing process is above the melting point and below the pyrolysis initiation temperature in accordance with the melting point and pyrolysis initiation temperature characteristics of the resin, which is a composite material. However, the working temperature during the actual process is preferably lower than the maximum pyrolysis initiation temperature in order to prevent oxidation of the resin and to prevent vaporization of other residual volatile components. It is desirable to provide a control module for controlling the tension of the carbon fibers between the plasma and the sizing device for uniform application (coating) of the sizing resin. Further, in order to increase the impregnation effect of the carbon fiber staple fibers in the sizing device, a squeezing roller is disposed at the rear end of the sizing device.
사이징 수지로는 열경화성 수지인 에폭시, 우레탄. 열가소성 수지인 열가소성 폴리우레탄, 나일론6 등이 사용될 수 있다.As the sizing resin, thermosetting resin epoxy, urethane. Thermoplastic polyurethane as a thermoplastic resin, nylon 6, and the like can be used.
상기 사이징장치는 열경화성 수지를 함침하는 장치와 열가소성 수지를 함침하는 장치가 제공될 수 있으며, 제조하고자 하는 수지의 종류에 따라 사이징장치를 선택할 수 있다. The sizing apparatus may be provided with a device for impregnating a thermosetting resin and a device for impregnating a thermoplastic resin, and a sizing device may be selected according to the type of resin to be produced.
상기 사이징장치에서 사이징된 후 건조장치로 공급된다. 건조장치의 건조장치의 가열열원은 Hot air 또는 IR 히터, 마이크로웨이브를 사용할 수 있으며, 공정속도는 1~20m/min로 진행한다. 건조방식은 인라인방식, 이중 수직형 Roll to Roll 방식 등을 사용할 수 있다.Is sized in the sizing apparatus and then supplied to the drying apparatus. Hot air or IR heater or microwave can be used as the heating source of the drying device of the drying device, and the process speed is 1 to 20 m / min. Drying can be done in-line or double vertical roll-to-roll.
건조온도는 100~150℃에서 건조하여 표면을 코팅하는 열풍 건조 공정이 필요하다. 이 공정에서 IR 히터를 사용할 경우 건조 온도 조절 변수에 따라 내부에 void를 생성할 수 있어 주의가 필요하다.The drying temperature needs to be a hot air drying process in which the surface is coated by drying at 100 to 150 ° C. If IR heater is used in this process, it may generate voids according to the drying temperature control variable, so care must be taken.
도 3은 본 발명의 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유 표면개질방법의 프로세스이다.3 is a process of a carbon fiber reinforced plastic surface modification method of the present invention.
본 발명의 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유와 메트릭스 수지간의 계면결합력을 높이기 위한 표면개질방법은 제조된 탄소섬유를 준비하는 단계, 탄소섬유를 스프레딩시키는 단계, 탄소섬유를 디사이징시키는 단계, 디사이징된 탄소섬유를 건조하는 단계, 디사이징된 탄소섬유의 표면을 플라즈마처리하는 단계, 플라즈마처리된 탄소섬유를 사이징하는 단계, 사이징된 탄소섬유를 건조시키는 단계로 이루어진다.The surface modification method for enhancing the interfacial bonding strength between the carbon fiber for a carbon fiber reinforced plastic and the matrix resin of the present invention comprises a step of preparing the carbon fiber, a step of spreading the carbon fiber, a step of disposing the carbon fiber, Drying the carbon fiber, treating the surface of the dis- shaped carbon fiber with a plasma, sizing the plasma-treated carbon fiber, and drying the sized carbon fiber.
도 4는 출하된 탄소섬유, 플라즈마 처리 방식에 따른 인장강도를 비교한 그래프이다.4 is a graph comparing the tensile strengths of the carbon fibers and the plasma treatment method shipped.
1. Non-PS는 디사이징을 하지 않은 탄소섬유를 플라즈마 처리한 탄소섬유,1. Non-PS is a carbon fiber treated with a non-desizing carbon fiber,
2. Ar가스분위기에서 플라즈마처리한 탄소섬유,2. Carbon fibers treated with plasma in an Ar gas atmosphere,
3. Ar가스분위기에서 플라즈마처리한 탄소섬유,3. Carbon fibers treated with plasma in an Ar gas atmosphere,
4. Ar + O2 가스분위기에서 플라즈마처리한 탄소섬유를 나타낸다.4. Carbon fiber treated with plasma in an Ar + O 2 gas atmosphere.
도 4에 나타낸 결과를 살펴보면 디사이징을 하지 않은 탄소섬유와 플라즈마 처리한 탄소섬유에 비하여 디사이징을 한 후, 플라즈마처리한 탄소섬유가 인장강도가 최대 23.2%까지 증가된 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, it can be seen that the tensile strength of the carbon fiber subjected to plasma treatment after dissizing compared to the carbon fiber not subjected to desizing and the plasma treatment was increased up to 23.2%.
이와 같이 제조된 탄소섬유는 도 5에 개시된 바와 같이 압출기, 예열기, 성형프레스를 거쳐 필요로 하는 성형제품을 제조하는 LFT-D 시스템으로 공급되거나, 커팅, 수지 슬롯 다이를 거치는 C-SMC 시스템, 또는 필라멘트 와인딩 장치로 공급될 수 있다.The carbon fibers thus produced may be fed into an LFT-D system to produce the required molded product through an extruder, pre-heater, molding press as described in FIG. 5, or to a C-SMC system through cutting, Filament winding device.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the present invention has been described in detail with reference to the above embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.
Claims (6)
디사이징된 탄소섬유의 표면을 플라즈마 처리로 표면개질 처리하는 단계;
플라즈마처리된 탄소섬유를 사이징하는 단계로 이루어지되;
탄소섬유를 디사이징시키는 단계;이전에
탄소섬유를 스프레딩시키는 단계;가 추가되며,
탄소섬유를 디사이징시키는 단계;와 표면개질 처리하는 단계;사이에
디사이징된 탄소섬유를 건조시키는 단계;가 추가되고,
개질 처리된 탄소섬유를 사이징하는 단계;이후에
사이징된 탄소섬유를 건조시키는 단계;가 추가되되;
스프레딩시키는 단계는 볼록롤러와 오목롤러가 교호로 배열된 롤러들 사이로 탄소섬유 다발이 통과되는 것으로 이루어지며,
탄소섬유를 디사이징시키는 단계;와 표면개질 처리하는 단계;사이에 디사이징된 탄소섬유를 건조시키는 단계의 건조온도는 100~150℃의 온도범위이고, 가열열원은 Hot air 또는 IR 히터이며, 공정속도는 1~20m/min로 진행되는 것으로 이루어지고,
플라즈마처리는, 진공도 5.0×10-5torr, Plasma voltage 1.5kV, Plasma current 100mA, Ar+O2 혼합가스, 공정 주행 속도 1.0 m/min로 이루어지며,
사이징하는 단계의 사이징 수지는 열경화성 수지인 에폭시, 우레탄. 열가소성 수지인 열가소성 폴리우레탄, 나일론6 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화플라스틱용 탄소섬유의 표면개질방법Dissizing the carbon fibers;
Surface-modifying the surface of the dis- sided carbon fiber by plasma treatment;
Sizing the plasma treated carbon fibers;
Dissizing the carbon fiber;
A step of spreading carbon fibers is added,
A step of dissizing the carbon fibers and a step of performing surface modification treatment;
Drying the desized carbon fibers;
Sizing the reformed carbon fibers;
Drying the sized carbon fibers;
The spreading step comprises passing the carbon fiber bundle through the rollers in which the convex roller and the concave roller are alternately arranged,
The drying temperature of the step of drying the disazed carbon fibers between the step of disposing the carbon fibers and the step of modifying the surface of the carbon fibers is a temperature range of 100 to 150 ° C. The hot heat source is a hot air or IR heater, The speed is 1 to 20 m / min,
The plasma treatment was performed at a vacuum degree of 5.0 × 10 -5 torr, a plasma voltage of 1.5 kV, a plasma current of 100 mA, a mixed gas of Ar + O 2 and a process running speed of 1.0 m / min,
The sizing resin in the sizing step is thermosetting resin epoxy, urethane. A surface modification method of a carbon fiber for carbon fiber-reinforced plastic, characterized by being a thermoplastic polyurethane or a nylon 6 as a thermoplastic resin
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