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KR101864552B1 - 탄소 섬유 사이징제, 이를 이용하여 제조된 탄소 섬유 및 탄소 섬유 강화 플라스틱 - Google Patents

탄소 섬유 사이징제, 이를 이용하여 제조된 탄소 섬유 및 탄소 섬유 강화 플라스틱 Download PDF

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KR101864552B1
KR101864552B1 KR1020170144937A KR20170144937A KR101864552B1 KR 101864552 B1 KR101864552 B1 KR 101864552B1 KR 1020170144937 A KR1020170144937 A KR 1020170144937A KR 20170144937 A KR20170144937 A KR 20170144937A KR 101864552 B1 KR101864552 B1 KR 101864552B1
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KR
South Korea
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carbon fiber
weight
parts
polyamide precursor
sizing agent
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Active
Application number
KR1020170144937A
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Inventor
박수형
김우석
김광수
김병국
Original Assignee
도레이첨단소재 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리아미드 전구체 및 계면활성제를 포함하며, 상기 폴리아미드 전구체는 카프로락탐(C6H11NO), 헥사메틸렌디아민(C6H16N2), 아디프산(C6H10O4) 및 세바스산(C10H18O4) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탄소 섬유 사이징제를 제공한다.

Description

탄소 섬유 사이징제, 이를 이용하여 제조된 탄소 섬유 및 탄소 섬유 강화 플라스틱{SIZING AGENT FOR CARBON-FIBER, CARBON-FIBER AND CARBON-FIBER REINFORCED PLASTIC MANUFACTURED BY USING THE SAME}
본 발명은 탄소 섬유 사이징제, 이를 이용하여 제조된 탄소 섬유 및 탄소 섬유 강화 플라스틱에 관한 것이다.
탄소 섬유는 우수한 기계적 물성을 가지고 있어 매트릭스 수지와 함께 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)를 제조하여 사용되고 있다.
탄소 섬유 강화 플라스틱 제조를 위해서는 탄소 섬유를 펼치거나 직조하는 등의 작업이 필요한데, 탄소 섬유는 낮은 신율과 높은 경도 때문에 작업 중 마찰로 인한 손상에 취약하고, 복수의 필라멘트로 구성되어 있어 일정 수준의 집속이 필요하다. 이러한 이유로 탄소 섬유 표면에 사이징제(sizing agent)를 코팅하게 되는데, 사이징제는 마찰 손상 보호, 집속 유지 외에도 매트릭스 수지와의 접착력을 향상시키는 기능도 한다.
현재 대부분의 탄소 섬유 강화 플라스틱은 매트릭스 수지로서 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 등의 열경화성 수지가 사용되고 있는데, 탄소 섬유용 사이징제로는 에폭시 계열을 주로 사용하고 있기 때문에 매트릭스 수지로는 에폭시 수지가 가장 널리 사용되고 있다.
하지만, 매트릭스 수지로서 열경화성 수지가 사용된 탄소 섬유 강화 플라스틱은 성형 과정이나 후가공이 복잡하고 재활용 및 결점 보수가 어려워 제조 비용이 고가라는 문제점이 있어, 최근 열가소성 수지를 매트릭스 수지로 사용한 탄소 섬유 강화 플라스틱이 개발되었으나 에폭시계 사이징제와 열가소성 수지와의 접착력이 약해 기계적 물성이 부족한 단점이 있다.
이에 열가소성 수지를 매트릭스 수지로 사용하더라도 탄소 섬유와 매트릭스 수지 간의 접착력이 우수하여 기계적 물성이 우수한 탄소 섬유 강화 플라스틱 제조 기술 개발의 필요성이 증대되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 열가소성 수지를 매트릭스 수지로 사용할 때도 탄소 섬유 및 매트릭스 수지 간에 우수한 접착력을 가질 수 있도록 하는 탄소 섬유 사이징제, 이를 이용하여 제조된 탄소 섬유 및 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리아미드 전구체 및 계면활성제를 포함하며, 상기 폴리아미드 전구체는 카프로락탐(C6H11NO), 헥사메틸렌디아민(C6H16N2), 아디프산(C6H10O4) 및 세바스산(C10H18O4) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탄소 섬유 사이징제를 제공한다.
상기 계면활성제는 폴리에틸렌아크릴산 공중합체를 포함할 수 있다.
상기 폴리아미드 전구체는 상기 카프로락탐, 상기 헥사메틸렌디아민, 상기 아디프산 및 상기 세바스산을 포함하며, 상기 폴리아미드 전구체 100중량부에 대해 상기 카프로락탐 50~75중량부, 상기 헥사메틸렌디아민 7~25중량부, 상기 아디프산 10~20중량부 및 상기 세바스산 3~10중량부를 포함할 수 있다.
상기 폴리에틸렌아크릴산 공중합체는 상기 폴리에틸렌아크릴산 공중합체 100중량부에 대해 에틸렌 80~95중량부 및 아크릴산 5~20중량부를 포함할 수 있다.
상기 폴리아미드 전구체 및 상기 계면활성제는 80:20~ 55:45의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 폴리아미드 전구체 및 상기 계면활성제는 고형분을 형성하고, 상기 고형분이 물에 에멀젼 형태로 수분산되어 있으며, 상기 수분산된 고형분 농도는 0.01~1.5중량%일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 탄소 섬유 사이징제를 이용하여 사이징 처리된 탄소 섬유로서, 상기 탄소 섬유 사이징제는 폴리아미드 전구체 및 계면활성제를 포함하며, 상기 폴리아미드 전구체는 카프로락탐(C6H11NO), 헥사메틸렌디아민(C6H16N2), 아디프산(C6H10O4) 및 세바스산(C10H18O4) 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 계면활성제는 폴리에틸렌아크릴산 공중합체를 포함하는 탄소 섬유를 제공한다.
상기 사이징 처리된 탄소 섬유의 상기 탄소 섬유 사이징제 코팅량은 탄소 섬유 총 중량 대비 0.001~1.0중량%일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 탄소 섬유 사이징제를 이용하여 사이징 처리된 탄소 섬유, 및 상기 탄소 섬유에 함침된 폴리아미드 수지를 포함하고, 상기 탄소 섬유 사이징제는 폴리아미드 전구체 및 계면활성제를 포함하며, 상기 폴리아미드 전구체는 카프로락탐(C6H11NO), 헥사메틸렌디아민(C6H16N2), 아디프산(C6H10O4) 및 세바스산(C10H18O4) 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 계면활성제는 폴리에틸렌아크릴산 공중합체를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제공한다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유 사이징제, 이를 이용하여 제조된 탄소 섬유 및 탄소 섬유 강화 플라스틱에 따르면, 열가소성 수지를 매트릭스 수지로 사용할 때도 탄소 섬유 및 매트릭스 수지 간에 우수한 접착력을 가질 수 있어 기계적 물성이 우수한 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
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.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 사이징제에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 사이징제는 폴리아미드 전구체 및 계면활성제를 포함한다.
폴리아미드 전구체는 카프로락탐(C6H11NO), 헥사메틸렌디아민(C6H16N2), 아디프산(C6H10O4) 및 세바스산(C10H18O4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
폴리아미드 전구체는 카프로락탐, 헥사메틸렌디아민, 아디프산 및 세바스산을 모두 포함할 수 있으며, 이 경우 폴리아미드 전구체 100중량부에 대해 카프로락탐 50~75중량부, 헥사메틸렌디아민 7~25중량부, 아디프산 10~20중량부 및 세바스산 3~10중량부를 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 카프로락탐 55~70중량부, 헥사메틸렌디아민 12~20중량부, 아디프산 12~18중량부 및 세바스산 5~10중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 사이징제는 탄소 섬유의 양산 공정을 고려하여 수계 용액일 수 있으며, 수분산 안정성을 위해 계면활성제를 포함할 수 있다.
계면활성제는 폴리에틸렌아크릴산 공중합체일 수 있으며, 폴리에틸렌아크릴산 공중합체는 폴리에틸렌아크릴산 공중합체 100중량부에 대해 에틸렌 80~95중량부 및 아크릴산 5~20중량부를 포함할 수 있다.
탄소 섬유 사이징제는 폴리아미드 전구체 및 계면활성제가 고형분을 형성하고, 이 고형분이 에멀젼 형태로 수분산되어 있을 수 있으며, 폴리아미드 전구체 및 계면활성제는 80:20~ 55:45의 중량비로 포함될 수 있으며 바람직하게는 70:30~ 60:40의 중량비로 포함될 수 있다.
이는 계면활성제의 함량이 고형분 총 중량 대비 20중량부 미만인 경우 폴리아미드 전구체의 수분산성이 약해져 공정 중에 탄소 섬유 사이징제 내의 고형분 침전이 발생할 수 있고, 계면활성제의 함량이 고형분 총 중량 대비 45중량부를 초과하는 경우 폴리아미드 전구체의 함량이 상대적으로 적어 탄소 섬유 강화 플라스틱 제조 시 기계적 물성이 떨어질 수 있기 때문이다.
또한, 탄소 섬유 사이징제의 고형분은 145~ 165℃의 녹는점을 가지고, 고형분의 농도는 탄소 섬유 사이징제 총 중량 대비 0.01~1.5중량%로 포함될 수 있으며, 탄소 섬유 사이징제의 점도는 1~6cP일 수 있다.
이는 탄소 섬유 사이징제의 고형분의 녹는점이 145℃ 미만인 경우 사이징제가 건조 장치 등에 눌러 붙어 탄소 섬유의 손상을 발생시킬 수 있고, 165℃ 초과인 경우 건조 장치의 온도 유지에 많은 비용이 발생하여 경제성이 떨어질 수 있기 때문이다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 사이징제를 이용하여 제조된 탄소 섬유 및 탄소 섬유 강화 플라스틱에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유는 앞서 설명한 탄소 섬유 사이징제를 이용하여 사이징 처리된 탄소 섬유일 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱은 탄소 섬유 사이징제를 이용하여 사이징 처리된 탄소 섬유 및 매트릭스 수지를 포함한다.
탄소 섬유 사이징제는 앞서 설명한 탄소 섬유 사이징제를 사용하며, 중복되는 설명은 생략한다.
탄소 섬유는 PAN계 탄소 섬유, pitch계 탄소 섬유, 레이온계 탄소 섬유 등을 포함할 수 있으나, 바람직하게는 비중이 1.7~ 1.9인 PAN계 탄소 섬유를 포함하고, 바람직하게는 비중이 1.75~ 1.85인 PAN계 탄소 섬유를 포함할 수 있다.
이는 비중이 1.7 미만인 경우 탄소 섬유 토우를 형성하는 탄소 섬유 필라멘트에 보이드(void) 등이 많이 존재하여 탄소 섬유 필라멘트의 치밀성이 낮아져서 이를 이용해 제조된 탄소 섬유 강화 플라스틱은 낮은 압축 강도를 갖기 때문이고, 비중이 1.9 초과인 경우 경량화 효과가 떨어질 수 있기 때문이다.
또한, 탄소 섬유 토우의 토우당 필라멘트 수는 1,000개~ 50,000개일 수 있다. 이는 필라멘트 수가 1,000개 미만인 경우 대면적의 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조할 때 부피 당 면적비가 낮아 제조 비용이 많이 들어 경제성이 떨어질 수 있고, 50,000개를 초과할 경우 탄소 섬유 토우당 필라멘트의 결점이 많아져 제조된 탄소 섬유 강화 플라스틱의 인장 강도나 압축 강도 등이 낮아질 수 있기 때문이다.
이러한 탄소 섬유의 사이징 처리는 탄소 섬유를 탄소 섬유 사이징제가 담겨있는 사이징조에 침지시켜 수행될 수 있다.
사이징 처리된 탄소 섬유의 사이징제 코팅량은 탄소 섬유 총 중량 대비 0.001~1.0중량%일 수 있다.
매트릭스 수지는 폴리아미드 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱은 폴리아미드 전구체를 포함하는 탄소 섬유 사이징제로 탄소 섬유를 사이징 처리한 탄소 섬유를 포함하여 폴리아미드 수지와 상용성이 우수하기 때문에, 매트릭스 수지 및 탄소 섬유 간의 접착력이 우수하여 기계적 물성이 우수하다.
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) 탄소 섬유 사이징 원액 제조
아크릴산 5중량%의 폴리에틸렌아크릴산 공중합체(sigma-aldrich)를 비드밀 장비를 이용하여 입경 2㎛ 이하가 되도록 충분히 분쇄하고, 정제수 2L에 분쇄된 폴리에틸렌아크릴산 공중합체 180g을 첨가한 후 용기 상부를 알루미늄 호일로 막고 자력 교반기를 이용하여 용액이 잘 섞이도록 하는 동시에, 80℃로 가열하면서 초음파 분산기를 작동시켰다.
10시간 경과 후 폴리에틸렌아크릴산 공중합체가 정제수에 완전히 녹은 폴리에틸렌아크릴산 공중합체 용액에 카프로락탐(sigma-aldrich) 262.5g, 헥사메틸렌디아민(sigma-aldrich) 65.1g, 아디프산 58.8g 및 세바스산 33.6g을 첨가하고 용기 상부를 알루미늄 호일로 막고 자력 교반기를 이용하여 용액이 잘 섞이도록 하는 동시에, 95℃로 가열하면서 초음파 분산기를 24시간 작동시켜 폴리아미드 전구체 및 폴리에틸렌아크릴산 공중합체가 정제수에 완전히 녹은 사이징 원액을 제조하였다.
사이징 원액을 50g씩 3개의 바이알(bial)에 담은 후 수분을 완전히 증발시켜 하기 수학식에 따라 고형분의 함량을 측정하였다.
고형분 함량 측정은 5회 실시하였으며, 이의 평균값을 사이징 원액의 농도로 판정하였다.
CSz = (WSz- Wv)/ (WT- WV)
WV: 빈 바이알의 질량
WT: 사이징 원액을 포함한 바이알의 질량
WSz: 수분 증발 후 바이알의 질량
CSz: 사이징 원액의 고형분 농도
(2) 탄소 섬유 사이징제 제조
(1) 단계에서 제조된 사이징 원액 13.34g을 정제수 20L에 섞어 탄소 섬유 사이징제를 제조하였다. 정제수에 사이징 원액을 첨가한 후 상온에서 기계식 교반기 또는 자력 교반기를 이용하여 2시간동안 교반하였다. 정제수와 사이징 원액의 양은 하기 수학식에 따라 계산하였다.
WSz= (CfΧ WPW)/ (CSz- Cf)
CSz: 사이징 원액의 고형분 농도
Cf: 탄소 섬유 사이징제의 고형분 농도
WPW: 정제수의 질량
WSz: 첨가되는 사이징 원액의 질량
(3) 사이징 처리된 탄소 섬유의 제조
(2) 단계에서 제조된 탄소 섬유 사이징제를 함침조에 넣고 표면 처리 후 완전히 건조된 탄소 섬유(도레이첨단소재 T700-24k)가 함침조에 침지되도록 사도를 구성하였다.
탄소 섬유는 직경 260mm의 함침롤을 통해 침지되었으며, 함침롤은 상시 하부로부터 100mm 이상 사이징제에 담겨있도록 관리하였다. 사이징제 함침조를 통과한 탄소 섬유를 105~ 130℃ 범위로 가열되어 있는 접촉식 건조 장치와 2.5초간 접촉하도록 하여 수분을 증발시켰다. 그 후 180℃로 가열된 오븐에 100초 동안 통과시키고, 탄소 섬유를 탄소 섬유용 와인더로 권취하여 사이징 처리된 탄소 섬유를 제조하였다.
(4) 탄소 섬유 강화 플라스틱의 제조
(3) 단계에서 제조한 사이징 처리된 탄소 섬유를 6mm 길이로 잘라 탄소 섬유 촙을 얻었으며, 압출기를 이용하여 폴리아미드6,6 수지와 탄소 섬유의 질량비를 7:3으로 컴파운드하여 펠릿 형태의 탄소 섬유 강화 수지 조성물을 제조하였다. 그 후, 탄소 섬유 강화 수지 조성물 펠릿을 사출 성형하여 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 2
정제수에 사이징 원액을 80.32g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 3
정제수에 사이징 원액을 174.85g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 4
정제수에 사이징 원액을 352.78g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 5
정제수에 사이징 원액을 526.86g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 6
아크릴산 15중량%의 폴리에틸렌아크릴산 공중합체(sigma-aldrich)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 7
정제수에 사이징 원액을 73.60g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 8
정제수에 사이징 원액을 168.07g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 9
정제수에 사이징 원액을 338.98g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 10
정제수에 사이징 원액을 519.84g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 11
아크릴산 20중량%의 폴리에틸렌아크릴산 공중합체(sigma-aldrich)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 12
정제수에 사이징 원액을 73.60g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 11과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 13
정제수에 사이징 원액을 161.29g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 11과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 14
정제수에 사이징 원액을 345.88g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 11과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실시예 15
정제수에 사이징 원액을 519.84g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 11과 동일한 방법으로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
비교예 1
탄소 섬유(도레이첨단소재 T700-50C-24k)를 6mm 길이로 잘라 탄소 섬유 촙을 제조하고, 압출기를 이용해 폴리아미드6,6 수지와 탄소 섬유의 질량비를 7:3으로 컴파운드하여 펠릿 형태의 탄소 섬유 강화 수지 조성물을 제조하였다. 제조한 탄소 섬유 강화 수지 조성물 펠릿을 사출 성형하여 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
비교예 2
탄소 섬유(도레이첨단소재 T700-60E-24k)를 6mm 길이로 잘라 탄소 섬유 촙을 제조하고, 압출기를 이용해 폴리아미드6,6 수지와 탄소 섬유의 질량비를 7:3으로 컴파운드하여 펠릿 형태의 탄소 섬유 강화 수지 조성물을 제조하였다. 제조한 탄소 섬유 강화 수지 조성물 펠릿을 사출 성형하여 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조하였다.
실험예
(1) 탄소 섬유 사이징제의 점도 측정
실시예 1~15의 탄소 섬유 사이징제의 점도를 상온에서 점도계(Brookfield LVDV-I+)를 이용하여 회전 속도 6.0rpm, 61번 스핀들을 사용하여 측정하였다.
(2) 사이징제 부착량 측정
실시예 1~15 및 비교예 1~2에서 제조된 사이징 처리된 탄소 섬유를 질소 분위기로 퍼징되고 500℃로 가열된 전기로에 넣고 15분동안 열처리하여 탄소 섬유를 제외한 사이징제 성분을 제거하여 하기 수학식에 따라 사이징제 부착량을 측정하였다.
SZ(%)= ((W0- W1)/ W0)Χ 100(%)
W0: 열처리 전 사이징제를 포함하는 탄소 섬유의 질량
W1: 열처리 후 사이징제가 제거된 탄소 섬유의 질량
SZ(%): 탄소 섬유의 사이징제 부착량
(3) 탄소 섬유 강화 플라스틱의 물성 평가
실시예 1~15 및 비교예 1~2에서 제조된 탄소 섬유 강화 플라스틱의 인장, 굴곡, 내충격 특성을 평가하였다.
인장 특성은 ASTM D638 규격에 따라 Instron Model 8501 UTM과 최대 하중 10톤의 로드 셀을 이용하여 평가하였다.
굴곡 특성은 ASTM D790 규격에 따라 INSTRON Model 5985 UTM과 최대 하중 5톤의 로드 셀을 이용하여 평가하였다.
내충격 특성은 ASTM D256 규격에 따라 CEAST MODEL 6898 충격강도 시험기와 0.5J 해머를 이용하여 평가하였다.
또한, 물성 평가 후 탄소 섬유 강화 플라스틱을 500℃로 가열된 전기로에서 50분동안 연소하여 탄소 섬유 강화 플라스틱 내 탄소 섬유 함유량을 측정하였다. 이의 계산은 하기 수학식에 따라 수행하였다.
CF(%)= ((W1- WC)/ (W0- WC))Χ 100(%)
WC: 측정에 사용한 도가니의 질량
W0: 연소 전 탄소 섬유 강화 플라스틱을 포함한 도가니의 질량
W1: 연소 후 잔여물을 포함한 도가니의 질량
CF(%): 탄소 섬유 강화 플라스틱에 포함된 탄소 섬유의 함유량
이의 실험 결과는 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
사이징제 조성비 고형분(%) 점도
(cP)		 사이징제 부착량(%)
폴리에틸렌아크릴산 공중합체 카프로락탐 헥사메틸렌디아민 아디프산 세바스산
아크릴산 5wt% 아크릴산 15wt% 아크릴산 20wt%
실시예 1 30 44 11 10 6 0.02 1.1 0.01
실시예 2 30 44 11 10 6 0.12 1.3 0.05
실시예 3 30 44 11 10 6 0.26 2.0 0.11
실시예 4 30 44 11 10 6 0.52 2.7 0.19
실시예 5 30 44 11 10 6 0.77 3.4 0.31
실시예 6 30 44 11 10 6 0.02 1.1 0.01
실시예 7 30 44 11 10 6 0.11 1.3 0.04
실시예 8 30 44 11 10 6 0.25 2.0 0.10
실시예 9 30 44 11 10 6 0.50 2.8 0.9
실시예 10 30 44 11 10 6 0.76 3.4 0.29
실시예 11 30 44 11 10 6 0.02 1.1 0.01
실시예 12 30 44 11 10 6 0.11 1.3 0.05
실시예 13 30 44 11 10 6 0.24 2.1 0.09
실시예 14 30 44 11 10 6 0.51 2.6 0.20
실시예 15 30 44 11 10 6 0.76 3.5 0.31
비교예 1 - - - - - - - - - 1.10
비교예 2 - - - - - - - - - 0.23
탄소섬유 함유량(%) 인장강도 (MPa) 인장탄성률 (MPa) 굴곡강도 (MPa) 굴곡탄성률 (GPa) 충격강도 (kJ/m2)
실시예1 28.78 189.0 16200 293.4 12.34 10.90
실시예2 29.81 191.6 16210 304.2 12.78 11.54
실시예3 29.73 193.0 16220 306.8 13.00 11.69
실시예4 29.83 188.8 16200 290.4 12.20 10.25
실시예5 29.99 184.6 16580 287.9 12.08 10.10
실시예6 28.74 189.5 16210 292.2 12.29 10.54
실시예7 29.74 192.0 16220 307.5 13.03 11.71
실시예8 29.72 193.0 16230 306.1 12.97 11.69
실시예9 29.91 189.2 16200 293.3 12.30 10.87
실시예10 29.94 184.5 16570 287.0 12.06 10.01
실시예11 28.80 188.0 16180 287.9 12.07 10.31
실시예12 29.63 191.0 16210 306.9 13.01 11.28
실시예13 29.85 193.1 16220 306.8 13.00 11.68
실시예14 29.70 188.4 16190 299.1 12.62 10.77
실시예15 30.01 184.5 16560 287.1 12.05 10.03
비교예1 29.95 141.9 12130 241.5 9.66 8.63
비교예2 30.00 165.4 13880 257.4 11.02 9.08
먼저, 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1~15는 서로 다른 아크릴산 함량의 폴리에틸렌아크릴산 공중합체를 사용하였으나, 사이징제의 고형분 농도, 점도, 탄소 섬유의 사이징제 부착량에서는 거의 차이가 없는 결과를 보였다.
다음으로, 표 2에 나타난 바와 같이 실시예 1~15는 서로 다른 아크릴산 함량의 폴리에틸렌아크릴산 공중합체를 사용하였으나 거의 유사한 물성을 나타내는 점에서 본 발명의 탄소 섬유 사이징제에서 폴리아미드 전구체가 매트릭스 수지와 탄소 섬유의 상용성 향상에 큰 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 1~2의 탄소 섬유 강화 플라스틱과 비교할 때, 실시예 1~15의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 인장 강도, 인장 탄성율, 굴곡 강도, 굴곡 탄성율 및 충격 강도의 물성이 모두 우수하게 측정되어 본 발명의 실시예에 따른 탄소 섬유 사이징제를 이용하여 탄소 섬유를 사이징 처리할 경우 폴리아미드 수지와의 상용성이 기존의 탄소 섬유보다 우수한 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유 사이징제, 이를 이용하여 제조된 탄소 섬유 및 탄소 섬유 강화 플라스틱에 따르면, 열가소성 수지를 매트릭스 수지로 사용할 때도 탄소 섬유 및 매트릭스 수지 간에 우수한 접착력을 가질 수 있어 기계적 물성이 우수한 탄소 섬유 강화 플라스틱을 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 폴리아미드 전구체 및 계면활성제를 포함하며,
    상기 폴리아미드 전구체는 카프로락탐(C6H11NO), 헥사메틸렌디아민(C6H16N2), 아디프산(C6H10O4) 및 세바스산(C10H18O4) 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 계면활성제는 폴리에틸렌아크릴산 공중합체를 포함하는 탄소 섬유 사이징제.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 폴리아미드 전구체는 상기 카프로락탐, 상기 헥사메틸렌디아민, 상기 아디프산 및 상기 세바스산을 포함하며,
    상기 폴리아미드 전구체 100중량부에 대해 상기 카프로락탐 50~75중량부, 상기 헥사메틸렌디아민 7~25중량부, 상기 아디프산 10~20중량부 및 상기 세바스산 3~10중량부를 포함하는 탄소 섬유 사이징제.
  4. 제1항에서,
    상기 폴리에틸렌아크릴산 공중합체는 상기 폴리에틸렌아크릴산 공중합체 100중량부에 대해 에틸렌 80~95중량부 및 아크릴산 5~20중량부를 포함하는 탄소 섬유 사이징제.
  5. 제1항에서,
    상기 폴리아미드 전구체 및 상기 계면활성제는 80:20~ 55:45의 중량비로 포함된 탄소 섬유 사이징제.
  6. 제1항에서,
    상기 폴리아미드 전구체 및 상기 계면활성제는 고형분을 형성하고,
    상기 고형분이 물에 에멀젼 형태로 수분산되어 있으며,
    상기 수분산된 고형분 농도는 0.01~1.5중량%인 탄소 섬유 사이징제.
  7. 탄소 섬유 사이징제를 이용하여 사이징 처리된 탄소 섬유로서,
    상기 탄소 섬유 사이징제는 폴리아미드 전구체 및 계면활성제를 포함하며,
    상기 폴리아미드 전구체는 카프로락탐(C6H11NO), 헥사메틸렌디아민(C6H16N2), 아디프산(C6H10O4) 및 세바스산(C10H18O4) 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 계면활성제는 폴리에틸렌아크릴산 공중합체를 포함하는 탄소 섬유.
  8. 제7항에서,
    상기 폴리아미드 전구체는 상기 카프로락탐, 상기 헥사메틸렌디아민, 상기 아디프산 및 상기 세바스산을 포함하며,
    상기 폴리아미드 전구체 100중량부에 대해 상기 카프로락탐 50~75중량부, 상기 헥사메틸렌디아민 7~25중량부, 상기 아디프산 10~20중량부 및 상기 세바스산 3~10중량부를 포함하는 탄소 섬유.
  9. 제8항에서,
    상기 사이징 처리된 탄소 섬유의 상기 탄소 섬유 사이징제 코팅량은 탄소 섬유 총 중량 대비 0.001~1.0중량%인 탄소 섬유.
  10. 탄소 섬유 사이징제를 이용하여 사이징 처리된 탄소 섬유, 및
    상기 탄소 섬유에 함침된 폴리아미드 수지를 포함하고,
    상기 탄소 섬유 사이징제는 폴리아미드 전구체 및 계면활성제를 포함하며,
    상기 폴리아미드 전구체는 카프로락탐(C6H11NO), 헥사메틸렌디아민(C6H16N2), 아디프산(C6H10O4) 및 세바스산(C10H18O4) 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 계면활성제는 폴리에틸렌아크릴산 공중합체를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱.
  11. 제10항에서,
    상기 폴리아미드 전구체는 상기 카프로락탐, 상기 헥사메틸렌디아민, 상기 아디프산 및 상기 세바스산을 포함하며,
    상기 폴리아미드 전구체 100중량부에 대해 상기 카프로락탐 50~75중량부, 상기 헥사메틸렌디아민 7~25중량부, 상기 아디프산 10~20중량부 및 상기 세바스산 3~10중량부를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱.
  12. 제10항에서,
    상기 폴리아미드 전구체 및 상기 계면활성제는 80:20~ 55:45의 중량비로 포함된 탄소 섬유 강화 플라스틱.
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