KR20180020541A - 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계; 수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계; 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 및 상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 에멀젼 혼합물은 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말 중 선택된 적어도 두 개의 분말이 혼합되어 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 개섬된 연속 탄소섬유다발에, 수지 분말, 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 주입한 후 가열함으로써 전자파 차폐 특성 및 방열 특성을 동시에 가질 뿐만 아니라 제조 원가의 상승 없이 고강도, 고성능의 연속 탄소섬유 강화 복합성형체를 제조할 수 있다.
본 발명은, 개섬된 연속 탄소섬유다발에, 수지 분말, 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 주입한 후 가열함으로써 전자파 차폐 특성 및 방열 특성을 동시에 가질 뿐만 아니라 제조 원가의 상승 없이 고강도, 고성능의 연속 탄소섬유 강화 복합성형체를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 제조가 용이하며 전자파 차폐 특성 및 방열 특성이 우수한 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 섬유 강화 복합재료는 가공성은 우수하나 기계적 강도가 상대적으로 부족한 플라스틱에 탄소섬유, 아라미드 섬유, 유리섬유, 바잘트 섬유 등의 보강섬유를 수 mm 이하의 단섬유 형태로 첨가하거나, 5 내지 50mm 정도의 장섬유 형태로 첨가하여 제조될 수 있다. 하지만 이러한 단섬유 또는 장섬유 강화 복합재료는 보강섬유를 연속 상으로 내장한 연속 섬유 강화 복합재료와 비교하여 기계적 강도, 충격 강도 및 강성 등의 성능이 매우 부족하다. 따라서 연속 섬유 강화 복합재료는 다양한 기계적 성능이 요구되는 제품을 제조할 때 주로 사용될 수 있다.
연속 섬유 강화 복합재료 제조에 사용될 수 있는 보강섬유 중에서 탄소섬유는 경량이고 기계적 강도가 높으며, 내열성이 우수한 점 이외에도 고온에서의 기계적 성질과 내열 충격성 등이 우수한 특성을 가지므로 항공기용 구조재, 우주 왕복선의 소재 등으로 널리 사용되고 있다.
이러한 탄소섬유를 강화재로 사용한 복합재료의 제조방법으로는 여러 가지가 있으나, 토우(Tow), 클로스(Cloth), 팰트(Felt), 매트(Mat) 등의 형태를 가진 탄소섬유에 기질재 원료로서 열경화성 수지나 열가소성 수지를 함침시킨 후, 이것을 적층하고 경화시키는 방법이 가장 일반적인 방법이다. 이러한 방법은 다단계 공정과 고온, 고압에서의 열경화 공정을 거쳐야 하므로, 최근에는 이러한 단점을 보완하기 위하여 빠른 열경화 특성을 부여한 수지 등이 개발되고 있으며, 많은 적용 연구가 이루어지고 있다. 하지만 열경화성 수지를 사용하는 경우, 성형에 장시간이 소요될 뿐만 아니라, 제조 비용의 부담이 크고, 제조 공정도 매우 복잡하다. 또한 열경화성 수지를 사용할 경우, 재활용에 대한 문제점이 대두되고 있다.
한편, 전자파 차폐 및 방열 특성이 부여된 연속 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하기 위해서, 함침용 수지에 전자파 차폐 특성을 갖는 분말 및 방열 특성을 갖는 분말들을 혼합한 후에 함침을 수행하는 방법이 있다. 이러한 방법은 첨가하는 분말을 전자파 차폐 특성 및 방열 특성을 확보할만큼의 충분한 양으로 첨가하는 것이 불가능한 문제점이 있다.
한편, 전자파 차폐 및 방열 특성이 우수한 연속 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하기 위해서는 탄소섬유 사이에 공극이 없을 정도로 전자파 차폐 물질과 방열 물질이 높은 밀도로 함유되어야 한다. 따라서 종래 기술(대한민국 공개특허 10-2014-0085713)에 기재된 방법으로 전자파 차폐 특성 및 방열 특성이 우수한 연속 탄소섬유 강화 복합재료를 제조하는 것은 불가능하며, 질량이 서로 다른 분말상의 물질을 성분 분리가 일어나지 않도록 탄소섬유들 사이에 함침시키는 것 또한 매우 어려운 일이다.
최근에는 전자기기가 고성능화되면서 전자파 차폐 및 발열문제를 해결하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다. 최근까지는 전자파 차폐재료를 코팅하고, 방열시트를 부착하는 방법이 유일한 해결책으로 제시되고 있으나, 충분한 전자파 차폐 및 방열 성능을 확보하기 어려웠다. 따라서 전자파 차폐와 방열 성능을 동시에 충족시키고, 전자파 차폐와 방열 성능이 우수한 복합재료를 개발할 필요성이 대두되었다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 내부 기공이 없을 뿐만 아니라, 제조가 용이하며 전자파 차폐 특성 및 방열 특성이 우수한 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법과 복합성형체의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계; 수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계; 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 및 상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 에멀젼 혼합물은 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말 중 선택된 적어도 두 개의 분말이 혼합되어 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는, 상기 수지 분말은 20 내지 50중량%, 상기 수지 분말을 제외한 나머지 분말의 중량은 50 내지 80중량%로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물에 비이온성 계면 활성제 등을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
수지 함량이 20%미만일 경우에는 복합재료의 강도가 너무 낮아지는 문제점이 있으며, 수지함량이 50%를 초과할 경우에는 모든 특성이 수지 물성에 의존하게 되어 전자파 차폐 효과와 방열 효과를 얻기 어려운 문제가 있다. 비이온성 계면 활성제로는 Triton X, Pluronic, Tween 등의 시판 중인 제품을 사용할 수 있다.
또한, 상기 수지 분말은 열가소성 수지 분말, 열경화성 수지 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며, 상기 열가소성 수지 분말은 폴리플로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하고, 상기 열경화성 수지 분말은 에폭시 수지, 페놀 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계는, 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발의 상측에 위치한 분사 노즐을 통하여 상기 에멀젼 혼합물이 1 내지 1.5bar의 압력으로 분사되면서 주입되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 의한 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계; 수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계; 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계; 상기 복합재료를 직조하여 직물을 형성하는 단계; 및 직물을 핫스탬핑(Hot stamping) 성형하여 복합성형체를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 에멀젼 혼합물은 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말 중 선택된 적어도 두 개의 분말이 혼합되어 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는, 상기 수지 분말은 20 내지 50중량%, 상기 수지 분말을 제외한 나머지 분말의 중량은 50 내지 80중량%로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물에 비이온성 계면 활성제 등을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
비이온성 계면 활성제로는 Triton X, Pluronic, Tween 등의 시판 중인 제품을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법은 복합성형체를 인서트 사출 성형하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수지 분말은 열가소성 수지 분말, 열경화성 수지 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며, 상기 열가소성 수지 분말은 폴리플로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택된 적어도 하나의 포함하고, 상기 열경화성 수지 분말은 에폭시 수지, 페놀 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 복합재료는 10 내지 50mm의 폭을 갖는 형상 또는 스릿팅(Slitting)되어 1 내지 25mm의 폭을 갖는 형상인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 의한 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계; 수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계; 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계; 상기 복합재료를 일정한 크기로 절단(Chopping) 또는 분쇄(Milling)하는 단계; 및 상기 절단 또는 분쇄된 복합재료를 압축 성형 또는 사출 성형하여 복합성형체를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 에멀젼 혼합물은 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말 중 선택된 적어도 두 개의 분말이 혼합되어 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는, 상기 수지 분말은 20 내지 50중량%, 상기 수지 분말을 제외한 나머지 분말의 중량은 50 내지 80중량%로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물에 비이온성 계면 활성제 등을 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
비이온성 계면 활성제로는 Triton X, Pluronic, Tween 등의 시판 중인 제품을 사용할 수 있다.
또한, 상기 수지 분말은 열가소성 수지 분말, 열경화성 수지 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며, 상기 열가소성 수지 분말은 폴리플로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하고, 상기 열경화성 수지 분말은 에폭시 수지, 페놀 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계는, 상기 개섬된 연속 탄소섬유다발의 상측에 위치한 분사 노즐을 통하여 상기 에멀젼 혼합물이 1 내지 1.5bar의 압력으로 분사되면서 주입되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 개섬된 연속 탄소섬유다발에, 수지 분말, 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 주입한 후 가열함으로써 전자파 차폐 특성 및 방열 특성을 동시에 가질 뿐만 아니라 제조 원가의 상승 없이 고강도, 고성능의 연속 탄소섬유 강화 복합성형체를 제조할 수 있다.
또한, 수지 분말, 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 연속 탄소섬유들 사이 및 표면에 직접 복합화함으로써, 항상 일정한 폭의 복합재료를 제조할 수 있으므로, 최종 복합성형체를 제조하기 위한 성형 공정에서의 용융 수지의 흐름(flow)을 최소화할 수 있다.
또한, 제조시 목적에 맞는 다양한 재료를 에멀젼 혼합물에 혼합하여 사용함으로써, 한 가지 특성이 아닌 멀티(Multi) 특성을 부여할 수 있다.
또한, 연속 탄소섬유다발을 개섬할 때 사용되는 치구의 넓이를 조절하거나 복합재료를 스릿팅(Slitting)함으로써, 다양한 두께 및 폭을 갖는 연속 탄소섬유 강화 복합재료를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 복합재료의 일 실시예를 나타낸 전자현미경 촬영 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 4는 직물의 일 실시예를 나타낸 사진이다.
도 5는 복합성형체의 일 실시예를 나타낸 사진이다.
도 6은 복합성형체의 일 실시예를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 전자파 차폐 특성을 측정한 결과이다.
도 2는 복합재료의 일 실시예를 나타낸 전자현미경 촬영 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 4는 직물의 일 실시예를 나타낸 사진이다.
도 5는 복합성형체의 일 실시예를 나타낸 사진이다.
도 6은 복합성형체의 일 실시예를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 전자파 차폐 특성을 측정한 결과이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조 방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 제1 단계(S110)와, 수지 분말이 혼합된 에멀젼(Emulsion) 혼합물을 형성하는 제2 단계(S120)와, 개섬된 연속 탄소섬유다발에 에멀젼 혼합물을 주입하는 제3 단계(S130)와, 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 제4 단계(S140)를 포함한다.
제1 단계(S110)에서, 연속 탄소섬유다발은 개섬(Spreading)된다. 이때, 연속 탄소섬유다발은 일방향으로 배열된 복수의 연속 탄소섬유들을 포함할 수 있다. 24K(24,000가닥) 이상의 연속 탄소섬유다발은 필라멘트 수가 많기 때문에 사전에 개섬될 경우 제3 단계(S130)에서 주입될 에멀젼 혼합물의 침투가 용이하게 이루어질 수 있다. 비록 도시되지는 않았으나, 연속 탄소섬유다발은 권출 롤러에 권취된 상태에서 풀리면서 제공될 수 있다. 또한, 연속 탄소섬유다발은 개섬을 위한 장력 조절과 확산성을 향상시키기 위해 개섬 노즐 장비에 포함된 다단 롤(Multi Roll)을 통과함으로써 더욱더 효율적으로 개섬될 수 있다.
제2 단계(S120)는, 수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물이 제조된다. 이때, 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는, 수지 분말은 20 내지 50중량%, 수지 분말을 제외한 나머지 분말의 중량은 50 내지 80중량%로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와, 혼합물에 비이온성 계면 활성제 등을 혼합하여 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 혼합물에 혼합되는 수지 함량이 20중량% 미만일 경우에는 복합재의 강도가 너무 낮아지는 문제점이 있으며, 수지함량이 50중량%를 초과할 경우에는 모든 특성이 수지 물성에 의존하여 전자파 차폐 효과와 방열 효과를 얻기 어려운 문제가 발생한다.
비이온성 계면 활성제르로는 Triton X, Pluronic, Tween 등의 시판 제품을 사용할 수 있다.
한편, 혼합물에 혼합되는 수지 분말을 제외한 나머지 분말은 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말 중 선택된 적어도 두 개의 분말이고, 이 중에서 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨은 전자파 차폐 특성을 가진 분말이며, 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말은 방열 특성을 가진 분말이다. 특히, 탄소나노튜브와 그래핀은 높은 기계적 특성과 더불어 전자기적 특성이 매우 우수하기 때문에 전자파 차폐재로서 다양하게 사용되고 있으며, 구리 분말과 알루미늄 분말은 높은 열전도성과 전자기적 특성으로 인해 방열소재로서 다양하게 사용되고 있다. 이와 같이 에멀젼 혼합물은 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말 중 선택된 적어도 두 개의 분말이 혼합되어 전자파 차폐 및 방열 특성을 가질 수 있다.
또한, 수지 분말은 열가소성 수지 분말, 열경화성 수지 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함할 수 있다. 이때, 열가소성 수지 분말은 폴리플로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함할 수 있다. 또한, 열경화성 수지 분말은 에폭시 수지, 페놀 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함할 수 있다.
한편, 도 1에서는 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 제1 단계(S110)와, 에멀젼 혼합물을 형성하는 제2 단계(S120)가 순차적으로 수행되는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 제1 단계(S110)와 제2 단계(S120)는 서로 순서를 바꾸어 수행될 수도 있고, 실질적으로 동시에 수행될 수도 있다.
제3 단계(S130)는, 제2 단계(S120)에서 제조된 에멀젼 혼합물이 개섬된 연속 탄소섬유다발에 주입된다. 이때, 에멀젼 혼합물은 개섬된 연속 탄소섬유다발의 상측에 위치한 분사 노즐을 통하여 일정한 압력으로 분사되면서 주입되며, 사용되는 분사 압력은 1 내지 1.5bar에서 이루어지는 것이 바람직하다. 분사 압력이 1bar보다 낮을 경우, 분사되지 않고 그대로 흘러내리는 현상이 발생하게 되며, 분사 압력이 1.5bar보다 높을 경우, 지나치게 강하게 분사됨으로서 오히려 복합율을 저하시키게 된다. 종래에 행해졌던 복합화 방식은 확산 물질의 흐름 방향 또는 높이에 따라 혼합물의 편재가 발생하기 때문에 일정한 함량의 복합재료를 연속적으로 제조하기가 어려운 문제점이 있었다. 그러나 제2 단계(S120)에서 제조된 에멀젼 혼합물을 분사하는 복합화 방식은 개섬된 연속 탄소섬유다발의 상측으로부터 일정한 압력으로 분사하기 때문에 일정한 함량의 복합재료를 연속적으로 제조하기가 용이하다.
제4 단계(S140)에서, 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발은 150℃ 내지 250℃의 온도로 가열되는 가열장치를 통과함으로써 복합재료가 형성된다. 이때, 에멀젼 혼합물에 혼합된 수지 분말, 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 분말은 가열되는 동안 연속 탄소섬유다발에 고착화된다.
제4 단계(S140)에서 제조된 복합재료는 리본(ribbon), 테이프(tape), 시트(sheet) 및 직물(cloth) 등의 형태를 가질 수 있다. 또한, 수지 분말, 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 분말로 구성된 복합물질이 연속 탄소섬유다발에 고착화되면서 형성된 복합재료의 중량은, 연속 탄소섬유다발에 대하여 복합물질이 200중량% 내지 400중량%가 되는 것이 바람직하다. 또한, 복합재료의 폭은 연속 탄소섬유다발의 폭과 비교하여 5 내지 50배인 것이 바람직하다. 한편, 리본, 테이프, 시트 및 직물 형태로 제조된 복합재료는 고속 성형용 CFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermal Plastic) 중간재로도 활용할 수 있다.
도 2는 복합재료의 일 실시예를 나타낸 전자현미경 촬영 사진이다. 도 2(a)는 연속 탄소섬유다발에 대하여 260%의 복합물질이 고착된 복합재료가 형성된 예를 나타내고, 도 2(b)는 연속 탄소섬유다발에 대하여 365%의 복합물질이 고착된 복합재료가 형성된 예를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 복합재료의 연속 탄소섬유들 사이 및 표면에 수지 분말, 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 분말이 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있다. 이러한 복합재료는 일방향으로 배열된 연속 탄소섬유다발에, 수지 분말, 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물이 주입된 후 가열되어 형성될 수 있다. 복합재료에 포함된 연속 탄소섬유다발은 제1 단계(S110)의 개섬 과정을 거치면서 확산된 상태이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조 방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 제1 단계(S210)와, 수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 제2 단계(S220)와, 개섬된 연속 탄소섬유다발에 에멀젼 혼합물을 주입하는 제3 단계(S230)와, 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 제4 단계(S240)와, 복합재료를 직조하여 직물을 형성하는 제5 단계(S250)와, 직물을 핫스탬핑(Hot stamping) 성형하여 복합성형체를 형성하는 제6 단계(S260)를 포함한다.
제1 단계(S210) 내지 제4 단계(S240)는 전술한 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조 방법과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
제4 단계(S240)에서 가열되어 수지 분말, 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 분말의 고착화가 이루어진 복합재료는, 텐션 롤러에 의하여 지지된 상태에서 권취 롤러에 권취될 수 있다. 이때, 복합재료는 10 내지 50mm의 폭을 갖는 형상일 수 있다. 또한, 복합재료는 스릿터를 통과하면서 스릿팅(Slitting)되어 1 내지 25mm의 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
제5 단계(S250)에서, 권취 롤러에 권취된 복합재료는 직조기에 의해 직물로 직조된다. 도 4는 직물의 일 실시예를 나타낸 사진이다. 이와 같이, 복합재료는 평직, 능직 및 주자직, 3D 및 4D 직물로 직조될 수 있다. 또한, 제조된 직물은 권취기를 통해 롤 형태로 권취될 수 있다.
제6 단계(S260)에서, 롤 형태로 권취된 직물은 핫스탬핑 성형을 통해 복합성형체로 제조된다. 이때, 직물은 연속적으로 일정한 크기로 절단되어 핫스탬핑용 몰드(Mold)에 장입된 후, 가열 및 가압될 수 있다.
한편, 제6 단계(S260)에서 형성된 복합성형체는 인서트 사출 성형되어 다른 형태의 복합성형체로 제조될 수도 있다. 도 5 및 도 6은 복합성형체의 일 실시예들을 나타낸 사진이다. 이와 같이, 복합재료로 제조된 직물은 핫스탬핑 성형 및 인서트 사출 성형 중 적어도 하나의 공정을 거치면서 성형되어 고성능, 고강도의 복합성형체로 간단히 제조될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조 방법은, 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 제1 단계(S310)와, 수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 제2 단계(S320)와, 개섬된 연속 탄소섬유다발에 에멀젼 혼합물을 주입하는 제3 단계(S330)와, 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 제4 단계(S340)와, 복합재료를 일정한 크기로 절단 또는 분쇄하는 제5 단계(S350)와, 절단 또는 분쇄된 복합재료를 압축 성형 또는 사출 성형하여 복합성형체를 형성하는 제6 단계(S360)를 포함한다.
제1 단계(S310) 내지 제4 단계(S340)는 전술한 복합재료의 제조 방법과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다. 제5 단계(S350)에서, 복합재료는 일정한 크기로 절단 또는 분쇄된다. 그리고 제6 단계(S360)에서, 일정한 크기로 절단 또는 분쇄된 복합재료는 압축 성형 또는 사출 성형을 통해 복합성형체로 제조된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 전자파 차폐 특성을 측정한 결과이다. 본 측정에 사용된 복합성형체는 수지분말 20%, 구리분말 30%, 알루미늄 분말 30%, 탄소나노튜브 분말 2%, 흑연 분말 18%로 구성된 복합물질을 사용한 에멀젼 혼합물로부터 제조된 복합성형체로서, 연속 탄소섬유다발에 대하여 복합물질의 중량이 260%인 복합성형체이다. 도 8을 참조하면, 복합성형체는 약 50 내지 70dB의 높은 차폐 성능을 보였으며, 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 골고루 높은 전자파 차폐 효과를 보여주고 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 열전도율을 확인하기 위해 시편 1,2,3을 만들고 열전도도를 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 시편 1은 수지의 함량이 25%, 구리 분말 25%, 알루미늄 분말 25%, 흑연 분말 25%로 구성된 복합물질을 사용한 에멀젼 혼합물로부터 제조된 복합성형체이고, 시편 2는 수지의 함량이 40%, 흑연 분말 40%, 탄소나노튜브 분말 3%, 구리 분말 17%로 구성된 복합물질을 사용한 에멀젼 혼합물로부터 제조된 복합성형체이며, 시편 3은 수지의 함량이 20%, 구리 분말 35%, 알루미늄 분말 35%, 탄소나노튜브 분말 2%, 팽창흑연 미 분말 8%로 구성된 복합물질을 사용한 에멀젼 혼합물로부터 제조된 복합성형체이다.
| In-plane (W/mK) | Isotropic (W/mK) | |
| 시편 1 | 5.27 | 1.07 |
| 시편 2 | 1.13 | 0.38 |
| 시편 3 | 7.49 | 1.33 |
표 1에 나타낸 것과 같이 수평방향(In-plane)의 열전도율은 1.13 내지 7.49W/mK로 측정되었고, 등방성(Isotropic)의 열전도율은 0.38 내지 1.33W/mk로 측정되었다.
일반적으로 고분자수지를 사용한 열전도재료의 수평방향으로의 열전도도는 1.0W/mK이하를 나타내고, 에폭시 수지를 유전체로 사용한 방열재의 열전도도는 0.3W/mK수준을 나타내며, 고 방열재로 알려진 세라믹 재료의 열전도도는 1~2W/mK수준을 나타낸다.
이에 비하여 본 발명의 실시예에 의해 제조된 시편들의 열전도도는 표 1에 나타낸 바와 같이 상당히 높은 수준이라고 판단할 수 있으며, 수지함량을 25%이하로 낮춘 시편 1,3은 매우 뛰어난 열전도도를 나타냄을 알 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (13)
- 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계;
수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계;
상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계; 및
상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 에멀젼 혼합물은 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말 중 선택된 적어도 두 개의 분말이 혼합되어 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는,
상기 수지 분말은 20 내지 50중량%, 상기 수지 분말을 제외한 나머지 분말의 중량은 50 내지 80중량%로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
상기 혼합물에 비이온성 계면 활성제를 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 수지 분말은 열가소성 수지 분말, 열경화성 수지 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며,
상기 열가소성 수지 분말은 폴리플로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하고,
상기 열경화성 수지 분말은 에폭시 수지, 페놀 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계는,
상기 개섬된 연속 탄소섬유다발의 상측에 위치한 분사 노즐을 통하여 상기 에멀젼 혼합물이 1 내지 1.5bar의 압력으로 분사되면서 주입되는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
- 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계;
수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계;
상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계;
상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계;
상기 복합재료를 직조하여 직물을 형성하는 단계; 및
상기 직물을 핫스탬핑(Hot stamping) 성형하여 복합성형체를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 에멀젼 혼합물은 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말 중 선택된 적어도 두 개의 분말이 혼합되어 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,
상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는,
상기 수지 분말은 20 내지 50중량%, 상기 수지 분말을 제외한 나머지 분말의 중량은 50 내지 80중량%로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
상기 혼합물에 비이온성 계면 활성제를 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,
상기 복합성형체를 인서트 사출 성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,
상기 수지 분말은 열가소성 수지 분말, 열경화성 수지 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며,
상기 열가소성 수지 분말은 폴리플로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하고,
상기 열경화성 수지 분말은 에폭시 수지, 페놀 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,
상기 복합재료는 10 내지 50mm의 폭을 갖는 형상 또는 스릿팅(Slitting)되어 1 내지 25mm의 폭을 갖는 형상인 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
- 연속 탄소섬유다발을 개섬하는 단계;
수지 분말이 혼합된 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계;
상기 개섬된 연속 탄소섬유다발에 상기 에멀젼 혼합물을 주입하는 단계;
상기 에멀젼 혼합물이 주입된 연속 탄소섬유다발을 가열하여 복합재료를 형성하는 단계;
상기 복합재료를 일정한 크기로 절단(Chopping) 또는 분쇄(Milling)하는 단계; 및
상기 절단 또는 분쇄된 복합재료를 압축 성형 또는 사출 성형하여 복합성형체를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 에멀젼 혼합물은 탄소나노튜브, 그래핀, 구리, 알루미늄, 탄소나노섬유, 황산바륨, 티탄산바륨, 은, 흑연, 팽창흑연 미 분말 중 선택된 적어도 두 개의 분말이 혼합되어 전자파 차폐 및 방열 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계는,
상기 수지 분말은 20 내지 50중량%, 상기 수지 분말을 제외한 나머지 분말의 중량은 50 내지 80중량%로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
상기 혼합물에 비이온성 계면 활성제를 혼합하여 상기 에멀젼 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합재료의 제조방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 수지 분말은 열가소성 수지 분말, 열경화성 수지 분말 중에서 적어도 하나의 분말을 포함하며,
상기 열가소성 수지 분말은 폴리플로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리프탈아마이드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하고,
상기 열경화성 수지 분말은 에폭시 수지, 페놀 수지 중에서 선택된 적어도 하나의 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소섬유 강화 복합성형체의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| CN110734724A (zh) * | 2018-10-19 | 2020-01-31 | 嘉兴学院 | 一种环氧树脂导热胶的制备方法 |
| CN111278177A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-06-12 | 中航复材（北京）科技有限公司 | 一种碳材料电加热片的制备方法 |
| KR20210066360A (ko) * | 2019-11-28 | 2021-06-07 | (주)엘지하우시스 | Pet 기반의 연속 섬유 복합재료 및 이의 제조 방법 |
| KR102422373B1 (ko) * | 2021-04-07 | 2022-07-18 | 금오공과대학교 산학협력단 | 인발성형법에 의한 복합재의 제조방법 및 복합재 |
| CN119410107A (zh) * | 2024-12-13 | 2025-02-11 | 常州融信复合材料有限公司 | 一种连续碳纤维复合材料及其制备的螺栓 |
| CN119704720A (zh) * | 2025-02-27 | 2025-03-28 | 绍兴文理学院 | 一种高强度温度稳定的复合介质材料及其制备方法和应用 |
-
2016
- 2016-08-18 KR KR1020160105032A patent/KR20180020541A/ko not_active Ceased
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