KR101938112B1 - 함침법을 이용한 현무암 섬유 복합재 - Google Patents
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Abstract
현무암 섬유 복합재의 제조 방법이 제공된다. 상기 현무암 섬유 복합재의 제조 방법은, 현무암 섬유들을 스프레딩(spreading)하는 단계, 스프레딩된 상기 현무암 섬유들에 계면 활성제를 제공하는 단계, 상기 계면 활성제가 제공된 상기 현무암 섬유들에 바인더를 제공하는 단계, 상기 바인더가 제공된 상기 현무암 섬유들에 열 가소성 수지를 제공하여, 상기 열 가소성 수지를 상기 현무암 섬유에 함침시키는 단계, 상기 열 가소성 수지에 함침된 상기 현무암 섬유들이 슬릿(slit)을 통과하여 현무암 섬유 테이프를 제조하는 단계, 상기 슬릿을 통과한 상기 현무암 섬유 테이프에 열을 제공하고, 롤러(roller)에 통과시키는 단계, 및 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 제조하고, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 적층하여, 현무암 섬유 테이프 적층체(basalt fiber tape stacked structure)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 현무암 섬유 복합재 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 현무암 섬유 테이프가 적층된 현무암 섬유 테이프 적층체를 포함하는 현무암 섬유 복합재 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
탄소 섬유는 높은 인장 강도, 가벼운 무게, 낮은 열 팽창율 등의 특성으로 인해, 항공 우주산업, 자동차, 군사, 토목 건축 및 각종 스포츠 분야의 소재로 널리 사용되고 있는 첨단 소재이다. 하지만, 탄소 섬유는 이러한 우수한 특성에도 불구하고 가격이 비싸기 때문에, 다양한 산업에 활용하는데 한계가 있다.
이에 반해, 현무암 섬유는 천연 현무암을 용융시켜 섬유를 방사하기 때문에, 친환경적이고 제조 공정이 매우 간단하여 여러 산업 분야에서 고성능 산업용 섬유로서 관심이 커지고 있다. 또한, 현무암 섬유의 기계적 특성은 탄소 섬유보다는 낮고, 유리 섬유보다는 우수하다는 것이 연구결과를 통해 발표된바 있다.
대한민국 실용신안 등록 공보 20-0290499(출원번호 20-2002-0020783, 출원인 쎄코텍)에 따르면, 황토 및 현무암 섬유를 포함하여, 원적외선 방출량을 증가시키고, 높은 기계적 강도를 갖는 건축용 황토 패널이 개시되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 높은 강도의 현무암 섬유 복합재, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 현무암 섬유 복합재, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 현무암 섬유 복합재, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 현무암 섬유 복합재의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유 복합재의 제조 방법은, 제1 방향으로 연장하는 현무암 섬유들을 준비하는 단계, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로, 상기 현무암 섬유들을 흔들어 상기 현무암 섬유들을 스프레딩(spreading)하는 단계, 스프레딩된 상기 현무암 섬유들에 계면 활성제를 제공하여, 상기 현무암 섬유들 사이의 간격을 균일화시키는 단계, 상기 계면 활성제가 제공된 상기 현무암 섬유들을 건조하여 바인더를 제공하는 단계, 상기 바인더가 제공된 상기 현무암 섬유들에 열 가소성 수지를 제공하여, 상기 열 가소성 수지를 상기 현무암 섬유에 함침하되, 상기 바인더에 의해 상기 현무암 섬유들과 상기 열 가소성 수지의 결합력이 향상되는 단계, 상기 열 가소성 수지에 함침된 상기 현무암 섬유들이 슬릿(slit)을 통과하여, 상기 제1 방향으로 연장하는 상기 현무암 섬유들이 상기 열 가소성 수지에 의해 둘러싸인, 현무암 섬유 테이프를 제조하는 단계, 상기 슬릿을 통과한 상기 현무암 섬유 테이프에 열을 제공하고, 롤러(roller)에 통과시키는 단계, 및 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 제조하고, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 적층하여, 현무암 섬유 테이프 적층체(basalt fiber tape stacked structure)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더는, 상기 현무암 섬유들과 결합되는 가수분해성 기능 그룹(hydrolyzable functional group), 및 상기 열 가소성 수지와 결합되는 유기 기능 그룹(organic functional group)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가수분해성 기능 그룹은, methoxy, 또는 ethoxy 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 유기 기능 그룹은, vinyl, epoxy, amino, 또는 methacryl 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 계면 활성제는, 양이온 계면 활성제를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유 복합재의 제조 방법은, 상기 현무암 섬유들을 스프레딩하기 전, 상기 현무암 섬유들을 열처리하여, 상기 현무암 섬유들의 표면에 잔존된 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체를 제조하는 단계는, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 적층하여 열압착하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체를 제조하는 단계는, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프 사이에 수지 필름을 제공한 후, 적층된 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 온도 및 압력에 따라서, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 제어될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 압력이 상대적으로 낮은 경우, 열압착 온도가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 증가하고, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 압력이 상대적으로 높은 경우, 열압착 온도가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 감소할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 온도가 상대적으로 낮은 경우, 열압착 압력이 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 증가하고, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 온도가 상대적으로 높은 경우, 열압착 압력이 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 감소할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 현무암 섬유 복합재를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유 복합재는, 복수개의 현무암 섬유 테이프가 적층된 현무암 섬유 테이프 적층체를 포함하되, 상기 현무암 섬유 테이프는, 제1 방향으로 연장하고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격되어 배열된 현무암 섬유들, 및 상기 현무암 섬유들을 둘러싸는 열 가소성 수지를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열 가소성 수지는, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, nylon, polyurethane, 또는 polyamide 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체를 구성하는 복수의 상기 현무암 섬유 테이프에 포함된 상기 열 가소성 수지의 종류는 서로 다를 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법은, 스프레딩된 현무암 섬유들에 계면 활성제를 제공하고, 상기 계면 활성제가 제공된 상기 현무암 섬유들에 바인더를 제공하고, 상기 바인더가 제공된 상기 현무암 섬유들에 열 가소성 수지가 함침되는 것을 포함할 수 있다. 상기 현무암 섬유들에 상기 계면 활성제가 제공되어 상기 현무암 섬유들이 실질적으로 균일하여 배열될 수 있고, 상기 바인더에 의해 상기 현무암 섬유들과 상기 열 가소성 수지의 결합력이 향상될 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유 및 상기 열 가소성 수지를 포함하는 현무암 섬유 테이프의 강도가 증가될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 열 가소성 수지가 함침된 상기 현무암 섬유들이 슬릿을 통과하여 상기 현무암 섬유 테이프가 제조되고, 상기 현무암 섬유 테이프에 열을 제공하고 롤러에 통과될 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지가 바로 경화되지 않아, 상기 현무암 섬유 테이프가 상기 롤러를 통과하는 과정에서 상기 현무암 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지의 적어도 일부가 외부로 배출될 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지의 비율이 감소하여, 상기 현무암 섬유 테이프의 강도가 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법에 따라 제조된 현무암 섬유 테이프를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체의 제조 방법을 설명하기 위한 제1 실시 예이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체의 제조 방법을 설명하기 위한 제2 실시 예이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 탄소 섬유 테이프(좌) 및 현무암 섬유 테이프(우)를 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예 1-1 내지 실시 예 4-3에 따른 섬유 테이프 적층체를 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예 1-1 및 실시 예 1-3에 따른 탄소 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 2-1 및 실시 예 2-3에 따른 탄소 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시 예 3-1 및 실시 예 3-3에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시 예 4-1 및 실시 예 4-3에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 11은 실시 예 1-1, 실시 예 1-3, 실시 예 2-1, 및 실시 예 2-3에 따른 상기 탄소 섬유 테이프 적층체, 및 실시 예 3-1, 실시 예 3-3, 실시 예 4-1, 및 실시 예 4-3에 따른 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 기계적 강도를 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법에 따라 제조된 현무암 섬유 테이프를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체의 제조 방법을 설명하기 위한 제1 실시 예이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체의 제조 방법을 설명하기 위한 제2 실시 예이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 탄소 섬유 테이프(좌) 및 현무암 섬유 테이프(우)를 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예 1-1 내지 실시 예 4-3에 따른 섬유 테이프 적층체를 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예 1-1 및 실시 예 1-3에 따른 탄소 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 2-1 및 실시 예 2-3에 따른 탄소 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시 예 3-1 및 실시 예 3-3에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시 예 4-1 및 실시 예 4-3에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 11은 실시 예 1-1, 실시 예 1-3, 실시 예 2-1, 및 실시 예 2-3에 따른 상기 탄소 섬유 테이프 적층체, 및 실시 예 3-1, 실시 예 3-3, 실시 예 4-1, 및 실시 예 4-3에 따른 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 기계적 강도를 측정한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법에 따라 제조된 현무암 섬유 테이프를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체의 제조 방법을 설명하기 위한 제1 실시 예이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 제조 방법에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체의 제조 방법을 설명하기 위한 제2 실시 예이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 현무암 섬유들이 준비된다(S110). 상기 현무암 섬유들은 제1 방향으로 연장할 수 있다. 상기 제1 방향은, 상기 현무암 섬유들의 길이 방향일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유는, 현무암 원광을 용융 방사하여 현무암 필라멘트를 제조하고, 상기 현무암 필라멘트를 용도에 맞게 텍스(tex) 또는 데니아(denier)를 조절하여 제조될 수 있다.
상기 현무암 섬유들이 스프레딩(spreading)될 수 있다(S120). 상기 현무암 섬유들을 제2 방향으로 흔들어, 상기 현무암 섬유들이 스프레딩될 수 있다. 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 교차하는 방향일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유들이 롤러를 통해 이동하고, 상기 현무암 섬유들이 이동하는 방향(상기 현무암 섬유들의 길이 방향)과 직각인 방향으로 상기 롤러가 진동하면서, 상기 현무암 섬유들이 스프레딩될 수 있다. 상기 현무암 섬유들이 스프레딩되는 동안, 상기 현무암 섬유들에 열풍이 가해질 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유들이 균일한 간격으로 용이하게 스프레딩될 수 있다.
상기 현무암 섬유들을 스프레딩하는 단계는, 제1 온도에서 상기 현무암 섬유들을 스프레딩하는 단계, 및 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 상기 현무암 섬유들을 스프레딩하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유들이 보다 균일하게 스프레딩될 수 있다.
만약, 상술된 실시 예와 달리, 상기 현무암 섬유들이 고온에서 스프레딩된 직후, 후술되는 바와 같이, 계면 활성제가 제공되는 경우, 상기 현무암 섬유들이 상기 계면 활성제에 의해 코팅되는 것이 용이하지 않다. 하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 제1 온도에서 상기 현무암 섬유들이 스프레딩되고, 상기 제1 온도보다 낮은 상기 제2 온도에서 상기 현무암 섬유들이 스프레딩되는 경우, 상기 계면 활성제가 상기 현무암 섬유에 용이하게 코팅될 수 있다.
상기 현무암 섬유들을 표면에 불순물들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 불순물들은, 실란 화합물일 수 있다. 상기 현무암 섬유들을 스프레딩하기 전, 상기 현무암 섬유들을 열처리하여, 상기 현무암 섬유들의 표면에 잔존된 불순물들이 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유들이 용이하게 스프레딩될 수 있다.
스프레딩된 상기 현무암 섬유들에 계면 활성제가 제공될 수 있다(S130). 이에 따라, 상기 현무암 섬유들 사이의 간격이 보다 균일해질 수 있다. 상기 현무암 섬유들의 표면은 알카리 특성을 가질 수 있다. 이에 따라, 일 실시 예에 따르면, 상기 계면 활성제는 양이온 계면 활성제일 수 있고, 이로 인해, 상기 계면 활성제가 제공된 상기 현무암 섬유들의 간격이 보다 균일해질 수 있다. 예를 들어, 상기 계면 활성제는, 제4급 암모늄염(quaternary ammoniums), 아민염(amine salts), 또는 피리딘염(pyridium salts) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 계면 활성제는 상술된 바와 같이 스프레딩된 상기 현무암 섬유들에 제공될 수도 있고, 이와 달리, 상기 현무암 섬유들이 스프레딩되는 공정에서 상기 현무암 섬유들에 제공될 수도 있다. 구체적으로, 일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유들은 1차 스프레딩된 후, 상기 계면 활성제가 상기 현무암 섬유들에 코팅 및 건조되고, 다시 상기 현무암 섬유들이 2차 스프레딩되고 건조된 후, 후술되는 바와 같이 바인더가 상기 현무암 섬유들에 제공될 수 있다.
상기 계면활성제가 제공된 상기 현무암 섬유들에 바인더가 제공될 수 있다(S140). 상기 바인더는, 가수분해성 기능 그룹(hydrolyzable functional group), 및 결합되는 유기 기능 그룹(organic functional group)을 포함할 수 있다. 상기 가수분해성 기능 그룹은 상기 현무암 섬유들의 표면과 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 현무암 섬유들의 표면에 존재하는 OH---와 상기 가수분해성 기능 그룹이 반응하여, 상기 바인더가 상기 현무암 섬유들과 강력하게 결합될 수 있다. 또한, 상기 유기 기능 그룹은 후술되는 열 가소성 수지와 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 가수분해성 기능 그룹은, methoxy, 또는 ethoxy 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 유기 기능 그룹은, vinyl, epoxy, amino, 또는 methacryl 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 계면활성제가 제공된 상기 현무암 섬유들에 상기 바인더가 제공되기 전, 상기 계면활성제가 제공된 상기 현무암 섬유들이 건조될 수 있다. 예를 들어, 상기 계면활성제가 제공된 상기 현무암 섬유는 열풍을 이용하여 건조될 수 있다.
상기 바인더가 제공된 상기 현무암 섬유들에 열 가소성 수지를 제공하여, 상기 열 가소성 수지가 상기 현무암 섬유들에 함침될 수 있다(S150). 예를 들어, 상기 열 가소성 수지는, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, nylon, polyurethane, 또는 polyamide 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 현무암 섬유들에 상기 바인더가 제공될 수 있고, 상기 바인더는 상기 현무암 섬유들의 표면과 결합되는 상기 가수분해성 기능 그룹, 및 상기 열 가소성 수지와 결합되는 유기 기능 그룹을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유들과 상기 열 가소성 수지의 결합력이 향상될 수 있고, 이로 인해, 상기 열 가소성 수지로부터 상기 현무암 섬유가 뽑히는 현상이 최소화될 수 있다.
상기 열 가소성 수지가 함침된 상기 현무암 섬유들이 슬릿(slit)을 통과하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 현무암 섬유 테이프(100)가 제조될 수 있다(S160). 상기 현무암 섬유 테이프(100)는, 상기 제1 방향(도 2에서 x 방향)으로 연장하는 상기 현무암 섬유들(110)이 상기 열 가소성 수지(120)에 의해 둘러싸인 것일 수 있다. 상기 현무암 섬유 테이프(100) 내에서, 상기 현무암 섬유들(110)은 상기 제2 방향(도 2에서 y 방향)으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 상기 슬릿을 통과한 상기 현무암 섬유 테이프에 열을 제공하고, 롤러에 통과시킬 수 있다(S170). 이에 따라, 상기 슬릿을 통과한 상기 현무암 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지는 바로 경화되지 않을 수 있다. 이로 인해, 상기 현무암 섬유 테이프가 상기 롤러를 통과하는 과정에서 상기 현무암 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지의 적어도 일부가 외부로 배출될 수 있다. 이에 따라, 상기 현무암 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지의 비율이 감소하고 상기 현무암 섬유의 비율이 증가하여, 상기 현무암 섬유 테이프의 강도가 증가될 수 있다.
상술된 방법에 따라서, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프가 제조될 수 있다. 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 적층하여 현무암 섬유 테이프 적층체가 제조될 수 있다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 적층하고 열 압착하여, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체가 제조될 수 있다. 적층된 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프가 열 압착되는 과정에서, 상기 현무암 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지가 녹아, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프로부터 상기 현무암 섬유 테이프 적층체가 제조될 수 있다.
또는, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 적층하되, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프 사이에 수지 필름(130)이 제공될 수 있다. 이 경우, 적층된 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프 및 상기 수지 필름(130)이 열 압착되는 과정에서, 상기 현무암 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지 및 상기 수지 필름(130)이 녹아서, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프로부터 상기 현무암 섬유 테이프 적층체가 제조될 수 있다.
복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 온도 및 압력에 따라서, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 제어될 수 있다.
구체적으로, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 압력이 상대적으로 낮은 경우, 열압착 온도가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 증가할 수 있다. 또한, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 압력이 상대적으로 높은 경우, 열압착 온도가 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 감소할 수 있다.
또한, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 온도가 상대적으로 낮은 경우, 열압착 압력이 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 증가할 수 있다. 또한, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 온도가 상대적으로 높은 경우, 열압착 압력이 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 감소할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체를 구성하는 복수의 상기 현무암 섬유 테이프에 포함된 상기 열 가소성 수지의 종류는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체는, polyurethane을 포함하는 현무암 섬유 테이프 및 polypropylene을 포함하는 현무암 섬유 테이프를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 열 가소성 수지의 혼합 여부 및 혼합 비율에 따라서, 어플리케이션에 따라서 다양한 특성을 갖는 현무암 섬유 복합재 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프 사이에 수지 필름(130)이 제공되는 경우, 상기 수지 필름(130)은 상기 현무암 섬유 테이프에 포함된 상기 열 가소성 수지와 다른 종류의 수지일 수 있다. 이에 따라, 다양한 특성을 갖는 현무암 섬유 복합재 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 현무암 섬유 복합재의 특성 평가 결과가 설명된다.
탄소 섬유 테이프 및 현무암 섬유 테이프 제조
12K 탄소 섬유, 2400 Tex 현무암 섬유, 및 열 가소성 수지로 polypropylene 을 준비하였다.
상기 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유를 tow spreading 장치를 통해 spread tow를 제조하고, 펼침성 향상을 위해 furnace 마찰 롤러를 통해 섬유의 폭이 약 7mm에서 20mm로 펼쳐진 spread tow를 제조하였다.
spreading 공정 후, polypropylene에 상기 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유를 함침시키기위해, 함침조에 polypropylene 를 채우고 열을 가하여 polypropylene 을 녹였다. 녹은 상태의 polypropylene 에 상기 탄소 섬유 및 상기 현무암 섬유를 함침시키고, 폭 18~19mm 및 두께 0.15mm의 탄소 섬유 테이프(수지 함량 66wt%), 폭 16~19mm 및 두께 0.25mm의 현무암 섬유 테이프(수지 함량 38.1wt%)를 제조하였다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 탄소 섬유 테이프(좌) 및 현무암 섬유 테이프(우)를 촬영한 사진이다.
탄소 섬유 테이프
적층체
및 현무암 섬유
적층체
제조
상기 탄소 섬유 테이프를 적층하고 30분 동안 열 압착하여 약 1mm 두께의 탄소 섬유 테이프 적층체(실시 예 1-1~실시 예 2-3)를 제조하되, 적층되는 상기 탄소 섬유 테이프의 개수, 공정 온도, 및 압력을 아래의 [표 1]과 같이 조절하였다.
또한, 상기 현무암 섬유 테이프를 적층하고 30분 동안 열 압착하여 약 1mm 두께의 현무암 섬유 테이프 적층체(실시 예 3-1~실시 예 4-3)를 제조하되, 적층되는 상기 현무암 섬유 테이프의 개수, 공정 온도, 및 압력을 아래의 [표 1]과 같이 조절하였다.
| 구분 | 적층 개수 | 온도 (℃) | 압력 (MPa) |
| 실시 예 1-1 (C/5-130) | 10 | 130 | 5 |
| 실시 예 1-2 (C/5-135) | 11 | 135 | |
| 실시 예 1-3 (C/5-140) | 12 | 140 | |
| 실시 예 2-1 (C/10-130) | 12 | 130 | 10 |
| 실시 예 2-2 (C/10-135) | 13 | 135 | |
| 실시 예 2-3 (C/10-140) | 14 | 140 | |
| 실시 예 3-1 (B/5-130) | 7 | 130 | 5 |
| 실시 예 3-2 (B/5-135) | 8 | 135 | |
| 실시 예 3-3 (B/5-140) | 9 | 140 | |
| 실시 예 4-1 (B/10-130) | 9 | 130 | 10 |
| 실시 예 4-2 (B/10-135) | 9 | 135 | |
| 실시 예 4-3 (B/10-140) | 9 | 140 |
도 6은 본 발명의 실시 예 1-1 내지 실시 예 4-3에 따른 섬유 테이프 적층체를 촬영한 사진이고, 도 7은 본 발명의 실시 예 1-1 및 실시 예 1-3에 따른 탄소 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이고, 도 8은 본 발명의 실시 예 2-1 및 실시 예 2-3에 따른 탄소 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이고, 도 9는 본 발명의 실시 예 3-1 및 실시 예 3-3에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이고, 도 10은 본 발명의 실시 예 4-1 및 실시 예 4-3에 따른 현무암 섬유 테이프 적층체 절단면의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 6 내지 도 10에서 알 수 있듯이, 상기 탄소 섬유 테이프를 적층한 후, 가해지는 압력 및 온도에 따라서, 제조되는 상기 탄소 섬유 테이프 적층체의 표면 특성이 변화되는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 압력 및 온도를 조절하여, 상기 탄소 섬유 테이프 적층체 또는 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 표면 특성을 제어할 수 있음을 알 수 있다.
탄소 섬유
적층체
및 현무암 섬유
적층체
기계적 특성 평가
도 11은 실시 예 1-1, 실시 예 1-3, 실시 예 2-1, 및 실시 예 2-3에 따른 상기 탄소 섬유 테이프 적층체, 및 실시 예 3-1, 실시 예 3-3, 실시 예 4-1, 및 실시 예 4-3에 따른 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 기계적 강도를 측정한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 인장시험은 고온인장만능시험기(UTM-M, RB301)ASTM D3039 규격에 기준하여, 시료의 두께를 1mm로 고정하고 시험 속도를 2mm/min으로 설정하고, 굴곡 시험은 ASTM D790 규격에 따라 시료의 두께는 2mm로 고정하고 시험 속도를 1mm/min으로 설정하여, 실시 예 1-1, 실시 예 1-3, 실시 예 2-1, 및 실시 예 2-3에 따른 상기 탄소 섬유 테이프 적층체, 및 실시 예 3-1, 실시 예 3-3, 실시 예 4-1, 및 실시 예 4-3에 따른 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 기계적 특성을 측정하였다.
| 구분 | Width (mm) |
Tensile strength (MPa) |
Tensile modulus (GPa) |
Tensile strain (%) |
| 실시 예 1-1(C/5-130) | 21.38±0.05 | 804.89±38.97 | 16.53±1.99 | 7.26±0.21 |
| 실시 예 1-3(C/5-140) | 25.01±0.14 | 846.59±13.48 | 13.54±0.15 | 7.78±0.04 |
| 실시 예 2-1(C/10-130) | 25.77±0.52 | 819.88±16.80 | 13.24±1.23 | 7.64±0.24 |
| 실시 예 2-3(C/10-140) | 31.33±0.16 | 806.82±28.31 | 12.13±1.37 | 8.41±0.16 |
| 실시 예 3-1(B/5-130) | 19.21±0.02 | 517.45±4.02 | 13.09±0.46 | 6.24±0.04 |
| 실시 예 3-3(B/5-140) | 20.64±0.26 | 561.82±7.74 | 12.36±0.66 | 7.34±0.03 |
| 실시 예 4-1(B/10-130) | 22.41±0.03 | 542.57±11.79 | 11.80±0.65 | 7.27±0.32 |
| 실시 예 4-3(B/10-140) | 24.41±0.47 | 516.66±22.63 | 9.97±0.72 | 6.89±0.28 |
도 11 및 표 2에서 알 수 있듯이, 실시 예 1-1, 실시 예 1-3, 실시 예 3-1, 및 실시 예 3-3과 같이, 상기 탄소 섬유 테이프 및 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 압력이 상대적으로 낮은 경우(5MPa), 열압착 온도가 130℃에서 140℃로 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는, 온도가 증가함에 따라 열 가소성 수지의 점도가 낮아져, 상대적으로 낮은 온도보다 적층이 효과적으로 진행되었기 때문으로 예상된다.
또한, 실시 예 2-1, 실시 예 2-3, 실시 예 4-1, 및 실시 예 4-3과 같이, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 압력이 상대적으로 높은 경우(10MPa), 열압착 온도가 130℃에서 140℃로 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는, 압력이 증가함에 따라 섬유의 간격이 늘어나 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 기계적 강도가 저하되었기 때문으로 예상된다.
또한, 실시 예 1-1, 실시 예 2-1, 실시 예 3-1, 및 실시 예 4-1과 같이, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 온도가 상대적으로 낮은 경우(130℃), 열압착 압력이 5MPa에서 10MPa로 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는, 높은 압력에 의해 상대적으로 낮은 온도의 열 가소성 수지를 이용하여 적층이 효과적으로 진행되었기 때문으로 예상된다.
또한, 실시 예 1-3, 실시 예 2-3, 실시 예 3-3, 및 실시 예 4-3과 같이, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프를 열압착하는 온도가 상대적으로 높은 경우(140℃), 열압착 압력이 5MPa에서 10MPa로 증가할수록, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 인장 강도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는, 상대적으로 높은 온도에서 점도가 낮은 열 가소성 수지에 높은 압력이 인가되어, 섬유의 간격이 늘어나, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체의 기계적 강도가 저하되었기 때문으로 예상된다.
다시 말하면, 상기 탄소 섬유 테이프 및 상기 현무암 섬유 테이프를 적층하여, 상기 탄소 섬유 테이프 적층체 및 상기 현무암 섬유 테이프 적층체를 제조하는 열압착 공정에서, 온도 및 압력을 조절하여, 인장 강도를 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 현무암 섬유 테이프
110: 현무암 섬유
120: 열 가소성 수지
130: 수지 필름
110: 현무암 섬유
120: 열 가소성 수지
130: 수지 필름
Claims (5)
- 복수개의 현무암 섬유 테이프가 적층된 현무암 섬유 테이프 적층체를 포함하되,
상기 현무암 섬유 테이프는,
제1 방향으로 연장하고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격되어 배열된 현무암 섬유들;
상기 현무암 섬유들을 둘러싸는 열 가소성 수지; 및
상기 현무암 섬유 및 상기 열 가소성 수지를 결합시키는 바인더를 포함하되,
상기 바인더는,
상기 현무암 섬유들과 결합되는 가수분해성 기능 그룹(hydrolyzable functional group); 및
상기 열 가소성 수지와 결합되는 유기 기능 그룹(organic functional group)을 포함하는 현무암 섬유 복합재.
- 제1 항에 있어서,
상기 현무암 섬유 테이프 적층체는, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프가 열압착된 것을 포함하는 현무암 섬유 복합재.
- 제2 항에 있어서,
열 압착 과정에서, 상기 현무암 섬유 테이프 내의 상기 열 가소성 수지의 적어도 일부가 녹아서, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체를 구성하는 것을 포함하는 현무암 섬유 복합재.
- 제2 항에 있어서,
상기 현무암 섬유 테이프 적층체는, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프 사이에 제공된 수지 필름을 더 포함하고,
열 압착 과정에서, 복수개의 상기 현무암 섬유 테이프 사이의 상기 수지 필름의 적어도 일부가 녹아서, 상기 현무암 섬유 테이프 적층체를 구성하는 것을 포함하는 현무암 섬유 복합재.
- 제 1항에 있어서,
상기 열 가소성 수지는, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 나일론(nylon), 폴리우레탄(polyurethane), 또는 폴리아미드(polyamide) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 현무암 섬유 테이프 적층체를 구성하는 복수의 상기 현무암 섬유 테이프에 포함된 상기 열 가소성 수지의 종류는 서로 다른 것을 포함하는 현무암 섬유 복합재.
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