습식 탄소섬유 및 탄소나노튜브 부직포 강화 에폭시 복합재료 제조 및 특성 연구

Abstract

현대 사회의 지구 온난화와 고유가에 대한 문제는 수송기기의 경량화 및 내구성 등에 대하여 요구하고 있다. 수송기기의 내외장재 및 구조재의 경량화를 위한 고성능 탄소섬유와 고분자와의 결합물인 섬유 강화 고분자 복합재에 대한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이와 더불어, 수송기기의 연비 개선을 위한 고출력 전장부품과 능동 안전시스템 적용으로 수송기기 내의 전력사용량은 급격히 증가하고 있다. 수송기기의 전장화로 수송기기 내의 전자파 방출량이 늘어나 오작동의 안전사고 발생이 일어난다. 이에 대응할 수 있는 수송기기 전자파 차폐용 탄소/고분자 복합 신소재의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 wet-laid 부직포 제조 공정에서 탄소섬유 (Carbon fiber, CF) 및 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWCNT)의 분산성을 확보하기 위해 오존 표면 처리 시간, 탄소섬유 초기 함량, 분산제 함량, 분산제 종류 및 분산 방법에 따른 분산성을 평가하였고, 이를 바탕으로 최적의 공정을 선정하여 탄소섬유 부직포, 탄소섬유-CNT 혼합 부직포 그리고 CNT 부직포(CNT Buckypaper)를 제조하였다. 탄소섬유-CNT 혼합 부직포의 CNT 함량이 0 wt.%일 때 전기전도도는 10.56 S/cm이고 20 wt.%에서 전기전도도 값이 103 S/cm로 증가하였다. 또한, 20 wt.%부터 100 wt.%까지는 그 값이 유지되는 것으로 보아 CNT의 Percolation threshold value가 20 wt.%임을 확인하였다. 또한, CNT Buckypaper에서는 전기적 특성의 극대화를 위해 고압 호모게나이저 사용, 첨가제 및 표면 처리 방법의 변경으로 CNT Buckypaper의 전기전도도를 최대 623 S/cm까지 높일 수 있었고, 이 때의 전자파차폐 특성은 35 SE를 나타냈다. 탄소섬유 부직포, 탄소섬유-CNT 혼합 부직포, 탄소섬유-CNT/탄소섬유 직물/탄소섬유-CNT 및 CNT Buckypaper 각각에 에폭시를 적용하여 VARIM (Vacuum assisted resin infusion molding) 공정으로 열경화성 복합재료를 제조하였다. 기계적 물성을 측정한 결과, 각각 앞서 말한 샘플의 순서대로 최대 인장강도는 56.42, 45.17, 187.52, 158.20 MPa을 보였고 탄성률은 6.24, 2.25, 20.01, 16.70 GPa로 탄소섬유 직물로 보강한 샘플이 가장 높은 물성을 나타냈다. 이에 따라, 본 연구는 탄소섬유 및 CNT 복합재료가 수송기기용 내장재 및 구조재의 경량화 소재로의 활용 가능성을 확인하였다.; The problems of global warming and high oil prices in modern society are demanding light weight and durability of transportation vehicles. Therefore, the technology for a fiber reinforced polymer composite material, which is a combination of high performance carbon fibers and polymers, has been actively developed for the weight reduction of interior, exterior, and structural materials for the transportation vehicles. In addition, the gradual adoption of the electronic equipment in the vehicles increases the emission amount of electromagnetic wave, resulting in a safety accident of malfunction of electronic components. To overcome these problems, the studies of a light weight carbon/polymer composite material for electromagnetic wave shielding for transporting vehicle components are required. In order to ensure the dispersibility of carbon fibers and multi-wall carbon nanotubes in the wet-laid nonwoven manufacturing process, the dispersibility was evaluated in terms of ozone surface treatment time, initial carbon fiber content, dispersant content, and types, and dispersion methods, to manufacture CF, CF-CNT and CNT nonwoven fabrics by the optimum process condition. When the CNT content of CF-CNT nonwovens was 0 wt.%, the electrical conductivity was 10.6 S/cm and the electrical conductivity value was increased to 103 S/cm at the CNT content of 20 wt.%. The electrical conductivity is maintained from 20 wt.% to 100 wt.% and the percolation threshold value of CNT can be 20 wt.%. In the CNT buckypaper, the electric performance could be further enhanced by using high pressure homogenizer, adding various additives, and treating CNT buckypaper surfaces. The electrical conductivity of the CNT buckypaper showed a maximum of 623 S/cm and the electromagnetic shielding property of 35 SE. The epoxy thermoset composites were made with VARIM (Vacuum assisted resin infusion molding) reinforced by the CF nonwovens, CF-CNT nonwovens, CF-CNT nonwoven/CF woven fabrics, and CNT buckypaper. Their mechanical properties shows 56.4, 45.2, 187.5, and 158.2 MPa for the tensile strength and 6.2, 2.3, 20, and 16.7 GPa of tensile modulus, respectively. This research succeeds to demonstrate the potential of CF and CNT reinforced composites as light weight and EMI materials in an interior and structural applications for transportation by presenting the excellent performance in the mechanical and EMI properties.