화학저널

일본의 Toyo Oriental Molding(Toyo OM)이 매트릭스 수지 2종을 사용함으로써 고품질의 CFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic)를 제조하는 기술을 개발했다.
Toyo OM은 몬주(Monju) 공학의학연구소와 함께 탄소섬유 다발 안에 저점도 우레탄(Urethane) 에멀전을, 섬유 다발 사이를 채우는 매트릭스로는 우수한 가공성 및 낮은 코스트가 특징인 저비중 PP(Polypropylene)를 사용함으로써 PP 매트릭스 특성을 보유한 상태로 높은 강도를 나타내는 탄소섬유를 제조하는데 성공했다.
프레스성형이 가능하기 때문에 생산성 향상을 위해 수요가 크게 증가할 것으로 기대되는 CFRTP의 품질 향상에 기여하는 기술로 주목받고 있다.
다발 내부와 외부에 서로 다른 매트릭스 수지를 사용하는 기술은 최초로 개발된 것으로 알려졌다.
신기술은 2016년 중소 제조기업 연계지원 사업으로 채택돼 Sakai Sangyo, Yashima Denso, Shimoda Mold, Daiichi Kogyo Seiyaku 등도 공동으로 참여해 개발했다.
일반적으로 CFRTP에 사용하는 열가소성 수지는 점도가 높아 섬유 다발의 내부까지 완전 합침시키는 것이 어려우며 내부에 본드가 남겨지면 탄소섬유 단사끼리 접착이 불가능해지고 크랙이 발생할 가능성도 높아지는 것으로 알려졌다.
장기적으로 자동차 용도가 급부상함에 따라 열가소성 성형성이 더욱 향상돼야 하나 탄소섬유 자체의 코스트 저감을 위해 라지토우(Large Tow)라고 불리는 1개의 다발은 굵은 타입이 주류를 이루고 있어 합침을 더욱 어렵게 만들고 있다.
신기술은 합침 문제를 해결하기 위해 개발한 것으로 탄소섬유 다발 내부에 열가소성 우레탄 에멀전을, 표면에는 PP를 사용했다.
탄소섬유 섬유경이 7마이크로미터 정도인 반면 수계 에멀전에 포함된 우레탄 입자는 0.03마이크로미터로 매우 작아 상당한 수준으로 농도를 높여도 균일하게 합침이 가능하다.
합침 후에는 건조시켜 우레탄과 탄소섬유를 견고하게 접착시키고 이후 도전피복 요령으로 PP로 커버하는 방법을 검토하고 있다.
Vf(섬유체적비중) 50%, PP 40%, 우레탄 10% 정도로 제조가 가능하며, 현재 일본 특허를 취득한 상태이고 유럽, 미국, 중국 등에도 특허를 신청했다.
기초개발 단계로 직물, UD(1방향) 타입 탄소섬유 시트에 우레탄을 합침시키고 PP 시트를 양면에 부착해 제작하고 있다.
굴곡강도 실험에서 우레탄 합침을 실시하지 않았을 때와 비교해 2.5배의 강도를 발휘하는 것을 확인했다.
CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 분야의 대표적인 조합으로 알려진 에폭시수지(Epoxy Resin)를 사용한 오토크레이브 성형제품에 대해서도 70-80% 정도 성능을 실현한 것으로 알려졌다.
앞으로는 사출성형에 가까운 택트타임, 물성은 오토크레이브 성형에 맞추어 생산해나갈 예정이다.
본격적인 사업화를 위해서는 프로젝트 외에도 다양한 관련기업들의 협력을 얻어야 하며 PP, 폴리우레탄(Polyurethane) 접착성을 높일 수 있는 배합이나 PP 이외의 열가소성 수지를 적용할 수 있는 방법 등을 개발할 것이 요구되고 있다.