Long fiber reinforced thermoplastic (LFT), consisting of long carbon fibers (LCF) and polypropylene (PP), has attracted considerable attention as a powerful candidate for reinforced composite applications owing to its long fiber retention and the light density of PP since automobile industry is eager to get weight reduction in order to meet US fuel efficiency regulation(23km/L, 2025). LFTs are currently being used extensively in the automotive industry due to their superior strength and modulus, as compared to short fiber reinforced thermo-plastics (SFT). The LFT’s high mechanical properties can be mostly attributed to the high tensile strength (4,000 MPa) and Young’s modulus (240 GPa) of the long carbon fibers. The high proportion of reinforcing fibers with lengths in the region of 10 mm or more increases stiffness and strength values. While the values are 100% and 300% higher than conventional glass fiber, the density of long carbon fiber is around 30% lower than glass fiber. Polymer-graphene composites also has gained great a deal of attention due to due to their high mechanical properties (_1 TPa for either single layer or multilayer graphene theoretically and experimentally), excellent electrical conductivity (_1.0 o 10_6 O cm resistivity for pure graphene but more than two orders of magnitude higher for graphite), and thermal conductivity (_5000Wm_1 K_1). The platelet shape of graphite also benefits the composite by providing increased tortuosity for molecular transport which enhances barrier properties to small molecules.
In this study, the polypropylene carbon composite reinforced by long carbon fiber and graphene nano platelate is developed to improve mechanical properties and electrical conductivity to be applicable for automo-tive outer panel such as hood and fender. The composite is prepared by long carbon fiber thermoplastic(LFT) impregnation extruding system. Here, we used coupling agents and sizing method on carbon fiber in order to improve mechanical properties and electrical conductivity of the composite by improving compatibility and adhesion between polypropylene and carbon fiber. Furthermore, graphene nano platelet and carbon nano tube adding to the composite results in the synergy effect of mechanical properties and electrical property.
In chapter 2, we prepared PP/LCFT composite with highly enhanced mechanical strengths by increasing the adhesion of the PP matrix and LCF. We used a combined method of bi-functional group grafted polypropyl-ene (BFPP) as coupling agent, and surface modified LCF (SMLCF), in a long fiber thermoplastic (LFT) melt impregnation system to increase the interaction between the PP matrix and LCF. BFPP was produced by melt compounding maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP) and polyether amine (PEA), and SMLCF was prepared by generating oxygen functional groups by dipping unsized LCF into a sizing bath with 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPTS). Tensile and flexural tests and scanning electron microscopy (SEM) results showed that the mechanical strengths of the PP/BFPP/SMLCFT were significantly enhanced. This is due to the improved long carbon fiber/PP matrix interfacial adhesion as confirmed by micro droplet specimen tests and SEM micrographs of the fracture surface after inter-laminar shear testing. The PP/SMLCFT composite with BFPP 5wt% as coupling agent showed the best tensile strength and flexural strength increases, of 1.5 times and 1.7 times respectively, as compared to PP/LCFT with the conventional MAPP coupling agent.
In chapter 3, we investigated the possibility to be applicable for automotive structural parts such as hood, roof and fender by adding carbon nano tube (CNT) and graphene nano platelet (GNP) respectably to the composite resulting in further enhancement of physical properties and electrical conductivity. Tensile and flexural tests results showed that the mechanical strengths of the PP/BFPP/SMLCFT composites by adding CNT and GNP were much higher than PP/BFPP/SMLCFT which was fabricated in the chapter 2. In the case of 0.5 wt.%, 2 wt.%, and 5 wt.% CNT loadings, the mechanical strengths increased by 1.3 times, 1.5 times, and 1.6 times respectably. On the other hand, in the case of 0.5 wt.%, 2 wt.% and 5 wt.% GNP loading, the mechanical strengths increased by 1.4 times, 1.6 times and 1.8 times respectably. Thermal property showed similar results. This is estimated by that CNT and GNP is well dispersed in the BFPP/PP/SMLCF composite. Especially the GNP is dispersed better than CNT. Electrical conductivity also highly increased with small adding of CNT and GNP and GNP adding showed higher conductivity than CNT similarly to mechanical properties. However, considering injection molding availability 2 wt. % adding was optimum. From these results, the PP/SMLCFT composite with the adding of GNP 2wt. % showed the optimum mechanical properties, electrical conductivity and injection molding availability which is applicable for automotive outer panel by replacing steel in the future.
미국 CAF´E(Corporate Average Fuel Economy)의 연비규제(23.2km/L, 2025년)를 만족시키기 위해 자동차 업계는 부품 경량화 달성을 위한 활발한 연구를 진행하고 있는 상황에서 강철대비 10배이상 강하면서 무게는 1/5수준인 고분자 탄소섬유 강화 복합재가 자동차 경량화 소재로 각광받고 있지만 현재까지는 가공시간이 길고 가공비용이 높은 열경화성 플라스틱을 이용한 연구가 주로 이루어지고 있으며 실제적으로 고가의 고급승용차에만 제한적으로 사용되고 있는 실정이다. 실제 대중 승용차에 적용되어 원가절감과 경량화를 동시에 이루기 위해서는 사출기를 이용한 대량 생산과 재활용을 통한 환경 및 에너지 절감에 크게 기여가 가능한 열가소성 탄소섬유 강화 복합재에 대한 구체적인 연구는 아직까지 많이 진행되어지지 않고 있다. 특히 세계적으로 가장 저가이며 자동차에 가장 많이 사용되고 있는 열가소성 범용 수지인 폴리프로필렌과 탄소섬유 강화 복합재에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다. 또한 그래핀의 소량 첨가로 기계적 물성과 전기특성이 우수한 고분자-그래핀 복합재에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으나 마찬가지로 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)과 그래핀 복합재에 대한 연구 또한 거의 이루어 지지 않은 실정이다.
본 연구는 열가소성 장섬유 강화 복합재(Long Fiber Reinforced Thermoplastics, LFT) 압출 함침 기법, 탄소장섬유(Long Carbon Fiber, LCF)와 그래핀 나노 Platetes(Graphjene Nano Platelet, GNP)를 이용하여 기계적 물성과 전기전도성 우수하여 후드나 펜더등의 자동차 외판에 적용이 가능한 LCF와 GNP로 강화 된 PP/LCF강화 복합재 제조와 이를 이용한 복합재의 분산 모폴로지 기계적 물성, 전기적 특성 및 유변학적 특성을 고찰한 것이다. 본 연구의 목표는 후드나 펜더등의 자동차 외판소재로 적용이 가능한 우수한 기계적 물성과 전기전도성을 보유하는 PP/LCF복합재 제조법을 개발하는 것으로서 이를 위해 LFT 압출 함침 기법, 새로운 상용화제와 탄소섬유의 표면개질법을 통하여 폴리프로필렌과 탄소장섬유의 상용성 및 계면접착력을 향상을 시도하였으며 GNP와 CNT를 첨가하여 탄소장섬유와의 시너지 효과를 통한 복합재의 추가적인 기계적 물성과 전기전도성 향상을 시도하였다.
두 번째 단락에서는 PP 매트릭스와 LCF의접착력을 증가시킴으로써 매우 향상된 기계적 강도를 가진 PP/LCFT 복합재 제조 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 PP매트릭스와 LCF의 접착력 향상을 위해서LFT 압출 함침 공정에 다관능성 반응성 상용화제인 BFPP(Bi-functional group grafted polypropylene)를 상용화제로 사용하고 표면개질된 탄소장섬유인SMLCF(surface modified LCF)를 사용하였다. BFPP는 MAPP와 PEA를 이용하여 반응압출 공법으로 제조하였으며 SMLCF는 표면처리가 전혀 되어있지 않은 LCF에 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPTS)를 이용하여 LCF표면에 산소반응기(Oxygen functional groups) 를 생성시켜 제조하였다. BFPP의 MAPP(Maleic anhydride grafted polypropylene) 와 PEA(Polyether amine) 의 반응기와 SMLCF의 Oxygen functional group은 FTIR을 통해 확인하였다. PP/BFPP/SMLCF 복합재의 경우 종래의 PP/MAPP/LCF 복합재에 비해 인장강도 및 굴곡강도강 월등히 증가함을 하였으며 이는 SEM결과와 Micro droplet test에서 확인하였듯이 다관능성 반응성 상용화제인BFPP와 MPTS로 표면처리에된 SMLCF에 의해 PP매트릭스와 LCF의 계면 접착력이 증가한 결과라 할 수 있다. BFPP를 5% 첨가한 PP/BFPP/SMLCFT에서 가장 우수한 기계적 강도 값을 나타내었는데, 너무 많은 BFPP 상용화제는 오히려 물성 저하를 초래하였으며 종래의 PP/MAPP/LCFT에 비해 인장강도는 1.5배, 굴곡강도는 1.7배 증가하였다.
세 번째 단락에서는 두 번째 단락에서 연구한 PP/BFPP/SMLCF에 carbon nano tube (CNT)와 graphene nano platelet (GNP)를 첨가하여 추가적인 기계적 강도와 전기전도성을 향상시킴으로써 roof, hood, fender등의 자동차외판용으로 적용가능성에 대한 연구를 수행하였다. 두 번째 단락에서와 동일한 방식으로 LFT 압출 함침 공정에서 GNP와 CNT를 첨가하여 PP/BFPP/SMLCF를 제조한 결과 인장강도와 굴곡강도가 모두 증가하였는데, CNT는 0.5 wt.%, 2 wt.%, 와 5 wt.% 투입하였을 경우 기계적 강도가 각각 1.3 배, 1.5 배, 그리고 1.6 배 증가하였으며, GNP는 0.5 wt.%, 2 wt.% 와 5 wt.% 투입하였을 경우, 기계적 강도는 각각1.4 배, 1.6 배 그리고 1.8 배 증가하였다. GNP 투입하였을 경우가 CNT보다 기계적 강도가 더욱 증가하였는데, 이는 GNP가 CNT보다 PP/BFPP/SMLCF에 분산이 더욱 잘 되었기 때문으로 판단된다. 전기전도성 또한 GNP와 CNT 첨가의 경우 PP/BFPP/SMLCT 보다 증가하였는데, 마찬가지로 GNP 투입 시 증가효과가 우수하였다. 그러나GNP 투입량을 늘릴수록 전기전도성은 더욱 우수하였으나 사출 성형성이 가능한 유변학적 특성을 고려할 경우 GNP 2wt.%가 최적인 것으로 규명되었다. 종합적으로 기계적 강도, 전기전도성 및 유변학적 특성을 고려할 때 PP/BFPP/SMLCF 복합재의 경우 GNP 2 wt%가 자동차용 외판 소재로 사용될 수 있는 최적 투입량임을 알 수 있었다.
이상의 결과를 통해 얻어진 폴리프로필렌 탄소 강화 복합재는 자동차용 외판용 소재에서 요구되는 150 MPa이상의 인장강도와 350MPa이상의 굴곡강도를 기계적 강도와 103 Ω/sq 수준의 전기적 특성을 만족함과 동시에 우수한 유변학적 특성을 보유하여 사출 성형으로 대량생산이 가능할 것으로 판단되어 햐후 자동차용 외판용 소재로 적용이 가능할 것으로 기대된다.
