TUBALL™ 응용

탄소나노튜브(CNT)는 뛰어난 특성을 보유하고 있습니다.
강철의 100배 이상 고강도
1000°С 열 안정성
100만 배 종횡비
구리보다 5배 가벼움 최고의 전도체 중 하나
농구코트 2 CNT 1g의 표면 면적 개

이렇듯 독보적인 특성을 갖춘 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)는 전기화학전력원, 타이어 및 고무제품, 투명전도성필름(TCF), 고분자복합재 등 다양한 산업분야에서 사용되는 소재를 개선하는 최초의 범용 첨가제입니다.

고분자 및 복합재

TUBALL™ COMP_E 샘플 주문하기

고분자 및 복합재

복합재는 고가의 소재임에도 불구하고 기계적 특성이 경량성과 고강도라는 특징과 조화를 이뤄야 하는 산업분야에서 각광 받고 있습니다. 오늘날 복합재가 사용되지 않는 우주항공, 재생에너지, 자동차 산업 및 건축 분야는 상상하기 조차 힘듭니다. 예를 들어, 뉴 Boeing 787 Dreamliner의 날개 및 기체는 50% 이상이 복합재료로 제작되었으며, BMW I3의 바디(body)와 프레임은 70% 이상 탄소섬유로 제작되었습니다. '녹색 경제’가 복합재의 보편화 속에서 미래를 보장 받으려면 복합재의 생산단계는 물론 복합재를 사용한 제품을 가동하는 단계에서도 CO2 배출량을 감소시킬 수 있어야 합니다.

고분자 복합재

고분자 복합재는 강도와 강성률 등을 높여주는 필러(fillers)로 충전된 플라스틱을 기반으로(통상 매트릭스라고 함) 구성되어 있습니다. 다양한 종류의 물질들이 조합되어 신소재가 탄생하고, 신소재의 물성은 결과적으로 구성소재의 특성과 차이를 나타내게 됩니다.

CNT 산업의 성과 덕분에 차세대 고분자 복합재가 개발될 수 있었습니다. 복합재의 구성재료 중 하나로 SWCNT를 사용하게 됨으로써 과거에는 불가능했던 결과들을 도출할 수 있었습니다.

경량화를 달성하는 동시에 강도가 높아지고, 전기 전도성이 발생하고, 탄성의 규격이 변화되며, 열 안전성 및 기타 주요 물리기계적 특성이 강화됨에 따라 엄청난 경제적 효과를 기대할 수 있게 되었습니다. SWCNT의 뛰어난 물리기계적 특성 덕분에 가능해진 고분자 복합재의 변형으로 인해 건축구조재료, 차세대 교통수단 및 기타 분야의 여러 기술에 대한 근본적인 생각이 변화되었습니다.

현재 전세계 고분자 복합재의 생산량은 알루미늄, 구리 및 기타 모든 비철금속의 생산량을 합한 규모보다 많습니다. 고분자 소재의 응용 분야가 다양해짐에 따라 여러 물성을 강화해야 할 필요성이 발생하고, 이에 따라 고분자 복합재료 개발에 가속도가 붙고 있습니다.

고분자 나노복합재 시장

Sources: Transparency Market Research, 2013

나노복합재 시장의 성장률은 일반 고분자 소재 시장보다 높으며, 2018년경 시장의 규모가 2010년 대비 3.5-5배 증가할 것으로 전망됩니다.

현재 CNT를 첨가한 나노복합재가 차지하는 비중은 10% 미만입니다. 하지만 향후 5년 간 나노복합재에 사용되는 CNT의 수요가 대폭 확대될 것으로 예상됩니다.

전망에 따르면, 2020년경 CNT 시장은 2013년 대비 7배 성장할 것입니다.

Lux Research Inc.: Kozarsky R. Searching for Profits at the Intersection of Nanotech and Electronics. Подготовлено для IEEE, 28 января 2014

OCSiAl사의 성과

TUBALL® 을 에폭시에0.05% 첨가할 경우 CFRP 의 강도가 35% 증가됩니다.

Epoxy resin with dispersed TUBALL. TEM image. OCSiAl 2014

TUBALL®을 폴리에스터 수지에 0.08% 첨가하면, SMC 복합재가 전도성을 띠게 되어 전착도장용 재료로 사용될 수 있습니다.

TUBALL®을 폴리프로필렌에 0.05% 첨가하면, 인장강도가 50% 제고되고, 복합재의 '열 변형(distortion) 온도’가 15% 높아집니다.

TUBALL®을 첨가제로 사용할 경우 강도, 열 안정성, 내충격성이 30-50% 향상됩니다. 고분자 소재에 TUBALL®을 첨가함으로써 전도성 또한 발생하게 됩니다.

MWCNT를 이용해 이와 비슷한 수준의 전도성을 발생시키기 위해서는 훨씬 더 많은 양의 MWCNT가 요구됩니다. 결과적으로 생산공정이 대단히 복잡해질 수도 있고 경우에 따라 프리프레그(prepreg)의 점도가 증가하거나 추가적인 비용이 발생할 수 있어 MWCNT를 적용한 생산 자체가 불가능해 질 수도 있습니다.

Zyvex Technologies사와 공동으로 TUBALL®을 이용한 CFRP 개발

OCSiAl 사와 Zyvex Technologies Inc. 사는 TUBALL® 을 첨가해 CFRP 변형 연구를 공동으로 진행하고 있습니다. 연구의 목적은 나노첨가제를 이용해 소재의 강도를 높이는 것입니다.

1409995120_Bez_zagolovka.png

Modified CFRP panels manufacturing process in Zyvex Tech.

Zyvex Kentera™ 첨가제로 기능화 된 TUBALL® 0.05 wt%를 CFRP에 첨가함으로써 다음과 같은 결과를 도출했습니다.

  • 인장 강도(Tensile Modulus ): 32%↑
  • 굽힘 강도(Flexural Strength): 35%↑
  • 굴곡 탄성률(Flexural Modulus): 6%↑
  • 압축 강도(Compression Strength): 20%↑

TUBALL ®를 첨가한 CFRP와 표준 CFRP의 비교자료

수지 인장강도 굽힘강도 굴곡 탄성률 압축강도
TUBALL ® 0.05 wt% 를 첨가한 CFRP

70.881 GPa

904 MPa

53.494 GPa

662 MPa

표준 CFRP

53.779 GPa

669 MPa

50.331 GPa

552 MPa

향상도, %

31,8%

35,1%

6,3%

19,9%

Состав углепластика: 2x2 Twill, 3K Warp, волокно TR30, 198 г/м2 - углеродная ткань; Эпоксидная смола Epon™ 828 (38%). 
CFRP 구성: 2x2 Twill, 3K Warp, TR30 fiber, 198 gsm2 carbon fabric. Epon™ 828 epoxy resin (38%)

생산공정을 바꾸지 않은 상태에서CFRP 물성이 획기적으로 향상되었습니다.

시차주사열량법 (Differential scanning calorimetry,DSC) 측정에서도 나타나듯, Kentera™ 첨가제로 기능화된 TUBALL®을 CFRP 생산용 에폭시 수지에 첨가한 결과 경화 반응속도의 그 어떤 변화도 관찰되지 않았습니다.

표준Epon 828과 TUBALL® 0.05 wt% 를 첨가한 Epon 828 에폭시 수지에 대한 DSC 측정 결과, Ethacure 100LC 경화제를 사용했을 때 경화 반응속도가 동일하다는 것을 알 수 있었습니다.

반응시작온도(140°C)와 경화정점온도(190°C)는 두 샘플 모두 동일했습니다.

DSC 데이터에 따르면 TUBALL®을 CFRP에 첨가할 경우 생산공정의 현격한 변화가 동반되지 않는다는 것을 확인할 수 있습니다.

종합적으로 볼 때, TUBALL®이 에폭시 수지에 쉽게 분산되는 것으로 미루어 보아 범용 나노첨가제인TUBALL®이 폭넓은 산업 분야에서 응용될 수 있음이 밝혀졌습니다.

TUBALL® 을 0.05 wt% 첨가할 경우 CFRP의 강도가 30% 이상 강화된다는 것은 TUBALL ®을 첨가한 CFRP복합재가 동일한 기계적 강도를 가진 일반 CFRP 복합재보다 30% 가볍다는 것을 뜻합니다. 따라서, 가격 또한 상당히 저렴해 지기 때문에 CFRP 복합소재의 응용 범위와 시장경계가 확대된다는 것을 뜻하며, 이 소재가 다른 산업 및 응용분야에 접목될 수 있음을 시사합니다.

TUBALL®을 CFRP용 프리프레그에 첨가하게 되면 생산되는 CFRP 1 kg 당 10-16$ 정도가 절약됩니다. 기계적 특성을 개선함에 따라 고가 소재의 사용량을 감소시킬 수 있습니다.


TUBALL®의 고분자 복합재 응용 관련 사항은 levan@ocsial.com(Levan Tatunashvili 부사장 e-mail)으로 문의 바랍니다.

TUBALL®의 열경화성 고분자(thermoplasts) 응용 관련 사항은 bolshakov.za@ocsial.com (Zakhar Bolshakov 부사장 e-mail)으로 문의 바랍니다.

Find out how we change the world
탄소 시대