KR101391468B1

KR101391468B1 - 다축 보강 적층 성형품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101391468B1
Application number: KR1020097001133A
Authority: KR
Inventors: 가즈마사 가와베; 기찌로 이시다
Original assignee: 가부시키가이샤 미츠야; 후쿠이 켄
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2014-05-07
Also published as: CN101479086B; CA2656541A1; CN101479086A; EP2052831A1; KR20090042903A; BRPI0716402A2; WO2008020628A1; JPWO2008020628A1; EP2052831A4; US20090291278A1; JP4206454B2

Abstract

본 발명은 고강도이고 층간 박리의 발생을 억제한 적층 성형품을 얻을 수 있고, 제조 시간의 단축 및 제조 비용의 절감이 가능한 다축 보강 적층 성형품 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 다축 보강 적층 성형품(F)은 보강 섬유 시트를 구비한 섬유 보강층(SR1 내지 SR3)이 적층되어 구성되어 있고, 보강 섬유 시트의 보강 섬유가 3축 방향으로 배열되도록 적층되어 있다. 각 섬유 보강층의 사이에는 수지층(TP1 및 TP2)이 형성되어 있다. 수지층(TP1 및 TP2)은 다수의 입자상 열가소성 수지 재료가 거의 균일하게 분포하여 서로 열융착하고 있고, 분포한 열가소성 수지 재료가 인접하는 섬유 보강층에 열융착에 의해 접착한 상태로 되어 있다. 열가소성 수지 재료의 사이에는, 다수의 미소한 극간이 형성되어 열경화성 수지 재료가 함침하여 각 섬유 보강층 및 각 수지층 전체에 구석구석까지 퍼져 있다.

보강 섬유, 보강 적층 성형품

Description

다축 보강 적층 성형품 및 그 제조 방법{MULTIAXIALLY REINFORCED LAMINATED MOLDINGS AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF}

본 발명은 탄소 섬유, 유리 섬유 등의 보강 섬유로 이루어지는 보강 섬유 시트를 다방향으로 배열하고 열경화성 수지를 매트릭스로서 함침시킨 다축 보강 적층 성형품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

섬유 보강 복합 재료는 섬유 재료와 매트릭스 재료를 조합한 것으로, 경량이고 강성이 높고 다양한 기능 설계가 가능한 재료이며, 항공 우주 분야, 수송 분야, 토목 건축 분야, 운동 기구 분야 등의 폭넓은 분야에서 이용되고 있다. 특히, 탄소 섬유 또는 유리 섬유와 같은 보강 섬유 재료를 열경화성 수지 재료와 조합한 섬유 강화 플라스틱(FRP)이 주류로 되어 있다. FRP에서는 일방향으로 가지런해진 장섬유로 된 보강 섬유 시트를 적층하여 그 방향을 다방향으로 설정함으로써, 다방향의 강도가 강화된 FRP를 설계할 수 있다. 또한, 일방향으로 가지런해진 띠 형상의 장섬유사를 이용하여 직조한 직물 시트를 사용하여 FRP를 제조하는 것도 행해지고 있다.

매트릭스 수지 재료로서 에폭시 수지 재료 등의 열경화성 수지 재료를 사용하면, 성형시의 점도가 낮아 섬유속(纖維束) 중으로의 수지 재료의 함침이 용이하 고, 적층 성형법 등의 여러 가지 성형법에 의해 성형품을 얻기 쉽다는 이점이 있다. 그러나, 열경화성 수지 재료는 일반적으로 인성이 낮고, 성형품의 내충격 특성이 낮아지기 쉽다. 또한, 적층 성형품에서는 인장 하중이 가해지면 층간 박리가 일어나기 쉽다는 문제가 있었다.

층간 박리의 대응책으로서, 예를 들면, 특허 문헌 1에서는, 장섬유로 된 강화 섬유, 열경화성 수지 조성물, 열경화성 수지 조성물에 용해되지 않는 미립자 및 열경화성 수지 조성물에 용해될 수 있는 수지를 소재로 하는 미립자로 된, 양 미립자가 표면에 국재화되어 있는 섬유 강화 복합 재료가 기재되어 있고, 표면에 국재화된 양 미립자에 의해 프리프레그의 조작성을 유지하면서, 내충격성, 층간 인성의 향상을 도모하는 점이 기재되어 있다. 그리고, 미립자를 표면에 국재화시키는 방법으로는, 강화 섬유 및 매트릭스 수지로 된 프리프레그의 표면에 양 미립자를 부착시키는 방법, 양 미립자를 매트릭스 수지 중에 미리 균일해지도록 혼합해 두고, 강화 섬유에 함침시키는 과정에서 섬유 간극에 의한 여과 현상에 의해 프리프레그의 표면에 국재화시키는 방법, 매트릭스의 일부를 강화 섬유에 함침시킨 일차 프리프레그를 작성하고, 양 미립자를 고농도로 함유하는 나머지 매트릭스 수지를 도포한 필름을 일차 프리프레그에 붙이는 방법을 기재하고 있다. 이러한 강화 섬유, 매트릭스 수지 및 수지 미립자를 구성 요소로 하는 프리프레그는 특허 문헌 2에도 기재되어 있다.

또한, 다른 방법으로, 비특허 문헌 1에서는 적층 성형하여 섬유 보강 복합 재료를 제조하는 경우, 두께가 얇은 프리프레그 시트를 이용함으로써, 마이크로크 랙(층내 수지 균열)이나 디라미네이션(층간 박리)의 발생을 억지할 수 있다고 보고되어 있다.

한편, 복합 재료의 성형 가공에서도 저비용의 생산 기술을 확립하는 것은 중요하다. 성형 가공법의 주류라고 할 수 있는 적층 성형법에서는 섬유 강화 시트나 프리프레그 시트를 어떻게 효율적으로 적층할지가 과제로 되는데, 그 해결 방법의 하나로서, 미리 다방향으로 섬유를 배열시킨 다축 보강 시트재를 사용하는 방법이 제안되어 있으며, 적층 횟수를 경감시키고 유사 등방성을 얻기 쉬운 등의 이점으로 인해 주목 받고 있다.

다축 보강 시트재로서, 예를 들면, 특허 문헌 3에서는, 토우상의 탄소 섬유사의 복수 개가 서로 병렬로 배열되어 이루어지는 시트의 복수 개가, 각각의 시트의 탄소 섬유사의 배열 방향이 기준으로 하는 방향에 대하여 상이한 각도를 가지고 적층된 상태에서, 스티치사로 일체화된 스티치 기재이고, 이 스티치 기재에 매트릭스 수지를 함침시킨 섬유 강화 플라스틱이 기재되어 있다.

또한, 특허 문헌 4에서는 길이 방향에 대하여 섬유 시트의 방향이 +θ°로 이루어지는 제1 섬유 시트층과 섬유 시트의 방향이 -θ°로 이루어지는 제2 섬유 시트층의 2층으로 구성된 섬유 보강 시트에서, 상기 섬유 시트가 열융착사, 또는 실링제를 부착시킨 섬유속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이축 보강의 섬유 보강 시트가 기재되어 있다.

특허 문헌 1:일본 특허공개 평7-41575호 공보

특허 문헌 2:미국 특허 제5028478호 명세서

특허 문헌 3:국제 공개 제2001/063033

특허 문헌 4:일본 특허공개 2006-022471

특허 문헌 5:국제 공개 제2005/002819호 팸플릿

비특허 문헌 1:사사야마 히데키 외 5명「다방향 강화 복합 재료 적층판의 초기 파손에 관한 층 두께의 영향」, 일본 복합 재료 학회지, 30, 4(2004), p.142-148

<발명이 해결하고자 하는 과제>

전술한 특허 문헌 1 및 2에 기재된 방법에서는 시트 표면에 미립자를 국재화시킨, 일방향으로 섬유 보강된 프리프레그 시트를 적층하여 성형품을 얻는데, 상기 프리프레그 시트의 적층체를 오토클레이브법 등에 의해 성형할 때 에폭시 수지 등의 열경화성 수지 재료는 섬유속 중을 유동하기 때문에 미립자가 열경화성 수지와 함께 유동하여, 미립자를 시트층 간에 안정된 상태로 체류시키는 것이 어렵다. 각 층간에 충분한 양의 미립자를 균일하게 분포시키지 않으면 강도에 불균일이 발생하여 층간 인성을 충분히 향상시킬 수 없다는 문제가 있다.

또한, 특허 문헌 1 및 2에는 일방향 보강된 프리프레그 시트를 사용하여 다방향으로 보강된 적층 성형품을 얻는 방법이 기재되어 있는데, 이러한 방법에서는 일방향 보강 프리프레그 시트 그 자체를 미리 제조하기 위한 수고가 들고, 또한 프리프레그 시트의 적층 횟수가 증가하여 적층 성형품을 얻을 때까지의 소요 시간이 들기 때문에 제조 비용이 높아질 수밖에 없다.

특허 문헌 3에서는 다축 보강된 스티치 기재를 제조하고 수지 재료를 함침시킨 섬유 강화 플라스틱이 기재되어 있는데, 스티치사의 존재에 의해 열경화성 수지 재료가 스티치 부분에 과도하게 존재하게 되고, 적층 성형품을 얻은 경우에, 그 부분에 응력 집중이 발생하여 적층재의 강도가 저하하는 문제가 있다. 또한 스티치사에 의해 섬유속이 구속되기 때문에 섬유속 중에 열경화성 수지의 미함침 부분이 발생하는 문제가 있다.

특허 문헌 4에서는, 열융착사 또는 실링제를 부착시킨 섬유 시트를 사용한 이축 보강의 섬유 보강 시트가 기재되어 있는데, 열융착사 및 실링제의 사용 목적은 섬유가 흩어지지 않도록 하는 것, 즉 섬유를 실링하는 것에 있기 때문에, 섬유 시트 상에서의 열융착사 및 실링제의 분포 상태가 반드시 균일하다고는 할 수 없다. 또한, 그 사용량도 정해져 있는 것이 아니라, 열융착사 및 실링제가 많은 부분이 존재하면 적층 성형품을 얻은 경우에 그 부분에 응력 집중이 발생하여 그 부분부터 파괴하기 쉬워질 우려가 있다. 결국, 열경화성 수지 재료를 함침시켜 기계적 특성이 우수한 적층 성형품을 얻는 것을 목적으로 한 열융착사 및 실링제의 사용이 행해지고 있지 않는 것이다.

본 발명자들은 지금까지 예의 연구 개발을 진행시킨 결과, 비특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이 장섬유가 집속한 장섬유속을 개섬(開纖)한 폭이 넓고 두께가 얇은 섬유 보강 시트를 이용함으로써 마이크로크랙(층내 수지 균열)이나 디라미네이션(층간 박리)의 발생을 억제한 적층 성형품을 얻을 수 있다는 것을 알아내었고, 또한, 특허 문헌 5에 기재되어 있는 바와 같이 재료 비용이 저렴한 태섬도 섬유속을 폭이 넓고 얇은 개섬 시트로 제조하는 개섬 기술을 개발하였다.

따라서, 본 발명은 이러한 지견이나 개섬 기술에 기초하여, 고강도이며 층간 박리의 발생을 억제한, 보강 섬유 및 열경화성 수지 재료를 구비한 다축 보강 적층 성형품, 및 제조 시간의 단축 및 제조 비용의 절감을 가능하게 하는 다축 보강 적층 성형품의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

<과제를 해결하기 위한 수단>

본 발명에 따른 다축 보강 적층 성형품은 보강 섬유가 n(n은 2 이상)축 방향으로 배열되도록 적층된 복수의 섬유 보강층을 구비하고 열경화성 수지 재료가 전체에 함침되어 경화된 다축 보강 적층 성형품으로서, 섬유 보강층 중 적어도 1층은 평균 두께가 80㎛ 이하이고, 각 섬유 보강층 간에는 편면측 또는 양면측의 섬유 보강층의 평균 두께(t)에 대하여 평균 두께 0.3×t 이하인 수지층이 형성되어 있고, 각 수지층에는 열경화성 수지 재료 중에 체적비 30 내지 70%의 열가소성 수지 재료가 거의 균일하게 분포하여 적어도 일부가 섬유 보강층에 접착하고 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 수지층의 평균 두께는 편면측 또는 양면측의 섬유 보강층의 평균 두께(t)에 대하여 평균 두께 0.2×t 이하인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 열가소성 수지 재료가 입자상 또는 섬유상인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 섬유 보강층은 모두 평균 두께 80㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다축 보강 적층 성형품의 제조 방법은 복수의 연속한 보강 섬유를 거의 균일하게 가지런히 하여 구성되고 적어도 1개는 단위 면적당 중량이 80g/㎡ 이하인 복수의 보강 섬유 시트에 대하여, 각 보강 섬유 시트의 편면 또는 양면에, 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 10% 이하의 양으로 되도록 열가소성 수지 재료를 거의 균일하게 분산시킨 후, 상기 열가소성 수지 재료를 가열 또는 가열 가압함으로써 상기 보강 섬유 시트에 부착시켜 수지 부착 보강 섬유 시트를 형성하는 수지 부착 공정과, 복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를 각각의 보강 섬유의 가지런한 방향이 다방향으로 되고 또한 각 수지 부착 보강 섬유 시트 간에 상기 열가소성 수지 재료가 배치되도록 적층하여 적층 시트를 형성하는 적층 공정과, 적층 시트의 적어도 한쪽 면측으로부터 열경화성 수지 재료를 함침시켜 다축 보강 프리프레그 시트를 형성하는 함침 공정과, 상기 다축 보강 프리프레그 시트를 필요한 크기로 절단하고 필요한 각도로 필요한 개수를 적층한 후 가열 가압 성형함으로써 열경화성 수지 재료를 경화시키는 성형 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 적층 공정에서는 적어도 1개의 연속한 수지 부착 보강 섬유 시트를 이용하여 연속한 적층 시트를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다축 보강 적층 성형품의 다른 제조 방법은 복수의 연속한 보강 섬유를 거의 균일하게 가지런히 하여 구성되고 적어도 1개는 단위 면적당 중량 80g/㎡ 이하인 복수의 보강 섬유 시트에 대하여, 각 보강 섬유 시트의 편면 또는 양면에, 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 10% 이하의 양으로 되도록 열가소성 수지 재료를 거의 균일하게 분산시킨 후, 상기 열가소성 수지 재료를 가열 또는 가열 가압함으로써 상기 보강 섬유 시트에 부착시켜 수지 부착 보강 섬유 시트를 형성하는 수지 부착 공정과, 적어도 1개의 연속한 수지 부착 보강 섬유 시트를 포함하는 복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를, 각각의 보강 섬유의 가지런한 방향이 다방향으로 되고 또한 각 수지 부착 보강 섬유 시트 간에 상기 열가소성 수지 재료가 배치되도록 적층하여 연속한 적층 시트를 형성하는 적층 공정과, 연속한 적층 시트의 적어도 한쪽 면측으로부터 열경화성 수지 재료를 함침시켜 연속한 다축 보강 프리프레그 시트를 형성하는 함침 공정과, 상기 다축 보강 프리프레그 시트를 필요한 크기로 절단하고 필요한 각도로 필요한 개수를 적층한 후 가열 가압 성형함으로써 열경화성 수지 재료를 경화시키는 성형 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다축 보강 적층 성형품의 또 다른 제조 방법은 복수의 연속한 보강 섬유를 거의 균일하게 가지런히 하여 구성되고 적어도 1개는 단위 면적당 중량 80g/㎡ 이하인 복수의 보강 섬유 시트에 대하여, 각 보강 섬유 시트의 편면 또는 양면에, 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 10% 이하의 양으로 되도록 열가소성 수지 재료를 거의 균일하게 분산시킨 후, 상기 열가소성 수지 재료를 가열 또는 가열 가압함으로써 상기 보강 섬유 시트에 부착시켜 수지 부착 보강 섬유 시트를 형성하는 수지 부착 공정과, 복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를, 각각의 보강 섬유의 가지런한 방향이 다방향으로 되고 또한 각 수지 부착 보강 섬유 시트 간에 상기 열가소성 수지 재료가 배치되도록 적층하여 적층 시트를 형성하는 적층 공정과, 상기 적층 시트를 필요한 크기로 절단하고 필요한 각도로 필요한 개수를 성형 형틀 내에 적층한 후 상기 성형 형틀 내에 열경화성 수지 재료를 주입하여 상기 적층 시트에 열경화성 수지 재료를 함침시키고, 가열 또는 가열 가압 성형함으로써 열경화성 수지 재료를 경화시키는 성형 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 제조 방법에 있어서, 적층 시트를 가열 또는 가열 가압함으로써 각 보강 섬유 시트를 열가소성 수지 재료에 의해 서로 열융착시켜 일체화시키는 일체화 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 열가소성 수지 재료로 평균 입경이 80㎛ 이하인 미립자 또는 평균 단면 직경 80㎛ 이하인 섬유 형태의 열가소성 수지 재료를 이용하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 보강 섬유 시트는 적어도 1개가 보강 섬유속을 연속하여 개섬시킨 개섬사를 폭 방향으로 복수 개 가지런히 한, 단위 면적당 중량 80g/㎡ 이하의 개섬사 시트인 것을 특징으로 한다.

<발명의 효과>

본 발명에 따른 다축 보강 적층 성형품은 섬유 보강층 중 적어도 1층은 평균 두께가 80㎛ 이하이기 때문에, 예를 들면, 인장 하중이 가해지는 방향을 아는 경우 그 방향과 거의 직교하는 방향으로 보강되도록 박층의 섬유 보강층을 형성함으로써, 비특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이 마이크로크랙(층내 수지 균열)이나 디라미네이션(층간 박리)의 발생을 억제하는 것을 기대할 수 있다. 또한, 모든 층이 박층의 섬유 보강층인 경우, 여러 방향으로부터 가해지는 강도에 대하여 마이크로크랙(층내 수지 균열)이나 디라미네이션(층간 박리)의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다축 보강 적층 성형품은 각 섬유 보강층 간에 편면측 또는 양면측의 섬유 보강층의 평균 두께(t)에 대하여 평균 두께 0.3×t 이하인 수지층을 형성함으로써, 수지층이 박층화되어 그 부분에의 응력 집중이 억제된다. 평균 두께가 0.3×t를 초과하면, 그 부분에의 응력 집중이 발생하여 층간 박리의 발생, 박리의 진전 등이 일어나기 쉬워진다. 또한, 각 섬유 보강층은 인접하는 섬유 보강층으로부터의 구속에 의해 굽힘 강도 및 압축 강도 등의 여러 기계적 특성이 향상되는 경우도 있기 때문에, 수지층의 두께는 박층일수록 좋고, 수지층은 0.2×t 이하로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 각 섬유 보강층 간에는, 입자상 또는 섬유상의 열가소성 수지 재료가 거의 균일하게 분포하고 있기 때문에, 수지층은 반드시 존재하게 된다. 여기서, 입자상의 열가소성 수지 재료에는, 찌부러져서 편평하게 된 것도 포함된다.

본 발명자들이 실험한 경험적인 지견에 의하면, 수지층의 평균 두께의 최소값은 0.077×t이고, 부분적으로는 0.05×t의 두께도 존재하였다. 따라서, 이러한 지견에 기초하여, 수지층은 평균 두께 0.05×t 이상으로 된다. 또한, 수지층의 평균 두께의 최대값은 0.294×t로 되었다. 국소적으로는 0.3×t 이상으로 되는 부분도 있지만, 평균 두께로 보면 전체적으로 수지층은 0.3×t 이하로 된다.

또한, 각 수지층에는 열경화성 수지 재료 중에 체적비 30 내지 70%의 열가소성 수지 재료가 거의 균일하게 분포하여 적어도 일부가 섬유 보강층에 접착하고 있기 때문에, 열가소성 수지 재료가 불균일하게 분포하는 것으로 인한 응력 집중이 발생하지 않고, 열가소성 수지 재료가 체적비 30 내지 70% 존재하여 적어도 일부가 섬유 보강층에 접착하고 있음으로써, 열경화성 수지 재료의 함침에 수반하는 수지 유동에 의한 보강 섬유의 흩어짐이나 사행을 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 다축 보강 적층 성형품의 제조 방법에서는, 복수의 연속한 보강 섬유를 거의 균일하게 가지런히 하여 구성되고 적어도 1개는 단위 면적당 중량 80g/㎡ 이하인 복수의 보강 섬유 시트에 대하여, 각 보강 섬유 시트의 편면 또는 양면에 열가소성 수지 재료를 부착시켜 보강 섬유 시트를 실링하는 것이 중요하다. 보강 섬유 시트를 다방향으로 적층한 후에 열경화성 수지 재료를 함침시킬 때에, 거의 균일하게 가지런해진 보강섬유를 미리 열가소성 수지 재료로 실링하여, 수지의 흐름에 의한 섬유 사행을 방지할 수 있다. 그리고, 열가소성 수지 재료를 보강 섬유 시트 전체에 거의 균일하게 분산시켜 부착시켜 두면, 보강 섬유 시트 전체에서 열경화성 수지 재료의 함침시에 수지 유동에 의한 섬유 사행을 방지할 수 있다.

또한, 분산하는 열가소성 수지 재료의 양을, 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 10% 이내의 양으로 설정함으로써, 박층의 수지층을 형성할 수 있다. 또한, 열가소성 수지 재료가 보강 섬유에 접착하여 실링 효과를 얻기 위해서는, 열가소성 수지 재료의 양이 많을수록 좋다. 그러나, 열가소성 수지 재료의 양이 많아지면, 각 섬유 보강층 간에 형성되는 수지층이 두꺼워지고, 그 부분에의 응력 집중이 발생하여 층간 박리의 발생, 박리의 진전 등이 일어나기 쉬워진다. 본 발명자들의 지견에 의하면, 실링 효과가 얻어짐과 함께 응력 집중에 의한 박리 현상을 억제하기 위해서는, 열가소성 수지 재료의 양을, 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 1 내지 10%의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 열가소성 수지 재료를 분산시킨 후, 가열 또는 가열 가압함으로써 보강 섬유 시트에 부착시킴으로써, 열가소성 수지 재료가 편평한 상태로 퍼져서 부착하게 되고, 형성되는 수지층을 박층화할 수 있다. 열가소성 수지 재료가 입자상 또는 섬유상이면 거의 균일하게 분포시키는 상에서 바람직하고, 섬유 보강층 전체에 구석구석까지 접착시킬 수 있다. 또한, 열가소성 수지 재료를 휘발성의 유기 용매에 용해시킨 용액을 분무 또는 도포 등에 의해 보강 섬유 시트 상에 구석구석까지 부착시킴으로써, 열가소성 수지 재료를 분산시키도록 하여도 된다. 그리고, 열가소성 수지 재료로 평균 입경 80㎛ 이하의 미립자 또는 평균 단면 직경 80㎛ 이하의 섬유의 열가소성 수지 재료를 이용함으로써, 더 균일하게 분산되고, 수지층의 박층화에 기여한다. 또한, 용액의 분무 또는 도포 등에 의해 열가소성 수지 재료를 분산시키면 더욱 수지층의 박층화가 가능하게 된다.

또한, 단위 면적당 중량 80g/㎡ 이하의 보강 섬유 시트를 이용함으로써, 섬유 직경 7㎛의 탄소 섬유를 사용하여 섬유 체적 함유율 60%의 섬유 보강층을 고려한 경우, 단위 면적당 중량 80g/㎡의 섬유량으로 평균 두께 약 80㎛의 박층의 섬유 보강층을 얻을 수 있고, 더 박층화한 섬유 보강층을 형성하여 마이크로크랙(층내 수지 균열)이나 디라미네이션(층간 박리)의 발생이 억제된 다축 보강 적층 성형품을 얻을 수 있다.

또한, 적층 시트에 열경화성 수지 재료를 함침시키기 때문에, 함침 공정이 한번에 끝나므로 제조 시간의 단축 및 제조 비용의 절감을 실현할 수 있다. 예를 들면, 일방향 보강 프리프레그 시트를 제조하고 이들 프리프레그 시트를 적층하여 다축 보강 프리프레그 시트를 제조하는 방법에서는, 일방향 보강 프리프레그 시트를 제조하기 위해서 복수 회 함침 공정이 필요로 되는데, 본 발명에서는 적층한 후에 함침하기 때문에 효율적으로 다축 보강 프리프레그 시트를 제조할 수 있다.

또한, 적층 시트를 필요한 크기로 절단하고 필요한 각도로 필요한 개수를 성형 형틀 내에 적층함으로써, 종래의 일방향 보강 시트를 차례로 적층하는 경우에 비하여 그러한 수고를 줄일 수 있다. 특히, 적층 시트인 경우 적층 횟수가 증가하고 또한 시트를 구성하는 섬유가 흩어지기 쉬우나, 본 발명에서 사용하는 적층 시트의 경우 섬유가 흩어지지 않고, 적층 횟수를 줄여 성형 형틀 내에 적층하는 작업을 효율화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용하는 적층 시트는, 스티치 고정된 다축 보강 시트와 비교하여, 섬유가 미리 균일하게 분산되어 있기 때문에, 수지 함침에서 수지가 많은 부분(수지 리치 부분)이 생기기 어렵다. 특히, 적층 시트 부분에서, 섬유가 균일하게 분산하고 있는 것은 중요하고, 스티치 등의 존재에 의해, 섬유가 정리되어 있는 부분과 수지가 많은 부분이 발생하면, 그러한 불균일로 인한 응력 집중이 발생하여 박리 등의 문제가 발생할 가능성이 높아진다.

또한, 적층 시트를 가열 또는 가열 가압함으로써 각 보강 섬유 시트를 열가소성 수지 재료에 의해 서로 열융착시켜 일체화함으로써 각 보강 섬유 시트의 실링 효과가 향상되고, 적층 시트를 조작할 때에도 각 보강 섬유 시트가 흩어지지 않아 취급하기 쉬워진다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

이하, 본 발명에 따른 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시 형태는 본 발명을 실시할 때에 바람직한 구체예이기 때문에 기술적으로 다양한 한정이 이루어져 있는데, 본 발명은 이하의 설명에서 특별히 본 발명을 한정하는 취지가 기재되어 있지 않는 한 이들 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 실시 형태에 관한 다축 보강 적층 성형품(F)의 단면의 일부를 확대하여 나타내는 모식도이다. 다축 보강 적층 성형품(F)은 보강 섬유 시트를 구비한 섬유 보강층을 복수 적층하여 구성되어 있고, 각 섬유 보강층의 보강 섬유 시트의 보강 섬유가 n(n은 2 이상)축 방향으로 배열되도록 적층되어 있다. 도 1에서는 보강 섬유 시트를 구비한 섬유 보강층(SR1 내지 SR3)이 적층된 부분을 확대하여 나타내고 있고, 각 섬유 보강층의 보강 섬유 시트의 보강 섬유가 상이한 축 방향으로 배열되도록 적층되어 있다.

각 섬유 보강층의 사이에는 수지층(TP1 및 TP2)이 형성되어 있다. 수지층(TP1 및 TP2)은 열가소성 수지 재료가 거의 균일하게 분포하여 서로 열융착하고 있고, 또한, 분포한 열가소성 수지 재료가 인접하는 섬유 보강층에 열융착에 의해 접착한 상태로 되어 있다. 또한, 열가소성 수지 재료는 가열 또는 가열 가압의 공정에 의해, 그 형상이 편평하게 넓혀진 박층 상태로 되어 수지층에 존재한다. 또한, 열가소성 수지 재료의 사이에는, 다수의 미소한 극간이 형성되어 열경화성 수지 재료가 용이하게 함침할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 도시되어 있지 않지만, 각 섬유 보강층 및 각 수지층 전체에 열경화성 수지 재료가 구석구석까지 미치고 있다.

섬유 보강층(SR1 내지 SR3)의 보강 섬유 시트는 복수의 보강 섬유를 면상으로 거의 균일하게 가지런히 하여 구성되어 있다. 보강 섬유로는, 탄소 섬유, 유리 섬유, 세라믹 섬유, 폴리옥시메틸렌 섬유, 아로마틱·폴리아미드 섬유 등의 FRP에 이용되는 고강도·고탄성율의 무기 섬유나 유기 섬유 등을 들 수 있고, 이들 섬유를 복수 조합하여도 되고, 또한 섬도에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 또한, 특허 문헌 3에 기재되어 있는 바와 같은 공지 기술에 의해 폭이 넓고 얇은 보강 섬유 시트로 성형되게 된다.

또한, 보강 섬유 시트의 두께는 80㎛ 이하로 되도록 성형하는 것이 바람직하고, 비특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이 보강 섬유 시트의 두께가 얇아짐으로써 층간 박리의 발생을 억제할 수 있다. 섬유 직경 7㎛의 탄소 섬유를 사용하여 섬유 체적 함유율 60%의 섬유 보강층을 고려한 경우, 단위 면적당 중량 80g/㎡의 섬유량으로 평균 두께 약 80㎛의 박층의 섬유 보강층을 얻을 수 있다.

또한, 두께의 측정에 대해서는, JIS R3420-1989 「유리 섬유 일반 시험 방법」을 참고로, 최소 눈금 1㎛의 숫자 표시식 마이크로미터를 사용하고, 측정면이 시료면에 평행하게 가볍게 접촉한 상태에서 래칫이 3회 소리를 냈을 때의 눈금값을 두께로 하였다.

수지층에 분포되어 있는 열가소성 수지 재료는 보강 섬유 시트를 열융착하여 보강 섬유가 흩어지지 않도록 일체화시키는 것으로, 아크릴계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아미드계 수지 등의 다양한 열가소성 수지가 사용되는데, 특히 융점이 낮은 열가소성 수지 재료가 바람직하고, 예를 들면, 흡수성이 낮은 폴리아미드 12 등이 바람직하다. 열가소성 수지 재료의 크기는, 장섬유를 확실하게 고정시키고, 또한 균일하게 얇은 상태로 분산할 수 있는 크기가 바람직하고, 입자상의 경우에는 평균 입경이 80㎛ 이하, 바람직하게는 5 내지 40㎛ 정도로 설정하면 된다. 입자상의 열가소성 수지 재료 대신에 섬유상의 열가소성 수지 재료를 이용할 수도 있고, 그 경우에는 평균 단면 직경이 80㎛ 이하 단섬유 또는 장섬유를 이용하면 된다.

또한, 수지층은 열가소성 수지 재료가 가열 또는 가열 가압되고, 그 형상이 편평하게 넓혀진 박층 상태로 됨으로써 형성된다. 그리고, 열가소성 수지 재료의 사이에는 극간이 형성되어 열경화성 수지 재료가 함침할 수 있도록 되어 있다. 열경화성 수지 재료를 용이하게, 또한 공극 없이 품질이 좋은 상태로 함침시키고, 열가소성 수지 재료에 응력 집중이 발생하지 않도록 하기 위해서는, 열가소성 수지 재료의 사이에 형성되는 극간은 작게 함과 함께 가능한 한 균일한 극간으로 형성하는 것이 중요해진다. 그를 위해서는, 열가소성 수지 재료의 크기를 작게 함과 함께 가능한 한 균일하게 분산시키는 것이 필요하고, 이러한 점으로부터 열가소성 수지 재료로서 섬유상의 것보다 입자상의 것이 바람직하고, 입경이 작은 입자상의 열가소성 수지 재료를 균일하게 분산시키는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 열가소성 수지 재료를 유기 용매 등으로 녹인 용액상의 것을 이용하여도 된다. 용액상의 열가소성 수지 재료를 보강 섬유 시트에 균일하게 도포한 후, 가열 또는 가열 가압에 의해 용매를 휘발시키고, 열가소성 수지 재료를 보강 섬유에 고정시켜도 된다. 또한, 용액상의 열가소성 수지는 유기 용매의 휘발이라는 공정이 포함되기 때문에 인체에의 영향이 우려된다. 따라서, 유기 용매를 사용하지 않는, 분체상 또는 섬유상의 열가소성 수지 재료를 이용하는 공정이 인체에의 영향도 적어진다.

또한, 수지층 내에 분포하는 열가소성 수지 재료의 양은 각 보강 섬유 시트의 열융착을 행함과 함께 열경화성 수지 재료의 함침의 방해로 되지 않는 양으로 설정하는 것이 필요하고, 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 10% 이하의 양으로 되도록 설정하는 것이 좋고, 바람직하게는 3 내지 8%이다.

열경화성 수지 재료로는, 열 또는 광이나 전자선 등의 에너지에 의해 경화하는 수지가 바람직하고, 예를 들면, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지를 들 수 있다. 특히, 에폭시 수지가 바람직하게 이용되고, 일반적으로 경화제나 경화 촉매와 조합하여 이용된다.

수지층에는 열경화성 수지 재료 중에 체적비 30% 내지 70%의 열가소성 수지 재료가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 체적비가 30% 미만에서는 열가소성 수지 재료가 보강 섬유 시트 전체에 열융착하기에 충분하지 않고, 보강 섬유 시트가 흩어지기 쉬워진다. 또한, 체적비가 70%를 넘으면, 함침되는 열경화성 수지 재료의 양이 적어지고, 프리프레그 시트를 고화한 경우에, 층간에서의 응력 집중 등에 의해 기계적 강도 저하를 일으키기 쉬워진다.

수지층의 두께는 편면측 또는 양면측의 섬유 보강층의 평균 두께(t)에 대하여 평균 두께 0.3×t 이하로 설정하면 된다. 도 1의 예에서는, 예를 들면, 수지층(TP1)의 평균 두께(d1)로 하면, 양면측의 섬유 보강층(SR1 및 SR2)의 각각의 평균 두께(t1 및 t2)이기 때문에,

d1=0.3×t1, 또는, 0.3×t2, 또는, 0.3×(t1+t2)/2

로 설정하면 된다. 평균 두께가 섬유 보강층의 평균 두께의 0.3배를 넘으면, 수지층이 두꺼워져서 층간 박리가 발생하기 쉬워지기 때문에, 0.3배 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 각 섬유 보강층은 인접하는 섬유 보강층으로부터의 구속에 의해 굽힘 강도 및 압축 강도 등의 다양한 기계적 특성이 향상되는 경우도 있기 때문에, 수지층의 두께는 박층일수록 좋고, 0.2배 이하로 설정하는 것이 더욱 바람직하다.

섬유 보강층 중에는 도 2에 도시한 바와 같은 국소적인 수지 리치부(PR)가 존재하는 경우가 있다. 그러나, 그 크기는 작기 때문에, 응력 집중 등에 의한 기계적 강도 저하의 원인으로 되는 일은 없다. 국소적인 수지 리치부 등의 존재에 의해 두께가 일정해지기 어려운 부분도 존재하지만, 두께는, 도 2에 도시한 바와 같이 층으로서의 평균 두께를 이용하면 된다.

다축 보강 적층 성형품(P)의 성형에 이용하는 다축 보강 프리프레그 시트 전체의 평균 두께는 300㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 평균 두께를 300㎛ 이하로 설정해 두면, 프리프레그 시트 제조시에, 내부까지 열경화성 수지 재료가 확실하게 함침되어 보이드(공극) 부분이 발생하지 않는 양호한 품질의 시트로 된다. 한편, 평균 두께가 300㎛를 넘으면 드레이프성이 저하된 시트로 되고, 프리프레그 시트를 적층 성형할 때에 가공이 어려워진다.

도 3 및 도 4는 다축 보강 적층 성형품의 제조 공정에서의 수지 부착 공정에 관한 설명도이고, 도 3은 보강 섬유 시트의 편면에 열가소성 수지 재료를 거의 균일하게 분포시켜 열융착시키는 수지 부착 공정을 나타내는 설명도이다.

보강 섬유 시트는 예를 들면, 특허 문헌 3에 기재되어 있는 바와 같은 공지 기술에 의해 개섬되어 시트 공급 롤러(1)에 감겨 있고, 시트 공급 롤러(1)로부터 순차로 풀려나오게 되어 있다. 보강 섬유 시트의 단위 면적당 중량은 80g/㎡로 설정되어 있다. 풀려나온 보강 섬유 시트의 상방에 분말상, 섬유상 또는 용액상의 열가소성 수지 재료가 수용된 산포기(T1)가 배치되어 있고, 산포기(T1)의 산포구로부터 보강 섬유 시트의 상면에 전체 폭에 걸쳐 열가소성 수지 재료가 거의 균일하게 산포된다. 산포하는 양은 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 5% 이하의 양으로 설정해 둔다.

풀려나오는 보강 섬유 시트의 상방에는, 이형 필름(R1)이 감긴 필름 공급 롤러(3)가 배치되어 있고, 산포된 열가소성 수지 재료의 상면에 필름 공급 롤러(3)로부터 풀려나온 이형 필름(R1)이 반송된다. 이형 필름(R1)은 보강 섬유 시트에 포개져서 히트 롤러(2a)와 프레스 롤러(2b) 사이로 반입되어 밀착한 상태에서 권취 롤러(7)에 권취된다. 보강 섬유 시트 상에 산포된 열가소성 수지 재료는, 히트 롤러(2a)의 가열 처리에 의해 보강 섬유 시트에 열융착되어 보강 섬유의 흩어짐, 각 섬유의 사행을 방지한다.

도 4는 보강 섬유 시트의 양면에 열가소성 수지 재료를 거의 균일하게 분산시켜 열융착시키는 수지 부착 공정을 나타내는 설명도이다. 공급 롤러(1)로부터 풀려나온 보강 섬유 시트의 상방에, 분말상, 섬유상 또는 용액상의 열가소성 수지 재료가 수용된 산포기(T2)가 배치되어 있고, 산포기(T1)의 산포구로부터 보강 섬유 시트의 상면에 전체 폭에 걸쳐 열가소성 수지 재료가 거의 균일하게 산포된다. 산포하는 양은 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 5% 이하의 양으로 설정해 둔다.

풀려나오는 보강 섬유 시트의 상방에는, 이형 필름(R2)이 감긴 필름 공급 롤러(4)가 배치되어 있고, 산포된 열가소성 수지 재료의 상면에 필름 공급 롤러(4)로부터 풀려나온 이형 필름(R2)이 반송된다. 또한, 풀려나오는 보강 섬유 시트의 하방에는, 이형 필름(R3)이 감긴 필름 공급 롤러(5)가 배치되어 있고, 필름 공급 롤러(5)로부터 풀려나온 이형 필름(R3)의 상면에는, 분말상, 섬유상 또는 용액상의 열가소성 수지 재료가 수용된 산포기(T3)로부터 이형 필름(R3)의 상면에 전체 폭에 걸쳐 열가소성 수지 재료가 거의 균일하게 산포된다. 산포하는 양은 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 5% 이하의 양으로 설정해 둔다.

그리고, 이형 필름(R2)은 보강 섬유 시트 상면에 포개지고, 이형 필름(R3)은 보강 섬유 시트의 하면에 포개져서 히트 롤러(6a)와 프레스 롤러(6b) 사이로 반입되어 밀착한 상태에서 권취 롤러(8)에 권취된다. 보강 섬유 시트 상에 산포된 열가소성 수지 재료는, 히트 롤러(6a)의 가열 처리에 의해 보강 섬유 시트의 상면에 열융착된다. 마찬가지로, 이형 필름(R3) 상에 산포된 열가소성 수지 재료는, 보강 섬유 시트의 하면에 열융착된다. 이렇게 해서 보강 섬유 시트의 양면에 열융착된 열가소성 수지 재료는, 보강 섬유 시트의 보강 섬유의 흩어짐, 각 섬유의 사행을 방지한다.

도 5는 다축 보강 적층 성형품의 제조 공정에서의 적층 공정 및 함침 공정에 관한 설명도이다. 도 3에서 설명한 편면만 수지 부착된 보강 섬유 시트(S1)가 시트 공급 롤러(10)로부터 순차로 풀려나오게 되어 있다. 풀려나온 보강 섬유 시트(S1)는, 상면에 밀착하고 있는 이형 필름(R1)이 피드 롤러(11)로부터 상방에 분리되어 반송되어 필름 권취 롤러(12)에 권취된다.

상면에 수지가 부착된 보강 섬유 시트(S1)에는, 그 폭에 맞춰 소정 길이로 절단된 보강 섬유 시트(S2)가 상방으로부터 순차적으로 포개진다. 보강 섬유 시트(S2)는 도 3에서 설명한 양면에 수지 부착한 보강 섬유 시트이고, 도시하지 않은 시트 공급 롤러로부터 풀려나온 후 양면의 이형 필름(R2 및 R3)을 분리하여 소정의 길이로 절단한 것이다. 보강 섬유 시트(S2)는, 보강 섬유 시트(S1)에 포개진 상태에서 상호의 보강 섬유의 가지런한 방향이 상이하도록 설정되어 있다. 그리고, 절단된 보강 섬유 시트(S2)는 앞에 배치한 시트와 맞대거나 포개지도록 순차 배치되어 간다.

배치된 보강 섬유 시트(S2)의 상면에는, 그 폭에 맞춰 소정 길이로 절단된 보강 섬유 시트(S3)가 상방으로부터 순차적으로 포개진다. 보강 섬유 시트(S3)는 도 3에서 설명한 하면만 수지 부착한 보강 섬유 시트이고, 도시하지 않은 시트 공급 롤러로부터 풀려나온 후 편면의 이형 필름(R1)을 분리하여 소정의 길이로 절단한 것이다. 보강 섬유 시트(S3)는, 보강 섬유 시트(S1 및 S2)에 포개진 상태에서 상호의 보강 섬유의 가지런한 방향이 모두 상이하도록 설정되어 있다. 예를 들면, 보강 섬유 시트(S2)의 가지런한 방향을 개섬 시트(S1)와는 +45도의 각도 어긋나게 한 경우에는, 보강 섬유 시트(S3)의 가지런한 방향을 보강 섬유 시트(S1)와는 -45도의 각도 어긋나도록 하면 된다. 그리고, 절단된 보강 섬유 시트(S3)는 앞에 배치한 시트와 맞대거나 포개지도록 순차 배치된다.

이렇게 해서 3개의 보강 섬유 시트(S1 내지 S3)를 적층한 상태에서 히트 롤러(13a)와 프레스 롤러(13b) 사이로 반입하고, 가열 및 가압 처리함으로써, 히트 롤러(13a)의 가열에 의해 각 보강 섬유 시트의 사이에 부착한 열가소성 수지 재료가 용융하여 층을 형성한다. 이렇게 해서 3개의 보강 섬유 시트(S1 내지 S3)를 열가소성 수지 재료의 열융착에 의해 일체화하여 연속한 적층 시트체(L)가 작성된다. 이 경우, 각 보강 섬유 시트의 사이에 형성된 층상의 열가소성 수지 재료는 전술한 수지 부착 공정에서 각각 단위 면적당 5% 이하의 양이 부착되어 있기 때문에, 일체화함으로써 단위 면적당 10% 이하의 양으로 설정된다. 또한, 이 예에서는 수지 부착 공정에서 각각의 보강 섬유 시트에 절반씩 열가소성 수지 재료를 부착시키도록 하고 있으나, 각각의 보강 섬유 시트에 얼마만큼의 비율로 부착시킬지는 적절히 설정하면 되고, 한정되지는 않는다. 요점은, 최종적으로 단위 면적당 10% 이하의 양으로 되도록 설정하면 된다.

다음으로, 열경화성 수지 재료의 함침 공정을 설명한다. 적층 시트체(L)는 상면에 이형 필름(R)이 밀착함과 함께 하면에 접착 필름(T4)이 밀착한 상태에서 3쌍의 히트 롤러(17a) 및 프레스 롤러(17b)의 사이를 통과하도록 반송된다.

이형 필름(R)은 필름 공급 롤러(15a)에 감겨 있고, 접착 필름(T4)은 필름 공급 롤러(14a)에 감겨 있다. 그리고, 각각 공급 롤러(14a 및 15a)로부터 풀려나와 적층 시트체(L)와 함께 피드 롤러(16a 및 16b)의 사이에 도입되어 상하면에 밀착한 상태로 된다. 그리고, 3쌍의 히트 롤러(17a) 및 프레스 롤러(17b)의 사이를 통과한 후 피드 롤러(18a 및 18b)로부터 반출되면, 이형 필름(R)은 적층 시트체(L)의 상면으로부터 분리하여 필름 권취 롤러(15b)에 권취되고, 접착 필름(T4)은 적층 시트체(L)의 하면으로부터 분리하여 필름 권취 롤러(14b)에 권취된다.

접착 필름(T4)은 이형 필름의 편면 전체에 열경화성 수지 재료가 거의 균일한 두께로 담지되어 있고, 열경화성 수지 재료가 담지된 면을 적층 시트체(L)에 밀착한 상태에서 히트 롤러(17a) 및 프레스 롤러(17b)의 사이를 통과하도록 되어 있다. 따라서, 적층 시트체(L)의 하면 전체에 열경화성 수지 재료가 밀착한 상태에서 가열 및 가압이 행해져서, 가열에 의해 점도가 저하한 열경화성 수지 재료가 가압에 의해 적층 시트체(L)의 두께 방향으로 압입되게 된다. 압입된 열경화성 수지 재료는, 적층 시트체(L) 내를 상면을 향하여 함침되는데, 상면은 이형 필름(R)에 의해 피복되어 있기 때문에 상면으로부터 새어 나오는 일은 없다. 이렇게 해서, 열경화성 수지 재료는 적층 시트체(L)의 내부를 함침하고, 전체에 구석구석까지 퍼지게 된다. 이 때, 각 개섬 시트의 사이에 형성된 열가소성 수지 재료에 의한 수지층에는, 열융착재의 사이에 다수의 극간이 형성되어 있기 때문에, 스무드하게 열경화성 수지 재료가 통과하여 함침하게 되는데, 열가소성 수지 재료 자체는 보강 섬유 시트에 열융착되어 있기 때문에 유동하는 일은 없다.

따라서, 각 보강 섬유 시트의 사이에 열가소성 수지 재료를 거의 균일하게 분포한 상태에서 적층 시트체(L) 내에 열경화성 수지 재료를 구석구석까지 미치게 한 프리프레그(P)가 제조된다.

이렇게 해서 제조된 프리프레그(P)는 상하면으로부터 이형 필름(R) 및 접착 필름(T4)이 분리된 후, 시트 권취 롤러(20)에 권취된다. 이 때, 필름 공급 롤러(19)에 감긴 이형 필름을 하면에 밀착시켜 말려들어 감으로써, 권취 상태에서 프리프레그(P)가 접착되는 것을 방지한다.

함침 공정에서, 적층 시트의 적어도 일방의 면측에 대하여 열경화성 수지 재료를 담지한 이형 필름을 밀착시켜 가압하면서 가열함으로써 열경화성 수지 재료를 함침시키는 공정이 한번에 끝나기 때문에, 이형 필름의 사용량이나 사용 길이를 조절할 수 있다. 그리고, 이형 필름에 소요량의 열경화성 수지 재료를 두껍게 형성하여 이용하면, 사용하는 이형 필름의 생산 비용을 종래보다 절감할 수 있고, 제조 비용 부담을 줄일 수 있다.

도 6은 다축 보강 적층 성형품의 제조 공정에서의 성형 공정에 관한 설명도이다. 함침 공정으로 제조된 프리프레그(P)를 필요한 크기로 절단하고(도 6(a)), 절단한 프리프레그(P1 내지 P3)를, 적절히 배치하는 각도를 어긋나게 하여 적층한 후, 오토클레이브 장치(30) 내에 설치한 형(31)에 세팅한다. 그리고, 형(31)에 세팅한 프리프레그를 가열 및 가압함으로써 열경화성 수지 재료를 경화시켜 성형한다.

이상 설명한 제조 방법에서는 적층 공정에서 보강 섬유 시트(S1)로 절단한 보강 섬유 시트(S2 및 S3)를 적층하도록 하고 있으나, 예를 들면 일본 공개 2003-221771호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 보강 섬유 시트를 감아 뒤집어 복수층으로 적층하도록 하여도 된다. 이 경우에도 뒤집히는 보강 섬유 시트의 사이에 열가소성 수지 재료를 산포하면서 감아 가도록 하면 된다.

다음으로, 다축 보강 적층 성형품에 관한 별도의 제조 방법을 설명한다. 전술한 제조 공정에서는 열경화성 수지 재료를 함침시킨 프리프레그를 적층하여 성형하도록 하고 있으나, 적층 시트를 절단하여 적층한 후 열경화성 수지 재료를 함침시켜 성형하도록 하여도 된다.

이 제조 공정에서는 수지 부착 공정 및 적층 공정은 전술한 제조 공정과 동일하기 때문에 설명은 생략한다. 도 7은 이 제조 공정에서의 성형 공정에 관한 설명도이다. 도 4에 나타내는 적층 공정으로 작성된 적층 시트체(L)는 일단 권취되어 성형 공정에 반입된다. 성형 공정에서는 권취된 적층 시트체(L)를 풀어내어 필요한 크기로 절단하고(도 7(a)), 절단한 적층 시트체(L1 내지 L3)를, 적절히 배치하는 각도를 어긋나게 해서 적층한 후, 하형(41) 내에 이형 필름(R)을 깔아 재치한다. 그리고, 상방으로부터 이형 필름(R) 및 상형(40)으로 덮도록 하여 적층 시트체(L1 내지 L3)를 형 내에 세팅한다(도 7(b)).

세팅된 형 전체를 진공 백(42)으로 밀봉하고, 가열 장치(43)에 세팅한다(도 7(c)). 진공 백(42)에는, 공기 흡인구(42a) 및 수지 주입구(42b)가 형성되어 있고, 소정 온도로 가열하면서 수지 주입구(42b)로부터 열경화성 수지 재료를 주입한다. 주입된 열경화성 수지 재료는, 가열에 의해 유동성이 높아지고, 진공 백(42) 내를 부드럽게 흘러간다. 그리고, 공기 흡인구(42a)로부터 공기를 흡인하면서 주입함으로써 열경화성 수지 재료가 적층 시트체(L1 내지 L3) 내에 구석구석까지 함침되게 된다.

진공 백(42) 내가 열경화성 수지 재료로 충전된 후 가열 장치(43)의 가열 온도를 상승시킴으로써 열경화성 수지 재료를 경화시켜 성형한다.

[실시예 1]

이하의 재료를 이용하여 다축 보강 프리프레그 시트를 제조하였다.

<사용 재료>

(보강 섬유에 사용한 섬유)

토레 주식회사제;T800SC-24K, 섬유 직경 약 5.5㎛, 섬유 개수 24000개

(열경화성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

브라이트 테크놀리즈 인크(Bryte Technologies, Inc.)제;BT250E-1, 에폭시 수지

(열가소성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

토레 주식회사제;SP-500, 나일론 12 파우더, 평균 입경 5㎛

<제조 공정>

(1) 보강 섬유속 T800SC-24K를 공기 개섬법(일본 특허 제3049225호 공보 참조)으로 폭 24㎜로 개섬하고, 개섬사로 릴에 감는다.

(2) 개섬사를 감은 릴을 폭 방향으로 13개 늘어놓고, 일본 특허공개 2005- 029912호 공보에 기재된 방법 및 장치로 극간이 없는 보강 섬유 시트를 얻는다. 얻어진 보강 섬유 시트는 폭 310㎜, 섬유 단위 면적당 중량 약 43g/㎡였다.

(3) 얻어진 보강 섬유 시트에 열가소성 수지 재료 SP-500을 평균 중량비 약 8%로 보강 섬유 시트의 편면에 균일 분산시키고, 그 후 250℃로 가열한 히트 롤에 통과시킴으로써, 열가소성 수지 분체를 부착, 섬유가 흩어지지 않도록 실링한 수지 부착 보강 섬유 시트를 얻었다.

(4) 얻어진 복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를 수지 부착면을 상측으로 하여, 그 보강 섬유의 가지런한 방향의 각도를, 90도, -45도, 0도 그리고 45도의 순으로 적층하고, 그 후, 연속 프레스 장치(일본 특허공개 2003-181832호 공보 참조)로 250℃, 약 0.5㎫의 가공 조건으로 연속한 적층 시트를 얻었다.

(5) 얻어진 적층 시트의 양면으로부터 열경화성 수지 재료 BT250E-1을, 상기 연속 프레스 장치로 90℃, 약 1㎫의 가공 조건으로 연속 함침시키고, 폭 약 310㎜, 평균 두께 약 177㎛, 섬유 체적 함유율 약 54%의 다축 보강 프리프레그 시트를 얻었다.

<적층 성형판의 제조 및 평가>

(1) 얻어진 다축 보강 프리프레그 시트를 필요한 크기로 절단하고, 6개 포개서 적층한 후, 오토클레이브 장치(주식회사 아시다제작소제)로, 125℃, 2시간 가열 처리하여 열경화성 수지 재료를 경화시켜, [45/0/-45/90]3S로 되는, 폭 320㎜×길이 320㎜×두께 1.06㎜의 적층 성형판을 얻었다.

(2) 얻어진 적층 성형판을 수직으로 절단한 단면을 관찰하였다. 도 8은 그 단면을 확대하여 촬영한 사진이다. 섬유 보강층의 평균 두께 약 39㎛, 수지층의 평균 두께 약 5㎛였던 점으로부터, 수지층의 평균 두께는 섬유 보강층의 39분의 5이고, 섬유 보강층의 평균 두께의 약 0.128이었다. 또한, 열가소성 수지 재료가 수지층에 모두 존재한다고 하여 계산하면, 수지층에서 차지하는 열가소성 수지 재료의 비율은 약 68%였다.

(3) 적층 성형판으로부터 폭 20㎜×길이 250㎜의 단책 형상의 시험편을 취하여 인장 시험을 행하였다. 인장 시험에는, 재료 만능 시험기 오토그래프(AUTOGRAPH)(로드 셀 10톤;시마즈 제작소제)를 이용하고, 변형은 게이지 길이 100㎜의 MTS제 축 신장계를 이용하여 계측하였다. 인장 시험에서, 시험편에 AE 센서를 상하 2개 부착하고, 파손에 의해 발생하는 AE를 계측함으로써 초기 파손 응력 및 층간 박리를 측정하였다. AE 센서는, 공진 주파수 1500㎑의 센서(일본 피지컬 어코스틱사제)를 이용하였다. AE 센서로부터 검출된 AE 신호는, 프리앰프(20㏈로 설정) 및 밴드 패스 필터(100㎑ 내지 300㎑)로 처리하였다. 임계값은 45㏈로 설정하였다. 그리고, 대진폭의 AE가 측정되어 큰 에너지 해방이 검출된 시점을 층간 박리가 발생한 시점으로 하였다. 이상의 인장 시험의 결과, 파단 응력이 약 1080㎫, 파단 변형이 약 1.95%, 초기 탄성률이 약 52㎬였다. 그리고, 층간 박리는, 최종 파단이 발생하기 약간 전, 응력 약 1050㎫, 변형 약 1.92%의 시점에서 발생하였다.

[실시예 2]

<사용 재료>

(보강 섬유에 사용한 섬유)

(열경화성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

브라이트 테크놀리즈 인크제;BT250E-1, 에폭시 수지

(열가소성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

토레 주식회사제;SP-500, 나일론 12 파우더, 평균 입경 5㎛

<제조 공정>

(2) 개섬사를 감은 릴을 폭 방향으로 13개 늘어놓고, 일본 특개 2005-029912호 공보에 기재된 방법 및 장치로 극간이 없는 보강 섬유 시트를 얻는다. 얻어진 보강 섬유 시트는 폭 310㎜, 섬유 단위 면적당 중량 약 43g/㎡였다.

(3) 얻어진 보강 섬유 시트에 열가소성 수지 재료 SP-500을 평균 중량비 약 3%로 보강 섬유 시트의 편면에 균일 분산시키고, 그 후 250℃로 가열한 히트 롤에 통과시킴으로써, 열가소성 수지 분체를 부착, 섬유가 흩어지지 않도록 실링한 수지 부착 보강 섬유 시트를 얻었다.

(4) 얻어진 복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를 수지 부착면을 상측으로 하여, 그 보강 섬유의 가지런한 방향의 각도를, 90도, -45도, 0도 그리고 45도의 순으로 적층하고, 그 후, 연속 프레스 장치(일본 특허공개 2003-181832호 공보 참조) 로 250℃, 약 0.5㎫의 가공 조건으로 연속한 적층 시트를 얻었다.

(5) 얻어진 적층 시트의 양면으로부터 열경화성 수지 재료 BT250E-1을, 상기 연속 프레스 장치로 90℃, 약 1㎫의 가공 조건으로 연속 함침시키고, 폭 약 310㎜, 평균 두께 약 170㎛, 섬유 체적 함유율 약 57%의 다축 보강 프리프레그 시트를 얻었다.

<적층 성형판의 제조 및 평가>

(2) 얻어진 적층 성형판을 수직으로 절단한 단면을 관찰하였다. 섬유 보강층의 평균 두께 약 39㎛, 수지층의 평균 두께 약 4㎛였던 점으로부터, 수지층의 평균 두께는 섬유 보강층의 39분의 4이고, 섬유 보강층의 평균 두께의 약 0.102였다. 또한, 열가소성 수지 재료가 수지층에 모두 존재한다고 하여 계산하면, 수지층에서 차지하는 열가소성 수지 재료의 비율은 약 31%였다.

(3) 적층 성형판으로부터 폭 20㎜×길이 250㎜의 단책 형상의 시험편을 취하고, 실시예 1과 마찬가지의 인장 시험을 행하였다. 인장 시험의 결과, 파단 응력이 약 1040㎫, 파단 변형이 약 1.91%, 초기 탄성률이 약 53㎬였다. 그리고, 층간 박리는, 최종 파단이 발생하기 약간 전, 응력 약 995㎫, 변형 약 1.87%의 시점에서 발생하였다.

[실시예 3]

<사용 재료>

(보강 섬유에 사용한 섬유)

도호 테낙스 주식회사(TOHO TENAX Co.,Ltd)제;HTA-12K, 직경 약 7㎛, 섬유 개수 12000개

(열경화성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

브라이트 테크놀리즈 인크제;BT250E-1, 에폭시 수지

(열가소성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

토레 주식회사제;핫멜트용 공중합 폴리아미드 수지 파우더, CM842P48, 평균 입경 80㎛, 저융점(115℃) 수지

<제조 공정>

(1) 보강 섬유속 TA-12K를 공기 개섬법(일본 특허 제3049225호 공보 참조)으로 폭 20㎜로 개섬하고, 개섬사로 릴에 감는다.

(2) 개섬사를 감은 릴을 폭 방향으로 16개 늘어놓고, 일본 특개 2005-029912호 공보에 기재된 방법 및 장치로 극간이 없는 보강 섬유 시트를 얻는다. 얻어진 보강 섬유 시트는 폭 320㎜, 섬유 단위 면적당 중량 약 42g/㎡였다.

(3) 얻어진 보강 섬유 시트에 열가소성 수지 재료 CM842P48을 평균 중량비 약 5%로 보강 섬유 시트의 편면에 균일 분산시키고, 그 후 120℃로 가열한 히트 롤에 통과시킴으로써, 열가소성 수지 분체를 부착, 섬유가 흩어지지 않도록 실링한 수지 부착 보강 섬유 시트를 얻었다.

(4) 얻어진 복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를 수지 부착면을 상측으로 하여, 그 보강 섬유의 가지런한 방향의 각도를, 90도, -45도, 0도 그리고 45도의 순으로 적층하고, 그 후, 연속 프레스 장치(일본 특허공개 2003-181832호 공보 참조)로 120℃, 약 0.5㎫의 가공 조건으로 연속한 적층 시트를 얻었다.

(5) 얻어진 적층 시트의 양면으로부터 열경화성 수지 재료 BT250E-1을, 상기 연속 프레스 장치로 90℃, 약 1㎫의 가공 조건으로 연속 함침시키고, 폭 약 320㎜, 평균 두께 약 168㎛, 섬유 체적 함유율 약 56%의 다축 보강 프리프레그 시트를 얻었다.

<적층 성형판의 제조 및 평가>

(1) 얻어진 다축 보강 프리프레그 시트를 필요한 크기로 절단하고, 6개 포개서 적층한 후, 오토클레이브 장치(주식회사 아시다제작소제)로 125℃, 2시간 가열 처리하여 열경화성 수지 재료를 경화시켜, [45/0/-45/90]3S로 되는, 폭 320㎜×길이 320㎜×두께 1.08㎜의 적층 성형판을 얻었다.

(2) 얻어진 적층 성형판을 수직으로 절단한 단면을 관찰하였다. 섬유 보강층의 평균 두께 약 39㎛, 수지층의 평균 두께 약 3㎛였던 점으로부터, 수지층의 평균 두께는 섬유 보강층의 39분의 3이고, 섬유 보강층의 평균 두께의 약 0.077이었다. 또한, 열가소성 수지 재료가 수지층에 모두 존재한다고 하여 계산하면, 수지층에서 차지하는 열가소성 수지 재료의 비율은 약 62%였다.

(3) 적층 성형판으로부터 폭 20㎜×길이 250㎜의 단책 형상의 시험편을 꺼내 고, 실시예 1과 마찬가지의 인장 시험을 행하였다. 인장 시험의 결과, 파단 응력이 약 820㎫, 파단 변형이 약 1.81%, 초기 탄성률이 약 45㎬였다. 그리고, 층간 박리는, 최종 파단이 발생하기 약간 전, 응력 약 800㎫, 변형 약 1.72%의 시점에서 발생하였다.

[실시예 4]

이하의 재료를 이용하여 다축 보강 적층 성형품을 제조하였다.

<사용 재료>

(보강 섬유에 사용한 섬유)

미쯔비시 레이온 주식회사제;TR50S-15K, 섬유 직경 약 7㎛, 섬유 개수 15000개

(열경화성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

비스페놀 A형 에폭시 수지를 이용하였다.

주요 작용제는 에피크론 850(다이닛폰 잉크 화학 공업 주식회사제), 경화제는 2E4MZ(2에틸4메틸이미다졸, 시코쿠 화성 주식회사제)를 이용하였다. 주요 작용제 100부에 대하여, 경화제 4부를 투입하고, 상온에서 교반 후, 수지로서 사용하였다.

(열가소성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

토레 주식회사제;SP-500, 나일론 12 파우더, 평균 입경 5㎛

<제조 공정>

(1) 보강 섬유속 TR50S-15K를 공기 개섬법(일본 특허 제3049225호 공보 참 조)으로 폭 24㎜로 개섬하고, 개섬사로 릴에 감는다.

(2) 개섬사를 감은 릴을 폭 방향으로 13개 늘어놓고, 일본 특개 2005-029912호 공보에 기재된 방법 및 장치로 극간이 없는 보강 섬유 시트를 얻는다. 얻어진 보강 섬유 시트는 폭 310㎜, 섬유 단위 면적당 중량 약 42g/㎡였다.

(3) 얻어진 보강 섬유 시트에 열가소성 수지 재료 SP-500을 평균 중량비 약 10%로 보강 섬유 시트의 편면에 균일 분산시키고, 그 후 250℃로 가열된 히트 롤에 통과시킴으로써 열가소성 수지 분체를 부착, 섬유가 흩어지지 않도록 실링한 수지 부착 보강 섬유 시트를 얻었다.

(4) 얻어진 복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를 수지 부착면을 상측으로 하여, 그 보강 섬유의 가지런한 방향의 각도를, 90도, -45도, 0도 그리고 45도의 순으로 적층하고, 그 후, 연속 프레스 장치(일본 특개 2003-181832호 공보 참조)로 250℃, 약 0.5㎫의 가공 조건으로 연속한 적층 시트를 얻었다.

<적층 성형판의 제조 및 평가>

(1) 얻어진 적층 시트를 필요한 크기로 절단하고, 12개 포개서 적층재로 한 후, 이형 필름을 깐 평면 하금형에 상기 적층재를 세팅하고, 이형 필름과 평면 상금형을 실어 전체를 진공 백으로 덮었다. 진공 백의 2 부분에 구멍을 뚫고, 1 부분은 내부의 공기를 흡인하는 구, 다른 1 부분은 수지를 주입하는 입구로 하였다.

(2) 진공 백으로 덮힌 일식을 약 50℃로 가열된 핫 플레이트 상에 두고, 평면 상하 금형 및 상기 적층재를 약 50℃로 유지하였다. 이는, 에폭시 수지의 점도를 내리고, 수지의 흐름을 좋게 하기 위해서 행하였다.

(3) 공기 흡인구로부터 진공 펌프로 공기를 흡인시키면서, 수지 주입구로부터 에폭시 수지를 주입하고, 공기 흡인구로부터 에폭시 수지가 넘친 시점에서, 수지의 주입을 종료하였다. 그 후, 그대로의 상태로, 핫 플레이트의 온도를 125℃로 하여, 약 2시간 방치하고, 에폭시 수지를 경화시켰다. 그리고, [45/0/-45/90]3S로 되는, 폭 320㎜×길이 320㎜×두께 2.15㎜, 섬유 체적 함유율 약 54%의 적층 성형판을 얻었다.

(4) 얻어진 적층 성형판을 수직으로 절단한 단면을 관찰하였다. 섬유 보강층의 평균 두께 약 38㎛, 수지층의 평균 두께 약 7㎛였던 점으로부터, 수지층의 평균 두께는 섬유 보강층의 약 38분의 7이고, 섬유 보강층의 평균 두께의 약 0.18이었다. 또한, 열가소성 수지 재료가 수지층에 모두 존재한다고 하여 계산하면, 수지층에서 차지하는 열가소성 수지 재료의 비율은 약 59%였다.

(5) 적층 성형판으로부터 폭 20㎜×길이 250㎜의 단책 형상의 시험편을 꺼내고, 실시예 1과 마찬가지의 인장 시험을 행하였다. 인장 시험의 결과, 파단 응력이 약 890㎫, 파단 변형이 약 1.74%, 초기 탄성률이 약 47㎬였다. 그리고, 층간 박리는, 최종 파단이 발생하기 약간 전, 응력 약 825㎫, 변형 약 1.64%의 시점에서 발생하였다.

[실시예 5]

<사용 재료>

(보강 섬유에 사용한 섬유)

(열경화성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

브라이트 테크놀리즈 인크제;BT250E-1, 에폭시 수지

(열가소성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

나일론 12 단섬유

<제조 공정>

(3) 얻어진 보강 섬유 시트에 열가소성 수지 재료인 나일론 12 단섬유를 보강 섬유 시트의 편면에 평균 단위 면적당 중량 4g/㎡ 정도로 거의 균일하게 분산시키고, 그 후 200℃로 가열한 히트 롤에 통과시킴으로써, 나일론 12 단섬유를 부착, 섬유가 흩어지지 않도록 실링한 수지 부착 보강 섬유 시트를 얻었다.

(5) 얻어진 적층 시트의 양면으로부터 열경화성 수지 재료 BT250E-1을, 상기 연속 프레스 장치로 90℃, 약 1㎫의 가공 조건으로 연속 함침시키고, 폭 약 310㎜, 평균 두께 약 178㎛, 섬유 체적 함유율 약 54%의 다축 보강 프리프레그 시트를 얻었다.

<적층 성형판의 제조 및 평가>

(1) 얻어진 다축 보강 프리프레그 시트를 필요한 크기로 절단하고, 6개 포개서 적층한 후, 오토클레이브 장치(주식회사 아시다제작소제)로, 125℃, 2시간 가열 처리하여 열경화성 수지 재료를 경화시켜, [45/0/-45/90]3S로 되는, 폭 320㎜×길이 320㎜×두께 1.07㎜의 적층 성형판을 얻었다.

(2) 얻어진 적층 성형판을 수직으로 절단한 단면을 관찰하였다. 섬유 보강층의 평균 두께 약 34㎛, 수지층의 평균 두께 약 10㎛였던 점으로부터, 수지층의 평균 두께는 섬유 보강층의 34분의 10이고, 섬유 보강층의 평균 두께의 약 0.294였다. 또한, 열가소성 수지 재료가 수지층에 모두 존재한다고 하여 계산하면, 수지층에서 차지하는 열가소성 수지 재료의 비율은 약 39%였다.

(3) 적층 성형판으로부터 폭 20㎜×길이 250㎜의 단책 형상의 시험편을 꺼내고, 실시예 1과 마찬가지의 인장 시험을 행하였다. 인장 시험의 결과, 파단 응력이 약 1002㎫, 파단 변형이 약 1.83%, 초기 탄성률이 약 52㎬였다. 그리고, 층간 박리는, 최종 파단이 발생하기 약간 전, 응력 약 950㎫, 변형 약 1.76%의 시점에서 발생하였다.

[비교예 1]

이하의 재료를 이용하여 일방향 보강 프리프레그 시트를 제조하였다.

<사용 재료>

(보강 섬유에 사용한 섬유)

(열경화성 수지 재료에 사용한 수지 재료)

브라이트 테크놀리즈 인크제;BT250E-1, 에폭시 수지

<제조 공정>

(3) 얻어진 보강 적층 시트의 편면으로부터 열경화성 수지 재료 BT250E-1을, 상기 연속 프레스 장치로 90℃, 약 1㎫의 가공 조건으로 연속 함침시키고, 폭 약 310㎜, 평균 두께 약 41㎛, 섬유 체적 함유율 약 58%의 일방향 보강 프리프레그 시트를 얻었다.

<적층 성형판의 제조 및 평가>

(1) 얻어진 일방향 보강 프리프레그 시트를 48개 포개서 적층한 후, 오토클레이브 장치(주식회사 아시다제작소제)로, 125℃, 2시간 가열 처리하여 열경화성 수지 재료를 경화시켜, [45/0/-45/90]6S로 되는, 폭 320㎜×길이 320㎜×두께 1.99㎜의 적층 성형판을 얻었다.

(2) 적층 성형판으로부터 폭 20㎜×길이 250㎜의 단책 형상의 시험편을 꺼내고, 실시예 1과 마찬가지의 인장 시험을 행하였다. 인장 시험의 결과, 파단 응력이 약 1014㎫, 파단 변형이 약 1.85%, 초기 탄성률이 약 53㎬였다. 그리고, 층간 박리는, 최종 파단이 발생하기 약간 전, 응력 약 990㎫, 변형 약 1.81%의 시점에서 발생하였다.

[비교예 2]

<사용 재료>

비교예 1과 마찬가지의 재료를 이용하였다.

<제조 공정>

비교예 1과 마찬가지의 제조 공정에 의해 일방향 보강 프리프레그 시트를 제조하였다.

<적층 성형판의 제조 및 평가>

(1) 얻어진 일방향 보강 프리프레그 시트를 동 방향으로 3개 적층한, 즉 두께가 박층의 일방향 보강 프리프레그 시트가 3배로 되는 일방향 보강 프리프레그 시트를 16조 포개서 적층한 후, 오토클레이브 장치(주식회사 아시다제작소제)로, 125℃, 2시간 가열 처리하여 열경화성 수지 재료를 경화시켜, [45/0/-45/90]6S로 되는, 폭 320㎜×길이 320㎜×두께 1.99㎜의 적층 성형판을 얻었다.

(2) 적층 성형판으로부터 폭 20㎜×길이 250㎜의 단책 형상의 시험편을 꺼내고, 실시예 1과 마찬가지의 인장 시험을 행하였다. 인장 시험의 결과, 파단 응력이 약 890㎫, 파단 변형이 약 1.78%, 초기 탄성률이 약 52㎬였다. 그리고, 층간 박리는, 비교예 1보다 빠른 단계의, 응력 약 780㎫, 변형 약 1.48%의 시점에서 발생하였다.

이상의 실시예 및 비교예의 결과로부터 이하의 점을 알 수 있다.

(1) 섬유 보강층의 두께가 약 120㎛인 적층 성형판의 경우, 인장 시험 중에 층간 박리를 일으킨다. 이에 대하여, 섬유 보강층 약 40㎛의 박층 섬유 보강층을 가지는 적층 성형판은 층간 박리가 최종 파단 강도에 거의 이를 때까지 발생하지 않음을 알 수 있다. 이 결과는, 비특허 문헌 1의 결과와 동일하다.

(2) 실시예 1 내지 5에서는, 적층 성형판의 층간 박리 강도가 박층의 섬유 보강층을 가진 적층 성형판과 마찬가지의 결과로 되어 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 양호한 품질을 유지하고 제조 비용이 우수한 다축 보강 적층 성형품을 얻는 것을 기대할 수 있다.

<도면의 간단한 설명>

도 1은 본 발명에 따른 실시 형태에 관한 다축 보강 적층 성형품의 단면을 나타내는 모식도이다.

도 2는 섬유 보강층의 단면을 나타내는 모식도이다.

도 3은 본 발명에 따른 제조 방법의 수지 부착 공정에 관한 설명도이다.

도 4는 본 발명에 따른 제조 방법의 별도의 수지 부착 공정에 관한 설명도이다.

도 5는 본 발명에 따른 제조 방법의 적층 공정 및 함침 공정에 관한 설명도이다.

도 6은 다축 보강 적층 성형품의 제조 공정에서의 성형 공정에 관한 설명도이다.

도 7은 별도의 제조 공정에서의 성형 공정에 관한 설명도이다.

도 8은 적층 성형판의 단면을 촬영한 사진이다.

<부호의 설명>

F:성형품

L:적층 시트체

P:프리프레그

R:이형 필름

S:보강 섬유 시트

T1:산포기

T2:산포기

T3:산포기

T4:접착 필름

1:시트 공급 롤러

2a:히트 롤러

2b:프레스 롤러

3:필름 공급 롤러

4:필름 공급 롤러

5:필름 공급 롤러

6a:히트 롤러

6b:프레스 롤러

7:권취 롤러

8:권취 롤러

10:시트 공급 롤러

11:피드 롤러

12:필름 권취 롤러

13a:히트 롤러

13b:프레스 롤러

14a:필름 공급 롤러

14b:필름 권취 롤러

15a:필름 공급 롤러

15b:필름 권취 롤러

16a:피드 롤러

16b:피드 롤러

17a:히트 롤러

17b:프레스 롤러

18a:피드 롤러

18b:피드 롤러

19:필름 공급 롤러

20:시트 권취 롤러

Claims

보강 섬유가 n(n은 2 이상)축 방향으로 배열되도록 적층된 복수의 섬유 보강층을 구비하고 열경화성 수지 재료가 전체에 함침되어 경화된 다축 보강 적층 성형품으로서, 섬유 보강층 중 적어도 1층은 평균 두께가 80㎛ 이하이고, 각 섬유 보강층 간에는 편면측 또는 양면측의 섬유 보강층의 평균 두께(t)에 대하여 평균 두께 0.3×t 이하의 수지층이 형성되어 있고, 각 수지층에는 열경화성 수지 재료 중에 체적비 30 내지 70%의 열가소성 수지 재료가 균일하게 분포하여 적어도 일부가 섬유 보강층에 접착하고 있는 것을 특징으로 하는 다축 보강 적층 성형품.
제1항에 있어서, 상기 수지층은 편면측 또는 양면측의 섬유 보강층의 평균 두께(t)에 대하여 평균 두께 0.2×t 이하인 것을 특징으로 하는 다축 보강 적층 성형품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열가소성 수지 재료가 입자상 또는 섬유상인 것을 특징으로 하는 다축 보강 적층 성형품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 섬유 보강층은 모두 평균 두께 80㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다축 보강 적층 성형품.
복수의 연속한 보강 섬유를 균일하게 가지런히 하여 구성되고 적어도 1개는 단위 면적당 중량 80g/㎡ 이하인 복수의 보강 섬유 시트에 대하여, 각 보강 섬유 시트의 편면 또는 양면에, 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 10% 이하의 양으로 되도록 열가소성 수지 재료를 균일하게 분산시킨 후, 상기 열가소성 수지 재료를 가열 또는 가열 가압함으로써 상기 보강 섬유 시트에 부착시켜 수지 부착 보강 섬유 시트를 형성하는 수지 부착 공정,

복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를, 각각의 보강 섬유의 가지런한 방향이 다방향으로 되고 또한 각 수지 부착 보강 섬유 시트 간에 상기 열가소성 수지 재료가 배치되도록 적층하여 적층 시트를 형성하는 적층 공정,

적층 시트의 적어도 한쪽 면측으로부터 열경화성 수지 재료를 함침시켜 다축 보강 프리프레그 시트를 형성하는 함침 공정, 및

상기 다축 보강 프리프레그 시트를 필요한 크기로 절단하고 필요한 각도로 필요한 개수를 적층한 후 가열 가압 성형함으로써 열경화성 수지 재료를 경화시키는 성형 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 다축 보강 적층 성형품의 제조 방법.
복수의 연속한 보강 섬유를 균일하게 가지런히 하여 구성되고 적어도 1개는 단위 면적당 중량 80g/㎡ 이하인 복수의 보강 섬유 시트에 대하여, 각 보강 섬유 시트의 편면 또는 양면에, 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 10% 이하의 양으로 되도록 열가소성 수지 재료를 균일하게 분산시킨 후, 상기 열가소성 수지 재료를 가열 또는 가열 가압함으로써 상기 보강 섬유 시트에 부착시켜 수지 부착 보강 섬유 시트를 형성하는 수지 부착 공정,

적어도 1개의 연속한 수지 부착 보강 섬유 시트를 포함하는 복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를, 각각의 보강 섬유의 가지런한 방향이 다방향으로 되고 또한 각 수지 부착 보강 섬유 시트 간에 상기 열가소성 수지 재료가 배치되도록 적층하여 연속한 적층 시트를 형성하는 적층 공정,

연속한 적층 시트의 적어도 한쪽 면측으로부터 열경화성 수지 재료를 함침시켜 연속한 다축 보강 프리프레그 시트를 형성하는 함침 공정, 및

상기 다축 보강 프리프레그 시트를 필요한 크기로 절단하고 필요한 각도로 필요한 개수를 적층한 후 가열 가압 성형함으로써 열경화성 수지 재료를 경화시키는 성형 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 다축 보강 적층 성형품의 제조 방법.
복수의 연속한 보강 섬유를 균일하게 가지런히 하여 구성되고 적어도 1개는 단위 면적당 중량 80g/㎡ 이하인 복수의 보강 섬유 시트에 대하여, 각 보강 섬유 시트의 편면 또는 양면에, 적층할 때에 인접하는 보강 섬유 시트 중 단위 면적당 중량이 작은 보강 섬유 시트의 중량에 대하여 10% 이하의 양으로 되도록 열가소성 수지 재료를 균일하게 분산시킨 후, 상기 열가소성 수지 재료를 가열 또는 가열 가압함으로써 상기 보강 섬유 시트에 부착시켜 수지 부착 보강 섬유 시트를 형성하는 수지 부착 공정,

복수의 수지 부착 보강 섬유 시트를, 각각의 보강 섬유의 가지런한 방향이 다방향으로 되고 또한 각 수지 부착 보강 섬유 시트 간에 상기 열가소성 수지 재료가 배치되도록 적층하여 적층 시트를 형성하는 적층 공정, 및

상기 적층 시트를 필요한 크기로 절단하고 필요한 각도로 필요한 개수를 성형 형틀 내에 적층한 후 상기 성형 형틀 내에 열경화성 수지 재료를 주입하여 상기 적층 시트에 열경화성 수지 재료를 함침시키고, 가열 또는 가열 가압 성형함으로써 열경화성 수지 재료를 경화시키는 성형 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 다축 보강 적층 성형품의 제조 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 적층 시트를 가열 또는 가열 가압함으로써 각 보강 섬유 시트를 열가소성 수지 재료에 의해 서로 열융착시켜 일체화시키는 일체화 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 수지 재료로 평균 입경이 80㎛ 이하인 미립자 또는 평균 단면 직경 80㎛ 이하의 섬유의 열가소성 수지 재료를 이용하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보강 섬유 시트는 적어도 1개가 보강 섬유속(纖維束)을 연속하여 개섬(開纖)시킨 개섬사를 폭 방향으로 복수 개 가지런히 한, 단위 면적당 중량 80g/㎡ 이하의 개섬사 시트인 것을 특징으로 하는 제조 방법.