KR102267888B1 - 섬유강화 복합재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

섬유강화 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 부품소재로 적합하도록 에폭시 수지 및 관능성 고무를 포함함으로써 인장신율 및 파단강도가 현저히 향상된 섬유강화 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

섬유강화 복합재료 및 이의 제조방법{FIBER-REINFORCED COMPOSITE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
섬유강화 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 부품소재로 적합하도록 에폭시 수지 및 관능성 고무를 포함함으로써 인장신율 및 파단강도가 현저히 향상된 섬유강화 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
에폭시 수지는 기계적 성질, 내수성, 내약품성, 내열성, 전기적 성질 등이 우수하여, 접착제, 도료, 적층판, 성형재료 및 주형 재료 등의 폭넓은 분야에 이용되고 있다. 이들 중에서도 특히 섬유강화 복합재료 분야에 있어서 에폭시 수지 및 경화제를 매트릭스 수지로 해서 강화섬유에 함침·경화시킴으로써 경량화·고강도화와 같은 특성을 부여할 수 있기 때문에 항공기 구조용 부재, 풍력발전 부재 및 자동차 또는 전기전자 부품의 하우징 등으로 활용되는 등 그 수요는 해마다 증가하고 있다.
특히, 자동차용 부품소재는 경량화와 함께 높은 강성, 강도 특성을 지니는 동시에 3차원적인 복잡한 형상을 가진 소재가 요구된다. 자동차 경량화 트렌드에 따라 섬유강화 복합재료는 각광받는 소재이며, 이 중에서도 탄소섬유 강화복합재료는 비강도 및 비강성이 매우 높아 항공용 소재로 널리 적용되고 있는 소재이다.
그러나 에폭시 수지를 매트릭스로 한 탄소섬유 강화복합재료는 에폭시 수지 특유의 취성 때문에 재료가 충격에 의하여 파단이 발생할 우려가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 최근 에폭시 수지 자체의 가교도를 제어함으로써 파단강도를 향상시키고자 하는 방법이 연구되고 있다. 그러나 가교도를 낮춰 파단강도를 향상시킬 경우, 기계적 물성 및 내열성이 저하되는 단점을 발생한다.
이에, 에폭시 수지의 적절한 가교도를 유지하여 기계적 물성이나 내열성의 저하없이 파단강도를 향상시킬 수 있으며, 복잡한 형상에 대한 성형으로 습식압축몰딩공법(Wet Compression Molding, WCM)에 적합한 탄소섬유강화 복합재료의 연구가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 우수한 기계적 물성 및 내열성을 확보할 수 있고 이와 동시에 파단강도가 현저히 향상된 섬유강화 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 우수한 기계적 물성, 내열성뿐만 아니라 파단강도가 현저히 향상되고 습식압축몰딩공법(Wet Compression Molding, WCM)에 적합한 섬유강화 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 우수한 기계적 물성, 내열성뿐만 아니라 파단강도가 현저히 향상되고 습식압축몰딩공법(Wet Compression Molding, WCM)에 적합한 섬유강화 복합재료의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현 예에서, 에폭시 수지; 경화제 및 관능성 고무;를 포함하며, 하기 식 1을 만족하는 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물과 무기섬유;를 포함하여 형성되고,
하기 식 2를 만족하는 섬유강화 복합재료를 제공하는 것을 특징으로 한다.
600 ≤ V80 ≤ 20,000 [식 1]
80 ≤ Tg ≤ 120 [식 2]
(상기 식 1에서 V80은 ASTM D7320 규격에 의거하여 80℃에서 측정된 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물의 점도(cP)이며, 상기 식 2는 섬유강화 복합재료의 유리전이온도(Tg)이다.)
본 발명의 다른 구현 예에서, (a) 60 내지 80℃ 온도에서 제1압출기에 에폭시 수지 및 경화제를 투입하고 혼합하는 에폭시 수지 조성물 제조단계; (b) 상기 에폭시 수지 조성물에 관능성 고무를 투입하고 혼합하는 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 제조단계; (c) 제2압출금형에 무기섬유를 투입하고 상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물을 함침시키는 섬유강화 복합재료 플라스틱 제조단계; 및 (d) 상기 섬유강화 복합재료 플라스틱을 가열압착하는 섬유강화 복합재료 제조단계;를 포함하는 섬유강화 복합재료의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 에폭시 수지, 경화제, 관능성 고무 및 무기섬유를 포함함으로써, 기계적 물성, 내열성뿐만 아니라 파단강도가 현저히 향상되고 습식압축몰딩공법(Wet Compression Molding, WCM)에 적합한 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다.
기계적 물성, 내열성 및 파단강도가 우수하고 무기섬유와의 함침 특성이 우수하여 경량화에 유리하여 자동자 부품 소재 등으로 바람직하게 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유강화 복합재료의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 일 구현예에서, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는
에폭시 수지; 경화제 및 관능성 고무를 포함하며, 하기 식 1을 만족하는 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물;과 무기섬유;를 포함하여 형성되고,
하기 식 2를 만족하는 섬유강화 복합재료를 제공하는 것을 특징으로 한다.
600 ≤ V80 ≤ 20,000 [식 1]
80 ≤ Tg ≤ 120 [식 2]
(상기 식 1에서 V80은 ASTM D7320 규격에 의거하여 80℃에서 측정된 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물의 점도(cP)이며, 상기 식 2는 섬유강화 복합재료의 유리전이온도(Tg)이다.)
먼저 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물에 관하여 설명한다.
상기 섬유강화 복합재료용 에폭수 수지 조성물은 에폭시 수지, 경화제 및 관능성 고무를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르는 상기 에폭시 수지는 에폭시기를 적어도 2개 이상 함유하는 화합물이면 제한되지 않으나, 예를 들면, 비스페놀 A디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스페놀 F디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스페놀 S디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 레조르시놀 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 하이드로퀴논 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 테레프탈산 디글리시딜에스테르형 에폭시 수지, 비스페녹시에탄올 플루오렌 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스페놀플루오렌 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스크레졸 플루오렌 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지 중에서 1종 또는 2종 이상이 선택될 수 있다. 보다 바람직하게 비스페놀 A디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스페놀 F디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스페놀 S디글리시딜 에테르형 에폭시 수지 중에서 1종 또는 2종 이상 선택되는 것이 작업성이 우수하고 점도 제어에 용이함에 따라 효과적이다.
상기 에폭시 수지의 에폭시 당량은 160 내지 200 g/eq.인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게 180 내지 190 g/eq.인 것이 바람직하다. 에폭시 당량이 200 g/eq. 초과일 경우에는 관능기가 지나치게 많아 가교도가 높아져 파단강도가 낮아질 우려가 있으며, 160 g/eq. 미만일 경우에는 관능기가 지나치게 적어 기계적 물성 및 내열성이 저하될 우려가 있다.
상기 에폭시 수지는 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물과 무기섬유의 총 중량에 대하여 20 내지 40 중량%로 포함될 수 있다. 즉, 에폭시수지, 경화제, 관능성 고무 및 무기섬유의 총 중량에 있어서, 20 내지 40 중량%로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게 25 내지 35 중량%로 포함될 수 있다.
상기 에폭시 수지가 20 중량% 미만일 경우에는 열적 특성이 저하되거나 제조상의 문제가 발생할 우려가 있으며, 40 중량% 초과일 경우에는 내충격성이 저하될 우려가 있으므로 상술한 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르는 상기 경화제는 상기 에폭시 수지를 경화시켜 적절한 가교도를 제어하기 위하여 포함되는 것으로 에폭시 수지를 경화시킬 수 있는 화합물이면 제한되지 않으며, 예를 들면, 아민계 경화제, 산무수물계 경화제, 아미드계 경화제 및 페놀계 경화제 중에서 1종 또는 2종 이상 선택될 수 있다. 보다 바람직하게는 에폭시 수지의 내열성 향상을 위하여 아민계 경화제인 것이 효과적이다.
상기 아민계 경화제는 디아미노디페닐메탄, 디아미노디페닐술폰, 이소포론디아민, 나프탈렌디아민, 아닐린노볼락, 오르토에틸아닐린노볼락, 아닐린과 크실릴렌클로라이드의 반응에 의해 얻어지는 아닐린 수지, 아닐린과 치환 비페닐류(4,4'-비스(클로로메틸)-1,1'-비페닐 및 4,4'-비스(메톡시메틸)-1,1'-비페닐 등), 혹은 치환 페닐류(1,4-비스(클로로메틸)벤젠, 1,4-비스(메톡시메틸)벤젠 및 1,4-비스(히드록시메틸)벤젠 등) 등의 중축합에 의해 얻어지는 아닐린 수지 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 아민계 경화제는 바람직하게 디아미노디페닐메탄 및 디아미노디페닐술폰 중에서 1종 또는 2종 선택될 수 있고, 보다 바람직하게 디아미노디페닐술폰인 것이 기계적 물성, 내열성 및 고온에서 탄성율을 향상시킬 수 있고, 무기섬유와의 결합력을 향상시키는 측면에서 효과적이다.
상기 경화제의 당량은 200 내지 250 g/eq.인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게 220 내지 250 g/eq.인 것이 바람직하다. 경화제 당량이 250 g/eq. 초과일 경우에는 가교도가 높아져 파단강도가 낮아질 우려가 있으며, 200 g/eq. 미만일 경우에는 섬유강화 복합재료의 기계적 물성 및 내열성이 저하될 우려가 있다.
상기 경화제는 전체 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 내 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 20 중량부로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게 10 내지 13 중량부로 포함될 수 있다.
상기 경화제가 5 중량부 미만일 경우에는 기계적 물성 및 내열성이 저하될 우려가 있으며, 20 중량부 초과일 경우에는 내충격성이 저하될 우려가 있으므로 상술한 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르는 상기 관능성 고무는 섬유강화 복합재료에서 에폭시 수지의 약한 취성을 보완하여 내충격성을 향상시키고, 섬유강화 복합재료 제조시 작업성을 향상시키고자 포함하는 것으로, 카르복시기, 산무수물기, 아민기 및 에폭시기 중에서 1종 또는 2종 이상을 함유하는 고무일 수 있다.
상기 고무는 에틸렌-프로필렌 고무(EPR), 에틸렌-부텐 고무(EBR), 에틸렌-옥텐 고무(EOR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), EPDM 고무 및 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체(SEBS) 중에서 1종 또는 2종 이상 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게 스티렌-부타디엔 고무 또는 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체(SEBS)인 것이 내충격성 향상에 효과적이다.
상기 관능성 고무는 보다 효과적으로 내충격성을 향상시키고, 무기섬유와의 함침 특성을 향상시키기 위해서 당량이 5 내지 10 g/eq.인 카르복시기를 포함하는 고무인 것이 바람직하다.
상기 관능성 고무는 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 내 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 30 중량부로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게 5 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
상기 관능성 고무가 5 중량부 미만일 경우에는 내충격성 향상 특성이 미미해질 우려가 있으며, 20 중량부 초과일 경우에는 기계적 물성 및 내열성이 저하될 우려가 있으므로, 상술한 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물은 하기 식 1을 만족할 수 있다.
600 ≤ V80 ≤ 20,000 [식 1]
(상기 식 1에서 V80은 ASTM D7320 규격에 의거하여 80℃에서 측정된 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물의 점도(cP)이다.)
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물의 점도 범위가 상술한 범위에 존재함으로써, 원료의 혼합 등 작업성이 우수하고, 무기섬유와의 함침성이 향상되는 장점이 있다.
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 및 무기섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르는 상기 무기섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 이들의 혼합물 중에서 1종 또는 2종 이상 선택될 수 있으며, 바람직하게는 섬유강화 복합재료의 기계적 물성을 향상시키기 위하여 탄소섬유인 것이 효과적이다.
상기 무기섬유는 섬유강화 복합재료 기술분야에서 자명하게 공지된 단섬유, 장섬유, 연속섬유, 직물, 니트, 부직포, 브레이드(braid) 및 매트(Mat) 등의 섬유 구조물 형태일 수 있으며, 이로 제한되는 것은 아니다.
보다 바람직하게는 매트 타입의 섬유 구조물을 다수층 적층하여 사용할 수 있으며, 이 경우, 섬유강화 복합재료의 기계적 물성을 향상시킬 수 있어 효과적이다.
상기 무기섬유는 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 100 중량부에 대하여 100 내지 200 중량부로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게 130 내지 170 중량부로 포함될 수 있다.
상기 무기섬유가 100 중량부 미만일 경우에는 기계적 물성이 저하되어 섬유강화 복합재료의 역할을 충분히 수행하지 못할 우려가 있으며, 200 중량부 초과일 경우에는 에폭시 수지의 함침 특성이 저하되어 기계적 물성 및 섬유강화 복합재료의 내구성이 저하될 우려가 있으므로, 상술한 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
상술한 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 및 무기섬유로 형성되는 섬유강화 복합재료는 하기 식 2를 만족할 수 있다.
80 ≤ Tg ≤ 120 [식 2]
(상기 식 2는 섬유강화 복합재료의 유리전이온도(Tg)이다.)
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 유리전이 온도가 상술한 범위에 존재함으로써, 내열성이 크게 요구되는 항공부품 또는 자동차소재부품 복합재료의 적용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 ASTM D5045 규격으로 측정된 파단강도가 3.0 내지 5.0MPa/m이며, ASTM D5045 규격으로 측정된 인장신율이 1.1 내지 3.0%일 수 있다.
본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서 다른 충전재나 첨가제를 함유할 수 있다. 예를 들면, 들면 무기충전재, 도전성 부여제, 결정핵제, 자외선흡수제, 산화방지제, 제진제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색방지제, 열안정제, 이형제, 대전방지제, 가소제, 활제, 착색제, 안료, 염료, 발포제, 제포제, 커플링제 등을 포함할 수 있으며, 이로 제한되는 것은 아니다.
또 다른 일 구현예에서, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 제조방법을 제공할 수 있다. 도 1은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 섬유강화 복합재료의 제조방법을 나타낸 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 제조방법은
(a) 60 내지 80℃ 온도에서 제1압출기에 에폭시 수지 및 경화제를 투입하고 혼합하는 에폭시 수지 조성물 제조단계(S10);
(b) 상기 수지조성물에 관능성 고무를 투입하고 혼합하는 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 제조단계(S20);
(c) 제2압출금형에 무기섬유를 투입하고 상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물을 함침시키는 섬유강화 복합재료 플라스틱 제조단계(S30); 및
(d) 상기 섬유강화 복합재료 플라스틱을 가열압착하는 섬유강화 복합재료 제조단계(S40);를 포함할 수 있다.
상기 (a) 에폭시 수지 조성물 제조단계 및 (b) 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 제조단계는 조성물의 균일성 유지 및 작업성 향상을 위하여 60 내지 80℃ 온도에서 5 내지 30분 혼합하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게 70 내지 80℃ 온도에서 5 내지 15분 혼합하는 것이 효과적이다.
상기 (c)섬유강화 복합재료 플라스틱 제조단계에서 투입되는 무기섬유는 제한되지 않으나, 예를 들면, 매트 타입의 탄소섬유 시트를 임의의 패턴으로 다수층 적층하여 투입할 수 있다.
상기 탄소섬유 시트 내에 탄소섬유는 연속섬유 형태로 포함될 수 있다. 연속섬유란 탄소섬유 시트의 최종적인 크기에 의존하여 그 내부에서 끊어지지 않고 연속적인 형태로 존재하는 것을 의미한다. 즉, 같은 탄소섬유 시트 내에서 상기 연속섬유는 동일하거나 유사한 길이를 가지게 된다. 이러한 길이는 연속적으로 연속섬유가 공급되는 제조 공정상 임의 조절이 가능하다는 점에서 '연속성'을 가지는 것으로 보아야 할 것이고, 탄소섬유 시트 내의 연속섬유는 제품 내부에서 끊어지지 않고 연속성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c)단계에서 무기섬유에 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물을 함침시키는 시간은 제한되지 않으나 1 내지 20분일 수 있고, 보다 바람직하게 5 내지 10분 일 수 있다. 함침 시간이 1분 미만일 경우에는 무기섬유가 충분히 함침되지 않아 섬유강화 복합재료의 기계적 물성이 저하될 우려가 있으며, 20분 초과일 경우에는 불필요한 공정시간이 증가되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 (d)단계에서 가열압착은 200 내지 280℃ 온도에서 5 내지 7ton의 압력으로 10 내지 40분간 수행할 수 있다. 보다 바람직하게 220 내지 250℃에서 6 내지 7ton의 압력으로 20 내지 40분간 수행하는 것이 습식압축몰딩공법(Wet Compression Molding, WCM)에 적합하므로 효과적이다.
상기 가열압착 온도가 200℃ 미만이거나 압력이 5ton 미만일 경우에는 에폭시 수지의 경화가 충분하지 않고, 섬유강화 복합재료 내부에 기포 등이 발생함으로써 내열성 및 기계적 물성이 현저히 저하될 우려가 있으며, 가열압착 온도가 280℃ 초과이거나 압력이 7ton 초과일 경우에는 섬유강화 복합재료 제조시 열화가 발생할 우려가 있다.
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 에폭시 수지, 경화제, 관능성 고무 및 무기섬유를 포함함으로써, 기계적 물성, 내열성뿐만 아니라 파단강도가 현저히 향상되고 습식압축몰딩공법(Wet Compression Molding, WCM)에 적합한 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 기계적 물성, 내열성 및 파단강도가 우수하고 무기섬유와의 함침 특성이 우수하여 경량화에 유리하여 자동차 부품 소재 등으로 바람직하게 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 제조방법은 VOC 발생을 최소화함으로써 친환경적이고, 성형시간을 단축할 수 있어 공정비용 절감에 효과적이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1
제1압출기에 에폭시 수지(비스페놀 A형 에폭시 수지, 185g/eq, 100g), 경화제(아민형 경화제, 240g/eq, 13g) 투입하고 60℃에서 10분간 혼합한 다음, 관능성 고무(COOH-SBR, 7g/eq, 5.9g)를 추가로 투입하고 10분간 혼합하여 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물을 제조한다.
제2압출금형에 탄소섬유(Toray T700, 3K 형태) 연속섬유 시트 6매를 적층한 다음, 240℃의 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물을 투입하고 7 Ton 압력으로 30분간 가열압착하여 탄소섬유 강화복합재료를 제조하였으며, 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 2-3
하기 표 1에 나타난 바와 같이, 관능성 고무의 함량을 변화시킨 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유 강화복합재료를 제조하였으며, 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 1
하기 표 1에 나타난 바와 같이, 관능성 고무를 첨가하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유 강화복합재료를 제조하였으며, 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 2
하기 표 1에 나타난 바와 같이, 관능성 고무 대신 관능기를 포함하지 않은 스티렌-부타디엔 고무(SBR)를 5.9g 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유 강화복합재료를 제조하였으며, 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 3
하기 표 1에 나타난 바와 같이, 관능성 고무 대신 코어-쉘 타입의 고무입자(Nanostrength, 평균입경 50nm, Arkema)를 5.9g 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유 강화복합재료를 제조하였으며, 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
<평가>
후술하는 실험예에 따라 섬유강화 복합재료의 물성을 평가하였다.
실험예 1: 점도 측정
상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지조성물에 대하여 ASTM D7320 규격에 따라 80℃에서 점도를 측정하였다.
실험예 2: 유리전이온도( Tg ) 측정
상기 섬유강화 복합재료에 대하여 ISO 6721 규격에 따라 유리전이온도(Tg)를 측정하였다.
실험예 3: 인장강도, 인장 신율 및 파단강도 측정
상기 섬유강화 복합재료에 대하여 ASTM D 5045 규격에 따라 인장시험기를 이용하여 시험속도 200 mm/분, 표점간의 거리 70 mm, 일정 면적에 대한 최대 하중 및 파단시 신율 및 강도를 측정하였다.
[표 1]
Figure 112017081882548-pat00001
[표 2]
Figure 112017081882548-pat00002
상기 표 2에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 3에서 특정 관능성 고무를 포함함으로써, 인장신율 및 파단강도가 향상될 뿐만 아니라, 습식압축몰딩공법(Wet Compression Molding, WCM)에 적합한 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있는 것을 알 수 있었다.
반면, 비교예 1은 특정 관능성 고무를 포함하지 않음으로써 점도는 다소 감소하나 Tg가 증가하여 인장신율 및 파단강도가 저하되는 것을 알 수 있으며, 비교예 2 및 3은 실시예 1과 비교했을 때, 동일 함량의 충격보강제를 사용함에도 불구하고 점도가 급격히 증가하여 작업성이 저하될 뿐만 아니라, 인장신율 및 파단강도도 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다.
실시예 1 내지 3의 경우 에폭시 수지 매트릭스와의 관능성 고무와의 화학적인 결합이 가능하므로 상기 표 2에 나타난 바와 같이 동일 함량의 충격보강제를 포함했을 때보다 인장신율 또는 파단강도가 우수한 물성을 갖는 것으로 판단된다. 이는 종래에 SBR와 같은 고무를 첨가했을 때보다 본 발명의 관능성 고무가 강인화제로 작용하는 것을 알 수 있었다.
생산성 측면에서도 동일한 함량의 충격보강제를 투입했을 경우 점도가 낮은 실시예의 경우 유리하며, 점도가 낮은 경우 함침성이 우수하여 생산성이 높은 측면을 확인할 수 있었다. 일부, 점도가 20,000cP를 초과하여 과하게 높아지는 경우 고압의 생산공정을 지나더라도 기공이 많거나 부분적으로 성형이 되지 않는 문제점이 발생할 수 있다.

Claims (12)

  1. 에폭시 수지; 경화제 및 관능성 고무를 포함하며, 하기 식 1을 만족하는 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물;과 무기섬유;를 포함하여 형성되고,
    상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물은 상기 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 상기 경화제 5 내지 20 중량부 및 상기 관능성 고무 5 내지 30 중량부 포함하며,
    상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 100중량부에 대하여 상기 무기섬유 100 내지 200 중량부 포함하고,
    상기 관능성 고무는 당량이 5 내지 10 g/eq인 카르복시기를 포함하는 고무이고, 상기 고무는 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체(SEBS) 또는 이들의 조합이고,
    상기 에폭시 수지의 에폭시 당량은 160 내지 200 g/eq.이고,
    상기 경화제의 당량은 200 내지 250 g/eq.이고,
    상기 경화제는 디아미노디페닐술폰이고,
    ASTMD 5045 규격에 따라 측정된 인장신율이 1.1 내지 3.0 % 이며,
    하기 식 2를 만족하는 섬유강화 복합재료.
    600 ≤ V80 ≤ 20,000 [식 1]
    80 ≤ Tg ≤ 120 [식 2]
    (상기 식 1에서 V80은 ASTM D7320 규격에 의거하여 80℃에서 측정된 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물의 점도(cP)이며, 상기 식 2는 섬유강화 복합재료의 유리전이온도(Tg)이다.)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 무기섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이며, 단섬유, 장섬유 및 매트(Mat) 형태 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 섬유강화 복합재료.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지는 비스페놀 A디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스페놀 F디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스페놀 S디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 레조르시놀 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 하이드로퀴논 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 테레프탈산 디글리시딜에스테르형 에폭시 수지, 비스페녹시에탄올 플루오렌 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스페놀플루오렌 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 비스크레졸 플루오렌 디글리시딜 에테르형 에폭시 수지 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 섬유강화 복합재료.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료는 ASTM D5045 규격에 따라 측정된 파단강도가 3.0 내지 5.0 MPa/m 인 섬유강화 복합재료.
  9. (1) 60 내지 80℃ 온도에서 제1압출기에 에폭시 수지 및 경화제를 투입하고 혼합하는 에폭시 수지 조성물 제조단계;
    (2) 상기 에폭시 수지 조성물에 관능성 고무를 투입하고 혼합하는 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 제조단계;
    (3) 제2압출금형에 무기섬유를 투입하고 상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물을 함침시키는 섬유강화 복합재료 플라스틱 제조단계; 및
    (4) 상기 섬유강화 복합재료 플라스틱을 가열압착하는 섬유강화 복합재료 제조단계;를 포함하고,
    상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물은 상기 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 상기 경화제 5 내지 20 중량부 및 상기 관능성 고무 5 내지 30 중량부 포함하며,
    상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물 100중량부에 대하여 상기 무기섬유 100 내지 200 중량부 포함하고,
    상기 관능성 고무는 당량이 5 내지 10 g/eq인 카르복시기를 포함하는 고무이고, 상기 고무는 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체(SEBS) 또는 이들의 조합이고,
    상기 에폭시 수지의 에폭시 당량은 160 내지 200 g/eq.이고,
    상기 경화제의 당량은 200 내지 250 g/eq.이고,
    상기 경화제는 디아미노디페닐술폰이고,
    상기 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물은 하기 식 1을 만족하고,
    상기 섬유강화 복합재료는 하기 식 2를 만족하며,
    상기 섬유강화 복합재료는 ASTMD 5045 규격에 따라 측정된 인장신율이 1.1 내지 3.0 % 인
    섬유강화 복합재료의 제조방법.
    600 ≤ V80 ≤ 20,000 [식 1]
    80 ≤ Tg ≤ 120 [식 2]
    (상기 식 1에서 V80은 ASTM D7320 규격에 의거하여 80℃에서 측정된 섬유강화 복합재료용 에폭시 수지 조성물의 점도(cP)이며, 상기 식 2는 섬유강화 복합재료의 유리전이온도(Tg)이다.)
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 무기섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이며, 단섬유, 장섬유 및 매트(Mat) 형태 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 섬유강화 복합재료의 제조방법
  11. 삭제
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 (4)단계에서 가열압착은 200 내지 280℃ 온도에서 5 내지 7ton의 압력으로 10 내지 40분간 수행하는 것인 섬유강화 복합재료의 제조방법.
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