KR20140038945A - 두께에 경사가 있는 성형체, 및 그 제조방법 - Google Patents

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마사루 사토
코지 스즈키
토루 스기야마
야스노리 나가쿠라
모토오미 아라카와
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Abstract

평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되며, 열가소성 수지의 존재량이 강화섬유 100 중량부에 대해 10∼1000 중량부이고, 강화섬유가 25∼3000g/㎡ 정도로 실질적으로 2차원 랜덤으로 배향해 있는, 두께에 경사가 있는 성형체.

Description

두께에 경사가 있는 성형체, 및 그 제조방법{MOLDED OBJECT WITH THICKNESS GRADIENT AND PROCESS FOR PRODUCING SAME}
본 발명은, 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되는 두께에 경사가 있는 성형체 및 성형체의 제조방법에 관한 것이다. 그 중에서도 강화섬유의 등방성(等方性)이 유지된 성형체에 관한 것이다.
탄소섬유나 아라미드섬유, 유리섬유 등을 강화섬유로 이용한 섬유 강화 복합재료는, 그 높은 비강도(比强度)ㆍ비탄성률(比彈性率)을 이용하여, 항공기와 자동차 등의 구조재료와 테니스 라켓, 골프 샤프트, 낚싯대 등의 일반 산업 스포츠 용도 등에 널리 이용되어 왔다.
열가소성 수지를 매트릭스(matrix)로 하는 복합재료에서, 강화섬유를 포함하는 장섬유 펠릿(long-fiber pellets)을 사출성형하여, 각종 형상의 성형체를 얻는 기술이 제안되어 있는데(특허문헌 1), 장섬유 펠릿이라고는 해도 길이에 제한이 있고, 또한 혼련(混練)에 의해 열가소성 수지 중에서 강화섬유가 파단하므로, 성형체 중의 강화섬유의 중량 평균 섬유길이는 0.1∼1.0㎜정도였다. 또한, 이러한 사출성형에 의한 성형방법에서는 강화섬유가 배향(配向)하는 경향이 있어, 등방성의 성형체가 얻어지기 어렵다는 문제가 있었다.
한편, 열가소성 수지를 포함하는 유리섬유 초조체(glass fiber sheet form)로 이루어지는 복합적층체를 가열 및 가압해서 시트상으로 성형하여 이루어지는 스탬핑 성형재료 및 그 제조방법이 개시되어 있다(특허문헌 2). 이에 따르면, 일체화 성형으로 두께에 경사를 가진 입체 형상 성형체를 짧은 택트(tact)로 제조할 수 있지만, 이러한 열가소 스탬핑 성형에서는, 금형 내에서 섬유와 수지를 크게 유동시키기 때문에, 섬유 배향이 생겨, 열적ㆍ기계적으로 등방성인 성형체를 얻는 것은 곤란하였다.
또한, 특허문헌 3에는, 기재(基材) 중의 섬유의 등방성을 유지하기 위해 유동을 억제하고 프레스 성형한 불연속 강화섬유와 수지로 이루어지는 성형체에, 복잡한 형상의 열가소성 수지 성형체를 사출성형으로 일체화한 성형체의 제조방법이 제안되어 있다. 이 방법에서는, 복잡한 형상이고 또 등방적인 특성을 갖는 일체화 성형체를 얻을 수 있지만, 사출성형체는 강화섬유길이가 짧기 때문에 프레스 성형체 대비, 기계적 강도가 낮아, 강도가 요구되는 부위에는 사용할 수 없다. 그 때문에, 성형체의 설계는 한정적이게 되며, 사출성형체의 사용 부위는 한정된다.
일본 특개 2002-67070호 공보 일본 특개평 10-193350호 공보 일본 특개 2010-253938호 공보
본 발명의 목적은, 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되는, 두께에 경사가 있는 성형체를 제공하는데에 있다. 나아가서, 두께가 다른 부위에 있어서도 섬유의 등방성 유지가 가능하며, 또한 각(各) 부위에서 일정한 섬유함유율을 유지하는 성형체를 제공하는데에 있다.
본 발명자들은, 강화섬유와 열가소성 수지로 이루어지는 랜덤 매트를 이용하여, 두께에 경사를 둔 금형으로 프레스 성형함으로써, 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되는 두께가 다른 성형체가 제공될 수 있는 것을 알아냈다.
즉 본 발명은, 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되며, 열가소성 수지의 존재량이 강화섬유 100 중량부에 대해 10∼1000 중량부이고, 강화섬유가 25∼3000g/㎡ 정도로 실질적으로 2차원 랜덤으로 배향해 있는, 두께에 경사가 있는 성형체이다.
또한 본 발명은, 상기 두께에 경사가 있는 성형체의 제조방법에 관한 것이다. 바람직하게는 특정 개섬도(開纖度)를 만족하는 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되는 랜덤 매트를 이용함으로써, 등방성이 유지되고 또한 두께에 경사가 있는 성형체를 제조하는 방법이다.
본 발명의 성형체는, 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되는 고강성(高剛性) 성형체이다. 본 발명에 의해, 등방성을 유지하면서, 적어도 일부에 두께가 다른 부분을 갖고, 또한 박육(薄肉), 경량이고, 의장성이 우수하며, 복잡한 3차원 형상을 갖는 성형체를 제공할 수 있다. 본 발명에 의해, 복잡한 형상에도 형상추종성(shape follow-up property)이 좋은 성형체를 얻을 수 있고, 박육이어도 두께가 다른 각 부분에서 원하는 두께대로 성형할 수 있다. 또한 성형체의 어느 부분에 있어서도 거의 동일한 섬유함유율의 성형체를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의해 단시간에 성형체를 제조 가능하다. 나아가서, 콜드 프레스(cold press)인 경우는 금형에서의 점유시간을 저감함으로써, 핫 프레스인 경우는 열가소성 수지를 함침하는 공정을 생략함으로써, 높은 생산성으로 두께가 다르고, 복잡한 3차원 형상의 성형체를 제조하는 것이 가능해진다. 본 발명에 의해 전기ㆍ전자기기용 케이싱, 자동차용 부품, 일반 산업용 부품이 바람직하게 제공될 수 있다.
도 1은 실시예 1, 실시예 5∼7 및 실시예 14에 있어서의 금형 및 금형에의 기재(基材) 배치의 모식도이다.
도 2는 실시예 1, 실시예 5∼7 및 실시예 14에서 얻어진 성형체의 모식도(사시도)이다.
도 3은 실시예 2에 있어서의 금형 및 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
도 4는 실시예 2에서 얻어진 성형체의 모식도(사시도)이다.
도 5는 실시예 3에 있어서의 금형 및 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
도 6은 실시예 3에서 얻어진 성형체의 모식도(사시도)이다.
도 7은 실시예 4에 있어서의 금형 및 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
도 8은 실시예 4에서 얻어진 성형체의 모식도이다.
도 9는 실시예 8에 있어서의 금형 및 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
도 10은 실시예 8에서 얻어진 성형체의 모식도(사시도)이다.
도 11은 실시예 9에 있어서의 금형 및 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
도 12는 실시예 9에서 얻어진 성형체의 모식도(사시도)이다.
도 13은 실시예 10에 있어서의 금형 및 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
도 14는 실시예 10에서 얻어진 성형체의 모식도(사시도)이다.
도 15는 실시 형태의 일 예의 개념도이다.
도 16은 실시 형태의 일 예의 개념도이다.
도 17은 실시예 11에 있어서의 부재 및 기재의 모식도이다.
도 18은 실시예 11에서 얻어진 성형체의 모식도(사시도)이다.
도 19는 실시예 12에 있어서의 부재 및 기재의 모식도이다.
도 20은 실시예 12에서 얻어진 성형체의 모식도(사시도)이다.
도 21은 실시예 13에 있어서의 부재 및 기재의 모식도이다.
도 22는 실시예 13에서 얻어진 성형체의 모식도(사시도)이다.
도 23은 실시예 13에 있어서의 성형체를 차량용 대시보드로 이용한 예의 모식도이다.
도 24는 금형의 셰어 엣지(share edge) 구조의 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해 순차적으로 설명하지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다.
[성형체]
본 발명의 성형체는, 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되며, 열가소성 수지의 존재량이 강화섬유 100 중량부에 대해 10∼1000 중량부이고, 강화섬유가 25∼3000g/㎡ 정도로 실질적으로 2차원 랜덤으로 배향해 있는, 두께에 경사가 있는 성형체이다. 두께에 경사란, 성형체의 두께를 부위에 따라 변화시킨다는 것이며, 구체적으로는 최소두께에 대한 최대두께의 비가 1을 초과하고 10 이하이다. 바람직하게는 최소두께에 대한 최대두께의 비가 1.2 이상 5 이하, 더 바람직하게는 1.2 이상 3 이하이다. 본 발명에 있어서의 성형체는 박육(薄肉)으로 하는 것이 가능하고, 실질적인 최소두께는 0.2∼10㎜이며, 실질적인 최대두께는 0.3∼30㎜이다. 두께에 경사를 가지게 한다는 것은, 두께가 부위에 따라 다르게 한 복잡한 형상의 성형체도 형상추종성을 양호하게 할 수 있다는 것이며, 두께가 불균일하다는 것은 아니다. 예를 들면 박육부(薄肉部)를 갖는 성형체여도, 두께가 다른 각 부분에서 원하는 두께대로 성형을 얻는 것을 목적으로 한다. 두께가 변화하는 부분에 있어서는, 그 단계적인 변화여도, 직선적인 경사의 변화여도, 불균일한 변화여도 된다. 두께의 변화가 있는 부분은, 편면(片面)뿐이어도 양면(兩面)이어도 좋다.
섬유 강화 복합재료에 있어서의 열가소성 수지의 존재량은, 강화섬유 100 중량부에 대해, 바람직하게는 50∼1000 중량부, 더 바람직하게는 50∼500 중량부이다.
강화섬유는 불연속이며, 강화섬유의 평균 섬유길이는 5㎜이상 100㎜이하이다. 바람직하게는 강화섬유의 평균 섬유길이가 10㎜이상 50㎜이하이며, 더 바람직하게는 10㎜이상 30㎜이하이다. 또한, 후술하는 바람직한 강화섬유 절단방법을 채용함으로써, 랜덤 매트를 구성하는 강화섬유의 길이는 고정 길이로 할 수 있다.
강화섬유 복합재료에 있어서의 강화섬유 체적함유율(Vf=100×강화섬유의 체적/(강화섬유의 체적+열가소성 수지의 체적))은 5∼80%인 것이 바람직하다. 이 강화섬유 체적함유율이 5%보다 낮아지면, 보강 효과가 충분히 발현하지 않는 경우가 있다. 또한, 80%를 초과하면 얻어지는 성형체 중에 보이드(void)가 발생하기 쉬워지고, 성형체의 물성이 저하할 가능성이 있다. 상기 강화섬유 체적함유율로서는 20∼60%이면 더 바람직하다.
본 발명의 성형체는, 두께에 경사를 갖는 각 부위에 있어서도 강화섬유 체적함유율(Vf)이 거의 같은 것을 얻는 것도, 강화섬유 함유량을 경사시키는 것도 가능하여, 얻고자 하는 성형체의 용도에 맞춰서 적절히 선택할 수 있다. 두께에 경사를 갖는 각 부위에 있어서도 일정한 섬유 강화 목적에서, Vf는 다른 부위와 거의 동일하게 하는 것이 바람직하다. 각 부위에 있어서의 Vf가 거의 동일하다는 것은, 구체적으로는 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비가 1.0∼1.2가 되는 것을 말한다. 본 발명의 성형체는, 두께가 다른 각 부위에 있어서의 강화섬유 체적함유율(Vf)이 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비가 1.0∼1.2가 되는 것을 바람직한 양태(樣態)로 한다.
[섬유 강화 복합재료를 구성하는 강화섬유]
본 발명의 성형체에 있어서의 섬유 강화 복합재료를 구성하는 강화섬유는, 하기 식(1)
임계(臨界) 단사수(單絲數)=600/D (1)
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
으로 정의되는 임계 단사수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)에 대해, 강화섬유 전량(全量)에 대한 비율이 20Vol%이상 99Vol%이하인 것이 바람직하다.
상기 강화섬유 전량에 대한 강화섬유 다발(A)의 비율이 20Vol%미만으로 되면, 표면 품위(品位)가 우수한 성형체가 얻어진다는 이점은 있지만, 기계 물성이 우수한 성형체가 얻기 어려워진다. 강화섬유 다발(A)의 비율이 99Vol%를 초과하면, 섬유의 교락부(交絡部)가 국부적으로 두꺼워져, 박육의 것이 얻어지기 어려워진다. 강화섬유 다발(A)의 비율로서, 바람직하게는 30Vol%이상 90Vol%미만이며, 더 바람직하게는 30Vol%이상 80Vol%미만이다.
또한, 상기 강화섬유 다발(A)에 대해 다른 표현을 하면, 본 발명의 성형체는, 이를 구성하는 섬유 강화 복합재료 중에서, 강화섬유 중 20Vol%이상 99Vol%이하가, 상기 식(1)에서 정의되는 임계 단사수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)이 되고, 나머지 1Vol%이상 80Vol%이하의 강화섬유는, 단사(單絲) 상태 또는 상기 임계 단사수 미만으로 구성되는 섬유 다발이 되어, 열가소성 수지에 분산해 있는 것이다.
또한, 본 발명의 성형체를 구성하는 섬유 강화 복합재료에서는, 임계 단사수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(纖維數)(N)가 하기 식(2)을 만족하는 것이면, 특히 표면이 평활하고, 균일한 두께를 갖는 것이 되어 바람직하다.
0.7×104/D2< N <1×105/D2 (2)
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
구체적으로는, 강화섬유가 탄소섬유이고, 탄소섬유의 평균 섬유지름이 5∼7㎛인 경우, 임계 단사수는 86∼120개가 되며, 탄소섬유 평균 섬유지름이 5㎛인 경우, 섬유 다발 중의 평균 섬유수는 280개 초과 4000개 미만의 범위가 되는데, 특히 600개∼2500개인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 600∼1600개이다. 탄소섬유의 평균 섬유지름이 7㎛인 경우, 섬유 다발 중의 평균 섬유수는 142개 초과 2040개 미만의 범위가 되는데, 특히 300∼1600개인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 300∼800개이다.
상기 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 0.7×104/D2미만인 경우, 높은 강화섬유 체적함유율(Vf)을 얻는 것이 곤란해질 우려가 있다. 또한, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 1×105/D2이상인 경우, 국부적으로 두꺼운 부분이 생겨, 보이드의 원인이 될 가능성이 있다. 상기 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)로서는, 이하 식(2')을 만족하는 것이면 더 바람직하다.
0.7×104/D2< N <6×104/D2 (2')
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
본 발명에 있어서의 성형체는, 실질적으로 등방성(等方性)을 나타내는 것을 특징으로 한다. 여기서 실질적 등방성이란, 복합재료를 성형한 후, 성형판(成形板)의 임의 방향, 및 이와 직교하는 방향을 기준으로 하는 인장시험을 행하여, 인장탄성률을 측정하고, 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)가 1.3 이하인 것으로 한다. 즉 본 발명의 성형체는, 임의 방향, 및 이와 직교하는 방향에 대한 인장탄성률이 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비(Eδ)가 1.0∼1.3 이 되는 것이 바람직하다. 본 발명의 성형체는, 최소두께부, 최대두께부 모두 실질적으로 등방성을 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명의 성형체는, 강화섬유와 열가소성 수지로 구성되는 랜덤 매트를 이용하여, 바람직하게는 프리프레그 형태를 거쳐, 제조되는 것이 바람직하다. 바람직한 제조방법에 대해서는 후술하지만, 랜덤 매트를 이용하여 얻어진 성형체에 있어서도 강화섬유의 섬유길이, 및 다발과 단사의 비율은 랜덤 매트 중에 있어서의 상태를 유지하고 있다.
[부속부(付屬部)]
본 발명의 성형체는, 성형체의 각종 용도에 맞춰 보스(boss)나 리브(rib) 등의 부속 형상을 갖고 있어도 좋다. 보스나 리브 등의 부위는 편면이라도 양면이라도 자유롭게 배치할 수 있다. 또한, 본 발명의 성형체에 있어서의 두께에 경사란, 보스와 리브 같은 부속부 이외에 대해 두께에 경사가 있는 것을 말하며, 성형체의 최대두께, 최소두께는 보스와 리브부를 제외한 기저부(基底部)에 대해 정의한다. 또한, 보스ㆍ리브 등의 부속 형상은 편면에만 있어도, 양면에 있어도 좋다.
[강화섬유]
본 발명의 성형체에 있어서의 강화섬유는, 탄소섬유, 아라미드섬유 및 유리섬유로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 이들은, 단독으로 사용해도 좋고 2종 이상 병용(倂用)할 수도 있다. 특히, 탄소섬유는, 경량이면서, 강도가 우수한 복합재료를 제공하는 것이 가능해지므로, 특히 알맞다. 탄소섬유로서는, PAN계, 피치계(pitch type) 중 어느 것이라도 좋지만, 그 평균 섬유지름은 3∼12㎛가 바람직하며, 5∼7㎛가 더 바람직하다. 이들 강화섬유는, 대부분의 경우, 사이징제(sizing agent)를 부착시킨 것이 이용된다. 사이징제의 부착량은, 강화섬유 100 중량부에 대해 0.01∼10 중량부인 것이 바람직하다.
[열가소성 수지]
본 발명의 성형체에 있어서의 열가소성 수지는, 예를 들면, 염화 비닐 수지(vinyl chloride resin), 염화 비닐리덴 수지(vinylidene chloride resin), 초산 비닐 수지(vinyl acetate resin), 폴리비닐 알코올 수지(polyvinyl alcohol resin), 폴리스티렌 수지(polystyrene resin), 아크릴로니트릴-스티렌 수지(AS수지, acrylonitrile-styrene resin), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지(ABS수지, acrylonitrile-butadiene-styrene resin), 아크릴 수지(acrylic resin), 메타크릴 수지(methacrylic resin), 폴리에틸렌 수지(polyethylene resin), 폴리프로필렌 수지(polypropylene resin), 폴리아미드 6 수지(polyamide 6 resin), 폴리아미드 11 수지(polyamide 11 resin), 폴리아미드 12 수지(polyamide 12 resin), 폴리아미드 46 수지(polyamide 46 resin), 폴리아미드 66 수지(polyamide 66 resin), 폴리아미드 610 수지(polyamide 610 resin), 폴리아세탈 수지(polyacetal resin), 폴리카보네이트 수지(polycarbonate resin), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(polyethylene terephthalate resin), 폴리에틸렌 나프탈레이트 수지(polyethylene naphthalate resin), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 수지(polybutylene terephthalate resin), 폴리아릴레이트 수지(polyarylate resin), 폴리페닐렌 에테르 수지(polyphenylene ether resin), 폴리페닐렌 설파이드 수지(polyphenylene sulfide resin), 폴리술폰 수지(polysulfone resin), 폴리에테르 술폰 수지(polyether sulfone resin), 폴리에테르 에테르 케톤 수지(polyether ether ketone resin), 폴리유산 수지(polylactic acid resin) 등, 또는 이들의 공중합체(copolymer)로 이루어지는 수지를 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 좋고 2종 이상 병용할 수도 있다.
이들 열가소성 수지 중에서도 융점이 180∼350℃의 것이 바람직하다. 또한, 이들 열가소성 수지에는, 필요에 따라, 난연제, 안정제, 내(耐)UV제, 대전방지제, 안료, 이형제, 연화제, 가소제, 계면활성제 등의 첨가제를 함유해도 지장 없다.
[일방향재층(一方向材層)]
본 발명의 성형체는, 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되며 강화섬유가 25∼3000g/㎡ 정도로 실질적으로 2차원 랜덤으로 배향해 있는 층(이하 랜덤층이라 한다)에, 또한 강화섬유가 일방향으로 배치된 일방향재와 열가소성 수지로 이루어지는 일방향재층을 두는 것도 바람직하다.
즉 본 발명의 성형체는, 랜덤층과, 연속 길이의 강화섬유가 일방향으로 배치된 일방향재와 열가소성 수지로 이루어지는 일방향재층을 갖는 적층체로 이루어지며, 두께에 경사가 있는 것을 포함한다. 적층체에 있어서 일방향재층은 적어도 한쪽 표층(表層)에 배치되어도, 내층(內層)에 배치되어도 좋다.
이 경우, 두께가 큰 부위는 랜덤층만의 부위이어도, 랜덤층과 일방향재층의 적층체로 이루어지는 부위이어도 좋다.
일방향재층은 1층이어도 좋고, 2층 이상의 다층이어도 좋다. 다층인 경우에는, 강화섬유의 방향이 한 방향이어도 두 방향 이상이어도 좋다. 물성(物性) 등방성이라는 것을 고려하면, 일방향재층이 다층인 경우의 강화섬유의 방향은, 의사 등방성(pseudo isotropy)이면 더 바람직하다.
또한, 일방향재는, 일방향으로 배치한 강화섬유재 다발을 시트 모양으로 만들어서 각도를 바꿔 적층한 것(다축(多軸) 직물 기재)을, 나일론사(nylon yarn), 폴리에스테르사(polyester yarn), 유리섬유사 등의 스티치사(stitching yarn)로, 이 적층체를 두께방향으로 관통하여, 적층체의 표면과 이면(裏面) 사이를 표면 방향을 따라 왕복해서 스티치한 모양의 다축 직물이어도 좋다.
일방향재층을 구성하는 강화섬유의 평균 섬유지름은, 바람직하게는 3∼12㎛이며, 더 바람직하게는 5∼7㎛이다.
일방향재층에 있어서의 열가소성 수지의 존재량이, 강화섬유 100 중량부에 대해, 30∼200 중량부인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 강화섬유 100 중량부에 대해, 40∼100 중량부이다.
일방향재층을 구성하는 열가소성 수지는, 랜덤층에 있어서의 매트릭스 수지와 동일해도 달라도 좋다. 열가소성 수지의 구체 예로서는, 랜덤층 항목에서 설명한 것과 같은 것을 들 수 있다. 일방향재층은 강화섬유가 일방향으로 배치된 일방향재에 열가소성 수지를 함침, 혹은 반(半) 함침시킨 것인 것이 바람직하다. 여기서 함침, 혹은 반 함침 정도는 후술하는 제조방법의 프레스 공정에서 적절히 조정할 수 있다.
일방향재층을 제조하는 방법은 특히 한정되지 않으며, 예를 들면 풀트루젼 법(pultrusion method) 등으로 얻을 수 있다. 풀트루젼 법에 의한 경우는, 강화섬유가 열가소성 수지에 의해 함침되어 있는 것이 적절히 얻어진다. 열가소성 수지에 의한 함침을 억제한 것, 즉 반 함침된 층으로 한 경우는, 예를 들면 열가소성 수지로 이루어지는 시트상에 강화섬유를 일방향으로 배치하여, 필요에 따라 프레스 하면서 가열하는 방법 등으로 바람직하게 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 랜덤층에 일방향재층을 부여하는 방법은 특히 한정되지 않지만, 랜덤 매트와 일방향재를 맞춰 형(型) 내에서 프레스 방법이 적절히 이용된다. 본 방법에 있어서는, 형 내의 원하는 위치에 일방향재층을 배치하고, 그 위에 랜덤 매트를 입체 형(型) 내를 따르도록 세팅해서 프레스 방법이 적절히 행해진다. 부과되는 형상에도 따르지만, 복잡한 형상인 경우는 일방향재층도 반 함침된 것을 이용하는 것이 바람직하다.
[성형체의 제조방법]
본 발명의 성형체는, 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되는 랜덤 매트 또는 프리프레그를 이용하여, 금형 내에서 프레스 함으로써 바람직하게 얻을 수 있다.
즉 본 발명은 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되는 랜덤 매트(random mat)를 이용하여, 이하의 공정 A-1)∼A-3)을 포함해서 함침∼성형을 행하거나, 공정 B-1)∼B-4)를 포함해서 함침∼성형을 행하는, 두께에 경사가 있는 성형체의 제조방법을 포함한다.
A-1) 랜덤 매트를, 열가소성 수지가 결정성(結晶性)인 경우는 융점 이상 분해온도 미만, 비결정성인 경우는 유리전이온도 이상 분해온도 미만으로 가열하고, 가압하여 열가소성 수지를 강화섬유 다발 내에 함침시켜 프리프레그(prepreg)를 얻는 공정
A-2) A-1)에서 얻어진 프리프레그를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리전이온도 미만으로 온도조절된, 상형(上型)과 하형(下型)으로 형성되는 캐비티(cavity)의 공간 두께(이하, 캐비티 두께)에 경사가 있는 금형에 배치하는 공정
A-3) 상기 A-2)에서 금형에 배치한 프리프레그를 가압하고, 성형하는 공정
B-1) 랜덤 매트를 캐비티 두께에 경사가 있는 금형에 배치하는 공정
B-2) 금형을 열가소성 수지가 결정성인 경우는 열가소성 수지의 융점 이상 열분해온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 열가소성 수지의 유리전이온도 이상 열분해온도 미만의 온도까지 승온하면서, 가압하는 공정(제1프레스 공정)
B-3) 1단(段) 이상이며, 최종단의 압력이 제1프레스 공정의 압력의 1.2배∼100배가 되도록 가압하여 열가소성 수지를 강화섬유 다발 내에 함침시키는 공정(제2프레스 공정)
B-4) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리전이온도 미만으로 금형 온도를 조절함으로써 성형을 완결시키는 공정
[금형 형상]
성형에 이용하는 금형은, 캐비티 두께에 경사를 갖는다. 캐비티 두께는, 최소높이에 대한 최대높이의 비가 1을 초과하고 10 이하가 바람직하다. 더 바람직하게는 최소높이에 대한 최대높이의 비가 1.2 이상 5 이하, 더 바람직하게는 1.2 이상 3 이하이다.
금형 형상에 있어서, 캐비티 두께에 경사를 갖는 이외에는 특히 한정은 없지만, 금형은 코어 측과 캐비티 측이 셰어 엣지(share edge) 구조를 갖는 것이 바람직하다. 셰어 엣지 구조의 설명도를, 도 22에 나타낸다. 셰어 각도는 특히 한정은 없지만 1∼5도가 바람직하다. 셰어 엣지의 클리어런스(clearance)는 특히 한정은 없지만 0.05∼0.20㎜이하인 것이 바람직하다.
또한, 금형의 표면성(表面性)은 얻으려고 하는 성형체에 요구되는 의장성(意匠性)에 따라 연마를 행해도 좋다. 성형체가 평활한 표면성을 갖는데에는 #400 이상의 연마재료로 연마되어 있는 것이 바람직하다.
[두께에 경사가 있는 성형체를 얻는 방법]
본 발명인 두께에 경사가 있는 성형체를 얻는 방법으로서, 캐비티 두께에 경사가 있는 금형을 이용하는 외에, 구체적으로는 하기 a) 또는 b) 방법으로 하는 것이 바람직하다.
a) 랜덤 매트 및/또는 프리프레그로 이루어지는 기재(基材)의 표면 또는 내층의 일부에, 랜덤 매트 및/또는 프리프레그 및/또는 일방향재층으로 이루어지는 부재를 중첩해서 금형에 배치하고, 프레스 함으로써 일체 성형하는 방법.
a) 방법에 있어서, 기재의 일부에 적층시키는 것을 부재라고 부른다. 즉 a) 방법은, 두께를 크게 하려고 하는 부위의 기재에, 부재를 중첩해서 금형에 배치하고, 프레스 함으로써 일체 성형하는 방법이다.
한편, b) 방법은, 금형에 배치하는 기재의 두께가 일정하거나, 얻고자 하는 성형체의 두께 경사와 기재의 두께 경사가 반드시 일치해 있지 않은 경우라도, 금형 내에서 기재를 유동시켜 성형함으로써, 두께에 경사가 있는 성형체를 얻는 방법이다. 본 발명의 방법에서는, 금형 내에서 기재를 유동시켜도 성형체의 섬유 배향은 기재에 있어서의 상태를 유지하고 있으며, 등방성이 유지되고 있다.
a), b) 공통의 프레스의 구체적인 방법, 및 주로 b)의 금형 내에서 기재를 유동시켜 성형하는 방법에 대해서는 후술한다.
a) 방법에 있어서, 부재는 기재의 복수 개소(箇所)에 적층시킬 수 있고, 그때, 각각의 부재에 대해 랜덤 매트, 프리프레그, 및 일방향재층으로 이루어지는 군(群)으로부터 알맞은 것을 선택할 수 있다. 기재 및/또는 부재는, 복수의 랜덤 매트, 프리프레그, 일방향재층을 적층시켜 원하는 두께로 할 수 있다. 부재에 복수의 랜덤 매트, 프리프레그, 일방향재층을 사용하는 경우는, 동종(同種)의 것을 사용해도 좋고, 이종(異種)의 것을 조합해도 좋다.
기재에 이용되는 랜덤 매트나 프리프레그와 부재에 이용되는 랜덤 매트나 프리프레그는, 독립해서 알맞은 것을 선택할 수 있으며, 동종의 것을 이용해도 좋고, 이종의 것을 조합해도 좋다. 또한, 본 발명에 관계되는 일체화 성형체에 있어서, 기재는, 적어도 하나의 상기 랜덤 매트나 프리프레그의 단부에, 다른 상기 랜덤 매트나 프리프레그를 적층시켜서 이루어지는 것으로 하는 것도 가능하다(도 13). 이에 의해 하나의 기재로는 제조할 수 없는 대면적의 일체화 성형체를 만들 수 있다. 또한, 하나의 기재로는 금형 형상에의 추종이 어려운, 복잡한 형상이어도, 열적ㆍ기계적으로 실질적 등방성을 갖는 일체화 성형체를 얻을 수 있다.
이 경우, 사용되는 랜덤 매트 및/또는 프리프레그의 수는 특히 한정되지 않으며, 예를 들면, 도 14에 나타내는 바와 같이 3 이상의 랜덤 매트와 프리프레그를 사용해도 좋다.
하나의 랜덤 매트나 프리프레그와 다른 랜덤 매트나 프리프레그를 적층시키는 중첩 폭(lap margin)(11)(도 13)은 특히 한정되지 않지만, 랜덤 매트나 프리프레그의 두께에 대해 5∼50배로 하는 것이 바람직하다.
[프리프레그(Prepreg)]
본 발명에 있어서, 공정 A-1)∼A-3)을 포함해서 함침∼성형을 행하는 경우, 랜덤 매트를 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열분해온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 유리전이온도 이상 열분해온도 미만의 온도까지 가열함으로써, 열가소성 수지를 강화섬유에 함침시키고, 프리프레그를 얻어 성형에 이용한다. 프리프레그에 있어서의 강화섬유의 형태는 랜덤 매트 중에 있어서의 상태를 유지하고 있다.
프리프레그에 있어서는, 냉각하는 일 없이 그대로 A-2) 공정을 행해도 좋고, 열가소성 수지를 일단 함침하고, 고화(固化)한다고 하는 공정을 거치고 나서 A-2) 공정으로 진행해도 좋다. 프리프레그에 있어서는, 열가소성 수지는 강화섬유 다발 내 및 강화섬유의 단사(單絲) 사이로 침투하여, 함침한 상태로 되어 있다. 상술한 바와 같이, 랜덤 매트는 강화섬유와 섬유상 또는 입자상의 열가소성 수지가 혼합되어, 근접해서 존재하고 있으므로, 열가소성 수지를 용이하게 강화섬유에 함침할 수 있는 것을 특징으로 한다. 프리프레그는 얻으려고 하는 성형체 두께의 1∼10배, 바람직하게는 1∼5배인 것이 바람직하다. 두께의 한정은 없지만, 바람직하게는 0.1㎜이상이며, 상한(上限)은 금형에 배치하여 성형 가능하면 되고, 실질적으로는 30㎜정도이다.
또한, 프리프레그는 보이드율(void fraction)이 0∼30%인 것이 바람직하고, 0∼10%가 더 바람직하다. 보이드율은 0∼5%가 더 바람직하며, 가장 바람직한 보이드율은 0∼3%이다. 프리프레그의 보이드율은, 프리프레그의 단면(斷面)을 광학현미경으로 관찰하여, 보이드 존재면적을 관찰 기재의 단면적으로 나누어 산출한다. 관찰은 1개의 프리프레그당 n=5로 하여, 그 평균치를 보이드율로 한다.
[콜드 프레스 법(Cold press method)]
이하, 공정 A-1)∼A-3)에 의해 함침∼성형을 행하는 콜드 프레스 법에 대해 구체적으로 설명한다.
상기한 바와 같이 공정 A-1)에서는, 랜덤 매트를, 함유하는 열가소성 수지가 결정성인 경우는 그 융점 이상 열분해온도 미만, 비결정성인 경우는 그 유리전이온도 이상 열분해온도 미만으로 가온(加溫)하고, 가압하여 열가소성 수지를 강화섬유 다발 내 및 강화섬유 단사 사이로 함침시켜 프리프레그를 얻는다. 얻어진 프리프레그는, 상기 함침시의 온도로 유지한 채, 또는 일단 방냉(放冷)한 후에 재가열하여 다음 공정 A-2)에 이용한다. 프리프레그의 온도는, 예를 들면 프리프레그 표면에 K타입 열전대를 붙여, 가열로 바깥에 설치한 계측기에 의해 측정을 행할 수 있다.
다음 공정 A-2)에서는, 상기 A-1)에서 얻어진 프리프레그를, 그 함유하는 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리전이온도 미만으로 온도조절된 금형에, 하기 식(3)으로 표현되는 충전율(Charge rate)이 5∼100%로 배치하는 것이 바람직하다.
충전율(%)=100×기재 면적(㎟)/금형 캐비티 투영면적(㎟) (3)
(여기서 기재 면적이란 배치한 모든 랜덤 매트 또는 프리프레그의 드래프트 방향(draft direction)에의 투영면적이다.)
충전율 100%, 즉 기재 면적과 금형 캐비티 투영면적이 같은 경우와, 충전율이 100%초과인 경우도, 금형 내에서 기재를 두께방향(성형체 드래프트 방향)으로 유동시켜, 두께 경사가 있는 성형체를 일체 성형할 수 있다. 충전율의 상한은 트리밍(trimming) 등의 필요가 없기 때문에 100%가 바람직하고, 바람직하게는 95%, 더 바람직하게는 90%이다.
충전율의 하한은 5%, 바람직하게는 10%, 더 바람직하게는 20%, 더 바람직하게는 30%이다. 프리프레그를 금형에 배치할 때, 충전율이 5%미만인 경우, 성형시에 가압된 프리프레그가 금형 내를 유동할 때, 금형에 열을 빼앗기기 쉬워, 목적 형상을 이루기 전에 고화해 버릴 우려가 있다.
또한, 1매 또는 2∼100매의 중첩한 프리프레그를 금형에 배치할 수 있다. 중첩하는 경우, 얻고자 하는 성형체에 따라 일부, 또는 전체를 중첩하여 이용한다. 여기서 프리프레그 단부(端部)의 일부 또는 모든 면이, 금형 캐비티 엣지부와 접하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 중첩하는 경우, 프리프레그는 모두 동일한 형상일 필요는 없고, 각각 일부 또는 전부가 중첩되면 된다.
이와 같이, 공정 A-2)에 있어서, 프리프레그를 금형에 배치할 때, 바람직하게는 충전율 5%이상 100%이하로 함으로써, 강화섬유가 실질적으로 면 내(面內) 2차원 배향하는 층을 확보하면서, 재료 손실과 트리밍의 수고를 발생시키는 일 없이, 경량인 성형체를 높은 생산성으로 제조하는 것이 가능해진다.
이 공정 A-2)에 있어서는, 프리프레그의 배치 장소가, 금형의, 수평부(0도) 또는 수평부와 이루는 각이 70도 이하인 경사부(傾斜部)에 있으면 바람직하다. 금형의 수평부와 이루는 각이 70도를 초과하는 경사부에 프리프레그를 배치하면, 성형시의 형 잠금(mold damping)시에 금형의 경사부분이 프리프레그에 접촉하여 위치를 벗어나게 해 버리거나, 경사부분에 프리프레그를 끌어들여 정상적인 성형이 행해지지 않게 된다거나 할 우려가 있다.
또, 이 공정 A-2)에 있어서는, 금형에, 기재로서 프리프레그를 배치할 때, 성형시에 프리프레그가 모여 두껍게 되거나, 구김살이 발생하거나 하기 쉬운 형태인, 얻어지는 성형체의 분기(分岐)부분 등의 개소를 피해서 해당 기재를 배치하면, 유난히 균일한 두께의 성형체를 얻을 수 있어, 매우 바람직하다.
금형 중에서의 프리프레그의 두께는 얻으려고 하는 형상의 두께에 맞춰 적절하게 선택할 수 있다. 단, 금형에의 기재 충전율이 5%이상 80%이하인 때는, 유동을 적절히 행하기 위해, 프리프레그의 두께 또는 프리프레그를 적층한 두께의 총계가 1.0㎜이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 금형의 온도는, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점-200℃이상 융점-10℃이하, 비결정성인 경우는 유리전이온도-200℃이상 유리전이온도-10℃이하로 하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 공정 A-3)에서 프리프레그로부터 얻은 성형체를 형상이 안정하는 온도까지 냉각하여, 금형으로부터 꺼낼 수 있다.
다음으로, 공정 A-3)에서는, 상기 A-2)에서 금형에 배치한 프리프레그를 가압하고, 성형한다. 이때의 압력으로서는 0.1㎫∼100㎫이 바람직하고, 더 바람직하게는 0.2㎫∼40㎫, 더 바람직하게는 0.5∼20㎫이다. 목표 압력에 도달하기까지의 시간은 0.01∼10초인 것이 바람직하다.
목표 압력 도달 후, 상술한 바와 같이 프리프레그를 5∼200초 가압하여 성형한다. 더 바람직한 가압 시간은 10∼60초이다. 그 사이에 프리프레그를 유동시켜서 성형을 행함과 동시에, 금형과의 열교환에 의해, 형상이 안정하는 온도까지 냉각한다. 그 후, 형을 열어, 성형체를 얻는다.
이상의 콜드 프레스 법의 공정에 있어서, 일부 프리프레그를 일방향재층으로 치환하여 성형해도 좋다.
[핫 프레스 법(Hot press method)]
이하, 공정 B-1)∼B-4)에 의해 함침∼성형을 행하는 핫 프레스 법에 대해 구체적으로 설명한다.
공정 B-1)에서는, 랜덤 매트를 상기 식(3)으로 표현되는 충전율이 5∼100%가 되도록 금형에 배치하는 것이 바람직하다. 1매 또는 2∼100매의 중첩한 랜덤 매트를 금형에 배치할 수 있다. 이때, 랜덤 매트를 미리 가열 및/또는 가압하여, 용량을 줄이고 나서 사용해도 좋다. 중첩하는 경우, 얻고자 하는 성형체에 따라 일부, 또는 전체를 중첩하여 이용한다. 여기서 랜덤 매트 단부의 일부 또는 모든 면이, 금형 캐비티 엣지부와 접하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 중첩하는 경우, 랜덤 매트는 모두 동일한 형상일 필요는 없고, 각각 일부 또는 전부가 중첩되면 된다. 상기 충전율 범위의 의의, 및 해당 범위를 벗어난 경우의 문제에 대해서는, 콜드 프레스 법의 공정 A-2)의 프리프레그에 대해 설명한 것과 마찬가지이다.
이 공정 B-1)에 있어서는, 랜덤 매트의 배치 장소가, 금형, 더 정확하게는 금형 캐비티의, 수평부(0도) 또는 수평부와 이루는 각이 70도 이하인 경사부이면 바람직하다. 금형의 수평부와 이루는 각이 70도를 초과하는 경사부에 랜덤 매트를 배치한 경우의 문제점에 대해서는, 콜드 프레스 법의 공정 A-2)에 있어서의, 프리프레그에 대해 설명한 바와 같다.
이 공정 B-1)에 있어서는, 콜드 프레스 법의 A-2) 공정의 프리프레그의 배치에 대해 상술한 바와 같이, 금형에, 기재로서 랜덤 매트를 배치할 때, 성형시에 랜덤 매트가 모여 두껍게 되거나, 구김살이 발생하거나 하기 쉬운 형태인, 얻어지는 성형체의 분기부분 등의 개소를 피해서 해당 기재를 배치하면, 유난히 균일한 두께의 성형체를 얻을 수 있어, 매우 바람직하다.
다음 공정 B-2)는, 금형을, 랜덤 매트에 포함되는 열가소성 수지가 결정성인 경우는 열가소성 수지의 융점 이상 열분해온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 열가소성 수지의 유리전이온도 이상 열분해온도 미만의 온도까지 승온하고, 가압하여 함침하는 공정(제1프레스 공정)이다.
다음 공정 B-3)은 1단(段) 이상이며, 최종단의 압력이 제1프레스 공정의 압력의 1.2배∼100배가 되도록 가압하는 공정(제2프레스 공정)이다.
제1프레스 공정은, 랜덤 매트를 소정의 목표 압력까지 가압하고, 바람직하게는 0.5∼20분 유지하여, 그 랜덤 매트에 포함되는 열가소성 수지가 결정성인 경우는 열가소성 수지의 융점 이상 열분해온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 열가소성 수지의 유리전이온도 이상 열분해온도 미만의 온도까지 가온해서, 강화섬유 다발 내 및 강화섬유의 단사 사이로 열가소성 수지를 함침시킨다. 이어서, 제2프레스 공정으로 옮기는 동안의 시간은 성형기의 성능에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 성형하는 시간을 단축하기 위해, 0.01∼200초인 것이 바람직하다.
제2프레스 공정은, 1단 또는 다단 가압을 행하는 공정이지만, 성형 간략화의 목적에서는 1단인 것이 바람직하다. 제2프레스 공정의 금형 온도는, 제1프레스 공정에 있어서의 금형 온도와 마찬가지여도, 1℃ 이상 열분해온도 미만까지 승온시켜도 좋다. 제2프레스 공정이 다단인 경우는 후단일수록 승온시켜도 혹은 냉각시켜도 좋고, 승온과 냉각을 교대로 행해도 좋다.
제2프레스 공정의 합계 프레스 시간은 특히 한정은 없지만, 성형 시간 단축의 관점에서 0.5∼10분인 것이 바람직하다.
또한, 제1프레스 공정의 목표 압력은 0.1㎫∼10㎫이며, 바람직하게는 0.2㎫∼8㎫이다. 제2프레스 공정의 최종 목표 압력은 성형기의 성능에 따라 적절히 선택할 수 있는데, 바람직하게는 0.2∼100㎫이며, 더 바람직하게는 0.3∼50㎫, 더 바람직하게는 0.5∼20㎫이다. 제2프레스 공정의 최종 목표 압력은 제1프레스 공정의 1.2∼100배의 압력이다. 즉 B-2)∼B-3)에 있어서의 성형 압력이 0.1㎫∼100㎫인 것이 바람직하다.
공정 B-4)에서는, 랜덤 매트에 포함되는 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리전이온도 미만으로 금형 온도를 조절하여 성형한다. 조정 후의 금형 온도는, 그 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점-200℃이상 융점-10℃이하, 비결정성인 경우는 유리전이온도-200℃이상 유리전이온도-10℃이하로 하는 것이 바람직하다. 본 공정에 필요한 시간은 냉각 조건 등에 따라 적당히 컨트롤할 수 있는데, 성형 시간 단축의 관점에서 0.5분∼20분인 것이 바람직하다. 금형 온도의 조정 방법에 특히 한정은 없으며, 금형 내 온도조절회로에 냉각 매체를 흘리는 등의 방법에 의해 더 적절하게 냉각하면 된다.
이상의 핫 프레스 법의 공정에 있어서, 일부 랜덤 매트를 일방향재층으로 치환하여 성형해도 좋다.
[랜덤 매트(Random mat)]
섬유 강화 복합재료로 이루어지는 성형체는, 강화섬유와 열가소성 수지로 구성되는 랜덤 매트를 출발물질로 하여, 바람직하게 제조할 수 있다. 이하, 본 발명인 성형체의 출발물질이 되는 랜덤 매트에 대해 설명한다.
랜덤 매트는, 평균 섬유길이 5∼100㎜인 강화섬유와 열가소성 수지로 구성되며, 강화섬유가 25∼3000g/㎡ 정도로 실질적으로 2차원 랜덤으로 배향해 있다.
이 랜덤 매트는, 하기 식(1)에서 정의되는 임계 단사수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)이, 매트의 섬유 전량(全量)에 대해 20∼99Vol%이하의 비율로 존재하는 것이 바람직하다.
임계 단사수=600/D (1)
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
랜덤 매트 중에 있어서의 섬유 전량에 대한 강화섬유 다발(A)의 비율이 20vol%미만에서는, 랜덤 매트를 성형했을 때에, 표면 품위가 우수한 복합재료가 얻어진다는 이점은 있지만, 기계 물성이 우수한 섬유 강화 복합재료가 얻기 어려워진다. 강화섬유 다발(A)의 비율이 99Vol%초과가 되면, 섬유 교락부가 국부적으로 두꺼워져, 박육의 것이 얻어지기 어렵다. 강화섬유 다발(A)의 비율은, 더 바람직하게는 30∼90Vol%이며, 특히 바람직하게는 30∼80Vol%이다. 구체적으로는, 랜덤 매트를 구성하는 탄소섬유의 평균 섬유지름이 5∼7㎛인 경우, 임계 단사수는 86∼120개가 되며, 이 임계 단사수보다 많은 본수(本數)가 집속-일체화해 있는 탄소섬유 스트랜드편(carbon fiber strand piece)이 여기서 말하는 강화섬유 다발(A)에 해당한다. 따라서, 적절한 랜덤 매트에서는, 이를 구성하는 강화섬유의 20∼99Vol%가 임계 단사수 이상으로 집속한 강화섬유 다발(A)이고, 나머지는 임계 단사수 미만의 강화섬유 다발(B1) 및/또는 단사(B2)로 분리된 섬유군(纖維群)으로 구성된다.
나아가서는 상기 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 하기 식(2)을 만족하는 것이 바람직하다.
0.7×104/D2< N <1×105/D2 (2)
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
또, 임계 단사수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 본수(N)가 하기 식(2')
0.7×104/D2< N <6×104/D2 (2')
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
를 만족하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 탄소섬유의 평균 섬유지름이 5㎛인 경우, 섬유 다발 중의 평균 섬유 본수(N)는 280∼2000개의 범위가 되는데, 특히 600∼1600개인 것이 바람직하다. 탄소섬유의 평균 섬유지름이 7㎛인 경우, 섬유 다발 중의 평균 섬유 본수(N)는 142∼1020개의 범위가 되는데, 특히 300∼800개인 것이 바람직하다. 또한, 상기 랜덤 매트에 있어서의 강화섬유의 평균 섬유길이는 5∼100㎜이하이고, 바람직하게는 10∼100㎜이며, 더 바람직하게는 15∼80㎜이고, 특히 20∼60㎜가 더 바람직하다. 상술한 강화섬유의 절단 공정에 있어서, 강화섬유를 고정 길이로 잘랐을 경우, 랜덤 매트에 있어서의 평균 섬유길이는 잘라낸 섬유길이와 거의 같아진다.
강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 0.7×104/D2이하인 경우, 높은 강화섬유 체적함유율(Vf)을 얻기 것이 곤란해진다. 또한, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 1×105/D2이상인 경우, 국부적으로 두꺼운 부분이 생겨, 보이드의 원인이 되기 쉽다. 두께 1㎜이하의 박육인 복합재료를 얻고자 하는 경우, 단순히 분섬(分纖)한 대로의 섬유를 사용한 것으로는, 소밀(疏密)이 커서, 양호한 물성이 얻어지지 않는다. 모든 섬유를 단사 레벨까지 개섬(開纖)한 경우에는, 더 얇은 것을 얻기는 용이하지만, 매트 중의 섬유 교락이 많아져서, 강화섬유 체적함유율이 높은 것이 얻어지지 않는다. 상기 식(1)에서 정의되는 임계 단사수 이상의 강화섬유 다발(A)과 임계 단사수 미만의 강화섬유 다발(B1) 및/또는 완전히 단사로 분리된 것(B2)으로 이루어지는 강화섬유군이 상기 비율로 동시에 존재하는 랜덤 매트로 함으로써, 박육이고, 또한 얻어지는 물성이 높은 복합재료를 주는 랜덤 매트를 얻는 것이 가능하다. 이 랜덤 매트는, 각종 두께로 하는 것이 가능하지만, 이를 프리 폼(preform)으로 하여, 두께가 0.2∼1㎜정도인 박육의 성형체도 적절히 얻는 것도 가능해진다. 또한, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수 및 비율은, 슬릿(slitting) 공정, 절단(cutting) 공정 및 개섬(opening) 공정의 조건을 선정함으로써 제어 가능하다.
이와 같이, 집속(集束) 상태가 다른 강화섬유가 특정 비율로 혼재하는 랜덤 매트로 함으로써, 복합재료의 표면성, 물성, 성형성 등이 대폭으로 향상한다.
랜덤 매트의 두께는 특히 제한은 없으며, 원하는 바에 따라 1∼100㎜ 두께의 것을 얻을 수 있다. 또한, 박육의 복합재료 성형체가 얻어진다는 효과를 발휘하기 위해서는, 랜덤 매트는 2∼50㎜ 두께로 하는 것이 바람직하다.
랜덤 매트에 있어서의 강화섬유 다발(A)의 존재량을 20∼99Vol%로 하는데에는, 예를 들면 개섬 공정에 있어서의 분사하는 공기의 압력 등에 의해 컨트롤할 수 있다. 또한, 절단 공정에 제공하는 섬유 다발의 크기, 예를 들면 다발의 폭이나 폭당 섬유수를 조정함으로써 컨트롤할 수도 있다. 구체적으로는, 스트랜드를 확폭(擴幅)하는 등으로 하여 얇고 광폭인 스트랜드로 한 상태에서 절단 공정에 제공하는 것, 절단 공정 전에 슬릿 공정을 두는 방법을 들 수 있다. 또한, 짧은 칼날을 다수 늘어놓은 이른바 분섬 나이프(fiber opening knife)를 이용하여 섬유 다발을 절단하는 방법과, 절단함과 동시에, 슬릿하는 방법을 들 수 있다.
임계 단사수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는, 1×105/D2미만인 것이 바람직하지만, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)를 상기 범위로 하는데에는, 후술하는 바람직한 제법(製法)에 있어서는, 절단 공정에 제공하는 섬유 다발의 크기, 예를 들면 다발의 폭이나 폭당 섬유수를 조정함으로써 컨트롤할 수도 있다. 구체적으로는, 개섬하는 등으로 하여 섬유 다발의 폭을 넓혀서 절단 공정에 제공하는 방법, 절단 공정 전에 슬릿 공정을 두는 방법을 들 수 있다. 섬유 다발을 절단함과 동시에, 슬릿해도 좋다. 또한, 개섬 공정에서 섬유 다발편(fiber bundle piece)에 분사하는 기체의 압력 등의 컨트롤에 의해, 절단된 섬유 다발의 개섬도(開纖度)를 조정하여, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)를 원하는 범위로 할 수도 있다.
각종 목적으로 하는 복합재료 성형체의 두께에 맞춘 랜덤 매트를 만들 수 있으며, 특히, 박육의 것은, 샌드위치재(材)의 표피 등, 박물(薄物) 성형체의 프리폼으로서 유용하다.
[랜덤 매트의 제조방법]
다음으로, 랜덤 매트의 바람직한 제조방법에 대해 상술한다. 랜덤 매트의 제조방법은, 이하의 (Ⅰ) (Ⅲ) (Ⅳ) (Ⅴ), 더 바람직하게는 (Ⅰ)과 (Ⅲ) 사이에 (Ⅱ)의 각 공정을 포함하는 것이 바람직하며, 이들 공정을 순차적으로 실시함으로써, 특히 양호한 등방성을 갖는 랜덤 매트 및 복합재료가 제조된다.
얻어지는 랜덤 매트는, 그 면 내에 있어서, 강화섬유는 특정 방향으로 배향해 두지 않고, 무작위인 방향으로 분산하여 배치되어 있다.
(Ⅰ) 강화섬유 스트랜드의 공급 공정
강화섬유는, 크릴부(creel part)에 배치된 복수의 강화섬유 권사체(wound yarn)로부터, 각각 얀(yarn)을 인출하여, 단독 얀으로 이루어지든가 또는 이것을 복수개 배열해서 이루어지는 스트랜드로서 사용한다. 스트랜드 폭은 10∼50㎜(특히 20∼30㎜)가 바람직하다. 이 때문에, 공급되는 강화섬유의 스트랜드 폭이 작은 경우는, 필요에 따라, 스트랜드 공급 공정에서, 상기 소정 폭까지 확폭하여 얇고 광폭인 스트랜드도 해도 좋다. 이 확폭 작업(widening operation)은, 예를 들면, 스트랜드를 확폭용 롤러나 바(bar) 등과 접촉시킴으로써 행할 수 있다.
(Ⅱ) 스트랜드를 슬릿하는 공정
상기 강화섬유 스트랜드는, 계속해서 바람직하게는, 스트랜드 길이 방향과 평행(즉 섬유길이 방향을 따라)하게 연속적으로 슬릿함으로써, 스트랜드 폭이 0.05∼5㎜, 바람직하게는 0.1∼1.0㎜인 복수개의 세폭(細幅) 스트랜드로 한다. 구체적으로는, 전(前) 공정에서 연속적으로 이송되어 오는 광폭 스트랜드를 섬유길이 방향과 평행한 칼날을 갖는 종(縱) 슬릿 장치(슬리터)에서 종방향으로 연속적으로 절단하거나, 광폭 스트랜드의 주행로에 1개 또는 복수개의 분할 가이드(splitting guide)를 설치하여, 그에 의해 스트랜드를 복수개로 분할하는 것 등에 의해 실시할 수 있다.
(Ⅲ) 강화섬유를 절단하는 공정
다음으로, 슬릿 처리를 행하고 있지 않은 스트랜드, 또는 상기와 같이 슬릿한 세폭의 강화섬유 스트랜드를, 평균 섬유길이 5∼100㎜로 절단한다.
또한, 여기서 말하는 「평균 섬유길이」는, 무작위로 추출한 100개의 섬유의 섬유길이를 캘리퍼(caliper) 등을 이용하여 1㎜단위까지 측정하고, 그 평균을 구하는 방법에 의해 구해진다. 통상의 경우, 평균 섬유길이는 커터에 의한 스트랜드의 절단 간격과 일치한다.
강화섬유를 평균 섬유길이 5∼100㎜로 절단할 때에 사용하는 장치로서는, 로터리 커터(rotary cutter)가 바람직하다.
로터리 커터로서는, 특정 각도를 갖는 나선상 나이프(spiral knife)를 구비한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 강화섬유를 연속적으로 절단하기 위한 나이프 각도는, 사용할 강화섬유의 폭과, 절단한 후의 섬유길이에 의해 기하학적으로 계산되며, 그들의 관계는, 강화섬유의 섬유길이(칼날의 피치)=강화섬유 스트랜드 폭×tan(90-θ)의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
(여기서, θ는 둘레방향과 나이프의 배치방향이 이루는 각이다.)
이 경우, 섬유 방향에 교차하는 나이프와 섬유길이 방향과 평행한 나이프를 갖는 커터를 사용하면, 섬유 다발을 종방향으로 슬릿함과 동시에 특정 섬유길이로 절단할 수 있어, 이러한 커터를 사용하면, 슬릿 공정(Ⅱ)과 절단 공정(Ⅲ)을 동시에 실시할 수 있다.
(Ⅳ) 절단한 강화섬유를 개섬하는 공정
다음 공정에서는, 소정의 섬유길이로 절단된 강화섬유의 스트랜드(이하 「스트랜드편」이라고 하는 경우가 있다)에 기체를 분사하고, 그 스트랜드편을 원하는 사이즈(집속 본수(本數))의 섬유 다발로 분할하도록 개섬한다.
개섬 공정(Ⅳ)은, 스트랜드편을, 경로 내에 도입하고, 그 경로를 통과하는 강화섬유 다발편에 공기 등의 기체를 분사함으로써, 그 스트랜드편을 원하는 집속 사이즈로 분리시킴과 아울러 기체 중에 분산시키는 공정이다. 이들의 정도에 대해서는, 분사하는 기체의 압력 등에 의해 적당히 컨트롤할 수 있다. 바람직한 실시 형태에 있어서는, 경로의 도중 또는 선단부에 공기 분사 노즐을 설치하여, 그 압축공기 분사 구멍으로부터, 풍속 5∼500m/sec로 공기를 직접 스트랜드편에 분사함으로써, 적절하게 강화섬유를 개섬시킬 수 있다. 구체적으로는, 강화섬유편이 지나는 경로에 지름 1㎜정도의 구멍을 몇 군데 형성하여, 외측으로부터 0.2∼0.8㎫정도의 압력을 가해서 압축공기를 구멍으로부터 스트랜드편에 직접 분사하도록 한 기체 분사 노즐을 사용함으로써, 원하는 정도로 개섬할 수 있다.
이 개섬 공정에서는, 스트랜드편을 구성하는 전(全) 섬유를 따로따로 분리시켜 완전히 단사 모양이 될 때까지 분리하도록 개섬하는 것이 아니라, 일부는 단사 모양 또는 그에 가까운 상태까지 개섬되지만, 상당 부분은 단사가 일정 본수 이상으로 집속한 섬유 다발이 되도록 조정한다. 즉, 기체에 의한 개섬 정도를, 상술한 바와 같은, 상기 식(1)에서 정의되는 임계 단사수 이상으로 이루어지는 강화섬유 다발(A)의 비율, 또 임계 단사수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)를 만족하도록 하는 것이 바람직하다.
(Ⅴ) 강화섬유와 열가소성 수지로 랜덤 매트를 형성하는 공정
이 공정은, 절단하여 개섬시킨 강화섬유를, 공기 중에 확산시킴과 동시에, 분립체 모양(particulate-shaped) 또는 단섬유 모양(short fiber-shaped)의 열가소성 수지(이하, 이들을 「열가소성 수지 입자 등」으로 총칭한다)를 공급하고, 강화섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께, 개섬 장치 하방에 설치한 통기성 지지체 상에 살포하여, 그 지지체 상에 강화섬유와 열가소성 수지 입자 등이 혼재한 상태로, 소정의 두께로 퇴적·정착시켜서 랜덤 매트를 형성시키는 공정이다.
이 공정에서는, 바람직하게는 기체로 개섬한 강화섬유와 다른 경로로부터 공급되는 열가소성 수지 입자 등을 동시에 통기성 지지체 위를 향해 살포해서, 양자가 거의 균일하게 혼합된 상태로 통기성 지지체 상에 매트 모양으로 퇴적시켜, 그 상태로 정착시킨다. 이때, 통기성 지지체를 네트(net)로 이루어지는 컨베이어로 구성하여, 일방향으로 연속적으로 이동시키면서 그 위에 퇴적시키도록 하면 연속적으로 랜덤 매트를 형성시킬 수 있다. 또한, 지지체를 전후좌우로 이동시킴으로써 균일한 퇴적이 실현되도록 해도 좋다.
여기서, 강화섬유 및 열가소성 수지 입자 등은, 2차원 랜덤 배향하도록 살포하는 것이 바람직하다. 개섬한 강화섬유를 2차원 배향시키면서 도포하기 위해서는, 하류측에 확대한 원추형 등의 테이퍼관(taper tube)을 사용하는 것이 바람직하다. 이 테이퍼관 내에서는, 강화섬유에 분사한 기체가 확산하여, 관 내의 유속이 감소하므로, 이때 강화섬유에는 회전력이 주어진다. 이 벤츄리 효과(Venturi effect)를 이용함으로써, 개섬한 강화섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께 균등하게 불균일 없이 살포할 수 있다. 또한, 후술하는 정착(fixing) 공정을 위해서도, 하방에 흡인 기구를 가진 가동식 통기 지지체(네트 컨베이어 등) 상에 살포하여, 랜덤 매트 모양으로 퇴적시키는 것이 바람직하다.
이 공정에 있어서, 열가소성 수지 입자 등의 공급량은, 강화섬유 100 중량부에 대해, 10∼1000 중량부인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 강화섬유 100 중량부에 대해, 열가소성 수지 입자 등이 50∼500 중량부이며, 더 바람직하게는, 열가소성 수지 입자 등이 60∼300 중량부이다.
이 랜덤 매트 형성 공정에는, 강화섬유 및 열가소성 수지 입자 등을 정착시키는 공정을 포함한다. 즉, 이 정착 공정은, 퇴적한 강화섬유 및 열가소성 수지 입자 등을 정착시키는 공정이다. 바람직하게는 통기성 지지체의 하부로부터 에어를 흡인하여 강화섬유를 정착시킨다. 강화섬유와 동시에 살포된 열가소성 수지도 혼합되면서, 섬유상이면 에어 흡인에 의해, 입자상이어도 강화섬유와 함께 정착된다.
이와 같이 퇴적면의 하부로부터 흡인함으로써, 2차원 배향이 높은 매트를 얻을 수 있다. 이리하여 얻어지는 랜덤 매트는, 이를 구성하는 강화섬유의 간극과 근방에 열가소성 수지 입자 등이 균일하게 존재함으로써, 후술하는 가열 함침 가압 공정에 있어서, 수지의 이동거리가 짧아, 비교적 단시간에 랜덤 매트에의 수지 함침이 가능해진다.
또한, 통기성 지지체를 구성하는 시트, 네트 등의 구멍이 커서, 열가소성 수지 입자 등의 일부가 지지체를 통과하여 매트 내에 남지 않은 경우에는, 이를 방지하기 위해, 지지체의 표면에 부직포 등을 세팅해서, 그 부직포 상에 강화섬유 및 열가소성 수지 입자 등을 분사하여 정착시키는 것도 가능하다.
강화섬유 스트랜드를 일정 길이로 절단한 후, 그 스트랜드편 및 절단시에 단사 상태로 분리한 강화섬유를 흡인 반송하는 수송경로에 공급하고, 그 수송경로의 도중 또는 종단부(終端部)에 설치한 기체 분사 노즐로부터, 강화섬유에 기체를 분사하여, 절단한 스트랜드편을 원하는 사이즈(굵기)의 강화섬유 다발로 분리ㆍ개섬함과 동시에, 그 강화섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께, 일정 방향으로 연속적 또는 간헐적으로 이동하는 통기성 지지체(이하 「정착 네트」라고 하는 경우가 있다)의 표면을 향해 분사해서 퇴적하여 정착시킴으로써, 랜덤 매트를 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 랜덤 매트에는 강화섬유와 분립체 모양 및/또는 섬유 모양의 열가소성 수지가 불균일 없이 혼합되어 존재하므로, 형 내에서 섬유와 수지를 유동시킬 필요가 없고, 열가소성 수지를 용이하게 함침할 수 있다는 이점이 있다. 따라서, 얻어지는 성형체에 있어서도, 랜덤 매트 중의 강화섬유 등방성을 유지하는 것이 가능해진다.
실시예
이하에, 본 발명을 실시예에 따라 설명하지만, 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예에 있어서의 각(各) 측정치는 이하의 방법으로 측정된 값이다.
1) 랜덤 매트에 있어서의 강화섬유 다발의 분석
랜덤 매트를 100㎜×100㎜정도로 잘라낸다. 잘라낸 매트로부터, 섬유 다발을 핀셋으로 모두 빼내어, 강화섬유 다발(A)의 다발 수(I) 및 섬유 다발의 길이(Li)와 중량(Wi)을 측정해서, 기록한다. 핀셋으로 빼낼 수 없을 정도로 섬유 다발이 작은 것에 대해서는, 하나로 모아 최후에 무게를 측정한다(Wk). 중량 측정에는 1/100㎎까지 측정 가능한 천칭을 사용한다. 랜덤 매트에 사용하고 있는 강화섬유의 섬유지름(D)으로부터, 임계 단사수를 계산하여, 임계 단사수 이상의 강화섬유 다발(A)과, 그 이외로 나눈다. 또한, 2종류 이상의 강화섬유가 사용되어 있는 경우에는, 섬유의 종류마다 구분하여, 각각에 대해 측정 및 평가를 행한다.
강화섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)를 구하는 방법은 이하와 같다.
각 강화섬유 다발 중의 섬유 본수(Ni)는 사용하고 있는 강화섬유의 섬도(纖度)(F)로부터, 다음 식에 의해 구해진다.
Ni=Wi/(Li×F)
강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는, 강화섬유 다발(A)의 다발 수(I)로부터, 다음 식에 의해 구해진다.
N=ΣNi/I
강화섬유 다발(A)의 매트의 섬유 전량에 대한 비율(VR)은, 강화섬유의 밀도(ρ)를 이용하여 다음 식에 의해 구해진다.
VR=Σ(Wi/ρ)×100/((Wk+ΣWi)/ρ)
2) 랜덤 매트 또는 복합재료에 포함되는 강화섬유의 평균 섬유길이의 분석
랜덤 매트 또는 복합재료로부터 무작위로 추출한 강화섬유 100개의 길이를 캘리퍼 및 루페(loupe)로 1㎜단위까지 측정하여 기록하고, 측정한 모든 강화섬유의 길이(Li)로부터, 다음 식에 의해 평균 섬유길이(La)를 구한다. 복합재료인 경우는 500℃×1시간 정도, 로(furnace) 내에서 수지를 제거한 후, 강화섬유를 추출한다.
La=ΣLi/100
3) 성형체에 있어서의 탄소섬유 다발 분석
성형체에 대해서는, 500℃×1시간 정도, 로 내에서 수지를 제거한 후, 상기 랜덤 매트에 있어서의 방법과 마찬가지로 하여 측정했다.
4) 성형체에 있어서의 섬유와 수지의 존재량 분석
성형체를 500℃×1시간, 로 내에서 수지를 연소 제거하고, 처리 전후의 시료 질량을 칭량함으로써 탄소섬유분(分)과 수지분(分)의 질량을 산출했다.
5) 인장시험
워터 제트(water jet)를 이용해서 성형체의 수평부로부터 시험편을 잘라내고, A&D사제 텐실론 만능 시험기(Tensilon universal tester)를 사용하여, 인장탄성률을 측정하고, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비를 산출했다.
6) 외관 평가
성형성을 평가할 목적에서, 성형체의 외관을 육안 관찰했다. 섬유 강화 복합재료가 성형체의 단부까지 충분히 충전되어 있고, 표면 외관도 양호한 경우를 ○, 약간 결함이 보이는 경우를 △, 결함이 있는 경우를 X로 했다.
참고예 1
강화섬유로서, 토호 테낙스사(Toho Tenax Co.,Ltd.)제 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 사용했다. 탄소섬유를 개섬시키면서 20㎜ 길이로 절단하고, 탄소섬유의 공급량을 1232g/min으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 풍속 450m/sec로 탄소섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동 가능한 테이블 상에, 테이블 하부로부터 송풍기(blower)로 흡인을 행하면서 살포했다. 또한, 매트릭스 수지로서 폴리아미드 6 수지(유니티카(Unitika Ltd.)제, A1030, 융점 215∼220℃, 열분해온도 300℃)를 1482g/min으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유길이 20㎜의 탄소섬유와 폴리아미드 6이 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화섬유의 형태를 관찰한바, 강화섬유의 섬유축(fiber axis)은 면(面)과 거의 병행(parallel)으로 있고, 면 내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다. 이 랜덤 매트의 강화섬유(탄소섬유) 체적함유율(Vf, 이하 Vf(체적함유율)로 쓰는 경우가 있다)은 35%, 강화섬유의 평량은 1232g/㎡이었다.
얻어진 랜덤 매트의 평균 섬유길이(La) 및 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사한바, 평균 섬유길이(La)는 20㎜, 식(1)에서 정의되는 임계 단사수는 86이고, 강화섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 35%, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 240이었다.
얻어진 랜덤 매트를, 함침용 평판 금형이 세팅된 프레스기를 사용해서 가열하여 250℃에 도달한 후에, 3㎫의 압력으로 7분 가압한 후, 80℃까지 냉각하여, 두께 2.0㎜의 판상(板狀) 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.03%였다.
참고예 2
강화섬유로서, 토호 테낙스사제 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 사용했다. 탄소섬유를 개섬시키면서 10㎜ 길이로 절단하고, 탄소섬유의 공급량을 528g/min으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 풍속 450m/sec로 탄소섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동 가능한 테이블 상에, 테이블 하부로부터 송풍기로 흡인을 행하면서 살포했다. 또한, 매트릭스 수지로서, 폴리카보네이트 수지(테이진카세이(Teijinkasei Co.,)제, 팬라이트(PANLITE)(등록상표), L-1225L, 유리전이온도 145∼150℃, 열분해온도 350℃)를 1440g/min으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유길이 10㎜의 탄소섬유와 폴리카보네이트 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화섬유의 형태를 관찰한바, 강화섬유의 섬유축은 면과 거의 병행으로 있고, 면 내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다. 이 랜덤 매트의 Vf(체적함유율)는 20%, 강화섬유의 평량은 528g/㎡이었다.
얻어진 랜덤 매트의 평균 섬유길이(La) 및 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사한바, 평균 섬유길이(La)는 20㎜, 식(1)에서 정의되는 임계 단사수는 86이고, 강화섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 35%, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 240이었다.
얻어진 랜덤 매트를, 함침용 평판 금형이 세팅된 프레스기를 사용해서 가열하여 230℃에 도달한 후에, 3㎫의 압력으로 7분 가압한 후, 50℃까지 냉각하여, 두께 1.5㎜의 판상 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.2%였다.
참고예 3
강화섬유로서, 토호 테낙스사제 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 사용했다. 탄소섬유를 개섬시키면서 20㎜ 길이로 절단하고, 탄소섬유의 공급량을 1232g/min으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 풍속 450m/sec로 탄소섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동 가능한 테이블 상에, 테이블 하부로부터 송풍기로 흡인을 행하면서 살포했다. 또한, 매트릭스 수지로서, 2㎜로 드라이 절단한(dry cut) PA 66 섬유(아사히카세이센이(Asahi Kasei Fibers Corporation)제 폴리아미드 66 섬유 : T5나일론, 섬도(tex) 1400 dex)를 1391g/min으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유길이 20㎜의 탄소섬유와 PA 66이 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화섬유의 형태를 관찰한바, 강화섬유의 섬유축은 면과 거의 병행으로 있고, 면 내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다. 이 랜덤 매트의 Vf(체적함유율)는 35%, 강화섬유의 평량은 1232g/㎡이었다.
얻어진 랜덤 매트의 평균 섬유길이(La) 및 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사한바, 평균 섬유길이(La)는 20㎜, 식(1)에서 정의되는 임계 단사수는 86이고, 강화섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 35%, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 240이었다.
얻어진 랜덤 매트를, 함침용 평판 금형이 세팅된 프레스기를 사용해서 가열하여 300℃에 도달한 후에, 4㎫의 압력으로 5분 가압한 후, 50℃까지 냉각하여, 두께 2.0㎜의 판상 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.10%였다.
참고예 4
강화섬유로서, 토호 테낙스사제 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 사용했다. 탄소섬유를 개섬시키면서 20㎜ 길이로 절단하고, 탄소섬유의 공급량을 1408g/min으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 풍속 450m/sec로 탄소섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동 가능한 테이블 상에, 테이블 하부로부터 송풍기로 흡인을 행하면서 살포했다. 또한, 매트릭스 수지로서, 평균 입경을 약 1㎜로 냉동분쇄한 PP 수지(프라임폴리머(Prime Polymer Co., Ltd.)제, 프라임 폴리프로(PRIME POLYPRO) J108M)를 1092g/min으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유길이 20㎜의 탄소섬유와 PP가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화섬유의 형태를 관찰한바, 강화섬유의 섬유축은 면과 거의 병행으로 있고, 면 내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다. 이 랜덤 매트의 Vf(체적함유율)는 40%, 강화섬유의 평량은 1408g/㎡이었다.
얻어진 랜덤 매트의 평균 섬유길이(La) 및 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사한바, 평균 섬유길이(La)는 20㎜, 식(1)에서 정의되는 임계 단사수는 86이고, 강화섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 35%, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 240이었다.
얻어진 랜덤 매트를, 함침용 평판 금형이 세팅된 프레스기를 사용해서 가열하여 200℃에 도달한 후에, 4㎫의 압력으로 5분 가압한 후, 50℃까지 냉각하여, 두께 2.0㎜의 판상 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.07%였다.
참고예 5
강화섬유로서, 토호 테낙스사제 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 사용했다. 탄소섬유를 개섬시키면서 20㎜ 길이로 절단하고, 탄소섬유의 공급량을 1220g/min으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 풍속 450m/sec로 탄소섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동 가능한 테이블 상에, 테이블 하부로부터 송풍기로 흡인을 행하면서 살포했다. 또한, 매트릭스 수지로서 PBT 수지(폴리플라스틱스(Polyplastics Co., Ltd.)제, 듀라넥스(DURANEX) 2002)를 1700g/min으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유길이 20㎜의 탄소섬유와 PBT가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화섬유의 형태를 관찰한바, 강화섬유의 섬유축은 면과 거의 병행으로 있고, 면 내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다. 이 랜덤 매트의 Vf(체적함유율)는 35%, 강화섬유의 평량은 1220g/㎡이었다.
얻어진 랜덤 매트의 평균 섬유길이(La) 및 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사한바, 평균 섬유길이(La)는 20㎜, 식(1)에서 정의되는 임계 단사수는 86이고, 강화섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 35%, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 240이었다.
얻어진 랜덤 매트를, 함침용 평판 금형이 세팅된 프레스기를 사용해서 가열하여 240℃에 도달한 후에, 3㎫의 압력으로 7분 가압한 후, 80℃까지 냉각하여, 두께 2.0㎜의 판상 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.02%였다.
참고예 6
참고예 1에 있어서 탄소섬유를 16㎜ 길이로 절단하고, 탄소섬유의 공급량을 924g/㎡로 한 이외는 마찬가지로 하여 두께 1.5㎜의 판상 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.02%였다.
참고예 7
참고예 1에 있어서, 테이퍼관 내에서 공기를 탄소섬유에 분사하지 않았던(풍속 0m/sec) 이외는 마찬가지로 하여 랜덤 매트를 제작했다.
얻어진 랜덤 매트의 평균 섬유길이(La) 및 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사한바, 평균 섬유길이(La)는 20㎜, 식(1)에서 정의되는 임계 단사수는 86이고, 강화섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 100%, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 24000이었다.
얻어진 랜덤 매트를, 함침용 평판 금형이 세팅된 프레스기를 사용해서 가열하여 250℃에 도달한 후에, 3㎫의 압력으로 7분 가압한 후, 80℃까지 냉각하여, 판상 프리프레그를 얻었다.
실시예 1
참고예 1에서 얻어진 프리프레그 2매를 충전율 60%로 잘라내고, 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 것을 적층하여, 금형 온도 130℃로 온도조절된 단차(段差)를 갖는 금형 내에 배치하고(도 1), 10㎫의 압력으로 30초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 1.9㎜, 최대두께부 2.9㎜의 성형체를 얻었다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열(crack)과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형(warpage)이 보이지 않는 것으로(○), 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면(斷面) 관찰에 의해 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 2에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 그 외측의 5로 나타낸 부분이, 기재가 금형 캐비티 엣지부까지 유동되어 얻어진 유동부이다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf(섬유함유율)를 조사한바, 6A가 34.6%, 6B가 35.0%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.09, 7B부에서 1.08로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 2
두께 0.5㎜로 한 이외는 참고예 1과 마찬가지로 하여 판상 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.10%였다.
충전율 50%로 잘라낸 프리프레그를 8매 적층하여, 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 것을, 금형 온도 130℃로 온도조절된 도 3에 나타내는 단차를 갖는 금형 내에 배치해서, 10㎫의 압력으로 30초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 2.1㎜, 최대두께부 3.1㎜의 성형체를 얻었다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로(○), 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면(斷面) 관찰에 의해 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 4에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 그 외측의 5로 나타낸 부분이, 기재가 금형 캐비티 엣지부까지 유동되어 얻어진 유동부이다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf를 조사한바, 6A가 35.8%, 6B가 35.3%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B로 나타내는 개소(箇所)의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A에서 1.10, 7B에서 1.03으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 3
강화섬유로서, 토호 테낙스사제 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유지름 7㎛, 인장강도 4000㎫)를 사용했다. 탄소섬유를 20㎜ 길이로 절단하고, 탄소섬유의 공급량을 1232g/min으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 탄소섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동 가능한 테이블 상에, 테이블 하부로부터 송풍기로 흡인을 행하면서 살포했다. 또한, 매트릭스 수지로서 폴리아미드 6 수지(유니티카제 A1030)를 1482g/min으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유길이 20㎜의 탄소섬유와 폴리아미드 6이 혼합된 두께 5.0㎜ 정도의 랜덤 매트를 얻었다. 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사한바, 식(1)에서 정의되는 임계 단사수는 86이고, 강화섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 35%, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 240이었다.
얻어진 랜덤 매트를 250℃로 가열된 금형에 충전율 70% 비율로 1매 배치하고 또 60% 비율로 위로부터 1매 배치해서(도 5), 즉 충전율 70%로, 0.5㎫로 가압했다. 10분간 유지 후, 10초 들여 2.5㎫까지 압력을 올리고, 또 7분간 유지한 후에 냉각 매체를 사용하여 1분 들여 금형 온도를 100℃까지 냉각해서, 최소두께부 0.8㎜, 최대두께부 1.8㎜의 성형체를 얻었다. 여기서 금형 온도는 금형 표면 부근에 매립된 K타입 열전대로 측정을 행했다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로(○), 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면(斷面) 관찰에 의해 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 6에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 그 외측의 5로 나타낸 부분이, 기재가 금형 캐비티 엣지부까지 유동되어 얻어진 유동부이다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf(섬유함유율)를 조사한바, 6A가 35.0%, 6B가 35.0%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.03, 7B부에서 1.03으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 4
참고예 2에서 얻어진 프리프레그를, 충전율 50%를 2매로 하고 충전율 5%로 잘라내어 적외선 오븐 중에 넣어서 255℃로 가열한 것을 각각 전면(全面) 또는 일부가 중첩하도록 적층하고, 즉 충전율 51%로, 금형 온도 110℃로 온도조절된 평판 모양의 금형 내에 배치하고(도 7), 10㎫의 압력으로 30초 프레스 성형을 행하여 두께 최소두께부 1.0㎜, 최대두께부 2.0㎜의 성형체를 얻었다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로(○), 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면(斷面) 관찰에 의해 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 8에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 그 외측의 5로 나타낸 부분이, 기재가 금형 캐비티 엣지부까지 유동되어 얻어진 유동부이다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf를 조사한바, 6A가 34.9%, 6B가 35.0%가 되어 동등한 수치를 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.18, 7B부에서 1.12로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 5
참고예 3에서 얻어진 프리프레그 2매를 충전율 60%로 잘라내어, 적외선 오븐 중에 넣어서 290℃로 가열한 것을 적층하고, 금형 온도 130℃로 온도조절된 단차를 갖는 금형 내에 배치하고(도 1), 10㎫의 압력으로 30초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 1.9㎜, 최대두께부 2.9㎜의 성형체를 얻었다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로(○), 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면(斷面) 관찰에 의해 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 2에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 그 외측의 5로 나타낸 부분이, 기재가 금형 캐비티 엣지부까지 유동되어 얻어진 유동부이다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf(섬유함유율)를 조사한바, 6A가 35.0%, 6B가 35.2%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.01, 7B부에서 1.07로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 6
참고예 4에서 얻어진 프리프레그 2매를 충전율 60%로 잘라내어, 적외선 오븐 중에 넣어 200℃로 가열한 것을 적층하고, 금형 온도 80℃로 온도조절된 단차를 갖는 금형 내에 배치하고(도 1), 10㎫의 압력으로 30초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 1.9㎜, 최대두께부 2.9㎜의 성형체를 얻었다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로(○), 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면(斷面) 관찰에 의해 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 2에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 그 외측의 5로 나타낸 부분이, 기재가 금형 캐비티 엣지부까지 유동되어 얻어진 유동부이다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf(섬유함유율)를 조사한바, 6A가 34.8%, 6B가 35.2%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.09, 7B부에서 1.08로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 7
참고예 5에서 얻어진 프리프레그 2매를 충전율 60%로 잘라내어, 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 것을 적층하고, 금형 온도 130℃로 온도조절된 단차를 갖는 금형 내에 배치하고(도 1), 10㎫의 압력으로 30초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 1.9㎜, 최대두께부 2.9㎜의 성형체를 얻었다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로(○), 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면(斷面) 관찰에 의해 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 2에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 그 외측의 5로 나타낸 부분이, 기재가 금형 캐비티 엣지부까지 유동되어 얻어진 유동부이다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf(섬유함유율)를 조사한바, 6A가 34.9%, 6B가 35.1%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.02, 7B부에서 1.03으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 8
참고예 6에서 얻어진 프리프레그 6매를 충전율 11%로 잘라내어, 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 것을 적층하고, 금형 온도 130℃로 온도조절된 단차를 갖는 금형 내에 배치하고(도 9), 20㎫의 압력으로 30초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 0.5㎜, 최대두께부 1.5㎜의 성형체를 얻었다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면 관찰에 의해 확인할 수 있었지만, 표면 외관은 약간 광택을 잃은 것이었다(△). 얻어진 성형체의 모식도를 도 10에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 그 외측의 5로 나타낸 부분이, 기재가 금형 캐비티 엣지부까지 유동되어 얻어진 유동부이다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf(섬유함유율)를 조사한바, 6A가 35.5%, 6B가 34.6%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.02, 7B부에서 1.15로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 9
참고예 1에서 얻어진 프리프레그 1매를 충전율 100%로 잘라내어, 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 것을 적층하고, 금형 온도 130℃로 온도조절된 단차를 갖는 금형 내에 배치하고(도 11), 20㎫의 압력으로 30초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 1.5㎜, 최대두께부 2.5㎜의 성형체를 얻었다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로(○), 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면(斷面) 관찰에 의해 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 12에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 본 실시예에서는 금형 캐비티 투영면적과 기재 면적이 동일하다. 기재는 일정한 두께인 것에 대해, 얻어진 성형체는 도 12에 나타내는 것처럼 두께에 경사가 있는 것이며, 5로 나타낸 부분은 성형체 드래프트 방향으로 유동되어 얻어진 유동부이다.
도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf(섬유함유율)를 조사한바, 6A가 34.9%, 6B가 35.0%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.05, 7B부에서 1.07로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 10
참고예 1에서 얻어진 프리프레그 1매를 충전율 125%로 잘라내어, 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 것을 적층하고, 금형 온도 130℃로 온도조절된 단차를 갖는 금형 내에 배치하고(도 13), 20㎫의 압력으로 30초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 1.1㎜, 최대두께부 2.1㎜의 성형체를 얻었다.
도 24에 사용한 금형의 셰어 엣지부의 모식도를 나타내는데, 금형의 셰어 각도는 2도, 금형 셰어 엣지부의 클리어런스는 0.1㎜였다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로(○), 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 단면 관찰에 의해 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 14에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 본 실시예에서는 금형 캐비티 투영면적보다 기재 면적이 크다. 기재는 일정한 두께인 것에 대해, 얻어진 성형체는 도 14에 나타내는 것처럼 두께에 경사가 있는 것이며, 5로 나타낸 부분은 금형 내로 기재가 끌려 들어간 후, 성형체 드래프트 방향으로 유동되어 얻어진 유동부이다.
도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf(섬유함유율)를 조사한바, 6A가 35.2%, 6B가 34.9%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.01, 7B부에서 1.04로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 11
참고예 6에서 얻어진 프리프레그를 잘라내고, 도 17에 기재된 부재(10)를 준비했다.
얻어진 프리프레그 및 부재를 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 것을 각각 전면 또는 일부가 중첩하도록 적층하고, 금형 온도 130℃로 온도조절된 금형 내에 배치하고, 20㎫의 압력으로 60초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 1.5㎜, 최대두께부 3.0㎜의 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것이었다(○). 얻어진 성형체의 모식도를 도 18에 나타낸다.
도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf를 조사한바, 6A가 34.4%, 6B가 34.8%가 되어 동등한 수치를 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.01, 7B부에서 1.00으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
또, 얻어진 일체화 성형체는, 자동차용 필러(pillar)로서 적절히 이용된다.
실시예 12
참고예 6에서 얻어진 프리프레그를 잘라내고, 도 19에 기재된 부재(10)를 준비했다.
얻어진 프리프레그 및 부재를 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 것을 각각 전면 또는 일부가 중첩하도록 적층하여, 금형 온도 130℃로 온도조절된 금형 내에 배치하고, 20㎫의 압력으로 60초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 1.5㎜, 최대두께부 3.0㎜의 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것이었다(○). 얻어진 성형체의 모식도를 도 20에 나타낸다.
도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf를 조사한바, 6A가 35.0%, 6B가 35.1%가 되어 동등한 수치를 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.00, 7B부에서 1.03으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
실시예 13
참고예 6에서 얻어진 프리프레그를 잘라내고, 도 21에 기재된 부재(10)를 준비했다.
얻어진 프리프레그 및 부재를 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 것을 각각 전면 또는 일부가 중첩하도록 적층하여, 금형 온도 130℃로 온도조절된 금형 내에 배치하고, 20㎫의 압력으로 60초 프레스 성형을 행하여 최소두께부 1.5㎜, 최대두께부 3.0㎜의 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 표면 외관도 양호하며, 성형체의 변형이 보이지 않는 것이었다(○). 얻어진 성형체의 모식도를 도 22에 나타낸다.
도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf를 조사한바, 6A가 34.6%, 6B가 34.7%가 되어 동등한 수치를 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.03, 7B부에서 1.00으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
또한, 얻어진 일체화 성형체를 대시보드에 이용한 도면을 도 23에 나타낸다.
실시예 14
참고예 7에서 얻은 랜덤 매트를 이용한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 최소두께부 1.9㎜, 최대두께부 2.9㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 2에 나타낸다.
얻어진 성형체는, 재료의 균열과 구김살의 발생이 없고, 성형체의 변형이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지가 충전되어 있었지만, 성형체 중에 강화섬유가 다발인 채로 존재하고 있어, 뒤에서 광을 조사하면 투과하는 것이며, 외관 평가는 실시예 1에서 얻어진 것에 비해 뒤떨어져 있고, 결함이 발견되었다(X). 얻어진 성형체의 모식도를 도 2에 나타내는데, 4로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재의 충전 부분이며, 그 외측의 5로 나타낸 부분이, 기재가 금형 캐비티 엣지부까지 유동되어 얻어진 유동부이다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 6A 및 최대두께부인 6B에 대해 각각 Vf(섬유함유율)를 조사한바, 6A가 34.9%, 6B가 35.1%가 되어, 거의 동등한 값을 나타냈다. 도면 중에 나타낸 최소두께부인 7A 및 최대두께부인 7B의 인장탄성률을 측정한바, 각각 서로 직교하는 두 방향으로 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 7A부에서 1.03, 7B부에서 1.01로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다.
산업상 이용 가능성
본 발명 방법으로 얻어지는 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 성형체는 경량이고 형상 자유도(形狀自由度)가 있으며, 성형체 단부(端部)까지 섬유의 등방성을 유지할 수 있고, 성형성, 박육, 비강성(比剛性), 생산성, 경제성이 우수한 재료이기 때문에, 전기ㆍ전자기기 부품, 자동차용 부품, 컴퓨터, OA기기, AV기기, 휴대전화, 전화기, 팩시밀리, 가전기기, 완구용품 등의 전기, 전자부품과 케이싱에 이용할 수 있다. 특히, 환경대응차(environmentally-friendly vehicles)에 탑재되는 자동차 부품에 바람직하게 이용할 수 있다.
1 프리프레그
2 금형 캐비티
3 금형 캐비티 엣지부
4 기재 충전부
5 유동부
6A 최소두께부에 있어서의 Vf 계측점
6B 최대두께부에 있어서의 Vf 계측점
7A 최소두께부에 있어서의 인장탄성률 계측점
7B 최대두께부에 있어서의 인장탄성률 계측점
8 보스형상부
9 리브형상부
10 부재
11 중첩 폭
12 일방향재층(一方向材層)
13 차량용 대시보드
14 금형의 셰어 각도
15 금형의 클리어런스

Claims (11)

  1. 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되며, 열가소성 수지의 존재량이 강화섬유 100 중량부에 대해 10∼1000 중량부이고, 강화섬유가 25∼3000g/㎡ 정도로 실질적으로 2차원 랜덤으로 배향(配向)해 있는, 두께에 경사가 있는 성형체.
  2. 제1항에 있어서,
    최소두께에 대한 최대두께의 비가 1을 초과하고 10 이하인 성형체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    섬유 강화 복합재료를 구성하는 강화섬유에 있어서, 하기 식(1)
    임계(臨界) 단사수(單絲數)=600/D (1)
    (여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
    으로 정의되는 임계 단사수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)에 대해, 강화섬유 전량(全量)에 대한 비율이 20Vol%이상 99Vol%이하인 성형체.
  4. 제3항에 있어서,
    강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(纖維數)(N)가 하기 식(2)을 만족하는 성형체.
    0.7×104/D2 < N <1×105/D2 (2)
    (여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    두께가 다른 각 부위에 있어서의 강화섬유 체적함유율(Vf)이 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비(比)가 1.0∼1.2가 되는 성형체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    강화섬유가 탄소섬유, 유리섬유, 및 아라미드섬유로 이루어지는 군(群)에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 성형체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    임의 방향, 및 이와 직교하는 방향에 대한 인장탄성률이 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비(Eδ)가 1.0∼1.3이 되는 성형체.
  8. 평균 섬유길이가 5㎜이상 100㎜이하인 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료로 구성되는 랜덤 매트(random mat)를 이용하여, 이하의 공정 A-1)∼A-3)을 포함해서 함침∼성형을 행하거나, 공정 B-1)∼B-4)를 포함해서 함침∼성형을 행하는, 제1항에 기재된 두께에 경사가 있는 성형체의 제조방법.
    A-1) 랜덤 매트를, 열가소성 수지가 결정성(結晶性)인 경우는 융점 이상 분해온도 미만, 비결정성인 경우는 유리전이온도 이상 분해온도 미만으로 가열하고, 가압하여 열가소성 수지를 강화섬유 다발 내에 함침시켜 프리프레그(prepreg)를 얻는 공정
    A-2) A-1)에서 얻어진 프리프레그를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리전이온도 미만으로 온도조절된 캐비티(cavity) 두께에 경사가 있는 금형에 배치하는 공정
    A-3) 상기 A-2)에서 금형에 배치한 프리프레그를 가압하여, 성형하는 공정
    B-1) 랜덤 매트를 캐비티 두께에 경사가 있는 금형에 배치하는 공정
    B-2) 금형을 열가소성 수지가 결정성인 경우는 열가소성 수지의 융점 이상 열분해온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 열가소성 수지의 유리전이온도 이상 열분해온도 미만의 온도까지 승온하면서, 가압하는 공정(제1프레스 공정)
    B-3) 1단(段) 이상이며, 최종단의 압력이 제1프레스 공정의 압력의 1.2배∼100배가 되도록 가압하여 열가소성 수지를 강화섬유 다발 내에 함침시키는 공정(제2프레스 공정)
    B-4) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리전이온도 미만으로 금형 온도를 조절함으로써 성형을 완결시키는 공정
  9. 제8항에 있어서,
    강화섬유가 25∼3000g/㎡ 정도이고, 하기 식(1)
    임계 단사수=600/D (1)
    (여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
    으로 정의되는 임계 단사수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)에 대해, 강화섬유 전량에 대한 비율이 20Vol%이상 99Vol%이하인 랜덤 매트를 이용하는 성형체의 제조방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    랜덤 매트 또는 프리프레그, 또는 랜덤 매트 및 프리프레그로 이루어지는 기재의 표면 또는 내층(內層)의 일부에, 랜덤 매트, 프리프레그, 및 일방향재층(一方向材層)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 부재를 중첩해서 금형에 배치하여 프레스 함으로써 일체 성형하는 성형체의 제조방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    하기 식(3)에 있어서의 충전율(charge rate)이 5%이상 100%이하가 되도록 랜덤 매트 또는 프리프레그, 또는 랜덤 매트 및 프리프레그를 배치하여 프레스 함으로써 성형하는 성형체의 제조방법.
    충전율(%)=100×기재 면적(㎟)/금형 캐비티 투영면적(㎟) (3)
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