KR20140066171A

KR20140066171A - 입면을 갖는 성형체, 및 그 제조 방법

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Publication number: KR20140066171A
Application number: KR1020147004909A
Authority: KR
Inventors: 미치하루 타니구치; 모토오미 아라카와; 토루 스기야마; 야스노리 나가쿠라
Original assignee: 데이진 가부시키가이샤
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-05-30
Also published as: EP2752442A1; JPWO2013031860A1; CN103764729A; WO2013031860A1; EP2752442A4; CN103764729B; US10322559B2; US20140178631A1

Abstract

평균 섬유 길이가 5㎜ 이상 100㎜ 이하인 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로 구성되는 성형체로서,
강화 섬유 체적 함유율이 5∼80%이며,
기준면(S)과 기준면에 대해 45도 이상 90도 이하인 면(B)(이하, 입면이라고 칭한다)을 갖고,
기준면(S)의 면적에 대한, 입면(B)의 면적 비는 0.5∼100이며,
그 성형체를 구성하는 섬유 강화 복합 재료 중, 아래 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)의 강화 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 것을 특징으로 하는 성형체.
임계 단사 수=600/D (1)
(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다).

Description

입면을 갖는 성형체, 및 그 제조 방법{MOLDED BODY HAVING RISING SURFACE, AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로 구성되며, 기준면(S)과, 기준면(S)에 대해 기준면(S) 주위에 위치하는 45도 이상 90도 이하의 면(B)(이하, 입면(立面, rising surface)(B)이라 칭한다)을 갖는 성형체, 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 그 중에서도, 등방성을 나타내는 섬유 강화 복합 재료로 구성되어 있는 상기 성형체, 및, 입면(B)이 급경사이거나, 입면이 얇거나 하는 등, 통상은 일체(一體) 성형하는 것이 어려운 입면을 갖는 성형체 및 그들의 제조 방법에 관한 것이다.

탄소 섬유나 아라미드 섬유, 유리 섬유 등을 강화 섬유로서 이용한 섬유 강화 복합 재료는, 그 높은 비강도(比强度)·비(比)탄성율을 이용해서, 항공기나 자동차 등의 구조 재료나, 테니스 라켓, 골프 샤프트, 낚싯대 등의 일반 산업이나 스포츠 용도 등에 널리 이용되어 왔다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 열 가소성 수지를 포함하는 유리 섬유 초조체(抄造體)로 이루어지는 복합 적층체를 가열 및 가압해서 시트 모양으로 성형하여 이루어지는 스탬핑 성형 재료 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 이에 의하면, 일체화 성형으로 입체 형상 제품을 짧은 택트로 제조할 수 있지만, 유동시키는 것에 의해 섬유 배향(配向)의 컨트롤이 곤란하여, 열적·기계적으로 등방성을 갖고, 배향에 의한 수축 차에 기인하는 휨이 적은 성형품을 얻기는 곤란하였다.

또한, 특허문헌 2에는, 한 방향으로 배열한 강화 섬유와 열 가소성 수지로 이루어지는 프리프레그 기재로 이루어지며, 적층 두께가 다른 개소(箇所)를 갖는 적층 기재가 개시되어 있다.

그러나 이러한 적층 기재가 열적·기계적으로 등방성을 갖기 위해서는, 강화 섬유가 등방적으로 배치되도록 복수의 프리프레그 기재를 적층하도록 해야 하고, 기재의 준비, 성형 가공, 제품 설계에 있어서 제약이 많은 것이었다.

사출 성형 분야에 있어서는, 사출 성형시에 스크류에 의한 강화 섬유의 절단이나 파손이 일어나는 등 하여, 약간 긴 섬유 길이의 강화 섬유를 포함하는 섬유 강화 복합 재료의 성형체를 얻기가 곤란하기 때문에, 섬유 길이가 1㎜ 이하의 강화 섬유를 이용한 섬유 강화 복합 재료의 성형체의 개발이 진행되고 있다. 그러나 그러한 성형체는, 강화 섬유 길이가 짧기 때문에 역학 물성 등이 불충분하였다. 또한, 그들 성형체에는, 성형시의 용융 수지의 유동 방향으로 강화 섬유가 배향하여, 물성이 이방적으로 되는 경향이 있다는 문제도 있었다.

이와 같이, 섬유 길이가 약간 긴 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하여, 등방성을 나타내고, 높은 물성의 섬유 강화 복합 재료로 구성되는 성형체에 대해서는, 충분히 개발이 진행되고 있지 않았다. 특히, 기준면에 대해 90도에 가까운 입면을 갖는 성형체, 기준면과 입면의 코너 R(곡률)이 극단적으로 작은 성형체, 입면의 두께가 얇은 성형체, 입면이 극단적으로 깊은 성형체 등으로서, 등방성의 섬유 강화 복합 재료로 구성되고, 실용에 견딜 수 있는 물성을 갖는 것을 얻는 일은 달성되어 있지 않았다.

특허문헌 1: 일본국 특개평 10-193350호 공보 특허문헌 2: 일본국 특개 2009-286817호 공보

본 발명은, 평균 섬유 길이가 5㎜ 이상 100㎜ 이하의 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로 구성되며, 입면(B)을 갖는 성형체, 특히, 기준면(S)에 대해 90도에 가까운 입면(B)을 갖고 있거나, 기준면(S)과 입면(B)의 코너 R이 극단적으로 작거나, 입면(B)의 두께가 얇거나, 입면(B)이 극단적으로 깊은 등, 통상은 일체 성형하는 것이 어려운 입면(B)을 갖는 성형체, 및 그들의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 나아가 섬유의 등방성의 유지가 가능하며, 또 각 부위에서 일정한 섬유 함유율을 유지하는 성형체를 제공하는 데에 있다.

본 발명자들은, 특정 개섬(開纖) 조건을 만족시키는 섬유 다발을 포함하는 랜덤 형상의 강화 섬유(강화 섬유 매트)와 열 가소성 수지로 이루어지는 랜덤 매트를 이용하여, 금형 형상에 대해 낮은 충전율의 성형 전구체(前驅體)를 이용해 프레스 성형함으로써, 평균 섬유 길이가 5㎜ 이상 100㎜ 이하의 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로 구성되고, 입면을 갖는, 물성이 뛰어난 성형체를 제공할 수 있는 것을 찾아냈다.

즉 본 발명은, 평균 섬유 길이가 5㎜ 이상 100㎜ 이하의 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로 구성되는 성형체로서,

강화 섬유 체적 함유율이 5∼80%이며,

기준면(S)과 기준면에 대해 45도 이상 90도 이하의 면(B)(이하, 입면이라 칭한다)을 갖고,

기준면(S)의 면적에 대한, 입면(B)의 면적의 비는 0.5∼100이며,

그 성형체를 구성하는 섬유 강화 복합 재료 중, 아래 식 (1)

임계 단사(單絲) 수=600/D (1)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다.)

에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)의 강화 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 것을 특징으로 하는 성형체에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 평균 섬유 길이 5㎜ 이상 100㎜ 이하의 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하고, 강화 섬유의 단위면적당 중량이 25∼10000g/㎡이며, 아래 식 (1)

임계 단사 수=600/D (1)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다.)

에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)에 대해, 강화 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 랜덤 매트를 이용하여, 이하의 공정 A-1)∼A-3)

A-1) 랜덤 매트를, 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도로 가열하고, 가압하여 열 가소성 수지를 강화 섬유 다발 내에 함침시켜 프리프레그를 얻는 공정.

A-2) A-1)에서 얻어진 프리프레그를, 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도로 하여, 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 온도 조절되고, 기준면(S)과 입면(B)을 갖는 금형에 배치하는 공정.

A-3) 상기 A-2)에서 금형에 배치한 프리프레그를 가압하여, 성형하는 공정.

에 의해 함침∼성형을 행하거나,

또는 이하의 공정 B-1)∼B-4)

B-1) 랜덤 매트를 기준면(S)과 입면(B)을 갖는 금형에 배치하는 공정.

B-2) 금형을 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 열 가소성 수지의 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 열 가소성 수지의 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지 승온하면서, 가압하는 공정(제1프레스 공정).

B-3) 1단(段) 이상이며, 최종 단의 압력이 제1프레스 공정의 압력의 1.2배∼100배가 되도록 가압하는 공정(제2프레스 공정).

B-4) 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 금형 온도를 조절하는 것에 의해 성형하는 공정.

에 의해 함침∼성형을 행하는 것을 특징으로 하는 상기 성형체의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의해, 평균 섬유 길이가 5㎜ 이상 100㎜ 이하의 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로 구성되며, 적어도 일부에 입면을 갖는 부분을 갖는 성형체, 특히, 입면이 급경사이거나, 입면이 얇거나 하는 등, 성형하는 것이 어려운 입면을 갖는 성형체도 일체 성형에 의해 제공할 수 있다. 본 발명에 의해, 강화 섬유의 등방성의 유지가 가능하며, 박육(薄肉), 경량, 고강성으로 의장성이 뛰어나며, 복잡한 3차원 형상을 갖는 성형체를 제공할 수 있다.

본 발명에 의해 전기·전자 기기용 케이스, 자동차용 부품, 일반 산업용 부품을 바람직하게 제공할 수 있다.

도 1은 입면 및 입면 각도의 예를 나타내기 위한, 금형(코어형)의 단면도이다.
도 2는 금형의 쉐어 에지(shear edge) 구조의 예를 나타내기 위한, 금형(코어형과 캐비티형을 합친 상태)의 단면도이다.
도 3은 실시예 1의 금형(코어형) 및 기재 배치의 모식도이다. 도면 중, 실선은 금형을, 파선은 기재의 배치를 나타낸다.
도 4는 실시예 1에서 얻어진 성형체의 모식도이다.
도 5는 실시예 2에서 얻어진 성형체의 모식도이다.
도 6은 실시예 3에서 사용한 금형(코어형)의 모식도이다.
도 7은 실시예 3의 보조 유로(流路)(C)의 단면도이다.
도 8은 실시예 3에서 얻어진 성형체의 모식도이다.
도 9는 실시예 4에서 사용한 금형(코어형)의 모식도이다.
도 10은 실시예 4의 보조 유로(C)의 단면도이다.
도 11은 실시예 4에서 얻어진 성형체의 모식도이다.
도 12는 실시예 5의 보조 유로(C)의 단면도이다.
도 13은 실시예 5에서 얻어진 성형체의 모식도이다.
도 14는 실시예 6의 보조 유로(C)의 단면도이다.
도 15는 실시예 6에서 사용한 금형(코어형)의 모식도이다.
도 16은 실시예 6에서 얻어진 성형체의 모식도이다.
도 17은 실시예 7에서 사용한 금형(코어형)의 모식도이다.
도 18은 실시예 7의 모따기부(面取部)(D)의 단면도이다.
도 19는 실시예 8의 모따기부(D)의 단면도이다.
도 20은 실시예 9의 모따기부(D)의 단면도이다.
도 21은 실시예 10의 모따기부(D)의 단면도이다.
도 22는 실시예 15의 금형(코어형)의 사시도를 나타낸 것이다.
도 23은 실시예 15의 금형(코어형)의 배면도를 나타낸 것이다.
도 24는 실시예 15의 금형(코어형)의 측면도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 순차적으로 설명하지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다.

평균 섬유 길이가 5㎜ 이상 100㎜ 이하의 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로 구성되는 성형체로서,

강화 섬유 체적 함유율이 5∼80%이며,

그 성형체를 구성하는 섬유 강화 복합 재료 중, 아래 식 (1)

임계 단사 수=600/D (1)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다.)

에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)의 강화 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 것을 특징으로 하는 성형체이다. 상기 섬유 강화 복합 재료에 포함되는 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율이, 상기 범위를 벗어나면, 랜덤 매트에 관하여 나중에 기술하는 바와 같은 문제가 생긴다.

본 발명의 성형체에 있어서, 상기 강화 섬유 다발(A)의 비율은 더 바람직하게는 30Vol% 이상 90Vol% 미만이며, 더욱 바람직하게는 30Vol% 이상 80Vol% 미만이다.

본 발명의 성형체는, 이를 구성하는 섬유 강화 복합 재료에 대해, 아래 식

강화 섬유 체적 함유율(Vf)=100×강화 섬유의 체적/(강화 섬유의 체적+열 가소성 수지의 체적)

에서 정의되는 강화 섬유 체적 함유율(Vf)이 5∼80%이다. 이 강화 섬유 체적 함유율이 5%보다 낮아지면, 보강 효과가 충분히 발현하지 않는 경우가 있다. 또한, 80%를 초과하면 얻어지는 성형체 중에 보이드(void)가 발생하기 쉬워져, 성형체의 물성이 저하할 가능성이 있다. 상기 강화 섬유 체적 함유율로서는 20∼60%이면 더 바람직하다.

또한, 본 발명의 성형체로서는, 이를 구성하고 있는 섬유 강화 복합 재료에 포함되는 상기 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가, 아래 식 (2)

0.7×10⁴/D²<N<1×10⁵/D² (2)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다.)

를 충족시키는 것이면 바람직하다.

상기 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 0.7×10⁴/D² 이하인 경우, 높은 강화 섬유 체적 함유율(Vf)의 성형체인 것이 곤란해질 우려가 있다. 또 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 1×10⁵/D² 이상인 경우, 국부적으로 두꺼운 부분이 생겨, 보이드의 원인이 될 가능성이 있다. 상기 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)로서는, 아래 식 (2')을 충족시키는 것이면 더 바람직하다.

0.7×10⁴/D²<N<6×10⁴/D² (2')

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다.)

이하, 본 발명의 성형체의 구성 요건, 특징, 또는 바람직한 형태 등에 대해, 더 설명한다.

[기준면]

본 발명에 있어서 기준면(S)이란, 성형체 또는 성형체를 얻기 위한 금형에서, 실질적으로 면(面) 형상이고 입면의 기초가 되는 부위의 것이다. 기준면의 판 두께는 특히 제한은 없지만, 0.2∼5㎜가 바람직하게 사용되며, 1∼3㎜가 더욱 바람직하게 사용된다. 기준면의 판 두께는 균일할 필요는 없고, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 이 경우, 판 두께의 증감 폭에 특히 제한은 없지만, 기초가 되는 기준면 판 두께의 30∼300%가 바람직하게 이용되며, 50∼200%가 더 바람직하게 이용된다. 판 두께는 단계적으로 변화시키는 것도 가능하고, 테이퍼나 곡률을 갖고서 연속적으로 변화시키는 것도 가능하지만, 응력 집중을 회피한다는 관점에서 연속적으로 변화시키는 것이 바람직하다.

[입면]

본 발명에 있어서 입면(B)이란, 전술한 기준면(S)에 대해 기준면 주위에 위치하는 45도 이상 90도 이하의 면(B)인 것을 말한다. 기준면(1)과 입면(2)이 이루는 각도(입면 각도)(3)는 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같다.

기준면(1)에 대한 입면의 각도(3)는 90도에 가까워질수록, 기재의 유동성이 저해되기 쉬워, 예를 들면, 두께 1㎜ 이하의 입면(2)을 갖는 얇은 성형체라면, 기준면(S)(1)에 대한 각도(3)가 더 작은 쪽이, 성형이 용이하게 이루어지지만, 본 발명은 강화 섬유가 특정 형태로 복합되어 있으므로, 45도 이상 90도 이하와 같은 급경사의 면을 갖는 성형체여도 제공할 수 있다.

본 발명의 성형체에 있어서, 입면(B)의 깊이의 지표(指標)인, 기준면(S)의 면적에 대한 입면(B)의 면적의 비는 0.5∼100이며, 바람직하게는 1∼50이고, 더 바람직하게는 1∼20이다. 그 중에서도, 입면(B)이 기준면(S)에 대해 80도 이상 90도 이하이고(이하, 기준면(S)에 대한 각도가 80도 이상 90도 이하인 입면(B)을 특히, 입면(B')으로 표기하는 경우가 있다), 기준면(S)의 면적에 대한, 입면(B')의 면적의 비가 1∼20일 때에, 본 발명의 기술적 의의는 더 발휘된다. 기준면(S)의 면적에 대한 입면(B)의 면적비가 0.5보다 작으면, 본 발명에 따르지 않아도 성형 방법을 공부하면 입면을 형성할 수 있다. 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비가 100보다 크면, 성형시에 연화(軟化) 용융한 성형 전구체의 유동 거리가 너무 길어지기 때문에, 성형 도중에 금형에 열을 빼앗겨 고화(固化)하기 쉬워져서, 소망하는 성형체가 얻어지지 않을 우려가 있다.

입면(B)의 두께에 특히 제한은 없지만, 바람직하게는 0.5㎜∼50㎜이며, 1㎜∼30㎜가 더 바람직하다. 더욱 바람직한 입면(B)의 두께는 1㎜∼10㎜이다. 입면(B)의 두께가 0.5㎜보다 작아지면, 성형시에 연화 용융한 성형 전구체가 금형에 열을 빼앗겨 고화하기 쉬워져서, 소망하는 성형체가 얻어지지 않는 경우가 있다. 입면(B)의 두께가 50㎜를 초과하면, 성형 후의 냉각에 시간을 필요로 하여, 생산성에 악영향을 미치는 경우가 있다.

[보조 유로(C)]

본 발명의 성형체는, 보조 유로(C)를 갖는 것이어도 좋고, 상기 입면(B)을 갖는 것에 더해, 보조 유로(C)를 갖는 것이어도 좋다.

본 발명에서, 엄밀하게는, 보조 유로(C)란, 프리프레그 또는 랜덤 매트를 유동시켜 성형을 행할 때에, 예를 들면 금형에 형성된 홈과 같은 것을 가리키며, 보조 유로(C)의 형상은 성형체의 형상에 반영된다. 보조 유로(C)의 모식도를 도 7 등에 나타낸다. 즉, 본 발명의 보조 유로(C)를 갖는 성형체란 표현은 편의상의 약칭으로, 더 정확하게 말하면, 성형시에 이용한 금형의 보조 유로(C)에 기인하는 기둥 모양의 육후부(肉厚部)를 갖는 성형체이다.

본 발명의 성형체에 있어서의 보조 유로(C)는 아래 i)-ⅲ) 중 어느 하나의 조건을 만족시키는 것이 바람직하고, i)의 조건을 만족시키는 것이 더 바람직하며, i) 내지 ⅲ)의 조건을 모두 만족시키는 것이 더욱 바람직하다.

i) 보조 유로(C)를 갖는 부위의 성형체의 두께(a)에 대해 보조 유로(C)의 두께(b)가 1.1 이상 30 이하이다.

ⅱ) 성형체의 두께(a)에 대해 보조 유로(C)의 폭(c)이 0.1 이상 10 이하이다.

ⅲ) 보조 유로(C)의 단면적(d)이 아래 식 (3)을 만족시킨다.

보조 유로(C)의 단면적(d)≥성형체 두께(a)×성형체 두께(a)×1.05 (3)

성형체는 보조 유로(C)를 갖는 것에 의해, 기재의 유동성을 도와, 복잡한 형상이어도 성형 가능하게 되는 것에 더해, 보강 효과가 얻어지고, 또한 휨을 경감할 수 있다.

[모따기부(D)]

본 발명의 성형체는, 상기 입면(B)을 갖는 것에 더해, 도 17 등에 예시하는 바와 같이, 기준면(S)과 입면(B)의 경계부에는 모따기부(D)를 갖는 것이어도 좋고, 모따기부(D)와 상기 보조 유로(C)를 갖는 것이어도 좋다.

본 발명의 성형체에 있어서, 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 자유롭게 설정할 수 있는데, 복잡한 입체 형상에서는 큰 경사가 되는 각도가 요구되는 경우가 많다. 그러나 기준면(S)과 입면(B)이 구성하는 경사(gradient)가 크면, 큰 기재를 이용하여 둘러싸듯이 성형을 행하면, 기준면(S)과 입면(B)의 경계부에 주름이 발생하기 쉬워, 두께가 불균일한 성형체가 될 우려가 있고, 작은 기재를 유동시켜 성형을 행하면, 기준면(S)과 입면(B)의 경계부에서 유동의 저해가 생기기 쉬워, 소망하는 성형체를 얻지 못할 우려가 있다.

상기 문제에 대해, 기준면(S)과 입면(B)의 경계에 모따기부(D)를 형성하는 것에 의해, 간이(簡易)하고 작은 기재를 이용한 유동 성형을 행하기 쉬워지며, 균일한 두께의 성형체를 얻는 것이 더 용이하게 가능해진다.

상기 모따기부(D)는, 곡면이어도 평면이어도 좋고, 곡면인 경우는 오목 형상이어도 볼록 형상이어도 좋다.

본 발명의 성형체에 있어서, 입면(B)의 성형체 두께(L1)에 대한 모따기부(D)의 최대 두께(L2)의 비는 0.9 이상인 것이 바람직하다. 나아가서 이 비(L2/L1)는, 1 이상이 바람직하고, 더 바람직하게는 1.1 이상이다. 이 비에 상한은 특별히 없지만, 얇은 두께라는 관점에서는 5 이하가 바람직하다.

본 발명의 성형체에 있어서, 모따기부(D)는, 성형체의 내측 또는 외측 중 어느 하나에만 있어도 좋고, 내측과 외측 양쪽에 있어도 좋다.

모따기부(D)가 곡면인 경우의 R(곡률)에 특별히 제한은 없지만, 내측·외측 모두 R1㎜∼R300㎜이 바람직하며, R3∼R50㎜가 더욱 바람직하다. R이 1㎜보다 작으면 모따기부로서의 기능을 하지 못하게 되는 경우가 있다. R이 너무 크면 경계부로서 너무 넓어지게 된다. 모따기부(D)의 성형체 두께는 균일할 필요는 없어, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 모따기부(D)의 성형체 두께의 증감 폭에 특별히 제한은 없으며, 최대 두께의 10∼90%가 바람직하게 사용되고, 20∼80%가 더욱 바람직하게 사용된다.

모따기부는 제품 형상이 복잡한 경우는 얇은 편이 좋지만, 제품이 특히 강성을 요구하는 경우는 두꺼운 편이 좋다.

[부속부]

본 발명에 있어서의 성형체는, 입면(B), 기준면(S), 보조 유로(C), 모따기부(D) 외에, 성형체의 각종 용도에 맞춰 보스나 리브 등의 부속 형상을 갖고 있어도 좋다. 보스나 리브 등의 부위는 편면(片面)이어도 양면이어도 자유롭게 배치할 수 있다.

본 발명의 성형체는, 또한 입면(B)의 단부에 플랜지부를 갖고 있어도 좋다. 본 발명에 있어서 플랜지부란, 입면의 단부에 결합하며, 입면(B)에 대해 경사를 가지고, 또 기준면과는 접하지 않는 면인 경우를 말한다. 플랜지부는 기준면과 평행해도 평행하지 않아도 좋다. 플랜지부를 가짐으로써 성형체에 보강 효과를 발휘하며, 또한 성형체의 휨을 억제할 수 있다.

[등방성]

본 발명에 있어서의 성형체는, 실질적으로 등방성을 나타내는 것이 바람직하다. 여기서 실질적 등방성이란, 섬유 강화 복합 재료로 구성되는 성형체의 임의의 방향, 및 이와 직교하는 방향을 기준으로 하는 인장 시험을 행하여, 인장 탄성율을 측정하고, 측정한 인장 탄성율의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)가 1.3 이하인 경우로 한다.

본 발명에 있어서의 성형체는, (Eδ)이 1.0∼1.3인 것이 바람직하다.

[성형체를 구성하는 섬유 강화 복합 재료에 포함되는 강화 섬유 및 열 가소성 수지]

본 발명의 성형체는, 평균 섬유 길이 5㎜ 이상 100㎜ 이하의 불연속 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로 구성되며, 이 섬유 강화 복합 재료에 있어서의 열 가소성 수지의 존재량은, 바람직하게는 강화 섬유 100중량부에 대해, 50∼1000중량부, 더 바람직하게는 50∼500중량부이다.

본 발명의 성형체는, 입면(B)을 갖는 각 부위에 있어서, 강화 섬유 체적 함유율(Vf)이 거의 같은 것을 얻는 것도, 탄소 섬유 함유량을 경사시키는 것도 가능하여, 얻고자 하는 성형체의 용도에 맞춰 적절히 선택할 수 있다. 그러나 섬유 강화 목적을 고려하면, Vf는 다른 부위와 거의 동일하게 하는 것이 바람직하다. 각 부위에 있어서의 Vf가 거의 동일이란, 구체적으로는 큰 편의 값을 더 작은 편의 값으로 나눈 비가 1.0∼1.2가 되는 경우를 말한다.

섬유 강화 복합 재료를 구성하는 강화 섬유는 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 및 유리 섬유로 이루어지는 군(群)으로부터 선택되는 적어도 일종인 것이 바람직하다. 이들은 병용(倂用)할 수도 있으며, 그 중에서도 탄소 섬유가, 경량이면서 강도가 뛰어난 섬유 강화 복합 재료 성형체를 제공할 수 있다는 점에서 바람직하고, 특히 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 전구체로 하는 탄소 섬유(이하, 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유 또는 PAN계 탄소 섬유라고 약칭하는 경우가 있다)가 바람직하다. 탄소 섬유인 경우, 평균 섬유 지름은 바람직하게는 3∼12㎛이며, 더 바람직하게는 5∼9㎛이고, 한층 더 바람직하게는 5∼7㎛이다.

본 발명의 성형체를 구성하는 섬유 강화 복합 재료에 포함되는 강화 섬유는 불연속이며, 평균 섬유 길이 5㎜ 이상 100㎜ 이하이고, 바람직하게는 강화 섬유의 섬유 길이가 5㎜ 이상 80㎜ 이하이며, 더 바람직하게는 강화 섬유의 섬유 길이가 10㎜ 이상 50㎜ 이하이고, 더욱 바람직하게는 10㎜ 이상 30㎜ 이하이다. 또 후술하는 바람직한 강화 섬유의 커팅 방법을 채용함으로써, 강화 섬유의 길이(평균 섬유 길이)는 고정 길이로 할 수 있다.

섬유 강화 복합 재료로 이루어지는 성형체는, 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 랜덤 매트를 출발 물질로 하여, 프리프레그 형태를 거쳐도 좋다. 섬유 강화 복합 재료로 구성되는 성형체에 있어서도 강화 섬유의 섬유 길이, 및 섬유 다발과 단사의 비율은 랜덤 매트 중에 있어서의 상태를 유지하고 있다.

섬유 강화 복합 재료를 구성하는 열 가소성 수지의 종류로서는 예를 들면 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 초산비닐 수지, 폴리비닐알코올 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴·스티렌 수지(AS 수지), 아크릴로니트릴·부타디엔·스티렌 수지(ABS 수지), 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 6 수지, 폴리아미드 11 수지, 폴리아미드 12 수지, 폴리아미드 46 수지, 폴리아미드 66 수지, 폴리아미드 610 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프타레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌설파이드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리젖산 수지 등을 들 수 있다.

이하, 상기 성형체의 제조 방법에 관한 발명에 대해 설명한다.

[성형체의 제조 방법]

본 발명의 성형체는, 평균 섬유 길이 5㎜ 이상 100㎜ 이하의 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하며, 강화 섬유의 단위면적당 중량이 25∼10000g/㎡이고, 아래 식 (1)

임계 단사 수=600/D (1)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)

에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)에 대해, 강화 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 랜덤 매트를 직접 성형하는, 또는 중간 기재인 프리프레그로부터 성형하는 것에 의해, 바람직하게 얻어진다.

본 발명의 성형체는, 상기 랜덤 매트를 이용하여, 이하의 공정 A-1)∼A-3)

A-2) A-1)에서 얻어진 프리프레그를, 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도로 하여, 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 온도 조절되며, 기준면(S)과 입면(B)을 갖는 금형에 배치하는 공정.

에 의해 함침∼성형을 행함으로써 바람직하게 얻어진다.

또는, 본 발명의 성형체는, 상기 랜덤 매트를 이용하여, 이하의 공정 B-1)∼B-4)

B-3) 1단(段) 이상이며, 최종단의 압력이 제1프레스 공정의 압력의 1.2배∼100배가 되도록 가압하는 공정(제2프레스 공정).

에 의해 함침∼성형을 행함으로써 바람직하게 얻어진다.

공정 A-1)∼A-3)을 포함하여 함침∼성형을 행하는 방법은, 이른바 콜드 프레스 법이다. 공정 B-1)∼B-4)을 포함하여 함침∼성형을 행하는 방법은, 이른바 핫 프레스 법이다. 본 발명의 성형체에는 쌍방의 프레스 성형이 적용 가능한데, 성형 시간을 더 단축할 수 있는 관점에서는, 콜드 프레스 법이 더 바람직하게 이용된다.

이상의 공정은 랜덤 매트의 제조 공정에 이어서 연속적으로 행할 수도 있고, 일단 랜덤 매트를 얻은 후, 개별적으로 행해도 좋다.

[랜덤 매트]

본 발명의 성형체의 제조에 이용되는 랜덤 매트는, 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 것이다. 이용되는 강화 섬유 및 열 가소성 수지의 종류는 상기 성형체 항목에 기재한 것과 마찬가지이다. 랜덤 매트의 면내(面內)에서, 강화 섬유는 특정 방향으로 배향(配向)해 있지 않고, 무작위 방향으로 분산하여 배치되어 있다.

랜덤 매트는 면내 등방성 재료이다. 랜덤 매트로부터 성형체를 얻는 경우에, 랜덤 매트 중의 강화 섬유의 등방성은, 성형체에서도 유지된다. 랜덤 매트로부터 성형체를 얻고, 서로 직교하는 2방향의 인장 탄성율의 비를 구함으로써, 랜덤 매트 및 성형체의 등방성을 정량적으로 평가할 수 있다. 본 발명에서는, 랜덤 매트로부터 얻어진 성형체에 있어서의 2방향의 탄성율 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)가 1.3 이하일 때에, 실질적으로 등방성이라고 한다. 해당 비(Eδ)가 1.1을 초과하지 않을 때는 등방성이 뛰어나다고 한다.

랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유는 불연속이며, 평균 섬유 길이 5㎜ 이상 100㎜ 이하이다. 랜덤 매트는 어느 정도 긴 강화 섬유를 포함하여 강화 기능을 발현할 수 있는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 강화 섬유의 섬유 길이가 5㎜ 이상 80㎜ 이하이고, 더 바람직하게는 강화 섬유의 섬유 길이가 10㎜ 이상 50㎜ 이하이며, 한층 더 바람직하게는 10㎜ 이상 30㎜ 이하이다. 또 후술하는 바람직한 강화 섬유의 커팅 방법을 채용함으로써, 랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유의 길이는 고정 길이로 할 수 있다.

랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유는, 사이징제가 부착된 것을 이용하는 것이 바람직하며, 사이징제는 강화 섬유 100중량부에 대해, 0 초과∼10중량부인 것이 바람직하다.

랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 단위면적당 중량은, 25∼10000g/㎡로, 바람직하게는 25∼6000g/㎡, 더 바람직하게는 25∼3000g/㎡이다. 단위면적당 중량이 25g/㎡ 미만인 경우에는, 랜덤 매트 중에서 강화 섬유의 분포가 불균일해지기 쉽고, 충분한 보강 효과가 발현하지 않을 우려가 있다. 한편으로, 10000g/㎡을 초과하는 경우에는, 강화 섬유가 너무 많기 때문에 프리프레그 제작시에 수지가 함침되기 어렵고, 성형체 중에서 결점이 되는 보이드가 생기기 쉬운 경향이 된다. 또한, 열 가소성 수지와 비교하여 강화 섬유는 비중이 크기 때문에, 성형체가 무거워진다.

[랜덤 매트의 개섬 정도]

본 발명의 성형체의 제조에 사용되는 랜덤 매트는, 아래 식 (1)에서 정의하는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)에 대해, 더 정확하게 말하면, 아래 식 (1)에서 정의하는 임계 단사 수 이상이 되는 수의 단사로 구성되는 강화 섬유 다발(A)에 대해 매트의 강화 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 것이 바람직하다.

임계 단사 수=600/D (1)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)

매트 중에는, 강화 섬유 다발(A) 이외의 강화 섬유로서, 단사 상태 또는 임계 단사 수 미만으로 구성되는 섬유 다발이 존재한다.

즉 본 발명에 있어서의 랜덤 매트에는, 평균 섬유 지름에 의존하여 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)의 존재량을 20Vol% 이상 99Vol% 이하로 하는, 즉 강화 섬유의 개섬 정도를 컨트롤하여, 특정 개수 이상의 강화 섬유로 이루어지는 강화 섬유 다발과, 그 이외의 개섬된 강화 섬유를 특정 비율로 포함하는 것이 바람직하다.

강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율이 20Vol% 미만이 되면, 랜덤 매트를 성형할 때에, 형(型) 내에서 유동시키기 어려워져, 금형 캐비티 단부까지 충전시킬 수 없어, 설계 치수대로 성형체가 얻기 어려워진다. 강화 섬유 다발(A)의 비율이 99Vol% 초과가 되면, 섬유의 교락부(交絡部)가 국부적으로 두꺼워져, 얇은 두께의 것이 얻어지지 않는다. 강화 섬유 다발(A)의 비율은 더 바람직하게는 30Vol% 이상 90Vol% 미만, 더욱 바람직하게는 30Vol% 이상 80Vol% 미만이다.

또 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 아래 식 (2)

0.7×10⁴/D²<N<1×10⁵/D² (2)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다.)

를 만족시키는 것이 바람직하다.

구체적으로는 랜덤 매트를 구성하는 탄소 섬유의 평균 섬유 지름이 5∼7㎛인 경우, 임계 단사 수는 86∼120개가 되며, 탄소 섬유의 평균 섬유 지름이 5㎛인 경우, 섬유 다발 중의 평균 섬유 수는 280 초과∼4000개 미만의 범위가 되는데, 그 중에서도 600∼2500개인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 600∼1600개이다. 탄소 섬유의 평균 섬유 지름이 7㎛인 경우, 섬유 다발 중의 평균 섬유 수는 142 초과∼2040개 미만의 범위가 되는데, 그 중에서도 300∼1500개인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 300∼800개이다.

강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 0.7×10⁴/D² 이하인 경우, 높은 강화 섬유 체적 함유율(Vf)을 얻는 것이 곤란해진다. 또 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 1×10⁵/D² 이상인 경우, 국부적으로 두꺼운 부분이 생겨, 보이드의 원인이 되기 쉽다. 1㎜ 이하의 얇은 성형체를 얻고 싶은 경우, 단순히 분섬한 정도의 섬유를 이용한 것으로는, 소밀(疏密)이 커, 양호한 물성이 얻어지지 않는다. 또한, 모든 섬유를 개섬한 경우에는, 더 얇은 것을 얻는 것은 용이하게 이루어지지만, 섬유의 교락이 많아져, 강화 섬유 체적 함유율이 높은 것이 얻어지지 않는다. 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상의 강화 섬유 다발(A)과, 단사 상태 또는 임계 단사 수 미만의 강화 섬유(B)가 동시에 존재하는 랜덤 매트에 의해, 얇고 또 물성이 높은 성형체를 얻는 것이 가능하다. 본 발명에 있어서의 랜덤 매트는, 각종 두께로 하는 것이 가능하며, 이를 프리프레그로 하여, 두께가 0.2∼1㎜ 정도인 얇은 두께의 성형품도 적절하게 얻을 수 있다. 이렇게 함으로써, 목적으로 하는 성형체의 두께에 맞춘 랜덤 매트를 제작할 수 있으며, 특히 샌드위치재(材)의 표피 등, 얇은 성형품의 프리프레그로서 유용하다. 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수는 후술하는 바람직한 제조 방법의 커팅 공정 및 개섬 공정에서 제어할 수 있다.

랜덤 매트는, 일부 또는 전면(全面)에서, 2층 이상으로 적층하여 금형에 배치할 수 있다. 이때, 성형체의 두껍게 하고 싶은 개소(箇所)에 상당하는, 금형 내의 장소에, 랜덤 매트를 적층해도 좋지만, 후술하는 바람직한 성형 방법을 채용함으로써, 두껍게 하고 싶은 장소에 얽매이지 않고 적층 부분을 배치할 수도 있다. 적층 수에 상한은 없어, 얻고자 하는 성형체와, 출발 물질인 랜덤 매트의 두께에 맞춰 적절하게 선택할 수 있지만, 실질은 100층 이하이다. 적층하는 랜덤 매트는, 각각 동일해도, 예를 들면 두께, 강화 섬유의 종류, 강화 섬유의 길이, 강화 섬유의 함유량이 다른 것을 사용해도 좋다.

[랜덤 매트에 있어서의 열 가소성 수지]

랜덤 매트에 있어서는, 열 가소성 수지가, 섬유 모양 및/또는 입자 모양으로 존재하는 것이 바람직하다. 강화 섬유와 섬유 모양 및/또는 입자 모양의 열 가소성 수지가 혼합되어 존재하고 있는 것에 의해, 성형시에 열 가소성 수지를 용이하게 함침할 수 있다. 열 가소성 수지의 종류를 2종 이상으로 할 수도 있고, 또한 섬유 모양과 입자 모양의 것을 병용해도 좋다.

섬유 모양인 경우, 섬도(纖度)는 100∼5000dtex이 바람직하고, 더 바람직한 섬도는 1000∼2000dtex이다. 평균 섬유 길이로서는 0.5∼50㎜이 바람직하고, 더 바람직하게는 평균 섬유 길이 1∼10㎜이다.

입자 모양인 경우, 구상(球狀), 세편상(細片狀), 혹은 펠릿과 같은 원기둥 형상을 바람직하게 들 수 있다. 구상인 경우는, 정원 또는 타원의 회전체, 혹은 달걀 모양과 같은 형상을 바람직하게 들 수 있다. 구로 한 경우의 바람직한 평균 입자 지름은 0.01∼1000㎛이다. 더 바람직하게는 평균 입자 지름 0.1∼900㎛이며, 더욱 바람직하게는 평균 입자 지름 1∼800㎛이다. 입자 지름 분포에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 분포가 샤프한 것이 더 얇은 성형체를 얻는 목적으로서는 더 바람직한데, 분급(分級) 등의 조작에 의해 소망하는 입도 분포로서 사용할 수 있다.

세편상인 경우, 펠릿과 같은 원기둥 모양이나, 각기둥 모양, 비늘(鱗片) 모양이 바람직한 형상으로 들 수 있다. 이 경우 어느 정도 어스펙트비(aspect ratio)를 가져도 좋은데, 바람직한 길이는 상기 섬유 모양인 경우와 같은 정도로 한다.

또한, 양산화를 고려하면, 강화 섬유로 이루어지는 매트에 용융 상태의 열 가소성 수지를 첨가하여, 강화 섬유와 열 가소성 수지를 일체화하는 방법도 바람직하다. 이 방법을 사용하면, 강화 섬유 중에 수지를 함침시키는 프리프레그 공정으로 신속하게 이행하기 쉽다.

랜덤 매트 중에는, 목적을 손상시키지 않는 범위에서, 본 발명의 강화 섬유 이외의 각종 섬유 모양 또는 비섬유 모양 필러, 난연제, 내(耐)UV제, 안료, 이형제, 연화제, 가소제, 계면활성제와 같은 첨가제를 포함하고 있어도 좋다. 특히 전자·전기 기기 용도나 자동차 용도에 있어서는, 높은 난연성이 요구되는 경우가 있기 때문에, 열 가소성 수지에 난연제를 함유시키는 것이 바람직하다. 난연제의 예로서는, 공지의 것을 사용할 수 있으며, 본 발명의 열 가소성 조성물에 난연성을 부여할 수 있는 것이면 특별히 한정은 되지 않는다. 구체적으로는, 인계 난연제, 질소계 난연제, 실리콘화합물, 유기알칼리 금속염, 유기알칼리 토류 금속염, 브롬계 난연제 등을 들 수 있으며, 이들 난연제는 단독으로 사용해도 좋고, 복수를 병용하여 사용해도 좋다. 난연제의 함유량은, 물성, 성형성, 난연성의 밸런스로부터 수지 100질량부에 대해 1∼40질량부로 하는 것이 바람직하며, 1∼20질량부로 하는 것이 더 바람직하다.

[랜덤 매트의 제조 방법]

본 발명에 이용하는 랜덤 매트는 이하의 공정 1∼3으로부터, 바람직하게 제조된다. 또, 아래의 공정 1에서 강화 섬유를 커팅할 때, 강화 섬유의 스트랜드를 확폭하거나, 슬릿을 넣거나 하는 등 하여, 공정 2의 개섬 공정을 생략할 수 있는 경우가 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 공정 3(살포 공정)에서 열 가소성 수지를 이용하지 않고, 강화 섬유 매트 모양의 것을 얻어, 해당 매트 모양의 것에, 압출기 등을 이용하여 용융한 열 가소성 수지를 첨가해도 좋고, 공정 3(살포 공정)에서 열 가소성 수지도 첨가하여 얻은 랜덤 매트에, 용융한 열 가소성 수지를 더 첨가해도 좋다.

· 공정 1. 강화 섬유를 커팅하는 공정(커팅 공정),

· 공정 2. 커팅된 강화 섬유를 관 내에 도입하고, 공기를 섬유에 내뿜는 것에 의해, 섬유 다발을 개섬시키는 공정(개섬 공정),

· 공정 3. 개섬시킨 강화 섬유를 확산시킴과 동시에, 섬유 모양 또는 입자 모양의 열 가소성 수지와 함께 흡인하고, 강화 섬유와 열 가소성 수지를 살포하여 강화 섬유 및 열 가소성 수지를 정착시키는 공정(살포 공정).

[커팅 공정]

강화 섬유의 커팅 공정에서는, 구체적으로는 재단기나 절단기를 이용하여 강화 섬유를 커팅한다. 재단기나 절단기로서는 로터리 커터 등이 바람직하다.

소망하는 크기의 섬유 다발로 하기 위해, 커팅에 제공하는 섬유 다발로서, 스트랜드 폭이 좁은 것을 이용하거나, 또는 종방향으로 잘라 스트랜드 폭을 좁게 하는 것도 바람직하다. 그 경우, 섬유 방향에 수직한 칼날에 더해 섬유 방향에 평행한 칼날을 갖는 커터를 이용하여, 특정 섬유 길이로 커팅함과 동시에 섬유 다발을 종방향으로 슬릿하는 것도 바람직하다.

로터리 커터로서는, 각도를 규정한 나선상 나이프 또는 분섬 나이프를 이용하는 것이 바람직하다.

[개섬 공정]

개섬 공정은 구체적으로는 커팅된 강화 섬유를 관 내에 도입하고, 공기를 섬유에 내뿜는 것에 의해, 섬유 다발을 개섬시키는 공정이다. 개섬 정도에 대해서는, 공기 압력 등에 의해 적절히 컨트롤할 수 있다. 개섬 공정에서 바람직하게는 압축 공기 분출 구멍으로부터, 풍속 1∼1000m/sec로, 더 바람직하게는 5∼500m/sec로 공기를 직접 섬유 다발에 내뿜는 것에 의해, 더 완전하게 강화 섬유를 개섬시킬 수 있다. 구체적으로는 강화 섬유가 통과하는 관 내에 직경 1㎜ 정도의 구멍을 몇 군데에 형성하여, 외측으로부터 0.2∼0.8㎫ 정도의 압력을 걸어, 압축 공기를 섬유 다발에 직접 내뿜는 것에 의해, 섬유 다발을 용이하게 개섬할 수 있다.

[살포 공정]

살포 공정은 개섬시킨 강화 섬유를, 확산시킴과 동시에, 섬유 모양 또는 입자 모양의 열 가소성 수지와 함께 흡인하여, 강화 섬유와 열 가소성 수지를 동시에 살포하는 살포 공정이다. 개섬시킨 강화 섬유와, 섬유 모양 또는 입자 모양의 열 가소성 수지를 바람직하게는 동시에, 시트 위에, 구체적으로는 개섬 장치 하부에 설치한 통기성 시트 위에 살포한다.

살포 공정에서, 열 가소성 수지의 공급량은, 강화 섬유 100중량부에 대해, 50∼1000중량부인 것이 바람직하다.

여기서, 강화 섬유와, 섬유 모양 또는 입자 모양의 열 가소성 수지는 2차원 배향하는 형태로 살포하는 것이 바람직하다. 개섬한 섬유를 2차원 배향시키면서 살포하기 위해서는, 살포 방법 및 아래의 정착 방법이 중요해진다. 강화 섬유의 살포 방법에는, 원추형 등의 테이퍼 관을 이용하는 것이 바람직하다. 원추 등의 관 내에서는, 공기가 확산하여, 관 내의 유속이 감속하고, 이때 강화 섬유에는 회전력이 주어진다. 이 벤튜리 효과를 이용하여 개섬시킨 강화 섬유를 바람직하게 확산시켜 살포할 수 있다.

또, 본 발명에서 이용하는 랜덤 매트를 제조하는 방법은, 또한 아래의 정착 공정을 포함하는 것이어도 좋고, 정착 공정과 살포 공정을 동시에 행하는, 즉 살포하여 퇴적시키면서 정착시켜도 좋다. 흡인 기구를 갖는 가동식(可動式) 통기성 시트 위에 살포해서, 매트 모양으로 퇴적시켜 그 상태로 정착시키는 것도 바람직하다.

여기서 강화 섬유 및 열 가소성 수지는, 랜덤 매트 중에 균등하게 불균일 없이 살포하는 것이 바람직하다.

[정착 공정]

정착 공정은, 살포된 강화 섬유 및 열 가소성 수지를 정착시키는 공정이다. 바람직하게는 통기성 시트 하부로부터 에어를 흡인하여 섬유를 정착시킨다. 강화 섬유와 동시에 살포된 열 가소성 수지도 혼합되면서, 섬유 모양이면 에어 흡인에 의해, 입자 모양이어도 강화 섬유와 함께 정착된다.

통기성 시트를 통해, 하부로부터 흡인하는 것에 의해, 2차원 배향이 높은 매트를 얻을 수 있다. 또한, 발생하는 부압(負壓)을 이용하여 입자 모양, 또는 섬유 모양의 열 가소성 수지를 흡인하고, 또, 관 내에서 발생하는 확산 흐름에 의해, 강화 섬유와 용이하게 혼합할 수 있다. 얻어지는 랜덤 매트는, 강화 섬유 근방에 열 가소성 수지가 존재하는 것에 의해, 함침 공정에서, 수지의 이동 거리가 짧아, 비교적 단시간에 수지의 함침이 가능해진다. 또, 미리, 사용하는 매트릭스 수지와 같은 재질의 통기성 부직포 등을 정착부에 세팅하여, 부직포 위에 강화 섬유 및 입자를 내뿜는 것도 가능하다.

상기 랜덤 매트의 바람직한 제조 방법에 의해, 섬유의 장축이 3차원 방향으로 배향해 있는 것이 적어, 2차원 배향성이 있는 랜덤 매트로 할 수 있다.

[용융 수지 첨가 공정]

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 살포 공정, 정착 공정을, 열 가소성 수지를 이용하는 일 없이 실시하여 얻어지는, 강화 섬유로 이루어지는 매트에, 압출기 등을 이용하여 용융한 열 가소성 수지를 일체화시키는 방법도 바람직한 방법으로서 예시된다. 이 방법인 경우, 강화 섬유 중에 수지를 함침시키는 프리프레그 제조 공정으로 이행하기 쉬워, 양산화에 적합하다. 또한, 상기 살포 공정, 정착 공정에서 열 가소성 수지를 이용하여 얻어지는, 랜덤 매트에 대해, 용융한 열 가소성 수지를 더 첨가해도 좋다.

[금형 형상]

금형 형상에 특별히 한정은 없지만, 금형은 코어 측과 캐비티 측이 쉐어 에지 구조를 갖는 것이 바람직하다. 쉐어 에지 구조의 설명도를, 도 2에 나타낸다. 쉐어 각도(4)는 특별히 한정은 없지만 1∼5도가 바람직하다. 쉐어 에지의 클리어런스(5)는 특별히 한정은 없지만 0.01∼0.2㎜인 것이 바람직하며, 0.02∼0.1㎜가 더 바람직하다. 쉐어 에지의 클리어런스(5)가 0.01㎜보다 작아지면, 성형시에 코어형과 캐비티형이 접촉하기 쉬워 금형이 손상되기 쉽다. 클리어런스(5)가 0.2㎜보다 커지면 성형시에 다량의 버(burr)가 발생하기 쉬울 뿐만 아니라(재료가 금형으로부터 밀려나오기 쉬움), 설계대로의 성형품 두께를 정밀도 높게 실시하는 것이 어려운 경우가 있다.

또한, 금형의 표면성은 얻고자 하는 성형체에 요구되는 의장성에 따라 연마를 행해도 좋다. 성형체가 평활한 표면성을 갖는 데에는 #400 이상으로 연마되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서 이용되는 금형은 입면(B)을 갖는다. 입면(B)은 기준면(S)에 대해 45도 이상 90도 이하인 범위 내의 어떤 것에 있어서도 성형 가능하지만, 경사 값이 작을수록 성형에 필요로 하는 압력은 저하한다.

금형의 기준면(S)과 입면(B)의 캐비티 두께의 비는 0.2∼10인 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서 이용되는 금형은, 기준면(S)과 입면(B) 뿐만 아니라, 보조 유로(C)를 갖는 것이어도 좋으며, 보조 유로(C)는 금형의 기준면(S) 또는 입면(B) 중 어느 한쪽에 있어도 좋고, 기준면과 입면 양쪽에 있어도 좋다.

또한, 본 발명의 제조 방법에서 이용되는 금형은, 기준면(S)과 입면(B) 뿐만 아니라, 모따기부(D)를 갖는 것이어도 좋으며, 나아가 보조 유로(C)를 갖는 것이어도 좋다. 여기서 모따기부(D)란, 기준면(S)과 입면(B)의 경계부에 존재하는 평면 또는 곡면인 경우이다.

또한, 본 발명의 제조 방법에서 이용되는 금형은, 성형체에 대해 전술한 바와 같은 플랜지부, 더 정확하게는 플랜지부에 상당하는 면을, 갖는 것이어도 좋다.

[프리프레그]

본 발명에 있어서, 공정 A-1)∼A-3)을 포함하여 함침∼성형을 행하는 경우, 랜덤 매트의 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지 가열하고 가압함으로써, 강화 섬유 다발 및 강화 섬유 사이에 열 가소성 수지를 함침시켜 프리프레그를 얻어 성형에 이용한다. 프리프레그에 있어서의 강화 섬유의 형태는 랜덤 매트에 있어서의 상태를 유지하고 있다. 즉, 프리프레그 중의 강화 섬유는 랜덤 매트에 있어서의 섬유 길이나 등방성, 개섬 상태를 유지하고 있으며, 상기 랜덤 매트에 기재한 내용과 마찬가지이다.

프리프레그에 있어서는, 냉각하는 일 없이 그대로 A-2) 공정을 행해도 좋고, 함침 후에 일단 냉각한 후, 프리프레그 중의 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지 재가열하고 나서, A-2) 공정으로 진행해도 좋다. 프리프레그에서는, 열 가소성 수지는 강화 섬유 다발 내 및 강화 섬유 단사 사이에 침투하여, 함침한 상태로 되어 있다. 프리프레그는 얻고자 하는 성형체 두께의 1∼10배, 바람직하게는 1∼5배인 것이 바람직하다. 두께의 한정은 없지만, 바람직하게는 0.1㎜ 이상이며, 상한은 금형에 배치하여 성형 가능하면 좋고, 실질은 30㎜ 정도이다.

또한, 프리프레그는 보이드율이 0∼30%인 것이 바람직하며, 0∼10%가 더 바람직하다. 보이드율은 0∼5%가 더욱 바람직하며, 가장 바람직한 보이드율은 0∼3%이다. 프리프레그의 보이드율은, 프리프레그의 단면(斷面)을 광학 현미경으로 관찰하여, 보이드의 존재 면적을 관찰 기재의 단면적으로 나누어 산출한다. 관찰은 하나의 프리프레그당 n=5로 하여, 그 평균치를 보이드율로 한다.

[콜드 프레스 법]

이하, 공정 A-1)∼A-3)에 의해 함침∼성형을 행하는 콜드 프레스 법에 대해 구체적으로 설명한다.

공정 A-1)에서는, 랜덤 매트를, 함유하는 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 그 융점 이상 열 분해 온도 미만, 비결정성인 경우는 그 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만으로 가열하고, 가압하여 열 가소성 수지를 강화 섬유 다발 내 및 강화 섬유 단사 사이에 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 K 타입의 열전대를 붙여, 가열로 바깥에 설치한 계측기에 의해 측정할 수 있다.

다음 공정 A-2)에서는, 상기 A-1)에서 얻어진 프리프레그를, 그 함유하는 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도로 하고, 그 함유하는 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 온도 조절된 금형에 아래 식 (4)으로 표현되는 충전율이 5∼100%, 바람직하게는 20∼90%, 더 바람직하게는 30∼90%가 되도록 배치한다.

충전율(%)=100×기재 면적(㎟)/기준면(S)과 입면(B)과 플랜지부의 면적의 합(㎟) (4)

(여기서 기재 면적이란 배치한 모든 랜덤 매트 또는 프리프레그의 드래프트 방향(draft direction)에의 투영 면적이다.)

이 경우, 1매 또는 2∼100매의 적층된 프리프레그를 금형에 배치할 수 있다. 프리프레그를 적층하는 경우는, 얻으려고 하는 성형체에 따라 일부, 또는 전체를 중첩하여 이용한다. 이때, 프리프레그의 단부는 금형의 에지부와 접하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 프리프레그를 적층하는 경우, 프리프레그는 모두 동일한 형상일 필요는 없고, 각각 일부 또는 전부가 중첩되면 좋다.

프리프레그를 금형에 배치할 때, 충전율이 5% 미만인 경우, 성형시에 가압된 프리프레그가 금형 내를 유동할 때, 금형에 열을 빼앗기기 쉬워, 목적 형상을 형성하기 전에 고화(固化)해 버릴 우려가 있다.

프리프레그를 금형에 배치할 때, 충전율이 100%를 초과하면 금형 말단까지 섬유가 충전되어 있는 성형체를 얻을 수 있지만, 복잡한 형상을 성형할 때에는, 성형시에 재료가 압축되거나, 인장되거나 하는 것에 의해 제어가 어려워지는 경우가 있어, 설계대로의 두께로 된 성형체를 얻는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 또, 성형체의 단부에 불필요한 부분이 남아, 기계 가공 등에 의한 트리밍이 필요해지기 때문에, 프로세스가 복잡해질 뿐만 아니라, 재료 손실이 발생해 버린다는 문제도 있다.

이와 같이, 공정 A-2)에서 프리프레그를 금형에 배치할 때, 충전율을 5% 이상 100% 이하로 하는 것에 의해, 강화 섬유가 실질적으로 면내에서 랜덤한 상태(등방성)를 유지한 채로, 재료 손실이나 트리밍의 수고를 발생시키는 일 없이, 경량인 성형체를 높은 생산성으로 제조하는 것이 가능해진다.

공정 A-2)에서의 프리프레그의 배치 장소는, 금형의 수평부(0도) 또는 수평부와 이루는 각이 70도 이하인 경사부인 것이 바람직하다. 금형의 수평부와 이루는 각이 70도를 초과하는 경사부에 프리프레그를 배치하면, 성형시의 형 닫기(mold closing)를 할 때에 금형의 단부가 프리프레그에 접촉하여 위치를 벗어나거나, 금형 캐비티에 과잉의 프리프레그를 끌어들여, 정상적인 성형이 행해지지 않거나 하는 경우가 있다.

또한, 공정 A-2)에서는, 금형에 프리프레그를 배치할 때, 얻어지는 성형체의 분기 부분이 되는 개소를 피해서 프리프레그를 배치하면, 주름이나 결락(缺落)이 적은 설계대로의 두께로 된 성형체를 얻을 수 있어 바람직하다.

금형에 배치하는 프리프레그의 두께는, 얻고자 하는 성형체의 두께에 맞춰 적절하게 선택할 수 있다. 단, 금형에의 프리프레그 충전율이 80% 이하인 때는, 성형시에 프리프레그의 유동을 적절히 행하기 위해, 프리프레그 또는 적층한 프리프레그의 두께가 1.0㎜ 이상인 것이 바람직하다. 프리프레그 또는 적층한 프리프레그의 두께가 1.0㎜보다 작아지면, 금형에 열을 빼앗기기 쉽기 때문에, 성형이 충분하게 행해지지 않는 경우가 있다.

또한, 상기 금형의 온도는, 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점-200℃ 이상에서부터 융점-10℃ 이하, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도-200℃ 이상에서부터 유리 전이 온도-10℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 공정 A-3)에서 얻어지는 성형체를 형상이 안정되는 온도까지 냉각하여, 금형에서 꺼낼 수 있다.

다음으로, 공정 A-3)에서는, 상기 A-2)에서 금형에 배치한 프리프레그를 가압하여, 성형한다. 이때의 압력으로서는 0.1㎫∼100㎫이 바람직하며, 더 바람직하게는 0.2㎫∼40㎫, 더욱 바람직하게는 0.5∼20㎫이다. 목표 압력에 도달하기까지의 시간은 0.01∼10초인 것이 바람직하다.

목표 압력 도달 후, 프리프레그를 5∼200초 가압하여 성형한다. 더 바람직한 가압 시간은 10∼60초이다. 그 사이에 프리프레그를 유동시켜 성형을 행함과 동시에, 금형과의 열교환에 의해, 형상이 안정되는 온도까지 냉각한다. 그 후, 금형을 열어, 성형체를 얻는다.

[핫 프레스 법]

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 (4)으로 표현되는 충전율이 5∼100%가 되도록 금형에 배치한다. 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. 이때, 랜덤 매트의 단부가, 금형의 에지부와 접하지 않는 것이 바람직하다. 또 중첩하는 경우, 랜덤 매트는 모두 동일한 형상일 필요는 없고, 각각 일부 또는 전부가 겹치는 형상이면 좋다. 상술한 충전율 범위의 이유, 및 해당 범위를 벗어난 경우의 문제에 대해서는, 콜드 프레스 법의 공정 A-2)의 프리프레그에 대해 설명한 것과 마찬가지이다.

이 공정 B-1)에서는, 랜덤 매트의 배치 장소가, 금형의, 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)에서의, 프리프레그에 대해 설명한 대로이다.

공정 B-1)에서는, 콜드 프레스 법의 A-2) 공정의 프리프레그의 배치에 대해 상술한 바와 같이, 금형에, 기재로서 랜덤 매트를 배치할 때, 얻어지는 성형체의 분기 부분 등의 개소를 피해서 해당 기재를 배치하면, 주름이나 결락이 적은 설계대로의 두께로 된 성형체를 얻을 수 있어 바람직하다.

공정 B-2)는, 랜덤 매트에 포함되는 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 열 가소성 수지의 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 열 가소성 수지의 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지 금형을 승온하고, 가압하여, 강화 섬유 다발 내 및 강화 섬유 사이에 열 가소성 수지를 함침하는 공정(제1프레스 공정)이다.

공정 B-3)은 1단 이상이며, 최종단의 압력이 제1프레스 공정의 압력의 1.2배∼100배가 되도록 가압하는 공정(제2프레스 공정)이다.

제1프레스 공정은, 랜덤 매트를 소정의 압력까지 가압하여, 바람직하게는 0.5∼20분 유지하고, 그 랜덤 매트에 포함되는 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 열 가소성 수지의 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 열 가소성 수지의 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지 가열하여, 강화 섬유 다발 내 및 강화 섬유 단사 사이에 열 가소성 수지를 함침시킨다. 다음으로, 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 다단의 가압을 행하는 공정인데, 성형 간략화의 목적에서는 1단인 것이 바람직하다. 제2프레스 공정의 금형 온도는, 제1프레스 공정에서의 금형 온도와 같아도, 금형 온도+1℃에서부터 열 분해 온도 미만의 범위에 있는 온도까지 승온시켜도 좋다. 제2프레스 공정이 다단인 경우는, 2단째 이후를 승온시켜도 혹은 냉각시켜도 좋고, 승온과 냉각을 번갈아 실시해도 좋다.

제2프레스 공정의 합계 프레스 시간에 특별히 한정은 없지만, 성형 시간 단축의 관점에서 0.5∼10분인 것이 바람직하다.

또 제1프레스 공정의 목표 압력은 0.1㎫∼10㎫이며, 바람직하게는 0.2㎫∼8㎫이다. 제2프레스 공정의 최종 목표 압력은 성형기의 성능에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 바람직하게는 0.2∼100㎫이며, 더 바람직하게는 0.3∼50㎫, 더욱 바람직하게는 0.5∼20㎫이다. 제2프레스 공정의 최종 목표 압력은 제1프레스 공정의 1.2∼100배의 압력이다. 즉 B-2∼B-3에 있어서의 성형 압력이 0.1㎫∼100㎫인 것이 바람직하다. B-2 및 B-3에 있어서의 성형 압력이 너무 낮으면, 함침 및 성형이 충분히 행해지지 않을 가능성이 있다. 또한, 성형 압력을 높이기 위해서는, 더 대형이고 고성능인 성형기가 필요해지기 때문에, 설비 투자 및 생산성의 관점에서, 필요 이상으로 높은 성형 압력은 바람직하지 않다.

공정 B-4)에서는, 랜덤 매트에 포함되는 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 금형 온도를 조절하여 성형한다. 조정 후의 금형 온도는, 그 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점-200℃ 이상에서부터 융점-10℃ 이하, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도-200℃ 이상에서부터 유리 전이 온도-10℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 본 공정에 필요로 하는 시간은 냉각 조건 등에 따라 적절히 컨트롤할 수 있지만, 성형 시간 단축의 관점에서 0.5분∼20분인 것이 바람직하다. 금형의 온도 조정 방법에 특별히 한정은 없어, 금형 내에 온도 조정용 배관을 설치해, 냉각용 매체를 흘리는 등의 방법에 의해 적절히 냉각하면 좋다.

실시예

이하에 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다. 실시예에서 사용한 평가 방법을 이하에 나타낸다. 또, 특별히 주석을 달지 않는 한, 강화 섬유 다발(A)이나 그 시료에 대해, 섬유 다발 길이(섬유 길이)의 단위는 ㎜, 중량 단위는 g이다. 또한, 이하의 랜덤 매트에 관한 측정, 평가 방법은, 열 가소성 수지를 포함하지 않는, 강화 섬유만으로 이루어지는 매트 모양의 것(이하, 강화 섬유 매트라고 약칭하는 경우가 있다.)에 대해서도, 적용할 수 있다.

1) 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 다발(A)의 분석

랜덤 매트로부터 약 10㎜×10㎜∼100㎜×100㎜의 시료편을 잘라낸다. 잘라낸 시료편으로부터, 섬유 다발을 모두 핀셋으로 꺼낸다. 모든 섬유 다발에 대해, 개개의 섬유 다발의 길이(Li)와 중량(Wi)을 측정하여 기록한다. 핀셋으로 꺼낼 수 없는 작은 섬유 다발은, 최후에 한데 모아 중량을 측정한다(Wk). 중량 측정은, 1㎎을 측정 가능한 천칭을 이용한다. 섬유가 수지와 분리될 수 있는 경우는, 핀셋으로 섬유만 꺼낸다. 강화 섬유와 수지가 분리될 수 없는 경우에는, 예를 들면 500℃에서 약 1시간 가열하여 수지를 제거한 후에 상기 조작을 행한다. 랜덤 매트에 사용하고 있는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(D)으로부터, 임계 단사 수를 계산하여, 임계 단사 수 이상의 강화 섬유 다발(A)과, 그 이외로 나눈다. 또, 2종류 이상의 강화 섬유가 사용되어 있는 경우에는, 섬유 종류마다 나누어 각각에 대해 평가한다.

강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유 수(N)를 구하는 방법은 이하와 같다.

각 강화 섬유 다발 중의 섬유 수(Ni)는, 사용하고 있는 강화 섬유의 섬도(F(g/m))로부터 다음 식으로 구해진다.

Ni=Wi/(Li×F)

강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)는, 강화 섬유 다발(A)의 다발 수(I)로부터 다음 식으로 구해진다.

N=ΣNi/I

랜덤 매트 중의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율(VR)은, 강화 섬유의 밀도(ρ(g/㎤))를 이용하여 다음 식에 의해 구해진다.

VR=Σ(Wi/ρ)×100/((Wk+Σ Wi)/ρ)

2) 섬유 강화 복합 재료에 있어서의 강화 섬유 다발(A)의 분석

성형체 등의 섬유 강화 복합 재료 중의 강화 섬유 다발에 대해서는, 500℃×약 1시간, 로 내에서 수지를 제거한 후에 상기 랜덤 매트에 있어서의 방법과 마찬가지로 하여 측정한다.

3) 랜덤 매트 또는 섬유 강화 복합 재료에 포함되는 강화 섬유의 평균 섬유 길이의 측정

랜덤 매트 또는 섬유 강화 복합 재료로부터 무작위로 추출한 강화 섬유 100개의 길이를, 캘리퍼(caliper) 및 확대경(loupe)으로 1㎜ 단위까지 측정하여 기록하고, 측정한 모든 강화 섬유의 길이(Li)로부터, 다음 식에 의해 평균 섬유 길이(La)를 구한다. 복합 재료인 경우는 500℃×약 1시간, 로 내에서 수지를 제거한 후에 강화 섬유를 추출한다.

La=ΣLi/100

4) 섬유 강화 복합 재료에 있어서의 강화 섬유와 수지의 함유량, 강화 섬유 체적 함유율(Vf)의 평가

성형체 등의 섬유 강화 복합 재료를 500℃×1시간, 로 내에서 수지를 연소 제거하고, 처리 전후의 시료의 중량을 칭량하는 것에 의해 강화 섬유와 수지의 중량을 구해, 각 성분의 중량%를 산출했다. 또한, 얻어진 각 성분의 중량과 비중으로부터 강화 섬유 체적 함유율(Vf)을 산출했다.

5) 성형체의 외관

성형체의 외관은, 육안 검사, 광학 현미경, 및 손으로 만져 평가하고, 강화 섬유에의 수지의 함침이 불충분한(드라이한) 부위, 주름, 균열 등에 대해, 이하의 평가 기준으로 평가했다.

양호 : 외관에 특별히 이상이 관찰되지 않는다

불량 : 약간 드라이한 부위나 주름이 관찰된다

중대 불량 : 드라이한 부위나 주름이 많이 관찰되거나, 또는 균열이 확인된다.

6) 성형체의 휨(warpage)

성형체의 휨에 대해서는, 육안 검사 및 손으로 만져, 이하의 평가 기준으로 평가했다.

양호 : 휨이 관찰되지 않는다

불량 : 약간 휨이 확인된다

중대 불량 : 크게 휘어 있다

7) 성형성

성형성 평가는, 성형체의 형상 관찰에 의해 이하의 평가 기준으로 평가했다.

양호 : 단부까지 섬유 강화 복합 재료가 충전되며, 결함이 관찰되지 않는다

불량 : 일부에 결함이나 불량이 관찰된다

중대 불량 : 결함이나 불량이 많다

8) 섬유 강화 복합 재료의 등방성(섬유 배향) 평가

성형체를 구성하는 섬유 강화 복합 재료의 등방성 평가는, 워터 제트 등을 이용하여 섬유 강화 복합 재료의 임의의 방향, 및 이와 직교하는 방향을 기준으로 하는 인장 시험편을 잘라내어 인장 시험을 행하고, 쌍방의 인장 탄성율 값 중, 큰 값을 작은 값으로 나눈 비(Eδ)를 산출한다. Eδ이 1에 가까울수록 등방성이 뛰어나다.

9) 프리프레그의 보이드율

프리프레그의 보이드율은, 이들 시험편의 단면을 광학 현미경으로 관찰하여, 보이드의 존재 면적을 관찰에 이용한 시험편의 단면적으로 나누어 산출했다. 관찰은 하나의 시료당 n=5로 하여, 그 평균치를 그 시료의 보이드율로 하였다.

<랜덤 매트의 제작>

[제조예 1]

강화 섬유는, 토호테낙스 사제의 탄소 섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유 지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜, 인장 강도 4000㎫)를 사용했다. 탄소 섬유를 확폭하면서 20㎜ 길이로 커팅하여, 1250g/min의 공급량으로 테이퍼 관 내에 도입하고, 테이퍼 관 내에서 공기를 풍속 800m/sec로 탄소 섬유에 내뿜어 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼 관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동 가능한 테이블 위에, 테이블 하부로부터 블로워(blower)로 흡인을 행하면서 살포했다.

또한, 매트릭스 수지로서, 폴리아미드 6 수지(유니치카 사제 A1030, 융점 225℃, 열 분해 온도 300℃(대기(大氣) 중))를 1500g/min로 테이퍼 관 내에 공급하여, 탄소 섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또, 얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 측정한 결과, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 35vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 240개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 2]

테이퍼 관 내에의 탄소 섬유의 공급량을 2000g/min, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 2400g/min, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 200m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 2460g/㎡이었다. 또, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 95vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 1200개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 3]

테이퍼 관 내에의 탄소 섬유의 공급량을 750g/min, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 900g/min, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 650m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 924g/㎡이었다. 또, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 35vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 240개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 4]

테이퍼 관 내에의 탄소 섬유의 공급량을 300g/min, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 360g/min, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 450m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 35vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 240개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 5]

탄소 섬유의 커팅 길이를 10㎜, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 430m/sec로 하는 이외는, 제조예 4와 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 10㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

[제조예 6]

탄소 섬유의 커팅 길이를 50㎜, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 500m/sec로 하는 이외는, 제조예 4와 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 50㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

[제조예 7]

사용하는 탄소 섬유를 토호테낙스 사제:테낙스 IMS60-12K(평균 섬유 지름 5㎛, 섬유 폭 6㎜), 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 500m/sec로 하는 이외는, 제조예 4와 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 120이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 35vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 240개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 8]

사용하는 매트릭스 수지를, 평균 입경이 약 1㎜가 되도록 냉동 분쇄한 폴리프로필렌 수지(프라임 폴리머 사제 프라임 폴리프로 J108M:융점 170℃, 열 분해 온도 약 300℃(대기 중)), 테이퍼 관 내에의 공급량을 1200g/min으로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리프로필렌 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 35vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 240개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 9]

사용하는 매트릭스 수지를, 평균 입경이 약 1㎜가 되도록 냉동 분쇄한 폴리카보네이트 수지(테이진카세이 사제 판라이트 L-1225L:유리 전이 온도 145∼150℃, 열 분해 온도 350℃(대기 중)), 테이퍼 관 내에의 공급량을 1580g/min로 하고, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 400m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리카보네이트 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 80vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 1000개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 10]

사용하는 매트릭스 수지를, 평균 입경이 약 1㎜가 되도록 냉동 분쇄한 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지(폴리플라스틱스 사제 듀라넥스 700FP:융점 230℃, 열 분해 온도 300℃(대기 중)), 테이퍼 관 내에의 공급량을 1730g/min로 하고, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 700m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리카보네이트 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 50vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 500개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 11]

사용하는 강화 섬유를 니뽄일렉트릭글라스 사제의 유리 섬유 EX-2500(평균 섬유 지름 15㎛, 섬유 폭 9㎜), 유리 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 600m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 유리 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 40이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 80vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 150이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 12]

강화 섬유는, 토호테낙스 사제의 탄소 섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유 지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 사용했다. 종 슬릿 장치를 사용하여 폭 2㎜ 이하로 슬릿한 후, 섬유 길이 20㎜로 커팅했다. 커팅 장치는 연속적으로 강화 섬유를 커팅할 수 있는 로터리 커터를 이용했다. 로터리 커터를 통과한 스트랜드를 테이퍼 관에 도입하고, 풍속 800m/sec로 처리하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬했다. 그 후, 테이퍼 관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동 가능한 테이블 위에, 테이블 하부로부터 블로워로 흡인하면서 살포하여 강화 섬유 매트를 제작했다.

이어서, 얻어진 강화 섬유 매트 위에, 용융한 매트릭스 수지를 공급했다. 매트릭스 수지로서는 유니치카 사제의 폴리아미드 6 수지 A1030을 사용하고, 이것을 압출기에서 용융하여 T-다이로부터 랜덤 매트 전면(全面)에 용융 수지를 공급했다. 이때, 매트면(面) 위의 수지가 공급되는 개소를 적외선 히터로 가열하여, 수지의 냉각 고화를 방지하도록 했다. 강화 섬유의 공급량 1250g/min에 대해, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 1500g/min으로 하여 장치를 가동해서, 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지로 이루어지는 랜덤 매트를 형성했다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또, 랜덤 매트의 강화 섬유 다발(A)의 비율과 평균 섬유 수(N)를 측정한 결과, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 35Vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 240개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 13]

테이퍼 관 내에의 폴리아미드 6 수지의 공급량을 3210g/min으로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

[제조예 14]

테이퍼 관 내에의 폴리아미드 6 수지의 공급량을 980g/min으로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

[제조예 15]

탄소 섬유에 공기를 내뿜지 않는 것 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 100vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 24000개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 16]

탄소 섬유에 공기를 내뿜지 않는 것 이외는, 제조예 3과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 924g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 100vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 24000개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 17]

탄소 섬유에 공기를 내뿜지 않는 것 이외는, 제조예 4와 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 100vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 24000개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 18]

테이퍼 관 내에의 탄소 섬유의 공급량을 12160g/min, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 14600g/min, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 300m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 15000g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 95vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 1200이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

이 랜덤 매트는 제조시에 설비 내에서 막히기 쉬워, 안정적인 제조가 곤란하였다.

[제조예 19]

테이퍼 관 내에의 탄소 섬유의 공급량을 19g/min, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 23g/min, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 50m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 23g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 50vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 500개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

얻어진 랜덤 매트는 강화 섬유의 분포가 불균일했다.

[제조예 20]

탄소 섬유의 커팅 길이를 2㎜, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 450m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 2㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 25vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 200개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 21]

탄소 섬유의 커팅 길이를 200㎜, 탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 1000m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 2㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 90vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 800개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

[제조예 22]

탄소 섬유에 내뿜는 공기의 풍속을 2000m/sec로 하는 이외는, 제조예 1과 마찬가지인 조건으로 조작을 행하여, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 폴리아미드 6 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 단위면적당 중량은 1540g/㎡이었다. 또한, 식 (1)에서 정의되는, 얻어진 랜덤 매트의 임계 단사 수는 86이며, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율은 10vol%, 강화 섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 100개이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

<함침∼성형>

[실시예 1]

제조예 1에서 얻어진 랜덤 매트를 가열하여 250℃에 도달 후, 3㎫의 압력으로 7분 동안 가압했다. 그 후, 80℃까지 냉각하여 두께 2.5㎜의 판상(板狀)의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.1%였다. 다음으로, 충전율 80%로 잘라낸 프리프레그를 적외선 가열기 안에 넣어 255℃로 가열했다. 가열한 프리프레그를 130℃로 온도 조정한, 기준면(S)(1)에 대해 85도의 입면(B)(2)을 갖는 금형에 배치하고(도 3), 10㎫의 압력으로 30초 동안 프레스 성형하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 도 2에 이용한 금형의 쉐어 에지부의 모식도를 나타낸다. 금형의 쉐어 각도는 2도, 쉐어 에지의 클리어런스는 0.1㎜였다.

얻어진 성형체의 기준면(S)(1')과 입면(B)(2')의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 35였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 얻어진 성형체의 모식도를 도 4에 나타낸다. 파선 내부가 프리프레그의 충전부(6)이며, 파선 외측이 가압에 의해 프리프레그가 유동한 부분(7)(유동부(7))이다. 충전부(6) 및 유동부(7)의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)을 측정한 결과, 충전부(6)의 측정점(8A)에 있어서의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)이 34.6%, 유동부(7)의 측정점(8B)에 있어서의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)이 35.0%로 동등한 값이었다. 또한, 측정점(8A) 및 측정점(8B)에서, 서로 직교하는 2방향의 인장 시험을 행한 결과, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 측정점(8A)에서는 1.09, 측정점(8B)에서는 1.08로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 이와 같이 성형체의 충전부와 유동부 Vf나 Eδ이 같은 정도인 것은, 성형시에, 용융 수지의 유동 방향에의 강화 섬유의 배향이 거의 일어나지 않아, 랜덤 매트나 프리프레그의 등방성이 성형체의 각 부분에서 유지되고 있는 것을 나타내고 있다.

본 실시예에서의 상기 조작 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 2]

제조예 2에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 두께 4.0㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.1%였다. 다음으로, 충전율 50%로 잘라낸 프리프레그를 적외선 가열기 안에 넣어 255℃로 가열했다. 가열한 프리프레그를 130℃로 온도 조정한, 기준면(S)에 대해 89도의 입면을 갖는 금형에 배치하고, 10㎫의 압력으로 30초 동안 프레스 성형하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면(S)(1')과 입면(B)(2')의 각도는 89도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 12였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 얻어진 성형체의 모식도를 도 5에 나타낸다. 충전부의 측정점(9A) 및 유동부의 측정점(9B)에 있어서의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 측정점(9A)에서는 34.2%, 측정점(9B)에서는 34.8%로 동등한 값이었다. 또한, 충전부의 측정점(9A) 및 유동부의 측정점(9B)의 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부의 측정점(9A)에서는 1.00, 유동부의 측정점(9B)에서는 1.05로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 3]

제조예 3에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 두께 1.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.1%였다. 다음으로, 충전율 70%로 잘라낸 2매의 프리프레그를 적외선 가열기 안에 넣어 255℃로 가열했다. 가열한 프리프레그를 130℃로 온도 조정한, 보조 유로(C)(10)와, 기준면(S)(1)에 대해 85도의 입면(B)(2)을 갖는 금형(도 6)에 배치하고, 10㎫의 압력으로 30초 동안 프레스 성형하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 이 금형의 보조 유로(C)(10)의 모식도를 도 7에 나타냈다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 8에 나타낸다.

얻어진 성형체의 기준면(1')과 입면(2')의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 또한, 도 7에 있어서의 금형의 보조 유로(C)(10) 근방의 두께(a)(14)를 1로 했을 경우의, 보조 유로(C)의 두께(b)(12)는 2이며, 보조 유로(C)(10)의 폭(c)(13)은 5였다. 이 보조 유로(C)(10)의 단면적(d)은 8.9로, 상기 식 (3)의 관계를 충족시키는 것이었다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 충전부 및 유동부의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 34.9%, 유동부가 35.0%로 동등한 값이었다. 또한, 충전부 및 유동부의 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부(A)가 1.08, 유동부가 1.02로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 얻어진 성형체의 금형에 대응하는 면적비 및 치수비도 마찬가지였다.

[실시예 4]

도 9의 금형을 이용한 것 이외는 실시예 3과 마찬가지로 하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 이 금형의 보조 유로(C)(10)의 모식도를 도 10에 나타냈다. 성형체의 기준면(S)(1)과 입면(B)(2)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 또한, 도 10에 있어서의 금형의 보조 유로(C)(10) 근방의 두께(a)(14)를 1로 했을 경우의, 보조 유로(C)(10)의 두께(b)(12)는 2이며, 보조 유로(C)(10)의 폭(c)(13)은 2였다. 이 보조 유로(C)(10)의 단면적(d)은 4로, 상기 식 (3)의 관계를 충족시키는 것이었다. 얻어진 성형체의 금형에 대응하는 면적비 및 치수비도 마찬가지였다.

얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 관찰되지 않았다(휨:양호). 충전부 및 유동부의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 35.3%, 유동부가 35.3%로 같은 값이었다. 또한, 충전부 및 유동부의 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.00, 유동부가 1.02로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 11에 나타낸다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 5]

도 12의 보조 유로(C)(10)를 갖는 금형을 이용한 것 이외는 실시예 3과 마찬가지로 하여, 기준면(S)(1')과 입면(B)(2')의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 13에 나타낸다. 성형체의 기준면(S)(1)과 입면(B)(2)의 각도는 85도이며, 기준면(S)(1)에 대한 입면(B)(2)의 면적비는 2였다. 또한, 도 12에 나타내는 금형의 보조 유로(C)(10) 근방의 두께(a)(12)를 1로 했을 경우의, 보조 유로(C)(10)의 두께(b)는 2이며, 보조 유로(C)(10)의 폭(c)(13)은 2였다. 이 보조 유로(C)의 단면적(d)은 4로, 상기 식 (3)의 관계를 충족시키는 것이었다. 얻어진 성형체의 금형에 대응하는 면적비 및 치수비도 마찬가지였다.

얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 충전부 및 유동부의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 34.6%, 유동부가 35.0%로 동등한 값이었다. 또한, 충전부 및 유동부의 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.09, 유동부가 1.08로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 6]

도 14에 나타내는 형상의 보조 유로(C)(10)를 갖는 금형(도 15)을 이용한 것 이외는 실시예 3과 마찬가지로 하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 이 성형체의 모식도를 도 16에 나타냈다. 성형체의 기준면(S)(1')과 입면(B)(2')의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 또한, 도 14에 나타내는 금형의 보조 유로(C)(10) 근방의 두께(a)(14)를 1로 했을 경우의, 보조 유로(C)(10)의 두께(b)(12)는 6이며, 보조 유로(C)(10)의 폭(c)(13)은 2였다. 이 보조 유로(C)의 단면적(d)은 9.5로, 상기 식 (3)의 관계를 충족시키는 것이었다. 얻어진 성형체의 금형에 대응하는 면적비 및 치수비도 마찬가지였다.

얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 관찰되지 않았다(휨:양호). 충전부 및 유동부의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 34.6%, 유동부가 34.9%로 동등한 값이었다. 또한, 충전부 및 유동부의 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.07, 유동부가 1.08로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 7]

제조예 4에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 두께 0.6㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.1%였다. 다음으로, 충전율 85%로 잘라낸 3매의 프리프레그를 적외선 가열기 안에 넣어 255℃로 가열했다. 가열한 프리프레그를 130℃로 온도 조정한, 최대 두께(L2)가 1.5㎜인 모따기부(15)와, 기준면(S)(1)에 대해 85도의 입면(B)(2)을 갖는 도 17의 금형에 배치하고, 10㎫의 압력으로 30초 동안 프레스 성형하여, 기준면(S)의 두께와 입면(B)의 두께(L1)가 모두 1.5㎜이고, 모따기부(D)의 최대 두께(L2)는 1.5㎜인 성형체를 얻었다. 모따기부의 모식도를 도 18에 나타냈다. 성형에 이용한 금형은, 상기 성형체의 기준면(S)의 두께, 입면(B)의 두께(L1), 및 모따기부(D)의 최대 두께(L2)에 대응하는 캐비티를 갖는 것이었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 관찰되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 35.1%, 유동부가 34.7%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.05, 유동부가 1.07로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 8]

제조예 5에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평균 섬유 길이 10㎜의 탄소 섬유를 강화 섬유로 하는 두께 0.6㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.1%였다. 다음으로, 금형의 모따기부(D)를 도 19의 형상으로 하고, 프리프레그의 적층 매수를 2매로 하는 것 이외는 실시예 7과 마찬가지로 하여, 기준면(S)의 두께와 입면(B)의 두께(L1)가 모두 1.0㎜인 성형체를 얻었다. 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 또한, 모따기부(D)의 최대 두께(L2)는 3.0㎜였다. 성형에 이용한 금형은, 상기 성형체의 기준면(S)의 두께, 입면(B)의 두께(L1), 및 모따기부(D)의 최대 두께(L2)에 대응하는 캐비티를 갖는 것이었다.

얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 35.0%, 유동부가 35.0%로 같았다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.05, 유동부가 1.03으로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 9]

제조예 6에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평균 섬유 길이 50㎜의 탄소 섬유를 강화 섬유로 하는 두께 0.6㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.1%였다. 다음으로, 금형의 모따기부(D)를 도 20의 형상, 프리프레그의 충전율을 70%, 적층 매수를 5매로 하는 것 이외는 실시예 7과 마찬가지로 하여, 기준면(S)의 두께와 입면(B)의 두께(L1)가 각각 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 또한, 모따기부(D)의 최대 두께(L2)는 3.0㎜였다. 성형에 이용한 금형은, 상기 성형체의 기준면(S)의 두께, 입면(B)의 두께(L1), 및 모따기부(D)의 최대 두께(L2)에 대응하는 캐비티를 갖는 것이었다.

얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 35.1%, 유동부가 34.9%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.03, 유동부가 1.05로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 10]

제조예 7에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 단사 지름 5㎛, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유를 강화 섬유로 하는 두께 0.6㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.1%였다. 다음으로, 금형의 모따기부(D)의 형상을 도 21의 형상으로 하는 것 이외는 실시예 9와 마찬가지로 하여, 기준면(S)의 두께와 입면(B)의 두께(L1)가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 또한, 모따기부(D)의 최대 두께(L2)는 3.0㎜였다. 성형에 이용한 금형은, 상기 성형체의 기준면(S)의 두께, 입면(B)의 두께(L1), 및 모따기부(D)의 최대 두께(L2)에 대응하는 캐비티를 갖는 것이었다.

얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 34.9%, 유동부가 34.3%로 마찬가지였다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.05, 유동부가 1.09로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 11]

제조예 8에서 얻어진 랜덤 매트를 가열하여 210℃에 도달 후, 3㎫의 압력으로 7분 동안 가압했다. 그 후, 80℃까지 냉각하여 폴리프로필렌 수지를 매트릭스 수지로 하는 두께 2.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.2%였다. 다음으로, 충전율 80%로 잘라낸 프리프레그를 적외선 가열기 안에 넣어 220℃로 가열했다. 가열한 프리프레그를 100℃로 온도 조정한, 기준면(S)에 대해 85도의 입면(B)을 갖는 금형에 배치하고, 20㎫의 압력으로 30초 동안 프레스 성형하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 관찰되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 34.8%, 유동부가 35.3%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.05, 유동부가 1.07로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 12]

제조예 9에서 얻어진 랜덤 매트를 가열하여 260℃에 도달 후, 3㎫의 압력으로 7분 동안 가압했다. 그 후, 80℃까지 냉각하여 폴리카보네이트 수지를 매트릭스 수지로 하는 두께 2.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.2%였다. 다음으로, 충전율 80%로 잘라낸 프리프레그를 적외선 가열기 안에 넣어 270℃로 가열했다. 가열한 프리프레그를 100℃로 온도 조정한, 기준면(S)에 대해 85도의 입면(B)을 갖는 금형에 배치하고, 20㎫의 압력으로 30초 동안 프레스 성형하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 관찰되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 34.9%, 유동부가 34.3%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.05, 유동부가 1.05로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 13]

제조예 10에서 얻어진 랜덤 매트를 가열하여 260℃에 도달 후, 3㎫의 압력으로 7분 동안 가압했다. 그 후, 80℃까지 냉각하여 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지를 매트릭스 수지로 하는 두께 2.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.2%였다. 다음으로, 충전율 80%로 잘라낸 프리프레그를 적외선 가열기 안에 넣어 270℃로 가열했다. 가열한 프리프레그를 100℃로 온도 조정한, 기준면(S)에 대해 85도의 입면(B)을 갖는 금형에 배치하고, 20㎫의 압력으로 30초 동안 프레스 성형하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 34.7%, 유동부가 34.0%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.06, 유동부가 1.05로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 14]

제조예 11에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 유지 시간을 5분으로 하는 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 단사 지름 15㎛, 평균 섬유 길이 20㎜의 유리 섬유를 강화 섬유로 하는 두께 2.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.1%였다. 다음으로, 충전율 80%로 잘라낸 2매의 프리프레그를 적외선 가열기 안에 넣어 255℃로 가열했다. 가열한 2매의 프리프레그를 적층하여, 130℃로 온도 조정한, 기준면(S)에 대해 85도의 입면(B)을 갖는 금형에 배치하고, 10㎫의 압력으로 60초 동안 프레스 성형하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 4.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 27.0%, 유동부가 26.0%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.05, 유동부가 1.03으로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 15]

기준면이 30도 경사면이고, 기준면과 입면의 면적비가 3인 금형(그 사시도, 배면도, 및 측면도를 각각, 도 22∼도 24에 나타낸다.)을 이용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 기준면과 입면의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다. 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 3이었다.

얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 관찰되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 34.8%, 유동부가 34.3%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.05, 유동부가 1.07로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 16]

제조예 12의 랜덤 매트를 이용하여, 유지 시간을 3분으로 하는 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 두께 2.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.3%였다. 다음으로, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비가 2인 금형을 이용하는 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 관찰되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 35.2%, 유동부가 34.7%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.03, 유동부가 1.06으로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 17]

제조예 13의 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 두께 2.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.2%였다. 다음으로, 기준면(S)과 입면(B)의 면적비가 2인 금형을 이용하는 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 기준면(S)과 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)과 입면(B)의 면적비는 2였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 관찰되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 19.8%, 유동부가 19.0%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.07, 유동부가 1.09로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[실시예 18]

제조예 14의 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 두께 2.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.2%였다. 다음으로, 기준면(S)과 입면(B)의 면적비가 2인 금형을 이용하는 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 기준면(B)과 입면(S)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면(S)과 입면(B)의 각도는 85도이며, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비는 2였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 관찰되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 45.3%, 유동부가 44.5%로 동등한 값이었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.05, 유동부가 1.09로, 각각 등방성인 것을 확인했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[비교예 1]

제조예 15에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 두께 2.7㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 12.1%였다. 이 프리프레그를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 성형체를 얻었다.

얻어진 성형체의 기준면(S)의 두께는 2.1㎜이었지만, 입면(B)의 두께는 1.2∼1.5㎜로 불균일하였다. 또한, 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있지 않았다(성형성:중대 불량). 성형체의 표면은 평활하지는 않으며, 수지가 충분히 함침되어 있지 않은 드라이한 탄소 섬유도 관찰되었다(외관:중대 불량). 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 28.3%, 유동부가 35.7%로 큰 차가 관찰되었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.10, 유동부가 2.40으로, 유동부는 이방성이었다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[비교예 2]

제조예 16에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 3과 마찬가지로 하여 두께 1.7㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 12.1%였다. 이 프리프레그를 이용하여, 보조 유로(C) 부분이 없는 이외는 도 6에 나타내는 형상과 마찬가지인 금형을 이용하여, 실시예 3과 마찬가지로 하여 성형체를 얻었다.

얻어진 성형체의 기준면(S)의 두께는 2.2㎜이었지만, 입면(B)의 두께는 1.2∼1.7㎜로 불균일하였다. 또한, 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있지 않았다(성형성:중대 불량). 성형체의 표면은 평활하지는 않으며, 수지가 충분히 함침되어 있지 않은 드라이한 탄소 섬유도 관찰되었다(외관:중대 불량). 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 28.3%, 유동부가 35.7%로 큰 차가 관찰되었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.08, 유동부가 2.75로, 유동부는 이방성이었다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[비교예 3]

보조 유로(C)를 갖는 도 6의 금형을 이용한 것 이외는 비교예 2와 마찬가지로 하여 성형했다. 얻어진 성형체의 기준면(S)의 두께는 2.1㎜이었지만, 입면(B)의 두께는 1.7∼2.0㎜로 불균일했다. 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 성형체의 표면은 평활하지는 않으며, 수지가 충분히 함침되어 있지 않은 드라이한 탄소 섬유도 관찰되었다(외관:중대 불량). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 34.5%, 유동부가 32.2%로 차이가 관찰되었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.05, 유동부가 1.55로, 유동부는 이방성이었다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[비교예 4]

제조예 17에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 7과 마찬가지로 하여 두께 0.7㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 11.4%였다. 이 프리프레그를 이용하여, 실시예 7과 마찬가지로 하여 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체의 기준면(S)의 두께는 1.7㎜이었지만, 입면(B)의 두께는 1.0∼1.5㎜로 불균일했다. 성형체는 말단에 약간 결손이 관찰되며(성형성:불량), 성형체의 표면에는 수지가 충분히 함침되어 있지 않은 드라이한 탄소 섬유도 관찰되었다(외관:중대 불량). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 33.1%, 유동부가 30.1%로 차이가 인지되었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.11, 유동부가 1.93으로, 유동부는 이방성이었다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[비교예 5]

제조예 18의 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 판상의 프리프레그를 얻었다. 얻어진 프리프레그의 두께는 23.5∼27.4㎜로 불균일하여, 이를 이용하여 성형을 행해도 양질의 성형체를 얻을 수 없는 것은 명백했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[비교예 6]

제조예 19의 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 판상이며 두께 0.04㎜인 프리프레그를 얻었다. 얻어진 프리프레그는 탄소 섬유의 분포에 소밀이 있어, 불균일했다. 이 프리프레그를 이용하여 성형을 행해도 양질의 성형체를 얻을 수 없는 것은 명백했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[비교예 7]

제조예 20에서 얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평균 섬유 길이 2㎜의 탄소 섬유를 강화 섬유로 하는 두께 2.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.2%였다. 다음으로, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비가 2인 금형을 이용하는 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 기준면(S)의 두께와 입면(B)의 두께가 2.0㎜인 성형체를 얻었다. 금형의 쉐어 에지부는 실시예 1과 마찬가지로 했다.

얻어진 성형체의 기준면과 입면의 각도는 85도이며, 기준면과 입면의 면적비는 2였다. 얻어진 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있으며, 균열 등의 이상은 관찰되지 않았다(성형성:양호). 또한, 표면에는 주름 등도 발생하여 있지 않아, 외관은 양호하였다(외관:양호). 휨도 인지되지 않았다(휨:양호). 성형체의 강화 섬유 체적 함유율(Vf)은, 충전부가 35.1%, 유동부가 33.5%로 다소 차이가 관찰되었다. 또한, 직교하는 2방향의 인장 탄성율 비(Eδ)는 충전부가 1.15, 유동부가 1.35로, 유동부에서는 이방성이 관찰되었다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[비교예 8]

제조예 21의 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 판상의 프리프레그를 얻었다. 얻어진 프리프레그의 두께는 2.3∼4.5㎜로 불균일하여, 이를 이용하여 성형을 행해도 양질의 성형체를 얻을 수 없는 것은 명백했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[비교예 9]

제조예 22의 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 두께 2.6㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 5.5%였다. 다음으로, 기준면(S)에 대한 입면(B)의 면적비가 2인 금형을 이용하는 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 성형체를 얻었다.

얻어진 성형체의 기준면의 두께는 2.1㎜이었지만, 입면의 두께는 1.5∼2.0㎜로 불균일하였다. 또한, 성형체는 말단까지 재료가 충전되어 있지 않았다(성형성:중대 불량). 성형체의 표면에는, 수지가 충분히 함침되어 있지 않은 드라이한 탄소 섬유도 일부 관찰되었다(외관:불량). 결과를 표 2에 나타낸다.

본 발명의 성형체는, 전기·전자 기기 부품, 자동차용 부품, 컴퓨터, OA기기, AV기기, 휴대전화, 전화기, 팩시밀리, 가전 기기, 완구용품 등의 전기, 전자 부품이나 케이스에 이용할 수 있다. 특히, 환경 대응 차에 탑재되는 자동차 부품에 바람직하게 사용할 수 있다.

본 발명을 상세하게 또한 특정 실시 형태를 참조하여 설명했는데, 본 발명 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 분명하다.

본 출원은, 2011년 8월 31일에 출원된 일본 특허출원(특원 2011-189033) 및 2011년 8월 31일에 출원된 일본 특허출원(특원 2011-189034)에 기초한 것으로, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

1:금형의 기준면(S)
2:금형의 입면(B)
1':성형체의 기준면(S)
2':성형체의 입면(B)
3:입면 각도
4:쉐어 각도
5:클리어런스
6:충전부
7:유동부
8A:충전부에 있어서의 Vf 및 인장 탄성율의 측정점(실시예 1)
8B:유동부에 있어서의 Vf 및 인장 탄성율의 측정점(실시예 1)
9A:충전부에 있어서의 Vf 및 인장 탄성율의 측정점(실시예 2)
9B:유동부에 있어서의 Vf 및 인장 탄성율의 측정점(실시예 2)
10:금형의 보조 유로(C)
11:성형체의 보조 유로(C)
12:보조 유로(C)의 두께
13:보조 유로(C)의 폭
14:캐비티 클리어런스(성형체의 두께에 상당)
15:금형의 모따기부(D)
16:캐비티 클리어런스(모따기부(D)의 최대 두께에 상당)

Claims

평균 섬유 길이가 5㎜ 이상 100㎜ 이하인 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료로 구성되는 성형체로서,
강화 섬유 체적 함유율이 5∼80%이며,
기준면(S)과 기준면에 대해 45도 이상 90도 이하인 면(B)(이하, 입면이라고 칭한다)을 갖고,
기준면(S)의 면적에 대한, 입면(B)의 면적 비는 0.5∼100이며,
그 성형체를 구성하는 섬유 강화 복합 재료 중, 아래 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)의 강화 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 것을 특징으로 하는 성형체.
임계 단사 수=600/D (1)
(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다.)
제1항에 있어서,
상기 섬유 강화 복합 재료에서, 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 아래 식 (2)을 만족시키는 성형체.
0.7×10⁴/D²<N<1×10⁵/D² (2)
(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다.)
제1항 또는 제2항에 있어서,
기준면(S)과 기준면에 대해 80도 이상 90도 이하인 입면(B')을 갖고, 기준면의 면적에 대한, 입면(B')의 면적 비는 1∼20인 성형체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
보조 유로(C)를 갖는 성형체.
제4항에 있어서,
상기 보조 유로(C)를 갖는 부위의 성형체 두께(a)에 대한, 보조 유로(C)의 두께(b)의 비가 1.1 이상 30 이하인 성형체.
제5항에 있어서,
성형체 두께(a)에 대한 보조 유로(C)의 폭(c)의 비가 0.1∼10이며, 보조 유로(C)의 단면적(d)이 아래 식 (3)
보조 유로(C)의 단면적(d)≥성형체 두께(a)×성형체 두께(a)×1.05 (3)
을 만족시키는 성형체인 성형체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
기준면(S)과 입면(B)의 경계부에 모따기부(D)를 갖는 성형체.
제7항에 있어서,
입면(B)의 성형체 두께(L1)에 대한 모따기부(D)의 최대 두께(L2)의 비가 0.9 이상인 것을 특징으로 하는 성형체.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
강화 섬유의 평균 섬유 길이가 5∼80㎜인 성형체.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
강화 섬유가 탄소 섬유, 유리 섬유, 및 아라미드 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 성형체.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
임의의 방향, 및 이와 직교하는 방향에 대한 인장 탄성율이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Eδ)가 1.0∼1.3이 되는 성형체.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
입면(B)의 단부에 플랜지부를 갖는 성형체.
평균 섬유 길이 5㎜ 이상 100㎜ 이하인 강화 섬유와 열 가소성 수지를 포함하며, 강화 섬유의 단위면적당 중량이 25∼10000g/㎡이고, 아래 식 (1)
임계 단사 수=600/D (1)
(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다.)
에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)에 대해, 강화 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 랜덤 매트를 이용하여, 이하의 공정 A-1)∼A-3)
A-1) 랜덤 매트를, 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도로 가열하고, 가압하여 열 가소성 수지를 강화 섬유 다발 내에 함침시켜 프리프레그를 얻는 공정.
A-2) A-1)에서 얻어진 프리프레그를, 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도로 하고, 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 온도 조절되며, 기준면(S)과 입면(B)을 갖는 금형에 배치하는 공정.
A-3) 상기 A-2)에서 금형에 배치한 프리프레그를 가압하여, 성형하는 공정.
에 의해 함침∼성형을 행하거나,
또는 이하의 공정 B-1)∼B-4)
B-1) 랜덤 매트를 기준면(S)과 입면(B)을 갖는 금형에 배치하는 공정.
B-2) 금형을 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 열 가소성 수지의 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 열 가소성 수지의 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지 승온하면서, 가압하는 공정(제1프레스 공정).
B-3) 1단 이상이며, 최종단의 압력이 제1프레스 공정의 압력의 1.2배∼100배가 되도록 가압하는 공정(제2프레스 공정).
B-4) 열 가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 금형 온도를 조절하는 것에 의해 성형하는 공정.
에 의해 함침∼성형을 행하는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 성형체의 제조 방법.
제13항에 있어서,
아래 식 (4)에서의 충전율이 5% 이상 100% 이하가 되도록 랜덤 매트 또는 프리프레그를 금형에 배치하는 성형체의 제조 방법.
충전율(%)=100×기재면적(㎟)/기준면과 입면과 플랜지부의 면적 합(㎟) (4)
(여기서 기재면적이란 배치한 모든 랜덤 매트 또는 프리프레그의 드래프트 방향에의 투영 면적이다.)
제13항 또는 제14항에 있어서,
A-3 또는, B-2∼B-3에서의 성형 압력이 0.1㎫∼100㎫인 성형체의 제조 방법.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
보조 유로(C)를 갖는 금형을 이용하는 성형체의 제조 방법.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
모따기부(D)를 갖는 금형을 이용하는 성형체의 제조 방법.