KR20160050762A - Forming Device of Long Fiber Reinforced Thermoplastic Composite Material and Preparation Method Thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 강화섬유의 파손을 최소화할 수 있어 물성보강 효과를 확보하고, 스트랜드 형태로 이루어져 성형품을 효율적으로 제조할 수 있도록 한 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus for molding a long fiber-reinforced thermoplastic composite material and a method of manufacturing the same, which can minimize the breakage of the reinforcing fiber, ensure a reinforcing effect on physical properties, and can be formed into a strand shape so as to efficiently produce a molded article.
복합 재료는 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 보강재(reinforcement)와 매트릭스(matrix)가 거시적으로 서로 간에 구분되는 계면을 가지도록 조합되어 유효한 기능을 가지는 재료를 의미한다. 상기 복합 재료는 각 소재의 효율적인 조합에 의하여 다양한 물성을 확보할 수 있어, 항공, 우주, 자동차, 스포츠, 산업기계, 의료기구, 군수용품, 건축 및 토목자재에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다.A composite material means a material having two or more materials having different compositions or shapes and having an effective function by combining the reinforcement and the matrix so that the matrix has macroscopically separated interfaces therebetween. The composite material is variously applied to a variety of materials such as aerospace, space, automobile, sports, industrial machinery, medical instrument, military supplies, construction and civil engineering materials because various materials can be secured by efficient combination of respective materials.
특히, 섬유 강화 복합 재료는 보강재로서 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 실리콘 카바이드 섬유와 같은 섬유를 사용하여 제조된 것으로, 강도가 크고 가벼우며, 성형성이 우수하다는 이점 등으로 인해 복합 재료 중에서도 각광받고 있는 소재이다.In particular, the fiber-reinforced composite material is produced by using fibers such as glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, and silicon carbide fiber as a reinforcing material. Due to its strength and light weight, The material is received.
상기 섬유 강화 복합 재료는 보강재의 재질이나 섬유의 길이 등을 변화시켜 다양한 용도에 사용하고 있다. 그중 유리 섬유가 보강재로서 가장 폭넓게 사용하고 있으며, 일례로, 대한민국 특허공개 제2006-7004105호는 폴리프로필렌 공중합체와 유리 섬유를 혼련하여 자동차 좌석, 머리 받침대, 무릎 보호장치, 글로브 박스 도어, 인스트루먼트 패널, 범퍼 퍼시아, 범퍼 빔 등의 자동차 물품에 적용함을 개시하고 있으며, 일본 특허공개 제2008-202013호는 폴리카보네이트/스티렌계 수지에 유리 장섬유를 사용하여 자동차의 외장 패널로 응용할 수 있음을 언급하고 있다.The fiber-reinforced composite material is used for various purposes by changing the material of the reinforcing material and the length of the fiber. Among them, glass fiber is most widely used as a reinforcing material. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-7004105 discloses a method of kneading a polypropylene copolymer and a glass fiber to produce an automobile seat, a head restraint, a knee protector, a glove box door, , Bumper pulleys and bumper beams. Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2008-202013 discloses that polycarbonate / styrene resin can be used as an external panel of a vehicle by using glass filaments .
보강재로서 유리 섬유 외에 일본 특허공개 제2011-137077호는 자동차의 인스트루먼트 패널에 사용하기 위해 폴리프로필렌계 수지에 폴리에스테르 또는 폴리아미드 섬유 등의 유기 장섬유를 포함하는 섬유 강화 복합 재료를 개시하고 있으며, 대한민국 특허공개 제2006-0075902호는 저취성의 프로필렌계 수지에 유리섬유, 탄소섬유, 그래파이트 섬유, 금속섬유 등을 첨가한 섬유 강화 복합 재료를 개시하고 있다.In addition to glass fiber as a reinforcing material, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2011-137077 discloses a fiber reinforced composite material comprising an organic long fiber such as polyester or polyamide fiber in a polypropylene resin for use in an instrument panel of an automobile, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-0075902 discloses a fiber reinforced composite material in which glass fibers, carbon fibers, graphite fibers, metal fibers, and the like are added to a low-brittleness propylene resin.
섬유 강화 복합 재료 중 탄소 섬유를 보강재로 사용한 탄소 섬유 강화 복합 재료는 가벼움과 동시에 강성, 내충격성, 내열성, 화학적 안정성, 치수 안정성, 내마모성, 유연성 등의 물성이 타 보강재보다 우수하다. 이러한 물성은 탄소 섬유의 길이가 긴 장섬유를 사용할 경우 더욱 향상된다.The carbon fiber reinforced composite material using carbon fiber as a reinforcing material in fiber reinforced composite material is superior to other reinforcing materials in lightness and physical properties such as rigidity, impact resistance, heat resistance, chemical stability, dimensional stability, abrasion resistance and flexibility. This property is further improved when long fibers of carbon fiber are used.
통상 섬유 강화 복합 재료는 매트릭스로 사용하는 열가소성 수지와 섬유 보강재를 혼합 후 용융시켜 압출 등의 성형 공정을 통해 제조한다. Generally, a fiber reinforced composite material is produced by mixing a thermoplastic resin used as a matrix with a fiber reinforcing material, melting the material, and molding the material by extrusion or the like.
일예로 대한민국 등록특허 10-1283827호는 고화 및 가수분해를 방지할 수 있는 압출/사출 동시 성형 장치 및 이를 이용한 열가소성 장섬유 강화 복합재의 제조방법에 관한 것으로, 압출부의 제1 및 제2 주입부에 열가소성 플라스틱 20~50 중량% 및 보강재 50~80 중량%를 투입하는 원료 투입 단계; 상기 제1 및 제2 주입부로부터 상기 제1 및 제2 주입부와 연통되는 혼합부에 공급되는 열가소성 플라스틱 및 보강재를 용융 혼련시켜 중간재를 생성하는 중간재 생성 단계; 상기 압출부 및 상기 압출부의 혼합부에 연통되는 사출부 사이에 배치되는 밸브를 개방하여, 상기 용융 혼련된 중간재를 사출부의 임시 저장부에 저장하는 중간재 저장 단계; 및 상기 임시 저장부에 저장된 중간재를 사출기의 피스톤 유닛으로 금형에 주입하여 열가소성 장섬유 강화 복합재를 형성하는 사출 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출/사출 동시 성형 장치를 이용한 열가소성 장섬유 강화 복합재의 제조 방법을 개시하고 있다. For example, Korean Patent No. 10-1283827 discloses an extrusion / extrusion simultaneous molding apparatus capable of preventing solidification and hydrolysis, and a method for manufacturing a thermoplastic long fiber-reinforced composite material using the same. In the first and
본 발명의 과제는 압출기 내에서 폴리프로필렌계 수지가 탄소 장섬유와 혼련될 때 탄소 장섬유의 파손을 줄여 충분한 길이의 탄소 장섬유를 포함함으로써 물성 보강 효과를 극대화할 수 있는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치 및 이를 이용한 제조방법을 제공하는 것이다. The object of the present invention is to provide a long fiber-reinforced thermoplastic composite material capable of maximizing the effect of reinforcing a physical property by containing a carbon fiber having a sufficient length by reducing breakage of the carbon fiber when the polypropylene resin is kneaded with the carbon fiber in the extruder And a manufacturing method using the same.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은In order to achieve the above object,
제1 용융 공간을 갖는 제1 하우징, 상기 제1 하우징의 일단에 마련된 제1 배출부, 상기 제1 용융공간으로 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 투입하기 위해 상기 제1 하우징의 상단에 구비된 제1 주입부, 상기 제1 용융 공간에 투입된 폴리프로필렌계 수지를 가열하기 위한 제 1 히터, 상기 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 혼련하여 상기 제1 배출부로 배출시키기 위해 상기 제1 용융 공간에 마련된 혼련 수단을 갖는 제1 압출부;A first housing having a first melting space, a first discharging part provided at one end of the first housing, and a second housing provided at an upper end of the first housing for introducing a polypropylene resin and a compatibilizing agent into the first melting space, A first heater for heating the polypropylene resin charged in the first melting space, a kneader provided in the first melt space for kneading the polypropylene resin and the compatibilizer and discharging the polypropylene resin and the compatibilizer to the first discharge portion, A first extruder having means;
상기 제1 압출부와 수직으로 구비되며, 제2 용융 공간을 갖는 제2 하우징, 상기 제2 하우징의 일단에 마련된 제2 배출부, 상기 제1 배출부와 연통되며, 제1 압출부로부터 배출되는 중간재를 상기 제2 용융 공간으로 투입하기 위해 상기 제2 하우징의 일단에 마련된 제2 주입부, 상기 제2 용융 공간으로 탄소 장섬유를 투입하기 위해 제2 하우징 일측에 구비된 제3 주입부, 상기 제2 용융 공간으로 투입된 중간재를 가열하기 위한 제2 히터, 상기 중간재와 탄소섬유를 혼련하여 상기 제2 배출부로 배출시키기 위해 상기 제2 용융 공간에 마련된 혼련 수단을 갖는 제2 압출부; 및A second housing provided perpendicularly to the first extruded portion and having a second melting space, a second outlet provided at one end of the second housing, and a second outlet communicated with the first outlet, A second injection part provided at one end of the second housing to inject the intermediate material into the second melting space, a third injection part provided at one side of the second housing to inject the carbon fiber into the second melting space, A second extruder having kneading means provided in the second melt space for kneading the carbon fiber with the intermediate material and discharging the carbon fiber to the second discharge unit; a second heater for heating the intermediate material charged into the second melt space; And
상기 제2 배출부를 통해 배출되는 복합재료를 스트랜드 성형하기 위해 제2 배출부에 구비된 스트랜드 다이And a strand die provided in the second discharge portion for strand-forming the composite material discharged through the second discharge portion,
를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형장치를 제공한다. Wherein the thermoplastic resin is a thermoplastic resin.
또한 본 발명은 Also,
제1 압출부의 제1 주입부에 폴리프로필렌계 수지 40∼93 중량%와 상용화제로 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-에틸렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌 블록 공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 스티렌계 블록 공중합체 0.3∼10 중량%를 투입하여 용융 혼련하는 단계;40 to 93% by weight of a polypropylene resin as a first injecting portion of the first extruding portion, 40 to 93% by weight of a polypropylene resin as a compatibilizing agent, a styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer, a styrene- - 0.3 to 10% by weight of one kind of styrenic block copolymer selected from the group consisting of styrene block copolymer, styrene-ethylene-propylene block copolymer, and combinations thereof, and melt-kneading;
상기 제1 압출부의 제1 배출부와 연통된 제2 압출부의 제2 주입부를 통해 제1 압출부로부터 용융 혼련된 중간재를 이송받고, 상기 제2 압출부의 제3 주입부를 통해 섬유 직경이 1∼50 ㎛인 탄소 장섬유 5∼50 중량%를 투입하여 용융 혼련하는 단계; 및The intermediate material melt-kneaded from the first extruded portion through the second injection portion of the second extruded portion communicated with the first extruded portion of the first extruded portion is fed through the third injected portion of the second extruded portion, And 5 to 50% by weight of carbon filament fibers are melted and kneaded; And
상기 제2 압출부의 배출부에 구비된 스트랜드 다이를 통해 용융 혼련된 복합재료를 압출하여 스트랜드 성형하는 단계Extruding the composite material melt-kneaded through the strand die provided in the discharge portion of the second extruded portion and strand-forming
를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 제조방법을 제공한다.And a method of producing a long fiber-reinforced thermoplastic composite material.
본 발명에 따르면, 보강섬유인 탄소 장섬유의 길이 보전으로 제조된 복합 재료의 기계적 물성을 향상시킬 수 있으며, 제조된 복합재료는 스트랜드 형태로 이루어져 성형품 제조가 용이하다. 이렇게 제조된 복합재료는 강성, 내충격성 및 내열성이 향상되어 자동차를 비롯한 각종 수송 수단뿐만 아니라 복합 재료가 요구되는 다양한 분야에 적용 가능하다.According to the present invention, it is possible to improve the mechanical properties of a composite material produced by preserving the length of a carbon fiber, which is a reinforcing fiber, and the composite material is formed into a strand shape, thereby facilitating the production of a molded article. The composite material thus prepared is improved in rigidity, impact resistance and heat resistance, and can be applied not only to various transportation means including automobiles, but also to various fields requiring composite materials.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 섬유 함유량를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 기공 함유량를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 인장 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 굴곡 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 충격 강도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 상기 인장시험 후 섬유투입량 별 시편의 파단부를 전자현미경으로 100배 확대하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 복합재료의 섬유장 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 1 is a conceptual diagram showing a molding apparatus for a long fiber-reinforced thermoplastic composite material according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the fiber content of the composite material produced in Examples 1 to 3 of the present invention.
3 is a graph showing the pore content of the composite material prepared in Examples 1 to 3 of the present invention.
4 is a graph showing tensile properties of the composite material produced in Examples 1 to 3 of the present invention.
5 is a graph showing the bending characteristics of the composite material produced in Examples 1 to 3 of the present invention.
6 is a graph showing the impact strength of the composite material produced in Examples 1 to 3 of the present invention.
Fig. 7 is a photograph showing the result of observation of the rupture part of the test piece by the electron microscope magnified 100 times by the amount of fiber input after the tensile test.
8 is a graph showing the fiber length measurement results of the composite material produced in Example 1 of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.In the following detailed description, the names of the components are denoted by the first, second, and so on in order to distinguish them from each other in terms of the same names, and are not necessarily limited to those in the following description.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치를 나타낸 개념도이다. 1 is a conceptual diagram showing a molding apparatus for a long fiber-reinforced thermoplastic composite material according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치(100)는 장섬유와 열가소성 수지를 용융 혼련하여 복합재료를 제조하기 위한 것이다. Referring to FIG. 1, an
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치(100)은 기본적으로, 제1 압출부(10)와, 제2 압출부(20)와 스트랜드 다이(30)와 커팅부(40)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.To this end, the
상기 제1 압출부(10)은 폴리프로필렌계 수지가 수용되는 제1 용융 공간(11)을 갖는 제1 하우징(12), 상기 제1 용융 공간(11)으로 공급된 폴리프로필렌계 수지를 가열하기 위한 히터(미도시), 제1 용융 공간(11)으로 투입된 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 혼련하기 위한 혼련 수단으로서 제1 스크류(15)를 포함한다. The first extruding
이때 상기 히터는 제1 하우징(12)의 외주면에 배치되며, 제1 용융 공간(11)으로 열을 공급하여 제1 주입부(13)을 통해 투입된 폴리프로필렌계 수지를 융용시킨다. At this time, the heater is disposed on the outer circumferential surface of the
상기 제1 스크류(15)는 제1 용융 공간(11)으로 투입된 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 제1 하우징(12)의 일단에 마련된 제1 배출부(14) 쪽으로 이송시키면서 혼련시킨다. 이에 따라 제1 용융 공간(11)으로 투입된 폴리프로필렌계 수지와 상용화제는 제1 스크류(15)에 의해 제1 배출부(14) 쪽으로 이송되면서 용융 및 혼련되어 중간재로 제조된다. The
상기 혼련 조건은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 폴리프로필렌계 수지의 용융이나 혼련이 원활하게 행해지도록 적절히 설정하면 된다. 바람직하기로 상기 제1 용융 공간(11)의 온도는 210℃∼280℃의 범위, 더욱 바람직하기로 220℃∼270℃의 범위로 한다. The kneading conditions are not particularly limited, and may be suitably set, for example, so that melting and kneading of the polypropylene resin can be performed smoothly. Preferably, the temperature of the
상기 제1 스크류(15)의 회전수는 각 성분을 충분히 혼련할 수 있는 레벨이면 되지만, 2∼300rpm의 범위가 바람직하고, 5∼200rpm의 범위가 보다 바람직하다.The number of revolutions of the
상기 폴리프로필렌계 수지는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 폴리프로필렌 단독 중합체 또는 공중합체가 가능하며, 이소태틱(isotactic), 신디오택틱(syndiotactic) 및 어택틱(atactic) 구조를 모두 포함한다.The polypropylene resin is not particularly limited in the present invention, but may be a polypropylene homopolymer or a copolymer, and includes all isotactic, syndiotactic, and atactic structures.
구체적으로 폴리프로필렌 코폴리머는 프로필렌 모노머와 알파 올레핀 모노머가 공중합된 공중합체를 의미한다. 이러한 알파 올레핀은 탄소수 3∼12의 탄화수소로, 일예로 1-부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 4-메틸-1-펜텐, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-노넨, 1-데센, 1-운데센 및 1-도데센, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.Specifically, the polypropylene copolymer means a copolymer in which a propylene monomer and an alpha olefin monomer are copolymerized. These alpha olefins are hydrocarbons having 3 to 12 carbon atoms, such as 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 4-methyl-1-pentene, 1-heptene, 1-undecene and 1-dodecene, and combinations thereof.
일례로, 폴리프로필렌 코폴리머는 프로필렌-에틸렌 공중합체, 프로필렌-에틸렌-알파 올레핀 공중합체 등일 수 있다.For example, the polypropylene copolymer may be a propylene-ethylene copolymer, a propylene-ethylene-alpha olefin copolymer, or the like.
상기 폴리프로필렌 공중합체는 랜덤 공중합체, 블록 공중합체 또는 그래프트 공중합체의 형태일 수 있으며, 사용 목적에 따라 적절하게 선택하여 사용한다.The polypropylene copolymer may be in the form of a random copolymer, a block copolymer or a graft copolymer, and is appropriately selected depending on the intended use.
본 발명에서 폴리프로필렌계 수지는 전체 복합 재료 조성물이 100 중량%를 만족하도록 40∼93 중량%로 사용한다. 만약 폴리프로필렌계 수지의 함량이 상기 범위 미만이면 복합 재료의 매트릭스로서 역할을 수행할 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 상대적으로 탄소 장섬유나 상용화제의 함량이 줄어들어 원하는 물성을 얻을 수 없으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.In the present invention, the polypropylene resin is used in an amount of 40 to 93% by weight so as to satisfy 100% by weight of the entire composite material composition. If the content of the polypropylene resin is less than the above range, it can not serve as a matrix of the composite material. On the contrary, when the content exceeds the above range, the content of the carbon fiber or the compatibilizing agent is decreased, Use properly within the range.
특히, 본 발명에서는 전술한 바의 폴리프로필렌계 수지와 탄소 장섬유의 혼화성을 위해, 특정 상용화제를 소정 범위로 사용한다.Particularly, in the present invention, a specific compatibilizing agent is used in a predetermined range for the compatibility of the polypropylene resin and the carbon fiber as described above.
바람직하기로, 상용화제로는 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-에틸렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌 블록 공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 스티렌계 블록 공중합체을 전체 복합 재료 조성물 100 중량%에 대해 0.3∼10 중량%로 사용한다.Preferable examples of the compatibilizing agent include styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer, styrene-ethylene-butylene-ethylene block copolymer, styrene-ethylene-propylene-styrene block copolymer, styrene- , And combinations thereof, is used in an amount of 0.3 to 10 wt% based on 100 wt% of the entire composite material composition.
상기 상용화제는 화학적 결합이나 물리적 결합을 통해 폴리프로필렌계 수지와 탄소 장섬유 간의 계면 특성을 향상시킬 수 있다.The compatibilizing agent can improve the interfacial properties between the polypropylene resin and the carbon fiber by chemical bonding or physical bonding.
이러한 상용화제의 함량은 그 종류뿐만 아니라 전체 조성물 내에서의 함량 제어 또한 중요하다. 즉, 상용화제를 적절히 사용하여야만 성형 공정에서 폴리프로필렌계 수지와 탄소 장섬유 간의 혼화성을 향상시킬 수 있다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면 폴리프로필렌계 수지 매트릭스에 탄소 장섬유가 균일하게 분산되지 않아 탄소 장섬유의 사용에 따른 물성 향상을 기대할 수 없으며, 반대로 상기 범위를 초과하면 과도한 상용화제의 사용으로 인해 제조원가 상승의 부담이 발생하여 이 또한 바람직하지 못하므로 상기 범위 내에서 적절히 사용한다. It is also important to control the content of such compatibilizers as well as their content in the overall composition. That is, the compatibilizing property between the polypropylene resin and the carbon fiber in the molding process can be improved if a compatibilizer is appropriately used. If the content is less than the above range, the carbon fiber is not uniformly dispersed in the polypropylene type resin matrix, so that the improvement in properties due to use of the carbon fiber can not be expected. Conversely, if the content exceeds the above range, It is undesirable because the burden of increase in the cost of production arises. Therefore, it is suitably used within the above range.
상기 제2 압출부(20)는 제1 압출부와 수직으로 배치되며, 중간재와 탄소 장섬유가 수용되는 제2 용융 공간(21)을 갖는 제2 하우징(22), 상기 제1 압출부(10)으로부터 배출되는 중간재를 제2 용융 공간(21)으로 투입하기 위해 제2 하우징(22)의 일단에 마련된 제2 주입부(23), 상기 제2 용융 공간(21)으로 탄소 장섬유를 투입하기 위해 제2 하우징 일측에 구비된 제3 주입부(24), 상기 제2 용융 공간(21)으로 공급된 중간재를 가열하기 위한 히터(미도시), 제2 용융 공간(21)으로 투입된 중간재와 탄소 장섬유를 혼련하기 위한 혼련 수단으로서 제2 스크류(26)를 포함한다. The
이때 상기 히터는 제2 하우징(22)의 외주면에 배치되며, 제2 용융 공간(21)으로 열을 공급하여 제2 주입부(23)을 통해 투입된 중간재를 융용시킨다. At this time, the heater is disposed on the outer circumferential surface of the
상기 제2 스크류(206)는 제2 용융 공간(21)으로 투입된 중간재와 탄소 장섬유를 제2 하우징(22)의 일단에 마련된 제2 배출부(25) 쪽으로 이송시키면서 혼련시킨다. 이에 따라 제2 용융 공간(21)으로 투입된 중간재와 탄소 장섬유는 제2 스쿠류(26)에 의해 제2 배출부(25) 쪽으로 이송되면서 용융 및 혼련된다. The second screw 206 transports and kneads the intermediate material and the carbon fibers introduced into the
이때 제2 용융 공간의 내부 온도, 제2 스크류의 회전수는 제1 압출부의 제1 용융 공간의 내부 온도, 제1 스크류의 회전수와 동일한 범위 내로 조절된다. At this time, the internal temperature of the second melting space, the number of revolutions of the second screw is adjusted within the same range as the internal temperature of the first molten space of the first extruding portion, and the number of revolutions of the first screw.
특히 본 발명에서는 탄소 장섬유가 제2 압출부(20)에 투입되어 중간재와 혼련됨으로써 혼련 시간을 단축된다. 이에 따라 스크류와 같은 혼련 수단과 탄소 장섬유의 충돌에 의한 길이 손상을 줄일 수 있다. 그 결과 보강섬유인 탄소 장섬유의 길이 보전으로 제조된 복합 재료의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. In particular, in the present invention, the carbon fiber is fed into the
보강 섬유로서 사용하는 탄소 장섬유는 직경과 중량평균 섬유 길이, 및 그 사용 함량에 따라 보강 섬유로서의 기대 효과에 영향을 준다. 이미 언급한 바와 같이 탄소 장섬유는 용융된 폴리프로필렌계 수지의 미세 구조에 침투되어 균일하게 분산되어야 하는데, 이때 적절한 범위의 직경과 중량평균 섬유 길이를 가져야 우수한 기계적 물성과 열적 성질을 나타낼 수 있다.The carbon fiber used as the reinforcing fiber influences the expected effect as the reinforcing fiber depending on the diameter and the weight average fiber length and the use amount thereof. As already mentioned, the carbon filament must be uniformly dispersed into the microstructure of the molten polypropylene resin. In this case, the diameter and the weight average fiber length of the proper range should exhibit excellent mechanical properties and thermal properties.
바람직하기로, 본 발명에서 제시하는 탄소 장섬유는 섬유 직경이 1∼50 ㎛인 것을 전체 조성물 100 중량%에 대하여 0.3∼10 중량%로 사용한다. Preferably, the carbon fiber to be used in the present invention has a fiber diameter of 1 to 50 μm in an amount of 0.3 to 10% by weight based on 100% by weight of the whole composition.
상기 탄소 장섬유의 직경이 상기 범위 미만이면 강화 섬유로 사용하기에 너무 가늘어 물성 보강 효과가 충분하지 못할 우려와 더불어 섬유가 엉키는 현상이 발생할 수 있고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 탄소 장섬유가 용융된 폴리프로필렌계 수지의 미세 구조에 충분히 침투할 수 없어 원하는 물성을 충분히 확보할 수 없으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.If the diameter of the carbon fibers is less than the above range, the fibers may become too tough to be used as reinforcing fibers, resulting in insufficient physical reinforcing effect. In addition, if the carbon fibers have a diameter exceeding the above range, It is impossible to sufficiently penetrate the microstructure of the polypropylene resin thus obtained, so that desired physical properties can not be sufficiently ensured.
그리고, 본 발명에서 제시하는 탄소 장섬유는 보강 소재로서 충분한 물성 확보를 위해 상기 범위의 함량으로 사용한다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면, 탄소 장섬유의 사용으로 인한 물성을 충분히 확보할 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 제조가 어렵고 성형 공정에서 탄소 장섬유가 뭉쳐 폴리프로필렌계 수지 매트릭스 내에 불균일하게 분산되어 이 또한 복합 재료의 물성 저하를 야기할 수 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.The carbon fiber used in the present invention is used as a reinforcing material in a content within the above range in order to secure sufficient physical properties. If the content is less than the above range, the physical properties due to the use of the carbon filament can not be sufficiently secured. On the other hand, if the content exceeds the above range, the carbon filament is unevenly dispersed in the polypropylene resin matrix And this may also cause deterioration of the physical properties of the composite material, so that it is appropriately used within the above range.
이외에도 본 발명에 따른 섬유 강화 복합 재료는 목적에 따라 원하는 물성을 확보하거나 성형을 용이하게 하기 위해, 통상의 열가소성 수지의 성형 공정에서 사용하는 첨가제를 더욱 포함할 수 있다. 예를 들면, 산화 방지제, 가공 안정제, 광 안정제, 엘라스토머, 난연제, 무기충전제, 카본블랙, 결정핵제, 자외선흡수제, 제진제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색제, 연화제, 활제, 안료, 염료, 열안정제, 이형제, 대전방지제, 가소제, 윤활제, 발포제, 제포제, 방부제 및 커플링제 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종이 가능하다.In addition, the fiber-reinforced composite material according to the present invention may further include an additive used in a usual thermoplastic resin molding process in order to secure desired physical properties or facilitate molding according to purposes. Examples of the antioxidant include antioxidants, processing stabilizers, light stabilizers, elastomers, flame retardants, inorganic fillers, carbon black, nucleating agents, ultraviolet absorbers, antiseptics, antimicrobial agents, insect repellents, deodorants, colorants, , A release agent, an antistatic agent, a plasticizer, a lubricant, a foaming agent, a defoamer, a preservative and a coupling agent, and a mixture thereof.
상기 첨가제로는 전체 조성물 100 중량% 중 5 중량% 이하로 사용하며, 당업자에 의해 필요한 첨가제의 선택과 함량을 제어할 수 있다. 이러한 첨가제는 상용화제와 함께 제1 주입부 또는 탄소 장섬유와 함께 제3 주입부를 통해 투입될 수 있다. The additive is used in an amount of 5% by weight or less based on 100% by weight of the total composition, and the selection and content of additives required by those skilled in the art can be controlled. Such an additive may be introduced through the third injection part together with the first injection part or the carbon fiber together with the compatibilizer.
상기 제2 압출부(30)에서 용융 및 혼련된 복합 재료는 제2 배출부(25)에 구비된 스트랜드 다이(30)를 통해 압출되면서 스트랜드 형태로 제조된다. The composite material melted and kneaded in the second extruding
이렇게 제조된 스트랜드 복합재료는 커팅 장치(40)를 거치면서 일정 길이로 분할된다. The stranded composite material thus produced is divided into a certain length while passing through the cutting
이렇게 제조된 섬유 강화 복합 재료는 파단 강도가 50 MPa 이상, 인장 모듈러스가 6 GPa 이상, 굴곡 강도가 180 MPa 이상, 내충격 강도 30 KJ/m2 이상, 열분해 온도가 400℃ 이상의 물성을 가져, 다양한 분야에 적용될 수 있다.The fiber-reinforced composite material thus produced has properties of a breaking strength of 50 MPa or more, a tensile modulus of 6 GPa or more, a flexural strength of 180 MPa or more, an impact strength of 30 KJ / m 2 or more and a pyrolysis temperature of 400 ° C. or more, Lt; / RTI >
예를 들면, 자동차 등의 수송 수단 재료, 우주 항공재료, 방위 부품 재료, 전기 전자재료, 토목 건축재료, 생체의료 재료 및 각종 스포츠용품 재료 등 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 바람직하기로 자동차에 사용될 수 있다.For example, it can be used in various fields such as automobile transportation materials, aerospace materials, defense parts materials, electric and electronic materials, civil engineering building materials, biomedical materials and various sports goods materials, have.
특히 본 발명에 따른 탄소 장섬유 강화 복합 재료는 수송 수단에 적용할 수 있다. 이때 수송 수단은 자동차, 기차, 비행기, 헬리콥터, 트럭, 오토바이, 자전거, 배, 요트 등이 가능하다. In particular, the carbon fiber reinforced composite material according to the present invention can be applied to a transportation means. At this time, the transportation means can be a car, a train, an airplane, a helicopter, a truck, a motorcycle, a bicycle, a ship, a yacht and the like.
즉, 탄소 장섬유 복합 재료는 가볍기 때문에 현재 부품으로 사용되고 있는 철이나 알루미늄 대비 자동차, 특히 자동차의 외장재(예, 본네트)에 적용하여 경량화를 달성할 수 있어 강성이나 내충격성, 내열성이 높아 기존 수송 수단에 사용하는 재료 일부 또는 전체를 대체할 수 있어, 시장에서의 경쟁력을 선점할 수 있다.
In other words, since the carbon fiber composite material is lightweight, it can be applied to automobile, especially automobile exterior material (eg, bonnet) compared to iron or aluminum, which is currently used as a component, so that lightness can be attained and rigidity, impact resistance, It is possible to substitute some or all of the materials used in the market, leading to a competitive advantage in the market.
이하 본 발명의 바람직한 실시예와 실험예를 제시한다. 그러나 하기한 예는 본 발명의 바람직한 예일 뿐 이러한 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments and experimental examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited by these examples.
실시예Example : 탄소 : Carbon 장섬유Long fiber 강화 복합 재료의 제조 Manufacture of reinforced composite materials
하기 표 1의 조성을 이용하여 섬유 강화 복합 재료를 제조하였다. 구체적으로, 제1 압출부에 폴리프로필렌수지 (제조원: 폴리미래, MI: 12g/10 min (230 ℃))와 상용화제를 첨가한 후, 제1 압출부를 이용하여 충분히 혼련 후 제2 압출부에 탄소 장섬유(도레이 社, T700SC-12K, 800TEX)를 첨가 한 후 혼련하여 스트랜드 다이를 통과시켜 지름이 1 mm인 탄소 섬유 강화 폴리프로필렌 복합 재료를 제조하였다. 이때 가공 온도는 230 ℃, 스크류 속도는 100 rpm 이었다.
A fiber-reinforced composite material was prepared using the composition shown in Table 1 below. Specifically, a polypropylene resin (manufactured by Polymyra, MI: 12 g / 10 min (230 ° C)) and a compatibilizing agent were added to the first extruded portion and then sufficiently kneaded using the first extruded portion, Carbon filaments (Toray, T700SC-12K, 800TEX) were added, kneaded and passed through a strand die to produce a carbon fiber-reinforced polypropylene composite material having a diameter of 1 mm. At this time, the processing temperature was 230 ° C and the screw speed was 100 rpm.
Example 3
81
Carbon filament (length: 20 mm,
6
12
18
One
One
One
실험예Experimental Example 1: 물성 측정 1: Measurement of physical properties
상기 실시예에서 제조한 섬유 강화 복합 재료의 물성을 측정하여 그 결과를 나타내었다. The physical properties of the fiber-reinforced composite material prepared in the above examples were measured and the results are shown.
1. 섬유 함유량 및 기공 함유량1. Fiber content and pore content
ASTM D3171-06을 기준하여 matrix burn off 방법으로 측정하고 아래 식을 사용하여 구하였다. 그 결과는 도 2 및 도 3에 나타내었다. ASTM D3171-06 was measured using a matrix burn off method and the following equation was used. The results are shown in FIG. 2 and FIG.
2. 섬유 투입량에 따른 기계적 물성2. Mechanical properties according to fiber input
- 인장 특성: ASTM D638에 기준하여 시험속도 2 mm/min으로 인장시험을 진행하였다. - Tensile Properties: The tensile test was carried out at a test speed of 2 mm / min according to ASTM D638.
- 굴곡 특성: ASTM D790에 기준하여 시험속도 1 mm/min으로 굴곡시험을 진행하였다.- Flexural properties: Flexural test was carried out at a test speed of 1 mm / min according to ASTM D790.
- 충격 강도: ASTM D256에 기준하여 시편을 V-notch로 가공하여 Izod 충격시험기를 사용하였다. - Impact strength: Izod Impact Tester was used to process specimens in V-notch according to ASTM D256.
그 결과는 도 4 내지 6에 나타내었다.The results are shown in Figs.
도 4 내지 6에 나타낸 바와 같이, 탄소 장섬유 투입량이 증가할수록 그에 비례하여 인장특성, 굴곡 특성 및 충격 강도도 함께 향상되었다. As shown in FIGS. 4 to 6, the tensile properties, the flexural characteristics, and the impact strength were also increased in proportion to the input amount of carbon fiber.
도 7은 상기 인장시험 후 섬유투입량 별 시편의 파단부를 전자현미경으로 100배 확대하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
Fig. 7 is a photograph showing the result of observation of the rupture part of the test piece by the electron microscope magnified 100 times by the amount of fiber input after the tensile test.
실험예Experimental Example 2: 2: 섬유장Fiber sheet 측정 Measure
상기 실시예 1에서 제조한 섬유 강화 복합 재료 내 섬유 길이를 확인하기 위하여 130 ℃에서 Decaline (Decahydronaphthalene) 용매를 사용하여 1시간 동안 폴리프로필렌계 수지를 용해시킨 뒤 섬유장을 측정하였다. 그 결과는 도 8에 나타내었고, 평균섬유장이 30 mm 임을 확인하였다.
In order to confirm the fiber length in the fiber-reinforced composite material prepared in Example 1, the polypropylene resin was dissolved in decaline (Decahydronaphthalene) solvent at 130 ° C for 1 hour and then the fiber length was measured. The results are shown in FIG. 8, and it was confirmed that the average fiber length was 30 mm.
Claims (6)
상기 제1 압출부와 수직으로 구비되며, 제2 용융 공간을 갖는 제2 하우징, 상기 제2 하우징의 일단에 마련된 제2 배출부, 상기 제1 배출부와 연통되며, 제1 압출부로부터 배출되는 중간재를 상기 제2 용융 공간으로 투입하기 위해 상기 제2 하우징의 일단에 마련된 제2 주입부, 상기 제2 용융 공간으로 탄소 장섬유를 투입하기 위해 제2 하우징 일측에 구비된 제3 주입부, 상기 제2 용융 공간으로 투입된 중간재를 가열하기 위한 제2 히터, 상기 중간재와 탄소섬유를 혼련하여 상기 제2 배출부로 배출시키기 위해 상기 제2 용융 공간에 마련된 혼련 수단을 갖는 제2 압출부; 및
상기 제2 배출부를 통해 배출되는 복합재료를 스트랜드 성형하기 위해 제2 배출부에 구비된 스트랜드 다이
를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형장치.A first housing having a first melting space, a first discharging part provided at one end of the first housing, and a second housing provided at an upper end of the first housing for introducing a polypropylene resin and a compatibilizing agent into the first melting space, A first heater for heating the polypropylene resin charged in the first melting space, a kneader provided in the first melt space for kneading the polypropylene resin and the compatibilizer and discharging the polypropylene resin and the compatibilizer to the first discharge portion, A first extruder having means;
A second housing provided perpendicularly to the first extruded portion and having a second melting space, a second outlet provided at one end of the second housing, and a second outlet communicated with the first outlet, A second injection unit provided at one end of the second housing to inject the intermediate material into the second melt space, a third injection unit provided at one side of the second housing to inject the carbon fiber into the second melt space, A second extruder having kneading means provided in the second melt space for kneading the carbon fiber with the intermediate material and discharging the carbon fiber to the second discharge unit; a second heater for heating the intermediate material charged into the second melt space; And
And a strand die provided in the second discharge portion for strand-forming the composite material discharged through the second discharge portion,
Wherein the long-fiber-reinforced thermoplastic composite material is a thermoplastic resin.
상기 제1 압출부의 제1 배출부와 연통된 제2 압출부의 제2 주입부를 통해 제1 압출부로부터 용융 혼련된 중간재를 이송받고, 상기 제2 압출부의 제3 주입부를 통해 섬유 직경이 1∼50 ㎛인 탄소 장섬유 5∼50 중량%를 투입하여 용융 혼련하는 단계; 및
상기 제2 압출부의 배출부에 구비된 스트랜드 다이를 통해 용융 혼련된 복합재료를 압출하여 스트랜드 성형하는 단계
를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 제조방법.40 to 93% by weight of a polypropylene resin as a first injecting portion of the first extruding portion, 40 to 93% by weight of a polypropylene resin as a compatibilizing agent, a styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer, a styrene- - 0.3 to 10% by weight of one kind of styrenic block copolymer selected from the group consisting of styrene block copolymer, styrene-ethylene-propylene block copolymer, and combinations thereof, and melt-kneading;
The intermediate material melt-kneaded from the first extruded portion through the second injection portion of the second extruded portion communicated with the first extruded portion of the first extruded portion is fed through the third injected portion of the second extruded portion, And 5 to 50% by weight of carbon filament fibers are melted and kneaded; And
Extruding the composite material melt-kneaded through the strand die provided in the discharge portion of the second extruded portion and strand-forming
Reinforced thermoplastic composite material.
6. The process of claim 5 wherein said alpha olefin is selected from the group consisting of 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 4-methyl-1-pentene, And 1-dodecene, and a combination thereof.
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