KR20170005999A - 섬유 복합재 자동차 판스프링 성형용 열경화성 수지, 프리프레그 및 프리프레그 시트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 금속재로 이루어진 자동차용 판스프링(leaf spring)을 섬유강화 복합재로 제조하여 경량화 및 내구성을 향상시킨 섬유 복합재 자동차 판스프링 성형용 열경화성 수지, 프리프레그 및 프리프레그 시트 제조방법에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 섬유 복합재 자동차 판스프링 성형용 열경화성 수지는 에폭시수지로서 크게 주제와 경화제로 나뉘는 2액형이며, 주제는 제품의 특성을 살리기 위해 무용제 타입이고, 액상에폭시와 고상에폭시를 제품 특성에 맞게 혼합하여 이루어져 있으며, 함침온도 40∼60℃에서 낮은 점도(100∼5,000cps)를 유지하면서도 프리프레그를 제조한 후 특정온도에서 일정시간을 숙성시켜 60℃에서 5,000cps 이상의 점도를 확보하여 프리프레그의 함침성과 사용성을 동시에 달성한 저점도 형태의 판스프링 성형용 열경화성 수지를 특징으로 한다.

Description

섬유 복합재 자동차 판스프링 성형용 열경화성 수지, 프리프레그 및 프리프레그 시트 제조방법{Manufacturing methods of thermosetting resins for manufacturing fiber composite materials leaf spring of automobile, prepreg and prepreg sheet}

본 발명은 기존의 금속재로 이루어진 자동차용 판스프링(leaf spring)을 섬유강화 복합재로 제조하여 경량화 및 내구성을 향상시킨 섬유 복합재 자동차 판스프링 성형용 열경화성 수지, 프리프레그 및 프리프레그 시트 제조방법에 관한 것이다.

근래에는 금속등의 종래 재료를 경량이고 부식성이 없고 강인한 강화섬유와 매트릭수지로 이루어지는 섬유 강화 복합재료로 대체하고 있고 실제 이러한 섬유 강화 복합재료는 우수한 경량으로서 가공성과 기계적 특성을 가지고 있어 일반 산업용도 및 스포츠분야에 널리 사용되고 있다.

특히 일반 레저 분야를 넘어서 내구성이 요구되는 자동차, 항공기, 건축분야등에서 금속을 대체하는 소재로서 섬유 강화 복합재료의 사용이 증가하고 있는 실정이다.

섬유 강화 복합재료는 주로 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유등으로 된 강화섬유에 매트릭스 수지를 함침시켜 시트 형상, 테이프 형상의 프리프레그를 제조하고 이를 중간기재로서 이용하는 방법이 널리 이용되고 있다.

프리프레그에 이용되는 매트릭스 수지는 열경화성 수지, 열가소성 수지가 이용되어지만, 주로 열경화성수지가 이용된다.

일반적으로 열경화성수지로는 에폭시 수지가 사용되며 경화제는 주로 아민계 화합물이 사용되고 경화온도에 따라 몇가지의 프리프레그로 구분된다.

프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열형태, 사용된 결합재의 종류에 따라 다양한 제품군을 형성하고 있으며, 이를 이용하여 생산된 복합재료는 타 재료에 비해 강도, 강성도, 내식성, 피로수명, 내마모성, 내충격성, 경량화, 등의 다양한 특성을 가지고 있어 우주항공산업, 일반산업, 스포츠 레저용품 등의 생산에 다양하게 이용되고 있다.

그러나, 주지하는 바와 같이 자동차에 사용되고 있는 판스프링은 금속재로서 여러겹의 금속판재를 적층하여 기계적으로 체결한 분리형 겹판 구조로 이루어져 있으므로 차량의 장기 운행에 따라 부식에 취약하여 연결부에 피로 균열이 발생하고 고중량으로서 차량 중량 증가하며 승차감 감소와 소음 발생 등의 문제점이 있고 특히 동절기에 염습 조건 등에 의한 표면 부식의 발생으로 차체와의 체결부 등에 결함이 발생하는 등의 폐단이 있었다.

본 발명은 이와같은 종래의 폐단을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 주된 목적은 자동차용 판스프링을 상기한 바와 같이 금속 대체 소재로서 널리 사용되고 있는 프리프레그 시트로서 제조하여 경향화되고 내부식성과 피로수명이 향상되고 승차감과 소음절감을 시킬 수 있는 자동차용 판스프링를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 자동차 판스프링의 제작에 적합한 프리프레그 성형용 저점도 속경화형 열경화성수지를 제공하는 데 있다.

본 발명은 또 다른 목적은 자동차용 판스프링 제조에 적합한 강화섬유와 열경화성수지 조성물을 포함하고 자동차 판스프링의 제조에 적합한 프리프레그 및 프리프레그 시트를 제조하는 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 섬유 복합재 자동차 판스프링 제작 전용 열경화성 수지는 에폭시수지로서 크게 주제와 경화제로 나뉘는 2액형이며, 주제는 제품의 특성을 살리기 위해 무용제 타입이고, 액상에폭시와 고상에폭시를 제품 특성에 맞게 혼합하여 이루어져 있으며, 함침온도 40∼60℃에서 낮은 점도(100∼5,000cps)를 유지하면서도 프리프레그를 제조한 후 특정온도에서 일정시간을 숙성시켜 60℃에서 5,000cps 이상의 점도를 확보하여 프리프레그의 함침성과 사용성을 동시에 달성한 저점도 형태의 판스프링 성형용 열경화성 수지를 특징으로 한다.

또, 본 발명은 일정량의 강화섬유를 크릴에 장착하고 나란히 배열하여 다수가닥을 동시에 수평으로 배열 공급하는 단계, 배열된 강화섬유에 상기 열경화성 수지를 함침하는 수지함침 단계, 함침이 완료된 프리프레그를 가열로울러에 의해 가열 압착하면서 스프레드하는 가열 압착 단계, 시트화된 프리프레그의 양면에 이형지와 필림을 합지하여 서로 붙지 않게 한 상태에서 지관에 권취하는 권취단계, 프리프레그 시트를 일정크기로 절단하여 좌우 대칭이 되도록 배향각을 조절하여 적층시켜 가열 경화시켜 판스프링을 제조하는 단계를 포함하는 자동차 판스프링의 성형에 적합한 프리프레그 및 프리프레그 시트를 제조하는 제조방법을 특징으로 한다.

이와같은 본 발명에 따르면 본 발명은 판스프링을 금속대체 소재로서 널리 사용되고 있는 프리프레그 시트로서 제조하여 굴곡 강도와 굴곡 탄성률이 향상되고 경향화와 내부식성과 피로수명이 향상되며 승차감과 소음절감을 시킬 수 있는 자동차용 판스프링를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 프리프레그 시트를 제조하는 장치의 예시 사시도

이하, 본 발명을 첨부도면에 도시한 실시예를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 설명에 앞서, 이하에서 설명하는 실시예는 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 본 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 포함한다고 할 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 섬유 복합재 자동차 판스프링 제작 전용 열경화성 수지는 에폭시수지로서 크게 주제와 경화제로 나뉘는 2액형이며, 주제는 제품의 특성을 살리기 위해 무용제 타입으로 이루어지고, 액상에폭시와 고상에폭시를 제품 특성에 맞게 혼합하여 이루어진다.

액상에폭시를 많이 넣으면 저점도 형이 되고, 고상에폭시를 많이 넣으면 고점도 형태가 되는 데 본 발명에서는 두꺼운 강화섬유에 침투가 잘 이루어지는 저점도인 액상에폭시가 사용된다.

섬유 강화 복합재료를 제조할 때 중요한 것은 그의 내부에 매트릭스 수지가 함침되지 않는 부분이 생기는 것에 의해 발생하는 공극을 줄일 수 있는 것이 중요하다. 즉 프리프레그에 공극이 있으면 그 공극이 성형품인 섬유 강화 복합재료에 남아 결함이 되어 섬유 강화 복합재료의 강도가 저하되므로 공극이 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다.

특히 이러한 공극은 열경화성 수지와 혼합하는 용제에 의해 발생하므로 보통 프리프레그를 제조할 때 용제를 건조 제거하게 되는 데, 용제를 충분히 제거하기 위해 건조 온도를 지나치게 높이면 프리프레그의 단계에서 열경화성 수지가 경화되어버리고, 또한 열경화성 수지 중의 경화제를 용해 내지 변질시켜 프리프레그의 워크 라이프를 짧게 하는 문제가 일어나기 쉽다. 이 문제는 특히 경화 온도가 낮은 열경화성 수지를 사용하는 경우에 현저히 발생한다. 용제가 잔존하면 용제가 성형 중에 기화하여 섬유 강화 복합 재료 중에 공극이 발생하게 된다.

또한, 용제는 건조 제거를 하더라도 약 1%∼1.5% 정도의 휘발이 가능한 용제가 남게 되는 데, 이러한 용제는 얇은 제품을 만들때는 큰 문제가 없으나 판스프링과 같이 두꺼운 성형물(두께 30mm 이상 100층 이상의 적층)을 만들게 되면 성형시 안에서 용제가 기포를 형성하여 완성된 제품을 스캔해 보았을 때 많은 문제가 있었고 판스프링 처럼 계속 유동되는 제품에는 큰 치명타를 주게 된다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제가 발생하지 않게 하기 위해 용제를 사용하지 않고 열경화성 수지를 제조하고 용제를 사용하지 않은 경우 수지의 점도가 높아져두꺼운 강화섬유에 침투가 잘 안되는 단점이 있는 바, 이 문제는 수지를 60℃ 이상 가열하여 점도를 낮춤으로서 해결하였다.

한편, 에폭시 수지가 강화섬유(유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유)에 온전하게 함침이 이루어지기 위해서는 특정 함침 온도에서5,000cps 이하의 점도를 유지하여야 한다.

점도가 5000cps가 넘어 높으면 수지의 유동이 매우 미약하여 토우(TOW) 형태의 보강섬유의 표면과 내부를 온전하게 적셔주지 못한다. 이럴 경우 수지를 함침시킨 후의 프리프레그의 표면 평활성이 불충분해지기 쉽고 외관의 색 얼룩이 발생한다.

따라서, 이경우 압력을 높여 함침을 시킬 수 있으나 이 경우 압력이 감소되면 스프링백(spring back) 현상이 발생되므로서 두께가 있는 프리프레그를 제작하는 데는 부적합하다.

반면에, 수지의 점도가 낮으면 강화 섬유 집합체에의 함침이 용이해지므로 압력과 온도를 높일 필요가 없고 수지의 함침이 용이하기 때문에 제조 라인의 속도를 올릴 수 있어 생산성이 향상되는 잇점이 있는 반면에 점도가 지나치게 낮으면 프리프레그의 표면의 택성이 지나치게 커져 프리프레그의 취급이 곤란해진다. 프리프레그의 사용온도(10℃∼40℃)에서 너무 끈적거려 이형필림이 떨어지지 않거나 작업자의 손에 달라 붙어 작업이 매우 어렵고, 특히 수지의 힘이 없어 보강섬유의 직진성을 포함한 형태 안정성이 심각하게 저하되어 프리프레그로서의 기능을 상실하게된다.

일반적으로 60℃에서 수지의 점도가 5,000 ∼ 50,000cps 영역의 수치가 프리프레그의 사용상 측면에서 최적이다.

따라서, 본 발명의 특징은 함침온도 40∼60℃에서 낮은 점도(100∼5,000cps)를 유지하면서도 프리프레그를 제조한 후 특정온도에서 일정시간을 숙성시켜(온도 25∼60℃, 시간 1시간∼100시간) 60℃에서 5,000cps 이상의 점도를 확보하여 프리프레그의 함침성과 사용성을 동시에 달성한 수지를 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징을 구현하기 위해서, 사용 가능한 함침용 에폭시 수지는 액상 BPA 계열의 에폭시 수지, 고상 BPA 계열의 에폭시 수지,Novolac 계열의 에폭시 수지, 다관능계 에폭시 수지 등의 다양한 조성물이 사용될 수 있으, 혼합된 수지의 점도는 함침온도에서 5,000cps를 넘지 않도록 설계한다.

본 발명에서는 함침영역에서의 저점도와 숙성을 통한 수지의 점도상승을 확보하기 위해 2가지 경화기구를 동시에 사용하게 된다. 1차 경화기구는 주제인 에폭시수지와 결합해서 경화시키는 경화숙성온도(25 ~ 60℃)에서 본격적으로 작용하여 낮은 점도를 가지는 에폭시 수지의 60℃ 점도를 5,000~ 50,000cps 영역으로 증점시키는 역할을 수행한다. 1차 경화기구는 전체 에폭시 경화반응의 5 ~ 20%를 담당할 정도로 당량을 조절하게 된다. 1차 경화기구를 통한 에폭시의 경화반응이 5% 미만일 경우 에폭시 수지의 점도 상승이 너무 낮아 사용성 증대의 효과가 미미하고, 20%를 넘을 경우 전체 에폭시 수지의 겔화가 진행되어 최종 경화물의 물성이 떨어질 가능성이 높다. 1차 경화기구의 활성은 특정온도에서의 숙성과정을 통해 이뤄지며, 숙성이 완료되면 1차 경화기구의 반응은 종결되고 비로소 프리프레그 수지로서의 역할을 수행하게 된다. 2차 경화기구는 1차 경화제가 경화를 시작하는 시점을 조절하는 경화촉진제로서 본 에폭시 조성물의 경화반응의 80 ~ 95%를 담당하게되는 주경화기구이며, 경화온도 (100~ 180℃) 영역에서 2 ~ 90분간의 경화시간을 갖는 것을 특징으로 한다. 2차 경화기구는 잠재성 경화제로 25 ~ 80℃ 영역에서는 거의 활성을 나타내지 않다가, 경화 영역에서 급격한 활성을 갖는 것을 특징으로 한다. 2차 경화기구의 활성은 경화과정을 통해 진행되며, 경화가 완료되면 2차 경화기구의 반응이 종결되고 성형물인 판스프링으로서의 역할을 수행하게 된다.

본 발명에서 사용가능한 1차 경화기구, 2차 경화기구는 다음과 같다.

- 1차 경화기구: Polyethyleneamines, Cycloaliphatic Amines, Polyether Amine, Polyamides, Amidoamines 계열 등의 경화제

- 2차 경화기구: Aromatic Amine 경화제 단독, 촉진제를 포함한 Aromatic Amine 경화제, Dicyandiamide 경화제 단독, 촉진제를 포함한 Dicyandiamide 경화제, 산무수물계 경화제 단독, 촉진제를 포함한 산무수물계 경화제, 페놀노볼락경화제 단독, 촉진제를 포함한 페놀노볼락경화제 등이다.

상기와 같은 본 발명의 열경화성 수지를 이용하여 프리프레그 시트를 제조함에 있어서는 도 1에 도시된 바와 같이, 일정량의 강화섬유(1)(1') 다수가닥을 크릴(2)에 장착하고 나란히 배열하여 여러 가닥을 동시에 수평으로 배열 공급하는 단계(가), 배열된 강화섬유(1)(1')에 상기 열경화성 수지를 함침하는 수지함침 단계(나), 함침이 완료된 프리프레그를 가열로울러(3)(3')에 의해 가열 압착하면서 스프레드하는 가열 압착 단계(다), 시트화된 프리프레그의 양면에 이형지와 필림을 합지하여 서로 붙지 않게 한 상태에서 지관(4)에 권취하는 권취단계(라)를 포함하는 자동차 판스프링의 제조에 적합한 프리프레그 및 프리프레그 시트를 제조하는 제조방법으로 이루어진다.

이렇게 제조되는 프리프레그 시트는 냉동 보관하게 되고 필요시에 시트를 꺼내어 일정크기로 절단하고 좌우 대칭이 되도록 배향각을 조절하여 적층시켜 가열 경화하므로서 판스프링을 제조하게 할 수 있게 되는 것이다.

1, 1' : 강화섬유 2 : 크릴 3, 3 : 가열로울러 4 ; 지관

Claims (6)

1. 함침온도 40∼60℃에서 낮은 점도(100∼5,000cps)를 유지하는 에폭시수지와, 25∼60℃에서 숙성시켜 60℃에서 5,000cps 이상의 점도를 확보하는 하나 이상의 경화제를 포함하는 저점도 형태의 자동차용 판스프링 성형용 열경화성 수지.
   
2. 제 1 항에 있어서, 에폭시 수지는 액상 BPA 계열의 에폭시 수지, 고상 BPA 계열의 에폭시 수지,Novolac 계열의 에폭시 수지, 다관능계 에폭시 수지 중 어느 하나를 포함하는 자동차용 판스프링 성형용 열경화성 수지.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 에폭시 수지는 용제를 사용하지 않는 무용제타입으로 된 자동차용 판스프링 성형용 열경화성 수지.
   
4. 제 1 항에 있어서, 경화제는 아민계로서 경화촉진제를 포함하는 자동차용 판스프링 성형용 열경화성 수지.
   
5. 함침온도 40∼60℃에서 낮은 점도(100∼5,000cps)를 유지하는 에폭시수지와, 25∼60℃에서 숙성시켜 60℃에서 5,000cps 이상의 점도를 확보하는 하나 이상의 경화제를 포함하는 저점도 형태의 열경화성 수지가 강화섬유에 함침된 자동차 판스프링 성형용 프리프레그.
   
6. 일정량의 강화섬유를 크릴에 장착하고 나란히 배열하여 다수가닥을 동시에 수평으로 배열 공급하는 단계, 배열된 강화섬유에 상기 열경화성 수지를 함침하는 수지함침 단계, 함침이 완료된 프리프레그를 가열로울러에 의해 가열 압착하면서 스프레드하는 가열 압착 단계, 시트화된 프리프레그의 양면에 이형지와 필림을 합지하여 서로 붙지 않게 한 상태에서 지관에 권취하는 권취단계, 프리프레그 시트를 일정크기로 절단하여 좌우 대칭이 되도록 배향각을 조절하여 적층시켜 가열 경화시켜 판스프링을 제조하는 단계를 포함하는 자동차 판스프링 성형용 프리프레그 시트 제조방법.
   
   
   
   
   
   

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