KR20170107483A - 강화 섬유 복합 재료 - Google Patents

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Abstract

적어도 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 불연속 강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 강화 섬유 복합 재료이며, 불연속 강화 섬유 집합체를 2차원 투영했을 때의, 불연속 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 교차하는 방향의 불연속 강화 섬유 집합체의 폭이 가장 폭 확대된 최대 폭 확대부가 해당 불연속 강화 섬유 집합체의 양단부를 제외한 위치에 존재하고, 해당 최대 폭 확대부에 있어서의 애스펙트비(불연속 강화 섬유 집합체의 폭/불연속 강화 섬유 집합체의 두께)가 불연속 강화 섬유 집합체의 적어도 한쪽의 단부에 있어서의 애스펙트비의 1.3배 이상인 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가, 불연속 강화 섬유 중에 적어도 5중량％ 이상 포함되어 있는 강화 섬유 복합 재료. 성형 시의 고유동성과 높은 기계 특성을 높은 레벨로 양립시키는 것이 가능하고, 특히 유동 성형 시에 우수한 유동성, 2차원 등방성을 나타내는 최적의 조건을 구비한 강화 섬유 복합 재료를 제공할 수 있다.

Description

강화 섬유 복합 재료
본 발명은, 불연속 강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 강화 섬유 복합 재료에 관한 것으로, 특히 불연속 강화 섬유가 종래에 없는 특정한 집합체 형태로 강화 섬유 복합 재료 중에 포함됨으로써, 2차원 등방성, 균일성이 우수하고, 그것을 사용하여 성형품을 제조하는 경우에 높은 유동성과 기계 특성을 양립할 수 있도록 한 강화 섬유 복합 재료에 관한 것이다.
강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 강화 섬유 복합 재료는, 높은 기계 특성이 얻어지는 점에서, 여러 가지 성형품의 제조에 사용되고, 여러 분야에서 수요가 해마다 증가하고 있다.
고기능 특성을 갖는 강화 섬유 복합 재료의 성형 방법으로서는, 프리프레그라고 칭해지는 연속한 강화 섬유에 매트릭스 수지를 함침시킨 반경화 상태의 중간 기재를 적층하고, 고온 고압솥에서 가열 가압함으로써 매트릭스 수지를 경화시킨 연속 섬유 강화 복합 재료를 성형하는 오토클레이브 성형이 가장 일반적으로 행해지고 있다. 또한, 근년에는 생산 효율의 향상을 목적으로 하여, 미리 부재 형상으로 부형한 연속 섬유 기재에 매트릭스 수지를 함침 및 경화시키는 RTM(레진 트랜스퍼 몰딩) 성형 등도 행해지고 있다. 이들 성형법에 의해 얻어진 강화 섬유 복합 재료는, 연속 섬유인 까닭에 우수한 역학 물성을 갖는다. 또한, 연속 섬유는 규칙적인 배열이기 때문에, 기재의 배치에 의해 필요로 하는 역학 물성으로 설계하는 것이 가능하고, 역학 물성의 변동도 작다. 그러나, 한편으로 연속 섬유인 까닭에 3차원 형상 등의 복잡한 형상을 형성하는 것은 어려워, 주로 평면 형상에 가까운 부재에 한정된다.
3차원 형상 등의 복잡한 형상에 적합한 성형 방법으로서, SMC(시트 몰딩 컴파운드)나 스탬퍼블 시트를 사용한 성형 등이 있다. SMC 성형품은, 강화 섬유의 스트랜드를 예를 들어 섬유 길이가 25mm 정도가 되도록 섬유 직교 방향으로 절단하고, 이 촙드 스트랜드에 열경화성 수지인 매트릭스 수지를 함침시켜 반경화 상태로 한 시트 형상 기재(SMC)를, 가열형 프레스기를 사용하여 가열 가압함으로써 얻어진다. 스탬퍼블 시트 성형품은, 예를 들어 25mm 정도로 절단한 촙드 스트랜드나 불연속의 강화 섬유를 포함하는 부직포 매트 등에 열가소성 수지를 함침시킨 시트 형상 기재(스탬퍼블 시트)를 한번 적외선 히터 등으로 열가소성 수지의 융점 이상으로 가열하고, 소정 온도의 금형에서 냉각 가압함으로써 얻어진다.
많은 경우, 가압 전에 SMC나 스탬퍼블 시트를 성형체의 형상보다 작게 절단하여 성형 형 상에 배치하고, 가압에 의해 성형체의 형상으로 잡아늘여서(유동시켜서) 성형을 행한다. 그로 인해, 그 유동에 의해 3차원 형상 등의 복잡한 형상에도 추종 가능하게 된다. 그러나, SMC나 스탬퍼블 시트는 그 시트화 공정에 있어서, 촙드 스트랜드나 부직포 매트의 분포 불균일, 배향 불균일이 필연적으로 발생해버리기 때문에, 역학 물성이 저하되거나, 또는 그 값의 변동이 커져 버린다. 나아가, 그 분포 불균일, 배향 불균일에 의해, 특히 얇은 부재에서는 휨, 수축 등이 발생하기 쉬워진다.
상술한 바와 같이 재료의 결점을 보완하기 위해, 예를 들어 특허문헌 1, 2에는, 탄소 섬유 다발을 한번 폭 확대한 후에 폭 방향으로 분할하고, 커트함으로써 불연속 탄소 섬유 매트 중의 특정한 탄소 섬유 다발의 중량 평균 섬유 폭을 규정한 탄소 섬유 매트가 제안되어 있다. 그러나, 이 특허문헌 1, 2에 기재되어 있는 것과 같은, 탄소 섬유 다발을 폭 방향으로 분할하면, 얻어지는 탄소 섬유 복합 재료 중의 탄소 섬유끼리의 접점 수 증가로 이어져, 유동성이 악화된다. 또한, 탄소 섬유 매트 중의 폭 및 두께가 섬유 집합체의 길이 방향(섬유 길이 방향)에 대하여, 단면 형상이 직사각 형상이나 타원 형상으로 이루어지는 거의 균일한 주상체인 것이 전제로 되어 있고, 섬유 폭이 가는 탄소 섬유 매트는, 섬유 두께가 얇을수록 그것을 사용하여 제조한 탄소 섬유 복합 재료 성형품의 기계 특성은 우수하지만, 성형 시의 유동성이 낮아, 성형성이 뒤떨어진다. 이것은, 강화 섬유인 탄소 섬유가 충분히 분산되어 있기 때문에 응력이 집중되기 어렵고, 탄소 섬유의 보강 효과가 충분히 발휘되는 한편, 탄소 섬유끼리가 교차하여 서로의 움직임을 제약하여 움직이기 어려워지기 때문이다.
또한, 섬유 폭이 넓은 탄소 섬유 매트는, 섬유끼리의 접촉 면적이 넓어지기 쉽고, 서로의 움직임을 제약하여 움직이기 어려워지기 때문에, 성형 시의 유동성이 발현되기 어려워, 성형성이 뒤떨어진다. 또한, 섬유 두께가 두꺼울수록, 그것을 사용하여 제조한 탄소 섬유 복합 재료 성형품의 성형 시의 유동성이 우수하지만, 리브 등의 복잡한 형상이나 두께가 얇은 성형체를 성형하는 금형에 대한 추종성이 뒤떨어지고, 기계 특성이 낮다. 이것은, 탄소 섬유 다발이 굵기 때문에, 탄소 섬유끼리 네트워크를 형성하고 있지 않기 때문에, 유동 초기에는 움직이기 쉽지만, 리브 등의 복잡한 형상이나 두께가 얇은 성형체를 성형할 때에 탄소 섬유 다발끼리가 교락되어, 매트릭스 수지의 유동을 저해하는 데다가, 탄소 섬유 다발의 단부에 응력 집중되기 쉽기 때문이다.
또한, 특허문헌 3은, 스트랜드를 개섬시킨 후에 재단하고, 열경화성 수지를 함침시킨 탄소 섬유 복합 재료 및 그의 제조 방법에 대하여 설명하고 있지만, 상기 특허문헌 1, 2와 마찬가지로, 탄소 섬유 폭 및 두께가 섬유 집합체의 길이 방향(섬유 길이 방향)에 대하여, 단면이 거의 직사각 형상인 거의 균일한 주상체인 것이 전제로 되어 있고, 섬유 폭이 넓은 탄소 섬유 시트는, 섬유 두께가 두꺼울수록, 그것을 사용하여 제조한 탄소 섬유 복합 재료 성형품의 성형 시의 유동성이 우수하지만, 리브 등의 복잡한 형상이나 두께가 얇은 성형체를 성형하는 금형에 대한 추종성이 뒤떨어지고, 기계 특성이 낮다. 또한, 섬유 두께가 얇을수록, 그것을 사용하여 제조한 탄소 섬유 복합 재료 성형품의 기계 특성은 우수하지만, 유동성이 뒤떨어진다.
WO2014/201315호 공보 WO2014/021316호 공보 일본 특허 공개 제2008-254191호 공보
따라서 본 발명의 과제는, 종래의 강화 섬유와 수지를 포함하는 강화 섬유 복합 재료에서는 달성할 수 없었던, 성형 시의 고유동성과 높은 기계 특성을 높은 레벨로 양립시키는 것이 가능하고, 특히 유동 성형 시에 우수한 유동성, 우수한 기계 특성을 나타내는 최적의 조건을 구비한 강화 섬유 복합 재료를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 강화 섬유 복합 재료는, 적어도 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 불연속 강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 강화 섬유 복합 재료이며, 상기 불연속 강화 섬유 집합체를 2차원 투영했을 때의, 해당 불연속 강화 섬유의 배향 방향(후술하는 도 1의 (B)에 나타내는 불연속 강화 섬유 집합체의 양단부의 중점을 선형으로 연결한 방향)에 대하여 교차하는 방향의 해당 불연속 강화 섬유 집합체의 폭이 가장 폭 확대된 최대 폭 확대부가 해당 불연속 강화 섬유 집합체의 양단부를 제외한 위치에 존재하고, 해당 최대 폭 확대부에 있어서의 애스펙트비(후술하는 도 1의 (C), (D)에 나타내는, 불연속 강화 섬유 집합체의 폭 m/불연속 강화 섬유 집합체의 두께 h)가 상기 불연속 강화 섬유 집합체의 적어도 한쪽의 단부에 있어서의 애스펙트비(후술하는 도 1의 (C), (D)에 나타내는, 불연속 강화 섬유 집합체의 폭 Mn/불연속 강화 섬유 집합체의 두께 Hn, 여기서, n은 불연속 강화 섬유 집합체의 어느 한쪽의 단부 위치를 나타내고, n=1 또는 2)의 1.3배 이상인 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가, 상기 불연속 강화 섬유 중에 적어도 5중량％ 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 것을 포함한다.
이러한 본 발명에 따른 강화 섬유 복합 재료에 있어서는, 통상 매트릭스 수지 중에 강화 섬유가 들어가면 성형 시에 복합 재료의 유동성이 저하되지만, 그 유동성의 저하는 불연속 강화 섬유가 집합체 형태인 불연속 강화 섬유의 배합량을 증가시킴으로써 억제할 수 있어, 양호한 유동성의 실현이 가능하게 된다. 그러나, 불연속 강화 섬유 집합체가, 예를 들어 길이 방향에 대한 단면 형상이 직사각형이나 대략 원형으로 이루어지는 주상체와 같이, 불연속 강화 섬유 집합체의 길이 방향(섬유 배향 방향)에 대하여 집합체의 폭 및 두께가 일정한 경우이면, 집합체의 폭이 넓은 경우에는 유동성이 우수하지만, 국부적으로 2차원 등방성이 되기 어려운 경향이 있다. 또한, 집합체의 폭이 좁은 경우에는 2차원 등방성이 되기 쉽지만 유동성이 뒤떨어지는 경향이 있다. 즉, 양호한 유동성을 중시한 불연속 강화 섬유 집합체의 최적의 형태와, 2차원 등방성을 중시한 불연속 강화 섬유 집합체의 최적의 형태는, 반드시 동일한 형태가 되지는 않는 것 등을 종합적으로 고려하여, 특히 양호한 유동성과 2차원 등방성을 양호한 밸런스로 양립시키도록 강화 섬유 복합 재료 중의 불연속 강화 섬유의 구조를 최적화한 것이다.
높은 유동성과 2차원 등방성을 발현하기 위해서, 불연속 강화 섬유 중에 포함되는 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 해당 최대 폭 확대부에 있어서의 애스펙트비는 적어도 한쪽의 단부에 있어서의 애스펙트비의 1.3배 이상 20배 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1.5배 이상이고, 보다 더욱 바람직하게는 2배 이상이다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부 애스펙트비가 단부에 비하여 커짐으로써, 매트릭스 수지가 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 내에 함침하기 쉽기 때문에, 강도, 탄성률을 발현하기 쉬워진다. 또한, 섬유 집합체의 길이 방향(섬유 길이 방향)에 대한 강화 섬유 폭 및 두께가, 길이 방향에 대한 단면 형상이 직사각형이나 대략 원형으로 이루어지는 주상체보다도, 보다 다방향으로 섬유가 배향하고 있기 때문에, 얻어지는 강화 섬유 복합 재료가 보다 2차원 등방성이 되기 쉽다.
또한, 상세는 후술하는 바와 같이, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는, 단부에서 강화 섬유끼리의 얽힘이나 강화 섬유에 부착되어 있는 사이징제 등에 의해 일체화되어 있다. 이로 인해, 유동 성형 시, 특히는 유동 개시 시에 집합체 단위로 유동을 개시하고, 유동 중에 과도하게 불연속 섬유 집합체끼리가 서로 교락되어, 매트릭스 수지의 흐름을 저해하는 브리지를 형성해도, 최대 폭 확대부에서 부분적으로 분섬 및 개섬되어 있음으로써 매트릭스 수지의 전단력에 의해, 최대 폭 확대부가 기점이 되어, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가 분섬 및 개섬되면서 유동하기 쉬워, 매트릭스 수지의 유동을 저해하지 않고, 우수한 유동성을 발현한다.
불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 적어도 한쪽의 단부 애스펙트비에 대하여 1.3배를 하회하면, 유동 성형 시에 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 분섬 및 개섬이 일어나기 어렵고, 과도하게 불연속 섬유 집합체끼리가 서로 교락되어, 매트릭스 수지의 흐름을 저해하여, 유동성 악화로 이어지고, 20배를 초과하게 되면 과도하게 폭 확대를 부여하여, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 보풀일기나 섬유 끊어짐으로 이어져 강도 저하로 이어진다.
강화 섬유 복합 재료 중에 포함되는 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 강화 섬유 복합 재료 중에 포함되는 불연속 강화 섬유 전량에 대하여 적어도 5중량％ 이상 100％ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10중량％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 20중량％ 이상이다. 5중량％ 미만이면 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 의한 높은 유동성 및 2차원 등방성 발현 효과가 불충분하다. 본 발명의 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 보풀 등의 단사가 촙드 스트랜드 및 촙드 스트랜드를 폭 확대 및 분섬한 촙드 스트랜드에 부착된 촙드 스트랜드가 아니라, 양단부를 제외한 개소를 의도적으로 분섬 및 폭 확대한 불연속 강화 섬유 집합체이다.
더 높은 유동성과 2차원 등방성을 발현하기 위해서, 상기 불연속 강화 섬유 집합체 (A)로서, 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 30을 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 바람직하고, 30을 초과하고, 500 미만인 것이 보다 바람직하다. 불연속 강화 섬유 집합체의 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 30 이하이면 유동 성형 시에 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 분섬 및 개섬이 일어나기 어렵고, 과도하게 불연속 섬유 집합체끼리가 서로 교락되어, 매트릭스 수지의 흐름을 저해하여, 유동성 악화로 이어지고, 500 이상이 되면 폭 확대를 과도하게 부여해버려, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 보풀일기나 섬유 끊어짐으로 이어져 강도 저하로 이어진다.
또한, 보다 확실하게 높은 유동성을 발현하기 위해서, 상기 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 2차원 투영했을 때 적어도 한쪽의 단부의 폭과, 해당 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부의 폭에 대하여, 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3 이상인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 바람직하고, 1.3 이상 50 미만인 것이 보다 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1.5 이상이고, 보다 더욱 바람직하게는 1.7 이상인 것이 바람직하다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부의 폭이 단부의 집합체 폭에 대하여 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3 미만이면, 유동 성형 시에 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 분섬 및 개섬이 일어나기 어렵고, 과도하게 불연속 섬유 집합체끼리가 서로 교락되어, 매트릭스 수지의 흐름을 저해하여, 유동성 악화로 이어지고, 50 이상이 되면 폭 확대를 과도하게 부여해버려, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 보풀일기나 섬유 끊어짐으로 이어져 강도 저하로 이어진다.
또한, 확실하게 높은 유동성을 발현하기 위해서, 불연속 섬유 집합체 (A)의 적어도 한쪽의 단부에 있어서의 두께가 불연속 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부의 두께에 대하여, 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.2 이상인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 바람직하고, 1.2 이상 100 미만인 것이 보다 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1.5 이상이다. 불연속 섬유 집합체 (A)의 적어도 한쪽의 단부의 두께가 최대 폭 확대부의 두께에 대하여, 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.2 미만이 되면, 유동 성형 시에 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 분섬 및 개섬이 일어나기 어렵고, 과도하게 불연속 섬유 집합체끼리가 서로 교락되어, 매트릭스 수지의 흐름을 저해하여, 유동성 악화로 이어지고, 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 100 이상이 되면, 폭 확대를 과도하게 부여해버려, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 보풀일기나 섬유 끊어짐으로 이어져 강도 저하로 이어진다.
또한, 유동성과 2차원 등방성을 양호한 밸런스로 양립시키기 위해서, 불연속 섬유 집합체 (A)의 적어도 편측 단부폭과 최대 폭 확대부의 폭으로부터 산출한 폭 확대 각도가 5°를 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 바람직하고, 폭 확대 각도가 5°를 초과하고 90° 미만인 것이 보다 바람직하다. 여기서,
폭 확대 각도=tan-1{(최대 폭 확대부의 폭-단부의 폭)/2/단부와 최대 폭 확대부 사이 거리}
이다. 더욱 바람직하게는 8°를 초과하고 85° 미만인 것이다. 폭 확대 각도가 5° 이하이면, 불연속 섬유가 집합체 단위로 동일 방향으로 배향하고, 2차원 등방성 발현이 불충분하고, 90°를 초과하면 폭 확대를 과도하게 부여해버려, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 보풀일기나 섬유 끊어짐으로 이어져 강도 저하로 이어진다.
또한, 강도와 유동성을 양호한 밸런스로 양립시키기 위해서, 불연속 강화 섬유의 수 평균 섬유 길이가 5mm 이상 100mm 미만인 것이 바람직하다. 수 평균 섬유 길이가 5mm를 하회하면 강도 저하로 이어지고, 수 평균 섬유 길이가 100mm 이상이 되면 강화 섬유의 섬유 사이의 접점 수가 증가하여, 유동성 악화로 이어진다.
또한, 확실하게 강도를 발현시키기 위해서, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 양단부가 불연속 섬유 집합체의 길이 방향(후술하는 도 3에 도시하는 불연속 강화 섬유 집합체의 양단부의 중점을 선형으로 연결한 방향이며 섬유 배향 방향)에 대하여, 2° 내지 30°의 각도 θ를 갖게 하여 커트되어 있는 것이 바람직하다. 각도 θ를 갖게 하여 커트함으로써, 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 단부의 강화 섬유 표면적이 증가하고, 불연속 강화 섬유의 단부에 집중되는 응력이 완화되어, 강화 섬유 복합 재료의 강도가 발현한다.
본 발명에 따른 강화 섬유 복합 재료에 있어서, 불연속 강화 섬유로서는, 섬유 강화 복합 재료를 성형하기 위하여 이용되는 사용되는 모든 강화 섬유의 사용이 가능하지만, 특히 본 발명은 불연속 강화 섬유가 탄소 섬유를 포함하는 경우, 불연속 강화 섬유로서 탄소 섬유가 포함되는 경우에 적합한 것이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 강화 섬유 복합 재료에 의하면, 성형 시의 우수한 유동성과 성형품의 높은 기계 특성, 2차원 등방성의 모두를 양호한 밸런스로 달성할 수 있는 우수한 강화 섬유 복합 재료를 제공할 수 있다.
도 1의 (A)는 본 발명에서 사용되는 불연속 강화 섬유 집합체의 일례를 나타내는 사시도를, (B)는 (A)에 나타낸 불연속 강화 섬유 집합체의 (B) 방향으로의 (수평면으로의) 투영도이며, 섬유 배향 방향의 일례를 나타낸 것을, (C)는 (A)에 나타낸 불연속 강화 섬유 집합체의 (B) 방향으로의 (수평면으로의) 2차원 투영도를, (D)는 (A)에 나타낸 불연속 강화 섬유 집합체의 (C) 방향 투영도를 각각 나타내고 있다.
도 2는, 본 발명에서 사용되는 불연속 강화 섬유 시트 제조 장치의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은, 본 발명에 있어서의 불연속 강화 섬유 집합체의 단부가 각도 θ를 갖게 하여 커트되어 있는 일례를 나타내는 개략 2차원 투영도이다.
도 4는, 본 발명에 있어서의 불연속 강화 섬유 집합체의 단부 및 최대 폭 확대부의 두께 측정 개소의 예를 나타내는 개략 2차원 투영도이다.
이하에, 본 발명에 대해서, 실시예, 비교예와 함께 상세하게 설명한다.
처음에, 본 발명의 형태 및 본 발명에 있어서 특히 바람직한 형태에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 강화 섬유 복합 재료에 있어서는, 강화 섬유 복합 재료는 불연속 강화 섬유와 매트릭스 수지로 구성된다. 불연속 강화 섬유는 적어도 불연속 강화 섬유 집합체 (A)를 소정 비율로 포함하고, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 도 1에 도시하는 것과 같은 소정의 집합체 형상이 되는 것을 특징으로 하고 있다. 도 1에 있어서, 도 1의 (A)는 이러한 소정의 집합체 형상의 일례에 따른 형상의 불연속 강화 섬유 집합체 (A)(1)를 나타내고 있고, 도 1의 (B)는 도 1의 (A)에 나타낸 불연속 강화 섬유 집합체 (A)(1)의 (B) 방향으로의 (수평면으로의) 투영도(5)이며, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)(1)의 최대 폭 확대부(2), 편측 단부(3, 4), 섬유 배향 방향(6), 단부(3, 4)의 중점(7)을 나타내고 있다. 도 1의 (C)는 마찬가지로 도 1의 (A)에 나타낸 불연속 강화 섬유 집합체 (A)(1)의 (B) 방향으로의 (수평면으로의) 2차원 투영도(5)이며, 최대 폭 확대부(2)의 폭을 m, 최대 폭 확대부(2)로부터 각 단부(3, 4)까지의 거리 L1, L2, 각 단부(3, 4)의 폭 M1, M2를 나타내고 있고, 도 1의 (D)는 도 1의 (A)에 나타낸 불연속 강화 섬유 집합체 (A)(1)의 (C) 방향으로부터의 투영도(8)이며, 최대 폭 확대부(2)의 두께를 h, 각 단부(3, 4)의 두께 Hn(n=1, 2)을 나타내고 있다.
본 발명에 따른 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는, 불연속 강화 섬유 집합체를 2차원 투영했을 때의, 해당 불연속 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 교차하는 방향의 해당 불연속 강화 섬유 집합체 폭이 가장 폭 확대된 최대 폭 확대부가 해당 불연속 강화 섬유 집합체의 양단부를 제외한 위치에 존재하고, 해당 최대 폭 확대부에 있어서의 애스펙트비(불연속 강화 섬유 집합체의 폭/불연속 강화 섬유 집합체의 두께)가 상기 불연속 강화 섬유 집합체의 적어도 한쪽의 단부에 있어서의 애스펙트비의 1.3배 이상인 것이 중요하다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 적어도 한쪽의 편측 단부의 애스펙트비에 대하여 1.3배 이상 20배 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1.5배 이상이고, 보다 더욱 바람직하게는 2배 이상이다.
최대 폭 확대부의 애스펙트비가 적어도 한쪽의 편측 단부의 애스펙트비에 대하여 1.3배 이상이 됨으로써, 매트릭스 수지가 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 내에 함침하기 쉽기 때문에, 강도, 탄성률을 발현하기 쉽고, 또한 해당 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 단면 형상이 직사각형이나 대략 원형으로 이루어지는 주상체보다도, 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 중의 섬유가 보다 다방향으로 배향하고 있기 때문에, 얻어지는 강화 섬유 복합 재료가 보다 2차원 등방성이 되기 쉽다. 또한, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가 양단부에서 강화 섬유끼리의 얽힘이나 강화 섬유에 부착되어 있는 사이징제 등에 의해 일체화되어 있기 때문에, 유동 성형 시, 특히는 유동 개시 시에 집합체 단위로 유동을 개시하고, 유동 중에 과도하게 불연속 섬유 집합체끼리가 서로 교락되어, 매트릭스 수지의 흐름을 저해해도, 최대 폭 확대부에서 부분적으로 분섬 및 개섬되어 있음으로써 매트릭스 수지의 전단력에 의해, 최대 폭 확대부가 기점이 되어, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가 분섬 및 개섬되면서 유동하기 쉬워, 매트릭스 수지의 유동을 저해하지 않고, 우수한 유동성을 발현한다.
또한, 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 적어도 한쪽의 편측 단부의 애스펙트비에 대하여 20배 이하임으로써, 불연속 강화 섬유 집합체가, 폭 확대에 의한 보풀일기나 섬유 끊어짐이 발생하기 어려워, 강도 저하를 억제할 수 있다. 또한, 유동 성형 시, 구체적으로는 불연속 강화 섬유 집합체 단위로 유동을 개시했을 때, 최대 폭 확대부가 분섬 및 개섬되어 있음으로써, 최대 폭 확대부가 기점이 되어, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가 매트릭스 수지에 의한 전단력에 의해 개섬 및 분섬되면서 유동함으로써, 매트릭스 수지의 유동을 저해하지 않고, 우수한 유동성을 발현한다. 게다가, 리브 등의 복잡한 형상이어도, 유동 중에 불연속 강화 섬유 집합체 (A)로부터 개섬 및 분섬된 불연속 섬유가 복잡 형상을 따라서 유입하기 쉬워져, 우수한 성형성을 발현한다.
강화 섬유 복합 재료 중에 포함되는 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 강화 섬유 복합 재료 중에 포함되는 불연속 강화 섬유 전량에 대하여 적어도 5중량％ 이상 포함되는 것이 중요하다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 강화 섬유 복합 재료 중에 포함되는 불연속 강화 섬유 전량에 대하여, 5중량％ 이상 100％ 이하인 것이 바람직하다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가 불연속 강화 섬유 전량에 대하여 적어도 5중량％ 이상 포함됨으로써, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 의한 높은 유동성 및 2차원 등방성 발현 효과가 충분히 발휘된다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 보다 바람직하게는 10중량％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 20중량％ 이상이다.
불연속 강화 섬유는, 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 이외에, 불연속 강화 섬유 시트를 제조할 때에 할 수 있었던 단사 레벨까지 개섬한 불연속 강화 섬유나 스트랜드를 그대로 커트한 촙드 스트랜드, 촙드 스트랜드가 폭 방향으로 분할된 분섬 촙드 스트랜드, 양단부를 제외한 위치가 부분적으로 분할 및 폭 확대되어 있지만, 집합체 형상을 충족하지 않는 촙드 스트랜드, 촙드 스트랜드 전체가 폭 확대된 폭 확대 촙드 스트랜드, 촙드 스트랜드 전체가 폭 확대된, 분할된 폭 확대 분할 스트랜드 등을 포함하고 있어도 된다.
또한, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 30을 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 애스펙트비는 30을 초과하고 500 미만인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 30을 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체를 포함함으로써, 보다 다방향으로 섬유가 배향하기 때문에, 얻어지는 강화 섬유 복합 재료가 보다 2차원 등방성이 되기 쉽다. 또한, 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 500 미만인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함함으로써, 불연속 강화 섬유 집합체에, 폭 확대에 의한 보풀일기나 섬유 끊어짐이 발생하기 어려워, 강도 저하를 억제할 수 있다. 또한, 애스펙트비가 30을 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체는, 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 전체에 대하여 50％ 이상 차지하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80％ 이상, 90％ 이상 차지하는 것이 더욱 바람직하다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 대부분이 애스펙트비가 30을 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체로 구성됨으로써, 전술한 바와 같은, 강화 섬유 복합 재료를 2차원 등방성으로 하기 쉬운 효과를 발휘할 수 있다.
상기 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 적어도 한쪽의 단부의 폭(도 1의 (C)에 있어서의 M1 또는 M2)과, 해당 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 길이 방향에 있어서의 최대 폭 확대부의 폭(도 1의 (C)에 있어서의 m)에 대하여, 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3 이상인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3배 이상 50 미만인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3배 이상으로 넓어지는 불연속 강화 섬유 집합체를 포함함으로써, 유동 성형 시, 구체적으로는 불연속 강화 섬유 집합체 단위로 유동을 개시했을 때, 최대 폭 확대부가 분섬 및 개섬되어 있음으로써, 최대 폭 확대부가 기점이 되어, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가 매트릭스 수지에 의한 전단력에 의해 개섬 및 분섬되면서 유동함으로써, 매트릭스 수지의 유동을 저해하지 않고, 우수한 유동성을 발현하기 쉽다. 또한, 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 50배 미만인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함함으로써, 불연속 강화 섬유 집합체가, 폭 확대에 의한 보풀일기나 섬유 끊어짐이 발생하기 어려워, 강도 저하를 억제할 수 있다. 보다 바람직하게는 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.5 이상이고, 더욱 바람직하게는 1.7 이상인 것이 바람직하다.
또한, 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3배 이상인 불연속 강화 섬유 집합체는, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 대하여 50％ 이상 차지하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80％ 이상, 90％ 이상 차지하는 것이 더욱 바람직하다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 대부분이 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3배 이상인 불연속 강화 섬유 집합체로 구성됨으로써, 전술한 바와 같은, 우수한 유동성을 발현하는 효과를 발휘할 수 있다.
상기 불연속 강화 섬유 집합체 (A)는 적어도 한쪽의 단부의 두께(도 1의 (D)에 있어서의 H1 또는 H2)가 최대 폭 확대부 두께(도 1의 (D)에 있어서의 h)에 대하여 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.2 이상인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.2 이상 100 미만인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.2 이상인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함함으로써, 유동 성형 시, 구체적으로는 불연속 강화 섬유 집합체 단위로 유동을 개시했을 때, 최대 폭 확대부가 분섬 및 개섬되어 있음으로써, 최대 폭 확대부가 기점이 되어, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가 매트릭스 수지에 의한 전단력에 의해 개섬 및 분섬되면서 유동함으로써, 매트릭스 수지의 유동을 저해하지 않고, 우수한 유동성을 발현하기 쉽다. 또한, 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 100 미만인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함함으로써 불연속 강화 섬유 집합체가, 폭 확대에 의한 보풀일기나 섬유 끊어짐이 발생하기 어려워, 강도 저하를 억제할 수 있다. 보다 바람직하게는 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.5 이상인 것이 바람직하다. 또한, 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.2 이상인 불연속 강화 섬유 집합체는, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 대하여 50％ 이상 차지하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80％ 이상, 90％ 이상 차지하는 것이 더욱 바람직하다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 대부분이 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.2 이상인 불연속 강화 섬유 집합체로 구성됨으로써, 전술한 바와 같은, 우수한 유동성을 발현하는 효과를 발휘할 수 있다.
상기 불연속 섬유 집합체 (A)는, 적어도 한쪽의 단부의 폭과 최대 폭 확대부의 폭으로부터 산출한 폭 확대 각도가 5°를 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 적어도 한쪽의 단부의 폭과 최대 폭 확대부의 폭으로부터 산출한 폭 확대 각도가 5°를 초과하고 90° 미만인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 여기서,
폭 확대 각도=tan-1{(m-Mn)/2/Ln} (m은 최대 폭 확대부의 폭, L은 최대 폭 확대부로부터 편측 단부까지의 거리, n은 불연속 강화 섬유 집합체의 어느 한쪽의 단부 위치를 나타내고, n=1 또는 2)
이다. 폭 확대 폭이 5°를 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체를 포함함으로써, 매트릭스 수지의 유동을 저해하지 않고, 우수한 유동성을 발현하기 쉬운 데다가, 더 넓은 범위에 불연속 강화 섬유가 배향하기 때문에, 얻어지는 강화 섬유 복합 재료가 보다 2차원 등방성이 되기 때문에 바람직하다. 폭 확대 폭이 90° 미만인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함함으로써, 불연속 강화 섬유 집합체가, 폭 확대에 의한 보풀일기나 섬유 끊어짐이 발생하기 어려워, 강도 저하를 억제할 수 있다. 보다 바람직하게는 8°를 초과하고 85° 미만이다. 또한, 폭 확대 폭이 5°를 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체는, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 대하여 50％ 이상 차지하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80％ 이상, 90％ 이상 차지하는 것이 더욱 바람직하다. 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 대부분이, 폭 확대 폭이 5°를 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체로 구성됨으로써, 전술한 바와 같은 강화 섬유 복합 재료를 2차원 등방성으로 하기 쉬운 효과를 발휘할 수 있다.
상술한 불연속 강화 섬유 집합체의 폭이나 두께를 측정한 결과, 하나의 불연속 강화 섬유 집합체가, 예를 들어 애스펙트비가 30을 초과하고, 동시에 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3 이상인 것을 충족할 수도 있다.
여기서, 본 발명에 있어서 강화 섬유 복합 재료를 얻기 위하여 사용되는 강화 섬유는, 특별히 한정되지 않지만, 고강도, 고탄성률 강화 섬유를 사용할 수 있고, 이들은 1종 또는 2종 이상을 병용해도 된다. 예를 들어 강화 섬유가 탄소 섬유의 경우, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 피치계, 레이온계 등의 탄소 섬유를 들 수 있다. 얻어지는 성형품의 강도와 탄성률과의 밸런스의 관점에서, PAN계 탄소 섬유가 바람직하다. 탄소 섬유의 밀도는 1.65 내지 1.95g/㎤인 것이 바람직하고, 나아가 1.7 내지 1.85g/㎤인 것이 보다 바람직하다. 밀도가 너무 큰 것은 얻어지는 탄소 섬유 복합 재료의 경량 성능이 뒤떨어지고, 너무 작은 것은, 얻어지는 탄소 섬유 복합 재료의 기계 특성이 낮아지는 경우가 있다.
또한, 본 발명의 강화 섬유 복합 재료를 얻기 위해서도 사용하는 강화 섬유는, 생산성의 관점에서 단사를 수속(收束)시킨 강화 섬유 스트랜드인 것이 바람직하고, 강화 섬유 스트랜드 중의 단사수가 많은 것이 바람직하다. 강화 섬유 스트랜드로 했을 경우의 단사수는 1,000 내지 100,000개의 범위 내에서 사용할 수 있고, 특히 10,000 내지 70,000개의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다. 강화 섬유는, 필요에 따라 강화 섬유 스트랜드에 스트랜드 분섬용 슬리터 등을 사용하여 원하는 스트랜드 수로 분할한 분섬 강화 섬유 스트랜드를 소정의 길이로 커트하여 사용해도 된다. 스트랜드를 원하는 스트랜드수로 분섬함으로써, 미처리의 스트랜드에 비해 강화 섬유 복합 재료로 했을 때의 균일성이 향상되고, 기계 특성이 우수하기 때문에, 바람직한 예로서 예시할 수 있다.
강화 섬유의 단사 굽힘 강성으로서는, 예를 들어 강화 섬유가 탄소 섬유인 경우, 1×10-11 내지 3.5×10-11Pa·m4의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2×10-11 내지 3×10-11Pa·m4인 것이 바람직하다. 단사 굽힘 강성이 상기 범위 내에 있음으로써, 후술하는 강화 섬유 부직포 시트를 제조하는 공정에 있어서, 얻어지는 강화 섬유 부직포 시트의 품질을 안정시킬 수 있다.
또한, 강화 섬유 복합 재료를 얻기 위하여 사용하는 강화 섬유 스트랜드는, 매트릭스 수지와의 접착성을 향상시키는 등의 목적으로 표면 처리되어 있는 것이 바람직하다. 표면 처리의 방법으로서는 전해 처리, 오존 처리, 자외선 처리 등이 있다. 또한, 강화 섬유 스트랜드의 보풀일기를 방지하거나, 강화 섬유 스트랜드의 수속성을 향상시키거나, 매트릭스 수지와의 접착성을 향상시키는 등의 목적으로 사이징제가 부여되어 있어도 상관없다. 사이징제로서는 특별히 한정되지 않지만, 에폭시기, 우레탄기, 아미노기, 카르복실기 등의 관능기를 갖는 화합물을 사용할 수 있고, 이들은 1종 또는 2종 이상을 병용해도 된다.
여기서 사이징 처리란, 표면 처리 공정과 수세 공정 등에서 물에 젖은 수분율 20 내지 80중량％ 정도의 물에 젖은 강화 섬유 스트랜드를 건조시킨 후에 사이징제를 함유하는 액체(사이징액)를 부착시키는 처리 방법이다.
사이징제의 부여 수단으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 롤러를 통해 사이징액에 침지하는 방법, 사이징액이 부착된 롤러에 접하는 방법, 사이징액을 안개 상태로 하여 분사하는 방법 등이 있다. 또한, 뱃치식, 연속식 어느 것이어도 되지만, 생산성이 좋고 변동을 작게 할 수 있는 연속식이 바람직하다. 이때, 강화 섬유 스트랜드에 대한 사이징제 유효 성분의 부착량이 적정 범위 내에서 균일하게 부착되도록, 사이징액 농도, 온도, 사조 장력 등을 컨트롤하는 것이 바람직하다. 또한, 사이징제 부여 시에 강화 섬유 스트랜드를 초음파로 가진시키는 것이 보다 바람직하다.
건조 온도와 건조 시간은 화합물의 부착량에 따라 조정할 수 있지만, 사이징제의 부여에 사용하는 용매의 완전한 제거, 건조에 요하는 시간을 짧게 하고, 한편, 사이징제의 열 열화를 방지하며, 강화 섬유 스트랜드가 단단해져서 다발의 확장성이 악화되는 것을 방지하는 관점에서, 건조 온도는 150℃ 이상 350℃ 이하인 것이 바람직하고, 180℃ 이상 250℃ 이하인 것이 보다 바람직하다.
사이징제 부착량은, 강화 섬유 스트랜드만의 질량에 대하여, 0.01질량％ 이상 10질량％ 이하가 바람직하고, 0.05질량％ 이상 5질량％ 이하가 보다 바람직하고, 0.1질량％ 이상 5질량％ 이하 부여하는 것이 더욱 바람직하다. 0.01질량％ 이하에서는 접착성 향상 효과가 나타나기 어렵다. 10질량％ 이상에서는, 성형품의 물성을 저하시키는 경우가 있다.
본 발명에 있어서, 강화 섬유 복합 재료에 사용하는 매트릭스 수지로서는, 열가소성 수지 또는/및 열경화성 수지가 사용된다. 열가소성 수지로서는 특별히 제한은 없고, 성형품으로서의 기계 특성을 크게 저하시키지 않는 범위에서 적절히 선택할 수 있다. 예시한다면, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지 등의 폴리올레핀계 수지, 나일론 6 수지, 나일론 6,6 수지 등의 폴리아미드계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리페닐렌술피드 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르술폰 수지, 방향족 폴리아미드 수지 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도, 폴리아미드 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리페닐렌술피드 수지 중 어느 것을 포함하는 것이 바람직하다.
열경화성 수지로서도 특별히 제한은 없고, 성형품으로서의 기계 특성을 크게 저하시키지 않는 범위에서 적절히 선택할 수 있다. 예시한다면, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 에폭시아크릴레이트 수지, 우레탄 아크릴레이트 수지, 페녹시 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 말레이미드 수지, 시아네이트 수지 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지 중 어느 것, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다. 열경화성 수지의 혼합물을 사용할 때에는, 혼합하는 열경화성 수지끼리는 상용성을 갖거나, 또는 친화성이 높은 쪽이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 열경화성 수지의 점도는, 특별히 제한은 없지만 상온(25℃)에 있어서의 수지 점도가 100 내지 100,000mPa·s인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 매트릭스 수지에는, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위라면 그 용도에 따라, 열가소성 수지 또는/및 열경화성 수지에, 각종의 첨가제를 첨가할 수도 있다. 예를 들어, 마이카, 탈크, 카올린, 히드로탈사이트, 세리사이트, 벤토나이트, 조노트라이트, 세피올라이트, 스멕타이트, 몬모릴로나이트, 월라스토나이트, 실리카, 탄산칼슘, 유리 비즈, 유리 플레이크, 유리 마이크로 벌룬, 클레이, 이황화몰리브덴, 산화티타늄, 산화아연, 산화안티몬, 폴리인산칼슘, 그래파이트, 황산바륨, 황산마그네슘, 붕산아연, 붕산아칼슘, 붕산알루미늄 위스커, 티타늄산칼륨 위스커 및 고분자 화합물 등의 충전재, 금속계, 금속 산화물계, 카본 블랙 및 그래파이트 분말 등의 도전성 부여재, 브롬화 수지 등의 할로겐계 난연제, 삼산화안티몬이나 오산화안티몬 등의 안티몬계 난연제, 폴리인산암모늄, 방향족 포스페이트 및 적린 등의 인계 난연제, 유기 붕산 금속염, 카르복실산 금속염 및 방향족 술폰이미드 금속염 등의 유기산 금속염계 난연제, 붕산아연, 아연, 산화아연 및 지르코늄 화합물 등의 무기계 난연제, 시아누르산, 이소시아누르산, 멜라민, 멜라민 시아누레이트, 멜라민 포스페이트 및 질소화 구아니딘 등의 질소계 난연제, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 등의 불소계 난연제, 폴리오르가노실록산 등의 실리콘계 난연제, 수산화알루미늄이나 수산화마그네슘 등의 금속 수산화물계 난연제, 또한 그 밖의 난연제, 산화카드뮴, 산화아연, 산화제1구리, 산화제2구리, 산화제1철, 산화제2철, 산화코발트, 산화망간, 산화몰리브덴, 산화주석 및 산화티타늄 등의 난연 보조제, 안료, 염료, 활제, 이형제, 상용화제, 분산제, 마이카, 탈크 및 카올린 등의 결정 핵제, 인산 에스테르 등의 가소제, 열 안정제, 산화 방지제, 착색 방지제, 자외선 흡수제, 유동성 개질제, 발포제, 항균제, 제진제, 방취제, 접동성 개질제 및 폴리에테르에스테르아미드 등의 대전 방지제 등을 첨가해도 된다.
또한, 매트릭스 수지로서 열경화성 수지를 사용하는 경우에는, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위라면, 전술한 열가소성 수지, 기타의 저수축화제 등의 첨가물을 포함시킬 수 있다.
불연속 강화 섬유 시트를 얻는 공정으로서는, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위라면 특별히 제한이 없다. 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 강화 섬유 스트랜드(23)를 반송하는 반송 롤(21, 21), 양단부를 제외한 개소를 부분적으로 폭 확대 및/또는 분섬 처리하는 에어 헤드(24), 강화 섬유 스트랜드(23)를 소정의 치수로 커트하는 커터(22)와 커터용 대(26), 불연속 강화 섬유를 시트 형상으로 집적하는 컨베이어(27)를 갖고 있는 것이 바람직한 일례로서 예시된다.
여기서, 반송 롤(21)은, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위라면 특별히 제한이 없고, 롤 사이에서 닙하여 반송하는 기구가 예시된다. 이때에 편측 롤을 메탈 롤로 하고, 다른 한쪽의 롤을 고무 롤로 하는 것이 바람직한 예로서 예시된다.
에어 헤드(24)는 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위라면 특별히 제한은 없고, 송출되는 강화 섬유 스트랜드(23)를 커트하기 전에, 양단부를 제외한 개소에 간헐적으로 에어를 분사하는 기구인 것이 바람직하다. 간헐적으로 분사하는 에어는, 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 특별히 제한은 없고, 0.01MPa 내지 1MPa의 범위가 예시된다. 에어의 압력이 너무 약하면 불연속 강화 섬유 집합체가 부분적으로 충분히 폭 확대 및/또는 분섬되지 않고, 에어의 압력이 너무 강하면 강화 섬유 사이의 교락이 풀리기 쉬워, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 형태를 얻을 수 없다. 또한, 폭 확대 시에 닙롤(25)로 스트랜드의 송출측을 고정하고, 반송 롤(21)에 의해, 미리 닙롤(25)과 반송 롤(21) 사이 거리 이상으로 스트랜드를 송출하여, 스트랜드를 이완시킨 상태에서 에어 헤드(24)에 의해 양단부를 제외한 개소를 부분적으로 폭 확대 및/또는 분섬하는 방법도 바람직한 예로서 예시된다.
이 밖에도, 송출되는 강화 섬유 스트랜드를 소정의 치수로 커트하기 전에 양단부를 제외한 개소를 분섬용 슬리터 등에 의해 물리적으로 폭 확대 및/또는 분섬하는 방법 등이 예시된다.
강화 섬유 스트랜드를 후술하는 커터(22)에 반송하는 각도는, 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한, 특별히 제한은 없고, 강화 섬유 스트랜드가 반송되는 방향을 0° 방향으로 하고, 커트하기 위한 날 방향을 90° 이외의 각도를 갖게 해도 된다. 90° 이외의 각도를 갖게 하는 경우에는, 2° 내지 30°의 각도가 바람직한 예로서 예시된다. 90° 이외의 각도를 갖게 하여 커트함으로써, 스트랜드 단부에 있어서의 단부면의 강화 섬유 표면적이 증가하고, 불연속 강화 섬유의 단부에 집중되는 응력이 완화되어, 강화 섬유 복합 재료의 강도가 발현하기 때문에, 더 바람직한 예로서 예시할 수 있다.
커터(22)로서는, 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한, 특별히 제한이 없고, 기요틴 날식이나 로터리 커터식이 예시된다. 전술한 바와 같이, 강화 섬유 스트랜드가 반송되는 방향에 대하여, 커트하기 위한 날 방향은 특별히 제한되는 것은 아니고, 상기 강화 섬유 스트랜드를 반송하는 기구와 마찬가지로 각도를 갖게 해도 되고, 로터리 커터식에서는 나선 형상으로 날을 배열해도 된다.
또한, 강도와 유동성을 양호한 밸런스로 양립시키기 위하여 불연속 강화 섬유의 수 평균 섬유 길이가 5mm 이상 100mm 미만인 것이 바람직하다. 수 평균 섬유 길이가 5mm를 하회하면 불연속 강화 섬유를 폭 확대할 때에 섬유 사이의 교락이 풀리기 쉬워, 강화 섬유가 충분히 분섬되어버려, 섬유 사이의 접점수 증가화로 이어져, 유동성 악화로 이어진다. 수 평균 섬유 길이가 100mm를 초과하면 강화 섬유의 섬유 사이의 접점수가 증가하여, 유동성 악화로 이어진다.
불연속 강화 섬유를 시트 형상으로 집적하는 컨베이어(27)로서는, 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 특별히 제한이 없고, XY 평면 상에서 자유롭게 주행하는 메탈 와이어 상에 낙하하는 방법을 예시할 수 있다. 여기서 메탈 와이어 아래에 석션 박스를 설치하고, 스트랜드 단부를 폭 확대 및 분섬시켰을 때에 사용한 에어 또는 커트한 불연속 강화 섬유를 살포할 때에 사용한 에어를 흡인시켜, 시트의 부피를 저하시켜도 된다. 또한, XY 평면 상에서 자유롭게 주행하는 메탈 와이어 대신에 커터(22)와 에어 헤드(24)를 일체화시킨 복합 기구를 X 방향으로 왕복시키고, 메탈 와이어를 Y 방향으로 주행시키는 것도 일례로서 예시할 수 있다.
불연속 강화 섬유 시트를 얻을 때에, 불연속 강화 섬유 시트는 불연속 강화 섬유만으로 구성되어도 되지만, 형태 유지를 위해서 열가소성 수지 또는/및 열경화성 수지를 포함하는 결합재를 함유시킬 수도 있다. 결합재에 사용하는 열가소성 수지 또는/및 열경화성 수지는 강화 섬유 복합 재료에 사용하는 매트릭스 수지와 동일한 수지, 또는 매트릭스 수지와 상용성이 있는 수지, 매트릭스 수지와 접착성이 높은 수지를 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 불연속 강화 섬유 시트에 매트릭스 수지를 함침하는 데 있어서는, 결합재를 포함하는 불연속 강화 섬유 시트를 제조하고, 불연속 강화 섬유 시트에 포함되는 결합재의 수지를 그대로 매트릭스 수지로서 사용해도 되고, 결합재를 포함하지 않는 불연속 강화 섬유 시트를 제조하고, 강화 섬유 복합 재료를 제조하는 임의의 단계에서 매트릭스 수지를 함침해도 상관없다. 또한, 결합재를 포함하는 불연속 강화 섬유 시트를 사용하는 경우에도, 강화 섬유 복합 재료를 제조하는 임의의 단계에서 매트릭스 수지를 함침할 수도 있다.
강화 섬유 복합 재료를 제조할 때에, 상기와 같은 불연속 강화 섬유 시트에 매트릭스 수지를 함침하고, 강화 섬유 복합 재료로 하는 함침 공정은, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위라면 특별히 한정은 없고, 일반적인 것을 사용할 수 있다.
매트릭스 수지에 열가소성 수지를 사용하는 경우에는, 가열 기능을 갖는 프레스기를 사용하여 실시할 수 있다. 프레스기로서는 매트릭스 수지의 함침에 필요한 온도, 압력을 실현할 수 있는 것이라면 특별히 제한은 없고, 상하이동하는 평면 형상의 플래튼을 갖는 통상적인 프레스기나, 1쌍의 엔드리스 스틸 벨트가 주행하는 기구를 갖는 소위 더블 벨트 프레스기를 사용할 수 있다. 이러한 함침 공정에 있어서는 매트릭스 수지를 필름, 부직포, 직물 등의 시트 형상으로 한 후, 불연속 강화 섬유 시트와 적층하고 그 상태에서 상기 프레스기 등을 사용하여 매트릭스 수지를 일체로서 용융·함침하는 것이나, 미리 불연속 강화 섬유 시트와 매트릭스 수지를 일체화시킨 시트 형상으로 한 것을 적층하고, 용융·함침한 것, 미리 불연속 강화 섬유 시트와 매트릭스 수지를 일체화시킨 시트 형상으로 한 것에, 추가로 매트릭스 수지를 필름, 부직포, 직물 등의 시트 형상으로 한 것을 적층하고, 용융·함침하는 방법도 채용할 수 있다.
매트릭스 수지에 열경화성 수지를 사용하는 경우에는, 매트릭스 수지의 함침에 필요한 온도, 압력을 실현할 수 있는 것이라면 특별히 제한은 없고, 상하이동하는 평면 형상의 플래튼을 갖는 통상적인 프레스기나, 1쌍의 엔드리스 스틸 벨트가 주행하는 기구를 갖는 소위 더블 벨트 프레스기나, 상하 롤 사이에 끼워 넣는 프레스 롤 등을 사용할 수 있다. 이러한 함침 공정에 있어서는 매트릭스 수지를 이형 필름 상에 시트 형상으로 한 후, 불연속 강화 섬유 시트를 매트릭스 수지 시트 사이에 끼워 넣고, 가압하여, 함침하는 방법이 예시된다. 이때, 보다 함침을 확실하게 행하기 위해서, 진공으로 감압하여, 시트 내부의 공기를 뺀 후에 가압하는 방법은 바람직한 예의 하나로서 예시할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 불연속 강화 섬유 시트에 연속 강화 섬유 시트나 불연속 강화 섬유 시트와 샌드위치 구조로 하여, 강화 섬유 복합 재료로 해도 된다. 샌드위치 구조는, 표층과 코어층의 어느 쪽에 불연속 강화 섬유 시트를 사용해도 되고, 표층에 연속 강화 섬유 시트, 코어층에 불연속 강화 섬유 시트를 사용함으로써, 강화 섬유 복합 재료로 했을 때의 기계 특성이나 표면 품위가 우수하기 때문에, 바람직한 일례로서 예시할 수 있다. 여기서, 연속 강화 섬유 시트나 불연속 강화 섬유 시트에 사용되는 강화 섬유는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 보론 섬유, 금속 섬유, 천연 섬유, 광물 섬유 등을 사용할 수 있고, 이들은 1종 또는 2종 이상을 병용해도 된다. 연속 강화 섬유 시트의 강화 섬유 형태는 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 일반적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일방향으로 강화 섬유가 배향한 일방향 강화 섬유 시트 및 일방향 강화 섬유 시트를 다방향으로 적층한 강화 섬유 적층 시트, 강화 섬유를 짠 직물 강화 섬유 시트 등을 예시할 수 있다. 불연속 강화 섬유 시트의 강화 섬유 형태는 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 일반적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스트랜드를 소정의 길이로 커트하고, 살포한 촙드 스트랜드 시트, 카딩 장치나 에어 레이드 장치를 사용하여 제조한 건식 불연속 강화 섬유 시트, 초지 장치를 사용하여 제조한 습식 불연속 강화 섬유 시트 등을 예시할 수 있다.
본 발명에 있어서, 얻어진 강화 섬유 복합 재료는, 매트릭스 수지에 열경화성 수지를 사용하는 경우에는 SMC(Sheet Molding Compound)로서, 열가소성 수지를 사용하는 경우에는 스탬퍼블 시트로서 사용할 수 있다.
SMC 성형품은, 불연속 강화 섬유 시트에 열경화성 수지인 매트릭스 수지를 함침시켜 반경화 상태로 한 시트 형상 기재(SMC)를, 가열형 프레스기를 사용하여 가열 가압함으로써 얻어진다. 스탬퍼블 시트 성형품은, 불연속 강화 섬유 시트에 열가소성 수지를 함침시킨 시트 형상 기재(스탬퍼블 시트)를 한번 적외선 히터 등으로 열가소성 수지의 융점 이상으로 가열하고, 소정 온도의 금형에서 냉각 가압함으로써 얻어진다.
얻어진 성형품은 자동차 부품, 항공기 부품, 가정 전기 제품, 사무 전기 제품, 퍼스널 컴퓨터 등의 하우징 등에 사용하기에 적합하다.
실시예
이어서, 본 발명의 실시예, 비교예에 대하여 설명한다.
우선, 실시예, 비교예에서 사용한 특성, 측정 방법에 대하여 설명한다.
(1) 불연속 강화 섬유 집합체의 폭 측정
강화 섬유 복합 재료로부터 100mm×100mm가 되는 샘플을 잘라내고, 잘라낸 샘플을 550℃로 가열한 전기로 중에서 1 내지 2시간 정도 가열하여, 매트릭스 수지 등의 유기물을 번아웃하였다. 번아웃한 샘플로부터 불연속 강화 섬유 시트를 취출하고, 핀셋 등을 사용하여, 불연속 강화 섬유 시트로부터 불연속 강화 섬유를 집합체 단위로 전체 형태가 무너지지 않도록 신중하게 취출하여, 불연속 강화 섬유 시트로부터 불연속 강화 섬유 집합체를 핀셋으로 모두 추출하였다. 추출한 모든 불연속 강화 섬유 집합체에 대해서, 평평한 받침대 위에 두고, 불연속 강화 섬유 집합체의 양단부의 폭 및 불연속 강화 섬유 집합체를 2차원 평면 상에 투영했을 때의 섬유 배향 방향에 대하여 직교하는 해당 불연속 강화 섬유 집합체 폭이 가장 폭 확대된 최대 폭 확대부의 폭을 0.1mm까지 측정 가능한 노기스를 사용하여 측정하였다. 이때, 보다 정확하게 폭을 측정하기 위해서, 불연속 강화 섬유의 집합체를 평평한 받침대 위에 두고, 디지털 현미경(키엔스사제)을 사용하여 2차원 평면 상에 투영했을 때의 섬유 집합체의 폭을 측정해도 된다. 얻어진 양단부 및 최대 폭 확대부의 폭을 기록 용지에 기재하였다. 양단부의 다발 폭이 모두 0.1mm 미만인 불연속 강화 섬유에 대해서는, 단사 레벨까지 개섬한 불연속 강화 섬유 (B)로서 일괄 분취하였다.
이때, 폭과 두께의 판단은 불연속 강화 섬유 집합체 단부의 섬유 방향 단면의 긴 변을 폭, 짧은 변을 두께로 하였다. 불연속 강화 섬유 집합체 단부가 각도 θ를 갖게 하여 커트되어 있는 경우에는, 도 3에 도시한 바와 같이, 불연속 강화 섬유 집합체를 2차원 평면 상에 투영했을 때의 길이 방향에 대하여 직교하는 방향의 폭으로 하였다. 도시 예에서는, 부호 2가 불연속 강화 섬유 집합체 (A)(31)의 최대 폭 확대부를 나타내고 있고, M1, M2가 그 각 단부의 폭을 나타내고 있다.
강화 섬유 복합 재료로부터 불연속 강화 섬유 시트를 잘 취출할 수 없는 경우에는, 매트릭스 수지를 함침시키지 않은, 불연속 강화 섬유 시트로부터 동일하게 측정해도 된다.
(2) 불연속 강화 섬유 집합체의 두께 측정
상기 양단부 및 최대 폭 확대부의 폭을 측정한 불연속 강화 섬유 집합체 모두에 대하여 양단부를 마이크로미터를 사용하여, 불연속 강화 섬유 집합체의 두께를 측정하였다. 이때, 불연속 강화 섬유가 집합체 형상을 무너뜨리지 않도록 신중하게 취급하여, 도 4에 도시한 바와 같이 단부의 단부점 사이의 중점이 마이크로미터의 압자 중심이 되도록 핀셋으로 위치를 조정하여, 불연속 강화 섬유 집합체의 단부 두께를 측정하였다(41: 단부의 두께 측정점). 다음으로 불연속 강화 섬유 집합체의 최대 폭 확대부(2)에 대해서도 동일하게 최대 폭 확대부 양쪽 단부점의 중점이 마이크로미터의 압자 중심이 되도록 위치를 조정하여, 최대 폭 확대부의 두께를 측정하였다(42: 최대 폭 확대부의 두께 측정점). 최대 폭 확대부가 마이크로미터의 압자 직경보다 2배 이상 넓게 분섬 및 폭 확대된 불연속 강화 섬유 집합체를 측정하는 경우에는, 최대 폭 확대부의 양쪽 단부점 및 중점의 두께 3점을 측정하고, 그 평균값을 사용하였다(43: 최대 폭 확대부의 폭이 마이크로미터 압자 직경의 2배보다 큰 경우의 최대 폭 확대부 두께 측정점). 얻어진 양단부 및 최대 폭 확대부의 두께를 상기 폭과 동일하게 기록 용지에 기재하였다. 최대 폭 확대부의 두께 측정이 곤란한 불연속 강화 섬유 집합체에 대해서는, 단부의 두께 측정을 행하여, 단부의 두께와 폭, 최대 폭 확대부의 폭의 비로부터, 하기 식을 사용하여 최대 폭 확대부의 두께를 산출해도 된다.
최대 폭 확대부 두께=단부 두께×단부 폭/최대 폭 확대부 폭
(3) 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 판정 및 중량 비율의 측정 방법
상기와 같이 얻어진 불연속 강화 섬유 집합체의 폭과 두께로부터, 하기 식을 사용하여 최대 폭 확대부의 애스펙트비 및 양단부의 애스펙트비를 불연속 강화 섬유 집합체에 대하여 모두 산출하였다.
최대 폭 확대부의 애스펙트비=최대 폭 확대부의 폭/최대 폭 확대부의 두께
단부의 애스펙트비=단부의 폭/단부의 두께
산출한 애스펙트비로부터, 불연속 강화 섬유 집합체 폭이 가장 폭 확대된 최대 폭 확대부가 섬유 배향 방향에 대하여 양측단부를 제외한 위치에 존재하고, 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 적어도 한쪽의 단부 애스펙트비에 대하여 1.3배 이상이 되는 불연속 강화 섬유 집합체 (A)와 그 이외의 비불연속 강화 섬유 집합체 (C)로 분류하였다. 분류 후, 1/10,000g까지 측정이 가능한 천칭을 사용하여, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 총 중량 및 비불연속 강화 섬유 집합체 (C), 단사 레벨까지 개섬한 불연속 강화 섬유 (B)의 총 중량을 측정하였다. 측정 후, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가 전체 불연속 강화 섬유 중량에서 차지하는 중량 비율을 하기 식을 사용하여 산출하였다.
불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 비율=불연속 강화 섬유 집합체 (A) 총 중량/불연속 강화 섬유 전량
여기서, 불연속 강화 섬유 전량이란, 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 총 중량+비불연속 강화 섬유 집합체 (C) 총 중량+단사 레벨까지 개섬한 불연속 강화 섬유 (B) 총 중량이다.
이때, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 적어도 한쪽 단부의 애스펙트비에 대하여, 1.5배 이상인 불연속 강화 섬유 집합체 (A-2), 2배 이상인 불연속 강화 섬유 집합체 (A-3), 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부의 애스펙트비가 30을 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체 (A-4), 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 적어도 한쪽의 단부의 폭과 최대 폭 확대부의 폭에 대하여, 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3 이상인 불연속 강화 섬유 집합체 (A-5), 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 적어도 한쪽의 단부에 있어서의 두께와 최대 폭 확대부의 두께에 대하여, 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.2 이상인 불연속 강화 섬유 집합체 (A-6)의 총 중량을 동일하게 측정하고, (A-2) 내지 (A-6)이 불연속 강화 섬유 전량에서 차지하는 중량 비율을, 상기 (A)과 동일하게 하기 식을 사용하여 산출하였다.
불연속 강화 섬유 집합체 (A-N)의 비율=불연속 강화 섬유 집합체 (A-N) 총 중량/불연속 강화 섬유 전량
여기에서 N=2 내지 6이다.
또한, 어느 불연속 강화 섬유 집합체의 폭이나 두께를 측정한 결과, (A-2) 또는 (A-3), (A-4), (A-5), (A-6) 중 어느 것/모두를 동시에 충족하는 것이 있다.
(4) 폭 확대 각도의 산출
상기 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 단부 폭과 최대 폭 확대부 폭으로부터 하기 식을 사용하여, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)마다의 폭 확대 각도를 산출하였다.
폭 확대 각도=tan-1{(최대 폭 확대부의 폭-단부의 폭)/2/단부와 최대 폭 확대부 사이 거리}
여기서, 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 중의 폭 확대 각도가 적어도 한쪽의 단부에 대하여 5°를 초과하고 90° 미만을 충족하는 불연속 강화 섬유 집합체 (A-7)의 총 중량을 측정하고, 불연속 강화 섬유 전량에서 차지하는 중량 비율을, 상기 (A-N)의 비율 산출식을 사용하여 산출하였다.
(5) Vf(스탬퍼블 시트 중의 강화 섬유의 함유율: ％)
강화 섬유 복합 재료로부터 약 2g의 샘플을 잘라내고, 그 질량을 측정하였다. 그 후, 샘플을 500 내지 600℃로 가열한 전기로 중에서 1 내지 2시간 정도 가열하여 매트릭스 수지 등의 유기물을 번아웃하였다. 실온까지 냉각하고 나서, 남은 불연속 강화 섬유의 질량을 측정하였다. 불연속 강화 섬유의 질량에 대한, 매트릭스 수지 등의 유기물을 번아웃하기 전의 샘플 질량에 대한 비율을 측정하여, 강화 섬유의 함유율(％)로 하였다.
(6) 굽힘 강도, 굽힘 탄성률
JIS-K7171(2008)에 준거하여 굽힘 강도를 측정하였다. 굽힘 강도에 대해서는 굽힘 강도의 CV값(변동계수[％])도 산출하였다. 굽힘 강도의 CV값이 10％ 미만을, 굽힘 강도의 변동이 작아 양호(○)라고 판정하고, 10％ 이상을, 굽힘 강도의 변동이 커 불량(×)이라고 판정하였다.
굽힘 시험을 행하는 샘플은 2차원 평면의 임의의 방향(0° 방향)과 0° 방향에 대하여 90° 방향에 대하여 측정을 행하고, 0° 방향의 평균값/90° 방향의 평균값이 1.3 내지 0.77의 범위에 들어가는 경우에는 등방성(○)이라고 판정하고, 그 이외를 이방성(×)으로 판정하였다.
(7) 유동성의 평가
<매트릭스 수지가 열가소성 수지인 경우>
치수 100mm×100mm×2mmt(t: 두께)의 불연속 강화 섬유 복합 재료를 1장, 열가소성 수지의 융점+40℃로 승온한 프레스 판에 배치하고, 치수 100mm×100mm에 대하여, 10MPa에서 300s간 가압하고, 그 후, 가압한 상태에서 열가소성 수지의 고화 온도-50℃까지 프레스 판을 냉각하고, 샘플을 취출하였다. 이 가압 후의 면적 A2와 가압 전의 시트의 면적 A1을 측정하고, A2/A1/2mmt를 유동성(％/mm)으로 하였다.
<매트릭스 수지가 열경화성 수지인 경우>
치수 100mm×100mm×2mmt(t: 두께), 매트릭스 수지가 미경화인 불연속 강화 섬유 복합 재료 전구체를 1장, 매트릭스 수지의 유동 개시부터 경화까지의 경화 시간이 300 내지 400s의 범위에 들어가는 온도까지 승온한 프레스 판에 배치하고, 치수 100mm×100mm에 대하여, 10MPa에서 600s간 가압하였다. 이 가압 후의 면적 A2와 가압 전의 시트의 면적 A1을 측정하고, A2/A1/2mmt를 유동성(％/mm)으로 하였다.
(8) 수 평균 섬유 길이(단위: mm)의 측정 방법
불연속 강화 섬유 복합 재료로부터 100mm×100mm의 샘플을 잘라내고, 그 후, 샘플을 500℃로 가열한 전기로 중에서 1 내지 2시간 정도 가열하여 매트릭스 수지 등의 유기물을 번아웃하였다. 실온까지 냉각한 후에 남은 불연속 강화 섬유 시트로부터 무작위로 400개 핀셋으로 불연속 강화 섬유를 추출하고, 광학 현미경 또는 주사형 전자 현미경으로 그 길이를 0.1mm 단위까지 측정하고, 수 평균 섬유 길이=ΣLi/400으로 강화 섬유 부직포 시트의 수 평균 섬유 길이를 계산하였다. 여기서, Li는 측정한 섬유 길이이다.
이어서, 본 발명의 실시예, 비교예에서 사용한 강화 섬유, 매트릭스 수지에 대하여 설명한다.
탄소 섬유 스트랜드 (1)(후술하는 표 중에서는 탄소 섬유 (1)로 약기함):
섬유 직경 7㎛, 인장 탄성률 230GPa, 필라멘트수 12,000개의 연속한 탄소 섬유 스트랜드를 사용하였다.
탄소 섬유 스트랜드 (2)(후술하는 표 중에서는 탄소 섬유 (2)로 약기함):
섬유 직경 7.2㎛, 인장 탄성률 242GPa, 필라멘트수 50,000개의 연속한 탄소 섬유 스트랜드를 사용하였다.
매트릭스 수지 (1):
나일론 수지(도레이(주)제, CM1001, 상품명 "아밀란"(등록 상표))를 사용하였다.
매트릭스 수지 (2):
비닐에스테르 수지(VE) 수지(다우·케미컬(주)제, "델라켄" 790(등록 상표)) 100질량부, tert-부틸퍼옥시벤조에이트(니혼 유시(주)제, "퍼부틸 Z"(등록 상표)) 1질량부, 스테아르산아연(사까이 가가꾸 고교(주)제, SZ-2000) 2질량부, 산화마그네슘(교와 가가꾸 고교(주)제, MgO#40) 4질량부를 혼합한 수지를 사용하였다.
실시예 1:
도 2에 도시한 바와 같은 장치를 사용하여 불연속 탄소 섬유 시트를 제조하였다. 탄소 섬유 스트랜드(1)에 에어압 0.3MPa을 0.2초간, 간헐적으로 분사하여, 스트랜드를 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 후에, 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 개소를 불연속 섬유 중에 포함하고, 섬유 길이 25mm가 되도록, 커터로 절단하여, 불연속 탄소 섬유 집합체를 연속적으로 생산하고, 컨베이어 상에 퇴적시켜 단위 면적당 중량 100g/㎡의 불연속 탄소 섬유 시트를 얻었다. 얻어진 불연속 탄소 섬유 시트는 불연속 탄소 섬유 집합체 (A)를 포함하는 불연속 탄소 섬유 시트였다. 이어서, 필름 제막기를 사용하여, 매트릭스 수지(1)를 포함하는 단위 면적당 중량 100g/㎡의 매트릭스 수지 필름을 제조하고, 얻어진 불연속 탄소 섬유 시트와 매트릭스 수지 필름을 얻어지는 탄소 섬유 복합 재료 평판이 두께 2mm, Vf=40％가 되도록 적층하고, 260℃로 승온한 프레스기의 평판 금형 내에서 300초간 예열하고, 5MPa의 압력을 가하면서 300초간 가압하고, 가압 상태에서 50℃까지 냉각하여, 두께 2mm의 탄소 섬유 복합 재료의 평판을 얻었다. 얻어진 탄소 섬유 복합 재료 중의 탄소 섬유 함유량은 Vf=40％였다. 얻어진 평판은 휨이 없고, 탄소 섬유 복합 재료로부터 0°와 90° 방향의 굽힘 강도를 측정한 바, 0°과 90° 방향의 굽힘 강도 평균값은 430MPa이고, 각 방향의 굽힘 강도 CV값이 10％ 미만이며, 또한 굽힘 강도 및 굽힘 탄성률에 대하여, 0° 방향의 평균값/90° 방향의 평균값이 1.3 내지 0.77의 범위에 들어가는 2차원 등방성이었다.
이어서, 얻어진 탄소 섬유 복합 재료 평판으로부터 100mm×100mm의 샘플을 잘라내고, 잘라낸 샘플을 550℃로 가열한 전기로 중에서 2시간 가열하여, 매트릭스 수지를 번아웃하여, 불연속 탄소 섬유 시트를 취출하였다. 취출한 불연속 탄소 섬유 시트로부터 핀셋을 사용하여, 불연속 탄소 섬유 시트 중의 불연속 탄소 섬유 집합체를 모두 취출하고, 폭, 두께를 측정하여, 불연속 탄소 섬유 집합체 (A), (A-2) 내지 (A-7)의 불연속 탄소 섬유 전량에서 차지하는 중량 비율을 측정하였다. 이때, 불연속 탄소 섬유 시트 중의 불연속 탄소 섬유 집합체 (A)의 중량 비율은 35중량％이고, (A-2) 내지 (A-7)의 측정 결과를 표 1에 나타내었다.
또한, 탄소 섬유 복합 재료 평판으로부터 100mm×100mm의 샘플을 잘라내고, 유동성의 평가를 행한 바, 유동률은 170％/mm였다. 또한, 얻어진 유동성 평가 후의 샘플은 표면 품위가 우수하고, 샘플을 550℃로 가열한 전기로 중에서 2시간 가열하여, 매트릭스 수지를 번아웃하여, 불연속 탄소 섬유 시트를 취출한 바, 불연속 탄소 섬유 시트 표층의 불연속 섬유 탄소 집합체가 매트릭스 수지의 전단력에 의해 집합체 형상이 무너져, 개섬되어 있었다. 조건, 평가 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 2:
스트랜드에 에어압 0.2MPa을 0.2초간, 간헐적으로 분사하여, 스트랜드를 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 후에, 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 불연속 탄소 섬유 집합체를 포함하는 불연속 탄소 섬유 시트를 얻은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 탄소 섬유 복합 재료 평판을 제조하고, 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 3:
스트랜드에 에어압 0.15MPa을 0.2초간, 간헐적으로 분사하여, 스트랜드를 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 후에, 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 불연속 탄소 섬유 집합체를 포함하는 불연속 탄소 섬유 시트를 얻은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 탄소 섬유 복합 재료 평판을 제조하고, 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 4:
커트 길이를 50mm로 한 것 이외에는 실시예 3과 동일하게 하여 탄소 섬유 복합 재료 평판을 제조하고, 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 5:
스트랜드에 에어압 0.2MPa을 0.2초간, 간헐적으로 분사하여, 스트랜드를 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 후에, 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 불연속 탄소 섬유 집합체를 포함하는 불연속 탄소 섬유 시트를 얻었다. 다음으로 매트릭스 수지(2) 페이스트를 닥터 블레이드를 사용하여, 폴리프로필렌제의 이형 필름 상에 도포하여, 불연속 탄소 섬유 시트에 대하여 얻어지는 탄소 섬유 복합 재료 중의 탄소 섬유 함유량이 Vf=40％가 되도록 필름의 단위 면적당 중량을 조정한 매트릭스 수지(2) 필름을 제조하였다. 얻어진 불연속 탄소 섬유 시트를 적층한 불연속 탄소 섬유 시트 적층체를 매트릭스 수지(2) 필름 사이에 끼워 넣고, 매트릭스 수지(2)를 불연속 탄소 섬유 시트 적층체 내에 함침시킨 후에, 40℃×24시간 정치함으로써, 매트릭스 수지(2)를 충분히 증점화시켜, 시트 형상의 탄소 섬유 복합 재료 전구체를 얻었다. 이어서, 금형 135℃로 승온한 프레스기의 평판 금형 내에 충전율(금형을 위에서 보았을 때의 금형 면적에 대한 시트 형상의 성형 재료의 면적 비율)이 50％가 되도록 세팅하고, 5MPa의 압력을 가하면서 600초간 가압하여, 두께 2mm, Vf=40％의 탄소 섬유 복합 재료의 평판을 얻은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 탄소 섬유 복합 재료 평판을 제조하고, 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 6:
탄소 섬유 스트랜드(2)를 사용하여, 스트랜드에 에어압 0.2MPa을 0.2초간, 간헐적으로 분사하여, 스트랜드를 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 후에, 부분적으로 폭 확대 및 분섬시킨 불연속 탄소 섬유 집합체를 포함하는 불연속 탄소 섬유 시트를 얻은 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 탄소 섬유 복합 재료 평판을 제조하고, 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 1:
탄소 섬유 스트랜드(1)를 그대로 섬유 길이 25mm로 커트하여 불연속 탄소 섬유 집합체의 형태가 길이 방향(섬유 길이 방향)에 대하여, 거의 균일한 폭 및 두께를 갖는 촙드 스트랜드 불연속 탄소 섬유 시트를 얻었다. 얻어진 불연속 탄소 섬유 시트에 매트릭스 수지(1)를 포함하는 단위 면적당 중량 100g/㎡의 수지 필름을 얻어지는 탄소 섬유 복합 재료 중의 탄소 섬유 함유량이 Vf=40％가 되도록 적층하고, 260℃로 승온한 프레스기의 금형 내에서 300초간 예열하고, 5MPa의 압력을 가하면서 300초간 가압하고, 가압 상태에서 50℃까지 냉각하여, 두께 2mm의 탄소 섬유 복합 재료의 평판을 얻은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 탄소 섬유 복합 재료 평판을 제조하고, 평가를 실시하였다. 결과를 표 2에 나타내었다. 얻어진 탄소 섬유 복합 재료는 굽힘 강도, 굽힘 탄성률이 뒤떨어지고, CV값의 변동도 크고, 2차원 등방성이 아니었다. 또한, 유동성 평가 후의 샘플은 표면 품위가 뒤떨어지고, 샘플을 550℃로 가열한 전기로 중에서 2시간 가열하여, 매트릭스 수지를 번아웃하고, 촙드 스트랜드 불연속 탄소 섬유 시트를 취출한 바, 촙드 스트랜드 불연속 탄소 섬유 시트 표층의 촙드 스트랜드는 촙드 스트랜드 형상을 유지하고 있고, 촙드 스트랜드 표면에 다소 보풀이 일어나 있었다. 조건, 평가 결과를 표 2에 나타내었다.
비교예 2:
탄소 섬유 스트랜드(1)를 10Hz로 진동하는 진동 막대로 진동 폭 확대시켜, 탄소 섬유 스트랜드 폭이 15mm인 폭 확대 탄소 섬유 스트랜드(1)를 얻었다. 얻어진 폭 확대 탄소 섬유 다발(1)에 대하여, 원반 형상의 분할 날을 사용하여, 0.5mm 간격으로 슬릿하고, 슬릿한 탄소 섬유 스트랜드(1)를 섬유 길이 25mm로 커트하여, 불연속 탄소 섬유 시트를 얻은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 탄소 섬유 복합 재료 평판을 제조하고, 평가를 실시하였다. 결과를 표 2에 나타내었다. 얻어진 불연속 탄소 섬유 시트는, 구성하는 불연속 탄소 섬유의 대부분이 길이 방향(섬유 길이 방향)에 대하여, 거의 균일한 폭을 갖는 폭 방향으로 분할된 분할 촙드 스트랜드, 적어도 편측 단부가 분할 및 폭 확대되어 있지만, 집합체 형상을 충족하지 않는 촙드 스트랜드로 구성되어, 얻어진 탄소 섬유 복합 재료는 유동성이 뒤떨어져 있었다.
비교예 3:
탄소 섬유 스트랜드(1)를 10Hz로 진동하는 진동 막대로 진동 폭 확대시켜, 탄소 섬유 스트랜드 폭이 11mm인 폭 확대 탄소 섬유 스트랜드(1)를 섬유 길이 25mm로 커트하여, 불연속 탄소 섬유 시트를 얻은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 탄소 섬유 복합 재료 평판을 제조하고, 평가를 실시하였다. 결과를 표 2에 나타내었다. 얻어진 탄소 섬유 복합 재료는 유동성이 뒤떨어져 있었다.
Figure pct00001
Figure pct00002
또한, 어느 불연속 강화 섬유 집합체의 폭이나 두께를 측정한 결과, (A-2) 또는 (A-3), (A-4), (A-5), (A-6) 중 어느 것/모두를 동시에 충족하는 것이 있는 점에서, 표 1이나 표 2에 있어서, 불연속 강화 섬유 집합체 (A-2) 내지 (A-7)의 합이, 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 중량 비율과는 일치하지 않는다.
본 발명에 따른 강화 섬유 복합 재료는, 종래 기술에서는 달성할 수 없었던, 고유동성과 2차원 등방성, 적은 기계 특성의 변동이 요구되는 모든 섬유 강화 성형품의 제조에 적용할 수 있다.
1: 불연속 강화 섬유 집합체 (A)
2: 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부
3, 4: 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 편측 단부
5: 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 도 1의 (B) 방향으로부터의 투영도
6: 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 섬유 배향 방향
7: 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 단부의 중점
8: 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 도 1의 (C) 방향으로부터의 투영도
21: 반송 롤
22: 커터
23: 강화 섬유 스트랜드
24: 에어 헤드
25: 닙 롤
26: 커터용 대
27: 컨베이어
31: 각도를 갖게 하여 스트랜드를 커트한 경우의 불연속 강화 섬유 집합체 (A)
41: 단부의 두께 측정점
42: 최대 폭 확대부의 두께 측정점
43: 최대 폭 확대부의 폭이 마이크로미터 압자 직경의 2배보다 큰 경우의 최대 폭 확대부 두께 측정점

Claims (8)

  1. 적어도 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 불연속 강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 강화 섬유 복합 재료이며, 상기 불연속 강화 섬유 집합체를 2차원 투영했을 때의, 해당 불연속 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 교차하는 방향의 해당 불연속 강화 섬유 집합체의 폭이 가장 폭 확대된 최대 폭 확대부가 해당 불연속 강화 섬유 집합체의 양단부를 제외한 위치에 존재하고, 해당 최대 폭 확대부에 있어서의 애스펙트비(불연속 강화 섬유 집합체의 폭/불연속 강화 섬유 집합체의 두께)가 상기 불연속 강화 섬유 집합체의 적어도 한쪽의 단부에 있어서의 애스펙트비의 1.3배 이상인 불연속 강화 섬유 집합체 (A)가, 상기 불연속 강화 섬유 중에 적어도 5중량％ 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부에 있어서의 애스펙트비가 30을 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 복합 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 불연속 강화 섬유 집합체 (A)를 2차원 투영했을 때 적어도 한쪽의 단부의 폭과, 해당 불연속 강화 섬유 집합체 (A)에 있어서의 최대 폭 확대부의 폭에 대하여, 최대 폭 확대부 폭/단부 폭이 1.3 이상인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 복합 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불연속 섬유 집합체 (A)의 적어도 한쪽의 단부에 있어서의 두께와, 해당 불연속 섬유 집합체 (A)의 최대 폭 확대부에 있어서의 두께에 대하여, 단부 두께/최대 폭 확대부 두께가 1.2 이상인 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 복합 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불연속 섬유 집합체 (A)의 적어도 한쪽의 단부의 폭과 최대 폭 확대부의 폭으로부터 산출한 폭 확대 각도가, 5°를 초과하는 불연속 강화 섬유 집합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 복합 재료.
    여기서, 폭 확대 각도=tan-1{(최대 폭 확대부의 폭-단부의 폭)/2/단부와 최대 폭 확대부 사이 거리}
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불연속 강화 섬유의 수 평균 섬유 길이가 5mm 이상 100mm 미만인 것을 특징으로 하는 강화 섬유 복합 재료.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불연속 강화 섬유 집합체 (A)의 양단부가 불연속 강화 섬유 집합체 (A) 중의 불연속 강화 섬유의 섬유 배향 방향에 대하여, 2° 내지 30°의 각도를 갖게 하여 커트되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 복합 재료.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불연속 강화 섬유로서 탄소 섬유가 포함되어 있는, 강화 섬유 복합 재료.
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