JP6314145B2 - 複合材料の含浸性向上のための機能性フィルムおよびそれを用いた複合材料の製造方法 - Google Patents

複合材料の含浸性向上のための機能性フィルムおよびそれを用いた複合材料の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、複合材料形成用フィルムおよびそれを用いた複合材料の製造方法に関するものであり、より詳しくは、低粘度樹脂層が形成されたキャリアフィルムを用いて含浸性を向上させることができる複合材料形成用フィルムおよびそれを用いた複合材料の製造方法に関する。
自動車用バックビーム(back beam)、ボンネット(bonnet)、ルーフ(roof)等には複合材料が使用される。前記複合材料は、二種類以上の材料の結合により形成され、強化相(reinforcing phase)と呼ばれる一つの材料が、繊維、板、粒子の形態を有し、基地相(matrix phase)と呼ばれる他の材料に埋められている構造である。強化材は、高強度および高剛性の特性を有さなければならなく、繊維の長さが一定長さ以上を満たさなければならない。連続繊維は、LFT(Long Fiber−reinforced Thermoplastics)やGMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)のような5mmないし50mm長さレベルの長繊維強化プラスチックに比べて、機械的強度、剛性および衝撃性能が非常に優れる。
現在、複合材料の機械的特性を極大化するために、連続繊維と熱可塑性プラスチックのフィルムの積層構造の複合材料が製造されている。しかし、前記連続繊維と熱可塑性プラスチックフィルムとの界面親和力の弱化により満足のいく含浸性を得ることができないことによって、最大物性値に到達できないという問題点がある。
なし
本発明は、前記のような問題点を解決するためのものであり、既存の熱可塑性プラスチックフィルムの代わりに、低粘度樹脂層がいずれか一面に形成されたキャリアフィルムを用いた複合材料形成用機能性フィルムを提供することを目的とする。
また、前記複合材料形成用機能性フィルムを用いて連続繊維と熱可塑性プラスチック素材間に含浸性に優れた複合材料を製造する方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明の一実施例にかかる複合材料形成用フィルムは、連続繊維層および前記連続繊維層のいずれか一面に付着し、前記連続繊維層と付着される面に低粘度樹脂層が形成されたキャリアフィルムを含み、前記連続繊維層の繊維束は、600texないし2400texであり、前記キャリアフィルムは、前記連続繊維層の両面に付着され、それぞれのキャリアフィルムが有するそれぞれの低粘度樹脂層は、それぞれ別の物質で形成されており、前記別の物質は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、PET(polyethylene terephthalate)、PPS(polyphenylene sulfide)、PEEK(polyetherehterketone)、PLA(polylactic acid)およびABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)から選ばれた1種以上を含む物質のプレポリマーであること特徴とする。
また、前記の別の目的を達成するための本発明の一実施例にかかる複合材料の製造方法は、(a)キャリアフィルムのいずれか一面に低粘度樹脂層を形成し、前記低粘度樹脂層上に連続繊維層を付着して複合材料形成用フィルムを製造するステップと、(b)前記低粘度樹脂層を前記連続繊維層内部に含浸させて、樹脂含浸連続繊維層を形成するステップ、および(c)前記キャリアフィルムと前記樹脂含浸連続繊維層を圧着するステップを含み、前記(b)ステップは、50℃〜100℃の温度条件下で樹脂含浸連続繊維層を形成することを特徴とする。
また他の一実施例にかかる複合材料の製造方法は、(a)キャリアフィルムのいずれか一面に低粘度樹脂層を形成し、前記低粘度樹脂層上に連続繊維層を付着して複合材料形成用フィルムを製造するステップと、(b)前記低粘度樹脂層を前記連続繊維層内部に含浸させて、樹脂含浸連続繊維層を形成するステップ、および(c)前記キャリアフィルムと前記樹脂含浸連続繊維層を圧着するステップを含み、前記(b)ステップは、UV光を照射して樹脂含浸連続繊維層を形成することを特徴とする。
本発明にかかる複合材料形成用フィルムは、キャリアフィルムのいずれか一面に形成された低粘度樹脂層と連続繊維層を付着するため、含浸性に優れ、機械的性能に優れた複合材料を提供する効果がある。
また、本発明にかかる複合材料の製造方法は、前記複合材料形成用フィルムを用いて複合材料を製造することにより、含浸性に優れ且つ機械的性能に優れた複合材料を提供する効果がある。
本発明の一実施例にかかる複合材料形成用フィルムの構造を示した断面図である。 本発明の別の実施例にかかる複合材料形成用フィルムの構造を示した断面図である。 低粘度樹脂層が連続繊維層の内部に含浸した様子を示した断面図である。 本発明にかかる複合材料aの含浸性と従来の複合材料bの含浸性を示した断面図である。
本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と併せて詳しく後述してある実施例を参照すると明確になると考える。しかし、本発明は以下で開示する実施例に限定されるのではなく、相違する多様な形態に具現され、単に本実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供するものであり、本発明は請求項の範疇によって定義されるだけである。明細書全体にわたって同一参照符号は同一構成要素を指す。
以下、添付の図面を参照して本発明にかかる複合材料形成用フィルムおよびそれを用いた複合材料の製造方法について詳しく説明する。
(複合材料形成用フィルム)
図1は、本発明の一実施例にかかる複合材料形成用フィルム10の断面を概略的に示したものである。
図1を参照すると、本発明にかかる複合材料形成用フィルム10は、キャリアフィルム1、前記キャリアフィルムのいずれか一面に形成された低粘度樹脂層2および連続繊維層3を含む。
まず、前記連続繊維層3は、通常、連続繊維強化プラスチックからなる複合材料に使用されるものであれば特に制限されないが、化学的結合力を高めるために、好ましくは、ガラス繊維、炭素繊維、玄武岩繊維、アラミド繊維を含む有機繊維および無機繊維から選択された1種以上を含んでもよい。また、前記連続繊維の直径は小さいほど良いが、10μmないし20μmであることが好ましい。連続繊維層の繊維束は、繊維の広幅化の点および経済的な点を考慮して600texないし2400texであることが好ましい。
次に、前記キャリアフィルム1は、高分子素材の熱可塑性フィルムであれば特に制限なく使用でき、好ましくは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、PET(polyethylene terephthalate)、PPS(polyphenylene sulfide)、PEEK(polyetheretherketone)、PLA(polylactic acid)、PLA(polylactic acid)、およびABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)から選ばれた1種以上を含んでもよい。
前記キャリアフィルム1のいずれか一面には、低粘度樹脂層2が形成されている。前記低粘度樹脂層2は、連続繊維層3と付着される面に形成される。前記低粘度樹脂層2を成す物質は、フィルム上に硬化した状態ではなく、流れ性を有する低粘度性樹脂であれば、特に制限なく使用できる。好ましくは、前記キャリアフィルム1と相溶性を有する単量体およびオリゴマーの1種以上の物質を含む。例えば、前記低粘度樹脂層2は、前記キャリアフィルム1と同様の物質を使用でき、キャリアフィルム1がポリアミドのような極性物質の場合、低粘度樹脂層2は極性物質からなることが好ましく、キャリアフィルムが無極性物質の場合は、前記低粘度樹脂層も無極性物質からなることが好ましい。
本発明において前記低粘度樹脂層2は、高分子物質は含まず、プレポリマー状態の物質からなってもよい。例えば、前記低粘度樹脂層2は、UVまたは熱によって架橋が可能なプレポリマー、または2液型のプレポリマー(例えば、ウレタンプレポリマーと硬化剤等)からなってもよく、具体的には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、PET(polyethylene terephthalate)、PPS(polyphenylene sulfide)、PEEK(polyetheretherketone)、PLA(polylactic acid)およびABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)から選ばれた1種以上を含む物質のプレポリマーを使用することが好ましい。
既存の複合材料形成用フィルムは、熱可塑性プラスチックフィルムと連続繊維層を付着させ、高熱、高圧条件で圧着して製作していた。このとき、前記複合材料製作時に、連続繊維層において繊維が表面に多く露出して熱可塑性フィルムの表面と界面親和力がよくないため、熱可塑性フィルムが連続繊維層内部に十分に含浸されないという問題点があった。
これとは異なり、本発明にかかる複合材料形成用フィルムは、キャリアフィルム1のいずれか一面に低粘度樹脂層2が形成されており、前記低粘度樹脂層2と連続繊維層3が付着する構造を有する。つまり、前記連続繊維層が熱可塑性プラスチックフィルムのようなキャリアフィルムに直接付着するのではなく、前記低粘度樹脂層2を通じて付着するため、界面親和力が相対的に優れる。
本発明にかかる複合材料形成用フィルムは、上のような技術的特徴により含浸性に優れた複合材料を形成することができる。
図2は、本発明の別の一実施例にかかる複合材料形成用フィルム10の断面を概略的に示したものである。
図2を参照すると、本発明にかかる複合材料形成用フィルム10’は、キャリアフィルム1が連続繊維層3の両面に形成されており、特に、低粘度樹脂層2,2’がそれぞれ異なる種類の物質で形成されている。つまり、本発明にかかる複合材料形成用フィルムは、2種類の低粘度樹脂層が連続繊維層の一面または両面に付着してもよく、これによってより優れた強度および性質を有する複合材料の形成が可能になる。
図3は、低粘度樹脂層が連続繊維層の内部に含浸された複合材料形成用フィルム20の様子を示した断面図である。
前記低粘度樹脂層は、熱またはUV光によって前記連続繊維層の内部に含浸してもよく、これによって樹脂含浸連続繊維層4が形成される。
本発明にかかる複合材料形成用フィルムにおいて、一時的に低粘度樹脂層が連続繊維層の内部に含浸されるようにした後、最終的に圧着過程を経て含浸性に優れた複合材料の形成が可能になる。
図4は、本発明にかかる複合材料aの含浸性と従来の複合材料bの含浸性を示した断面図である。図4を参照すると、本発明にかかる複合材料aは、連続繊維層の内部に熱可塑性プラスチック樹脂が均一に含浸されているが、既存の複合材料bは、連続繊維層の内部に熱可塑性プラスチック樹脂が含浸されない部分がある。
(複合材料の製造方法)
本発明にかかる複合材料の製造方法は、(a)複合材料形成用フィルムを製造するステップと、(b)樹脂含浸連続繊維層を形成するステップ、および(c)キャリアフィルムと樹脂含浸連続繊維層を圧着するステップを含む。
まず、前記(a)ステップではキャリアフィルムのいずれか一面に低粘度樹脂層を形成し、前記低粘度樹脂層上に連続繊維層を付着させて複合材料形成用フィルムを製造する。前記キャリアフィルムは、好ましくは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、PET(polyethylene terephthalate)、PPS(polyphenylene sulfide)、PEEK(polyetheretherketone)、PLA(polylactic acid)、およびABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)から選ばれた1種以上を含む物質を使用できる。
前記低粘度樹脂層は、フィルム上に硬化された状態ではなく、流れ性に優れた低粘度性樹脂であれば特に制限なく使用できる。好ましくは、前記キャリアフィルムと相溶性に優れた単量体およびオリゴマーの1種以上の物質を含んでもよい。例えば、前記低粘度樹脂層は、前記キャリアフィルムと同様の物質を使用してもよく、キャリアフィルムがポリアミドのような極性物質の場合、低粘度樹脂層は極性物質からなることが好ましく、キャリアフィルムが無極性物質であれば、前記低粘度樹脂層も無極性物質からなることが好ましい。
本発明において前記低粘度樹脂層は、高分子物質は含まず、プレポリマー状態の物質からなってもよい。例えば、前記低粘度樹脂層は、UVまたは熱によって架橋が可能なプレポリマー、または2液型のプレポリマー(例えば、ウレタンプレポリマーと硬化剤等)からなってもよく、具体的には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、PET(polyethylene terephthalate)、PPS(polyphenylene sulfide)、PEEK(polyetherehterketone)、PLA(polylactic acid)およびABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)から選ばれた1種以上を含む物質のプレポリマーを使用することが好ましい。
ここで、前記低粘度樹脂層を形成する方法が特に制限されるのではなく、一例として、低粘度樹脂を準備し、これをキャリアフィルムのいずれか一面にコーティングする方式で低粘度樹脂層を形成してもよい。
本発明において前記低粘度樹脂層は、高分子物質は含まず、プレポリマー状態の物質からなってもよい。例えば、前記低粘度樹脂層は、UVまたは熱によって架橋が可能なプレポリマー、または2液型のプレポリマー(例えば、ウレタンプレポリマーと硬化剤等)からなってもよく、具体的には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、PET(polyethylene terephthalate)、PPS(polyphenylene sulfide)、PEEK(polyetheretherketone)、PLA(polylactic acid)およびABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)から選ばれた1種以上を含む物質のプレポリマーを使用することが好ましい。
そして、(b)ステップでは、前記低粘度樹脂層を前記連続繊維層内部に含浸させて樹脂含浸連続繊維層を形成する。ここで、前記複合材料形成用フィルムに熱を加えたり、或いはUV光を照射して前記低粘度樹脂層を連続繊維層内部に含浸させてもよい。具体的には、50℃ないし100℃の温度条件下で樹脂含浸連続繊維層を形成でき、低粘度樹脂層を成す樹脂の物性に適したエネルギーを有するUV光を照射して樹脂含浸連続繊維層を形成してもよい。前記温度条件が50℃未満の場合は前記低粘度樹脂が前記繊維層に十分に含浸されないという問題点があり、100℃を超える場合は低粘度樹脂の軟性が過度になって製造上の問題点が生じ得る。
最後に、(c)ステップでは、前記キャリアフィルムと前記樹脂含浸連続繊維層を圧着して最終的に複合材料を製造する。
前記圧着は、加圧プレス等を用いて行ってもよく、好ましくは、100℃ないし380℃の温度条件下で圧着してもよい。
上のような一連の製造過程を通じて、含浸性に優れ且つ機械的性質に優れた複合材料の製造が可能になる。
以下では、本発明を実施例および比較例によってより詳しく説明する。但し、本発明が下記の実施例によって制限されるのではない。
<複合材料の製造>
[実施例1]
17μmの平均直径および2400texの繊維束を有するガラス繊維層を製作した。そして、ポリプロピレンを主成分とするキャリアフィルムを2つ製作した後、各キャリアフィルムの一面にモノマーおよびオリゴマー状態のプロピレンを主成分とする低粘度樹脂層を形成した。
その後、前記ガラス繊維層の両面に前記低粘度樹脂層を付着して複合材料形成用フィルムを製作した後、80℃の熱を加えて前記低粘度樹脂層を前記連続繊維層内部に含浸させた。そして、前記フィルムを200℃の温度条件で加圧プレスによって圧着して実施例にかかる複合材料を製造した。
[実施例2]
実施例1にかかる複合材料と同様の方式で製作するが、低粘度樹脂層をポリエステル系ウレタンプレポリマーと硬化剤(ヘキサメチレンジイソシアネート)を主成分とする低粘度樹脂層を形成した。
[比較例]
17μmの平均直径および2400texの繊維束を有するガラス繊維層を製作し、ポリプロピレンを主成分とするプラスチックフィルムを2つ製作した。
その後、前記ガラス繊維層の両面に前記プラスチックフィルムを付着し、200℃の温度条件で加圧プレスによって圧着して比較例にかかる複合材料を製造した。
<評価>
前記実施例と比較例により製造された複合材料に対して、機械的性質を評価する実験を行った。
機械的性質を評価する実験は、各材料の引張強度および曲げ強度を測定し、比較して行った。各材料の引張強度および曲げ強度の測定値によって、機械的性質に優れた材料と普通の材料に分けた。各実施例および比較例の引張強度はASTM D3039によって測定し、曲げ強度はASTMD790によって測定した。
Figure 0006314145
前記表1を見ると、実施例1、2の方が比較例より機械的性質に優れる結果が表れた。
つまり、本発明にかかる実施例1、2は、低粘度樹脂層を有するため複合材料の樹脂含浸性が比較例に比べて優れる。よって、前記実施例が比較例に比べて機械的性質に優れることを実験を通じて確認することができた。
以上では、本発明の実施例を中心に説明したが、これは例示的なものに過ぎなく、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する技術者であればこれにより多様な変形および均等な他実施例が可能だという点を理解すると考える。よって、本発明の真正な技術的保護範囲は、以下に記載する特許請求の範囲によって判断しなければならない。
1………キャリアフィルム
2,2’ ………低粘度樹脂層
3………連続繊維層
4………樹脂含浸連続繊維層
10,10’,20………複合材料形成用フィルム

Claims (8)

  1. 連続繊維層;及び
    前記連続繊維層のいずれか一面に付着し、前記連続繊維層と付着される面に低粘度樹脂層が形成されたキャリアフィルム;を含み、
    前記連続繊維層の繊維束は、600texないし2400texであり、
    前記キャリアフィルムは、前記連続繊維層の両面に付着され、それぞれのキャリアフィルムが有するそれぞれの低粘度樹脂層は、それぞれ別の物質で形成されており、
    前記別の物質は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、PET(polyethylene terephthalate)、PPS(polyphenylene sulfide)、PEEK(polyetherehterketone)、PLA(polylactic acid)およびABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)から選ばれた1種以上を含む物質のプレポリマーであることを特徴とする複合材料形成用フィルム。
  2. 前記低粘度樹脂層は、
    前記キャリアフィルムと相溶性を有する単量体およびオリゴマーの1種以上を含む樹脂組成物からなることを特徴とする請求項1に記載の複合材料形成用フィルム。
  3. 前記低粘度樹脂層は、
    熱またはUV光によって前記連続繊維層の内部に含浸されることを特徴とする請求項1に記載の複合材料形成用フィルム。
  4. 前記連続繊維層は、
    ガラス繊維、炭素繊維、玄武岩繊維、アラミド繊維を含む有機繊維および無機繊維から選ばれた1種以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合材料形成用フィルム。
  5. 前記キャリアフィルムは、
    ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、PET(polyethylene terephthalate)、PPS(polyphenylene sulfide)、PEEK(polyetheretherketone)、PLA(polylactic acid)およびABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)から選ばれた1種以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合材料形成用フィルム。
  6. (a)キャリアフィルムのいずれか一面に低粘度樹脂層を形成し、前記低粘度樹脂層上に連続繊維層を付着して複合材料形成用フィルムを製造するステップ;
    (b)前記低粘度樹脂層を前記連続繊維層内部に含浸させて、樹脂含浸連続繊維層を形成するステップ;及び
    (c)前記キャリアフィルムと前記樹脂含浸連続繊維層を圧着するステップ;を含み、
    前記(b)ステップは、
    50℃〜100℃の温度条件下で樹脂含浸連続繊維層を形成することを特徴とする複合材料の製造方法。
  7. (a)キャリアフィルムのいずれか一面に低粘度樹脂層を形成し、前記低粘度樹脂層上に連続繊維層を付着して複合材料形成用フィルムを製造するステップ;
    (b)前記低粘度樹脂層を前記連続繊維層内部に含浸させて、樹脂含浸連続繊維層を形成するステップ;及び
    (c)前記キャリアフィルムと前記樹脂含浸連続繊維層を圧着するステップ;を含み、
    前記(b)ステップは、
    UV光を照射して樹脂含浸連続繊維層を形成することを特徴とする複合材料の製造方法。
  8. 前記(c)ステップは、
    100℃〜380℃の温度条件下で圧着することを特徴とする請求項6または請求項7に記載の複合材料の製造方法。
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