KR100411355B1 - 복합재용 강화 섬유 기재 - Google Patents

복합재용 강화 섬유 기재 Download PDF

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KR100411355B1 KR10-2001-7004467A KR20017004467A KR100411355B1 KR 100411355 B1 KR100411355 B1 KR 100411355B1 KR 20017004467 A KR20017004467 A KR 20017004467A KR 100411355 B1 KR100411355 B1 KR 100411355B1
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Abstract

본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재는 단일방향성 강화 섬유의 2층 이상을 갖고, 각 층에서 섬유속의 방향이 인접층 간에 상이한 점 및, 열가소성 수지 성분을 1 이상의 섬유속층내 섬유속의 표면에 무질서하게 부분적으로 부착시켜 열가소성 수지 성분을 이용하여 속층을 서로 접착시키는 것을 특징으로 한다. 기재를 매트릭스 수지에 함침시킬 수 있고, 기계적 특성이 우수하며 성형성이 양호하다.

Description

복합재용 강화 섬유 기재 {REINFORCING FIBER BASE FOR COMPOSITE MATERIAL}
현재, FRP 및 FRTP 는 토목 건축 재료, 운송기 예컨대 비행기, 배 및 자동차의 구조 재료로서, 그리고, 그 밖에, 컴퓨터 및 통신 장비의 전자 재료로서 다양한 분야에서 사용되고 있다. 상기 용도를 만족시키기 위해, 상기 복합재용 강화재로서 사용되는 강화 섬유 기재를 위해 다양한 형태가 개발되어 왔다.
강화 섬유 기재 기본 형태로서, 로빙 (roving), 찹트 스트란드 (chopped strand), 찹트 스트란드 메트 (mat), 및 직물이 있다. 로빙을 필라멘트 와인딩 (winding) 법 또는 인발법에 적용하고, 탱크 및 파이프의 성형에 사용한다. 찹트 스트란드를 열가소성 수지의 사출 성형 또는 압출 성형 분야에서 대량으로 사용하고, 자동차 부품 또는 전자 부품의 제조에 사용한다. 찹트 스트란드 메트를 핸드 레이업 (hand lay-up) 법 또는 SMC 법에 적용하고 소형 보트, 욕조 및 정화조로 사용하고, 최근에, 또한 스탬핑 (stamping) 성형법에 적용하고 자동차 등의 범퍼로 사용한다. 직물에 관련하여, 강화 섬유가 유리 섬유인 경우 인쇄 회로 기판용 강화재로서 널리 사용되고, 강화 섬유가 탄소 섬유인 경우 비행기 등의 구조재로서 사용되고, 이의 사용 범위는 매년 확대되고 있다.
강화 섬유 기재의 상기 언급된 기본 형태 중에서, 로빙에 관해, 중공 성형품 예컨대 탱크 및 파이프로 사용되는 경우에 와인딩 방향의 강도를 충분히 이용하고, 따라서, 강화 섬유의 함유율을 증가시킬 수 있는 장점과 함께 섬유 속 (束) 형태의 장점을 나타낸다. 그러나, 인발 성형의 경우, 섬유 속 배열 방향의 강도를 나타낼 수 있지만, 배열 방향과 직각의 강도는 본래 불충분하게 된다. 그러므로, 로빙은 평면 및 광폭 성형품 또는 예컨대 박스형의 입체형 성형품 제조에 적합하지 않다.
찹트 스트란드를 열가소성 수지와 조합으로 사출 성형 또는 압출 성형으로 사용한다. 사출 성형 또는 압출 성형의 경우, 강화 섬유의 함유율을 매우 크게 증가시킬 수 없고, 함유율은 통상 20 - 40 % 이다. 그러므로, 강화재 보다 충전제로서의 용도에 중요성을 부여하고, 종종 표면 경도 (硬度), 내열성 또는 치수 안정성의 증가 목적으로 종종 사용된다.
찹트 스트란드 메트를 그대로 사용하는 핸드 레이업 법, 열경화성 수지와 조합으로 사용되는 SMC 법 및 열가소성 수지와 조합으로 사용되는 스탬핑법으로 찹트 스트란드 메트를 사용한다. 찹트 스트란드 메트의 경우, 찹트 스트란드를 무질서하게 배열시키기 때문에, 강화 섬유는 방향성이 없고, 더욱이, 성형성이 양호하며, 그러므로, 상대적 균일성 강화 효과를 또한 입체 성형품 예컨대 욕조에 대해수득할 수 있는 장점이 있다. 다른 한편, 찹트 스트란드 메트 자체가 벌크성이기 때문에, 강화 섬유의 함유율을 증가시킬 수 없고 강화 섬유는 연속 섬유가 아니기 때문에, 충분한 강화 효과를 달성할 수 없다는 단점이 있다.
직물이 특히 강도가 필요한 분야에 적합한 강화 섬유 기재의 형태인 것은 강화 섬유가 연속 섬유이고 강화 섬유의 함유율을 50 - 60 % 로 할 수 있기 때문이다. 더욱이, 직물의 경우, 강화 섬유를 경 (warp) 방향 및 위 (weft) 방향으로 배열시키기 때문에, 강도의 방향성도 비교적 균형이다. 그러나, 직물이 상하로 교대로 교차하는 경사 (經絲) 및 위사 (緯絲) 를 포함하고, 따라서, 실의 움직임이 제한되고 인쇄 배선 기판과 같은 평판 형태의 성형품에 적합해도 입체형을 갖는 성형품에 적합하지 않다. 즉, 직물은 성형성에 단점이 있다. 더욱이, 직물은 웨이브성을 위해 상하 교대로 교차하는 경사와 위사를 포함하기 때문에, 한계적 강도를 요구하는 경우, 상기 요구를 때때로 만족시킬 수 없고, 강도의 방향성에 관해, 엄격히 말해, 사 (oblique) 방향의 강도 성분이 없고 이것은 때때로 문제를 발생시킨다. 예를 들어, 발 (weave) 이 없는 일방향 섬유층을 포함하는 부직포의 적층물을 강화재로서 사용하면, 인장 강도는 종종 20 % 증가된다. 경사와 위사의 교착 부분을 매트릭스 수지에 함침시키는 문제가 추가로 있다. 더욱이, 직물의 생산이 제직 (製織) 공정을 포함하기 때문에, 생산 속도가 낮고 비용이 증가하는 근본적인 단점이 있다.
강화 섬유 기재의 상기 언급된 기본 형태 이외에, 복합 성형품의 형상, 성형 방법, 및 강화되는 매트릭스 수지의 성질에 따라 다양한 형태가 제안되고 있다.
예를 들어, 일방향으로 배열된 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시킨후, 시트 (sheet) (UD 시트) 를 형성함으로써 제조되는 기재, 강화 섬유의 부직포를 일방향으로 배열된 강화 섬유에 적층시키고 부직포를 대신하여 이들을 부직포로 칭하는 조잡한 망사 (rough meshes) 의 섬유형 물질을 스팟 (spot) 접착 또는 부착 또는 점착시킴으로써 제조되는 기재, 및 기타가 있다. 더욱이, 강화 섬유를 경사로서 열가소성 수지 섬유를 위사로서 이용하여 제조된 교직 (交織) 직물이 또한 제안되고 있다.
그러나, 열가소성 수지를 함침시킨 UD 시트는 실온에서 강성 (剛性) 이 크고, 따라서, 금형에 순응하는 형태를 만들기 위해 시트를 예열시켜야 하고, 이것은 취급시 문제를 일으킨다. 더욱이, 직물을 적층시킨후, 스팟 접착시킴으로써 제조되는 기재는 유연성을 갖고 취급성이 양호하지만, 직물을 한쪽 면에 갖기 때문에, 수지 함침시 장시간이 필요한 문제가 있다.
강화 섬유 및 열가소성 수지의 교직 직물은 유연성을 갖고 취급성이 우수하지만, 제직 공정이 필요하다.
직물 대신 부직포를 함침시킴으로써 제조된 기재가 함침의 문제 및 취급성의 문제를 해결하는 것은 이들이 유연성을 갖기 때문이다. 그러나, 상기 기재의 경우, 강도를 제공하는 맴버(member)가 또한 일방향으로 배열된 강화 섬유이고, 그래서, 이들은 일방향재에서 나타나는 문제가 여전히 있다.
다른 한편, 부직포의 경우, 3 축 부직포를 2 축 부직포 이외에 개발하여 왔다. 부직포에서, 위재 (緯材) 또는 사교재 (斜交材) 를 접착제로 경재 (經材)에 접착시키고, 2 축 부직포는 직물형 형상을 갖는다. 그러나, 직물과 상이하기 때문에, 부직포의 경우, 위재를 경재상에 단순히 배치시키고, 그러므로, 직물의 생산과 비교하여 생산 속도가 현격히 높아지고, 그래서, 가공 비용을 감소시킬 수 있다. 3 축 부직포에서, 상호 반대 방향으로 교차하는 사교재를 경재에 부착시키고, 3 축 부직포는 2 방향으로 배열된 경재 및 사교재로 구성된다. 더욱이, 최근, 4 축 부직포의 제조 기술이 부직포 분야에서 개발되어 왔다 (JP-B-3-80911 및 JP-A-8-209518).
4 축 부직포는 상호 2 방향으로 교차하는 위재 및 사교재를 경재 사이에 두고, 이들 전체를 에멀션 접착제로 접착시키는 구조를 갖는다. 4 축 부직포에서, 사교재를 경재 및 위재 이외에 배열시키고, 그러므로, 부직포는 강도 방향성에서 직물보다 우수하다. 더욱이, 경사 및 위사를 직물에서와 같이 상호 직조하지 않기 때문에, 강화 섬유를 직접 배열시키고 4 축 부직포를 강화재로서 사용하는 경우 용이하게 강화 효과를 발휘할 수 있다. 더욱이, 부직포의 경우, 경재, 위재 및 사교재의 성분이 차례대로 단순이 놓여지기 때문에, 프레스 성형시 개별 성분의 이동에 대한 자유도는 직물 제조시보다 크고, 그래서, 부직포가 복합한 형상의 성형품 제조에 또한 적합하다.
그러나, 상기와 같이, 개별 성분을 적층시킨후, 생성 적층물을 에멀션형 처리 용액에 함침시키고, 용액을 압착시킨후 적층물을 건조시켜 성분들의 접착을 실시함으로써 본 부직포를 제조한다. 아크릴레이트 수지 및 기타를 에멀션형 처리 용액으로서 사용한다. 그러므로, 만일 본 부직포를 FRP 또는 FRTP 용 강화재로서 사용하면, 매트릭스 수지인 폴리에스테르 수지 또는 에폭시 수지로의 함침은 불충분해져서 유연성의 문제를 일으키기 쉽다.
더욱이, 경재, 위재 및 사교재의 성분들을 합성 수지 실로 편직기를 이용하여 짜거나, 이들을 미싱기로 바느질함으로써 본 부직포를 제조하는 방법이 있지만, 상기 제조된 부직포를 절단시키는 경우, 말단부의 단섬유 속은 탈락되거나 떨어져 생산성 (생산 속도) 을 떨어뜨리고 비용을 증가시킨다. 편직 침 또는 미싱 침의 마모 또는 파손의 발생을 감시하기 위한 유지가 필요하다는 추가 문제가 있다.
본 발명은 종래 기술의 상기 문제를 해결하기 위해 달성되었고 본 발명의 목적은 매트릭스 수지에 대한 함침이 용이하고, 성형성이 우수하며 취급 및 성형시 문제가 없는 복합재용 강화 섬유 기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 가공 비용이 저렴한 복합재용 강화 섬유 기재를 제공하는 것이다.
본 발명은 섬유 강화 복합재 (複合材) 예컨대 FRP (섬유 강화 플라스틱) 및 FRTP (섬유 강화 열가소성 수지) 로 사용되는 강화 섬유 기재 (基材), 및, 특히, 성형성이 양호하고 생산성이 우수한 시트 (sheet) 형 강화 섬유 기재에 관한 것이다.
도 1 은 열가소성 수지 섬유를 열가소성 수지 성분으로서 사용하는 경우 강화 섬유속에 대한 열가소성 수지 섬유의 접착 상태를 나타낸다.
도 2 는 열가소성 수지 분말을 열가소성 수지 성분으로서 사용하는 경우 강화 섬유속에 대한 열가소성 수지의 접착 상태를 나타낸다.
도 3 은 열가소성 수지 섬유를 이용하는 본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재 (3 축 또는 4 축 부직포) 제조용 장치 (경사 15 및 경사 14 의 공급 장치를 나타내지 않음) 의 평면도이다.
도 4 는 열가소성 수지 섬유를 이용하는 본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재 (3 축 또는 4 축 부직포) 제조용 장치의 측면도이다.
도 5 는 열가소성 수지 섬유를 사용하는 경우 섬유속의 상호 접착 상태를 나타내는 확대도이다.
도 6 은 열가소성 수지 섬유를 사용하는 경우 섬유속의 상호 접착 상태를 나타낸다.
간단히, 본 발명은 단일방향성 강화 섬유속으로 이루어진 2 이상의 섬유속층을 갖는 복합재용 강화 섬유 기재에 관한 것으로, 개별 섬유속층내 강화 섬유속의 방향이 인접 층간에 상이하고, 열가소성 수지 성분을 1 이상의 섬유속층내 강화 섬유속의 표면에 무질서하게 부분적으로 부착시키며, 섬유속층을 상기 열가소성 수지 성분으로 서로 접착시키는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재의 제조 방법은 강화 섬유속 및 열가소성 수지 섬유를 함께 한 방향으로 배열시키고, 다수의 생성 속을 평행 배치시켜 단일방향성 강화 섬유속의 섬유속층을 형성하며, 섬유속층을 강화 섬유속의 섬유속층으로 축적시켜 층들이 속의 방향을 서로 상이하게 하고, 층들에 축적된 섬유속층을 가열 및 가압시켜 섬유속층을 서로 접착시키는 것을 특징으로 한다.
추가로, 본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재의 제조 방법은 강화 섬유속을 한 방향으로 배열시키고, 다수의 생성 속을 평행 배치시켜 단일방향성 강화 섬유속의 섬유속층을 형성하고, 속의 방향이 서로 상이한 섬유속 층간에 열가소성 수지 분말을 살포시키며, 그 다음 상기 섬유속층을 축적시키고, 층들에 축적된 섬유속층을 가열 및 가압시켜 섬유속층을 서로 접착시키는 것을 특징으로 한다.
＜ 강화 섬유 기재의 구성 ＞
복합재용 강화 섬유 기재의 구성은 바람직하게는 부직포, 예를 들어, 2 축 부직포, 3 축 부직포 또는 4 축 부직포이고, 4 축 부직포가 특히 바람직하지만, 구성에 제한은 없다. 본 발명에서 "부직포" 는 선형 배열된 장 (長) 섬유 속으로 이루어진 부직포이고 조잡한 망사의 부직포를 포함한다. 본 발명에서 "단일방향성 강화 섬유속의 섬유속층" 은 한 방향으로 평행하게 배열된 강화 섬유의 다수의 섬유속으로 이루어진 층이다.
본 발명에서 2 축 부직포는 종방향으로 배열된 다수의 강화 섬유속 (이후 때때로 "경재" 로 참조됨) 으로 이루어진 제 1 섬유속층 및 종방향에 직각인 방향으로 배열된 다수의 강화 섬유속 (이후 때때로 "위재" 로 참조됨) 으로 이루어진 제 2 섬유속층으로 이루어진 부직포를 의미한다. 3 축 부직포는 종방향으로 배열된 다수의 강화 섬유속으로 이루어진 상기 제 1 섬유속층, 상기 종방향과 +30°,+45°, +60°등의 각도에서 교차하는 특정 방향으로 배열된 다수의 강화 섬유속 (이후 때때로 "사교재" 로 참조됨) 으로 이루어진 제 3 섬유속층, 및 제 3 섬유속층의 각에 대칭, 즉, 상기 종방향과 -30°, -45°, -60° 등의 방향으로 배열된 다수의 강화 섬유속 (이후 때때로 "사교재" 로 참조됨) 으로 이루어진 제 4 섬유속층으로 이루어진 부직포를 의미한다. 더욱이, "4 축 부직포" 는 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 섬유속층으로 이루어진 부직포를 의미한다. 4 축 부직포에서, 제 2, 제 3 및 제 4 섬유속층을 제 1 섬유속층 사이에 샌드위치시키는 것이 바람직하다.
부직포의 기본 중량은 바람직하게는 100 - 4000 g/m2, 더욱 바람직하게는 250 - 2500 g/m2이다.
본 발명에서 사용되는 부직포를 미국 특허 No. 3,761,345, JP-B-3-80991 및 JP-A-8-209518 에 개시된 방법, 또는 American LIBA INC. 에 의해 제조되는 MULTI-AXIAL 복합 직조기 등으로 제조할 수 있다.
＜ 강화 섬유속 ＞
본 발명에서 사용된 강화 섬유속으로서, FRP 및 FRTP 를 강화재로서 사용하는 유리 섬유, 탄소 섬유, 알루미나 섬유, 아라미드 섬유 등의 멀티필리멘트사(絲)를 언급할 수 있다. FRP 로서 사용하기 위해 열가소성 수지를 함침시키는 경우, 수지 함침이 용이한 가연 섬유속을 사용하는 것이 바람직하다.
강화 섬유속을 구성하는 필라멘트의 직경은 3 - 25 ㎛ 범위일 수 있고, 필라멘트의 수에 관해, 100 - 25000 강화 섬유를 사용할 수 있다. 섬유속의 두께(수)는 유리 섬유의 경우 적합하게는 570 - 2200 g/1000 m 이고, 탄소 섬유 또는 아라미드 섬유속의 경우 200 - 4400 g/1000 m 이다.
본 발명의 4 축 부직포에 사용되는 강화 섬유는 1 종의 섬유, 뿐만 아니라 2 종 이상의 섬유의 조합을 함유할 수 있다. 예를 들어, 경재로서 탄소 섬유와 위재 및 사교재로서 유리 섬유의 조합물을 사용할 수 있다. 개별 재료의 수는 동일할 필요는 없고, 성형품의 목적 성질에 따라 변화될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 강화 섬유를, 강화되는 매트릭스 수지의 종류에 따라 집속(集束) 처리의 종류 변화에 따라 섬유속으로 할 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유를, 강화되는 수지가 폴리에스테르 수지인 경우 메타크릴실란을 함유하는 집속제로 처리함으로써 섬유속으로 할 수 있고, 강화되는 수지가 에폭시 수지인 경우 에폭시실란을 함유하는 집속제로 처리함으로써 섬유속으로 할 수 있다.
＜ 열가소성 수지 성분 ＞
본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재는 개별 섬유속층을, 1 이상의 섬유속층의 강화 섬유속의 표면에 무질서하게 부분적으로 부착되는 열가소성 수지 성분으로 접착시키는 것을 특징으로 한다.
여기에서, "열가소성 수지 성분이 섬유속층의 강화 섬유속의 표면에 무질서하게 부분적으로 부착된다" 는 열가소성 수지 성분이 강화 섬유속의 표면의 일부에 무질하게 부착되는 것을 의미한다. 더욱이, "무질서하게" 는 열가소성 수지 성분이 섬유속층의 섬유속의 표면의 불특정 부분에 불규칙하게 부착되는 것을 의미한다. 그러므로, 본 발명에서 "무질서하게 부분적으로 부착된 상태" 는 열가소성 수지를 섬유속의 전체 표면에 부착시킨 경우, 열가소성 수지를 규칙적으로 부착시켜 특정 형태 또는 패턴을 갖는 경우, 및 열가소성 수지를 섬유속의 표면에 얇은 열가소성 수지 섬유 시트, 얇은 열가소성 수지 시트 등을 이용하여 부착시키는 경우를 포함하지 않는다. 그래서, 본 발명에 있어서 열가소성 수지 성분을 섬유속의 표면에 무질서하게 부분적으로 부착시키기 때문에, 만일 열가소성 수지 성분이 섬유속 층의 교점에 존재한다면, 상기 층들을 서로 교점에서 접착시키고, 이에 반해 만일 열가소성 수지 성분이 교점에 부재한다면, 층들을 적층시킨다. 상기 접착 상태는 적층된 섬유속간에 접착 강도와 성형성 사이의 균형을 향상시키고, 접착 강도를 일정하게 유지시키면서 성형시 섬유 움직임에 대한 자유도를 훨씬 증가시킬 수 있다. 결국, 기재 자체의 유연성이 높고 복잡한 형상의 성형품의 제조에 적용가능한 강화 섬유 기재를 수득한다. 구체적으로, 열가소성 수지 성분을 섬유속의 주변 표면에 도 1 및 도 2 에 나타낸 상태로 부착시키는 예가 있고, 열가소성 수지를 수지로 제조함으로써 수득되는 열가소성 수지 또는 열가소성 수지를 분말로 제조함으로써 수득되는 열가소성 수지 분말을 이용함으로써 상기 상태를 달성할 수 있다. 즉, 도 1 은 열가소성 수지 섬유를 열가소성 수지 성분으로서 사용하는 경우 열가소성 수지 성분이 섬유속의 표면에 선형 부착된 상태를 나타낸다. 도 2 는 열가소성 수지 분말을 열가소성 수지 성분으로서 사용하는 경우 열가소성 수지 성분을 섬유속의 표면에 스팟 형태로 부착된 상태를 나타낸다. 도 1 및 2 에서, 열가소성 수지 섬유를 파선으로 표시하고 열가소성 수지 분말을 검정색으로 색칠된 스팟으로 표시한다.
열가소성 수지로서, 융점이 바람직하게는 약 80 - 150 ℃, 더욱 바람직하게는 약 100 - 130 ℃ 인 것을 사용할 수 있다.
예를 들어, 열가소성 수지 섬유는 공중합체 나일론, 공중합체 폴리에스테르 및 공중합체 아크릴산 에스테르를 포함하고, 공중합체 나일론의 예는 공중합체 예컨대 나일론 6, 나일론 66, 나일론 12 및 나일론 610 이다. 열가소성 수지 섬유는 바람직하게는 수가 10 - 50 g/1000 m 및 더욱 바람직하게는 25 - 40 g/1000 m 이다. 다수의 섬유속 또는 조잡한 눈금의 부직포의 경우 뿐만 아니라, 1 개의 섬유속당 복수 (2 - 3) 의 열가소성 수지 섬유를 사용할 수 있다. 열가소성 수지 섬유의 선형 부착의 경우, 강화 섬유속과 열가소성 수지 섬유를 한 방향으로 배열시키고 장치 예컨대 컨베이어로 순환 열풍 가열 오븐, 자외선 오븐 또는 원적외선 오븐에 통과시킴으로써 이들을 가열시키고, 이에 의해 연화 또는 용융 열가소성 수지 섬유를 강화 섬유에 부착시키는 방법, 강화 섬유속과 열가소성 수지 섬유를 한 방향으로 배열시키고, 가열 롤에 밀착시켜 이들을 가열시키고 냉각 롤로 냉각시키는 방법, 및 기타 방법이 있다. 도 1 에서 명백히, 열가소성 수지 섬유를 섬유속에 무질서하게 부착시킨다. 1 개의 섬유속당 다수의 열가소성 수지 섬유를 사용하는 경우, 개별 섬유를 섬유속의 상이한 위치 예컨대 상부, 하부, 좌부 및 우부에 배열시켜 섬유속이 서로 부착되는 것을 확실하게 한다.
열가소성 수지 분말은 예를 들어 50 - 200 눈금의 입자 크기를 갖는 불포화 폴리에스테르 수지 분말, 알키드 수지 분말 등을 포함한다. 열가소성 수지 분말을 스팟 형태로 부착시키기 위해, 일정량의 분말을 소정 폭 및 얇은 두께로 공급할 수 있는 공지된 진공 피더 (feeder), 회전 롤 피더 등을 이용하여 분말을 섬유속 층상에 약 4 - 5 g/m2의 양으로 살포시키는 방법이 있다. 또다른 방법에 따라, 열가소성 수지 분말을 미리 섬유속상에서 열융착시킬 수 있다. 열가소성 수지 분말을 사용하는 경우, 부직포는 바람직하게는 망사가 조잡하지 않다.
열가소성 수지 및 강화 섬유속의 함유율은 바람직하게는 열가소성 수지 성분의 0.4 - 10 중량% 및 강화 섬유속의 90 - 99.6 중량%, 더욱 바람직하게는 열가소성 수지 성분의 2 - 5 중량% 및 강화 섬유속의 95 - 98 중량% 이다. 그리고 추가로, 열가소성 수지 성분의 저함유율이 바람직하다. 만일 열가소성 수지 성분의 비율 상기 범위 미만이면, 접착 강도가 불충분하고, 만일 상기 범위 초과이면, 열가소성 수지로 함침된 부직포의 분율은 증가하여 매트릭스 수지의 함침 속도를 감소시키고 액체 매트릭스 수지로 함침의 실패 발생 가능성이 증가한다.
＜ 복합재용 강화 섬유 기재의 제조 방법 ＞
상기와 같이, 본 발명의 제조 방법은 강화 섬유속 및 열가소성 수지 섬유를 한 방향으로 배열시키고, 다수의 생성 속을 평행 배치시켜 단일방향성 강화 섬유속의 섬유속층을 형성하고, 섬유속층을 강화 섬유속의 섬유속층으로 축적시켜 층들이 서로 속의 방향이 상이하도록 하고, 층에 축적된 섬유속층을 가열 및 가압시켜 섬유속층을 서로 접착시키는 것, 또는 강화 섬유속을 한 방향으로 배열시키고, 다수의 생성 속을 평행 배치시켜 단일방향성 강화 섬유속의 섬유속층을 형성하고, 속의방향이 서로 상이한 섬유속층 사이에 열가소성 수지 분말을 살포시키고, 그 다음 상기 섬유속층을 축적시키고, 층에 축적된 섬유속층을 가열 및 가압시켜 섬유속층을 서로 접착시키는 것을 특징으로 한다.
특정예로서, 열가소성 수지 섬유를 열가소성 수지로서 사용하는 4 축 부직포로 이루어진 강화 섬유 기재의 제조 방법을 도 3 및 도 4 를 참조로 설명할 것이다. 도 3 및 도 4 에서, 사괘 (絲掛) 용 핀 1, 1' 를 종방향의 좌우에 일정 피치로 배치시킨 핀열 2, 2' 를 갖는 순환 컨베이어를 기계 방향으로 이동시킨다. 컨베이어 위에서, 서로 평행이고 컨베이어를 제공 각도 α에서 경사지게 교차하는 트랙 4, 4' (2 개 한쌍) 및 기계 방향에 평행이고 양쪽 말단을 트랙으로 활동하며 트랙을 따라 왕복하는 트래버스 가이드 (traverse guide) 5 를 제공한다. 세관 (細管) 으로 이루어진 다수의 가이드 6 을 동일한 피치에서 일렬로 트래버스 가이드 5 에 배치시키고, 다수의 강화 섬유 7 을 열가소성 수지 섬유 19 와 함께 컨베이어 3 에 가이드 6 을 통해 공급한다.
강화 섬유의 수와 동일한 수의 핀을 갖는 컨베이어 3 을 진행시키고, 트래버스 가이드 5 를 1 회 왕복시키며 트래버스 가이드의 방향 전환시에 각 실을 좌우 핀 1, 1' 로 고정시켜, 이에 의해 좌우 핀열 2, 2' 사이에 다수의 사교사로 이루어진 체(體) 8 을 형성한다. 상기 경우, 각도 α및 컨베이어 3 과 트래버스 가이드 5 의 속도를 조절함으로써 도 3 의 각도 β를 직각으로 할 수 있다.
더욱이, 트랙 4, 4' 와 유사한 트랙 9, 9' 를 컨베이어 3 위에 제공하여 기계 방향으로 180 - α의 각도를 형성하고, 가이드 11 을 갖는 트래버스 가이드 10을 제공하여 트랙 9, 9' 사이에 활동 왕복시킬 수 있다. 다수의 강화 섬유 12 를 열가소성 수지 섬유 20 과 함께 가이드 11 을 통해 공급하여 핀열 2, 2' 사이에 사교사로 이루어진 유사체를 형성한다. 사교사로 이루어진 2 개 체를 적층시켜 2 개 방향으로 교차하는 위재와 사교재의 조합물로 이루어진 체 13 을 형성한다.
도 4 는 경재 14, 15 를 첨가하는 도 3 의 측면도이다. 경재 14, 15 를 이들간에 조합체 13 을 정착시키는 방식으로 공급하고, 경재 14, 15 사이에 고착되는 조합체 13 을 가열 롤러 16 의 위치에서 핀으로부터 제거하고, 가열 롤러에 밀착시켜 가열시키고 이들을 프레스 롤러 17 로 접착시켜 4 축 부직포 18 을 형성한다.
열가소성 수지 섬유 19, 20 을 개별적으로 다수의 강화 섬유 7, 12 에 따라 동시에 공급한다. 열가소성 수지 섬유를 경재 14, 15 에 따라 또한 공급할 수 있다.
도 4 에서, 경재를 조합체 13 의 상하부로부터 공급하지만, 일부 경우, 조합체 13 을 하부로부터 공급된 경재 14 만으로 가열 롤러에 접촉시킬 수 있고, 그래서 단지 한쪽 면상에 경재를 갖는 4 축 부직포를 또한 달성할 수 있다.
도 3 및 도 4 에 나타낸 장치는 4 축 부직포, 뿐만 아니라 3 축 부직포를 제조할 수 있다.
가열 온도가 열가소성 수지 성분을 용융시키는 온도, 예를 들어, 120 - 200 ℃ 인한 섬유속층의 가열 조건은 제한되지 않고, 상기 온도는 수지의 종류, 제조 라인의 속도 및 섬유속층의 두께에 따라 변화한다. 가열 온도는 바람직한 용융상태를 제공하도록 요망되고, 이것은, 예를 들어, 섬유 또는 분말 상태를 거의 유지시키지만 강화 섬유속의 표면에 매트릭스 수지로의 함침을 억제시키는 박막 형태로 확장시키지 않는 정도로 열가소성 수지 또는 분말을 용융시키는 상태이다.
상기 수득된 강화 섬유 복합 기재의 구조를 도 5 및 도 6 에 나타낸다. 도 5 에서 명백히, 섬유속층을 섬유속의 표면에 부분적(선형) 부착된 열가소성 수지 섬유로 서로 접착시킨다.
＜ 실시예 1 ＞
유리 섬유속 (Nitto Boseki Co., Ltd. 제조 RS 110QL; 수: 1100 g/1000 m, 필라멘트 직경: 16 ㎛) 을 경재, 위재 및 사교재로서 사용한다.
공중합체 나일론 (융점: 100 - 120 ℃, 수: 33 g/1000 m) 을 열가소성 수지 섬유로서 사용하고, 열가소성 수지 섬유를 위재 및 사교재의 공급시에 섬유속에 따라 공급한다. 열가소성 섬유를 경재에 따라 공급하지 않는다. 열가소성 수지 섬유의 중량은 강화 섬유속에 대해 2.4 중량% 이다.
도 3 및 도 4 에 나타낸 장치를 이용하여, 위재 및 사교재를 상하에 배치된 경재 사이에 샌드위치시키고 이들을 가열 프레스 롤러 사이에 통과시키고, 이에 의해 위재 및 사교재와 함께 공급된 공중합체 나일론을 용융시키고 재료를 서로 접착시켜 4 축 부직포를 수득한다.
생성 4 축 부직포의 기본 중량은 770 g/m2이고, 개별 배열된 재료의 수는 경방향 20/10 cm, 위방향 19/10 cm, 및 사방향 14/10 cm 이다.
＜ 실시예 2 ＞
열가소성 수지 섬유를 사용하지 않고 5 g/m2의 열가소성 수지 분말 (Kao Atlas Co., Ltd. 제조 NEWTLAC 514) 을 개별 층 사이에 살포시키는 것을 제외하고, 실시예 1 과 같이 동일 유리 로빙을 이용하여, 4 축 부직포를 실시예 1 과 동일한 방식으로 제조한다.
＜ 비교예 1 ＞
실시예 1 에서 사용된 열가소성 수지 성분을 사용하지 않고, 위재 및 사교재를 경재로 샌드위치시킨후, 샌드위치를 아크릴산 에멀션에 침적시킨후, 프레스 롤러로 압착시키고 건조시켜 이들을 접착시키는 것을 제외하고, 4 축 부직포를 실시예 1 과 동일한 방식으로 제조한다.
＜ 비교예 2 ＞
실시예 1 의 4 축 부직포와 동일 중량의 유리 로빙 천을 제조한다.
＜ 적층판의 제조 ＞
각각의 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 에서 수득된 4 개의 4 축 부직포를 개별적으로 적층시키고, 폴리아미드 수지, 에폭시 수지 및 불포화 폴리에스테르 수지의 3 종을 이용하여 두께 2 mm 의 적층판을 제조한다. 비교예 2 에 관해, 단지 불포화 폴리에스테르 수지를 이용하여 적층판을 제조한다. 각 수지의 조성 및 적층판의 제조 방법은 다음과 같다.
폴리아미드 수지
나일론 6 박막 (80 ㎛ 두께) 을 폴리아미드 수지로서 이용하고, 4 개의 4 축 부직포로 이루어진 층진 생성물의 양쪽 및 부직포의 사이에 박막을 두고, 온도: 280 ℃, 시간: 20 분 및 압력: 15 kg/cm2의 조건하에 이것을 가열 가압시켜 적층판을 수득한다.
에폭시 수지
부직포를 하기 에폭시 수지로 함침시키고 건조시켜 프리프레그 (prepreg) 를 형성한후, 100 ℃ 에서 20 분 동안 가열 가압시킨다.
Araldite (Ciba-Geigy Corp. 제조 AW136H) 100 부
경화제 (Ciba-Geigy Corp. 제조 HY994) 40 부
불포화 폴리에스테르 수지
4 축 부직포 (비교예 2 에서 유리 로빙 천) 을 하기 수지에 함침시킨후, 25 ℃ 에서 60 분 동안 가압시켜 적층판을 수득한다.
o-프탈산 기재 폴리에스테르 100 부
BPO 1 부
나프탈렌산코발트 0.1 부
생성 적층판에서 유리 섬유의 함량은 50 부피% 이다. 각 적층판의 외관을 육안으로 관찰한다. 아크릴 수지를 비교예 1 의 4 축 부직포의 섬유속의 표면상에 박막 형태로 부착시키고, 매트릭스 수지로의 함침은 불충분하고 적층판은 실용에 비적합하다.
＜ 적층판의 외관 ＞
실시예 1 및 실시예 2 에서 수득된 적층판은 폴리아미드 수지, 에폭시 수지 및 폴리에스테르 수지를 이용하는 모든 경우에 투명하다. 비교예 1 의 적층판은 함침이 불충분하고 백화된다.
＜ 적층판의 강도 ＞
실시예 1 및 비교예 1 의 4 축 부직포를 이용함으로써 제조된 적층판상에경, 위 및 사방향으로 유연 강도의 측정을 실시한다. 측정을 JIS K 7055 에 따라 실시한다. 측정 결과를 표 1 에 나타낸다. 실시예 2 의 4 축 부직포를 이용함으로써 제조된 적층판의 유연 강도는 실시예 1 과 거의 동일하다.
더욱이, 실시예 1 의 4 축 부직포 및 비교예 2 의 유리 로빙 천을 이용함으로써 제조된 적층판상에 경, 위 및 사방향의 판간 전단 강도의 측정을 실시한다. JIS K 7057 에 따라 측정을 실시한다. 측정 결과를 표 2 에 나타낸다. 표 2 의 결과로부터 볼 수 있듯이, 본 발명의 4 축 부직포를 이용하는 적층판은 로빙 천을 이용하는 적층판과 비교시 판간 전단 강도면에서 높고, 뒤틀림에 대해 강한 성형품 예컨대 패널 및 실린더를 제공할 수 있다.
수지 방향 굴곡 강도(kgf/mm2)
실시예 1 비교예 1
폴리아미드 0°45°90° 584047 352633
에폭시 0°45°90° 564250 392733
폴리에스테르 0°45°90° 443442 262427
측정 방법: JIS K 7055
수지 방향 층간 굴곡 강도(kgf/mm2)
실시예 1 비교예 2
폴리에스테르 0°45°90° 2.62.62.4 2.21.72.0
측정 방법: JIS K 7055
＜ 열가소성 수지로 함침된 적층판의 성형성 ＞
실시예 1 의 4 축 부직포 또는 폴리아미드 수지로 함침된 비교예 2 의 로빙천으로 이루어진 열가소성 수지 함침 적층판의 성형성을 시험하기 위해, 각 적층판을 예열시키고 반구형 금형에 배치시킨후, 가열 프레스시켜 반구형 성형품 (직경 15 cm) 을 제조하고, 강화 섬유 속의 상태를 관찰하였다.
실시예 1 의 적층판으로부터 제조된 성형품의 경우, 주름이 성형품에서 보이지 않고 부분적인 편차 또는 균열이 보강재인 4 축 부직포의 경재, 위재 및 사교재에서 보이지 않으며, 그래서 성형품은 만족스런 상태이다. 다른 한편, 비교예 2 의 적층판으로 제조된 성형품의 경우, 부분적 주름이 발생하고 보강재인 천의 경사 및 위사가 편차가 생겨 단지 경사 또는 위사만으로 이루어진 부분을 제조한다.
천 (직물) 의 경우, 경방향 및 위방향으로 신장시킬 수 없고 사방향으로만 변형시킬 수 있기 때문인 반면, 4 축 부직포의 경우, 개별 재료를 단순 적층시키기 때문에, 재료를 개별 방향으로 자유 이동시킬 수 있다고 추측한다.
본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재에서, 섬유속을 소량의 열가소성 수지 성분과 서로 부분 접착시키기 때문에, 매트릭스 수지로의 함침은 만족스럽고 열경화성 및 열가소성 수지 모두를 사용할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재에서, 직물에서 필요한 경사 및 위사의 교차부에서 수지용 저장기가 필요하지 않기 때문에, 강화 섬유의 함량을 증가시킬 수 있고 기계적 특성이 우수한 복합재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재에서, 섬유속을 단순 적층시키고 접착시키기 때문에, 성형시 섬유 움직임에 대한 자유도는 상당히 크고 기재 자체는유연하며 성형성이 우수하고, 그래서 복잡한 형상의 성형품의 제조에 적용할 수 있다.
더욱이, 4 축 부직포를 본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재로 사용하는 경우, 연속 강화 섬유를 경방향, 위방향 및 2 개의 사방향으로 선형 배열시키고, 따라서 방향에 따른 강도의 차이가 적고 강화 효과가 매우 높은 복합재를 달성할 수 있다.
추가로, 본 발명의 복합재용 강화 섬유 기재를 가위로 금형에 순응하여 기재가 수지로 함침 및 적층으로 형성되는 위치에서 절단시키고, 개별 방향에서 실을 열가소성 수지 섬유의 융착으로 부분적 접착시키기 때문에, 종래 실시되던, 다수의 섬유속을 미싱기로 바느질하거나 짜기를 함으로써 다수의 섬유속을 고정시켜 제조된 다축 부직포와 비교하여 섬유속의 탈락이 거의 발생하지 않는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 실의 발 또는 편사에 제한이 없기 때문에, 섬유의 개섬 (開纖) 성이 양호하고 평활한 표면을 용이하게 수득할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 4 축 부직포의 제조가 제직 단계에서 필요하지 않기 때문에, 생산 속도를 향상시키고 가공 비용을 감소시킬 수 있는 산업적으로 매우 이로운 효과를 나타낸다.

Claims (8)

  1. 삭제
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  3. 삭제
  4. 삭제
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  6. 삭제
  7. 강화 섬유속 및 열가소성 수지 섬유를 함께 한 방향으로 배열시키고, 다수의 생성 속을 평행 배치시켜 단일방향성 강화 섬유속의 섬유속층을 형성하고, 섬유속층을 강화 섬유속의 섬유속층으로 축적시켜 층들이 속의 방향을 서로 상이하게 하고, 층들에 축적된 섬유속층을 가열 및 가압시켜 섬유속층을 서로 접착시키는 것을 특징으로 하는 복합재용 강화 섬유 기재의 제조 방법.
  8. 강화 섬유속을 한 방향으로 배열시키고, 다수의 생성 속을 평행 배치시켜 단일방향성 강화 섬유속의 섬유속층을 형성하고, 속의 방향이 서로 상이한 생성 섬유속 층간에 열가소성 수지 분말을 살포시킨후, 상기 섬유속층을 축적시키고, 층들에 축적된 섬유속층을 가열 및 가압시켜 섬유속층을 서로 접착시키는 것을 특징으로 하는 복합재용 강화 섬유 기재의 제조 방법.
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