KR100973622B1

KR100973622B1 - 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법 및 그 중간체,그리고 복합 시트

Info

Publication number: KR100973622B1
Application number: KR1020087003648A
Authority: KR
Inventors: 츠타오 카타야마; 카즈토 타나카; 카즈타카 우노
Original assignee: 학교법인 도시샤; 마루베니 가부시키가이샤
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2010-08-02
Also published as: TWI306807B; US20100086727A1; EP1923192A4; WO2007013385A1; EP1923192A1; JP3947560B2; KR20080038162A; TW200711827A; JPWO2007013385A1

Abstract

본 발명은, 작업성이 좋고 저비용화를 도모할 수 있으며, 품질이 좋은 제품이 안정적으로 얻어지는 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법을 제공한다. 본 발명의 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법은, 강화 섬유(5)와, 열가소성 수지로 이루어지는 부직포(6)를 적층하고 스티칭을 실시하여 일체화한 복합 시트(7)를 금형(2, 3) 내에 설치하고, 금형(2, 3) 내에 설치한 복합 시트(7)를 프레스하고 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도가 되도록 가열하여 성형한다.

Description

섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법 및 그 중간체, 그리고 복합 시트{METHOD FOR MOLDING FIBER-REINFORCED THERMOPLASTIC COMPOSITE MATERIAL, INTERMEDIATE THEREOF AND COMPOSITE SHEET}

본 발명은 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법에 관한 것으로, 특히, PC 케이스, 자동차의 외장판재 등의 대량생산에 적합한 성형 방법 및 그 중간체를 제공하는 것이며, 나아가서 이와 같은 성형 방법에 적합한 복합 시트를 제공하는 것이다.

섬유 강화 열가소성 복합 재료는, 철이나 알루미늄 등의 금속에 비해 경량이고 필요한 강도를 갖추고 있다는 점으로부터, 장래, PC 케이스나 자동차 외장판재 등의 용도에 유용한 소재라고 생각되고 있다.

섬유 강화 열가소성 복합 재료는, 그 성형 사이클이 열경화성 복합 재료에 비해 극히 짧다는 점으로부터, 대량생산에 적합한 재료로서 주목받고 있다. 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 가장 일반적인 성형 방법으로서는, 기계적 특성이 낮은, 소위, 열가소성 수지 조성물을 이용하는 사출 성형 외에 스탬핑(stamping) 성형이라고 불리는 압축 성형법이 있다.

스탬핑 성형은, 금형의 밖에서 섬유 강화 열가소성 복합 재료를 열가소성 수 지의 융점 이상이 되도록 가열, 용융하고, 열가소성 수지의 융점보다 온도가 낮은 금형에 충전(充塡)하여, 프레스 성형기에 의해 압축 성형하는 것이다. 이 스탬핑 성형에서는, 압축 성형 중에 재료가 냉각되어 고화되므로, 성형 사이클을 짧게 할 수 있다. 스탬핑 성형에 이용되는 가열 수단으로서는, IR 히터에 의한 가열이 가장 효율적인 것으로 알려져 있다.

또한, 열가소성 복합 재료를 이용하여 대형의 성형품을 성형하는 방법으로서는, 일본 특허공개 2004-276471에 섬유 강화 열가소성 복합 재료를 수틀 또는 암틀의 오픈 몰드(open mold)에 퇴적 또는 적층하고, 내열성 커버재로 오픈 몰드 전체를 덮은 다음, 커버재와 오픈 몰드 사이의 공기를 배출함으로써, 커버재에 의해 섬유 강화 열가소성 복합 재료를 오픈 몰드에 밀착시키고, 이 상태로 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도가 되도록 가열하여 성형하는 방법이 개시되어 있다.

특허 문헌 1: 일본 특허공개 2004-276471호 공보

〈발명이 해결하려고 하는 과제〉

예를 들면, 자동차의 외장판재 등의 부품에는, 철이나 알루미늄 등의 금속 재료를 프레스 성형한 것이 이용되고 있다. 금속 재료의 프레스 성형에서는, 금형에 재료를 설치하여 프레스 성형을 행하고 있어, 단시간에 성능이 안정된 제품이 제공되고 있다.

이에 비해, 전술한 스탬핑 성형에서는, 성형시에 재료가 유동함으로써 강화 섬유의 방향에 편차가 발생하므로, 성형품에서 강화 섬유의 방향이 불균일하게 되는 등, 성능이 안정된 제품의 제공이 어렵다. 또한, 열가소성 수지의 융점보다 낮은 온도의 금형 내에서 재료를 유동시켜 성형하는 관계로, 재료 유동과 냉각 고화가 경합하게 되어, 두께가 얇은 성형품을 성형하는 것이 곤란하다. 게다가, 프레스 성형기에 의해 압축 성형할 때에 재료를 유동시키기 위해 사출 성형에 비하면 낮지만 높은 압력이 필요하여, 대형의 성형품을 성형하기 위해서는 거대한 프레스 성형기가 필요하다.

또한, 스탬핑 성형에서는, 성형 사이클을 짧게 하기 위해, 금형의 밖에서 섬유 강화 열가소성 복합 재료를 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도가 되도록 가열할 필요가 있다. 그러나, 섬유 강화 열가소성 복합 재료에 공기가 포함되어 있으면, 공기의 단열 작용에 의해 열가소성 수지에 원활하게 열을 전달할 수 없다. 이 때문에, 스탬핑 성형에서는, 전 공정에서 섬유 강화 열가소성 복합 재료를 미리 가열, 용융하고 냉각하여 고화시켜, 공기층을 포함하지 않는 한 장의 시트상 또는 판상으로 가공해 둘 필요가 있다. 이 시트상 또는 판상으로 가공하는 공정이 필요하기 때문에, 재료 비용이 비싸진다.

또한, 일본 특허공개 2004-276471에 개시된 방법은, 오픈 몰드에 의해 성형이 행해지기 때문에, 비교적 적은 투자로 성형 장치가 얻어지는 이점은 있지만, 열가소성 복합 재료를 가열할 때에 열이 빠져나가기 쉬워 성형 시간이 길어진다. 이 때문에, 수상 오토바이나 어선, 놀이 도구, 모뉴먼트(monument) 등 생산량이 적은 분야에는 좋지만, PC 케이스나 자동차의 외장판재 등의 대량생산화가 요구되는 분야에 응용하기에는 적합하지 않다.

〈과제를 해결하기 위한 수단〉

본 발명은, 생산성 및 품질이 좋은 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법을 제공하는 것이다. 즉, 본 발명에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법은, 연속 강화 섬유를 각 층에 있어서 일정한 방향으로 나열하고 각 층마다 연속 강화 섬유의 방향을 상이하게 적층함과 함께, 연속 강화 섬유와 함께 열가소성 수지로 이루어진 부직포를 적층하고, 스티칭을 실시하여 연속 강화 섬유와 부직포를 일체화한 복합 시트를 금형 내에 설치하는 설치 공정과, 설치 공정에서 금형 내에 설치한 복합 시트를 프레스하고, 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도로 가열하여 연속 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시켜 성형하는 성형 공정을 구비하고 있다.

또한, 본 발명에 따른 복합 시트는, 열가소성 수지와 강화 섬유로 이루어지는 복합 시트를 금형 내에 설치하여 프레스하고, 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도로 가열하여 연속 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시켜 성형하는 섬유 강화 열가소성 복합 재료 성형용의 복합 시트로서, 연속 강화 섬유를 각 층에 있어서 일정한 방향으로 나열하고 각 층마다 연속 강화 섬유의 방향을 상이하게 적층함과 함께, 연속 강화 섬유와 함께 열가소성 수지로 이루어진 부직포를 적층하고, 연속 강화 섬유의 각 층과 부직포를 스티칭을 실시하여 일체화하고 있다.

또한, 본 발명에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료 성형용의 중간체는, 복합 시트를 재단 및/또는 적층하여 금형에 설치할 소정 형상으로 정형(整形)한 것이다. 이 경우, 복합 시트를 재단하고 적층하여 금형에 설치할 소정 형상으로 정형한 것에, 스티칭을 실시하여 일체화하여도 된다.

〈발명의 효과〉

본 발명에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법에 의하면, 강화 섬유와, 열가소성 수지로 이루어지는 부직포를 적층하고, 스티칭을 실시하여 일체화하고 있으므로, 성형시에 중간체의 강화 섬유의 방향을 유지할 수 있어, 스탬핑 성형과 비교하여도 성능이 안정된 제품을 얻을 수 있다. 또한, 열가소성 수지가 부직포로 구성되어 열을 가했을 때에 용융되기 쉽기 때문에, 비교적 단시간에 가열 성형을 행할 수 있다. 또한, 금형에 설치하는 중간체는, 가열하여 설치할 필요가 없기 때문에, 스탬핑 성형에 비해 작업성이 좋다. 또한, 중간체의 제조에는 섬유 강화 열가소성 복합 재료를 가열하고 성형하여 냉각하는 일련의 성형 작업이 없어, 비용을 낮게 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 복합 시트는, 열가소성 수지가 부직포로 구성되어 열을 가했을 때에 용융되기 쉽기 때문에, 비교적 단시간에 가열 성형을 행할 수 있다. 또한, 스티칭을 실시하고 있으므로, 전술한 본 발명에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법에 채용한 경우, 금형에 설치할 때에 강화 섬유와 부직포가 흩어지지 않아 설치가 용이하다. 또한, 강화 섬유를 각 층에서 일정한 방향으로 나열하고 각 층마다 강화 섬유의 방향을 다르게 하여 적층함과 함께, 강화 섬유와 함께 열가소성 수지의 부직포를 적층하고 스티칭을 실시하여 일체화한 중간체는, 강화 섬유의 방향성이 조정되어 있으며, 또한 성형시에 강화 섬유의 방향성을 유지할 수 있기 때문에, 전술한 본 발명에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법에 채용한 경우에, 최종 성형품의 품질을 보다 균일하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 중간체는, 복합 시트를 재단 및/또는 적층하여, 금형에 설치할 소정 형상으로 정형하였으므로, 복합 시트를 금형에 설치하는 설치 공정의 작업이 용이하다. 또한, 복합 시트를 재단하고 적층하여 금형에 설치할 소정 형상으로 정형한 중간체에 스티칭을 실시하여 일체화한 중간체는 복합 시트를 일체화하였으므로, 중간체를 금형 내에 설치하는 작업의 작업성이 한층 더 향상된다. 또한, 금형에 설치할 중간체에 함유되는 공기를 줄일 수 있으므로, 최종 성형품의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법을 도시하는 도면이다.

도 2는 복합 시트의 적층 구조를 도시하는 도면이다.

도 3은 복합 시트 제조 장치를 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 중간체 및 성형 방법을 도시하는 도면이다.

〈부호의 설명〉

1 중간체

2, 3 금형

4 캐비티 공간

5 강화 섬유

6 부직포

7 복합 시트

10 복합 시트 제조 장치

11 반송 벨트

12 제어부

13a∼13c 강화 섬유 설치부

14a∼14d 강화 섬유 공급부

15a∼15c 강화 섬유 장설(張設)부

16a∼16c 파지부

17a∼17c 파지부 가이드

18 부직포 공급부

19 스티칭부

20 권취부

21 반송 롤러

23 핀(임시 고정부)

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법을 도면에 기초하여 설명한다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 강화 섬유와, 열가소성 수지로 이루어지는 부직포를 적층하고, 스티칭을 실시하여 일체화한 복합 시트(7)를 금형(2, 3) 내에 설치하는 설치 공정과, 금형(2, 3) 내에 설치한 복합 시트(7)를 프레스하고, 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도가 되도록 가열하여 성형하는 성형 공정을 구비하고 있다. 한편, 도 1에 도시하는 예에서는, 복합 시트(7)를 재단 및/또는 적층하여 금형(2, 3)에 설치할 소정 형상으로 정형하여 금형(2, 3)에 설치하는 중간체(1)를 제조하고, 이와 같은 중간체(1)를 금형(2, 3) 내에 설치하고 있다.

복합 시트(7)에는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 강화 섬유(5)를 각 층에서 일정한 방향으로 나열하고 각 층마다 강화 섬유(5)의 방향이 상이하도록 적층함과 함께, 강화 섬유(5)와 함께 열가소성 수지제의 부직포(6)를 적층하고, 스티칭을 실시하여 일체화한 복합 시트(7)를 이용하면 된다. 이러한 복합 시트(7)는, 예를 들면, 도 3에 도시하는 복합 시트 제조 장치(10)를 이용하여 제조할 수 있다.

이 복합 시트 제조 장치(10)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 반송 벨트(11), 제어부(12), 강화 섬유 설치부(13a 내지 13c), 강화 섬유 공급부(14a 내지 14d), 강화 섬유 장설(張設)부(15a 내지 15c), 파지부(16a 내지 16c), 파지부 가이드(17a 내지 17c), 부직포 공급부(18), 스티칭부(19) 및 권취부(20)를 구비하고 있다.

반송 벨트(11)는, 시트상으로 적층한 강화 섬유 및 부직포를 반송하는 것으로서, 반송 롤러(21, 22)에 걸려 회전되고 있으며, 폭 방향의 양쪽 가장자리에 강화 섬유(5)를 임시 고정하는 임시 고정부(23)를 구비하고 있다. 이 실시 형태에서, 반송 벨트(11)는 강화 섬유(5)를 임시 고정하는 임시 고정부로서의 핀(23)을 일정한 간격으로 심어 설치한 양단의 벨트(11a, 11b)와, 중간부를 지지하는 복수(도 4에 도시하는 예에서는 3개)의 중간 벨트(11c 내지 11e)로 구성하고 있으며, 각각 반송 롤러(21, 22)에 걸려 회전되고 있다. 한편, 강화 섬유(5)를 임시 고정하는 임시 고정부(23)는, 강화 섬유(5)를 임시 고정하는 기능을 구비하고 있으면 되며, 핀(23)으로 한정되지는 않는다. 제어부(12)는, 반송 롤러(21, 22)의 회전 구동을 제어하고, 반송 벨트(11)의 회전을 제어하는 것이다.

강화 섬유 설치부(13a 내지 13c)는, 권심(卷芯)에 권회된 강화 섬유(5)(연속 강화 섬유)를 설치하는 것이며, 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)는 강화 섬유 설치부(13a 내지 13c)로부터 반송 벨트(11) 상으로 강화 섬유(5)를 공급하는 것이다. 이 실시 형태에서, 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)는 강화 섬유(5)를 적절히 공급하는 송출 기구(미도시)와, 강화 섬유(5)를 절단하는 커터(미도시)를 구비하고 있다. 강화 섬유 장설부(15a 내지 15c)는, 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)에 대해 반송 벨트(11)의 폭 방향으로 소정의 각도로 대향시켜 배치하고 있다.

파지부(16a 내지 16c)는, 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)로부터 강화 섬유(5)의 선단을 파지하는 부재이다. 파지부 가이드(17a 내지 17c)는 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)와 강화 섬유 장설부(15a 내지 15c)의 사이에서 파지부(16a 내지 16c)의 이동을 안내하는 것이다.

부직포 공급부(18)는, 반송 벨트(11) 상에 부직포를 공급하는 것이다. 스티칭부(19)는, 적층된 강화 섬유(5)를 실로 꿰매어 고정하는 것이고, 권취부(20)는 스티칭을 실시한 복합 시트(7)를 권취하는 것이다.

복합 시트 제조 장치(10)는, 파지부(16a 내지 16c)에 의해 강화 섬유(5)의 단부를 파지하고, 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)로부터 파지부 가이드(17a 내지 17c)를 따라 반송 벨트(11)의 폭 방향으로 강화 섬유(5)를 인출한다. 그리고, 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)와 강화 섬유 장설부(15a 내지 15c)에서, 강화 섬유(5)를 눌러내려 강화 섬유(5)를 반송 벨트(11)의 핀(23)에 임시 고정한다. 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)는, 임시 고정한 강화 섬유(5)의 단부를 커터(미도시)로 강화 섬유(5)를 절단한다. 이에 따라, 강화 섬유(5)를 반송 벨트(11)에 소정의 각도로 끌어당겨서 설치할 수 있다. 한편, 이 실시 형태에서, 강화 섬유 공급부(14a)로부터는 반송 벨트(11)의 진행 방향에 대해 -45°로 강화 섬유(5)가 끌어당겨져 설치되고, 강화 섬유 공급부(14b)로부터는 반송 벨트(11)의 진행 방향에 대해 90°로 강화 섬유(5)가 끌어당겨져 설치되고, 강화 섬유 공급부(14c)로부터는 반송 벨트(11)의 진행 방향에 대해 45°로 강화 섬유(5)가 끌어당겨져 설치되도록 설정하고 있다.

파지부(16a 내지 16c), 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c) 및 강화 섬유 장설부(15a 내지 15c)의 이 일련의 동작을, 강화 섬유(5)가 반송 벨트(11)의 진행 방향으로 나열되도록 반송 벨트(11)의 진행 속도에 맞추어 반복하여 행한다.

또한, 이 실시 형태에서는, 반송 벨트(11)의 진행 방향의 앞쪽에도, 강화 섬유 공급부(14d)를 구비하고 있다. 이 강화 섬유 공급부(14d)에는, 도시는 생략하지만, 반송 벨트(11)의 상방으로부터 복수 개의 강화 섬유(5)가 공급되어, 각 강화 섬유(5)를 반송 벨트(11)의 진행 방향을 따라 반송 벨트(11)의 폭 방향으로 차례로 나열하여 시트상으로 설치하고 있다. 예를 들면, 반송 벨트(11)의 폭 방향에 맞추어 나열한 복수 개의 강화 섬유를 가지런히 하여 권취한 빔으로부터 강화 섬유를 공급하도록 해도 무방하다. 또한, 14a 내지 14c와 마찬가지로 강화 섬유를 권취한 보빈(bobbin)을 다수 나열하고, 각 보빈으로부터 반송 벨트(11)의 폭 방향으로 강화 섬유를 가지런히 하여 공급하여도 된다. 또한, 강화 섬유를 경사(經絲)로 하여 발(簾) 형상으로 짠 발 형상 직물을 공급하여도 무방하다.

이 복합 시트 제조 장치(10)에 의하면, 강화 섬유(5)는 반송 벨트(11)의 진 행 방향에 대해, 예를 들면, 0°, -45°, 90°, 45°의 각도로 차례로 공급되어, 각각 반송 벨트(11) 위에 일정한 방향으로 나열되고 적층된다. 한편, 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c), 강화 섬유 장설부(15a 내지 15c), 파지부(16a 내지 16c), 파지부 가이드(17a 내지 17c)의 설치 각도는, 반송 벨트(11)의 진행 방향에 대해 자유롭게 변경할 수 있도록 되어 있어, 각 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)로부터 강화 섬유(5)를 공급하는 각도를 변경함으로써, 각 층마다 강화 섬유(5)가 끌어당겨져 설치되는 각도를 자유롭게 설정할 수 있다. 또한, 강화 섬유 공급부 등으로 구성되는 강화 섬유의 장설 기구는, 반송 벨트(11)에 대해 증설하는 것이 가능하다. 이에 따라, 도 2에 도시하는 예에 한정되지 않고, 강화 섬유(5)의 적층 각도 및 적층 각도의 순서를 임의로 설정할 수 있다.

부직포 공급부(18)는, 이러한 강화 섬유(5)를 적층한 것의 위에 열가소성 수지로 이루어지는 부직포(6)를 공급한다. 부직포(6)로는, 예를 들면, 멜트블론(melt-blown)법으로 제조한 것을 이용하면 된다. 이 실시 형태에서는, 방사(紡絲) 노즐의 출구로 고온·고압의 공기 흐름을 불어 내어, 열가소성 수지의 용융 방사를 연신 및 개섬(開纖)하고, 보집(補集) 네트 컨베이어 상에 집적시켜 시트화한 것을 이용하였다. 스티칭부(19)는 이와 같이 적층된 강화 섬유(5) 및 부직포(6)를 실로 봉합하여 고정해 복합 시트(7)로 하는 것이고, 권취부(20)는 반송 벨트(11)의 속도에 따라 복합 시트(7)를 권취하는 것이다. 이 복합 시트 제조 장치(10)에서는, 복합 시트(7)를 권취부(20)에 권취할 때, 반송 벨트(11)가 아래 방향으로 회전하여, 반송 벨트(11)의 임시 고정부(23)로부터 복합 시트(7)가 빠져 권취부(20)에 권 취되게 되어 있다. 이와 같이, 강화 섬유(5)의 복합 시트(7)의 제조는, 기계에 의해 자동화할 수 있다.

이 실시 형태에서 제조한 복합 시트(7)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 각 층마다 방향을 45° 어긋나게 강화 섬유(5)를 적층하고 있다.

다음으로, 중간체(1)를 제조할 때는, 이 복합 시트(7)를 재단하고 적층하여 금형(2, 3)에 설치할 소정의 형상이 되도록 정형하면 된다. 한편, 복합 시트(7)를 적층할 때, 각 층마다 조금씩 복합 시트(7)를 회전시켜 적층함으로써, 중간체(1)의 등방성을 향상시킬 수 있다. 이 중간체(1)는, 금형(2, 3)에 설치할 소정의 형상으로 정형되어 있으므로, 그대로의 상태로 금형(2, 3)의 캐비티 공간(4)에 설치할 수 있다. 그리고, 금형(2, 3)을 닫고, 금형(2, 3) 내를 부직포(6)의 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도가 되도록 중간체를 가열함으로써 성형한 다음, 융점보다 낮은 온도로 냉각함으로써, 원하는 성형품을 성형할 수 있다.

이 성형 방법은, 금형(2, 3)에 설치할 복합 시트(7) 및 중간체(1)의 제조에 가열, 용융하고 성형한 다음 냉각, 고화하는 일련의 성형 작업이 없고, 또한, 중간체(1)의 제조에 금형 등의 설비가 필요 없기 때문에, 비용을 낮게 억제할 수 있다. 또한, 복합 시트(7)나 중간체(1)를 금형(2, 3) 내에 설치하는 작업은, 복합 시트(7)나 중간체(1)를 가열하지 않기 때문에, 금속 제품의 프레스 성형의 경우와 마찬가지로 취급이 간단하고 작업이 번잡해지지 않는다. 또한, 중간체(1)를 제작할 때에, 강화 섬유의 배향 상태를 제어, 고정할 수 있으므로, 성형품에 포함되는 강화 섬유도 유동하지 않아, 균일한 성능을 갖는 제품을 안정적으로 제공할 수 있다.

또한, 복합 시트(7)나 중간체(1)는 강화 섬유(5)와, 열가소성 수지로 이루어지는 부직포(6)를 적층하고 있고, 부직포(6)는 가열에 의해 용융하기 쉬워, 강화 섬유(5)로의 열가소성 수지의 함침이 빨리 진행된다. 이 때문에, 성형 압력을 낮게 할 수 있고, 성형 시간을 짧게 할 수 있다. 특히, 이 실시 형태에서는, 부직포(6)로 멜트블론법에 의해 제조한 것을 이용하였으므로, 이러한 효과를 얻기 쉽다. 또한, 중간체(1)는 금형(2, 3)에 설치할 소정 형상으로 정형되어 있으므로, 성형시에 수지를 유동시키는 일이 거의 없고, 그대로의 상태로 용융하여 성형할 수 있다. 이 때문에, 중간체의 상태와 대략 동일한 방향으로, 제품 단계에서의 강화 섬유의 방향을 제어할 수 있어, 보다 품질이 좋은 제품을 안정적으로 공급할 수 있다. 한편, 금형의 가열 수단 및 조기에 온도 상승시키는 수단으로서, 전자 유도 방식의 가열 수단을 이용하면 되며, 예를 들면, 프랑스의 Roctool사 제품의 성형 장치를 이용하면 된다. 이것에 의하면, 이와 같은 중간체(1)의 급속 가열이 가능하여, 성형 사이클을 짧게 할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법 및 그 중간체, 그리고 복합 시트를 설명하였는데, 본 발명에 따른 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법, 중간체, 복합 시트는 각각 상기의 실시 형태에 한정되지 않고 여러 가지의 변경이 가능하다.

예를 들면, 복합 시트 제조 장치(10)는, 반송 벨트(11)의 진행 방향에 대해 각 강화 섬유 공급부(14a 내지 14c)로부터 강화 섬유(5)를 공급하는 각도를 자유롭게 변경해도 무방하다. 이에 따라, 강화 섬유(5)의 배향 각도를 자유롭게 설정할 수 있다. 또한, 중간체(1)를 정형하는 공정에서는, 강화 섬유(5)의 복합 시트(7)를 적층하고 있는데, 이때, 복합 시트를 적층 방향에 대해 회전시켜 어긋나게 하여 적층함으로써 여러 가지 배향 각도를 갖는 중간체를 제작할 수 있어, 성형품의 균질 등방성을 향상시킬 수도 있다.

또한, 열가소성 수지로서는, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지, 나일론 6, 나일론 66, 나일론 12, 나일론 46으로 대표되는 폴리아미드계 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트나 폴리부틸렌 테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리페닐렌설파이드 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리카보네이트 수지 등을 들 수 있지만, 특별히 이들로 한정되는 것은 아니다.

특히 내열성이 요구되는 분야에 있어서는, 폴리에스테르계 수지인 것이 바람직하다. 또한, 가수분해 방지제, 열열화(熱劣化) 방지제 등의 첨가제를 목적에 따라 첨가할 수 있다. 또한, 비용 절감, 내수성, 내화학 약품성이 요구되는 분야에는 폴리올레핀계 수지인 것이 바람직하다. 나아가서 내용제 성능이 뛰어나다는 점, 성형 조건이 넓다는 점으로부터 폴리프로필렌이 바람직하다. 폴리프로필렌은, 본래 지니는 특성으로부터 강화 섬유와의 접착성이 부족하다는 점이 결점으로서 지적되고 있었지만, 최근, 산변성함으로써 접착성이 개량되었다. 그 때문에 본 발명의 섬유 강화 열가소성 복합 재료에 폴리프로필렌을 이용하는 경우는, 이와 같은 변성이 이루어져 있는 것이 바람직하다. 또한, 내마모성, 내유성(耐油性)이 필요한 경우에는 폴리아미드계 수지가 바람직하다. 흡습성이 문제가 되지 않는 분야에서는, 나일론 6인 것이 바람직하다. 이 경우, 예를 들면 산소 분위기하에서 가열되면 산화 열 화를 일으키므로, 이를 방지하기 위해 산화 열화 방지제 등을 목적에 따라 첨가할 수 있다.

또한, 열가소성 수지로 이루어지는 부직포의 제조 방법으로서는, 멜트블론법에 의한 것을 예시하였지만, 부직포의 제조 방법으로서는 이에 한정되지 않고, 멜트블론법 이외에 건식으로 니들펀치(Niddle punch)식, 스펀본드(Spun Bond)법을 채용할 수 있다. 한편, 본 발명에 있어서, 열가소성 수지로 이루어지는 부직포에 대해서는 섬유가 가늘고 또한 불순물을 가능한 한 포함하지 않는 것이 바람직하고, 멜트블론법이나 스펀본드법에 의한 것이 바람직하다. 스펀본드법에 의한 것으로서는, 예를 들면, 열가소성 수지를 용융 방사하고, 방출사 가닥을 견인 장치로 견인 세화시켜 마찰 대전이나 코로나 방전에 의한 정전기 반발력에 의해 개섬한 후, 컨베이어 네트 상에 퇴적시켜 장(長)섬유 웹을 형성하고, 이 장섬유 웹을 한 쌍의 엠보스 롤 등으로 이루어지는 열압접(熱壓接) 장치로 열압접한 장섬유 부직포를 이용할 수 있다.

본 발명에서 이용되는 강화 섬유로서는, 유리 섬유, 탄소 섬유 등의 무기 섬유, 아라미드 섬유(aramid fiber), PBO 섬유 등의 유기 섬유를 들 수 있다. 그 중에서도 유리 섬유는, 강도, 탄성률, 내굴곡성이 뛰어나 표면 처리제의 최적화가 용이하고, 수지와의 접착성이 양호하며 저렴하다는 점에서 바람직하다. 유리 섬유에는 E유리(전기용), C유리(내식용), S유리, T유리(고강도·고탄성률) 등이 있는데, 사용 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 고강도·고탄성률이 요구되는 분야에 있어서는, 탄소 섬유를 매우 적합하게 이용할 수 있다.

어떠한 강화 섬유를 이용하는 경우에도, 강화 섬유 다발 표면에는, 열가소성 수지와의 접착성을 양호하게 하기 위해, 커플링제나 집속성을 높이기 위한 사이징제(sizing agent, 집속제)가 처리되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 이들 표면 처리제는, 열가소성 수지의 종류에 따라 성분을 적정화하는 것이 바람직하다.

또한, 전술한 실시 형태에서, 복합 시트(7)는 적층한 강화 섬유(5)의 맨 위에 부직포(6)를 적층한 것을 예시하였지만, 강화 섬유(5)에 대해 부직포(6)를 적층하는 위치, 적층하는 수 등은 임의로 선택할 수 있다. 예를 들면, 복합 시트 제조 장치(10)에서, 부직포 공급부(18)를 설치하는 위치를 강화 섬유 공급부(14a 내지 14d)의 사이에 마련하거나 앞쪽에 마련함으로써, 부직포를 적층하는 위치를 임의로 선택할 수 있다. 예를 들면, 강화 섬유의 각 층의 사이에 부직포를 적층해도 된다. 또한, 강화 섬유 공급부(14d)로부터 공급되는 강화 섬유에 겹쳐 부직포를 강화 섬유와 함께 공급하도록 해도 무방하다.

또한, 스티칭에 이용하는 실은, 여러 가지 종류의 실을 이용할 수 있다. 강화 섬유의 배향 각도를 제어하여 제작한 중간체의 배향 각도를 성형한 다음에도 정확하게 유지하기 위해서는, 성형 중에 스티칭실이 용융되지 않는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우에는 금형 내를 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도가 되도록 가열하여 성형하는 성형 공정에서, 용융되지 않는 실을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 매우 가는 글래스 얀(glass yarn), 융점이 높은 아라미드 섬유, PBO 섬유 등을 매우 적합하게 이용할 수 있다.

한편, 성형품의 외관이 중시되는 용도에 있어서는, 금형 내를 섬유 강화 열 가소성 복합 재료의 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도가 되도록 가열하여 성형하는 성형 공정에서 용융되는 열가소성 수지의 실을 이용해도 된다. 이 경우, 섬유 강화 열가소성 복합 재료를 가열 용융시킬 때에 스티칭실이 용융되므로, 강화 섬유의 배향 각도가 흐트러질 우려도 약간 있지만, 성형품의 표면에 스티칭실의 자국이 남는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

중간체를 제조하는 공정에서, 금형에 설치할 소정 형상으로 정형한 것에 다시 스티칭을 실시하여 일체화함으로써, 중간체를 금형에 설치하는 설치 작업에 있어서 작업성이 향상된다.

또한, 성형품의 두께가 부분적으로 상이한 형상의 경우에 있어서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 금형의 형상에 따라 중간체의 두께를 부분적으로 두껍게 하면 된다. 이와 같은 경우는, 부분적으로 두께를 바꿀 필요가 있고, 복합 시트의 형상도 여러 가지 형태의 복합 시트를 적층하게 되므로, 금형에 설치할 소정 형상으로 정형한 것에 스티칭을 실시하여 일체화하면 된다.

또한, 전술한 바와 같이 연속 강화 섬유가 포함되는 강화 섬유를 이용한 경우에는, 성형품에 휨 변형이 발생하는 경우가 있다. 휨 변형을 작게 억제하려면, 중간체의 두께 방향으로 연속 강화 섬유의 각도를 대칭으로 하면 된다. 예를 들면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 0°, -45°, 90°, 45°의 각도로 차례로 강화 섬유를 공급하여 제작한 복합 시트를 이용하는 경우는, 45°, 90°, -45°, 0°의 각도로 차례로 강화 섬유를 공급하여 제작한 복합 시트를 교대로 적층하여 중간체를 제조하면 된다. 이에 따라 중간체는 두께 방향으로 연속 강화 섬유의 방향이 대칭이 된 다. 마찬가지로, -45°, 45°의 각도로 차례로 강화 섬유를 공급하여 제작한 복합 시트에 대해서는, 45°, -45°의 각도로 차례로 강화 섬유를 공급하여 제작한 복합 시트를 교대로 적층하여 중간체를 제조하면 된다. 이에 따라 중간체는 두께 방향으로 연속 강화 섬유의 각도가 대칭이 된다. 이와 같이, 중간체의 두께 방향에 있어서, 연속 강화 섬유의 방향을 대칭으로 함으로써, 성형품의 휨 변형을 작게 억제할 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 중간체를 제조할 때, 두께 방향으로 연속 강화 섬유의 각도가 대칭이 되도록, 연속 강화 섬유의 각도가 두께 방향으로 대칭인 복합 시트를 교대로 적층해도 되지만, 예를 들면, -45°, 45°, 45°, -45° 각도의 차례로 강화 섬유를 공급하여 두께 방향으로 연속 강화 섬유의 각도가 대칭인 복합 시트를 제작하고, 이를 적층하도록 해도 된다. 이러한 복합 시트는, 그 자체가 두께 방향으로 연속 강화 섬유의 방향이 대칭으로 되어 있어, 성형품에 휨 변형이 발생하는 것을 억제할 수 있으므로, 이 복합 시트를 적층하여 중간체를 제작함으로써, 성형품에 휨 변형이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

Claims

섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법으로서,

연속 강화 섬유를 각 층에 있어서 일정한 방향으로 나열하고 각 층마다 연속 강화 섬유의 방향을 상이하게 적층함과 함께, 상기 연속 강화 섬유와 함께 열가소성 수지로 이루어진 부직포를 적층하고, 스티칭을 실시하여 연속 강화 섬유와 부직포를 일체화한 복합 시트를 금형 내에 설치하는 설치 공정과,

상기 설치 공정에서 금형 내에 설치한 복합 시트를 프레스하고, 상기 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도로 가열하여 상기 연속 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시켜 성형하는 성형 공정을 구비한 섬유 강화 열가소성 복합 재료의 성형 방법.
열가소성 수지와 강화 섬유로 이루어지는 복합 시트를 금형 내에 설치하여 프레스하고, 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도로 가열하여 연속 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시켜 성형하는 섬유 강화 열가소성 복합 재료 성형용의 복합 시트로서,

연속 강화 섬유를 각 층에 있어서 일정한 방향으로 나열하고 각 층마다 연속 강화 섬유의 방향을 상이하게 적층함과 함께,

상기 연속 강화 섬유와 함께 열가소성 수지로 이루어진 부직포를 적층하고,

상기 연속 강화 섬유의 각 층과 부직포를 스티칭을 실시하여 일체화한 복합 시트.
열가소성 수지와 강화 섬유로 이루어지는 복합 시트를 금형 내에 설치하여 프레스하고, 열가소성 수지의 융점보다 높은 온도로 가열하여 연속 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시켜 성형하는 섬유 강화 열가소성 복합 재료 성형용의 복합 시트의 제조 방법으로서,

연속 강화 섬유를 각 층에 있어서 일정한 방향으로 나열하고 각 층마다 강화 섬유의 방향이 상이하도록 적층하는 공정과,

상기 연속 강화 섬유와 함께 열가소성 수지제의 부직포를 적층하는 공정과,

상기 연속 강화 섬유의 각 층과 부직포를 스티칭을 실시하여 일체화하는 공정을 구비한 복합 시트의 제조 방법.
제2항에 기재된 복합 시트를 재단 및/또는 적층하여, 금형에 설치할 소정 형상으로 정형한 것을 특징으로 하는 섬유 강화 열가소성 복합 재료 성형용의 중간체.
제2항에 기재된 복합 시트를 재단하고 적층하여 금형에 설치할 소정 형상으로 정형한 것에, 스티칭을 실시하여 일체화한 것을 특징으로 하는 섬유 강화 열가소성 복합 재료 성형용의 중간체.