KR101286085B1

KR101286085B1 - 섬유 강화 플라스틱 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101286085B1
Application number: KR1020097001985A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 야마노우치; 이치로 타케타; 에이스케 와다하라; 아키히코 키타노
Original assignee: 도레이 카부시키가이샤
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2013-07-15
Also published as: CN101516613A; KR20090071537A; EP2067615A1; EP2067615A4; ES2606394T3; TWI415738B; US8101262B2; JP5315692B2; JPWO2008038429A1; TW200815183A; US20100028616A1; WO2008038429A1; EP2067615B1; CN101516613B

Abstract

판상부와 그 판상부로부터 융기된 돌기부를 갖는 판상의 섬유 강화 플라스틱이며, 상기 판상부와 상기 돌기부는 섬유 길이가 10∼100㎜인 다수개의 일정 방향으로 배열된 강화 섬유 시트의 복수의 적층구조를 포함하고, 적어도 2개의 층에 있어서의 상기 강화 섬유의 배열 방향이 다르며, 상기 강화 섬유의 적어도 일부가 상기 판상부로부터 상기 돌기부에 걸쳐서 연속되어 있고, 또한 상기 돌기부의 적층구조를 구성하는 층 중 적어도 하나가 상기 돌기부의 형상을 따른 형상을 갖는 섬유 강화 플라스틱. 일정 방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 일방향 프리프레그 시트의 다수개의 강화 섬유에 상기 섬유 길이로 절개를 형성해서 제작된 프리프레그 기재의 복수개를 강화 섬유의 배열 방향을 다르게 해서 적층해서 프리프레그 적층체를 형성하고, 이 적층체를 상기 돌기부를 형성하기 위한 홈을 갖는 금형을 이용해서 가열, 가압 성형하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

섬유 강화 플라스틱

Description

섬유 강화 플라스틱 및 그 제조 방법{FIBER-REINFORCED PLASTIC AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF}

본 발명은 판상부와 그 판상부의 적어도 한쪽 면으로부터 융기된 돌기부를 갖는 판상체이며, 상기 판상부 및 돌기부는 다수개의 강화 섬유와, 그 다수개의 강화 섬유와 일체로 된 매트릭스 수지로 형성된 섬유 강화 플라스틱, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

상기 돌기부를 갖는 판상체의 전형예로서 리브 또는 보스를 갖는 판상체가 있다. 이 판상체는 구조부재로서 널리 사용되고 있다. 이 구조부재의 예로서는 자동차 등의 수송기기, 자전거 등의 스포츠용구 등에 있어서의 구조부재가 있다.

강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱은 비강도, 비탄성률이 높고, 역학 특성이 우수한 것, 내후성, 내약품성 등의 고기능 특성을 갖는 것 등의 점에서 산업용도에 있어서도 주목받아 그 수요는 해마다 높아지고 있다.

섬유 강화 플라스틱 성형품의 큰 특징 중 하나인 경량성을 효율적으로 발현시키기 위해서 리브라고 불리는 돌기부를 성형품의 표면에 형성하는 것이 행해지고 있다. 이것에 의해 성형품의 두께를 두껍게 하지 않고 성형품의 강성이나 강도를 높일 수 있다.

성형품의 넓은 평면부의 휨 등을 막기 위해서도 리브의 존재는 유효하다. 리브 이외에도 복수의 부재로 이루어지는 구조물에 있어서는 보스라고 불리는 오목부에 대하여 이용되는 감합이나 성형품 끼리의 접합시에 있어서의 위치 결정용 돌기부가 많이 사용되고 있다.

섬유 강화 플라스틱의 성형 방법으로서는 특히 고기능 특성을 갖는 섬유 강화 플라스틱에서는 프리프레그(prepreg)라고 불리는 강화 섬유에 매트릭스 수지를 함침시킨 반경화 상태의 것을 적층하고, 고온고압 가마(오토클레이브)에서 가열 가압함으로써 매트릭스 수지를 경화시켜 섬유 강화 플라스틱을 성형하는 오토클레이브 성형이 가장 일반적이다. 오토클레이브 성형에 비해 생산성이 우수한 성형 방법으로서 원하는 형상으로 섬유기재를 부형(賦形)한 후, 수지를 함침시키는 RTM(Resin Transfer Molding) 성형도 행해지고 있다.

이들 성형 방법에 있어서 사용되는 강화 섬유의 형태로서는 높은 역학 특성이 얻어지기 쉬운 연속 섬유가 일반적이다.

연속 섬유로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱 성형품에 리브나 보스 등의 돌기부를 형성하는 수단으로서는 미리 오토클레이브 성형 등에 의해 성형된 판상부에 마찬가지로 미리 성형된 돌기부를 접착제 등을 이용하여 접합하는 방법, 또는 미리 오토클레이브 성형 등에 의해 성형된 판상부에 돌기부를 성형시키는 인서트 사출 성형 등이 있다.

그러나, 전자의 경우 판상부 및 돌기부를 각각 제작하고, 다시 이들을 접합 한다는 매우 번거로운 공정을 필요로 하고, 또한, 접합부의 접착성에 대해서 고려해야할 문제가 있었다. 후자의 경우 대략 사출 성형에 의해 형성된 돌기부의 물성은 낮기 때문에, 특히 리브로서의 효과는 작고, 또한 판상부와 돌기부의 접착성은 양호하지 않은 경우가 있어 그 접합부에서 박리되기 쉬운 문제가 있었다.

그 외의 수단으로서는 미리 돌기부의 형상으로 섬유기재를 부형하고, RTM 성형에 의해 성형하는 방법 등도 들 수 있지만, 섬유기재의 부형에 수고와 시간이 걸리므로, 오토클레이브 성형에 비하면 생산성이 우수하지만 생산성이 양호하다고는 할 수 없는 것, 단순 형상의 돌기부밖에 성형할 수 없는 등의 문제가 있었다.

한편, 강화 섬유의 길이가 수 내지 수십 ㎜ 정도인 단섬유 강화 플라스틱의 경우에는 돌기부를 형성하는 것은 비교적 용이하다. 예를 들면, 매트릭스 수지가 열경화성 수지이면, SMC(Sheet Molding Compound)나 BMC(Bulk Molding Compound)에 의한 프레스 성형 등, 열가소성 수지이면 사출 성형 등을 사용하는 것이 가능하다.

그러나, SMC나 BMC에서는 그 제조 공정에 있어서, 강화 섬유의 분포 불균일, 배향 불균일이 필연적으로 생기므로, 성형품의 역학 물성이 저하되거나, 또는, 그 물성값의 편차가 커진다는 문제가 있었다. 또한 사출 성형에서는 강화 섬유의 양을 적게 하고, 그 길이도 짧은 것을 사용하지 않으면 성형할 수 없으므로, 성형품의 역학 물성은 매우 낮아진다. 따라서, 이들 방법에서는 구조부재에 적합한 돌기부를 갖는 섬유 강화 플라스틱을 제조하는 것은 어렵다는 문제가 있었다.

이러한 종래 기술의 문제점을 개선하는 시도가 제안되어 있다(특허문헌1). 특허문헌1에는 프레스 성형에 기초한 리브를 구비한 성형품의 제조 방법이 개시되 어 있다. 그 제조 방법은 리브의 부분에서 섬유를 절단함으로써, 성형시에 섬유의 절단 단부를 리브 선단까지 흘려 넣고, 리브에 섬유를 충전시키고자 하는 것이다.

그러나, 리브의 부분에서만 섬유를 절단한 경우 리브 이외의 부분에서는 섬유가 절단되어 있지 않으므로, 섬유는 전체적으로 서로 구속되어 리브의 선단까지 섬유가 충전되기 어려운 것이 실정이다. 이 제조 방법에 의해 리브의 선단까지 섬유가 충전된 성형품이 만들어졌다해도, 리브가 형성되어 있는 방향(리브의 높이 방향)으로의 강성은 향상되지만, 리브의 두께 방향으로의 강성은 섬유가 절단되어 있기 때문에, 수지만의 강성에 의존하게 되고, 그 때문에 매우 낮아져서 실제의 구조부재로서는 사용할 수 없는 경우가 생긴다.

이와 같이, 간이하게 성형하는 것이 가능하고, 또한, 역학 물성도 우수한 돌기부를 갖는 섬유 강화 플라스틱은 지금까지 볼 수 없다.

특허문헌1:일본 특허 공개 소63-087206호 공보

본 발명은 종래 기술의 문제점을 개선한 역학 특성이 우수한 돌기부를 갖는 섬유 강화 플라스틱, 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하는 본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 다음과 같다.

판상부와 그 판상부의 적어도 한쪽 면으로부터 융기된 돌기부를 갖는 판상체로 이루어지고, 상기 판상부 및 상기 돌기부는 다수개의 강화 섬유와, 상기 다수개의 강화 섬유와 일체로 된 매트릭스 수지로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱에 있어서,

(a)상기 판상부 및 상기 돌기부에 있어서의 상기 다수개의 강화 섬유는 각각에 있어서의 다수개의 강화 섬유의 배열 방향이 다른 적어도 2개의 강화 섬유층으로 이루어지고,

(b)상기 각 강화 섬유층에 있어서의 상기 다수개의 강화 섬유의 각각의 섬유 길이가 10∼100㎜이며,

(c)상기 각 강화 섬유층의 적어도 일부의 강화 섬유가 상기 판상부로부터 상기 돌기부에 걸쳐서 연속해서 위치하고, 또한,

(d)상기 돌기부에 있어서의 상기 적어도 2개의 강화 섬유층 중 적어도 1개의 강화 섬유층이 상기 돌기부의 형상을 따른 형상을 갖고 있는 섬유 강화 플라스틱.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서, 상기 판상부는 상기 돌기부가 위치하는 면과는 반대측의 면에 있어서 일체화된 강화 섬유 베이스층을 포함하고, 또한, 상기 강화 섬유 베이스층에 있어서의 강화 섬유는 다수개의 연속된 강화 섬유로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서, 상기 돌기부의 두께는 상기 판상부의 두께의 0.1∼4배인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서, 상기 돌기부의 높이는 상기 판상부의 두께의 0.2∼50배인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서, 상기 돌기부의 횡단면형상은 사각형 또는 원형인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서, 상기 매트릭스 수지는 열경화성 수지인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서, 상기 강화 섬유는 탄소 섬유인 것이 바람직하다.

이러한 목적을 달성하는 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법은 다음과 같다.

판상부와 그 판상부의 적어도 한쪽 면으로부터 융기된 돌기부를 갖는 판상체로 이루어지고, 상기 판상부 및 돌기부는 다수개의 강화 섬유와, 상기 다수개의 강화 섬유와 일체로 된 매트릭스 수지로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 있어서,

(a)각각의 섬유 길이가 10∼100㎜인 다수개의 강화 섬유가 일방향으로 순차 배열된 강화 섬유 시트와 상기 강화 섬유 시트의 전체에, 또는, 부분적으로 함침된 미경화 상태의 매트릭스 수지로 이루어지는 적어도 2장의 프리프레그 기재가 상기 강화 섬유의 배열 방향이 다른 상태에서 적층되어 이루어지는 프리프레그 적층체를 준비하는 적층체 준비 공정과,

(b)상기 돌기부를 형성하기 위한 오목부를 갖는 한쪽의 금형과, 상기 금형과의 사이에서 상기 판상부를 형성하는 다른쪽의 금형으로 이루어지는 상기 판상체를 성형하는 성형 장치를 준비하는 성형 장치 준비 공정과,

(c)상기 성형 장치 준비 공정에 있어서 준비된 상기 성형 장치의 상기 금형 사이에 상기 적층체 준비 공정에 있어서 준비된 상기 프리프레그 적층체를 수용하는 적층체 수용 공정과,

(d)상기 적층체 수용 공정에 있어서 상기 금형내에 수용된 상기 프리프레그 적층체를 상기 금형에 의해 가열 및 가압해서 상기 판상부 및 상기 돌기부의 부형을 행함과 아울러, 상기 매트릭스 수지의 고화를 행하여 상기 판상체를 형성하는 판상체 형성 공정과,

(e)상기 판상체 형성 공정에 있어서 형성된 판상체를 상기 금형으로부터 꺼내는 판상체 탈형 공정으로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 있어서, 상기 프리프레그 적층체는 상기 돌기부가 형성되는 면과는 반대측의 면에 있어서 일체화된 강화 섬유 베이스층을 포함하고, 또한, 상기 강화 섬유 베이스층에 있어서의 강화 섬유가 다수개의 연속된 강화 섬유로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 있어서, 상기 매트릭스 수지가 열경화성 수지인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 있어서, 상기 금형의 온도가 일정하게 유지되고 있는 동안에 상기 판상체 형성 공정과 상기 판상체 탈형 공정이 행해지고 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 있어서, 상기 판상체 형성 공정에 있어서의 상기 열경화성 수지의 점도가 0.1∼100Pa·s인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 있어서, 상기 판상체 형성 공정에 있어서의 상기 금형의 온도(T)와 상기 열경화성 수지의 발열 피크 온도(Tp)가 Tp-60≤T≤Tp+20의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 있어서, 상기 적층체 준비 공정에서 준비되는 상기 프리프레그 적층체에 관해서, 상기 10∼100㎜의 섬유 길이가 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유에 이 길이의 간격으로 순차 절개를 형성함으로써 창출되어 있고, 또한, 적어도 인접해서 위치하는 상기 프리프레그 기재 사이에서 상기 절개의 위치 및 방향의 일방 또는 쌍방이 다른 것이 바람직하다.

(발명의 효과)

본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 판상부와 돌기부의 적층구조를 구성하는 각 층은 모두 불연속의 강화 섬유를 포함하고, 또한 강화 섬유의 적어도 일부가 판상부로부터 돌기부에 걸쳐 연속되어 있고, 돌기부의 적층구조를 구성하는 층 중 적어도 하나가 돌기부의 형상을 따른 형상을 갖고 있다. 이 구조에 의해 본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 돌기부는 원하는 역학 특성을 갖는다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 의하면, 특히, 구조부재의 구성상 중요하게 되는 리브 또는 보스 등의 돌기부의 역학 특성의 제조 과정에 있어서의 저하가 최소한으로 억제되고, 또한, 간이하게 섬유 강화 플라스틱을 제조할 수 있다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱은, 예를 들면 수송기기(자동차, 항공기, 함정 등)의 구조부재, 산업기계의 구조부재, 정밀기기의 구조부재, 또는, 스포츠용구(자전거, 골프 등)의 구조부재로서 바람직하게 사용된다.

도 1은 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 일례의 개략 종단면도이다.

도 2는 도 1의 섬유 강화 플라스틱의 판상부로부터 돌기부에 연속되어 있는 강화 섬유의 상태를 설명하는 개략 종단면도이다.

도 3A는 각각이 본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유로 이루어지는 강화 섬유 시트와 매트릭스 수지로 이루어지는 층의 적층상태의 일례를 설명하는 종단면 모식도이다.

도 3B는 각각이 본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유로 이루어지는 강화 섬유 시트와 매트릭스 수지로 이루어지는 층의 적층상태의 다른 일례를 설명하는 종단면 모식도이다.

도 3C는 각각이 본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유로 이루어지는 강화 섬유 시트와 매트릭스 수지로 이루어지는 층의 적층상태의 또 다른 일례를 설명하는 종단면 모식도이다.

도 4A는 본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 돌기부의 일례의 강화 섬유의 층구조를 설명하는 종단면 모식도이다.

도 4B는 본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 돌기부의 다른 일례의 강화 섬유의 층구조를 설명하는 종단면 모식도이다.

도 4C는 본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 돌기부의 또 다른 일례의 강화 섬유의 층구조를 설명하는 종단면 모식도이다.

도 5는 종래의 섬유 강화 플라스틱의 일례의 개략 종단면도이다.

도 6은 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조에 사용되는 일방향으로 배열된 강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재의 일례의 개략 평면도이 다.

도 7은 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조에 사용되는 성형 장치에 있어서의 돌기부를 형성하기 위한 홈부를 갖는 금형의 일례의 개략 종단면도이다.

도 8은 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조에 사용되는 성형 장치에 있어서의 돌기부를 형성하기 위한 홈부를 갖는 금형의 그 홈부의 배치 상태의 일례를 설명하는 금형의 개략 평면도이다.

도 9는 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조에 사용되는 성형 장치에 있어서의 돌기부를 형성하기 위한 홈부를 갖는 금형의 그 홈부의 배치 상태의 다른 일례를 설명하는 금형의 개략 평면도이다.

도 10은 종래의 섬유 강화 플라스틱의 다른 일례의 개략 종단면도이다.

도 11은 종래의 섬유 강화 플라스틱의 또 다른 일례의 개략 종단면도이다.

(부호의 설명)

1:판상체 1a,1b:판상부

1t:판상부의 두께 2a:돌기부

2aS1, 2aS2, 2aS3:돌기부에 있어서의 면

2h:돌기부의 높이 2t:돌기부의 두께

3a-3h:매트릭스 수지가 공존된 강화 섬유층

4:강화 섬유 4A2a, 4B2a, 4C2a:돌기부

5:판상체

5a-5d:적층된 프리프레그 기재에 있어서의 강화 섬유층

6:수지영역

7a-7k:돌기부 외측 표면을 형성하고 있는 면

8a-8o:돌기부에 있어서의 매트릭스 수지가 공존된 강화 섬유층

9:섬유 길이 방향 10:섬유 직교 방향

11:일방향 프리프레그 시트 12:절개

13,13A,13B:상금형 14,14A1,14A2,14B1,14B2:리브 홈

51a,51b:판상부 52a:돌기부

101:판상체 111:판상체

본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 판상부와, 상기 판상부의 적어도 한쪽 면으로부터 융기된 돌기부를 갖는 판상체로 이루어지고, 상기 판상부 및 상기 돌기부는 다수개의 강화 섬유와, 이 강화 섬유와 일체로 된 매트릭스 수지로 이루어지고, 또한, (a)상기 판상부 및 상기 돌기부에 있어서의 상기 다수개의 강화 섬유는 각각에 있어서의 다수개의 강화 섬유의 배열 방향이 다른 적어도 2개의 강화 섬유층으로 이루어지고, (b)상기 각 강화 섬유층에 있어서의 상기 다수개의 강화 섬유의 각각의 섬유 길이는 10∼100㎜이며, (c)상기 각 강화 섬유층의 적어도 일부의 강화 섬유는 상기 판상부로부터 상기 돌기부에 걸쳐서 연속해서 위치하고, 또한, (d)상기 돌기부에 있어서의 상기 적어도 2개의 강화 섬유층 중 적어도 1개의 강화 섬유층은 상기 돌기부의 형상을 따른 형상을 갖고 있다.

다음에 실시예를 이용하여 도면을 참조하면서 본 발명을 더 설명한다.

도 1에 있어서, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 판상체(1)로 이루어진다. 판상체(1)는 매트릭스 수지와 공존하는 복수의 강화 섬유층(3a,3b,3c,3d,3e,3f,3g,3h)으로 형성되어 있다. 각 층(3a,3b,…3h)은 층마다 같은 해칭으로 나타내어져 있다. 판상체(1)는 좌우의 판상부(1a,1b)와 돌기부(2a)를 갖는다. 강화 섬유층(3a,3b,3c,3d)은 좌우의 판상부(1a,1b)의 스킨층을 형성하고, 이 스킨층이 융기되어 돌기부(2a)를 형성하고 있다. 강화 섬유층(3e,3f,3g,3h)은 판상체(1)의 베이스층을 형성하고 있다.

판상체(1)를 형성하고 있는 강화 섬유층(3a,3b,3c,3d,3e,3f,3g,3h) 중 적어도 스킨층을 형성하는 각 강화 섬유층(3a,3b,3c,3d)은 일정 방향으로 다수개의 강화 섬유가 배열된 강화 섬유 시트로 이루어진다. 도 1에 나타내는 형태에서는 판상체(1)의 베이스층을 형성하고 있는 강화 섬유층(3e,3f,3g,3h)도 일정 방향으로 다수개의 강화 섬유가 배열된 강화 섬유 시트로 이루어진다.

스킨층을 형성하고 있는 강화 섬유층(3a,3b,3c,3d)에 있어서의 다수개의 강화 섬유의 적어도 일부는 판상부(1a,1b)로부터 돌기부(2a)에 걸쳐서 연속해서 위치하고 있다. 또한 스킨층을 형성하고 있는 강화 섬유층(3a,3b,3c,3d)은 돌기부(2a)에 있어서 돌기부(2a)의 형상을 따른 형상을 갖고 있다.

도 1의 돌기부(2a)는 그 1개의 형태인 리브를 나타낸다. 판상체(1)로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱은 이 리브(2a)의 존재에 의해 그 강성의 향상과 경량화가 꾀해진다. 리브(2a)에 의해 판상체(1)의 휨이 저감되어 판상체(1)의 치수 안정성이 향상된다. 한편, 돌기부(2a)를 그 다른 형태의 하나인 보스로 하면, 이 보스(2a)에 의해 복수의 부재를 정확하게 위치 결정해서 감합하거나, 별도 부품을 매설하는 것이 가능해진다.

돌기부(2a)는 통상, 부재(판상체(1))의 한쪽 면에 형성되는 경우가 많지만, 필요에 따라 돌기부(2a)는 부재의 양면에 형성되어 있어도 좋다.

본 발명에 있어서, 적어도 스킨층을 형성하고 있는 강화 섬유층(3a,3b,3c,3d)의 각각에 있어서의 강화 섬유의 섬유 길이는 10∼100㎜로 되어 있다. 강화 섬유의 섬유 길이가 10㎜보다 짧은 경우 강화 섬유에 의한 판상체(1), 특히, 돌기부(2a)의 보강 효과가 작아져 판상체(1)의 역학 물성이 낮아진다. 한편, 강화 섬유의 섬유 길이가 100㎜보다 긴 경우 돌기부(2a)의 선단까지 충분히 강화 섬유가 충전되지 않는다.

판상체(1)의 베이스층을 형성하고 있는 강화 섬유층(3e,3f,3g,3h)에 있어서의 강화 섬유는 연속된 강화 섬유이어도 좋고, 불연속인 강화 섬유, 예를 들면 섬유 길이가 10∼100㎜인 강화 섬유가 길이 방향으로 배열되어 있는 불연속인 강화 섬유이어도 좋다. 판상체(1)의 스킨층과 베이스층을 명확하게 나누고 싶은 경우나, 보다 높은 역학 특성을 발현시키고 싶은 경우에는 적어도 일부의 강화 섬유층에 있어서의 강화 섬유는 연속된 강화 섬유인 것이 바람직하다. 보다 높은 역학 특성을 발현시키고 싶은 경우에는 베이스층을 형성하는 강화 섬유층에 있어서의 모든 강화 섬유가 연속된 강화 섬유로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.

확실하게 돌기부(2a)의 선단까지 강화 섬유가 충전되기 위해서는 베이스층을 형성하는 강화 섬유층의 적어도 일부의 강화 섬유의 섬유 길이는 10∼100㎜인 것이 바람직하다. 특히, 베이스층을 형성하는 강화 섬유층의 전체에 있어서의 강화 섬유의 섬유 길이를 이 범위내로 함으로써, 돌기부(2a)로의 강화 섬유의 충전의 확실성을 가장 높일 수 있다.

본 발명에 있어서, 스킨층을 형성하는 강화 섬유층(3a,3b,3c,3d)은 판상부(1a,1b)와 돌기부(2a)를 형성하고 있다. 즉, 판상부(1a,1b)에 있어서의 스킨층과 돌기부(2a)는 같은 강화 섬유층(3a,3b,3c,3d)으로 형성되어 있다. 판상부(1a,1b)의 스킨층과 돌기부(2a)의 강화 섬유의 적층구조가 다르면, 쌍방의 경계부분에 있어서 열수축률이나 선팽창계수의 차 등에 의해 잔류응력이 생기기 쉬워져, 결과적으로 크랙 발생이나 섬유 강화 플라스틱으로서의 휨의 원인이 될 우려가 있다.

또한 본 발명에 있어서, 적층구조를 구성하는 각 층의 강화 섬유의 적어도 일부가 판상부(1a,1b)로부터 돌기부(2a)에 걸쳐서 연속되어 있다. 이것에 의해 돌기부(2a)와 판상부(1a,1b) 사이에는 강고한 일체구조가 형성되어 리브나 보스 등의 돌기부로서의 기능이 충분히 발휘된다. 돌기부(2a)의 적층구조를 이루는 강화 섬유는 판상부(1a,1b)의 적층구조를 이루는 강화 섬유와 연속되어 있지 않은 경우 돌기부(2a)의 밑둥부분의 강도가 낮아져서 밑둥부분에서 파괴 또는 박리가 생기기 쉬워진다.

강화 섬유가 판상부(1a,1b)로부터 돌기부(2b)에 걸쳐서 연속되어 있는 상태가 도 2에 나타내어진다. 강화 섬유가 판상부(1a,1b)로부터 돌기부(2b)에 걸쳐서 연속되어 있다란, 도 2에 나타내듯이 강화 섬유(4)가 판상부(1a)로부터 돌기부(2a)에 걸쳐 연속해서 존재하고 있는 상태를 말한다.

본 발명의 강화 섬유층의 적층구조는 도 1에 나타내는 형태를 이용하여 설명하면 판상체(1)의 종단면을 관찰한 경우 강화 섬유가 소정 방향으로 배향되어 있는 층(예를 들면 층(3a))과, 그것과는 강화 섬유가 다른 방향으로 배향되어 있는 층(예를 들면 층(3b))이 각각 다른 층을 형성하고, 이들 다른 층으로 이루어지는 복수의 층(3a,3b,…3h)이 판상체(1)의 두께 방향으로 순서대로 적층되어 있는 구조를 갖는다.

이 적층구조의 예가 도 3A, 도 3B, 및 도 3C에 나타내어진다. 이들 도면에 있어서, 일정 방향(도면에 있어서, 수평 방향)으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 층(5b,5d)과 같이 강화 섬유의 연속성이 도중에 끊어져서, 도중에 끊어진 부분에 수지영역(6)이 존재하고 있어도 인접하는 층(5a,5c)에 있어서는 강화 섬유가 다른 방향(도면에 있어서, 지면에 수직인 방향)으로 배열되어 있다. 각 층에 있어서의 강화 섬유는 길이 방향에 있어서 각각 섬유 길이 10∼100㎜로 분단되어 있지만, 인접하는 층 끼리에 의해 강화 섬유는 길이 방향으로 연속해서 지지되어 있다. 따라서, 그 층에 존재하는 강화 섬유는 그 길이 방향에 있어서 분단은 되어 있지만, 강화 섬유의 각 세그먼트는 동일한 층에 존재하고 있다. 이러한 배열 상태에 있는 강화 섬유의 각 세그먼트를 일체로 해서 본 발명에 있어서 강화 섬유층이라고 한다.

또, 강화 섬유가 랜덤하게 배열된 SMC나 BMC를 몇장 겹쳐서 프레스 성형한 경우 그 측면에서는 유한길이의 강화 섬유가 각각 독립되어 랜덤하게 배향되어 적층되어 있기 때문에, 섬유 강화 플라스틱의 두께 방향으로 명확한 층을 형성하고 있지 않고, 이들 강화 섬유의 존재 상태는 본 발명에서 말하는 강화 섬유층을 형성하는 강화 섬유의 상태에는 포함되지 않는다.

본 발명에 있어서, 돌기부(2a)를 형성하고 있는 층(3a,3b,3c,3d) 중 적어도 1개의 층이 돌기부(2b)의 형상을 따른 형상을 갖고 있다. 층이 돌기부(2b)의 형상을 따른 형상이다란, 그 층, 예를 들면 층(3a)이 돌기부(2b)를 구성하는 각 면(2aS1, 2aS2, 2aS3)(도 1 참조)의 각각의 방향과 같은 방향을 갖고 있는 상태를 말한다.

이러한 층 형성의 상태의 예가 도 4A, 도 4B, 및 도 4C에 나타내어진다. 도 4A에 나타내는 돌기부(4A2a)의 종단면에 있어서는 돌기부(4A2a)는 좌우의 측면과 최상면에 3개의 평면(7a,7b,7c)을 갖는다. 도 4B에 나타내는 돌기부(4B2a)의 종단면에 있어서는 돌기부(4B2a)는 좌우의 측면, 최상면, 최상부의 우측 측면과 단차부 최상면에 5개의 평면(7d,7e,7f,7g,7h)을 갖는다. 도 4C에 나타내는 돌기부(4C2a)의 종단면에 있어서는 돌기부(4C2a)는 좌우의 측면과 반원상의 최상면에 평면(7i,7k)과 곡면(7j)을 갖는다.

도 4A에 나타내는 돌기부(4A2a)에 있어서는 돌기부(4A2a)를 형성하는 층(8a,8b,8c,8d,8e)이 각각 상기 각 면을 따른 방향으로 위치하고 있다. 도 4B에 나타내는 돌기부(4B2a)에 있어서는 돌기부(4B2a)를 형성하는 층(8f,8g,8h,8i,8j)은 각각 상기 각 면을 따른 방향으로 위치하고 있다. 도 4C에 나타내는 돌기부(4C2a)에 있어서는 돌기부(4C2a)를 형성하는 층(8k,8l,8m,8n,8o)은 각각 상기 각 면을 따른 방향으로 위치하고 있다. 돌기부의 형상을 따른 형상이란 돌기부를 구성하는 면 에 대하여 대응하는 층의 중앙면이 상기 면에 대략 평행인 것을 말한다. 대략 평행의 용어는 층의 중앙면은 엄밀한 평면이 되는 경우는 적다고 생각되는 점에서, 평행의 개념에 폭을 부여할 필요가 있으므로 사용되고 있다. 돌기부를 구성하는 면에 대하여 대응하는 층의 중앙면이 그 층의 두께 이내에 면의 어긋남이 수용되어 있는 경우를 대략 평행이라고 말한다.

도 5에 종래의 판상체(섬유 강화 플라스틱)(5)가 나타내어진다. 도 5에 있어서, 판상체(5)는 판상부(51a,51b)와 돌기부(52a)로 이루어진다. 돌기부(52a)는 강화 섬유의 적층구조(53a,53b,53c,53d,53e,53f,53g,53h)를 갖고, 돌기부(52a)는 강화 섬유의 적층구조(53a,53b,53c,53d)를 갖는다. 돌기부(52a)의 강화 섬유는 판상부(51a,51b)의 강화 섬유와 연속되어 있다. 그러나, 층(53a,53b,53c,53d)이 돌기부(52a)의 선단에서 돌기부(52a)의 형상을 따르고 있지 않는다. 즉, 판상체(5)는 돌기부(52a)에 있어서의 상기 층이 돌기부(52a)의 형상과 상사(相似)의 형상을 갖고 있지 않는다. 이 경우 돌기부(52a)에 힘이 작용하면, 돌기부(52a)의 선단이 파괴의 기점이 되어 판상체(5)의 물성의 저하를 일으킨다.

본 발명에 있어서, 특별히 언급하지 않는 한, 판상부란 표면의 형상이 평면을 포함하는 1/100 이하의 곡률을 갖는 1차곡면, 2차곡면, 또는, 구면 등으로 이루어지는 판상부를 말한다.

본 발명에 있어서의 돌기부를 형성하는 방법으로서는 프리프레그나 세미프레그 등의 중간 기재의 적층체를 적어도 한쪽의 금형에 돌기부를 형성하기 위한 오목부를 갖는 양면형의 금형내에서 가압해서 돌기부를 형성하는 방법이 있다. 이 방법 에 의해 돌기부가 형성되는 메커니즘은 명확하지 않지만, 다음과 같이 생각된다.

우선, 양면형의 금형내에서 섬유 길이 10∼100㎜의 유한길이의 강화 섬유로 이루어지는 중간 기재인 적층체를 가압함으로써, 적층체의 각 층은 적층상태를 유지한 채 적층면의 방향(면내 방향)으로 유동하려고 한다. 그리고, 면내 방향으로의 유동이 포화되었을 때, 한쪽의 금형에 오목형상의 공간부가 있으면 적층체는 적층상태를 유지한 채 오목형상의 공간부, 즉, 당초의 적층면의 방향에 대하여 수직인 방향 또는 소정 각도를 가진 방향(면외 방향)으로도 유동해서 공간부에 진입한다. 이 공간부에 진입한 적층체에 의해 돌기부가 형성된다라고 추정된다. 또, 이 유동 과정에서 강화 섬유가 더 절단되는 일은 없으므로, 형성되는 판상체(섬유 강화 플라스틱)는 원재료인 강화 섬유의 섬유 길이에 따른 섬유 길이 10∼100㎜를 갖는 강화 섬유를 포함하게 된다.

강화 섬유의 배향 방향을 달리 하는 강화 섬유층이 복수층 있는 것에 의해, 돌기부는 치수 안정성이 우수하게 된다. 강화 섬유의 배향 방향이 일방향뿐인 경우 돌기부는 열수축률이나 선팽창계수의 이방성에 의해 휨 등을 발생시키기 쉬워 치수 정밀도가 나빠진다. 또한 돌기부는 리브인 경우에는 리브에 대하여 2방향으로의 힘이 작용한 경우 또는, 트위스트의 힘이 작용한 경우 강화 섬유의 배향 방향이 일방향뿐인 경우 힘의 작용 방향에 의하여 리브로서의 강도나 강성이 부족하다. 그 때문에 강화 섬유의 배향 방향을 서로 달리 하는 적어도 2층의 강화 섬유층이 필요하게 된다. 그 중에서도 복수의 강화 섬유층이 [0/90]_nS나 [0/±60]_nS, [+45/0/- 45/90]_nS라는 등방적층이며, 또한, 대칭적층 구조를 갖고 있는 점이 판상체(섬유 강화 플라스틱) 자체의 휨 저감 등을 고려하면 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱(판상체)에 있어서의 돌기부의 횡단면형상으로서는, 예를 들면 다각형(예를 들면 직사각형), 원형, 또는 타원형이 있고, 종단면형상으로서는, 예를 들면 사각형(예를 들면 직사각형), 삼각형, 또는, 반원형이 있다. 돌기부가 리브인 경우에는 횡단면형상이 직사각형이며, 종단면형상이 직사각형인 판상의 돌기부, 또는, 횡단면형상이 원형이며, 종단면형상이 직사각형인 봉상의 돌기부가 바람직하게 이용된다. 돌기부가 보스인 경우에는, 전체의 형상이 반구상, 다각주상, 원주상, 다각추상, 원추상인 돌기부가 바람직하게 사용된다.

본 발명에 있어서, 돌기부의 높이(2h)(도 1 참조)가 판상부의 두께(1t)(도 1 참조)의 0.5∼50배인 것이 바람직하고, 1∼25배인 것이 보다 바람직하다. 돌기부의 높이(2h)가 상기 범위내이면 돌기부로서의 효과가 발현되기 쉽다. 돌기부의 높이(2h)가 판상부의 두께(1t)의 0.5배보다 작은 경우 예를 들면 돌기부가 리브이면 리브에 의한 강성향상의 효과는 작아져 버리는 경우가 있다. 한편, 돌기부의 높이(2h)가 판상부의 두께(1t)의 50배보다 큰 경우 돌기부가 층구조를 형성하는 것이 어렵게 되는 경우가 있다.

본 발명에 있어서, 돌기부의 형상이 상기 판상 또는 봉상인 경우 돌기부의 두께(2t)(도 1 참조)가 판상부의 두께(1t)의 0.1∼4배인 것이 바람직하고, 0.5∼3배인 것이 보다 바람직하다. 돌기부의 두께(2t)가 상기 범위내이면, 돌기부로서의 효과가 발현되기 쉽다. 돌기부의 두께(2t)가 판상부의 두께(1t)의 0.1배보다 작은 경우 예를 들면 돌기부가 리브이면 리브에 의한 강성향상의 효과는 작아져 버리는 경우가 있고, 돌기부가 보스이면 감합부의 치수 정밀도가 나오지 않는 경우가 있다. 한편, 돌기부의 두께(2t)가 판상부의 두께(1t)의 4배보다 큰 경우 판상부와 돌기부의 마테리얼 밸런스가 취해지기 어렵게 되어 판상부 및 돌기부를 같은 층구조로 하는 것이 어렵게 되는 경우가 있다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱(판상체)의 일례는 섬유 길이가 10∼100㎜인 강화 섬유가 길이 방향으로 배열된 강화 섬유 시트와 매트릭스 수지로 구성되는 프리프레그 또는 세미프레그를 복수 적층해서 일체화한 적층체를 얻고, 상기 적층체를 금형온도(T)가 실질적으로 일정한 금형내에서 가압해서 부형 및 고화시켜서 금형온도(T)를 유지한 채 탈형함으로써 제조된다.

매트릭스 수지가 열경화성 수지이면 섬유 길이가 10∼100㎜인 강화 섬유 시트를 프리프레그 또는 세미프레그로서 취급하는 경우의 취급성이 좋고, 또한 매트릭스 수지의 점도도 열가소성 수지의 경우보다 낮게 설정할 수 있어 강화 섬유층이 용이하게 유동할 수 있는 재료설계가 쉬워진다. 그 결과, 원하는 돌기부를 판상체에 용이하게 형성할 수 있다.

열경화성 수지로서는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르수지, 페놀 수지, 아크릴 수지 등을 들 수 있고, 이들의 혼합 수지이어도 상관없다. 그 중에서도 열경화성 수지로서는 역학 특성이 우수한 섬유 강화 플라스틱이 얻어지는 에폭시 수지가 특히 바람직하다.

프리프레그란 강화 섬유에 매트릭스 수지를 완전히, 세미프레그란 부분적으로 함침시킨 반경화상태의 중간 기재이다. 섬유가 길이 방향으로 분단되어 있는 강화 섬유 시트를 프리프레그 또는 세미프레그의 형태로 취급하면, 그 취급이 매우 용이하게 된다. 또한 일방향으로 정렬된 다수개의 강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 일방향 프리프레그 시트, 또는, 일방향 세미프레그 시트는 이들의 복수매를 강화 섬유의 배열 방향이 다르도록 적층상태를 조정함으로써, 용이하게 원하는 특성을 갖는 적층체 또는 판상체를 설계할 수 있다. 강화 섬유의 배열 방향이 일방향이기 때문에, 프리프레그의 강화 섬유 함유율을 향상시키는 것이 용이하며, 강화 섬유의 크림프에 의한 강도저하도 방지할 수 있다. 그 때문에 프리프레그 또는 세미프레그의 사용은 고강도, 고탄성률을 갖는 섬유 강화 플라스틱을 제작하기 위해서는 적합하다고 할 수 있다.

프리프레그 또는 세미프레그는 오토클레이브 성형, 오븐 성형, 또는, 프레스 성형에 있어서의 가압 및 가열 공정, 또한 매트릭스 수지의 고화 공정을 거쳐 섬유 강화 플라스틱으로 가공된다.

이들 성형 방법 중에서도 생산성 및 성형성을 고려하면, 프레스기를 사용한 프레스 성형 방법이 바람직하게 사용된다. 프레스 성형 방법은 다른 성형 방법에 비해 성형전의 사전 준비, 또한 성형후의 후처리도 간편하기 때문에, 압도적으로 생산성이 우수하다. 또한 매트릭스 수지가 열경화성 수지인 경우에는 금형온도(T)를 실질적으로 일정하게 유지한 채 탈형하는 것이 가능하다. 따라서, 매트릭스 수지가 열가소성 수지인 경우에 필요하게 되는 금형의 냉각 공정을 매트릭스 수지가 열경화성 수지인 경우에는 생략하는 것이 가능해진다. 즉, 가열, 가압 성형 공정 종료후, 금형의 냉각을 기다리지 않고, 성형된 판상체를 금형으로부터 탈형하는 것이 가능하며, 매트릭스 수지로서 열경화성 수지를 사용하면, 원하는 판상체의 대폭적인 생산성의 향상이 초래된다. 금형온도(T)가 실질적으로 일정하다란 금형온도의 변동이 ±10℃의 범위내인 것을 말한다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱(판상체)은 금형온도(T)와, 열경화성 수지의 시차 주사 열량 측정(DSC)에 의한 발열 피크 온도(Tp)가 다음 관계식(I)

Tp-60≤T≤Tp+20…(I)

을 만족하는 조건으로 제조되는 것이 바람직하다. 다음 관계식(II)

Tp-30≤T≤Tp…(II)

를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

금형온도(T)가 Tp-60보다 낮은 경우 수지의 경화에 필요한 시간이 매우 길어지고, 또한 경화가 불충분한 경우도 있다. 한편, Tp+20보다 높은 경우 수지의 급격한 반응에 의해 수지 내부에서의 보이드의 생성, 경화 불량을 일으키므로 바람직하지 못하다. 또한, DSC에 의한 발열 피크 온도(Tp)는 승온 속도 10℃/분의 조건으로 측정한 값이다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱(판상체)은 열경화성 수지의 동적 점탄성 측정(DMA)에 의한 최저 점도가 0.1∼100Pa·s의 조건으로 제조되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 0.1∼10Pa·s이다. 최저 점도가 0.1Pa·s보다 작은 경우 가압시에 수지만이 유동해서 돌기부의 선단까지 충분히 강화 섬유가 충전되지 않는 경 우가 있다. 한편, 100Pa·s보다 큰 경우 수지의 유동성이 부족하기 때문에, 돌기부의 선단까지 충분히 강화 섬유 및 수지가 충전되지 않는 경우가 있다. 또, DMA에 의한 최저 점도는 승온 속도 1.5℃/분의 조건으로 측정한 값이다.

본 발명에 있어서 사용되는 일정 방향으로 배열된 섬유 길이 10∼100㎜의 강화 섬유가 길이 방향으로 배열된 강화 섬유 시트의 형태로서는, 예를 들면 견절방(牽切紡) 등의 방적수단에 의해 얻어지는 불연속상의 강화 섬유를 시트화한 형태이어도 좋고(형태A), 불연속상의 강화 섬유(예를 들면 촙드 화이버)를 일방향으로 배열시켜서 시트화한 형태이어도 좋고(형태B), 또는, 연속상의 강화 섬유로 구성되는 일방향 프리프레그 시트의 전체면에 강화 섬유를 횡단하는 방향으로 단속적인 유한길이의 절개를을 형성한 형태이어도 좋다(형태C).

견절방이란 스트랜드상태의 연속 섬유에 장력을 가함으로써 섬유를 단섬유의 단위로 절단하는 방적 방법의 하나이며, 단섬유의 절단점이 1개소에 모아지지 않고, 스트랜드의 전체 길이에 걸쳐 균등하게 분산된다는 특징을 갖는다. 형태A는 강화 섬유의 절단끝을 단섬유의 단위로 맞추지 않도록 랜덤하게 배치해서 집합체를 형성하는 것이며, 강화 섬유는 단섬유의 단위로 유동하기 때문에, 성형성이 약간 떨어지지만, 응력전달이 매우 효율 좋게 되므로, 매우 높은 역학 특성의 발현을 가능하게 하고, 강화 섬유의 절단 개소가 분산되어 있으므로, 우수한 품질 안정성의 실현을 가능하게 한다.

형태B는 강화 섬유의 절단끝을 복수의 섬유의 단위로 맞추어 어느 정도는 규칙 바르게 배치해서 집합체를 형성하는 것이며, 필연적으로 강화 섬유의 배치, 분 포 불균일 등을 발생시키므로, 품질 안정성은 약간 떨어지지만, 복수의 섬유의 단위로 유동하기 때문에, 매우 우수한 성형성의 실현을 가능하게 한다.

형태C는 강화 섬유의 절단끝을 복수의 섬유의 단위로 맞추어 규칙 바르게 배치해서 집합체를 형성하는 것이며, 강화 섬유가 규칙 바르게 배치되어 있으므로, 품질 안정성 및 역학 특성이 우수하고, 복수의 섬유의 단위로 유동하므로, 성형성도 우수하다.

상기 각 형태는 용도에 따라 적당하게 선택할 수 있지만, 그 중에서도 역학 특성과 성형성의 밸런스가 우수하고, 간이하게 제조할 수 있는 형태C가 본 발명에 있어서 가장 바람직한 형태라고 할 수 있다.

일정 방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유를 섬유 길이 10∼100㎜를 갖는 강화 섬유가 길이 방향으로 배열된 강화 섬유 시트로 하기 위해서, 강화 섬유를 절단하기 위한 절개를 강화 섬유에 형성하는 방법으로서는 일정 방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 수지로 이루어지는 일방향 프리프레그 시트 또는 일방향 세미프레그 시트 등의 중간 기재에 커터를 이용한 수작업에 의해, 또는 재단기를 이용한 기계적 작업에 의해 절개를 형성하는 방법(방법A), 상기 중간 기재를 소정 위치에 칼날이 배치되어 있는 펀칭 칼날에 의해 펀칭하는 방법(방법B), 또는, 상기 중간 기재의 제조 공정에 있어서, 소정의 위치에 칼날이 배치되어 있는 회전 롤러에 의해 연속적으로 절개를 형성하는 방법(방법C) 등이 있다.

간이하게 강화 섬유를 절단하는 경우에는 방법A가, 생산 효율을 고려해서 대량으로 제작하는 경우에는 방법B, 더욱 대량 생산하는 경우에는 방법C가 적합하다.

본 발명에 있어서 사용되는 강화 섬유로서는 탄소 섬유가 바람직하다. 탄소 섬유는 저비중이며, 또한 비강도 및 비탄성률에 있어서 특히 우수한 성질을 갖고 있고, 또한 내열성이나 내약품성도 우수하므로, 경량화가 요구되는 자동차 패널 등의 부재에 바람직하다. 그 중에서도 고강도의 탄소 섬유가 얻어지기 쉬운 PAN계 탄소 섬유가 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱(판상체)의 용도로서는 강도, 강성, 경량성이 요구되는 자전거의 크랭크나 프레임 등의 부재, 골프 클럽의 샤프트나 헤드 등의 스포츠 부재, 도어, 시트, 멤버, 모듈 또는 프레임 등의 자동차 부재, 로보트 아암 등의 기계부품이 있다. 그 중에서도 강도, 경량에 추가해서 부재형상이 복잡하고, 다른 부재와의 사이에서 형상 추수성이 요구되는 시트 패널, 시트 프레임, 프론트 엔드 모듈 또는 도어 이너 모듈 등의 자동차부재, 크랭크 등의 자전거부재에 바람직하게 사용된다.

다음에 실시예 및 비교예를 이용하여, 본 발명을 더 설명하지만, 본 발명은 특별히 이것에 한정되는 것은 아니다.

일방향 프리프레그 시트의 제작 방법:

다음의 순서로 에폭시 수지 조성물을 얻었다.

(a)에폭시 수지(재팬 에폭시 레진(주)제 "에피코트(등록상표)" 828:30중량부, 에피코트 1001:35중량부, 에피코트 154:35중량부)와, 열가소성 수지 폴리비닐 포르말(칫소(주)제 "비닐렉(등록상표)" K) 5중량부를 150∼190℃로 가열하면서 1∼3시간 교반해서 폴리비닐 포르말을 균일하게 용해했다.

(b)수지 온도를 55∼65℃까지 강온한 후, 경화제 디시안디아미드(재팬 에폭시 레진(주)제 DICY7) 3.5중량부와, 경화촉진제 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아(호도가야 카가쿠고교(주)제 DCMU99) 4중량부를 첨가하고, 상기 온도에서 30∼40분간 혼련후, 니더 안에서 꺼내서 에폭시 수지 조성물을 얻었다.

얻어진 에폭시 수지 조성물을 리버스롤 코터를 사용해서 이형지 상에 도포하여 수지 필름을 제작했다.

이어서, 시트상으로 일방향으로 배열시킨 탄소 섬유(인장강도 4,900MPa, 인장탄성률 235GPa)에 수지 필름 2장을 탄소 섬유의 양면으로부터 겹쳐서 가열하고, 가압하고, 수지 조성물을 함침시켜 탄소 섬유 단위중량 150g/㎡, 수지 중량분률 33%의 일방향 프리프레그 시트를 제작했다.

얻어진 에폭시 수지 조성물의 DSC에 의한 발열 피크 온도(Tp)는 152℃였다. 측정 장치로서는 티에이 인스트루먼트사제 DSC2910(품번)을 이용하여 승온 속도 10℃/분의 조건으로 측정했다.

DMA에 의한 최저 점도는 0.5Pa·s였다. 측정 장치로서는 티에이 인스트루먼트사제 동적 점탄성 측정 장치 "ARES"를 이용하여 승온 속도 1.5℃/분, 진동 주파수 0.5Hz, 패럴렐 플레이트(지름 40㎜)의 조건으로 온도와 점도의 관계 곡선으로부터 최저 점도를 구했다.

역학 특성 평가 방법:

3점 굽힘 시험에 의한 굽힘 강성 측정에 의해 역학 특성을 평가했다. 리브를 갖는 성형체로부터 리브가 시험편 길이 방향으로 연속되고, 또한 시험편 중앙부가 되도록 길이 100±1㎜, 폭 30±0.2㎜의 형상으로 잘라내어 시험편을 얻었다.

얻어진 시험편을 리브를 하향(지점측)으로 하고, 지점간 거리를 80㎜로 하고, 지점이 판상부에 의해 지지되도록 조정했다. 측정 장치로서는 인스트론사제 만능 시험기 4208형을 이용하여, 크로스 헤드 속도 2.0㎜/분의 조건에 의해 3점 굽힘 시험을 행했다. 측정한 시험편의 수는 n=5로 했다. 얻어진 하중-휨 곡선으로부터 굽힘 강성을 산출하고, 그 값을 시험편 중량으로 나눈 값(비굽힘 강성)에 의해 평가를 행했다.

실시예1

상기 프리프레그의 제작 방법에 의해 도 6에 나타내는 일방향 프리프레그 시트(11)를 준비했다. 도 6에 있어서, 이 일방향 프리프레그 시트(11)에 있어서의 다수개의 강화 섬유의 배열 방향(섬유 길이 방향)이 화살표(9)(도 6에 있어서 상하 방향)로 나타내어지고, 강화 섬유의 배열 방향에 직교하는 방향(섬유 직교 방향)이 화살표(10)(도 6에 있어서, 좌우 방향)으로 나타내어진다. 일방향 프리프레그 시트(11)에 자동 재단기를 이용하여 도 6에 나타내는 등간격으로 규칙적인 절개(12)를 섬유 직교 방향으로 연속적으로 형성했다. 도 6에 있어서, 각 절개의 폭(a)은 10㎜이며, 섬유 길이 방향에 있어서의 각 절개 간격(피치)(b), 즉, 강화 섬유의 분단된 길이는 30㎜이며, 섬유 직교 방향에 있어서 인접하는 절개간의 간격(c)은 10㎜로 했다.

이렇게 하여 준비한 일방향 프리프레그 시트(11)로부터 1장의 크기가 300×300㎜의 프리프레그 기재 16장을 잘라냈다. 이들을 전체가 의사등방([+45/0/- 45/90])이 되도록 적층하여 프리프레그 적층체를 준비했다. 프리프레그 적층체에 적층되어 있는 프리프레그 기재는 16장이지만, 중앙층의 90도층에서는 섬유 방향이 동일하게 2장 겹쳐지므로 적층수는 15층으로서 취급한다.

도 7에 나타내는 돌기부(리브) 형성용 홈(리브 홈)(14)이 간격을 두고 2개 형성된 도 8에 나타내는 금형을 준비했다. 도 8에 있어서, 금형(13A)은 2개의 리브 형성용의 홈(14A1,14A2)을 갖는다. 이 금형(13A)을 다음에 설명하는 상금형으로서 사용한다.

상기에 있어서 준비한 프리프레그 적층체를 300×300㎜의 면을 갖는 하금형 위에 수용한 후, 상기 상금형(13A)을 부착한 가열형 프레스 성형기에 의해 가압력 6MPa의 가압, 가열 온도 150℃의 가열, 성형시간 30분의 성형 조건에 의해 프리프레그 적층체를 가열, 가압, 부형 처리하고, 매트릭스 수지를 경화시켜 리브를 갖는 평판상의 성형체(판상체)를 얻었다.

얻어진 판상체는 판상부의 두께(1t)가 2.0㎜이며, 리브의 선단까지 강화 섬유가 충전되어 있고, 리브의 단면을 관찰한 결과, 도 1에 나타내듯이 리브에는 적층구조가 형성되어 있고, 그 적층구조에 있어서의 강화 섬유는 판상부의 적층구조에 있어서의 강화 섬유로부터 연속되어 있고, 리브를 형성하는 8층이 리브의 형상을 따른 형상, 즉, 리브의 양측면 및 상면과 대응하는 형상을 갖는 층으로서 위치하고 있는 것이 확인되었다.

3점 굽힘 시험의 결과, 얻어진 판상체의 비굽힘 강성은 1,100(kN·㎟/g)으로 매우 높은 값을 나타냈다.

실시예2

상금형의 돌기부 형성용 홈의 위치를 도 9에 나타내는 십자형상의 홈(14B1,14B2)으로 변경한 상금형(13B)을 사용한 이외에는 실시예1과 동일하게 해서 성형체(판상체)를 제작했다.

얻어진 판상체는 판상부의 두께(1t)가 2.0㎜이며, 리브의 선단까지 강화 섬유가 충전되어 있고, 리브의 단면을 관찰한 결과, 도 1에 나타내듯이 리브에는 적층구조가 형성되어 있고, 그 적층구조에 있어서의 강화 섬유는 판상부의 적층구조에 있어서의 강화 섬유로부터 연속되어 있고, 리브의 8층이 리브의 형상을 따른 형상, 즉, 리브의 양측면 및 상면과 대응하는 형상을 갖는 층으로서 위치하고 있는 것이 확인되었다.

3점 굽힘 시험의 결과, 얻어진 판상체의 비굽힘 강성은 1,050(kN·㎟/g)으로 매우 높은 값을 나타냈다.

비교예1

일방향 프리프레그 시트에 절개를 형성하지 않는 것 이외에는 실시예1과 동일하게 해서 평판상의 성형체(판상체)를 얻었다.

얻어진 판상체는 판상부의 두께가 2.3㎜이며, 리브에 있어서는 5할 정도의 부분에 있어서 강화 섬유의 충전이 결락되어 있었다. 리브의 단면을 관찰한 결과, 형성된 리브 중 8할 정도의 부분은 수지에 의해 형성되어 있고, 리브의 적층구조를 구성하는 강화 섬유층이 리브의 형상을 따른 형상으로 되어 있지 않은 것이 판명되었다.

3점 굽힘 시험의 결과, 얻어진 판상체의 비굽힘 강성은 150(kN·㎟)으로 매우 낮은 값을 나타냈다.

비교예2

돌기부 형성용 홈을 갖지 않는 상금형을 사용한 이외에는 실시예1과 동일하게 해서 평판상의 성형체(판상체)를 얻었다.

얻어진 판상체의 두께는 2.4㎜였다. 얻어진 판상체로부터 폭 10㎜의 판상편을 2개 잘라냈다. 이어서, 실시예1의 판상체와 동일한 형상으로 되도록 2액형 에폭시계 접착제를 이용하여, 이 비교예에서 얻어진 판상체의 표면에 상기 2개의 판상편을 접합하여 리브를 갖는 평판상의 판상체를 제작했다. 또, 접합부의 접착을 높이기 위해서 판상편을 접착하기 전에 접착시키는 부분에 샌드 블라스트 처리를 실시했다.

얻어진 리브를 갖는 판상체의 한쪽 리브의 근방의 종단면도가 도 10에 나타내어진다. 도 10에 있어서, 판상체(101)는 판상부(101a,101b), 및 판상편의 접착에 의해 형성된 돌기부(리브)(102a)로 이루어진다. 판상부(101a,101b)는 매트릭스 수지가 공존하는 강화 섬유층(103a,103b,103c,103d,103e,103f,103g,103h)으로 형성되어 있다.

리브(102a)의 단면을 관찰한 결과, 도 10에 나타내듯이 리브(102a)는 적층구조를 갖지만, 리브(102a)의 적층구조에 있어서의 강화 섬유와 판상부(101a,101b)의 적층구조에 있어서의 강화 섬유는 연속되어 있지 않고, 또한 리브(102a)의 선단에서 적층구조를 형성하는 각 층의 연속성이 각각 도중에 끊어져 있어 각 층은 리 브(102a)의 형상을 따른 형상으로 되어 있지 않았다.

3점 굽힘 시험의 결과, 시험 개시후, 곧바로 리브(102a)가 판상부(101a)로부터 박리되어 버려 판상체(10)의 비굽힘 강성은 80(kN·㎟/g)으로 매우 낮은 값을 나타냈다.

비교예3

실시예1에 있어서 준비한 프리프레그 기재를 [+45/0/-45/90]₂가 되도록 8장 적층하여 프리프레그 적층체(A)를 제작했다. 제작한 프리프레그 적층체(A)로부터 300×20㎜의 크기의 프리프레그 적층체(B)를 2개 잘라냈다.

이어서, 얻어진 2개의 프리프레그 적층체(B)를 각각의 90도층이 내측이 되도록 절반으로 되접고, 되접힌 측을 홈의 선단이 되도록 실시예1과 동일한 상금형의 홈에 삽입한 후, 프리프레그 적층체(A)를 300×300㎜의 면을 갖는 하금형 위에 배치한 후, 실시예1과 같은 조건에 의해 리브를 갖는 평판상의 성형체(판상체)를 제작했다.

제작된 판상체의 한쪽 리브의 근방의 종단면도가 도 11에 나타내어진다. 도 11에 있어서, 판상체(111)는 판상부(111a,111b), 및 돌기부(리브)(112a)로 이루어진다. 판상부(111a)는 매트릭스 수지가 공존하는 강화 섬유층(113a,113b,113c,113d,113e,113f,113g,113h)으로 형성되어 있다.

리브(112a)의 단면을 관찰한 결과, 도 11에 나타내듯이 리브(112a)는 적층구조를 갖고, 8층이 리브(112a)의 형상을 따른 형상을 갖고 있지만, 리브(112a)의 적 층구조에 있어서의 강화 섬유와 판상부(111a)의 적층구조에 있어서의 강화 섬유는 연속되어 있지 않았다.

3점 굽힘 시험의 결과, 시험 개시후, 곧바로 리브(112a)가 판상부(111a)로부터 박리되어 버려 판상체(11)의 비굽힘 강성은 100(kN·㎟/g)으로 매우 낮은 값을 나타내었다.

비교예4

실시예1에서 사용한 일방향 프리프레그 시트와 동일한 탄소 섬유(필라멘트수 12,000개), 및 에폭시 수지 조성물을 이용하여 섬유 길이 25㎜, 탄소 섬유 단위중량 750g/㎡, 수지 중량분률 50%의 SMC 시트를 제작했다. SMC 시트를 300×300㎜의 크기로 잘라내고, 이들을 2장 적층하여 실시예1과 같은 조건에 의해 2개의 직선상의 리브를 갖는 평판상의 성형체(판상체)를 제작했다.

얻어진 판상체는 판상부의 두께가 2.0㎜이며, 리브의 선단까지 섬유가 충전되어 있었지만, 리브의 단면을 관찰한 결과, 강화 섬유가 각각 독립되어 랜덤하게 배향되어 적층되어 있고, 판상부 및 리브의 각각에 있어서 각각의 두께 방향으로 강화 섬유의 명확한 층을 형성하고 있지 않았다.

3점 굽힘 시험의 결과, 얻어진 판상체의 비굽힘 강성은 250(kN·㎟/g)으로 낮은 값을 나타냈다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 판상부와 돌기부의 적층구조를 구성하는 각 층이 모두 불연속의 강화 섬유를 포함하고, 또한 강화 섬유의 적어도 일부가 판상 부로부터 돌기부에 걸쳐서 연속되어 있고, 돌기부의 적층구조를 구성하는 층 중 적어도 하나가 돌기부의 형상을 따른 형상을 갖고 있다. 이 구조에 의해 본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 돌기부는 원하는 역학 특성을 갖는다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 의하면, 특히, 구조부재의 구성상 중요하게 되는 리브 또는 보스 등의 돌기부의 역학 특성의 제조과정에 있어서의 저하가 최소한으로 억제되고, 또한, 간이하게 섬유 강화 플라스틱을 제조할 수 있다.

Claims

판상부와 그 판상부의 적어도 한쪽 면으로부터 융기된 돌기부를 갖는 판상체로 이루어지고, 상기 판상부 및 상기 돌기부는 다수개의 강화 섬유와, 그 다수개의 강화 섬유와 일체로 된 매트릭스 수지로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱에 있어서:

(a) 상기 판상부 및 상기 돌기부에 있어서의 상기 다수개의 강화 섬유는 각각에 있어서의 다수개의 강화 섬유의 배열 방향이 다른 2개 이상의 강화 섬유층으로 이루어지고,

(b) 상기 각 강화 섬유층에 있어서의 상기 다수개의 강화 섬유의 각각의 섬유 길이는 10∼100㎜이며,

(c) 상기 각 강화 섬유층의 적어도 일부의 강화 섬유는 상기 판상부로부터 상기 돌기부에 걸쳐서 연속해서 위치하고, 또한,

(d) 상기 돌기부에 있어서의 상기 2개 이상의 강화 섬유층 중 1개 이상의 강화 섬유층은 상기 돌기부의 형상을 따른 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱.
제 1 항에 있어서, 상기 판상부는 상기 돌기부가 위치하는 면과는 반대측의 면에서 일체화된 강화 섬유 베이스층을 포함하고, 또한 상기 강화 섬유 베이스층에 있어서의 강화 섬유는 다수개의 연속된 강화 섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱.
제 1 항에 있어서, 상기 돌기부의 두께는 상기 판상부의 두께의 0.1∼4배인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱.
제 1 항에 있어서, 상기 돌기부의 높이는 상기 판상부의 두께의 0.2∼50배인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱.
제 1 항에 있어서, 상기 돌기부의 횡단면형상은 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱.
제 1 항에 있어서, 상기 매트릭스 수지는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱.
제 1 항에 있어서, 상기 강화 섬유는 탄소 섬유인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱.
판상부와 그 판상부의 적어도 한쪽 면으로부터 융기된 돌기부를 갖는 판상체로 이루어지고, 상기 판상부 및 상기 돌기부는 다수개의 강화 섬유와, 그 다수개의 강화 섬유와 일체로 된 매트릭스 수지로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 있어서:

(a) 각각의 섬유 길이가 10∼100㎜인 다수개의 강화 섬유가 일방향으로 순차 배열된 강화 섬유 시트와 그 강화 섬유 시트의 전체에, 또는 부분적으로 함침된 미경화 상태의 매트릭스 수지로 이루어지는 2장 이상의 프리프레그 기재가 상기 강화 섬유의 배열 방향이 다른 상태에서 적층되어 이루어지는 프리프레그 적층체를 준비하는 적층체 준비 공정과,

(b) 상기 돌기부를 형성하기 위한 오목부를 갖는 한쪽의 금형과, 그 금형과의 사이에서 상기 판상부를 형성하는 다른쪽의 금형으로 이루어지는 상기 판상체를 성형하는 성형 장치를 준비하는 성형 장치 준비 공정과,

(c) 상기 성형 장치 준비 공정에 있어서 준비된 상기 성형 장치의 상기 금형 사이에 상기 적층체 준비 공정에 있어서 준비된 상기 프리프레그 적층체를 수용하는 적층체 수용 공정과,

(d) 상기 적층체 수용 공정에 있어서 상기 금형내에 수용된 상기 프리프레그 적층체를 상기 금형에 의해 가열 및 가압해서 상기 판상부 및 상기 돌기부의 부형을 행함과 아울러, 상기 매트릭스 수지의 고화를 행하여 상기 판상체를 형성하는 판상체 형성 공정과,

(e) 상기 판상체 형성 공정에 있어서 형성된 판상체를 상기 금형으로부터 꺼내는 판상체 탈형 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 프리프레그 적층체는 상기 돌기부가 형성되는 면과 는 반대측의 면에서 일체화된 강화 섬유 베이스층을 포함하고, 또한 상기 강화 섬유 베이스층에 있어서의 강화 섬유는 다수개의 연속된 강화 섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 매트릭스 수지는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 금형의 온도가 일정하게 유지되고 있는 동안에 상기 판상체 형성 공정과 상기 판상체 탈형 공정이 행해지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 판상체 형성 공정에 있어서의 상기 열경화성 수지의 점도는 0.1∼100Pa·s인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 판상체 형성 공정에 있어서의 상기 금형의 온도(T)와 상기 열경화성 수지의 발열 피크 온도(Tp)가 Tp-60≤T≤Tp+20의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 적층체 준비 공정에서 준비되는 상기 프리프레그 적층체에 관해서, 상기 10∼100㎜의 섬유 길이는 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유에 이 길이의 간격으로 순차 절개를 형성함으로써 창출되어 있고, 또한 적어도 인접해서 위치하는 상기 프리프레그 기재 사이에서 상기 절개의 위치 및 방향의 일방 또는 쌍방이 다른 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.