KR101348948B1 - Thermoplastic composite for easy impregnation and manufacture method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열가소성 수지가 포함된 복합소재를 구현함에 있어 열가소성수지가 보강재에 쉽고 균일하게 함침될 수 있도록 하기 위한 것으로, 수지의 보강섬유가 포함된 니들매트 다수를 열압착하여서 한장의 열가소성 복합재시트를 구성함에 있어 니들매트 각각은 보강섬유에 열가소성 수지의 함침이 용이하도록 보강섬유층과 열가소성수지 필름을 교대로 적층하고 니들링한 혼성 니들매트로 구성한 것이다. The present invention is to allow the thermoplastic resin to be easily and uniformly impregnated in the reinforcing material in the implementation of the composite material containing the thermoplastic resin, by thermocompression bonding a plurality of needle mat containing the reinforcing fiber of the resin to a single thermoplastic composite sheet In the construction, each of the needle mats is composed of a needle needle hybrid laminated by alternately stacking a reinforcing fiber layer and a thermoplastic resin film to facilitate the impregnation of the thermoplastic resin in the reinforcing fibers.

Description

함침이 용이한 열가소성 복합재 및 그 제조방법{THERMOPLASTIC COMPOSITE FOR EASY IMPREGNATION AND MANUFACTURE METHOD THEREOF}Thermo-impregnated thermoplastic composite and its manufacturing method {THERMOPLASTIC COMPOSITE FOR EASY IMPREGNATION AND MANUFACTURE METHOD THEREOF}

본 발명은 복합소재에 관한 것으로, 특히 열가소성 수지가 포함된 복합소재를 구현함에 있어 열가소성수지가 보강재에 균일하게 함침될 수 있도록 하기 위한 열가소성 복합재 제조방법 및 그 열가소성 복합재에 관한 것이다.
The present invention relates to a composite material, and more particularly, to a thermoplastic composite manufacturing method and a thermoplastic composite manufacturing method for allowing a thermoplastic resin to be uniformly impregnated in a reinforcing material in implementing a composite material including a thermoplastic resin.

종래에는 복합재료를 구성하는 하나의 재료로서 에폭시 수지와 같은 열경화성수지가 주로 사용되었지만 최근에는 열가소성수지가 그 대안으로 주목받고 있으며 다방면에 활용되고 있는 실정이다.Conventionally, thermosetting resins such as epoxy resins are mainly used as one material constituting a composite material, but recently, thermoplastic resins are attracting attention as alternatives and are being utilized in various fields.

열가소성 복합재료가 주목받게 된 배경은 열경화성 수지에서는 실현이 어려운 고인성(高靭性)이 가능하며, 내충격성이 좋고 성형이 용이하고 가공속도의 상승이 가능하며, 수리 및 보수가 용이한 등의 이점이 있기 때문이다. 더욱이 산업이 날로 발전하면서 환경문제, 제한된 자원의 고갈 등 폐기물의 처리와 재활용 문제도 해결할 수 있다는 유리한 점도 있다. Thermoplastic composite materials have attracted attention because of their high toughness, which is difficult to realize in thermosetting resins, their impact resistance is good, their molding is easy, their processing speed can be increased, and their repair and repair are easy. Because of this. Moreover, as the industry develops day by day, it is also advantageous that it can solve the problem of waste disposal and recycling such as environmental problems and depletion of limited resources.

열가소성 복합재료 중에서 장섬유보강 열가소성 복합재료(long fiber reinforced thermoplastic composite: LFT)는 크게 펠렛(pellet) 형태와 니들매트(needle mat) 형태로 구분된다. Among the thermoplastic composites, long fiber reinforced thermoplastic composites (LFTs) are largely divided into pellets and needle mats.

먼저, 펠렛 형태인 LFT 펠렛은 보강섬유의 길이가 10~20mm 수준으로 제조되며, 보강섬유의 함량은 30~60wt.% 범위가 일반적이다. LFT 펠렛은 사출성형 방식으로 성형되는 복합재료로서 사출기에서 LFT 펠렛이 용융될 때 스크류와의 마찰로 인해 보강섬유가 파괴되어 성형제품 내에서 보강섬유의 실제 길이는 2~5 mm 수준으로 짧아지는 특성이 있다. 이 범위의 보강섬유 길이는 강성특성은 90% 이상, 강도특성은 80% 이상이 될 수 있어 높은 수준이나, 충격 특성은 40% 이하로 매우 낮은 수준이 된다. First, the pellets in the form of LFT pellets are produced in the length of the reinforcing fibers 10 ~ 20mm level, the content of the reinforcing fibers is generally in the range of 30 ~ 60wt.%. LFT pellet is a composite material that is molded by injection molding, and when the LFT pellet is melted in the injection molding machine, the reinforcing fiber is destroyed by friction with the screw, so the actual length of the reinforcing fiber in the molded product is shortened to 2 ~ 5 mm. There is this. In this range, the reinforcing fiber length can be 90% or more in the stiffness characteristic and 80% or more in the stiffness characteristic, but the impact characteristic is very low, which is 40% or less.

LFT 펠렛 제조방법과 관련된 특허 선행문헌의 일예로는 공개특허 제10-2008-0083550호 "장섬유강화 열가소성 수지 펠릿 및 그 제조방법", 공개특허 제10-2010-0071053호 "장섬유강화 열가소성 수지 성형재료를 제조하기 위한 함침 다이", 공개특허 제10-2010-0071054호 "장섬유강화 열가소성 수지 성형재료를 제조하기 위한 방법" 등이 대표적이다. As an example of the patent prior art related to the LFT pellet manufacturing method is disclosed in Patent Publication No. 10-2008-0083550 "Long-fiber-reinforced thermoplastic resin pellets and a manufacturing method thereof", Patent Publication No. 10-2010-0071053 "Long-fiber-reinforced thermoplastic resin Impregnating dies for producing molding materials ", Published Patent Application No. 10-2010-0071054" Method for manufacturing long fiber reinforced thermoplastic resin molding material ", etc. are typical.

열가소성 복합재료중 니들매트 형태는 보강섬유의 길이가 통상적으로 25~100 mm 범위이며 프레스성형 방식으로 열압착 성형된다. 그러므로 니들매트 형태의 열가소성 복합재료는 보강섬유의 길이가 파괴되지 않고 대부분 유지된다. 이 범위의 보강섬유 길이에서는 강성 및 강도 특성은 모두 90% 이상이 되며 충격특성 또한 80% 이상이 된다. Needle mats in thermoplastic composites typically have a reinforcing fiber in the range 25 to 100 mm in length and are thermocompression molded in a press form. Therefore, the thermoplastic composite material in the form of needle mat is mostly maintained without breaking the length of the reinforcing fiber. In this range of reinforcing fiber lengths, both stiffness and strength characteristics are 90% or more and impact characteristics are 80% or more.

니들매트 형태의 열가소성 복합재료는 충격특성이 요구되는 자동차 부품인 범퍼 백빔 또는 언더바디 커버인 경우에 매우 유리하다. 뿐만 아니라 프레스 성형의 경우 사출성형 대비 유동거리가 최소화 되기 때문에 흐름에 의한 과도한 섬유배향 및 이로 인한 잔류응력 문제가 적어 충격에 의한 크랙발생 및 크랙전파의 문제가 적은 장점이 있다. 니들매트형태 소재를 이용하는 관련 특허선행문헌의 일예로는 공개특허 제10-2010-0046677호 "차량의 백빔 제작방법" 이 있다. Thermoplastic composites in the form of needle mats are very advantageous in the case of bumper back beams or underbody covers, which are automotive parts requiring impact properties. In addition, in the case of press molding, since the flow distance is minimized compared to injection molding, excessive fiber orientation due to flow and residual stress caused by this are small, so there are fewer problems of crack generation and crack propagation due to impact. An example of a related patent precedent document using a needle mat-type material is Published Patent Publication No. 10-2010-0046677 "Vehicle Back Beam Manufacturing Method".

반면, 복잡한 구조를 가지는 부품인 경우에는 펠렛 형태인 LFT 펠렛이 니들매트형태보다 훨씬 더 유리하다. 그러므로 장섬유보강 복합재료인 니들매트 형태의 소재를 이용하거나 펠렛 형태의 소재를 이용하는 장섬유보강 열가소성 복합재료의 응용사례로 공존하고 있는 실정이다. On the other hand, in the case of a component having a complicated structure, the pellet-shaped LFT pellet is much more advantageous than the needle mat type. Therefore, there is a situation in which a long fiber reinforced thermoplastic composite material using a needle mat material or a long fiber reinforced composite material is used.

열가소성 복합재를 제품화 함에 있어 보강섬유층에 열가소성수지 함침을 용이하게 이루어지는 것은 열가소성 복합재료의 다양한 장점들이 발현되게 하는데 있어 매우 중요하다. 통상적으로 열가소성수지는 고유특성상 섬유보강재와의 접착성이 나쁘고 함침이 어렵기 때문이다. Easily impregnating the thermoplastic resin in the reinforcing fiber layer in the production of the thermoplastic composite material is very important for the manifestation of various advantages of the thermoplastic composite material. In general, thermoplastic resins have poor adhesion to fiber reinforcements due to their inherent properties and are difficult to impregnate.

수지 함침용이성을 향상시키기 위한 방법중 하나로는 열가소성수지의 점도를 낮추는 방향으로 접근하는 것이다. 점도를 낮추는 대표적인 선행 기술의 일예로서는 공개특허 제10-2006-0116199호 "개선된 유리매트 열가소성 복합재료"가 있다. One of the methods for improving the resin impregnation ease is to approach in the direction of lowering the viscosity of the thermoplastic resin. An example of a representative prior art that lowers the viscosity is Published Patent Application No. 10-2006-0116199, "Improved Glass Mat Thermoplastic Composite Material."

이러한 기술은 보강섬유로 이루어진 니들매트에 낮은 점도를 가진 것으로 모노머 또는 올리고머 형태와 중합 가능한 성분을 먼저 주입한 후 중합을 통해 열가소성 복합재료를 만드는 방법이다. 열가소성수지가 폴리프로필렌의 경우에는 압출기에서 용융될 때 과산화물(peroxide) 성분을 주입하여 고분자의 사슬을 임의적으로 잘라서 점도가 낮은 저분자량 형태로 만드는 방법을 사용하기도 한다. This technique has a low viscosity on the needle mat made of reinforcing fibers, and is a method of preparing a thermoplastic composite material by injecting a monomer or oligomer form and a polymerizable component first, followed by polymerization. In the case of the polypropylene thermoplastic resin, when the molten resin is melted in an extruder, a method of injecting a peroxide component may be used to arbitrarily cut the polymer chain to form a low molecular weight form having a low viscosity.

그러나, 이러한 방법들은 불안정한 중합결과물, 중합가능 성분 또는 과산화물의 잔류문제, 중합공정에서 첨가되는 각종 안정제에 대한 고려가 불충분하며, 결과적으로는 분자량 분포가 고르지 못하다는 단점이 있다. 일반적으로 열가소성 수지를 중합할 때는, 각종 안정제가 중합공정 및 향후 성형공정을 고려하여 첨가되며, 반응기에서 적절한 분자량 분포로 중합된 고분자에 대해 후속공정인 탈기공정 (degassing process)을 통해 불필요한 잔류성분들을 미리 제거한다.However, these methods have insufficient disadvantages in considering unstable polymerization products, residual problems of polymerizable components or peroxides, various stabilizers added in the polymerization process, and consequently, uneven molecular weight distribution. Generally, when polymerizing a thermoplastic resin, various stabilizers are added in consideration of the polymerization process and future molding process, and unnecessary residues are removed through a degassing process, which is a subsequent process for the polymer polymerized with an appropriate molecular weight distribution in the reactor. Remove in advance.

함침의 용이성을 확보하기 위한 다른 접근방법으로는 니들매트 형성단계에서 보강섬유뿐만 아니라, 섬유형태의 수지를 물리적으로 혼합하는 방법이 있다. 그 대표적인 선행기술의 일예로는 공개특허 제10-2006-0125222호 "저비중 열가소성 복합재의 제조방법"이 있다. Another approach to ensure the ease of impregnation is a method of physically mixing the resin in the form of fibers, as well as reinforcing fibers in the needle mat forming step. An example of the representative prior art is Korean Patent Publication No. 10-2006-0125222, "Method for producing a low specific gravity thermoplastic composite material".

이러한 물리적 혼합방법은 물리적으로 보강섬유와 수지섬유가 혼합되어 있기 때문에 열과 압력을 가하여 쉽게 함침을 할 수 있는 구조이다. 하지만 이러한 물리적 혼합방법은 균일한 혼합을 보장할 수 없는 단점이 있다.
This physical mixing method is a structure that can be easily impregnated by applying heat and pressure because physically mixed reinforcing fibers and resin fibers. However, this physical mixing method has a disadvantage that can not guarantee a uniform mixing.

따라서 본 발명의 목적은 열가소성 수지가 포함된 복합소재를 구현함에 있어 열가소성수지가 보강재에 쉽고 균일하게 함침될 수 있도록 하기 위한 열가소성 복합재의 제조방법 및 그 열가소성 복합재를 제공함에 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a thermoplastic composite and a thermoplastic composite thereof so that the thermoplastic resin can be easily and uniformly impregnated in the reinforcing material in implementing the composite material containing the thermoplastic resin.

상기한 목적에 따라 본 발명은, 열가소성 복합재 제조방법에 있어서, 수지함침이 용이하도록 보강섬유층 사이에 열가소성 수지필름을 삽입하여 다층으로 형성하고 니들링을 수행하여 일체화한 혼성 니들매트를 중간재로서 얻는 과정과, 상기 혼성 니들매트 하나 이상을 열압착후 냉각하여서 수지함침이 이루어진 열가소성 복합재 시트를 얻는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다. According to the above object, the present invention, in the method of manufacturing a thermoplastic composite material, the thermoplastic resin film is inserted between the reinforcing fiber layer to facilitate the resin impregnation to form a multi-layer and the needle to perform the integrated hybrid needle mat as an intermediate material And, it is characterized by consisting of a process of obtaining a thermoplastic composite sheet made of resin impregnation by cooling after at least one of the hybrid needle mat thermocompression.

상기에서 보강섬유층을 구성하는 보강섬유는 유리섬유, 카본섬유, 아라미드섬유, 천연섬유 중의 하나임을 특징으로 한다. The reinforcing fibers constituting the reinforcing fiber layer is characterized in that one of glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, natural fiber.

또 상기 혼성 니들매트의 보강섬유층의 두께는 다르시의 법칙의 함침두께를 이용하여서 구해지며, In addition, the thickness of the reinforcing fiber layer of the hybrid needle mat is obtained using the impregnation thickness of Darcy's law,

상기 혼성 니들매트를 구성하는 보강섬유층의 면밀도는 다르시의 법칙의 용융수지 투과계수에 따른 섬유층의 면밀도를 고려하여 정해지며 400 g/m2 이하로 형성함을 특징으로 한다. The surface density of the reinforcing fiber layer constituting the hybrid needle mat is determined in consideration of the surface density of the fiber layer according to the molten resin permeability coefficient of Darcy's law and is characterized by being formed at 400 g / m 2 or less.

또한 본 발명은, 보강섬유가 포함된 다수의 니들매트를 열압착하여서 한장의 열가소성 복합재시트를 구성함에 있어 상기 니들매트 각각은 보강섬유에 열가소성 수지의 함침이 용이하도록 보강섬유층과 열가소성수지 필름을 교대로 적층하고 니들링한 혼성 니들매트로 구성함을 특징으로 하는 함침이 용이한 열가소성 복합재이다. In addition, the present invention, in the construction of a single thermoplastic composite sheet by thermocompression bonding a plurality of needle mats containing reinforcing fibers, each of the needle mats alternate between the reinforcing fiber layer and the thermoplastic resin film to facilitate the impregnation of the thermoplastic resin in the reinforcing fibers. It is an easy-impregnated thermoplastic composite which is composed of a composite needle mat laminated and needling.

상기 혼성 니들매트를 구성하는 각 보강섬유층의 두께와 면밀도는 다르시의 법칙과 코즈니-칼만 방정식을 이용하여 구함을 특징으로 하며, The thickness and surface density of each of the reinforcing fiber layers constituting the hybrid needle mat are calculated using Darcy's law and Kozny-Kalman equation.

상기 열가소성수지 필름은 용융지수 10이하의 고점도 열가소성수지를 사용하여서 제조된 고상 필름임을 특징으로 한다.
The thermoplastic resin film is characterized in that the solid film produced using a high viscosity thermoplastic resin of 10 or less melt index.

본 발명은 장섬유보강 열가소성 복합재를 구헝하는 중간재인 니들매트(Needle Mat) 형태를 보강섬유층과 열가소성 수지필름을 교대로 적층하여 니들링(Needling)한 혼성 매트를 구성함으로써 열압착 성형시 열가소성수지가 보강섬유재로의 함침이 쉽고 균일하게 이루어지게 하는 장점이 있고, 또 기존 보강섬유만으로 이루어진 니들매트 대비해 취급이 용이한 이점도 있다.
According to the present invention, thermoplastic resin is used during thermocompression molding by forming a needling hybrid mat by alternately stacking a reinforcing fiber layer and a thermoplastic resin film in the form of a needle mat, an intermediate material for stiffening a long fiber reinforced thermoplastic composite material. There is an advantage that the impregnation into the reinforcing fiber material is made easily and uniformly, and there is also an advantage that it is easy to handle compared to the needle mat made of the existing reinforcing fiber only.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열가소성 복합재의 제조장치 구성도,
도 3은 도 1의 니들매트 제조공정으로 얻어진 중간재인 니들매트의 단면 구성도,
도 4는 도 2에서 더블벨트 프레스에 투입전 성형예비재의 단면 상태 구성도,
도 5는 본 발명에 따라 열압착성형으로 제조 완성된 열가소성 복합재 시트의 구성도.
1 and 2 is a block diagram of a manufacturing apparatus of a thermoplastic composite according to an embodiment of the present invention,
3 is a cross-sectional configuration diagram of a needle mat as an intermediate material obtained by the needle mat manufacturing process of FIG. 1;
Figure 4 is a cross-sectional configuration diagram of the preliminary molding material before the injection into the double belt press in FIG.
Figure 5 is a block diagram of a thermoplastic composite sheet produced by thermocompression molding according to the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 열가소성 복합재료를 제품화 함에 있어 여러가지로 장점이 많은 니들매트(needle mat) 형태의 열가소성 복합재를 구현하며, 니들매트 형태 열가소성 복합재로 구현시 열압착 성형중 열가소성수지의 함침의 용이성을 확보하기 위해 종래의 GMT(glass mat thermoplastic)의 접근방법인 과산화물(peroxide)을 이용하여 용융수지의 점도를 낮추는 종래의 방식과는 다른 새로운 방식으로 구현한다.In the present invention, to realize a thermoplastic material in the form of a needle mat (many mat) having a number of advantages in the commercialization of the thermoplastic composite material, to ensure the ease of impregnation of the thermoplastic resin during thermocompression molding when implemented as a needle mat type thermoplastic composite By using a peroxide, which is a conventional method of glass mat thermoplastic (GMT), it is implemented in a new method different from the conventional method of lowering the viscosity of the molten resin.

즉 본 발명에서는 한장의 니들매트를 중간재로 구성함에 있어 보강섬유층과 열가소성 수지필름을 교대로 적층하고 니들링하여서 혼성 니들매트로 구성한다. That is, in the present invention, when configuring one needle mat as an intermediate material, the reinforcing fiber layer and the thermoplastic resin film are alternately laminated and needled to constitute a hybrid needle mat.

이러한 혼성 니들매트 하나 이상을 열압착성형시에 각 니들매트 내에 교대로 다층 형성된 열가소성수지 필름의 용융으로 보강섬유층으로의 열가소성수지의 함침이 보다 쉽고 골고루 이루어지게 한다.At least one of the hybrid needle mats may be easily and evenly made by impregnating the thermoplastic resin into the reinforcing fiber layer by melting the thermoplastic resin films alternately formed in each needle mat during thermocompression molding.

본 발명은 니들매트형태의 열가소성 복합재를 제조함에 있어 도 1 및 도 2에 도시된 두 단계의 제조공정을 거치면서 열가소성 복합재 시트로 완성된다. The present invention is completed in the thermoplastic composite sheet through a two-step manufacturing process shown in Figures 1 and 2 in manufacturing a thermoplastic composite in the form of a needle mat.

도 1은 본 발명에 따른 중간재인 혼성 니들매트(A)를 제조하기 위한 니들매트 제조장치(100)의 개략 구성도이고, 도 2는 도 1에서 얻어진 본 발명의 혼성 니들매트(A)를 열압착 성형으로 함침이 이루어지도록 하여 열가소성 복합재 시트(C)가 제조되도록 하는 열가소성 복합시트 제조장치(200)의 개략 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a needle mat manufacturing apparatus 100 for manufacturing a hybrid needle mat (A) which is an intermediate material according to the present invention, Figure 2 is a hybrid needle mat (A) of the present invention obtained in FIG. It is a schematic block diagram of the thermoplastic composite sheet manufacturing apparatus 200 which impregnates by crimping | molding and makes a thermoplastic composite sheet (C).

도 1의 제조공정에서는 보강섬유층(6a) 사이에 열가소성 수지필름(4a)을 삽입하여 다층으로 형성하고 니들링(needling)을 수행하여 일체화한 혼성 니들매트(A)를 중간재로서 얻는데, 이때 이후 도 2의 제조공정의 열압착시 열가소성수지의 함침 용이성을 향상시키기 위하여 적절한 수준의 보강섬유층(2a) 두께와 면밀도를 갖도록 혼성 니들매트(A)를 구성한다.In the manufacturing process of Figure 1 is inserted into the thermoplastic resin film (4a) between the reinforcing fiber layer (6a) to form a multi-layer and needling (needling) to obtain an integrated hybrid needle mat (A) as an intermediate material, after this In order to improve the ease of impregnation of the thermoplastic resin during the thermocompression of the manufacturing process of 2, the hybrid needle mat A is configured to have an appropriate level of thickness and surface density of the reinforcing fiber layer 2a.

도 1을 참조하면, 본 발명의 혼성 니들매트(A)를 구성하는 보강섬유층(2a)의 재질로는 유리섬유, 카본섬유, 아라미드섬유, 천연섬유 등이 있으며 그중 유리섬유가 가장 바람직하다. Referring to Figure 1, the material of the reinforcing fiber layer (2a) constituting the hybrid needle mat (A) of the present invention include glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, natural fiber and the like, of which glass fiber is most preferred.

본 발명에 따라 니들매트(A)에 보강섬유층(6a)과 열가소성 수지필름(4a)을 다층으로 교대 적층 형성하기 위해, 그 바람직한 일 예로서 보강섬유층(6a) 형성 개수만큼의 분쇄기(6)와, 보강섬유층(6a) 사이에 삽입되는 갯수 만큼의 열가소성수지필름 공급롤(4)을 구비한다. In order to alternately form the reinforcing fiber layer 6a and the thermoplastic resin film 4a in multiple layers on the needle mat A according to the present invention, as many preferable mills as many as the number of forming the reinforcing fiber layer 6a and And the number of thermoplastic resin film feed rolls 4 inserted between the reinforcing fiber layers 6a.

본 발명에서 사용하는 열가소성 수지필름(4a)은 용융지수 10이하의 고점도 열가소성수지를 사용하여서 제조된 가요성(flexible) 있는 고상 필름이며, 도 2의 제조과정에서 열압착성형시 용융될 것이다. The thermoplastic resin film 4a used in the present invention is a flexible solid film manufactured using a high viscosity thermoplastic resin having a melt index of 10 or less, and will be melted during thermocompression molding in the manufacturing process of FIG. 2.

다수 열가소성수지필름 공급롤(4)로부터 열가소성 수지필름(4a)이 제공되어 이송벨트(8)에 포개져서 얹혀지고, 열가소성수지필름 공급롤(4) 사이에는 분쇄기(6)가 위치한다. 로빙(roving)형태의 보강섬유 다발(2)이 상기의 분쇄기(6)에서 정해진 길이로 절단되고 가급적 고르게 분산되면서 이송벨트(8)로 낙하된다.  The thermoplastic resin film 4a is provided from the plurality of thermoplastic resin film feed rolls 4 and is superimposed on the conveying belt 8, and the grinder 6 is positioned between the thermoplastic resin film feed rolls 4. A reinforcing fiber bundle 2 in the form of a roving is cut to the predetermined length in the grinder 6 and distributed to the conveying belt 8 while being evenly distributed.

그러므로 이송벨트(8)상에는 열가소성 수지필름(4a)과 보강섬유층(6a)이 교대로 적층되어서 다층을 형성하고 그 상태로 벨트이송되어서 니들링 장치부(8)로 공급되고, 니들링 장치부(8)에 의한 니들링(niddling)이 이루어지면서 도 3과 같은 하나의 혼성 니들매트(A)를 형성한다. Therefore, the thermoplastic resin film 4a and the reinforcing fiber layer 6a are alternately laminated on the conveyance belt 8 to form a multilayer, and the belt is conveyed in the state to be supplied to the needling device portion 8, and the needling device portion ( The needling (niddling) by 8) is formed to form one hybrid needle mat (A) as shown in FIG.

즉 본 발명의 혼성 니들매트(A)는 열가소성 수지필름(4a)을 보강섬유층(6a) 사이에 삽입하여 다층으로 형성하고 니들링을 수행하여 보강섬유층(6a)과 열가소성 수지필름(4a)을 일체화한 것으로, 함침 용이성을 향상하기 위한 방법으로 하기 [수학식 1]에 기재된 다르시의 법칙(Darcy Law)을 이용한 함침두께 h에 근거하여 함침에 적절한 보강섬유층(6a)의 두께를 규정한다.That is, the hybrid needle mat (A) of the present invention is formed by inserting the thermoplastic resin film (4a) between the reinforcing fiber layer (6a) to form a multi-layer and needling to integrate the reinforcing fiber layer (6a) and the thermoplastic resin film (4a) In order to improve the ease of impregnation, the thickness of the reinforcing fiber layer 6a suitable for impregnation is defined based on the impregnation thickness h using the Darcy Law described in [Equation 1].

하기 수학식 1이 『다르시의 법칙(Darch Law)』이다.Equation 1 below is "Darch Law".

Figure 112012022169771-pat00001
Figure 112012022169771-pat00001

여기서, v = 체적유동률(volumetric flux) 또는 겉보기 속도(superficial velocity)[m/s], K = 섬유조직의 용융수지 투과계수[m2], ΔP = 섬유를 통과시 받은 압력[Pa],

Figure 112012022169771-pat00002
= 열가소성수지의 점도[Pa.s], h = 보강섬유층이 요구하는 함침두께.Where v = volumetric flux or superficial velocity [m / s], K = melt permeation coefficient of the fiber tissue [m 2 ], ΔP = pressure received through the fiber [Pa],
Figure 112012022169771-pat00002
= Viscosity of thermoplastic resin [Pa.s], h = impregnation thickness required by the reinforcing fiber layer.

수학식 1에 있는 보강섬유층(6a)의 용융수지 투과계수(K)는 하기 수학식 2에 나타난 코즈니-칼만 방정식(Kozeny-Carman equation)을 이용하여 구할 수 있다. The melt resin transmission coefficient K of the reinforcing fiber layer 6a in Equation 1 may be obtained using the Kozeny-Carman equation shown in Equation 2 below.

Figure 112012022169771-pat00003
Figure 112012022169771-pat00003

여기서, d = 섬유사의 직경, e = 섬유매트의 공극률 또는 다공도.
Where d = diameter of the fiber yarn, e = porosity or porosity of the fiber mat.

수학식 1의 다르시의 법칙과 같이, 함침의 용이성을 나타내는 용융 수지의 겉보기속도(v)는 열가소성수지의 점도(

Figure 112012022169771-pat00004
)와 보강섬유층(6a)이 요구하는 함침 두께(h)와 함께 반비례 관계에 있음을 알 수 있고, 아울러 도 2의 제조공정에서의 열압착 성형시 프레스(16)에 의해 가해지는 압력(ΔP)에는 정비례 관계임을 알 수 있다. As with Darcy's law of Equation 1, the apparent velocity v of the molten resin showing the ease of impregnation is the viscosity of the thermoplastic resin (
Figure 112012022169771-pat00004
) And the reinforcing fiber layer 6a are in inverse relationship with the required impregnation thickness h, and the pressure ΔP applied by the press 16 during thermocompression molding in the manufacturing process of FIG. 2. It can be seen that the relationship is directly proportional.

본 발명에서는 열가소성수지의 점도(

Figure 112012022169771-pat00005
)와 프레스에 의해 가해지는 압력(ΔP)은 일정한 값으로 하고, 니들매트(A)를 구성하는 열가소성 수지필름(4a)을 보강섬유층(6a) 사이에 삽입하여 보강섬유층(6a)에 함침가능한 보강섬유층(6a)의 두께(h)를 조절함으로써 함침의 용이성을 향상시킬 수 있다. In the present invention, the viscosity of the thermoplastic resin (
Figure 112012022169771-pat00005
) And the pressure ΔP applied by the press is a constant value, and the reinforcing fiber impregnated into the reinforcing fiber layer 6a by inserting the thermoplastic resin film 4a constituting the needle mat A between the reinforcing fiber layers 6a. The ease of impregnation can be improved by adjusting the thickness h of the fiber layer 6a.

또 보강섬유층(6a)의 함량(무게비)이 증가할수록, 코즈니-칼만 방정식(Kozeny Carman Equation)에 나타난 K값이 작아진다. K값이 작아지는 만큼 함침의 용이성을 나타내는 겉보기속도(v)가 떨어지므로 보강섬유층(6a)의 완전한 함침을 위해서는 혼성 니들매트(A)를 구성하는 보강섬유층(6a)의 면밀도를 그에 상응하는 만큼 작게 해야 한다. In addition, as the content (weight ratio) of the reinforcing fiber layer 6a increases, the K value shown in the Kozeny-Carman Equation decreases. As the K value decreases, the apparent velocity (v), which indicates the ease of impregnation, decreases, so that the surface density of the reinforcing fiber layer 6a constituting the hybrid needle mat A is increased by the corresponding amount for complete impregnation of the reinforcing fiber layer 6a. It should be small.

도 1에서 혼성 니들매트(A)를 구성함에 있어, 도 1과 같이 다수의 열가소성수지필름 공급롤(4)과 분쇄기(6)를 이용하여 열가소성 수지필름(4a)과 보강섬유층(6a)을 구성하였지만, 한 장의 열가소성 수지필름(4a)을 지그재그로 적층시켜며 그 사이에 보강섬유층(6a)을 삽입하는 방식으로 구현할 수도 있다. In FIG. 1, in the hybrid needle mat A, a thermoplastic resin film 4a and a reinforcing fiber layer 6a are formed using a plurality of thermoplastic resin feed rolls 4 and a mill 6 as shown in FIG. 1. However, one thermoplastic resin film 4a may be stacked in a zigzag manner, and the reinforcing fiber layer 6a may be inserted therebetween.

또 열가소성 수지필름(4a)의 적층방식이 보강섬유층(6a)과 항상 교호적으로 이루어지는 것이 아니라 랜덤(random)하게 적층될 수도 있음이 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하여질 것이다.
It will also be apparent to those skilled in the art that the lamination method of the thermoplastic resin film 4a is not always alternate with the reinforcing fiber layer 6a but may be laminated randomly.

상기와 같이 중간재로 제조된 혼성 니들매트(A) 다수가 도 2에 도시된 더블벨트 프레스(Double Belt Press)(16)를 이용한 열가소성 복합재 시트(C)의 제조공정에 이용되며, 혼성 니들매트(A)를 하나 이상으로 적층한 도 4와 같은 예비형성물(B)의 상태로 더블벨트 프레스(16)에 공급된다.Many of the hybrid needle mat (A) made of the intermediate material as described above is used in the manufacturing process of the thermoplastic composite sheet (C) using the double belt press (Double Belt Press) 16 shown in Figure 2, A) is supplied to the double belt press 16 in the state of the preform (B) as shown in FIG.

고온(예컨대 200~300℃) 및 고압이 가해지는 더블벨트 프레스(16)의 전단부인 가열압착부(18)에서 각 혼성 니들매트(A)내에 교대로 다층 삽입된 열가소성 수지필름(4a)이 용융되어서 혼성 니들매트(A)의 각 보강섬유층(6a)으로 침투되는 고른 함침이 이루어지고, 후단부인 냉각압착부(20)에서는 냉각에 의한 고화가 이루어져 최종적으로는 도 5와 같은 판상형태의 복합재 시트(C)가 얻어진다. 즉 다층 형성된 열가소성 수지필름(4a)의 수지가 용융되어 골고루 힘침된 다수의 압착 보강섬유층(4b)이 일체화된 복합재 시트(C)가 얻어지는 것이다.
The thermoplastic resin film 4a alternately inserted into each of the hybrid needle mats A is melted at the hot pressing portion 18, which is the front end portion of the double belt press 16 to which high temperature (for example, 200 to 300 ° C) and high pressure is applied. Evenly impregnated to penetrate each of the reinforcing fiber layer 6a of the hybrid needle mat (A), the cooling crimping unit 20, which is the rear end is solidified by cooling to finally form a composite sheet of the plate shape as shown in FIG. (C) is obtained. That is, the composite sheet C in which the plurality of crimped reinforcing fiber layers 4b in which the resin of the thermoplastic resin film 4a formed in multiple layers is melted and evenly impregnated is integrated is obtained.

본원 발명자는 함침의 용이성을 확인하기 위해 PP(polypropylene)/GF(glass fiber) 40wt.% 장섬유보강 복합재를 제조하는 것을 기준으로 아래와 같은 실험 예를 마련하였다. 이때 보강섬유인 유리섬유(GF)의 부피비는 18.6%이며, 보강섬유의 직경이 17㎛일 때, 섬유간 거리는 18㎛가 된다. 열가소성 수지필름(4)으로서 사용된 폴리프로필렌(PP)은 용융지수 10이하의 고점도 수지를 사용하여 제조된 특정 두께의 필름이다. 본원 발명자는 함침 용이성을 평가하기 위해 함침 전/후의 면밀도 변화를 비교하였다.
In order to confirm the ease of impregnation, the inventors prepared the following experimental examples based on the preparation of 40 wt.% Long fiber reinforced composites made of PP (polypropylene) / GF (glass fiber). At this time, the volume ratio of the glass fiber (GF) as the reinforcing fiber is 18.6%, when the diameter of the reinforcing fiber is 17㎛, the distance between the fibers is 18㎛. Polypropylene (PP) used as the thermoplastic resin film 4 is a film of a specific thickness manufactured using a high viscosity resin having a melt index of 10 or less. The inventors compared the surface density change before and after impregnation to evaluate the ease of impregnation.

(실험예 1): 면밀도 100 g/m(Experimental example 1): Surface density 100 g / m 22 의 보강섬유 니들매트 사용Reinforcing fiber needle mat

함침용이성을 확인하기 위한 실험 예1로서 면밀도 100 g/m2인 보강섬유 니들매트(needle mat) 8개의 층과 열가소성수지인 폴리프로필렌 필름 9개의 층을 교대로 적층하여서 혼성 니들매트를 구성하였다. 실험예 1에서 열가소성수지가 매트를 구성하는 보강섬유층에 완전히 함침되기 위해서는 다르시의 법칙에 근거한 이론적으로 3개의 보강섬유층을 통과하여야 하는데, 함침 전/후의 면밀도 변화를 측정한 결과, 용융된 수지가 모든 보강섬유층을 통과한 것으로 분석되었다.
As Experimental Example 1 for confirming the ease of impregnation, a hybrid needle mat was formed by alternately stacking eight layers of a reinforcing fiber needle mat having a surface density of 100 g / m 2 and nine layers of a polypropylene film of thermoplastic resin. In Experimental Example 1, in order for the thermoplastic resin to be completely impregnated in the reinforcing fiber layer constituting the mat, theoretically, three layers of reinforcing fiber should be passed through the Darcy's law. It was analyzed to pass through the reinforcing fiber layer.

(실험예 2): 면밀도 400 g/mExperimental Example 2 Surface Density 400 g / m 22 의 보강섬유 니들매트 사용Reinforcing fiber needle mat

함침용이성을 확인하기 위한 실험예2로서 면밀도 400 g/m2인 보강섬유 니들매트 2개의 층과 열가소성수지인 폴리프로필렌 필름 3개의 층을 교대로 적층하여 구성하였으며, 실험예 2에서 열가소성수지가 매트에 완전히 함침되기 위해서는 이론적으로 각각 12개의 보강섬유 층을 통과하여야 한다. 실험자가 함침 전/후의 면밀도 변화를 측정한 결과, 용융된 수지가 보강섬유 층을 통과하지 못하고 평면방향으로 흘러 스퀴즈 아웃(spqueeze out)된 비율이 6.9%로 분석되었다.
As Experimental Example 2 for confirming the ease of impregnation, two layers of a reinforcing fiber needle mat having a surface density of 400 g / m 2 and three layers of a polypropylene film of thermoplastic resin were alternately laminated, and in Experimental Example 2, the thermoplastic resin mat In order to be fully impregnated, the theoretically must pass through twelve layers of reinforcing fibers each. When the experimenter measured the surface density change before and after the impregnation, the molten resin did not pass through the reinforcing fiber layer and flowed in the planar direction, and the rate of squeeze out was analyzed as 6.9%.

(실시예 3): 면밀도 800 g/m(Example 3): surface density 800 g / m 22 의 보강섬유 니들매트 사용Reinforcing fiber needle mat

함침용이성을 확인하기 위한 실험예3으로서 면밀도 400 g/m2인 보강섬유 니들매트 2개의 층에 열가소성수지인 폴리프로필렌 필름 1개의 층을 삽입하여 구성하였다. 이는 실험예 2와 상관 비교하여 볼 때 면밀도 800 g/m2을 사용한 것과 동일한 효과를 나타내는 것이며, 완전한 함침을 위해서는 각각 24개의 보강섬유 층을 통과하여야 하는 것이다. 실험자가 함침 전/후의 면밀도 변화를 측정한 결과, 용융된 수지가 함침을 위해 보강섬유 층을 통과하지 못하고 평면방향으로 흘러 스퀴즈 아웃(Squeeze Out)된 비율이 9.7%로 분석되었다.
As Experimental Example 3 for confirming the ease of impregnation, one layer of a thermoplastic resin polypropylene film was inserted into two layers of a reinforcing fiber needle mat having a surface density of 400 g / m 2 . This shows the same effect as using the surface density 800 g / m 2 when compared to the correlation with Experimental Example 2, each must pass through 24 layers of reinforcing fibers for complete impregnation. As a result of measuring the surface density change before and after the impregnation, the rate of squeeze out of the molten resin through the reinforcing fiber layer and squeezed out was analyzed as 9.7% for impregnation.

상기의 실험예들을 통해, 17㎛ 직경의 보강섬유를 사용한 PP/GF 40wt.% 장섬유보강 열가소성 복합재료의 경우, 보강섬유 니들매트는 적어도 면밀도 400 g/m2 이하의 것을 사용하고, 열가소성 수지필름과 교대로 적층하고 니들링(Needling)을 수행하여 일체화한 혼성 매트를 통해, 약 10개 수준의 보강섬유 층을 통과하도록 설계함으로써 비교적 완전한 함침이 가능한 것이다. Through the above experimental examples, in the case of PP / GF 40wt.% Long fiber reinforced thermoplastic composite material using a reinforcing fiber having a diameter of 17 μm, the reinforcing fiber needle mat is a thermoplastic resin having a surface density of at least 400 g / m 2 or less. A relatively complete impregnation is possible by passing through about 10 levels of reinforcing fiber layers through a hybrid mat integrated by laminating alternately with a film and performing needling.

보다 바람직하게는 상기의 실시예 1과 같은 보강섬유층(6a)의 면밀도 100 g/m2을 사용하여 약 3개 수준의 보강섬유층(6a)을 통과하도록 설계하는 것이 유리하다. More preferably, it is advantageous to design to pass about three levels of reinforcing fiber layer 6a by using a surface density of 100 g / m 2 of the reinforcing fiber layer 6a as in Example 1 above.

통상의 보강섬유로만 니들매트를 구성할 경우에는 니들매트의 면밀도 1,000 g/m2을 갖는 것이 일반적인데, 본 발명의 보강섬유층(6a)의 바람직한 면밀도는 통상의 보강섬유보다는 상대적으로 적은 값이 된다.
When the needle mat is composed only of ordinary reinforcing fibers, it is common to have a surface density of 1,000 g / m 2 of the needle mat, and the preferable surface density of the reinforcing fiber layer 6a of the present invention is relatively smaller than that of the conventional reinforcing fibers. .

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the described embodiments, but should be determined by the scope of claims and equivalents thereof.

(2)-- 보강섬유다발 (4)-- 열가소성수지필름 공급롤
(4a)-- 열가소성 수지필름 (6)-- 분쇄기
(6a)-- 보강섬유층 (8)-- 이송벨트
(10)-- 니들링 장치부 (12)-- 혼성니들매트롤
(16)-- 더블벨트 프레스 (18)-- 가열 압착부
(20)-- 냉각 압착부
(2)-Reinforcing fiber bundle (4)-Thermoplastic film feed roll
(4a)-thermoplastic film (6)-grinder
(6a)-reinforcing fiber layer (8)-conveying belt
(10)-Needling Device Part (12)-Mixed Needle Matrol
(16)-Double Belt Press (18)-Heating Crimp
(20)-cooling crimp

Claims (7)

열가소성 복합재 제조방법에 있어서,
용융지수 10 이하의 고점도 열가소성수지로 제조된 고상 필름이 채택된 다수 열가소성 수지필름 사이에 유리섬유, 카본섬유, 아라미드섬유, 천연섬유 중의 하나를 분쇄한 보강섬유층을 위치시켜 다층으로 형성하고 니들링을 수행하여 일체화한 혼성 니들매트를 중간재로서 얻는 과정과,
상기 혼성 니들매트 둘 이상을 적층하여 예비형성물을 얻는 과정과,
상기 예비형성물을 더블 벨트 프레스에 공급하여 가열 및 가압 후 냉각함으로써 보강섬유층 내부에 열가소성 수지필름이 함침 및 고화된 열가소성 복합재 시트를 얻는 과정으로 이루어지며,
상기 예비형성물의 내부 중앙은 더블 벨트 프레스에 공급 전 한 쌍의 열가소성 수지필름이 접촉한 상태임을 특징으로 하는 함침이 용이한 열가소성 복합재 제조방법.
In the thermoplastic composite manufacturing method,
Between multiple thermoplastic resin films adopting a high viscosity thermoplastic resin with a melting index of 10 or less, a reinforcing fiber layer obtained by pulverizing one of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, and natural fibers is formed in multiple layers, and needling is performed. The process of obtaining an integrated composite needle mat as an intermediate material,
Stacking two or more of the hybrid needle mats to obtain a preform,
The preform is supplied to a double belt press to be heated and pressurized and then cooled to obtain a thermoplastic composite sheet impregnated and solidified with a thermoplastic resin film in the reinforcing fiber layer.
The inner center of the preform is easy to impregnate thermoplastic composite manufacturing method, characterized in that a pair of thermoplastic resin film contacted before supplying the double belt press.
제1항에 있어서, 상기 보강섬유층의 두께는 수학식 1의 함침두께(h)를 이용하여서 구해지며,
Figure 112013070555932-pat00011
(수학식 1)
v = 체적유동률(volumetric flux) 또는 겉보기 속도(superficial velocity)[m/s], K = 섬유조직의 용융수지 투과계수[m2], ΔP = 섬유를 통과시 받은 압력[Pa],
Figure 112013070555932-pat00012
= 열가소성수지의 점도[Pa.s]인 것을 특징으로 하는 함침이 용이한 열가소성 복합재 제조방법.
According to claim 1, wherein the thickness of the reinforcing fiber layer is obtained by using the impregnation thickness (h) of the equation (1),
Figure 112013070555932-pat00011
(1)
v = volumetric flux or superficial velocity [m / s], K = melt permeation coefficient of the fiber tissue [m 2 ], ΔP = pressure received through the fiber [Pa],
Figure 112013070555932-pat00012
= Easy to impregnate thermoplastic composite, characterized in that the viscosity of the thermoplastic resin [Pa.s].
제2항에 있어서, 상기 용융수지 투과계수(K)는 수학식 2를 이용하여 구해지며,
Figure 112013070555932-pat00013
(수학식 2)
d = 섬유사의 직경, e = 섬유매트의 공극률 또는 다공도인 것을 특징으로 하는 함침이 용이한 열가소성 복합재 제조방법.
The molten resin permeability coefficient (K) is obtained by using Equation 2,
Figure 112013070555932-pat00013
(2)
d = diameter of the fiber yarn, e = porosity or porosity of the fiber mat, easy impregnated thermoplastic composite manufacturing method.
제3항에 있어서, 상기 혼성 니들매트를 구성하는 보강섬유층의 면밀도는 400 g/m2 이하로 형성함을 특징으로 하는 함침이 용이한 열가소성 복합재 제조방법.
The method of claim 3, wherein the surface density of the reinforcing fiber layer constituting the hybrid needle mat is formed to be 400 g / m 2 or less.
용융지수 10 이하의 고점도 열가소성수지로 제조된 고상 필름이 채택된 다수 열가소성 수지필름 사이에 유리섬유, 카본섬유, 아라미드섬유, 천연섬유 중의 하나를 분쇄한 보강섬유층을 위치시켜 다층으로 형성하고 니들링을 수행하여 일체화한 혼성 니들매트 다수를 적층하여 예비형성물을 얻은 후, 상기 예비형성물을 더블 벨트 프레스에 공급하여 가열 및 가압 후 냉각함으로써 보강섬유층 내부에 열가소성 수지필름이 함침 및 고화된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 함침이 용이한 열가소성 복합재.
Between multiple thermoplastic resin films adopting a high viscosity thermoplastic resin with a melting index of 10 or less, a reinforcing fiber layer obtained by pulverizing one of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, and natural fibers is formed in multiple layers, and needling is performed. After carrying out lamination of a plurality of integrated needle mats integrated to obtain a preform, the preform is supplied to a double belt press to be heated, pressurized and cooled to maintain the impregnated and solidified state of the thermoplastic resin film in the reinforcing fiber layer. Easily impregnated thermoplastic composite, characterized in that.
제5항에 있어서, 상기 보강섬유층의 두께는 수학식 1의 함침두께(h)를 이용하여서 구해지며,
Figure 112013070555932-pat00014
(수학식 1)
v = 체적유동률(volumetric flux) 또는 겉보기 속도(superficial velocity)[m/s], K = 섬유조직의 용융수지 투과계수[m2], ΔP = 섬유를 통과시 받은 압력[Pa],
Figure 112013070555932-pat00015
= 열가소성수지의 점도[Pa.s]인 것을 특징으로 하는 함침이 용이한 열가소성 복합재.
According to claim 5, The thickness of the reinforcing fiber layer is obtained by using the impregnation thickness (h) of Equation 1,
Figure 112013070555932-pat00014
(1)
v = volumetric flux or superficial velocity [m / s], K = melt permeation coefficient of the fiber tissue [m 2 ], ΔP = pressure received through the fiber [Pa],
Figure 112013070555932-pat00015
= Easily impregnated thermoplastic composite, characterized in that the viscosity [Pa.s] of the thermoplastic resin.
제6항에 있어서, 상기 용융수지 투과계수(K)는 수학식 2를 이용하여 구해지며,
Figure 112013070555932-pat00016
(수학식 2)
d = 섬유사의 직경, e = 섬유매트의 공극률 또는 다공도인 것을 특징으로 하는 함침이 용이한 열가소성 복합재.
The method of claim 6, wherein the molten resin transmission coefficient (K) is obtained using Equation 2,
Figure 112013070555932-pat00016
(2)
and d is the diameter of the fiber yarn, e is the porosity or porosity of the fiber mat.
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