KR101516132B1 - 저압 성형에 의한 성형체 제조 방법 - Google Patents

저압 성형에 의한 성형체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 성형체 제조 방법은, 평균 섬유 길이가 5∼100㎜인 탄소섬유 다발과 열가소성 수지를 포함하는 특정한 랜덤매트를 준비하고, 이 랜덤매트를 열가소성 수지에 의해 함침하고, 금형 내에서 0.1∼20㎫의 범위로 프레스하고, 이어서 금형 내에서 꺼내는 것을 특징으로 하는 것이다. 저압으로 성형할 수 있으므로, 복잡하고 대형인 성형체를 제조할 수 있다.

Description

저압 성형에 의한 성형체 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SHAPED PRODUCT BY LOW-PRESSURE MOLDING}
본 발명은, 열가소성 수지와 탄소섬유를 포함하는 성형체 제조 방법이다. 특히 상세하게는, 압력이 낮은 프레스 성형법에 의해, 열가소성 수지와 탄소섬유를 포함하는 성형체를 제조하는 방법 및 그에 의해 얻어지는 성형체에 관한 것이다.
섬유강화 복합재료, 특히 탄소섬유를 강화섬유로서 이용한 복합재료는, 그 높은 비강도(比强度), 비강성(比剛性)을 이용하여, 경량화가 요구되고 있는 자동차 용도에의 적용이 기대되고 있다. 특히 매트릭스 수지가 열가소성인 경우는 생산성과 리사이클성의 관점에서 유망하다.
특허문헌 1에는, 특정 섬유길이의 탄소섬유에 수지를 함침시켜, 2개의 탄소섬유 단사(單絲)를 특정 범위 내에 교차하는 복합재료 전구체(前驅體, 프리프레그)를 이용하여 샌드위치 구조의 프리폼을 작성하고, 이어서 이를 프레스 성형하는 것이 기재되어 있다. 여기서, 2개의 탄소섬유 단사를 특정 범위 내에 교차하기 위해, 습식법에 의해 초지(抄紙)하는 방법이 구체 예로서 나타나 있다. 그러나 이러한 방법은 건조공정 등이 필요하고, 제조 공정상 번잡하게 되는 경우가 많다. 또한 비교적 두께가 두꺼운 프리프레그를 제작하는 것이 어렵다. 그렇게 되면 성형시에도 적층 매수가 많이 필요하고, 성형 공정도 번잡하게 된다.
특허문헌 2에는, 복수의 보강섬유 다발이, 매트릭스인 열가소성 수지 중에 랜덤하게 배치된 복합섬유 강화 보강 성형체용 시트 재료가 기재되어 있다. 여기서, 해당 보강섬유 다발은, 일정 비율로 뽑아 정리된 상태에서 해당 열가소성 수지에 의해 섬유 다발 주위를 피복하거나, 또는 섬유 다발 중에 함침된 후, 커팅되어 촙트 스트랜드(chopped strands)로 형성된다. 또한, 이 시트 재료는 형(型)에 삽입되어 열 프레스에 의해 성형되는 것이 기재되어 있다. 이 방법에서는, 섬유 다발이 열가소성 수지에 의해 피복 또는 함침된 후에 커팅되므로, 커팅된 촙트 스트랜드는 어떤 폭을 갖고 섬유 배향이 일방향에 가까워진다. 그 때문에, 촙트 스트랜드를 균일하게 분산시켜 성형체 시트로 한 경우에도 높은 등방성을 얻기 어렵다는 문제가 있다.
특허문헌 1: 일본 특개 2010-235779호 공보 특허문헌 2: 일본 특개평 10-316771호 공보
본 발명의 주된 목적은, 열가소성 수지와 탄소섬유를 포함하는 성형체의 신규한 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 성형체를, 프레스 성형법을 이용하여 더 저압으로 제조하는 신규한 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 저압 성형에 의해, 대형 성형체를 용이하게 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또다른 목적은, 상기 제조 방법에 의해 제조할 수 있는 역학적 등방성이 양호한 성형체를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 이하의 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
본 발명자들은, 탄소섬유와 열가소성 수지로 이루어지는 성형체(CFRTP)를 생산성이 뛰어난 저압 성형법에 의해 제조하는 방법에 대해 예의 검토했다. 특히, 특정 길이의 촙트 스트랜드와 그 섬유 다발에 주목했다. 그 결과, 섬유 다발이 특정한 개섬도를 만족하는 매트 기재를 이용하는 것이 극히 중요하다는 지식에 기초하여 본 발명을 완성한 것이다.
본 발명에 의하면, 본 발명의 목적 및 이점은,
[1] 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 성형체를 제조하는 방법에 있어서,
(1) 평균 섬유 길이 5∼100㎜의 탄소섬유 다발과 열가소성 수지를 포함하는 랜덤매트를 준비하는 공정,
(2) 해당 랜덤매트를 금형 내에 배치하기 전 또는 후에, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상에서부터 분해 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상에서부터 분해 온도 미만으로 가열 및 가압하여 해당 열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시키는 공정,
(3) 해당 함침된 랜덤매트를, 금형 내에서 압력이 0.1∼20㎫의 범위에서 가압하여 성형하는 공정, 및
(4) 얻어진 성형체를 금형에서 꺼내는(取出) 공정,
을 포함하고, 상기 (1)∼(4)의 각 공정을 이 순서로 행하고, 또, 상기 랜덤매트는, 탄소섬유가 25∼10000g/㎡인 단위면적당 중량으로, 그리고 실질적으로 면내 방향에 랜덤하게 배향해 있고, 탄소섬유 다발은, 아래 식 (1)에서 정의되는 임계단사수 이상이 집속하여 있는 탄소섬유 다발(A)과 임계단사수 미만의 탄소섬유(B)를 포함하여 이루어지며, 탄소섬유 다발(A)은, 해당 랜덤매트의 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만의 범위인 것을 특징으로 하는 성형체 제조 방법,
임계단사수=600/D (1)
(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
에 의해 달성된다.
또한, 본 발명은 이하의 발명도 포함한다.
[2] 공정 (1)은,
(1-1) 탄소섬유를 커팅한 후 개섬시키는 공정을 포함하는, 상기 [1]의 성형체 제조 방법.
[3] 상기 (3)공정에서, 압력이 0.5∼10㎫ 범위인 상기 [1], [2]의 성형체 제조 방법.
[4] 압력이 0.5∼5㎫ 범위인 상기 [3]의 성형체 제조 방법.
[5] (2-1) 상기 (2) 공정에서, 해당 랜덤매트를 금형 내에 배치하기 전에, 가온 및 가압하여 해당 열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시키는 공정, 및
(3-1) 상기 (3) 공정에서, 해당 함침된 랜덤매트를 금형 내에 배치하고, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 결정화 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 온도 조절된 금형에서 가압 성형하는 공정,
을 포함하는, 상기 [1]∼[4]의 성형체 제조 방법.
[6] (3-2) 상기 (3-1) 공정에서, 가압하기 전에, 슬라이드 하강속도 50∼10000㎜/sec으로 금형을 클램핑하는, 상기 [5]의 성형체 제조 방법.
[7] (2-2) 상기 (2) 공정에서, 해당 랜덤매트를 금형 내에 배치한 후에, 해당 금형을, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상에서부터 분해 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상에서부터 분해 온도 미만으로 승온하여 해당 랜덤매트를 가열하고 가압하여 해당 열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시키는 공정,
을 포함하고, 또 해당 (2-2) 공정에 이어서 상기 (3) 공정을 행하는, 상기 [1]∼[4]의 성형체 제조 방법.
[8] 랜덤매트에 있어서의 탄소섬유와 열가소성 수지의 존재비가, 탄소섬유 100중량부에 대해 열가소성 수지 50∼1000중량부인 상기 [1]∼[7]의 성형체 제조 방법.
[9] 랜덤매트에 있어서의 탄소섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 아래 식 (2)를 만족하는 상기 [1]∼[8]의 성형체 제조 방법.
0.7×104/D2<N<1×105/D2 (2)
(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
[10] 탄소섬유 다발(A)은, 해당 랜덤매트의 섬유 전량에 대한 비율이 30Vol% 이상 90Vol% 미만의 범위인, 상기 [1]∼[9]의 성형체 제조 방법.
[11] 임의의 방향 및 이와 직교하는 방향에 대한 인장탄성률이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Eδ)가 1.0 이상 1.4를 초과하지 않는 범위인, 상기 [1]∼[10]의 제조 방법에 의해 얻어지는 성형체.
[12] 임의의 방향 및 이와 직각의 각도를 이루는 방향으로 시험편을 잘라내어, 섬유 체적 함유율(Vf)이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Vfs)가 1.0∼1.2의 범위인 상기 [1]∼[10]의 제조 방법에 의해 얻어지는 성형체.
도 1은 실시예 1∼5, 비교예 1 및 참고예 1에서 사용한 금형의 평면도이다.
도 2는 실시예 6, 7에서 사용한 금형의 평면도이다.
도 3은 실시예 1∼5, 비교예 1 및 참고예 1에서 얻어진 성형체의 인장시험편의 잘라낸 위치를 나타내는 모식도이다.
도 4는 실시예 1∼5, 비교예 1 및 참고예 1에서 얻어진 성형체의 Vf 측정 위치를 나타내는 모식도이다.
도 5는 실시예 6, 7에서 얻어진 성형체의 Vf 측정 위치를 나타내는 모식도이다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.
본 발명은, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 성형체를 제조하는 방법에 있어서, 아래(1)∼(4)
(1) 평균 섬유 길이 5∼100㎜의 탄소섬유 다발과 열가소성 수지를 포함하는 랜덤매트를 준비하는 공정,
(2) 해당 랜덤매트를 금형 내에 배치하기 전 또는 후에, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상에서부터 분해 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상에서부터 분해 온도 미만으로 가온 및 가압하여 해당 열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시키는 공정,
(3) 해당 함침된 랜덤매트를, 금형 내에서 압력이 0.1∼20㎫인 범위에서 가압하여 성형하는 공정,
(4) 얻어진 성형체를 금형에서 꺼내는 공정,
의 각 공정을 이 순서로 행하는 것이다. 이하, 각 공정에 대해 순서대로 설명한다.
[랜덤매트를 준비하는 공정 (1)]
본 발명에 있어서의 랜덤매트를 구성하는 탄소섬유는, 연속섬유가 아니라, 평균 섬유 길이 5∼100㎜의 탄소섬유 다발을 포함하는 불연속인 것이다.
탄소섬유 다발의 평균 섬유 길이는 5∼100㎜이다. 후술하는 랜덤매트의 바람직한 제조 방법에 의해, 특정한 개섬도를 만족하는 랜덤매트를 얻고, 이러한 특정 평균 섬유 길이를 갖는 탄소섬유 다발을 포함한 섬유 강화 복합 재료로 이루어지는 성형체를 제공할 수 있다. 이 성형체는, 정적인 강도 및 강성뿐만 아니라, 충격적인 하중이나 장기 피로 하중에 대해서도 높은 물성을 발현한다. 또한 본 발명의 제조 방법에 의하면, 복잡한 형상을 갖는 성형체를 성형하는 경우에 있어서도, 탄소섬유의 랜덤한 배향이 흐트러지기 어렵다. 따라서, 성형체 대부분의 부분에 있어서 탄소섬유는 면내 방향에 관해 2차원적으로 등방성인 랜덤한 배향을 유지하는 것이 가능해진다.
탄소섬유 다발의 평균 섬유 길이는 10∼100㎜가 바람직하고, 15∼100㎜가 더 바람직하며, 15∼80㎜가 더욱 바람직하다. 탄소섬유 다발의 평균 섬유 길이는 20∼60㎜인 것이 가장 바람직하다. 여기서, 랜덤매트에 포함되는 탄소섬유(다발)의 평균 섬유 길이란, 예를 들면, 무작위로 추출한 탄소섬유 100개의 길이를, 확대경을 이용하여 1㎜ 단위까지 측정하고 기록했다. 얻어진 모든 탄소섬유의 길이(Li)로부터, 아래 식에 의해 평균 섬유 길이를 구할 수 있다.
또한, 성형체에 포함되는 탄소섬유는, 500℃×1시간 정도, 로 내에서 수지를 제거한 후, 무작위로 추출한 탄소섬유 100개의 길이를, 확대경을 이용하여 1㎜ 단위까지 측정하고 기록했다. 얻어진 모든 탄소섬유의 길이(Li)로부터, 다음 식에 의해 평균 섬유 길이를 구할 수 있다.
평균 섬유 길이 = Σ Li/100
본 발명에 있어서의 탄소섬유 다발은, 그 평균 섬유 길이가 상기 범위이면, 섬유 길이가 단지 하나의 것이어도 좋고, 섬유 길이가 복수인 섬유가 포함되어 있어도 좋다. 물론, 섬유 길이에 분포가 있어도 좋다. 분포의 피크는 2 이상 있어도 좋다.
상기 랜덤매트를 구성하는 탄소섬유는, 상기 탄소섬유 다발 외에, 단사 상태 또는 임계단사수 미만의 탄소섬유 다발 또는 이들 양쪽이 존재한다. 이들을 탄소섬유(B)라 하고, 임계단사수 이상의 탄소섬유 다발을 (A)라 한다.
구체적으로는, 아래 식 (1)에서 정의되는 임계단사수 이상이 집속하여 있는 탄소섬유 다발(A) 및 탄소섬유(B)로서 임계단사수 미만의 탄소섬유 다발(B1)과 탄소섬유단사(B2) 중 적어도 한쪽이 혼재해 있다.
임계단사수=600/D (1)
여기서, 해당 강화섬유 다발(A)은, 랜덤매트를 구성하는 탄소섬유의 전량(탄소섬유 다발(A)과 탄소섬유(B)의 합계)을 기준으로 하여 그 체적 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만의 범위이다. 그리고 탄소섬유 다발(B1)과 탄소섬유단사(B2)의 합계인 탄소섬유(B)는, 해당 랜덤매트를 구성하는 탄소섬유의 전량을 기준으로 하여 그 체적 비율이 1Vol% 초과 80Vol% 이하의 범위이다. 이와 같이, 본 발명은, 탄소섬유 다발의 개섬 정도가 조절된 특정 개수 이상의 탄소섬유로 이루어지는 탄소섬유 다발(A)과, 그 이외의 탄소섬유(B)를 1Vol% 초과 80Vol% 이하의 비율로 포함하는 것을 특징으로 한다. 탄소섬유 전량에 대한 탄소섬유 다발(A)의 비율이 20Vol% 미만이 되면, 표면 품위가 뛰어난 성형체가 얻어진다는 이점은 있지만, 랜덤매트를 성형할 때에 형 내에서 탄소섬유를 유동시키기 어려워진다. 이 때문에, 금형 캐비티 단부까지 탄소섬유를 충전할 수 없어, 설계 치수대로의 성형체를 얻는 것이 곤란해진다. 탄소섬유 다발(A)의 비율이 99Vol% 이상이 되면, 탄소섬유의 교락부가 국부적으로 두꺼워져, 등방성이 얻어지기 어려워진다. 바꿔 말하면, 탄소섬유(B)를 1Vol% 초과 80Vol% 이하의 비율로 포함함으로써, 기계 물성이 양호하고 등방성인 성형체가 얻어진다. 그리고 박육화에 대응할 수 있는 성형성이 양호한 성형체를 제조할 수 있다.
상기 탄소섬유 다발(A)은, 랜덤매트를 구성하는 탄소섬유의 전량에 대한 비율의 하한치가, 바람직하게는 30vol%, 더 바람직하게는 50vol%이다. 또한 상한치는, 바람직하게는 90vol%, 더 바람직하게는 70vol%이다. 탄소섬유 다발(A)의 바람직한 범위로서는, 30Vol% 이상 90Vol% 미만이다.
상기 탄소섬유(B)는, 탄소섬유 다발의 적어도 일부가 완전히 개섬되어 단사가 된 상태의 것(B2) 및 임계단사수 미만의 다발에서 불완전하게 또는 부분적으로 개섬된 상태의 것(B1)을 함유하여 이루어진다. 탄소섬유 다발(B1)과 탄소섬유 단사(B2)의 비율로서는, 탄소섬유 다발(B1)과 탄소섬유 단사(B2)의 체적 합계를 기준으로 하여, 탄소섬유 다발(B1)이 바람직하게는 1∼99%, 더 바람직하게는 20∼70%의 범위이다.
또한, 탄소섬유 다발(A)의 비율은, 예를 들면, 후술하는 제조 방법에 있어서, 확폭 처리, 슬릿 처리, 커팅 공정, 개섬 공정 등의 조건을 조합하는 것에 의해 제어할 수 있다.
탄소섬유의 평균 섬유 지름으로서는 특별한 한정은 없지만, 바람직하게는 평균 섬유 지름은 3∼12㎛이고, 더 바람직하게는 5∼9㎛이며, 더욱 바람직하게는 5∼7㎛이다.
상기 탄소섬유 다발(A)의 임계단사수에 대해, 탄소섬유의 평균 섬유 지름이 5∼7㎛인 경우, 임계단사수는 86∼120개가 된다. 임계단사수가 86개보다 작아지면, 단사 상태에 가까운 섬유 다발, 즉 (B1) 및 (B2)가 늘어나는 경향이 된다. 그렇게 되면, 랜덤매트 중에서 탄소섬유끼리의 뒤얽힘이 강해져, 성형체 제조시의 유동성이 저하할 우려가 있다. 또한, 임계단사수가 120개보다 많아지면, 탄소섬유끼리의 뒤얽힘이 약해져, 제조시의 유동성은 향상되지만 탄소섬유의 배향이 일어나기 쉬워진다. 그 때문에, 얻어지는 성형체는 이방성을 발생하는 경우가 있다.
탄소섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는, 아래 식 (2)를 만족하는 것이 바람직하다.
0.7×104/D2<N<1×105/D2 (2)
(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
탄소섬유의 평균 섬유 지름이 5㎛인 경우, 섬유다발 중의 평균 섬유 수는 280∼4000개의 범위가 되는데, 외관이나 등방성을 유지하기 쉬운 등의 이유에 의해, 그 중에서도 600∼1600개인 것이 바람직하다. 탄소섬유의 평균 섬유 지름이 7㎛인 경우, 섬유 다발 중의 평균 섬유 수는 142∼2040개의 범위가 되는데, 외관이나 등방성을 유지하기 쉬운 등의 이유에 의해, 그 중에서도 300∼800개인 것이 바람직하다.
상기 식 (2)에서, 탄소섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 0.7×104/D2 이하인 경우, 전체로서 높은 섬유 체적 함유율(Vf)의 성형체를 얻는 것이 곤란해진다. 또한 탄소섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 1×105/D2 이상인 경우, 성형체 중에 국부적으로 두꺼운 부분이 발생하여, 보이드의 원인이 되기 쉽다. 탄소섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)는, 아래 식 (2-1)을 만족하는 것이 더 바람직하다.
0.7×104/D2<N<6×104/D2 (2-1)
예를 들면, 1㎜ 이하의 얇은 성형체를 얻으려고 한 경우, 단순히 분섬한 정도의 탄소섬유를 이용한 것에서는, 소밀이 커, 양호한 물성이 얻어지지 않는다. 또한, 모든 섬유를 개섬한 경우에는, 더 얇은 것을 얻는 것은 용이하게 되지만, 섬유의 교락이 많아져, 섬유 체적 함유율이 높은 것이 얻어지지 않는다. 상기 식 (1)에서 정의되는 임계단사수 이상의 탄소섬유 다발(A)과, 탄소섬유 단사 상태(B2) 또는 임계단사수 미만의 탄소섬유(B1) 또는 그 양쪽을 랜덤매트 내에 동시에 존재시키는 것에 의해, 박육으로, 물성 발현율이 높은 성형체를 실현하는 것이 가능하다.
랜덤매트의 두께로서는 특별히 제한은 없지만, 0.5㎜ 이상의 것을 이용할 수 있다. 해당 랜덤매트에 의해 박육의 성형체를 얻는다는 본 발명의 효과를 발휘하는 점에서는, 두께는 바람직하게는 1∼100㎜, 더 바람직하게는 2∼50㎜ 범위이다. 또한, 랜덤매트는 복수매를 적층하여 다음 공정에 사용할 수도 있다.
본 발명에 이용하는 랜덤매트에 있어서의 탄소섬유의 단위면적당 중량은, 25∼10000g/㎡의 범위이다. 단위면적당 중량이 25g/㎡ 미만인 경우에는, 랜덤매트 중에서 탄소섬유의 분포가 불균일하게 되기 쉬워, 충분한 보강 효과가 발현하지 않는 경우가 있다. 한편, 10000g/㎡을 초과하는 경우에는, 탄소섬유가 너무 많기 때문에 프리프레그 제작시에 열가소성 수지가 함침되기 어려워, 성형체 중에서 결점이 되는 보이드가 발생하기 쉬운 경향이 된다. 또한, 열가소성 수지와 비교해서 탄소섬유는 비중이 크기 때문에, 성형체가 무거워진다. 단위면적당 중량은, 바람직하게는 25∼6000g/㎡의 범위이며, 더 바람직하게는 25∼3000g/㎡의 범위이다.
본 발명에 있어서의 랜덤매트는, 그 면내 방향에 탄소섬유가 실질적으로 무질서하게 랜덤하게 배향하여 있는 것으로, 특정 방향으로 섬유가 배향하여 있지 않다. 즉, 탄소섬유는 면내 방향에 제멋대로의 방향으로 배치되어 있다. 그리고 해당 랜덤매트를 성형하여 최종적으로 얻어진 성형체는 2차원적으로 등방성이 유지된다.
상기 랜덤매트 중에는, 상술한 탄소섬유 외에, 본 발명의 목적을 훼손하지 않는 범위라면(예를 들면, 탄소섬유 전량의 30% 이하의 범위에서), 유리섬유, 스테인리스 섬유, 알루미나 섬유, 광물 섬유 등의 무기 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에테르술폰 섬유, 아라미드 섬유, 폴리벤조옥사졸 섬유, 폴리아릴레이트 섬유, 폴리케톤 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리비닐알코올 섬유 등의 유기 섬유를 포함해도 좋다.
본 발명에 있어서의 랜덤매트에는, 상기 탄소섬유 다발 외에, 열가소성 수지가 포함된다. 여기서, 열가소성 수지의 종류로서는, 예를 들면, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지 등의 폴리올레핀, 폴리아미드6 수지, 폴리아미드11 수지, 폴리아미드12 수지, 폴리아미드46 수지, 폴리아미드66 수지, 폴리아미드610 수지 등의 폴리아미드, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프타레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아릴레이트 수지 등의 방향족 폴리에스테르, 폴리유산 수지 등의 지방족 폴리에스테르, 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 초산비닐 수지, 폴리비닐알코올 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴스티렌 수지(AS수지), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌 수지(ABS수지), 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌설파이드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지를 들 수 있다. 이들 수지는 2종류 이상 병용해도 좋다.
이들 중에서, 성형성, 생산성, 기계적 강도의 점에서, 폴리올레핀, 폴리아미드, 방향족 폴리에스테르가 성능 밸런스가 양호하여 바람직하다.
상기 랜덤매트에 있어서의 열가소성 수지의 존재량은, 탄소섬유 다발(A)과 탄소섬유(B)의 합계를 기준으로 하여 100중량부에 대해, 바람직하게는 50∼1000중량부, 더 바람직하게는 50∼500중량부이다. 더욱 바람직하게는, 합계 100중량부에 대해, 열가소성 수지 60∼300중량부이다. 100중량부에 대한 열가소성 수지의 비율이 50중량부보다 적으면 얻어지는 성형체 중에 보이드가 발생하기 쉬워져, 강도나 강성이 낮아지는 경우가 있다. 또한, 열가소성 수지의 비율이 1000중량부보다 많아지면 탄소섬유를 함유하는 것에 의한 보강 효과가 발현하기 어렵다.
섬유 체적 함유율(Vf)로 나타내면, 상기 랜덤매트 및 본 발명에 의해 얻어지는 성형체에 있어서, 성형체의 체적(탄소섬유 전체+열가소성 수지)을 기준으로 하여, 섬유 체적 함유율은 바람직하게는 5∼80% 범위이고, 더 바람직하게는 20∼60%의 범위이다. 탄소섬유의 섬유 체적 함유율이 5%보다 낮아지면, 함유하는 것에 의한 보강 효과가 충분히 발현하지 않는 경우가 있다. 또한, 80%를 초과하면 성형체 중에 보이드가 발생하기 쉬워져, 성형체의 물성이 저하하는 경우가 있다.
또한, 랜덤매트에는, 본 발명의 목적을 훼손하지 않는 범위에서, 기능성 충전재나 첨가제가 함유되어도 좋다. 예를 들면, 유기/무기 필러, 난연제, 내(耐)UV제, 안료, 이형제, 연화제, 가소제, 계면활성제 등을 들 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 특히 전자·전기 기기 용도나 자동차 용도에서는, 높은 난연성이 요구되는 경우가 있기 때문에, 열가소성 수지에 난연제를 함유시키는 것이 바람직하다. 난연제의 예로서는, 공지의 것을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 인계 난연제, 질소계 난연제, 실리콘 화합물, 유기알칼리 금속염, 유기알칼리토류 금속염, 브롬계 난연제 등을 들 수 있다. 이들 난연제는 단독으로 사용해도 좋고, 복수를 병용하여 사용해도 좋다. 난연제의 함유량은, 물성, 성형성, 난연성의 밸런스로부터 수지 100중량부에 대해 1∼40중량부로 하는 것이 바람직하며, 1∼20중량부로 하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 이용되는 랜덤매트는, 각종 두께로 하는 것이 가능하지만, 이를 프리프레그로서 이용하여, 최종적으로 두께가 0.2∼1㎜ 정도의 얇은 성형체를 바람직하게 얻을 수 있다. 즉, 목적으로 하는 성형체의 두께에 맞춘 랜덤매트를 제작하는 것에 의해, 특히 샌드위치재(材)의 표피 등, 얇은 성형체를 얻을 수 있다.
랜덤매트 중의 탄소섬유와 열가소성 수지의 비율은, 랜덤매트 제조시의 각 성분의 주입량에 의해 규정할 수 있다. 그러나 섬유와 수지의 비율을 더 정확히 평가하고 싶은 경우에는, 다음의 방법으로 확인할 수 있다. 예를 들면, 구성성분의 용해성의 차이를 이용한 방법으로서, 1㎠으로부터 10㎠의 시료 중량을 칭량한다. 섬유 또는 수지의 어느 한쪽을 용해, 또는 분해하는 약품을 사용하여 용해 성분을 추출한다. 다음으로, 잔사(殘渣)를 세정 및 건조 후에 칭량한다. 잔사와 용해 성분의 중량 및 섬유와 수지의 비중으로부터, 섬유와 수지의 체적 분율(分率)을 산출한다. 예를 들면, 수지로서 폴리프로필렌을 이용한 경우, 가열한 톨루엔 또는 크실렌을 이용하는 것에 의해, 폴리프로필렌만을 용해할 수 있다. 수지가 폴리아미드인 경우는, 가열한 개미산(formic acid)에 의해 폴리아미드를 분해할 수 있다. 수지가 폴리카보네이트인 경우에는 가열한 염소화 탄화수소를 이용하는 것에 의해, 폴리카보네이트를 용해할 수 있다. 또한, 수지를 연소 제거하는 것에 의해서도 각각의 중량 및 체적 분율을 산출할 수 있다. 이 경우, 잘 건조시킨 시료의 중량을 칭량 후, 전기로 등을 이용하여 500∼700℃에서 5∼60분 처리하여 수지 성분을 연소한다. 건조 분위기에서 잔류한 섬유를 방냉(放冷) 후, 칭량하는 것에 의해 각 성분의 중량을 산출할 수 있다.
본 발명에 있어서의 랜덤매트의 제조 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 섬유상 또는 입자상의 열가소성 수지 또는 그 양쪽을 탄소섬유와 혼합하여 존재시키도록 제조해도 좋고, 매트릭스 수지 성분을 포함하지 않은 랜덤매트에 용융 상태의 열가소성 수지를 공급하여 제조해도 좋다.
이하에, 랜덤매트의 바람직한 제조 방법에 대해 상술한다. 랜덤매트의 제조 방법으로서는, 바람직하게는, 이하의 (I), (III), (IV), (V) 또는 (V')의 각 공정을 실시하는 방법을 들 수 있고, 더욱 바람직하게는 (I)과 (III) 공정 사이에, (II) 공정을 실시하는 방법을 들 수 있다. 이들 공정을 순차적으로 실시하는 것에 의해, 특히 양호한 등방성을 갖는 랜덤매트, 나아가 랜덤매트로부터 성형체를 제조할 수 있다.
(I) 탄소섬유 스트랜드 공급 공정
탄소섬유 스트랜드 공급 공정에서는, 크릴부에 배치된 복수의 탄소섬유 권사체(券絲體)로부터, 탄소섬유 각각의 실을 인출하여, 단독의 실로 이루어지거나 또는 단사를 복수개 가지런히 하여 이루어지는 탄소섬유 스트랜드로서 공급한다. 이때, 스트랜드 폭은 10∼50㎜(특히 20∼30㎜)의 범위로 하는 것이 바람직하다. 공급되는 탄소섬유의 스트랜드 폭이 작은 경우에는, 필요에 따라, 그 스트랜드 공급 공정에서 소정 폭까지 확폭하여, 얇은 광폭의 스트랜드로서 공급해도 좋다. 이 확폭 조작은, 예를 들면, 스트랜드를 확폭용 롤러나 바 등과 접촉시키는 것에 의해 행할 수 있다.
(II) 스트랜드 슬릿 공정
스트랜드 슬릿 공정에서는, 공급된 탄소섬유 스트랜드를, 바람직하게는 스트랜드 길이 방향과 평행하게(즉, 섬유축 방향을 따라) 연속적으로 슬릿하여, 스트랜드 폭이 0.05∼5㎜, 바람직하게는 0.1∼1.0㎜인 복수개의 좁은 폭의 스트랜드로 한다. 구체적으로는, 앞 공정으로부터 연속적으로 이송되어 오는 광폭의 스트랜드를, 섬유축 방향과 평행한 칼날을 갖는 종(縱) 슬릿 장치(슬리터)를 이용하여 종방향으로 연속적으로 커팅하거나, 광폭 스트랜드의 주행로에 1개 또는 복수 개의 분할 가이드를 두어, 그에 의해 스트랜드를 복수 개로 분할하는 것 등에 의해 실시할 수 있다. 이 공정에서는, 라인 상에 확폭용 가이드나 바 등을 설치하여, 탄소섬유를 확폭 처리하면서 슬릿을 가해도 좋다.
(III) 탄소섬유 커팅 공정
다음으로, 탄소섬유 커팅 공정에서, 슬릿 처리를 행하지 않은 스트랜드, 또는 상기와 같이 슬릿한 좁은 폭의 탄소섬유 스트랜드를, 평균 섬유 길이 5∼100㎜로 커팅(절단)한다.
탄소섬유를 평균 섬유 길이 5∼100㎜로 커팅할 때에 사용하는 장치로서는, 로터리 커터가 바람직하다. 또한 로터리 커터 중에서도, 특정 각도를 갖는 나선상 나이프를 구비한 것이 바람직하다. 탄소섬유를 연속적으로 커팅하기 위한 나이프 각도는, 사용하는 탄소섬유의 폭과, 커팅한 후의 평균 섬유 길이에 의해 기하학적으로 계산할 수 있으며, 그들 관계는, 탄소섬유의 평균 섬유 길이(칼날의 피치)=탄소섬유 스트랜드 폭×tan(90-θ)의 조건을 만족시키도록 하는 것이 바람직하다.(여기서, θ는 둘레 방향과 나이프의 배치 방향이 이루는 각이다.)
예를 들면, 섬유 방향에 교차하는 나이프와 섬유축 방향과 평행한 나이프를 갖는 커터를 이용하면, 섬유 다발을 종 방향으로 슬릿함과 동시에 특정 섬유 길이로 커팅할 수 있어, 이와 같은 커터를 사용하면, 스트랜드 슬릿 공정(II)과 탄소섬유 커팅(III)을 동시에 실시할 수 있다.
(IV) 탄소섬유 개섬 공정
탄소섬유 개섬 공정에서는, 그 스트랜드편(片)을 소망하는 사이즈(집속 개수)의 섬유 다발로 분할하도록 개섬한다. 예를 들면, 기체(氣體)에 의한 개섬 방법이나 슬릿에 의한 개섬 방법을 들 수 있다.
구체적으로는, 기체에 의한 개섬 방법에서는, 스트랜드편을 경로 내에 도입하여, 그 경로를 통과하는 스트랜드편에 공기 등의 기체를 분사하는 것에 의해, 그 스트랜드편을 소망하는 집속 사이즈로 분리시킴과 아울러 기체 중에 분산시킨다. 개섬 정도에 대해서는, 분사하는 기체의 압력 등에 의해 적절히 제어할 수 있다. 슬릿에 의한 개섬 방법으로는, 상기한 (II) 스트랜드 슬릿 공정과 마찬가지의 조작으로 스트랜드 폭을 조정함으로써 개섬 정도를 적절히 제어할 수 있다.
이 탄소섬유 개섬 공정에서는, 스트랜드편을 구성하는 모든 섬유를 따로따로 분리시켜 완전히 단사상으로 될 때까지 분리하도록 개섬하는 것이 아니라, 일부는 단사상 또는 그에 가까운 상태까지 개섬되지만, 많은 부분은 단사의 일정 개수 이상이 집속한 섬유 다발이 되도록 조정할 필요가 있다. 즉, 개섬 정도를, 상기 식 (1)에서 정의되는 임계단사수 이상으로 이루어지는 탄소섬유 다발(A)과 임계단사수 미만으로 이루어지는 탄소섬유(B)의 비율, 나아가, 바람직하게는 탄소섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)를 만족시키도록 할 필요가 있다.
(V) 랜덤매트 형성 공정
랜덤매트 형성 공정에서는, 우선, 커팅하여 개섬시킨 탄소섬유를 공기 중에 확산시킨다. 그와 동시에, 분립체상 또는 단섬유상의 열가소성 수지(이하, 이들을 「열가소성 수지 입자 등」으로 총칭한다)를 공급하여, 탄소섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께 개섬 장치 아래쪽에 설치한 통기성 지지체 상에 살포한다. 이에 의해, 그 지지체 상에서 탄소섬유와 열가소성 수지 입자 등이 혼재하는 상태를 형성하고, 소정의 두께가 되도록 퇴적·정착시켜 랜덤매트를 형성시킨다.
랜덤매트 형성 공정에서는, 바람직하게는, 기체로 개섬한 탄소섬유와는 다른 경로로부터 열가소성 수지 입자 등을 공급하고, 이들을 동시에 통기성 지지체 상을 향하여 살포한다. 양자는 거의 균일하게 혼합된 상태로 통기성 지지체 상에 매트상으로 퇴적되어, 그 상태로 정착시킨다. 이때, 통기성 지지체를 네트로 이루어지는 컨베이어로 구성하여, 일 방향으로 연속적으로 이동시키면서 그 위에 퇴적시키도록 하면, 연속적으로 랜덤매트를 형성할 수 있다. 또한, 지지체를 전후 좌우로 이동시키는 것에 의해, 균일한 퇴적을 실현할 수 있다.
랜덤매트 형성 공정에서는, 탄소섬유 및 열가소성 수지 입자 등은, 면내 방향에 랜덤하게 배향하도록 살포되는 것이 바람직하다. 개섬한 탄소섬유를 2차원적으로 배향시키면서 도포하기 위해서는, 하류측으로 확대한 원추형 등의 테이퍼 관을 이용하는 것이 바람직하다. 이 테이퍼 관 내에서는, 탄소섬유에 분사한 기체가 확산하여 관 내의 유속이 감속하기 때문에, 탄소섬유에 회전력이 부여된다. 이 벤튜리 효과를 이용함으로써, 개섬한 탄소섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께 균등하게 얼룩 없이 살포할 수 있다. 또한, 후술하는 정착 공정을 위해서도, 아래쪽에 흡인기구를 가진 가동식의 통기 지지체(네트 컨베이어 등) 상에 살포하여, 랜덤매트상으로 퇴적시키는 것이 바람직하다.
랜덤매트 형성 공정에는, 탄소섬유 및 열가소성 수지를 정착시키는 공정을 포함한다. 정착시키는 공정이란, 퇴적한 탄소섬유 및 열가소성 수지 입자 등을 정착시키는 공정이다. 예를 들면, 통기성 지지체의 하부로부터 에어를 흡인하여 탄소섬유를 정착시키는 방법을 들 수 있다. 탄소섬유와 동시에 살포된 열가소성 수지는, 섬유상이면 에어 흡인에 의해, 입자상이어도 탄소섬유에 동반하여 정착할 수 있다.
이와 같이 퇴적면의 하부로부터 흡인하는 것에 의해, 2차원적으로 랜덤하게 배향한 매트를 얻을 수 있다. 이렇게 하여 얻어지는 랜덤매트는, 이를 구성하는 탄소섬유의 간극이나 근방에 열가소성 수지 입자 등이 균일하게 존재함으로써, 후술하는 가열 함침 가압 공정(공정 (2))에서, 수지의 이동 거리가 짧아, 비교적 단시간에 수지의 함침이 가능해진다.
또한, 통기성 지지체를 구성하는 시트 또는 네트 등의 틈새가 커, 열가소성 수지 입자 등의 일부가 지지체를 통과하여 퇴적하지 않는 경우에는, 지지체의 표면에 부직포 등을 세팅하여, 해당 부직포 상에 탄소섬유 및 열가소성 수지 입자 등을 분사하여 정착시키는 것도 가능하다.
탄소섬유 스트랜드를 일정한 길이로 커팅한 후, 그 스트랜드편 및 커팅시에 단사 상태로 분리한 탄소섬유를 흡입 반송하는 수송 경로에 공급한다. 동시에 또는 이어서, 그 수송 경로의 도중 또는 종단부에 설치한 기체 분사 노즐로부터 탄소섬유에 기체를 분사하여, 절단한 스트랜드편을 소망하는 사이즈(굵기)의 탄소섬유 다발로 분리·개섬시킨다. 이와 동시에, 그 탄소섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께, 일정 방향으로 연속적 또는 간헐적으로 이동하는 통기성 지지체(이하 「정착 네트」라고 하는 경우가 있다)의 표면을 향해 분사하여, 퇴적하고 정착시키는 것에 의해 랜덤매트를 형성하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 랜덤매트에는 탄소섬유와 분립체상 또는 섬유상 또는 그 양쪽인 열가소성 수지가, 얼룩 없이 혼합하여 존재한다. 그 때문에, 형 내에서 섬유와 수지를 크게 유동시킬 필요가 없고, 열가소성 수지를 용이하게 함침할 수 있다는 이점이 있다. 그 결과, 얻어지는 성형체에 있어서도, 랜덤매트 중의 탄소섬유의 등방성을 유지하는 것이 가능해진다.
(V') 랜덤매트 형성 공정 (그의 2)
또한 다른 랜덤매트 형성 공정으로서는, 우선, 매트릭스 수지를 포함하지 않는 이외는 상기 (V)의 랜덤매트 형성 공정과 마찬가지로 탄소섬유로 구성되는 랜덤매트를 얻는다. 이어서, 이에 용융 상태의 열가소성 수지를 공급하여, 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 랜덤매트를 얻는 방법을 들 수 있다. 이러한 방법으로서는, 예를 들면, 탄소섬유 개섬 공정(IV)에서 얻어지는 개섬된 탄소섬유 스트랜드를 매트상으로 퇴적시킴과 아울러, 위쪽에 설치한 다이로부터 용융 상태의 열가소성 수지를 막상(膜狀) 용융체로서 토출시킨다. 그리고 퇴적한 매트상에 그 열가소성 수지를 공급하여, 매트의 거의 전면(全面)에 함침시킬 수 있다.
이 방법에 있어서, 탄소섬유 스트랜드를 매트상으로 퇴적시키는 바람직한 방법은, 상기 (V)에 기재된 바와 같다. 열가소성 수지의 공급량에 대해서도 상기 (V)와 마찬가지이지만, 다이로부터 압출하는 용융 상태의 열가소성 수지의 양, 구체적으로는 다이로부터 막상으로 공급하는 경우에는 막의 두께 및 압출 속도 등에 대해서는 적절히 조정하면 좋다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 이용하는 랜덤매트에 포함되는 탄소섬유는, 커팅되어 매트상으로 성형시킨 후에, 열가소성 수지에 의한 함침 공정에 주어진다.
[열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시키는 공정 (2)]
상기 공정 (1)을 거쳐, 열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시키는 공정 (2)(이하, 함침 공정 (2)이라고 하는 경우가 있다)을 행한다.
여기서, 함침 공정 (2)으로서는 2가지 방법이 있다. 즉, (2-1) 상기 랜덤매트에 열가소성 수지를 공급하여 함침시키고 나서 해당 금형에 넣는 방법(콜드 프레스 법)과, (2-2) 해당 금형에 랜덤매트를 넣고, 그 후에 금형 내에 열가소성 수지를 공급하여 함침시키는 방법(핫 프레스 법)이다.
우선, (2-1) 공정에 대해 설명한다.
이 콜드 프레스 공정에서는, 우선, 랜덤매트 및 열가소성 수지를 가열하여, 이 열가소성 수지를 랜덤매트 중에 충분히 함침시킨다. 가열시의 온도로서는, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상에서부터 분해 온도 미만이며, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상에서부터 분해 온도 미만이다. 가열된 열가소성 수지는, 필요에 따라 가압을 하여 랜덤매트 내에 침투하여, 탄소섬유 다발 내부에 함침된다. 본 발명의 특징의 하나로서 탄소섬유 다발이 특정 길이이고 또 특정량 함유하는 탄소섬유 다발(A)이 존재하기 때문에, 탄소섬유 다발의 두께 방향으로 열가소성 수지가 충분히 퍼진다. 가압할 때의 압력으로서는, 예를 들면, 0.1∼5.0㎫의 범위에서 행할 수 있다.
이와 같이 열가소성 수지가 랜덤매트에 함침되어 프리프레그를 얻는다. 얻어진 프리프레그는, (i) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도로 유지하거나, 또는 재가열한 후, (ii) 열가소성 수지가 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도로 유지하거나, 또는 재가열한 후, 다음 공정 (3)을 행하기 위한 금형 내에 배치된다. 프리프레그의 온도는 예를 들면 프리프레그 표면에 K타입의 열전대를 부착하여 가열로 바깥에 설치한 계측기에 의해 측정을 행할 수 있다.
프리프레그에 있어서의 탄소섬유의 형태는 랜덤매트 중에 있어서의 상태를 유지하고 있다. 즉, 프리프레그 중의 탄소섬유는 랜덤매트에 있어서의 섬유 길이나 등방성, 개섬 정도를 유지하고 있어, 상기 랜덤매트에 기재한 것과 마찬가지이다.
다음으로, (2-2) 공정에 대해 설명한다.
이 핫 프레스 공정에서는, 우선, 해당 랜덤매트를 금형 내에 넣는다. 이어서, 해당 금형을, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상에서부터 분해 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상에서부터 분해 온도 미만으로 승온하여, 열가소성 수지와 랜덤매트 모두를 가열한다. 가열된 열가소성 수지는, 바람직하게는 가압을 하여 랜덤매트 내에 침투하여, 탄소섬유 다발 내에 함침된다. 본 발명의 특징의 하나로서 탄소섬유 다발이 특정 길이이고 또 특정량 함유하는 탄소섬유 다발(A)이 존재하기 때문에, 탄소섬유 다발의 두께 방향으로 열가소성 수지가 충분히 퍼진다. 가압할 때의 압력으로서는, 예를 들면, 0.1∼5.0㎫의 범위에서 행하는 것이 좋다. 여기서는, 다음 공정 (3)에서 행해지는 압력(0.1∼20㎫)보다 낮은 압력으로, 바람직하게는 0.5∼20분 유지하여, 열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시킨다. 열가소성 수지가 결정성인 경우는 열가소성 수지의 융점 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 열가소성 수지의 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 미만의 온도까지 랜덤매트를 가온한다. 다음 공정 (3)으로 넘어가는 동안의 시간은 성형기의 성능에 의해 적절히 선택할 수 있지만, 성형하는 시간을 단축하기 위해, 1∼100초인 것이 바람직하다.
[가압하여 성형하는 공정 (3)]
상기 콜드 프레스 공정 (2-1)을 거쳐 얻어진 프리프레그는, 이 공정 (3)에서, 금형 내에 배치되어 특정 온도 및 압력으로 프레스 성형에 제공된다. 여기서 프레스 성형시의 금형 온도로서는, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만(바람직하게는 결정화 온도 이하), 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만이 좋다. 이러한 비교적 저온에서 가열 조절되는 것에 의해, 프레스 성형의 성형 시간과 성형체의 취출 시간이 짧아져, 생산성이 양호하다. 금형 온도는, 바람직하게는 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점―10℃ 이하(바람직하게는 결정화 온도―10℃ 이하), 비결정성인 경우는 유리 전이 온도―10℃ 이하로 조정한다.
이 공정에서는, 프레스할 때의 슬라이드 하강속도가 50∼10000㎜/sec 범위로 클램핑을 행하는 것이 바람직하며, 100∼1000㎜/sec인 것이 더 바람직하다. 가온한 프리프레그는 온도가 내려가면 고화(固化)하기 때문에 클램핑 속도는 빠른 것이 좋지만, 지나치게 너무 빠르면 금형의 내구성이나 안전성에 문제가 생긴다. 프리프레그를 목표 압력까지 가압할 때에 목표 압력에 이르기까지의 시간은 0.01∼10초인 것이 바람직하다.
목표 압력은 0.1∼20㎫, 바람직하게는 0.5∼10㎫, 더 바람직하게는 0.5∼5㎫이다. 압력의 상한치는 낮은 편이 좋은데, 3㎫ 미만이 이상적이다. 목표 압력이 0.1㎫ 미만이면 충분한 유동이 이루어지지 않아 성형체의 형상이 얻어지지 않는 경우가 있다. 20㎫ 초과이면 대형 성형체를 성형하는 경우에 성형기나 유틸리티 설비의 용량이 커져 버린다. 본 발명에서는, 상기한 특정 탄소섬유 다발(A)과 탄소섬유(B)를 포함함으로써, 섬유의 배향을 유지한 상태, 요컨대 등방성을 유지한 상태로 프레스 시에 충분한 유동성을 가지므로, 복잡한 형상이나 대형인 성형체를 제조할 수 있다.
또한, 금형 내에서의 프리프레그의 두께로서는, 얻으려고 하는 성형체의 형상의 두께에 맞춰 적절하게 선택할 수 있다. 다만, 후술하는 금형에의 프리프레그 충전율이 50% 이상 80% 이하인 때는, 유동을 적절히 행하기 위해, 프리프레그의 두께 또는 프리프레그를 적층한 두께의 합이 1.0㎜ 이상인 것이 바람직하다.
상기 핫 프레스 공정 (2-2)을 거친 경우에는, 이 공정 (3)에서, 상기한 바와 같이, 바람직하게는 0.1∼5.0㎫ 범위에서 가압한 후, 이어서 금형 내에서 함침된 랜덤매트를, 0.1∼20㎫ 범위의 압력으로 프레스 성형한다. 여기서 금형 온도는, 앞 공정 (2-2)에서의 금형 온도와 같아도, 1℃ 이상 열 분해 온도 미만까지 승온시켜도 좋다. 또, 프레스는 1단 가압이어도 다단 가압이어도 좋다. 다단 가압인 경우는 후단일수록 승온시켜도 또는 냉각시켜도 좋고, 승온과 냉각을 번갈아 해도 좋다.
상기 공정 (3)에서의 프리프레그 또는 상기 공정 (2)에서의 랜덤매트를, 금형 내에 배치할 때, 아래 식 (3)으로 나타내는 충전율이 50% 이상 100% 이하로 하는 것이 바람직하다.
충전율(%)=100×기재 면적(m㎡)/금형 캐비티 투영면적(m㎡) (3)
(여기서 기재 면적이란 배치한 모든 프리프레그의 빼기(draft) 방향에의 투영면적이며, 금형 캐비티 투영면적이란 빼기(draft) 방향에의 투영면적이다)
예를 들면, 1매 또는 2∼10매의 중첩한 프리프레그를 금형 캐비티에 배치할 수 있다. 중첩하는 경우, 얻으려고 하는 성형체에 따라 일부, 또는 전체를 중첩하여 이용한다. 여기서 프리프레그 단부(端部)의 일부 또는 모든 면이, 금형 캐비티 엣지부와 접하지 않는 것이 바람직하다. 또한 중첩하는 경우, 프리프레그는 모두 동일한 형상일 필요는 없고, 각각 일부 또는 전부가 중첩되면 좋다.
[금형으로부터 꺼내는 공정 (4)]
이 공정 (4)는, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만(바람직하게는 결정화 온도 미만), 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 금형 온도를 조절하는 것에 의해, 성형을 완결시키는 공정이다. 구체적으로는, 금형과의 열 교환에 의해, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 결정화 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만까지 냉각된 후에 형을 열어, 성형체를 꺼낸다. 금형 온도는, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점(바람직하게는 결정화 온도)―200℃ 이상 융점(바람직하게는 결정화 온도)―10℃ 이하, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도―200℃ 이상 유리 전이 온도―10℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 금형 온도는 40∼180℃가 바람직하고, 60∼160℃가 더 바람직하다. 금형 온도가 40℃보다 낮으면 금형 내의 온도가 급속하게 냉각하여, 소망하는 성형체가 얻어지지 않는 경우가 있다. 금형 온도가 180℃을 초과하면 탈형(脫型)하는 성형체의 온도가 지나치게 높아, 이형 후에 휨이나 변형을 생기게 하는 경우가 있다. 금형의 냉각 방법에는 특별히 한정은 없으며, 금형 내 온도 조절 회로에 냉각 매체를 흘리는 등의 방법에 의해 적절하게 냉각하면 좋다.
또한, 핫 프레스 공정을 행한 경우에는, 콜드 프레스 공정을 행한 경우에 비해 냉각 공정에 필요한 시간이 걸리는 경우가 있는데, 냉각 조건 등에 의해 적절히 제어할 수 있다. 그 냉각 시간으로서는, 성형 시간 단축의 관점에서 0.1∼10분인 것이 바람직하다.
[본 발명에서 얻어지는 성형체]
본 발명에 있어서의 성형체는, 상술한 바와 같이, 상기한 랜덤매트로 구성되는 섬유 강화 복합 재료를 성형함으로써 얻을 수 있다. 이 복합 재료에 있어서, 탄소섬유의 섬유 다발 내 및 단사 사이에는 열가소성 수지가 충분히 함침하고 있으며, 그 함침도는 90% 이상인 것이 바람직하다. 탄소섬유에의 열가소성 수지의 함침도는 95% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 함침도가 낮으면 성형체의 물성이 요구되는 수준에 도달하지 않는 경우가 있다. 섬유 강화 복합 재료로 이루어지는 성형체에 있어서도 탄소섬유의 섬유 길이 및 탄소섬유 다발과 탄소섬유 단사의 비율은 상기 랜덤매트 중에 있어서의 상태를 유지하고 있다. 또한 성형체는, 랜덤매트에 있어서의 등방성, 개섬 정도도 실질적으로 유지하고 있어, 랜덤매트에 기재한 것과 마찬가지이다.
본 발명의 성형체는, 두께가 다른 각 부위에 있어서도 섬유 체적 함유율(Vf)이 거의 동일한 것을 얻는 것도, 탄소섬유 함유량도 경사시키는 것도 가능하여, 얻으려고 하는 성형체의 용도에 맞추어 적절히 선택할 수 있다. 두께가 다른 각 부위에 있어서도 일정한 섬유 강화 효과를 실현할 목적에서, Vf는 다른 부위와 거의 동일하게 하는 것이 바람직하다. 각 부위에 있어서의 Vf가 거의 동일하다는 것은, 구체적으로는 임의의 개소(箇所)에서 시험편을 잘라내어, 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비가 1.0∼1.2인 것을 말한다.
본 발명에 있어서의 성형체는, 실질적으로 등방성이다. 여기서 등방성이란, 성형체의 임의의 방향 및 이와 직교하는 방향을 기준으로 하는 인장시험을 행하여 인장탄성률을 측정한다. 이때 측정한 인장탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)가 1.4를 초과하지 않는 것을 말한다. 바람직하게는 1.3 이하이다.
그러므로 본 발명에 의하면, 다음의 성형체가 포함되는 것도 용이하게 이해될 것이다. 즉,
평균 섬유 길이 5∼100㎜의 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하여 이루어지고,
탄소섬유가 25∼10000g/㎡인 단위면적당 중량으로, 그리고 실질적으로 면내 방향에 랜덤하게 배향하여 있고, 탄소섬유는, 아래 식 (1)에서 정의되는 임계단사수 이상이 집속하여 있는 탄소섬유 다발(A)과 임계단사수 미만의 탄소섬유(B)를 포함하고, 탄소섬유 다발(A)은, 해당 랜덤매트의 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만의 범위에 있으며,
탄소섬유와 열가소성 수지의 존재비가, 탄소섬유 100중량부에 대해 열가소성 수지 50∼1000중량부이며,
임의의 방향 및 이와 직교하는 방향에 대한 인장탄성률이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Eδ)가 1.0 이상 1.4를 초과하지 않는 범위에 있으며,
임의의 방향 및 이와 직각의 각도를 이루는 방향에서 시험편을 잘라내어, 섬유 체적 함유율(Vf)이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Vfs)가 1.0∼1.2의 범위인,
것을 특징으로 하는 성형체.
임계단사수=600/D (1)
(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
실시예
이하에 실시예를 나타내는데, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다.
1. 탄소섬유
본 실시예에서 이용한 탄소섬유는 이하의 2종류이다.
(1) 토호테낙스사 제 : 테낙스 STS40―24KS(섬유 지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)
(2) 토호테낙스사 제 : 테낙스 IMS60―12K(섬유 지름 5㎛, 섬유 폭 6㎜)
2. 매트릭스 수지
(1) 폴리카보네이트 수지(테이진카세이사 제의 폴리카보네이트 : 판라이트 L―1225L 유리 전이 온도 145∼150℃, 열 분해 온도 350℃)
(2) PA66 섬유(아사히카세이센이 제의 폴리아미드66 섬유 : T5나일론(섬도 1400dtex) 융점 260℃, 열 분해 온도 약 310℃)
(3) 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 수지(폴리플라스틱스사 제 : 듀라넥스 500FP 융점 220℃, 분해 온도 약 330℃)
(4) PA6 수지(유니치카사 제 A1030 융점 220℃, 분해 온도 300℃)
(5) 폴리프로필렌(PP) 수지(프라임폴리머제의 폴리프로필렌 : 프라임폴리프로 J108M 융점 170℃, 열 분해 온도 약 280℃)
3. 인장탄성률이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Eδ)의 산출
얻어진 성형체의 도 3에 나타내는 위치로부터 임의의 방향과 그와 직각의 각도를 이루는 방향으로 샘플을 잘라냈다. 이어서, 인스트론사 제의 만능시험장치를 이용하여, JIS K―7164에 따라 인장시험을 행하여, 그 결과에 기초하여 산출했다.
4. 섬유 체적 함유율(Vf)이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Vfs)의 산출
도 4, 도 5에 나타내는 성형체 중의 2개소에서 샘플을 3㎝ X 3㎝ 크기로 잘라내어, 600℃에서 15분에 걸쳐 섬유를 분리했다. 이 섬유를 이용하여, 섬유 체적 함유율(Vf)이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Vfs)를 구했다.
우선, 랜덤매트의 「제조예」를 이하에 나타낸다.
제조예 1
탄소섬유(테낙스 STS40―24KS)를 20㎜ 폭으로 확폭하면서, 섬유 길이 10㎜으로 커팅했다. 이어서, 탄소섬유의 공급량을 301g/min으로 테이퍼 관 내에 도입했다. 테이퍼 관 내에서 공기를 탄소섬유에 분사하여 소망하는 비율이 되도록 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼 관 출구의 하부에 설치한 테이블 상에 살포했다. 또한 매트릭스 수지로서, 평균 입경이 약 710㎛로 냉동 분쇄한 폴리카보네이트 수지를 480g/min으로 테이퍼 관 내에 공급하여 탄소섬유와 동시에 살포했다. 이에 의해, 평균 섬유 길이 10㎜의 탄소섬유와 폴리카보네이트가 혼합된, 두께 1㎜ 정도의 랜덤매트를 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다. 여기서, 탄소섬유(B) 중의 임계단사수 미만의 탄소섬유 다발(B1)과 탄소섬유 단사(B2)를 핀셋으로 분별하여 그들의 존재 비율(중량비)을 확인한바, 약 9 : 1의 비율이었다.
제조예 2
탄소섬유(테낙스 IMS60―12K)를 길이 20㎜로 커팅했다. 이어서, 탄소섬유의 공급량을 1222g/min으로 테이퍼 관 내에 도입했다. 테이퍼 관 내에서 공기를 탄소섬유에 분사하여 소망하는 비율이 되도록 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼 관 출구의 하부에 설치한 테이블 상에 살포했다. 또한 매트릭스 수지로서, 2㎜로 드라이 커팅한 PA66섬유를 3000g/min으로 테이퍼 관 내에 공급하여, 탄소섬유와 동시에 살포했다. 이에 의해, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소섬유와 폴리아미드66이 혼합된, 두께 10㎜ 정도의 랜덤매트를 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.
제조예 3
탄소섬유(테낙스 STS40―24KS)를 20㎜ 폭으로 확폭하면서, 섬유 길이 10㎜로 커팅했다. 이어서 탄소섬유의 공급량을 301g/min으로 테이퍼 관 내에 도입했다. 테이퍼 관 내에서 공기를 탄소섬유에 분사하여 소망하는 비율이 되도록 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼 관 출구의 하부에 설치한 테이블 상에 살포했다. 또한 매트릭스 수지로서, 평균 입자 지름을 1㎜로 한 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 수지를 480g/min으로 테이퍼 관 내에 공급하여, 탄소섬유와 동시에 살포했다. 이에 의해, 평균 섬유 길이 10㎜의 탄소섬유와 PBT가 혼합된, 두께 1㎜ 정도의 랜덤매트를 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.
제조예 4
탄소섬유(테낙스 STS40―24KS)를 20㎜ 폭으로 확폭 후, 0.3㎜ 폭으로 슬릿하면서, 섬유 길이 20㎜로 커팅했다. 커팅한 탄소섬유를 테이퍼 관에 공급했다. 테이퍼 관 내에서 공기를 탄소섬유에 분사하여 소망하는 비율이 되도록 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼 관 출구의 하부에 설치한 테이블 상에 살포해, 두께 4㎜의 매트를 제작했다. 이어서 얻어진 매트 상에, 탄소섬유의 공급량 100g/min에 대해, PA6 수지의 공급량은 300g/min으로 하여 용융한 PA6수지를 압출기로 용융하여, T―다이로부터 해당 매트의 전면(全面)에 공급했다. 그 후, 매트면 상의 수지가 공급되는 개소를 적외선 히터에 의해 가열하여, 수지의 냉각 고화를 방지하도록 했다. 이어서, 이것을 설정 온도 280℃인 1쌍의 가열 롤러에 의해 가열 가압하여, 최종적으로, 탄소섬유와 PA6로 이루어지는 수지 함침율 99%, 두께 1.0㎜, 섬유 체적 함유율 18%의 프리프레그를 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.
제조예 5
탄소섬유(테낙스 STS40―24KS)를 20㎜ 폭으로 확폭하면서, 섬유 길이 10㎜로 커팅했다. 이어서, 탄소섬유의 공급량을 301g/min으로 테이퍼 관 내에 도입했다. 테이퍼 관 내에서는 공기를 탄소섬유에 분사하지 않고, 테이퍼 관 출구의 하부에 설치한 테이블 상에 살포했다. 또한 매트릭스 수지로서, 평균 입경이 약 710㎛로 냉동 분쇄한 폴리카보네이트 수지를 480g/min으로 테이퍼 관 내에 공급하여, 탄소섬유와 동시에 살포했다. 이에 의해, 평균 섬유 길이 10㎜의 탄소섬유와 폴리카보네이트가 혼합된, 두께 1㎜ 정도의 랜덤매트를 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.
제조예 6
탄소섬유(테낙스 STS40―24KS)를 20㎜ 폭으로 확폭하면서, 섬유 길이 10㎜로 커팅했다. 이어서, 탄소섬유의 공급량을 301g/min으로 테이퍼 관 내에 도입했다. 테이퍼 관 내에서 충분히 강한 풍력의 공기를 탄소섬유에 분사하여 섬유 다발을 될 수 있는 한 개섬하면서, 테이퍼 관 출구의 하부에 설치한 테이블 상에 살포했다. 또한 매트릭스 수지로서, 평균 입경이 약 710㎛로 냉동 분쇄한 폴리카보네이트 수지를 480g/min으로 테이퍼 관 내에 공급하여, 탄소섬유와 동시에 살포했다. 이에 의해, 평균 섬유 길이 10㎜의 탄소섬유와 폴리카보네이트가 혼합된, 두께 1㎜ 정도의 랜덤매트를 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.
제조예 7
유리섬유(일본전기초자사 제 : EX―2500(평균 섬유 지름 15㎛, 섬유 폭 9㎜))를 길이 50㎜로 커팅했다. 이어서, 유리섬유의 공급량을 412g/min으로 테이퍼 관 내에 도입하고, 테이퍼 관 내에서 공기를 유리섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼 관 출구의 하부에 설치한 테이블 상에 살포했다. 또한 매트릭스 수지로서, 평균 입경이 약 1㎜로 냉동 분쇄한 폴리프로필렌(PP) 수지(프라임폴리머제의 폴리프로필렌 : 프라임폴리프로 J108M 융점 170℃, 열 분해 온도 약 280℃)를 600g/min으로 테이퍼 관 내에 공급하여, 유리섬유와 동시에 살포했다. 이에 의해, 평균 섬유 길이 50㎜의 유리섬유와 PP가 혼합된, 두께 1㎜ 정도의 랜덤매트를 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112014009720962-pct00001
탄소섬유 다발(A)의 비율1 ) : 임계단사수 이상이 집속하여 있는 탄소섬유 다발의 매트의 섬유 전량에 대한 체적 비율
탄소섬유(B)의 비율2 ) : 임계단사수 미만의 탄소섬유 다발(B1)과 탄소섬유 단사(B2)를 합친 탄소섬유의 매트의 섬유 전량에 대한 체적 비율
실시예 1
제조예 1에서 제작한 랜덤매트를, 함침용 평판 금형을 세팅한 카와사키유코제 500t 유압식 프레스기를 이용하여 300℃, 1㎫로 5분간 프레스 한 후, 50℃까지 냉각하여, 수지 함침도 99%, 두께 0.6㎜, 섬유 체적 함유율 30%의 프리프레그를 얻었다.
이어서, 얻어진 프리프레그를 NGK킬른테크제의 IR오븐을 이용하여 300℃로 가열한 것을 4매 포개어, 금형 온도를 120℃로 설정, 프리프레그의 크기 100㎝ x 120㎝로 충전율 80%가 되도록 도 1에 나타내는 금형의 중심에 배치했다. 이어서, 슬라이드 하강속도 250㎜/sec, 2.5㎫의 압력으로 60초간 프레스(콜드 프레스) 하여 성형체를 얻었다. 결과를 표 2에 나타낸다. Eδ는 1에 가까워, 등방성이 뛰어났다. 또한, Vfs도 1에 가까워, 성형체 전체에서 탄소섬유 함유율이 거의 균일하였다.
실시예 2
제조예 2에서 제작한 랜덤매트를, 함침용 평판 금형을 세팅한 카와사키유코제 500t 유압식 프레스기를 이용하여 280℃, 1㎫로 5분간 프레스한 후, 50℃까지 냉각하여, 수지 함침도 99%, 두께 3.2㎜, 섬유 체적 함유율 20%의 프리프레그를 얻었다.
이어서, 얻어진 프리프레그를 NGK킬른테크제의 IR오븐을 이용하여 280℃로 가열한 것을, 금형 온도를 100℃로 설정, 프리프레그의 크기 90㎝ x 100㎝로 충전율 60%가 되도록 도 1에 나타내는 금형의 중심에 배치했다. 이어서, 슬라이드 하강속도 250㎜/sec, 5㎫의 압력으로 60초간 프레스(콜드 프레스) 하여 성형체를 얻었다. 결과를 표 2에 나타낸다. Eδ는 1에 가까워, 등방성이 뛰어났다. 또, Vfs도 1에 가까워, 성형체 전체에서 탄소섬유 함유율이 거의 균일하였다.
실시예 3
제조예 3에서 제작한 랜덤매트를, 함침용 평판 금형을 세팅한 카와사키유코제 500t 유압식 프레스기를 이용하여 270℃, 2㎫로 5분간 프레스한 후, 50℃까지 냉각하여, 수지 함침도 99%, 두께 0.6㎜, 섬유 체적 함유율 30%의 프리프레그를 얻었다.
다음으로, 얻어진 프리프레그를 NGK킬른테크제의 IR오븐을 이용하여 300℃로 가열한 것을 4매 포개어, 금형 온도를 120℃로 설정, 프리프레그의 크기 100㎝ x 120㎝로 충전율 80%가 되도록 도 1에 나타내는 금형의 중심에 배치했다. 이어서, 슬라이드 하강속도 250㎜/sec, 2.5㎫의 압력으로 60초간 프레스(콜드 프레스) 하여 성형체를 얻었다. 결과를 표 2에 나타낸다. Eδ는 1에 가까워, 등방성이 뛰어났다. 또, Vfs도 1에 가까워, 성형체 전체에서 탄소섬유 함유율이 거의 균일하였다.
실시예 4
제조예 4에서 얻어진 프리프레그를 NGK킬른테크제의 IR오븐을 이용하여 280℃로 가열한 것을 3매 포개어, 금형 온도를 100℃로 설정, 프리프레그의 크기 100㎝ x 120㎝로 충전율 80%가 되도록 도 1에 나타내는 금형의 중심에 배치했다. 이어서, 슬라이드 하강속도 250㎜/sec, 5㎫의 압력으로 60초간 프레스(콜드 프레스) 하여 성형체를 얻었다. 결과를 표 2에 나타낸다. Eδ는 1에 가까워, 등방성이 뛰어났다. 또, Vfs도 1에 가까워 성형체 전체에서 탄소섬유 함유율이 거의 균일하였다.
실시예 5
제조예 1에서 제작한 랜덤매트를 4매 포개어, 카와사키유코제 500t 유압식 프레스기를 이용하여, 랜덤매트의 크기 100㎝ x 120㎝로 충전율 80%가 되도록 도 1에 나타내는 금형의 중심에 배치했다. 다음으로, 300℃, 1㎫로 7분간 프레스(핫 프레스)한 후, 50℃까지 냉각하여, 수지 함침도 99%, 두께 2.0㎜, 섬유 체적 함유율 30%의 성형체를 얻었다. 결과를 표 2에 나타낸다. Eδ는 1에 가까워 등방성이 뛰어났다. 또, Vfs도 1에 가까워 성형체 전체에서 탄소섬유 함유율이 거의 균일하였다.
실시예 6
제조예 1에서 제작한 랜덤매트를, 함침용 평판 금형을 세팅한 카와사키유코제 500t 유압식 프레스기를 이용하여 300℃, 1㎫로 5분간 프레스했다. 그 후, 50℃까지 냉각하여, 수지 함침도 99%, 두께 0.6㎜, 섬유 체적 함유율 30%의 프리프레그를 얻었다.
다음으로, 얻어진 프리프레그를 NGK킬른테크제의 IR오븐을 이용하여 300℃로 가열한 것을 4매 포개어, 금형 온도를 120℃로 설정, 프리프레그의 크기 31㎝ x 31㎝로 충전율 80%가 되도록 도 2에 나타내는 금형의 중심에 배치했다. 이어서, 슬라이드 하강속도 250㎜/sec, 2.5㎫의 압력으로 60초간 콜드 프레스 하여 성형체를 얻었다. 결과를 표 2에 나타낸다. Vfs는 1에 가까워, 성형체 전체에서 탄소섬유 함유율이 거의 균일하였다.
실시예 7
제조예 4에서 얻어진 프리프레그를 NGK킬른테크제의 IR오븐을 이용하여 280℃로 가열한 것을 3매 포개어, 금형 온도를 100℃로 설정, 프리프레그의 크기 100㎝ x 120㎝로 충전율 80%가 되도록 도 2에 나타내는 금형의 중심에 배치했다. 이어서, 슬라이드 하강속도 250㎜/sec, 0.8㎫의 압력으로 60초간 프레스(콜드 프레스) 하여 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는 표면성이 양호하지는 않지만, 형상은 금형대로의 치수로 성형할 수 있었다. 결과를 표 2에 나타낸다. Vfs는 1에 가까워, 성형체 전체에서 탄소섬유 함유율이 거의 균일하였다.
Figure 112014009720962-pct00002
- : 미측정
비교예 1
제조예 5에서 제작한 랜덤매트를, 함침용 평판 금형을 세팅한 카와사키유코제 500t 유압식 프레스기를 이용하여 300℃, 1㎫로 5분간 프레스한 후, 50℃까지 냉각하여, 수지 함침도 99%, 두께 0.6㎜, 섬유 체적 함유율 30%의 프리프레그를 얻었다.
다음으로, 얻어진 프리프레그를 NGK킬른테크제의 IR오븐을 이용하여 300℃로 가열한 것을 4매 포개어, 금형 온도를 120℃로 설정, 프리프레그의 크기 100㎝ x 120㎝로 충전율 80%가 되도록 도 1에 나타내는 금형의 중심에 배치했다. 이어서, 슬라이드 하강속도 250㎜/sec, 2.5㎫의 압력으로 60초간 콜드 프레스 성형을 하여 성형체를 얻었다. 결과를 표 2에 나타낸다. Eδ는 커, 역학적으로 이방성이 컸다. 또 Vfs도 1.9로, Vf의 불균일이 확인됐다. 탄소섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율이 100%로 크고, 나아가 평균 섬유 수(N)에 대해서도 15000으로 커진 것이 원인으로 생각된다.
비교예 2
제조예 6에서 제작한 랜덤매트를, 함침용 평판 금형을 세팅한 카와사키유코제 500t 유압식 프레스기를 이용하여 300℃, 1㎫로 5분간 프레스했다. 그 후, 50℃까지 냉각하여, 수지 함침도 99%, 두께 0.6㎜, 섬유 체적 함유율 30%의 프리프레그를 얻었다.
다음으로, 얻어진 프리프레그를 NGK킬른테크제의 IR오븐을 이용하여 300℃로 가열한 것을 4매 포개어, 금형 온도를 120℃로 설정, 프리프레그의 크기 100㎝ x 120㎝로 충전율 80%가 되도록 도 1에 나타내는 금형의 중심에 배치했다. 이어서, 슬라이드 하강속도 250㎜/sec, 2.5㎫의 압력으로 60초간 콜드 프레스 성형을 했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
랜덤매트의 탄소섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율이 4%로 낮았기 때문에 성형체의 4모서리 25㎝ 정도의 부분이 유동하지 않아 완전한 성형체를 얻을 수 없었다.
참고예 1
제조예 7에서 제작한 랜덤매트를, 함침용 평판 금형을 세팅한 카와사키유코제 500t 유압식 프레스기를 이용하여 220℃, 1㎫로 5분간 프레스했다. 그 후, 50℃까지 냉각하여, 수지 함침도 99%, 두께 0.6㎜, 섬유 체적 함유율 20%의 프리프레그를 얻었다.
다음으로, 얻어진 프리프레그를 NGK킬른테크제의 IR오븐을 이용하여 220℃로 가열한 것을 4매 포개어, 금형 온도를 100℃로 설정, 프리프레그의 크기 100㎝ x 120㎝로 충전율 80%가 되도록 도 1에 나타내는 금형에 배치했다. 이어서, 슬라이드 하강속도 250㎜/sec, 7㎫의 압력으로 60초간 콜드 프레스 하여 성형체를 얻었다. 결과를 표 2에 나타낸다. 이와 같이, 탄소섬유 대신에 유리섬유를 사용하면, 탄소섬유를 이용한 경우에 비해, 비교적 높은 프레스 압력을 필요로 하는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 특정 섬유 길이의 탄소섬유 다발을 포함하는 랜덤매트를 열가소성 수지에 의해 함침하고 저압에서 프레스 성형하는 것에 의해, 등방성이 양호하고, 기계 특성과 생산성이 뛰어난 성형체를 제공할 수 있다. 저압으로 성형할 수 있으므로, 형상이 복잡한 성형체나 대형인 성형체를 얻는 제조 방법으로서 유용하다.
1 금형 형상 평면도
2 B―B 단면도
3 A―A 단면도
4 성형체 평면도
5 인장시험편의 잘라낸 위치
6 Vf 측정 샘플의 잘라낸 위치

Claims (15)

  1. 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 성형체를 제조하는 방법에 있어서,
    (1) 평균 섬유 길이 5∼100㎜의 탄소섬유 다발과 열가소성 수지를 포함하는 랜덤매트를 준비하는 공정,
    (2) 해당 랜덤매트를 금형 내에 배치하기 전 또는 후에, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상에서부터 분해 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상에서부터 분해 온도 미만으로 가열 및 가압하여 해당 열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시키는 공정,
    (3) 해당 함침된 랜덤매트를, 금형 내에서 압력이 0.1∼20㎫의 범위에서 가압하여 성형하는 공정, 및
    (4) 얻어진 성형체를 금형에서 꺼내는 공정,
    을 포함하고, 상기 (1)∼(4)의 각 공정을 이 순서로 행하고, 또, 상기 랜덤매트는, 탄소섬유가 25∼10000g/㎡인 단위면적당 중량이며, 그리고 면내 방향에 랜덤하게 배향(配向)해 있고, 탄소섬유 다발은, 아래 식 (1)에서 정의되는 임계단사수 이상이 집속하여 있는 탄소섬유 다발(A)과 임계단사수 미만의 탄소섬유(B)를 포함하여 이루어지며, 탄소섬유 다발(A)은, 해당 랜덤매트의 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만의 범위인 것을 특징으로 하는 성형체 제조 방법.
    임계단사수=600/D (1)
    (여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
  2. 제1항에 있어서,
    공정 (1)은,
    (1-1) 탄소섬유를 커팅한 후 개섬(開纖)시키는 공정을 포함하는 성형체 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (3) 공정에서, 압력이 0.5∼10㎫ 범위인 성형체 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    압력이 0.5∼5㎫ 범위인 성형체 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    (2-1) 상기 (2) 공정에서, 해당 랜덤매트를 금형 내에 배치하기 전에, 가온 및 가압하여 해당 열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시키는 공정, 및
    (3-1) 상기 (3) 공정에서, 해당 함침된 랜덤매트를 금형 내에 배치하고, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 결정화 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 온도 조절된 금형에서 가압하여 성형하는 공정을 포함하는 성형체 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    (3-2) 상기 (3-1) 공정에서, 가압하기 전에, 슬라이드 하강속도 50∼10000㎜/sec로 금형을 클램핑하는 성형체 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    (2-2) 상기 (2) 공정에서, 해당 랜덤매트를 금형 내에 배치한 후에, 해당 금형을, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상에서부터 분해 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상에서부터 분해 온도 미만으로 승온하여 해당 랜덤매트를 가열하고 가압하여 해당 열가소성 수지를 탄소섬유 다발 내에 함침시키는 공정을 포함하며, 또 해당 (2-2) 공정에 이어 상기 (3) 공정을 행하는 성형체 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    랜덤매트에 있어서의 탄소섬유와 열가소성 수지의 존재비가, 탄소섬유 100중량부에 대해 열가소성 수지 50∼1000중량부인 성형체 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    랜덤매트에 있어서의 탄소섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 아래 식 (2)를 만족하는 성형체 제조 방법.
    0.7×104/D2<N<1×105/D2 (2)
    (여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
  10. 제9항에 있어서,
    탄소섬유 다발(A)은, 해당 랜덤매트의 섬유 전량에 대한 비율이 30Vol% 이상 90Vol% 미만의 범위인 성형체 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    성형체의 체적(탄소섬유 전체+열가소성 수지)을 기준으로 하여, 섬유 체적 함유율이 20∼60%인 랜덤매트를 사용하는 성형체 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    탄소섬유(B)가, 탄소섬유 다발의 적어도 일부가 완전히 개섬되어 단사가 된 상태의 것(B2), 및 임계단사수 미만의 다발에서 불완전하게 또는 부분적으로 개섬된 상태의 것(B1)을 함유하고, 탄소섬유 다발(B1)과 탄소섬유 단사(B2)의 체적 합계를 기준으로 하여, 탄소섬유 다발(B1)은 1∼99%인 성형체 제조 방법.
  13. 제3항에 있어서,
    압력이 0.5㎫ 이상 3㎫ 미만의 범위인 성형체 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 공정 (3)에서의 프리프레그 또는 상기 공정 (2)에서의 랜덤매트를, 금형 내에 배치할 때, 아래 식 (3)으로 나타내는 충전율이 50% 이상 100% 이하로 하는 성형체 제조 방법.
    충전율(%)=100×기재 면적(m㎡)/금형 캐비티 투영면적(m㎡) (3)
    (여기서 기재 면적이란 배치한 모든 프리프레그의 빼기 방향에의 투영면적이며, 금형 캐비티 투영면적이란 빼기 방향에의 투영면적이다)
  15. 평균 섬유 길이 5∼100㎜의 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하여 이루어지며,
    탄소섬유가 25∼10000g/㎡의 단위면적당 중량으로, 면내 방향에 랜덤하게 배향해 있고, 탄소섬유는, 아래 식 (1)에서 정의되는 임계단사수 이상이 집속하여 있는 탄소섬유 다발(A)과 임계단사수 미만의 탄소섬유(B)를 포함하고, 탄소섬유 다발(A)은, 해당 랜덤매트의 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만의 범위이며, 탄소섬유와 열가소성 수지의 존재비가, 탄소섬유 100중량부에 대해 열가소성 수지 50∼1000중량부이며, 또,
    임의의 방향 및 이와 직교하는 방향에 대한 인장탄성률이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Eδ)가 1.0 이상 1.4를 초과하지 않는 범위이고,
    임의의 방향 및 이와 직각의 각도를 이루는 방향으로 시험편을 잘라내어, 섬유 체적 함유율(Vf)이 큰 편의 값을 작은 편의 값으로 나눈 비(Vfs)가 1.0∼1.2의 범위인 것을 특징으로 하는 성형체.
    임계단사수=600/D (1)
    (여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
KR1020147002635A 2011-08-03 2012-08-01 저압 성형에 의한 성형체 제조 방법 KR101516132B1 (ko)

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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2752442A4 (en) * 2011-08-31 2015-01-28 Teijin Ltd MOLDED BODY HAVING SURFACE SURFACE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
EP2796276A4 (en) * 2011-12-22 2015-05-27 Teijin Ltd METHOD FOR PRODUCING MOLDED ARTICLE AND MOLDED ARTICLE
JP6246580B2 (ja) * 2013-12-11 2017-12-13 宇部エクシモ株式会社 ファブリック強化樹脂成形体の製造方法及びファブリック強化樹脂成形体
JP5952510B2 (ja) * 2014-06-20 2016-07-13 帝人株式会社 開口部を有する成形体の製造方法
EP3195994B1 (en) * 2014-09-17 2022-08-03 Toray Industries, Inc. Fiber-reinforced resin molding material
WO2016084824A1 (ja) * 2014-11-26 2016-06-02 東レ株式会社 炭素繊維マット、プリフォーム、シート材料および成形品
US10086540B2 (en) 2015-02-27 2018-10-02 Teijin Limited Method for manufacturing press molded product and manufacturing apparatus for press molded product
CN107428959B (zh) * 2015-03-24 2021-03-02 帝人株式会社 碳纤维增强树脂复合材料
JP6458589B2 (ja) * 2015-03-26 2019-01-30 東レ株式会社 シート材料、一体化成形品および一体化成形品の製造方法
EP3279243B1 (en) * 2015-03-30 2019-11-06 Toray Industries, Inc. Fiber-reinforced resin molding material and method for producing same
US10265890B2 (en) 2015-04-10 2019-04-23 Channell Commercial Corporation Method of manufacturing a thermoset polymer utility vault lid
US10407552B2 (en) * 2015-09-30 2019-09-10 Teijin Limited Press-molded product and composite material
JP6574491B2 (ja) * 2015-12-18 2019-09-11 帝人株式会社 プレス成形体の製造方法
JP6462190B2 (ja) 2016-07-28 2019-01-30 帝人株式会社 プレス成形品の製造方法
JP6821417B2 (ja) 2016-12-16 2021-01-27 芝浦機械株式会社 搬送装置および搬送ヘッド
EP3904066A4 (en) * 2018-12-25 2022-01-26 Teijin Limited FIBER-REINFORCED THERMOPLASTIC RESIN MOLDING AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF
WO2021182172A1 (ja) * 2020-03-11 2021-09-16 三菱ケミカル株式会社 Ｃｆｒｐ構造体、ｃｆｒｐ構造体の製造方法、炭素繊維プリプレグおよび炭素繊維プリプレグの製造方法
DE102022129362A1 (de) 2022-11-07 2024-05-08 Fiber Engineering Gmbh Dreidimensionaler Formkörper, Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008254191A (ja) 2007-03-30 2008-10-23 Honda Motor Co Ltd 炭素繊維複合材料製造装置、これを用いた炭素繊維複合材料製造方法および炭素繊維複合材料

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2626368B2 (ja) * 1991-11-14 1997-07-02 日本鋼管株式会社 繊維強化熱可塑性樹脂シートの製造方法
JPH0699431A (ja) * 1992-09-22 1994-04-12 Sumitomo Chem Co Ltd ウェブおよび成形品の製造方法
JP3724067B2 (ja) * 1996-06-28 2005-12-07 日東紡績株式会社 複合材の製造方法及びマット状複合材
US5883023A (en) * 1997-03-21 1999-03-16 Ppg Industries, Inc. Glass monofilament and strand mats, thermoplastic composites reinforced with the same and methods for making the same
JPH10316771A (ja) 1997-05-15 1998-12-02 Nitto Boseki Co Ltd 複合繊維強化成形体用シート材料及びその成形体
JP2006077343A (ja) * 2004-09-08 2006-03-23 Toray Ind Inc 炭素繊維マットおよびその製造方法、それを用いた成形用基材
JP4789940B2 (ja) 2005-08-18 2011-10-12 帝人テクノプロダクツ株式会社 等方性の繊維強化熱可塑性樹脂シートとその製造方法並びに成形板
JP4444248B2 (ja) * 2006-08-08 2010-03-31 三菱重工業株式会社 Ｒｔｍ成形装置及びｒｔｍ成形体の製造方法
KR101295936B1 (ko) * 2006-11-22 2013-08-14 후쿠이 켄 열가소성 수지 다층 보강 시트재 및 그 제조 방법, 및 열가소성 수지 다층 보강 성형품
JP5417631B2 (ja) * 2007-11-07 2014-02-19 福井県 熱可塑性樹脂複合材料成形品の成形方法
JP2008308543A (ja) * 2007-06-13 2008-12-25 Teijin Ltd 炭素繊維複合シート及びその製造方法
JP4862913B2 (ja) 2009-03-31 2012-01-25 東レ株式会社 プリプレグおよびプリフォーム
CN102056971B (zh) 2008-07-31 2013-09-04 东丽株式会社 预浸料坯、预成型体、成型品及预浸料坯的制造方法
JP5776137B2 (ja) * 2009-03-31 2015-09-09 東レ株式会社 一体化成形品の製造方法
JP5499548B2 (ja) * 2009-07-17 2014-05-21 三菱樹脂株式会社 炭素繊維不織布、炭素繊維強化樹脂シートおよび炭素繊維強化樹脂成形体
JP5576147B2 (ja) * 2010-03-01 2014-08-20 帝人株式会社 炭素繊維複合材料
WO2012105080A1 (ja) 2011-02-01 2012-08-09 帝人株式会社 ランダムマット、および強化繊維複合材料
EP2716433B1 (en) 2011-05-31 2018-04-18 Teijin Limited Method for manufacturing compact with sustained isotropy

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008254191A (ja) 2007-03-30 2008-10-23 Honda Motor Co Ltd 炭素繊維複合材料製造装置、これを用いた炭素繊維複合材料製造方法および炭素繊維複合材料

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