KR101529849B1

KR101529849B1 - 랜덤 매트 및 섬유 강화 복합재료 성형체

Info

Publication number: KR101529849B1
Application number: KR1020147022691A
Authority: KR
Inventors: 나오아키 소노다; 마코토 오오츠보; 타케루 오키
Original assignee: 데이진 가부시키가이샤
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-06-17
Also published as: WO2014021315A1; CN104136674B; EP2808432B1; KR20140107683A; CA2866176A1; RU2558904C1; CN104136674A; US20150203642A1; MX354154B; EP2808432A1; US11168186B2; MX2014010142A; BR112014021249B1; EP2808432A4; US20200332077A1; CA2866176C; US10738168B2; JPWO2014021315A1; JP5512908B1

Abstract

등방성이고, 또한 기계강도가 뛰어난 섬유 강화 복합재료 성형체와 그 중간재료로서 사용되는 랜덤 매트를 제공한다. 평균 섬유 길이 3∼100mm의 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하고, 상기 강화 섬유가 하기 i)∼iii)을 만족하는 랜덤 매트. i) 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)이 하기 식(1)을 만족한다. 0.03mm＜Ww＜5.0mm (1) ii) 강화 섬유에 관하여, 중량 평균 섬유폭(Ww)의 수평균 섬유폭(Wn)에 대한 비로서 정의되는 평균 섬유폭 분산비(Ww/Wn)가 1.8 이상 20.0 이하이다. iii) 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께가, 그 중량 평균 섬유폭(Ww)보다 작다.

Description

랜덤 매트 및 섬유 강화 복합재료 성형체{RANDOM MAT, AND COMPACT OF FIBRE-REINFORCED COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은, 열가소성 수지를 매트릭스로 하는 섬유 강화 복합재료 성형체의 중간 재료로서 사용되는 랜덤 매트(random mat)와, 그것으로부터 얻어지는 섬유 강화 복합재료 성형체에 관한 것이다.

탄소 섬유나 아라미드 섬유, 유리 섬유 등을 강화 섬유로서 사용한 섬유 강화 복합재료로서, 등방성인 랜덤 매트가, 부형성(賦形性)이나 공정의 간편성에서 사용되고 있다. 이 랜덤 매트는, 커트한 강화 섬유 단체(單體), 혹은 열경화성의 수지를 성형형(成形型)에 동시에 분사하는 스프레이 업 방식(건식)이나, 바인더를 함유시킨 슬러리에 미리 커트한 강화 섬유를 첨가하여, 초지(抄紙)하는 방법(습식) 등에 의해 얻을 수 있다.

복합재료의 기계 물성을 향상시키는 수단으로서는, 강화 섬유 체적 함유율(Vf)을 높게 하는 것이 알려져 있지만, 커트 섬유를 사용한 랜덤 매트의 경우, 3차원 방향의 섬유가 존재하는, 섬유의 교락(交絡)이 많은 등의 이유에 의해, 강화 섬유 체적 함유율을 높게 하는 것이 곤란하였다. 또한 랜덤 매트를 사용했을 경우는 연속 섬유를 사용했을 경우와 비교하여 섬유가 불연속이기 때문에, 강화 섬유의 강도를 충분히 발현시키는 것이 곤란하고, 성형체로 한 후의 강화 섬유의 강도 발현율로서, 이론치에 대하여 50% 이하가 되어 버린다는 문제가 있었다. 비특허문헌 1에는, 열경화성 수지를 매트릭스로 한 탄소 섬유의 랜덤 매트로부터의 복합재료가 예시되어 있다. 이러한 복합재료의 강도 발현율은 이론치에 대하여 44% 정도이다.

또한, 종래의 열경화성 수지를 매트릭스로 한 복합재료에서는, 미리, 강화 섬유 기재(基材)에 열경화성 수지를 함침시킨 프리프레그로 불리는 중간 재료를, 오토클래브(autoclave)를 사용하여 2시간 이상 가열·가압함으로써 얻고 있었다. 최근, 수지를 함침시키지 않은 강화 섬유 기재를 금형 내에 세트한 후, 열경화성 수지를 흘려 넣는 RTM 성형 방법이 제안되어, 성형 시간은 큰 폭으로 단축되었지만, RTM 성형 방법을 이용했을 경우에도, 하나의 부품을 성형하기까지 10분 이상 필요하게 된다.

그 때문에, 종래의 열경화성 수지 대신에, 열가소성 수지를 매트릭스로 이용한 컴포지트(composite)가 주목받고 있다.

열가소성 수지를 매트릭스로 한, 열가소스탬핑 성형(TP-SMC)(특허문헌 1)은, 미리 열가소성 수지를 함침시킨 촙드 섬유(chopped fiber)를 융점 이상으로 가열하고, 이것을 금형 내의 일부에 투입한 후, 즉시 형(型)을 닫고, 형 내에서 섬유와 수지를 유동시킴으로써 제품 형상을 얻고, 냉각·성형한다고 하는 성형 방법이다. 이 방법에서는, 미리 수지를 함침시킨 섬유를 이용함으로써, 약 1분 정도라고 하는 짧은 시간으로 성형이 가능하다. 이들은 SMC나 스탬퍼블 시트(stampable sheet)로 불리는 성형 재료로 하는 방법이며, 이러한 열가소스탬핑 성형에서는, 형 내를 섬유와 수지를 유동시키기 때문에, 박육(薄肉)의 것을 만들 수 없고, 섬유 배향이 흐트러져, 제어가 곤란한 등의 문제가 있었다.

또한 특허문헌 2에서는, 섬유 집합체의 섬유 길이를 1mm에서 15mm의 범위에서, 연속적으로 분포시켜, 단섬유가 랜덤하게 뒤섞여 집합함으로써, 섬유가 부분적으로 집합 불균일을 형성하는 것을 방지하여, 균일하고 등방성이 뛰어난 것을 얻을 수 있다는 것을 제안하고 있다. 그러나 이 방법에서는 단섬유가 두께 방향으로도 배향하여 버린다는 문제가 있었다.

특허문헌 1 : 일본 특허 제4161409호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개 평5-9853호 공보

비특허문헌 1 : Composites PartA 38 (2007) p.755∼770

그러나, 상기의 종래 기술에서는, 등방성이고, 인장강도가 뛰어나고, 또한 인장탄성률이 높은 섬유 강화 복합재료 성형체에 관하여는 검토되어 있지 않다.

본 발명의 과제는, 상기 종래 기술의 여러 문제를 해결하려고 하는 것이며, 등방성이고, 또한 기계강도가 뛰어난 섬유 강화 복합재료 성형체와 그 중간재료로서 사용되는 랜덤 매트를 제공하는 데 있다. 특히 섬유 강화 복합재료 성형체를 차지하는 강화 섬유의 체적 함유율이 높고, 인장탄성률이 뛰어난 섬유 강화 복합재료 성형체를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명자들은, 열가소성 수지와 특정의 중량 평균 섬유폭, 평균 섬유폭 분산비 및 중량 평균 섬유 두께가 불연속인 강화 섬유를 포함하는 랜덤 매트로부터, 기계강도 및 그 등방성이 뛰어나고, 또한 기계강도, 특히 인장탄성률이 높은 섬유 강화 복합재료 성형체를 제공할 수 있다는 것을 발견하였다.

또한, 본 발명자들은, 랜덤 매트에 있어서, 대소(大小) 상이한 크기의 강화 섬유를 혼재시킴으로써, 강화 섬유의 부분적인 집합불균일이 생기는 것을 방지할 수 있고, 또한, 단사상(單絲狀) 등 미세한 강화 섬유만으로 구성되는 랜덤 매트에 있어서의, 두께 방향으로의 배향이나 섬유의 교락에 의해, 매트의 부피가 커진다고 하는 문제도 방지할 수 있다는 것도 발견하였다. 그리고, 대소 상이한 크기의 강화 섬유를 포함하는 랜덤 매트를 사용함으로써, 보다 강화 섬유 체적 함유율이 높고, 또한, 보다 기계강도가 뛰어난 섬유 강화 복합재료 성형체를 제공할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명은 평균 섬유 길이 3∼100mm의 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하고, 상기 강화 섬유가 하기 i)∼iii)을 만족하는 랜덤 매트 및, 그것을 성형하여 얻어지는 섬유 강화 복합재료 성형체이다.

i) 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)이 하기 식(1)을 만족한다.

0.03mm＜Ww＜5.0mm (1)

ii) 강화 섬유에 관하여, 중량 평균 섬유폭(Ww)의 수평균 섬유폭(Wn)에 대한 비(比)로서 정의되는 평균 섬유폭 분산비(Ww/Wn)가 1.8 이상 20.0 이하이다.

iii) 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께가, 그 중량 평균 섬유폭(Ww)보다 작다.

본 발명은, 열가소성 수지와 강화 섬유를 포함하는 랜덤 매트에 있어서, 포함되는 강화 섬유가, 특정의 섬유폭 분포를 가짐으로써, 강화 섬유의 충전성(充塡性)을 높여, 뛰어난 기계강도를 가진다. 또한, 면내(面內) 방향에 있어서 강화 섬유가 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고 등방성이다.

따라서, 본 발명의 랜덤 매트로부터 얻어지는 섬유 강화 복합재료 성형체는 뛰어난 기계강도를 가지며, 또한 그 등방성이 뛰어나고, 또한 기계강도, 특히 인장탄성률이 높기 때문에, 각종 구성부재, 예를 들면 자동차 내판, 외판, 구성부재, 또한 각종 전기제품, 기계의 프레임이나 하우징 등에 사용할 수 있다.

도 1은 로터리 커터를 사용한 커트 공정의 일례의 모식도이다.
도 2는 바람직한 로터리 분섬(分纖) 커터의 일례에 관하여, 정면과 단면의 개략을 나타내는 모식도이다.
도 3은 섬유의 확폭(擴幅)·분섬 방법의 바람직한 일례의 모식도이다.

발명을 실시하기 위한 형태

이하에, 본 발명의 실시의 형태에 관하여 순차적으로 설명한다. 본 발명에 관한 기재에 있어서, 중량이란 질량을 의미한다.

본 발명은, 평균 섬유 길이 3∼100mm의 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하고, 그 강화 섬유가 하기 i)∼iii)을 만족하는 랜덤 매트에 관한 것이다.

0.03mm＜Ww＜5.0mm (1)

ii) 강화 섬유에 관하여 중량 평균 섬유폭(Ww)의 수평균 섬유폭(Wn)에 대한 비로서 정의되는 평균 섬유폭 분산비(Ww/Wn)가 1.8 이상 20.0 이하이다.

본 발명의 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)은, 랜덤 매트로부터 취출(取出)한 충분한 수(바람직하게는, 100mm×100mm로 잘라낸 랜덤 매트로부터 취출한 200∼1000개이고, 보다 바람직하게는 300∼1000개이며, 예를 들면 300개이다)의 강화 섬유의 각각에 관하여, 그들의 폭(이하, 섬유폭 또는 W_i라고 표기하는 경우가 있다)과 중량(이하, 섬유 중량 또는 w_i라고 표기하는 경우가 있다), 또한, 취출한 강화 섬유의 총중량(w)으로부터, 이하의 식(5)에 의해 구할 수 있다.

Ww = Σ(W_i×w_i/w) (5)

상기 식(5)에 있어서, i는 1에서, 랜덤 매트로부터 취출한 강화 섬유의 수까지의 자연수이다.

본 발명의 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)은, 상기 식(1)과 같이, 0.03mm보다 크고 5.0mm보다 작고, 0.03mm보다 크고 4.0mm보다 작은 것이 바람직하고, 0.1mm보다 크고 3.0mm보다 작은, 즉 하기 식(2)

0.1mm＜Ww＜3.0mm (2)

로 표시되는 것이면 바람직하고, 0.2mm보다 크고 2.4mm보다 작으면 더욱 바람직하고, 0.3mm보다 크고 2.0mm보다 작으면 특히 바람직하다. 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)이 0.03mm 이하인 경우, 섬유폭의 분산비의 제어가 곤란하게 되는 등의 우려가 있고, 5.0mm 이상인 경우는, 랜덤 매트의 강화 섬유의 충전성을 해쳐, 그 랜덤 매트로부터 얻어지는 성형체의 강화 섬유 체적 함유율이나 기계강도가 불충분한 것이 되는 경우가 있다고 하는 문제가 발생하는 일이 있다.

본 발명의 랜덤 매트는, 함유하는 강화 섬유에 관하여, 중량 평균 섬유폭(Ww)의, 수평균 섬유폭(Wn)에 대한 비로서 정의되는 평균 섬유폭 분산비(Ww/Wn)가 1.8 이상 20.0 이하이며, 바람직하게는 1.8 이상 10.0 이하이다. Ww/Wn의 하한값에 대하여는, 2.0보다 큰 것이 바람직하고, 예를 들면 2.01 이상이 바람직하다. Ww/Wn는 2.0 초과 15.0 이하가 바람직하고, 2.0 초과 12.0 이하가 보다 바람직하고, 2.0 초과 10.0 이하가 더욱 바람직하고, 2.0 초과 8.0 이하이면 특히 바람직하며, 2.0 초과 6.0 이하이면 가장 바람직하다. 이 평균 섬유폭 분산비(Ww/Wn, 본 발명에 있어서, 간단히 분산비로 약칭하는 경우가 있다)가 1.8 이상이면, 강화 섬유 사이에 공극(空隙)이 발생하기 어려워, 강화 섬유 체적 함유율을 높이기 쉽기 때문에 바람직하다. Ww/Wn가 20.0을 초과하는 경우는, 분산비의 제어가 곤란하게 된다고 하는 점에서 바람직하지 않다.

여기서, 수평균 섬유폭(Wn)은, 중량 평균 섬유폭(Ww)에 관하여 위에서 설명한 순서로, 랜덤 매트로부터 충분한 수(I)의 강화 섬유를 취출하고, 그것들 각각에 관하여, 섬유폭(Wi)을 측정하여, 이하 식(4)에 의해 산출된다.

Ww = Σ(W_i/I) (4)

본 발명의 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유는, 그 중량 평균 섬유 두께가, 그 중량 평균 섬유폭(Ww)보다 작은 것이고, 중량 평균 섬유 두께가 중량 평균 섬유폭(Ww)의 1/5 이하이면 바람직하고, 1/7 이하이면 보다 바람직하고, 1/10 이하이면 보다 한층 바람직하고, 1/20 이하이면 더욱 바람직하고, 1/50 이하이면 특히 바람직하다. 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께가, 그 중량 평균 섬유폭(Ww)과 동일한 경우, 면내 방향뿐만 아니라 두께 방향으로도 섬유가 배향되어, 섬유의 교락에 의해 강화 섬유 체적 함유율을 높게 하는 것이 곤란하게 된다고 하는 문제가 발생하는 것이 염려된다.

본 발명에 있어서는, 강화 섬유의 길이 방향을 제외한 2개의 방향의 길이 중, 짧은 쪽을 「두께」라고 하고, 다른 한쪽을 「폭」이라고 한다. 강화 섬유의 길이 방향에 수직한 단면에 있어서의 직교하는 2방향의 치수가 동일한 경우, 임의의 1방향을 강화 섬유의 폭으로 하고, 다른 한쪽을 강화 섬유의 두께로 한다.

본 발명의 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께로서는, 0.01mm 이상 0.30mm 이하이면 바람직하고, 0.02mm 이상 0.20mm 이하이면 보다 바람직하고, 0.03mm 이상 0.15mm 이하이면 더욱 바람직하며, 0.03mm 이상 0.10mm 이하이면 특히 바람직하다. 매트릭스인 열가소성 수지의 함침의 점에서, 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께가 0.30mm 이하이면 바람직하다. 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께의 하한 0.01mm 이상 등의 수치에 관하여는 특히, 엄밀한 것은 아니다.

또한, 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께(t)에 관하여는, 상기의 중량 평균 섬유폭(Ww)에 관하여 나타낸 것과 동일한 조작을 실시하고, 취출한 모든 강화 섬유에 관한 섬유 두께(ti)와 섬유 중량(wi), 그리고 취출한 강화 섬유의 총중량(w)을 측정 후, 이하의 식(7)에 의해 구할 수 있다.

t = Σ(t_i×w_i/w) (7)

본 발명의 랜덤 매트의 면내에 있어서, 강화 섬유는 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고, 무작위한 방향으로 분산하여 배치되어 있다. 본 발명의 랜덤 매트는 면내 등방성의 중간 재료이다. 본 발명의 랜덤 매트를 가공하여 얻어지는 성형체에서는, 랜덤 매트 중의 강화 섬유의 등방성이, 성형체에 있어서도 유지되고 있다. 랜덤 매트로부터 성형체를 얻고, 서로 직교하는 2방향의 인장탄성률의 비(比)를 구함으로써, 랜덤 매트 및 그것으로부터의 성형체의 등방성을 정량적으로 평가할 수 있다. 랜덤 매트로부터 얻어진 성형체에 있어서의 2방향의 탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비가 2를 초과하지 않을 때에 등방성이라고 한다. 비가 1.3을 초과하지 않을 때는 등방성이 뛰어나다고 한다.

본 발명의 랜덤 매트는, 상기와 같이, 소정의 중량 평균 섬유폭, 평균 섬유폭 분산비 및 중량 평균 섬유 두께의 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하여 구성된다. 본 발명의 랜덤 매트는, 상기 강화 섬유로 구성되는 강화 섬유 매트와 열가소성 수지를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 말하는 강화 섬유 매트는 매트릭스로서의 열가소성 수지를 포함하지 않고 불연속 강화 섬유로 구성되는 면상체(面狀體)(매트 형상물)이다. 본 발명에 관한 강화 섬유 매트는, 강화 섬유가 사이징제나, 매트로 할 때에 소량의 바인더를 포함하는 것이라도 되고, 또한, 면내에 있어서 강화 섬유가 랜덤한 방향으로 배향되어 있고, 실질적으로 면내의 종횡 방향의 물성이 거의 동일한 매트이면 바람직하다.

강화 섬유의 종류로서는 특별히 제한은 없고, 단일이어도, 2종류 이상의 혼합이어도 상관없다.

본 발명의 랜덤 매트에 있어서, 강화 섬유 매트가 열가소성 수지를 포함하는 형태로서는, 강화 섬유 매트에, 분말상(粉末狀), 섬유상(纖維狀), 또는 괴상(塊狀) 등의 열가소성 수지가 포함되는 것이어도 되고, 강화 섬유 매트를 열가소성 수지가 매트릭스로서 유지되어 있는 것이어도 되고, 또한, 강화 섬유 매트에 시트상(狀)이나 필름상(狀) 등의 열가소성 수지가 탑재 또는 적층된 것이어도 된다. 랜덤 매트 중의 열가소성 수지는 용융 상태이어도 된다. 또한, 본 발명의 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 매트에 관하여, 중량 평균 섬유폭(Ww)이나, 섬유폭의 분산비(Ww/Wn) 등을 구하면, 그들의 값을 그 랜덤 매트의 것이라고 볼 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명의 랜덤 매트는, 프리폼(preform)으로서 그대로 최종 형태의 섬유 강화 재료 성형체(이하, 간단히 성형체라고 칭하는 경우가 있다)를 얻는데 사용되어도 되고, 가열 등에 의해 열가소성 수지를 함침시켜 프리프레그로 되고 나서 최종 형태의 성형체를 얻는데 사용되어도 된다. 본 발명의 랜덤 매트는, 열가소성 수지가 함침된, 상기 프리프레그도 포함한다.

여기서 말하는 최종 형태의 성형체는, 랜덤 매트나 그 성형판을 가압·가열하여 얻어진 것에 대하여, 한층 더 가열이나 가압에 의해(한층 더 성형에 의해), 매트릭스인 열가소성 수지를 용융시켜, 다른 형상이나 두께로 하지 않는 형태의 성형체인 것을 말한다.

따라서, 랜덤 매트 등을 가압·가열하여 얻어진 것을, 절단하여 다른 형상의 형태로 한 것이나, 연마하여 얇게 하거나, 수지 등을 도포하여 두껍게 하거나 한 것은, 가열·가압을 하고 있지 않기 때문에, 최종 형태의 성형체이다. 또한, 절단이나 가공의 수단으로서 열을 이용하는 경우는, 여기서의 가열에 해당하지 않는다.

또한, 용융 상태의 열가소성 수지가 공급된 랜덤 매트를 성형할 때에, 공급된 열가소성 수지가 용융 상태인 채로 성형하는 경우는, 예를 들면, 가압만의 성형으로 성형체가 얻어진다.

본 발명의 랜덤 매트는, 프리폼으로서 그대로 성형에 사용해도 되고, 성형판으로서 하고 나서 성형에 사용해도 되고, 원하는 성형에 맞추어 각종 기본 중량(단위 면적당 중량; 目付)을 선택할 수 있지만, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 기본 중량은, 바람직하게는 25∼10000g/m²이고, 보다 바람직하게는 50∼4000g/m²이고, 더욱 바람직하게는 600g/m²∼3000g/m²이며, 보다 한층 바람직하게는 600g/m²∼2200g/m²이다.

본 발명의 랜덤 매트는, 함유하는 강화 섬유에 대하여, 섬유폭을 가로축에, 각 섬유폭(Wi)의 강화 섬유의 섬유 중량분율을 세로축으로 한 그래프 등에 의해 나타내지는, 강화 섬유폭 분포(이하, 단지, 섬유폭 분포로 약칭하는 경우가 있다)가, 1개 이상의 피크를 가지는 것이면 바람직하고, 적어도 2개의 피크를 가지는 것이면 보다 바람직하다. 여기서 말하는 피크란, 날카로운 형상의 것에 한정되지 않으며, 반값폭의 넓은 산(山) 형상이나 사다리꼴 형상의 것이어도 된다. 또한, 좌우 대칭의 형상이어도, 좌우 비대칭의 것이어도 된다.

강화 섬유폭 분포가 적어도 2개의 피크를 가지는 것이면, 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유간의 공극이 보다 적게 되고, 충전성이 높은 것이 되어 바람직하다.

강화 섬유폭 분포가 적어도 2개의 피크를 가지는 것은, 적어도 다른 2종의 간격으로 슬릿(slit)된 강화 섬유를 사용하는 것 등으로 얻을 수 있다.

본 발명의 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 섬유폭 분포가 가지는 적어도 2개의 피크로서는, 어느 피크가 섬유폭 0.01mm 이상 0.50mm 미만의 범위 내에 있고, 다른 피크가 섬유폭 0.50mm 이상 2.00mm 이하의 범위 내에 있으면 바람직하고, 어느 피크가 섬유폭 0.10mm 이상 1.00mm 미만의 범위 내에 있고, 다른 피크가 섬유폭 1.00mm 이상 5.00mm 이하의 범위 내에 있는 것도 바람직하다. 또한 상기의 범위에 피크를 가지는 것으로서, 또한 섬유폭이 작은 범위의 섬유 중량분율이, 섬유폭이 큰 범위의 섬유 중량분율보다 크면 더욱 바람직하다.

섬유폭 분포가 3개 이상의 피크를 가지는 경우, 그 중 2개가 상기 범위에 있으면, 나머지는, 다른 범위에 있어도 되고, 상기 범위에 있어도 된다.

[강화 섬유]

랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유는 불연속이며, 어느 정도 긴 강화 섬유를 포함하여 강화 기능을 발현할 수 있는 것을 특징으로 한다. 섬유 길이는, 얻어진 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 섬유 길이를 측정하여 구한 평균 섬유 길이로 표현된다. 평균 섬유 길이의 측정 방법으로서는 무작위로 추출한 100개의 섬유의 섬유 길이를, 노기스 등을 이용하여 1mm 단위까지 측정하고, 그 평균을 구하는 방법을 들 수 있다.

본 발명의 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는, 3mm 이상 100mm 이하이고, 바람직하게는 4mm 이상 50mm 이하이고, 보다 바람직하게는 5mm 이상 30mm 이하이며, 더욱 바람직하게는 5mm 이상 20mm 이하이다. 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 충전성을 올리는 점에서, 강화 섬유의 섬유 길이는 섬유폭과 보다 가까운 것이 바람직하고, 평균 섬유 길이와 중량 평균 섬유폭(Ww)의 비가 50/1이하이면 바람직하고, 30/1 이하이면 보다 바람직하며, 10/1 이하이면 보다 한층 바람직하다.

섬유 길이의 분포로서는, 단일이어도 상관없고, 2종류 이상의 혼합이어도 상관없다.

후술하는 바람직한 강화 섬유의 커트 방법에 있어서, 강화 섬유를 고정 길이로 커트하여 랜덤 매트를 제조했을 경우, 평균 섬유 길이는 커트한 섬유 길이와 동일하게 된다.

강화 섬유는, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 및 유리 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유는, 경량이면서 강도가 뛰어난 복합재료를 제공할 수 있는 점에서 탄소 섬유가 바람직하다. 상기 탄소 섬유로서는, 일반적으로 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유(이하, PAN계 탄소 섬유로 약칭하는 경우가 있다), 석유 피치계 탄소 섬유, 석탄 피치계 탄소 섬유, 레이온계 탄소 섬유, 셀룰로오스계 탄소 섬유, 리그닌계 탄소 섬유, 페놀계 탄소 섬유, 기상성장(氣相成長)계 탄소 섬유 등이 알려져 있지만, 본 발명에 있어서는 이들 중 어느 하나의 탄소 섬유이어도 적합하게 사용할 수 있고, 특히 PAN계 탄소 섬유가 바람직하고, 이들의 탄소 섬유는 1종류 단독으로 사용되어도 되고, 복수의 종류의 혼합물로서 사용되어도 된다. 본 발명의 랜덤 매트에 사용되는 강화 섬유로서는, 탄소 섬유 단독이어도, 내충격성을 부여하는 등을 위해서 유리 섬유나 아라미드 섬유 등을 포함하는 것이어도 상관없다. 탄소 섬유의 경우, 평균 섬유 직경은 바람직하게는 1∼50㎛이고, 보다 바람직하게는 3∼12㎛이고, 보다 한층 바람직하게는 5∼9㎛, 매우 바람직하게는 5∼7㎛이다. 탄소 섬유는 사이징제가 부착된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 사이징제는 탄소 섬유 100중량부에 대하여, 0 초과∼10중량부인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서의 강화 섬유는, 단사상으로 개섬(開纖)된 상태이어도 되고, 복수의 단사가 모여진 섬유 다발이어도 되며, 단사와 섬유 다발이 혼재하고 있어도 된다.

[매트릭스 수지]

본 발명의 랜덤 매트에 포함되는 매트릭스 수지는 열가소성 수지이다. 열가소성 수지의 종류로서는 예를 들면 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 아세트산비닐수지, 폴리비닐알코올 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴-스티렌 수지(AS수지), 아크릴로니트릴·부타디엔·스티렌 수지(ABS 수지), 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드6 수지, 폴리아미드11 수지, 폴리아미드12 수지, 폴리아미드46 수지, 폴리아미드66 수지, 폴리아미드610 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌설피드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리젖산 수지 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종류 이상의 것을 들 수 있다. 본 발명에 있어서는, 상기의 열가소성 수지를, 단독으로 사용해도 되고, 복수종을 혼합하여 사용해도 되고, 공중합체나 변성체로서 사용해도 된다.

매트릭스 수지의 존재량으로서는, 강화 섬유 100중량부에 대하여, 10∼800중량부이면 바람직하고, 20∼300중량부이면 보다 바람직하고, 20∼200중량부이면 보다 한층 바람직하고, 30∼150중량부이면 더욱 바람직하며, 50∼100중량부이면 특히 바람직하다.

또한, 강화 섬유와 열가소성 수지와의 양의 관계에 관하여는, 하기 식으로 정의되는 강화 섬유 체적 함유율(이하 Vf로 약기(略記)하는 경우가 있다)로도 정의할 수 있다.

강화 섬유 체적 함유율(Vol%) = 100×[강화 섬유의 체적/(강화 섬유의 체적+열가소성 수지의 체적)]

이 강화 섬유 체적 함유율(Vf)과, 상기의 강화 섬유 100중량부에 대한 중량부로 나타낸 열가소성 수지의 존재량은, 강화 섬유의 밀도와 열가소성 수지의 밀도를 사용하여 환산된다.

또한, 본 발명의 랜덤 매트 중에는, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위에서, 유기 섬유 또는 무기 섬유의 각종 섬유상 또는 비섬유상 필러, 난연제, 내UV제, 안료, 이형제, 연화제, 가소제, 계면활성제의 첨가제를 포함하고 있어도 된다.

[섬유 강화 복합재료 성형체]

본 발명의 랜덤 매트는, 구성하는 강화 섬유가, 상기와 같은 특징을 가지기 때문에, 부형성이 높다고 하는 이점도 겸비하고 있다. 그 때문에 본 발명의 랜덤 매트를, 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻기 위한 중간 재료로서 바람직하게 사용할 수 있다.

즉 본 발명은 랜덤 매트로부터 얻어지는 섬유 강화 복합재료 성형체의 발명을 포함하는 것이다.

본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체로서는, 평균 섬유 길이 3∼100mm의 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하고, 그 강화 섬유가 하기 i)∼iii)을 만족하는 것이면 바람직하다.

0.03mm＜Ww＜5.0mm (1)

ii) 강화 섬유에 있어서의 중량 평균 섬유폭(Ww)의 수평균 섬유폭(Wn)에 대한 비로서 정의되는 분산비(Ww/Wn)가 1.8 이상 20.0 이하이다.

본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체의 두께는, 함유하는 강화 섬유의 기본 중량 및 열가소성 수지량을 제어함으로써, 적정한 범위로 바람직하게 조정된다.

본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체를 구성하는 강화 섬유의 종류로서는 특별히 한정은 없으며, 랜덤 매트의 강화 섬유의 항목에서 설명한 것을 바람직하게 들 수 있다.

본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체를 구성하는 수지의 종류로서는 특별히 한정은 없으며, 랜덤 매트의 매트릭스 수지의 항목에서 설명한 것을 바람직하게 들 수 있다.

본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체에 있어서의 열가소성 수지의 존재량은, 랜덤 매트에 있어서의 열가소성 수지량에 관하여 전술한 바와 같이, 강화 섬유 100중량부에 대하여, 10∼800중량부이면 바람직하고, 20∼300중량부이면 보다 바람직하고, 20∼200중량부이면 보다 한층 바람직하고, 30∼150중량부이면 더욱 바람직하며, 50∼100중량부이면 특히 바람직하다.

본 발명에 있어서의 섬유 강화 복합재료 성형체의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 그 형상으로서는, 예를 들면, 시트상, 판상(板狀)이어도 되고, 곡면부를 가지고 있어도 되고, 단면이 T자형, L자형, コ자형, 하트형이라고 하는 입면부(立面部)등을 가지는 것이어도 되고, 이것들을 포함하는 3차원 형상의 것이어도 된다.

본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체는, 여러 가지의 두께, 예를 들면 0.2∼100mm의 두께의 것으로 할 수 있지만, 보다 박육의 성형체이어도 물성이나 외관이 매우 양호한 것으로 하는 것이 가능하고, 구체적으로는 성형판으로서의 두께가 0.2mm∼2.0mm(매우 엄밀하게 정할 필요가 있다면 25℃에서의 두께)로 할 수 있다. 섬유 강화 복합재료 성형체에 있어서의 강화 섬유의 기본 중량은 바람직하게는 25∼10000g/m², 보다 바람직하게는 50∼4000g/m²이고, 더욱 바람직하게는 600g/m²∼3000g/m²이며, 보다 한층 바람직하게는 600g/m²∼2200g/m²이다.

본 발명은, 적어도 1종의 본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체를 코어재나 스킨층에 사용한 적층체도 포함한다. 본 발명의 적층체는, 연속 강화 섬유가 1방향으로 가지런히 배치된, 적어도 1종의 1방향 섬유 강화 복합재료를 코어재나 스킨층으로서 더 포함하고 있어도 된다. 본 발명의 적층체는, 본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체나 1방향 섬유 강화 복합재료 이외의 섬유 강화 복합재료 성형체(이하, 다른 섬유 강화 복합재료 성형체라고 칭한다)가 적어도 1종을, 코어재나 스킨층으로서 더 포함하고 있어도 된다. 본 발명의 적층체는, 강화 섬유를 포함하지 않는 수지의 적어도 1종을 코어재나 스킨층으로서 더 포함하고 있어도 된다.

상기의, 1방향 섬유 강화 복합재료나 다른 섬유 강화 복합재료 성형체의 매트릭스 수지, 강화 섬유를 포함하지 않는 수지는, 열경화성 수지이어도 열가소성 수지이어도 된다.

[랜덤 매트의 제조 방법]

본 발명의 랜덤 매트의 제조 방법으로서는, 이하의 공정 1∼4를 포함하는 방법이 바람직하다.

1. 강화 섬유를 커트하는 공정(커트 공정)

2. 커트된 강화 섬유를 관 내에 도입하고, 공기에 의해 반송하여 산포(散布)하는 공정(산포 공정)

3. 산포된 강화 섬유를 정착시켜, 강화 섬유 매트를 얻는 공정(정착 공정)

4. 강화 섬유 매트에 열가소성 수지를 첨가하여, 랜덤 매트를 얻는 공정(열가소성 수지 첨가 공정)

<커트 공정>

강화 섬유를 커트하는 공정에 관하여 설명한다. 커트되는 강화 섬유로서는, 장섬유의 단사가 다발로 된 형상의, 소위 스트랜드가 입수나 취급성이 용이하여 바람직하다. 강화 섬유의 커트 방법은, 바람직하게는 로터리 커터 등의 나이프를 사용하여 강화 섬유를 커트하는 공정이다. 로터리 커터를 사용한 커트 공정의 일례를 도 1에 나타낸다. 강화 섬유를 연속적으로 커트하기 위한 나이프 각도는 특별히 한정되는 것이 아니며, 일반적인, 섬유에 대하여, 90도의 날을 사용해도, 각도를 갖게 한 것이어도, 나선상으로 늘어놓은 것이어도 상관없다. 나선상 나이프를 가지는 로터리 커터의 예를 도 2에 나타낸다.

본 발명의 랜덤 매트는 위에서 설명한 바와 같이 강화 섬유가 특정의 섬유폭 분포를 가지는 것을 특징으로 한다. 즉 랜덤 매트 중에 섬유폭이 다른 섬유가 존재함으로써 강화 섬유 사이의 공극을 보다 적게 하여, 충전성을 높일 수 있다. 섬유폭의 분포에 관하여는 특별히 한정은 없으며, 그 피크 형상은 단일의 것이어도, 복수로 이루어지는 것이어도 된다.

강화 섬유의 섬유폭, 및 그 분산비를 목적의 것으로 하기 위해서는, 커트 공정에 제공하는 강화 섬유의 크기, 예를 들면 섬유폭이나 섬유 두께를, 후술하는 확폭 방법, 분섬 방법으로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 커트한 강화 섬유를 압축 공기 등으로 개섬시켜, 보다 미세한 강화 섬유로 하는 것도 바람직하다.

또한, 복수의 강화 섬유를 사용하여, 랜덤 매트의 평균 섬유폭이나 분산비를 제어할 수도 있고, 커트 공정이나 후술하는 산포 공정 등에 있어서, 다른 섬유폭이나 섬유 두께로 한 강화 섬유를 혼합시킴으로써, 바람직하게 제어할 수 있다.

섬유의 확폭의 방법에 관하여는 특별히 한정은 없으며, 확장 스프레더(spreader), 예를 들면 볼록형(凸型)의 핀 등을 섬유에 누르는 방법이나, 섬유의 진행 방향에 대하여, 교차 방향으로 기류를 통과시켜 섬유를 바람 아래 방향으로 활모양으로 휘게 하는 방법, 진동을 부여하는 방법 등을 들 수 있다. 확폭된 강화 섬유는, 후단(後段)에 섬유폭을 규제하기 위한 규제 롤러를 설치함으로써, 목적의 섬유폭으로 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 랜덤 매트를 제조하려면, 상기와 같이 확폭한 후, 강화 섬유폭을 보다 작게 분섬하는 것이 바람직하다(도 3도 참조).

섬유 분섬의 방법으로서는, 특별히 한정은 없으며, 예를 들면 슬릿터(slitter)로 스트랜드를 가는 다발로 하는 방법 등을 들 수 있다. 슬릿터를 사용하여 섬유를 분섬하는 경우, 슬릿 간격을 조정함으로써, 목적의 섬유폭의 것을 적합하게 얻을 수 있다. 또한, 슬릿날에는, 일정한 섬유폭으로 한 강화 섬유를, 나이프 형상의 슬릿날에 통과시킴으로써 섬유를 절분(切分)하거나, 빗 형상으로 한 슬릿을 통하여 섬유를 추려냄으로써, 보다 바람직하게 섬유폭을 제어할 수 있다. 또한, 강화 섬유의 수속제(收束劑)를 선택하여, 분섬함으로써 강화 섬유 중의 평균 섬유수가 목적의 수량의 것을 얻기 쉽게 할 수도 있다.

이와 같이 섬유 확폭에 이어서 섬유 분섬을 실시함으로써, 강화 섬유를 소형이고, 또한 같은 정도의 섬유폭으로 제어할 수 있다. 그 때문에 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 강화 기능의 발현성이 뛰어나고, 균질성이 향상되고, 강화 섬유 매트의 두께 불균일이 작고 기계강도가 뛰어난 랜덤 매트를 얻을 수 있다.

<산포 공정>

이어서 커트된 강화 섬유를 커터 하류의 테이퍼관 내에 도입하여, 산포하는 공정을 실시한다. 강화 섬유를 테이퍼관으로 반송하는 방법에 관하여는 특별히 한정은 없지만, 테이퍼관에 흡인 풍속을 발생시켜, 공기에 의해 테이퍼관 내부로 반송시키는 것이 바람직하다. 커트 공정에 있어서, 복수의 강화 섬유를 개별적으로 커트했을 경우, 테이퍼관 내부에서 혼합시킴으로써, 강화 섬유를 바람직하게 혼합시킬 수 있다.

또한, 산포 공정에 있어서, 강화 섬유에 압축 공기를 직접 분사함으로써, 강화 섬유폭의 분포를 적절히 넓히는 것도 바람직하다. 분포의 넓이는 분사하는 압축 공기의 압력에 의해 컨트롤할 수도 있다.

반송한 강화 섬유는 산포 장치 하부에 설치한 통기성 시트 위에 산포하는 것이 바람직하다.

또한 하기의 정착 공정을 위해서도, 흡인 기구를 가지는 가동식(可動式)의 통기성 시트 위에 산포하는 것이 바람직하다.

또한 산포 공정에 있어서, 커트된 강화 섬유를, 섬유상 또는 분말상의 열가소성 수지와 동시에, 시트 위에 산포함으로써, 강화 섬유와 열가소 수지를 포함하는 랜덤 매트를 적합하게 얻을 수 있다.

<정착 공정>

이어서 산포된 강화 섬유를 정착시켜, 강화 섬유 매트를 얻는다. 구체적으로는, 산포된 강화 섬유를 통기성 시트 하부로부터 에어를 흡인하여, 강화 섬유를 정착시켜 강화 섬유 매트를 얻는 방법이 바람직하다. 강화 섬유와 동시에 섬유상 또는, 분말상의 열가소성 수지를 산포하는 경우이어도, 강화 섬유에 수반하여 정착된다. 또한, 이 정착 공정의 처리는, 상기의 산포 공정에 있어서, 강화 섬유 등을 산포하는 것과 연속하여 실시해도 된다.

<열가소성 수지 첨가 공정>

열가소성 수지 첨가 공정은 전술한 1∼3의 공정과 동시에 실시해도 되고, 예를 들면, 상기의 산포 공정에서, 분말상 등의 열가소성 수지를 산포해도 된다. 그와 같은 전술한 1∼3의 공정에 있어서의 열가소성 수지의 첨가를 하지 않고, 강화 섬유 매트를 작성했을 경우는, 강화 섬유 매트에 시트상이나 필름상 등의 열가소성 수지를 탑재 또는 적층하여 본 발명의 랜덤 매트로 할 수 있고, 이 경우 시트상 또는 필름상의 열가소성 수지는 용융 상태이어도 된다.

또한, 상기의 산포 공정에서, 분말상 등의 열화성 수지를 산포하여 얻어진 랜덤 매트에 대하여, 상기와 같이, 시트상이나 필름상, 또는 분말상 등의 열가소성 수지를 탑재 또는 적층해도 된다.

[섬유 강화 복합재료 성형체의 제조]

본 발명의 랜덤 매트를 성형하여, 섬유 강화 복합재료 성형체가 얻어진다. 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻는 방법으로서는, 상기와 같이 하여 얻어진 랜덤 매트를 프레스 등에 의해 가열·가압하여 얻는 방법을 들 수 있다. 본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻는 방법에 특별히 한정은 없지만, 예를 들면 진공 성형이나 액압성형, 핫 프레스, 콜드 프레스 등에 의해 성형함으로써 적합하게 그 성형체를 얻을 수 있다. 그 중에서도 본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체는, 랜덤 매트를, 그 함유하는 열가소성 수지의 융점 혹은 유리전이온도 이상까지 가열한 후, 그 수지의 융점 혹은 유리전이온도 이하의 온도로 유지한 형(型)에 끼워넣어서 형상을 얻는, 콜드 프레스 성형에 있어서 적합하게 얻어진다.

랜덤 매트를 성형하는 경우, 사전에 매트릭스인 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상, 또는 열가소성 수지가 비정성(非晶性)인 경우는 유리전이점 이상의 온도, 바람직하게는, 열가소성 수지의 분해점 이하의 온도로, 랜덤 매트가 더 가열되어 있는 것이 바람직하다. 가압 매체는, 매트릭스인 열가소성 수지의 융점 또는 유리전이점 이상으로 조정되어 있어도, 융점 또는 유리전이점 이하로 조정되어 있어도 된다. 또한 성형할 때에, 적절히, 열가소성 수지를 첨가함으로써 목적에 따라 두께가 상이한 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻을 수 있다. 첨가하는 열가소성 수지는 특별히 지정은 없고, 구체적인 예로서는 매트릭스 수지의 항목에서 설명한 바와 동일한 것을 들 수 있다. 또한 수지의 형태도, 용융 수지나 섬유상, 분말상이나 필름상 등을 사용할 수 있다.

이들 본 발명의 랜덤 매트는, 프리폼으로서 그대로 사용되어도 되고, 성형판으로 되고 나서 최종 형태의 성형체로 해도 된다.

실시예

이하에 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이들에 제한되는 것은 아니다. 또한, 특히, 주기(注記)가 없는 한, 강화 섬유나 그 시료에 관하여, 섬유의 길이, 섬유폭 및 섬유 두께의 단위는 mm, 중량의 단위는 g이다. 또한, 이하의 실시예, 비교예에서 사용한 탄소 섬유나 열가소성 수지의 밀도는 이하와 같다.

PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) STS40-24K: 1.75g/cm³

PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) UMS40-24K: 1.79g/cm³

PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) HTS40-12K: 1.76g/cm³

PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) UTS50-24K: 1.79g/cm³

폴리프로필렌: 0.91g/cm³

폴리아미드6: 1.14g/cm³

폴리카보네이트: 1.20g/cm³

[랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 수평균 섬유폭 및 중량 평균 섬유폭을 구하는 방법]

랜덤 매트를 100mm×100mm로 잘라내고, 강화 섬유를 핀셋으로 무작위로 300개 취출한다. 취출한 강화 섬유에 관하여, 개개의 섬유폭(W_i)과 섬유 중량(w_i), 섬유 두께(t_i)를 측정하여, 기록한다. 섬유폭과 섬유 두께의 측정에는, 1/100mm까지 측정 가능한 노기스를 사용하고, 중량의 측정에는, 1/100mg까지 측정 가능한 천칭을 사용한다. 중량을 측정할 수 없는 소형의 강화 섬유에 관하여는, 같은 섬유폭의 것을 모아서 중량을 측정하였다. 또한, 2종류 이상의 강화 섬유가 사용되고 있는 경우에는, 섬유의 종류마다 나누고, 각각에 관하여 측정 및 평가를 실시한다.

취출한 모든 섬유에 관하여 섬유폭(W_i)과 섬유 중량(w_i) 측정 후, 수평균 섬유폭(Wn)을 이하의 식(4)에 의해 구한다.

Wn = ΣW_i×I (4)

I는 강화 섬유의 개수이며, 섬유 개수가 300개에 미달한 경우를 제외하고, 그 값은 300이다.

또한, 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)을, 강화 섬유의 총중량(w)으로부터 이하의 식(5)에 의해 구한다.

Ww = Σ(W_i×w_i/w) (5)

또한, 강화 섬유와 열가소성 수지를 분리할 수 없어 상기 측정에 지장이 있는 경우는, 예를 들면 500℃에서 1시간 정도 가열하는 등으로 하여, 열가소성 수지를 제거한 후에 상기 측정을 실시한다.

[강화 섬유에 있어서의 분산비(Ww/Wn)를 구하는 방법]

얻어진 강화 섬유의 수평균 섬유폭(Wn), 및 중량 평균 섬유폭(Ww)으로부터, 평균 섬유폭 분산비(Ww/Wn)를 이하의 식(6)에 의해 구한다.

평균 섬유폭 분산비(Ww/Wn) = 중량 평균 섬유폭(Ww)/수평균 섬유폭(Wn) (6)

[랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유폭 분포의 피크 위치의 확인 방법]

상기에 의해 얻어진 섬유폭(Wi)과 섬유 중량(wi) 및 강화 섬유의 총중량(w)으로부터, 섬유폭과 섬유 중량분율(%)의 그래프를 작성하고, 얻어진 강화 섬유폭 분포의 형상으로부터, 섬유폭 분포가 가지는 피크의 위치의 확인을 실시한다.

또한, 2종류 이상의 강화 섬유가 사용되어 있는 경우에는, 각각의 섬유의 종류마다 그래프를 작성하여, 평가를 실시한다.

[랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께를 구하는 방법]

상기에 의해, 취출한 모든 강화 섬유에 관하여 섬유 두께(ti)와 섬유 중량(w_i) 측정 후, 중량 평균 섬유 두께(t)를 이하의 식(7)에 의해 구한다.

t = Σ(t_i×w_i/w) (7)

[섬유 강화 복합재료 성형체에 있어서의 강화 섬유의 수평균 섬유폭 및 중량 평균 섬유폭을 구하는 방법]

섬유 강화 복합재료 성형체 내의 강화 섬유의 평균 섬유폭은, 복합재료 성형체를 100mm×100mm로 잘라내고, 500℃에서 1시간 정도 노(爐) 내에서 가열하여 수지를 제거한 후, 랜덤 매트와 동일한 순서로, 섬유를 취출하여 섬유폭(Wi)과 섬유 중량(w_i) 등을 측정하여 구한다.

[강화 섬유 매트 또는 랜덤 매트에 있어서의 평균 섬유 길이 L을 구하는 방법]

강화 섬유 매트 또는 랜덤 매트로부터, 강화 섬유를, 핀셋을 사용하여 무작위로 100개 취출하고, 개개의 섬유 길이 Li를, 노기스를 사용하여, 1mm까지 측정하여, 기록한다. 취출할 때의 크기는 섬유 길이에 대하여, 충분히 큰 범위에 관하여, 취출하는 것이 바람직하다.

얻어진 개개의 섬유 길이 Li로부터, 하기 식으로부터 평균 섬유 길이 L을 구한다.

L = ΣL_i/100

또한, 강화 섬유와 열가소성 수지를 분리할 수 없어 상기 측정에 지장이 있는 경우는, 예를 들면 500℃에서 1시간 정도 가열하는 등으로 하여, 열가소성 수지를 제거한 후에 상기의 측정을 실시한다.

[섬유 강화 복합재료 성형체(성형판)의 열가소성 수지의 함침 정도의 평가]

섬유 강화 복합재료 성형체(성형판)의 함침 정도는, 초음파 탐상 시험에 의해 평가한다. 초음파 탐상 영상화 장치(닛폰 쿠라우트클레이머(주) SDS-WIN)로 탐상기 주파수 5MHz, 주사(走査) 피치 2.0mm×2.0mm로 탐상시험을 실시함으로써 평가하였다. 평가를 실시함에 있어서, 반사파 강도 90% 이상의 부분의 단면에 있어서 현미경 관찰을 실시하여, 결함이나 공극이 존재하지 않는다는 것을 확인하였다. 탐상시험에 있어서 반사파 강도가 높은(본 실시예에서는 70% 이상) 부분의 면적 비율이 많을수록, 성형판의 내부가 치밀하여, 성형판에 있어서 열가소성 수지의 함침 정도가 높다고 한다. 한편 반사파 강도가 낮은(본 실시예에서는 50% 이하) 부분의 면적 비율이 많을수록, 성형판의 내부에 미세한 공극부가 있어, 성형판에 있어서 미함침 부분이 많다고 한다.

[인장 시험]

워터 제트를 사용하여 섬유 강화 복합재료 성형체(성형판)로부터 시험편을 잘라내고, JIS K 7164를 참고로 하고, 인스트롱사 제의 만능 시험기를 사용하여, 인장강도 및 인장탄성률을 측정하였다. 시험편의 형상은 1B계 B형 시험편으로 하였다. 척(chuck) 사이 거리는 115mm, 시험속도는 10mm/분으로 하였다. 또한, 시험편에 관하여는, 성형체의 임의의 방향(0도 방향), 및 이것과 직교하는 방향(90도 방향)에 관하여 각각 잘라내서, 양방향의 인장강도 및 인장탄성률을 측정하였다. 또한, 인장탄성률에 관하여는, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비(Eδ)를 산출하였다.

[실시예 1]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) STS40-24K 스트랜드(섬유 직경 7.0㎛ 섬유폭 10mm 인장강도 4000MPa)를 섬유 확폭하여 22mm 폭으로 하였다. 확폭한 섬유를 분섬장치로 처리하기 전에, 내폭 20mm의 롤러에 통과시킴으로써 섬유폭을 정확하게 20mm 폭이 되도록 조절을 실시하였다. 확폭하여 20mm 폭으로 한 강화 섬유 스트랜드를, 초경합금제의 원반상(圓盤狀)의 분섬날을 사용하여, 라인속도 10m/sec로 1.2mm 간격으로 슬릿(slit)한 것과, 라인속도 30m/sec로 0.3mm 간격으로 슬릿을 한 것으로 하고, 그것들을 각각 2조(組)의 커트장치에 공급하였다. 커트장치로서, 모두 12mm 간격으로 날이 형성된 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 2종류의 섬유폭으로 슬릿한 강화 섬유 스트랜드를 각각 섬유 길이가 12mm가 되도록 커트하였다. 이 2개의 로터리 커터의 하부에, 각각의 로터리 커터 출구측으로부터 이어지는 1개의 테이퍼관을 배치하였다. 이 테이퍼관으로 압축 공기를 이송하고, 흡인 풍속 5m/sec로 각각의 강화 섬유를 테이퍼관에 도입하고, 반송하여 테이퍼관 내에서 양쪽 강화 섬유를 혼합하였다. 테이퍼관의 측면으로부터 매트릭스 수지로서, 입자 직경 500㎛로 분쇄, 분급한 폴리프로필렌(프라임폴리머사 제 J-106G)을 공급하였다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로어에 의해 흡인을 실시하면서, 상기 테이퍼관으로부터 강화 섬유를 공급하여, 섬유 기본 중량 1270g/m²의 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 병행하여 있고, 면내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 12mm이며, 중량 평균 섬유 두께는 0.06mm였다. 랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)은 0.51mm이고, 수평균 섬유폭(Wn)은 0.25mm이며, 분산비(Ww/Wn)는 2.01였다. 또한 섬유폭과 섬유 중량분율을 그래프로 하여, 그 섬유폭 분포가 가지는 피크의 위치의 확인을 실시하였던바, 섬유폭 0.29mm와 1.18mm에 각각 피크를 확인하였다.

얻어진 랜덤 매트를 220℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 10분간 가열하고, 두께 1.6mm의 성형판을 얻었다. 얻어진 성형판에 관하여 초음파 탐상 시험을 실시하였던바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.

얻어진 성형판의 강화 섬유 체적 함유율은 45Vol%이고, JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 490MPa이며, 인장탄성률은 36GPa였다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률비는 1.04였다.

[실시예 2]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) UMS40-24K 스트랜드(섬유 직경 4.8㎛ 섬유폭 10mm 인장강도 4600MPa)를 섬유 확폭하여 16mm 폭으로 하였다. 확폭한 섬유를 분섬장치로 처리하기 전에, 내폭 15mm의 롤러에 통과시킴으로써 섬유폭을 정확하게 15mm 폭이 되도록 조절을 실시하였다. 확폭하여 15mm 폭으로 한 강화 섬유 스트랜드를, 초경합금의 원반상의 분섬날을 사용하여, 라인속도 35m/sec로 강화 섬유를 0.8mm 간격으로 슬릿한 것과, 라인속도 15m/sec로 0.2mm 간격으로 슬릿한 것으로 하고, 그것들을 각각 2조의 커트장치에 공급하였다. 커트장치로서 모두 6mm 간격으로 날이 형성된 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유 길이가 6mm가 되도록 하였다.

0.8mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유를, 로터리 커터로 커트한 후에, 바로 아래에 배치한 테이퍼관에, 압축 공기를 이송함으로써, 흡인 풍속 5m/sec로 테이퍼관에 도입하였다.

0.2mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유를 커트장치에 공급 후, 산포 장치의 작은 구멍을 가진 관으로 이송하고, 거기서 컴프레서를 사용하여 작은 구멍으로부터 압축 공기를 송기(送氣)함으로써, 강화 섬유의 개섬을 실시하였다. 이 때, 작은 구멍으로부터의 토출 풍속은 80m/sec였다. 그 후, 개섬된 강화 섬유를 테이퍼관에 도입하고, 0.8mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유와 테이퍼관 내에서 혼합하였다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로어에 의해 흡인을 실시하면서, 상기 테이퍼관으로부터 강화 섬유를 공급하여, 섬유 기본 중량 1410g/m²의 강화 섬유 매트를 얻었다. 강화 섬유 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 병행하여 있고, 면내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다.

이어서, 이 매트 위에, 용융한 매트릭스 수지를 공급하였다. 즉, 매트릭스 수지로서 폴리아미드6(유니치카사 제 A1030)을 사용하고, 이것을 용융하여, 컨베이어 네트 위쪽 5cm의 위치에 설치한 폭 1m의 T-다이로부터 두께 1.2mm의 막상(膜狀) 용융 수지체를 컨베이어 라인속도와 같은 속도로 압출하여, 매트 전면(全面)에 용융 수지를 공급하였다. 이 때, 강화 섬유 매트면 위의 수지가 공급되는 개소(箇所)를, 적외선 히터에 의해 가열하여, 수지의 냉각 고화를 방지하도록 하였다.

그리고, 강화 섬유의 공급량을 1410g/min에 대하여, 매트릭스 수지의 공급량을 1370g/min로 하는 조건으로 장치를 가동하였던바, 정착 네트 위에 강화 섬유와 열가소성 수지로 이루어지는 랜덤 매트가 형성되었다. 계속하여, 이것을 설정 온도 280℃의 한쌍의 가열 롤러에 의해 가열 가압하여, 수지가 균일하게 함침된 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 6mm이며, 중량 평균 섬유 두께는 0.07mm였다. 랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)은 0.52mm이고, 수평균 섬유폭(Wn)은 0.12mm이며, 분산비(Ww/Wn)는 4.31였다. 또한 섬유폭과 섬유 중량분율을 그래프로 하고, 그 섬유폭 분포가 가지는 피크의 위치의 확인을 실시하였던바, 섬유폭 0.08mm와 0.79mm에 각각 피크를 확인하였다.

얻어진 랜덤 매트를 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 10분간 가열하여, 두께 2.0mm의 성형판을 얻었다. 얻어진 성형판에 관하여 초음파 탐상 시험을 실시하였던바, 반사파 강도가 70% 이상의 부분이 80% 이상 관찰되었다.

얻어진 성형판의 강화 섬유 체적 함유율은 40Vol%이고, JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 500MPa이며, 인장탄성률은 51GPa였다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률비는 1.03였다.

[실시예 3]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) HTS40-12K 스트랜드(섬유 직경 7.0㎛ 섬유폭 8mm 인장강도 4200MPa)를 섬유 확폭하여 16mm 폭으로 하였다. 확폭한 강화 섬유 스트랜드를 분섬장치로 처리하기 전에, 내폭 15mm의 롤러에 통과시킴으로써 섬유폭을 정확하게 15mm 폭이 되도록 조절을 실시하였다. 확폭하여 15mm 폭으로 한 강화 섬유 스트랜드를, 초경합금의 원반상의 분섬날을 사용하여, 라인속도 20m/sec로 강화 섬유를 5.0mm 간격으로 슬릿한 것과, 라인속도 20m/sec로 0.5mm 간격으로 슬릿을 한 것으로 하고, 그것들을 각각 2조의 커트장치에 공급하였다. 커트장치로서 모두 30mm 간격으로 날이 형성된 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유 길이가 30mm가 되도록 커트하였다. 이 로터리 커터로, 2종류의 섬유폭으로 한 강화 섬유를 각각 커트하였다. 이 로터리 커터의 하부에, 각각의 로터리 커터 출구측으로부터 이어지는 1개의 테이퍼관을 배치하였다. 이 테이퍼관으로 압축 공기를 이송함으로써, 흡인 풍속 5m/sec로 각각의 강화 섬유를 테이퍼관에 도입하고, 반송하여 테이퍼관 내에서 양쪽 강화 섬유를 혼합하였다. 테이퍼관의 측면으로부터 매트릭스 수지로서, 입자 직경 500㎛로 분쇄, 분급한 폴리카보네이트(데이진카세이사 제 " 팬라이트" (등록상표) L-1225Y)를 공급하였다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로어에 의해 흡인을 실시하면서, 상기 테이퍼관으로부터 강화 섬유를 공급하여, 섬유 기본 중량 2900g/m²의 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 병행하여 있고, 면내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 30mm이며, 중량 평균 섬유 두께는 0.05mm였다. 랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)은 2.77mm이고, 수평균 섬유폭(Wn)은 0.73mm이며, 분산비(Ww/Wn)는 3.82였다. 또한 섬유폭과 섬유 중량분율을 그래프로 하여, 그 섬유폭 분포가 가지는 피크의 위치의 확인을 실시하였던바, 섬유폭 0.48mm와 5.00mm에 각각 피크를 확인하였다.

얻어진 랜덤 매트를 300℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 10분간 가열하여, 두께 3.0mm의 성형판을 얻었다. 얻어진 성형판에 관하여 초음파 탐상 시험을 실시하였던바, 반사파 강도가 70% 이상의 부분이 80% 이상 관찰되었다.

얻어진 성형판의 강화 섬유 체적 함유율은 55Vol%이고, JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 600MPa이며, 인장탄성률은 44GPa였다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률비는 1.07였다.

[비교예 1]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) HTS40-12K 스트랜드(섬유 직경 7.0㎛ 섬유폭 8mm 인장강도 4200MPa)를 섬유 확폭하여 16mm 폭으로 하였다. 확폭한 강화 섬유 스트랜드를 분섬장치로 처리하기 전에, 내폭 15mm의 롤러에 통과시킴으로써 섬유폭을 정확하게 15mm 폭이 되도록 조절을 실시하였다. 분섬장치에는, 초경합금의 원반상의 분섬날을 사용하여, 강화 섬유 스트랜드를 3.2mm 간격으로 슬릿하였다. 커트장치로서, 30mm 간격으로 날이 형성된 로터리 커터를 사용하고, 슬릿된 강화 섬유 스트랜드를 섬유 길이가 30mm가 되도록 커트하였다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하였다. 이 테이퍼관으로 압축 공기를 이송함으로써, 흡인 풍속 5m/sec로 커트된 강화 섬유를 테이퍼관에 도입하여, 반송하였다. 테이퍼관의 측면으로부터 매트릭스 수지로서, 입자 직경 500㎛로 분쇄, 분급한 폴리카보네이트(데이진카세이사 제 " 팬라이트" (등록상표) L-1225Y)를 공급하였다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로어에 의해 흡인을 실시하면서, 상기 테이퍼관으로부터 강화 섬유를 공급하여, 섬유 기본 중량 2900g/m²의 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 병행하여 있고, 면내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 30mm이며, 중량 평균 섬유 두께는 0.05mm였다. 랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)은 3.04mm이며, 수평균 섬유폭(Wn)은 2.32mm이며, 분산비(Ww/Wn)는 1.31였다. 또한 섬유폭과 섬유 중량분율을 그래프로 하여, 그 섬유폭 분포가 가지는 피크의 위치의 확인을 실시하였던바, 섬유폭 3.18mm에 단일의 피크를 확인하였다.

얻어진 랜덤 매트를 300℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 10분간 가열하여, 두께 3.2mm의 성형판을 얻었다. 얻어진 성형판에 관하여 초음파 탐상 시험을 실시하였던바, 반사파 강도가 70% 이상의 부분이 58% 관찰되고, 성형판 내부에 미함침 부분이 확인되었다.

얻어진 성형판의 강화 섬유 체적 함유율은 52Vol%이고, JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 440MPa이며, 인장탄성률은 41GPa였다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률비는 1.16였다.

[실시예 4]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) UTS50-24K 스트랜드(섬유 직경 6.9㎛ 섬유폭 10mm 인장강도 5000MPa)를 섬유 확폭하여 22mm 폭으로 하였다. 확폭한 강화 섬유 스트랜드를 분섬장치로 처리하기 전에, 내폭 20mm의 롤러에 통과시킴으로써 섬유폭을 정확하게 20mm 폭이 되도록 조절을 실시하였다. 확폭하여 20mm 폭으로 한 강화 섬유 스트랜드를, 원반상의 분섬날을 사용하여, 라인속도 35m/sec로 강화 섬유 스트랜드를 3.6mm 간격으로 슬릿한 것과, 라인속도 15m/sec로 0.3mm 간격으로 슬릿한 것으로 하고, 그것들을 각각 2조의 커트장치에 공급하였다. 커트장치로서 각각 20mm간격과 4mm 간격으로 날이 형성된 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유 길이가 20mm와 4mm가 되도록 하였다.

3.6mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유 스트랜드를, 로터리 커터로 20mm로 커트한 후에, 바로 아래에 배치한 테이퍼관으로 압축 공기를 이송함으로써, 흡인 풍속 5m/sec로 테이퍼관에 도입하였다.

0.3mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유 스트랜드를 4mm로 커트한 후, 산포 장치의 작은 구멍을 가진 관으로 이송하고, 컴프레서를 사용하여 작은 구멍으로부터 압축 공기를 송기함으로써, 개섬을 실시하였다. 이 때, 작은 구멍으로부터의 토출 풍속은 80m/sec였다. 그 후, 0.3mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유를 테이퍼관에 도입하여, 3.6mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유와 테이퍼관 내에서 혼합하였다. 또한 테이퍼관의 측면으로부터 매트릭스 수지로서, 입자 직경 500㎛로 분쇄, 분급한 폴리아미드6(유니치카사 제 " A1030" )을 공급하고, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로어에 의해 흡인을 실시하면서, 상기 테이퍼관으로부터 탄소 섬유를 공급하여, 섬유 기본 중량 2900g/m²의 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 병행하여 있고, 면내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 15.2mm이며, 중량 평균 섬유 두께는 0.05mm였다. 랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)은 2.54mm이며, 수평균 섬유폭(Wn)은 0.38mm이며, 분산비(Ww/Wn)는 6.68였다. 또한 섬유폭과 섬유 중량분율을 그래프로 하여, 그 섬유폭 분포가 가지는 피크의 위치의 확인을 실시하였던바, 섬유폭 0.15mm와 3.57mm에 각각 피크를 확인하였다. 얻어진 랜덤 매트를 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 10분간 가열하여, 두께 3.0mm의 성형판을 얻었다. 얻어진 성형판에 관하여 초음파 탐상 시험을 실시하였던바, 반사파 강도가 70% 이상의 부분이 80% 이상 관찰되었다.

얻어진 성형판의 강화 섬유 체적 함유율은 55Vol%이고, JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 620MPa이며, 인장탄성률은 45GPa였다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률비는 1.06였다.

[실시예 5]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) STS40-24K 스트랜드(섬유 직경 7.0㎛ 섬유폭 10mm 인장강도 4000MPa)를 섬유 확폭하여 20mm 폭으로 하였다. 확폭한 강화 섬유 스트랜드를 분섬장치로 처리하기 전에, 내폭 18mm의 롤러에 통과시킴으로써 섬유폭을 정확하게 18mm 폭이 되도록 조절을 실시하였다. 확폭하여 18mm 폭으로 한 강화 섬유 스트랜드를 각각, 원반상의 분섬날을 사용하여, 라인속도 30m/sec로 강화 섬유 스트랜드를 5.8mm 간격으로 슬릿한 것과, 라인속도 20m/sec로 0.3mm 간격으로 슬릿한 것을 각각 2조의 커트장치에 공급하였다. 커트장치로서, 모두, 20mm 간격으로 날이 형성된 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유 길이가 20mm가 되도록 강화 섬유 스트랜드를 커트하였다.

5.8mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유를, 로터리 커터로 커트한 후에, 바로 아래에 배치한 테이퍼관으로 압축 공기를 이송함으로써, 흡인 풍속 5m/sec로 테이퍼관에 도입하였다.

0.3mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유 스트랜드를 커트한 후, 산포 장치의 작은 구멍을 가진 관으로 이송하고, 거기서 컴프레서를 사용하여 작은 구멍으로부터 압축 공기를 송기함으로써, 개섬을 실시하였다. 이 때, 작은 구멍으로부터의 토출 풍속은 80m/sec였다. 그 후, 0.3mm 간격으로 슬릿 되어 개섬된 강화 섬유를 테이퍼관에 도입하여, 5.8mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유와 테이퍼관 내에서 혼합하였다. 또한 테이퍼관의 측면으로부터 매트릭스 수지로서, 입자 직경 500㎛로 분쇄, 분급한 폴리아미드6(유니치카사 제 " A1030" )을 공급하고, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로어에 의해 흡인을 실시하면서, 상기 테이퍼관으로부터 강화 섬유를 공급하여, 섬유 기본 중량 2900g/m²의 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 병행하여 있고, 면내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 20mm이며, 중량 평균 섬유 두께는 0.06mm였다. 랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)은 3.55mm이며, 수평균 섬유폭(Wn)은 0.37mm이며, 분산비(Ww/Wn)는 9.69였다. 또한 섬유폭과 섬유 중량분율을 그래프로 하여, 그 섬유폭 분포가 가지는 피크의 위치의 확인을 실시하였던바, 섬유폭 0.02mm와 5.78mm에 각각 피크를 확인하였다. 얻어진 랜덤 매트를 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 10분간 가열하여, 두께 3.0mm의 성형판을 얻었다. 얻어진 성형판에 관하여 초음파 탐상 시험을 실시하였던바, 반사파 강도가 70% 이상의 부분이 80% 이상 관찰되었다.

얻어진 성형판의 강화 섬유 체적 함유율은 55Vol%이고, JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 500MPa이며, 인장탄성률은 44GPa였다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률비는 1.12였다.

[비교예 2]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) HTS40-12K 스트랜드(섬유 직경 7.0㎛ 섬유폭 8mm 인장강도 4200MPa)를 사용하여, 로터리 커터로 6mm로 커트하였다.

커트한 강화 섬유는 분산조(分散槽)에 공급하여, 강화 섬유 9g에 대하여 물 15L로 3분간 교반함으로써 강화 섬유를 분산액에 분산시켰다. 분산조에서 3분간 교반한 후, 얻어진 강화 섬유의 슬러리를 300mm×300mm의 각형(角型) 초지(抄紙) 장치에 공급하여, 분산액을 제거함으로써 강화 섬유 기본 중량이 100g/m²의 초지 기재를 얻었다. 얻어진 초지 기재는 100℃의 온도로 1시간 정도 가열하여, 건조하였다.

얻어진 초지 기재를 구성하는 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께는 0.01mm, 중량 평균 섬유폭(Ww)은 0.01mm이고, 수평균 섬유폭(Wn)은 0.01mm이고, 분산비(Ww/Wn)는 1.0이며, 강화 섬유는 거의 단사에 까지 완전하게 분산되어 있었다.

초지 기재와 폴리프로필렌 필름(프라임폴리머사 제 J-106G)을, 강화 섬유(탄소 섬유) 기본 중량 2600g/m², 수지(폴리프로필렌) 기본 중량 1270g/m²가 되도록, 교대로 적층하여, 설정 온도 220℃의 한쌍의 가열 롤러에 의해 가열 가압하였다. 그 후, 220℃로 가열한 프레스 장치에서, 10MPa로 10분간 가열하였던바, 두께 30mm정도의 미함침인 판이 얻어졌다. 판은, 수지가 충분히 돌지 않고, 층 사이에서 박리되어 버려 기계강도의 평가를 실시할 수 없었다.

얻어진 성형판에 있어서, 강화 섬유의 평균 섬유 길이를 측정하였던바 2.1mm이며, 초지 기재의 제작전의 키트시의 강화 섬유의 평균 섬유 길이의 1/3정도로 감소되었다. 이는, 초지나 프레스 성형시에 강화 섬유가 꺾여 파손되었기 때문이다.

[비교예 3]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 PAN계 탄소 섬유 " 테낙스" (등록상표) HTS40-12K 스트랜드(섬유 직경 7.0㎛ 섬유폭 8mm 인장강도 4200MPa)를 사용하였다. 강화 섬유 스트랜드로서는, 원반상의 분섬날을 사용하여, 라인속도 35m/sec로 강화 섬유를 1.0mm 간격으로 슬릿한 것과, 라인속도 65m/sec로 슬릿하지 않고 통과시킨 것을 각각 2조의 커트장치에 공급하였다. 커트장치에는, 모두 30mm 간격으로 날이 형성된 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유 길이가 30mm가 되도록 하였다.

1.0mm 간격으로 슬릿한 강화 섬유 스트랜드를, 로터리 커터로 커트한 후, 산포 장치의 작은 구멍을 가진 관으로 이송하고, 컴프레서를 사용하여 작은 구멍으로부터 압축 공기를 송기함으로써, 강화 섬유의 개섬을 실시하였다. 이 때, 작은 구멍으로부터의 토출 풍속은 50m/sec였다.

슬릿하지 않았던 강화 섬유는 커트한 후에, 바로 아래에 배치한 테이퍼관에, 흡인 풍속 5m/sec로 도입하였다. 그 후, 각각의 강화 섬유를 테이퍼관에 도입하여, 2종류의 강화 섬유를 테이퍼관 내에서 혼합하였다. 또한 테이퍼관의 측면으로부터 매트릭스 수지로서 입자, 직경 500㎛로 분쇄, 분급한 폴리카보네이트(데이진가세이사 제 " 팬라이트" (등록상표) L-1225Y)를 공급하고, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로어에 의해 흡인을 실시하면서, 상기 테이퍼관으로부터 강화 섬유를 공급하여, 강화 섬유 기본 중량 2900g/m²의 랜덤 매트를 얻었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 병행하여 있고, 면내에 있어서는 무작위로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 30mm이며, 중량 평균 섬유 두께는 0.07mm였다. 랜덤 매트를 구성하는 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)은 5.17mm이고, 수평균 섬유폭(Wn)은 1.94mm이며, 분산비(Ww/Wn)는 2.67였다. 또한 섬유폭과 섬유 중량분율을 그래프로 하여, 그 섬유폭 분포가 가지는 피크의 위치의 확인을 실시하였던바, 섬유폭 0.92mm와 8.00mm에 각각 피크를 확인하였다. 얻어진 랜덤 매트를 300℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 10분간 가열하여, 두께 3.2mm의 성형판을 얻었다. 얻어진 성형판에 관하여 초음파 탐상 시험을 실시하였던바, 반사파 강도가 70% 이상의 부분이 43% 관찰되고, 성형판 내부에 미함침 부분이 많이 확인되었다.

얻어진 성형판의 강화 섬유 체적 함유율은 51Vol%이고, JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 370MPa이며, 인장탄성률은 32GPa였다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률비는 1.23였다.

산업상의 이용 가능성

본 발명에 의해 얻어지는 랜덤 매트 및 섬유 강화 복합재료 성형체는 뛰어난 기계강도를 가지며, 또한 그 등방성이 뛰어나고, 또한 인장탄성률이 높기 때문에, 각종 구성부재, 예를 들면 자동차 내판, 외판, 구성부재, 또한 각종 전기제품, 기계의 프레임이나 하우징 등에 사용할 수 있다.

본 발명을 상세하게 또한 특정의 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.

본 출원은, 2012년 8월 1일 출원의 일본 특허출원(특원 2012-171142)에 근거한 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 원용된다.

1. 강화 섬유
2. 핀치롤러
3. 고무 롤러
4. 로터리 커터 본체
5. 날
6. 커트된 강화 섬유
7. 날의 피치
8. 확폭된 강화 섬유
9. 확폭장치
10. 섬유폭 규제 롤러
11. 분섬 슬릿터
12. 분섬된 강화 섬유

Claims

평균 섬유 길이 3~100mm의 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하고, 상기 강화 섬유가 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 및 유리 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이며, 하기 i)~iii)을 만족하는 랜덤 매트.
i) 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)이 하기 식(1)을 만족한다.
0.03mm < Ww < 5.0mm (1)
ii) 강화 섬유에 관하여, 중량 평균 섬유폭(Ww)의 수평균 섬유폭(Wn)에 대한 비로서 정의되는 평균 섬유폭 분산비(Ww/Wn)가 1.8 이상 20.0 이하이다.
iii) 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께가, 그 중량 평균 섬유폭(Ww)보다 작다.
삭제
제1항에 있어서,
강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)이 하기 식(2)을 만족하는, 랜덤 매트.
0.1mm＜Ww＜3.0mm (2)
제1항에 있어서,
랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 섬유폭 분포가, 적어도 2개의 피크를 가지는 랜덤 매트.
제4항에 있어서,
랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 섬유폭 분포가 적어도 2개의 피크를 가지며, 어떤 피크가 섬유폭 0.01mm 이상 0.50mm 미만의 범위 내에 있고, 다른 피크가 섬유폭 0.50mm 이상 2.00mm 이하의 범위 내에 있는 랜덤 매트.
제4항에 있어서,
랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 섬유폭 분포가 적어도 2개의 피크를 가지며, 어떤 피크가 섬유폭 0.10mm 이상 1.00mm 미만의 범위 내에 있고, 다른 피크가 섬유폭 1.00mm 이상 5.00mm 이하의 범위 내에 있는 랜덤 매트.
제1항에 있어서,
강화 섬유의 평균 섬유폭 분산비(Ww/Wn)가 2.0 초과 10.0 이하인 랜덤 매트.
제1항에 있어서,
강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께가 0.01mm 이상 0.30mm 이하인 랜덤 매트.
제1항에 있어서,
강화 섬유 기본 중량(目付)이 25∼10000g/m²인 랜덤 매트.
제1항에 있어서,
열가소성 수지의 존재량이, 강화 섬유 100중량부에 대하여, 10∼800중량부인 랜덤 매트.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 랜덤 매트로부터 얻어지는 섬유 강화 복합재료 성형체.
제11항에 있어서,
평균 섬유 길이 3∼100mm의 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하고, 상기 강화 섬유가 하기 i)∼iii)을 만족하는 섬유 강화 복합재료 성형체.
i) 강화 섬유의 중량 평균 섬유폭(Ww)이 하기 식(1)을 만족한다
0.03mm＜Ww＜5.0mm (1)
ii) 강화 섬유에 있어서의 중량 평균 섬유폭(Ww)의 수평균 섬유폭(Wn)에 대한 비로서 정의되는 분산비(Ww/Wn)가 1.8 이상 20.0 이하이다.
iii) 강화 섬유의 중량 평균 섬유 두께가, 그 중량 평균 섬유폭(Ww)보다 작다.
제11항에 있어서,
두께가 0.2∼100mm인 섬유 강화 복합재료 성형체.