KR101574833B1 - 복합재료의 함침성 향상을 위한 기능성 필름 및 이를 이용한 복합재료의 제조방법 - Google Patents

복합재료의 함침성 향상을 위한 기능성 필름 및 이를 이용한 복합재료의 제조방법 Download PDF

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Abstract

저점도 수지층이 형성된 캐리어 필름을 이용하여 함침성을 향상시킬 수 있는 복합재료 형성용 필름 및 이를 이용한 복합재료의 제조방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 복합재료 형성용 필름은 연속 섬유층과, 상기 연속 섬유층의 어느 일면에 부착되며, 상기 연속 섬유층과 부착되는 면에 저점도 수지층이 형성된 캐리어 필름을 포함하여 함침성이 우수하고 기계적 성능이 우수한 복합재료를 갖는 장점이 있다.

Description

복합재료의 함침성 향상을 위한 기능성 필름 및 이를 이용한 복합재료의 제조방법{FUNCTIONAL FILM FOR WELL-IMPREGNATED COMPOSITES AND METHOD OF MANUFACTURING COMPOSITES USING THE SAME}
본 발명은 복합재료 형성용 필름 및 이를 이용한 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저점도 수지층이 형성된 캐리어 필름을 이용하여 함침성을 향상시킬 수 있는 복합재료 형성용 필름 및 이를 이용한 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
자동차용 백 빔(back beam), 보닛(bonnet), 루프(roof) 등에는 복합재료가 사용된다. 상기 복합재료는 두 가지 이상의 재료의 결합으로 형성되며, 강화상(reinforcing phase)으로 불리는 하나의 재료가 섬유, 판, 입자의 형태를 가지고, 기지상(matrix phase)으로 불리는 다른 재료에 묻혀있는 구조이다. 강화재는 고강도 및 고강성의 특성을 가져야 하며, 섬유의 길이가 일정 길이 이상을 만족하여야 한다. 연속 섬유는 LFT(Long Fiber-reinforced Thermoplastics)나 GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)와 같은 5~50 mm 길이 수준의 장-섬유 강화 플라스틱과 비교하여 기계적 강도, 강성 및 충격성능이 매우 우수하다.
현재 복합재료의 기계적 특성을 극대화하기 위하여 연속 섬유와 열가소성 플라스틱의 필름의 적층 구조의 복합재료를 제조하고 있다. 하지만, 상기 연속 섬유와 열가소성 플라스틱 필름과의 계면 친화력의 약화로 만족스러운 함침성을 얻을 수 없고, 따라서 최대 물성치에 도달하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 열가소성 플라스틱 필름 대신 저점도 수지층이 어느 일면에 형성된 캐리어 필름을 이용한 복합재료 형성용 기능성 필름을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 복합재료 형성용 기능성 필름을 이용하여 연속섬유와 열가소성 플라스틱 소재 간에 함침성이 우수한 복합재료를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 복합재료 형성용 필름은 연속 섬유층 및 상기 연속 섬유층의 어느 일면에 부착되며, 상기 연속 섬유층과 부착되는 면에 저점도 수지층이 형성된 캐리어 필름을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 복합재료의 제조방법은 (a) 캐리어 필름의 어느 일면에 저점도 수지층을 형성하고, 상기 저점도 수지층 상에 연속 섬유층을 부착하여 복합재료 형성용 필름을 제조하는 단계와, (b) 상기 저점도 수지층을 상기 연속 섬유층 내부로 함침시켜, 수지 함침 유리 섬유층을 형성하는 단계 및 (c) 상기 캐리어 필름과 상기 수지 함침 연속 섬유층을 압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 복합재료 형성용 필름은 캐리어 필름의 어느 일면에 형성된 저점도 수지층과 연속 섬유층이 부착되므로, 함침성이 우수하고 기계적 성능이 우수한 복합재료를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합재료의 제조방법은 상기 복합재료 형성용 필름을 이용하여 복합재료를 제조함으로써 함침성이 우수하고 기계적 성능이 우수한 복합재료를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합재료 형성용 필름의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합재료 형성용 필름의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 저점도 수지층이 연속 섬유층의 내부로 함침된 모습을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 복합재료(a)의 함침성과 종래 복합재료(b)의 함침성을 나타내는 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 복합재료 형성용 필름 및 이를 이용한 복합재료의 제조방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
복합재료 형성용 필름
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합재료 형성용 필름(10)의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 복합재료 형성용 필름(10)은 캐리어 필름(1), 상기 캐리어 필름의 어느 일면에 형성된 저점도 수지층(2) 및 연속 섬유층(3)을 포함한다.
먼저, 상기 연속 섬유층(3)은 통상 연속섬유 강화 플라스틱으로 되는 복합재료에 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 화학적 결합력을 높이기 위해서 바람직하게는 유리 섬유, 탄소 섬유, 바잘트 섬유, 아라미드 섬유를 포함하는 유기 섬유 및 무기 섬유 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한 상기 연속 섬유의 직경은 작을수록 좋으나 10 ~ 20 ㎛ 인 것이 바람직하다. 연속 섬유층의 섬유 다발은 섬유의 광폭화 측면 및 경제적 측면을 고려하여 600 ~ 2400 tex인 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 캐리어 필름(1)은 고분자 소재의 열가소성 필름이라면 특별히 제한되어 사용되는 것은 아니며, 바람직하게는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, PET(polyethylene terephthalate), PPS(polyphenylene sulfide), PEEK(polyetherehterketone), PLA(polylactic acid) 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 캐리어 필름(1)의 어느 일면에는 저점도 수지층(2)이 형성되어 있다. 상기 저점도 수지층(2)은 연속 섬유층(3)과 부착되는 면에 형성된다. 상기 저점도 수지층(2)을 이루는 물질은 필름상으로 경화된 상태가 아니라 흐름성을 갖는 저점도성 수지라면 특별히 제한되어 사용되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 캐리어 필름(1)과 상용성을 갖는 단량체 및 올리고머 중 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 저점도 수지층(2)은 상기 캐리어 필름(1)과 동일한 물질을 사용할 수 있으며, 캐리어 필름(1)이 폴리아미드와 같은 극성 물질인 경우, 저점도 수지층(2)은 극성 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 캐리어 필름이 무극성 물질이라면 상기 저점도 수지층도 무극성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 저점도 수지층(2)은 고분자 물질은 포함하지 않고, 프리폴리머 상태의 물질로 이루어 질 수 있다. 예로서, 상기 저점도 수지층(2)은 UV 또는 열에 의하여 가교가 가능한 프리폴리머, 또는 2액형의 프리폴리머(예를 들어 우레탄 프리폴리머와 경화제 등)로 이루어질 수 있으며, 구체적으로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, PET(polyethylene terephthalate), PPS(polyphenylene sulfide), PEEK(polyetherehterketone), PLA(polylactic acid) 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 물질의 프리폴리머를 사용하는 것이 바람직하다.
기존의 복합재료 형성용 필름은 열가소성 플라스틱 필름과 연속 섬유층을 부착하고 고열, 고압 조건에서 압착하여 제작하였다. 이 때 상기 복합재료 제작시 연속 섬유층에서 섬유가 표면에 많이 노출되어서 열가소성 필름의 표면과 계면 친화력이 좋지 않기 때문에 열가소성 필름이 연속 섬유층 내부로 충분히 함침되지 못하는 문제점이 있었다.
이와 달리 본 발명에 따른 복합재료 형성용 필름은 캐리어 필름(1)의 어느 일면에 저점도 수지층(2)이 형성되어 있고, 상기 저점도 수지층(2)과 연속 섬유층(3)이 부착되는 구조를 갖는다. 즉, 상기 연속 섬유층이 열가소성 플라스틱 필름과 같은 캐리어 필름에 직접 부착되는 것이 아니라, 상기 저점도 수지층(2)을 통해서 부착되기 때문에 계면 친화력이 상대적으로 우수하다.
본 발명에 따른 복합재료 형성용 필름은 위와 같은 기술적 특징을 통해 함침성이 우수한 복합재료를 형성할 수 있는 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 복합재료 형성용 필름(10의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 복합재료 형성용 필름(10')은 캐리어 필름(1)이 연속 섬유층(3)의 양면에 형성되어 있고, 특히 저점도 수지층(2, 2')이 각각 다른 종류의 물질로 형성되어 있다. 즉, 본 발명에 따른 복합재료 형성용 필름은 2 종류의 저점도 수지층이 연속 섬유층의 일면 또는 양면에 부착될 수 있고, 이를 통해 보다 우수한 강도 및 성질을 갖는 복합재료의 형성이 가능하다.
도 3은 저점도 수지층이 연속 섬유층의 내부로 함침된 복합재료 형성용 필름(20)의 모습을 나타내는 단면도이다.
상기 저점도 수지층은 열 또는 UV광에 의하여 상기 연속 섬유층의 내부로 함침될 수 있으며, 이를 통해 수지 함침 연속 섬유층(4)이 형성된다.
본 발명에 따른 복합재료 형성용 필름에서 일차적으로 저점도 수지층이 연속 섬유층의 내부로 함침되도록 한 후, 최종적으로 압착과정을 거쳐 함침성이 우수한 복합재료의 형성이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 복합재료(a)의 함침성과 종래 복합재료(b)의 함침성을 나타내는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 복합재료 (a)는 연속 섬유층의 내부로 열가소성 플라스틱 수지가 균일하게 함침되어 있으나, 기존의 복합재료 (b)는 연속 섬유층의 내부에 열가소성 플라스틱 수지가 함침되지 않은 부분이 있다.
복합재료의 제조 방법
본 발명에 따른 복합 재료의 제조 방법은 (a) 복합재료 형성용 필름을 제조하는 단계와 (b) 수지 함침 연속 섬유층을 형성하는 단계 및 (c) 캐리어 필름과 수지 함침 연속 섬유층을 압착하는 단계를 포함한다.
먼저, 상기 (a)단계에서는 캐리어 필름의 어느 일면에 저점도 수지층을 형성하고, 상기 저점도 수지층 상에 연속 섬유층을 부착하여 복합재료 형성용 필름을 제조한다. 상기 캐리어 필름은 바람직하게는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, PET(polyethylene terephthalate), PPS(polyphenylene sulfide), PEEK(polyetherehterketone), PLA(polylactic acid) 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 물질을 사용할 수 있다.
상기 저점도 수지층은 필름상으로 경화된 상태가 아니라 흐름성이 우수한 저점도성 수지라면 특별히 제한되어 사용되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 캐리어 필름과 상용성이 우수한 단량체 및 올리고머 중 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 저점도 수지층은 상기 캐리어 필름과 동일한 물질을 사용할 수 있으며, 캐리어 필름이 폴리아미드와 같은 극성 물질인 경우, 저점도 수지층은 극성 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 캐리어 필름이 무극성 물질이라면 상기 저점도 수지층도 무극성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 저점도 수지층은 고분자 물질은 포함하지 않고, 프리폴리머 상태의 물질로 이루어 질 수 있다. 예로서, 상기 저점도 수지층은 UV 또는 열에 의하여 가교가 가능한 프리폴리머, 또는 2액형의 프리폴리머(예를 들어 우레탄 프리폴리머와 경화제 등)로 이루어질 수 있으며, 구체적으로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, PET(polyethylene terephthalate), PPS(polyphenylene sulfide), PEEK(polyetherehterketone), PLA(polylactic acid) 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 물질의 프리폴리머를 사용하는 것이 바람직하다.
여기서 상기 저점도 수지층을 형성하는 방법이 특별히 제한되는 것은 아니며, 일 예로서 저점도 수지를 마련하고 이를 캐리어 필름의 어느 일면에 코팅하는 방식으로 저점도 수지층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 캐리어 필름을 2개 마련하고, 여기에 각각 다른 종류의 물질로 이루어진 저점도 수지층을 형성한 후, 연속 섬유층의 양면에 부착할 수도 있다.
그리고, (b)단계에서는 상기 저점도 수지층을 상기 연속 섬유층 내부로 함침시켜 수지 함침 연속 섬유층을 형성한다. 여기서, 상기 복합재료 형성용 필름에 열을 가하거나 또는 UV광을 조사하여 상기 저점도 수지층을 연속 섬유층 내부로 함침시킬 수 있다. 구체적으로는 50 ~ 100 ℃의 온도 조건 하에서 수지 함침 연속 섬유층을 형성할 수 있고, 저점도 수지층을 이루는 수지의 물성에 적합한 에너지를 갖는 UV광을 조사하여 수지 함침 연속 섬유층을 형성할 수 있다. 상기 온도 조건이 50 ℃ 미만인 경우 상기 저점도 수지가 상기 섬유층에 충분히 함침되지 않는 문제점이 있고, 100℃를 초과하는 경우, 저점도 수지의 연성이 과해져 제조상 문제점이 발생할 수 있다.
마지막으로 (c) 단계에서는 상기 캐리어 필름과 상기 수지 함침 연속 섬유층을 압착하여 최종적으로 복합재료를 제조한다.
상기 압착은 가압 프레스 등을 이용하여 수행될 수 있으며, 바람직하게는 100 ~ 380 ℃의 온도 조건 하에서 압착할 수 있다.
위와 같은 일련의 제조과정을 통해서 함침성이 우수하고 기계적 성질이 우수한 복합재료의 제조가 가능하다.
이하에서는 본 발명을 실시예 및 비교예에 의하여 더욱 상세히 설명하며, 다만 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
<복합재료의 제조>
[실시예1]
17㎛ 의 평균 직경 및 2400 tex의 섬유 다발을 갖는 유리 섬유층을 제작하였다. 그리고, 폴리프로필렌을 주성분으로 하는 캐리어 필름을 2개 제작한 후, 각 캐리어 필름의 일면에 모노머 및 올리고머 상태의 프로필렌을 주성분으로 하는 저점도 수지층을 형성하였다.
이 후, 상기 유리 섬유층의 양면에 상기 저점도 수지층을 부착하여 복합재료 형성용 필름을 제작한 후, 80 ℃의 열을 가하여 상기 저점도 수지층을 상기 연속 섬유층 내부에 함침시켰다. 그리고 상기 필름을 200℃의 온도 조건에서 가압 프레스로 압착하여 실시예에 따른 복합재료를 제조하였다.
[실시예2]
실시예1에 따른 복합재료와 동일한 방식으로 제작하되, 저점도 수지층을 플리에스테르계 우레탄 프리폴리머와 경화제(헥사메틸렌 디이소시아네이트)를 주성분으로 하는 저점도 수지층을 형성하였다.
[비교예]
17㎛ 의 평균 직경 및 2400 tex의 섬유 다발을 갖는 유리 섬유층을 제작하고, 폴리프로필렌을 주성분으로 하는 플라스틱 필름을 2개 제작하였다.
이 후, 상기 유리 섬유층의 양면에 상기 플라스틱 필름을 부착하고, 200℃의 온도 조건에서 가압 프레스로 압착하여 비교예에 따른 복합재료를 제조하였다.
<평가>
상기 실시예와 비교예를 통해 제조된 복합재료에 대해서 기계적 성질을 평가하는 실험을 수행하였다.
기계적 성질을 평가는 실험은 각 재료의 인장강도 및 굽힘강도를 측정하고 비교하여 수행했다. 각 재료의 인장강도 및 굽힘강도의 측정값에 따라 기계적 성질이 우수한 재료와 보통인 재료로 구분하였다. 각 실시예 및 비교예의 인장강도는 ASTM D3039에 의해 측정되었으며, 굽힘강도는 ASTMD790에 의해 측정되었다.
인장강도
(N/mm2)		 굽힘강도
(N/mm2)		 기계적 성질
실시예1 458 401 우수
실시예2 448 404 우수
비교예 428 382 보통
상기 표1을 살펴보면, 실시예 1, 2가 비교예보다 기계적 성질이 우수한 결과를 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 실시예 1, 2는 저점도 수지층을 가지기 때문에 복합재료의 수지 함침성이 비교예에 비하여 우수하다. 따라서, 상기 실시예들이 비교예에 비하여 기계적 성질이 우수한 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
1 : 캐리어 필름
2, 2': 저점도 수지층
3 : 연속 섬유층
4 : 수지 함침 연속 섬유층
10, 10', 20 : 복합재료 형성용 필름

Claims (10)

  1. 하나 이상의 연속 섬유로 형성된 연속 섬유층; 및
    상기 연속 섬유층의 어느 일면에 부착되며, 상기 연속 섬유층과 부착되는 면에 저점도 수지층이 형성된 캐리어 필름;을 포함하고,
    상기 저점도 수지층은 열 또는 UV 광에 의하여 상기 연속 섬유층의 내부로 함침되고,
    상기 캐리어 필름은 상기 연속 섬유층의 양면에 부착되며,
    각각의 캐리어 필름이 갖는 저점도 수지층은 다른 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 복합재료 형성용 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저점도 수지층은
    상기 캐리어 필름과 상용성을 갖는 단량체 및 올리고머 중 1종 이상을 포함하는 수지 조성물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재료 형성용 필름.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연속 섬유층은
    유리 섬유, 탄소 섬유, 바잘트 섬유, 아라미드 섬유를 포함하는 유기 섬유 및 무기 섬유 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 형성용 필름.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 필름은
    폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, PET(polyethylene terephthalate), PPS(polyphenylene sulfide), PEEK(polyetherehterketone), PLA(polylactic acid) 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 형성용 필름.
  7. (a) 캐리어 필름의 어느 일면에 저점도 수지층을 형성하고, 상기 저점도 수지층 상에 하나 이상의 연속 섬유로 형성된 연속 섬유층을 부착하여 복합재료 형성용 필름을 제조하는 단계;
    (b) 상기 저점도 수지층을 상기 연속 섬유층 내부로 함침시켜, 수지 함침 유리 섬유층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 캐리어 필름과 상기 수지 함침 연속 섬유층을 압착하는 단계;를 포함하는 복합재료의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    50 ~ 100 ℃의 온도 조건 하에서 수지 함침 연속 섬유층을 형성하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    UV광을 조사하여 수지 함침 연속 섬유층을 형성하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    100 ~ 380℃의 온도 조건 하에서 압착하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 제조 방법.
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