KR101702998B1 - 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치 및 이를 이용한 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강화섬유의 파손을 최소화할 수 있어 물성보강 효과를 확보하고, 스트랜드 형태로 이루어져 성형품을 효율적으로 제조할 수 있도록 한 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것이다.

Description

장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치 및 이를 이용한 제조방법{Forming Device of Long Fiber Reinforced Thermoplastic Composite Material and Preparation Method Thereof}

본 발명은 강화섬유의 파손을 최소화할 수 있어 물성보강 효과를 확보하고, 스트랜드 형태로 이루어져 성형품을 효율적으로 제조할 수 있도록 한 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것이다.

복합 재료는 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 보강재(reinforcement)와 매트릭스(matrix)가 거시적으로 서로 간에 구분되는 계면을 가지도록 조합되어 유효한 기능을 가지는 재료를 의미한다. 상기 복합 재료는 각 소재의 효율적인 조합에 의하여 다양한 물성을 확보할 수 있어, 항공, 우주, 자동차, 스포츠, 산업기계, 의료기구, 군수용품, 건축 및 토목자재에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다.

특히, 섬유 강화 복합 재료는 보강재로서 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 실리콘 카바이드 섬유와 같은 섬유를 사용하여 제조된 것으로, 강도가 크고 가벼우며, 성형성이 우수하다는 이점 등으로 인해 복합 재료 중에서도 각광받고 있는 소재이다.

상기 섬유 강화 복합 재료는 보강재의 재질이나 섬유의 길이 등을 변화시켜 다양한 용도에 사용하고 있다. 그중 유리 섬유가 보강재로서 가장 폭넓게 사용하고 있으며, 일례로, 대한민국 특허공개 제2006-7004105호는 폴리프로필렌 공중합체와 유리 섬유를 혼련하여 자동차 좌석, 머리 받침대, 무릎 보호장치, 글로브 박스 도어, 인스트루먼트 패널, 범퍼 퍼시아, 범퍼 빔 등의 자동차 물품에 적용함을 개시하고 있으며, 일본 특허공개 제2008-202013호는 폴리카보네이트/스티렌계 수지에 유리 장섬유를 사용하여 자동차의 외장 패널로 응용할 수 있음을 언급하고 있다.

보강재로서 유리 섬유 외에 일본 특허공개 제2011-137077호는 자동차의 인스트루먼트 패널에 사용하기 위해 폴리프로필렌계 수지에 폴리에스테르 또는 폴리아미드 섬유 등의 유기 장섬유를 포함하는 섬유 강화 복합 재료를 개시하고 있으며, 대한민국 특허공개 제2006-0075902호는 저취성의 프로필렌계 수지에 유리섬유, 탄소섬유, 그래파이트 섬유, 금속섬유 등을 첨가한 섬유 강화 복합 재료를 개시하고 있다.

섬유 강화 복합 재료 중 탄소 섬유를 보강재로 사용한 탄소 섬유 강화 복합 재료는 가벼움과 동시에 강성, 내충격성, 내열성, 화학적 안정성, 치수 안정성, 내마모성, 유연성 등의 물성이 타 보강재보다 우수하다. 이러한 물성은 탄소 섬유의 길이가 긴 장섬유를 사용할 경우 더욱 향상된다.

통상 섬유 강화 복합 재료는 매트릭스로 사용하는 열가소성 수지와 섬유 보강재를 혼합 후 용융시켜 압출 등의 성형 공정을 통해 제조한다.

일예로 대한민국 등록특허 10-1283827호는 고화 및 가수분해를 방지할 수 있는 압출/사출 동시 성형 장치 및 이를 이용한 열가소성 장섬유 강화 복합재의 제조방법에 관한 것으로, 압출부의 제1 및 제2 주입부에 열가소성 플라스틱 20~50 중량% 및 보강재 50~80 중량%를 투입하는 원료 투입 단계; 상기 제1 및 제2 주입부로부터 상기 제1 및 제2 주입부와 연통되는 혼합부에 공급되는 열가소성 플라스틱 및 보강재를 용융 혼련시켜 중간재를 생성하는 중간재 생성 단계; 상기 압출부 및 상기 압출부의 혼합부에 연통되는 사출부 사이에 배치되는 밸브를 개방하여, 상기 용융 혼련된 중간재를 사출부의 임시 저장부에 저장하는 중간재 저장 단계; 및 상기 임시 저장부에 저장된 중간재를 사출기의 피스톤 유닛으로 금형에 주입하여 열가소성 장섬유 강화 복합재를 형성하는 사출 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출/사출 동시 성형 장치를 이용한 열가소성 장섬유 강화 복합재의 제조 방법을 개시하고 있다.

대한민국 등록특허 10-1283827호

본 발명의 과제는 압출기 내에서 폴리프로필렌계 수지가 탄소 장섬유와 혼련될 때 탄소 장섬유의 파손을 줄여 충분한 길이의 탄소 장섬유를 포함함으로써 물성 보강 효과를 극대화할 수 있는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치 및 이를 이용한 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은

제1 용융 공간을 갖는 제1 하우징, 상기 제1 하우징의 일단에 마련된 제1 배출부, 상기 제1 용융공간으로 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 투입하기 위해 상기 제1 하우징의 상단에 구비된 제1 주입부, 상기 제1 용융 공간에 투입된 폴리프로필렌계 수지를 가열하기 위한 제 1 히터, 상기 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 혼련하여 상기 제1 배출부로 배출시키기 위해 상기 제1 용융 공간에 마련된 혼련 수단을 갖는 제1 압출부;

상기 제1 압출부와 수직으로 구비되며, 제2 용융 공간을 갖는 제2 하우징, 상기 제2 하우징의 일단에 마련된 제2 배출부, 상기 제1 배출부와 연통되며, 제1 압출부로부터 배출되는 중간재를 상기 제2 용융 공간으로 투입하기 위해 상기 제2 하우징의 일단에 마련된 제2 주입부, 상기 제2 용융 공간으로 탄소 장섬유를 투입하기 위해 제2 하우징 일측에 구비된 제3 주입부, 상기 제2 용융 공간으로 투입된 중간재를 가열하기 위한 제2 히터, 상기 중간재와 탄소섬유를 혼련하여 상기 제2 배출부로 배출시키기 위해 상기 제2 용융 공간에 마련된 혼련 수단을 갖는 제2 압출부; 및

상기 제2 배출부를 통해 배출되는 복합재료를 스트랜드 성형하기 위해 제2 배출부에 구비된 스트랜드 다이

를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형장치를 제공한다.

또한 본 발명은

제1 압출부의 제1 주입부에 폴리프로필렌계 수지 40∼93 중량%와 상용화제로 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-에틸렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌 블록 공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 스티렌계 블록 공중합체 0.3∼10 중량%를 투입하여 용융 혼련하는 단계;

상기 제1 압출부의 제1 배출부와 연통된 제2 압출부의 제2 주입부를 통해 제1 압출부로부터 용융 혼련된 중간재를 이송받고, 상기 제2 압출부의 제3 주입부를 통해 섬유 직경이 1∼50 ㎛인 탄소 장섬유 5∼50 중량%를 투입하여 용융 혼련하는 단계; 및

상기 제2 압출부의 배출부에 구비된 스트랜드 다이를 통해 용융 혼련된 복합재료를 압출하여 스트랜드 성형하는 단계

를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 보강섬유인 탄소 장섬유의 길이 보전으로 제조된 복합 재료의 기계적 물성을 향상시킬 수 있으며, 제조된 복합재료는 스트랜드 형태로 이루어져 성형품 제조가 용이하다. 이렇게 제조된 복합재료는 강성, 내충격성 및 내열성이 향상되어 자동차를 비롯한 각종 수송 수단뿐만 아니라 복합 재료가 요구되는 다양한 분야에 적용 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 섬유 함유량를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 기공 함유량를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 인장 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 굴곡 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합재료의 충격 강도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 상기 인장시험 후 섬유투입량 별 시편의 파단부를 전자현미경으로 100배 확대하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 복합재료의 섬유장 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치를 나타낸 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치(100)는 장섬유와 열가소성 수지를 용융 혼련하여 복합재료를 제조하기 위한 것이다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형 장치(100)은 기본적으로, 제1 압출부(10)와, 제2 압출부(20)와 스트랜드 다이(30)와 커팅부(40)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기 제1 압출부(10)은 폴리프로필렌계 수지가 수용되는 제1 용융 공간(11)을 갖는 제1 하우징(12), 상기 제1 용융 공간(11)으로 공급된 폴리프로필렌계 수지를 가열하기 위한 히터(미도시), 제1 용융 공간(11)으로 투입된 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 혼련하기 위한 혼련 수단으로서 제1 스크류(15)를 포함한다.

이때 상기 히터는 제1 하우징(12)의 외주면에 배치되며, 제1 용융 공간(11)으로 열을 공급하여 제1 주입부(13)을 통해 투입된 폴리프로필렌계 수지를 융용시킨다.

상기 제1 스크류(15)는 제1 용융 공간(11)으로 투입된 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 제1 하우징(12)의 일단에 마련된 제1 배출부(14) 쪽으로 이송시키면서 혼련시킨다. 이에 따라 제1 용융 공간(11)으로 투입된 폴리프로필렌계 수지와 상용화제는 제1 스크류(15)에 의해 제1 배출부(14) 쪽으로 이송되면서 용융 및 혼련되어 중간재로 제조된다.

상기 혼련 조건은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 폴리프로필렌계 수지의 용융이나 혼련이 원활하게 행해지도록 적절히 설정하면 된다. 바람직하기로 상기 제1 용융 공간(11)의 온도는 210℃∼280℃의 범위, 더욱 바람직하기로 220℃∼270℃의 범위로 한다.

상기 제1 스크류(15)의 회전수는 각 성분을 충분히 혼련할 수 있는 레벨이면 되지만, 2∼300rpm의 범위가 바람직하고, 5∼200rpm의 범위가 보다 바람직하다.

상기 폴리프로필렌계 수지는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 폴리프로필렌 단독 중합체 또는 공중합체가 가능하며, 이소태틱(isotactic), 신디오택틱(syndiotactic) 및 어택틱(atactic) 구조를 모두 포함한다.

구체적으로 폴리프로필렌 코폴리머는 프로필렌 모노머와 알파 올레핀 모노머가 공중합된 공중합체를 의미한다. 이러한 알파 올레핀은 탄소수 3∼12의 탄화수소로, 일예로 1-부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 4-메틸-1-펜텐, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-노넨, 1-데센, 1-운데센 및 1-도데센, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.

일례로, 폴리프로필렌 코폴리머는 프로필렌-에틸렌 공중합체, 프로필렌-에틸렌-알파 올레핀 공중합체 등일 수 있다.

상기 폴리프로필렌 공중합체는 랜덤 공중합체, 블록 공중합체 또는 그래프트 공중합체의 형태일 수 있으며, 사용 목적에 따라 적절하게 선택하여 사용한다.

본 발명에서 폴리프로필렌계 수지는 전체 복합 재료 조성물이 100 중량%를 만족하도록 40∼93 중량%로 사용한다. 만약 폴리프로필렌계 수지의 함량이 상기 범위 미만이면 복합 재료의 매트릭스로서 역할을 수행할 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 상대적으로 탄소 장섬유나 상용화제의 함량이 줄어들어 원하는 물성을 얻을 수 없으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

특히, 본 발명에서는 전술한 바의 폴리프로필렌계 수지와 탄소 장섬유의 혼화성을 위해, 특정 상용화제를 소정 범위로 사용한다.

바람직하기로, 상용화제로는 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-에틸렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌 블록 공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 스티렌계 블록 공중합체을 전체 복합 재료 조성물 100 중량%에 대해 0.3∼10 중량%로 사용한다.

상기 상용화제는 화학적 결합이나 물리적 결합을 통해 폴리프로필렌계 수지와 탄소 장섬유 간의 계면 특성을 향상시킬 수 있다.

이러한 상용화제의 함량은 그 종류뿐만 아니라 전체 조성물 내에서의 함량 제어 또한 중요하다. 즉, 상용화제를 적절히 사용하여야만 성형 공정에서 폴리프로필렌계 수지와 탄소 장섬유 간의 혼화성을 향상시킬 수 있다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면 폴리프로필렌계 수지 매트릭스에 탄소 장섬유가 균일하게 분산되지 않아 탄소 장섬유의 사용에 따른 물성 향상을 기대할 수 없으며, 반대로 상기 범위를 초과하면 과도한 상용화제의 사용으로 인해 제조원가 상승의 부담이 발생하여 이 또한 바람직하지 못하므로 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

상기 제2 압출부(20)는 제1 압출부와 수직으로 배치되며, 중간재와 탄소 장섬유가 수용되는 제2 용융 공간(21)을 갖는 제2 하우징(22), 상기 제1 압출부(10)으로부터 배출되는 중간재를 제2 용융 공간(21)으로 투입하기 위해 제2 하우징(22)의 일단에 마련된 제2 주입부(23), 상기 제2 용융 공간(21)으로 탄소 장섬유를 투입하기 위해 제2 하우징 일측에 구비된 제3 주입부(24), 상기 제2 용융 공간(21)으로 공급된 중간재를 가열하기 위한 히터(미도시), 제2 용융 공간(21)으로 투입된 중간재와 탄소 장섬유를 혼련하기 위한 혼련 수단으로서 제2 스크류(26)를 포함한다. 여기서, 상기 제2 주입부(23)은 상기 제3 주입부(24)를 통해 주입된 탄소 장섬유의 배출방향보다 제1 압출부로부터 배출되는 중간재가 상기 제2 용융공간(21)의 후단에 투입하기 위해 상기 제2 하우징의 일단에 마련된다.

이때 상기 히터는 제2 하우징(22)의 외주면에 배치되며, 제2 용융 공간(21)으로 열을 공급하여 제2 주입부(23)을 통해 투입된 중간재를 융용시킨다.

상기 제2 스크류(206)는 제2 용융 공간(21)으로 투입된 중간재와 탄소 장섬유를 제2 하우징(22)의 일단에 마련된 제2 배출부(25) 쪽으로 이송시키면서 혼련시킨다. 이에 따라 제2 용융 공간(21)으로 투입된 중간재와 탄소 장섬유는 제2 스쿠류(26)에 의해 제2 배출부(25) 쪽으로 이송되면서 용융 및 혼련된다.

이때 제2 용융 공간의 내부 온도, 제2 스크류의 회전수는 제1 압출부의 제1 용융 공간의 내부 온도, 제1 스크류의 회전수와 동일한 범위 내로 조절된다.

특히 본 발명에서는 탄소 장섬유가 제2 압출부(20)에 투입되어 중간재와 혼련됨으로써 혼련 시간을 단축된다. 이에 따라 스크류와 같은 혼련 수단과 탄소 장섬유의 충돌에 의한 길이 손상을 줄일 수 있다. 그 결과 보강섬유인 탄소 장섬유의 길이 보전으로 제조된 복합 재료의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.

보강 섬유로서 사용하는 탄소 장섬유는 직경과 중량평균 섬유 길이, 및 그 사용 함량에 따라 보강 섬유로서의 기대 효과에 영향을 준다. 이미 언급한 바와 같이 탄소 장섬유는 용융된 폴리프로필렌계 수지의 미세 구조에 침투되어 균일하게 분산되어야 하는데, 이때 적절한 범위의 직경과 중량평균 섬유 길이를 가져야 우수한 기계적 물성과 열적 성질을 나타낼 수 있다.

바람직하기로, 본 발명에서 제시하는 탄소 장섬유는 섬유 직경이 1∼50 ㎛인 것을 전체 조성물 100 중량%에 대하여 5∼50 중량%로 사용한다.

상기 탄소 장섬유의 직경이 상기 범위 미만이면 강화 섬유로 사용하기에 너무 가늘어 물성 보강 효과가 충분하지 못할 우려와 더불어 섬유가 엉키는 현상이 발생할 수 있고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 탄소 장섬유가 용융된 폴리프로필렌계 수지의 미세 구조에 충분히 침투할 수 없어 원하는 물성을 충분히 확보할 수 없으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

그리고, 본 발명에서 제시하는 탄소 장섬유는 보강 소재로서 충분한 물성 확보를 위해 상기 범위의 함량으로 사용한다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면, 탄소 장섬유의 사용으로 인한 물성을 충분히 확보할 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 제조가 어렵고 성형 공정에서 탄소 장섬유가 뭉쳐 폴리프로필렌계 수지 매트릭스 내에 불균일하게 분산되어 이 또한 복합 재료의 물성 저하를 야기할 수 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

이외에도 본 발명에 따른 섬유 강화 복합 재료는 목적에 따라 원하는 물성을 확보하거나 성형을 용이하게 하기 위해, 통상의 열가소성 수지의 성형 공정에서 사용하는 첨가제를 더욱 포함할 수 있다. 예를 들면, 산화 방지제, 가공 안정제, 광 안정제, 엘라스토머, 난연제, 무기충전제, 카본블랙, 결정핵제, 자외선흡수제, 제진제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색제, 연화제, 활제, 안료, 염료, 열안정제, 이형제, 대전방지제, 가소제, 윤활제, 발포제, 제포제, 방부제 및 커플링제 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종이 가능하다.

상기 첨가제로는 전체 조성물 100 중량% 중 5 중량% 이하로 사용하며, 당업자에 의해 필요한 첨가제의 선택과 함량을 제어할 수 있다. 이러한 첨가제는 상용화제와 함께 제1 주입부 또는 탄소 장섬유와 함께 제3 주입부를 통해 투입될 수 있다.

상기 제2 압출부(30)에서 용융 및 혼련된 복합 재료는 제2 배출부(25)에 구비된 스트랜드 다이(30)를 통해 압출되면서 스트랜드 형태로 제조된다.

이렇게 제조된 스트랜드 복합재료는 커팅 장치(40)를 거치면서 일정 길이로 분할된다.

이렇게 제조된 섬유 강화 복합 재료는 파단 강도가 50 MPa 이상, 인장 모듈러스가 6 GPa 이상, 굴곡 강도가 180 MPa 이상, 내충격 강도 30 KJ/m² 이상, 열분해 온도가 400℃ 이상의 물성을 가져, 다양한 분야에 적용될 수 있다.

예를 들면, 자동차 등의 수송 수단 재료, 우주 항공재료, 방위 부품 재료, 전기 전자재료, 토목 건축재료, 생체의료 재료 및 각종 스포츠용품 재료 등 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 바람직하기로 자동차에 사용될 수 있다.

특히 본 발명에 따른 탄소 장섬유 강화 복합 재료는 수송 수단에 적용할 수 있다. 이때 수송 수단은 자동차, 기차, 비행기, 헬리콥터, 트럭, 오토바이, 자전거, 배, 요트 등이 가능하다.

즉, 탄소 장섬유 복합 재료는 가볍기 때문에 현재 부품으로 사용되고 있는 철이나 알루미늄 대비 자동차, 특히 자동차의 외장재(예, 본네트)에 적용하여 경량화를 달성할 수 있어 강성이나 내충격성, 내열성이 높아 기존 수송 수단에 사용하는 재료 일부 또는 전체를 대체할 수 있어, 시장에서의 경쟁력을 선점할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예와 실험예를 제시한다. 그러나 하기한 예는 본 발명의 바람직한 예일 뿐 이러한 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 : 탄소 장섬유 강화 복합 재료의 제조

하기 표 1의 조성을 이용하여 섬유 강화 복합 재료를 제조하였다. 구체적으로, 제1 압출부에 폴리프로필렌수지 (제조원: 폴리미래, MI: 12g/10 min (230 ℃))와 상용화제를 첨가한 후, 제1 압출부를 이용하여 충분히 혼련 후 제2 압출부에 탄소 장섬유(도레이 社, T700SC-12K, 800TEX)를 첨가 한 후 혼련하여 스트랜드 다이를 통과시켜 지름이 1 mm인 탄소 섬유 강화 폴리프로필렌 복합 재료를 제조하였다. 이때 가공 온도는 230 ℃, 스크류 속도는 100 rpm 이었다.

조성(중량%)		실시예 1	실시예 2	실시예 3
열가소성 수지	PP	93	87	81
탄소섬유	탄소 장섬유(길이: 20 mm, 직경 50 ㎛)	6	12	18
상용화제	스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체(SEBS)	1	1	1

실험예 1: 물성 측정

상기 실시예에서 제조한 섬유 강화 복합 재료의 물성을 측정하여 그 결과를 나타내었다.

1. 섬유 함유량 및 기공 함유량

ASTM D3171-06을 기준하여 matrix burn off 방법으로 측정하고 아래 식을 사용하여 구하였다. 그 결과는 도 2 및 도 3에 나타내었다.

2. 섬유 투입량에 따른 기계적 물성

- 인장 특성: ASTM D638에 기준하여 시험속도 2 mm/min으로 인장시험을 진행하였다.

- 굴곡 특성: ASTM D790에 기준하여 시험속도 1 mm/min으로 굴곡시험을 진행하였다.

- 충격 강도: ASTM D256에 기준하여 시편을 V-notch로 가공하여 Izod 충격시험기를 사용하였다.

그 결과는 도 4 내지 6에 나타내었다.

도 4 내지 6에 나타낸 바와 같이, 탄소 장섬유 투입량이 증가할수록 그에 비례하여 인장특성, 굴곡 특성 및 충격 강도도 함께 향상되었다.

도 7은 상기 인장시험 후 섬유투입량 별 시편의 파단부를 전자현미경으로 100배 확대하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.

실험예 2: 섬유장 측정

상기 실시예 1에서 제조한 섬유 강화 복합 재료 내 섬유 길이를 확인하기 위하여 130 ℃에서 Decaline (Decahydronaphthalene) 용매를 사용하여 1시간 동안 폴리프로필렌계 수지를 용해시킨 뒤 섬유장을 측정하였다. 그 결과는 도 8에 나타내었고, 평균섬유장이 30 mm 임을 확인하였다.

Claims (6)

1. 제1 용융 공간을 갖는 제1 하우징, 상기 제1 하우징의 일단에 마련된 제1 배출부, 상기 제1 용융공간으로 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 투입하기 위해 상기 제1 하우징의 상단에 구비된 제1 주입부, 상기 제1 용융 공간에 투입된 폴리프로필렌계 수지를 가열하기 위한 제 1 히터, 상기 폴리프로필렌계 수지와 상용화제를 혼련하여 상기 제1 배출부로 배출시키기 위해 상기 제1 용융 공간에 마련된 혼련 수단을 갖는 제1 압출부;
   상기 제1 압출부와 수직으로 구비되며, 제2 용융 공간을 갖는 제2 하우징, 상기 제2 하우징의 일단에 마련된 제2 배출부, 상기 제2 용융 공간으로 탄소 장섬유를 투입하기 위해 제2 하우징 일측에 구비된 제3 주입부, 상기 제1 배출부와 연통되며, 상기 제3 주입부를 통해 주입된 탄소 장섬유의 배출 방향 보다 제1 압출부로부터 배출되는 중간재가 상기 제2 용융 공간의 후단에 투입하기 위해 상기 제2 하우징의 일단에 마련된 제2 주입부, 상기 제2 용융 공간으로 투입된 중간재를 가열하기 위한 제2 히터, 상기 중간재와 탄소섬유를 혼련하여 상기 제2 배출부로 배출시키기 위해 상기 제2 용융 공간에 마련된 혼련 수단을 갖는 제2 압출부;
   상기 제2 배출부를 통해 배출되는 복합재료를 스트랜드 성형하기 위해 제2 배출부에 구비된 스트랜드 다이; 및
   상기 스트랜드 다이를 통해 배출되는 스트랜드 형태의 장섬유 강화 열가소성 복합재료를 커팅하기 위한 커팅부
   를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 성형장치.
2. 삭제
3. 제1항에 따른 정섬유 강화 열가소성 복합재료 성형장치를 제공하는 단계;
   제1 압출부의 제1 주입부에 폴리프로필렌계 수지 40∼93 중량%와 상용화제로 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-에틸렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌 블록 공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 스티렌계 블록 공중합체 0.3∼10 중량%를 투입하여 용융 혼련하는 단계;
   상기 제1 압출부의 제1 배출부와 연통된 제2 압출부의 제2 주입부를 통해 제1 압출부로부터 용융 혼련된 중간재를 이송받고, 상기 제2 압출부의 제3 주입부를 통해 섬유 직경이 1∼50 ㎛인 탄소 장섬유 5∼50 중량%를 투입하여 용융 혼련하는 단계; 및
   상기 제2 압출부의 배출부에 구비된 스트랜드 다이를 통해 용융 혼련된 복합재료를 압출하여 스트랜드 성형하는 단계
   를 포함하는 장섬유 강화 열가소성 복합재료의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 폴리프로필렌계 수지는 폴리프로필렌 단독 중합체 또는 폴리프로필렌과 알파 올레핀과의 공중합체인 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서, 상기 알파 올레핀은 1-부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 4-메틸-1-펜텐, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-노넨, 1-데센, 1-운데센 및 1-도데센, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
   

Images