KR101858925B1 - 중합체 부직포를 갖는 다축 직조형 직물 - Google Patents

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KR101858925B1
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토호 테낙스 오이로페 게엠베하
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Abstract

본 발명은 서로에 대해 평행하게 배열되는 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 적어도 2개의 적층 층들로 제조된 직조형 직물에 관한 것으로, 상기 직조형 직물은 열가소성 중합체 재료로 제조된 부직포로 제조된 적어도 하나의 층을 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 층들 위에 및/또는 이들 층 사이에 가지며, 상기 부직포는 제1 중합체 성분 및 제2 중합체 성분을 포함하며, 상기 성분들의 용융 온도는 보강용 얀들의 용융 또는 분해 온도 미만이고, 상기 제1 중합체 성분이 상기 제2 중합체 성분보다 낮은 용융 온도를 가지며, 상기 제1 중합체 성분이 에폭시 매트릭스 수지, 시아네이트 에스테르 매트릭스 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지 또는 이들 매트릭스 수지의 혼합물에서 가용성이며, 상기 제2 중합체 성분이 에폭시 매트릭스 수지, 시아네이트 에스테르 메트릭스 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지 또는 이들 매트릭스 수지의 혼합물에서 가용성이 아님을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 이러한 타입의 직조형 직물로 제조된 예비성형체에 관한 것이다.

Description

중합체 부직포를 갖는 다축 직조형 직물{MULTIAXIAL NON-CRIMP FABRICS HAVING A POLYMER NON-WOVENS}
본 발명은 멀티필라멘트 보강용 얀(yarn)들로 제조된 적어도 2개의 적층 층 (superimposed layer)들로 제조된 직조형 직물(non-crimp fabric)에 관한 것으로, 상기 직조형 직물은 열가소성 중합체 재료로 제조된 부직포로 제조된 적어도 1개의 층을 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 층들 위에 및/또는 이들 층들 사이에 갖는다.
보강 섬유들 또는 보강용 얀들로 제조된 직조형 직물들은 시중에서 오랫동안 알려져 왔다. 이러한 목적을 위해, 복수의 중첩된 섬유 층들로 제조된 구조를 갖는 다축 직조형 직물들이 종종 사용되는데, 여기서 섬유 층들은 서로 평행하게 배열된 보강 섬유들의 시트들로 구성된다. 섬유 층들은 이 층들의 보강 섬유들이 서로 평형하게 또는 교대로 십자형으로 배향되도록 중첩된다. 각도는 실질적으로 다양하게 조절가능하다. 그러나, 일반적으로, 다축 직조형 직물들의 각도는 0°, 90°, ±25°, ±30°, ±45°, 또는 ±60°로 설정되고, 구조는 0° 방향에 대해 대칭 구조가 형성되도록 선택된다.
언급된 다축 직조형 직물들과 같은 직물들은 그 구조 때문에 특히, 복합재 제작물의 제조에 사용될 수 있다. 따라서, 직조형 직물들은 금형에서 매트릭스 재료없이 적층되어 그의 윤곽에 맞게 조정된다. 이러한 방식에 의해, 소위 예비성형체(preform)가 수득되고, 이 내부에 복합 부재(components)를 제조하는데 필요한 매트릭스 재료가 주입 또는 사출을 통해 또는 진공의 인가에 의해 나중에 도입될 수 있다. 공지된 방법들은 소위 액체 성형법(LM: liquid molding) 또는 이와 관련된 방법들, 예를 들어 수지 이송 성형법(RTM: resin transfer molding), 진공 보조 수지 이송 성형법(VARTM: vacuum assisted resin transfer molding), 수지막 주입법(RFI: resin film infusion), 액체 수지 주입법(LRI: liquid resin infusion) 또는 수지 주입 플렉시블 툴링법(RIFT: resin infusion flexible tooling)이다.
보강 섬유들로 제조된 이러한 타입의 직조형 직물들을 사용하여 제조된 섬유 복합 부재는 최상의 방식으로 상기 부재의 응력 방향으로부터 도입된 힘에 직접 대응하고 따라서 높은 인성(tenacity)을 보증하기에 적합하다. 섬유 밀도들 및 섬유 각도들과 관련하여 다축 직조형 직물들을 부재에 존재하는 하중 방향에 적용시킴으로써 낮은 비중이 가능하다.
중첩 섬유 층들은 서로 인접하게 배열되고 서로에 대해 평행하게 진행하여 스티치를 형성하는 복수의 재봉사들 또는 편직사들을 통해 서로 연결되어 고정될 수 있어서 다축 직조형 직물이 이러한 방식으로 안정화된다. 이에 따라, 재봉사들 또는 편직사들은 다축 직조형 직물의 0°방향을 형성한다. 이러한 타입의 다축 직조형 직물들은, 예를 들어 당업자에게 공지된 표준 경편기(standard warp knitting loom) 또는 스티치 본딩기(stich bonding machine)에 의해, 예를 들어 LIBA 기계 또는 칼 메이어(Karl Mayer) 기계에 의해 형성될 수 있다. 재봉사들 또는 편직사들에 의해 연결된 다축 직조형 직물들 및 이의 제조는, 예를 들어 독일 특허 제102 52 671 C1호, 독일 특허 제199 13 647 B4호, 국제 공개특허공보 제98/10128호 또는 유럽 특허 제0 361 796 A1호에 기술되어 있다.
유럽 특허 제1 352 118 A1호는 재봉사들의 용융 온도 초과의 온도에서 다축 직조형 직물들의 우수한 형상화가능성 및 후속의 냉각 동안의 형상의 안정화를 가능하게 하는 가용성 재봉용 얀들에 의해, 보강 섬유들의 층들이 서로 유지되는 다축 직조형 직물들을 기술하고 있다. 예를 들어, 유럽 특허 제1 057 605호에 기술된 바와 같이, 폴리아미드 또는 폴리에스테르와 같은 열가소성 중합체들로 제조된 재봉사들이 종종 사용된다.
복합 예비성형체에 대한 전구 산물(preproduct)은 미국 특허 제2005/0164578호에 기재되어 있는데, 상기 전구 산물은 보강 섬유로 직조된 직물로 제조된 하나 이상의 층을 가지며, 안정화를 위한 섬유들은 상기 층들 중 적어도 하나에 통합되고, 이들 섬유들은 이들이 증가된 온도로 처리될 때 예비성형체를 안정화시키고, 복합 부재의 생성을 위해 후에 도입된 매트릭스 수지에서 용해된다. 국제 공개특허공보 제02/16481호는 또한 예를 들어 예비성형체들을 위한 보강 섬유들로 제조된 구조물들을 기술하고 있는데, 여기서 상기 구조물들은, 예를 들어 보강 섬유들 사이에서 섬유들의 형태로 또는 보강 섬유들을 서로 연결시키는 재봉사들로서 도입된 가요성 중합체 구성요소(element)들을 함유한다. 가요성 중합체 구성요소들은 사용된 경화성 매트릭스 재료에 가용성인 재료를 포함한다.
독일 특허 제198 09 264 A1호에 따르면, 열가소성 중합체로 제조된 접착성 부직포들은 서로 재봉되고 보강 섬유들로 제조된 상기 특허에 기술된 섬유 직물 배열 층들 사이에 삽입될 수 있다. 이러한 멜트본딩 부직포들로 인해, 섬유 직물 배열은, 이들 부직포들을 형성하는 중합체의 용융 온도 초과로 가열될 때, 리셋력(reset force) 없이 실질적으로 냉각 후에도 이들의 형상을 유지하는 3차원 구조물들로 간단한 방식으로 형상화될 수 있다.
또한, 때때로 랜덤하게 적층된 섬유 매트들 또는 부직포들, 또는 스테이플 섬유 직물들 또는 매트들이, 예를 들어 직조형 직물들의 함침성(impregnatability)을 향상시키기 위해 또는, 예를 들어 충격 강도를 개선시키기 위해 보강 섬유들로 제조된 층들 사이에 다소 적층된다. 매트형 중간층들을 갖는 이러한 타입의 다층 직조형 직물들은, 예를 들어 독일 특허 제35 35 272 C2호 또는 미국 특허 제2007/0202762호에 기술되어 있는데, 여기서 부직포들 또는 매트들에 대해 100 내지 1200 g/m2의 단위 면적당 질량 값이 독일 특허 제35 35 272 C2호에 기술되어 있으며, 40 g/m2 내지 161 g/m2의 단위 면적당 질량 값이 미국 특허 제2007/0202762호에 기술되어 있다.
유럽 특허 제1 473 132호는 이의 주요 주제로서 다축 직조형 직물들, 상기 다축 직조형 직물들의 제조 방법, 및 다축 직조형 직물들로부터 제조된 예비성형체들을 기술하고 있다. 상기 특허에 기술된 다축 직조형 직물들은 열가소성 섬유들로 제조된 중간층들을 단방향으로 적층된 보강 섬유들로 제조된 층들 사이에 갖는데, 여기서 상기 중간층들은 이성분(bicomponent) 섬유들로 제조된 부직포들 또는 상이한 섬유들이 함께 혼합된 하이브리드 부직포들일 수 있다. 중간층들을 형성하는 중합체는 후에 예비성형체에 주입된 매트릭스 수지와 부합되어야 한다. 특히, 중간층들은 수지 주입 동안에 매트릭스 수지에 대해 침투성이어야 하며, 수지 주입 동안 및 주입 후에는 보강층들을 고정시켜야 한다고 설명되어 있다. 에폭시 수지를 사용하는 경우, 부직포들은 폴리아미드 섬유들로부터 제조된다. 부직포들은 편직 스티치들을 통해 또는 멜트본딩을 통해 보강 섬유들로 제조된 층들에 연결될 수 있다.
유럽 특허 제1 772 258호는 또한 섬유 보강 플라스틱 부품들의 생성을 위한 라미네이트 구조물을 기술하고 있다. 상기 라미네이트 구조물들은 코어층으로서 100 내지 500 g/m2의 단위 면적당 질량 부피를 갖는 부직포층 및 보강 섬유들로 제조된 1층 이상의 커버층을 갖는다. 부직포층은, 예를 들어 지지 섬유들과 열가소성 결합 섬유들로 제조된 섬유 혼합물이며, 상기 결합 섬유들의 융점은 상기 지지 섬유들보다 낮다. 결합 섬유들의 융점 초과와 지지 섬유들의 융점 미만의 온도에서 열처리하는 동안, 부직포층의 열 보강은 유럽 특허 제1 772 258호에 따라 달성되며, 이에 따라 부직포층의 내부 강도와 칫수 안전성은 더 크게 된다. 동시에, 부직포층은 매트릭스 수지의 침투 동안에 더 높은 침투성을 보증한다.
미국 특허 제2008/0289743 A1호는 중간층들로서 열가소성 섬유들로 제조된 부직포들 및 보강 섬유들로 교대로 배열된 층들로 제조된 다축 직조형 직물들을 기술하고 있는데, 상기 중간층들은 보강층들 사이에 배열되고, 편직 스티치들 또는 멜트본딩을 통해 상기 보강층들에 연결된다. 하나의 양태에서, 부직포들은 둘 이상의 재료로부터 제작될 수 있으며, 따라서 하이브리드 부직포들, 또는 이성분 또는 삼성분 부직포들 등이 된다. 특정 양태에 따라서, 부직포는 폴리아미드로 제조된 코어와 폴리우레탄으로 제조된 시쓰(sheath)를 갖는 코어/시쓰 섬유들로부터 제조될 수 있다. 또한, 부직포들은 단방향으로 배열된 보강 섬유들을 고정시키고 수지 침투 동안 수지의 유동을 보증하는 작용을 한다. 바람직한 양태에서, 중간층의 열가소성 섬유들의 용융 온도 미만의 온도에서 경화를 실시해야 한다.
종래 기술의 상술된 복합재 제작물들의 단점은, 보강 섬유들로 구성되지 않고 따라서 형성된 부재의 강도에 기여하지 않는 재료의 상대적으로 높은 비율이다. 매트릭스 재료는 보강 섬유들 및 부직포의 총량을 칭하므로 상기 부재의 용적 면에서 상기 부재 중의 보강 섬유들의 더 낮은 비율 및 따라서 더욱 낮은 강도를 초래한다.
유럽 특허 제1 705 269호는, 예를 들어 보강 섬유들로 제조된 다축 직조형 직물들의 경우에, 예를 들어 보강 섬유들로 제조된 층들 사이에서 부직포로서 사용될 수 있는 폴리하이드록시 에테르로 제조된 열가소성 섬유 재료를 기술하고 있다. 열의 인가하에, 폴리하이드록시 에테르 재료가 점성 및 점착성을 갖게 되어서 한정된 기하학적 배열로의 보강 섬유들의 고정이 매트릭스에 매봉되기 전에 달성될 수 있다. 이어서, 폴리하이드록시 에테르 섬유 재료는 이후에 이의 유리 전이 온도 초과의 온도에서 매트릭스 재료에 완전하게 용해된다.
직조형 직물들로 제조된 부재들의 충격 강도를 향상시키기 위해, 예를 들어 보강층들 사이에 중합체 섬유들로 제조된 부직포들을 함유하는 복수층들의 보강 섬유들로 제조된 직조형 직물들이 미국 특허 제2006/0252334호에 기술되어 있다. 이러한 중합체 섬유들은 이에 따라 매트릭스 수지에 가용성이어야 하며, 이에 따라 미국 특허 제2006/0252334호의 기재에 따라 수지 매트릭스에서 이러한 섬유들을 형성하는 중합체가 용융가능하고 불용성인 열가소성 물질에 비하여 더욱 균일하게 분포할 수 있다.
미국 특허 제2006/0252334호 및 유럽 특허 제1 705 269호의 직물을 위한 중합체 섬유들이 매트릭스 재료에 가용성이고, 그 결과 직조형 직물들의 매트릭스 수지 에의 침투 동안 중합체 섬유가 용해하기 때문에, 부재 생성 스테이지에서 보강층들의 확고한 고정이 충분하게 확보되지 않는다.
그러므로, 예비성형체들로의 형상화 후에 우수한 드레이프성(drapability) 및 칫수 안정성뿐만 아니라 매트릭스 수지의 침투 동안의 우수한 침투성을 갖는 보강 섬유들을 기본으로 하는 직조형 직물들에 대한 필요성이 존재한다. 동시에, 이들 직조형 직물들로부터 생성된 부재들은 특히 압력의 인가하에 높은 강도 특성 및 높은 충격 강도를 가져야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이러한 타입의 직조형 직물들을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 서로 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 적어도 2개의 적층 층들로 제조된 직조형 직물에 의해 달성되며, 여기서, 상기 직조형 직물은, 열가소성 중합체 재료로 제조된 부직포로 제조된 적어도 1개의 층을 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 층들 위에 및/또는 이들 층들 사이에 가지며, 상기 부직포는 보강용 얀들의 용융 또는 분해 온도 미만의 용융 온도를 갖는 제1 중합체 성분 및 제2 중합체 성분을 포함하며, 상기 제1 중합체 성분은 상기 제2 중합체 성분보다 낮은 용융 온도를 가지며, 상기 제1 중합체 성분은 에폭시 매트릭스 수지, 시아네이트 에스테르 매트릭스 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지, 또는 이들 매트릭스 수지의 혼합물에서 가용성이며, 상기 제2 중합체 성분은 에폭시 매트릭스 수지, 시아네이트 에스테르 매트릭스 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지, 또는 이들 매트릭스 수지의 혼합물에서 가용성이 아님을 특징으로 한다.
바람직하게는, 제1 중합체 성분은 80 내지 135℃ 범위의 용융 온도를 가지며, 제2 중합체 성분은 140 내지 250℃ 범위의 용융 온도를 갖는다.
본 발명에 따른 직조형 직물은, 이의 특정 구조에 기초하여, 매트릭스 수지에의 침투 동안의 우수한 침투성에 의한, 예비성형체에서의 직조형 직물 층들의 우수한 드레이프성과 고정성에 의해 특징지워지며, 이들을 사용하여 높은 기계 강도 및 높은 충격 강도를 갖는 부재들이 제조될 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 중합체 배합물로 제조된 적어도 1개의 부직포층으로 인해, 제1 중합체 성분의 용융 온도로 가열되는 동안에 직조형 직물층들이 서로에 대해 움직일 수 있다. 부직포의 용융된 제1 성분은 어느 정도 윤활제로서 작용하여 보강용 얀의 층들은 형상화 공정 동안에 예비성형체에서 바라는 위치 내로 미끄러질 수 있다. 예비성형체의 냉각 동안에, 제1 중합체 성분은 이어서 고융점 접착제로서 작용하고 보강층들을 그 위치에서 고정시킨다.
제1 성분의 용용 온도 초과 제2 성분의 용융 온도 미만의 온도에서 일반적으로 실시되는 매트릭스 수지에 대한 직조형 직물 구조물의 후속 침투 동안에, 본 발명에 따른 적어도 하나의 부직포의 더 높은 융점을 갖는 제2 중합체 성분에 의해 매트릭스 수지에 대한 우수한 침투성이 보증된다. 반대로, 제1 중합체 성분은 매트릭스 수지에서 용해되고, 이러한 방식으로 매트릭스 수지에 대한 독립된 상(phase)으로서의 이의 본성을 상실한다. 그러므로, 제1 중합체 성분의 비율은 매트릭스 재료와 관련되어야 하고, 침투될 매트릭스 수지의 비율은 제1 중합체 성분의 비율에 의해 감소될 수 있다. 그 결과, 생성된 부재에서의 보강 섬유들의 더 높은 섬유 용적 비율이 설정될 수 있으며, 따라서 기계 강도 특성들의 수준이 높은 수준으로 유지될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 직조형 직물에 사용된 부직포는 상이한 용융 온도를 갖는 단일-성분 섬유들의 혼합물로 구성될 수 있으며, 따라서 하이브리드 부직포일 수 있다. 그러나, 부직포는, 또한 섬유의 코어가 더 높은 융점의 중합체로부터 제조되고 시쓰가 더 낮은 융점의 중합체로부터 제조되는 이성분 섬유들, 예를 들어 코어/시쓰 섬유들로 구성될 수 있다. 이성분 섬유들로 제조된 부직포와 유사하게, 부직포는 또한, 예를 들어 제2 중합체 성분으로 제조된 랜덤하게 적층된 섬유층으로부터 제조될 수 있으며, 여기서 제1 중합체 성분은, 예를 들어 분무 또는 코팅에 의해 제2 중합체 성분의 섬유에 도포된다. 코팅은, 예를 들어 제1 중합체 성분의 분산액 또는 용액으로의 함침에 의해 형성될 수 있으며, 함침 후에 분산액의 액체 부분 또는 용매가 제거된다. 마찬가지로, 제2 중합체 성분으로 제조된 섬유로 구성된 부직포는 제1 중합체 성분을 제2 중합체 성분의 섬유들 사이에 매봉한 미립자의 형태로 함유한다. 바람직하게는, 부직포는 하이브리드 부직포이다. 만일 부직포가 제1 중합체 성분을 2 내지 40 중량% 비율로 함유하고, 제2 중합체 성분을 60 내지 98 중량% 비율로 함유한다면 유리하다는 것이 입증되었다. 특히 바람직하게는, 제1 중합체 성분의 비율은 5 내지 35 중량%의 범위이고, 제2 중합체 성분의 비율은 65 내지 95 중량%의 범위이다. 추가적인 바람직한 양태에서, 부직포는 제1 중합체 성분을 20 내지 40 중량%의 비율로 함유하고, 제2 중합체 성분을 60 내지 80 중량%의 비율로 함유한다.
매트릭스 수지, 즉 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르 수지 또는 벤족사진 수지의 경화 온도에서, 바람직한 양태에서의 제1 중합체 성분은 가교결합 반응을 통해 경화 매트릭스 수지와 화학적으로 반응하고, 따라서 균질한 매트릭스의 통합 부분이 된다. 그러므로, 제1 중합체 성분은 에폭시 매트릭스 수지, 시아네이트 에스테르 매트릭스 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지와의 화학적 가교결합 반응을 통해 반응하는 중합체인 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 제1 중합체 성분은 폴리하이드록시 에테르이다. 이러한 타입의 폴리하이드록시 에테르는, 예를 들어 유럽 특허 제1 705 269호에 기술되어 있는데, 이러한 기재와 관련하여 상기 특허를 명시적으로 참조하고 있다.
본 발명에 따라서, 제2 중합체 성분은 제1 중합체 성분보다 더 높은 용융 온도를 갖는다. 제2 중합체 성분은 바람직하게는 사용된 매트릭스 수지의 경화 온도에서 또는 제1 중합체 성분의 용융 온도와 매트릭스 수지의 경화 온도 사이의 범위의 온도에서 용융된다. 이러한 방식으로, 제2 중합체 성분은 매트릭스 재료에 유사하게 결합하지만, 제1 중합체 성분과 다르게, 제2 중합체 성분은 경화된 매트릭스 수지에서 그 자신의 상을 형성한다. 제2 중합체 성분에 의해 형성된 이러한 상은 경화 동안 및 후속 부재에서 크랙의 확산을 제한하는데 도움을 주고, 따라서 예를 들어 충격 강도의 증가에 크게 기여한다.
본 발명에 따른 직조형 직물에 사용된 부직포의 제2 중합체 성분으로서, 요구되는 규정에 부합되는 한, 통상 열가소성 섬유로 되도록 가공되는 중합체, 예를 들어 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드-이미드, 폴리에스테르, 폴리부타디엔, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌 설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리아릴아미드, 폴리케톤, 폴리프탈아미드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 또는 이들 중합체의 공중합체 또는 혼합물이 사용될 수 있다.
앞에서 인용된 매트릭스 수지와 관련하여, 제2 중합체 성분이 폴리아미드 단독중합체 또는 폴리아미드 공중합체, 또는 폴리아미드 단독중합체 및/또는 폴리아미드 공중합체로 제조된 혼합물이라면 바람직하다. 폴리아미드 단독중합체 또는 폴리아미드 공중합체가 폴리아미드 6, 폴리아미드 6,6, 폴리아미드 6,12, 폴리아미드 4,6, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 6/12를 기본으로 하는 공중합체인 것이 특히 바람직하다.
직조형 직물 두께 전반의 재료 특성의 균질성과 관련하여, 부직포 층이 본 발명에 따른 직조형 직물에서 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 각각의 층 사이에 배열된다면 유리하다. 본 발명에 따른 직조형 직물을 사용하여 제조되는 부재의 특성과 가능한 높은 수준의 기계적 특성과 관련하여, 부직포가 5 내지 25 g/m2 범위의 단위 면적당 질량을 갖는다면 마찬가지로 바람직하다. 특히 바람직하게는, 단위 면적당 질량은 6 내지 20 g/m2 범위이다.
본 발명에 따른 직조형 직물에서, 섬유 보강 복합재를 제조하기 위해 일반적으로 사용되는 보강 섬유들 또는 보강용 얀들은 보강 섬유들로서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 멀티필라멘트 보강용 얀들에는 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 아라미드 얀들 또는 고급 UHMW 폴리에틸렌 얀들이 있으며, 탄소 섬유 얀들이 특히 바람직하다.
생성된 부재에서의 높은 수준의 기계적 특성과 관련하여, 보강용 얀들이 서로에 대해 평행하게 배열되고 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 하나의 층 내에 함께 인접하여 평행하게 배열될 때 유리하다. 이러한 수단에 의하여, 높은 섬유 용적 비율이 달성될 수 있고, 상기 부재에서 낮은 섬유 비율을 갖는 대역을 피할 수 있다.
추가의 바람직한 양태에서, 적층 층들의 보강용 얀들은 상기 층의 평면에 대해 수직으로 보았을 때 서로에 대해 각도를 형성한다. 이러한 수단에 의하여, 후속 부재에서 응력 방향에 대하여 보강용 얀들의 방향을 조정하여 이들 응력 방향에서 요구되는 강도를 확실히 하는 것이 가능하다. 이에 따라, 대칭 또는 유사-등방성 구조가 형성되도록, 보강용 얀들의 층들이 0° 방향에 대하여 규정된 각도들로 엇갈린다면, 유리하다. 따라서, 본 발명에 따른 직조형 직물은, 예를 들어 +45°층, -45°층, +45° 층 및 -45°층을 갖는 구조, 즉 개별 층들 내에서 단방향으로 배열된 보강용 얀들이 0° 방향에 대해 +45°, -45°, +45° 및 -45°의 각도를 갖는 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 이러한 타입의 다축 직조형 직물들에 대한 각도 α는 ±20°내지 약 ±80°범위이다. 전형적인 각도들 α는 ±25°, ±30°, ±45°, 및 ±60°이다.
또한, 예를 들어, 추가적으로 청구된 응력 방향을 이후의 부재에서 수용하기 위하여, 본 발명에 따른 직조형 직물은, 바람직하게는 멀티필라멘트 보강용 얀들이 0° 방향에 대하여 0°의 각도를 형성하는 멀티필라멘트 보강용 얀들의 층들 및/또는 필라멘트 보강용 얀들이 0° 방향에 대하여 90°의 각도를 형성하는 층들을 또한 포함한다. 이들 0° 및/또는 90° 층들이 각도 α로 배향된 층들 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 그러나, 예를 들어 90°, +30°, -30°, 0°, -30°, +30°, 90°방향들을 갖는 구조물이 또한 가능하며, 즉 외부 층들이 90°층들로 형성되는 구조물이 가능하다.
본 발명에 따른 직조형 직물에서, 멀티필라멘트 보강용 얀들의 층들은 멀티필라멘트 보강용 얀들로부터 제조된 미리제작한 단방향 직조 직물들로 구성될 수도 있다. 이러한 단방향 직조 직물들의 경우, 각 경우에 서로에 대해 평행하게 배열되어 층을 형성하는 보강용 얀들은, 보강용 얀들에 대하여 본질적으로 횡방향으로 연장되는 느슨하게 결합하는 사들(threads)로 제조된 체인들에 의해 서로 연결된다. 이러한 타입의 단방향성 직물들은, 예를 들어 유럽 특허 공보 제0　193　479 B1호 또는 유럽 특허 공보 제0　672　776호에 기술되어 있으며, 이러한 기재와 관련하여 상기 특허를 본원에서 명백하게 참조하고 있다.
특히 수지의 사출 동안에, 본 발명에 따른 직조형 직물들에서 더 큰 안정성을 유지하기 위하여, 그리고 예를 들어 보강층들의 바람직하지 않은 미끄러짐을 피하기 위하여, 본 발명의 바람직한 양태에서, 멀티필라멘트 보강용 얀들로부터 제조된 층들과 상기 적어도 1개의 부직포층은, 스티치들 또는 루프들을 형성하고 서로에 대해 평행하게 진행하면서 스티치 폭으로 서로로부터 떨어지는 재봉사들 또는 스티치 본딩사들(bonding threads)에 의해, 상기 층들 서로가 연결되어 서로에 대해 고정된다. 이에 따라 재봉사들은 직조형 직물의 0° 방향을 규정한다.
따라서, 멀티필라멘트 보강용 얀들로부터 제작된, 본 발명에 따른 직조형 직물들의 개별 층들은, 표준 방법들 및 장치들을 사용하여 제조될 수 있으며, 0° 방향에 대하여 규정된 각도들로 중첩하여 위치한다. 이미 설명한 바와 같이, 이러한 분야에서 공지된 장치는 LIBA 기계 또는 칼 메이어 기계이다. 이러한 수단에 의하여, 보강용 얀들은 층들 내에서 이들이 서로에 대해 인접하도록, 즉 이들이 본질적으로 간격없이 인접하여 위치하도록 배치될 수도 있다.
얀 직조형 직물을 제조하기 위해 일반적으로 사용된 얀들이 재봉사들로서 사용하기 위해 고려될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 재봉사들은 또한 본 발명에 따른 다축 직조형 직물에서 재봉을 통해 도입되지 않고, 대신에 다른 스티치 또는 루프 형성용 텍스타일 공정들, 예를 들어 특히 편직 공정들을 통해 도입되는 타입의 사들로서 이해된다. 다축 직조형 직물의 층들을 서로 연결시키는 상기 재봉사들을 통한 상기 스티치들은 트리코트 니트(tricot knit) 또는 프린지 편직(fringe weave)과 같은 다축 직조형 직물들에 유용한 편직 타입을 가질 수 있다. 프린지 편직이 바람직하다.
바람직하게는, 재봉사들은 멀티필라멘트 얀들이다. 이후의 수지 사출 동안, 예를 들어 수지 사출 온도를 초과하지만 사용된 수지의 경화 온도 미만의 온도에서 용융하는 재봉용 얀들이 사용될 수 있다. 이러한 얀들은 또한 경화 온도에서 용융할 수 있다. 재봉용 얀들은 또한, 예를 들어 사출 동안 또는 수지의 경화 동안에 매트릭스 수지에서 용해될 수 있는 타입일 수 있다. 이러한 타입의 재봉사들은, 예를 들어 독일 특허 제199 25 588호, 유럽 특허 제1 057 605호 또는 미국 특허 제6 890 476호에 기술되어 있으며, 이러한 기재와 관련하여 상기 특허를 명백하게 참조하고 있다. 바람직하게는, 재봉사들은 폴리아미드, 폴리아라미드, 폴리에스테르, 폴리아크릴, 폴리하이드록시 에테르 또는 이들 중합체의 공중합체로 구성된다. 재봉사들은 특히 바람직하게는 폴리에스테르, 폴리아미드 또는 폴리하이드록시 에테르 또는 이들 중합체의 공중합체로부터 제조된 멀티필라멘트 얀들로 구성된다.
재봉사들이 실온에서 50% 이상의 파단 신도를 갖는 경우 유리하다. 높은 파단 신도 때문에, 본 발명에 따른 다축 직조형 직물들의 드레이프성이 개선되고, 이로써 더 복잡한 구조물들 또는 부재들이 실현될 수도 있다.
본 발명에 따른 재봉 또는 편직된 직조형 직물들의 특정 양태에서, 재봉사들은 10 내지 35 dtex 범위의 선형 밀도를 갖는다. 즉, 직조형 직물에서 재봉사들의 선형 밀도가 상술된 범위에 있다면, 압축 하중에 대한 안정성이 상당히 개선됨이 확인되었다. 이것은 공지된 다축 직조형 직물들과 비교하여 상기 유형의 재봉사들의 사용으로 인해 개별 섬유 층들의 섬유 구조가 상당히 균질하게 된다는 사실 때문이다. 특히, 보강용 얀들의 필라멘트들은 종래의 직조형 직물들의 경우보다 더욱 직선 경로를 보이는 것으로 확인되었다. 재봉사들은 특히 바람직하게는 10 내지 30 dtex 범위의 선형 밀도, 더욱 더 특히 바람직하게는 15 내지 25 dtex 범위의 선형 밀도를 갖는다.
설명한 바와 같이, 재봉사들은 스티치들 또는 루프들을 형성하고, 직조형 직물의 0°방향을 규정한다. 상기 층들의 상기 보강용 얀들은 상기 직조형 직물의 0° 방향에 대해 대칭으로 배열되고, 이들의 연장 방향에 있어서, 0°방향에 대해 각도 α를 형성하고, 상기 각도가 90°도 아니고 0°도 아닐 때, 놀랍게도 본 발명에 따른 다축 직조형 직물로 제조된 복합 부재의 압축 하중 및/또는 충격 하중과 관련된 인성과 관련하여, 재봉사들에 의해 형성된 스티치들의 스티치 길이 s는, 스티치 폭 w 및 본 발명에 따른 다축 직조형 직물에서의 보강용 얀들의 각도 α1에 의존하고, 하기 수학식 I 및 II를 충족한다면, 특히 우수한 수준의 인성이 달성됨이 또한 놀랍게도 밝혀졌다:
수학식 I
Figure 112012075675489-pct00001
수학식 II
Figure 112012075675489-pct00002
상기 수학식 I 및 II에서, 승수 B는 0.9 ≤ B ≤ 1.1 범위의 값으로 추정할 수 있고, n는 0.5, 1, 1.5, 2, 3 또는 4의 값으로 추정할 수 있으며, 이에 따라 wㆍ│tan α1|/2.3의 작은 값에 대해, 스티치 길이 s는 수학식 I에 따라 요구되는 범위 내에 있다. 따라서, 스티치 폭 w, 즉 재봉사들 사이의 거리는 mm로 표시된다.
각도 α1은, 위에서 볼 때, 다축 직조형 직물의 제1 층의 보강용 얀들이 배열되어 이들 보강용 얀들이 0° 방향에 대하여 90° 및 0°와 다른 각도를 갖게 되는 0° 방향에 대한 각도인 것으로 이해된다. 다축 직조형 직물의 최상층 또는 최상층들의 보강용 얀들이 0° 방향에 대해 90° 또는 0°의 각도를 갖는 경우, 이러한 층 아래 또는 이들 층들 아래에 배열된 제1 층은 이의 보강용 얀들이 90° 및 0°와 다른 각도로 갖는 것으로 간주된다.
상기 섬유 구조, 즉 상기 직조형 직물의 층들 내의 멀티필라멘트 보강용 얀들의 섬유들 또는 필라멘트들의 경로를 조사하여, 수학식 I 및 II의 충족에 의해, 얀들의 상당히 감소된 파상도(waviness) 및 얀 번들 사이의 상당히 감소된 간격 발생에 의해 섬유들의 매우 균일한 경로가 형성되는 것을 알게 되었다. 이러한 목적을 위해, 얀 번들 또는 섬유 스트랜드의 경로를 따라, 재봉사들이 섬유 스트랜드의 폭에 걸쳐 다른 위치들에서 섬유 스트랜드를 꿰뚫어나가는 것이 매우 중요하다. 스티치 길이 및 스티치 폭과 관련하여 수학식 I 및 II에 의해 규정되는 범위를 벗어나는 통상적으로 설정되는 값들의 경우, 보강용 얀들의 연장부를 따르는 재봉사들의 관통이, 동일한 사들 또는 필라멘트들 또는 상기 섬유 스트랜드 또는 상기 보강용 얀의 동일 영역들 사이에서 본질적으로 발생하는 것이 관찰되었다. 이는 얀의 경로에서의 현저한 파상도 또는 물결형태(undulaion) 및 필라멘트들 사이의 간격의 형성을 초래한다.
전체적으로 말하자면, 낮은 선형 밀도를 갖는 바람직한 재봉사들을 사용할 경우 그리고 보강용 얀들의 층들 위에서 볼 때 상술된 수학식 I 및 II를 충족할 경우, 직조형 직물에서 재봉사들의 관통점들에 의해 유발된 섬유의 처짐(deflection)(물결 형태 각도로서도 지칭됨)이 약 25% 이하만큼 감소될 수 있다는 것을 알게 되었다. 동시에, 초래된 물결 형태 면적, 즉 필라멘트들 또는 사들이 처짐을 보이는 면적들 또는 영역들은 약 40% 만큼 감소될 수 있으며, 따라서 수지의 증가된 비율, 및 특히 압축 하중 하에서의, 부재의 감소된 인성을 갖는 영역들을 초래하는, 섬유들 사이의 자유 공간이 크게 감소된다.
동시에, 본 발명에 따른 다축 직조형 직물들을 기본으로 하는 복합 라미네이트들의 현미경 사진을 참조하면, 낮은 선형 밀도를 갖는 바람직한 재봉사들을 사용함으로써, 놀랍게도 보강용 얀들의 층들의 연장부에 평행한 관찰 방향 및 상기 보강용 얀들의 상기 연장부에 대해 수직인 관찰 방향에서 보강용 사들의 경로의 상당한 균질화가 달성된다는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서, 23 dtex의 선형 밀도를 갖는 재봉사의 사용에 의해, 보강용 얀들의 필라멘트들의 본질적인 선형 경로가 달성되었다. 상기 바람직한 범위를 벗어나는 선형 밀도를 갖는 재봉사의 사용에 의해서는, 이미 48 dtex의 선형 밀도에서, 복합 라미네이트의 상술된 단면을 가로질러 볼 때, 모든 필라멘트들이, 보강용 사들의 하나의 층의 두께 정도의 변화 진폭을 갖는 매우 불규칙한 파형 경로를 보였다.
스티치 길이는 2 mm 내지 4 mm 범위일 수 있다. 4 mm를 초과하는 스티치 길이에서, 본 발명에 따른 직조형 직물의 충분한 안정성은 더 이상 보장될 수 없다. 반대로, 2 mm 미만에서, 매우 많은 결함이 직조형 직물에서 나타난다. 또한, 다축 직조형 직물들의 생산 경제성이 크게 감소한다.
본 발명에 따른 직조형 직물들은 우수한 드레이프성 및 우수한 수지 침투성을 특징으로 한다. 또한, 이들 직물은 압축 하중에 대한 높은 안정성 및 충격 하중에 대한 높은 허용성(tolerance)을 갖는 부재들의 생성을 가능하게 한다. 그러므로, 상기 직물은 더욱 복잡한 섬유 복합 부재들을 생성시키는 소위 예비성형체들의 생성에 특히 적합하다. 그러므로, 본 발명은 특히 또한, 본 발명에 따른 직조형 직물들을 함유하는 섬유 복합 부재들의 생성을 위한 예비성형체들에 관한 것이다.

Claims (15)

  1. 서로 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강용 얀(yarn)들로 제조된 적어도 2개의 적층 층(superimposed layer)들로 제조된 직조형 직물로서,
    상기 직조형 직물은, 열가소성 중합체 재료로 제조된 부직포로 제조된 적어도 1개의 층을 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 층들 위에 및/또는 이들 층들 사이에 가지며,
    상기 부직포는 보강용 얀들의 용융 또는 분해 온도 미만의 용융 온도를 갖는 제1 중합체 성분 및 제2 중합체 성분을 포함하며,
    상기 제1 중합체 성분은 상기 제2 중합체 성분보다 낮은 용융 온도를 가지며, 상기 제1 중합체 성분은 에폭시 매트릭스 수지, 시아네이트 에스테르 매트릭스 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지, 또는 이들 매트릭스 수지의 혼합물에서 가용성이며, 상기 제2 중합체 성분은 에폭시 매트릭스 수지, 시아네이트 에스테르 매트릭스 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지, 또는 이들 매트릭스 수지의 혼합물에서 가용성이 아니고,
    상기 멀티필라멘트 보강용 얀은 멀티필라멘트인 보강용 얀을 의미함을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 중합체 성분이 80 내지 135℃ 범위의 용융 온도를 가지며, 상기 제2 중합체 성분이 140 내지 250℃ 범위의 용융 온도를 가짐을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부직포가 하이브리드 부직포임을 특징으로 하는 직조형 직물.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 중합체 성분이 폴리아미드 단독중합체 또는 폴리아미드 공중합체 또는 폴리아미드 단독중합체들 및/또는 폴리아미드 공중합체들의 혼합물임을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 폴리아미드 단독중합체 또는 폴리아미드 공중합체가 폴리아미드 6, 폴리아미드 6,6, 폴리아미드 6,12, 폴리아미드 4,6, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 6/12를 기본으로 하는 공중합체임을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 중합체 성분이, 상기 매트릭스 수지가 가교결합될 때 에폭시 매트릭스 수지, 시아네이트 에스테르 매트릭스 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지와 화학적으로 반응하는 중합체임을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 중합체 성분이 폴리하이드록시 에테르임을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부직포가 상기 제1 중합체 성분을 2 내지 40 중량% 비율로 함유하고, 상기 제2 중합체 성분을 60 내지 98 중량% 비율로 함유함을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 1개의 부직포층이 5 내지 25 g/m2 범위의 단위 면적당 질량을 가짐을 특징으로 하는 직조형 직물.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부직포층이 멀티필라멘트 보강용 얀들의 각 층들 사이에 배치됨을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 멀티필라멘트 보강용 얀들이 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 아라미드 얀들, 또는 고급 UHMW 폴리에틸렌 얀들임을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적층 층들의 상기 보강용 얀들이 상기 층의 평면에 수직인 방향에서 볼 때 서로 각도를 형성함을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 상기 층들과 상기 적어도 1개의 부직포층이, 서로에 대해 평행하게 진행하고 서로로부터 떨어진 재봉사들에 의해, 상기 층들 서로가 연결됨을 특징으로 하는, 직조형 직물.
  14. 제13항에 있어서,
    하나의 층 내의 보강용 얀들 뿐만 아니라 인접한 층들이, 재봉사들 사이의 거리인 스티치 폭 w로 서로 떨어진 재봉사들에 의해, 서로 연결되고 서로에 대해 고정되고,
    상기 재봉사들이 재봉사들에 의해 형성된 스티치들의 길이인 스티치 길이 s를 갖는 스티치들을 형성하고, 상기 직조형 직물의 0° 방향이 상기 재봉사들에 의해 규정되고,
    상기 층들의 상기 보강용 얀들은 상기 직조형 직물의 0° 방향에 대해 대칭으로 배열되고, 이들의 연장 방향에 있어서 0°방향에 대해 각도 α를 형성하고, 상기 각도는 90°도 아니고 0°도 아니며,
    상기 재봉사들은 10 내지 35 dtex 범위의 선형 밀도를 가지며,
    상기 재봉사들의 스티치 길이 s는, 스티치 폭 및 상기 보강용 얀들의 각도 α1에 의존하고, 하기 수학식 I 및 II를 충족하며,
    상기 각도 α1이, 위에서 볼 때, 상기 다축 직조형 직물의 멀티필라멘트 보강용 얀들로 제조된 상기 층들 중 제1 층의 상기 보강용 얀들이 배열되어 이들 보강용 얀들이 0° 방향에 대하여 90° 및 0°와 다른 각도를 갖게 되는 0° 방향에 대한 각도인 것으로 이해됨을 특징으로 하는, 직조형 직물:
    수학식 I
    Figure 112017098035647-pct00003

    수학식 II
    Figure 112017098035647-pct00004

    상기 수학식 I 및 II에서,
    w는 스티치 폭(mm)이며,
    0.9 ≤ B ≤ 1.1 이며,
    n은 0.5, 1, 1.5, 2, 3 또는 4이다.
  15. 제1항 또는 제2항에 따른 직조형 직물을 포함함을 특징으로 하는, 복합 부재(component)들을 생성하기 위한 예비성형체(preform).






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