KR101867201B1

KR101867201B1 - 섬유 강화 플라스틱 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR101867201B1
Application number: KR1020167021292A
Authority: KR
Inventors: 마사오 도미오카; 다케시 이시카와; 다카유키 고바야시
Original assignee: 미쯔비시 케미컬 주식회사
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2018-06-12
Also published as: CN105992682B; EP3120984B1; JPWO2015122500A1; CN105992682A; US11034103B2; EP3120984A1; JP5975171B2; US20190001591A1; KR20160105877A; WO2015122500A1; US20170190123A1; EP3120984A4; US10773473B2; US20180117861A1

Abstract

이방성을 컨트롤할 수 있고, 기계 특성이 우수하며, 격차가 적으면서, 내열성도 우수하고, 또한 부형 시의 유동성이 양호한 섬유 강화 플라스틱을 얻는 것을 목적으로 한다. 일 방향으로 당겨 정렬한 강화 섬유(110)에 열가소성 수지가 함침된 절입이 들어간 프리프레그 기재를 포함하는 재료(A)(100)를 얻는 공정과, 재료(A)(100)의 주행 방향에 대한 직교 방향 X로 대략 균일하게 가압하는 가압 장치를 이용하여, 상기 직교 방향 X에 대해 상기 프리프레그 기재의 강화 섬유(110)의 섬유축의 방향 Y가 이루는 각도 θ를 -20°∼20°로 해서, 재료(A)(100)를 일 방향으로 주행시키면서 소정의 온도 T로 가열한 상태에서 가압하는 공정과, 가압 장치로 가압된 재료(A)(100)를 냉각하여 섬유 강화 플라스틱을 얻는 공정을 갖는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

Description

섬유 강화 플라스틱 및 그의 제조 방법{FIBER-REINFORCED PLASTIC AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}

본 발명은 섬유 강화 플라스틱 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은 2014년 2월 14일에 일본에 출원된 특허출원 2014-026641호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

항공기 부재, 자동차 부재, 풍력 발전용 풍차 부재, 스포츠 용구 등의 다양한 분야에 있어서, 시트상의 섬유 강화 플라스틱을 스탬핑 성형에 의해 부형(賦形)한 구조재가 널리 이용되고 있다. 해당 섬유 강화 플라스틱은, 예를 들면, 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시킨 프리프레그 기재가 복수매 적층되어 일체화됨으로써 형성된다.

프리프레그 기재로서는, 예를 들면, 연속한 섬유 길이가 긴 강화 섬유를 일 방향으로 당겨 정렬한 것에, 열가소성 수지를 함침시켜 시트상으로 한 것을 들 수 있다. 이와 같은 연속한 긴 강화 섬유를 이용한 프리프레그 기재로 형성한 섬유 강화 플라스틱에서는, 우수한 기계 물성을 갖는 구조재를 제조할 수 있다. 그러나, 해당 섬유 강화 플라스틱에서는, 연속한 강화 섬유이기 때문에 부형 시의 유동성이 낮아, 3차원 형상 등의 복잡한 형상으로 부형하는 것이 어렵다. 그 때문에, 해당 섬유 강화 플라스틱을 이용하는 경우, 제조하는 구조재는 주로 평면 형상에 가까운 것에 한정된다.

부형 시의 유동성을 높게 하는 방법으로서는, 예를 들면, 폭이 좁은 테이프상의 프리프레그 기재로부터 일정한 길이로 잘라낸 복수의 프리프레그편(片)을 평면 상에 분산시키고, 그것들을 프레스 성형으로 일체화시켜 시트상의 섬유 강화 플라스틱으로 하는 방법이 개시되어 있다(특허문헌 1).

그러나, 해당 방법에서는, 공기에 의해 프리프레그편을 비상(飛翔)시키거나, 액상 유체 내에서 프리프레그편을 확산시킨 후에 퇴적시킴으로써 해당 프리프레그편을 분산시키기 때문에, 강화 섬유의 섬유축 방향이 완전히 랜덤한 방향을 향하도록 프리프레그편을 균일하게 분산시키는 것은 극히 어렵다. 그 때문에, 동일 시트 내에 있어서도 장소나 방향에 따라 강도 등의 기계 물성이 상이한 섬유 강화 플라스틱이 된다. 구조재에는, 강도 등의 기계 물성의 격차가 적으면서, 기계 물성이 등방성이거나, 또는 그의 이방성이 컨트롤되어 있을 것이 요구되는 경우가 많다. 그러나, 해당 방법에서는, 기계 물성의 등방성이 양호하거나, 또는 이방성이 컨트롤되고, 더욱이 기계 물성의 격차가 적은 섬유 강화 플라스틱을 얻는 것은 곤란하다.

게다가, 섬유 강화 플라스틱에는 양호한 내열성도 요구된다. 일반적으로 섬유 강화 플라스틱의 내열성은, 섬유 강화 플라스틱에 이용되는 매트릭스 수지의 내열성의 영향을 크게 받는다. 통상, 수지 단체의 기계 물성은, 그 수지의 유리전이온도 이상의 온도에서는 저하되는 경향이 있다. 섬유 강화 플라스틱에 있어서도 마찬가지로, 매트릭스 수지의 유리전이온도 이상의 온도에서는, 기계 물성이 저하되는 경향이 있다. 이 기계 물성의 저하를 최소한으로 억제하기 위해서는, 섬유 강화 플라스틱에 있어서 강화 섬유를 매트릭스 수지 중에 균일하게 분산시킬 필요가 있다. 그러나, 상기 방법에서는, 퇴적된 프리프레그편을 가열하여 일체화시키는 공정에 있어서, 퇴적된 프리프레그편의 틈새에, 용융된 매트릭스 수지만이 흘러 들어온다. 그 때문에, 얻어진 섬유 강화 플라스틱에 있어서는, 국소적으로 수지 풍부한 부분이 생긴다. 이 수지 풍부 부분의 영향으로, 해당 방법으로 얻어진 섬유 강화 플라스틱은 내열성이 뒤떨어지는 문제가 있다.

일 방향으로 당겨 정렬한 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시키고, 더욱이 섬유축에 교차하도록 절입을 형성한 프리프레그 기재를 복수매 적층하고, 그것들을 일체화시켜 섬유 강화 플라스틱으로 하는 방법도 개시되어 있다(특허문헌 2∼6). 해당 방법으로 얻어지는 섬유 강화 플라스틱은, 프리프레그 기재에 절입이 형성되어 강화 섬유가 분단되어 있기 때문에, 부형 시에 양호한 유동성이 얻어진다. 또한, 강화 섬유의 섬유축의 방향이 특정한 방향으로 치우치지 않도록, 예를 들면 섬유축의 방향이 평면시로 45°씩 어긋나도록 복수매의 프리프레그 기재를 적층함으로써, 기계 물성의 등방성이 양호하면서 격차가 적은 섬유 강화 플라스틱을 얻을 수 있다. 또한 섬유축의 방향을 임의의 방향으로 정렬해서 적층함으로써, 이방성을 컨트롤할 수도 있다.

그러나, 해당 방법으로 얻어진 섬유 강화 플라스틱은, 절입 형상을 따른 방향으로 응력이 생긴 경우에, 이 절입 부분이 파괴의 기점이 되어 기계 물성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 이 절입 부분에는 실질적으로 수지만이 존재하기 때문에, 매트릭스 수지의 유리전이온도 이상의 온도에서는, 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 방법과 마찬가지로, 내열성이 뒤떨어지는 문제가 있다.

또한 해당 방법에서는, 기계 물성의 등방성이 양호한 띠상의 섬유 강화 플라스틱을 연속적으로 제조하는 경우, 평면시로 강화 섬유의 섬유축의 방향이 상이한 방향(예를 들면 길이 방향에 대해 0°, 45°, 90°, -45°)이 된 띠상의 프리프레그 기재를 따로따로 제조하여 그것들을 적층할 필요가 있다. 그 때문에, 제조 공정이 번잡하고 제어도 어려워지며, 비용이 높아진다. 또한, 매엽(枚葉)의 섬유 강화 플라스틱을 제조하는 경우에도, 평면시로 강화 섬유의 섬유축의 방향이 치우치지 않도록 각 프리프레그 기재를 수시 소정의 회전 각도(0°, 45°, 90°, -45°등)로 회전시키면서 적층할 필요가 있다. 그 때문에, 이 경우에도 적층 작업이 번잡하고 제어도 어려우며, 비용이 높아진다.

특허문헌 7에는, 강화 섬유를 초지(抄紙)에 의해 분산시켜 섬유 강화 플라스틱을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 해당 방법으로 얻어진 섬유 강화 플라스틱에서는, 강화 섬유가 거의 균일하게 분산되어 있기 때문에, 기계 물성은 등방성이 우수하면서, 격차가 적고, 또한 내열성도 양호하다.

그러나, 해당 방법으로 얻어진 섬유 강화 플라스틱에 있어서는, 강화 섬유가 3차원적으로 서로 얽혀 있기 때문에, 부형 시의 유동성은 극히 뒤떨어진다. 또한 제조 공정도 극히 번잡하고, 비용적으로 현저하게 뒤떨어진다. 게다가, 해당 방법으로 강화 섬유의 함유율이 높은 섬유 강화 플라스틱을 제조하려고 한 경우에는, 강화 섬유가 보다 빽빽한 상태에서 초지할 필요가 있다. 그러나, 이와 같은 고밀도로 초지된 강화 섬유에 매트릭스 수지를 함침시키려고 하면, 3차원적으로 얽힌 강화 섬유 중, 특히 두께 방향(함침 방향)으로 배향되어 있는 강화 섬유가 함침 시의 프레스력의 응력을 담당하기 때문에, 수지에 압력이 전달되지 않아, 함침이 극히 곤란해진다. 또한, 강화 섬유의 섬유 길이가 긴 경우에도, 3차원적인 얽힘이 강고해지기 때문에, 마찬가지로 함침이 곤란해진다.

일본 특허공개 평07-164439호 공보 일본 특허공개 소63-247012호 공보 일본 특허공개 소63-267523호 공보 일본 특허공개 2008-207544호 공보 일본 특허공개 2008-207545호 공보 일본 특허공개 2009-286817호 공보 국제공개 제2010/013645호

본 발명은 기계 물성의 등방성이나 이방성을 컨트롤할 수 있고, 기계 특성이 우수하며, 격차가 적으면서, 내열성도 우수하고, 또한 부형 시의 유동성이 양호한 섬유 강화 플라스틱을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 해당 섬유 강화 플라스틱을 간편하게 저비용으로 제조할 수 있는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 결과, 하기 (1)∼(15)에 의해 상기 과제를 해결할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

(1) 하기 공정(i)∼(iii)을 갖는, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

(i) 일 방향으로 당겨 정렬한 강화 섬유에 매트릭스 수지가 함침되고, 또한 섬유축에 교차하도록 절입이 형성된 프리프레그 기재를 포함하는 재료(A)를 얻는 공정.

(ii) 상기 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향으로 대략 균일하게 가압하는 가압 장치를 이용하여, 상기 직교 방향에 대해 상기 프리프레그 기재의 상기 강화 섬유의 섬유축의 방향이 이루는 각도 θ를 -20°∼20°로 해서, 상기 재료(A)를 일 방향으로 주행시키면서, 상기 매트릭스 수지의 융점 이상, 또는 융점을 갖지 않을 때는 유리전이온도 이상의 온도 T로 가열한 상태에서 가압하는 공정.

(iii) 상기 가압 장치로 가압된 상기 재료(A)를 냉각하여 섬유 강화 플라스틱을 얻는 공정.

(2) 상기 공정(ii)가 하기 공정(ii-1)인, 상기 (1)에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

(ii-1) 롤의 축선 방향이 상기 직교 방향이 되는, 적어도 한 쌍의 프레스 롤을 구비하는 가압 장치에 의해, 상기 재료(A)를 일 방향으로 주행시키면서, 상기 온도 T로 가열한 상태에서 가압하는 공정.

(3) 상기 공정(ii-1)의 상기 프레스 롤로서 가열 롤을 이용하는, 상기 (2)에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

(4) 상기 각도 θ를 -5°∼5°로 하는, 상기 (1)∼(3) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

(5) 상기 프리프레그 적층체의 두께가 0.25∼6.0mm인, 상기 (1)∼(4) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

(6) 상기 매트릭스 수지가 열가소성 수지인, 상기 (1)∼(5) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

(7) 상기 매트릭스 수지가 폴리올레핀 수지, 변성 폴리프로필렌 수지, 폴리아마이드 수지 및 폴리카보네이트 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 상기 (1)∼(5) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

(8) 상기 프리프레그 기재의 절입에 의해 절단된 강화 섬유의 길이 L이 1∼100mm인, 상기 (1)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

(9) 상기 공정(ii-1)에 있어서, 상기 재료(A)를 적어도 한 쌍의 벨트로 협지하여 적어도 한 쌍의 프레스 롤 사이를 통과하도록 주행시키면서 가열하고, 상기 적어도 한 쌍의 프레스 롤로 상기 재료(A)를 가압하는 더블 벨트식 가열 가압기를 이용하는, 상기 (2)∼(8) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.

(10) 탄소 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 섬유 강화 플라스틱으로서, 탄소 섬유의 섬유 길이가 1∼100mm이고, 두께 방향과 직교하는 방향으로의 탄소 섬유의 배향도 pf가 0.001∼0.8이며, 두께 방향과 직교하는 면의 탄소 섬유의 배향 프로파일의 타원 괴리 계수 ec가 1×10^-5∼9×10^-5인, 섬유 강화 플라스틱.

(11) 두께 방향의 단면에 있어서, 탄소 섬유의 분산 파라미터 dp가 100∼80인, 상기 (10)에 기재된 섬유 강화 플라스틱.

(12) 상기 매트릭스 수지가 열가소성 수지로 이루어지는, 상기 (10) 또는 (11)에 기재된 섬유 강화 플라스틱.

(13) 상기 탄소 섬유의 섬유 체적 함유율이 5∼70체적%인, 상기 (10)∼(12) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 플라스틱.

(14) 상기 탄소 섬유의 섬유 길이가 10∼50mm인, 상기 (10)∼(13) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 플라스틱.

(15) 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 두께가 0.25∼6.0mm인, 상기 (10)∼(14) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 플라스틱.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 기계 물성의 등방성이나 이방성을 컨트롤할 수 있고, 기계 특성이 우수하며, 격차가 적으면서, 내열성도 우수하고, 또한 부형 시의 유동성도 양호하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법에 의하면, 기계 특성의 등방성이나 이방성을 컨트롤할 수 있고, 기계 특성이 우수하며, 격차가 적으면서, 내열성도 우수하고, 또한 부형 시의 유동성이 양호한 섬유 강화 플라스틱을 간편하게 저비용으로 제조할 수 있다.

도 1은 재료(A)를 한 쌍의 프레스 롤로 가압하는 모습을 나타낸 사시도이다.
도 2는 더블 벨트식 가열 가압기의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 3은 배향도 pf의 측정 방법의 일 공정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 분산 파라미터 dp의 산출에 있어서의 화상 처리 소프트에 의한 처리를 설명한 모식도이다.

본 명세서에 있어서는, 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향에 대해 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 이루는 각도 θ란, 공정(ii)에서 당해 재료(A)를 주행시키면서 가압할 때의 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향과, 당해 재료(A)에 있어서의 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 이루는 각도이다. 각도 θ는 재료(A)를 상방으로부터 보았을 때의 반시계 방향 회전을 플러스, 시계 방향 회전을 마이너스로 한다.

공정(ii)의 가압 장치로서, 롤의 축선 방향이 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향과 일치하는, 적어도 한 쌍의 프레스 롤을 구비하는 가압 장치를 이용하는 경우, 각도 θ는, 해당 프레스 롤의 축선 방향과, 재료(A)에 있어서의 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 이루는 각도에 일치한다.

<섬유 강화 플라스틱의 제조 방법>

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법은 하기 공정(i)∼(iii)을 갖는 방법이다.

[공정(i)]

공정(i)에서는, 프리프레그 기재를 포함하는 재료(A)를 얻는다. 재료(A)는 1매의 프리프레그 기재만으로 이루어지는 단층의 재료여도 되고, 2매 이상의 프리프레그 기재를 적층한 프리프레그 적층체여도 된다.

(프리프레그 기재)

공정(i)에서 이용하는 프리프레그 기재는 일 방향으로 당겨 정렬한 강화 섬유에 매트릭스 수지가 함침된 것이다.

강화 섬유로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 무기 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유, 또는 이들을 조합한 하이브리드 구성의 강화 섬유를 사용할 수 있다.

무기 섬유로서는, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 탄화규소 섬유, 알루미나 섬유, 텅스텐 카바이드 섬유, 보론 섬유, 유리 섬유 등을 들 수 있다. 유기 섬유로서는, 아라미드 섬유, 고밀도 폴리에틸렌 섬유, 그 밖의 일반 나일론 섬유, 폴리에스터 섬유 등을 들 수 있다. 금속 섬유로서는, 스테인리스, 철 등의 섬유를 들 수 있고, 또한 금속을 피복한 탄소 섬유여도 된다. 이들 중에서는, 최종 성형물인 구조재의 강도 등의 기계 물성을 고려하면, 탄소 섬유가 바람직하다.

탄소 섬유로서는, 특별히 한정되지 않고, 폴리아크릴로나이트릴(PAN)계 탄소 섬유, PICH계 탄소 섬유 등을 들 수 있다.

바람직한 탄소 섬유는, JIS R7601(1986)에 준하여 측정한 스트랜드 인장 강도가 1.0GPa 이상 9.0GPa 이하이고, 또한 스트랜드 인장 탄성률이 150GPa 이상 1000GPa 이하인 탄소 섬유이다.

보다 바람직한 탄소 섬유는, JIS R7601(1986)에 준하여 측정한 스트랜드 인장 강도가 1.5GPa 이상 9.0GPa 이하이고, 또한 스트랜드 인장 탄성률이 200GPa 이상 1000GPa 이하인 탄소 섬유이다.

강화 섬유의 평균 섬유 직경은 1∼50μm가 바람직하고, 5∼20μm가 보다 바람직하다.

매트릭스 수지로서는, 열가소성 수지여도 되고, 열경화성 수지여도 된다. 매트릭스 수지는 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.

매트릭스 수지로서는, 열가소성 수지가 바람직하다. 열가소성 수지는 일반적으로 열경화성 수지보다도 인성값이 높기 때문에, 매트릭스 수지로서 열가소성 수지가 함침된 프리프레그 기재를 이용함으로써 강도, 특히 내충격성이 우수한 구조재가 얻어지기 쉬워진다. 또한, 열가소성 수지는 화학 반응을 수반하는 일 없이 냉각 고화에 의해 형상이 정해지기 때문에, 해당 프리프레그 기재를 이용하는 경우에는 단시간 성형이 가능해져, 생산성이 우수하다.

열가소성 수지로서는, 특별히 한정되지 않고, 폴리아마이드 수지(나일론 6(융점: 220℃), 나일론 66(융점: 260℃), 나일론 12(융점: 175℃), 나일론 MXD6(융점: 237℃) 등), 폴리올레핀 수지(저밀도 폴리에틸렌(융점: 95∼130℃), 고밀도 폴리에틸렌(융점: 120∼140℃), 폴리프로필렌(융점: 168℃) 등), 변성 폴리올레핀 수지(변성 폴리프로필렌 수지(융점: 160∼165℃) 등), 폴리에스터 수지(폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트 등), 폴리카보네이트 수지(유리전이온도: 145℃), 폴리아마이드 이미드 수지, 폴리페닐렌 옥사이드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리에터설폰 수지, 폴리에터 에터 케톤 수지, 폴리에터 이미드 수지, 폴리스타이렌 수지, ABS 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 액정 폴리에스터 수지, 아크릴로나이트릴과 스타이렌의 공중합체, 나일론 6과 나일론 66의 공중합체 등을 들 수 있다.

변성 폴리올레핀 수지로서는, 예를 들면, 말레산 등의 산에 의해 폴리올레핀 수지를 변성시킨 수지 등을 들 수 있다.

열가소성 수지는 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.

열가소성 수지로서는, 강화 섬유와의 접착성, 강화 섬유에의 함침성 및 열가소성 수지의 원료 비용의 각각의 밸런스의 점에서, 폴리올레핀 수지, 변성 폴리프로필렌 수지, 폴리아마이드 수지 및 폴리카보네이트 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다.

열경화성 수지로서는, 특별히 한정되지 않고, 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 유레테인계 수지, 요소성 수지, 멜라민 수지, 이미드계 수지 등을 들 수 있다.

열경화성 수지는 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.

열경화성 수지로서는, 열경화성 수지를 경화시킨 후의 섬유 강화 플라스틱의 기계 특성의 발현성의 관점에서, 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 이미드계 수지가 바람직하고, 프리프레그 기재의 제조의 용이성의 관점에서, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 수지가 보다 바람직하다.

프리프레그 기재에는, 목적의 구조재의 요구 특성에 따라서, 난연제, 내후성 개량제, 산화 방지제, 열안정제, 자외선 흡수제, 가소제, 활제, 착색제, 상용화제, 도전성 필러 등의 첨가제를 배합해도 된다.

또한, 공정(i)에서 이용하는 프리프레그 기재에는, 섬유축에 교차하도록 절입이 형성되어 있다. 이에 의해, 해당 프리프레그 기재에서는, 일 방향으로 당겨 정렬된 섬유 길이가 긴 강화 섬유가 절입에 의해 분단된 상태가 되어 있다.

일반적으로 강화 섬유가 길수록 기계 물성이 우수한 구조재가 얻어지지만, 특히 스탬핑 성형 시에 있어서, 유동성이 저하되기 때문에 복잡한 3차원 형상의 구조재가 얻어지기 어려워진다. 본 발명에서는, 프리프레그 기재에 절입을 넣음으로써, 강화 섬유가 절단되어 짧아져 있기 때문에, 스탬핑 성형 시에도 강화 섬유와 매트릭스 수지가 유동하기 쉽다. 그 때문에, 리브나 보스 등의 복잡한 3차원 형상의 구조재를 얻는 것도 용이하다.

또한, 일반적으로 랜덤재라고 불리는, 프리프레그 기재로부터 잘라낸 프리프레그편을 분산시켜 일체화시킴으로써 시트상의 섬유 강화 플라스틱을 형성하면, 기계 물성에 격차가 생기기 때문에, 부품 설계가 곤란하다. 이에 반하여, 본 발명에서는, 절입이 들어간 프리프레그 기재를 이용하여 섬유 강화 플라스틱을 얻기 때문에, 랜덤재를 이용하는 경우에 비해 기계 물성이 양호하고, 그의 격차도 작게 할 수 있다.

프리프레그 기재에 형성하는 절입의 형상은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 직선상이어도 되고, 곡선상이어도 되고, 꺾인 선상이어도 된다.

프리프레그 기재에 형성하는 절입의 강화 섬유의 섬유에 대한 각도도 특별히 한정되지 않는다.

프리프레그 기재에 있어서의, 절입에 의해 절단된 강화 섬유의 길이 L은 1∼100mm가 바람직하고, 3∼70mm가 보다 바람직하고, 5∼50mm가 더 바람직하며, 10∼50mm가 특히 바람직하고, 10∼35mm가 가장 바람직하다. 상기 강화 섬유의 길이 L이 하한값 이상이면, 충분한 기계 물성을 갖는 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉽다. 상기 강화 섬유의 길이 L이 상한값 이하이면, 성형 시에 강화 섬유와 매트릭스 수지가 유동하기 쉬워지기 때문에, 얻어진 섬유 강화 플라스틱을 리브 등의 복잡한 3차원 형상을 갖는 구조재로 부형하는 것이 용이해진다.

프리프레그 기재에 있어서의 섬유 체적 함유율(Vf)은 5∼70체적%가 바람직하고, 10∼60체적%가 보다 바람직하며, 15∼50체적%가 더 바람직하다. Vf가 하한값 이상이면, 충분한 기계 물성을 갖는 구조재가 얻어지기 쉽다. Vf가 상한값 이하이면, 부형 시에 양호한 유동성이 얻어지기 쉽다.

한편, 프리프레그 기재의 Vf값은, 프리프레그 기재에 있어서의 강화 섬유, 매트릭스 수지, 및 보이드(기체)를 제외한 첨가제 등의 그 밖의 성분의 합계 체적에 대한 강화 섬유의 체적의 비율을 의미한다. JIS K7075에 기초하여 측정된 Vf값은 프리프레그 기재 중의 보이드의 존재량에 따라 변동되는 값이기 때문에, 본 발명에 있어서는 보이드의 존재량에 의존하지 않는 섬유 체적 함유율을 채용한다.

프리프레그 기재의 두께는 50∼500μm가 바람직하다. 프리프레그 기재의 두께가 하한값 이상이면, 프리프레그 기재의 취급이 용이해진다. 또한 2매 이상의 프리프레그 기재를 적층하여 원하는 두께의 재료(A)를 얻는 경우에, 프리프레그 기재의 적층 매수가 지나치게 많아지는 것을 억제할 수 있기 때문에, 생산성이 높아진다. 프리프레그 기재의 두께가 상한값 이하이면, 프리프레그 기재 제조 시에 발생하는 프리프레그 기재 내부의 보이드(공공(空孔))를 억제할 수 있어, 충분한 기계 물성을 갖는 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉽다.

본 발명에서는, 프리프레그 기재의 두께가 최종적으로 얻어지는 구조재의 강도에 미치는 영향은 작다.

프리프레그 기재의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 공지의 방법을 채용할 수 있다. 프리프레그 기재로서는, 시판 중인 프리프레그 기재를 이용해도 된다.

프리프레그 기재에 대한 절입의 형성 방법으로서는, 예를 들면, 레이저 마커, 커팅 플로터, 발형(拔型) 등을 이용하는 방법을 들 수 있다. 레이저 마커를 이용하는 방법은 곡선상이나 지그재그선상 등의 복잡한 형상의 절입이더라도 고속으로 가공할 수 있다는 점에서 바람직하다. 커팅 플로터를 이용하는 방법은 2m 이상의 대판인 프리프레그 기재여도 가공이 용이한 점에서 바람직하다. 발형을 이용하는 방법은 고속으로 가공할 수 있다는 점에서 바람직하다.

재료(A)를 프리프레그 적층체로 하는 경우, 해당 프리프레그 적층체에 있어서는, 적층하는 프리프레그 기재 사이에 수지 시트를 적층하여 수지층을 형성하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 공정(ii)에 있어서 유동성이 향상되어, 기계 물성의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 또한 기계 물성의 격차가 적은 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉬워진다.

상기 수지층에 이용하는 수지로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 프리프레그 기재에 이용하는 매트릭스 수지와 동일한 것을 들 수 있다. 상기 수지층에 이용하는 매트릭스 수지는 프리프레그 기재에 이용하는 매트릭스 수지와 동일한 수지인 것이 바람직하다. 한편, 상기 수지층에 이용하는 수지는 프리프레그 기재에 이용하는 매트릭스 수지와 상이한 수지여도 된다.

(적층의 태양)

재료(A)를 프리프레그 적층체로 하는 경우, 공정(i)에 있어서 프리프레그 기재를 적층하는 태양은, 형성하는 프리프레그 적층체에 있어서의 프리프레그 기재의 적층 매수에 대하여 66% 이상의 프리프레그 기재에 대해 공정(ii)에서 각도 θ의 조건이 만족되는 태양이면 된다. 즉, 적층 매수에 대하여 66% 이상의 각 프리프레그 기재에 대해 공정(ii)에서 각도 θ의 조건이 만족되도록, 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향을 특정한 범위로 치우치게 해서 적층을 행하면 된다. 프리프레그 적층체가, 적층 매수에 대하여 34% 미만의 비율로 상기 각도 θ의 조건을 만족시키지 않는 프리프레그 기재를 포함하는 경우, 해당 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향은 특별히 한정되지 않는다. 프리프레그 적층체에 있어서는, 모든 프리프레그 기재에 대해 각도 θ의 조건이 만족되도록 하는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 예를 들면, 2매 이상의 프리프레그 기재를, 각 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 정렬하여 적층하는 태양을 들 수 있다. 해당 태양은 각 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 정렬되어 있기 때문에, 공정(ii)에 있어서 각 프리프레그 기재에 대해 각도 θ의 조건을 만족시키도록, 재료(A)의 주행 방향과 각 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향의 각도 관계를 제어하는 것이 용이하다.

또한, 프리프레그 적층체의 각각의 프리프레그 기재에 대해 공정(ii)의 각도 θ의 조건이 만족되는 범위 내이면, 적층한 각 프리프레그 기재 사이에 강화 섬유의 섬유축의 방향이 어긋나 있는 태양으로 해도 된다. 즉, 프리프레그 기재를 적층할 때에는, 반드시 각 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 완전히 정렬되도록 각 프리프레그 기재의 각도를 엄밀히 제어하는 것은 필요로 하지 않는다.

또한, 적층한 각 프리프레그 기재 사이에 있어서 강화 섬유의 섬유축의 방향에 어긋남이 있는 경우라도, 형성되는 프리프레그 적층체에 있어서의 적층 매수에 대하여 66% 이상의, 상기 각도 θ의 조건을 만족시키는 각 프리프레그 기재 사이의 강화 섬유의 섬유축의 방향의 어긋남은 40° 이하이고, 10° 이하가 바람직하다. 상기 각도 θ의 조건을 만족시키는 각 프리프레그 기재 사이의 강화 섬유의 섬유축의 방향의 어긋남이 작을수록, 공정(ii)에 있어서, 각 프리프레그 기재에 대해 각도 θ의 조건을 만족시키도록, 재료(A)의 주행 방향과 각 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향의 각도 관계를 제어하는 것이 용이해진다.

프리프레그 적층체에 있어서의 프리프레그 기재의 적층수는 2∼16이 바람직하고, 4∼12가 보다 바람직하다. 프리프레그 기재의 적층수가 하한값 이상이면, 충분한 기계 물성을 갖는 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉽다. 프리프레그 기재의 적층수가 상한값 이하이면, 적층 작업이 용이해져, 생산성이 우수하다.

재료(A)의 두께는 0.25∼6.0mm가 바람직하고, 0.4∼6.0mm가 보다 바람직하며, 0.6∼4.0mm가 더 바람직하다. 재료(A)의 두께가 하한값 이상이면, 충분한 기계 물성을 갖는 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉽다. 재료(A)의 두께가 상한값 이하이면, 후술의 공정(ii)에서의 가압에 의해 재료(A)에 있어서의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 보다 랜덤화되기 쉬워, 기계 물성의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 또한 기계 물성의 격차가 적은 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉽다.

[공정(ii)]

공정(ii)에서는, 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향에 걸쳐서 가압이 대략 균일해지도록, 재료(A)를 두께 방향으로 가압할 수 있는 가압 장치를 이용하여, 재료(A)를 일 방향으로 주행시키면서, 매트릭스 수지의 융점 이상, 또는 융점을 갖지 않을 때는 유리전이온도 이상의 온도 T로 가열한 상태에서 가압한다.

공정(ii)에서는, 상기 가압 장치에 의한 가압 시에, 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향에 대해, 재료(A)에 있어서의 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 이루는 각도 θ가 -20°∼20°가 되도록 한다. 재료(A)로서 프리프레그 적층체를 이용할 때는, 각 프리프레그 기재 사이에 강화 섬유의 섬유축의 방향이 어긋나 있는 경우에도, 적층 매수에 대하여 66% 이상의 프리프레그 기재에 대해 각각 상기의 각도 θ의 조건이 만족되도록 한다.

온도 T로 가열하여 매트릭스 수지를 용융시킨 상태에서 재료(A)를 상기와 같이 가압 장치로 가압함으로써, 매트릭스 수지와 함께 절입에 의해 절단된 강화 섬유가 유동하여, 강화 섬유의 섬유축의 방향이 다양한 방향으로 변화한다. 이에 의해, 재료(A)에 있어서 동일 방향으로 정렬되어 있던 강화 섬유의 섬유축의 방향이 랜덤화되어, 기계 물성의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 또한 기계 물성의 격차가 적은 섬유 강화 플라스틱을 얻을 수 있다.

각도 θ는 -5°∼5°가 바람직하다. 상기 각도 θ가 상기 범위 내이면, 프레스 롤에 의한 가압에 의해 재료(A)에 있어서의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 보다 랜덤화되기 쉬워, 기계 물성의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 또한 기계 물성의 격차가 적은 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉽다.

온도 T는, 프리프레그 기재에 함침된 매트릭스 수지의 융점 이상이거나, 또는 해당 매트릭스 수지가 융점을 갖지 않을 때는 해당 매트릭스 수지의 유리전이온도 이상의 온도이다. 재료(A)가 2종 이상의 매트릭스 수지를 포함하는 경우, 온도 T는, 그들 매트릭스 수지의 융점 또는 유리전이온도 중, 가장 높은 온도를 기준으로 하는 것으로 한다.

온도 T는, 매트릭스 수지의 종류에 따라서도 상이하지만, 매트릭스 수지가 용융되는 범위에서, 150∼450℃가 바람직하고, 200∼400℃가 보다 바람직하다. 온도 T가 상기 범위이면, 강화 섬유와 매트릭스 수지를 유동시키기 쉬워, 기계 물성의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 또한 기계 물성의 격차가 적은 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉽다.

공정(ii)에서는, 재료(A)를 온도 T로 가열하기 전에, 재료(A)를 예열해도 된다. 예열을 행하는 경우, 예열 온도는 150∼400℃가 바람직하고, 200∼380℃가 보다 바람직하다. 예열의 단계에 있어서는, 재료(A)의 매트릭스 수지는 용융되어 있어도 되고, 용융되어 있지 않아도 된다.

재료(A)를 예열하는 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, IR 히터, 순환식 열풍 오븐 등을 이용하는 방법을 들 수 있다.

재료(A)를 가압할 때의 선압은 3∼100N/m가 바람직하고, 5∼50N/m가 보다 바람직하다. 선압이 상기 범위 내이면, 기계 물성의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 또한 기계 물성의 격차가 적은 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉽다.

재료(A)를 가압하는 시간은 0.1∼30분간이 바람직하고, 0.5∼10분간이 보다 바람직하다. 가압 시간은 재료(A)의 주행 속도, 후술과 같이 프레스 롤을 구비하는 가압 장치를 이용하는 경우에는 이용하는 프레스 롤의 조수(組數) 등에 의해 조절할 수 있다.

공정(ii)에 있어서의 재료(A)의 주행 속도는 0.1∼25m/분이 바람직하고, 0.2∼20m/분이 보다 바람직하며, 0.5∼15m/분이 더 바람직하다. 재료(A)의 주행 속도가 하한값 이상이면, 생산성이 높아진다. 재료(A)의 주행 속도가 상한값 이하이면, 기계 물성의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 또한 기계 물성의 격차가 적은 섬유 강화 플라스틱이 얻어지기 쉽다.

공정(ii)에 있어서의 재료(A)의 가압 시의 선압, 가압 시간, 온도 T를 컨트롤하면, 얻어지는 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 등방성이 우수한 것으로 할 뿐 아니라, 기계 물성의 이방성을 원하는 대로 컨트롤할 수 있다.

공정(ii)로서는, 롤의 축선 방향이 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향이 되는, 적어도 한 쌍의 프레스 롤을 구비하는 가압 장치에 의해, 재료(A)를 일 방향으로 주행시키면서 온도 T로 가열한 상태에서 가압하는 공정(ii-1)이 바람직하다.

공정(ii-1)에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 프레스 롤(10)의 축선 방향은 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향과 일치해 있다. 한 쌍의 프레스 롤(10)에 의해, 재료(A)(100)를 일 방향으로 주행시키면서, 온도 T로 가열한 상태에서 가압한다. 이때, 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향 X에 대해 재료(A)(100)에 있어서의 프리프레그 기재의 강화 섬유(110)의 섬유축의 방향 Y가 이루는 각도 θ가 -20°∼20°가 되도록 해서, 재료(A)(100)의 가압을 행한다.

한 쌍의 프레스 롤에 있어서는, 상하의 프레스 롤의 축선 방향은 일치해 있다.

공정(ii-1)에 있어서 재료(A)를 온도 T로 가열하는 방법으로서는, 프레스 롤로서 가열 롤을 이용하여, 재료(A)를 가열하면서 가압하는 방법이 바람직하다.

재료(A)를 가압하기 전에 가열하는 것만으로, 프레스 롤로 가압할 때에 재료(A)가 온도 T로 가열된 상태를 확보할 수 있는 경우에는, 가열 기능을 갖지 않는 프레스 롤을 이용해도 된다. 또한, 프레스 롤로서 이용하는 가열 롤만으로 재료(A)를 온도 T로 가열할 수 있는 경우에는, 예열을 행하지 않아도 된다.

공정(ii-1)에서는, 한 쌍의 프레스 롤을 1단만 이용해도 되고, 2단 이상 이용해도 된다. 공정(ii-1)에 있어서 상하로 쌍이 된 프레스 롤을 2단 이상 설치하는 경우에는, 어느 프레스 롤에 대해서도, 상기 각도 θ가 -20°∼20°가 되도록 한다.

공정(ii-1)에서는, 재료(A)를 적어도 한 쌍의 벨트로 협지하여 적어도 한 쌍의 프레스 롤 사이를 통과하도록 주행시키면서 가열하고, 상기 적어도 한 쌍의 프레스 롤로 상기 재료(A)를 가압하는 더블 벨트식 가열 가압기를 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 재료(A)와 벨트 사이에 이형지 또는 이형 필름을 배치하거나, 또는 벨트 표면에 미리 이형 처리를 실시해 두는 것이 바람직하다. 벨트의 재질로서는, 특별히 한정되지 않고, 내열성 및 내구성의 점에서는, 금속제가 바람직하다.

한편, 공정(ii-1)은 상기 더블 벨트식 가열 가압기를 이용하여 행하는 태양에는 한정되지 않는다. 예를 들면, 한 쌍의 벨트로 협지하는 일 없이 띠상의 재료(A)를 주행시키면서, 해당 재료(A)를 한 쌍의 프레스 롤로 가압하는 태양으로 해도 된다.

공정(ii)는 적어도 한 쌍의 프레스 롤을 구비하는 가압 장치를 이용하는 태양에는 한정되지 않는다. 예를 들면, 평면과 프레스 롤로 프레스하는 가압 장치나, 평면과 평면으로 프레스하는 프레스반(盤)에 의한 가압 장치, 복수의 구상 프레스를 구비하는 가압 장치로 가압하는 태양으로 해도 된다.

[공정(iii)]

공정(iii)에서는, 공정(ii)에 있어서 가압 장치로 가압된 재료(A)를 냉각하여, 섬유 강화 플라스틱을 얻는다. 매트릭스 수지가 열가소성 수지인 경우에는, 재료(A)의 온도를 열가소성 수지의 융점 또는 유리전이온도 미만까지 강하시켜서 고화시켜, 섬유 강화 플라스틱을 얻는다.

재료(A)로서 프리프레그 적층체를 이용하는 경우, 얻어지는 섬유 강화 플라스틱은 각 프리프레그 기재끼리가 접착되어 일체화된 시트상이 되어 있다. 그 때문에, 프리프레그 적층체를 이용하는 경우라도, 얻어지는 섬유 강화 플라스틱은 취급이 용이하다.

재료(A)를 냉각하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 온수 롤을 이용하는 방법 등을 들 수 있다. 재료(A)를 방냉함으로써 냉각하는 방법을 채용해도 된다.

냉각 시간은 0.5∼30분간이 바람직하다.

[실시태양의 일례]

이하, 공정(ii-1) 및 공정(iii)을 실시하는 태양의 일례로서, 도 2에 예시한 더블 벨트식 가열 가압기(1)(이하, 간단히 가열 가압기(1)라고 한다)를 이용하는 예에 대해 설명한다. 한편, 공정(ii) 및 공정(iii)을 실시하는 태양은 가열 가압기(1)를 이용하는 태양에는 한정되지 않는다.

가열 가압기(1)는, 띠상의 재료(A)(100)를 상하로부터 협지한 상태에서 일 방향으로 주행시키는 한 쌍의 벨트(12)와, 재료(A)(100)를 예열하는 한 쌍의 IR 히터(14)와, 예열된 재료(A)(100)를 상하로부터 협지하여 가압하는 한 쌍의 프레스 롤(10)을 3단과, 프레스 롤(10)로 가압된 재료(A)(100)를 상하로부터 협지하여 냉각하는 한 쌍의 온수 롤(16)을 3단과, 냉각 고화되어 각 프리프레그 기재가 일체화된 섬유 강화 플라스틱(120)을 권취하는 권취 롤(18)을 갖고 있다.

한 쌍의 프레스 롤(10)은 그 사이를 통과하는 재료(A)(100)를 하류측에 송출하는 방향으로 회동하면서 재료(A)(100)를 가압한다. 한 쌍의 온수 롤은 그 사이를 통과하는 재료(A)(100)를 하류측에 송출하는 방향으로 회동하면서 재료(A)(100)를 냉각한다.

한 쌍의 벨트(12)는 각각, IR 히터(14)보다도 상류측에 구비된 구동 롤(20)과, 온수 롤(16)보다도 하류측에 구비된 종동(從動) 롤(22)에 걸어 돌려져 장착되고, 구동 롤(20)에 의해 회동된다. 한 쌍의 벨트(12)가 재료(A)(100)를 협지한 상태에서 회동됨으로써, 재료(A)(100)가 주행하도록 되어 있다.

이 가열 가압기(1)를 이용하는 태양에서는, 공정(ii-1)로서, 롤의 축선 방향에 대해 재료(A)(100)에 있어서의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 이루는 각도가 -20°∼20°가 되도록, 띠상의 재료(A)(100)를 가열 가압기(1)에 연속적으로 공급한다. 구체적으로는, 강화 섬유의 섬유축의 방향이, 주행 방향의 직교 방향에 대해 -20°∼20°가 되어 있는 띠상의 재료(A)(100)를, 길이 방향으로 연속적으로 가열 가압기(1)에 공급한다. 가열 가압기(1)에서는, 한 쌍의 프레스 롤(10)의 축선 방향은 공급되는 재료(A)(100)의 주행 방향에 대한 직교 방향과 일치해 있기 때문에, 각도 θ가 -20°∼20°가 된다.

가열 가압기(1) 내에서는, 재료(A)(100)를 한 쌍의 벨트(12)로 협지한 상태에서 한 쌍의 프레스 롤(10) 사이를 통과하도록 주행시키면서, IR 히터(14)에 의해 예열하고, 프레스 롤(10)에 의해 재료(A)(100)를 온도 T로 가열한 상태에서 가압한다. 이에 의해, 재료(A)(100)에 있어서 매트릭스 수지와 강화 섬유가 유동하여, 강화 섬유의 섬유축의 방향이 랜덤화된다.

이 예에서는, 프레스 롤(10)로서 가열 롤을 이용하여, 재료(A)(100)를 온도 T로 가열함과 동시에 가압하는 것이 바람직하다. 한편, IR 히터(14)에 의한 예열만으로, 재료(A)(100)가 온도 T로 가열된 상태에서 프레스 롤(10)에 의해 가압될 수 있는 경우에는, 프레스 롤(10)로는 재료(A)(100)가 가열되지 않고서 가압만이 행해지도록 해도 된다.

다음으로, 공정(iii)으로서, 프레스 롤(10)에 의해 가압된 재료(A)(100)를, 한 쌍의 벨트(12)에 협지된 상태인 채 한 쌍의 온수 롤(16) 사이를 통과하도록 주행시켜, 온수 롤(16)에 의해 냉각시킴으로써 띠상의 섬유 강화 플라스틱(120)을 얻는다.

얻어진 섬유 강화 플라스틱(120)은, 종동 롤(22)의 하류측에 있어서, 한 쌍의 벨트(12)로부터 박리된 후에 가이드 롤(24)을 개재하여 권취 롤(18)에 권취된다.

가열 가압기(1)와 같은 더블 벨트식 가열 가압기는 재료(A)의 가열, 가압으로부터 냉각까지의 일련의 공정을 간편하게 행할 수 있다는 점에서 유리하다.

[작용 효과]

이상 설명한 본 발명의 제조 방법에 있어서는, 공정(ii)에 있어서 상기 각도 θ를 특정한 범위로 제어하고, 특정한 가압 장치에 의해 재료(A)를 가압함으로써, 강화 섬유가 유동하여 그의 섬유축의 방향이 랜덤화된다. 이에 의해, 강도 등의 기계 물성이 우수하고, 또한 그의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 격차가 적으면서, 내열성도 우수한 섬유 강화 플라스틱이 얻어진다. 그 때문에, 본 발명의 제조 방법으로 얻어진 섬유 강화 플라스틱을 부형함으로써, 기계 물성이 우수하고, 또한 그의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 격차가 적으면서, 내열성도 우수한 구조재를 제조할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 방법에서는, 프리프레그 기재의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 특정한 범위로 치우친 재료(A)를 이용하여, 기계 물성이 우수하고, 또한 그의 등방성이나 이방성이 컨트롤되고, 격차가 적으면서, 내열성도 우수한 섬유 강화 플라스틱을 제조할 수 있다. 그 때문에, 띠상의 섬유 강화 플라스틱을 연속적으로 제조하는 경우에, 강화 섬유의 섬유축의 방향이 상이한 프리프레그 기재를 각각 제조할 필요가 없어, 제조가 간편하고 비용면에서도 유리하다. 또한, 매엽의 섬유 강화 플라스틱을 제조하는 경우라도, 강화 섬유의 섬유축의 방향이 치우치지 않도록 각 프리프레그 기재를 수시 소정의 회전 각도로 회전시키면서 적층할 필요가 없다. 그 때문에, 프리프레그 적층체를 이용하는 경우라도 그 적층 작업이 간편하고 제어도 용이하며, 비용면에서도 유리하다.

또한, 본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 섬유 강화 플라스틱은, 프리프레그 기재에 형성된 절입에 의해 강화 섬유가 절단되어 있기 때문에, 부형 시의 유동성이 높아, 3차원 형상 등의 복잡한 형상의 구조재의 제조에 적합하게 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 제조 방법은 상기한 가열 가압기(1)를 이용하는 방법에는 한정되지 않는다. 예를 들면, 더블 벨트식 가열 가압기에 매엽의 재료(A)를 공급하여 매엽의 섬유 강화 플라스틱을 제조하는 방법으로 해도 된다.

또한, 공정(ii-1)에 있어서 재료(A)의 예열을 행하지 않는 방법으로 해도 된다. 또한, 2쌍 이상의 벨트를 구비한 더블 벨트식 가열 가압기를 사용하는 방법으로 해도 된다. 또한, 띠상의 섬유 강화 플라스틱을 연속적으로 제조하는 경우 등은 벨트에 의해 협지하지 않고서 띠상의 재료(A)를 그대로 주행시키면서 공정(ii-1) 및 공정(iii)을 행하는 방법으로 해도 된다. 또한, 예열 전용의 장치, 가압 전용의 장치, 냉각 전용의 장치를 각각 사용하는 방법으로 해도 된다.

<섬유 강화 플라스틱>

본 발명의 제조 방법으로 얻어지는, 강화 섬유로서 탄소 섬유를 이용한 섬유 강화 플라스틱(이하, 탄소 섬유 강화 플라스틱이라고도 한다)은, 기계 특성이 보다 양호하면서, 격차가 보다 적고, 내열성이 보다 양호하며, 또한 부형 시의 유동성도 보다 양호하다는 점에서 바람직하다.

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱은, 탄소 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 섬유 강화 플라스틱으로서, 탄소 섬유의 섬유 길이가 1∼100mm이고, 두께 방향과 직교하는 방향으로의 탄소 섬유의 배향도 pf가 0.001∼0.8이며, 두께 방향과 직교하는 면의 탄소 섬유의 배향 프로파일의 타원 괴리 계수 ec가 1×10^-5∼9×10^-5이다. 본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱은, 전술한 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법을 이용하고, 강화 섬유로서 탄소 섬유를 이용함으로써 얻어진다.

[섬유 길이]

탄소 섬유의 섬유 길이는 1∼100mm이고, 3∼70mm가 바람직하고, 5∼50mm가 보다 바람직하며, 10∼50mm가 더 바람직하고, 10∼35mm가 특히 바람직하다. 탄소 섬유의 섬유 길이가 상기 하한값 이상이면, 필요한 기계 특성이 얻어지기 쉽다. 탄소 섬유의 섬유 길이가 상기 상한값 이하이면, 부형 시에 필요한 유동성이 얻어지기 쉽다.

[섬유 길이의 측정 방법]

탄소 섬유 강화 플라스틱 중의 수지를 지져 없애고, 탄소 섬유만을 취출하여, 해당 탄소 섬유의 섬유 길이를 노기스 등으로 측정한다. 측정은 무작위로 선택한 100본의 탄소 섬유에 대하여 행하고, 섬유 길이는 그들의 질량 평균으로 해서 산출한다.

[배향도 pf]

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱 중에 있어서의 두께 방향과 직교하는 방향으로의 탄소 섬유의 배향 상태는 배향도 pf에 의해 나타내진다. pf가 「0」이란, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 두께 방향과 직교하는 방향으로 탄소 섬유가 이상적인 상태로 배향되어 있는 것을 의미한다. pf의 값이 커질수록, 두께 방향과 직교하는 면의 바깥 방향을 향해서 탄소 섬유가 흐트러져 있는 정도가 높은 것을 나타내고 있다.

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 pf는 0.001∼0.8이다. 탄소 섬유의 섬유 길이에도 의존하지만, pf의 값이 클수록, 탄소 섬유끼리의 얽힘이나 탄소 섬유끼리의 마찰에 의해, 부형 시의 유동성이 얻어지기 어렵다. 즉, 탄소 섬유가 두께 방향과 직교하는 면의 바깥 방향을 향해서 흐트러져 있을수록, 탄소 섬유끼리의 얽힘이나 탄소 섬유끼리의 마찰이 일어나기 쉬워, 부형 시의 유동성이 얻어지기 어렵다. 탄소 섬유의 섬유 길이가 1mm∼100mm인 경우, pf가 0.8 이하이면, 부형 시에 충분한 유동성이 얻어지고, 충분한 기계 물성도 얻어진다. pf의 하한값은, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 물성상은 특별히 제약은 없다. 그러나, pf를 0으로 하는 것은 곤란하고, 0.001 이상이 현실적인 값이다. pf의 상한값은 0.5가 바람직하고, 0.3이 보다 바람직하며, 0.15가 더 바람직하다.

[pf의 측정 방법]

도 3에 나타내는 바와 같이, 두께 2mm의 탄소 섬유 강화 플라스틱(200)으로부터 폭 2mm의 측정 시료(210)를 잘라내어, 다음과 같이 측정을 실시한다.

측정 시료(210)에 있어서의 폭 방향을 x 방향, 두께 방향을 y 방향, 길이 방향을 z 방향으로 한다.

(x 방향의 실측 적분값)

측정 시료(210)에 대해 x 방향으로 X선을 조사하여, 흑연의 002면의 회절에서 유래하는 1차원 배향 프로파일을 얻는다. 흑연의 002면의 회절에서 유래하는 1차원 배향 프로파일은, 2차원 검출기를 이용하여 상을 도입한 후, 해석 소프트를 이용하여 002 회절 부분에 있어서 둘레 방향으로 프로파일을 얻는 방법으로 얻어진다. 또한, 1차원 검출기이면, 002 회절하는 곳에서 검출기를 고정하고, 시료를 360°회전시키는 것으로도, 흑연의 002면의 회절에서 유래하는 1차원 배향 프로파일이 얻어진다.

그 다음에, 얻어진 1차원 배향 프로파일로부터 아래 식(1)에 의해 x 방향의 실측 적분값 Sx를 산출한다.

단, 식(1) 중, I(δ)는, 1차원 배향 프로파일에 있어서의, yz 평면에서의 z 방향을 기준으로 한 방위각 δ일 때의 강도이다.

탄소 섬유가 x 방향으로 완전 배향되어 있을 때에 Sx는 최대의 값을 취한다. 탄소 섬유가 x 방향으로부터 기울기를 가짐으로써 Sx의 값은 작아진다. Sx가 작아지는 요인으로서는, 탄소 섬유의 x 방향에 대한 기울기에 있어서의 두께 방향의 성분과, 두께 방향에 직교하는 평면 내의 성분이 있다. 즉, 탄소 섬유의 x 방향에 대한 기울기에 있어서의 yz 평면 내의 성분과, xz 평면 내의 성분 양쪽이, Sx가 작아지는 요인이 된다. pf에서는, 두께 방향과 직교하는 면의 바깥 방향을 향해서 탄소 섬유가 흐트러져 있는 정도를 평가하기 때문에, 탄소 섬유의 기울기에 있어서의 xz 평면 내의 성분의 영향을 제거하기 위해서, 다음의 조작을 행한다.

(x 방향의 예측 적분값)

측정 시료(210)에 대해서 y 방향으로 X선을 조사하여, 흑연의 002면의 회절에서 유래하는 1차원 배향 프로파일을 얻는다. 그 다음에, 아래 식(2)에 의해 I(ψ)를 규격화하여 방위각 ψ에 있어서의 섬유 비율 G(ψ)를 산출한다.

단, 식(2) 중, I(ψ)는, 상기 1차원 배향 프로파일에 있어서의, xz 평면에서의 z 방향을 기준으로 한 방위각 ψ일 때의 강도이다.

그 다음에, 아래 식(3)에 의해 x 방향의 예측 적분값 F를 산출한다.

단, Va는 측정 시료(210) 중의 탄소 섬유의 섬유 체적 함유율(Vf)이다. Vb는, 후술하는 보정용의 표준 시료 중의 탄소 섬유의 섬유 체적 함유율(Vf)이다. A(ψ)는 강도 보정 계수이다.

강도 보정 계수 A(ψ)는 다음과 같이 구한다.

보정용의 표준 시료로서, z 방향으로 완전히 배향되도록 탄소 섬유를 일 방향으로 당겨 정렬한 두께 2mm의 UD재를 제작하여, 이것을 0˚재로 한다. 표준 시료에 이용하는 탄소 섬유 및 매트릭스 수지는 측정 시료(210)와 동일종으로 한다. 측정 시료(210) 중의 탄소 섬유의 섬유 체적 함유율(Vf)인 Va와, 보정용의 표준 시료 중의 탄소 섬유의 섬유 체적 함유율(Vf)인 Vb는, 동일해도 상이해도 된다.

그 다음에, 추가적인 표준 시료로서, 방위각 ψ가 15°의 방향으로 완전히 배향되도록 탄소 섬유를 일 방향으로 당겨 정렬하는 것 이외에는, 0°재와 마찬가지로 해서 15°재를 제작한다. 마찬가지로, 방위각 ψ가 30°, 45°, 60°, 75°, 90°의 각각의 방향으로 완전히 배향되도록 탄소 섬유를 일 방향으로 당겨 정렬한 30°재, 45°재, 60°재, 75°재, 90°재를 제작한다.

그 다음에, 각 표준 시료로부터 측정 시료(210)와 마찬가지로 폭 2mm의 표준 측정 시료를 잘라낸다. 표준 측정 시료에 대해 x 방향으로 X선을 입사시켜, 흑연의 002면의 회절에서 유래하는 1차원 배향 프로파일을 얻는다. 90°재 유래의 표준 측정 시료의 1차원 배향 프로파일에 있어서는, 강도는 거의 일정한 값이 된다. 각 표준 측정 시료의 1차원 배향 프로파일로부터 아래 식(4)에 의해 방위각 ψ의 재료의 강도 I(ψ,δ)의 적분값 S(ψ)를 산출한다.

단, I(ψ,δ)는 방위각 ψ의 표준 측정 시료에 대한 방위각 δ에 있어서의 강도이다.

적분값 S(ψ)에 있어서는, S(ψ)=S(π-ψ)의 관계에 있다. 가로축에 ψ, 세로축에 S(ψ)를 취하여 플롯하고, ψ가 0°∼180°의 범위에서 정규 분포 근사한 것을 방위각 ψ에 있어서의 강도 보정 계수 A(ψ)로 한다.

(x 방향의 보정의 예측 적분 강도)

x 방향의 예측 적분값 F와 실측 적분값 Sx는 반드시 일치하지는 않는다. 그래서, 표준 시료를 이용하여 적분값 보정 계수 B(Sx)를 산출한다.

강도 보정 계수 A(ψ)의 산출과 마찬가지로 해서 각 표준 시료로부터 표준 측정 시료를 잘라낸다. 각 표준 측정 시료에 대하여, 상기한 x 방향의 실측 적분값의 산출 방법에 의해 실측 적분값 Sx(α)를 산출한다. 한편, α는 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°이다. 또한 각 표준 측정 시료에 대하여, 상기한 x 방향의 예측 적분값의 산출 방법에 의해 x 방향의 예측 적분값 F(α)를 구한다. 가로축에 Sx(α), 세로축에 Sx(α)/F(α)를 취하여 플롯하면 높은 상관이 있어, 선형 근사한 것을 적분 보정 계수 B(Sx)로 한다.

x 방향의 예측 적분값 F에 상기 적분 보정 계수 B(Sx)를 곱하여, x 방향의 보정의 예측 적분 강도 F'로 한다.

(pf의 산출)

아래 식(5)에 의해 pf를 산출한다.

[타원 괴리 계수 ec]

본 발명에 있어서의 탄소 섬유 강화 플라스틱 중의 두께 방향과 직교하는 면에 있어서의 탄소 섬유의 2차원적인 배향의 분산성을, 당해 면의 탄소 섬유의 배향 프로파일의 타원 괴리 계수 ec로서 나타낼 수 있다. ec는 상기 배향 프로파일의 그 근사 타원으로부터의 괴리 계수이다.

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 ec는 1×10^-5∼9×10^-5이다. 강화 섬유가 랜덤으로 배향된 탄소 섬유 강화 플라스틱에 있어서, ec가 클수록, 기계 물성의 격차가 큰 것을 의미한다.

ec가 9×10^-5 이하이면, 기계 물성의 격차를 억제할 수 있다. 본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 ec는 8.5×10^-5 이하가 바람직하고, 8×10^-5 이하가 보다 바람직하다.

ec의 바람직한 하한값은 탄소 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성상은 특별히 제약은 없다. 그러나, 예를 들면, 탄소 섬유의 섬유 길이가 길어짐에 따라, ec의 값이 작은 탄소 섬유 강화 플라스틱의 제조의 난이도는 올라간다. 탄소 섬유의 섬유 길이를 길게 하면 기계 특성을 향상시키지만, 그에 수반하여 ec의 값이 증가하는 경향이 있어, 기계 물성의 격차가 증가한다. 기계 특성과 그 격차의 밸런스를 고려하면, 제조상의 관점에서 현실적인, 탄소 섬유의 섬유 길이에 따른 ec의 바람직한 하한값은 이하와 같아진다. 탄소 섬유의 섬유 길이가 1∼3mm인 경우, ec는 1×10^-5 이상이 바람직하다. 탄소 섬유의 섬유 길이가 3mm 초과 10mm 이하인 경우, ec는 1.5×10^-5 이상이 바람직하다. 탄소 섬유의 섬유 길이가 10mm 초과 35mm 이하인 경우, ec는 2×10^-5 이상이 바람직하다. 탄소 섬유의 섬유 길이가 35mm 초과 70mm 이하인 경우, ec는 3×10^-5 이상이 바람직하다. 탄소 섬유의 섬유 길이가 70mm 초과 100mm 이하인 경우, ec는 4×10^-5 이상이 바람직하다.

[ec의 측정 방법]

pf의 측정에 있어서 x 방향의 예측 적분값을 구할 때에 측정한, 방위각 ψ에 있어서의 강도 I(ψ)의 프로파일을, 아래 식(6)으로 표시되는 타원 Ia(ψ)로 근사한다.

단, 식(6) 중, a는 타원의 장경이다. b는 타원의 단경이다. β는 회전각이다.

Ia(ψ)가 I(ψ)에 가장 가까워질 때의 a, b, β는 아래 식(7)로 표시되는 타원으로부터의 괴리도 R이 최소가 되도록 수치 계산하면 된다. 그리고, 그때의 괴리도 R의 최소값을 ec로 한다.

[분산 파라미터 dp]

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱 중에 있어서의 탄소 섬유의 3차원적 분산은, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 두께 방향의 단면에 있어서의, 탄소 섬유의 분산 파라미터 dp에 의해 나타내진다. dp가 「100」이란, 탄소 섬유가 이상적인 상태로

매트릭스 수지 중에 분산되어 있는 것을 의미한다. dp의 값이 작을수록, 탄소 섬유가 국소적으로 응집되어 있는 비율이 높아, 수지 풍부 부분의 비율이 높은 것을 의미한다.

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 dp는 80∼100인 것이 바람직하다.

dp의 값이 작아 탄소 섬유의 분산성이 나쁠수록 내열성이 나빠진다. dp가 80 이상이면, 양호한 내열성이 얻어지기 쉽다. 본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 dp는 84 이상이 바람직하고, 88 이상이 보다 바람직하다. 본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 dp의 상한값은 이론값으로는 100이다. 제조상의 관점에서 현실적인 바람직한 dp의 상한값은 98이다.

탄소 섬유 강화 플라스틱의 부형 시의 유동성은 부형 시에 있어서의 수지의 흐름 또는 수지층의 미끄럼에 의해 생긴다. 그 때문에, 탄소 섬유 강화 플라스틱 중의 수지가 유동 가능한 경로가 넓을수록, 부형 시에 보다 높은 유동성이 얻어진다. 즉, dp가 작을수록, 부형 시의 유동성은 높다. 그러나, 본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱에 있어서는, pf를 상기한 범위로 제어하는 것에 의해, dp의 값이 높아도 높은 유동성을 발현한다.

[dp의 측정 방법]

dp는, 탄소 섬유 강화 플라스틱으로부터 잘라낸 시료편의 두께 방향의 단면 사진을, 화상 편집 소프트를 이용하여 처리하는 것에 의해 측정할 수 있다.

구체적으로는, 예를 들면, 탄소 섬유 강화 플라스틱으로부터 시료편을 잘라내어, 해당 시료편의 단면 사진을 촬영한다. 단면 사진의 촬영에는, 예를 들면, 광학 현미경을 사용할 수 있다. dp에 의한 평가의 정밀도가 보다 높아진다는 점에서, 촬영 시의 해상도에 있어서의 도트 피치는 탄소 섬유의 직경의 10분의 1 이하가 바람직하고, 20분의 1 이하가 보다 바람직하다.

그 다음에, 화상 편집 소프트를 이용하여 절단 사진을 이하와 같이 처리한다.

절단 사진에 있어서, 시료편의 단면에 있어서의 두께 방향으로 2mm, 두께 방향에 대한 직교 방향으로 1.5mm의 직사각형의 범위에 상당하는 부분을 처리 대상 화상으로 한다. 화상 편집 소프트에 의해, 처리 대상 화상에 있어서, 탄소 섬유 부분과, 수지 부분 및 보이드 부분으로 2치화한다. 예를 들면, 탄소 섬유 부분이 흰색, 수지 부분이 회색, 보이드 부분이 흑색이 되어 있는 처리 대상 화상에 있어서, 탄소 섬유 부분을 흑색, 수지 부분과 보이드 부분을 녹색으로 해서 2치화한다.

탄소 섬유의 반경이 r(μm), 섬유 체적 함유율이 Vf(체적%)인 탄소 섬유 강화 플라스틱의 절단면에 있어서, 도 4에 나타내는 바와 같이 탄소 섬유 C가 완전 이론 분산되었을 때의 단위 정육각형 H의 한 변의 길이 La는 아래 식(8)로 구해진다.

2치화 후의 처리 대상 화상의 탄소 섬유 부분에 있어서, 도 4에 나타내는 바와 같이 탄소 섬유가 완전 이론 분산되어 있다고 가정한다. 그리고, 도 4에 나타내는 바와 같이, 탄소 섬유의 반경을 아래 식(9)로 표시되는 길이 Le분만큼 길게 하고, 해당 탄소 섬유의 반경이 La가 되도록, 화상 편집 소프트에 의해 2치화 후에 있어서의 탄소 섬유 부분을 팽창시킨다. 한편, Le는, 탄소 섬유가 이상 분산된 상태에 있어서의, 서로 이웃하는 탄소 섬유의 외벽면 사이의 거리가 가장 멀어지는 곳의 거리의 절반의 거리이다. 2치화 후에 있어서의 탄소 섬유 부분에 있어서 실제로 탄소 섬유가 이상 분산되어 있었을 때에 상기한 팽창 처리를 하면, 탄소 섬유 부분이 처리 대상 화상의 전체 면적을 차지하게 된다.

상기의 화상 편집 소프트에 의한 팽창 처리 후, 아래 식(10)에 의해 dp를 산출한다.

단, 식(10) 중, S1은 처리 대상 화상 중의 상기 팽창 처리 후의 탄소 섬유 부분의 면적이다. S2는 처리 대상 화상의 전체 면적이다.

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱을 구성하는 탄소 섬유나 매트릭스 수지는, 전술의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법 중에서 설명한 바와 같다.

탄소 섬유 강화 플라스틱 중의 탄소 섬유의 섬유 체적 함유율(Vf)은 5∼70체적%가 바람직하고, 10∼60체적%가 보다 바람직하며, 15∼50체적%가 더 바람직하다. 탄소 섬유의 Vf가 상기 상한값 이하이면, 인성 저하에 의한 계면 강도의 저하가 생기기 어렵고, 또한 부형 시의 유동성도 저하되기 어렵다. 탄소 섬유의 Vf가 상기 하한값 이상이면, 섬유 강화 플라스틱으로서 필요시되는 기계 특성이 얻어지기 쉽다.

한편, 섬유 강화 플라스틱의 Vf값은, 섬유 강화 플라스틱에 있어서의 강화 섬유, 매트릭스 수지, 및 보이드(기체)를 제외한 첨가제 등의 그 밖의 성분의 합계 체적에 대한 강화 섬유의 비율을 의미한다. JIS K7075에 기초하여 측정된 Vf값은 섬유 강화 플라스틱 중의 보이드의 존재량에 따라 변동하는 값이기 때문에, 본 발명에 있어서는 보이드의 존재량에 의존하지 않는 섬유 체적 함유율을 채용한다.

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱은, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위에서, 탄소 섬유 이외의 다른 강화 섬유, 첨가제를 포함하고 있어도 된다.

다른 강화 섬유로서는, 예를 들면, 유리 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유 등을 들 수 있다.

첨가제로서는, 예를 들면, 비섬유상 필러, 난연제, 안료, 이형제, 가소제, 계면활성제 등을 들 수 있다.

본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 두께는 0.1∼10.0mm가 바람직하고, 0.25∼6.0mm가 보다 바람직하다. 두께가 상기 상한값 이하이면, 상기 공정(ii)에 있어서의 가압 시에 매트릭스 수지가 밀려나오기 어려워, 두께 제어가 용이하다. 두께가 상기 하한값 이상이면, 상기 공정(ii)에 있어서의 가압 시에 전단 응력이 걸리기 쉬워, 탄소 섬유를 랜덤화시켜 기계 특성의 등방성이나 이방성을 컨트롤하는 것이 용이해진다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 기재에 의해서는 한정되지 않는다.

[기계 물성 평가]

얻어진 섬유 강화 플라스틱으로부터 습식 커터로 길이 100mm, 폭 25mm의 굽힘 시험편을 잘라내고, JIS K7074에 규정되는 시험 방법에 따라 3점 굽힘 시험을 행했다. 이때, 굽힘 시험편의 긴 방향이, 섬유 강화 플라스틱 제조 시의 MD 방향(롤의 축선 방향에 대해 90° 방향)과 일치하는 것, 및 TD 방향(롤의 축선 방향)과 일치하는 것의 각각을 제작하여 시험을 행했다. 시험기로서는 인스트론 만능 시험기 4465형을 이용했다. 또한, 시험은 실온(23℃) 및 80℃에서 실시했다. 측정한 시험편의 수는 각각 n=6으로 하고, 그들의 평균값을 산출하여 굽힘 강도로 했다. 또, 굽힘 강도의 측정값으로부터 표준 편차를 산출하고, 그 표준 편차를 평균값으로 나누는 것에 의해, 격차의 지표인 변동 계수(CV값, 단위: ％)를 산출했다.

굽힘 강도비 σ_A/σ_B를 산출했다. 단, σ_A는 긴 방향을 섬유 강화 플라스틱 제조 시의 MD 방향으로 한 굽힘 시험편에 대하여 실온에서 측정한 굽힘 강도이다. σ_B는 긴 방향을 섬유 강화 플라스틱 제조 시의 TD 방향으로 한 굽힘 시험편에 대하여 실온에서 측정한 굽힘 강도이다.

굽힘 강도비 σ_C/σ_D를 산출했다. 단, σ_C는 긴 방향을 섬유 강화 플라스틱 제조 시의 MD 방향으로 한 굽힘 시험편과 TD 방향으로 한 굽힘 시험편에 대하여 80℃에서 측정한 굽힘 강도의 평균값이다. σ_D는 긴 방향을 섬유 강화 플라스틱 제조 시의 MD 방향으로 한 굽힘 시험편과 TD 방향으로 한 굽힘 시험편에 대하여 실온에서 측정한 굽힘 강도의 평균값이다.

굽힘 강도비 σ_A/σ_B의 평가에 있어서는, 명백하게 등방성이 나빠, 굽힘 강도비 σ_A/σ_B가 5 이상 또는 0.2 이하인 것은 「×」로 했다.

[유동성 평가]

얻어진 섬유 강화 플라스틱으로부터 세로 78mm, 가로 78mm의 판상물을 잘라냈다. 그 판상물을 약 4mm 두께가 되는 매수 겹쳐, 미니 테스트 프레스(도요정기제, 제품명: MP-2FH)를 이용하여 230℃에서 10분간 가열 후, 145℃, 5MPa의 조건에서 60초간 프레스했다. 프레스 성형 전의 초기 두께 h_A(mm)와 프레스 성형 후의 최종 두께 h_B(mm)를 측정하고, 초기 두께를 최종 두께로 나눈 비 h_A/h_B에 의해 유동성을 평가했다.

유동성의 평가에 있어서는, 비 h_A/h_B가 1.1 미만인 것을 「×」로 했다. 한편, 스프링백이라고 불리는, 판상물 중의 강화 섬유의 잔류 응력에 의해 가열 시에 판상물이 두께를 증가시키는 경우가 있다. 230℃, 10분간 가열로 스프링백한 후에 프레스 성형하더라도 원래의 두께까지 돌아오지 않은 경우도 「×」로 평가했다.

[pf, ec의 평가]

전술한 pf의 측정 방법 및 ec의 측정 방법에 따라, pf와 ec를 각각 측정했다. X선 회절 측정은, 섬유 시료대를 구비한 X선 회절 장치(리가쿠사제, TTR-III)를 이용하여, 대(臺) 상에 측정 시료를 올리고, 타겟을 Cu로 해서 행했다. 구체적으로는, 측정 시료의 상방으로부터 X선을 조사하면서, 해당 측정 시료를 그의 두께 방향을 축으로 회전시키고, 회절각 2θ=24.5°에 배치한 검출기로 회절 X선을 도입했다. 표준 시료로서는, Vf가 35체적%인 것을 이용했다.

[dp의 평가]

탄소 섬유 강화 플라스틱으로부터 3cm 각의 시료편을 잘라내어, kulzer사제 테크노비트 4000에 포매했다. 테크노비트 4000이 경화된 후, 시료편의 단면이 노출되도록 연마하여 경면 처리했다.

그 다음에, 시료편의 단면 사진을 이하의 조건에서 촬영했다.

(촬영 조건)

장치: Olympus사제 공업용 광학 현미경 BX51M

렌즈 배율: 500배

촬영 도트 피치: 0.17μm

얻어진 단면 사진에 있어서, 시료편의 단면에 있어서의 두께 방향으로 2mm, 두께 방향에 대한 직교 방향으로 0.5mm의 범위에 상당하는 부분을 처리 대상 화상으로 했다. 화상 편집 소프트로서 소프트웨어 Win-Roof를 이용하여, 전술한 dp의 측정 방법에 따라 dp를 산출했다. dp의 산출은 각 시료편의 단면에 있어서의 5개소에 대해서 행하여, 그의 평균값을 구했다.

[제조예 1: 프리프레그 기재-1의 제조]

탄소 섬유(미쓰비시레이온제 파이로필 TR 50S, 탄소 섬유 직경 7μm)를 일 방향으로, 또한 평면상으로 당겨 정렬하여 평량이 72g/m²인 섬유 시트로 했다. 산 변성 폴리프로필렌 수지(미쓰비시화학제 모디크 P958V, MFR50)로 이루어지는 평량이 36g/m²인 필름에 의해, 해당 섬유 시트를 양면으로부터 협지했다. 이들을 캘린더 롤에 복수회 통과시켜 가열과 가압을 행하여, 수지를 섬유 시트에 함침시켜, 섬유 체적 함유율(Vf)이 33체적%, 두께 120μm인 프리프레그 기재-1을 제작했다.

[제조예 2: 프리프레그 기재-2의 제조]

탄소 섬유(미쓰비시레이온제 파이로필 TR 50S)를 일 방향으로, 또한 평면상으로 당겨 정렬하여 평량이 37g/m²인 섬유 시트로 했다. 산 변성 폴리프로필렌 수지(미쓰비시화학제 모디크 P958V)로 이루어지는 평량이 45g/m²인 필름에 의해, 해당 섬유 시트를 양면으로부터 협지했다. 이들을 캘린더 롤에 복수회 통과시켜 가열과 가압을 행하여, 수지를 섬유 시트에 함침시켜, 섬유 체적 함유율(Vf)이 17체적%, 두께 120μm인 프리프레그 기재-2를 제작했다.

[제조예 3: 프리프레그 기재-3의 제조]

탄소 섬유(미쓰비시레이온제 파이로필 TR 50S)를 일 방향으로, 또한 평면상으로 당겨 정렬하여 평량이 105g/m²인 섬유 시트로 했다. 산 변성 폴리프로필렌 수지(미쓰비시화학제 모디크 P958V)로 이루어지는 평량이 27g/m²인 필름에 의해, 해당 섬유 시트를 양면으로부터 협지했다. 이들을 캘린더 롤에 복수회 통과시켜 가열과 가압을 행하여, 수지를 섬유 시트에 함침시켜, 섬유 체적 함유율(Vf)이 49체적%, 두께 120μm인 프리프레그 기재-3을 제작했다.

[실시예 1]

제조예 1에서 얻은 프리프레그 기재-1로부터 220mm(섬유축에 대해 0˚ 방향)×900mm(섬유축에 대해 90˚ 방향)의 직사각형의 프리프레그 기재를 잘라냈다. 커팅 플로터(레작크제 L-2500 커팅 플로터)를 이용하여, 강화 섬유의 섬유축이 이루는 각도 φ의 절대값이 45˚, 강화 섬유의 섬유 길이 L이 25mm가 되도록, 잘라낸 프리프레그 기재에 강화 섬유를 절단하는 깊이의 절입을 넣어, 절입이 들어간 프리프레그 기재를 얻었다. 해당 절입이 들어간 프리프레그 기재를 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 8매 적층하여 프리프레그 적층체를 얻었다. 해당 프리프레그 적층체의 두께는 1.0mm였다.

가압 장치로서, 롤의 축 방향이 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향에 일치하는 2단식의 프레스 롤을 구비하고, 상하의 벨트가 1.0m/분으로 구동하는 도 2에 예시한 바와 같은 더블 벨트식 가열 가압기를 이용했다. 또, 상기 프리프레그 적층체를, 상기 더블 벨트식 가열 가압기에, 상기 직교 방향에 대해 각 프리프레그 기재-1에 있어서의 강화 섬유의 섬유축의 방향이 이루는 각도 θ가 0°가 되도록 투입했다. 해당 더블 벨트식 가열 가압기에서는, 롤 온도 270℃, 선압 10.7N/m의 조건의 2단식의 프레스 롤에 의해, 프리프레그 적층체를 가열하여 열가소성 수지를 용융시킨 상태에서 가압했다. 그 후, 롤 온도 30℃, 선압 2.5N/m의 조건의 1단식의 온수 롤을 구비한 1.5m의 냉각 구간을 통과시켜서 열가소성 수지를 고화시켜 섬유 강화 플라스틱을 얻었다. 한편, 프리프레그 적층체의 주행 속도는 벨트의 구동 속도와 동일하다.

해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 1에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성은 양호하고, 또한 격차도 적었다. 또한, 굽힘 강도비 σ_C/σ_D는 0.5 이상이어서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 내열성은 양호했다. 또한 비 h_A/h_B는 1.5여서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 유동성은 양호했다.

[실시예 2]

절입이 들어간 프리프레그 기재를 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 16매 적층하여, 두께 1.9mm의 프리프레그 적층체로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 1에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성은 양호하고, 또한 격차도 적었다. 또한, 굽힘 강도비 σ_C/σ_D는 0.5 이상이어서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 내열성은 양호했다.

[실시예 3]

강화 섬유의 섬유축의 방향과 절입의 방향이 이루는 각도 φ의 절대값을 30˚로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

[실시예 4]

강화 섬유의 섬유축의 방향과 절입의 방향이 이루는 각도 φ의 절대값을 60˚로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

[실시예 5]

강화 섬유의 섬유축의 방향과 절입의 방향이 이루는 각도 φ의 절대값을 60˚로 하고, 절입이 들어간 프리프레그 기재를 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 추가로 4매 적층하여, 두께 0.5mm의 프리프레그 적층체로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 1에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성은 양호하고, 또한 격차도 적었다.

[실시예 6]

강화 섬유의 섬유축의 방향과 절입의 방향이 이루는 각도 φ의 절대값을 60˚로 하고, 절입이 들어간 프리프레그 기재를 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 추가로 16매 적층하여, 두께 1.9mm의 프리프레그 적층체로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

[실시예 7]

강화 섬유의 섬유축의 방향과 절입의 방향이 이루는 각도 φ의 절대값을 90˚로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

[실시예 8]

강화 섬유의 섬유 길이 L을 12.5mm로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

[실시예 9]

프리프레그 적층체의 주행 속도를 0.5m/분으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 섬유 강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 1과 비교하여 프리프레그 적층체의 주행 속도를 절반으로 하고 있는 것은, 실질적으로, 가압 가열 시간을 배로 하고 있는 것을 의미한다.

해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 2에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성은 양호하고, 또한 격차도 적었다. 또한, 굽힘 강도비 σ_C/σ_D는 0.5 이상이어서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 내열성은 양호했다. 게다가, 굽힘 강도비 σ_A/σ_B는 0.83이 되어, 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성은 이방성적이 되었다.

[실시예 10]

프리프레그 적층체의 주행 속도를 2.0m/분으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 섬유 강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 1과 비교하여 프리프레그 적층체의 주행 속도를 배로 하고 있는 것은, 실질적으로, 가압 가열 시간을 절반으로 하고 있는 것을 의미한다.

해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 2에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성은 양호하고, 또한 격차도 적었다. 또한, 굽힘 강도비 σ_C/σ_D는 0.5 이상이어서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 내열성은 양호했다. 게다가, 굽힘 강도비 σ_A/σ_B는 0.37이 되어, 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성이 일 방향으로 특이적으로 강한 재료였다.

[실시예 11]

프리프레그 기재-1로부터 220mm(섬유축에 대해 15˚ 방향)×900mm(섬유축에 대해 -75˚ 방향)의 직사각형의 프리프레그 기재를 잘라낸 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 절입이 들어간 프리프레그 기재를 얻었다. 해당 절입이 들어간 프리프레그 기재를 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 8매 적층하여 두께 1.0mm의 프리프레그 적층체를 얻었다.

해당 프리프레그 적층체를, 각도 θ가 15°가 되도록 더블 벨트식 가열 가압기에 투입한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 2에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성은 양호하고, 또한 격차도 적었다. 또한, 굽힘 강도비 σ_C/σ_D는 0.5 이상이어서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 내열성은 양호했다.

[실시예 12]

절입이 들어간 프리프레그 기재를 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 4매 적층하여, 두께 0.5mm의 프리프레그 적층체로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유 강화 플라스틱을 얻었다. 해당 섬유 강화 플라스틱의 비 h_A/h_B는 1.5여서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 유동성은 양호했다.

그 다음에, 얻어진 섬유 강화 플라스틱으로부터 298mm 각의 판편을 잘라내고, 해당 판편을 4매 적층했다. 그 적층체를, 300mm 각으로 깊이 15mm의 인롱(印籠) 금형 내에 배치하고, 200℃까지 가열한 후, 다단 프레스기(신토금속공업소제 압축 성형기, 제품명: SFA-50HH0)로 200℃의 반면(盤面)에 의해 0.1MPa의 압력으로 2분간 가열 가압했다. 그 후, 동일한 압력으로 상기 적층체를 실온까지 냉각하여, 판상의 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱을 얻었다. 얻어진 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱에 대하여, pf, ec 및 dp를 측정했다.

두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 3에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성은 양호하고, 또한 격차도 적었다. 또한, 굽힘 강도비 σ_C/σ_D는 0.5 이상이어서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 내열성은 양호했다. 또한 비 h_A/h_B는 1.5여서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 유동성은 양호했다.

[실시예 13]

프리프레그 기재-1 대신에 프리프레그 기재-2를 이용한 것 이외에는, 실시예 12와 마찬가지로 해서, 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱판을 얻었다.

두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 3에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성은 양호하고, 또한 격차도 적었다. 또한, 굽힘 강도비 σ_C/σ_D는 0.5 이상이어서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 내열성은 양호했다. 또한 비 h_A/h_B는 2.2여서, 해당 섬유 강화 플라스틱의 유동성은 양호했다.

[비교예 1]

프리프레그 기재-1로부터 잘라낸 프리프레그 기재에 절입을 넣지 않았던 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

해당 섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 2에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱은, 명백하게 기계 물성의 등방성이 결여되고, 컨트롤되어 있지 않은 것이며, 또한 유동성도 낮았다.

[비교예 2]

프리프레그 기재-1로부터 220mm(섬유축에 대해 30˚ 방향)×900mm(섬유축에 대해 -60˚ 방향)의 직사각형의 프리프레그 기재를 잘라낸 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 절입이 들어간 프리프레그 기재를 얻었다. 해당 절입이 들어간 프리프레그 기재를 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 8매 적층하여 두께 1.0mm의 프리프레그 적층체를 얻었다.

해당 프리프레그 적층체를, 각도 θ가 30°가 되도록 더블 벨트식 가열 가압기에 투입한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

[비교예 3]

프리프레그 기재-1로부터 220mm(섬유축에 대해 45˚ 방향)×900mm(섬유축에 대해 -45˚ 방향)의 직사각형의 프리프레그 기재를 잘라낸 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 절입이 들어간 프리프레그 기재를 얻었다. 해당 절입이 들어간 프리프레그 기재를 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 8매 적층하여 두께 1.0mm의 프리프레그 적층체를 얻었다.

해당 프리프레그 적층체를, 각도 θ가 45°가 되도록 더블 벨트식 가열 가압기에 투입한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

[비교예 4]

프리프레그 기재-1로부터 220mm(섬유축에 대해 90˚ 방향)×900mm(섬유축에 대해 0˚ 방향)의 직사각형의 프리프레그 기재를 잘라낸 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 절입이 들어간 프리프레그 기재를 얻었다. 해당 절입이 들어간 프리프레그 기재를 강화 섬유의 섬유축이 동일 방향이 되도록 8매 적층하여 두께 1.0mm의 프리프레그 적층체를 얻었다.

해당 프리프레그 적층체를, 각도 θ가 60°가 되도록 더블 벨트식 가열 가압기에 투입한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

[비교예 5]

제조예 3에서 얻어진 프리프레그 기재-3을 폭 15.0mm의 띠상으로 슬릿한 후, 기요틴(guillotine) 방식의 재단기를 이용하여, 길이 25.0mm로 연속적으로 재단하여, 섬유 길이가 25.0mm인 촙드 스트랜드 프리프레그를 얻었다. 얻어진 촙드 스트랜드 프리프레그를 244g 계량하고, 300mm 각으로 깊이 15mm의 인롱 금형 내에, 높이 30cm인 곳에서부터 한 장 한 장 자유 낙하시켜, 섬유 배향이 랜덤이 되도록 적층시켰다.

촙드 스트랜드 프리프레그가 적층된 인롱 금형을 200℃까지 가열한 후, 다단 프레스기(신토금속공업소제 압축 성형기, 제품명: SFA-50HH0)로 200℃의 반면에 의해 0.1MPa의 압력으로 2분간 가열 가압했다. 그 후, 동일한 압력으로 적층체를 실온까지 냉각하여, 판상의 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱을 얻었다. 얻어진 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱에 대하여, pf, ec 및 dp를 측정했다.

섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 3에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱은 기계 물성의 격차가 크고, 또한 내열성이 결여되어 있었다.

[비교예 6]

프리프레그 기재-1로부터 300mm 각의 프리프레그 기재를 잘라내고, 커팅 플로터(레작크사제, 제품명: L-2500)를 이용하여, 일정 간격으로 직선상의 절입을 넣어 절입이 들어간 프리프레그 기재를 얻었다. 절입 가공은, 프리프레그 기재에 있어서의 둘레 가장자리로부터 5mm의 부분보다도 내측의 부분에, 탄소 섬유의 섬유 길이가 25.0mm, 절입의 길이가 20.0mm, 강화 섬유의 섬유축과 절입이 이루는 각도 φ가 30°가 되도록 실시했다. 16매의 절입이 들어간 프리프레그 기재를, 각 절입이 들어간 프리프레그 기재의 섬유 방향이, 위로부터 0°/45°/90°/-45°/-45°/90°/45°/0°/0°/45°/90°/-45°/-45°/90°/45°/0°가 되도록 적층했다. 적층한 절입이 들어간 프리프레그 기재끼리를, 초음파 용착기(니혼에머슨사제, 제품명: 2000LPt)로 스폿 용접하여, 의사 등방([0/45/90/-45]s2)의 프리프레그 적층체를 제작했다.

상기 프리프레그 적층체를, 300mm 각으로 깊이 15mm의 인롱 금형 내에 배치하고, 200℃까지 가열한 후, 다단 프레스기(신토금속공업소제 압축 성형기, 제품명: SFA-50HH0)로 200℃의 반면에 의해 0.1MPa의 압력으로 2분간 가열 가압했다. 그 후, 동일한 압력으로 적층체를 실온까지 냉각하여, 판상의 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱을 얻었다. 얻어진 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱에 대하여, pf, ec 및 dp를 측정했다.

섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 3에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱은 내열성이 뒤떨어져 있었다.

[비교예 7]

로터리 커터를 이용하여, 탄소 섬유(미쓰비시레이온제 파이로필 TR 50S)를 6mm로 커팅하여, 촙드 탄소 섬유를 얻었다. 마찬가지로, 산 변성 폴리프로필렌 수지(미쓰비시화학제 모디크 P958V, MFR50)로 이루어지는 섬유를 3mm로 커팅하여, 촙드 폴리프로필렌 섬유를 얻었다. 질량 농도 0.12%의 폴리에틸렌 옥사이드 수용액 110kg에 대해, 촙드 폴리프로필렌 섬유 0.74kg을 투입하고, 교반기를 이용하여 충분히 교반했다. 계속해서, 촙드 탄소 섬유를 0.37kg 투입하고, 10초간 교반하여, 분산액을 얻었다. 얻어진 분산액을 100cm 각의 메쉬 테두리에 흘려 넣어, 폴리에틸렌 옥사이드 수용액을 여과한 후, 120℃의 건조기 내에서 수분을 완전히 제거하여, 섬유 체적 함유율 20체적%(섬유 질량 함유율 33질량%)이고 평량이 1.11kg/m²인 프리프레그 기재를 얻었다. 얻어진 프리프레그 기재를 30cm 각으로 잘라내고, 2매 겹쳐서 프리프레그 적층체를 얻었다. 해당 프리프레그 적층체를, 300mm 각으로 깊이 15mm의 인롱 금형 내에 배치하고, 200℃까지 가열한 후, 다단 프레스기(신토금속공업소제 압축 성형기, 제품명: SFA-50HH0)로 200℃의 반면에 의해 0.1MPa의 압력으로 2분간 가열 가압했다. 그 후, 동일한 압력으로 프리프레그 적층체를 실온까지 냉각하여, 판상의 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱을 얻었다. 얻어진 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱에 대하여, pf, ec 및 dp를 측정했다.

섬유 강화 플라스틱의 기계 물성을 평가한 결과를 표 3에 나타낸다. 해당 섬유 강화 플라스틱은 유동성이 뒤떨어져 있었다.

[비교예 8]

비교예 7과 마찬가지로 해서 촙드 탄소 섬유 및 촙드 폴리프로필렌 섬유를 얻었다. 질량 농도 0.12%의 폴리에틸렌 옥사이드 수용액 115kg에 대해, 촙드 폴리프로필렌 섬유 0.63kg을 투입하고, 교반기를 이용하여 충분히 교반했다. 계속해서, 촙드 탄소 섬유를 0.54kg 투입하고, 10초간 교반하여, 분산액을 얻었다. 얻어진 분산액을 100cm 각의 메쉬 테두리에 흘려넣어, 폴리에틸렌 옥사이드 수용액을 여과한 후, 120℃의 건조기 내에서 수분을 완전히 제거하여, 섬유 체적 함유율 30체적%(섬유 질량 함유율 46질량%)이고 평량이 1.17kg/m²인 프리프레그 기재를 얻었다. 얻어진 프리프레그 기재를 30cm 각으로 잘라내고, 2매 겹쳐서 프리프레그 적층체를 얻었다. 해당 프리프레그 적층체를 이용하여, 비교예 7과 마찬가지로 해서, 판상의 두께 2mm의 섬유 강화 플라스틱을 얻었다.

본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 섬유 강화 플라스틱은 리브, 보스 등의 복잡한 3차원 형상으로의 부형성이 우수하고, 단시간에 성형 가능하다. 또한, 해당 섬유 강화 플라스틱은 부형 후의 부품이 구조재에 적용 가능한 우수한 기계 물성을 갖고, 또한 그 격차가 적으며, 등방성이나 이방성도 컨트롤할 수 있다. 그 때문에, 해당 섬유 강화 플라스틱은 항공기 부재, 자동차 부재, 풍력 발전용 풍차 부재, 스포츠 용구 등에 적합하게 이용된다.

1: 더블 벨트식 가열 가압기
10: 프레스 롤
12: 벨트
14: IR 히터
16: 온수 롤
18: 권취 롤
20: 구동 롤
22: 종동 롤
24: 가이드 롤
100: 재료(A)
110: 강화 섬유
120: 섬유 강화 플라스틱
X: 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향
Y: 강화 섬유의 섬유축의 방향

Claims

하기 공정(i)∼(iii)을 갖는, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
(i) 일 방향으로 당겨 정렬한 강화 섬유에 매트릭스 수지가 함침되고, 또한 섬유축에 교차하도록 절입이 형성된 프리프레그 기재를 포함하는 재료(A)를 얻는 공정.
(ii) 상기 재료(A)의 주행 방향에 대한 직교 방향으로 균일하게 가압하는 가압 장치를 이용하여, 상기 직교 방향에 대해 상기 프리프레그 기재의 상기 강화 섬유의 섬유축의 방향이 이루는 각도 θ를 -20°∼20°로 해서, 상기 재료(A)를 일 방향으로 주행시키면서, 상기 매트릭스 수지의 융점 이상, 또는 융점을 갖지 않을 때는 유리전이온도 이상의 온도 T로 가열한 상태에서 가압하는 공정.
(iii) 상기 가압 장치로 가압된 상기 재료(A)를 냉각하여 섬유 강화 플라스틱을 얻는 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 공정(ii)가 하기 공정(ii-1)인, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
(ii-1) 롤의 축선 방향이 상기 직교 방향이 되는, 적어도 한 쌍의 프레스 롤을 구비하는 가압 장치에 의해, 상기 재료(A)를 일 방향으로 주행시키면서, 상기 온도 T로 가열한 상태에서 가압하는 공정.
제 2 항에 있어서,
상기 공정(ii-1)의 상기 프레스 롤로서 가열 롤을 이용하는, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각도 θ를 -5°∼5°로 하는, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재료(A)의 두께가 0.25∼6.0mm인, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 매트릭스 수지가 열가소성 수지인, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 매트릭스 수지가 폴리올레핀 수지, 변성 폴리프로필렌 수지, 폴리아마이드 수지 및 폴리카보네이트 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프리프레그 기재의 절입에 의해 절단된 강화 섬유의 길이 L이 1∼100mm인, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 공정(ii-1)에 있어서, 상기 재료(A)를 적어도 한 쌍의 벨트로 협지하여 적어도 한 쌍의 프레스 롤 사이를 통과하도록 주행시키면서 가열하고, 상기 적어도 한 쌍의 프레스 롤로 상기 재료(A)를 가압하는 더블 벨트식 가열 가압기를 이용하는, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
탄소 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 섬유 강화 플라스틱으로서, 탄소 섬유의 섬유 길이가 1∼100mm이고, 두께 방향과 직교하는 방향으로의 탄소 섬유의 배향도 pf가 0.001∼0.8이며, 두께 방향과 직교하는 면의 탄소 섬유의 배향 프로파일의 타원 괴리 계수 ec가 1×10^-5∼9×10^-5인, 섬유 강화 플라스틱.
제 10 항에 있어서,
두께 방향의 단면에 있어서, 탄소 섬유의 분산 파라미터 dp가 100∼80인, 섬유 강화 플라스틱.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 매트릭스 수지가 열가소성 수지로 이루어지는, 섬유 강화 플라스틱.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 탄소 섬유의 섬유 체적 함유율이 5∼70체적%인, 섬유 강화 플라스틱.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 탄소 섬유의 섬유 길이가 10∼50mm인, 섬유 강화 플라스틱.