KR101884606B1 - Epoxy resin composition for fiber reinforced composite with high impact resistance and high strength - Google Patents

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박종성
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Abstract

The present invention relates to an epoxy resin composition comprising 60 to 75 wt% of (A) and 10 to 20 wt% of (B), wherein (A) is a phenol novolak type epoxy resin, (B) is a mixed curing agent of 4,4′-DDS, dicyandiamide and 3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea), (C) is an aromatic thermoplastic resin which can be dissolved in (A) and (D) is a thermoplastic resin having a functional group reactive with the (A), and being soluble in the (A). The epoxy resin composition according to the present invention exhibits excellent physical properties such as high toughness, high strength and high heat resistance using an optimal resin synthesis and compounding technique and a 350°F curing type epoxy curing agent.

Description

고내충격성고강도 특성을 갖는 복합재료용 에폭시 수지 조성물{Epoxy resin composition for fiber reinforced composite with high impact resistance and high strength} TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an epoxy resin composition for a composite material having high impact resistance and high strength properties,

본 발명은 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 상세하게는 고내충격성 및 고강도 특성이 요구되는 항공 우주용 부품 및 구조체 등 첨단수송기기 부품소재로 사용하기 위한 최적의 에폭시 수지 합성 및 배합기술과 350℉ 경화형 에폭시 경화제를 이용한 고인성, 고강도 및 고내열이 우수한 프리프레그에 관한 것이다.The present invention relates to an epoxy resin composition, and more particularly, to an epoxy resin composition and compounding technique suitable for use as a material for advanced transportation equipment such as aerospace components and structures requiring high impact resistance and high strength, To a prepreg excellent in toughness, high strength and high heat resistance using a curing agent.

프리프레그란, 섬유와 수지를 주성분으로 하는 매트릭스와의 조합으로 제조되는 섬유강화복합재료이다. 탄소섬유와 수지로 구성되는 탄소 섬유강화복합재료는 기계 강도 특성이 우수하고, 스포츠, 항공우주, 자동차 차체 등 일반 산업용도에 넓게 이용되고 있다.The prepreg is a fiber-reinforced composite material produced by a combination of a fiber and a matrix mainly composed of a resin. The carbon fiber reinforced composite material composed of carbon fiber and resin has excellent mechanical strength characteristics and is widely used in general industrial applications such as sports, aerospace, automobile body, and the like.

복합 재료는 전형적으로 두 개의 주요 성분으로서 연속 수지 매트릭스 및 보강 섬유로 구성된다. 복합 재료는 흔히 복합 부품의 물리적 제한 및 특징이 결정적으로 중요한 항공 우주 분야와 같은, 까다로운 환경에서 작업을 수행하기 위해 필요하다.The composite material typically consists of a continuous resin matrix and reinforcing fibers as two major components. Composites are often needed to perform tasks in demanding environments, such as aerospace, where the physical limitations and characteristics of composite components are critically important.

사전-함침된 복합 재료(프리프레그)는 복합 부품들의 제조에 광범위하게 사용된다. 프리프레그는 비경화된 수지 매트릭스 및 섬유 보강재의 조합물이며, 이는 최종 복합 부품으로 성형하고 경화시키기 쉬운 형태이다. 섬유 보강재를 수지로 사전-함침시킴으로써, 제조자는 섬유 네트워크로 함침되는 수지의 양과 위치를 주의하여 조절해야 한다. 복합 부품의 섬유 및 수지의 상대적인 양 및 섬유 네트워크 내 수지의 분포가 부품의 구조적 특성에 큰 영향을 미친다는 것은 잘 알려져 있다. 프리프레그는 로드-베어링(load-bearing) 구조 부품 및 구체적으로는 항공우주 복합 부품 예컨대, 날개, 동체, 칸막이 및 조종면을 제조하는 데 사용하기 위한 바람직한 재료이다. 이러한 부품들이 이를 위해 일반적으로 수립된 충분한 강도, 손상 허용성 및 다른 요건들을 갖는 것은 중요하다. Pre-impregnated composites (prepregs) are widely used in the manufacture of composite parts. A prepreg is a combination of an uncured resin matrix and a fiber reinforcement, which is a form that is easy to shape and cure into a final composite part. By pre-impregnating the fiber reinforcement with resin, the manufacturer must carefully control the amount and location of the resin impregnated with the fiber network. It is well known that the relative amount of fibers and resin in a composite part and the distribution of resin in the fiber network have a great influence on the structural characteristics of the part. Pre-pressures are a preferred material for use in the manufacture of load-bearing structural components and specifically aerospace composite components such as wings, fuselages, partitions and maneuvers. It is important that these components have sufficient strength, damage tolerance and other requirements generally established for this.

기존의 프리프레그는 강력하고 손상 허용성이 있는 복합 부품을 제공하는 데 의도적으로 사용하기에 매우 적합하지만, 더 높은 수준의 강도(예를 들어, 인장 강도 및 압축 강도), 손상 허용성(CAI) 및 층간 파괴 인성(GIc 및 GIIc)을 갖는 복합 부품을 제조하는데 사용될 수 있는 프리프레그를 제공하는 것이 여전히 지속적으로 필요하다.Conventional prepresses are well suited for intentional use in providing strong, damage-tolerant composite parts, but require a higher level of strength (e.g., tensile and compressive strength), damage tolerance (CAI) And interlaminar fracture toughness (GIc and GIIc). It is still a continuing need to provide prepregs that can be used to prepare composite parts having interlaminar fracture toughness (GIc and GIIc).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 인장강도, 압축강도, 손상 허용성 및 층간 파괴 인성을 갖는 복합재료를 제조하기 위한 최적의 수지 합성 및 배합 기술을 제공하는 것이다. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an optimal resin synthesis and compounding technique for producing a composite material having tensile strength, compressive strength, damage tolerance and interlaminar fracture toughness.

본 발명은 다음 구성 성분으로 구성되고, (A)를 60 내지 75 중량%, (B)를 10 내지 20 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물이다.The present invention is an epoxy resin composition comprising the following components, which contains 60 to 75% by weight of (A) and 10 to 20% by weight of (B).

(A): 페놀 노볼락 타입의 에폭시 수지, (B): 4,4’-DDS 와 디시안디아마이드 및 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아의 혼합 경화제, (C): (A)에 용해될 수 있는 방향족 열가소성 수지, (D): (A)와 반응성의 관능기를 가져, (A)에 용해될 수 있는 열가소성 수지.(B): a mixed curing agent of 4,4'-DDS and dicyandiamide and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea, (C) an epoxy resin of phenol novolak type, ): An aromatic thermoplastic resin which can be dissolved in (A), (D) a thermoplastic resin which has a functional group reactive with (A) and can be dissolved in (A).

본 발명의 에폭시 수지 조성물의 혼합 경화제를 구성하는 4,4’-DDS 와 디시안디아마이드 및 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아의 함량비는 6:1:1 내지 12:2:1인 것이 바람직하고, 에폭시 당량비 대비 4,4'-DDS는 50%, 디시안디아마이드 29%, 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아 21%가 바람직하다. The content ratio of 4,4'-DDS, dicyandiamide and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea constituting the mixed curing agent of the epoxy resin composition of the present invention is 6: 1: The ratio of 4,4'-DDS to epoxy equivalent ratio is preferably 50%, dicyandiamide 29% and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea 21% Do.

본 발명의 에폭시 수지 조성물을 구성하는 방향족 열가소성 수지(C)는 폴리아릴레이트, 폴리설폰, 폴리에테르이미드, 폴리에트르술폰, 폴리아미드이미드 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 수지를 포함하고, 수평균 분자량이 10,000 이상, 유리 전이 온도가 150 ℃이상인 것이 바람직하다. The aromatic thermoplastic resin (C) constituting the epoxy resin composition of the present invention may be one or more resins selected from the group consisting of polyarylate, polysulfone, polyetherimide, polyethersulfone, polyamideimide and polyimide Average molecular weight of 10,000 or more and a glass transition temperature of 150 ° C or more.

본 발명의 열가소성 수지(D)는, 상기 에폭시 수지에 상용 부분 및 비상용 부분으로 구성된 볼록 공중합체 또는 그라프트 공중합체이고, 수평균 분자량 2,000 내지 20,000인 것이 바람직하다. The thermoplastic resin (D) of the present invention is preferably a convex copolymer or graft copolymer composed of a commercial part and a non-commercial part in the epoxy resin, and preferably has a number average molecular weight of 2,000 to 20,000.

또한, 본 발명은 상기 에폭시 수지 조성물로부터 제조된 프리프레그를 제공한다. Further, the present invention provides a prepreg made from the above epoxy resin composition.

본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 최적의 수지 합성 및 배합기술과 350℉ 경화형 에폭시 경화제를 이용한 고인성, 고강도 및 고내열성이 우수한 물성이 나타나게 하는 효과가 있다.The epoxy resin composition according to the present invention exhibits excellent physical properties such as high toughness, high strength and high heat resistance using an optimal resin synthesis and compounding technique and a 350 경 curing epoxy curing agent.

이하, 본 발명의 고인성 에폭시 수지 조성물, 프리프레그에 대해 상세하게 설명한다. Hereinafter, the high-tough epoxy resin composition and prepreg of the present invention will be described in detail.

본 발명의 에폭시 수지 조성물은 다음 구성 성분으로 구성되고, (A)를 60 내지 75 중량%, (B)를 10 내지 20 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물이다.The epoxy resin composition of the present invention is composed of the following components, and contains 60 to 75% by weight of (A) and 10 to 20% by weight of (B).

(A): 페놀노볼락 타입의 에폭시 수지, (A): phenol novolac type epoxy resin,

(B): 4,4’-DDS 와 디시안디아마이드 및 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아의 혼합 경화제, (B): a mixed curing agent of 4,4'-DDS and dicyandiamide and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea,

(C): (A)에 용해될 수 있는 방향족 열가소성 수지, (C): an aromatic thermoplastic resin which can be dissolved in (A)

(D): (A)와 반응성의 관능기를 가져, (A)에 용해될 수 있는 열가소성 수지.(D): a thermoplastic resin having a functional group reactive with (A), and being soluble in (A).

본 발명에 사용되는 에폭시 수지(A)는 페놀 노볼락 타입의 에폭시 수지로서, 다관능 에폭시 화합물을 주성분으로 하는 반응 생성물이다. 페놀 노볼락형 에폭시 수지는 페놀과 포름알데하이드에서 얻은 페놀노볼락 수지에 에피클로로히드린 또는 메틸 에피클로로히드린을 반응시켜 얻을 수 있다. The epoxy resin (A) used in the present invention is a phenol novolak type epoxy resin, which is a reaction product containing a polyfunctional epoxy compound as a main component. The phenol novolak type epoxy resin can be obtained by reacting phenol novolak resin obtained from phenol and formaldehyde with epichlorohydrin or methyl epichlorohydrin.

본 발명에 있어서, 에폭시 수지의 함량은 수지 조성물 100중량부에 대하여 60 내지 75 중량부의 범위가 프리프레그의 기계적 강도 측면에서 바람직하다. 에폭시 수지의 함량이 60중량부 미만이면, 성형성이 좋지 않은 문제가 있고, 75중량부를 초과할 경우 복합소재용으로서의 적절한 인장강도 등의 물성을 갖지 못하게 된다. In the present invention, the content of the epoxy resin is preferably in the range of 60 to 75 parts by weight based on 100 parts by weight of the resin composition in view of the mechanical strength of the prepreg. When the content of the epoxy resin is less than 60 parts by weight, moldability is poor. When the amount is more than 75 parts by weight, the epoxy resin does not have adequate physical properties such as tensile strength for composites.

본 발명의 에폭시 수지 조성물에 이용되는 경화제로서는, 에폭시기와 반응할 수 있는 활성기를 가지는 화합물이면 이용할 수 있다. 예를 들면, 아민계 경화제로서 에틸렌디아민, 에틸렌 트리아민, 트리에틸렌테트라민, 헥사메틸렌디아민, m-크실렌 디아민과 같은 지방족 아민류, 메타페닐렌디아민, 디아미노디페닐메탄, 디아미노 디에틸 디페닐메탄, 디아미노 디에틸 디페닐 술폰 등의 방향족 아민류, 벤질 디메틸 아민, 테트라메틸 구아니딘, 2,4,6-트리스(디메틸아미노 메틸) 페놀 등의 제3 아민류, 또, 디시안디아미드와 같은 염기성 활성 수소화합물이나, 아디프산(adipic acid) 디히드라지드 등의 유기산 디히드라지드,2-메틸이미다졸,2-에틸-4-메틸이미다졸, 등의 이미다졸류를 들 수 있다. 또, 산무수물계 경화제로서폴리아디핀산 무수물, 폴리(에틸 옥타데칸 이산) 무수물, 폴리세바스산 무수물 등의 지방족 산무수물, 메틸테트라히드로무수 프탈산, 헥사히드로무수 프탈산, 메틸 사이클로헥센디카르복실 산무수물 등의 지환식 산무수물, 무수 후탈산, 무수 트리멜리트산, 무수 피로메리트산, 글리세롤 트리스 트리멜리테이트 등의 방향족 산무수물, 무수 헤트산, 테트라 브로모무수프탈산 등의 할로겐계 산무수물을 들 수 있다. 본 발명에 있어서는 비교적 저온에서 경화해, 또한 보존 안정성이 양호한 일로부터, 경화제로서 아민계 경화제, 안에서도 염기성 활성 수소화합물을 바람직하게 이용할 수 있다. 아울러, 본 발명의 에폭시 수지 조성물에 적합한 경화제로, 4,4‘-디아미노디페닐설폰(DDS)을 포함한다. As the curing agent used in the epoxy resin composition of the present invention, any compound having an active group capable of reacting with an epoxy group can be used. Examples of the amine-based curing agent include aliphatic amines such as ethylenediamine, ethylenetriamine, triethylenetetramine, hexamethylenediamine and m-xylenediamine, meta-phenylenediamine, diaminodiphenylmethane, diaminodiethyldiphenyl Aromatic amines such as methane and diamino diethyldiphenyl sulfone, tertiary amines such as benzyldimethylamine, tetramethylguanidine and 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol, and basic amines such as dicyandiamide Hydrogen compounds and organic acid dihydrazides such as adipic acid dihydrazide, imidazoles such as 2-methylimidazole and 2-ethyl-4-methylimidazole. Examples of the acid anhydride-based curing agent include aliphatic acid anhydrides such as polyadipic acid anhydride, poly (ethyloctadecanedioic acid) anhydride and poly sebacic acid anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, methylcyclohexene dicarboxylic acid anhydride Alicyclic acid anhydrides such as trimellitic anhydride, trimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, and glycerol tristrimellitate, and halogen-based acid anhydrides such as anhydrous hic acid and tetrabromophthalic anhydride. have. In the present invention, since it is cured at a relatively low temperature and the storage stability is good, a basic active hydrogen compound can be preferably used in the amine curing agent as a curing agent. In addition, as a curing agent suitable for the epoxy resin composition of the present invention, 4,4'-diaminodiphenylsulfone (DDS) is included.

경화 촉진제로는, 디시안디아마이드를 포함하고, 2 중량부 내지 6 중량부를 사용하는 것이 바람직하고, 1 중량부 내지 3 중량부를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 잠복성 아민계 경화제에 의해서 경화를 일으킬 수 있지만, 소량의 촉매 즉, 경화촉진제에 의해 경화시간을 큰폭으로 단축할 수 있다. 이와 같이, 촉매 및 경화촉진제라고 하는 용어는 경화제 단독으로 달성 가능한 경화시간을 단축하는 화학 약품을 가리키는 것을 이해할 필요가 있다. 이전의 예상을 초과하는 경화시간의 단축을 완수하기 위해서 사용하고 있는 우레아계 촉매로는 3,3’-(4-메틸-1,3-페닐렌) 비스(1,1-디메틸우레아), 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아가 있다. 이 촉매의 사용량은 0.1 중량부 내지 10 중량부이며, 0.5 중량부 내지 5 중량부인 것이 바람직하고, 0.5 중량부 내지 3 중량부 인 것이 가장 바람직하다.As the hardening accelerator, it is preferable to use dicyandiamide, and it is preferable to use 2 to 6 parts by weight, and it is most preferable to use 1 to 3 parts by weight. The curing can be caused by the latent amine type curing agent, but the curing time can be greatly shortened by a small amount of catalyst, that is, a curing accelerator. As such, it is to be understood that the term catalyst and cure accelerator refers to a chemical that shortens the curing time achievable with the curing agent alone. As the urea catalysts used to complete the shortening of the curing time exceeding the previous expectations, 3,3 '- (4-methyl-1,3-phenylene) bis (1,1-dimethylurea) - (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea. The catalyst is used in an amount of 0.1 to 10 parts by weight, preferably 0.5 to 5 parts by weight, most preferably 0.5 to 3 parts by weight.

상기 경화 촉진제를 포함하는 혼합 경화제는 상기 수지 조성물 전체 100중량부를 기준으로, 10 내지 20 중량부인 것이 바람직하다. 경화 촉진제를 포함하는 경화제가, 10 중량부 미만일 경우 경화 속도에 부정적 영향을 미치고, 20 중량부를 초과하면 성형성이 좋지 않다. The mixed curing agent containing the curing accelerator is preferably 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the total of the resin composition. If the amount of the curing agent containing the curing accelerator is less than 10 parts by weight, the curing rate will be adversely affected. If the amount is more than 20 parts by weight, the moldability is poor.

본 발명에서 혼합 경화제를 구성하는 4,4’-DDS, 디시안디아마이드, 및 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아의 함량비는 6:1:1 내지 12:2:1인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서 4,4’-DDS 와 디시안디아마이드 및 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아의 혼합 경화제를 에폭시 당량비 대비 4,4'-DDS는 50%, 디시안디아마이드 29%, 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아 21%가 가장 바람직하다. In the present invention, the content ratio of 4,4'-DDS, dicyandiamide, and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea constituting the mixed curing agent is 6: 1: 1 to 12: 2 : 1 is preferable. Also, in the present invention, the mixed curing agent of 4,4'-DDS and dicyandiamide and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea has a ratio of 4,4'-DDS of 50% , 29% of dicyandiamide and 21% of 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea are most preferable.

복합 재료는 전형적으로 두 개의 주요 성분으로서 연속 수지 매트릭스 및 보강 섬유로 구성된다. 복합 재료는 흔히 복합 부품의 물리적 제한 및 특징이 결정적으로 중요한 항공 우주 분야와 같은, 까다로운 환경에서 작업을 수행하기 위해 필요하다.The composite material typically consists of a continuous resin matrix and reinforcing fibers as two major components. Composites are often needed to perform tasks in demanding environments, such as aerospace, where the physical limitations and characteristics of composite components are critically important.

경화된 복합 재료의 인장 강도는 보강 섬유 및 매트릭스 수지의 개별적인 특성들뿐 아니라, 이러한 두 성분들 사이의 상호 작용에 의해 주로 달라진다. 또한, 섬유-수지 조성비는 중요한 인자이다. 인장력 하에 있는 경화된 복합재는 보강 토우에 위치한 개별 섬유 필라멘트들의 다중 인장 파괴로부터 발생하는 누적된 손실의 메커니즘을 통해 파단(fail)되는 경향이 있다. 파괴된 필라멘트 단부에 인접한 수지의 응력 수준이 매우 커지면, 전체 복합재는 파단될 수 있다. 그러므로, 섬유 강도, 매트릭스의 강도, 및 파괴된 필라멘트 단부 부근의 응력 소산(stress dissipation) 효율은 경화된 복합 재료의 인장 강도에 기여할 것이다.The tensile strength of the cured composite material is largely dependent on the individual properties of the reinforcing fibers and the matrix resin as well as by the interaction between these two components. In addition, fiber-resin composition ratio is an important factor. The cured composites under tensile forces tend to fail through the mechanism of cumulative loss resulting from multiple tensile failure of individual fiber filaments located in the reinforcing tow. If the stress level of the resin adjacent to the broken filament end becomes very large, the entire composite can be broken. Therefore, the fiber strength, the strength of the matrix, and the stress dissipation efficiency near the destroyed filament end will contribute to the tensile strength of the cured composite.

많은 용도에서, 경화된 복합 재료의 인장 강도 특성을 최대화하는 것이 바람직하다. 그러나, 인장 강도를 최대화하려는 시도는 흔히 다른 바람직한 특성 예컨대, 복합재 구조물의 압축 성능 및 손상 허용성에 부정적인 효과를 초래할 수 있다. 또한, 인장 강도를 최대화하려는 시도는 프리프레그의 점성(tack) 및 아웃-라이프(outlife)에 예기치 않은 효과를 가질 수 있다. 미경화된 프리프레그의 고착성(stickiness) 또는 점착성(tackiness)은 일반적으로 "점성(tack)"으로 지칭된다. 비경화된 프리프레그의 점성은 레이 업(lay up) 및 성형 작업 시 중요한 고려 사항이다. 점성이 거의 또는 전혀 없는 프리프레그는 구조적으로 강력한 복합 부품을 제조하기 위해 성형될 수 있는 라미네이트로 제조되기 어렵다. 반대로, 점성이 매우 많은 프리프레그는 취급하기 어렵고, 또한 몰드에 정위시키기에 곤란할 수 있다. 프리프레그는 손쉬운 취급과 우수한 라미네이트/성형 특징을 보장하도록 적당한 양의 점성을 갖는 것이 바람직하다. 제공된 경화된 복합 재료의 강도 및/또는 손상 허용성을 증가시키기 위한 임의의 시도에 있어서, 미경화된 프리프레그의 점성을 적합한 프리프레그 취급 및 성형을 보장하도록 허용 한계치 내로 유지시키는 것이 중요하다.In many applications, it is desirable to maximize the tensile strength properties of the cured composite. Attempts to maximize tensile strength, however, can often have negative effects on other desirable properties, such as compressive performance and damage tolerance of the composite structure. In addition, attempts to maximize tensile strength can have unexpected effects on the tack and outlife of the prepreg. The stickiness or tackiness of the uncured prepreg is generally referred to as "tack ". The viscosity of the uncured prepreg is an important consideration in lay up and molding operations. A prepreg with little or no viscosity is difficult to fabricate with a laminate that can be molded to make structurally robust composite parts. On the contrary, a prepreg having a very high viscosity is difficult to handle, and it may also be difficult to position it on a mold. The prepreg preferably has a suitable amount of viscosity to ensure easy handling and excellent laminate / molding characteristics. In any attempt to increase the strength and / or damage tolerance of the cured composite material provided, it is important to maintain the viscosity of the uncured prepreg within acceptable limits to ensure proper prepreg handling and molding.

프리프레그의 "아웃-라이프"는 프리프레그가 허용될 수 없을 정도로 경화되기 전에 주위 조건에 노출될 수 있는 기간이다. 프리프레그의 아웃-라이프는 다양한 요인에 따라 크게 다를 수 있지만, 사용되는 수지 제형에 의해 주로 조절된다. 프리프레그 아웃-라이프는 일상적인 취급, 레이업 및 성형 작업이 프리프레그가 허용될 수 없을 정도로 경화되지 않으면서 수행되도록 충분히 길어야 한다. 제공된 경화된 복합 재료의 강도 및/또는 손상 허용성을 증가시키기 위한 임의의 시도에 있어서, 미경화된 프리프레그의 아웃-라이프는 경화 전 프리프레그를 처리, 취급 및 레이 업시키기에 충분한 시간을 허용하도록 가능한 오래 지속되는 것이 중요하다.The "out-life" of the prepreg is a period during which the prepreg can be exposed to ambient conditions before it is cured to an unacceptable degree. The out-life of the prepreg can vary widely depending on various factors, but is mainly controlled by the resin formulation used. The prepreg out-life should be long enough so that routine handling, layup, and molding operations are performed without curing the prepreg to an unacceptable degree. In any attempt to increase the strength and / or damage tolerance of the cured composite material provided, the out-life of the uncured prepreg allows sufficient time for processing, handling and laying up the prepreg before curing It is important to be as long as possible.

복합재의 인장 성능을 증가시키는 가장 일반적인 방법은 매트릭스와 섬유 사이의 결합의 강도를 약화시키기 위하여 섬유의 표면을 변화시키는 것이다. 이는 흑연화한 후에 섬유의 전기-산화 표면 처리의 양을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 매트릭스 섬유 결합 강도를 감소시키는 것은 계면 분리에 의해 노출된 필라멘트 단부에서 응력 소산에 대한 메커니즘을 일으킨다. 이러한 계면 분리는 복합 부품이 인장력을 잃기 전에 견딜 수 있는 인장 손실의 양을 증가시킨다.The most common way to increase the tensile performance of a composite is to change the surface of the fiber to weaken the bond strength between the matrix and the fiber. This can be achieved by reducing the amount of electro-oxidized surface treatment of the fibers after graphitization. Reducing the matrix fiber bond strength causes a mechanism for stress dissipation at the filament ends exposed by interfacial separation. This interfacial separation increases the amount of tensile loss that a composite component can withstand before it loses its tensile strength.

대안적으로, 섬유에 코팅제 또는 "사이즈제(size)"를 도포하는 것은 수지-섬유 결합 강도를 저하시킬 수 있다. 이러한 방법은 유리 섬유 복합재에서 잘 알려져 있지만, 또한 탄소 섬유로 보강된 복합재에 적용될 수 있다. 이러한 전략들을 이용함으로써, 인장 강도를 상당히 증가시키는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 개선은 충격 후 압축(compression after impact; CAI) 강도와 같은 특성의 감소를 수반하는데, 이는 수지 매트릭스와 섬유 사이의 높은 결합 강도를 필요로 한다.Alternatively, applying a coating or "size" to the fibers can reduce the resin-fiber bond strength. This method is well known in glass fiber composites, but can also be applied to composites reinforced with carbon fibers. By using these strategies, it is possible to significantly increase the tensile strength. However, this improvement entails a decrease in properties such as compression after impact (CAI) strength, which requires a high bond strength between the resin matrix and the fibers.

또 다른 대안적인 방법은 보다 낮은 계수 매트릭스를 사용하는 것이다. 낮은 계수 수지를 갖는 것은 파괴된 필라멘트의 가까운 부근에 형성될 응력 수준을 감소시킨다. 이는 보통 본질적으로 보다 낮은 계수를 갖는 수지 (예를 들어, 시아네이트 에스테르)를 선택하거나, 탄성중합체(카복시-말단된 부타디엔-아크릴로나이트릴[CTBN], 아민-말단된 부타디엔-아크릴로나이트릴[ATBN] 등)과 같은 성분을 포함함으로써 달성된다. 이러한 다양한 방법의 조합이 또한 알려져 있다.Another alternative is to use a lower coefficient matrix. Having a low coefficient resin reduces the stress level to be formed in the vicinity of the broken filament. This may be accomplished by selecting a resin that is usually inherently lower in modulus (e.g., cyanate ester) or by selecting an elastomer (carboxy-terminated butadiene-acrylonitrile [CTBN], amine- terminated butadiene- acrylonitrile [ATBN], etc.). Combinations of these various methods are also known.

보다 낮은 계수 수지를 선택하는 것은 복합재 인장 강도를 증가시키는데 효과적일 수 있다. 그러나, 이는 압축특성, 예컨대 충격 후 압축(CAI) 강도 및 오픈 홀 압축(open hole compression; OHC) 강도의 감소에 의해 전형적으로 측정되는 손상 허용성에 대한 성향을 초래할 수 있다. 따라서, 인장 강도 및 손상 허용성 둘 모두를 동시에 증가시키시기는 매우 어렵다.Choosing a lower coefficient resin may be effective in increasing the composite tensile strength. However, this can lead to propensity for damage tolerance, which is typically measured by compression properties, such as impact-after-compression (CAI) strength and reduced open hole compression (OHC) strength. Therefore, it is very difficult to simultaneously increase both the tensile strength and the damage tolerance.

프리프레그의 다중층은 일반적으로 라미네이트된 구조를 갖는 복합 부품을 제조하기 위해 사용된다. 이러한 복합 부품의 박리는 중요한 파단 방식이다. 박리는 두 개의 층들이 서로 분리될 경우 일어난다. 중요한 설계 제 한 요소로는 박리를 시작하는데 필요한 에너지 및 박리를 전진(propagate)시키는데 필요한 에너지 둘 모두가 있다. 박리의 시작 및 전진은 흔히 방식 I 및 방식 II 파괴 인성을 검사함으로써 결정된다. 파괴 인성은 보통 단방향성 섬유 배향을 갖는 복합 재료를 사용하여 측정된다. 복합 재료의 층간 파괴 인성은 Glc(더블 캔틸레버 빔; Double Cantilever Beam) 및 G2c(엔드 노치 플렉스; End Notch Flex) 시험을 이용하여 정량된다. 방식 I에 있어서, 사전-균열된 라미네이트 파단은 박리력(peel force)의 지배를 받고, 방식 II에 있어서, 균열은 전단력(shear force)에 의해 전진된다. G2c 층간 파괴 인성은 CAI와 관련이 있다. 높은 손상 허용성을 나타내는 프리프레그 재료는 또한 높은 CAI 및 G2c 값을 가진다.Multiple layers of prepreg are typically used to produce composite parts having laminated structures. The detachment of such composite parts is an important failure mode. Peeling occurs when the two layers are separated from each other. Important design constraints include both the energy required to initiate delamination and the energy required to propagate delamination. The onset and advancement of delamination is often determined by examining Method I and Method II fracture toughness. Fracture toughness is usually measured using a composite material with unidirectional fiber orientation. The interlaminar fracture toughness of the composite material is quantified using Glc (Double Cantilever Beam) and G2c (End Notch Flex) tests. In Method I, the pre-cracked laminate fracture is subjected to a peel force, and in Method II, the crack is advanced by a shear force. G2c interlaminar fracture toughness is related to CAI. The prepreg material exhibiting high damage tolerance also has a high CAI and G2c value.

층간 파괴 인성을 증가시키는 간단한 방법은 프리프레그 층들 사이의 삽입물로서 열가소성 시트를 도입함으로써 매트릭스 수지의 연성(ductility)을 증가시키는 것이었다. 그러나, 이러한 방법으로는 사용하기 어려운 딱딱하고 점성이 없는 재료를 수득하기 쉽다. 또 다른 방법은 섬유 층들 사이에 약 25 내지 30 마이크론 두께의 단단한 수지 사이층을 포함하는 것이다. 프리프레그 생성물은 미세하고 단단한 열가소성 입자를 함유하는 수지 부화(rich) 표면을 포함한다. 사이층-단단해진 재료에 있어서, 방식 II 파괴 인성의 초기 값은 사이층이 없는 탄소 섬유 프리프레그의 값보다 약 4배 높지만, 파괴 인성값은 균열이 낮은 값에서 퍼지고 수렴됨에 따라 감소되며, 이는 삽입물이 없는 시스템의 값과 거의 동일하다. 결국, 평균 G2c 값은 균열이 복합재의 매우 단단한 층간 (수지-부화) 영역으로부터 덜 단단한 층간 (섬유) 영역으로 이동함에 따라 최고가 된다.A simple way to increase the interlaminar fracture toughness was to increase the ductility of the matrix resin by introducing a thermoplastic sheet as an insert between the prepreg layers. However, in this method, it is easy to obtain a hard and viscous material which is difficult to use. Another method is to include a layer of hard resin between about 25 to 30 microns thick between the fibrous layers. The prepreg product comprises a resin rich surface containing fine, hard thermoplastic particles. For layer-hardened materials, the initial value of the Method II fracture toughness is about four times higher than the value of the carbonless prepreg without the interlayer, but the fracture toughness value decreases as the crack spreads and converges at low values, It is almost identical to the value of the system without inserts. As a result, the average G2c value becomes highest as the cracks move from the very hard interlayer (resin-enriched) region of the composite to the less hard interlayer (fiber) region.

기존의 프리프레그는 강력하고 손상 허용성이 있는 복합 부품을 제공하는 데 의도적으로 사용하기에 매우 적합하지만, 더 높은 수준의 강도(예를 들어, 인장 강도 및 압축 강도), 손상 허용성(CAI) 및 층간 파괴 인성(GIc 및 GIIc)을 갖는 복합 부품을 제조하는데 사용될 수 있는 프리프레그를 제공하는 것이 여전히 지속적으로 필요하다.Conventional prepresses are well suited for intentional use in providing strong, damage-tolerant composite parts, but require a higher level of strength (e.g., tensile and compressive strength), damage tolerance (CAI) And interlaminar fracture toughness (GIc and GIIc). It is still a continuing need to provide prepregs that can be used to prepare composite parts having interlaminar fracture toughness (GIc and GIIc).

본 발명에 있어서 상기 문제를 해결하기 위하여, 에폭시 수지(A), 혼합 경화제(B)와 함께 방향족 열가소성 수지(C) 및 열가소성 수지(D)를 병용하여 사용함으로써 현저한 고인성, 고내열성, 내충격성, 물적 안정성을 가지는 수지 조성물을 얻을 수 있다. In order to solve the above problems in the present invention, the aromatic thermoplastic resin (C) and the thermoplastic resin (D) are used together with the epoxy resin (A) and the mixed curing agent (B) to provide a remarkable toughness, high heat resistance, , A resin composition having physical stability can be obtained.

상기 방향족 열가소성 수지(C)는 에폭시 수지(A)에 용해되는 방향족 열가소성 수지이다. 구체적으로 폴리아릴레이트, 폴리설폰, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리아미드이미드 및 폴리이미드 등이 있고, 내열성이 양호한 수지가 좋다. 본 발명에서는 폴리에테르술폰이 가장 바람직하다. 또한 수평균 분자량이 10,000 이상, 유리 전이 온도가 150 ℃이상인 방향족 열가소성 수지가 바람직하다. 수평균 분자량이 10,000미만일 경우나 유리 전이 온도가 150℃ 미만일 경우, 복합 소재의 기계적 물성면에서 바람직하지 않다. The aromatic thermoplastic resin (C) is an aromatic thermoplastic resin dissolved in the epoxy resin (A). Specific examples of the resin include polyarylate, polysulfone, polyetherimide, polyether sulfone, polyamideimide and polyimide, and resins having good heat resistance. Polyethersulfone is most preferred in the present invention. An aromatic thermoplastic resin having a number average molecular weight of 10,000 or more and a glass transition temperature of 150 占 폚 or more is preferable. When the number average molecular weight is less than 10,000 or the glass transition temperature is less than 150 ° C, it is not preferable from the viewpoint of the mechanical properties of the composite material.

상기 열가소성 수지(D)는 상기 에폭시 수지에 상용 부분 및 비상용 부분을 겸비하는 볼록 공중합체 또는 그라프트 공중합체가 바람직하다. 구체적으로는 에폭시 수지와 본래 비상용성을 가지는 실록산 골격 또는 니트릴 고무로 구성되는 연쇄와 에폭시 수지와 상용성을 가지는 폴리이미드 골격, 폴리아미드 골격, 폴리설폰 골격 혹은 폴리에테르설폰 골격으로 구성된 블록 공중합체 또는 그라프트 공중합체이다. 특히 실록산 골격과 폴리이미드 골격으로 구성된 블록 공중합체는 인성 향상 효과가 높고 저습수성이 되기 때문에 항공용 복합소재에 적합하다. 또한 열가소성 수지(D)를 적절하게 첨가함으로써 분산상의 크기를 제어하는 것이 가능해져 종래 얻을 수 없었던 높으 인성을 가지는 경화물을 얻을 수 있다. 열가소성 수지(D)의 수평균 분자량은 2,000 내지 20,000인 것이 바람직하다. 열가소성 수지(D)의 수평균 분자량이 2,000미만인 경우 인성 향상의 효과를 얻기 어렵고, 20,000을 초과할 경우 복합 소재의 기계적 물성면에서 바람직하지 않다. The thermoplastic resin (D) is preferably a convex copolymer or a graft copolymer having both a commercial portion and an emergency portion in the epoxy resin. Specifically, a block copolymer composed of a polyimide skeleton, a polyamide skeleton, a polysulfone skeleton or a polyether sulfone skeleton having compatibility with an epoxy resin and a chain composed of an epoxy resin and a siloxane skeleton or nitrile rubber having inherently incompatibility or Graft copolymer. Particularly, block copolymers composed of a siloxane skeleton and a polyimide skeleton are suitable for composite materials for aviation because they have a high toughness improving effect and low water wettability. Further, by appropriately adding the thermoplastic resin (D), it becomes possible to control the size of the dispersed phase, and a cured product having high toughness, which could not be obtained in the past, can be obtained. The number average molecular weight of the thermoplastic resin (D) is preferably 2,000 to 20,000. When the number average molecular weight of the thermoplastic resin (D) is less than 2,000, it is difficult to obtain the effect of improving the toughness. When the number average molecular weight is more than 20,000, it is not preferable from the viewpoint of the mechanical properties of the composite material.

방향족 열가소성 수지(C) 및 열가소성 수지(D)의 함량은 수지 조성물 중 10 내지 30 중량부인 것이 바람직하다. 10중량부 미만이면 인성 향상의 효과를 얻지 못하고, 30중량부를 초과할 경우 취급성이 떨어지는 문제가 있다. The content of the aromatic thermoplastic resin (C) and the thermoplastic resin (D) is preferably 10 to 30 parts by weight in the resin composition. When the amount is less than 10 parts by weight, the effect of improving toughness is not obtained. When the amount is more than 30 parts by weight, there is a problem that the handling property is poor.

다음에는 본 발명의 프리프레그에 대하여 설명하기로 한다. 강화 섬유에 함침시킨 후의 수지 조성물의 실시양태를 경화시킴으로써, 경화된 생성물의 형태로 에폭시 수지 조성물의 실시양태를 매트릭스 수지로서 함유하는 프리프레그를 얻을 수 있다.Next, the prepreg of the present invention will be described. By impregnating the reinforcing fiber with the embodiment of the resin composition, a prepreg containing the embodiment of the epoxy resin composition as a matrix resin in the form of a cured product can be obtained.

본 발명의 프리프레그는 상기 수지 조성물을 강화 섬유에 함침시켜 이루어지는 것이다. 사용되는 강화 섬유의 유형에 구체적 제한 또는 제약은 없으며, 유리 섬유, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 아라미드 섬유, 붕소 섬유, 알루미나 섬유 및 탄화규소 섬유를 비롯한 매우 다양한 섬유가 사용된다. 또한 이들 섬유를 2종류 이상 혼합하여 사용할 수도 있다. 강화 섬유의 형태나 배열에 대해서는 한정되지 않고, 예를 들어 일방향으로 정렬된 장섬유, 단일의 토우, 직물, 니트, 부직포, 매트 및 브레이드 등의 섬유 구조물이 사용된다. The prepreg of the present invention is obtained by impregnating the resin composition with the reinforcing fiber. There are no specific limitations or restrictions on the type of reinforcing fibers used and a wide variety of fibers are used, including glass fibers, carbon fibers, graphite fibers, aramid fibers, boron fibers, alumina fibers and silicon carbide fibers. Two or more of these fibers may be used in combination. The shape and arrangement of the reinforcing fibers are not limited, and for example, fibrous structures such as long fibers aligned in one direction, single tows, fabrics, knits, nonwoven fabrics, mats and braids are used.

특히 재료의 경량화나 고강도화의 요구가 높은 용도에 있어서는, 그의 우수한 비탄성률과 비강도로 인해, 탄소 섬유를 적적히 사용할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 탄소 섬유가 바람직하다.Particularly, in applications where the weight of the material is required to be high or the strength thereof is high, carbon fibers can be suitably used because of its excellent non-elasticity ratio and non-elasticity. Therefore, carbon fiber is preferred in the present invention.

본 발명에서 바람직하게 사용되는 탄소 섬유는 모든 종류의 탄소 섬유를 사용하는 것이 가능하지만, 층간 인성이나 내충격성의 관점에서 200 내지 300 GPa 범위의 인장 탄성률을 갖는 탄소 섬유인 것이 바람직하다. 수지 조성물은 100 내지 150℃ 에서 최저 점도가 1.0 Poise 내지지 2.5 Poise 이하가 바람직하다.The carbon fiber preferably used in the present invention may be any kind of carbon fiber, but is preferably carbon fiber having a tensile modulus in the range of 200 to 300 GPa from the viewpoint of interlayer toughness and impact resistance. The resin composition preferably has a minimum viscosity at 100 to 150 DEG C of 1.0 Poise and a support of 2.5 Poise or less.

또한, 수지 조성물은 30 ℃에 있어서, 5,000 내지 10,000Poise 이하의 점도를 가지는 것이 기대된다. 10,000Poise 이하의 점도를 가지는 수지 조성물이 바람직하고, 프리프레그의 바람직한 여러 특성을 가지고 있다.The resin composition is expected to have a viscosity of 5,000 to 10,000 Paise or less at 30 占 폚. A resin composition having a viscosity of 10,000 Paise or less is preferable, and has various desirable characteristics of a prepreg.

아울러, 수지 조성물의 에폭시 평균 당량이 200 내지 300인 것이 바람직하다. 이 바람직한 평균 에폭시 당량의 범위를 달성하기 위해서는, 고분자량의 수지(예를 들면, 1,000을 초과하는 분자량)와 저분량(예를 들면, 200 미만의 분자량)의 수지를 혼합한다.It is also preferable that the average epoxy equivalence of the resin composition is 200 to 300. To achieve this preferred range of average epoxy equivalents, a high molecular weight resin (e.g., molecular weight greater than 1,000) and a low molecular weight (e.g., less than 200 molecular weight) resin are mixed.

본 발명의 프리프레그는 수지 조성물을 강화 섬유에 함침한 것이 바람직하고, 그 프리프레그의 강화 섬유 질량 분율은 35 내지 65 중량부가 바람직하다. 강화 섬유의 중량부가 지나치게 낮으면 얻어지는 복합 재료의 질량이 과대해지고, 비강도 및 비탄성율이 우수한 섬유 강화 복합 재료의 이점이 부정적 영향을 미치고, 또한 탄소 섬유의 중량부가 지나치게 높으면, 수지 조성물의 함침 불량이 발생하여, 얻어지는 복합 재료가 보이드가 많은 것이 되기 쉽고, 그 역학 특성이 크게 저하되는 경우가 있다. The prepreg of the present invention is preferably impregnated with the reinforcing fiber, and the reinforcing fiber mass fraction of the prepreg is preferably 35 to 65 parts by weight. If the weight of the reinforcing fiber is excessively low, the resultant composite material becomes excessively massive, and the advantage of the fiber reinforced composite material excellent in the non-rigidity and the non-elasticity ratio adversely affects. If the weight of the carbon fiber is excessively high, , The resulting composite material tends to have a large void, and its mechanical properties may be significantly lowered.

상기와 같은 방법으로 제조된 프리프레그는 층간 인성 GIIc가 10 내지 13 in- lbf/in2, 습열시 압축강도가 1200MPa이상으로 인성 및 습열 압축강도가 우수하여 항공 우주용 부품을 위한 복합재료로 사용하기 적합하다. The prepreg produced by the above method has a tear strength of 10 to 13 in-lbf / in 2 and a compressive strength of 1200 MPa or more at the time of wet heat, and is excellent in toughness and wet heat compression strength and is used as a composite material for aerospace components .

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, these examples are for illustrating the present invention specifically, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

다음에는 FRP 물질을 설명한다. FRP 물질은 프리프레그 적층 및 성형 방법, 수지 이송 성형 방법, 수지 필름 주입 방법, 핸드 레이업 방법, 시트 성형 컴파운드 방법, 필라멘트 권취 방법 및 인발성형 방법과 같은 방법을 사용하여 제조될 수 있지만, 이러한 관점에 대해 구체적 제한 또는 제약이 적용되지는 않는다.Next, the FRP material is described. The FRP material can be produced by using a method such as a prepreg lamination and molding method, a resin transfer molding method, a resin film injection method, a hand lay up method, a sheet molding compound method, a filament winding method and a drawing forming method, The present invention is not limited thereto.

수지 이송 성형 방법은 강화 섬유 수지 베이스 물질을 액체 열경화성 수지 조성물로 직접 함침시키고 경화시키는 방법이다. 이러한 방법은 중간 생성물, 예컨대 프리프레그를 수반하지 않기 때문에, 성형 비용 감소에 큰 잠재력을 갖고, 우주선, 항공기, 철도 차량, 자동차, 해양 선박 등의 구조 물질의 제조에 유리하게 사용된다.The resin transfer molding method is a method in which a reinforcing fiber resin base material is directly impregnated with a liquid thermosetting resin composition and cured. Since this method does not involve intermediate products such as prepregs, it has a great potential for reducing molding costs and is advantageously used for the production of structural materials such as spacecraft, aircraft, railway vehicles, automobiles, and marine vessels.

프리프레그 적층 및 성형 방법은 강화 섬유 베이스 물질을 열경화성 수지 조성물로 함침시킴으로써 생성된 프리프레그 또는 프리프레그들을 형성 및/또는 적층하고, 이어서 성형 및/또는 적층된 프리프레그/프리프레그들에 대한 열 및 압력의 인가를 통해 수지를 경화시켜 FRP 물질을 얻는다.The prepreg lamination and shaping process includes forming and / or laminating the prepreg or prepregs produced by impregnating the reinforcing fiber base material with the thermosetting resin composition, and then forming and / or laminating the formed and / or laminated prepreg / The resin is cured by applying pressure to obtain FRP material.

필라멘트 권취 방법은 미리 결정된 각도로 장력 하에 회전 금속 코어 (맨드렐) 둘레에 1 내지 수십 개의 강화 섬유 로빙을 랩핑함에 따라, 1 내지 수십 개의 강화 섬유 로빙을 함께 한 방향으로 연신시키고 열경화성 수지 조성물로 함침시키는 방법이다. 로빙의 랩이 미리 결정된 두께에 도달한 후, 이를 경화시키고, 이어서 금속 코어를 제거한다.The filament winding method includes laminating one to several tens of reinforcing fiber rovings around a rotating metal core (mandrel) under a tension at a predetermined angle, so that one to several tens of reinforcing fiber rovings are stretched together in one direction and impregnated with a thermosetting resin composition . After the lap of the roving reaches a predetermined thickness, it is cured and then the metal core is removed.

인발성형 방법은 강화 섬유를 열경화성 수지 조성물로 함침시키기 위해 액체 열경화성 수지 조성물로 충전된 함침 탱크, 이어서 성형 및 경화를 위한 스퀴즈 다이 및 가열 다이를 통해 연속적으로 통과시키고, 인장 기계를 사용하여 연속적으로 연신시키는 방법이다. 이러한 방법은 FRP 물질을 연속적으로 성형한다는 이점을 제공하기 때문에, 낚싯대, 막대, 파이프, 시트, 안테나, 건축 구조재 등을 위한 FRP 물질의 제조에 사용된다.The draw-forming method is a method in which the impregnation tank filled with the liquid thermosetting resin composition for impregnating the reinforcing fiber with the thermosetting resin composition is successively passed through a squeeze die and a heating die for molding and curing and is continuously stretched using a tensile machine . This method is used in the manufacture of FRP materials for fishing rods, rods, pipes, sheets, antennas, building structures, etc., since it provides the advantage of continuously forming FRP materials.

이들 방법 중, 얻어진 FRP 물질에 우수한 강성도 및 강도를 제공하기 위해서는 프리프레그 적층 및 성형 방법이 사용될 수 있다.Of these methods, prepreg lamination and molding methods can be used to provide excellent stiffness and strength to the obtained FRP material.

프리프레그는 에폭시 수지 조성물 및 강화 섬유의 실시양태를 함유할 수 있다. 이러한 프리프레그는 강화 섬유 베이스 물질을 본원에 개시된 에폭시 수지 조성물로 함침시킴으로써 얻을 수 있다. 함침 방법은 습식 방법 및 핫멜트 방법 (건식 방법)을 포함한다.The prepreg may contain embodiments of epoxy resin compositions and reinforcing fibers. This prepreg can be obtained by impregnating the reinforcing fiber base material with the epoxy resin composition disclosed herein. The impregnation method includes a wet method and a hot-melt method (dry method).

습식 방법은 먼저, 에폭시 수지 조성물을 용매, 예컨대 메틸 에틸 케톤 또는 메탄올에 용해시킴으로써 생성된 에폭시 수지 조성물의 용액에 강화 섬유를 침지시키고, 회수하고, 이어서 오븐 등에 의한 증발을 통해 용매를 제거하여 강화 섬유를 에폭시 수지 조성물로 함침시키는 방법이다. 핫멜트 방법은 미리 가열함으로써 유체로 된 에폭시 수지 조성물로 직접 강화 섬유를 함침시키거나, 또는 먼저 수지 필름으로서 사용하기 위해 이형지 조각 또는 조각들을 에폭시 수지 조성물로 코팅한 다음, 필름을 편평한 형상으로 구성된 강화 섬유의 한면 또는 양면에 배치하고, 이어서 열 및 압력을 인가하여 강화 섬유를 수지로 함침시킴으로써 실시될 수 있다. 핫멜트 방법은 사실상 어떠한 잔류 용매도 갖지 않는 프리프레그를 제공할 수 있다.In the wet method, first, the reinforcing fiber is immersed in a solution of the epoxy resin composition produced by dissolving the epoxy resin composition in a solvent such as methyl ethyl ketone or methanol, and recovered. Then, the solvent is removed through evaporation by an oven or the like, Is impregnated with an epoxy resin composition. The hot melt method is a method of directly impregnating reinforcing fibers with a fluid epoxy resin composition by preliminary heating or by first coating a release paper piece or pieces with an epoxy resin composition for use as a resin film, , And then applying heat and pressure to impregnate the reinforcing fibers with the resin. The hot melt process can provide a prepreg that has virtually no residual solvent.

프리프레그의 강화 섬유 단면 밀도는 50 내지 200 g/㎡일 수 있다. 단면 밀도가 적어도 50 g/㎡이면, FRP 물질의 성형시에 미리 결정된 두께를 고정하기 위해 적은 수의 프리프레그를 적층하는 것을 필요로 할 수 있고, 이는 적층 작업을 단순화시킬 수 있다. 한편, 단면 밀도가 200 g/㎡ 이하이면, 프리프레그의 드레이프성이 우수할 수 있다. 프리프레그의 강화 섬유 질량 분율은 일부 실시양태에서는 60 내지 90 질량%, 일부 실시양태에서는 65 내지 85 질량% 또는 심지어 또 다른 실시양태에서는 70 내지 80 질량%일 수 있다. 강화 섬유 질량 분율이 적어도 60 질량%이면, 충분한 섬유 함량이 존재하며, 이는 우수한 비강도 및 비탄성률의 관점에서 FRP 물질의 이점을 제공할 뿐만 아니라 FRP 물질이 경화 시간 동안에 지나치게 많은 열을 발생하는 것을 방지할 수 있다. 강화 섬유 질량 분율이 90 질량% 이하이면, 수지 함침이 만족스러울 수 있고, FRP 물질에 많은 공극이 형성될 위험을 감소시킨다.The reinforcing fiber cross-sectional density of the prepreg may be 50 to 200 g / m < 2 >. If the cross-sectional density is at least 50 g / m < 2 >, it may be necessary to laminate a small number of prepregs in order to fix a predetermined thickness in forming the FRP material, which can simplify the lamination operation. On the other hand, if the cross-sectional density is 200 g / m 2 or less, the drape property of the prepreg can be excellent. The reinforcing fiber mass fraction of the prepreg may be from 60 to 90 mass% in some embodiments, from 65 to 85 mass% in some embodiments, or even from 70 to 80 mass% in yet another embodiment. If the reinforcing fiber mass fraction is at least 60% by weight, there is a sufficient fiber content, which not only provides the advantages of the FRP material in terms of good non-strength and inelastic modulus, but also that the FRP material generates too much heat during the curing time . If the reinforcing fiber mass fraction is 90 mass% or less, the resin impregnation can be satisfactory and the risk of forming many voids in the FRP material is reduced.

프리프레그 적층 및 성형 방법 하에 열 및 압력을 인가하기 위해, 프레스 성형 방법, 오토클레이브 성형 방법, 배깅(bagging) 성형 방법, 랩핑 테이프 방법, 내부 압력 성형 방법 등이 적절하게 사용될 수 있다.A press forming method, an autoclave forming method, a bagging forming method, a lapping tape method, an internal pressure forming method and the like can be suitably used for applying heat and pressure under prepreg lamination and forming method.

오토클레이브 성형 방법은 미리 결정된 형상의 도구 판 상에 프리프레그를 적층한 다음, 배깅 필름으로 덮고, 이어서 적층체로부터 공기를 빼내면서 열 및 압력을 인가하여 경화를 수행하는 방법이다. 이는 섬유 배향의 정밀한 조절을 허용할 수 있을 뿐만 아니라, 최소의 공극 함량 때문에 우수한 기계적 특성을 갖는 고품질 성형 물질을 제공한다. 성형 공정 동안 인가되는 압력은 0.3 내지 1.0 MPa일 수 있고, 한편, 성형 온도는 90 내지 200℃ 범위일 수 있다.In the autoclave molding method, a prepreg is laminated on a tool plate of a predetermined shape, then covered with a bagging film, and then air is drawn out from the laminate, and heat and pressure are applied to perform curing. This not only allows precise control of the fiber orientation, but also provides a high quality molding material with excellent mechanical properties due to the minimum void content. The pressure applied during the molding process may be 0.3 to 1.0 MPa, while the molding temperature may be in the range of 90 to 200 < 0 > C.

랩핑 테이프 방법은 맨드렐 또는 어떤 다른 심이 제거된 막대 둘레를 프리프레그로 랩핑하여 관형 FRP 물질을 형성하는 방법이다. 이러한 방법은 골프 샤프트, 낚싯대 및 다른 막대형 제품을 제조하는데 사용될 수 있다. 더 구체적인 표현으로, 이러한 방법은 맨드렐 둘레를 프리프레그로 랩핑하고, 프리프레그를 고정할 목적으로 장력 하에 프리프레그 위에 열가소성 필름으로 제조된 랩핑 테이프로 랩핑하고, 이에 압력을 인가하는 것을 포함한다. 오븐 내부에서 가열을 통해 수지를 경화시킨 후, 심이 제거된 막대를 제거하여 관형체를 얻는다. 랩핑 테이프로 랩핑하는데 사용되는 장력은 20 내지 78 N일 수 있다. 성형 온도는 80 내지 200℃ 범위일 수 있다.The lapping tape method is a method of forming a tubular FRP material by lapping a mandrel or any other shim around the removed rod with a prepreg. This method can be used to manufacture golf shafts, fishing rods, and other rod products. In a more specific expression, this method involves lapping the mandrel around with a prepreg, lapping with a lapping tape made of a thermoplastic film on the prepreg under tension and fixing the prepreg, and applying pressure thereto. After curing the resin through heating in the oven, the roughened rod is removed to obtain a tubular body. The tension used for wrapping with the lapping tape may be 20 to 78 N. The forming temperature may range from 80 to 200 캜.

내부 압력 성형 방법은 열가소성 수지 관 또는 어떤 다른 내부 압력 가압기 둘레를 프리프레그로 랩핑함으로써 얻은 예비성형품을 금속 몰드 내부에 배치하고, 이어서 내부 압력 가압기 안에 고압 기체를 도입하여 압력을 인가하고, 이에 동반하여 동시에 금속 몰드를 가열하여 프리프레그를 성형하는 방법이다. 이러한 방법은 복잡한 형상을 갖는 물체, 예컨대 골프 샤프트, 배트, 및 테니스 또는 배드민턴 라켓을 형성할 때 사용될 수 있다. 성형 공정 동안 인가되는 압력은 0.1 내지 2.0 MPa일 수 있다. 성형 온도는 실온 내지 200℃ 또는 80 내지 180℃ 범위일 수 있다.The internal pressure forming method is a method in which a preform obtained by lapping a thermoplastic resin tube or any other internal pressure-applying device with a prepreg is placed inside a metal mold, and then a high-pressure gas is introduced into the internal pressure-applying device to apply pressure, Simultaneously, the metal mold is heated to mold the prepreg. This method can be used when forming objects having complex shapes, such as golf shafts, bats, and tennis or badminton racquets. The pressure applied during the molding process may be 0.1 to 2.0 MPa. The forming temperature may be from room temperature to 200 캜 or from 80 to 180 캜.

프리프레그로부터 생성된 FRP 물질은 위에서 언급한 바와 같은 A급 표면을 가질 수 있다. A급 표면은 미적 흠 및 결함이 없는 극도로 높은 마감 품질 특성을 나타내는 표면을 의미한다.FRP materials produced from prepregs may have Class A surfaces as mentioned above. Class A surfaces are surfaces that exhibit extremely high finish quality characteristics without aesthetic flaws and defects.

에폭시 수지 조성물로부터 얻어진 경화된 에폭시 수지 조성물 및 강화 섬유를 함유하는 FRP 물질은 스포츠 응용분야, 일반 산업 응용분야 및 항공 및 우주 응용분야에서 유리하게 사용된다. 이러한 물질이 유리하게 사용되는 구체적인 스포츠 응용분야는 골프 샤프트, 낚싯대, 테니스 또는 배드민턴 라켓, 하키 스틱 및 스키 폴을 포함한다. 이러한 물질이 유리하게 사용되는 구체적인 일반 산업 응용분야는 차량, 예컨대 자동차, 자전거, 해양 선박 및 철도 차량의 구조 물질, 구동 샤프트, 리프 스프링, 윈드밀 블레이드, 압력 용기, 플라이휠, 제지 롤러, 지붕 물질, 케이블 및 수리/강화 물질을 포함한다.The cured epoxy resin composition obtained from the epoxy resin composition and the FRP material containing the reinforcing fibers are advantageously used in sports applications, general industrial applications, and aerospace applications. Specific sports applications in which such materials are advantageously used include golf shafts, fishing rods, tennis or badminton racquets, hockey sticks and ski poles. Specific general industrial applications in which such materials are advantageously employed include structural materials of vehicles such as automobiles, bicycles, marine vessels and railway vehicles, drive shafts, leaf springs, wind mill blades, pressure vessels, flywheels, And repair / reinforcement materials.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, these examples are for illustrating the present invention specifically, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 1Example 1

페놀 노볼락 에폭시 수지를 상온(25℃)에서 120℃까지 2℃/min으로 승온시킨 후, solvay사 PES 를 투입 시키고 온도 120℃를 1시간동안 유지하면서 PES 입자가 완전히 녹을때 까지 믹싱한다. PES 입자가 완전히 녹은 후 수평균 분자량이 15,000인 실록산 폴리이미드 공중합체를 투입시키고 0.5~1h 균일하게 믹싱한다. 이때 사용되는 PES 및 실록산 폴리이미드 미립자는 Ball-mill을 통해 분쇄한 5㎛ 입자를 혼용하였으며, 이 화합물은 180℃에서 점도 변화 기울기가 0.2 poise/min 이다. 이 배합물의 온도를 2℃/min으로 감온 시킨 후 4,4’-DDS 와 디시안디아마이드 및 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아를 포함하는 경화제를 10min이내로 고르게 교반하였다. 이때 혼합경화제를 구성하는 화합물의 비율은 10:2:1이었다. 최종 배합물의 30℃ 점도는 5000~10,000 poise, 130℃에서는 10~100posie인 화합물을 구성한다. The phenol novolak epoxy resin is heated from room temperature (25 ° C) to 120 ° C at a rate of 2 ° C / min. Then, the solution is poured into a solution of solvay PES and maintained at a temperature of 120 ° C for 1 hour. After the PES particles are completely melted, a siloxane polyimide copolymer having a number average molecular weight of 15,000 is added and mixed homogeneously for 0.5 to 1 h. The PES and siloxane polyimide particles used herein were mixed with 5 탆 particles pulverized through a ball mill, and the viscosity of the compound was 0.2 poise / min at 180 캜. After the temperature of the mixture was reduced to 2 캜 / min, the curing agent containing 4,4'-DDS and dicyandiamide and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea was stirred evenly within 10 minutes Respectively. At this time, the ratio of the compound constituting the mixed curing agent was 10: 2: 1. The final formulation has a viscosity at 30 ° C of 5000 to 10,000 poise, and at 130 ° C it forms 10 to 100 posie.

실시예 2 내지 5 및 비교예 1Examples 2 to 5 and Comparative Example 1

수지 조성물의 함량을 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.A resin composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content of the resin composition was changed as shown in Table 1.

비교예 2Comparative Example 2

경화제로서 4,4‘-DDS만을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다. A resin composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that only 4,4'-DDS was used as a curing agent.

프리프레그의 제작 Preparation of prepreg

배합 완료된 수지 조성물을 이형지에 도포하여 수지 시트를 제작한다.The resin composition thus compounded is applied to a release paper to prepare a resin sheet.

이형지에 도포된 수지 단위 중량은 59g/m2 resin paper를 제작하였다. 다음으로 resin paper를 일방향으로 배열시킨 탄소 섬유 양면에 가열, 가압으로 함침시켜 일방향 프리프레그를 얻었다. The resin unit weight applied to release paper was 59g / m 2 resin paper. Next, a unidirectional prepreg was obtained by impregnating both sides of the carbon fiber with resin paper in one direction by heating and pressing.

습열시 압축강도의 측정Measurement of compressive strength during wet heat

실시예 및 비교예에서 제작한 일방향 프리프레그를, 섬유 방향을 정렬시켜 12ply 적층하고, 오토클레이브로 180°C의 온도에서 2시간, 0.59MPa의 압력 하에서, 승온 속도 1.5°C/분으로 성형하여 적층체를 제작하였다. 이 적층체로부터 전체길이 80.8, 두께 1.2mm, 폭 12.8mm, 길이 38.0mm의 탭이 양쪽으로 부착된 시험편을 제작하였다. 이때, 시험편의 길이 방향과 상기 섬유 방향이 평행해지도록 시험편을 제작하였다. 이 시험편을 71°C의 온수에 14일간 침지하였다. 이 시험편을 JIS K 7076(1991)에 따라 항온조가 부착된 만능 시험기를 사용하여, 82°C에서의 0° 압축 강도를 측정하였다. 샘플수는 5로 하였다. The unidirectional prepregs prepared in the examples and comparative examples were laminated by aligning the fibers in a direction of 12 pl and molded at a temperature of 180 ° C for 2 hours under a pressure of 0.59 MPa at a temperature raising rate of 1.5 ° C / Thereby producing a laminate. A test piece having a total length of 80.8, a thickness of 1.2 mm, a width of 12.8 mm, and a length of 38.0 mm attached on both sides was produced from this laminate. At this time, a test piece was prepared so that the longitudinal direction of the test piece and the fiber direction were parallel. This specimen was immersed in hot water at 71 ° C for 14 days. The test piece was measured at 0 ° compression strength at 82 ° C using a universal testing machine equipped with a thermostatic chamber according to JIS K 7076 (1991). The number of samples was 5.

복합재료의 전단 모드 층간 파괴 인성(GIIc) 시험Shear mode interlaminar fracture toughness (GIIc) test of composites

GIIc시편제작을 위해 상기 프리프레그를 일방향으로 20장을 적층하고, 통상의 오토클레이브에 의한 성형을 180℃ 2시간, 압력 6bar에서 수행하였다. 이후 0도 방향으로 13in 90도 방향으로 0.5in 크기로 절삭하여 평가 시편을 준비하였다. For preparing the GIIc specimen, 20 sheets of the prepreg were stacked in one direction, and molding with a normal autoclave was carried out at 180 DEG C for 2 hours and at a pressure of 6 bar. Thereafter, the specimens were prepared by cutting at a size of 0.5 inches in the direction of 13 degrees and 90 degrees in the direction of 0 degrees.

평가 시편을 이용하여 BMS 8-276의 시험 절차에 따라 평가를 진행하였다. 이때 5개의 시편을 평가한 후 평균 값을 표 1에 기록하였다.The test specimens were used to carry out the evaluation according to the test procedure of BMS 8-276. At this time, five specimens were evaluated and the average values were recorded in Table 1.

복합재료의 충격후 압축강도(CAI) 측정Measurement of compressive strength (CAI) after impact of composite material

CAI 시편제작을 위해 상기 프리프레그를 24장을 (+45/0/-45/90)3S로 적층하고, 통상의 오토클레이브에 의한 성형을 180℃ 2시간, 압력 6bar에서 수행하였다. 이후 가로 4in*세로 6in로 절삭하여 평가 시편을 준비하였다. Twenty-four prepregs were laminated with (+ 45/0 / -45 / 90) 3S to prepare a CAI specimen. Molding with a normal autoclave was carried out at 180 DEG C for 2 hours and at a pressure of 6 bar. The specimens were cut into 4 inches by 6 inches long.

평가 시편을 5개 준비한 후, 270 in-lbf impact level로 충격시험을 진행 후 압축 시험을 진행하여 평균 값을 표 1에 기록하였다.After five test specimens were prepared, the impact test was carried out at a 270 in-lbf impact level, and a compression test was conducted. The average values were recorded in Table 1.

실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 실시예5Example 5 비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 조성물 함량Composition content 에폭시Epoxy 6666 6666 6262 7070 6161 4949 6262 혼합경화제Mixed hardener 1414 1414 1919 99 2020 1616 1919 방향족 열가소 성수지Aromatic thermoplastic resin 1515 55 1414 1515 1313 2121 1414 열가소성 수지Thermoplastic resin 55 1515 55 66 66 1414 55 Carbon FiberCarbon Fiber IMS60IMS60 IMS60IMS60 IMS60IMS60 IMS60IMS60 IMS60IMS60 IMS60IMS60 IMS60IMS60 습열시 압축강도
(MPa)
Compressive strength during wet heat
(MPa)
12301230 12001200 12101210 11201120 10801080 10701070 11101110
GIIc
(in- lbf/in2)
G II c
(in-lbf / in 2 )
Avg.Avg. 11.1911.19 12.0112.01 12.1112.11 8.918.91 5.105.10 8.328.32 6.286.28
CAI (ksi) (270 in-lbf impact level)CAI (ksi) (270 in-lbf impact level) Avg.Avg. 47.7247.72 46.2746.27 46.1146.11 45.0745.07 38.9238.92 42.2842.28 40.9240.92

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 실시예 1 내지 5는 비교예보다 압축강도, 층간 인성, 충격 후 파괴인성이 우수한 것으로 나타났다. As shown in Table 1, Examples 1 to 5 according to the present invention showed superior compressive strength, interlaminar toughness and fracture toughness after impact than the Comparative Examples.

Claims (5)

다음 구성 성분으로 구성되고, (A)를 62 내지 66 중량부, (B)를 14 내지 19 중량부, (C) 및 (D)를 합하여 19 내지 20 중량부를 함유하며, 하기 혼합 경화제를 구성하는 4,4’-디아미노디페닐설폰(DDS), 디시안디아마이드, 및 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아의 함량비는 6:1:1 내지 12:2:1인 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
(A): 페놀 노볼락 타입의 에폭시 수지
(B): 4,4’-디아미노디페닐설폰(DDS) 와 디시안디아마이드 및 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아의 혼합 경화제
(C): (A)에 용해될 수 있는 방향족 열가소성 수지
(D): (A)와 반응성의 관능기를 가져, (A)에 용해될 수 있으며, 실록산 골격과 폴리이미드 골격으로 구성되고 수평균 분자량 2,000 내지 20,000인 블록 공중합체인 열가소성 수지
(A), (B) is 14 to 19 parts by weight, (C) and (D) is 19 to 20 parts by weight, and the following components The content ratio of 4,4'-diaminodiphenylsulfone (DDS), dicyandiamide, and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea is 6: 1: 1 to 12: 2: 1. ≪ / RTI >
(A): phenol novolak type epoxy resin
(B): A mixed curing agent of 4,4'-diaminodiphenylsulfone (DDS), dicyandiamide and 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea
(C): an aromatic thermoplastic resin soluble in (A)
(D) a thermoplastic resin having a functional group reactive with (A), which is soluble in (A), and which is composed of a siloxane skeleton and a polyimide skeleton and has a number average molecular weight of 2,000 to 20,000
제 1항에 있어서,
방향족 열가소성 수지(C)는 폴리아릴레이트, 폴리설폰, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리아미드이미드 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 수지를 포함하고, 수평균 분자량이 10,000 이상, 유리 전이 온도가 150 ℃이상인 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
The method according to claim 1,
The aromatic thermoplastic resin (C) comprises one or more resins selected from the group consisting of polyarylate, polysulfone, polyetherimide, polyether sulfone, polyamideimide and polyimide, and has a number average molecular weight of 10,000 or more , And a glass transition temperature of 150 ° C or higher.
삭제delete 삭제delete 제1항의 에폭시 수지 조성물로부터 제조된 프리프레그.










A prepreg produced from the epoxy resin composition of claim 1.










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