KR101952621B1 - 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

열가소성 수지; 및 60 중량% 초과, 80 중량% 이하의 유리섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법 {FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 열가소성 수지 중 폴리프로필렌을 이용한 섬유 강화 복합재는 폴리프로필렌 또는 프로필렌-에틸렌 공중합체를 포함하는 열가소성 수지와 극성 기능을 그라프트시킨 개질 프로필렌 및 수산기가 함유된 폴리올레핀 폴리올을 유리/탄소 등의 연속섬유에 함침시킴으로써 형성되며, 이는 내충격성이 우수할 뿐만 아니라 강도 및 강성이 우수하다.
이때, 상기 섬유의 함량은 복합재의 기계적 특성 및 충격 특성에 영향을 주는 인자로, 섬유의 함량이 높아질수록 우수한 물성을 구현할 수 있고, 다양한 부품에 적용이 가능하다. 그러나, 통상의 기술로는 섬유 함유 함량에 제한이 있어, 탈크, 탄산칼슘, 운모 등과 같은 무기물을 첨가하여 복합재료의 강도 및 강성을 높이며, 재료 원가를 감소시키는 방법이 있었으나, 무기물의 첨가는 강도 및 강성을 향상시키기는 하나 부수적으로 복합재의 비중을 높이고, 재료 표면 품질을 악화시키는 경향이 있었다.
또한, 무기물의 작은 입자로 인해 복합재 내에 분산 및 분배가 어려워 전체적으로 복합재의 흐름성을 낮춰 가공성을 저하시키는 문제점이 있었는바, 섬유 함유 함량의 향상에 대한 연구의 필요성이 대두되었다.
본 발명의 일 구현예는 유리섬유를 높은 함량으로 포함하여, 내충격성, 강도 및 강성이 우수한 섬유 강화 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 열가소성 수지; 및 60 중량% 초과, 80 중량% 이하의 유리섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재를 제공한다.
상기 유리섬유는 연속섬유 및 비연속섬유를 포함할 수 있다.
상기 비연속섬유는 2㎜ 내지 5㎜ 길이의 장섬유, 또는 1㎜ 이하 길이의 단섬유를 포함할 수 있다.
상기 연속섬유는 단일 배향성을 가질 수 있다.
상기 연속섬유 : 상기 비연속섬유의 중량비는 4 : 1 내지 6 : 1일 수 있다.
상기 유리섬유의 평균 직경은 15㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
상기 열가소성 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리올레핀계 수지 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 산화방지제, 열안정제, 분산제, 상용화제, 안료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 굴곡탄성률이 25 GPa 내지 35 GPa일 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 낙구충격강도가 20 J/㎜ 내지 30 J/㎜일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 제조하는 단계; 상기 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유 및 열가소성 수지를 혼합하여 수지-섬유 혼합물을 제조하는 단계; 상기 수지-섬유 혼합물 및 연속섬유상의 유리섬유를 혼합하는 단계; 및 상기 수지-섬유 혼합물을 연속섬유상의 유리섬유에 함침시킴으로써 유리섬유 총 함량이 약 60 중량% 초과, 약 80 중량% 이하인 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 섬유 강화 복합재 제조방법이 제공된다.
상기 펠릿상의 수치 함침 유리섬유는 2㎜ 내지 5㎜ 길이의 장섬유, 또는 1㎜ 이하 길이의 단섬유를 포함할 수 있다.
상기 수지-섬유 혼합물은 상기 펠릿상의 수치 함침 유리섬유 10 중량% 내지 30 중량% 및 상기 열가소성 수지 70 중량% 내지 90 중량%를 포함할 수 있다.
상기 수지-섬유 혼합물 및 연속섬유상의 유리섬유를 혼합하는 단계에서, 상기 연속섬유상의 유리섬유는 단일 배향성을 갖도록 투입될 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 고강도, 고강성이며, 충격 강도가 우수하다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법을 통해 상기 섬유 강화 복합재의 제조가 가능하며, 상기 섬유 강화 복합재는 우수한 내충격성 및 강도, 강성이 요구되는 다양한 물품에 적용 및 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 단섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 도식화한 것이다.
도 3은 장섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 도식화한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법을 개략적으로 도식화한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 일 구현예에서, 열가소성 수지; 및 약 60 중량% 초과, 약 80 중량% 이하의 유리섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재를 제공한다.
일반적으로, 복합재는 두 가지 이상의 재료를 포함하는 원료로부터 제조되는 것으로, 상기 섬유 강화 복합재는 고분자 또는 수지를 함유하는 모재에 유기섬유 또는 무기섬유가 함침되어 있는 구조로 만들어진 것으로, 유기섬유 또는 무기섬유의 함량에 따라서 복합재의 강도 및 강성이 결정될 수 있다.
통상적으로, 섬유 강화 복합재는 용융된 수지에 연속섬유상의 섬유를 혼합하여 제조될 수 있는데, 이 경우 연속섬유상의 섬유를 약 60 중량% 초과, 예를 들어 약 70 중량% 초과의 함량으로 혼합하면, 제조 과정에서 상기 용융된 수지가 섬유에 고르게 함침되기 어려운 문제가 있었고, 이로써 섬유 강화 복합재 자체를 제조하지 못할 우려가 있었다. 결론적으로, 섬유의 함량이 높아질수록 강도 및 강성을 향상시킬 수는 있으나, 금속 재료를 대체하는 수준의 고강도 및 고강성을 확보하는 데 한계가 있었다.
이에 대하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재는 유리섬유를 포함하며, 유리섬유가 60 중량% 초과, 80 중량% 이하로 포함될 수 있고, 예를 들어 약 68 중량% 내지 80 중량% 포함될 수 있고, 예를 들어 약 70 중량% 내지 80 중량% 포함될 수 있다. 이로써 상기 섬유 강화 복합재는 금속에 비하여 높은 비강도 및 비강성을 나타내어 제품에 적용 시 경량화 효과를 확보하기 유리할 수 있고, 다양한 기술 분야에 적용 가능한 이점을 가질 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재에 상기 유리섬유가 전술한 범위보다 적게 함유되는 경우에는 요구되는 강도 및 강성을 확보할 수 없고, 초과하여 함유되는 경우에는 모재인 열가소성 수지의 함침이 불완전하여 복합재의 제조 자체가 불가능한 문제를 야기할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재를 개략적을 도시한 것이다. 도 1을 참조할 때, 상기 섬유 강화 복합재(100)는 유리섬유를 포함하고, 상기 유리섬유는 연속섬유(10) 및 비연속섬유(20)를 포함할 수 있다. 상기 '연속섬유'는 절단되지 않고 구조적으로 길게 연결되어 있는 섬유를 의미하며, 상기 '비연속섬유'는 소정의 길이로 절단된 섬유를 의미한다.
상기 섬유 강화 복합재는 연속섬유 및 비연속섬유가 혼합된 유리 섬유를 포함함으로써 연속섬유만을 포함하는 경우에 비하여 높은 함량의 유리섬유를 함유할 수 있고, 비연속섬유만을 포함하는 경우에 비하여 고강도 및 고강성의 효과를 얻을 수 있다.
구체적으로, 상기 비연속섬유는 장섬유 또는 단섬유를 포함할 수 있고, 상기 장섬유의 길이는 약 2㎜ 내지 약 5㎜일 수 있다. 또한, 상기 단섬유의 길이는 약 1㎜ 이하일 수 있다. 상기 비연속섬유가 상기 길이 범위의 장섬유 또는 단섬유를 포함함으로써 상기 섬유 강화 복합재의 제조 과정이 용이하면서도, 고강도 및 고강성의 효과를 용이하게 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 비연속섬유는 상기 장섬유 및 상기 단섬유의 혼합물을 포함할 수 있고, 이 경우 상기 섬유 강화 복합재 내 섬유의 함량을 증가시키기 용이하여, 금속보다 높은 비강도 및 비강성을 용이하게 확보할 수 있다.
상기 비연속섬유가 상기 장섬유 및 상기 단섬유의 혼합물을 포함하는 경우, 상기 장섬유 및 상기 단섬유는 장섬유 : 단섬유의 중량비가 약 10 : 1 내지 약 2 : 1, 예를 들어 약 7 : 1 내지 약 5 : 1일 수 있다. 상기 비연속섬유가 상기 장섬유 및 상기 단섬유를 상기 범위의 중량비로 포함함으로써 상기 섬유 강화 복합재 내부의 유리섬유 함량을 효과적으로 향상시킬 수 있고, 우수한 강도 및 강성을 구현할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 연속섬유 및 비연속섬유의 혼합물인 유리섬유를 포함할 수 있고, 이 때 상기 연속섬유는 상기 섬유 강화 복합재 내에서 단일 배향성을 갖는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 연속섬유가 단일 배향성을 갖는다는 것은 상기 열가소성 수지 내에 연속섬유가 함침되어 일 방향으로 배열된 것을 의미할 수 있다. 이때, 상기 섬유 강화 복합재 내의 소정의 두 연속섬유가 이루는 예각이 약 10°이하, 구체적으로 약 5°이하일 수 있다.
이처럼 연속섬유가 배향성을 갖는 시트를 단일방향 연속섬유 보강 시트 (Unidirectional Sheet, UD 시트라고도 함)로 지칭할 수 있고, 상기 섬유 강화 복합재는 비연속섬유가 함유된 UD 시트로 지칭할 수 있다. 상기 섬유 강화 복합재 내의 연속섬유가 단일 배향성을 가짐으로써 구조적으로 우수한 강도 및 강성의 확보에 유리하며, 상기 비연속섬유와 혼합되어 총 유리섬유의 함량을 증가시키기 유리할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 상기 연속섬유 및 비연속섬유를 연속섬유 : 비연속섬유의 중량비가 약 4 : 1 내지 약 6 : 1이 되도록 포함할 수 있다. 상기 연속섬유 및 비연속섬유가 상기 범위의 중량비로 함유됨으로써 복합재 내부의 유리 섬유 함량을 효과적으로 향상시킬 수 있고, 복합재의 우수한 강도 및 강성을 구현할 수 있다.
상기 유리섬유의 평균 직경은 약 15㎛ 내지 약 20㎛일 수 있고, 예를 들어 약 16㎛ 내지 19㎛일 수 있다. 상기 유리섬유의 평균 직경이 상기 범위를 만족함으로써 상기 섬유 강화 복합재가 두께 대비 우수한 강도 및 강성을 확보할 수 있고, 상기 범위의 평균 직경을 갖는 연속섬유 및 상기 범위의 평균 직경을 갖는 비연속섬유를 함께 포함하는 경우 강도 및 강성 향상 효과를 극대화할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 열가소성 수지를 포함하고, 상기 열가소성 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리올레핀계 수지 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 수지는 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있고, 보다 구체적으로 폴리프로필렌 수지, 또는 에틸렌-프로필렌 수지를 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 산화방지제, 열안정제, 분산제, 상용화제, 안료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제는 상기 섬유 강화 복합재 중 약 1 중량% 내지 약 10 중량% 포함될 수 있고, 예를 들어, 상용화제를 약 1 중량% 내지 약 7 중량% 포함하고, 열안정제를 약 1 중량% 내지 3 중량% 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 고함량의 유리섬유를 포함하는 것으로서, 우수한 강도 및 강성을 확보할 수 있다.
구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재의 굴곡탄성률은 약 25 GPa 내지 약 35 GPa일 수 있다. 상기 '굴곡탄성률'은 섬유, 실 또는 직물 등을 접어 구부리는 경우에 파단되지 않는 저항력을 의미하는 것으로, 상기 섬유 강화 복합재의 특정 부분을 기계적으로 접어 구부리기를 반복하여 어느 정도의 압력 또는 힘에서 파단되는지를 확인함으로써 측정할 수 있고, 예를 들어 ASTM D790에 따른 굴곡 특성 측정 방법으로 측정할 수 있다. 상기 섬유 강화 복합재가 상기 범위의 굴곡탄성률을 유지함으로써 고강도 및 고강성이 필요한 용도에 다양하게 사용될 수 있으며, 금속보다 높은 비강도 및 비강성을 확보함으로써 우수한 경량화 효과를 함께 구현할 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 복합재의 낙구충격강도는 약 20 J/㎜ 내지 약 30 J/㎜일 수 있다. 상기 '낙구충격강도'는 임의의 물체가 순간적인 집중 외력에 견디는 저항력을 나타낸 것으로서, ASTM D3763에 따른 낙구충격 측정방법으로 측정할 수 있다. 상기 섬유 강화 복합재가 상기 범위의 낙구충격강도를 유지함으로써, 고강도 및 고강성이 필요한 용도에 다양하게 사용될 수 있으며, 우수한 내충격성을 확보할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 제조하는 단계; 상기 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유 및 열가소성 수지를 혼합하여 수지-섬유 혼합물을 제조하는 단계; 상기 수지-섬유 혼합물 및 연속섬유상의 유리섬유를 혼합하는 단계; 및 상기 수지-섬유 혼합물을 상기 연속섬유상의 유리섬유에 함침시킴으로써 유리섬유 총 함량이 약 60 중량% 초과, 약 80 중량% 이하인 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계;를 포함하는 섬유 강화 복합재 제조방법을 제공한다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법을 통하여, 상기 섬유 강화 복합재를 제조할 수 있고, 상기 섬유 강화 복합재에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
상기 섬유 강화 복합재는 전술한 바와 같이, 이 중 포함되는 유리섬유의 총 함량이 약 60 중량% 초과, 약 80 중량% 이하일 수 있고, 이와 같이 고함량의 유리섬유를 함유함으로써 우수한 고강도 및 고강성의 효과를 구현하면서도 표면 물성 등이 우수할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유는 비연속섬유를 포함할 수 있고, 상기 비연속섬유에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
도 2는 상기 비연속섬유 중 단섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 단섬유에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
도 2를 참조할 때, 상기 단섬유를 포함하는 펠릿(pellet) 상의 수지 함침 유리섬유를 제조하는 방법은, 우선적으로 연속섬유상의 유리섬유를 절단하여 절단된 유리섬유(chopped glass fiber), 즉 단섬유를 제조하는 단계를 포함한다. 이어서, 상기 단섬유를 수지와 함께 혼합 및 압출하여 소정의 길이로 절단함으로써, 단섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 제조할 수 있다.
도 3은 상기 비연속섬유 중 장섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 장섬유에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
도 3을 참조할 때, 상기 장섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유는 유리섬유 필라멘트 다발을 로빙(roving) 형태의 실타래로부터 투입하면서, 용융된 수지를 상기 유리섬유 필라멘트 다발에 함침시키고, 이어서 소정의 길이로 절단함으로써 제조될 수 있다.
이때, 상기 펠릿상의 수지 함침 유리섬유는 장섬유 및 단섬유를 모두 포함할 수 있고, 상기 장섬유 및 단섬유의 중량비 및 길이 등에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
상기 펠릿상의 수지 함침 유리섬유가 장섬유 또는 단섬유를 포함함으로써 이를 이용해 제조되는 섬유 강화 복합재 내의 섬유 함량을 효과적으로 향상시킬 수 있고, 상기 장섬유 또는 단섬유를 포함하는 펠릿상의 수지 함침 유리섬유가 전술한 방법으로 제조됨으로써 섬유 강화 복합재 제조에 있어서, 우수한 공정 효율 및 가공성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 펠릿상의 수지 함침 유리섬유를 제조하기 위해 사용되는 수지는 상기 섬유 강화 복합재를 제조하기 위해 사용되는 열가소성 수지와 동일한 종류일 수 있다. 상기 펠릿상의 수지 함침 유리섬유 및 상기 열가소성 수지가 서로 동일한 종류의 수지를 사용함으로써 상용성이 향상될 수 있고, 상기 섬유 강화 복합재의 강도 및 강성의 향상에 유리할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 상기 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유 및 열가소성 수지를 혼합하여 수지-섬유 혼합물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 수지-섬유 혼합물은 상기 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유 및 상기 열가소성 수지를 압출기에 투입하여 혼합하고, 용융시킴으로써 제조될 수 있다.
이때, 용융 온도는 상기 열가소성 수지 및 펠릿상의 수지 함침 유리섬유의 제조에 사용된 수지의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기 용융 온도는 상기 열가소성 수지 및 펠릿상의 수지 함침 유리섬유의 제조에 사용된 수지의 녹는점(Tm)보다는 높고, 유리섬유의 유리전이온도(Tg)보다는 낮은 온도로 설정될 수 있다. 상기 온도 범위에서 상기 수지-섬유 혼합물을 제조함으로써 유리섬유의 물성을 손상시키지 않으면서 수지를 효과적으로 용융시킬 수 있고, 우수한 가공성을 확보할 수 있다.
상기 수지-섬유 혼합물을 제조하는 단계에서, 상기 열가소성 수지는 상기 수지-섬유 혼합물 중 약 70 중량% 내지 약 90 중량% 투입될 수 있고, 상기 펠릿상의 수지 함침 유리섬유는 약 10 중량% 내지 약 30 중량% 투입될 수 있다. 상기 열가소성 수지 및 상기 펠릿상의 수지 함침 유리섬유가 각각 상기 범위의 함량으로 포함됨으로써 일정 수준 이상의 유동성 및 가공성을 확보하여 후속 단계에서 연속섬유상의 유리섬유와 혼합되기 용이할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 상기 수지-섬유 혼합물 및 연속섬유상의 유리섬유를 혼합하고, 상기 수지-섬유 혼합물을 상기 연속섬유상의 유리섬유에 함침시킴으로써 유리섬유의 총 함량이 약 60 중량% 초과, 약 80 중량% 이하인 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 수지-섬유 혼합물을 상기 연속섬유상의 유리섬유와 혼합하고, 함침시키는 단계는 거의 동시에 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 수지-섬유 혼합물 및 연속섬유상의 유리섬유를 혼합 및 함침하는 단계에서, 상기 연속섬유상의 유리섬유가 단일 배향성을 갖도록 수지 함침 금형에 투입되고, 이렇게 투입된 상기 연속섬유상의 유리섬유에, 압출기를 통하여 상기 수지-섬유 혼합물이 혼합되어 함침될 수 있다. 상기 연속섬유상의 유리섬유가 단일 배향성을 갖는다는 것의 의미는 전술한 바와 같다.
도 4는 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법을 개략적으로 도식화한 것이다.
구체적으로, 도 4를 참조할 때, 상기 연속섬유상의 유리섬유는 로빙(roving) 형태로 감겨있는 유리섬유의 실타래로부터 뽑아져 나와 수지 함침 금형에 투입될 수 있고, 고르게 분배된 상기 수지-섬유 혼합물이 상기 수지 함침 금형에 투입되어 상기 연속섬유상의 유리섬유에 함침되어, 유리섬유의 총 함량이 약 60 중량% 초과, 약 80 중량% 이하인 섬유 강화 복합재를 얻을 수 있다.
이때, 상기 연속섬유상의 유리섬유는 상기 섬유 강화 복합재 중 약 40 중량% 내지 약 70 중량%가 포함되도록 투입될 수 있다. 상기 연속섬유상의 유리섬유가 상기 범위의 함량을 만족하도록 투입됨으로써 상기 수지-섬유 혼합물의 충분한 함침이 이루어질 수 있고, 결과적으로 복합재 형태의 제조가 가능하며, 단일 배향성을 확보하기 유리할 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 복합재는 상기 수지-섬유 혼합물을 상기 연속섬유상의 유리섬유에 함침시킨 후에 프레스 공정을 거쳐 제조될 수 있고, 구체적으로, 카렌다(Calendar) 공정을 이용하여 프레스함으로써 연속섬유상의 유리섬유의 단일 배향성을 조절하고, 복합재의 균일한 두께를 확보하는 데 유리할 수 있고, 표면 물성이 우수한 섬유 강화 복합재를 얻을 수 있다.
결론적으로, 상기 섬유 강화 복합재 제조방법으로 제조된 섬유 강화 복합재는 비연속섬유 및 연속섬유의 유리섬유를 포함할 수 있고, 유리섬유의 총 함량이 약 60 중량% 초과, 약 80 중량% 이하의 범위를 만족할 수 있다.
구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재는 높은 유리섬유 함량을 바탕으로 가벼우면서도 우수한 강도 및 강성을 구현할 수 있으므로, 고강도 및 고강성을 요구하는 다양한 분야에 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1
0.5㎜ 길이의 단섬유에 폴리프로필렌(PP) 수지를 함침시킨 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유 및 5㎜ 길이의 장섬유에 동일한 폴리프로필렌(PP) 수지를 함침시킨 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 마련하였다. 이들은 각각 도 2 및 도 3과 관련하여 전술된 방법으로 제조되었다. 이어서, 압출기에 폴리프로필렌(PP) 수지 75 중량%, 상기 단섬유 및 상기 장섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 각각 5 중량% 및 20 중량% 투입하였고, 220℃의 온도에서 혼합 및 용융하여 수지-섬유 혼합물을 제조하였다. 이어서, 로빙(roving) 형태로 감겨있는 유리섬유로부터 뽑아져 나오는 연속섬유상의 유리섬유가 단일 배향성을 갖도록 수지 함침 금형에 투입되고, 상기 수지-섬유 혼합물이 고르게 분배되어 상기 수지 함침 금형에 투입됨으로써 상기 연속섬유상의 유리섬유에 혼합 및 함침되어 유리섬유의 총 함량이 70 중량%인 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1의 수지-섬유 혼합물이 압출기에 폴리프로필렌(PP) 수지 95 중량% 및 상기 단섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유 5 중량% 투입하여 제조된 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유리섬유의 총 함량이 65 중량%인 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1의 수지-섬유 혼합물이 압출기에 폴리프로필렌(PP) 수지 80 중량% 및 상기 장섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유 20 중량% 투입하여 제조된 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유리섬유의 총 함량이 65 중량%인 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1의 수지-섬유 혼합물이 단섬유 및 장섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 포함하지 않고, 폴리프로필렌(PP) 수지 100 중량%만을 포함하는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 단일 배향성을 갖는 연속섬유상의 유리섬유가 총 70 중량%인 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1의 수지-섬유 혼합물이 단섬유 및 장섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 포함하지 않고, 폴리프로필렌(PP) 수지 100 중량%만을 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 단일 배향성을 갖는 연속섬유상의 유리섬유가 총 60 중량%인 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1의 수지-섬유 혼합물이 단섬유 및 장섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 포함하지 않고, 폴리프로필렌(PP) 수지 100 중량%만을 포함하는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 단일 배향성을 갖는 연속섬유상의 유리섬유가 총 40 중량%인 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
<평가>
실험예 1: 굴곡강도 및 굴곡탄성률의 측정
상기 실시예 및 상기 비교예에서 제조된 섬유 강화 복합재를 각각 9장씩 제조하여 적층하되, 인접한 섬유 강화 복합재에 포함된 연속섬유상 유리섬유의 배향 방향이 서로 수직하도록 적층한 후 가압함으로써 섬유 강화 복합재 패널을 제조하였다. 즉, 상기 실시예 및 비교예의 섬유 강화 복합재를 각각 9장씩 제조한 후, 이들을 소위 0°/90°/0°의 구조로 적층하여 가압함으로써 섬유 강화 복합재 패널을 제조하였다. 이어서, 상기 실시예 및 비교예의 섬유 강화 복합재 패널에 대하여 굴곡 특성 측정 방법(ASTM D790 방법)에 따라, 상온 23℃에서 굴곡강도 및 굴곡탄성률을 측정하였다.
실험예 2: 낙구 충격 강도의 측정
상기 실험예 1에서와 같이, 상기 실시예 및 비교예의 섬유 강화 복합재 패널에 대하여 낙구 충격 강도 측정 방법(ASTM D3763 방법)에 따라, 상온 23℃에서 낙구 충격 강도를 측정하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
섬유 총함량(중량%) 70 65 65 제조
불가		 60 40
굴곡강도(MPa) 431 419 413 410 327
굴곡탄성률(GPa) 22.2 21.1 21.0 20.7 18.5
낙구충격강도(J/㎜) 21.9 20.5 19.3 19 17.5
상기 표 1의 결과를 참조할 때, 60 중량%를 초과하는 유리섬유를 함유하는 실시예 1 내지 3의 경우 굴곡강도, 굴곡탄성률 및 낙구충격강도가 60 중량% 이하의 유리섬유를 포함하는 비교예 2 내지 3에 비하여 높게 나타났음을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 내지 3의 섬유 강화 복합재는 연속섬유 및 비연속섬유 형태의 유리섬유를 모두 포함하는 것으로, 상기 비교예 1과 같이 연속섬유 형태의 유리섬유만을 포함하도록 제조하는 경우 유리섬유의 총 함량이 60 중량% 초과, 구체적으로 70 중량%인 복합재를 제조할 수 없는 것을 알 수 있다.
100: 섬유 강화 복합재
10: 연속섬유
20: 비연속섬유

Claims (14)

  1. 열가소성 수지; 및 60 중량% 초과, 80 중량% 이하의 유리섬유를 포함하고,
    상기 유리섬유는 연속섬유 및 비연속섬유를 포함하고,
    상기 연속섬유 : 상기 비연속섬유의 중량비가 4 : 1 내지 6 : 1이고,
    상기 열가소성 수지는 폴리올레핀계 수지인
    섬유 강화 복합재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비연속섬유는
    2㎜ 내지 5㎜ 길이의 장섬유, 또는 1㎜ 이하 길이의 단섬유를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유는 단일 배향성을 갖는
    섬유 강화 복합재.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유리섬유의 평균 직경은 15㎛ 내지 20㎛인
    섬유 강화 복합재.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    산화방지제, 열안정제, 분산제, 상용화제, 안료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    굴곡탄성률이 25 GPa 내지 35 GPa인
    섬유 강화 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    낙구충격강도가 20 J/㎜ 내지 30 J/㎜인
    섬유 강화 복합재.
  11. 2㎜ 내지 5㎜ 길이의 장섬유, 또는 1㎜ 이하 길이의 단섬유를 포함하는 펠릿(pellet)상의 수지 함침 유리섬유를 제조하는 단계;
    상기 펠릿상의 수지 함침 유리섬유 및 열가소성 수지를 혼합하여 수지-섬유 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 수지-섬유 혼합물 및 연속섬유상의 유리섬유를 혼합하는 단계; 및
    상기 수지-섬유 혼합물을 연속섬유상의 유리섬유에 함침시킴으로써 유리섬유 총 함량이 60 중량% 초과, 80 중량% 이하인 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 유리섬유는 연속섬유 및 비연속섬유를 포함하고, 상기 연속섬유 : 상기 비연속섬유의 중량비가 4 : 1 내지 6 : 1이고, 상기 열가소성 수지는 폴리올레핀계 수지인
    섬유 강화 복합재 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 수지-섬유 혼합물은 상기 펠릿상의 수치 함침 유리섬유 10 중량% 내지 30 중량% 및 상기 열가소성 수지 70 중량% 내지 90 중량%를 포함하는
    섬유 강화 복합재 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 수지-섬유 혼합물 및 연속섬유상의 유리섬유를 혼합하는 단계에서,
    상기 연속섬유상의 유리섬유는 단일 배향성을 갖도록 투입되는
    섬유 강화 복합재 제조방법.
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