KR101963243B1 - 섬유강화 복합재 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

열가소성 수지 섬유; 및 강화섬유를 포함하고, 상기 강화섬유 표면에 미세한 돌기를 가지는 섬유강화 복합재를 제공한다.
제1 용매에 열가소성 수지 섬유 및 강화섬유를 투입하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물에 제2 용매를 투입한 후, 시트를 형성하는 단계; 및 상기 제 2용매가 제거되도록 상기 시트를 건조 및 압축하여 섬유강화 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 혼합물 형성단계 또는 상기 시트 형성단계에서 자외선을 조사하거나 산처리하는 섬유강화 복합재 제조방법을 제공한다.

Description

섬유강화 복합재 및 그의 제조방법{FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIA AND THE METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
섬유강화 복합재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
자동차 및 건축자재와 같은 외부환경에 많이 노출되어 있는 산업분야의 경우에는 높은 수준의 인성을 가진 복합재를 많이 필요로 한다. 특히 외부 충격에 많이 노출되어 있는 백빔, 시트백, 언더커버와 같은 자동차 외장부품은 더욱 그러하다.
그러므로, 충격이 가해졌을 때 그 힘에 대하여 버티고 저항하는 정도가 복합재의 가장 중요한 요소이자 부품에 사용될 수 있는 필수 기준요소인바, 복합재의 인성에 영향을 끼치는 가장 중요한 두 요소가 바로 강도와 신율(늘어나는 정도)이다. 상기 두가지 변수는 서로 상반된 개념으로, 강도가 높아 딱딱하면 부러지기 쉬우므로 신율이 낮고, 상대적으로 무른 복합재는 신율은 높지만 그 강도가 높지 못하다. 따라서 강도와 신율이 모두 우수한 복합재를 만들기 위한 여러가지 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 일 구현예는 강화섬유 표면이 돌기를 가짐으로써, 우수한 굽힘강도와 굴곡탄성율을 구현하는 섬유 강화 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 생산성을 만족시키는 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 열가소성 수지 섬유; 및 강화섬유를 포함하고, 상기 강화섬유 표면에 미세한 돌기를 가지는 섬유강화 복합재를 제공한다.
상기 돌기의 장경은 약 0.1um 내지 약 1um이고, 돌기의 단경은 약 0.1um 내지 약 0.3um이고, 높이는 약 1um 이하일 수 있다.
상기 강화섬유 표면 100um2당 적어도 약 1개의 돌기가 존재할 수 있다.
상기 열가소성 수지 섬유 100중량부에 대해서, 강화섬유를 약 20중량부 내지 약 70중량부 포함할 수 있다.
상기 열가소성 수지 섬유는 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 하나 이상의 섬유일 수 있다.
상기 강화섬유는 유리섬유, 바잘트 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 유리섬유의 평균직경이 약 15um 내지 약 20um일 수 있다.
상기 돌기는 강화섬유가 표면 개질되어 결정화되거나, 성장하여 형성될 수 있다.
상기 열가소성 수지 섬유 100중량부에 대해서 첨가제를 약 1중량부 내지 약 10중량부 더 포함할 수 있다.
상기 섬유강화 복합재의 굽힘강도가 약 130MPa 내지 약 150MPa일 수 있다.
상기 섬유강화 복합재의 굴곡탄성율이 약 5.0GPa 내지 약 7.0GPa일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 제1 용매에 열가소성 수지 섬유 및 강화섬유를 투입하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물에 제2 용매를 투입한 후, 시트를 형성하는 단계; 및 상기 제2 용매가 제거되도록 상기 시트를 건조 및 압축하여 섬유강화 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 혼합물 형성단계 또는 상기 시트 형성단계에서 자외선을 조사하거나 산처리하는 섬유강화 복합재 제조방법을 제공한다.
상기 시트의 두께는 약 5mm 내지 약 30mm이고, 가로X세로는 약 250mmX200mm 이상일 수 있다.
상기 자외선 조사는 30분 내지 60분 동안, 약 600W 내지 약 1,000W의 조사량으로 수행될 수 있다.
상기 산처리는 약 20% 내지 약 50%의 농도로 희석된 염산, 불산, 질산, 아세트산, 및 인산 중에서 선택되는 1종 이상이 혼합물 또는 시트에 코팅되어 수행될 수 있다.
상기 섬유강화 복합재는 우수한 굽힘강도와 굴곡탄성율을 구현할 수 있다.
상기 섬유강화 복합재 제조방법을 사용함으로써 상기 섬유강화 복합재의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1(a)은 자외선 조사전의 유리섬유 표면을 도 1(b)는 자외선 조사후의 유리섬유 표면을 주사전자현미경으로 촬영하여 나타낸 것이다.
도 2는 산처리 후의 유리섬유 표면을 주사전자현미경으로 촬영하여 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
섬유 강화 복합재
본 발명의 일 구현예에서, 열가소성 수지 섬유; 및 강화섬유를 포함하고, 상기 강화섬유 표면에 미세한 돌기를 가지는 섬유강화 복합재를 제공한다.
종래의 열가소성 복합소재는 고강도 특성을 보이는 유리섬유나 카본섬유 등의 강화섬유와 매트릭스를 구성하는 열가소성 수지로 구성되어 있었고, 상기 열가소성 복합소재는 주로 강화섬유를 열가소성 수지에 혼합하여 압출공정 및 몰드 프레스 공정을 통해 성형하는 방식으로 제조되었다.
최근에는 강도 향상과 생산비용 감소를 위해, 강화 섬유 매트를 건식공정이나 습식 공정을 통해 우선적으로 제조하고,그 후 프레스 공정 등을 통해 수지를 매트에 함침시키는 방식으로 열가소성 복합소재가 제조되고 있다.
이렇게 제조된 열가소성 복합소재는 주로 높은 강도와 뛰어난 경랑성을 요구하는 건축 분야나 자동차 구조물,풍력 블레이드 등에 널리 사용되고 있다.
그러나, 강화섬유와 열가소성 수지가 결합되어 있는 소재에 일정 이상의 힘이 인가될 때,휘어지거나 깨지는 등의 변형 및 파괴기 일어나는데 이는 강화섬유의 절단이나 열가소성 수지의 손상이 주요 원인이 되기도 하지만,열가소성 수지에서 강화섬유들의 이탈현상도 주요한 원인이 될 수 있는바, 이를 해결하기 위해서 강화섬유와 열가소성 수지와의 강한 표면 결합력이 요구된다.
이에, 상기 섬유강화 복합재는 열가소성 수지 섬유; 및 강화섬유를 포함하고, 상기 강화섬유 표면에 미세한 돌기를 가지고 있는바, 상기 강화섬유 표면의 미세 돌기로 인해 열가소성 수지 섬유와의 결합력이 향상되어, 우수한 굽힘강도 및 굴곡탄성율을 구현할 수 있다.
상기 돌기의 장경은 약 0.1um 내지 약 1um이고, 돌기의 단경은 약 0.1um 내지 약 0.3um이고, 높이는 약 1um 이하일 수 있다. 상기 돌기는 입체적 형상으로 나타나는바, 상기 '장경'은 돌기의 평균길이를 의미하는바, 돌기 길이의 평균값을 일컫는다. 또한, 상기 '단경'은 돌기의 평균 폭을 의미하는바, 돌기 폭의 평균값을 일컫는다.
상기 '높이'는 돌기의 평균높이를 의미하는바, 돌기 높이의 평균값을 일컫는다. 상기 돌기의 장경, 단경, 및 높이는 예를 들어 투과형 전자현미경(TEM)에 의해 사진 촬영하고, 그 크기를 측정하여 구할 수 있다.
상기 돌기의 장경, 단경 및 높이가 상기 범위를 벗어나는 경우 강화섬유의 표면 개질에 오랜시간이 필요하고, 절단, 파괴 등과 같은 강화섬유의 손상으로 강화섬유 자체의 인장강도가 저하될 우려가 있다. 반면, 상기 범위를 유지함으로써 강화섬유의 손상으로 인한 기계적 물성저하가 최소화되어 강화섬유와 열가소성 수지 섬유와의 결합력이 향상도리 수 있다. 예를 들어, 자외선 조사에 의해 형성된 돌기의 장경은 약 0.1um 내지 약 0.3um, 산처리에 의해 형성된 돌기의 장경은 약 0.1um 내지 약 1um일 수 있다.
상기 강화섬유 표면 100um2당 적어도 약 1개의 돌기가 존재할 수 있다. 구체적으로, 상기 돌기의 수는 상기 강화섬유 표면 100um2당 약 1개 내지 약 40개, 약 2개 내지 약 30개일 수 있다. 상기 돌기의 수가 상기 강화섬유 표면 100um2당 1개보다 적으면 강화섬유 표면이 너무 평활하게 되어 표면 개질 효과가 불충분해지고, 약 40개를 넘으면 요철이 많아져 돌기수가 너무 많아져 수계 분산시 강화섬유의 분산성이 저하되어, 열가소성 수지에 대한 함침성이 저하될 수 있다.
그러므로, 상기 범위의 돌기의 수를 유지함으로써 표면 개질을 통한 강화 섬유 및 열가소성 수지 섬유와의 결합력 향상을 용이하게 구현할 수 있다.
상기 열가소성 수지 섬유 100중량부에 대해서, 상기 강화섬유를 약 20중량부 내지 약 70중량부 포함할 수 있다. 상기 강화섬유를 약 20중량부 미만으로 포함하는 경우 기계적 강도가 저하될 염려가 있고, 약 70중량부를 초과하는 경우 성형성과 유연성이 저하될 우려가 있다. 그러므로, 상기 강화섬유를 상기 범위 내로 포함함으로써 높은 강도와 우수한 성형성을 가지는 복합재를 구현할 수 있다.
상기 열가소성 수지 섬유는 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 하나 이상의 섬유일 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌 수지이고, 상기 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단일중합체 또는 에틸렌-프로필렌 중합체일 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리프로필렌 수지의 길이는 약 3mm 내지 약 6mm일 수 있다.
상기 강화섬유는 유리섬유, 바잘트 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, 폴리올레핀용 표면처리가 되어있는 유리섬유를 사용할 수 있다. 상기 유리섬유의 평균직경 및 길이는 제한되지 않는다.
상기 유리섬유의 평균직경이 약 15um 내지 약 20um, 예를 들어 약 16um 내지 약 19um 일 수 있다. 상기 유리섬유의 평균직경이 상기 범위를 유지함으로써 상기 섬유 강화 복합재 형성시 양산에 유리하고, 제조시 경제성을 극대화 할 수 있다.
예를 들어, 상기 열가소성 수지 섬유의 길이는 약 3mm 내지 약 6mm일 수 있고, 상기 강화섬유의 길이는 약 3mm 내지 약 24mm일 수 있다.
상기 돌기는 강화섬유가 표면 개질되어 결정화되거나, 성장하여 형성될 수 있다. 후술한 섬유강화 복합재 제조방법에서와 같이 열가소성 수지 섬유 및 강화섬유의 혼합물을 형성하는 과정에서 자외선 조사하거나 산처리하여 강화섬유 표면을 개질할 수 있고, 섬유 표면이 결정화 되거나 성장함으로써 강화섬유 표면이 미세한 돌기를 가질 수 있다.
이와 같이 형성된 미세 돌기로 인하여 상기 강화섬유의 표면 거칠기가 향상되고, 향상된 표면 거칠기에 의하여 상기 열가소성 수지 섬유와의 결합력이 증가함으로써, 섬유강화 복합재의 기계적 물성이 향상될 수 있다.
이는 강화섬유 및 열가소성 수지 섬유의 작용기를 개질하여 성질을 변형하는 것과 상이한 것으로, 갈라짐이나 부서짐의 현상 없이 우수한 굽힘강도 및 굴곡 탄성율을 확보할 수 있다.
상기 열가소성 수지 섬유 100중량부에 대해서 첨가제를 약 1중량부 내지 약 10중량부 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 산화방지제, 열안정제, 분산제, 상용화제, 증점제, 소포제, 안료 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
구체적으로, 상기 첨가제 중 열안정제 및 상용화제를 사용할 수 있고, 상기 상용화제는 열가소성 수지 섬유와 강화섬유의 상용성을 높여줄 수 있다. 상기 열안정제는 상기 열가소성 수지 섬유 100중량부 대비 약 1중량부 내지 약 3중량부, 상기 상용화제는 약 1중량부 내지 약 7중량부를 사용할 수 있다. 상기 상용화제가 상기 범위를 벗어나서 포함되는 경우 섬유 강화 복합재의 물성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 증점제와 소포제 사용을 통해 상기 강화섬유의 분산성을 향상시킬 수 있다. 상기 증점제는 상기 열가소성 수지 섬유 100중량부 대비 약 1중량부 내지 약 5중량부, 상기 소포제는 약 1중량부 내지 3중량부를 사용할 수 있고, 상기 증점제 및 소포제가 상기 범위를 벗어나는 경우 상기 강화섬유의 분산성이 저하되거나, 공정 중 후술한 혼합물의 이송을 원활하게 하지 못할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 굽힘강도가 약 130MPa 내지 약 150MPa일 수 있다. ?좨馨??는 굽힘시험에서 파괴시의 최대 인장응력을 나타낸 것으로, 상기 섬유 강화 복합재는 굽힘시험에 견디는 정도가 아주 우수함을 알 수 있다.
종래 복합재의 굽힘강도는 약 120MPa 내지 약 140MPa이었으나, 상기 강화섬유 표면의 미세한 돌기에 의해 향상된 굴곡강도를 얻을 수 있는바, 구체적으로 상기 돌기에 의해 상기 열가소성 수지 섬유와의 결합력이 극대화 되었기 때문이다.
상기 섬유 강화 복합재 굴곡탄성율이 약 5.0GPa 내지 약 7.0GPa일 수 있다. '굴곡 탄성율'은 외부로부터 힘을 받아 구부러진 물체가 그 힘이 없어지면 다시 본래의 모양으로 되돌아가려는 정도를 비율로 나타낸 것으로, 상기 섬유 강화 복합재는 반응형 고무를 포함함으로써 외부 충격에도 다시 본래의 형상으로 돌아오고자 하는 굴곡 탄성율이 향상되었다.
종래 복합재의 굴곡탄성율은 약 5.5GPa 내지 약 6.5GPa이었으나, 상기 강화섬유 표면의 미세한 돌기에 의해 향상된 굴곡탄성율을 얻을 수 있는바, 형상된 굴곡탄성율로 인해 상기 섬유강화 복합재는 자동차 부품소재, 건축재, 전자기기 외장재 등에 유용하게 사용될 수 있다.
섬유 강화 복합재 제조방법
본 발명의 다른 구현예에서, 제1 용매에 열가소성 수지 섬유 및 강화섬유를 투입하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물에 제2 용매를 투입한 후, 시트를 형성하는 단계; 및 상기 제2 용매가 제거되도록 상기 시트를 건조 및 압축하여 섬유강화 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 혼합물 형성단계 또는 상기 시트 형성단계에서 자외선을 조사하거나 산처리하는 섬유강화 복합재 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 열가소성 복합소재들은 유리섬유와 같은 친수성의 강화섬유와 폴리프로필렌과 같은 소수성의 열가소성 수지로 구성되어 있는데,상이한 작용기로 인해 양자 표면의 화학적 결합력은 상대적으로 떨어지는 문제점이 있었는바, 상기 문제점을 해결하기 위해 상기 강화섬유 표면의 작용기를 개질하여 강화섬유와 열가소성 수지 간의 화학적인 표면 결합력을 높이는 제조공정을 개발하였다.
그러나, 상기 강화섬유 표면의 작용기를 개질하는 경우 굴곡강도가 약 30%이상 향상되는 효과가 있지만, 강화섬유와 열가소성 수지로 구성된 시트나 매트를 우선적으로 제조한 후, 이를 성형하는 연속 공정에는 적용하기 힘든 점이 있었고, 구체적으로 상기 강화섬유가 소수성을 가지도록 표면 작용기를 개질한 경우 수계 분산성이 저하되기 때문에 습식 연속 공정을 이용한 복합소재 제조공정에서는 이를 적용하기에 어려움이 있었다.
이에, 상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 표면 작용기를 개질하지 않고, 물리적으로 강화섬유 표면의 거칠기를 향상시킴으로써 섬유가 열가소성 수지 강화섬유에서 이탈되지 않게 하는 방법을 제공하는바, 상기 혼합물 형성단계 또는 상기 시트 형성단계에서 자외선을 조사하거나 산처리하여 상기 강화섬유 표면을 개질함으로써, 상기 열가소성 수지 섬유와 강화섬유의 표면결합력을 높일 수 있다.
상기 섬유강화 복합재 제조방법은 연속 공정 중에도 적용할 수 있는 장점이 있으며, 자외선 조사와 산처리를 통해 상기 강화섬유 표면을 결정화 하거나 성장시킬 수 있다.
믹서 등을 사용한 상기 혼합물 형성 단계에서 자외선을 조사하는 경우, 강화섬유에 자외선이 조사됨으로써, 별도의 장치없이 자외선이 강화섬유 표면에 고르게 조사될 수 있다. 예를 들어, 배합용기는 자외선 투과가 가능한 소재여야 하고, 배합된 혼합물을 통과하여 강화섬유 표면에 충분히 조사될 수 있는 세기의 자외선을 조사하여야 한다.
한편, 시트 형성 단계에서 자외선을 조사함으로써 상기 강화섬유의 거칠기를 향상시킬 수 있다. 이 경우 자외선의 조사범위가 제한적 일 수 있기 때문에 다양한 방향에서 자외선을 조사함으로써 시트에 고르게 자외선이 조사될 수 있도록 해야 한다.
또한, 상기 시트는 고온의 오븐에서 건조되고, 이때 상기 건조와 동시에 자외선을 조사할 수 될 수 있다. 이 경우 제 2용매가 제거된 상태이므로 상기 시트를 다루기 용이한바, 시트의 위치나 방향 조절을 통해 고르게 자외선을 조사함으로써, 강화섬유 표면의 거칠기를 향상시킬 수 있고, 물리적인 표면결합력이 향상된 섬유강화 복합재를 제조할 수 있다.
자외선 조사 외에 강화섬유 표면의 거칠기 향상을 위해 강화섬유를 산처리 할 수 있다. 예를 들어, 염산, 질산,불산 등의 강산에 유리섬유를 함침시킬 경우,상기 유리섬유에 포함된 이온들이 용출되어 나오면서 강화섬유 표면의 거칠기가 증가한다. 구체적으로, 상기 열가소성 수지 섬유는 산에 강한 특성을 가지고 있기 때문에 상기 열가소성 수지 섬유와 상기 강화섬유의 혼합물에 적용가능하다.
한편, 제1 용매를 포함하는 혼합물에 강산이 투입될 경우, 산이 희석되어 산도가 저하될 수 있기 때문에 제2 용매가 일정량 제거된 시트 상태에서 산처리 하는 것이 유리할 수 있다.
상기 제1 용매는 물, 에탄올 등일 수 있고, 예를 들어 상기 제1 용매 1L당 열가소성 수지 섬유 및 강화섬유를 투입하여 혼합물을 형성할 수 있고, 상기 혼합물 형성과 동시에 자외선을 조사할 수 있다.
상기 제2 용매는 카르복시메틸셀룰로스, 에틸셀룰로스, 폴리아마이드, 스테아릭산, 팔미트산, 폴리에틸렌산 등 일 수 있고, 상기 제2 용매가 포함된 시트를 형성할 수 있다. 그 후, 100°C 내지 120°C의 건조 오븐에 상기 시트를 통과시켜 상기 제2 용매가 완전히 제거할 수 있고, 1톤 내지 10톤의 압력으로 프레스하여 매트 형태의 섬유 강화 복합재를 제조할 수 있다.
상기 섬유강화 복합재는 내부의 기공이 없도록 형성되는바 기공율이 약 2%이하일 수 있고, 약 1.15g/cm3 내지 약 1.2g/cm3의 밀도를 가질 수 있다.
상기 시트의 두께는 약 5mm 내지 약 30mm이고, 가로X세로는 약 250mmX200mm 이상일 수 있다. 상기 시트의 두께가 상기 범위를 벗어나는 경우 상기 시트의 분산성이 저하될 염려가 있는 반면, 상기 범위를 유지하는 경우 분산성이 우수한 시트를 제조할 수 있고, 상기 시트를 이용하여 복합재를 제조하는 경우 높은 함침성과 강도를 보일 수 있다는 점에서 유리하다.
상기 시트의 가로X세로가 250mmX200mm 이상이 됨으로써 별도의 접착과정 없이 자동차 내장재용이나 건축 외장재용으로 사용가능하다.
상기 자외선 조사는 약 30분 내지 약 60분 동안, 약 600W 내지 약 1,000W의 조사량으로 수행될 수 있다. 자외선 조사량에 따라 자외선 조사시간은 달라질 수 있으나, 상기 시간 및 조사량으로 자외선 조사하는 것이 강화섬유에 손상없이 돌기를 형성할 수 있다는 점에서 유리하다.
상기 강화섬유에 자외선을 조사함으로써,강화섬유 표면의 거칠기를 향상 시킬 수 있는데,조사된 자외선에 의해 상기 강화섬유 표면의 결정화나 입자 성장이 성장하게 되고,이로 인해 고른 표면형상을 가지고 있던 강화섬유 표면에 미세한 돌기가 형성되게 되는바, 강화섬유가 갈라지거나, 부서지는 기계적 물성의 저하없이 상기 복합재의 강도를 향상시킬 수 있다.
도 1(a)은 자외선 조사전의 유리섬유 표면을 도 1(b)는 자외선 조사후의 유리섬유 표면을 주사전자현미경으로 촬영하여 나타낸 것으로, 도 1을 참고하면, 상기 도 1(b)는 실제로 유리섬유에 600W의 UV를 30분간 조사한 경우 유리섬유의 표면 형상의 변화를 나타낸 것이다.
도 1(a)의 유리섬유 표면은 돌기를 가지고 있지 않으나, 상기 도1(b)를 통해 미세돌기를 관찰할 수 있고, 상기 미세돌기로 인해 상기 섬유 강화 복합재가 우수한 굴곡강도 및 굴곡 탄성율을 구현할 수 있다.
상기 산처리는 약 20% 내지 약 50%의 농도로 희석된 염산, 불산, 질산, 아세트산, 및 인산 중에서 선택되는 1종 이상이 혼합물 또는 시트에 코팅되어 수행될 수 있다. 상기 산처리시 염산, 불산, 질산, 아세트산, 및 인산 중에서 선택되는 1종 이상의 산을 사용할 수 있는바, 상기 산의 농도는 연속 공정시 후처리 공정에 적용할 수 있다는 점에서 약 20% 내지 약 50%의 농도로 희석된 것을 사용하는 것이 유리하다.
상기 코팅은 스프레이 코팅공정, 딥 코팅 공정, 화학기상 증착공정 등에 의해 수행될 수 있고, 스프레이 코팅공정에 의해 수행하는 경우 별도의 세척과정 없이 건조공정을 통해 제2 용매 및 그 외 수분기를 제거 할 수 있다.
도 2는 산처리 후의 유리섬유 표면을 주사전자현미경으로 촬영하여 나타낸 것이다. 도 2를 참고하면, 상기 유리섬유 표면이 복수의 미세돌기를 가짐을 알 수 있고, 상기 미세돌기로 인해 상기 섬유 강화 복합재가 우수한 굴곡강도 및 굴곡 탄성율을 구현할 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 비교예 >
실시예1
1L에 길이가 3mm 내지 5mm인 폴리프로필렌 섬유 60중량부와, 길이가 약 3mm 내지 약 24mm인 유리섬유를 40중량부를 투입하여 혼합물을 형성하였고, 이와 동시에 자외선을 조사하였다. 이때 배합 용기로는 원통형 투명 아크릴을 사용하였고,600W의 자외선 램프를 상기 배합 용기의 위쪽, 왼쪽,및 오른쪽 방향으로 40분 조사하였다.
그 후, 상기 혼합물과 카르복시메틸 셀룰로오스 및 스테아릭산이 포함된 시트를 제조하였고, 이때, 시트의 두께는 10mm이고, 가로X세로는 250X 200mm이다.
상기 시트가 포함하는 용매 (제2 용매종류)가 완전히 제거되도록 약 100°C 내지 약 120°C의 건조 오븐에 상기 시트를 통과시킨 후,약 1톤 내지 약10톤의 압력으로 프레스하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예2
자외선 조사를 하는 것을 대체하여 30%의 농도로 물에 희석된 염산 및 불산이 상기 시트를 스프레이 코팅기로 코팅한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유강화 복합재를 제조하였다.
비교예1
자외선 조사를 하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유강화 복합재를 제조하였다.
비교예2
산처리 하는 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 섬유강화 복합재를 제조하였다.
< 실험예 > - 섬유강화 복합재의 물리적 특성
상기 실시예 및 비교예의 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율을 만능물성실험기 (UTM)을 이용하여 ASTM D790에 따라 측정하였다. 구체적으로, 상기 실시예 및 비교예의 시편 크기는 12.7mm X 150mm, 시험 속도는 5mm/min이고, SPAN 길이는 60mm이다. 상기 시편을 상온의 50% 습도에서 24시간 방치한 후 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율을 측정하였다.
유리섬유 표면돌기 존재여부 굴곡강도(MPa) 굴곡탄성율(GPa)
실시예1 있음(자외선 조사) 141 5.9
실시예2 있음(산처리) 138 5.5
비교예1 없음(자외선 조사X) 126 4.2
비교예2 없음(산처리X) 126 4.2
표 1을 참고하면, 유리섬유 표면에 돌기가 있는 실시예 1, 2가 유리섬유 표면에 돌기가 없는 비교예 1, 2에 비해 굴곡강도 및 굴곡탄성율 값이 높음을 확인하였다.
구체적으로, 실시예 1, 2는 자외선 조사나 산처리를 통해 유리섬유 표면에 돌기가 형성되면서 거칠기가 향상되고, 향상된 거칠기로 인해 폴리프로필렌 섬유와 결합이 단단해져, 우수한 굴곡강도 및 굴곡탄성율 값을 구현함을 알 수 있었다.

Claims (15)

  1. 열가소성 수지 섬유; 및 강화섬유를 포함하고,
    상기 강화섬유 표면에 미세한 돌기를 가지고,
    상기 열가소성 수지 섬유 100중량부에 대해서, 상기 강화섬유를 200/3중량부 내지 70중량부 포함하고,
    상기 강화섬유는 유리섬유이고,
    상기 돌기는 강화섬유가 자외선 또는 산에 의해 표면 개질되어 결정화되거나, 성장하여 형성되고,
    상기 자외선 30분 내지 60분 동안, 600W 내지 1,000W의 조사량으로 조사되고,
    상기 산은 20% 내지 50%의 농도로 희석된 염산 및 불산 중에서 선택되는 1종 이상이고,
    굽힘강도가 130MPa 내지 150MPa이고,
    굴곡탄성율이 5.0GPa 내지 7.0GPa인
    섬유강화 복합재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 돌기의 장경은 0.1um 내지 1um이고, 돌기의 단경은 0.1um 내지 0.3um이고, 높이는 1um 이하인
    섬유강화 복합재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 강화섬유 표면 100um2당 적어도 1개의 돌기가 존재하는
    섬유강화 복합재.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 섬유는 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 하나 이상의 섬유인
    섬유강화 복합재.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유리섬유의 평균직경이 15um 내지 20um인
    섬유강화 복합재.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 섬유 100중량부에 대해서 첨가제를 1중량부 내지 10중량부 더 포함하는
    섬유강화 복합재.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1 용매에 열가소성 수지 섬유 및 강화섬유를 투입하여 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물에 제2 용매를 투입한 후, 시트를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 용매가 제거되도록 상기 시트를 건조 및 압축하여 섬유강화 복합재를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 혼합물 형성단계 또는 상기 시트 형성단계에서 자외선을 조사하거나 산처리하고,
    상기 열가소성 수지 섬유 100중량부에 대해서, 상기 강화섬유를 200/3중량부 내지 70중량부 포함하고,
    상기 강화섬유는 유리섬유이고,
    상기 자외선 조사는 30분 내지 60분 동안, 600W 내지 1,000W의 조사량으로 수행되고,
    상기 산처리는 20% 내지 50%의 농도로 희석된 염산 및 불산 중에서 선택되는 1종 이상이 혼합물 또는 시트에 코팅되어 수행되는
    섬유강화 복합재 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 시트의 두께는 5mm 내지 30mm이고, 가로X세로는 250mmX200mm 이상인
    섬유강화 복합재 제조방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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