KR102044261B1 - 랜덤매트 및 섬유 강화 복합재료 성형체 - Google Patents

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Abstract

등방성이고, 기계 강도가 뛰어나며, 또한 강도 발현율이 높은 섬유 강화 복합재료 성형체와 그 중간 재료로서 사용될 수 있는 랜덤매트를 제공한다.
평균 섬유길이 3∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하며, 상기 강화섬유는, 하기 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)을 포함하고, 상기 강화섬유 다발(A)의 평균 두께가 100㎛ 이하이며, 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)가 하기 식(I)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 랜덤매트.
임계 단사 수=600/D (1)
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
0.65×104/L<n (I)
(L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)

Description

랜덤매트 및 섬유 강화 복합재료 성형체{RANDOM MAT AND MOLDING OF FIBER-REINFORCED COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은, 섬유 강화 복합재료 성형체의 중간 재료로서 사용될 수 있는 랜덤매트와, 그로부터 얻을 수 있는 강화섬유 복합재료에 관한 것이다. 본 발명은, 면내 방향에서 특정 방향으로 배향되어 있지 않아 등방성이며, 기계 강도가 뛰어나고, 그 중에서도 박육이어도 강화 기능의 발현성이 뛰어난 섬유 강화 복합재료 성형체, 특히 탄소섬유 강화 복합재료 성형체를 제공하려고 하는 것이다.
탄소섬유나 아라미드섬유, 유리섬유 등을 강화섬유로서 사용한 섬유 강화 복합재료(이하, 복합재료로 약기(略記)하는 경우가 있다)의 프리 폼으로서, 등방성인 랜덤매트가, 부형성(賦型性)이나 공정의 간편성에서 사용되고 있다. 이 랜덤매트는, 커트한 강화섬유 단체(單體), 또는 열경화성 수지를 성형 형(型)에 동시에 분사하는 스프레이 업 방식(건식)이나, 바인더를 함유시킨 슬러리에 미리 커트한 강화섬유를 첨가하여, 초지(抄紙)하는 방법(습식) 등에 의해 얻을 수 있다.
복합재료의 기계 물성을 향상시키는 수단으로서는, 강화섬유 체적함유율(Vf)을 높게 하는 것이 알려져 있지만, 커트 섬유를 사용한 랜덤매트의 경우, 3차원 방향의 섬유가 존재하는, 섬유의 교락(交絡)이 많은 등의 이유에 의해, 강화섬유 체적함유율을 높게 하는 것이 곤란하였다. 또한 랜덤매트를 사용한 경우는 연속 섬유를 사용한 경우와 비교해서 섬유가 불연속이기 때문에, 강화섬유의 강도를 충분히 발현시키는 것이 곤란하고, 성형체로 한 후의 강화섬유의 강도 발현율로서, 이론값에 대해 50% 이하가 되어 버린다는 문제가 있었다. 비특허문헌 1에는, 열경화성 수지를 매트릭스로 한 탄소섬유의 랜덤매트로부터 얻을 수 있는 복합재료를 들고 있다. 이러한 복합재료의 강도 발현율은 이론값에 대해 44% 정도이다.
또한, 종래의 열경화성 수지를 매트릭스로 한 복합재료에서는, 미리, 강화섬유 기재(基材)에 열경화성 수지를 함침시킨 프리프레그로 불리는 중간 소재를, 오토클레이브를 사용하여 2시간 이상 가열·가압함으로써 얻고 있었다. 최근, 수지를 함침시키고 있지 않은 강화섬유 기재를 금형 내에 세트한 후, 열경화성 수지를 흘려 넣는 RTM 성형 방법이 제안되어, 성형 시간은 대폭으로 단축되었지만, RTM 성형 방법을 이용한 경우에도, 1개의 부품을 성형하기까지에 10분 이상 필요하게 된다.
그 때문에, 종래의 열경화성 수지 대신에, 열가소성 수지를 매트릭스로 사용한 복합재료가 주목되고 있다.
열가소성 수지를 매트릭스로 한, 열가소(熱可塑) 스탬핑 성형(TP-SMC)(특허문헌 1)에서는, 미리 열가소성 수지를 함침시킨 촙드 파이버를 융점 이상으로 가열하고, 이것을 금형 내의 일부에 투입한 후, 곧바로 형을 닫아, 형 내에서 섬유와 수지를 유동시킴으로써 제품 형상을 얻고, 냉각·성형한다는 성형 방법이다. 이 수법에서는, 미리 수지를 함침시킨 섬유를 사용함으로써, 약 1분 정도라는 짧은 시간에 성형이 가능하다. 이들은 SMC나 스탬퍼블 시트로 불리는 바와 같은 성형 재료로 하는 방법으로서, 이러한 열가소 스탬핑 성형에서는, 형 내를 섬유와 수지를 유동시키기 때문에, 박육(薄肉)인 것을 만들 수 없는, 섬유 배향(配向)이 흐트러지고, 제어가 곤란하다는 등의 문제가 있었다.
또한 특허문헌 2에서는, 강화섬유 다발의 형상을 평행사변형으로 함으로써, 촙드 섬유 다발이 담당하는 하중을, 섬유 배향 방향으로 가장 떨어진 부위를 향해, 강화섬유의 단부(端部)로부터 조금씩 주위로 개방할 수 있어, 응력 집중이 발생하기 어렵고, 기계 강도가 뛰어난 섬유 강화 열가소성 수지 성형체가, 특허문헌 3에서는, 강화섬유 다발의 수속(收束) 섬유 축에 수직인 단면(斷面)의 종횡비를 종(縱) 1에 대해 횡(橫) 4 이상으로 함으로써 강화섬유 다발과 매트릭스 수지의 계면의 젖음성(濡性)이나 접착성을 높이고, 기계 강도 및 성형 유동성이 뛰어난 스탬퍼블 시트가 각각 제안되어 있다.
특허문헌 1: 일본국 특허 제4161409호 공보 특허문헌 2: 일본국 특개 2009-114611호 공보 특허문헌 3: 일본국 특개 평6-320538호 공보
비특허문헌 1: Composites Part A 38 (2007) P.755∼770
그러나, 상기의 종래 기술에서는, 등방성이고, 인장강도가 뛰어나며, 또한 강도 발현율이 높은 섬유 강화 복합재료에 대해서는 검토되어 있지 않다.
본 발명의 과제는, 등방성이고, 기계 강도가 뛰어나며, 또한 강도 발현율이 높은 섬유 강화 복합재료 성형체와 그 중간 재료로서 사용될 수 있는 랜덤매트를 제공하는 것에 있다. 그 중에서도, 그 랜덤매트로부터 얻을 수 있는 섬유 강화 복합재료 성형체로서, 함유하는 강화섬유매트의 두께 불균일이 작고, 박육이어도 강화 기능의 발현성이 뛰어난 섬유 강화 복합재료 성형체를 제공하려고 하는 것이다.
본 발명자들은, 열가소성 수지와 특정 개섬(開纖) 상태를 충족시키는 강화섬유를 포함하는 랜덤매트로부터, 기계 강도 및 그 등방성이 뛰어난 섬유 강화 복합재료 성형체를 제공할 수 있는 것을 찾아내어, 본 발명을 완성시켰다. 보다 상세하게는, 가느다란 강화섬유 다발을 다수 개 함유시킴으로써, 가느다란 강화섬유 다발의 개수가 적은 경우에 비해, 강화섬유(다발)를 보다 치밀하게 함유하여, 눈 간격(目隙)이 작고, 균질한 랜덤매트로 할 수 있으며, 그 랜덤매트에 의해, 결함에 따른 물성 저하가 없고, 기계 강도가 균일하며, 인장강도가 뛰어나고, 또한 강도 발현율이 높은 섬유 강화 복합재료 성형체를 제공할 수 있는 것을 찾아냈다. 또한, 본 발명자들은, 그 랜덤매트나 섬유 강화 복합재료 성형체에서, 함유되어 있는 강화섬유의 길이와, 그 강화섬유 중 특정 강화섬유 다발인 것의 수(그 강화섬유의 단위중량당의 수)가 특정 관계에 있으면, 섬유 강화 복합재료 성형체가 상기의 바람직한 특성을 갖는 것도 찾아냈다.
즉, 본 발명은 평균 섬유길이 3㎜∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하며, 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 두께가 100㎛ 이하이고, 강화섬유 단위중량(g)당의 강화섬유 다발(A)의 수(n)가 하기 식(I)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 랜덤매트 및, 그것을 성형하여 얻을 수 있는 섬유 강화 복합재료 성형체이다.
임계 단사 수=600/D (1)
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
0.65×104/L<n (I)
(L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)
본 발명에 의해, 높은 기계 강도를 발현하고, 그 등방성이 뛰어나며, 또한 강도 발현율이 높은 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻을 수 있다. 또한 본 발명으로 얻을 수 있는 섬유 강화 복합재료 성형체는, 박육화도 가능하므로, 각종 구성부재, 예를 들면 자동차의 내판(內板), 외판(外板), 구성부재, 또한 각종 전기제품, 기계의 프레임이나 케이스 등에 사용할 수 있다.
[도 1] 로터리 커터를 사용한 커트 공정의 일 예의 모식도이다.
[도 2] 바람직한 로터리 분섬(分纖) 커터의 일 예에 대해, 정면과 단면(斷面)의 개략을 나타내는 모식도이다.
[도 3] 바람직한 로터리 분섬 커터의 일 예에 대해, 나이프 각도를 나타내는 모식도이다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해 순차적으로 설명한다. 본 발명에서, 중량이라는 용어는 질량을 의미한다.
[랜덤매트]
본 발명의 랜덤매트는, 평균 섬유길이 3∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하며, 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께가 100㎛ 이하이고, 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)가 하기 식(I)을 충족시킨다.
임계 단사 수=600/D (1)
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
0.65×104/L<n (I)
(L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)
본 발명의 랜덤매트는, 상기 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 것이지만, 상기 강화섬유로 구성되는 강화섬유매트와 열가소성 수지를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 말하는 강화섬유매트는, 매트릭스로서의 열가소성 수지를 포함하지 않고 불연속인 강화섬유로 구성되는 면상체(面狀體)(매트상 물품)이다. 본 발명에 따른 강화섬유매트는, 강화섬유가 사이징제나, 매트로 할 때에 소량의 바인더를 포함한 것이어도 되고, 또한, 면내(面內)에서 강화섬유가 랜덤한 방향으로 배향(配向)되어 있어, 실질적으로 면내의 종횡 방향의 물성이 거의 같은 매트이면 바람직하다.
강화섬유의 종류로서는 특별히 제한은 없으며, 단일이어도, 2종류 이상의 혼합이어도 상관없다.
본 발명의 랜덤매트는, 강화섬유의 다발(강화섬유 다발)을 포함하지만, 강화섬유 다발과 강화섬유의 단사가 혼합된 강화섬유매트가 열가소성 수지를 포함한 형태를 가지고 있어도 된다. 본 발명의 랜덤매트는, 강화섬유 다발의 두께가 얇고, 또한 강화섬유의 단위중량(g)당에 가느다란 다발이 많이 존재함으로써 랜덤매트를 구성하고 있는 강화섬유매트의 두께 불균일을 작게 할 수 있기 때문에, 성형함으로써 박육(薄肉)이어도 기계 물성이 뛰어난 섬유 강화 복합재료를 얻는 것이 가능하다. 상기 강화섬유 다발이나, 강화섬유의 단사는, 후술하는 바와 같이, 강화섬유 스트랜드를 개섬(開纖)이나 커트함으로써 해당 형태로 된 것이면 바람직하다. 여기서, 강화섬유 스트랜드란, 강화섬유 필라멘트(단사)가, 예를 들면 단사 수 1000개 정도 이상으로 집합되어 있는 긴 강화섬유의 다발이다.
랜덤매트의 면내에서, 강화섬유는 특정 방향으로 배향되어 있지 않고, 무작위 방향으로 분산해서 배치되어 있다. 본 발명의 랜덤매트는 면내 등방성(等方性) 재료이다. 랜덤매트를 가공하여 성형체를 얻은 경우에, 랜덤매트 중의 강화섬유의 등방성은, 성형체에서도 유지되고 있다. 랜덤매트로부터 성형체를 얻어, 서로 직교하는 두 방향의 인장탄성률의 비를 구함으로써, 랜덤매트 및 그것으로부터의 성형체의 등방성을 정량적으로 평가할 수 있다. 랜덤매트로부터 얻어진 성형체에서의 2방향의 탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비가 2를 초과하지 않을 때에 등방성인 것으로 한다. 비가 1.3을 초과하지 않을 때는 등방성이 뛰어난 것으로 한다.
본 발명의 랜덤매트는, 상기한 바와 같이, 평균 섬유길이 3∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는데, 그 강화섬유가 매트상 물품, 즉 강화섬유매트가 되어, 열가소성 수지를 포함하고 있는 것이면 바람직하다. 본 발명의 랜덤매트에서, 강화섬유매트가 열가소성 수지를 포함하는 형태로서는, 강화섬유매트에, 분상(粉狀), 섬유상, 또는 괴상(塊狀) 등의 열가소성 수지가 포함되는 것이어도 되고, 강화섬유매트를 열가소성 수지가 매트릭스로서 보유하고 있는 것이어도 되며, 또한, 강화섬유매트에 시트상이나 필름상 등의 열가소성 수지가 탑재 또는 적층된 것이어도 된다. 랜덤매트 중의 열가소성 수지는 용융 상태이어도 된다. 또한, 본 발명의 랜덤매트를 구성하는 강화섬유매트에 대해, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께나, 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n) 등을 구하면, 그들 값을 그 랜덤매트의 것으로 볼 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
랜덤매트는, 프리 폼으로서 그대로 최종 형태의 섬유 강화 재료 성형체(이하, 단순히 성형체라고 칭하는 경우가 있다)를 얻는 데에 사용되어도 되고, 가열 등에 의해 열가소성 수지를 함침시켜 프리프레그로 되고 나서 최종 형태의 성형체를 얻는 데에 사용되어도 된다. 본 발명의 랜덤매트는, 열가소성 수지가 함침된, 상기 프리프레그도 포함한다.
여기서 말하는 최종 형태의 성형체는, 랜덤매트나 그 성형판을 가압·가열해서 얻어진 것에 대해, 가일층의 가열이나 가압에 의해(가일층의 성형에 의해), 매트릭스인 열가소성 수지를 용해시켜, 다른 형상이나 두께로 하지 않은 형태의 성형체인 것을 말한다.
따라서, 랜덤매트 등을 가압·가열하여 얻어진 것을, 절단하여 다른 형상의 형태로 한 것이나, 연마하여 얇게 하거나, 수지 등을 도포하여 두껍게 하거나 한 것은, 가열·가압을 하고 있지 않기 때문에, 최종 형태의 성형체이다. 또한, 절단이나 가공의 수단으로서 열을 이용하는 경우는, 여기서의 가열에 해당하지 않는다.
또한, 용융 상태의 열가소성 수지가 공급된 랜덤매트를 성형할 때에, 공급된 열가소성 수지가 용융 상태인 채로 성형할 경우는, 예를 들면, 가압만의 성형으로 성형체를 얻을 수 있다.
[강화섬유]
랜덤매트에 포함되는 강화섬유는 불연속이며, 어느 정도 긴 강화섬유를 포함하여 강화 기능이 발현될 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 사용되는 강화섬유의 섬유길이는, 얻어진 랜덤매트에서의 강화섬유의 섬유길이를 측정해서 구한 평균 섬유길이로 표현된다. 평균 섬유길이의 측정 방법으로서는 무작위로 추출한 100개의 섬유의 섬유길이를, 버니어캘리퍼스 등을 사용하여 1㎜ 단위까지 측정하고, 그 평균을 구하는 방법을 들 수 있다.
본 발명의 랜덤매트에서의 강화섬유의 평균 섬유길이는 3㎜ 이상 100㎜ 이하이며, 바람직하게는 평균 섬유길이 5㎜ 이상 100㎜ 이하이고, 보다 바람직하게는 5㎜ 이상 80㎜ 이하이며, 한층 더 바람직하게는 8㎜ 이상 60㎜ 이하이고, 더욱 바람직하게는 10㎜ 이상 30㎜ 이하이다. 섬유길이의 분포로서는, 단일이어도 상관없고, 2종류 이상의 혼합이어도 상관없다.
후술하는 바람직한 강화섬유의 커트 방법에서, 강화섬유를 고정 길이로 커트하여 랜덤매트를 제조한 경우, 그 고정길이를 평균 섬유길이로 볼 수 있다.
본 발명의 랜덤매트에서, 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 100㎛ 이하이다. 평균 두께가 100㎛을 초과하는 경우, 랜덤매트에 포함되는 강화섬유매트의 두께 불균일이 커지고, 또한 섬유 다발 내부로의 수지의 함침이 어려워지기 때문에, 기계 물성이 뛰어난 섬유 강화 복합재료를 얻기가 어렵다.
본 발명에서의 강화섬유 다발(A)의 평균 두께로서는, 랜덤매트로부터 복수의 강화섬유 다발(A) 시료를 채취하고, 각 강화섬유 다발(A)의 두께(ti), 각 강화섬유 다발(A)의 중량(Wi), 강화섬유 다발(A)의 전체 중량(WA=ΣWi)에서 이하의 식으로부터 그 평균값을 구한 것이 바람직하다.
평균 두께 t=Σ(ti×Wi/WA)
강화섬유 다발(A)의 평균 두께의 범위로서는 20∼75㎛이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20∼60㎛이고, 특히 바람직하게는 30∼50㎛이다.
랜덤매트 중의 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 하기 식(I)을 충족시킨다.
0.65×104/L＜n (I)
(L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다.)
구체적으로는 강화섬유의 평균 섬유길이가 30㎜인 경우, 강화섬유 1g당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는 216개보다 커진다.
강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)가 하기 식(I-2)을 충족시키는 것이 바람직하다.
1.2×104/L＜n＜18.0×104/L (I-2)
(L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)
강화섬유 다발(A)의 수(n)가 식(I-2)을 충족시키는 경우는, 구체적으로는 강화섬유의 평균 섬유길이가 30㎜인 경우, 강화섬유 1g당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는 6000개 미만이며, 또한, 400개보다 커진다.
보다 바람직하게는 랜덤매트 중의 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는 하기 식(I-3)을 충족시킨다.
1.5×104/L＜n＜12.0×104/L (I-3)
(L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)
강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 예를 들면 100×100㎜ 정도의 랜덤매트 시료편을 잘라내어, 이것에 포함되는 강화섬유 다발(A)의 수(ni)를 구하고, 강화섬유 전체의 중량(W(g)), 및 그 시료편 중의 강화섬유 다발의 섬유길이(Li(㎜))에서 하기 식으로부터 산출할 수 있다.
n=Σ(ni×Li/L)/W
(여기서 L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다.)
또한, 랜덤매트로부터 상기 시료편을 잘라낼 때, 몇 개의 강화섬유 다발(A)도 절단됨으로써 발생하는, 랜덤매트 중에서의 본래 길이(평균 섬유길이)보다 짧은 강화섬유 다발(A)이 그 시료편 중에는 존재한다. 상기 식에서는, 짧은 강화섬유 다발(A)의 수를, 그 길이와 본래 평균 섬유길이에 대한 길이의 비를 이용하여, 평균 섬유길이의 길이인 것의 수로 환산하여, 강화섬유 다발(A)의 수(n)가 산출되고 있다. 예를 들면, 강화섬유 다발(A)의 평균 섬유길이(L)가 20㎜인 랜덤매트로부터 잘라낸 시료편에서, 섬유길이 5㎜의 강화섬유 다발(A)이 100개, 섬유길이 10㎜의 강화섬유 다발(A)이 50개, 섬유길이 15㎜의 강화섬유 다발(A)이 30개, 그리고 섬유길이 20㎜의 강화섬유 다발(A)이 20개 관찰되고, 강화섬유 전체의 중량이 W(g)인 경우, 강화섬유 다발(A)의 수(n)를 산출하는 식은
n={(100×5/20)+(50×10/20)+(30×15/20)+(20×20/20)}/W
가 된다.
강화섬유는, 탄소섬유, 아라미드섬유, 및 유리섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 랜덤매트를 구성하는 강화섬유는, 경량이면서 강도가 뛰어난 복합재료를 제공할 수 있는 점에서 탄소섬유가 바람직하다. 상기 탄소섬유로서는, 일반적으로 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유(이하, PAN계 탄소섬유로 약칭하는 경우가 있다), 석유 피치계 탄소섬유, 석탄 피치계 탄소섬유, 레이온계 탄소섬유, 셀룰로오스계 탄소섬유, 리그닌계 탄소섬유, 페놀계 탄소섬유, 기상(氣相) 성장계 탄소섬유 등이 알려져 있는데, 본 발명에서는 이들 중 어느 탄소섬유이어도 적합하게 사용할 수 있으며, 특히 PAN계 탄소섬유가 바람직하고, 이들 탄소섬유는 1종류 단독으로 사용되어도 되며, 복수 종류의 혼합물로서 사용되어도 된다. 본 발명의 랜덤매트에 사용될 수 있는 강화섬유로서는, 탄소섬유 단독이어도, 탄소섬유에 더해, 내충격성을 부여하는 등을 위해 유리섬유나 아라미드섬유 등을 포함하는 것이어도 상관없다. 탄소섬유의 경우, 평균 섬유지름은 바람직하게는 1∼50㎛이며, 보다 바람직하게는 3∼12㎛이고, 한층 더 바람직하게는 5∼9㎛, 매우 바람직하게는 5∼7㎛이다.
랜덤매트는 중간 재료로서 유용하며, 원하는 성형에 맞춰 각종 단위면적당 중량을 선택할 수 있고, 랜덤매트에서의 강화섬유의 단위면적당 중량은 특별히 한정은 없지만, 바람직하게는 25∼10000g/㎡, 보다 바람직하게는 25∼4000g/㎡이, 한층 더 바람직하게는 600g/㎡∼3000g/㎡이다. 탄소섬유는 사이징제가 부착된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 사이징제는 탄소섬유 100중량부에 대해, 0 초과∼10중량부인 것이 바람직하다.
[개섬 정도]
본 발명의 랜덤매트는, 하기 식(1)
임계 단사 수=600/D (1)
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
에서 정의하는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)에 대해, 매트의 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상인 것이 바람직하며, 30Vol% 이상인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 40Vol% 이상이며, 특히 바람직하게는 50Vol% 이상이다. 매트 중에는, 강화섬유 다발(A) 이외의 강화섬유로서, 단사 상태 또는 임계 단사 수 미만으로 구성되는 섬유 다발이 존재해도 된다. 본 발명의 랜덤매트는, 특정 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 두께를 저감시키고, 또한 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 다발 수를 특정 범위로 함으로써 랜덤매트를 구성하는 강화섬유매트의 두께 불균일을 작게 할 수 있기 때문에, 성형함으로써 박육이어도 기계 물성이 뛰어난 섬유 강화 복합재료를 얻는 것이 가능하다.
섬유 전량에 대한 강화섬유 다발(A)의 비율이 20Vol% 이상이면, 본 발명의 랜덤매트를 성형했을 때에, 강화섬유 체적함유율이 높은 섬유 강화 복합재료를 얻을 수 있어 바람직하다. 한편, 강화섬유 다발(A)의 비율의 상한은 99Vol%인 것이 바람직하다. 섬유 전량에 대한 강화섬유 다발(A)의 비율이 99Vol% 이하이면, 섬유의 눈 간격(目隙)이 커지지 않고, 기계 강도가 뛰어난 복합재료를 얻을 수 있다. 강화섬유 다발(A)의 비율은 보다 바람직하게는 50Vol% 이상 99Vol% 미만이다. 섬유 전량에 대한 강화섬유 다발(A)의 비율의 상한은, 95Vol% 이하가 보다 바람직하며, 90Vol% 이하가 더욱 바람직하다.
강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n), 강화섬유 다발(A)의 평균 두께, 강화섬유 다발(A)의 비율을 상기 범위로 하는 바람직한 구체적인 방법으로서는, 후술하는 바람직한 제조방법에서, 커트 공정에 제공하는 섬유 다발의 크기, 예를 들면 다발의 폭이나 폭당 섬유 수를 조정함으로써 컨트롤하는 방법을 들 수 있다. 구체적으로는 확폭(擴幅)하는 등 하여 섬유 다발의 폭을 넓히고, 박육으로 하여 커트 공정에 제공하는 것, 커트 공정 전에 슬릿 공정을 마련하는 방법을 들 수 있다. 또한 섬유 다발을 커트와 동시에, 슬릿해도 된다. 바람직한 방법에 대해서는 커트 공정 항목에 기재한다. 사용할 강화섬유로 확폭한 섬유를 사용하는 방법을 들 수 있고, 바람직한 조건에 대해서는 커트 공정 항목에 기재한다. 또한, 적절한 사이징제, 적절한 사이징량이 부여된 강화섬유 다발을 사용함으로써, 상기 공정에서의 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)의 조정을 보다 정밀하게 실시할 수도 있다.
[매트릭스 수지]
본 발명의 랜덤매트에 포함되는 매트릭스 수지는 열가소성 수지이다. 열가소성 수지의 종류로서는 예를 들면 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 초산비닐 수지, 폴리비닐알코올 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴-스티렌 수지(AS 수지), 아크릴로니트릴·부타디엔·스티렌 수지(ABS 수지), 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 6 수지, 폴리아미드 11 수지, 폴리아미드 12 수지, 폴리아미드 46 수지, 폴리아미드 66 수지, 폴리아미드 610 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌술피드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리젖산 수지 등을 들 수 있다.
이들 열가소성 수지는, 단독으로 사용할 수도, 2종 이상을 병용할 수도 있으며, 복수 종류를 혼합하여 사용해도 되고, 공중합체로서 사용해도 된다.
열가소성 수지의 존재량으로서는, 강화섬유 100중량부에 대해, 10∼800중량부인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 강화섬유 100중량부에 대해, 열가소성 수지가 30∼800중량부이며, 한층 더 바람직하게는 50∼600중량부이고, 특히 바람직하게는, 열가소성 수지 50∼300중량부이다.
또한, 강화섬유와 열가소성 수지의 양의 관계에 대해서는, 하기 식에서 정의되는 강화섬유 체적함유율(이하 Vf로 약기(略記)하는 경우가 있다)에서도 정의할 수 있다.
강화섬유 체적함유율(Vol%)=100×[강화섬유의 체적/(강화섬유의 체적+열가소성 수지의 체적)]
이 강화섬유 체적함유율(Vf)과, 상기 강화섬유 100중량부에 대한 중량부로 나타낸 열가소성 수지의 존재량은, 강화섬유의 밀도와 열가소성 수지의 밀도를 이용하여 환산된다.
또한, 본 발명의 랜덤매트 중에는, 본 발명의 목적을 훼손하지 않는 범위에서, 유기섬유 또는 무기섬유의 각종 섬유상 또는 비섬유상 필러, 난연제, 내UV제, 안료, 이형제, 연화제, 가소제, 계면활성제의 첨가제를 포함하고 있어도 된다.
[섬유 강화 복합재료 성형체]
본 발명의 랜덤매트는, 포함되는 강화섬유가 평균 섬유길이 3㎜ 이상으로 길고, 특히 단사와 섬유 다발이 혼합된 형태를 가진 경우에는, 부형성(賦型性)이 높다는 특징도 겸해서 가지고 있다. 그 때문에 본 발명의 랜덤매트를, 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻기 위한 중간 재료로서 바람직하게 사용할 수 있다.
즉 본 발명의 랜덤매트를 성형해서, 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻을 수 있어, 본 발명은 섬유 강화 복합재료 성형체를 포함하는 것이다.
본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체는, 평균 섬유길이 3∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하며, 상기 강화섬유는, 하기 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는, 즉, 그 임계 단사 수 이상의 개수의 단사로 구성되는, 강화섬유 다발(A)의 평균 두께가 100㎛ 이하이고, 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n')가 하기 식(II)을 충족시키며, 열가소성 수지의 존재량이, 강화섬유 100중량부에 대해, 10∼800중량부인 것이 바람직하다.
임계 단사 수=600/D (1)
(여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
0.65×104/L＜n' (II)
(L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)
본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체에 대해, 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n')가 하기 식(II-2)을 충족시키는 것이 바람직하며, 하기 식(II-3)을 충족시키는 것이 보다 바람직하다.
1.2×104/L＜n'＜18.0×104/L (II-2)
1.5×104/L＜n'＜12.0×104/L (II-3)
(L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)
섬유 강화 복합재료 성형체 중의 강화섬유의 개섬 정도는, 랜덤매트에서의 상태가 거의 유지된다. 섬유 강화 복합재료 성형체 중의 강화섬유에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율, 및 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n')를 상기 범위로 하는 데에는, 랜덤매트에서의 강화섬유 다발(A)의 비율, 및 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)를 제어함으로써, 바람직하게 조정할 수 있다.
섬유 강화 복합재료 성형체의 두께는, 랜덤매트에서의 섬유 단위면적당 중량 및 열가소성 수지량에 의존하며, 섬유 강화 복합재료 성형체 중의 두께를 적정한 범위로 하는 데에는, 섬유 단위면적당 중량 및 열가소성 수지량을 제어함으로써, 바람직하게 조정할 수 있다.
섬유 강화 복합재료 성형체에 포함되는 강화섬유의 종류로서는 특별히 한정은 없으며, 랜덤매트의 강화섬유 항목에 기술된 것을 바람직하게 들 수 있다.
섬유 강화 복합재료 성형체에 포함되는 열가소성 수지의 종류로서는 특별히 한정은 없으며, 랜덤매트의 매트릭스 수지 항목에 기술된 것을 바람직하게 들 수 있다.
섬유 강화 복합재료 성형체에서의 열가소성 수지의 존재량은, 강화섬유 100중량부에 대해, 10∼800중량부이면 바람직하고, 30∼800중량부이면 보다 바람직하며, 50∼600중량부이면 한층 더 바람직하고, 50∼300중량부이면 특히 바람직하다.
본 발명에서의 섬유 강화 복합재료 성형체의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 해당 형상으로서는, 예를 들면, 시트상, 판상이어도 되고, 곡면부를 갖고 있어도 되며, 단면(斷面)이 T자형, L자형, コ자형, 모자형이라는 입면부(立面部) 등을 갖는 것이어도 되고, 이들을 포함하는 3차원 형상의 것이어도 된다.
본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체는, 다양한 두께, 예를 들면 0.2∼100㎜의 두께의 것으로 할 수 있는데, 보다 박육의 성형체이어도 물성이나 외관이 매우 양호한 것으로 하는 것이 가능하고, 구체적으로는 성형체로서의 두께를 0.2㎜∼2.0㎜(매우 엄밀하게 정할 필요가 있다면 25℃에서의 두께)로 할 수 있다.
섬유 강화 복합재료 성형체에서의 강화섬유의 단위면적당 중량은 특별히 한정은 없고, 적절하게 선택할 수 있는데, 박육의 성형체를 얻으려고 하는 관점에서 25∼10000g/㎡이 바람직하고, 25∼4000g/㎡이 보다 바람직하며, 600g/㎡∼3000g/㎡이면 한층 더 바람직하다.
본 발명은, 적어도 1종의 본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체를 코어재나 스킨층으로 사용한 적층체도 포함한다. 본 발명의 적층체는, 또한, 연속 강화섬유가 일방향으로 가지런히 배치된, 적어도 1종의 일방향 섬유 강화 복합재료를 코어재나 스킨층으로서 포함하고 있어도 된다. 본 발명의 적층체는, 또한, 본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체나 일방향 섬유 강화 복합재료 이외의 섬유 강화 복합재료 성형체의 적어도 1종을, 코어재나 스킨층으로서 포함하고 있어도 된다.
[랜덤매트의 제조방법]
본 발명의 랜덤매트는, 강화섬유매트에 시트상이나 필름상의 열가소성 수지를 적층시켜 얻을 수 있고, 또한, 이하의 공정 1∼3에 따라, 바람직하게 제조할 수도 있다.
1. 강화섬유를 커트하는 공정
2. 커트된 강화섬유를 관 내에 도입하고, 공기에 의해 반송하는 살포 공정
3. 살포된 강화섬유를 정착시켜, 랜덤매트를 얻는 공정
[커트 공정]
강화섬유를 커트하는 공정에 대해 기술한다. 커트되는 강화섬유로서는, 장섬유의 단사가 뭉쳐진 형상의, 이른바 스트랜드가 입수나 취급을 하기 쉬워 바람직하다. 강화섬유의 커트 방법은, 바람직하게는 로터리 커터 등의 나이프를 이용하여 강화섬유를 커트하는 공정이다. 로터리 커터를 사용한 커트 공정의 일 예를 도 1에 나타낸다. 로터리 커터로서는, 섬유 다발을 1/2∼1/20 정도로 분섬(分纖)하여 커트하는, 분섬 커터를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 로터리 분섬 커터의 바람직한 예에 대해, 정면과 단면의 개략도를 도 2에, 및 나이프 각도의 설명도를 도 3에 나타낸다. 로터리 분섬 커터는 본체를 따라 복수의 칼날이 등간격으로 또한 나선상으로 배치되어 있는 것이다.
종래의 커터처럼, 섬유 다발을 그대로 커트하고, 살포하는 수법에서는, 섬유의 단위면적당 중량 불균일, 및 섬유의 두께 불균일이 커서, 얇고, 물성이 뛰어난 중간 재료를 얻는 것은 어렵다. 섬유 다발을 보다 가느다란 다발로 나누면서 커트함으로써, 균질성이 향상되며, 본 발명의 랜덤매트 및 섬유 강화 복합재료 성형체를 바람직하게 얻을 수 있다. 강화섬유를 연속적으로 커트하기 위한 나이프 각도는 특별히 한정되는 것은 아니고, 일반적인, 섬유에 대해, 90도의 칼날을 사용해도, 각도를 갖게 한 것이어도 상관없다.
본 발명의 랜덤매트는 상술한 바와 같이 섬유 다발의 두께가 얇고, 또한, 강화섬유 단위중량(g)당 가느다란 다발이 많이 존재하는 것을 특징으로 하므로, 미리 확폭한 강화섬유를 사용하든지, 강화섬유를 확폭함으로써 섬유 다발 두께가 얇은 스트랜드를 사용하여 커트 공정에 공급하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 이와 같이 섬유 다발의 폭을 넓히고, 얇게 하는 것을 확폭이라 한다.
섬유의 확폭 방법에 대해서는 특별히 한정은 없어, 확장 스프레더, 예를 들면 볼록형의 핀 등을 섬유에 눌러대는 방법이나, 섬유의 진행 방향에 대해, 교차 방향으로 기류를 통과시켜 섬유를 바람이 불어가는 방향(風下方向)으로 활처럼 휘게 하는 방법, 진동을 주는 방법 등을 들 수 있다.
확폭하고, 나아가 필라멘트 수가 보다 적은 섬유 다발군으로 분섬하는 것이 바람직하다. 섬유 분섬의 방법으로서는, 특별히 한정은 없어, 예를 들면 슬리터로 스트랜드를 가느다란 다발로 하는 방법 등을 들 수 있다. 또한, 강화섬유의 수속제(收束劑)를 선택하고, 분섬함으로써 강화섬유 다발 중의 평균 섬유 수가 목적 수량의 것을 얻기 쉽게 할 수도 있다.
이와 같이 섬유 확폭에 이어서 섬유 분섬을 실시함으로써, 강화섬유 다발을 얇게, 소형화하고, 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)를 많게 할 수 있다. 그 때문에 랜덤매트에 포함되는 강화섬유의 균질성을 향상시켜, 섬유의 두께 불균일이 작고 기계 물성이 뛰어난 랜덤매트를 얻을 수 있다.
[살포 공정]
다음으로 커트된 강화섬유를 커터 하류의 관 내에 도입하고, 공기에 의해 반송, 살포하는 공정을 실시한다. 여기서, 압축 공기를 강화섬유 다발에 직접 분사함으로써, 섬유 다발을 더 가느다란 섬유 다발과 단사로 개섬할 수도 있다. 개섬의 정도에 대해서는, 압축 공기의 압력 등에 의해 적절히 컨트롤할 수 있다. 반송한 강화섬유는 살포 장치 하부에 설치한 통기성 시트 위에 살포하는 것이 바람직하다. 또한 하기의 정착 공정을 위해서도, 흡인(吸引) 기구를 가진 가동식 통기성 시트 위에 살포하는 것이 바람직하다.
또한 살포 공정에서, 섬유상 또는 파우더상의 열가소성 수지를 동시에, 시트 위에 살포함으로써, 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 랜덤매트를 적합하게 얻을 수 있다.
[랜덤매트를 형성하는 공정]
다음으로 살포된 강화섬유를 정착시켜, 랜덤매트를 얻는다. 구체적으로는, 살포된 강화섬유를 통기성 시트 하부로부터 에어를 흡인해서, 강화섬유를 정착시켜 랜덤매트를 얻는 방법이 바람직하다. 강화섬유와 동시에 섬유상 또는, 파우더상의 열가소성 수지를 살포하는 경우이어도, 강화섬유에 따라 정착된다.
[섬유 강화 복합재료 성형체의 제조]
또한 랜덤매트를 성형하여, 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻을 수 있다. 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻는 방법으로서는, 강화섬유를 살포하여, 랜덤매트를 얻은 후, 필름상이나, 용융시킨 상태의 열가소성 수지와 맞춰, 프레스 등에 의해 가열·가압하여 얻는 방법을 들 수 있다. 또한, 섬유상 및/또는 입자상의 열가소성 수지를 강화섬유와 동시에 살포하여, 열가소성 수지와 강화섬유를 포함하는 랜덤매트를 제작하고, 동일하게 프레스 등에 의해 가열·가압하여 얻는 것도 가능하다. 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻는 방법에 특별히 한정은 없지만, 예를 들면 진공 성형이나 액압(液壓) 성형, 핫 프레스, 콜드 프레스 등에 의해 성형하는 것이 적합하다. 그 중에서도 본 발명의 섬유 강화 복합재료 성형체는, 열가소성 수지를 융점 또는 유리 전이 온도 이상까지 가열한 후, 수지의 융점 또는 유리 전이 온도 이하의 온도로 유지한 형(型)에 끼워넣어 형상을 얻는, 콜드 프레스 성형에서 적합하게 얻을 수 있다.
랜덤매트를 성형하는 경우, 미리 매트릭스인 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상, 또는 열가소성 수지가 비결정성인 경우는 유리 전이점 이상으로 가열해 두는 것이 바람직하다. 압력 매체는, 매트릭스인 열가소성 수지의 융점 또는 유리 전이점 이상으로 조정되어 있어도, 융점 또는 유리 전이점 이하로 조정되어 있어도 된다. 또한 성형할 때에, 적당한 열가소성 수지를 부가함으로써 목적에 따라 두께가 다른 성형체를 얻을 수 있다. 부가하는 열가소성 수지는 특별히 지정은 없으며, 구체 예로서는 매트릭스 수지 항목에서 기술한 것과 동일한 것을 들 수 있다. 또한 수지의 형태도, 용융 수지나 섬유상, 파우더상이나 필름상 등을 사용할 수 있다.
또한, 랜덤매트를 직접 성형하는 것이 아니라, 가열, 나아가 함께 가압도 실시하는 등 하여 판상 등의 중간 재료로 한 뒤, 상기한 바와 같은 방법으로 성형하여, 섬유 강화 복합재료 성형체로 해도 된다.
또한, 상기 제조방법 등에 따라 랜덤매트로부터 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻은 경우, 랜덤매트에서의 강화섬유 전량에 대한 강화섬유 다발(A)의 비율, 강화섬유 다발(A)의 평균 섬유 수(n)나 평균 두께, 강화섬유매트의 두께 불균일 등은, 섬유 강화 복합재료 성형체 중의 강화섬유에서도 유지된다. 조성이나 강화섬유 체적함유율(Vf)에 대해서도, 성형에서 강화섬유나 열가소성 수지의 추가 등이 실시되지 않는 한, 랜덤매트와 섬유 강화 복합재료 성형체 어느 한쪽의 값을 다른쪽의 값으로 볼 수 있다.
실시예
이하에 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다. 또한, 특히, 주를 달지 않는 한, 강화섬유 다발(A)이나 그 시료에 대해, 섬유 다발(섬유길이)의 길이 단위는 ㎜, 중량 단위는 g이다. 또한, 이하의 실시예, 비교예에서 사용한 탄소섬유나 열가소성 수지의 밀도는 이하와 같다.
PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24K: 1.75g/㎤
PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) UTS50-24K: 1.79g/㎤
PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) HTS40-12K: 1.76g/㎤
폴리카보네이트: 1.20g/㎤
폴리프로필렌: 0.91g/㎤
폴리부틸렌테레프탈레이트: 1.31g/㎤
[강화섬유매트 또는 랜덤매트에서의 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율을 구하는 방법]
강화섬유매트 또는 랜덤매트(이하, 랜덤매트 등으로 약칭)를 100㎜×100㎜로 잘라내고, 강화섬유 다발을 핀셋으로 모두 꺼낸다. 모든 강화섬유 다발에 대해, 개개의 강화섬유 다발의 길이(Li)와 중량(Wi)을 측정해서, 기록한다. 핀셋으로 꺼낼 수 없을 정도로 강화섬유 다발이 작은 것에 대해서는, 모아서 최후에 중량을 측정한다(Wk). 이때, 1/100㎎까지 측정 가능한 천칭을 사용한다. 랜덤매트 등에 사용하고 있는 강화섬유의 섬유지름(D)으로부터, 임계 단사 수를 계산하고, 임계 단사 수 이상의 강화섬유 다발(A)과, 그것 이외로 나눈다. 또한, 2종류 이상의 강화섬유가 사용되고 있는 경우에는, 섬유의 종류마다 나누어, 각각에 대해 측정 및 평가를 실시한다.
모든 분류에 대해 측정 후, 강화섬유 다발(A)의 랜덤매트 등의 섬유 전체에 대한 비율(VR)은, 강화섬유의 섬유 비중(ρ(g/㎤))을 이용하여 다음 식(4)에 의해 구할 수 있다.
VR=Σ(Wi/ρ)×100/(Wk+ΣWi)/ρ) (4)
또한, 강화섬유와 열가소성 수지를 분리시킬 수 없어 상기 측정에 지장이 있는 경우는, 예를 들면 500℃에서 1시간 정도 가열하는 등 하여, 열가소성 수지를 제거한 후에 상기 측정을 실시한다.
[섬유 강화 복합재료 성형체에서의 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율을 구하는 방법]
섬유 강화 복합재료 성형체 중의 강화섬유 다발(A)의 비율은, 섬유 강화 복합재료 성형체를 100㎜×100㎜로 잘라내어, 500℃×1시간 정도, 로(爐) 내에서 열가소성 수지를 제거한 후, 섬유 다발을 꺼내어 랜덤매트 등에서의 수순과 동일하게 측정을 실시한다.
[강화섬유매트 또는 랜덤매트에서의 평균 섬유길이 L을 구하는 방법]
강화섬유매트 또는 랜덤매트로부터, 강화섬유를, 핀셋을 사용하여 무작위로 100개 꺼내고, 개개의 섬유길이 Li를, 버니어캘리퍼스를 사용하여, 1㎜까지 측정하고, 기록한다. 꺼낼 때의 크기는 섬유길이에 대해, 충분히 큰 범위에 대해, 꺼내는 것이 바람직하다.
얻어진 개개의 섬유길이 Li에 의해, 하기 식으로부터 평균 섬유길이 L을 구한다.
L=ΣLi/100
또한, 강화섬유와 열가소성 수지를 분리시킬 수 없어 상기 측정에 지장이 있는 경우는, 예를 들면 500℃에서 1시간 정도 가열하는 등 하여, 열가소성 수지를 제거한 후에 상기 측정을 실시한다.
[랜덤매트 등 중의 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 다발 수(n)의 측정]
랜덤매트 등으로부터 100㎜×100㎜ 정도의 시료편을 잘라내어, 그 시료편의 강화섬유 전체의 중량(W)을 측정한다. 강화섬유와 열가소성 수지를 분리할 수 없는 경우에는, 예를 들면 매트릭스 수지의 분해 온도 이상에서 몇 십분∼몇 시간 정도 가열하여, 열가소성 수지를 분해 제거한 후에 측정한다.
그 시료편으로부터, 강화섬유 다발을 핀셋으로 모두 꺼내어, 랜덤매트에 사용하고 있는 강화섬유의 섬유지름(D)으로부터, 임계 단사 수를 계산하고, 임계 단사 수 이상의 강화섬유 다발(A)의 그 시료편 중의 섬유길이(Li)와 다발의 수(ni)를 측정하여, 기록한다.
2종류 이상의 강화섬유가 사용되고 있는 경우에는, 강화섬유의 종류마다 나누어, 각각에 대해 측정을 실시한다. 강화섬유 다발의 수(ni)와 섬유길이(Li(㎜)) 및 섬유 중량(W(g))으로부터, 랜덤매트에서의 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)를 다음 식으로부터 구한다.
n=Σ(ni×Li/L)/W
(여기서 L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다.)
시료편을 잘라낼 때, 평균 섬유길이보다 짧은 강화섬유 다발(A)이 생긴 경우, 상기 식에서는, 그들 짧은 강화섬유 다발(A)의 수를, 평균 섬유길이의 강화섬유 다발(A)의 수로 환산한 후에, 강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)가 산출된다.
[섬유 강화 복합재료 성형체에서의, 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 다발 수(n')의 측정]
복합재료 성형체를 100㎜×100㎜로 잘라내어, 매트릭스 수지의 분해 온도 이상에서 몇 십분∼몇 시간 정도 가열해서, 열가소성 수지를 분해 제거한 후 섬유 중량을 측정한다. 그 후, 랜덤매트 등과 동일하게 측정한다.
[랜덤매트 등에서의 강화섬유 다발의 두께 측정]
이하의 수순에 따라, 랜덤매트 등에서의 강화섬유 다발(A)의 평균 두께(t)의 측정을 실시했다.
1) 랜덤매트 등을 100㎜×100㎜ 정도로 잘라내어, 강화섬유 다발을 핀셋으로 무작위로 20개 정도 꺼낸다. 랜덤매트 등에 사용하고 있는 강화섬유의 평균 섬유지름(D)으로부터 임계 단사 수를 계산하고, 꺼낸 섬유 다발로부터, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)을 20개 추출한다. 상기의, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율을 구하는 수순과 동일한 수순으로 각 강화섬유 다발(A)의 중량(Wi)을 측정한다.
2) 1/1000㎜까지 측정 가능한 마이크로미터를 사용하여, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 섬유 다발 두께(ti)를 측정한다.
3) 상기 측정을 랜덤매트 등 중에서 5회 이상 실시하여, 강화섬유 다발(A)의 두께(ti), 강화섬유 다발(A)의 중량(Wi), 강화섬유 다발(A)의 전체 중량(WA=ΣWi)에서 이하의 식으로부터 그 평균값을 구한다.
평균 두께 t=Σ(ti×Wi/WA)
또한, 2종류 이상의 강화섬유가 사용되고 있는 경우에는, 강화섬유의 종류마다 나누어, 각각에 대해 측정을 실시한다.
또한, 강화섬유와 열가소성 수지를 분리시킬 수 없어 상기 측정에 지장이 있는 경우는, 예를 들면 500℃에서 1시간 정도 가열하는 등 하여, 열가소성 수지를 제거한 후에 상기 측정을 실시한다.
[랜덤매트 등에서의 강화섬유매트의 두께 불균일 측정 방법]
이하의 수순으로 랜덤매트 등 중의 강화섬유매트의 두께 변동계수 CV를 산출하여, 이로부터 두께 불균일을 평가했다. 변동계수 CV(%)가 클수록, 강화섬유매트의 두께 차이가 큰 것으로 한다.
또한, 랜덤매트로부터 열가소성 수지를 분리할 수 없어, 강화섬유매트의 두께 불균일을 측정할 수 없는 경우는, 하기 섬유 강화 복합재료 성형체와 동일하게 열가소성 수지를 가열 제거한 후에 측정을 실시한다.
1) 랜덤매트 등을 100㎜×100㎜로 잘라내어, 열가소성 수지를 분리하고, 밀봉 가능한 주머니에 넣어, -0.09㎫ 이하까지 감압한다.
2) 주머니 위로부터 10㎜ 간격으로 격자상으로 표지를 붙이고, 마이크로미터로 두께를 1/1000㎜까지 측정한다. 측정은, 5행×5열의 합계 25점을 측정한다.
3) 측정한 두께로부터, 주머니의 두께를 빼고, 평균값과 표준편차를 계산하여, 하기 식(5)에 의해 강화섬유의 두께의 변동계수 CV를 산출한다.
변동계수 CV(%)=표준편차/평균값×100 (5)
[섬유 강화 복합재료 성형체에서의 강화섬유매트의 두께 불균일 측정 방법]
섬유 강화 복합재료 성형체의 강화섬유매트의 두께 불균일을 평가하는 경우, 평판상의 섬유 강화 복합재료 성형체를 100㎜×100㎜로 잘라내어, 500℃×1시간 정도, 로 내에서 열가소성 수지를 제거한다. 그 후, 동일하게 치수 및 중량을 측정하고, 평활한 평판 위에 싣는다. 그 후, 평판마다, 밀봉 가능한 주머니에 넣어, 측정한 두께로부터, 주머니와 평판의 두께를 빼는 이외는 랜덤매트 등에서의 수순과 동일하게, 두께를 25점 측정하여, 두께의 변동계수 CV를 구했다.
[섬유 강화 복합재료 성형체(성형판)의 열가소성 수지의 함침 정도의 평가]
섬유 강화 복합재료 성형체(성형판)의 함침 정도는, 초음파 탐상(探傷) 시험에 의해 평가한다. 초음파 탐상 영상화 장치(일본 크라우트크레이머(주) SDS-WIN)로 탐상기 주파수 5㎒, 주사(走査) 피치 2.0㎜×2.0㎜로 탐상 시험을 실시함으로써 평가했다. 평가를 실시함에 있어서, 반사파 강도 90% 이상인 부분의 단면(斷面)에서 현미경 관찰을 실시하여, 결함이나 공극이 존재하지 않는 것을 확인했다. 탐상 시험에서 반사파 강도가 높은(본 실시예에서는 70% 이상) 부분의 면적 비율이 많을수록, 성형판의 내부가 치밀하여, 성형판에서 열가소성 수지의 함침 정도가 높은 것으로 한다. 한편 반사파 강도가 낮은(본 실시예에서는 50% 이하) 부분의 면적 비율이 많을수록, 성형판의 내부에 미세한 공극부가 있어, 성형판에서 미함침 부분이 많은 것으로 한다.
[인장시험]
워터제트를 사용하여 섬유 강화 복합재료 성형체(성형판)로부터 시험편을 잘라내고, JIS K 7164를 참고로 하여, 인스트론 사제의 만능시험기를 사용하여, 인장강도 및 인장탄성률을 측정했다. 시험편의 형상은 1B계 B형 시험편으로 했다. 척간 거리는 115㎜, 시험 속도는 10㎜/분으로 했다. 또한, 시험편에 대해서는, 성형체의 임의의 방향(0도 방향), 및 이와 직교하는 방향(90도 방향)에 대해 각각 잘라내어, 양 방향의 인장강도 및 인장탄성률을 측정했다. 또한, 인장탄성률에 대해서는, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비(Eδ)를 산출했다.
[이론강도에 대한 물성발현율의 산출]
상기 수순으로 얻어진 성형판의 인장강도와, 해당 성형판에 포함되는 강화섬유(탄소섬유)의 인장강도로부터 이하의 계산에 의해, 이론강도에 대한 물성발현율(%)을 구했다.
물성발현율(%)=성형체의 인장강도/성형체의 이론강도×100
여기서, 성형체의 이론강도는, 성형체에 포함되는 강화섬유의 인장강도(Ff), 파단시의 매트릭스 수지의 응력(σm), 강화섬유 체적함유율(Vf), 섬유의 배향 계수(ηθ)로부터, 복합재료의 강도의 복합 법칙에 따라 이하의 식으로 구했다.
성형체의 이론강도(㎫)=(ηθ×Ff×Vf)+σm(1-Vf)
(여기서 배향 계수 ηθ는, 면내 랜덤 배향에서의 ηθ=3/8을 이용하였다.)
[실시예 1]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS 스트랜드(섬유지름 7㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 4000㎫)를 섬유 확폭해서 30㎜ 폭으로 하여 사용하였다. 확폭된 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여, 1㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로서, 30㎜ 간격으로 형성된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 30㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 80m/s로 송기(送氣)하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관의 측면으로부터 매트릭스 수지로서, 평균 입경 500㎛로 분쇄, 분급(分級)한 폴리카보네이트 파우더(데이진카세이 사제 "판라이트"(등록상표) L-1225Y)를 공급했다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 2800g/㎡의 랜덤매트를 얻었다. 랜덤매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행(竝行)해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다.
얻어진 랜덤매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 30㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 38㎛이었다. 또한 랜덤매트에서 강화섬유 1g당 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 1120개이었다. 또한, 이 랜덤매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 90vol%이었다.
얻어진 랜덤매트를 300℃로 가열한 프레스 장치에서, 2.0㎫에서 10분간 가열하여, 두께 4.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 1150개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 40Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 5.1%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 460㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 76%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.06이었다.
[실시예 2]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) UTS50-24K 스트랜드(섬유지름 6.9㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 5000㎫)를 섬유 확폭해서 24㎜ 폭으로 하여 사용하였다. 확폭된 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여, 1㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로서, 60㎜ 간격으로 형성된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 60㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 40m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관의 측면으로부터 매트릭스 수지로서, 평균 입경 500㎛로 분쇄, 분급한 폴리카보네이트 파우더(데이진카세이 사제 "판라이트"(등록상표) L-1225Y)를 공급했다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 1230g/㎡의 랜덤매트를 얻었다. 랜덤매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다.
얻어진 랜덤매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 60㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 87이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 45㎛이었다. 또한 랜덤매트에서 강화섬유 1g당의 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 300개이었다. 또한, 이 랜덤매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 95vol%이었다.
얻어진 랜덤매트를 300℃로 가열한 프레스 장치에서, 2.0㎫에서 10분간 가열하여, 두께 1.4㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 330개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다. 얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 50Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 7.8%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 680㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 72%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.08이었다.
[실시예 3]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS 스트랜드(섬유지름 7㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 4000㎫)를 섬유 확폭해서 24㎜ 폭으로 하여 사용하였다. 확폭된 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여, 1㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로서, 15㎜ 간격으로 형성된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 15㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 200m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 1320g/㎡의 강화섬유매트를 얻었다. 그 매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다. 얻어진 강화섬유매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 15㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 35㎛이었다. 강화섬유매트에서 강화섬유 1g당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 1500개이었다. 또한 이 강화섬유매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 72vol%이었다.
얻어진 강화섬유매트에 폴리프로필렌 필름(프라임폴리프로 사제 F-704NP 두께 25㎛)을 상하로 90매 적층하여, 본 발명의 랜덤매트로 한 후, 220℃로 가열한 프레스 장치에서, 2.0㎫에서 10분간 가열하여, 두께 3.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 1520개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 25Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 6.1%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 280㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 74%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.06이었다.
[실시예 4]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS 스트랜드(섬유지름 7㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 4000㎫)를 섬유 확폭해서 30㎜ 폭으로 하여 사용하였다. 확폭된 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여, 1㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로서, 30㎜ 간격으로 형성된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 30㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 80m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 2800g/㎡의 강화섬유매트를 얻었다. 강화섬유매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다. 얻어진 강화섬유매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 30㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 37㎛이었다. 강화섬유매트에서 강화섬유 1g당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 1100개이었다. 또한, 이 강화섬유매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 90vol%이었다.
얻어진 강화섬유매트에, 폴리부틸렌테레프탈레이트(윈텍폴리머 사제 "듀라넥스"(등록상표) 500FP)를 성막(成膜)하여 두께 30㎛로 한 필름을 상하로 80매 적층해서 본 발명의 랜덤매트로 한 후, 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 2.0㎫에서 10분간 가열하여, 두께 4.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 1070개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 40Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 5.3%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 460㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 75%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.03이었다.
[비교예 1]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS 스트랜드(섬유지름 7㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 4000㎫)를 섬유 확폭해서 24㎜ 폭으로 하여 사용하였다. 확폭된 강화섬유 스트랜드를 슬릿하는 일없이, 커트 장치로서, 15㎜ 간격으로 형성된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 15㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 250m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 1320g/㎡의 강화섬유매트를 얻었다. 강화섬유매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다. 얻어진 강화섬유매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 15㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 47㎛이었다. 또한 강화섬유매트에서 강화섬유 1g당의 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 420개이었다. 또한, 이 강화섬유매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 70vol%이었다.
얻어진 강화섬유매트에 폴리프로필렌 필름(프라임폴리프로 사제 F-704NP 두께 25㎛)을 상하로 90매 적층한 후, 220℃로 가열한 프레스 장치에서, 2.0㎫에서 10분간 가열하여, 두께 3.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 400개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 25Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 18.0%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 230㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 62%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.10이었다.
[비교예 2]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS 스트랜드(섬유지름 7㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 4000㎫)를 사용하였다. 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여 0.7㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로서, 30㎜ 간격으로 형성된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 30㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 50m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 2800g/㎡의 강화섬유매트를 얻었다. 강화섬유매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다. 얻어진 강화섬유매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 30㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 116㎛이었다. 또한 강화섬유매트에서 강화섬유 1g당의 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 580개이었다. 또한, 이 강화섬유매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 86vol%이었다.
얻어진 강화섬유매트에 폴리부틸렌테레프탈레이트(윈텍폴리머 사제 "듀라넥스"(등록상표) 500FP)를 성형하여, 두께 30㎛로 한 필름을 상하로 80매 적층한 후, 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 2.0㎫에서 10분간 가열하여, 두께 4.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 620개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 성형판 내부에 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 58% 관찰되어, 미함침 부분이 확인되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 39Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 13.6%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 360㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 60%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.07이었다.
[실시예 5]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24K 스트랜드(섬유지름 7㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 4000㎫)를 섬유 확폭해서 20㎜ 폭으로 하여 사용하였다. 확폭된 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여, 1㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로서, 10㎜ 간격으로 형성된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 10㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 40m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 2640g/㎡의 강화섬유매트를 얻었다. 강화섬유매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다.
얻어진 강화섬유매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 10㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 58㎛이었다. 강화섬유매트에서 강화섬유 1g당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 1350개이었다. 또한, 이 강화섬유매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 90vol%이었다.
실시예 4와 동일한 조작으로, 폴리부틸렌테레프탈레이트 필름을 상하로 50매 적층하여, 두께 3.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당의, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 1390개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 50Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 8.0%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 530㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 71%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.07이었다.
[실시예 6]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) UTS50-24K 스트랜드(섬유지름 6.9㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 5000㎫)를 섬유 확폭해서 30㎜ 폭으로 하여 사용하였다. 확폭된 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여, 0.7㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로서, 10㎜ 간격으로 형성된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 10㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 40m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 2380g/㎡의 강화섬유매트를 얻었다. 강화섬유매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다. 얻어진 강화섬유매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 10㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 87이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 37㎛이었다. 강화섬유매트에서 강화섬유 1g당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 2400개이었다. 또한, 이 강화섬유매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 80vol%이었다.
실시예 4와 동일한 조작으로, 폴리부틸렌테레프탈레이트 필름을 상하로 55매 적층하여, 두께 3.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 2440개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 45Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 4.3%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 630㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 75%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.04이었다.
[실시예 7]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) HTS40-12K 스트랜드(섬유지름 7㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 4200㎫)를 사용하였다. 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여 1.2㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로서, 15㎜ 간격으로 형성된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 15㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 160m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 2380g/㎡의 강화섬유매트를 얻었다. 그 매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다. 얻어진 강화섬유매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 15㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 56㎛이었다. 강화섬유매트에서 강화섬유 1g당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 580개이었다. 또한, 이 강화섬유매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 75vol%이었다.
실시예 3과 동일하게, 폴리프로필렌 필름을 상하로 65매 적층하여, 두께 3.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 590개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 45Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 10.6%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 470㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 66%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.08이었다.
[실시예 8]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) UTS50-24K 스트랜드(섬유지름 6.9㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 5000㎫)를 섬유 확폭해서 30㎜ 폭으로 하여 사용하였다. 확폭된 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여, 1㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로는, 초경합금을 사용해서 30㎜ 간격으로 칼날을 갖는 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 30㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 250m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관의 측면으로부터 매트릭스 수지로서, 평균 입경 500㎛로 분쇄한 폴리아미드 6 수지(유니티카 사제 폴리아미드 6:A1030)를 공급했다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 2110g/㎡의 랜덤매트를 얻었다. 랜덤매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다.
얻어진 랜덤매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 30㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 87이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 34㎛이었다. 또한 랜덤매트에서 강화섬유 1g당의 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 600개이었다. 또한, 이 랜덤매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 60vol%이었다.
얻어진 랜덤매트를 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 2.0㎫에서 10분간 가열하여, 두께 3.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 630개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 40Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 7.4%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 550㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 73%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.08이었다.
[비교예 3]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24K 스트랜드(섬유지름 7㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 4000㎫)를 사용하였다. 커트 장치로서, 나이프의 각도가 둘레 방향으로 90°로 배치되고, 칼날 폭 1㎜인 나이프를 둘레 방향으로 15㎜ 피치이고, 또한 인접하는 나이프는 둘레 방향으로 서로 1㎜ 오프셋 시키도록 배치된 로터리 커터를 사용하여 강화섬유 스트랜드를 섬유길이 15㎜가 되도록 커트했다.
이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 300m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 테이퍼관 출구의 하부에, 이동 가능한 컨베이어 네트를 설치하고, 네트 하부의 블로워에 의해 흡인을 실시하면서 강화섬유를 공급하여, 섬유 단위면적당 중량 2380g/㎡의 강화섬유매트를 얻었다. 그 매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다. 얻어진 강화섬유매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 15㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 108㎛이었다. 강화섬유매트에서 강화섬유 1g당 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 280개이었다. 또한, 이 강화섬유매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 52vol%이었다.
실시예 3과 동일한 조작으로, 폴리프로필렌 필름을 상하로 65매 적층하여, 두께 3.1㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 290개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 54% 관찰되어, 미함침 부분이 확인되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 44Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 19.2%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 370㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 56%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.12이었다.
[비교예 4]
강화섬유로서, 토호테낙스 사제의 PAN계 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) UTS50-24K 스트랜드(섬유지름 6.9㎛ 섬유 폭 10㎜ 인장강도 5000㎫)를 섬유 확폭해서 20㎜ 폭으로 하여 사용하였다. 확폭된 강화섬유 스트랜드를, 초경합금제의 분섬 장치를 사용하여, 2㎜ 간격으로 슬릿하고, 또한, 커트 장치로서, 30㎜ 간격으로 배치된 칼날을 갖는 초경합금제의 로터리 커터를 사용하여 섬유길이가 30㎜가 되도록 커트했다. 이 로터리 커터의 바로 아래에 테이퍼관을 배치하고, 압축 공기를 160m/s로 송기하여, 커트된 강화섬유를 테이퍼관으로 반송했다. 실시예 8과 동일하게, 테이퍼관의 측면으로부터 폴리아미드 6 수지를 공급하여, 강화섬유 단위면적당 중량 2110g/㎡의 랜덤매트를 얻었다. 랜덤매트에서의 강화섬유의 형태를 관찰한 바, 강화섬유의 섬유 축은 면과 거의 병행해 있고, 면내에서는 무작위로 분산되어 있었다.
얻어진 랜덤매트의 강화섬유의 평균 섬유길이는 30㎜이었다. 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수는 87이며, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 평균 두께는 60㎛이었다. 또한 랜덤매트에서 강화섬유 1g당의 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n)는, 200개이었다. 또한, 이 랜덤매트에서, 강화섬유 다발(A)의 강화섬유 전량에 대한 비율은 70vol%이었다.
얻어진 랜덤매트를 실시예 8과 동일하게 성형하여, 두께 3.0㎜의 성형판을 얻었다. 또한 성형판에서 강화섬유 1g당, 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)의 수(n')는, 190개이었다. 얻어진 성형판에 대해 초음파 탐상 시험을 실시한 바, 반사파 강도가 70% 이상인 부분이 80% 이상 관찰되었다.
얻어진 성형판의 강화섬유 체적함유율은 40Vol%이며, 그 성형판 중의 강화섬유매트에 대해 두께 불균일의 평가를 실시한 바, 두께의 변동계수인 CV는 21.0%이었다. 또한 JIS7164에 준거하여 인장 특성의 평가를 실시한 결과, 인장강도는 440㎫이고, 이론강도에 대한 물성발현율은 59%이었다. 또한, 0도 방향과 90도 방향의 인장탄성률 비는 1.14이었다.
본 발명에 의해, 높은 기계 강도를 발현하고, 그 등방성이 뛰어나며, 또한 강도 발현율이 높은 섬유 강화 복합재료 성형체를 얻을 수 있다. 또한 본 발명으로 얻을 수 있는 섬유 강화 복합재료 성형체는, 박육화도 가능하므로, 각종 구성부재, 예를 들면 자동차의 내판(內板), 외판(外板), 구성부재, 또한 각종 전기제품, 기계의 프레임이나 케이스 등에 사용할 수 있다.
본 발명을 상세하게 또한 특정 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일없이 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 분명하다.
본 출원은, 2012년 7월 26일 출원된 일본 특허출원(특원 2012-165871)에 기초하는 것으로, 그 내용은 여기에 참조로서 원용된다.
1. 탄소섬유
2. 핀치 롤러
3. 고무 롤러
4. 로터리 커터 본체
5. 칼날
6. 커트된 탄소섬유
7. 둘레 방향과 칼날의 배열이 이루는 각(角)

Claims (8)

  1. 평균 섬유길이 3∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하며,
    상기 강화섬유는, 하기 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)을 포함하고,
    상기 강화섬유 다발(A)의 평균 두께가 100㎛ 이하이며,
    강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)가 하기 식(I)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 랜덤매트.
    임계 단사 수=600/D (1)
    (여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
    0.65×104/L<n (I)
    (L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)
  2. 청구항 1에 있어서,
    강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n)가 하기 식(I-2)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 랜덤매트.
    1.2×104/L＜n＜18.0×104/L (I-2)
    (L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)
  3. 청구항 1에 있어서,
    강화섬유 전량(全量)에 대한 강화섬유 다발(A)의 함유율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 랜덤매트.
  4. 청구항 1에 있어서,
    강화섬유가 탄소섬유, 아라미드섬유, 및 유리섬유로 이루어지는 군(群)으로부터 선택되는 적어도 1종인 랜덤매트.
  5. 청구항 1에 있어서,
    랜덤매트에서의 열가소성 수지의 존재량이, 강화섬유 100중량부에 대해, 10∼800중량부인 랜덤매트.
  6. 청구항 1에 있어서,
    강화섬유의 단위면적당 중량이 25∼10000g/㎡인 랜덤매트.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 랜덤매트를 성형하여 얻어지는 강화섬유 복합재료.
  8. 평균 섬유길이 3∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하며,
    상기 강화섬유는, 하기 식(1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)을 포함하고,
    상기 강화섬유 다발(A)의 평균 두께가 100㎛ 이하이며,
    강화섬유 단위중량(g)당 강화섬유 다발(A)의 수(n')가 하기 식(II)을 충족시키고,
    열가소성 수지의 존재량이, 강화섬유 100중량부에 대해, 10∼800중량부인 섬유 강화 복합재료 성형체.
    임계 단사 수=600/D (1)
    (여기서 D는 강화섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
    0.65×104/L＜n' (II)
    (L은 강화섬유의 평균 섬유길이(㎜)이다)
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