KR102087409B1 - 프리프레그, 이를 이용한 복합재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

박리속도를 증가시킴으로써, 반경화 형태의 프리프레그로부터 이형지를 용이하게 박리할 수 있는 프리프레그, 이를 이용한 복합재 및 이들의 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 프리프레그, 이를 이용한 복합재 및 이들의 제조 방법은 (a) 이형지 상부 표면에 반경화(B-stage) 형태의 프리프레그(prepreg)를 준비하는 단계; (b) 상기 프리프레그를 적층하는 단계; 및 (c) 상기 적층된 프리프레그를 완전 경화하는 단계;를 포함하고, 상기 (b) 단계를 수행하기 전에 반경화(B-stage) 형태의 프리프레그로부터 이형지를 박리할 때 박리속도는 10~30m/min인 것을 특징으로 한다.

Description

프리프레그, 이를 이용한 복합재 및 이의 제조 방법{PREPREG, COMPOSITES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 프리프레그를 이용한 복합재의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박리속도를 변화시켜 프리프레그의 손상을 최소화할 수 있는 복합재의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 탄소섬유 등을 강화 섬유로 이용한 복합소재가 물성 개선을 위해 주목받고 있다. 복합소재는 항공기나 자동차 등의 소재나, 테니스 라켓 등의 스포츠, 일반 산업 용도 등에 널리 이용되고 있다.

복합소재의 제조 방법으로는 먼저, 이형지 상부 표면에 프리프레그를 준비한다. 이때, 프리프레그는 섬유에 미경화된 열경화성 수지가 함침되어 형성되며, 복수개의 프리프레그를 적층한 후, 완전 경화시키는 방법이 있다.

하지만, 미경화 또는 반경화 상태의 프리프레그의 경우 액상의 성질을 가지고 있기 때문에, 적층 단계 이전에 프리프레그로부터 이형지를 박리하는 과정에서 액상의 점도에 의해 박리부 및 제품에 손상을 얻는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 섬유에 포함되는 수지의 양을 증가시켜 수지간의 결합량을 증가시키는 방법이 제안되었지만, 이 경우 섬유의 양이 감소되어 강도 및 강성이 급격히 저하되는 문제가 있다.

또한, 열경화성 수지에 열가소성 수지를 첨가하여 배합비를 조정하는 방법 등이 활용되고 있지만, 박리특성을 향상시키는 점은 다소 한계가 있다.

본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제 10-0623457호(2006.09.06. 등록)가 있으며, 상기 문헌에는 섬유강화 복합재료용 수지 조성물, 프리프레그 및 섬유강화 복합재료가 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 프리프레그로부터 이형지를 용이하게 박리할 수 있는 복합재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 복합재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합재의 제조 방법은 (a) 이형지 상부 표면에 반경화(B-stage) 형태의 프리프레그(prepreg)를 준비하는 단계; (b) 상기 프리프레그를 적층하는 단계; 및 (c) 상기 적층된 프리프레그를 완전 경화하는 단계;를 포함하고, 상기 (b) 단계를 수행하기 전에 반경화 형태의 프리프레그로부터 이형지를 박리할 때 박리속도는 10~30m/min인 것을 특징으로 한다.

상기 (a) 단계의 반경화 형태의 프리프레그는 수지(resin)용액을 강화섬유에 함침시켜 반경화(B-stage)까지 경화시킨 후 형성될 수 있다.

상기 반경화 형태의 프리프레그는 강화섬유를 10~40 중량% 포함할 수 있다.

상기 강화섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유 중 1종 이상 포함할 수 있다.

상기 수지용액은 수지 및 유기 용매를 혼합하여 형성되고, 상기 수지의 중량평균분자량은 1000이상이고, 상기 수지의 점도는 1000cps이상일 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 프리프레그는 수지용액이 강화섬유에 함침되어 반경화 형태를 갖고, 프리프레그로부터 이형지를 박리할 때 박리속도가 10~30m/min인 것을 특징으로 한다.

상기 반경화 형태의 프리프레그는 강화섬유를 10~40 중량% 포함할 수 있다.

상기 수지용액은 수지 및 유기 용매를 혼합하여 형성되고, 상기 수지의 중량평균분자량은 1000이상이고, 상기 수지의 점도는 1000cps이상일 수 있다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합재는 복수의 반경화 형태의 프리프레그가 적층된 후 완전 경화된 구조를 갖고, 상기 반경화 형태의 프리프레그로부터 이형지를 박리할 때 박리속도가 10~30m/min인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 복합재의 제조 방법은 박리속도를 증가시킴으로써, 반경화 형태의 프리프레그로부터 이형지를 용이하게 박리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 박리특성을 향상시킴으로써 제품의 손상을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합재를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합재를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 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.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프리프레그, 이를 이용한 복합재 및 이의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 복합재를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 프리프레그를 이용한 복합재는 반경화(B-stage) 형태의 프리프레그가 적층된 후, 완전 경화된 구조이다.

본 발명에서 사용하는 용어 『프리프레그』는 결합재(합성 수지 등)를 강화 섬유에 미리 함침시킨 박판 형태의 소재를 의미하고, 이는 프레스 성형 시 경화(열경화)하여 보강재로서의 역할을 한다. 이에 따라, 본 발명에서는 제조 시에 별도의 접착제를 사용하지 않고, 한번의 프레스 공정으로 공정 간소화 및 제조 원가 절감을 도모할 수 있는 장점이 있다.

상기 반경화 형태의 프리프레그로부터 이형지를 박리할 때 박리속도가 10~30m/min인 것이 바람직하다.

박리속도가 10m/min 미만일 경우, 반경화 형태의 프리프레그로부터 이형지를 박리할 때 액상의 수지로 인해 제대로 박리가 되지 않을 수 있다. 반대로, 박리속도가 30m/min를 초과할 경우, 너무 빠른 속도로 인해 공정상 작업성이 저하될 수 있다.

반경화(B-stage) 형태의 프리프레그는 수지(resin)용액을 강화섬유에 함침시켜 반경화(B-stage)까지 경화시킨 후 형성된다.

반경화 형태의 프리프레그는 강화섬유를 10~40 중량% 포함하는 것이 바람직하다.

강화섬유의 함량이 10 중량% 미만일 경우, 적은 함량에 의해 충분한 강도 및 강성을 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 상기 강화섬유의 함량이 40 중량%를 초과할 경우, 과도한 섬유의 함량으로 인해 복합재의 물성이 저하되는 문제점이 있다.

상기 수지용액은 수지 및 유기 용매를 혼합하여 형성된다.

상기 수지는 해당 박리속도 10~30m/min에서 박리효과가 우수한 수지가 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 수지는 중량평균분자량이 1000 이상인 것이 바람직하고, 1000 내지 200,000인 것이 보다 바람직하다.

중량평균분자량이 1000 미만일 경우, 해당 박리속도 10~30m/min에서 박리 불량이 발생할 수 있다.

또한, 사용될 수 있는 수지의 점도는 작업성과 수지의 분산성을 고려하여 1000cps이상인 것이 바람직하고, 5000 내지 500,000인 것이 보다 바람직하다.

점도가 1000cps 미만일 경우, 해당 박리속도 10~30m/min에서 박리효과가 불충분할 수 있다.

수지는 중량평균분자량과 점도가 상기 제시한 범위를 만족하는 수지라면 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 공정성 등의 면에서 열경화성 수지, 특히 에폭시 수지가 주성분으로 사용될 수 있다. 에폭시 수지는 내열성, 탄성율, 치수안정성, 내약품성이 우수한 수지로, 예를 들면, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 페놀노블락형 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이외에 멜라민 수지, 페놀 수지 및 폴리염화비닐 수지의 일종 또는 이종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

유기 용매는 아세톤(acetone), 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide) 및 메틸에틸키톤(Methyl ethyl ketone) 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 수지와 유기 용매의 혼합비는 중량비로 대략 1:1~10:1로 혼합될 수 있으나, 점도 및 작업성 등을 고려하여 함량을 조절할 수 있다.

강화섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유 중 1종 이상 포함하는 것이 바람직하며, 2종을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 탄소섬유 및 유리섬유는 화학적 내구성 및 전기절연성이 우수하고, 강도, 특히, 인장강도가 매우 큰 특징을 갖는다.

아미드기 사이에 벤젠기가 결합되어 있는 아라미드로 구성된 아라미드 섬유는 방향족 고리에 직접 연결된 합성 폴리아미드로부터 제조된 섬유를 일컫는다.

분해온도가 약 350~450℃이고, 약 160℃이상에서 연속적으로 사용이 가능한 고성능 내열소재이며, 섬유를 구성하는 고분자 자체가 우수한 난연성을 가진다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합재를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.

복합재를 제조하는 방법은 반경화(B-stage) 형태의 프리프레그(prepreg) 준비 단계(S110); 프리프레그 적층 단계(S120); 및 프리프레그를 완전 경화 단계(S130);를 포함한다.

먼저, 반경화 형태의 프리프레그를 준비하는 단계(S110)는 수지용액을 강화섬유에 함침시켜 비스테이지(B-stage)까지 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 반경화 형태의 프리프레그는 뭉침현상 없이 강화섬유에 수지용액이 균일하게 함침되는 것이 바람직하며, 3-roll-mill을 이용하여 분산작업을 수행할 수 있다.

반경화, 즉, 비스테이지까지 경화하는 단계는 완전 경화 단계(S130)의 경화 온도보다 30~80℃의 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 완전 경화 온도보다 30℃ 미만의 낮은 온도에서 비스테이지 경화를 수행하는 경우, 공정 시간은 짧아지지만 미경화되는 부분이 많아지는 문제점이 있다. 반대로, 완전 경화 온도보다 30℃를 초과하는 낮은 온도에서 비스테이지 경화를 수행하는 경우, 과경화가 이루어져 후공정인 성형공정에서 불리할 수 있다. 비스테이지 경화 시간은 대략 5~30분 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

다음으로, 상기 반경화 형태의 프리프레그로부터 이형지를 제거할 수 있다. 상기 프리프레그로부터 이형지를 박리하는 경우, 박리속도는 10~30m/min인 것이 바람직하다.

박리속도가 10m/min 미만일 경우, 반경화 형태의 프리프레그로부터 이형지를 박리할 때 액상의 수지로 인해 흐름성이 크기 때문에, 제대로 박리가 되지 않을 수 있다. 반대로, 박리속도가 30m/min를 초과할 경우, 너무 빠른 속도로 인해 공정상 작업성이 저하될 수 있다.

다음으로, 상기 반경화 형태의 프리프레그를 적층하는 단계(S120)이다.

적층은 반경화 형태의 프리프레그를 대략 1 내지 10장을 적층할 수 있으며, 복합재의 두께와 강도 등을 고려하여 프리프레그의 개수를 조절할 수 있다.

다음으로, 상기 적층된 프리프레그를 완전 경화하는 단계(S130)이다.

완전 경화의 온도는 대략 80~200℃에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 적층된 프리프레그의 미경화되는 부분을 최소화하기 위해, 완전 경화 시간은 대략 120분 이상 수행되는 것이 보다 바람직하다.

전술한 바와 같이 본 발명의 복합재는 수지 미경화 발생 등의 시공불량을 사전에 방지할 수 있으며, 첨가되는 섬유와 함침된 수지의 양을 한정하여 제품의 품질이 균일한 특징이 있다.

아울러, 보관이 용이하고 제품의 변형이 없어 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있으며, 박리속도에 의해 박리불량을 최소화할 수 있다.

이와 같이 프리프레그, 이를 이용한 복합재 및 이의 제조 방법에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

1. 반경화 형태의 프리프레그 및 복합재의 제조

제조예 1

유리섬유(40 중량%)에 수지와 톨루엔이 1:1로 혼합된 수지용액(60 중량%)이 100℃, 4MPa 하에서 1시간 동안 함침되어 형성된 반경화 형태의 프리프레그를 이형지 상부 표면에 준비하였다.

실시예 1

제조예 1에서 제조된 프리프레그를 총 3장을 준비하여 적층하였다. 다음으로, 컨벡션 오븐에 넣고 120℃로 승온시킨 후 오븐에서 꺼내어 압축 성형 몰드에 넣고 4MPa의 압력으로 2분간 압축 성형시켜 복합재를 제조하였다.

사용된 에폭시 수지의 중량평균분자량은 1,500이고, 점도는 1,000이다.

실시예 2

제조예 1에서 유리섬유 20 중량%와 수지용액 80 중량%를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 복합재를 제조하였다.

사용된 에폭시 수지의 중량평균분자량은 3,000이고, 점도는 3,000이다.

실시예 3

제조예 1에서 유리섬유 20 중량%와 수지용액 80 중량%를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 복합재를 제조하였다.

사용된 에폭시 수지의 중량평균분자량은 200,000이고, 점도는 50,000이다.

비교예 1

제조예 1에서 유리섬유 30 중량%와 수지용액 70 중량%를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 복합재를 제조하였다.

사용된 에폭시 수지의 중량평균분자량은 300,000이고, 점도는 600,000이다.

비교예 2

제조예 1에서 유리섬유 80 중량%와 수지용액 20 중량%를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 복합재를 제조하였다.

사용된 에폭시 수지의 중량평균분자량은 100,000이고, 점도는 600,000이다.

2. 물성 평가 방법 및 그 결과

[표 1]과 같이 박리 속도별로 인장시험기를 이용하여 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 프리프레그로부터 이형지를 박리하고, 박리부의 손상 정도를 측정하였다. 시편은 2.5cm×20cm로 절단한 것을 이용하였다.

[표 1]과 같이 손상의 정도를 X, △, ○로 표시하였다.

X : 손상 많음. △ : 손상 보통. ○ : 손상 없음.

[표 1]

실시예 1 ~ 3의 경우, 박리속도가 10 ~ 30m/min에서 손상 없이 박리특성이 우수하였다. 실시예 3에서는 수지가 중량평균분자량 1,000~200,000과 점도 1000~500,000를 만족할 때, 박리속도 5.0m/min에서도 박리특성이 우수한 결과를 보여주었다.

비교예 1 ~ 2는 수지의 중량평균분자량과 점도가 제시한 범위를 벗어나는 경우, 10 ~ 30m/min의 박리속도에서 박리부의 손상 정도가 있음을 알 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10 : 복합재
20 : 경화된 프리프레그
S110 : 반경화 형태의 프리프레그 준비 단계
S120 : 프리프레그 적층 단계
S130 : 프리프레그 경화 단계

Claims (9)

1. (a) 이형지 상부 표면에, 중량평균분자량이 1,500 g/mol 이상 200,000 g/mol 이하이고 점도가 1,000 cps 이상 50,000 cps 이하인 수지 및 유기 용매를 혼합하여 형성된 수지용액을 강화섬유에 함침시켜 반경화(B-stage)까지 경화시킨 후 형성된, 20~40 중량%의 강화섬유를 포함하는 복수의 반경화(B-stage) 형태의 프리프레그(prepreg)를 준비하는 단계;
   (b) 상기 복수의 프리프레그를 적층하는 단계; 및
   (c) 상기 적층된 프리프레그를 완전 경화하는 단계;를 포함하고,
   상기 (b) 단계를 수행하기 전에 반경화 형태의 프리프레그로부터 이형지를 박리할 때 박리속도는 10~30m/min인 것을 특징으로 하는 복합재의 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 강화섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유 중 1종 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재의 제조 방법.
   
5. 삭제
6. 이형지 상부 표면에, 중량평균분자량이 1,500 g/mol 이상 200,000 g/mol 이하이고 점도가 1,000 cps 이상 50,000 cps 이하인 수지 및 유기 용매를 혼합하여 형성된 수지용액이 강화섬유에 함침되어, 20~40 중량%의 강화섬유를 포함하고 반경화 형태를 갖는 프리프레그로서,
   상기 프리프레그로부터 이형지를 박리할 때 박리속도가 10~30m/min인 것을 특징으로 하는 프리프레그.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 제6항에 따른 반경화 형태를 갖는 프리프레그를 복수개 적층한 후 완전 경화하여 형성된 복합재.

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