KR102117241B1 - 구조체의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 수지와 강화 섬유와 공극을 갖는 구조체의 제조 방법으로서, 수지와 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 표면 온도가 80℃ 이하인 금형에 배치하는 제 1 공정과, 구조체 전구체가 유동 가능해지는 온도까지 금형의 표면 온도를 상승시키는 제 2 공정과, 구조체 전구체가 유동 불가능해지는 온도까지 금형의 표면 온도를 하강시키는 제 3 공정과, 제 3 공정 종료 후에 얻어진 구조체를 상기 금형으로부터 탈형하는 제 4 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 수지와 강화 섬유와 공극을 갖는 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 자동차, 항공기, 스포츠 제품 등의 산업용 제품에 대해서는 강성이나 경량성의 향상에 대한 시장 요구가 해마다 높아지고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해서, 강성이나 경량성이 우수한 섬유 강화 수지가 각종 산업 용도에 폭넓게 이용되고 있다. 그 중에서도, 경량성을 만족시키기 위해서, 공극을 갖는 구조체 및 그 제조 방법이 검토되고 있다. 예를 들면, 구조체에 공극을 포함시키기 위해서, 발포성 재료를 사용하는 방법이나 대규모 장치를 이용하여 발포시키는 방법이 검토되고 있다(특허문헌 1~3 참조). 또한, 구조체를 중공 형상으로 하는 방법으로서, 내압 성형법이나 외압 성형법이 알려져 있다(특허문헌 4 참조).
그러나, 역학 특성을 높이는 관점에서는 구조체는 발포성 재료를 포함하지 않는 것이 바람직하고, 또한 대규모 장치를 사용하는 것은 비용이 높아지게 됨으로써 바람직하지 않다. 한편, 내압 성형법이나 외압 성형법에서는 프리포밍에 시간을 들일 필요가 있고 부자재가 많이 필요하기 때문에, 생산성의 관점에서 바람직하지 않다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 복잡한 형상을 용이하게 형성 가능하고, 경량성 및 역학 특성이 우수한 구조체를 제조 가능한 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 많은 비용을 필요로 하지 않고, 구조체를 제조 가능한 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 형태에 따른 구조체의 제조 방법은 열가소성 수지와 강화 섬유와 공극을 갖는 구조체의 제조 방법으로서, 상기 열가소성 수지와 상기 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 표면 온도가 80℃ 이하인 금형에 배치하는 제 1 공정과, 상기 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108㎩ 미만이 되는 온도까지 상기 금형의 표면 온도를 상승시키는 제 2 공정과, 상기 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108㎩ 이상이 되는 온도까지 상기 금형의 표면 온도를 하강시키는 제 3 공정과, 상기 제 3 공정 종료 후에 얻어진 구조체를 상기 금형으로부터 탈형하는 제 4 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 형태에 따른 구조체의 제조 방법은 열경화성 수지와 강화 섬유와 공극을 갖는 구조체의 제조 방법으로서, 경화 전의 상기 열경화성 수지와 상기 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 표면 온도가 80℃ 이하인 금형에 배치하는 제 1 공정과, 상기 구조체 전구체의 경화도가 10% 이상, 90% 이하가 되는 온도까지 상기 금형의 표면 온도를 상승시키는 제 2 공정과, 상기 구조체 전구체의 경화도가 90%보다 높아지는 상태까지 형상을 유지하는 제 3 공정과, 상기 제 3 공정 종료 후에 얻어진 구조체를 상기 금형으로부터 탈형하는 제 4 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 구조체 전구체의 상기 금형 내에 있어서의 충전율이 상기 금형의 캐비티의 10% 이상, 80% 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 제 2 공정 및 상기 제 3 공정에 있어서의 상기 금형에 대한 가압력이 0㎫ 이상, 5㎫ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 금형의 캐비티의 크기가 성형의 전후에서 변화되지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 열경화성 수지를 포함하는 열경화성 수지 조성물, 및 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 수지 조성물 중 적어도 일방이 상기 구조체의 표면에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 금형의 중량이 30㎏ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 구조체 전구체에 발포제가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 구조체 전구체가 강화 섬유를 갖는 매트와 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 중 어느 일방을 갖는 매트릭스 수지를 갖고, 강화 섬유를 갖는 매트에 미리 수지가 함침되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명이 있어서, 상기 강화 섬유를 갖는 매트가 습식 초지법, 건식 초지법, 에어레이드법 및 제직법 중 어느 하나의 방법으로 제조된 부직포 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 구조체 전구체를 구성하는 매트릭스 수지가 필름, 입자, 섬유 및 액체 중 어느 하나의 형태로 부여되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 제 1 공정은 상기 구조체 전구체를 긴 직사각 형상 또는 권취 형상체로 하여 금형에 배치하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 금형의 형상이 원기둥 형상, 다각기둥 형상, 또는 이것들의 통 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체의 제조 방법은 상기 발명에 있어서, 상기 제 2 공정 및 상기 제 3 공정에 있어서의 상기 금형에 대한 가압력이 0㎫인 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 많은 비용을 필요로 하지 않고 경량성 및 역학 특성이 우수한 구조체를 제조 가능한 구조체의 제조 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명 에 의하면, 많은 비용을 필요로 하지 않고 구조체를 제조 가능한 구조체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 사용하는 강화 섬유 매트에 있어서의 강화 섬유의 분산 상태의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 강화 섬유 매트의 제조 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은 실시예 1의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 실시예 2-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 실시예 3-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 실시예 4-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 실시예 6-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 실시예 7-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 실시예 9-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 비교예 3의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 강화 섬유 매트의 제조 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은 실시예 1의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 실시예 2-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 실시예 3-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 실시예 4-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 실시예 6-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 실시예 7-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 실시예 9-(A)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 비교예 3의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 본 발명에 따른 구조체의 제조 방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 제 1 형태에 따른 구조체의 제조 방법은 열가소성 수지와 강화 섬유와 공극을 갖는 구조체의 제조 방법으로서, 열가소성 수지와 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 표면 온도가 80℃ 이하인 금형에 배치하는 제 1 공정과, 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108㎩ 미만이 되는 온도까지 금형의 표면 온도를 상승시키는 제 2 공정과, 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108㎩ 이상이 되는 온도까지 상기 금형의 표면 온도를 하강시키는 제 3 공정과, 제 3 공정 종료 후에 얻어진 구조체를 금형으로부터 탈형하는 제 4 공정을 포함한다.
이러한 제조 방법에 의하면, 제 1 공정에 있어서, 낮은 온도의 금형에 작업자가 손으로 용이하게 프리포밍이 가능하기 때문에, 복잡한 형상을 형성하는 것이 가능해지므로 경량성 및 역학 특성이 우수한 구조체를 제조할 수 있다. 또한, 표면 온도는 50℃ 이하인 것이 보다 바람직하다. 표면 온도가 50℃ 이하이면 제조 공정 중에 있어서, 간이한 보호구만으로 제 1 공정을 행하는 것이 가능해지고, 보다 가는 형상에 대해서도 구조체 전구체를 프리포밍 가능하기 때문에 바람직하다. 다시 말하면, 작업 효율이 비약적으로 향상한다. 또한, 제 1 공정에 있어서, 구조체 전구체를 배치하는 시간이 길어졌다고 해도 작업자가 저온 화상 등을 일으킬 가능성이 저감하는 관점에서도 바람직하다.
제 2 공정에 있어서, 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108㎩ 미만이 되는 온도까지 금형의 표면 온도를 상승시키는 것이 필요하다. 구체적으로는 구조체 전구체의 유리전이온도나 결정화 온도 이상의 온도로 함으로써 상기 범위가 될 수 있지만, 구조체 전구체의 융점 또는 연화점에 대하여 10℃ 이상 높고, 또한 구조체 전구체의 열 분해 온도 이하의 온도를 부여함으로써 달성 가능해진다. 또한, 제 2 공정에 있어서, 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108㎩ 이상이면, 금형 내에의 부형(형상의 형성)이 곤란해지는 경우가 있다.
제 3 공정에 있어서, 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108㎩ 이상이 되는 온도까지 금형의 표면 온도를 하강시킬 필요가 있다. 제 3 공정 후, 제 4 공정에 있어서 금형으로부터 탈형하는 관점에서 구조체 전구체의 저장 탄성률이 높은 쪽이 바람직하고, 구체적으로는 구조체 전구체의 융점 또는 연화점에 대하여 30℃ 이상 낮은 것이 바람직하고, 50℃ 이상 낮은 것이 성형 사이클을 단축시키는 관점에서 바람직하다.
본 발명의 제 2 형태에 따른 구조체의 제조 방법은 열경화성 수지와 강화 섬유와 공극을 갖는 구조체의 제조 방법으로서, 경화 전의 상기 열경화성 수지와 상기 강화 섬유를 갖는 상기 구조체 전구체를 표면 온도가 80℃ 이하인 금형에 배치하는 제 1 공정과, 상기 구조체 전구체의 경화도가 10% 이상, 90% 이하가 되는 온도까지 상기 금형의 표면 온도를 상승시키는 제 2 공정과, 상기 구조체 전구체의 경화도가 90%보다 높아지는 상태까지 형상을 유지하는 제 3 공정과, 상기 제 3 공정 종료 후에 얻어진 구조체를 상기 금형으로부터 탈형하는 제 4 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법이다.
제 2 공정에 있어서, 구조체 전구체의 경화도가 10% 이상, 90% 이하의 범위인 것이 필요하다. 제 2 공정에 있어서의 구조체 전구체의 경화도는 성형 후의 구조체의 표면 품위나 얻어지는 역학 특성의 관점에서, 바람직하게는 30% 이상, 보다 바람직하게는 60% 이상이다. 또한, 경화도가 90%를 초과하면, 형상 추종성이 열악한 경우가 있다. 구조체 전구체의 경화도의 측정 방법은 유리전이온도(이하, Tg로 생략함)로부터 확인하는 방법으로 측정된다. 구체적으로는 포화한 Tg로부터 최저인 Tg를 미리 측정하고, 포화한 Tg로부터 최저인 Tg의 차분을 백분률 표시한다. 다음에, 경화 전의 열경화성 수지를 가열하고, 가열 온도와 가열 시간과 Tg의 상관 관계를 얻어 성형 조건으로부터 Tg를 내삽할 수 있다.
또한, 구조체 전구체의 DSC로 측정되는 발열량으로부터도 경화 상태를 확인하는 방법도 예시할 수 있다. 예를 들면, 구조체 전구체의 발열량을 미리 측정해 두고, 가열 후의 구조체 전구체의 발열량의 비율로부터 잔존 반응률을 구할 수 있다. 또한, Tg는 기지의 DSC(시차 주사 열량계)로 측정할 수 있다. 또한, 제 3 공정에 있어서의 구조체 전구체의 경화도도 마찬가지로 측정하는 것이 가능하다.
구조체 전구체의 금형 내에 있어서의 충전율은 금형의 캐비티의 10% 이상, 80% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 20% 이상, 70% 이하가 보다 바람직하고, 30% 이상, 60% 이하가 더욱 바람직하다. 충전율이 10% 미만인 경우, 구조체 전구체를 배치했을 때에 편차가 생겨 요구하는 형상을 얻는 것이 곤란해지므로 바람직하지 않다. 한편, 충전율이 80%보다 큰 경우에는 구조체의 제조는 가능하지만, 경량성의 관점에서 바람직하지 않다.
제 2 공정 및 제 3 공정에 있어서의 금형에 대한 가압력은 0㎫ 이상, 5㎫ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 3㎫ 이하인 것보다 바람직하다. 가압력이 5㎫보다 큰 경우, 프레스기 등의 대형 설비를 필요로 하기 때문에, 많은 비용이 요구되어 버리므로 바람직하지 않다. 특히 바람직하게는 제 2 공정 및 제 3 공정에 있어서의 금형에 대한 가압력이 0㎫의 형태이고, 이와 같이 함으로써 낮은 비용으로 효율적으로 생산할 수 있다. 가압력을 0㎫로 하는 방법으로서는 금속 등의 덩어리로부터 절삭 가공에 의해 캐비티가 형성된 이음매가 없는 금형을 이용하여 성형하는 방법을 들 수 있다. 또한, 제 4 공정에 있어서의 탈형을 용이하게 하는 관점에서, 2개 또는 그 이상으로 분할 가능한 금형을 사용하고 볼트 등에 의해 미리 고정한 금형을 이용하여 성형하는 방법을 들 수 있다.
금형의 캐비티의 크기는 성형 전후에서 변화되지 않는 것이 바람직하다. 금형의 캐비티의 크기가 성형 전후에서 변화되는 것은 금형을 가동시키는 기구가 필요하기 때문에, 많은 비용이 요구되어 버리므로 바람직하지 않다. 금형의 캐비티의 크기가 성형의 전후에서 변화되지 않는 금형으로서는 금속 등의 덩어리로부터 절삭 가공에 의해 캐비티가 형성된 이음매가 없는 금형을 사용하는 것이 바람직하다. 제 4 공정에 있어서의 탈형을 용이하게 하는 관점에서, 2개 또는 그 이상으로 분할 가능한 금형을 사용하는 것이 가능하고, 볼트 등에 의해 고정 가능한 금형이어도 좋다.
열경화성 수지를 포함하는 열경화성 수지 조성물, 및 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 수지 조성물 중 적어도 일방이 구조체의 표면에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 강화 섬유가 일방향으로 나열된 일방향 강화 수지 조성물을 표면에 배치했을 경우, 구조체의 역학 특성을 향상시키는 것이 가능하다. 한편, 안료나 입자를 첨가한 수지 조성물로 이루어지는 수지 시트를 표면에 배치한 경우에는 구조체의 의장성이나 질감을 개선시키는 것이 가능하다.
금형의 중량은 30㎏ 이하인 것이 바람직하다. 금형의 중량이 30㎏보다 큰 경우에는 사람의 손으로 운반하는 것이 곤란하게 되므로 바람직하지 않다. 금형의 중량은 25㎏ 이하인 것이 보다 바람직하고, 20㎏ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 경량한 금형을 사용하는 것은 제 1 공정으로부터 제 2 공정으로 이행할 때, 및 제 2 공정으로부터 제 3 공정으로 이행할 때에, 로봇 등의 자동기나 여러 사람에서의 작업이 필요없이 용이하게 장소를 변경하는 것이 가능한 점에서 좋다. 금형의 중량에 있어서, 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 본 발명에 따른 구조체의 제조 방법에 있어서, 제 1 공정에서 구조체 전구체를 배치했을 때나 제 2 공정으로부터 제 3 공정에 있어서의 온도 변화, 제 4 공정의 탈형 작업에 있어서 금형이 변형하여 수회의 제조에서 목적의 형상을 얻을 수 없게 되는 금형으로 생산성의 관점에서 바람직하지 않다.
구조체 전구체에는 발포제가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 구조체를 보다 용이하게 발포시키는 것이 가능해지기 때문에, 경량화의 관점에서 바람직하다. 또한, 보다 가는 금형 형상에 대하여 높은 부형성을 발현시킬 수 있다. 발포제로서는 압축 가스의 방출압이나 기체 등의 물리적 변화에 의해 발포시키는 물리 발포제와 열 분해나 화학 반응에 의해 가스를 발생시키는 화학 발포제가 있다. 이들 중에서, 열 분해에 의해 질소 가스나 탄산 가스를 발생시키는 화학 발포제를 열 분해형 화학 발포제라고 한다. 열 분해형 화학 발포제란 상온에 있어서 액체 또는 고체의 화합물이고, 가열되었을 때에 분해 또는 기화하는 화합물이다. 또한, 열 분해형 화학 발포제는 본 발명에 따른 구조체의 제조 방법에 사용하는 구조체 전구체를 제조하는 과정을 실질적으로 방해하지 않는 것이 바람직하고, 열 분해형 화학 발포제의 분해 온도는 180~250℃의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이러한 열 분해형 화학 발포제로서는 아조디카르복실아미드, 아조디카르복실산 금속염, 디니트로소펜타메틸렌테트라민, N,N-디니트로소펜타메틸렌테트라민, 4,4-옥시비스, 비스테트라졸·디암모늄 등을 예시할 수 있다.
구조체 전구체가 강화 섬유를 갖는 매트와 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 중 어느 일방을 갖는 매트릭스 수지를 갖고, 강화 섬유를 갖는 매트에 미리 수지가 함침되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구조체 전구체를 사용함으로써 제 1 공정에 있어서, 용이하게 금형에 배치하는 것이 가능하고, 복잡한 형상에 대하여도 용이하게 프리포밍하는 것이 가능하다. 강화 섬유를 갖는 매트는 습식 초지법, 건식 초지법, 에어레이드법 및 제직법 중 어느 하나의 방법으로 제조된 부직포 형상인 것이 바람직하다. 강화 섬유가 부직포 형상의 형태를 취하는 것이 강화 섬유에의 수지의 함침의 용이함의 관점에서 바람직하다. 또한, 강화 섬유가 부직포 형상의 형태를 갖고 있음으로써, 부직포 자체의 핸들링성의 용이함에 추가하여, 일반적으로 고점도로 하는 열가소성 수지의 경우에 있어서도 함침을 용이한 것으로 할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 이러한 부직포 형상의 강화 섬유를 사용한 구조체 전구체를 사용함으로써, 경량으로 역학 특성이 우수한 구조체를 용이하게 얻는 것이 가능해진다. 또한 본 발명에 있어서는 열경화성 수지와 열가소성 수지가 블렌딩되어 있어도 좋고, 그 경우는 수지를 구성하는 성분 중 50질량%를 초과하는 양을 차지하는 성분을 수지의 명칭으로 한다.
구조체 전구체를 구성하는 매트릭스 수지가 필름, 입자, 섬유 및 액체 중 어느 하나의 형태로 부여되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 강화 섬유를 갖는 매트에 수지를 용이하게 함침시킬 수 있다.
제 1 공정은 구조체 전구체를 긴 직사각 형상 또는 권취 형상체로 하여 금형에 배치하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 구조체 전구체를 긴 직사각 형상으로 함으로써 가는 형상의 금형에도 용이하게 구조체 전구체를 배치할 수 있다. 또한, 구조체 전구체를 권취 형상체로 함으로써 구조체의 등방성을 높일 수 있다.
금형의 형상이 원기둥 형상, 다각기둥 형상, 또는 이것들의 통 형상인 것이 바람직하다. 이에 따라, 지금까지 프리포밍에 시간을 들일 필요가 있고, 부자재도 많이 필요했던 형상을 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 제조 방법에 사용하는 구조체의 구조체 전구체는 수지와 강화 섬유로 이루어져 있다. 본 발명에 있어서의 하나의 형태에 있어서, 수지는 적어도 1종류 이상의 열가소성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 열가소성 수지로서는 「폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 액정 폴리에스테르 등의 폴리에스테르, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀, 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리아미드(PA), 폴리페닐렌술피드(PPS) 등의 폴리알릴렌술피드, 폴리케톤(PK), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리에테르니트릴(PEN), 폴리테트라플루오르에틸렌 등의 불소계 수지, 액정 폴리머(LCP)」 등의 결정성 수지, 「스티렌계 수지 외 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리술폰(PSU), 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트(PAR)」 등의 비결정성 수지, 기타 페놀계 수지, 페녹시 수지, 또한 폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리부타디엔계, 폴리이소프렌계, 불소계 수지 및 아크릴로니트릴계 등의 열가소 엘라스토머 등이나, 이것들의 공중합체 및 변성체 등으로부터 선택되는 열가소성 수지를 예시할 수 있다. 그 중에서도, 얻어지는 구조체의 경량성의 관점에서는 폴리올레핀이 바람직하고, 강도의 관점에서는 폴리아미드가 바람직하고, 표면 외관의 관점에서는 폴리카보네이트나 스티렌계 수지와 같은 비결정성 수지가 바람직하고, 내열성의 관점에서는 폴리알릴렌술피드가 바람직하고, 연속 사용 온도의 관점에서는 폴리에테르에테르케톤이 바람직하고, 내약품성의 관점에서는 불소계 수지가 더욱 바람직하게 사용된다.
본 발명에 있어서의 하나의 형태에 있어서, 수지는 적어도 1종류 이상의 열경화성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 열경화성 수지로서는 불포화 폴리에스테르, 비닐에스테르, 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 열경화성 폴리이미드, 이것들의 공중합체, 변성체, 및 이것들의 적어도 2종류를 블렌딩한 수지를 예시할 수 있다. 또한, 상기 수지에 대하여, 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서, 본 발명에 따른 구조체 또는 구조체 전구체는 엘라스토머 또는 고무 성분 등의 내충격성 향상제, 다른 충전재나 첨가제를 함유해도 좋다. 충전재나 첨가제의 예로서는 무기 충전재, 난연제, 도전성 부여제, 결정 핵제, 자외선 흡수제, 산화 방지제, 제진제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색 방지제, 열 안정제, 이형제, 대전 방지제, 가소제, 윤활제, 착색제, 안료, 염료, 발포제, 소포제 또는 커플링제를 예시할 수 있다.
강화 섬유로서는 알루미늄, 황동, 스테인리스 등의 금속 섬유, PAN계, 레이온계, 리그닌계, 피치계 탄소 섬유, 흑연 섬유, 유리 등의 절연성 섬유, 아라미드, PBO, 폴리페닐렌술피드, 폴리에스테르, 아크릴, 나일론, 폴리에틸렌 등의 유기 섬유, 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드 등의 무기 섬유를 예시할 수 있다. 또한, 이것들의 섬유에 표면 처리가 실시되어 있는 것이어도 좋다. 표면 처리로서는 도전체로서 금속의 피착 처리 이외에, 커플링제에 의한 처리, 사이징제에 의한 처리, 결속제에 의한 처리, 첨가제의 부착 처리 등이 있다. 또한, 이것들의 섬유는 1종류를 단독으로 사용해도 좋고, 2종류 이상을 병용해도 좋다. 그 중에서도, 경량화 효과의 관점에서 비강도, 비강성이 우수한 PAN계, 피치계, 레이온계 등의 탄소 섬유가 바람직하게 사용된다. 또한, 얻어지는 구조체의 경제성을 높이는 관점에서는 유리섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 경제성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 유리 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 구조체의 충격 흡수성이나 부형성을 높이는 관점에서는 아라미드 섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 충격 흡수성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 구조체의 도전성을 높이는 관점에서는 니켈이나 구리나 이테르븀 등의 금속을 피복한 강화 섬유를 사용할 수도 있다. 이들 중에서, 강도와 탄성률 등의 역학적 특성이 우수한 PAN계의 탄소 섬유를 보다 바람직하게 사용할 수 있다.
강화 섬유가 불연속이고, 대략 모노 필라멘트 형상, 또한 랜덤하게 분산되어 있는 것이 바람직하다. 강화 섬유를 이러한 형태로 함으로써 시트 형상의 구조체의 구조체 전구체 또는 구조체를 외력을 가하여 성형하는 경우에, 복잡 형상으로의 부형이 용이하게 된다. 또한, 강화 섬유를 이러한 형태로 함으로써 강화 섬유에 의해 형성된 공극이 치밀화하고, 구조체 중에 있어서의 강화 섬유의 섬유속단에 있어서의 약부가 극소화할 수 있기 때문에, 우수한 보강 효율 및 신뢰성에 추가하여 등방성도 부여된다. 여기에서, 대략 모노 필라멘트란 강화 섬유 단사가 500개 미만인 세섬도 스트랜드로 존재하는 것을 가리킨다. 더욱 바람직하게는 모노 필라멘트 형상으로 분산되어 있는 것이다.
여기에서, 대략 모노 필라멘트 형상, 또는 모노 필라멘트 형상으로 분산되어 있다란 구조체 중에서 임의로 선택한 강화 섬유에 대해서, 그 이차원 접촉각이 1° 이상인 단섬유의 비율(이하, 섬유 분산율이라고 함)이 80% 이상인 것을 가리키고, 다시 말하면 구조체 중에 있어서 단섬유의 2개 이상이 접촉하여 평행한 속이 20% 미만인 것을 말한다. 따라서, 여기에서는 적어도 강화 섬유에 있어서의 필라멘트수 100개 이하의 섬유속의 질량 분율이 100%에 해당하는 것이 특히 바람직하다.
이차원 접촉각이란 불연속인 강화 섬유의 경우, 단섬유와 이 단섬유가 접촉하는 단섬유로 형성되는 각도이고, 접촉하는 단섬유끼리가 형성하는 각도 중 0° 이상, 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도로 정의한다. 이 이차원 접촉각에 대해서, 도면을 이용하여 더 설명한다. 도 1은 면 방향(도 1(a)) 및 두께 방향(도 1(b))으로부터 관찰했을 때의 강화 섬유 매트에 있어서의 강화 섬유의 분산 상태의 일례를 나타내는 모식도이다. 단섬유(1a)를 기준으로 하면, 단섬유(1a)는 도 1(a)에서는 단섬유(1b~1f)와 교차하여 관찰되지만, 도 1(b)에서는 단섬유(1a)는 단섬유(1e, 1f)와는 접촉하지 않는다. 이 경우, 기준이 되는 단섬유(1a)에 대해서, 이차원 접촉각의 평가 대상이 되는 것은 단섬유(1b~1d)이고, 접촉하는 2개의 단섬유가 형성하는 2개의 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도(A)이다.
이차원 접촉각을 측정하는 방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 구조체의 표면으로부터 강화 섬유의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있다. 이 경우, 구조체의 표면을 연마하여 강화 섬유를 노출시킴으로써 강화 섬유를 보다 관찰하기 쉬워진다. 또한, X선 CT 투과 관찰을 행하여 강화 섬유의 배향 화상을 촬영하는 방법도 예시할 수 있다. X선 투과성이 높은 강화 섬유의 경우에는 강화 섬유에 트레이서용 섬유를 혼합해 두거나 또는 강화 섬유에 트레이서용 약제를 도포해 두면, 강화 섬유를 관찰하기 쉬워지기 때문에 바람직하다. 또한, 상기 방법으로 측정이 곤란한 경우에는 가열로 등에 의해 구조체를 고온 하에 두어서 수지 성분을 소실시킨 후, 광학 현미경 또는 전자 현미경을 이용하여 인출한 강화 섬유로부터 강화 섬유의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있다.
상술한 관찰 방법에 의거하여 섬유 분산율은 다음 수단으로 측정한다. 즉, 무작위로 선택된 단섬유(도 1에 있어서의 단섬유(1a))에 대하여 접촉하고 있는 모든 단섬유(도 1에 있어서의 단섬유(1b~1d))와의 이차원 접촉각을 측정한다. 이것을 100개의 단섬유에 대해서 행하고, 이차원 접촉각을 측정한 모든 단섬유의 총 개수와 이차원 접촉각이 1° 이상인 단섬유의 개수의 비율로부터 비율을 산출한다.
또한, 강화 섬유는 랜덤하게 분산되어 있는 것이 특히 바람직하다. 여기에서, 강화 섬유가 랜덤하게 분산되어 있다란 구조체에 있어서의 임의로 선택된 강화 섬유의 이차원 배향각의 산술 평균값이 30° 이상, 60° 이하의 범위 내에 있는 것을 말한다. 이러한 이차원 배향각이란 강화 섬유의 단섬유와 이 단섬유와 교차하는 단섬유로 형성되는 각도이고, 교차하는 단섬유끼리가 형성하는 각도 중 0° 이상, 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도로 정의한다.
이 이차원 배향각에 대해서, 도면을 이용하여 더 설명한다. 도 1(a), (b)에 있어서, 단섬유(1a)를 기준으로 하면, 단섬유(1a)는 다른 단섬유(1b~1f)와 교차하고 있다. 여기에서, 교차란 관찰하는 이차원 평면에 있어서, 기준으로 하는 단섬유가 다른 단섬유와 교차하여 관찰되는 상태를 의미하고, 단섬유(1a)와 단섬유(1b~1f)가 반드시 접촉하고 있을 필요는 없고, 투영하여 보았을 경우에 교차하여 관찰되는 상태에 대해서도 예외는 아니다. 즉, 기준이 되는 단섬유(1a)에 대해서 보았을 경우, 단섬유(1b~1f)의 모두가 이차원 배향각의 평가 대상이고, 도 1(a) 중에 있어서 이차원 배향각은 교차하는 2개의 단섬유가 형성하는 2개의 각도 중 0° 이상, 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도(A)이다.
이차원 배향각을 측정하는 방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 구성 요소의 표면으로부터 강화 섬유의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있고, 상술한 이차원 접촉각의 측정 방법과 동일한 수단을 취할 수 있다. 이차원 배향각의 평균값은 다음 수단으로 측정한다. 즉, 무작위로 선택된 단섬유(도 1에 있어서의 단섬유(1a))에 대하여 교차하고 있는 모든 단섬유(도 1에 있어서의 단섬유(1b~1f))와의 이차원 배향각의 평균값을 측정한다. 예를 들면, 한 단섬유에 교차하는 다른 단섬유가 다수의 경우에는 교차하는 다른 단섬유를 무작위로 20개 선택하여 측정한 산술 평균값을 대용해도 좋다. 이 측정을 다른 단섬유를 기준으로 하여 합계 5회 반복하고, 그 산술 평균값을 이차원 배향각의 산술 평균값으로 하여 산출한다.
강화 섬유가 대략 모노 필라멘트 형상, 또한 랜덤하게 분산되어 있음으로써 상술한 대략 모노 필라멘트 형상으로 분산된 강화 섬유에 의해 주어지는 성능을 최대한까지 높일 수 있다. 또한, 구조체에 있어서 역학 특성에 등방성을 부여할 수 있다. 이러한 관점에서, 강화 섬유의 섬유 분산율은 90% 이상인 것이 바람직하고, 100%에 가까울수록 보다 바람직하다. 또한, 강화 섬유의 이차원 배향각의 산술 평균값는 40° 이상, 50° 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 이상적인 각도인 45°에 가까울수록 바람직하다.
한편, 강화 섬유가 부직포의 형태를 취하지 않는 예로서는 강화 섬유가 일방향으로 배열되어 이루어지는 시트 기재, 직물 기재 및 논크림프 기재 등이 있다. 이것들의 형태는 강화 섬유가 규칙적으로 빈틈없이 배치되기 때문에, 구조체 중의 공극이 적어져 버려 수지의 함침이 매우 곤란해지고, 미함침부를 형성하거나 함침 수단이나 수지 종의 선택지를 크게 제한하거나 하는 경우가 있다.
강화 섬유의 형태로서는 구조체와 동정도 길이의 연속성 강화 섬유, 또는 소정 길이로 절단된 유한 길이의 불연속성 강화 섬유 중 어느 하나이어도 좋지만, 수지를 용이하게 함침시키거나 그 양을 용이하게 조정할 수 있거나 하는 관점에서는 불연속성 강화 섬유인 것이 바람직하다.
강화 섬유의 질량 평균 섬유 길이가 1㎜ 이상, 15㎜ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 강화 섬유의 보강 효율을 높일 수 있고, 구조체가 우수한 역학 특성이 주어진다. 강화 섬유의 질량 평균 섬유 길이가 1㎜ 미만인 경우, 구조체 중의 공극을 효율적으로 형성할 수 없기 때문에 비중이 높아지는 경우가 있고, 다시 말하면 동일 질량이면서 소망하는 두께의 구조체를 얻는 것이 곤란하게 되므로 바람직하지 않다. 한편, 강화 섬유의 질량 평균 섬유 길이가 15㎜보다 긴 경우에는 구조체 중에서 강화 섬유가 자중에 의해 굴곡하기 쉬워져 역학 특성의 발현을 저해하는 요인이 되므로 바람직하지 않다. 질량 평균 섬유 길이는 구조체의 수지 성분을 소실이나 용출 등의 방법에 의해 제거하고, 남은 강화 섬유로부터 무작위로 400개를 선택하고, 그 길이를 10㎛ 단위까지 측정하여 그것들의 평균 길이로서 산출할 수 있다. 구조체 전구체에 있어서의 강화 섬유의 체적 함유율은 5체적% 이상, 90체적% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 10체적% 이상, 80체적% 이하의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 조성의 구조체 전구체를 사용함으로써 본 발명의 제조 방법에 의해 높은 역학 특성이 발현되고, 또한 경량성이 우수한 구조체를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서의 공극이란 수지에 의해 피복된 강화 섬유가 주상의 지지체가 되고, 그것이 서로 겹치거나 또는 교차함으로써 형성된 공간을 가리킨다. 예를 들면, 강화 섬유에 수지가 미리 함침된 구조체 전구체를 가열하여 구조체를 얻는 경우, 가열에 따른 수지의 용융 또는 연화에 의해 강화 섬유가 기모함으로써 공극이 형성된다. 이것은 구조체 전구체에 있어서, 가압에 의해 압축 상태로 되어 있었던 내부의 강화 섬유가 그 탄성률에 유래하는 기모력에 의해 기모하는 성질에 근거한다. 또한, 구조체 중에 있어서의 공극의 함유율은 10체적% 이상, 99체적% 이하의 범위 내에 있다. 공극의 함유율이 10체적% 미만인 경우, 구조체의 비중이 높아지게 때문에 경량성을 만족시킬 수 없으므로 바람직하지 않다. 한편, 공극의 함유율이 99체적%보다 큰 경우에는, 다시 말하면 강화 섬유의 주위에 피복된 수지의 두께가 얇아지기 때문에, 구조체 중에 있어서의 강화 섬유끼리의 보강이 충분하게 행해지지 않아 역학 특성이 낮아지므로 바람직하지 않다. 공극의 함유율의 상한값은 97체적%인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 체적 함유율은 구조체를 구성하는 수지와 강화 섬유와 공극의 각각의 체적 함유율의 합계를 100체적%으로 한다.
본 발명의 제조 방법에 의해 얻어지는 구조체의 굽힘 탄성률을 Ec, 구조체의 비중을 ρ로 했을 때, Ec1 /3·ρ-1로 나타내어지는 구조체의 비 굽힘 탄성률(specific flexural modulus)은 3 이상, 20 이하의 범위 내에 있다. 구조체의 비 굽힘 탄성률이 3 미만인 경우, 굽힘 탄성률이 높더라도 비중도 높은 상태이고, 소망하는 경량화 효과를 얻을 수 없으므로 바람직하지 않다. 한편, 구조체의 비 굽힘 탄성률이 20보다 큰 경우에는 경량화 효과는 충분하지만 굽힘 탄성률이 낮은 것을 가르키고 있고, 구조체로서 소망되는 형상을 유지하는 것이 곤란하거나 구조체 자신의 굽힘 탄성률이 열악해지므로 바람직하지 않다. 일반적으로 강재나 알루미늄의 비 굽힘 탄성률은 1.5 이하이고, 이것들의 금속 재료보다 매우 우수한 비 굽힘 탄성률의 영역이 된다. 또한, 경량화 효과에 착안되는 탄소 섬유 강화 수지 복합 재료의 일반적인 비 굽힘 탄성률인 2.3을 초과하는 3 이상인 것, 더욱 바람직하게는 5 이상이다.
구조체의 굽힘 탄성률(Ec)은 3㎬ 이상, 바람직하게는 6㎬ 이상이면 좋다. 구조체의 굽힘 탄성률(Ec)이 3㎬ 미만인 경우, 구조체로서 사용하는 범위에 제한이 생기기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 구조체의 설계를 용이하게 하기 위해서, 굽힘 탄성률은 등방성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 굽힘 탄성률의 상한에 대해서는 제한을 두지 않지만, 일반적으로 강화 섬유와 수지를 갖는 구조체에서는 그 구성 성분인 강화 섬유 및 수지 각각의 탄성률로부터 산출되는 값이 상한이 될 수 있다. 본 발명에 따른 구조체에 있어서는 구조체를 단독으로 사용하는 경우에 있어서도, 다른 부재와 함께 사용하는 경우에 있어서도, 구조체 자신의 굽힘 탄성률을 이용하여 부재의 설계를 행하고, 실용에 제공하기 위해서는 50㎬도 있으면 충분하다.
구조체의 비중(ρ)은 0.9g/㎤ 이하인 것이 바람직하다. 구조체의 비중(ρ)이 0.9g/㎤보다 큰 경우, 구조체로 한 경우의 질량이 증가하는 것을 의미하고, 결과 제품으로 한 경우의 질량의 증가를 초래하는 것이 되므로 바람직하지 않다. 비중의 하한에 대해서는 제한을 두지 않지만, 일반적으로 강화 섬유와 수지를 갖는 구조체에서는 그 구성 성분인 강화 섬유, 수지 및 공극 각각의 체적 비율로부터 산출되는 값이 하한이 될 수 있다. 본 발명에 따른 구조체에 있어서는 구조체를 단독으로 사용하는 경우에 있어서도, 다른 부재와 함께 사용하는 경우에 있어서도, 구조체 자신의 비중은 사용하는 강화 섬유나 수지에 의해 다르지만, 구조체의 역학 특성을 유지한다는 관점에서 0.03g/㎤ 이상인 것이 바람직하다.
구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분에 있어서의 공극률이 0체적% 이상, 10체적% 미만의 범위 내에 있고, 나머지의 부분의 공극률이 10체적% 이상, 99체적% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이러한 공극률은 작을수록 역학 특성이 우수하고, 또한 클수록 경량성이 우수하다. 다시 말하면 구조체가 동일 구성의 재료로 이루어지는 경우, 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분에 있어서의 공극률이 0체적% 이상, 10체적% 미만으로 함으로써 구조체의 역학 특성을 담보하고, 나머지의 부분의 공극률이 10체적% 이상, 99체적% 이하의 범위 내에 있음으로써 경량 특성을 만족시킬 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명에 있어서 구조체의 두께는, 두께를 구하고 싶은 표면상의 1점과 그 이면의 표면을 연결하는 최단의 거리로부터 구할 수 있다. 두께 방향의 중점이란 구조체의 두께의 중간점을 의미한다. 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분이란 구조체의 표면과 그 두께 방향의 중점 까지의 거리를 100%로 했을 때에, 구조체의 표면으로부터 30%의 거리까지를 포함시킨 부분을 의미한다. 여기에서의 나머지의 부분이란 구조체의 일방의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분 및 구조체의 타방의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분을 제외한 나머지의 부분을 의미한다. 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분 및 나머지의 부분은 구조체의 두께 방향의 다른 위치에 존재해도 좋고, 면 방향의 다른 위치에 존재해도 좋다.
본 발명에 있어서의 강화 섬유는 부직포 형상의 형태를 취하는 것이 강화 섬유에의 수지의 함침의 용이함의 관점에서 바람직하다. 또한, 강화 섬유가 부직포 형상의 형태를 가지고 있음으로써, 부직포 자체의 핸들링성의 용이함에 추가하여, 일반적으로 고점도로 하는 열가소성 수지의 경우에 있어서도 함침을 용이한 것으로 할 수 있기 때문에 바람직하다. 여기에서, 부직포 형상의 형태란 강화 섬유의 스트랜드 및/또는 모노 필라멘트가 규칙성없이 면 형상으로 분산된 형태를 가리키고, 촙드 스트랜드 매트, 컨티뉴어스 스트랜드 매트, 초지 매트, 카딩 매트, 에어레이드 매트 등을 예시할 수 있다(이하, 이들을 정리하여 강화 섬유 매트로 칭함).
구조체를 구성하는 강화 섬유 매트의 제조 방법으로서는, 예를 들면 강화 섬유를 미리 스트랜드 및/또는 대략 모노 필라멘트 형상으로 분산시켜 강화 섬유 매트를 제조하는 방법이 있다. 강화 섬유 매트의 제조 방법으로서는 강화 섬유를 공기류에 의해 분산 시트화하는 에어레이드법이나, 강화 섬유를 기계적으로 빗질하면서 형상을 조절하여 시트화하는 카딩법 등의 건식 프로세스, 강화 섬유를 수중에서 교반하여 초지하는 래드라이트법에 의한 습식 프로세스를 공지 기술로서 들 수 있다. 강화 섬유를 보다 모노 필라멘트 형상으로 가까이 하는 수단으로서는, 건식 프로세스에 있어서는 개섬 바를 설치하는 방법이나 또한 개섬 바를 진동시키는 방법, 또한 카딩의 눈을 미세하게 하는 방법이나 카딩의 회전 속도를 조정하는 방법 등을 예시할 수 있다. 습식 프로세스에 있어서는 강화 섬유의 교반 조건을 조정하는 방법, 분산액의 강화 섬유 농도를 희박화하는 방법, 분산액의 점도를 조정하는 방법, 분산액을 이송시킬 때에 와류를 억제하는 방법 등을 예시할 수 있다. 특히, 강화 섬유 매트는 습식법으로 제조하는 것이 바람직하고, 투입 섬유의 농도를 늘리거나, 분산액의 유속(유량)과 메쉬 컨베이어의 속도를 조정하거나 함으로써 강화 섬유 매트의 강화 섬유의 비율을 용이하게 조정할 수 있다. 예를 들면, 분산액의 유속에 대하여 메쉬 컨베이어의 속도를 느리게 함으로써, 얻어지는 강화 섬유 매트 중의 섬유의 배향이 인수 방향으로 향하기 어려워져 부피가 큰 강화 섬유 매트를 제조 가능하다. 강화 섬유 매트는 강화 섬유 단체로 구성되어 있어도 좋고, 강화 섬유가 분말 형상이나 섬유 형상의 매트릭스 수지 성분과 혼합되어 있거나, 강화 섬유가 유기 화합물이나 무기 화합물과 혼합되어 있거나, 강화 섬유끼리가 수지 성분으로 메워져 있어도 좋다.
또한, 강화 섬유 매트에는 미리 수지를 함침시켜 두고, 구조체 전구체로서 두는 것이 바람직하다. 예를 들면, 입자나 섬유이면, 강화 섬유를 갖는 매트를 제조할 때에 강화 섬유와 동시에 수지를 혼합시켜 부직포 형상으로 형성시킬 수 있다. 또한, 액상이면, 강화 섬유를 갖는 매트를 액중에 침지시키는 것이나 액을 쏟음으로써 강화 섬유에 수지를 함침시킬 수 있다. 또한, 필름이면, 필름 상에 강화 섬유를 갖는 매트를 적층하는 것이나 양측으로부터 끼우도록 배치함으로써 취급성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 구조체 전구체를 제조하는 방법으로서는 강화 섬유 매트에 수지를 용융 또는 연화하는 온도 이상으로 가열된 상태에서 압력을 부여하고 강화 섬유 매트에 함침시키는 방법을 사용하는 것이 제조의 용이함의 관점에서 바람직하다. 구체적으로는, 강화 섬유 매트의 두께 방향의 양측으로부터 수지를 배치한 적층물을 용융 함침시키는 방법을 바람직하게 예시할 수 있다.
상기 각 방법을 실현하기 위한 설비로서는 압축 성형기나 더블 벨트 프레스를 적합하게 사용할 수 있다. 배치식의 경우에는 전자이고, 가열용과 냉각용의 2기 이상을 병렬한 간헐식 프레스 시스템으로 함으로써 생산성의 향상을 도모할 수 있다. 연속식의 경우에는 후자이고, 연속적인 가공을 용이하게 행할 수 있으므로 연속 생산성이 우수하다.
강화 섬유 매트가 부직포의 형태를 취하지 않는 예로서는 강화 섬유가 일방향으로 배열되어 이루어지는 시트 기재, 직물 기재 및 논크림프 기재 등이 있다. 이것들의 형태는 강화 섬유가 규칙적으로 빈틈없이 배치되기 때문에, 강화 섬유 매트중의 공극부가 적고 열가소성 수지가 충분한 앵커링 구조를 형성하지 않으므로, 그것을 코어 형성층으로 하면 접합 능력이 저하한다. 또한, 수지가 열가소성 수지인 경우, 함침이 매우 곤란해져 미함침부를 형성하거나, 함침 수단이나 수지종의 선택지를 크게 제한하거나 한다.
본 발명의 제조 방법에 있어서 얻어지는 구조체의 표면에 배치되어 있는 열경화성 수지를 포함하는 열경화성 수지 조성물, 및 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 수지 조성물에 있어서, 구조체에 부여하는 기능으로서는 착색 및 펄감이나 매탈릭감을 비롯한 의장성이나, 전자파 실드성, 통전성, 난연성, 내후성, 고강성 등을 들 수 있다. 예를 들면, 고강성을 목적으로 하는 경우, 연속한 강화 섬유에 수지를 함침시킨 시트 형상 중간 기재를 표면에 배치할 수도 있다. 여기에서, 연속한 강화 섬유란 적어도 일방향으로 100㎜ 이상의 길이로 연속한 것이고, 그 다수개가 일방향으로 배열한 집합체, 소위 강화 섬유속은 구조체의 전체 길이에 걸쳐 연속하고 있다. 연속한 강화 섬유로 이루어지는 시트 형상 중간 기재의 형태로서는 다수개의 연속한 강화 섬유로 이루어지는 강화 섬유속으로 구성된 크로스, 다수개의 연속한 강화 섬유가 일방향으로 배열된 강화 섬유속(일방향성 섬유속), 이 일방향성 섬유속으로 구성된 일방향성 크로스 등이다. 강화 섬유는 동일 형태의 복수개의 섬유속으로 구성되어 있어도, 또는 다른 형태의 복수개의 섬유속으로 구성되어 있어도 좋다. 하나의 강화 섬유속을 구성하는 강화 섬유수는, 통상 300~48,000개이지만, 프리프레그의 제조나 크로스의 제조를 고려하면, 바람직하게는 300~24,000개이고, 보다 바람직하게는 1,000~12,000개이다.
의장성을 부여하는 경우, 수지에 고체상의 첨가물로서 안료나 글라스비드 등을 혼련한 것을 들 수 있다. 고형상의 첨가물로서는 아조 안료, 프탈로시아닌 블루 등의 유기 안료, 알루미늄, 황동 등의 금속 분말로 이루어지는 금속 안료, 산화크롬, 코발트블루 등의 무기 안료를 들 수 있다. 그 중에서도, 내열성의 관점에서 금속 안료, 무기 안료가 바람직하다. 또한, 강화 섬유가 탄소 섬유나 아라미드 섬유 등과 같이 농색인 경우에는 굴절률이 다른 구조를 2층 이상 갖는 안료가 바람직하게 사용된다. 예를 들면, 산화티탄이나 산화철로 피복한 천연 마이카, 인공 마이카, 알루미나 플레이크, 실리카 플레이크, 유리 플레이크이다. 이러한 층 구조로 함으로써, 가시광선 영역의 광의 간섭, 회절, 산란이라고 한 광학 현상에 의해 발색시킬 수 있다. 광의 간섭, 회절, 산란이라고 한 광학 현상을 이용하면, 특정 파장의 광의 반사에 의해 발색할 수 있기 때문에, 농색의 강화 섬유를 사용했을 경우에 바람직하게 사용된다. 전자파 실드성이나 통전성을 부여하는 고체상의 첨가물로서는 은, 구리, 니켈 등의 금속분이나 페라이트, 카본블랙 등을 예시할 수 있다. 난연성을 부여하는 고체상의 첨가물로서는 인 화합물, 안티몬 화합물, 금속 수산화물, 아연 화합물, 멜라민 시아누레이트 등을 예시할 수 있다. 내후성을 부여하는 고체상의 첨가물로서는 자외선 흡수제나 힌다드 아민계 광안정제 등을 예시할 수 있다.
<구조체>
본 발명의 제조법에 의해 얻어진 구조체의 수지의 체적 함유율은 2.5체적% 이상, 85체적% 이하의 범위 내에 있다. 수지의 체적 함유율이 2.5체적% 미만인 경우, 구조체 중의 강화 섬유끼리를 결착하고 강화 섬유의 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 없고, 구조체의 역학 특성, 특히 굽힘 특성을 만족시킬 수 없게 되므로 바람직하지 않다. 한편, 수지의 체적 함유율이 85체적%보다 큰 경우에는 수지량이 너무 많음으로써 공극 구조를 취하는 것이 곤란하게 되므로 바람직하지 않다.
본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 구조체에 있어서, 강화 섬유의 체적 함유율은 0.5체적% 이상, 55체적% 이하의 범위 내가 되는 것이 바람직하다. 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5체적% 미만인 경우, 강화 섬유에 유래하는 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 없으므로 바람직하지 않다. 한편, 강화 섬유의 체적 함유율이 55체적%보다 큰 경우에는 강화 섬유에 대한 수지의 체적 함유율이 상대적으로 적어지기 때문에, 구조체 중의 강화 섬유끼리를 결착하여 강화 섬유의 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 없고, 구조체의 역학 특성, 특히 굽힘 특성을 만족시킬 수 없게 되므로 바람직하지 않다.
또한, 강화 섬유는 수지로 피복되어 있고, 수지의 두께가 1㎛ 이상, 15㎛ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 수지에 피복된 강화 섬유의 피복 상태는 적어도 구조체를 구성하는 강화 섬유의 단섬유끼리의 교차하는 점이 피복되어 있으면, 구조체의 형상 안정성이나 두께 제어의 용이함 및 자유도의 관점에서 충분하지만, 더욱 바람직한 형태로 하면, 수지는 강화 섬유의 주위에 상기 두께로 피복된 상태인 것이 바람직하다. 이 상태는 강화 섬유의 표면이 수지에 의해 노출되지 않는, 다시 말하면 강화 섬유가 수지에 의해 전선상의 피막을 형성하고 있는 것을 의미한다. 이에 따라, 구조체는 형상의 안정성을 더 가짐과 동시에, 역학 특성의 발현을 충분한 것으로 한다. 또한, 수지로 피복된 강화 섬유의 피복 상태는 그 강화 섬유의 모두에 있어서 피복되어 있을 필요는 없고, 본 발명에 따른 구조체의 형상 안정성이나, 굽힘 탄성률, 굽힘 강도를 손상시키지 않는 범위 내이면 좋다.
본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 구조체는, 예를 들면 「PC, 디스플레이, OA 기기, 휴대전화, 휴대 정보 단말, PDA(전자수첩 등의 휴대 정보 단말), 비디오카메라, 광학 기기, 오디오, 에어컨, 조명 기기, 오락용품, 완구용품, 기타 가전제 품 등의 하우징, 트레이, 섀시, 내장 부재, 또는 그 케이스」 등의 전기, 전자 기기부품, 「각종 부재, 각종 프레임, 각종 힌지, 각종 암, 각종 차축, 각종 차륜용 베어링, 각종 빔」, 「후드, 루프, 도어, 펜더, 트렁크 리드, 사이드 패널, 리어 엔드 패널, 프론트 보디, 언더 보디, 각종 필러, 각종 부재, 각종 프레임, 각종 빔, 각종 서포트, 각종 레일, 각종 힌지 등의 외판, 또는 보디 부품」, 「범퍼, 범퍼 빔, 몰, 언더 커버, 엔진 커버, 정류판, 스포일러, 카울루버, 에어로 부품 등의 외장 부품」, 「계기판, 시트 프레임, 도어 트림, 필러 트림, 핸들, 각종 모듈 등의 내장 부품」, 또는 「모터 부품, CNG 탱크, 가솔린 탱크」 등의 자동차, 이륜차용 구조 부품, 「배터리 트레이, 헤드 램프 서포트, 페달 하우징, 프로텍터, 램프 리플렉터, 램프 하우징, 노이즈 실드, 스페어 타이어 커버」 등의 자동차, 이륜차용 부품, 「방음벽, 방음벽 등의 벽 내부재」 등의 건재, 「랜딩 기어 포드, 윙 렛, 스포일러, 엣지, 래더, 엘리베이트, 페어링, 리브, 시트」 등의 항공기용 부품을 들 수 있다. 역학 특성의 관점에서는 자동차 내외장, 전기·전자 기기 하우징, 자전거, 스포츠용품용 구조재, 항공기 내장재, 수송용 보디, 건재에 바람직하게 사용된다. 그 중에서도, 특히 복수의 부품으로 구성되는 모듈 부재에 바람직하다. 또한, 본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 원기둥 형상, 다각기둥 형상, 이것들의 통 형상인 구조체는, 예를 들면 자동차의 필러, 자전거의 프레임, 각종 스포츠 경기용 라켓 프레임이나 샤프트, 건축물의 기둥이나 보 등에 사용하는 것이 가능하다.
(실시예)
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<평가·측정 방법>
(1) 구조체의 비중(ρ)
구조체로부터 시험편을 잘라내어 JIS K7222(2005)를 참고로 하여 구조체의 외관 비중을 측정했다. 시험편은 세로 100㎜, 가로 100㎜를 잘라냈다. 시험편의 세로, 가로, 두께를 마이크로미터로 측정하고, 얻어진 값으로부터 시험편의 체적(V)을 산출했다. 또한, 잘라낸 시험편의 질량(M)을 전자천칭으로 측정했다. 얻어진 질량(M) 및 체적(V), 다음식으로부터 외관 비중(ρ)을 산출했다.
ρ[g/㎤]=103×M[g]/V[㎣]
(2) 굽힘 시험
시험편으로서, 실시예 및 비교예에서 얻어지는 구조체와 동일한 조성이 되는 평판을 ISO178법(1993)에 기재된 두께가 되도록 평판을 제작했다. 제작한 평판으로부터, 시험편을 잘라내고, ISO178법(1993)에 따라 굽힘 탄성률을 측정했다. 시험편은 임의의 방향을 0° 방향으로 한 경우에 +45°, -45°, 90° 방향의 4방향에 대해서 잘라낸 시험편을 제작하고, 각각의 방향에 대해서 측정수는 n=5로 하여 산술 평균값을 굽힘 탄성률(Ec)로 했다. 측정 장치로서는 "INSTRON(등록상표)" 5565형 만능 재료 시험기(Instron·Japan 제작)를 사용했다. 얻어진 결과로부터 다음식에 의해 성형품의 비 굽힘 탄성률을 산출했다.
비 굽힘 탄성률=Ec1 /3/ρ
(3) 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')
구조체 전구체의 측정 샘플(두께 0.5㎜, 폭 10㎜)로 하고, 동적 점탄성 해석(DMA)에 의해 승온 속도를 5℃/분, 꼬임 진동 주파수 0.5Hz, 변형량 0.1%의 조건 하 승온하여 DMA에 의해 평가했다. 이 평가 조건에 있어서, 각 성형 조건에 있어서의 구조체 전구체의 도달 온도에 있어서의 저장 탄성률(G')을 구했다. 여기에서는 측정 장치로서, TA Instruments 제작, ARES를 사용했다.
(4) 구조체 전구체의 유리전이온도(Tg)
JIS K7121(1987)에 기재된 방법에 근거하고, Pyris 1DSC(PerkinElmer Co., Ltd. 제작 시차주사 열량계)를 이용하여 승온 속도 10℃/분으로 행했다. 얻어진 DSC 곡선이 계단상 변화를 나타내는 부분의 중간점을 유리전이온도로 했다. 이 측정에 있어서, 얻어진 수지 조성물의 초기 유리전이온도(Tg)와, 포화한 유리전이온도(Tg)로부터 경화도의 지표로 했다. 다음에, 실시예에서 행하는 가열 온도와 가열 시간의 조건에 있어서 구조체 전구체를 미리 성형하고, 얻어진 성형품에 대해서 유리전이온도를 측정했다. 얻어진 유리전이온도와 지표로 한 유리전이온도의 범위로부터 구조체 전구체의 경화도로 했다.
<사용한 재료>
평가에 사용한 재료를 이하에 나타낸다.
[재료 1]
폴리아크릴로니트릴을 주성분으로 하는 공중합체로부터 방사, 소성 처리 및 표면 산화 처리를 행하여, 총 단사수 12,000개의 연속 탄소 섬유를 얻었다. 이 연속 탄소 섬유인 강화 섬유 1의 특성은 다음에 나타내는 바와 같았다.
단섬유 지름: 7㎛
단위길이당 질량: 1.6g/m
비중: 1.8
인장 강도: 4600㎫
인장 탄성률: 220㎬
얻어진 강화 섬유 1을 카트리지 커터로 6㎜로 컷팅하고, 촙드 탄소 섬유를 얻었다. 물과 계면활성제(Nacalai Tesque 제작, 폴리옥시에틸렌라우릴에테르(상품명))로 이루어지는 농도 0.1질량%의 분산액을 제작하고, 이 분산액과 상기 촙드 탄소 섬유를 이용하고, 도 2에 나타내는 초지 기재의 제조 장치를 이용하여 초지 기재를 제조했다. 제조 장치는 분산조로서의 용기 하부에 개구 콕을 갖는 직경 1000㎜의 원통 형상의 용기, 분산조와 초지조를 접속하는 직선 형상의 수송부(경사각 30°)를 구비하고 있다. 분산조의 상면의 개구부에는 교반기가 부속되고, 개구부로부터 촙드 탄소 섬유 및 분산액(분산 매체)을 투입 가능하다. 초지조가 저부에 폭 500㎜의 초지면을 갖는 메쉬 컨베이어를 구비하는 조인 점, 및 탄소 섬유 기재(초지 기재)를 운반 가능한 컨베이어를 메쉬 컨베이어에 접속하고 있다. 초지는 분산액 중의 탄소 섬유 농도를 0.05질량%로서 행했다. 초지한 탄소 섬유 기재는 200℃의 건조로에서 30분간 건조했다. 얻어진 탄소 섬유 기재의 폭은 500㎜, 길이는 500㎜, 단위면적당 중량은 100g/㎡이었다.
수지로서 미변성 폴리프로필렌 수지(Prime Polymer Co., Ltd. 제작 "프라임 폴리프로필렌" J105G) 80중량%와, 산변성 폴리프로필렌 수지(Mitsui Chemicals, Inc. 제작 "ADMER" QB510) 20중량%로 이루어지는 단위면적당 중량 100g/㎡의 시트를 제작했다. 얻어진 탄소 섬유 기재와 수지 시트를 수지 시트/탄소 섬유 기재/수지 시트가 되도록 적층하여 적층체를 얻었다. 얻어진 적층체를 2장의 금속판에 끼워, 열반 온도가 230℃인 프레스기에 있어서 면압 3㎫로 금속판과 함께 가압·가열을 행했다. 5분 후, 프레스기의 가압을 중지하고, 열반 온도가 100℃인 프레스기에 있어서 면압 3㎫로 가압·냉각을 행했다. 5분 후, 프레스기의 가압을 중지하고, 구조체 전구체가 되는 표 1에 나타내는 재료 1을 얻었다. 상기 측정 방법으로 측정한 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')은 1.5×106㎩이었다.
[재료 2]
수지의 단위면적당 질량을 135g/㎡로 한 것 이외에는 재료 1과 마찬가지로 수지 시트를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유 기재와 수지 시트를 사용하고, 수지 시트/탄소 섬유 기재/수지 시트/탄소 섬유 기재/수지 시트가 되도록 적층하여 적층체를 얻었다. 얻어진 적층체를 사용한 것 이외에는 재료 1과 마찬가지로 구조체 전구체가 되는 표 1에 나타내는 재료 2를 얻었다.
[재료 3]
수지로서, "jER"(등록상표) 1007(Mitsubishi Chemical Corporation 제작)을 40질량부, "jER"(등록상표) 630을 20질량부, "EPICLON"(등록상표) 830(DIC Corporation 제작)을 40질량부, 경화제로서 DICY7(Mitsubishi Chemical Corporation 제작)을 전체 에폭시 수지 성분의 에폭시기에 대하여, 활성 수소기가 0.9당량이 되는 양, 경화촉진제로서 DCMU99(Hodogaya Chemical Co., Ltd. 제작)를 2질량부 사용하여 수지(b)를 조제했다. 조합한 수지와 리버스 롤 코터를 사용하여 이형지 상에 도포하고, 단위면적당 질량이 125g/㎡인 필름 상의 수지를 제작했다. 얻어진 필름 상의 수지와 탄소 섬유 기재를 수지 필름/탄소 섬유 기재/수지 필름이 되도록 적층하고, 70℃로 온도 조절한 프레스기에 있어서, 면압 0.1㎫의 가압 하에서 1.5시간 가열하여 구조체 전구체가 되는 표 1에 나타내는 재료 3을 얻었다. 상기 측정 방법으로 측정한 구조체 전구체의 경화도는 60%이었다.
[재료 4]
Toray Industries, Inc. 제작 "TORAYCA" 프리프레그 P3252S-12를 재료 4로 했다(표 1 참조).
[재료 5]
재료 1에서 사용한 촙드 탄소 섬유와 폴리프로필렌 수지를 사용하여 실린더 온도를 230℃로 설정한 2축 압출기에서 폴리프로필렌 수지를 용융 혼련시킨 후, 압출기의 사이드 피더로부터 촙드 탄소 섬유를 투입하고 더 혼련했다. 혼련된 수지를 거트 형상으로 인출하여 냉각시킨 후, 길이 6㎜의 펠렛으로 가공하여 구조체 전구체가 되는 표 1에 나타내는 재료 5를 얻었다.
(실시예 1)
실시예 1-(A):
구조체 전구체로서 재료 1로부터 소정의 크기를 갖는 시트를 잘라냈다. 잘라낸 구조체 전구체를 도 3에 나타내는 바와 같이 권취 형상체로 하여 금형 내에 배치했다. 도 3에 있어서, 부호 2는 구조체 전구체, 부호 3은 금형, 부호 4는 캐비티를 나타낸다. 이 때의 재료나 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 2에 나타낸다.
실시예 1-(B):
구조체 전구체를 배치한 금형, 분위기 온도를 230℃로 설정한 열풍 건조기 내에 넣어 수지를 용융 상태로 했다. 이 때의 성형 시간과 금형 온도는 표 2에 나타낸다.
실시예 1-(C):
수지가 용융 상태가 된 것을 확인한 후, 금형을 건조기로부터 인출하고 냉각을 행했다. 이 때의 성형 시간과 금형 온도는 표 2에 나타낸다.
실시예 1-(D):
수지가 고화한 것을 확인한 후, 금형으로부터 성형품을 탈형하고 구조체 1을 얻었다.
(실시예 2)
실시예 2-(A):
도 4에 나타내는 바와 같이 금형(3)의 캐비티(4)의 형상을 사각형상으로 하고 이 금형(3) 내에 권취 형상체로 한 구조체 전구체를 배치했다. 이 때의 재료나, 금형(3)의 캐비티(4)에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 2에 나타낸다.
실시예 2-(B)~(D):
표 2에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 구조체(2)를 얻었다.
(실시예 3)
실시예 3-(A):
실시예 1과 마찬가지로, 금형 내에 구조체 전구체를 배치한 후 도 5에 나타내는 바와 같이 캐비티(4) 내에 심재(5)를 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 2에 나타낸다.
실시예 3-(B)~(D):
표 2에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 구조체 3을 얻었다.
(실시예 4)
실시예 4-(A):
실시예 2와 마찬가지로, 금형 내에 구조체 전구체를 배치한 후, 도 6에 나타내는 바와 같이 캐비티(4) 내에 심재(5)를 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 2에 나타낸다.
실시예 4-(B)~(D):
표 2에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 구조체 4를 얻었다.
(실시예 5)
실시예 5-(A):
표 2에 나타내는 구조체 전구체를 사용한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로, 금형 내에 구조체 전구체를 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 2에 나타낸다.
실시예 5-(B)~(D):
표 2에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 구조체 5를 얻었다.
(실시예 6)
실시예 6-(A):
재료 1로부터, 세로 300㎜, 가로 10㎜가 되는 긴 직사각 형상의 구조체 전구체를 60장 준비했다. 이것들의 긴 직사각 형상의 구조체 전구체를 도 7에 나타내는 바와 같이 금형(3) 내의 캐비티(4)에 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 2에 나타낸다.
실시예 6-(B)~(D):
표 2에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 구조체 6을 얻었다.
(실시예 7)
실시예 7-(A):
도 8에 나타내는 바와 같이 구조체 전구체(2)를 배치하는 것과 가로 10㎜가 되는 긴 직사각 형상의 구조체 전구체를 75장 사용한 것 이외에는 실시예 6과 마찬가지로 금형 내에 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 3에 나타낸다.
실시예 7-(B)~(D):
표 3에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 구조체 7을 얻었다.
(실시예 8)
실시예 8-(A):
재료 2로부터, 세로 300㎜, 가로 3㎜가 되는 긴 직사각 형상의 구조체 전구체를 100장 준비했다. 이것들의 긴 직사각 형상의 구조체 전구체를 사용한 것 이외에는 실시예 6과 마찬가지로 금형 내에 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 3에 나타낸다.
실시예 8-(B)~(D):
표 3에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 구조체 8을 얻었다.
(실시예 9)
실시예 9-(A):
도 9(a)에 나타내는 바와 같이 구조체 전구체(2)의 단으로부터 100㎜의 위치로부터 10㎜ 간격의 노치(6)를 넣은 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 금형 내에 구조체 전구체를 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 3에 나타낸다.
실시예 9-(B)~(D):
표 3에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 구조체 9를 얻었다.
(실시예 10)
실시예 10-(A):
표 3에 나타내는 구조체 전구체 및 금형을 사용한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 금형 내에 구조체 전구체를 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티 에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 3에 나타낸다.
실시예 10-(B)~(D):
표 3에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 구조체 10을 얻었다.
(실시예 11)
실시예 11-(A):
표 3에 나타내는 재료 5를 사용한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 금형 내에 구조체 전구체를 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 3에 나타낸다.
실시예 11-(B)~(D):
표 3에 기재된 성형 온도나 시간으로 한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 구조체 11을 얻었다.
(실시예 12)
보강층으로서 재료 4를 금형 내에 배치한 후, 구조체 전구체를 금형 내에 배치 한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 금형 내에 배치했다. 이 때의 재료나, 금형의 캐비티에 대한 구조체 전구체의 충전율에 대해서는 표 3에 나타낸다.
(비교예 1)
실시예 1과 동일한 형상을 갖은 금형과 사출 성형기를 준비하고, 실린더 온도 230℃, 금형 온도 60℃가 되도록 설정하여 사출 성형을 행하고, 재료 5를 사용하여 구조체 51을 얻었다. 이 때, 금형의 형체력은 150톤으로 했다.
(비교예 2)
심재에 신축성을 갖는 통 형상의 필름을 권취하고, 그 상에서 재료 3을 권취하여 프리폼을 제작했다. 통 형상 필름의 일단의 구를 연결하여 공기가 새지 않도록 처치한 후에 심재를 빼고, 다른 일단의 구를 압축 공기 공급 장치에 접속하여 프리폼을 금형 내에 배치했다. 금형을 열반 온도가 150℃가 되도록 설정한 프레스 기 내에 배치하고, 면압이 1.0㎫가 되도록 가압했다. 그 후, 0.5㎫의 압축 공기를 공급하고, 통 형상의 필름 내를 압축 공기로 충족시켰다. 30분 후, 압축 공기의 공급을 정지하고, 금형을 프레스기로부터 인출했다. 그 후, 금형으로부터 성형품을 인출하여 구조체 52를 얻었다.
(비교예 3)
가열 장치(7)에 의해 수지를 용융 상태로 한 재료 1(구조체 전구체)(부호 8)을 도 10(a)에 나타내는 금형을 고정한 프레스기(9)에 배치하고, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이 면압이 5.0㎫가 되도록 가압했다. 이 때의 금형 표면 온도는 100℃이고, 5분 후에 가압을 정지하여 성형품을 탈형하고 구조체(10a)를 얻었다(도 10(c) 참조). 마찬가지로, 구조체(10b)도 얻었다. 얻어진 구조체(10a) 및 구조체(10b)의 접합면에 접착제(11)를 도포하고, 겹쳐서 원통 형상의 구조체(12)를 얻었다(도 10(d) 참조).
상기 실시예 1~12에 있어서, 복잡한 형상을 용이하게 형성하고, 경량성 및 역학 특성이 우수한 구조체를 얻을 수 있었다. 또한, 부자재나 프레스 성형기를 사용하지 않기 때문에, 많은 비용을 필요로 하지 않고 구조체를 얻을 수 있었다. 또한, 실시예 3~12에 있어서, 통 형상의 형상도 주상체와 마찬가지로 용이하게 얻을 수 있었다. 실시예 5에 있어서, 보다 경량성이 향상된 구조체를 얻을 수 있었다. 실시예 6~8에 있어서, 긴 직사각 형상의 구조체 전구체를 사용함으로써 프리포밍에 들이는 시간을 단축시킬 수 있었다. 실시예 9에 있어서, 구조체 전구체에 노치를 넣음으로써, 구조체 전구체의 변형이 더욱 용이하게 되어 프리포밍이 용이하게 되었다. 실시예 10에 있어서, 직경이 작은 형상의 구조체를 얻을 수 있었다. 실시예 11에 있어서, 수지에 열경화성 수지를 사용한 구조체를 얻을 수 있었다. 실시예 12에 있어서, 구조체의 표층에 보강층을 형성한 구조체를 얻을 수 있고, 보다 역학 특성이 우수한 구조체를 얻을 수 있었다.
한편, 비교예 1에 있어서는 사출 성형기가 필요하고, 높은 형체력도 필요로 하기 때문에 복잡한 형상을 형성하는 것은 가능하지만, 많은 비용을 필요로 했다. 비교예 2에 있어서는 프리포밍에 많은 시간을 들일 필요가 있어 생산성에 걸었다. 비교예 3에서는 프레스 성형기가 필요하고, 또한 원통을 한번 성형으로 얻는 것이 불가능했다. 이 때문에, 접착제로 접합할 필요가 있고, 접착제에 의해 중량이 증가하고, 또한 접합부가 허약부가 될 수 있기 때문에 역학 특성이 우수한 구조체라고는 할 수 없다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명에 의하면, 복잡한 형상을 용이하게 형성 가능하고, 경량성 및 역학 특성이 우수한 구조체를 제조 가능한 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 많은 비용을 필요로 하지 않고, 구조체를 제조 가능한 구조체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
1a~1f 단섬유 2 구조체 전구체
3 금형 4 캐비티
5 심재 6 노치
7 가열 장치 8 구조체 전구체
9 프레스기 10a, 10b, 12 구조체
11 접착제
3 금형 4 캐비티
5 심재 6 노치
7 가열 장치 8 구조체 전구체
9 프레스기 10a, 10b, 12 구조체
11 접착제
Claims (15)
- 열가소성 수지와 강화 섬유와 공극을 갖는 구조체의 제조 방법으로서,
상기 열가소성 수지와 상기 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 표면 온도가 80℃ 이하인 금형에 배치하는 제 1 공정과,
상기 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108㎩ 미만이 되는 온도까지 상기 금형의 표면 온도를 상승시키는 제 2 공정과,
상기 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108㎩ 이상이 되는 온도까지 상기 금형의 표면 온도를 하강시키는 제 3 공정과,
상기 제 3 공정 종료 후에 얻어진 구조체를 상기 금형으로부터 탈형하는 제 4 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 열경화성 수지와 강화 섬유와 공극을 갖는 구조체의 제조 방법으로서,
경화 전의 상기 열경화성 수지와 상기 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 표면 온도가 80℃ 이하인 금형에 배치하는 제 1 공정과,
상기 구조체 전구체의 경화도가 10% 이상, 90% 이하가 되는 온도까지 상기 금형의 표면 온도를 상승시키는 제 2 공정과,
상기 구조체 전구체의 경화도가 90%보다 높아지는 상태까지 형상을 유지하는 제 3 공정과,
상기 제 3 공정 종료 후에 얻어진 구조체를 상기 금형으로부터 탈형하는 제 4 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 구조체 전구체의 상기 금형 내에 있어서의 충전율이 상기 금형의 캐비티의 10% 이상, 80% 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 공정 및 상기 제 3 공정에 있어서의 상기 금형에 대한 가압력이 0㎫ 이상, 5㎫ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형의 캐비티의 크기가 성형의 전후에서 변화되지 않는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
열경화성 수지를 포함하는 열경화성 수지 조성물, 및 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 수지 조성물 중 적어도 일방을 상기 구조체 전구체 또는 상기 구조체의 표면에 배치하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형의 중량이 30㎏ 이하인 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구조체 전구체에 발포제가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 구조체 전구체가 강화 섬유를 갖는 매트와 열가소성 수지를 갖는 매트릭스 수지를 갖고, 강화 섬유를 갖는 매트에 미리 수지가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 강화 섬유를 갖는 매트가 습식 초지법, 건식 초지법, 에어레이드법 및 제직법 중 어느 하나의 방법으로 제조된 부직포 형상인 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 구조체 전구체를 구성하는 매트릭스 수지가 필름, 입자, 섬유 및 액체 중 어느 하나의 형태로 부여되는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 공정은 상기 구조체 전구체를 긴 직사각 형상 또는 권취 형상체로 하여 금형에 배치하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형의 형상이 원기둥 형상, 다각기둥 형상, 또는 이것들의 통 형상인 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 공정 및 상기 제 3 공정에 있어서의 상기 금형에 대한 가압력이 0㎫인 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 구조체 전구체가 강화 섬유를 갖는 매트와 열경화성 수지를 갖는 매트릭스 수지를 갖고, 강화 섬유를 갖는 매트에 미리 수지가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 구조체의 제조 방법.
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