KR102239093B1 - 보강 복합재 및 이를 포함하는 물품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 제1 섬유 보강 시트; 및 하나 이상의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 제1 보강층;및 상기 제1 보강층에 적층된 하나 이상의 제3 섬유 보강 시트를 포함하는 제2 보강층을 포함하는 보강 복합재로, 이때 상기 제1 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제1 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강재 및 제1 수지 기지재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제2 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함하고, 상기 제3 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제3 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제3 섬유 보강재 및 제3 수지 기지재를 포함하고, 상기 제1 방향, 제2 방향 및 제3 방향은 서로 다른, 보강 복합재에 대한 것이다. 또한 본 발명은 본 발명의 보강 복합재를 포함하는 물품에 대한 것이다.

Description

보강 복합재 및 이를 포함하는 물품 {COMPOSITE MATERIAL FOR REINFORCEMENT AND ARTICLES COMPRISING THE SAME}
본 발명은 굴곡강도, 강성, 신율 및 충격흡수에너지가 모두 우수한 보강 복합재에 대한 것이다.
근래에는 원유 가격의 상승 및 에너지 절약에 관한 관심이 크게 증대되고 있으며, 이에 상응하여 차량, 항공기 등의 운송 수단에 있어서 연비를 향상시키고, 경량화를 도모하는 것이 중요한 요소 중 하나이다.
기존의 차량 및 항공기 등을 구성하는 부품들은 대부분이 금속을 주요 재질로 하여 높은 강도 및 강성을 확보하고자 하였다. 부품들이 금속으로 제조되는 경우에는 가공 시 비용이 많이 들고, 중량이 커서 연비 향상 또는 경량화에 불리한 면이 있었다. 따라서, 최근에는 다양한 부품들이 경량화 도모 목적에 부합하도록 금속 대신 플라스틱을 주요 재질로 하여 제조되고 있다. 플라스틱은 일반적으로 금속에 비하여 비중이 약 1/4 내지 약 1/5 정도 수준이므로 경량화 효과를 얻을 수 있고, 연비를 향상시킬 수 있다.
다만, 금속은 파괴에 대한 저항이 높아서 외력에 의한 영구 변형을 통해 최대 강도 도달 후에도 재료의 완전한 파단을 지연시키고, 에너지를 저장하며, 변형도가 큰 장점이 있다. 이에 비해, 플라스틱 재료의 경우 매우 작은 신율에서 재료의 최대 강도를 보인 후 급격한 파단이 이루어지는 형태의 거동을 보이며, 외력이 가해졌을 때, 파단 전에 영구 변형이 이루어지지 않고, 변형도가 적은 단점이 있다.
따라서, 경량화 소재 개발에 부합하여 기계적 물성을 확보하면서, 변형도가 높은 복합 재료가 연구되고 있다. 예컨대 일본공개특허 2016-064646호에는 탄소섬유 강화 플라스틱이 개시되어 있다.
그러나 굴곡강도, 강성, 신율 및 충격흡수에너지가 모두 고르게 우수한 보강 복합재에 대한 수요가 여전히 있다.
본 발명의 목적은 굴곡강도, 강성, 신율 및 충격흡수에너지가 모두 고르게 우수한 보강 복합재를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
하나 이상의 제1 섬유 보강 시트 및 하나 이상의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 제1 보강층;및
상기 제1 보강층에 적층되고, 하나 이상의 제3 섬유 보강 시트 및 하나 이상의 제4 섬유 보강 시트를 포함하는 제2 보강층을 포함하는 보강 복합재로,
이때 상기 제1 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제1 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강재 및 제1 수지 기지재를 포함하고,
상기 제2 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제2 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함하고,
상기 제3 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제3 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제3 섬유 보강재 및 제3 수지 기지재를 포함하고,
상기 제4 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제4 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제4 섬유 보강재 및 제4 수지 기지재를 포함하고,
상기 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향 및 제4 방향은 서로 다른,
보강 복합재를 제공한다.
또한 본 발명은 본 발명의 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.
본 발명의 보강 복합재는 굴곡강도, 강성, 신율 및 충격흡수에너지가 모두 고르게 우수한 특징이 있다.
도 1은 섬유 보강 시트에 있어서, 보강 요구 방향 및 배향성을 설명한다.
본 발명은
하나 이상의 제1 섬유 보강 시트 및 하나 이상의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 제1 보강층;및
상기 제1 보강층에 적층되고, 하나 이상의 제3 섬유 보강 시트 및 하나 이상의 제4 섬유 보강 시트를 포함하는 제2 보강층을 포함하는 보강 복합재로,
이때 상기 제1 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제1 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강재 및 제1 수지 기지재를 포함하고,
상기 제2 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제2 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함하고,
상기 제3 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제3 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제3 섬유 보강재 및 제3 수지 기지재를 포함하고,
상기 제4 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제4 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제4 섬유 보강재 및 제4 수지 기지재를 포함하고,
상기 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향 및 제4 방향은 서로 다른,
보강 복합재에 대한 것이다.
또한 본 발명은 본 발명의 보강 복합재를 포함하는 물품에 대한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
보강 요구 방향
“보강 요구 방향(Reinforcement required direction)”이란 보강 복합재를 적용한 물품이 차량 또는 항공기 등에 장착될 때, 혹은 장착 이후 차량 또는 항공기 등이 가동 및 운동할 때, 외부에서 가해지는 외력 또는 하중을 고려하여 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향을 의미한다. 이러한 보강 요구 방향은 상기 보강 복합재가 적용된 물품이 차량 또는 항공기 등의 부품으로 이에 장착될 때의 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.
배향성
본 발명의 섬유 보강 시트는 수지 기지재(30)가 상기 섬유 보강재(20)에 함침된 구조로, 이때 섬유 보강재는 배향성을 갖는다. 배향성이란 섬유 보강재(20)의 섬유 단일 가닥들이 어느 일 방향으로 나란히 배열된 것을 의미한다. 이러한 섬유 보강재(20)를 포함하는 섬유 보강 시트(10)는 소위 UD 시트(unidirection sheet) 또는 UD 프리프레그(unidirection prepreg)라고도 한다. 즉, 상기 보강 복합재(100)는 복수의 UD 시트 또는 복수의 UD 프리프레그의 적층체를 포함할 수 있다.
본 발명의 섬유 보강재는, 특히 보강 요구 방향에 대하여 특정 방향의 배향성을 갖는다. 도 1을 참조할 때, 본 발명의 섬유 보강재는 보강 요구 방향(X)에 대하여 섬유 보강재의 배열 방향과의 각도만큼 배향성을 갖는다. 이때, 보강 요구 방향과 섬유 보강재의 배열 방향과의 각도 중 예각이 섬유 보강 방향에 대하여 시계방향인 경우 + 방향의 배향성을 갖는다고 말하고, 예각이 섬유 보강 방향에 대하여 시계반대방향인 경우 - 방향의 배향성을 갖는다고 말한다.
예컨대, 도 1의 오른쪽 상단의 경우 보강 요구 방향(X)에 대하여 섬유 보강재는 +θ 각도의 배향성을 갖는 섬유 보강 시트(11)를 나타낸다. 또한 도 1의 오른쪽 하단의 경우, 보강 요구 방향(X)에 대하여 섬유 보강재는 -θ 각도의 배향성을 갖는 섬유 보강 시트(12)를 나타낸다. 이와 같이 섬유 보강 시트들이 적층되어 보강층(10)을 형성할 수 있다. 이때 각도는 업계에서 일반적으로 사용하는 측정 기기를 이용할 때의 결과값으로, 실질적, 실험적 오차값을 포함한다.
섬유 보강재
제1 섬유 보강재, 제2 섬유 보강재, 제3 섬유 보강재 및 제4 섬유 보강재는 서로 동일하거나 다를 수 있다.
제1 섬유 보강재, 제2 섬유 보강재, 제3 섬유 보강재 및 제4 섬유 보강재는 연속 섬유이다. 연속 섬유'란 구조적으로 절단되지 않고 길게 연속되어 있는 섬유를 의미하며, 상기 섬유 보강 시트의 전체 크기에 의존하여 그 내부에서 끊어지지 않고 연속적인 형태로 존재하는 섬유를 의미한다. 상기 섬유 보강재가 연속 섬유의 형태로 사용됨으로써, 장섬유 또는 단섬유와 같이 소정의 길이를 갖도록 절단된 비연속 섬유를 사용하는 경우에 비하여 배향성을 더 잘 형성하고 유지할 수 있으며, 내충격성 향상을 위하여 상기 물품의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도의 제어를 더욱 용이하게 할 수 있다.
제1 섬유 보강재, 제2 섬유 보강재, 제3 섬유 보강재 및 제4 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 보강재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있고, 이 경우 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리할 수 있다.
상기 섬유 보강재는 섬유 단일 가닥들의 집합체를 지칭하는 것이며, 상기 섬유 단일 가닥들은 각각 단면의 직경이, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 200㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 50㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 30㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 섬유 단일 가닥들이 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 배향성을 가지면서 1겹 내지 30겹으로 나란히 배열될 수 있고, 상기 섬유 보강 시트의 제조 과정에서 상기 수지 기지재의 함침이 용이할 수 있다. 또한, 상기 섬유 보강 시트가 적절한 두께로 형성될 수 있다.
수지 기지재
본 발명의 수지 기지재(matrix)는 수지를 포함하며, 물품의 종류 및 요구되는 성능에 따라 다양한 종류의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 선택하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 수지 기지재는 열가소성 수지로서, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 방향족 또는 지방족 폴리아미드(PA) 수지 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 수지 기지재는 PA6, PA66, PET 등이 될 수 있다. 또한, 상기 수지 기지재는 열경화성 수지로서, 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 섬유 보강 시트가 전술한 종류의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 사용하는 경우, 상기 보강 복합재가 충격 흡수 성능이 주요하게 요구되는 물품에 적용되기 유리한 이점을 얻을 수 있다.
상기 수지 기지재는 상기 수지를 주재료로 하면서, 적절하게는 열안정제, 커플링제, 상용화제, 가소제, 가교제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 첨가제를 더 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있다.
이때 제1 수지 기지재, 제2 수지 기지재, 제3 수지 기지재 및 제4 수지 기지재는 서로 동일하거나 또는 다를 수 있다.
섬유 보강 시트
본 발명의 섬유 보강 시트는 수지 기지재가 상기 섬유 보강재에 함침된 구조이다. 상기 섬유 보강 시트는 상기 섬유 보강재를 약 10중량% 내지 약 90중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 20중량% 내지 약 70중량% 포함할 수 있다. 상기 섬유 보강 시트가 섬유 보강재를 상기 범위의 함량으로 함유함으로써 상기 보강 복합재가 강도 및 강성을 일정 수준 이상으로 보완할 수 있고, 적절한 층수의 섬유 보강 시트를 적층하여 신율 및 에너지 흡수율이 향상된 보강재를 얻을 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유 보강 시트는 두께가 약 50㎛ 내지 약 10000㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎛ 내지 약 2000㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎛ 내지 약 1000㎛일 수 있다. 상기 섬유 보강 시트의 두께가 상기 범위를 만족함으로써 상기 섬유 보강 시트가 상기 범위 내에서 얇은 두께를 가질수록, 이들을 복수로 적층하여 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였을 때, 강도 및 신율의 향상 효과가 우수할 수 있다.
상기 복수의 섬유 보강 시트는 고온에서 가압함으로써 합지될 수 있고, 이로써 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하는 보강 복합재를 제조할 수 있다. 상기 복수의 섬유 보강 시트를 가압하는 온도 및 압력은 상기 수지 기지재의 유동성이 최대화되면서 상기 섬유 보강재의 배향성이 틀어지지 않는 적절한 온도 및 압력을 선택하는 것이 중요하다.
일 구현예에서, 상기 섬유 보강재는 단면의 직경이 전술한 범위를 갖는 유리 섬유의 집합체일 수 있고, 상기 수지 기지재는 폴리프로필렌 수지를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 복수의 섬유 보강 시트는 약 150℃ 내지 약 250℃의 온도 및 약 0.1Ton 내지 약 200Ton의 압력에서 가압하여 합지될 수 있고, 이로써 상기 수지 기지재의 유동성이 최대화되면서 상기 섬유 보강재의 배향성이 틀어지지 않는 이점을 얻을 수 있다.
제1 섬유 보강 시트
제1 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제1 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강재 및 제1 수지 기지재를 포함한다. 이때 제1 방향은 보강 요구 방향에 대하여 0°이다.
제2 섬유 보강 시트
제2 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제2 방향으로 배향성을 갖는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함한다. 이때 제1 방향은 보강 요구 방향에 대하여 90°이다.
제3 섬유 보강 시트 및 제4 섬유 보강 시트
제3 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제3 방향으로 배향성을 갖는 제3 섬유 보강재 및 제3 수지 기지재를 포함한다. 또한 제4 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제4 방향으로 배향성을 갖는 제4 섬유 보강재 및 제4 수지 기지재를 포함한다. 이때 제3 방향은 보강 요구 방향에 대하여 0° 초과 45 ° 이하이고, 바람직하게는 1 ° 이상 44 ° 이하이다. 또한 제4 방향은 보강 요구 방향에 대하여 -0° 초과 -45 ° 이하이고, 바람직하게는 -1 ° 이상 -44 ° 이하이다. 이때 제3 방향과 제4 방향의 각도의 절대값은 동일하다. 즉, 제3 섬유 보강 시트의 제3 섬유 보강재가 +θ°의 배향성을 갖는 경우, 제4 섬유 보강 시트의 제4 섬유 보강재는 - θ°의 배향성을 갖는다. 예컨대, 제3 섬유 보강 시트의 제3 섬유 보강재가 +35°의 배향성을 갖는 경우, 제4 섬유 보강 시트의 제4 섬유 보강재는 -35°의 배향성을 갖는다
제1 보강층
본 발명의 제1 보강층은 하나 이상의 제1 섬유 보강 시트; 및 하나 이상의 제2 섬유 보강 시트를 포함한다. 예컨대, 제1 보강층 내에 제1 섬유 보강 시트 및 제2 섬유 보강 시트는 1 : 0.3 내지 0.7의 중량비로 포함될 수 있으며, 적층 방식은 다양할 수 있다. 예컨대, 제1 보강층 내 제1 섬유 보강 시트(A) 및 제2 섬유 보강 시트(B)는 A/B/A/B/A/B 구조로 적층될 수도 있고, A/A/B/A/A/B 구조로 적층될 수도 있다. 제1 섬유 보강 시트의 두께 및 제2 섬유 보강 시트의 두꼐는 동일하거나 다를 수 있다.
제2 보강층
본 발명의 제2 보강층은 상기 제1 보강층의 한 면에 적층되며, 하나 이상의 제3 섬유 보강 시트 및 하나 이상의 제4 섬유 보강 시트를 포함한다. 이때 제2 보강층 내에 제3 섬유 보강 시트 및 제4 섬유 보강 시트는 1 : 0.8 내지 1.2의 중량비로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1 : 0.9 내지 1.1의 중량비로 포함되고, 더욱 바람직하게는 1: 1의 중량비로 포함된다. 제3 섬유 보강 시트의 두께 및 제4 섬유 보강 시트의 두꼐는 동일하거나 다를 수 있으나, 동일한 편이 제조 편의 상 바람직하다.
상기 제1 보강층의 두께 : 제2 보강층의 두께는 1 : 0.5 내지 0.8인 것이 바람직하다. 제3 섬유 보강 시트 및 제4 섬유 보강 시트의 적층 방식은 다양할 수 있다. 예컨대, 제2 보강층 내 제3 섬유 보강 시트(C) 및 제4 섬유 보강 시트(D)는 C/D/C/D/C/D 구조로 적층될 수도 있고, C/C/D/D/C/C/D/D 구조로 적층될 있다.
물품
본 발명은 또한 본 발명의 보강 복합재를 포함하는 물품에 대한 것이다.
상기 물품은 차량, 항공기 등의 운송 수단(vehicle)의 외부 또는 내부에 설치 또는 적용되는 다양한 부품일 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 보강 복합재를 플라스틱 재질의 물품에 적용하는 경우, 금속 재질의 물품 대비 강도, 강성, 신율 및 에너지 흡수 성능을 크게 향상시키는 이점을 갖는다.
상기 보강 복합재는 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부 표면에 배치될 수도 있고, 물품의 본체를 이루는 재질 자체로 활용될 수도 있다.
구체적으로, 상기 보강 복합재 물품의 본체 내부 표면에 배치되는 경우, 상기 물품의 본체 내부, 즉, 차량 또는 항공기에 장착되었을 때 외부로 드러나지 않는 본체 내부의 표면 상에 배치될 수 있다. 상기 보강 복합재는 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부의 표면에 배치됨으로써 외관으로 드러나지 않으면서 물성을 보완하는 역할을 수행할 수 있고, 상기 물품의 본체를 성형하는 동시에 상기 보강 복합재를 배치하기에 용이할 수 있다.
구체적으로, 상기 별도의 재질로 형성된 물품의 본체는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성될 수 있다. 본 명세서에서, '플라스틱 복합재료'란 플라스틱을 주요 성분으로 하는 재료를 의미한다. 예를 들어, 상기 플라스틱 복합재료는 장섬유, 단섬유 또는 연속섬유를 포함하는 섬유와 플라스틱 수지를 포함하는 섬유 강화 플라스틱 복합재료일 수 있고, 상기 섬유 및 플라스틱 수지의 종류는 물품의 용도에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
상기 보강 복합재는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 상기 물품의 본체를 제조할 때, 미리 금형에 배치될 수 있고, 상기 플라스틱 복합재료를 금형에 사출하여 용도에 적합한 형상으로 성형함으로써 상기 복합재가 적용된 물품을 제조할 수 있다. 상기 물품의 본체가 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성됨으로써 상기 보강 복합재를 미리 금형에 배치하여 본체의 내부 표면에 일체로 삽입시키기 유리하고, 제조 공정 및 제조 비용의 측면에서 효율적일 수 있다.
대안적으로, 상기 보강 복합재는 그 자체를 성형하여 물품의 본체를 이루는 재질로 활용될 수 있다. 상기 보강 복합재는 전술한 특징들을 가짐으로써 우수한 성형성 및 후-변형 방지 성능을 확보할 수 있고, 이로써 그 자체를 성형하여 상기 물품을 제조할 수 있다. 이 경우, 상기 보강 복합재가 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부 표면에 배치되는 경우보다 물성 향상의 측면에서 더 유리할 수 있다.
상기 물품은 차량, 항공기 등에 장착될 때, 또는 장착 이후 이를 가동 및 사용할 때, 이에 가해지는 외력 또는 하중에 따라 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향으로서 보강 요구 방향(Reinfocement required direction)을 가진다. 이러한 보강 요구 방향은 상기 물품이 최종적으로 장착 또는 적용될 때 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.
이때, 상기 보강 복합재에 관한 사항은 전술한 바와 동일하다. 일 구현예에서, 상기 물품은 상기 보강 복합재를 포함함으로써 일정 수준의 강도 및 강성과 우수한 내충격성을 동시에 확보하는 이점을 얻을 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예 들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예 들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예 들은 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.
<실시예 1>
단면의 직경이 17㎛인 유리 섬유가 폴리프로필렌 수지 기지재에 함침된 UD 시트들을 준비하였다. 이때 유리 섬유와 수기 기지재는 70 : 30의 중량비로 사용되었고, 상기 UD 시트의 두께는 300㎛로 제조되었다. 상기 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때 보강 요구 방향에 대해 0°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 90°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 제2 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 A/A/B/A/A/B의 구조로 적층되어 제1 보강층을 형성하고, 제1 보강층 상에 보강 요구 방향에 대하여 +30°의 각도를 갖는 제3 보강 요구 시트(C) 및 -30 °의 각도를 갖는 제4 보강 요구 시트(D)가 C/D/C/D의 구조로 적층되어 제2 보강층이 형성되었다. 이어서, 220℃의 온도에서 7ton의 압력을 가해 상기 UD 시트들을 합지함으로써 3.0mm 두께를 갖는 보강 복합재를 제조하였다.
<비교예 1>
단면의 직경이 17㎛인 유리 섬유가 폴리프로필렌 수지 기지재에 함침된 UD 시트들을 준비하였다. 이때 유리 섬유와 수기 기지재는 70 : 30의 중량비로 사용되었고, 상기 UD 시트의 두께는 300㎛로 제조되었다. 상기 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때 보강 요구 방향에 대해 0°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 90°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 제2 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 A/A/A/B/B/A/A/A/B/B의 구조로 적층되고, 이어서, 220℃의 온도에서 7ton의 압력을 가해 상기 UD 시트들을 합지함으로써 3.0mm 두께를 갖는 보강 복합재를 제조하였다.
<비교예 2>
단면의 직경이 17㎛인 유리 섬유가 폴리프로필렌 수지 기지재에 함침된 UD 시트들을 준비하였다. 이때 유리 섬유와 수기 기지재는 70 : 30의 중량비로 사용되었고, 상기 UD 시트의 두께는 300㎛로 제조되었다. 상기 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때 보강 요구 방향에 대하여 +30°의 각도를 갖는 제3 보강 요구 시트(C) 및 -30 °의 각도를 갖는 제4 보강 요구 시트(D)가 C/D/C/D/C/D/C/D/C/D/의 구조로 적층되고, 이어서, 220℃의 온도에서 7ton의 압력을 가해 상기 UD 시트들을 합지함으로써 3.0mm 두께를 갖는 보강 복합재를 제조하였다.
<비교예 3>
단면의 직경이 17㎛인 유리 섬유가 폴리프로필렌 수지 기지재에 함침된 UD 시트들을 준비하였다. 이때 유리 섬유와 수기 기지재는 70 : 30의 중량비로 사용되었고, 상기 UD 시트의 두께는 300㎛로 제조되었다. 상기 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때 보강 요구 방향에 대해 0°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)가 6장 적층되어 제1 보강층을 형성하고, 제1 보강층 상에 보강 요구 방향에 대하여 +30°의 각도를 갖는 제3 보강 요구 시트(C) 및 -30 °의 각도를 갖는 제4 보강 요구 시트(D)가 C/D/C/D의 구조로 적층되어 제2 보강층이 형성되었다. 이어서, 220℃의 온도에서 7ton의 압력을 가해 상기 UD 시트들을 합지함으로써 3.0mm 두께를 갖는 보강 복합재를 제조하였다.
<비교예 4>
단면의 직경이 17㎛인 유리 섬유가 폴리프로필렌 수지 기지재에 함침된 UD 시트들을 준비하였다. 이때 유리 섬유와 수기 기지재는 70 : 30의 중량비로 사용되었고, 상기 UD 시트의 두께는 300㎛로 제조되었다. 상기 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때 보강 요구 방향에 대해 90°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 제2 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 6장 적층되어 제1 보강층을 형성하고, 제1 보강층 상에 보강 요구 방향에 대하여 +30°의 각도를 갖는 제3 보강 요구 시트(C) 및 -30 °의 각도를 갖는 제4 보강 요구 시트(D)가 C/D/C/D의 구조로 적층되어 제2 보강층이 형성되었다. 이어서, 220℃의 온도에서 7ton의 압력을 가해 상기 UD 시트들을 합지함으로써 3.0mm 두께를 갖는 보강 복합재를 제조하였다.
<실험예 1> 강도의 측정
상기 실시예 및 비교예 1 및 2의 각각의 보강 복합재에 대하여 ASTM 3039 규격에 의거하여 강도를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
<실험예 2> 신율의 측정
상기 실시예 및 비교예 1 및 2의 각각의 보강 복합재에 대하여 ASTM 3039 규격에 의거하여 신율을 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
<실험예 3> 비에너지 흡수량의 측정
상기 실시예 및 비교예 1 및 2의 보강 복합재에 대하여 ASTM 3039규격에 의거하여 얻은 S-S Curve의 면적을 구하여 비에너지 흡수량을 도출하였고, 그 결과는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.
<실험예 4> 강성의 측정
상기 실시예 및 비교예 1 및 2의 각각의 보강 복합재에 강성을 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
<결과>
상기 강도, 신율, 비에너지 흡수량 및 강성의 측정 값은 표 1과 같다. 비교예 1 은 강도 및 강성은 우수하였으나 신율 및 비에너지 흡수량은 낮았다. 또한 비교예 2는 신율 및 비에너지 흡수량은 우수하였으나, 강도 및 강성은 낮았다. 반면, 실시예 1은 강도, 강성, 신율 및 비에너지 흡수량이 모두 고르게 우수하였다.
강도(MPa) 강성(GPa) 신율(%) 흡수에너지
(J·m-3·104)
실시예 1 220 12.2 3.0 1160
비교예 1 260 17.9 2.6 1040
비교예 2 160 9.5 3.8 1360
10: 보강층
11: 제3 섬유 보강 시트
12: 제4 섬유 보강 시트
20: 섬유 보강재
30: 수지 기지재
X: 보강 요구 방향

Claims (11)

  1. 하나 이상의 제1 섬유 보강 시트 및 하나 이상의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 제1 보강층;및
    상기 제1 보강층에 적층되고, 하나 이상의 제3 섬유 보강 시트 및 하나 이상의 제4 섬유 보강 시트를 포함하는 제2 보강층을 포함하는 보강 복합재로,
    이때 상기 제1 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제1 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강재 및 제1 수지 기지재를 포함하고, 상기 제1 방향은 보강 요구 방향에 대하여 0°이며,
    상기 제2 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제2 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함하고, 상기 제2 방향은 보강 요구 방향에 대하여 90°이며,
    상기 제3 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제3 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제3 섬유 보강재 및 제3 수지 기지재를 포함하고, 상기 제3 방향은 보강 요구 방향에 대하여 1° 이상 44° 이하이고,
    상기 제4 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향에 대하여 제4 방향으로 배향성을 갖는 배향성을 갖는 제4 섬유 보강재 및 제4 수지 기지재를 포함하고, 상기 제4 방향은 보강 요구 방향에 대하여 -1° 이상 -44° 이하이고,
    상기 제1 섬유 보강재, 제2 섬유 보강재, 제3 섬유 보강재 및 제4 섬유 보강재는 섬유 단일 가닥들의 집합체로, 상기 섬유 단일 가닥은 단면의 직경이 1 내지 200 μm이고,
    제1 보강층 내에 제1 섬유 보강 시트 및 제2 섬유 보강 시트는 1 : 0.3 내지 0.7의 중량비로 포함되며,
    상기 제1 보강층의 두께 : 제2 보강층의 두께는 1 : 0.5 내지 0.8인
    보강 복합재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 섬유 보강재, 제2 섬유 보강재, 제3 섬유 보강재 및 제4 섬유 보강재는 연속 섬유인 보강 복합재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 섬유 보강재, 제2 섬유 보강재, 제3 섬유 보강재 및 제4 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택되는 보강 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수지 기지재, 제2 수지 기지재, 제3 수지 기지재 및 제4 수지 기지재는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는
    보강 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수지 기지재, 제2 수지 기지재, 제3 수지 기지재 및 제4 수지 기지재는 폴리프로필렌계 수지, 방향족 폴리아미드계 수지, 지방족 폴리아미드계 수지 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는
    보강 복합재.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 보강 복합재를 포함하는 물품.
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