KR102294701B1 - 계면 결합력이 향상된 cfrp 사출물 및 그의 제조방법 - Google Patents

계면 결합력이 향상된 cfrp 사출물 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물은 인서트 사출 성형을 통해 CFRP 부재를 사출제로 형성된 보강부재에 삽입하여 일체로 제조되며 CFRP 부재 및 보강부재의 단면적 비가 1:1.6 내지 1.78인 구성을 통해, 파단이 발생되지 않고 강도가 향상된 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물을 제공할 수 있다.

Description

계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물 및 그의 제조방법{CFRP INJECTION MOLDING PRODUCT WITH IMPROVED INTERFACIAL ADHESION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 섬유강화 복합재료로 형성된 기능성 사출물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CFRP 보강재와 열가소성 수지 사출제의 계면에서 파단이 발생되지 않고 강도가 저하되지 않는 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastic)은 섬유로 강화한 플라스틱계 복합재료로서, 섬유에 매트릭스 수지를 함침시켜 제조된다. 섬유강화플라스틱은 뛰어난 기계적 특성과 플라스틱의 내식성을 동시에 가지고 있는 고성능, 고기능성 재료로 널리 사용되고 있다. 이와 같은 섬유강화플라스틱으로 유리섬유로 강화한 유리섬유강화플라스틱(GFRP)과 탄소섬유로 강화한 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon fiber reinforced plastic)이 주로 사용되고 있으며, 이외에 아라미드나 목질섬유 등을 사용한 섬유강화플라스틱이 사용되고 있다. 특히 여러 섬유강화 복합재료 중에서 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon fiber reinforced plastic)은 경량성 및 강도가 우수하여 다양한 산업분야에 사용되고 있다.
그러나 이와 같은 장점에도 불구하고 CFRP는 복잡한 형태를 가진 제품들에 적용하기가 매우 어려우며, CFRP를 통해 형성된 물품은 그 형태에 따라 실제로 힘을 받는 부분이 전체에서 국소 부위일 경우가 많아 힘을 받지 않는 부분에서는 재료가 낭비되는 문제를 가진다. 특히, CFRP는 우수한 물성을 가지지만 기존의 일반적인 금속 소재나 플라스틱 소재와 비교하여 가격이 비싸기 때문에 CFRP의 사용량 증가는 곧 제품의 가격 상승을 가져오게 된다.
이러한 문제를 보완하기 위한 방법 중 하나로 힘을 받는 부분에만 CFRP가 위치하도록 CFRP를 인서트 사출하여 최종 제품 형상을 만드는 방법이 사용되고 있다. 그러나 CFRP를 인서트 사출하여 형성된 CFRP 사출물의 경우 CFRP와 사출제 계면 사이에서 파단이 발생하고 강도가 저하되는 단점을 가진다. CFRP는 주로 탄소섬유에 열경화성 수지를 함침시켜 제조되며, 이와 같이 제조된 CFRP를 보강재로 하고 사출제로 열가소성 수지를 사용하여 인서트 사출 성형을 통해 CFRP 사출물을 제조한다. 이때, 보강재인 CFRP와 사출제인 열가소성 수지의 포아송 비 차이에 의해 CFRP와 경화된 열가소성 수지의 계면에서 파단이 발생한다. 이와 같이 CFRP를 인서트 사출하여 제조된 CFRP 사출물의 경우 상술한 문제점이 발생하기 때문에, CFRP 사출물 대신 LFT(long fiber thermal plastic)이 사용되고 있으나, LFT는 CFRP와 비교하여 기계적 물성이 낮다는 단점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2018-0041962호
본 발명 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, CFRP 보강재와 열가소성 수지 사출제의 계면에서 파단이 발생되지 않으며, 강도가 저하되지 않는 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시 예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해질 것이다.
상기 목적은, 인서트 사출 성형을 통해 CFRP 부재를 사출제로 형성된 보강부재에 매립하여 일체로 제조되며, CFRP 부재 및 상기 보강부재의 단면적 비가 1:1.6 내지 1.78인 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물에 의해 달성된다.
바람직하게는, CFRP 부재의 표면 조도(Rz)는 15 내지 25㎛일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 부재의 표면 조도(Rz)는 이온 플라즈마 또는 샌드블라스트에 의해 형성되는 것일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 사출물의 인장강도는 350 내지 420MPa이고, 굴곡강도는 320 내지 380MPa일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 부재는 필라멘트 와인딩(F/W), 프리프레그 및 인발(pultrusion) 중에서 어느 하나의 방법으로 사전 성형되는 것일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 부재는 탄소섬유 및 매트릭스 수지를 포함하며, 매트릭스 수지는 에폭시 계열의 열경화성 수지이고, 열분해 온도는 250℃ 이상일 수 있다.
바람직하게는, 매트릭스 수지는 에폭사이드기를 갖는 열경화성 수지일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 부재를 형성하는 매트릭스 수지와 보강부재를 형성하는 사출제는 서로 다른 수지일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 부재를 형성하는 매트릭스 수지의 열분해 온도는 보강부재를 형성하는 사출제의 융점 온도보다 높은 것일 수 있다.
바람직하게는, 사출제는 폴리올레핀계 열가소성 수지이며, 융점 온도는 200 내지 230℃일 수 있다.
바람직하게는, 사출제는 폴리아미드, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 목적은, CFRP 부재를 성형하는 단계, 성형된 CFRP 부재와 사출제로 형성될 보강부재 사이의 단면적 비를 고려하여 사출 금형을 제작하는 단계, CFRP 부재를 고정핀에 고정시키고 CFRP 부재를 표면 처리하는 단계, 표면 처리된 CFRP 부재를 고정핀을 이용하여 사출 금형 내에 위치시킨 후 사출제를 주입하는 단계 및 사출 금형에 고온, 고압을 가하여 CFRP 사출물을 제조하는 단계를 포함하는 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법에 의해 달성된다.
바람직하게는, 표면 처리하는 단계는 CFRP 부재의 표면조도를 15 내지 25㎛로 만드는 것일 수 있다.
바람직하게는, 표면 처리하는 단계는 이온 플라즈마 또는 샌드블라스트를 통해 표면조도를 형성하는 것일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 부재를 성형하는 단계는 보강부재와의 단면적 비를 고려하여 필라멘트 와인딩, 프리프레그 및 인발 중에서 어느 하나의 방법으로 성형하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 보강부재를 형성하는 사출제는 폴리올레핀계 열가소성 수지이며 융점온도는 200 내지 230℃이고, CFRP 부재를 형성하는 매트릭스 수지는 에폭시 계열의 열경화성 수지이고 열분해 온도는 250℃이상일 수 있다.
바람직하게는, 사출금형을 제작하는 단계는 CFRP 부재 및 보강부재의 단면적 비가 1:1.6 내지 1.78이 되도록 제작되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물 및 그의 제조방법에 따르면, CFRP의 표면처리 및 CFRP와 사출제 간의 단면적 비율을 선정하여 계면 결합력 및 강도가 향상된 CFRP 사출물을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물 및 그의 제조방법은 CFRP 표면에 요철을 형성한 후 보강재를 인서트 사출하여 최종적으로 형상자유도가 높고 강도 및 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물을 제공할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법을 설명하기 위한 CFRP 부재의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법을 설명하기 위한 고정핀의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법을 설명하기 위한 CFRP 부재와 고정핀의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법의 사출 금형 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법에 따라 제조된 CFRP 사출물의 구성도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 양상에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물(100)은 CFRP 부재(110) 및 보강부재(120)가 일체로 제조된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물(100)은 인서트 사출 성형을 통해 CFRP 부재(110)를 사출제로 형성된 보강부재(120)에 매립하여 일체로 제조되며, CFRP 부재(110) 및 보강부재(120)의 폭 방향 단면적(도 2 참조) 비가 1:1.6 내지 1.78이다.
일 실시예에서, CFRP 부재(110)와 보강부재(120) 사이의 계면 결합력을 증가시키기 위하여 CFRP 부재(110)의 표면 조도(Rz)는 15 내지 25㎛인 것이 바람직하다. CFRP 부재(110)의 표면 조도(Rz)가 15㎛ 미만인 경우 CFRP 부재(110)와 보강부재(120)의 계면 결합력이 떨어져 계면에서 파단이 발생하고, 25㎛ 초과인 경우 과도한 표면처리로 CFRP 사출물의 물성이 저하된다. 본 발명에서는 CFRP 부재(110)의 표면에 요철을 형성하여 15 내지 25㎛의 표면 조도를 가지도록 함으로써, CFRP 부재(110)가 보강부재(120) 내에 매립된 상태에서도 둘 사이에 높은 계면 결합력을 가져 높은 강도를 가지는 사출물을 제조할 수 있다.
일 실시예에서, CFRP 부재(110)는 이온 플라즈마 또는 샌드블라스트를 이용하여 표면을 처리하는 것이 바람직하다. 이온 플라즈마 공정은 플라즈마 상태의 높은 에너지를 가진 입자를 재료의 표면에 충돌시켜 표면을 개질하는 것으로, 본 발명에서는 CFRP 부재(110)의 표면에 플라즈마 상태의 입자를 충돌시켜 표면 조도(Rz)를 15 내지 25㎛로 처리할 수 있다. 또한, 샌드블라스트는 노즐에서 연마재를 분사하여 소재 표면을 다듬거나 절삭하는 가공 방법으로, 본 발명에서는 CFRP 부재(110)의 표면에 연마재를 분사하여 CFRP 부재(110)의 표면에 요철을 형성하여 표면 조도(Rz)를 15 내지 25㎛로 처리할 수 있다. 이때 사용되는 연마재로는 산화 알루미늄 또는 규소 등의 세라믹 분말을 사용할 수 있으며, 건식 샌드블라스트와 습식 샌드블라스트 모두 선택적으로 사용할 수 있다.
일 실시예에서, CFRP 부재(110)는 인서트 사출 성형을 통해 보강부재(120)에 매립되기 이전에 필라멘트 와인딩(F/W), 프리프레그 및 인발(pultrusion) 중에서 어느 하나의 방법으로 사전 성형되는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, CFRP 부재(110)는 탄소섬유 및 매트릭스 수지로 형성된 CFRP로서, 매트릭스 수지는 에폭시 계열의 열경화성 수지인 것이 바람직하다. 또한, CFRP 부재(110)를 형성하는 매트릭스 수지는 에폭사이드기를 갖는 열경화성 수지인 것이 바람직하다. 또한, CFRP 부재(110)를 형성하는 매트릭스 수지의 열분해 온도는 250℃ 이상인 것이 바람직하다. 이때, 매트릭스 수지의 열분해 온도가 250℃ 미만인 경우 사출공정시 열분해 현상이 발생한다.
일 실시예에서, CFRP 부재(110)를 형성하는 매트릭스 수지의 열분해 온도는 보강부재(120)를 형성하는 사출제의 융점온도보다 높은 것이 바람직하다. 만일, CFRP 부재(110)를 형성하는 매트릭스 수지의 열분해 온도가 보강부재(120)의 사출제 열분해 온도보다 낮을 경우 인서트 사출 시 매트릭스 수지가 열분해되는 문제가 발생한다.
일 실시예에서, CFRP 부재(110)는 둘 이상의 탄소섬유가 적층되어 형성될 수 있다. 이때, 일반적으로 인장강도와 굴곡강도를 높이기 위해 일방향으로 적층하는 것이 바람직하다. 다만, 뒤틀림 방지를 위해 필요에 따라 둘 이상의 탄소섬유를 길이 방향 및 폭 방향이 서로 교차되도록 적층하거나, ±45°로 교차되도록 적층할 수 있다.
일 실시예에서, 보강부재(120)는 내부에 CFRP 부재(110)가 매립된 형태를 가지며, CFRP 부재(110)를 매립한 후 사출제를 주입하고 인서트 사출하여 형성된다. 이때, CFRP 부재(110)를 형성하는 매트릭스 수지는 열경화성 수지인 반면에, 보강부재(120)를 형성하는 사출제는 인서트 사출 공정을 위해 열가소성 수지인 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 보강부재(120)를 형성하는 사출제는 폴리올레핀계 열가소성 수지로서 융점온도가200 내지 230℃인 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 보강부재(120)를 형성하는 사출제는 융점 온도가 200 내지 230℃인 폴리아미드, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 중에서 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물(100)은 CFRP 부재(110)가 15㎛ 이상의 표면조도를 가진 상태로 보강부재(120) 내에 매립되어 CFRP 부재(110) 및 보강부재(120)가 높은 계면 결합력을 가지는 것을 특징으로 한다. 이때, CFRP 부재(110) 및 보강부재(120) 사이의 계면 결합력을 높이고 포아송 비 차이에 의한 파단을 방지하기 위하여 CFRP 부재(110) 및 보강부재(120)의 단면적 비가 1:1.6 내지 1.78인 것이 바람직하다. CFRP 부재(110) 대비 보강부재(120)의 단면적 비가 1.6 미만인 경우 CFRP 부재(110)의 단면적 비율이 과도하여 포아송비 문제가 발생하고, 또한 CFRP 부재(110) 대비 보강부재(120)의 단면적 비가 1.78 초과인 경우(CFRP 부재의 단면적 비율이 낮아지는 경우) 인장강도 및 굴곡강도가 저하된다.
일 실시예에서, CFRP 부재(110)는 가로-세로의 비율이 1.6:1 내지 1.78:1인 것이 바람직하다. CFRP 부재 가로-세로의 비율이 1.6 미만인 경우 인장강도가 저하되며, 1.78 초과인 경우 포아송비 문제가 발생하기 때문에 위 범위로 하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, CFRP 사출물(100)의 인장강도는 350 내지 420MPa인 것이 바람직하고, CFRP 사출물(100)의 굴곡강도는 320 내지 380MPa인 것이 바람직하다. CFRP 사출물(100)의 인장강도 및 굴곡강도가 상기 범위 미만인 경우 낮은 강도로 인해 물성 저하가 발생하여 쉽게 파단이 발생하여 보강재로 이용이 불가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법을 설명하기 위한 CFRP 부재의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법을 설명하기 위한 고정핀의 구성도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법을 설명하기 위한 CFRP 부재와 고정핀의 결합 구조를 나타내는 도면이다. 또한, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법의 사출 금형 구성도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법에 따라 제조된 CFRP 사출물의 구성도이다.
이하에서는 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 양상에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법을 설명한다. 단, 상술한 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법은 CFRP 부재를 성형하는 단계, 성형된 CFRP 부재와 사출제로 형성될 보강부재 사이의 단면적 비를 고려하여 사출 금형을 제작하는 단계, CFRP 부재를 고정핀에 고정시키고 CFRP 부재를 표면처리하는 단계, 표면 처리된 CFRP 부재를 고정핀을 이용하여 사출 금형 내에 위치시킨 후 사출제를 주입하는 단계 및 사출금형에고온, 고압을 가하여 CFRP 사출물을 제조하는 단계를포함한다.
먼저, CFRP 부재를 성형하는 단계에서는 탄소섬유를 매트릭스 수지에 함침시켜 사전에 CFRP 부재(110)를 별도로 성형한다. 이때, CFRP 부재(110)는 보강부재(12)와의 단면적 비율이 1:1.6 내지 1.78인 것을 만족하도록 형성한다. 또한, CFRP 부재(110)를 성형하는 단계에서는 필라멘트 와인딩(F/W), 프리프레그 및 인발(pultrusion) 중에서 어느 하나의 방법으로 CFRP 부재(110)를 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 성형된 CFRP 부재와 사출제로 형성될 보강부재 사이의 단면적 비를 고려하여 사출 금형을 제작하는 단계에서는 CFRP 부재를 성형하는 단계에서 성형된 CFRP 부재(110)와 CFRP 부재(110)가 매립될 보강부재(120)의 단면적 비가 1:1.6 내지 1.78인 것을 만족하도록 사출 금형(300)을 제작한다. 이때, 제조되는 사출 금형(300)의 일례는 도 6에 도시된 바와 같다. 도 6에 도시된 사출 금형은 CFRP 부재(110)에 연결된 고정핀(210)을 사출 금형(300)내에 위치시켜 움직이지 않도록 하는 인서트 고정부(310) 및 사출제 주입부(320)를 포함한다.
다음으로, CFRP 부재를 고정핀에 고정시키고 CFRP 부재를 표면처리하는 단계에서는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, CFRP 부재(110)의 양단을 각각 고정핀(210)에 끼워넣는다. 이때, 도 4에 도시된 고정핀(210)의 일례는 소정의 길이를 가지는 봉 형태이며, 봉 형태의 중간 위치에 CFRP 부재(110)가 삽입되는 고정홈을 포함한다. 그리고 한 쌍의 고정핀(210) 고정홈에 CFRP 부재(110)의 양단을 각각 삽입하여 도 5에 도시된 바와 같이 CFRP 부재(110)의 양단에 고정핀(210)이 고정되도록 한다. 고정핀(210)은 CFRP 부재(110)를 사출 금형(300) 내에서 움직이지 않도록 하며 정중앙에 고정시키기 위한 것으로, 스테인레스(SUS) 소재인 것이 바람직하다.
그리고 한 쌍의 고정핀(210)이 양단에 고정된 CFRP 부재(110)의 표면에 요철이 형성되도록 표면처리를 수행한다. 이때, CFRP 부재(110)의 표면처리는 이온 플라즈마 또는 샌드블라스트 중에서 어느 하나의 방법으로 수행되는 것이 바람직하다. 또한, CFRP 부재(110)의 표면처리를 통해 표면조도를 15㎛ 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 표면 처리된 CFRP 부재를 고정핀을 이용하여 사출 금형 내에 위치시킨 후 사출제를 주입하는 단계에서는 고정핀(210)이 양단에 고정된 CFRP 부재(110)를 도 6에 도시된 바와 같이 제조된 사출 금형(300) 내에 위치시킨 후 사출제를 주입하여 CFRP 부재(110)가 사출제에 의해 형성된 보강부재(120) 내에 매립되도록 한다. 이때, CFRP 부재(110)가 사출 금형(300) 내에서 움직이지 않도록 사출 금형(300) 내의 인서트 고정부(310)에 CFRP 부재(110)에 연결된 고정핀(210)을 고정한 후 사출제를 주입한다.
다음으로, 사출 금형에 고온, 고압을 가하여 CFRP 사출물을 제조하는 단계는, 사출 금형에 600 내지 700bar의 압력과 200 내지 240℃의 온도를 가함으로써 최종적으로 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물(100)을 제조한다.
도 7은 상술한 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법에 의해 제조된 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물(100)의 일례를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 보강부재(120) 내에 표면 처리된 CFRP 부재(110)를 매립함으로써, CFRP 부재(110) 및 보강부재(120)가 높은 계면 결합력을 가져 형상 자유도가 높고 강도 및 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물(100)을 제조할 수 있다. 이와 같이 제조된 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물(100)은 표면 처리된 특정 단면적 비율을 가지는 CFRP 부재를 통해 국부적인 보강을 함으로써 계면 결합력 및 강도가 향상되고, 형상 자유도가 우수하여, 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 특히 우수한 건축자재용 보강재로 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 본 실시예는 본 설명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1]
탄소섬유를 열분해 온도가 350℃인 에폭사이드기를 가지는 비스페놀A 수지에 함침시킨 후 필라멘트 와인딩을 통해 CFRP 부재를 제조한다. 그리고 CFRP 부재의 양단에 SUS 소재의 고정핀을 연결하고 샌드블라스트를 통해 표면처리하여 표면조도(Rz)를 15㎛가 되도록 한다. 다음으로, 표면처리가 된 CFRP 부재를 성형 금형 내에 매립하고 고정핀을 이용하여 위치를 고정한 후 사출제로 융점 온도가 220℃인 폴리아미드 수지를 주입하여 700bar 압력 및 225℃ 하에서 성형하여 CFRP 사출물을 제조한다. 이때, CFRP 부재 및 보강부재의 단면적 비는 1:1.78으로 하였다.
[실시예 2]
CFRP 부재 및 보강부재의 단면적 비를 1:1.7으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 사출물을 제조한다.
[실시예 3]
CFRP 부재 및 보강부재의 단면적 비를 1:1.6으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 사출물을 제조한다.
[비교예 1]
CFRP 부재의 표면처리를 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 사출물을 제조한다.
[비교예 2]
샌드블러스트를 통해 표면처리를 하여 표면조도(Rz)를 14㎛로 처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 사출물을 제조한다.
[비교예 3]
CFRP 부재 및 보강부재의 단면적 비를 1:1.5로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 사출물을 제조한다.
[비교예 4]
CFRP 부재 및 보강부재의 단면적 비를 1:1.8으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 사출물을 제조한다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 CFRP 사출물에 대하여, 하기 실험예를 통해 물성을 평가하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
[실험예]
(1) 인장강도 측정
ASTM_D638에 의거하여 시편 길이 246mm, 두께 8mm의 독본(dog bone) 형태의 사출 금형 제작하여 시편을 얻었고, 인장강도를 측정하였다.
(2) 굴곡강도 측정
ASTM_D790에 의거하여 시편 길이 160mm, 두께 8mm, 폭 16mm 사출 금형 제작하여 시편을 얻었고, 굴곡강도를 측정하였다.

 단면적 비율
(CFRP부재:보강부재)		 표면조도 인장강도 굴곡강도
실시예 1 1:1.78 15㎛ 420MPa 380MPa
실시예 2 1:1.7 15㎛ 375MPa 350MPa
실시예 3 1:1.6 15㎛ 350MPa 325MPa
비교예 1 1:1.78 8.5㎛ 290MPa에서
계면 파단		 268MPa에서
계면 파단
비교예 2 1:1.78 14㎛ 290MPa에서
계면 파단		 268MPa에서
계면 파단
비교예 3 1:1.5 15㎛ 280MPa에서
계면 파단		 270MPa에서
계면 파단
비교예 4 1:1.8 15㎛ 274MPa에서
계면 파단		 270MPa에서
계면 파단
상술한 표 1에 기재된 바와 같이, 본원발명의 구성을 만족하는 실시예 1 내지 3은 모두 인장강도 및 굴곡강도가 비교예 1 내지 4와 비교하여 우수함을 알 수 있는 바, CFRP 보강재와 열가소성 수지 사출제의 계면에서 파단이 발생되지 않고 강도가 우수하여 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다.
반면에, CFRP 부재의 표면처리를 수행하지 않은 비교예 1은 CFRP 부재의 표면조도가 낮아 보강부재와의 계면 결합력이 떨어져 실시예 1 및 2와 비교하여 인장강도 및 굴곡강도가 낮은 것을 알 수 있고, 또한 표면처리를 수행하였으나 표면조도가 15㎛ 미만인 비교예 2도 비교예 1과 마찬가지로 보강부재와의 계면 결합력이 떨어져 실시예 1 및 2와 비교하여 인장강도 및 굴곡강도가 낮은 것을 알 수 있다.
또한 CFRP 부재와 보강부재의 단면적의 비가 1:1.5인 비교예 3은 CFRP 부재의 비율이 과도하여 포아송비 문제가 발생하여 CFRP 부재 및 보강부재의 계면에서 파단이 발생하는 것을 알 수 있다.
또한 CFRP 부재와 보강부재의 단면적의 비가 1:1.8인 비교예 4는 CFRP 부재의 비율이 낮아 인장강도 및 굴곡강도가 실시예와 비교하여 낮은 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: CFRP 사출물
110: CFRP 부재
120: 보강부재
210: 고정핀
300: 사출 금형
310: 인서트 고정부
320: 사출제 주입부

Claims (17)

  1. 인서트 사출 성형을 통해 CFRP 부재를 사출제로 형성된 보강부재에 매립하여 일체로 직육면체 형태로 제조되며,
    상기 CFRP 부재 및 상기 보강부재의 폭 방향 단면적 비가 1:1.6 내지 1.78이며,
    이온 플라즈마 또는 샌드블라스트에 의해 형성된 상기 CFRP 부재의 표면 조도(Rz)는 15 내지 25㎛인, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 CFRP 사출물의 인장강도는 350 내지 420MPa이고, 굴곡강도는 320 내지 380MPa인, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 CFRP 부재는 필라멘트 와인딩(F/W), 프리프레그 및 인발(pultrusion) 중에서 어느 하나의 방법으로 사전 성형되는, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 CFRP 부재는 탄소섬유 및 매트릭스 수지를 포함하며,
    상기 매트릭스 수지는 에폭시 계열의 열경화성 수지이고, 열분해 온도는 250℃ 이상인, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지는 에폭사이드기를 갖는 열경화성 수지인, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 CFRP 부재를 형성하는 매트릭스 수지와 상기 보강부재를 형성하는 사출제는 서로 다른 수지인, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 CFRP 부재를 형성하는 매트릭스 수지의 열분해 온도는 상기 보강부재를 형성하는 사출제의 융점 온도보다 높은, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 사출제는 폴리올레핀계 열가소성 수지이며, 융점 온도는 200 내지 230℃인, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 사출제는 폴리아미드, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 중에서 적어도 하나를 포함하는, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물.
  12. 직육면체 형태로 제조되는 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법에 있어서,
    CFRP 부재를 성형하는 단계;
    상기 성형된 CFRP 부재와 사출제로 형성될 보강부재 사이의 폭 방향 단면적 비가 1:1.6 내지 1.78이 되도록 사출 금형을 제작하는 단계;
    상기 CFRP 부재를 고정핀에 고정시키고, 상기 CFRP 부재에 이온 플라즈마 또는 샌드블라스트를 통해 15 내지 25㎛의 표면조도를 형성하여 표면 처리하는 단계; 및
    상기 표면 처리된 CFRP 부재를 상기 고정핀을 이용하여 상기 사출 금형 내에 위치시킨 후 사출제를 주입하는 단계; 및
    상기 사출 금형에 온도와 압력을 가하여 CFRP 사출물을 제조하는 단계를 포함하는, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서,
    상기 CFRP 부재를 성형하는 단계는 상기 보강부재와의 폭 방향 단면적 비를 고려하여 필라멘트 와인딩, 프리프레그 및 인발 중에서 어느 하나의 방법으로 성형하는, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 보강부재를 형성하는 사출제는 폴리올레핀계 열가소성 수지이며 융점온도는 200 내지 230℃이고,
    상기 CFRP 부재를 형성하는 매트릭스 수지는 에폭시 계열의 열경화성 수지이고 열분해 온도는 250℃이상인, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 사출금형을 제작하는 단계는 상기 CFRP 부재 및 상기 보강부재의 폭 방향 단면적 비가 1:1.6 내지 1.78이 되도록 제작되는, 계면 결합력이 향상된 CFRP 사출물의 제조방법.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11207749A (ja) * 1998-01-26 1999-08-03 Japan Steel Works Ltd:The 金型内インサート品の保持方法および射出成形用金型
JP2000239422A (ja) * 1999-02-22 2000-09-05 Idemitsu Petrochem Co Ltd 無電解メッキ品の製造方法およびそれに用いる樹脂組成物
KR20090033440A (ko) * 2006-07-28 2009-04-03 도레이 카부시키가이샤 성형품 및 그 제조방법
KR20100018617A (ko) * 2007-07-17 2010-02-17 다이세이 플라스 가부시끼가이샤 금속과 수지의 복합체와 그 제조 방법
KR20180041962A (ko) 2016-10-17 2018-04-25 (주)해눈 조형물의 경량화 및 내구성 향상을 위한 에프알피 성형용 조성물

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11207749A (ja) * 1998-01-26 1999-08-03 Japan Steel Works Ltd:The 金型内インサート品の保持方法および射出成形用金型
JP2000239422A (ja) * 1999-02-22 2000-09-05 Idemitsu Petrochem Co Ltd 無電解メッキ品の製造方法およびそれに用いる樹脂組成物
KR20090033440A (ko) * 2006-07-28 2009-04-03 도레이 카부시키가이샤 성형품 및 그 제조방법
KR20100018617A (ko) * 2007-07-17 2010-02-17 다이세이 플라스 가부시끼가이샤 금속과 수지의 복합체와 그 제조 방법
KR20180041962A (ko) 2016-10-17 2018-04-25 (주)해눈 조형물의 경량화 및 내구성 향상을 위한 에프알피 성형용 조성물

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