KR102376125B1

KR102376125B1 - 탄소 섬유 랜덤 매트 및 탄소 섬유 복합 재료

Info

Publication number: KR102376125B1
Application number: KR1020197001743A
Authority: KR
Inventors: 모리스 젤리; 얀 부자레; 다쿠야 가라키; 이치로 다케타
Original assignee: 도레이 카부시키가이샤
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2022-03-18
Also published as: JP2019522740A; CN109312508A; EP3485075B1; WO2018011260A1; CA3023178A1; EP3269859A1; US20190256673A1; EP3485075A1; MX2019000326A; JP7001088B2; KR20190028710A; US11053363B2

Abstract

본 발명은 랜덤 매트 재료 및 그의 제조 방법, 및 구체적으로는 탄소 섬유 랜덤 매트 및 높은 기계적 특성을 갖는 매트로 제조된 탄소 섬유 복합 재료에 관한 것이다. 본 발명은 복잡한 단계 없이 이러한 섬유 랜덤 매트를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

탄소 섬유 랜덤 매트 및 탄소 섬유 복합 재료

본 발명은 랜덤 매트 재료 및 그의 제조 방법, 및 구체적으로는 탄소 섬유 랜덤 매트 및 높은 기계적 특성을 갖는 매트로 제조된 탄소 섬유 복합 재료에 관한 것이다. 본 발명은 복잡한 단계 없이 이러한 탄소 섬유 랜덤 매트를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 복합 재료는 다양한 성형품의 제조, 및 다양한 기술을 위해 사용된다. 이러한 재료는 높은 기계적 특성을 나타내고 높은 기계적 특성을 갖는 성형품을 제조할 수 있게 한다. 특히, 섬유 다발로 이루어진 랜덤 매트는 탄소 섬유 복합체를 제조하는데 널리 사용되었다. 이러한 탄소 섬유 복합체는 양호한 기계적 특성 및 성형성을 갖는다. 이러한 랜덤 매트를 제조하기 위해, 1K 및 3K 토우와 같이 다발 크기가 매우 좁은 섬유 토우가 사용되었다. 그러나, 이러한 섬유 토우는 값비싼 경향이 있다. 최근, 더 폭넓은 섬유 토우가 개발되었고 현재 널리 사용되고 있다. 랜덤 매트 사용의 경우, 12K 섬유 토우를 사용하려고 노력하였으나 더 폭넓은 섬유 다발은 기계적 특성을 감소시키고 특정 생산 기술 없이 사용될 수 없었다. 예를 들어, 특허 출원 WO2014156760은 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 부직포에 관한 것이며, 여기서 섬유의 전체 양에 대한, 탄소 섬유 복합 재료 중의 특정 탄소 섬유 다발의 비율은 낮고, 각각의 특정 탄소 섬유 다발 내의 섬유의 평균 개수는 특정 범위로 제어된다. 탄소 섬유의 총 중량에 대한 탄소 섬유 다발의 비율은 5 내지 80 중량%이다. 탄소 섬유 다발의 비율이 80 중량% 초과인 경우, 탄소 섬유의 기계적 특성 및 작은 부품에 대한 추종성은 악화되고, 기계적 특성에서의 가변성은 커지게 된다. 각각의 특정 탄소 섬유 다발 내의 섬유의 평균 개수는 다발당 90 내지 1,000개의 섬유이다. 탄소 섬유 다발을 형성하는 탄소 섬유의 개수의 표준 편차 σ는 50 내지 500이다. 그러나, WO2014156760에 기재된 바와 같은 이러한 탄소 섬유 복합 재료에서, 여기서 탄소 섬유 복합 재료 중의 탄소 섬유 다발은 얇고, 다발의 비율은 낮고 탄소 섬유는 정제된 것이다. 이를 사용하여 제조된 성형품의 기계적 특성은 탁월하지만, 그것을 제조하는 방법은 매우 복잡한 기계 장비를 필요로 하고, 따라서 이러한 탄소 섬유 복합체를 제조하는 비용은 탄소 섬유 자체가 고가이므로 훨씬 더 많이 증가한다.

특허 출원 JP 2009-062648A는 섬유의 전체 양에 대한 탄소 섬유 복합 재료 중의 특정 탄소 섬유 다발의 비율이 상기 기재된 것과 유사하고, 이것이 높게 설정되고, 각각의 특정 탄소 섬유 다발 내의 섬유의 평균 개수가 또 다른 특정 범위로 제어된 것인 복합 재료에 관한 것이다. 또한, 탄소 섬유 다발의 에지의 각도는 응력 집중이 탄소 섬유 다발의 에지에서 일어나지 않고 탄소 섬유 복합체의 기계적 특성이 감소하지 않도록 정의된다. 그러나, 탄소 섬유 다발이 두껍고 다발의 에지의 각도가 제어된 것인 JP 2009-062648A에 기재된 바와 같은 이러한 탄소 섬유 복합 재료에서, 이를 제조하는 비용은 높아지게 되고 탄소 섬유 복합체를 업계에서 널리 사용하는 것은 어렵다.

따라서, 양호한 기계적 특성을 갖고 생산 비용을 절감하기 위해 종래의 기계 장비에 의해 제조될 수 있는 탄소 섬유 복합 재료를 제공할 필요가 있다.

본 발명은 상기 기재된 기술적 과제를 해결하는 랜덤 매트 재료 및 복합 재료를 제공하는 것을 목표로 한다.

특히, 본 발명은 높은 기계적 특성을 갖는 랜덤 매트 재료 및 복합 재료를 제공하는 것을 목표로 한다. 특별히 본 발명은 보다 낮은 제조 비용으로 이러한 재료를 제공하는 것을 목표로 한다. 특히, 본 발명은 복잡한 단계 없이 이러한 탄소 섬유 랜덤 매트를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.

또한, 본 발명은 특수 기계 장비 없이 제조될 수 있는, 랜덤 매트 재료, 및 이에 따른 복합 재료를 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명은 업계에서 광범위한 적용을 갖는 랜덤 매트 재료 및 복합 재료를 제공하는 것을 목표로 한다.

따라서, 본 발명의 한 가지 목표는 양호한 기계적 특성을 갖고 생산 비용을 절감하기 위해 종래의 기계 장비에 의해 제조될 수 있는 탄소 섬유 복합 재료를 제공하는 것이다.

더욱 특히, 본 발명은, 예를 들어 3K 초과, 바람직하게는 적어도 12K와 같은 더 폭넓은 섬유 토우를 갖는, 낮은 비용으로 제조될 수 있는 랜덤 매트 재료를 제공하는 것을 목표로 한다.

상기 기재된 목표를 달성하고 상기 기재된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 섬유 다발을 포함하는 랜덤 매트 재료를 제조하였으며, 상기 섬유 다발은 5 내지 100mm의 평균 섬유 길이를 갖는 섬유를 포함하고, 섬유 다발의 단부에서 섬유 다발 내의 섬유의 개수가 섬유 방향으로 섬유 다발의 중심에서 에지로 갈수록 적어지고, 하기 수식을 충족시키는 섬유 다발 내의 섬유의 평균 개수 N을 갖는다:

D는 마이크로미터 (μm)로 표시되는, 섬유 다발 내의 섬유의 평균 직경이다.

이러한 범위 내에서, 이들 섬유 다발로 제조된 랜덤 매트는 양호한 기계적 특성을 갖는 탄소 섬유 복합체를 생성할 수 있다. "섬유"란 관련 기술분야에 널리 공지되어 있고, 특히 복합 재료에 존재하는 섬유가 섬유를 포함하지 않는 것보다 더 높은 기계적 특성, 보다 구체적으로는 적어도 더 높은 굴곡 모듈러스 및/또는 더 높은 굴곡 강도를 제공한다는 것을 의미한다. 본 발명에 따르면, "섬유"는 달리 표현되지 않는 한 "섬유"를 지칭한다.

기계적 특성의 관점에서, N이 3.5x10⁵/D² 미만인 것이 바람직하다.

한 실시양태에서, N은 수식: 1,200<N<20,000을 충족시키고, 바람직하게는 수식: 1,500<N<10,000을 충족시킨다. 한 바람직한 실시양태에서, N은 수식: 2,000<N<10,000을 충족시키고, 바람직하게는 수식: 3,000<N<6,000을 충족시킨다.

한 실시양태에서, 섬유는 탄소 섬유이다. 탄소 섬유는 바람직하게는 섬유 다발로서 사용되고 섬유 다발 내의 섬유의 평균 개수는 하기 기재된 수식의 범위에 있다.

D: 섬유 다발 내의 탄소 섬유의 평균 직경 (마이크로미터; μm).

그러나 본 발명에서 사용되는 섬유는 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게, 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 및 그의 임의의 혼합물을 포함하거나 또는 그로 이루어진다. 보다 바람직하게는 고-강도 및 고-탄성 계수 탄소 섬유가 사용된다. 전형적으로, 섬유는 인공 섬유이다.

한 실시양태에서, 한 종류의 탄소 섬유가 사용된다.

한 실시양태에서, 두 종류 이상의 탄소 섬유가 함께 사용된다.

특히, 통상적으로 사용되는 탄소 섬유 중에는 PAN계, 피치계, 레이온계, 탄소 섬유 또는 그의 임의의 혼합물이 예시될 수 있다. 수득되는 성형품의 강도와 탄성 계수 사이의 균형의 관점에서, PAN계 탄소 섬유가 바람직하다.

매우 흔히, 탄소 섬유 다발을 구성하는 탄소 섬유는 탄소 섬유를 다발화하는 사이징제를 갖는다.

한 바람직한 실시양태에서, 탄소 섬유의 밀도는 바람직하게는 1.65 내지 1.95 g/㎤의 범위, 보다 바람직하게는 1.70 내지 1.85 g/㎤의 범위이다. 밀도가 너무 높으면, 섬유를 포함하는 생성된 복합 재료, 예를 들어 탄소 섬유-강화 플라스틱의 중량 경도가 나쁘고, 너무 낮으면, 복합 재료의 기계적 특성이 낮아질 수 있다.

본 발명에 따르면, 임의의 고성능 기계 및 장비 없이 높은 기계적 성능을 얻을 수 있고, 이것은 생산 비용을 낮게 유지하게 만든다.

한 실시양태에서, 섬유 다발은 경사진 단부를 갖는다.

섬유 다발 내의 섬유의 개수의 변화는 특정 범위로 제한되지 않는다. 한 실시양태에서, 섬유 다발 내의 섬유의 개수의 표준 편차 SD_N은 하기 수식을 충족시킨다:

1,000 < SD_N < 6,000

다발 내의 섬유의 개수의 이러한 표준 편차 SD_N은 높은 기계적 특성을 제공한다. 또한 생산 비용은 낮다.

한 실시양태에서, SD_N은 수식: 2,000< SD_N <6,000, 바람직하게는 3,000< SD_N <6,000을 충족시킨다.

전형적으로, 섬유 및 특히 탄소 섬유의 직경은 1 내지 30 마이크로미터, 보다 일반적으로는 5 내지 10 마이크로미터를 갖는다.

높은 기계적 특성 및 저비용 생산을 얻기 위해, 섬유의 종류는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 및 그의 임의의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 이러한 섬유, 특히 이러한 탄소 섬유 다발에 관한 것이다.

전형적으로, 섬유는 강화 섬유를 형성한다. 전형적으로, 섬유 다발은 강화 섬유 다발을 형성한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 랜덤 매트 재료를 제조하는 방법 또는 공정에 관한 것이며, 상기 방법 또는 공정은 하기 단계를 포함한다:

(i) 섬유 다발을 본질적으로 일정한 간격으로 절단하며, 여기서 절단 에지는 섬유 방향에 대해 사선 각도 θ를 갖는 것인 단계; 및

(ii) 섬유 다발의 크기를 감소시킴으로써 본 발명에 따른 랜덤 매트 재료를 제공하는 단계.

단계 (i)에서 섬유 다발을 연속적으로 공급하기 위해 연속 섬유 다발이 사용된다. 전형적으로 이러한 연속 섬유 다발은 섬유 토우로서 판매된다.

한 실시양태에서, 연속 탄소 섬유 다발은 단계 (i)에서 절단된다.

한 바람직한 실시양태에서, 12K 탄소 섬유 다발은 단계 (i)에서 절단된다. 일반적으로 12K 탄소 섬유 토우로 지칭된다.

한 바람직한 실시양태에서, 24K 탄소 섬유 다발은 단계 (i)에서 절단된다. 일반적으로 24K 탄소 섬유 토우로 지칭된다.

절단 단계 (i)는 하나 이상의 절단 롤을 포함한다.

절단 롤의 회전 속도는 본 발명에 따른 섬유 다발을 제공할 수 있는 한 임의의 제한 없이 선택될 수 있다. 그러나, 산업적 제조 방법에 의해 낮은 생산 비용으로 높은 기계적 특성을 갖는 복합 재료를 제조하기 위해, 절단 단계 (i)는 하기와 같은 vc의 회전 속도를 갖는 절단 롤, 전형적으로는 나선형 형상의 나이프에 의해 수행되는 것이 바람직하다:

100 RPM < vc < 400 RPM

vc의 범위에서, 섬유 다발은 안정적인 공정에서 바람직한 범위로 제어될 수 있다.

섬유 다발이 절단되기 때문에, "초핑된 섬유 다발" 또는 "절단된 섬유 다발"로 또한 지칭된다.

일정한 간격으로 연속 섬유 다발을 절단하는 단계에서, 절단 에지의 사선 각도 θ는 바람직하게는 15 내지 85 도 (15° < θ < 85°) 사이에서 선택된다. 이러한 절단 단계는 경사진 단부를 갖는 섬유 다발을 형성하는 것을 허용한다.

사선 각도 θ의 이러한 바람직한 범위 내에서, 섬유는 본 발명에 따른 범위 다발로 수득될 수 있다. 또한, 사선 각도 θ가 30° 내지 60°인 경우, 본 발명에 따른 섬유 다발이 보다 용이하게 수득된다. 그래서 섬유 다발은 섬유 다발 내의 섬유의 개수가 섬유 방향으로 섬유 다발의 중심에서 에지 (또는 단부)로 갈수록 적어지는 것으로 형상화된다. 이러한 구성은 섬유 다발의 에지 (또는 단부 또는 말단)에서 응력 집중을 감소시켜, 이들 섬유 다발로 제조된 복합체의 강도를 개선시킬 수 있다.

절단 공구는 임의의 제한 없이 선택될 수 있지만, 전형적으로 강으로 제조된, 각이 있는 블레이드를 가진 통상의 절단 롤이 바람직하게 사용될 수 있다.

섬유 다발의 크기를 감소시키는 단계 (ii)는 바람직하게는 섬유 다발을 다수의 섬유 다발로 분리하는 것을 포함하며, 여기서 상기 다수의 섬유 다발은 원래 섬유 다발의 폭보다 적은 폭을 갖는다. 절단 또는 초핑된 섬유 다발 또는 섬유 토우는 섬유 다발 또는 섬유 토우의 일부분으로 제조된 요소 또는 세그먼트를 형성하는 다수의 섬유 다발로 분리된다.

섬유 다발의 크기를 감소시키는 단계 (ii)는 바람직하게는 섬유 다발을 다수의 섬유 다발로 분리하는 것을 포함하며, 여기서 상기 다수의 섬유 다발은 원래 섬유 다발보다 적은 섬유를 갖는다. 한 실시양태에서, 원래 섬유 다발 또는 섬유 토우와 비교하여 절단 또는 초핑된 섬유 다발에서 섬유의 개수는 적어도 1.5로 나눈 값이다.

한 실시양태에서, 원래 섬유 다발 또는 섬유 토우와 비교하여 절단 또는 초핑된 섬유 다발에서 섬유의 개수는 적어도 2로 나눈 값이다.

한 실시양태에서, 원래 섬유 다발 또는 섬유 토우와 비교하여 절단 또는 초핑된 섬유 다발에서 섬유의 개수는 적어도 2.5로 나눈 값이다.

유리하게는, 섬유 다발의 크기를 감소시킴으로써, 절단 또는 초핑된 섬유는 본 발명의 기술적 특징을 충족시킨다.

한 바람직한 실시양태에서, 섬유 다발의 크기를 감소시키는 단계 (ii)는 하나 이상의 연신 롤을 포함한다. 연신 롤은 절단되거나 또는 절단되고 있는 섬유를 유리하게 연신시켜 섬유 다발을 다수의 섬유 다발로 분리하며, 여기서 상기 다수의 섬유 다발은 원래 섬유 다발의 폭보다 적은 폭을 갖는다. 절단 롤과 연신 롤 사이의 거리 L은 본 발명에 따른 섬유 다발로 이어질 수 있는 한 임의의 제한 없이 선택될 수 있다. L은 절단 롤(3) 및 연신 롤(2) 상의 절단 공구를 이격시킴으로써 절단되는 섬유 다발의 길이를 규정하는 거리이다. 산업적 제조 방법에 의해 낮은 생산 비용으로 높은 기계적 특성을 갖는 복합 재료를 제조하기 위해, 섬유 다발의 크기는 절단 롤로부터 5 내지 100mm 범위의 거리 L에 배치된 연신 롤에 의해 감소되는 것이 바람직하며, 상기 연신 롤은 하기와 같은 회전 속도 vr로 회전한다:

3000 RPM < vr < 15000 RPM

한 실시양태에서, 연신 롤과 절단 롤 사이의 거리 L은 하기와 같다:

20 mm < L < 55 mm

이러한 바람직한 실시양태에 따르면, 방법은 유리하게 매우 안정적이고 본 발명에 따른 초핑된 섬유 다발을 제공한다.

섬유 다발의 크기를 감소시키는 단계는 임의의 제한 없이 수행될 수 있지만 통상의 기계 및 장비를 사용하기 위해 절단된 섬유 요소를 인발하는데 연신 롤을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 생산 비용을 낮추는 것을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 방법 또는 공정에서 롤의 형상은 본 발명에 따른 섬유 다발을 얻을 수 있는 한 임의의 제한 없이 선택될 수 있다. 그러나, 산업적 제조 방법에 의해 낮은 생산 비용으로 높은 기계적 특성을 갖는 복합 재료를 제조하기 위해, 롤(들)이 원통형 또는 원추형 형상을 갖는 것이 바람직하다.

절단 롤의 속도 vc와 연신 롤의 속도 vr 사이의 비는 본 발명에 따른 섬유 다발로 이어질 수 있는 한 임의의 제한 없이 선택될 수 있다. 산업적 제조 방법에 의해 낮은 생산 비용으로 높은 기계적 특성을 갖는 복합 재료를 제조하기 위해, vr이 vc보다 큰 것이 바람직하다. 한 바람직한 실시양태에서, vr/vc의 비가 하기 수식을 충족시킨다:

20 < vr/vc < 80

vr이 vc보다 큰 경우, 특히 vr/vc가 상기 특정 범위 내에 있는 경우, 방법은 유리하게 매우 안정적이고 본 발명에 따른 섬유 다발을 제공한다.

유리하게는, 이러한 vr/vc 비는 본 발명에 따라 섬유 다발을 다수의 섬유 다발로 분리하는 것을 가능하게 한다.

단계 (ii)에서 수득된 섬유 다발은 전형적으로 섬유 다발의 랜덤 매트를 형성한다.

산업적 제조 방법에 의해 낮은 생산 비용으로 높은 기계적 특성을 갖는 복합 재료를 제조하기 위해, 섬유가 복합 재료를 위한 강화 층을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 본 발명에 정의된 바와 같거나 또는 본 발명의 방법 또는 공정에 따라 얻을 수 있는 섬유를 포함하는 섬유 다발의 랜덤 매트에 관한 것이다. 한 실시양태에서, 랜덤 매트는 열경화성 또는 열가소성 매트릭스 및 섬유 다발을 포함한다. 전형적으로 단계 (ii) 후, 본 발명에 따른 방법 또는 공정은 열경화성 또는 열가소성 매트릭스 상에 섬유 다발의 랜덤 매트를 침착시키는 것을 포함한다. 이어서, 열경화성 또는 열가소성 매트릭스는 전형적으로 경화되어 섬유 다발의 랜덤 매트를 포함하는 경화된 열경화성 또는 열가소성 매트릭스를 제공한다.

본 발명은 또한 본 발명의 방법 또는 공정에 따라 얻을 수 있거나 또는 정의된 바와 같은 하나 이상의 랜덤 매트를 포함하는 복합 재료에 관한 것이다. 한 실시양태에서, 복합 재료는 열경화성 또는 열가소성 매트릭스를 포함한다. 한 실시양태에서, 복합 재료는 본 발명에 정의된 바와 같거나 또는 본 발명의 방법 또는 공정에 따라 얻을 수 있는 섬유 다발의 랜덤 매트의 하나 이상의 층을 포함한다.

한 실시양태에서, 열경화성 또는 열가소성 수지는 매트릭스 수지이다. 열가소성 매트릭스 수지는 특별히 제한되지 않고, 섬유 강화 복합 재료의 기계적 특성을 크게 감소시키지 않는 범위 내에서 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어 폴리올레핀-군 수지, 예컨대 예를 들어 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌, 폴리아미드-군 수지, 예컨대 예를 들어 나일론 6 또는 나일론 6,6, 폴리에스테르 군 수지, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 수지, 예컨대 예를 들어 폴리에테르케톤, 폴리에테르술폰, 방향족 폴리아미드, 및 그의 임의의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 열가소성 매트릭스 수지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 열가소성 매트릭스 수지가 폴리아미드, 폴리페닐렌 술피드, 폴리프로필렌, 폴리에테르에테르케톤, 페녹시 수지, 및 그의 임의의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하다. 예를 들어, 에폭시, 불포화 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 페놀, 에폭시 아크릴레이트, 우레탄이 열가소성 매트릭스 수지로서 사용될 수 있다. 보다 바람직하게는, 1x10⁶ Pa.s 미만의 점도를 제공할 수 있는 에폭시, 불포화 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 아크릴, 및 그의 임의의 혼합물이 점착성 및 드레이프성 (점착 및 드레이프 특성) 관점에서 바람직하다. 점착은 그 자체 또는 다른 물질 표면에 부착되는 프리프레그의 능력을 지칭한다. 드레이프는 프리프레그를 취급하고 복잡한 표면에 정합시키는 용이함을 지칭한다. 예를 들어 드레이프는 작은-반경 막대와 같은 윤곽부 주위의 프리프레그의 성형성의 척도이다. 드레이프성은 프리프레그가 복잡한 형상으로 형성될 수 있게 하기에 충분하게 양호해야 한다.

산업적 제조 방법에 의해 낮은 생산 비용으로 높은 기계적 특성을 갖는 복합 재료를 제조하기 위해, 본 발명에 따른 복합 재료 또는 랜덤 매트가 필름 층을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 필름 층은 유리하게는 열경화성 또는 열가소성 중합체 필름 또는 분말로 코팅된다.

산업적 제조 방법에 의해 낮은 생산 비용으로 높은 기계적 특성을 갖는 복합 재료를 제조하기 위해, 복합 재료가, 복합 재료의 총 질량에 대해, 10-65% 사이의 섬유-강화 재료의 질량 분율을 포함하는 것이 바람직하다.

한 실시양태에서, 섬유를 포함하는 복합체 (ISO-14125:1998)의 굴곡 강도는 적어도 25 GPa, 바람직하게는 적어도 28 GPa, 보다 바람직하게는 적어도 30 GPa를 갖는다.

한 실시양태에서, 섬유를 포함하는 복합체 (ISO-14125:1998)의 굴곡 모듈러스는 적어도 210 MPa, 바람직하게는 적어도 240 MPa, 보다 바람직하게는 적어도 250 MPa를 갖는다.

본 발명에 따른 효과

따라서, 본 발명에 따른 랜덤 매트는 높은 기계적 성능을 겸비할 수 있고 저비용으로 제조될 수 있는 탄소 섬유 복합 재료를 제공할 수 있다.

발명의 산업상 이용가능성

본 발명에 따른 탄소 섬유 복합 재료는 높은 기계적 특성 및 낮은 생산 비용의 조합으로 탄소 섬유 강화 성형품을 제조하는데 사용될 수 있다. 이러한 탄소 섬유 복합체는 종래의 기술에 의해 달성되지 않았다.

따라서 본 발명은 또한 본 발명에 정의된 바와 같은 하나 이상의 랜덤 매트 또는 복합 재료를 포함하는 섬유-강화 물품에 관한 것이다.

한 실시양태에서, 상기 섬유-강화 물품은 상기 섬유-강화 물품의 총 질량에 대해 10 내지 65 질량%, 예를 들어 40 내지 60 질량%의 섬유 다발을 포함한다.

전형적으로, 상기 섬유-강화 물품은 랜덤 매트 또는 복합체를 성형함으로써 수득된다. 따라서, 본 발명은 이러한 성형된 섬유-강화 물품에 관한 것이다.

보다 바람직하게는 성형된 섬유-강화 물품은 섬유-강화 열경화성 성형 화합물, 예컨대 예를 들어 시트 성형 화합물 (SMC)이다.

도 1은 본 발명에 따른 공정의 일례의 개략 측면도이고;
도 2는 본 발명에 따른 공정의 일례의 또 다른 측면의 개략도이고;
도 3은 연신 롤이 있는, 본 발명에 따른 공정의 개략도이다.
도 4는 연신 롤이 없는, 본 발명의 범주 내에 있지 않은 비교 공정의 개략도이다.
도 5, 6 및 7은 본 발명에 따르나 이들의 단부에서 상이한 형상을 갖는 섬유 다발의 예의 개략 측면도이다. 도 5, 6 및 7은 섬유 다발 단부에서 섬유 다발 내의 섬유의 개수가 섬유 방향으로 섬유 다발의 중심에서 에지로 갈수록 적어진다는 것을 보여준다. 도 5에서 섬유 다발은 경사진 단부를 갖는다. 경사진 단부는 본 발명에 따른 방법의 절단 단계 때문에 형성된다. 도 6 및 7에서 섬유 다발은 단부에서 상이한 형상을 나타낼 수 있는데, 랜덤 매트를 가공하는 동안 경사진 단부를 가진 다발이 도 6 및 7에 개략적으로 나타낸 바와 같이 변형될 수 있기 때문이다. 한 실시양태에서, 이러한 형상은 랜덤 매트 재료에서 관찰될 수 있다.

이하에서, 본 발명을 실시예 및 비교 실시예와 함께 상세히 설명할 것이다.

상기 기재된 방법을 통해, 고가의 기계 및 장비 없이 랜덤 매트를 얻을 수 있다. a: 섬유 다발을 절단 롤에 운반하는 공급기, b: 롤 상의 라인에 매립된 블레이드를 가진 절단 롤, 및 c: 절단된 섬유 다발을 절단 롤 아래에 모으는 바스켓을 포함하는 전통 기계 및 장비가 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공정의 일례의 개략도이다. 섬유 토우(1)는 구동 롤(6) 및 닙 롤(7)에 의해, 가이드(8)를 통해 절단 블레이드(4)로 공급되고, 연신 롤(2)의 협력하에 섬유 다발(5)로 절단된다.

도 2는 절단 롤(3) 상의 절단 블레이드(4)를 나타내는 본 발명에 따른 공정의 일례의 또 다른 개략도이다. 절단 블레이드(4)는 절단 롤(3)에 부착되며 절단 에지가 회전 방향과 블레이드 사이에 각도를 형성하고, 토우 상의 섬유 방향에 대한 절단 각도에 상응한다.

도 3은 본 발명의 공정의 일례에 따라 섬유 다발로 절단된 섬유 토우를 보여주는 공정의 또 다른 개략도이다. 섬유 토우의 에지는 각도를 갖는데 절단 블레이드(4)가 절단 롤(3)에 부착된 각도를 갖기 때문이다. 섬유 토우(1)는 절단 블레이드(4)에 의해 절단되며, 이것은 측면 에지(41)에서 섬유 토우(1)의 절단을 시작하고, 절단 블레이드에 의해 절단된 에지(12)는 연신 롤에 의해 인발되고 섬유 토우(1)로부터 분리됨으로써 섬유 다발(5)을 형성한다. 따라서 섬유 다발 또는 섬유 토우(1)는 섬유 다발 또는 섬유 토우(1)의 일부분으로 제조된 요소 또는 세그먼트를 형성하는 다수의 섬유 다발(5)로 분리된다. 연신 롤(2) 덕분에, 섬유 다발(5) 내의 섬유의 개수는 본 발명에 따라 정의된 범위에 있다:

N: 섬유 다발 내의 섬유의 평균 개수

D: 섬유 다발 내의 섬유의 평균 직경 (마이크로미터; μm)

도 4는 연신 롤이 없는 비교 공정의 일례의 개략도이다. 섬유 토우(1)의 에지는 사선 각도를 갖는데 도 3에서와 같이 절단 블레이드(4)가 절단 롤러(3) 상에 사선 각도 θ를 형성하기 때문이다. 섬유 토우(1)는 절단 블레이드(4)에 의해 절단되며, 이것은 도 3에서와 같이 측면 에지(41)에서 섬유 토우(1)의 절단을 시작한다. 이러한 공정은 섬유 토우(1)의 크기를 감소시키는 수단을 포함하지 않는다. 보다 정확하게는 연신 롤(2) 없이, 절단 블레이드에 의해 절단된 에지(52)는 섬유 토우(1)의 전폭이 절단 블레이드(4)에 의해 절단될 때까지 제 자리에 남아있고 섬유 다발(5)을 형성하며, 여기서 섬유의 개수는 본질적으로 섬유 토우(1)의 것과 동일하다. 따라서, 섬유 다발(5) 내의 섬유의 개수는 본 발명의 범위 밖에 있다. 그러므로 높은 기계적 특성 또는 낮은 생산 비용으로 랜덤 매트를 수득하는 것이 가능하지 않다.

다음에, 본 발명의 실시예 및 비교 실시예를 설명한다.

먼저, 본 발명에 따라 사용된 특성 및 결정 방법을 설명하고, 이어서 실시예 및 비교 실시예를 상세히 기재한다.

(1) 섬유 다발의 평균 개수 N 및 표준 편차 SD를 결정하는 방법:

탄소 섬유 복합 재료로부터 10 mm x 100 mm의 크기를 가진 시료를 절단하였고, 그 후에, 시료를 500℃로 가열된 전기로에서 약 1시간 동안 가열하여 매트릭스 수지와 같은 유기 물질을 연소 제거하였다. 실온으로 냉각시킨 후 남은 탄소 섬유 응집체의 질량을 결정하였다. 탄소 섬유 다발은 모두 트위저에 의해 탄소 섬유 응집체로부터 추출되었다. 1/10,000 g의 정도까지 측정할 수 있는 저울을 사용하여 모든 추출된 탄소 섬유 다발을 칭량하였다. 각 탄소 섬유 다발의 중량 Mn 및 길이 Ln을 결정하였다. 결정 후, 각 다발에 대해, xn=Mnx4/D²/π/Ln/S를 계산하였고, 여기서 D는 탄소 섬유의 직경이고, S는 탄소 섬유의 비중이고, xn은 탄소 섬유 다발을 형성하는 섬유의 개수이다. 잘라낸 재료로부터 100개의 섬유 다발을 집어올리고 이들로부터 평균 다발 개수 N 및 SD의 표준 편차를 계산하였다.

기계적 특성

(2) 굴곡 모듈러스

굴곡 모듈러스는 ISO-14125에 따라 결정하였다.

(3) 굴곡 강도

굴곡 강도는 ISO-14125에 따라 결정하였다.

실시예

실시예 1:

상업용 섬유 토우를 선택하고 (T700SC-12K-50C ; 도레이 카본 파이버스 유럽 에스. 에이.(Toray Carbon Fibers Europe, S. A.)), 크릴에 고정시켰다. 섬유 직경 D는 7 마이크로미터 (μm)를 가졌다. 섬유 토우는 절단 롤(3), 닙 롤(7), 및 구동 롤(6)을 거쳐 가이드(8)를 통해 연신 롤(2)로 인발되었다 (도 1 참조). 연신 롤(2)과 절단 롤(3) 사이의 거리는 L = 33 mm로 설정되었다. 절단 블레이드(4)는 절단 롤(3) 상에 46 도의 사선 각도 θ로 설정되었다. 또한 박리지 상에 250 마이크로미터 (μm) 두께로 상업용 에폭시 수지에 의해 코팅된 수지 필름은 절단된 섬유 다발(5)을 수집하기 위해 연신 롤(2) 바로 아래에 준비하였고, 이것은 절단 후 필름 상에 섬유의 랜덤 매트를 형성할 것이다. 이어서 연신 롤(2)은 vr = 9778 RPM으로 회전하기 시작하였고 절단 롤(3)은 vc = 275 RPM으로 회전하기 시작하였다. 수지 필름 (도 1에 도시되지 않음)도 10mm/min의 속도로 공급하기 시작하여 수지 시트 표면에서 랜덤 매트를 수득하였다. 랜덤 매트를 포함하는 수지 시트를 이어서 30 cm X 30 cm 정사각형 조각으로 절단하고 10개 층으로 레이-업하였다. 이어서 층을 프레스 성형기로 설정하고 120 ℃에서 3 대기압하에 1시간 동안 경화시켜 복합 재료 패널을 수득하였다. 이어서 패널을 쿠폰으로 절단하고 ISO 14125에 따라 굴곡 모듈러스 및 굴곡 강도를 평가하였다. 공정 파라미터는 표 1에 나타내었고 결과는 표 2에 나타내었다. 굴곡 모듈러스 및 강도는 높은 기계적 특성 복합 재료를 제공하기에 충분히 높고 생산 비용은 저비용 12K 섬유 토우의 사용 덕분에 낮았다.

섬유 다발의 폭은 섬유의 개수를 감소시킴으로써 중심에서 에지로 갈수록 얇아졌다. 섬유 다발의 평균 개수 N 및 표준 편차 SD_N은 상기 기재된 방법에 따라 측정하였고, 표 2에 나타내었다.

실시예 2 내지 6

섬유 토우, 절단 롤 및 연신 롤의 회전 속도를 변경하였고 실시예 1에서와 같은 동일한 평가를 수행하였다. 공정 파라미터 및 결과는 표 1 및 표 2에 나타내었다.

굴곡 모듈러스 및 굴곡 강도는 섬유 다발 내의 섬유의 평균 개수 N이 본 발명의 범위 내에 있기 때문에 충분히 높았고, 생산 비용은 저비용 12K 및 24K 섬유 토우의 사용 덕분에 낮았다.

비교 실시예 1 내지 3:

조건은 T300-3K-40B 및 T300-1K-40B (둘 다 모두 도레이 인더스트리즈 인코포레이티드(Toray Industries, Inc.)로부터의 상업적 제품임)로 변경된 섬유 토우를 제외하고 실시예 1에서의 조건과 동일하였고 표 3에 나타낸 바와 같이 평가를 수행하였다. 결과는 표 4에 나타내었다. 비교 실시예 1에 따른 복합체의 기계적 특성은 N이 본 발명에 따른 범위 밖에 있기 때문에 실시예 1 내지 6의 것보다 낮았다. 비교 실시예 2 및 3에 따른 복합체의 기계적 특성은 실시예 1-6만큼 양호하였지만 생산 비용은 가격이 12K 또는 24K의 가격보다 높은 3K 및 1K 섬유 토우를 사용했기 때문에 본 발명에 따른 실시예보다 높았다.

Claims

섬유 다발을 포함하는 랜덤 매트이며, 상기 섬유 다발은 5 내지 100mm의 평균 섬유 길이를 갖는 섬유를 포함하고, 하기 수식을 충족시키는 섬유 다발 내의 섬유의 평균 개수 N을 가지며,

여기서 D는, 마이크로미터로 표시되는, 섬유 다발 내의 섬유의 평균 직경이고,
여기서 섬유 다발 내의 섬유의 개수의 표준 편차 SD_N은 하기 수식을 충족시키고,
1,000 < SD_N < 6,000
여기서 섬유 다발의 단부에서 섬유 다발 내의 섬유의 개수는 섬유 방향으로 섬유 다발의 중심에서 에지로 갈수록 적어지는 것인
랜덤 매트.
제1항에 있어서, 섬유 다발 내의 섬유의 개수의 표준 편차 SD_N이 하기 수식을 충족시키는 것인 랜덤 매트:
2,000 < SD_N < 6,000.
제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유가 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 및 그의 임의의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 랜덤 매트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 랜덤 매트가 열경화성 또는 열가소성 매트릭스 및 섬유 다발을 포함하는 것인 랜덤 매트.
섬유 다발을 포함하는 랜덤 매트를 제조하는 방법이며, 상기 섬유 다발은 섬유를 포함하고, 상기 방법은 하기 단계를 포함하는 것인 방법:
(i) 섬유 다발을 일정한 간격으로 절단하며, 여기서 절단 에지는 섬유 방향에 대해 사선 각도 θ를 갖는 것인 단계; 및
(ii) 섬유 다발의 크기를 감소시킴으로써 본 발명에 따른 랜덤 매트 재료를 제공하는 단계.
제5항에 있어서, 섬유 다발이, 5 내지 100mm의 평균 섬유 길이를 갖는 섬유를 포함하고 하기 수식을 충족시키는 섬유 다발 내의 섬유의 평균 개수 N을 가지며,

여기서 D는, 마이크로미터로 표시되는, 섬유 다발 내의 섬유의 평균 직경이고,
여기서 섬유 다발 내의 섬유의 개수의 표준 편차 SD_N은 하기 수식을 충족시키고,
1,000 < SD_N < 6,000
여기서 섬유 다발의 단부에서 섬유 다발 내의 섬유의 개수는 섬유 방향으로 섬유 다발의 중심에서 에지로 갈수록 적어지는 것인
방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 섬유 다발이 제2항에 정의된 바와 같은 것인 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 섬유 다발의 크기가 절단 롤로부터 5 내지 100mm 범위의 거리 L에 배치된 연신 롤에 의해 감소되며, 상기 절단 롤은 회전 속도 vc로 회전하고, 상기 연신 롤은 회전 속도 vr로 회전하며; 여기서 vr은 vc보다 큰 것인 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 절단 단계 (i)가 하기와 같은 회전 속도 vc를 갖는 절단 롤에 의해 수행되는 것인 방법.
100 RPM < vc < 400 RPM
제5항 또는 제6항에 있어서, vr/vc의 비가 하기 수식을 충족시키는 것인 방법.
20 < vr/vc < 80
제8항에 있어서, 롤이 원통형 또는 원추형 형상인 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 12K 또는 24K 탄소 섬유 다발이 단계 (i)에서 절단되는 것인 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 랜덤 매트가 열경화성 또는 열가소성 중합체 필름 또는 분말로 코팅된 필름 층을 포함하는 것인 방법.
제1항 또는 제2항에 정의된 바와 같은, 또는 제5항 또는 제6항에 정의된 바와 같은 방법에 따라 얻을 수 있는 랜덤 매트를 포함하는 복합 재료.
성형된 섬유-강화 물품이며, 여기서 상기 성형된 섬유-강화 물품은 제1항 또는 제2항에 정의된 바와 같은, 또는 제5항 또는 제6항에 정의된 바와 같은 방법에 따라 얻을 수 있는 하나 이상의 랜덤 매트를 포함하거나, 또는 상기 랜덤 매트를 포함하는 하나 이상의 복합 재료를 포함하고, 상기 섬유-강화 물품은 상기 섬유-강화 물품의 총 질량에 대해 10 내지 65 질량%의 섬유 다발을 포함하는 것인, 성형된 섬유-강화 물품.