KR102422403B1 - 개섬 섬유를 이용한 토우프레그 및 이의 제조방법 - Google Patents

개섬 섬유를 이용한 토우프레그 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 개섬된 섬유 다발에 열경화성 수지 조성물을 함침시켜 형성되며, 개섬된 섬유 다발의 사폭은 온도 23±5℃ 및 상대습도 60±20%에서 13 내지 21mm인 구성을 가진다. 이와 같은 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 개섬 섬유를 사용하여 함침하기 때문에 함침성이 우수하여 성형품의 물성이 우수하고, 보빈으로부터의 해사성 및 공정 통과성이 우수하며, 드레이프성이 높아 필라멘트 와인딩 공정에서의 공정성이 좋은 등의 효과가 있다.

Description

개섬 섬유를 이용한 토우프레그 및 이의 제조방법{TOWPREG USING SPREADING FIBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 섬유강화 복합재료로 구성된 구조물 중 필라멘트와인딩 공정에 적합하게 이용되는 개섬 섬유를 이용한 토우프레그에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 이형지 없이 보빈으로부터의 해사성과 공정 통과성이 우수하며, 드레이프성이 높으며, 함침성이 우수하여 필라멘트와인딩 공정에 적합한 토우프레그에 관한 것이다.
탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등의 강화섬유와 에폭시 수지, 페놀 수지 등의 열경화성 수지로 구성되는 섬유 강화 복합재료는 경량이면서 강도, 강성 등의 역학 특성이나 내열성, 내식성이 우수하기 때문에 항공 우주, 자동차, 선박, 토목 건축 및 스포츠 용품 등의 수많은 분야에 응용되어 왔다. 특히, 고성능이 요구되는 용도에서는 연속한 강화섬유를 이용한 섬유 강화 복합재료가 이용되고 있다. 강화섬유로서는 비 강도, 비 탄성률이 우수한 탄소섬유가, 그리고 매트릭스 수지로서는 열경화성 수지, 특히, 탄소섬유와의 접착성이 우수한 에폭시 수지가 많이 이용되고 있다.
섬유 강화 복합재료에는 강화섬유를 일방향으로 배열하거나 직물, 부직포 등의 시트 상태에 열경화성 수지를 함침한 중간 기재인 프리프레그가 널리 이용된다. 그 중, 수천~수만 개의 필라멘트를 일방향으로 배열시킨 강화섬유 다발에 열경화성 수지를 함침한 토우프레그, 토우 프리프레그, 얀 프리프레그 또는 스트랜드 프리프레그로 불리는 좁은 폭의 중간 기재(이하, 토우프레그라고 한다)가 사용된다. 이와 같은 토우프레그는 특히 필라멘트와인딩 공정이나 자동적층장치(AFP)에 사용하기 적합하다.
일반적으로 토우프레그는 강화섬유다발에 고점도의 열경화성 수지를 함침시킨 후 반경화시키고, 이형지 등을 합지하지 않고 보빈에 감아 제조 및 보관한다. 이후 섬유 강화 복합재료로 이용하는 경우 보빈에 감긴 토우프레그를 해사하여 사용한다. 따라서, 고점도의 열경화성 수지를 강화섬유다발에 함침시킬 때 우수한 함침성과 해사 시에 강화섬유 보풀이 일어나지 않도록 하기 위해서, 토우프레그는 적절한 박리력(접착성)과 높은 드레이프성이 필수적으로 요구된다.
기존의 필라멘트와인딩 공정은 별도의 수지가 없는 강화섬유를 사용하여 별도의 수지 함침 공정을 추가하는 것이 일반적이다. 이러한 공정에서 강화섬유다발에 고점도의 열경화성 수지를 함침할 때 함침성이 저하되어 물성 저하가 일어나는 문제가 있다. 또한, 필라멘트와인딩 공정에 사용되는 토우프레그의 경우 맨드릴에 와인딩될 때 미끄러지지 않고 설계한 와인딩 패턴대로 성형될 수 있을 정도로 높은 박리력(접착성)이 요구되지만, 박리력(접착성)이 과도하게 높을 경우 별도의 이형지 없이는 해사성이 떨어져, 해사 시에 강화섬유 보풀이 자주 발생하여 성형품의 물성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 드레이프성이 낮은 토우프레그 및 프리프레그를 사용했을 때 곡면 부분의 필라멘트와인딩 시 완전한 밀착이 이뤄지지 않아 성형품의 물성이 저하되는 문제가 있다. 일본등록특허 제6020734호는 매트릭스 수지 조성물을 강화 섬유다발에 함침하여 이루어진 토우 프리프레그를 개시하고 있으나, 종래의 일반적인 토우프레그와 마찬가지로 상술한 드레이프성에 따른 밀착성 문제를 해결하지 못한다.
이와 같은 이유로, 별도의 이형지 없이 보빈으로부터의 해사성과 공정 통과성이 우수한 박리력(접착성)을 갖고, 드레이프성이 높으며, 함침성이 우수한 필라멘트와인딩용 토우프레그가 요구되고 있었다.
일본등록특허 제6020734호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 별도의 이형지를 사용하지 않으며 보빈으로부터의 해사성과 공정 통과성이 우수한 박리력(접착성)을 갖고, 드레이프성이 높으며, 열경화성 수지를 강화섬유다발에 함침할 때 함침성이 우수한 개섬 섬유를 이용한 토우프레그 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적의 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해질 것이다.
상기 목적은, 개섬된 섬유 다발에 열경화성 수지 조성물을 함침시켜 형성되며, 개섬된 섬유 다발의 사폭은 온도 23±5℃ 및 상대습도 60±20%에서 13 ~ 21mm인 개섬 섬유를 이용한 토우프레그에 의해 달성된다.
바람직하게는, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 개섬된 섬유 다발 100 중량부에 대해 열경화성 수지 조성물 26 내지 28 중량부가 함침되어 형성된 것일 수 있다.
바람직하게는, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 온도 23±5℃ 및 상대습도 60±20%에서 25 MPM의 속도로 측정된 박리력이 5 내지 20gf인 것일 수 있다.
바람직하게는, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 온도 23±5℃ 및 상대습도 60±20%에서 드레이프값이 40 내지 90°인 것일 수 있다.
바람직하게는, 열경화성 수지 조성물은 에폭시 수지, 경화제 및 경화 촉진제를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 열경화성 수지 조성물은 에폭시 수지 100 중량부에 대해 경화제 5 내지 20중량부를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 열경화성 수지 조성물은 에폭시 수지 100 중량부에 대해 경화 촉진제 5 중량부 이하를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 경화제는 시안아미드를 사용하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 에폭시 수지는 액상 에폭시 수지일 수 있으며, 비스페놀A형 에폭시, 비스페놀F형 에폭시, 노볼락 에폭시, 난연성 에폭시, 환형지방족 에폭시 및 고무 변성 에폭시 중 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 개섬된 섬유의 필라멘트 수는 1,000 내지 300,000개일 수 있다.
또한, 상기 목적은, 상술한 내용에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그를 경화시켜 형성된 섬유강화 복합재료에 의해 달성된다.
바람직하게는, 섬유강화 복합재료는 층간전단강도가 60~70MPa인 것일 수 있다.
또한, 상기 목적은, 강화섬유 다발을 개섬하는 제1 단계, 개섬된 강화섬유 다발을 열경화성 수지 조성물에 함침시키는 제2 단계 및 열경화성 수지 조성물이 함침된 강화섬유 다발을 건조시키는 제3 단계를 포함하는 개섬 섬유를 이용한 토우프레그의 제조방법에 의해 달성된다.
바람직하게는, 제1 단계에서 개섬비는 1.75 내지 2.5인 것일 수 있다.
바람직하게는, 제3 단계에서 건조 온도는 100 내지 120℃이고, 건조 시간은 1 내지 3분인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그 및 이의 제조방법은 개섬 섬유를 사용하여 함침하기 때문에 함침성이 우수하여 성형품의 물성이 우수하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그 및 이의 제조방법은 보빈으로부터의 해사성 및 공정 통과성이 우수하며, 드레이프성이 높아 필라멘트와인딩 공정에서의 공정성이 좋다.
이와 같은 효과를 통해 본 발명의 개섬 섬유를 이용한 토우프레그로 제조된 섬유 강화 복합재료는 항공 우주, 자동차, 선박, 토목 건축 및 스포츠 용품 등의 다양한 분야에 사용할 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 양상에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
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.
본 발명의 일 양상에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 개섬된 섬유 다발에 열경화성 수지 조성물을 함침시켜 제조된다. 본 발명에서 사용되는 강화섬유는 개섬 공정을 통해 소정의 사폭을 가지도록 개섬된 섬유를 사용한다. 이때 개섬된 섬유 다발의 사폭은 온도 23±5℃ 및 상대습도 60±20%에서 13 ~ 21mm 인 것이 바람직하다. 개섬된 섬유 다발의 사폭이 13mm 미만인 경우 열경화성 수지 조성물의 함침량이 부족하여 드레이프성과 박리성이 낮아져 필라멘트 와인딩 시 토우프레그의 미끄러짐이 발생하게 될 뿐 아니라 층간 수지가 부족하게 된다. 또한, 개섬된 섬유 다발의 사폭이 21mm를 초과하는 경우 열경화성 수지 조성물의 함침량이 과도하여 박리력이 높아 필라멘트 와인딩시 해사성이 불량하고 과량의 수지로 인해 층간 간격이 벌어져 성형품의 물성이 저하된다.
일 실시예에서, 개섬된 섬유 다발 100 중량부에 대해 열경화성 수지 조성물 26 내지 28 중량부가 함침되어 형성된 것이 바람직한데, 이는 개섬된 섬유 다발의 사폭이 13mm 미만인 경우 섬유 다발 100중량부에 열경화성 수지 조성물이 26 중량부 미만으로 함침되어 드레이프성과 박리력이 낮아 필라멘트 와인딩 시 토우프레그의 미끄러짐이 발생하게 되며 층간 수지가 부족하게 되고, 또한 개섬된 섬유 다발의 사폭이 21mm 초과인 경우 섬유 다발 100중량부에 열경화성 수지 조성물이 28 중량부 이상이 함침되어 박리력이 높아 필라멘트 와인딩시 해사성이 불량하고 과량의 수지로 인해 층간 간격이 벌어져 성형품의 물성이 저하된다. 즉 개섬된 섬유 다발의 사폭과 열경화성 수지 조성물의 함량은 서로 상관 관계를 가진다.
또한, 개섬된 섬유 다발의 개섬비는 1.75 내지 2.5인 것이 바람직하다. 개섬비는 개섬전의 사폭 대비 개섬후의 사폭 사이의 비율을 나타내는 것이다. 개섬비가 1.75 미만인 경우 수지의 함침성이 저하되며, 개섬비가 2.5 초과인 경우 수지가 과량으로 함침되는 문제가 생긴다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 개섬된 섬유 다발(강화 섬유 다발)에 열경화성 수지 조성물을 함침시킨 후 건조하여 반경화 상태로 제조된다. 일 실시예에서, 사용되는 강화섬유 다발의 필라멘트 수는 1,000 내지 300,000개인 것이 바람직하다. 강화섬유의 필라멘트 수가 1,000 개 미만인 경우에는 대면적의 섬유 강화 복합재료 제조 시에 부피당 면적비가 낮아 제조비용이 많이 들어가는 단점이 있고, 300,000 개를 초과하는 경우에는 강화섬유 토우당 필라멘트의 결점이 많아짐으로 인해 제조된 섬유 강화 복합재료의 인장강도 또는 압축강도 등이 낮아지는 단점이 발생한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그에서 개섬하여 사용되는 강화섬유는 당해 분야에서 사용될 수 있는 모든 강화섬유를 사용할 수 있으며, 그 용도에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 예컨대 강화섬유는 금속 섬유, 금속화된 무기 섬유, 금속화된 합성 섬유, 유리 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 미네랄 섬유, 현무암 섬유, 무기 섬유, 아라미드 섬유, 케나프 섬유, 주트 섬유, 아마 섬유, 대마 섬유, 셀룰로스 섬유, 사이잘 섬유 및 코이어 섬유 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 섬유를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 강화섬유는 비중이 1.7 내지 1.9인 탄소섬유 토우를 사용하는 것이 바람직하며, 1.75 내지 1.85인 것이 보다 바람직하다. 강화섬유의 비중이 1.7 미만인 경우 탄소섬유 토우를 형성하는 탄소섬유 필라멘트에 보이드 등이 많이 존재하거나, 탄소 필라멘트의 치밀성이 낮아져 탄소섬유 필라멘트로 이루어지는 토우프레그를 이용하여 성형되는 탄소섬유 복합재료는 낮은 압축강도를 갖게 된다. 또한 강화섬유의 비중이 1.9를 초과할 경우 탄소섬유 복합재료의 경량화의 효과가 낮아진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그에서 개섬된 섬유에 함침되는 열경화성 수지 조성물은 토우프레그용 에폭시 수지 조성물인 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 토우프레그용 에폭시 수지 조성물인 열경화성 수지 조성물은 에폭시 수지, 경화제 및 경화촉진제를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 에폭시 수지는 액상 에폭시 수지일 수 있으며, 비스페놀A형 에폭시, 비스페놀F형 에폭시, 노볼락 에폭시, 난연성 에폭시, 환형지방족 에폭시 및 고무 변성 에폭시 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 경화제로는 시안아미드(cyanamide)를 사용하는 것이 바람직하다. 시안아미드는 액상 시안아미드일 수 있으며, 열 활성형 잠재성 경화제로서, 에폭시 수지 조성물에 시안아미드를 포함시킴으로써 실온에서의 저장 안정성 및 강화 섬유에 에폭시 수지 조성물의 함침 공정에서의 열 안정성 등을 확보할 수 있다.
이와 같이, 열경화성 수지 조성물은 시안아미드를 포함함으로서 강화 섬유를 개섬하여 형성된 개섬된 섬유에 에폭시 수지 조성물을 함침시켜 토우프레그를 제조할 때 적절한 접착성, 우수한 드레이프성을 가져 보빈으로부터의 해사성, 공정 안정성이 우수하고, 고체 입자형 경화제를 사용할 때 발생할 수 있는 토우프레그 표면의 백화 현상도 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 시안아미드를 포함하는 경화제는 에폭시 수지 100중량부에 대해 5 내지 20중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 시안아미드가 5중량부 미만으로 포함될 경우 토우프레그의 제조 시 경화도가 낮아 기계적 강도나 내열성이 저하될 수 있고, 20중량부를 초과할 경우 토우프레그의 저장 안정성 및 드레이프성이 저하될 수 있기 때문이다.
일 실시예에서, 경화촉진제는 에폭시 수지 100 중량부에 대해 5 중량부 이하로 포함하는 것이 바람직하다. 이는 경화촉진제가 5중량부 초과로 포함될 경우 저장 안정성이 저하되거나 경화물의 취성이 커질 수 있기 때문이다. 경화촉진제는 경화제인 시안아미드의 경화 활성을 향상시키기 위한 것으로서, 페놀 화합물, 이미다졸 및 3급 아민 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 열경화성 수지 조성물을 120℃에서 2시간 열처리한 경화물의 시차 주사 열량계(DSC)를 이용한 열분석에 의한 유리전이온도(Tg)는 100℃ 이상이고, ASTM D638 평가에 의해 얻어지는 인장 강도가 60 MPa 이상이며, 신율이 2 내지 10% 범위인 것이 바람직하다. 이는 유리전이온도(Tg)가 100℃ 이상일 때 토우프레그를 이용하여 제조된 섬유 강화 복합재료에서 발생할 수 있는 변형 등의 원인이 되는 물성저하를 억제하는 동시에 내열성이 우수한 섬유 강화 복합재료를 제조할 수 있기 때문이다. 또한, 인장 강도가 60 MPa미만인 경우 섬유 강화 복합재료에 인가되는 응력이 강화 섬유에 충분히 전달되지 못해 섬유 강화 복합재료의 물성이 저하될 수 있기 때문이다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 별도의 이형지 또는 이형필름이 없는(부착되지 않은) 상태로, 온도 23±5 ℃ 및 상대습도 60±20%에서 5 내지 20gf의 박리력을 갖는 것이 바람직하다. 토우프레그의 박리력은 2kg의 롤러로 압착시킨 후 25MPM의 속도로 박리하였을 때 발생하는 인장 응력을 의미하는데, 5gf 미만일 경우 필라멘트 와인딩 공정 시 접착성이 낮아 맨드릴에서 미끄러지는 등의 문제가 있고, 20gf 초과일 경우 토우프레그를 보빈에서 해사하거나 필라멘트 와인딩 공정 시 보풀이 발생하는 문제가 있기 때문이다.
일 실시예에서, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 온도 23±5 ℃ 및 상대습도 60±20%에서 40 내지 90°의 드레이프값을 갖는 것이 바람직하다. 토우프레그의 드레이프성이 40°미만일 경우 필라멘트 와인딩 공정 시 토우프레그 사이의 완전한 밀착이 이루어지기 어려워 성형품의 물성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 필라멘트 와인딩 공정을 이용하여 섬유 강화 복합재료로 구성된 중공 구조물을 제조할 때 적합하게 이용되는데, 특히 복합재료 압력용기에 이용될 수 있다. 여기서, 압력용기는 연료로서 수소를 저장하고 있는 수소 저장 탱크일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 메탄, 부탄, 프로판, 헬륨, 질소 및 산소 등의 다양한 연료를 저장할 수 있다. 연료로서 수소를 저장하고 있는 경우에는 수소 용기 내에 수소 흡장 합금 등의 수소 저장 재료를 넣어 압축에 의한 압력용기, 수소 저장 재료에 의한 연료 저장 탱크나 수소를 액체로 저장하는 압력용기 등 다양한 형태의 압력용기일 수 있다. 또한 압력용기는 중공을 갖는 원통형 또는 비원통형일 수 있으며, 압력용기의 라이너는 합성 수지 등의 플라스틱 재료를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 양상에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 양상에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그의 제조방법은 강화섬유 다발을 개섬하는 제1 단계(S101), 개섬된 강화섬유 다발을 열경화성 수지 조성물에 함침시키는 제2 단계(S102) 및 열경화성 수지 조성물이 함침된 강화섬유 다발을 건조시키는 제3 단계(S103)를 포함한다.
강화섬유 다발을 개섬하는 제1 단계(S101)에서는 개섬기를 이용하여 강화섬유 다발을 개섬(spreading)하여 확사한다. 이때, 제1 단계(S101)에서 개섬되는 강화섬유의 사폭은 13 ~ 21mm인 것이 바람직하다. 강화 섬유의 폭이 13mm 미만인 경우 섬유 다발 100중량부에 열경화성 수지 조성물이 26 중량부 미만으로 함침되어 드레이프성과 박리력이 낮아 필라멘트 와인딩 시 토우프레그의 미끄러짐이 발생하게 되며 층간 수지가 부족하게 된다. 또한, 강화 섬유의 폭이 21mm 초과인 경우 섬유 다발 100중량부에 열경화성 수지 조성물이 28 중량부 이상이 함침되어 박리력이 높아 필라멘트 와인딩시 해사성이 불량하고 과량의 수지로 인해 층간 간격이 벌어져 성형품의 물성이 저하된다.
일 실시예에서, 제1 단계(S101)에서 강화섬유를 개섬할 때의 개섬비는 1.75 내지 2.5인 것이 바람직하다. 개섬비는 개섬전의 사폭 대비 개섬후의 사폭 비를 나타내는 것이다. 개섬비가 1.75 미만인 경우 수지의 함침성이 저하되고, 개섬비가 2.5 초과인 경우 수지가 과량으로 함침되는 문제가 생긴다.
다음으로, 개섬된 강화섬유 다발을 열경화성 수지 조성물에 함침시키는 제2 단계(S102)에서는 에폭시 수지, 경화제 및 경화촉진제를 포함하는 열경화성 수지 조성물을 S101 단계에서 개섬된 섬유에 함침시킨다. 이때. 개섬된 섬유에 함침되는 열경화성 수지 조성물은 개섬된 섬유 다발 100 중량부에 대해 26 내지 28 중량부인 것이 바람직하다.
또한, 개섬된 강화섬유 다발을 열경화성 수지 조성물에 함침시키는 제2 단계(S102)에서는 다양한 공지된 공정으로 개섬된 섬유에 열경화성 수지 조성물을 함침시킨다. 즉, 토우프레그용 에폭시 수지 조성물과 같은 열경화성 수지 조성물을 메틸 에틸 케톤이나 메탄올 등의 유기 용매에 용해시켜 저점도화하고 개섬된 섬유 다발을 함침시킨 후, 오븐 등을 이용하여 유기 용매를 증발시켜 토우프레그를 제조하는 솔벤트법, 또는 열경화성 수지 조성물을 유기 용매를 이용하지 않고 가열에 의해 저점도화하고 개섬된 섬유 다발을 함침시켜 토우프레그를 제조하는 액상법, 또는 가열에 의해 저점도화한 열경화성 수지 조성물을 롤이나 이형지 상에 필름화하여 강화섬유 다발의 편면 또는 양면에 전사한 뒤 롤을 통과시킴으로써 가압해 함침시키는 핫멜트법 등을 사용할 수 있다. 또한, 토우프레그 내에 유기 용매가 존재하지 않고 비교적 간단한 장비로 높은 품질의 토우프레그를 제조할 수 있는 액상법이 바람직하게 이용될 수 있다.
다음으로, 열경화성 수지 조성물이 함침된 강화섬유 다발을 건조시키는 제3 단계(S103)에서는 건조 온도 100℃ 내지 120℃에서 건조 시간 1분 내지 3분간 건조하여 개섬 섬유를 이용한 토우프레그를 제조한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 상술한 방법과 같은 다양한 방법을 통해 열경화성 수지를 개섬된 섬유에 함침한 후, 소정의 건조조건에서 건조하는 과정을 통해 반경화 상태로 제조하여 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 층간전단강도가 60 내지 70MPa인 것이 바람직하다. 층간전단강도가 60 MPa 미만인 경우 섬유강화 복합재료에 인가되는 응력이 강화 섬유에 충분히 전달되지 못해 섬유 강화 복합재료의 물성이 저하될 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]
1) 토우프레그의 제조
열경화성 수지 조성물로 이관능성 에폭시 수지 100 중량부에 시안아마이드 5 중량부를 혼합하여 제조하였다. 이때, 열경화성 수지 조성물의 점도는 10,000 cps로 하였다.
온도 23℃ 및 상대습도 60%에서 개섬기(HARMONI INDUSTRY, HW Type 4Step Tow Spread Machine)를 이용하여 탄소섬유(TORAYCA社 T700S-24000-50C) 토우를 섬유 다발의 사폭이 14mm가 되도록 개섬한 후, 제조된 열경화성 수지 조성물을 20kgf/cm3으로 정량을 토출하여 표 1에 기재된 수지 조성물의 비와 같이 함침시켜 수지가 함침된 탄소섬유 토우를 제조하였으며, 이를 100℃ 건조로에서 1 분의 건조 과정을 통해서 반경화 상태의 토우프레그를 제조하였다.
2) 섬유복합강화재료의 제조
상기 단계 1에서 제조된 토우프레그를 건조로에서 얼레에 10회 감고 120℃에서 2시간동안 경화시켜 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
[실시예 2]
섬유 다발의 사폭이 16mm가 되도록 한 개섬한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 토우프레그 및 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
[실시예 3]
섬유 다발의 사폭이 18mm가 되도록 한 개섬한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 토우프레그 및 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
[실시예 4]
섬유 다발의 사폭이 20mm가 되도록 한 개섬한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 토우프레그 및 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
[실시예 5]
섬유 다발의 사폭이 13mm가 되도록 한 개섬한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 토우프레그 및 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
[실시예 6]
섬유 다발의 사폭이 21mm가 되도록 한 개섬한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 토우프레그 및 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
[비교예]
[비교예 1]
섬유 다발의 사폭이 10mm가 되도록 한 개섬한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 토우프레그 및 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
[비교예 2]
섬유 다발의 사폭이 12mm가 되도록 한 개섬한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 토우프레그 및 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
[비교예 3]
섬유 다발의 사폭이 22mm가 되도록 한 개섬한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 토우프레그 및 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
[비교예 4]
섬유 다발의 사폭이 24mm가 되도록 한 개섬한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 토우프레그 및 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 토우프레그 및 섬유강화복합소재에 대하여, 하기 실험예를 통해 물성을 평가하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
[실험예]
(1) 토우프레그에 사용된 개섬 섬유의 폭 측정
개섬 섬유 폭은 버니어 캘리퍼스를 사용하여 측정하였다. 열풍 온도는 100℃로 실험을 진행하였다.
(2) 토우프레그의 열경화성 수지 조성물 함침비율 측정
온도 23℃, 상대습도 60%에서 토우프레그를 길이 3m로 자른 후 무게를 측정하여 강화섬유 무게에 토우프레그의 무게를 나누어 열경화성 수지 조성물의 비율을 측정하였고, 측정값은 5회 측정하여 평균값을 산출하였다.
(3) 토우프레그의 박리력 측정
온도 23℃, 상대습도 60%에서 토우프레그를 PET 필름(도레이첨단소재, XD500)에 2 kg의 롤러로 3회 왕복 문질러 압착시킨 후 박리력 측정기(Chem- Instrument, AR-1000)를 사용하여 박리력을 측정하였다. 박리 속도는 25 mpm으로 하였고 측정값은 3회 측정하여 평균값을 산출하였다.
(4) 토우프레그의 드레이프성 측정
온도 23℃, 상대습도 60%에서 길이 250mm로 자른 토우프레그를 수평한 시험대의 상부에 두고 시험대의 끝점으로부터 200 mm의 토우프레그를 공중에 돌출시켰다. 나머지 50 mm 부분에는 알루미늄 플레이트를 얹은 뒤 100g 정도의 추를 얹어 고정했다. 그리고 수평이 되도록 토우프레그를 유지한 후, 유지를 풀어 낙하시키고 나서 30초 후에, 시험대와 낙하한 토우프레그가 이루는 각도를 드레이프값으로 하였다.
시험대와 낙하한 토우 프리프레그가 이루는 각도란, 시험대 상부의 수평선을 A, 시험대의 끝점을 중심으로 하는 반경 90 mm의 원과 토우프레그가 교차하는 점을 이은 선을 B로 했을 때 A와 B가 이루는 각도를 말한다.
(5) 섬유강화 복합재료의 층간전단강도 측정
토우프레그를 얼레에 10회 감고 120℃에서 2시간동안 경화시킨 후, ASTM D2344 규격으로 제단 후 Instron Model 5965 UTM을 이용하여 최대하중 5kN의 로드 셀을 이용하여 섬유강화 복합재료의 층간전단강도를 측정하였다. 이때, 크로스 헤드 속도는 1.0mm/min으로 실험을 진행하였다.
구분 개섬 폭
(mm)		 수지 조성물의 비
(중량부)		 박리력
(gf)		 드레이프
(degree)		 층간전단강도 (MPa)
실시예 1 14 26.2 8.5 55 62
실시예 2 16 26.5 10.5 62 65
실시예 3 18 27.3 15.1 68 64
실시예 4 20 27.9 18.8 75 69
실시예 5 13 26.0 5 41 60
실시예 6 21 28.0 20 80 66
비교예 1 10 21.3 1.5 31 42
비교예 2 12 24.8 3.5 37 45
비교예 3 22 29.8 24.9 84 55
비교예 4 24 31.5 30.2 90 54
표 1에 기재된 바와 같이, 개섬 섬유의 폭이 13~21mm이고, 수지 조성물의 비가 26~28%를 만족하는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예 1 내지 6은 박리력과 드레이프값이 본원발명의 구성을 모두 만족하며 비교예에 비해 상대적으로 높은 층간전단강도를 가지는 것을 알 수 있다.
반면에, 개섬 섬유의 폭이 13mm 미만인 비교예 1 및 2는 수지 조성물의 비가 개섬된 섬유 다발 100 중량부에 26중량부 미만으로 개섬된 섬유 표면과 내부에 수지가 부족하여 박리력이 5gf 미만이고, 드레이프값이 40°미만으로 토우프레그 적층 시 층간 밀착성이 불량하고, 이를 통해 제조된 섬유강화 복합재료의 경우 내부 수지가 부족하여 층간전단강도가 60MPa 보다 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, 개섬 섬유의 폭이 21mm 초과인 비교예 3 및 4는 수지 조성물의 비가 28중량부 이상으로 강화섬유 표면에 과량의 수지로 인해 박리력이 20gf를 초과하여 해사시 보풀이 발생하고, 이를 통해 제조된 섬유강화 복합재료는 내부에 과량의 수지로 인해 층간 간격이 벌어져 층간전단강도가 60MPa 보다 낮게 나타나는 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.

Claims (15)

  1. 개섬된 섬유 다발에 열경화성 수지 조성물을 함침시켜 형성되며,
    상기 개섬된 섬유 다발의 사폭은 온도 23±5℃ 및 상대습도 60±20%에서 13 ~ 21mm이고,
    상기 개섬된 섬유 다발 100 중량부에 대해 상기 열경화성 수지 조성물 26 내지 28 중량부가 함침되어 형성된, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 온도 23±5℃ 및 상대습도 60±20%에서 25 MPM의 속도로 측정된 박리력이 5 내지 20gf인, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 개섬 섬유를 이용한 토우프레그는 온도 23±5℃ 및 상대습도 60±20%에서 드레이프값이 40 내지 90°인, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지 조성물은 에폭시 수지, 경화제 및 경화 촉진제를 포함하는, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열경화성 수지 조성물은 에폭시 수지 100 중량부에 대해 상기 경화제 5 내지 20 중량부를 포함하는, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열경화성 수지 조성물은 에폭시 수지 100 중량부에 대해 상기 경화 촉진제 5 중량부 이하를 포함하는, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 경화제는 시안아미드를 포함하는, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 에폭시 수지는 비스페놀A형 에폭시, 비스페놀F형 에폭시, 노볼락 에폭시, 난연성 에폭시, 환형지방족 에폭시 및 고무 변성 에폭시 중 선택된 적어도 하나를 포함하는, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 개섬된 섬유의 필라멘트 수는 1,000 내지 300,000개인, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그.
  11. 제1항, 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 개섬 섬유를 이용한 토우프레그를 경화시켜 형성된, 섬유강화 복합재료.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료는 층간전단강도가 60 내지 70MPa인, 섬유강화 복합재료.
  13. 강화섬유 다발을 개섬하는 제1 단계;
    상기 개섬된 강화섬유 다발을 열경화성 수지 조성물에 함침시키는 제2 단계; 및
    열경화성 수지 조성물이 함침된 강화섬유 다발을 건조시키는 제3 단계;
    를 포함하며,
    상기 제1 단계에서 개섬된 강화섬유 다발의 사폭은 온도 23±5℃ 및 상대습도 60±20%에서 13 ~ 21mm이고,
    상기 제2 단계는 상기 개섬된 강화섬유 다발 100 중량부에 대해 열경화성 수지 조성물 26 내지 28 중량부를 함침시키는, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 단계에서 개섬비는 1.75 내지 2.5인, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 건조온도는 100 내지 120℃이고, 건조 시간은 1 내지 3분인, 개섬 섬유를 이용한 토우프레그의 제조방법.
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