KR102555544B1 - 보강 섬유로 제조된 직물 기재 - Google Patents

보강 섬유로 제조된 직물 기재 Download PDF

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테이진 카르본 오이로페 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 서로 나란히 평행하게 배열되고 횡방향 스레드에 의해 연합된 멀티필라멘트 보강 얀의 적어도 하나의 평평한 층으로 이루어진 단방향 복합체를 포함하는, 복합-재료 예비성형품을 제조하기 위한 보강 섬유로 제조된 직물 기재에 관한 것으로, 여기서 열가소성 중합체 재료의 부직물은 멀티필라멘트 보강 얀의 적어도 하나의 평평한 층 상에 배열되어, 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층에 접착 결합된다. 직물 기재는, 횡방향 스레드가 쉬쓰를 형성하는 제1 성분과 코어를 형성하는 제2 성분을 갖는 코어/쉬쓰 구조를 갖고, 제1 성분은 제2 성분보다 융점이 낮고 제1 성분은 가융성 열가소성 중합체임을 특징으로 한다.

Description

보강 섬유로 제조된 직물 기재
본 발명은, 서로 나란히 평행하게 배열되고 횡방향 스레드(transverse threads)에 의해 연합된 멀티필라멘트 보강 얀(multifilament reinforcing yarns)의 적어도 하나의 평평한 층으로 이루어진 섬유 복합재 또는 단방향 직물을 포함하는, 복합-재료 예비성형품을 제조하기 위한 보강 섬유로 제조된 직물 기재(textile substrate)에 관한 것으로, 여기서 열가소성 중합체 재료의 부직물은 멀티필라멘트 보강 얀의 적어도 하나의 평평한 층 상에 배열되어, 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층에 접착 결합된다.
보강 섬유 또는 얀으로 제조되며 또한 특히 단방향 직물 형태인 섬유 복합재는 시중에 오랫동안 알려져 왔다. 몇몇 경우 복합 구조를 갖는 복합 부재(composite part)를 제조하기 위해, 이들 섬유 복합재 또는 단방향 직물이 광범위하게 사용된다. 이와 같은 복합 부재의 제조 과정에서의 중간 단계에서, 섬유 예비성형품은 우선 섬유 복합재 또는 단방향 직물로 제조되며, 예비성형품은, 보강 섬유로 제조된 2차원 또는 3차원 구조체 형태이며 그 형태는 완성된 부재(part)의 형태와 이미 밀접하게 대응할 수 있는 섬유 중간체로 이루어진다. 실질적으로 보강 섬유로만 이루어지며 부재의 제조에 필요한 매트릭스 퍼센티지는 여전히 상당 부분 존재하지 않는 이러한 유형의 섬유 예비성형품의 양태를 위해, 적합한 매트릭스 재료가 유입 또는 주입을 통한 추가의 단계에서 또는 진공을 또한 인가하여 섬유 예비성형품에 도입된다. 후속적으로 매트릭스 재료는 일반적으로 승온 및 승압에서 경화되어 완성된 성분을 형성한다. 이러한 경우 매트릭스 재료의 유입 또는 주입을 위한 공지된 방법들로는 소위 액체 성형법(LM: liquid molding) 또는 이와 관련된 방법들, 예를 들면 수지 이송 성형법(RTM: resin transfer molding), 진공 보조 수지 이송 성형법(VARTM: vacuum assisted resin transfer molding), 수지막 유입법(RFI: resin film infusion), 액체 수지 유입법(LRI: liquid resin infusion) 또는 수지 유입 플렉시블 툴링법(RIFT: resin infusion flexible tooling)이 있다.
섬유 예비성형품의 제조를 위해, 섬유 복합재 또는 단방향 직물은, 원하는 두께를 얻을 때까지, 부재 윤곽(part contour)에 적합한 형태 또는 금형으로 매트릭스 재료 없이도 여러 층들로 서로에 대해 상단부 적층될 수 있다. 다른 경우에, 섬유 복합재 또는 직물의 여러 층들은 우선 서로에 대해 상단부 배열되고 함께 연합되어, 예를 들면 재봉사(sewing threads)에 의해 무수 다축 복합재를 형성할 수 있다. 개별 층들을 위한 보강 섬유는 서로 평형하게 또는 교대로 십자형으로 배열될 수 있다. 일반적으로 다축 복합재에 대해 0°, 90°, ±25°, ±30°, ±45°, 또는 ±60°의 각도가 설정되고, 구조는 0° 방향에 대해 대칭 구조가 형성되도록 선택된다. 이어서 이들 다축 복합재를 용이하게 추가로 가공하여 예비성형품을 제조할 수 있다.
많은 경우, 다축 복합재는, 예를 들면 재봉사 형태의, 또는 멀티필라멘트 보강 얀에 도포된 추가의 중합체 재료 형태의, 융점이 비교적 낮은 열가소성 중합체 성분을 갖는다. 예비성형품의 제조 동안, 예비성형품은 보강될 수 있으며, 이에 따라 이러한 중합체 성분의 용융 및 후속 냉각에 의해 안정화될 수 있다.
서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀으로 제조된 복합재를 사용하거나 단방향 직물을 사용하면, 응용 과정에서 부재에 작용하는 부하량에 선택적으로 적용될 수 있으며 이에 따라 각각의 하중 방향에서 높은 강도를 갖는 섬유 복합재 부재의 제조가 가능하게 된다. 다축 복합재의 사용은 또한, 부재에 존재하는 하중 방향에 섬유 밀도 및 섬유 각도(fiber angle)를 적용하여 낮은 비중량(specific weight)을 달성할 수 있게 한다.
예비성형품의 제조를 위해, 사용되는 출발 재료, 예를 들면 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀 또는 단방향 직물, 및 이들로 제조된 다축 복합재는 우수한 취급성 및 드레이프성(drapeability)을 보증하기 위해 충분한 안정성 및 형상화가능성(shapeability)을 갖는 것이 중요하다.
EP 1 352 118 A1에는, 예를 들면, 재봉사의 융점을 초과하는 온도에서 다축 복합재의 우수한 형상화가능성 및 후속의 냉각 동안의 형상의 안정화를 가능하게 하는 가융성(fusible) 재봉 얀(sewing yarns)에 의해, 보강 섬유의 층들이 서로 유지되는 다축 복합재가 기재되어 있다. 예를 들면, EP 1 057 605에 기재된 바와 같이, 폴리아미드 또는 폴리에스테르와 같은 열가소성 중합체로 제조된 재봉사가 종종 사용된다.
복합 재료 예비성형품에 대한 전구산물(preproduct)이 US 2005/0164578에 기재되어 있으며, 상기 전구산물은 보강 섬유 직물로 제조된 적어도 하나의 층을 갖고, 이때 섬유들은 상기 층들 중 적어도 하나로 통합되고, 이들이 증가된 온도로 처리될 때 예비성형품을 안정화시키고, 복합 부재의 생성을 위해 이후에 도입된 매트릭스 수지에 용해된다. 또한 WO 02/16481에는 예를 들면 예비성형품을 위한 보강 섬유로 제조된 구조물이 기재되어 있으며, 여기서 상기 구조물은, 예를 들면 보강 섬유들 사이에서 섬유들의 형태로 또는 보강 섬유들을 서로 연결시키는 재봉사로서 도입된 가요성 중합체 구성요소를 함유한다. 가요성 중합체 구성요소는 사용된 경화 가능한 매트릭스 재료에 가용성인 재료로 이루어진다.
DE 198 09 264 A1에 따르면, 열가소성 중합체로 제조된 접착성 부직물은 보강 섬유 예비성형물에 대해 상기 특허에 기술된 섬유 복합재의 보강 섬유의 층들 사이에 삽입될 수 있으며, 이들 층은 함께 재봉되어 있다. 이러한 멜트본딩 부직물로 인해, 섬유 복합재 배열은, 이들 부직물을 형성하는 중합체의 융점 이상으로 가열될 때, 리셋력(reset force) 없이 실질적으로 냉각 후에도 이들의 형상을 유지하는 3차원 구조물들로 간단한 방식으로 형상화될 수 있다.
EP 1 473 132에는 이의 주요 주제로서 다축 복합재, 상기 다축 복합재의 제조 방법, 및 다축 복합재로 제조된 예비성형품이 기재되어 있다. 전술된 다축 복합재는, 열가소성 섬유로 제조된 중간층을 단방향으로 적층된 보강 섬유로 제조된 층들 사이에 가지며, 여기서 상기 중간층은 2성분(bi-component) 섬유로 제조된 부직물 또는 상이한 섬유들이 함께 혼합된 하이브리드 부직물일 수 있다. 중간층을 형성하는 중합체는 후에 예비성형품에 주입된 매트릭스 수지와 부합되어야 한다. 특히, 중간층들은 수지 유입 동안에 매트릭스 수지에 대해 침투성이어야 하며, 수지 유입 동안 및 유입 후에는 보강 층들을 정착시켜야 한다고 설명되어 있다. 에폭시 수지를 사용하는 경우, 부직물은 폴리아미드 섬유로 제조된다. 부직물은 편직 스티치를 통해 또는 멜트본딩을 통해 보강 섬유들로 제조된 층들에 연결될 수 있다.
EP 1 705 269에는, 예를 들면 보강 섬유로 제조된 다축 복합재의 경우, 예를 들면 보강 섬유로 제조된 층들 사이에서 부직물로서 사용될 수 있는 폴리하이드록시 에테르로 제조된 열가소성 섬유 재료가 기재되어 있다. 열을 가하면, 폴리하이드록시 에테르 재료가 점성 및 점착성을 갖게 되어, 규정된 기하학적 배열로의 보강 섬유들의 정착이 매트릭스에 매립되기 전에 달성될 수 있다. 이어서, 폴리하이드록시 에테르 섬유 재료는 이후에 이의 유리 전이 온도를 초과하는 온도에서 매트릭스 재료에 완전하게 용해된다.
복합재로 제조된 부재의 충격 강도를 향상시키기 위해, 예를 들면 보강 층들 사이에 중합체 섬유들로 제조된 부직물을 함유하는 복수 층들의 보강 섬유들로 제조된 복합재가 US 2006/0252334에 기재되어 있다. 이러한 중합체 섬유들은 이에 따라 매트릭스 수지에 가용성이어야 하며, 이에 따라 US 2006/0252334의 기재사항에 따라 수지 매트릭스에서 이들 섬유를 형성하는 중합체가 용융 가능하고 불용성인 열가소성 물질에 비해 더욱 균일하게 분포할 수 있다.
US 2006/0252334 및 EP 1 705 269의 복합재를 위한 중합체 섬유는 매트릭스 재료에 가용성이고 그 결과 복합재의 매트릭스 수지로의 침투 동안 중합체 섬유가 용해하기 때문에, 부재 생성 단계에서 보강 층들의 확고한 정착이 충분하게 확보되지 않는다.
섬유 예비성형품의 제조에 적합한, 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀으로부터 또는 단일층 단방향 직물로 제조된 단일층 복합재 형태의 기재에 대한 설명을 또한 특허 문헌에서 찾을 수 있다. 예를 들면, EP 1 408 152에는, 서로 단방향으로 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀이 멀티필라멘트 보강 얀에 대해 횡방향으로 뻗어있는 보조 스레드(auxiliary threads)에 의해 함께 직조되는 단방향 직물 형태의 기재가 기재되어 있다. 보조 스레드는 탄소 섬유, 유리 섬유, 또는 유기 섬유, 예를 들면 아라미드, 폴리아미드, PBO, PVA 또는 폴리에틸렌 섬유일 수 있다. EP 1 408 152에 기재된 기재는 또한, 예를 들면 나일론 또는 폴리에스테르로 제조되거나 에폭시, 페놀 또는 불포화 폴리에스테르 수지와 같은 경화 가능한 수지로 제조된 접착제 성분을 가질 수 있다. 게다가, 제1 및 제2 수지 성분은 단방향 직물의 멀티필라멘트 얀에 결합된다. 제2 수지 성분은 제1 수지 성분보다 융점 또는 유동 개시 온도가 더 높다.
EP 2 233 625에는, 서로 나란히 배열된 보강 섬유 얀으로 제조되고 곡선의 윤곽(curved contour)을 가지며 보강 섬유 얀은 보강 섬유 얀을 위사 스레드(weft threads) 형태로 교차하는 보조 스레드에 의해 함께 유지되는, 단일층 복합재 형태의 기재가 기재되어 있다. 나일론 또는 유리 스레드가 바람직하게는 보조 스레드로 사용되며, 이때 유리 스레드는 수축하지 않기 때문에 특히 바람직하다. 주성분이 열가소성 중합체인 수지 재료가 선형 형태(linear form)로, 불연속 형태로, 또는 부직물 형태로 점적으로(pointwise) 기재에 도포되고, 기재에 접착 결합되어, 곡선의 형태를 안정화시킬 수 있다.
EP 2 233 625는 심지어 곡선의 윤곽을 갖는 응집력(cohesion) 및 우수한 안정성을 나타내는 기재를 이미 제공하고 있지만, 그럼에도 불구하고, 예비성형품으로의 자동화된 제조 방법 및 자동화된 가공에 적합한 개선된 안정성과 이와 동시에 높은 드레이프성을 갖는 기재에 대한 필요성은 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이러한 타입의 기재를 제공하는 것이다. 추가의 목적은, 예비성형품으로의 형상화 후의 우수한 치수 안정성 뿐만 아니라 매트릭스 수지의 침투 동안 우수한 침투성을 갖는 보강 섬유들을 기본으로 하는 기재를 제공하는 것이다. 동시에, 이들 복합재로부터 제조된 성분은, 특히 압력의 인가하에 높은 강도 특성, 및 높은 충격 강도를 가져야 한다.
이러한 목표는, 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀의 적어도 하나의 평평한 층으로 이루어진 단방향 복합재를 포함하는 복합-재료 예비성형품의 제조를 위한, 보강 섬유로 제조된 직물 기재로서,
- 서로 나란히 배열된 멀티필라멘트 보강 얀은 횡방향 스레드에 의해 함께 연합되고,
- 열가소성 중합체 재료의 부직물은 멀티필라멘트 보강 얀의 적어도 하나의 평평한 층 상에 배열되어 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층에 접착 결합되어 있으며,
- 상기 기재가, 횡방향 스레드는 쉬쓰를 형성하는 제1 성분과 코어를 형성하는 제2 성분을 갖는 코어/쉬쓰 구조를 가지며, 제1 성분은 제2 성분보다 융점이 낮고, 제1 성분은 가융성 열가소성 중합체 재료이고, 서로 나란히 배열된 멀티필라멘트 보강 얀은 멜트본딩에 의해 횡방향 스레드의 제1 성분을 통해 함께 연합된다는 사실을 특징으로 하는 직물 기재에 의해 달성된다.
본 발명과 관련하여, 단방향 복합재는, 모든 보강 얀이 일방향으로 배향되어 있는, 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀의 적어도 하나의 평평한 층의 배열로서 이해된다. 본 발명의 단방향 복합재에서, 보강 얀은 멜트본딩(meltbonding)에 의해 횡방향 스레드에 의해 함께 연합되며, 이때 횡방향 스레드는 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층의 위 또는 아래로 향하고 각각의 층의 위 또는 아래로 놓이며, 이러한 층의 보강 얀에 결합될 수 있다. 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀은 또한 횡방향 스레드에 의해 직조 또는 편성될 수 있으며, 이와 동시에 멜트본딩에 의해 횡방향 스레드에 연합될 수 있다. 따라서 본 발명의 직물 기재의 단방향 복합재는 모든 보강 얀이 일방향으로 배향되어 있는 단방향 직물을 또한 포함한다. 이들 단방향 직물에 있어서, 서로 평행하게 배열되고 각각의 경우에 층을 형성하는 보강 얀은, 필수적으로 보강 얀을 가로질러 연장되어 있는 느슨한 결합 스레드(loose binding threads)의 쇄(chain)에 의해 서로 연결되어 있다. 이와 같은 단방향 직물은 예를 들면 EP 0 193 479 B1, EP 0 672 776 또는 EP 2 233 625에 기재되어 있다. 단방향 복합재는 바람직하게는 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 단일층을 갖는다.
본 발명의 직물 기재는 보강 얀의 서로에 대한 이동에 대응하는 높은 안정성을 보강 얀의 종방향과 보강 얀의 횡방향 둘 다에서 갖는다. 한편으로, 이는 열 가소성 중합체 물질의 부직물이 멀티필라멘트 보강 얀의 층에 접착 결합한다는 사실에서 기인한다. 반면, 코어를 형성하는 제2 성분보다 융점이 낮은 가융성 열가소성 중합체 재료로 제조되며 쉬쓰를 형성하는 제1 성분이 멜트본딩에 의해 함께 연합된 서로 나란히 배열된 멀티필라멘트 보강 얀으로 귀결되기 때문에, 코어/쉬쓰 구조를 갖는 횡방향 스레드는 추가의 안정성을 초래한다.
동시에, 융점이 더 높은 코어 성분은, 본 발명의 직물 기재로부터의 복합-재료 부재의 제조 과정에서, 예를 들면 매트릭스 수지가 경화되는 동안 발생하는 높은 온도에서도 가능한 수축 및 가능한 연신에 대해 기재에 충분한 횡방향 안정성을 부여한다.
본 발명의 직물 기재는 섬유 예비성형품의 제조에 매우 적합하며, 여기서 직물 기재의 여러 층은 궁극적으로 제조되어 예를 들면 특정 형태 또는 몰드 내에 배치되는 복합-재료 부재의 강도 요건에 따라 중첩된다. 본 발명의 직물 기재의 우수한 드레이프성의 측면에서, 곡선의 윤곽을 갖는 섬유 예비성형품은 이러한 방법으로 제조될 수도 있다. 이어서, 서로의 상단부 위에 놓인 직물 기재의 층은 예를 들면 횡방향 스레드의 부직물 또는 쉬쓰 성분을 통해 온도의 짧은 증가 및 후속 냉각에 의해 함께 연합, 즉, 정착될 수 있어, 안정하고 관리 가능한 섬유 예비성형품이 얻어진다.
이미 설명된 바와 같이, 횡방향 스레드의 쉬쓰를 형성하는 제1 성분의 융점은 코어를 형성하는 제2 성분의 융점보다 낮다. 횡방향 스레드의 제1 성분의 융점은 바람직하게는 70 내지 150℃, 보다 바람직하게는 80 내지 120℃ 범위다. 제1 성분은 융점이 이러한 범위 내에 있는 중합체 또는 중합체 블렌드일 수 있다. 특히 바람직하게는 제1 성분은 폴리아미드 단독중합체 또는 폴리아미드 공중합체, 또는 폴리아미드 단독중합체들 및/또는 폴리아미드 공중합체들의 블렌드로 제조된다. 이들 중합체 중에서, 폴리아미드 6, 폴리아미드 6,6, 폴리아미드 6,12, 폴리아미드 4,6, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12, 또는 폴리아미드 6/12를 기반으로 하는 중합체가 특히 적합하다.
횡방향 스레드의 제2 성분의 융점이 200℃를 초과하는 것이 또한 바람직하다. 제2 성분은 특히 바람직하게는 유리 또는 폴리에스테르이며, 그 이유는, 이들 물질은 복합-재료 부재의 제조 동안 우세한 온도에서 적은 수축 및 낮은 연신을 갖기 때문이다.
본 발명의 직물 기재에서, 섬유-보강된 복합재 물질의 제조에 일반적으로 사용되는 보강 섬유 또는 얀은 멀티필라멘트 보강 얀으로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 멀티필라멘트 보강 얀은 탄소 섬유, 유리 섬유, 또는 아라미드 얀, 또는 고도로 신장된 UHMW 폴리에틸렌 얀, 특히 바람직하게는 탄소 섬유 얀이다. 유리한 양태에서, 직물 기재의 멀티필라멘트 보강 얀은 50 내지 500g/㎡의 단위면적당 질량을 갖는다. 100 내지 300g/㎡의 단위면적당 질량이 특히 바람직하다. 멀티필라멘트 보강 얀 바람직하게는 500 내지 50000의 보강 섬유 필라멘트로 이루어진다. 직물 기재의 특히 우수한 드레이프성 및 특히 균일한 외관을 달성하기 위해, 멀티필라멘트 보강 얀은 특히 바람직하게는 6000 내지 24000 보강 섬유 필라멘트로 이루어진다.
횡방향 스레드의 선밀도는 바람직하게는 멀티필라멘트 보강 얀의 보강 섬유 필라멘트의 수 및 멀티필라멘트 보강 얀의 선밀도에 맞추어 진다. 그러나 또한 일반적으로 기재로 제조된 다중층 구조를 갖는 단방향 직물에서, 횡방향 스레드의 과도한 선형 밀도는 보강 얀의 파형부(undulation)를 증가시킨다. 따라서 횡방향 스레드의 선밀도는 바람직하게는 멀티필라멘트 보강 얀의 선밀도의 1/5 이하여야 한다. 횡방향 스레드 바람직하게는 선밀도가 20 내지 400dtex 범위, 특히 바람직하게는 50 내지 200dtex 범위이다.
최소한의 가능한 파형부를 달성함과 동시에 직물 기재의 충분한 안정성을 달성하기 위해, 멀티필라멘트 보강 얀의 종방향의 횡방향 스레드의 갯수가 0.3 내지 6개 스레드/cm 범위인 것이 또한 바람직하다. 이러한 갯수는 특히 바람직하게는 0.6 내지 2개 스레드/cm 범위이다. 또한 횡방향 스레드는 멀티필라멘트 보강 얀에 대해 직각일 수 있다. 그러나, 횡방향 스레드와 멀티필라멘트 보강 얀 사이의 임의의 다른 예측 가능한 각도가 또한 있을 수 있다.
직물 기재의 부직물은 비방향성 단섬유(short-cut fiber) 또는 스테이플 섬유(staple fiber)로 제조된 직물 또는 연속 필라멘트로 제조된 무작위 배치된 부직물일 수 있으며, 이는 예를 들면 온도 및 압력을 가하여 결합되어야 하고, 이에 따라 필라멘트는 접촉 지점에서 용융되어 부직물을 형성한다. 이미 설명된 바와 같이, 부직물은 한편으로는 멀티필라멘트 보강 얀의 연합에 영향을 끼친다. 동시에, 직물 기재로 제조된 섬유 예비성형품의 우수한 드레이프성 및/또는 매트릭스 수지로의 더 우수한 침투성이 달성된다. 부직물은 예를 들면 유리 매트 또는 탄소 섬유의 매트일 수 있으며 이는 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층에 접착제의 도움으로 결합된다.
부직물은 바람직하게는 열가소성 중합체 물질로 제조된다. 이러한 부직물은 예를 들면 DE 35 35 272 C2, EP 0 323 571 A1, US 2007/0202762 A1 또는 US 2008/0289743 A1에 기재되어 있다. 열가소성 중합체 물질을 적합하게 선택하면, 부직물은 충격 강도를 증가시키기 위한 제제로서 기능할 수 있으며, 복합-재료 부재의 제조 과정에서 충격 강도를 증가시키기 위한 추가의 수단을 더 이상 매트릭스 재료에 추가할 필요가 없다. 이에 따라 부직물은 직물 기재로 제조된 섬유 예비성형품의 매트릭스 재료의 침투 과정에서 여전히 충분한 안정성을 가져야 하지만, 바람직하게는 후속 가압 및/또는 경화 온도에서 용융되어야 한다. 따라서, 부직물을 형성하는 열가소성 중합체 물질은 바람직하게는 융점이 80 내지 250℃ 범위이다. 폴리아미드로 제조된 부직물은 에폭시 수지가 매트릭스 재료로 사용되는 응용분야에서 효과적인 것으로 입증되었다.
바람직한 양태에서 부직물은 횡방향 스레드의 제2 성분의 용융 및 분해 온도보다 낮은 융점을 갖는 제1 및 제2 중합체 성분을 포함하며, 제2 중합체 성분의 융점은 제1 중합체 성분의 융점보다 낮다. 제1 중합체 성분은 특히 바람직하게는 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지, 또는 이들 매트릭스 수지의 블렌드에 불용성인 성분이다. 제1 중합체 성분의 융점이 적어도 매트릭스 수지의 경화 온도만큼은 높은 것이 특히 유리하다.
전술된 조건들을 충족시키는 한, 열가소성 섬유로 통상적으로 가공될 수 있는 중합체가, 사용되는 바람직한 부직물의 제1 중합체 성분으로 사용될 수 있으며, 예를 들면 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드-이미드, 폴리에스테르, 폴리부타디엔, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌 설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리아릴아미드, 폴리케톤, 폴리프탈아미드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 또는 이들 중합체들의 공중합체 또는 블렌드가 있다. 부직물의 제1 중합체 성분은 특히 바람직하게는 폴리아미드 단독중합체 또는 폴리아미드 공중합체, 또는 폴리아미드 단독중합체들 및/또는 폴리아미드 공중합체들의 블렌드이다. 특히, 폴리아미드 단독중합체 또는 폴리아미드 공중합체는 폴리아미드 6, 폴리아미드 6,6, 폴리아미드 6,12, 폴리아미드 4,6, 폴리아미드 11, 폴리아미드 12, 또는 폴리아미드 6/12를 기본으로 하는 공중합체이다. 부직물의 제1 중합체 성분의 융점은 바람직하게는 180 내지 250℃ 범위다.
유리한 양태에서, 부직물의 제2 중합체 성분의 융점은 80 내지 140℃ 범위다. 부직물의 제2 중합체 성분은 이러한 범위의 융점을 갖는 통상의 중합체, 예를 들면 저융점의 폴리아미드 단독중합체 또는 공중합체 및 블렌드 이들 중합체 중에서, 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌(예를 들면 PE-LLD, PE-HD), 코폴리에스테르, 에틸렌 비닐 아세테이트, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS)와 같은 삼원공중합체(terpolymer), 또는 폴리하이드록시에테르로 제조될 수 있다.
바람직한 양태에서, 제2 중합체 성분은 이에 따라 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르 수지, 또는 벤족사진 매트릭스 수지 또는 이들 매트릭스 수지의 블렌드에 가용성일 수 있다. 이러한 경우, 제2 중합체 성분이 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르 수지, 또는 벤족사진 매트릭스 수지의 가교결합 동안 이들 매트릭스 수지와 화학적으로 반응하는 중합체인 경우가 특히 유리하다. 이어서 제2 중합체 성분은, 특히 바람직하게는, 이미 본 발명의 직물 기재로 제조된 섬유 예비성형품의 이들 매트릭스 수지로의 침투 동안, 즉, 예를 들면 수지 유입 공정 동안 수지 시스템, 특히 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르 수지 또는 벤족사진 수지에 완전히 용해되고 이어서 매트릭스 수지와 함께 매트릭스 수지 시스템을 형성하는 폴리하이드록시 에테르이다. 반면, 제1 중합체 성분은, 이미 전술된 바와 같이, 매트릭스 시스템에 용해되지 않으며, 수지 유입 공정 동안 그리고 당해 공정 후에 그리고 매트릭스 시스템의 경화 후에 분리된 상(separate phase)으로 남아 있다.
추가로 바람직한 양태에서, 제2 중합체 성분은 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르 수지, 또는 벤족사진 매트릭스 수지 또는 이들 매트릭스 수지의 블렌드에 불용성이다. 이러한 경우 부직물의 제2 중합체 성분은 예를 들면 융점이 낮은 폴리아미드 단독중합체 또는 공중합체 또는 이들의 블렌드, 또는 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌(예를 들면 PE-LLD, PE-HD), 코폴리에스테르, 에틸렌 비닐 아세테이트 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS)와 같은 삼원공중합체일 수 있다.
제1 및 제2 중합체 성분을 갖는 부직물에서, 부직물의 제1 중합체 성분의 융점은 180 내지 250℃ 범위이고 부직물의 제2 중합체 성분의 융점은 80 내지 140℃ 범위인 것이 특히 유리하다.
제1 중합체 성분은 특히 바람직하게는 사용되는 매트릭스 수지의 경화 온도보다 높은 온도에서 용융된다. 이러한 방식으로, 제1 중합체 성분은 매트릭스 재료에 결합되지만 경화된 매트릭스 수지 내에 분리된 상을 항상 형성한다. 제1 중합체 성분에 의해 형성된 이러한 분리된 상은 경화 동안 그리고 후속 성분에서 균열의 전파를 제한하는데 도움이 되며, 이에 따라 예를 들면 충격 강도의 증가에 결정적으로 기여한다.
부직물이 융점이 더 높은 제1 중합체 성분 및 융점이 더 낮은 제2 중합체 성분을 포함하는 경우, 기재층들의 서로에 대한 이동성(mobility)은, 제2 중합체 성분의 융점보다 높지만 제1 중합체 성분의 융점보다는 낮은 온도로 가열하여 섬유 예비성형품을 제조하는 동안 달성될 수 있다. 부직물의 용융된 제2 성분은 어느 정도(quasi) 윤활제로서 작용하여 보강 얀의 층들은 형상화 공정 동안에 예비성형품에서 바라는 위치 내로 미끄러질 수 있다. 예비성형품의 냉각 동안, 제2 중합체 성분은 이어서 고융점 접착제로서 작용하고 보강 층들을 그 위치에서 정착시킨다.
제2 성분의 융점보다 높지만 제1 성분의 융점보다 낮은 온도에서 일반적으로 실행되는 매트릭스 수지에 대한 섬유 예비성형품의 후속 침투 동안, 부직물의 제1 중합체 성분의 더 늪은 융점은, 매트릭스 수지에 대한 우수한 침투성을 보증한다. 제2 중합체 성분이 매트릭스 수지에 가용성이면, 전술된 양태들 중 어느 하나에서와 같이, 이러한 성분은 바람직하게는 매트릭스 수지에 완전히 용해되고 따라서 매트릭스 수지와 관련하여 분리된 상으로서의 이의 정체성(identity)을 잃는다. 따라서 제2 중합체 성분의 비율은 매트릭스 재료에서 기인하며, 침투되어야 하는 매트릭스 수지의 비율은 제2 중합체 성분의 비율에 의해 감소할 수 있다. 그 결과, 높은 섬유 체적 비율의 보강 섬유가 상기 생성된 부재에 설정될 수 있어, 기계적 강도 특성이 높은 수준으로 유지될 수 있다. 매트릭스 수지, 즉, 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르 수지 또는 벤족사진 수지의 경화 온도에서, 특히 바람직한 양태의 제2 중합체 성분은 가교결합 반응을 통해 경화 매트릭스 수지와 화학적으로 반응하여 균질한 매트릭스의 일체형 부재(integral part)가 된다.
제2 중합체 성분이 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지 또는 이들 매트릭스 수지의 블렌드에 불용성인 경우, 제1 중합체 성분은 전술된 바와 같이 기재층들의 서로에 대한 이동성을 허용하는 윤활제로서 작용하여, 보강 얀의 층들은 예비성형물로 형상화되는 동안 원하는 위치로 미끄러질 수 있어, 예비성형물의 냉각시 고융점 접착제로서 작용하여, 보강 층들을 이들의 위치에 정착시킨다. 매트릭스 수지의 침투 및 이의 후속 경화 동안, 매트릭스 수지와는 독립된 상(phase)으로서의 이의 정체성은 유지되지만, 이러한 경우 제2 중합체 성분 및 제1 중합체 성분은 균열의 전파를 줄이고 이에 따라 예를 들면 충격 강도의 향상에 기여한다.
부직물이 융점이 더 높은 제1 중합체 성분 및 융점이 더 낮은 제2 중합체 성분을 갖는 바람직한 경우, 이는 각각의 중합체 성분의 1성분 섬유들의 혼합물로 이루어질 수 있으며, 즉, 이는 하이브리드 부직물(hybrid nonwoven)일 수 있다. 그러나, 부직물은 2성분 섬유들, 예를 들면, 코어/쉬쓰 섬유들로 이루어질 수 있으며, 이때 섬유의 코어는 융점이 더 높은 제1 중합체로 제조되고 쉬쓰는 융점이 더 낮은 제2 중합체 성분으로 제조된다. 예를 들면 직물 기재의 형상화를 또한 요구하는, 이와 같은 하이브리드 부직물 또는 2성분 부직물에 의한 섬유 예비성형품으로의 직물 기재의 가공 과정에서, 더 낮은 융점을 갖는 부직물 성분의 융점보다 높지만 더 높은 융점을 갖는 부직물 성분의 융점보다는 낮은 온도에서 형상화하는 동안 열을 적합하게 가하면 우수한 형상화가능성이 생성될 수 있고, 냉각 후, 형상화된 복합재의 우수한 안정성 및 정착이 생성될 수 있다. 2성분 섬유로 제조된 부직물과 유사하게, 부직물은 예를 들면 제1 중합체 성분으로 제조된 섬유들의 무직위 배치된 복합재로 제조될 수 있으며, 이때 제2 중합체 성분은 예를 들면 분무 또는 코팅에 의해 제1 중합체 성분의 섬유들에 도포된다. 코팅은, 예를 들면, 제2 중합체 성분의 분산액 또는 용액으로의 함침의 결과일 수 있으며, 함침 후 분산액의 액체 부분 또는 용매는 제거한다. 제1 중합체 성분으로 제조된 섬유로 구성된 부직포는 제1 중합체 성분의 섬유들 사이에 매립된 미립자 형태의 제2 중합체 성분을 함유할 수도 있다.
제1 및 제2 중합체 성분을 포함하는 부직물은 바람직하게는 하이브리드 부직물, 즉, 상이한 융점들을 갖는 1성분 섬유들의 혼합물로 제조된 부직물이다. 이미 전술된 바와 같이, 융점이 더 큰 제1 중합체 성분은 융점이 특히 바람직하게는 180 내지 250℃ 범위다. 이러한 온도에서, 제1 중합체 성분으로 이루어진 부직물의 부재는 일반적으로 매트릭스 수지의 주입 동안 우세한 온도 이상에서만 용융한다. 따라서, 제1 중합체 성분은 수지 주입 온도에서 아직 용융되지 않기 때문에, 이 단계(phase)에서 직물 기재의 우수한 치수 안정성이 보장된다.
본 발명의 직물 기재를 사용하여 제조된 복합 부재의 특징을 고려하면, 특히 이의 충격 강도 및 이의 매트릭스 함량을 고려하면, 부직물이 제1 중합체 성분을 60 내지 80 중량%의 비율로 함유하고 제2 중합체 성분을 20 내지 40 중량%의 비율로 함유하는 것이 유리하다. 이들 모두에서, 본 발명의 직물 기재에 존재하는 부직물이 5 내지 25g/㎡ 범위의 단위면적당 질량, 특히 바람직하게는 5 내지 15g/㎡ 범위의 단위면적당 질량을 갖는 것이 바람직하다.
특히, 직물 기재의 부직물이 융점이 더 높은 하나의 중합체 성분만을 포함하는 경우, 즉, 예를 들면 융점이 180 내지 250℃ 범위인 하나의 중합체 성분만을 포함하는 경우, 바람직한 양태에서 직물 기재는 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층의 표면들 중의 적어도 하나 위에 결합제 재료를 추가로 포함하며, 이의 주성분은 실온에서 고체인 열가소성 중합체 또는 비스페놀 A-기반 에폭시 수지이고, 이는 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층에 불연속적으로 도포되고 멀티필라멘트 보강 얀에 접착 결합된다. 불연속 도포는, 결합제 재료가 결합제 재료의 폐쇄된 층을 생성시키지 않으면서 라인 형태로 또는 몇 가지 다른 방법으로 점적으로 표면에 도포되는 용도로서 이해된다. 결합제 재료는 바람직하게는 멀티필라멘트 보강 얀의 단위면적당 질량의 1 내지 5 중량%의 농도에서 사용된다.
직물 기재의 특히 바람직한 양태에서, 결합제 재료는 분말 재료를 기반으로 하며 점적으로 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층에 도포된다. 이는, 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀의 층의 표면 위에 분말화된 결합제 재료를 산포시키고 이를 용융시켜 표면에 정착시킴으로써 달성될 수 있다.
폴리비닐 아세테이트, 폴리카보네이트, 폴리아세테이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리알릴레이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리아미드 이미드, 폴리이미드, 폴리에테르 이미드, 폴리설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리에테르 에테르케톤, 폴리아라미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 셀룰로스 아세테이트가 바람직하게는 결합제 재료를 위한 열가소성 중합체로 사용될 수 있다.
결합제 재료의 융점은 바람직하게는 80 내지 120℃ 범위다. 따라서, 결합제 재료는 결합제 재료의 융점보다 높은 온도로 가열하고 후속 냉각시킴으로써 섬유 예비성형품을 제조하는 동안 서로의 상단부에 놓인 직물 기재의 층들을 연합시키는 기능, 및 이들을 서로에 대해 정착하는 기능을 순전하게 가질 수 있다. 예를 들면 직물 기재의 층의 변형이 섬유 예비성형품의 형상화 동안 발생하는 경우, 결합제 재료는 섬유 예비성형품의 안정화에 추가로 기여할 수 있다. 그러나, 최종적으로, 결합제 재료는, 예를 들면 부재의 충격 강도를 향상시킴으로써 섬유 예비성형품으로 제조된 복합-재료 부재의 기계적 특성의 개선에 기여하도록 선택될 수도 있다. 결합제 재료가 높은 인성(toughness)을 갖는 열가소성 재료 또는 이러한 열가소성 중합체와 실온에서 고체인 비스페놀 A-기반 에폭시 수지의 블렌드인 경우가 본원에 유리하다.
본 발명의 기재는, 이의 특이적 구조 측면에서, 예비성형품으로부터 부재를 제조하는 과정에서 매트릭스 수지로 침투하는 동안의 우수한 침투성에 의해, 섬유 예비성형품 내에서 기재층의 우수한 드레이프성 및 정착성(fixability)에 의해 그 자체로 구별되며, 기계적 강도가 높고 충격 강도가 높은 부재를 제조하는 데 사용될 수 있는 것으로 구별된다. 따라서, 본 발명은 특히 본 발명에 따른 직물 기재를 포함하는 복합-재료 부재를 제조하기 위한 섬유 예비성형품에도 적용된다.
멀티필라멘트 보강 얀과 횡방향 스레드와의 그리고 이와 동시에 부직물과의, 그리고 가능하게는 접착제 결합 형태의 결합제 재료와의 연합은 직물 기재에 높은 수준의 치수 안정성을 제공하는데, 이는 접착 결합이 멀티필라멘트 보강 얀의 서로에 대한 뛰어난 정착을 초래하기 때문이다. 이는 멀티필라멘트 보강 얀이 서로 평행하게 배열된 직선 형태로 사용되는 직물 기재 뿐만 아니라 곡선의 형태의 직물 기재를 제조할 수 있게 한다. 따라서, 바람직한 양태는, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀의 상기 적어도 하나의 평평한 층이 곡선의 윤곽을 갖고, 멀티필라멘트 보강 얀은 곡선의 윤곽의 원주 방향에 평행하게 배열되고, 각각의 멀티필라멘트 보강 얀은 상기 곡선의 윤곽의 원주 방향을 따라 그 자체의 궤적(trajectory)을 따르고, 멀티필라멘트 보강 얀의 궤적은 공통의 곡률 중심(common center of curvature)을 갖는 직물 기재에 관한 것이다.
곡선의 형태 또는 윤곽을 갖는 이러한 직물 기재에서, 멀티필라멘트 보강 얀은 곡선의 윤곽의 원주 방향을 따라 특정 방향(0° 방향)으로 평행하게 연장된다. 멀티필라멘트 보강 얀이 서로 나란히 평행하게 배열되고 직선을 갖는 복합체와는 대조적으로, 곡선의 형태의 직물 기재 내의 멀티필라멘트 보강 얀은 또한 서로 나란히 평행하게 배열되지만 공통의 곡률 중심을 갖는 상이한 곡선 궤적을 따른다. 여기서 횡방향 스레드는 또한 멀티필라멘트 보강 얀과 교차하는 방향으로 그리고 멀티필라멘트 보강 얀을 가로지르는 방향으로 이동한다. 높은 치수 안정성으로 인해 그리고 본 발명의 직물 기재의 설계의 결과로서, 특히 횡방향 스레드의 2성분 코어/쉬쓰 구조에 기인하여, 이러한 곡선의 형태는 또한 섬유 예비성형품 또는 복합-재료 부재를 제조하는 후속 공정 단계 동안 유지된다. 또한 본 발명에 의해 열가소성 중합체 재료의 부직물이 전술된 특성을 갖는 제1 중합체 성분과 제2 중합체 성분을 포함하는 직물 기재의 추가의 안정화가 달성된다.

Claims (15)

  1. 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀(multifilament reinforcing yarns)의 적어도 하나의 평평한 층으로 이루어진 단방향 복합체를 포함하는 복합-재료 예비성형품을 제조하기 위한 보강 섬유로 제조된 직물 기재(textile substrate)로서,
    - 서로 나란히 배열된 상기 멀티필라멘트 보강 얀은 횡방향 스레드(transverse threads)에 의해 함께 연합되고,
    - 열가소성 중합체 재료의 부직물은 상기 멀티필라멘트 보강 얀의 적어도 하나의 평평한 층 상에 배열되어, 상기 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층에 접착 결합되어 있는 직물 기재에 있어서,
    - 상기 횡방향 스레드는 쉬쓰(sheath)를 형성하는 제1 성분과 코어(core)를 형성하는 제2 성분을 갖는 코어/쉬쓰 구조를 가지며, 상기 제1 성분은 상기 제2 성분보다 융점이 낮고, 제1 성분은 가융성(fusible) 열가소성 중합체 재료이고, 서로 나란히 배열된 상기 멀티필라멘트 보강 얀은 멜트본딩(meltbonding)에 의해 상기 횡방향 스레드의 상기 제1 성분을 통해 함께 연합되고,
    상기 횡방향 스레드의 선밀도가 20 내지 200dtex 범위이고 상기 멀티필라멘트 보강 얀의 종방향의 횡방향 스레드의 갯수가 0.6 내지 2개 스레드/cm 범위임을 특징으로 하는, 직물 기재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 횡방향 스레드의 상기 제1 성분의 융점이 70 내지 150℃ 범위임을 특징으로 하는, 직물 기재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 횡방향 스레드의 상기 제1 성분이 폴리아미드 단독중합체 또는 폴리아미드 공중합체, 또는 폴리아미드 단독중합체들 및/또는 폴리아미드 공중합체들의 블렌드임을 특징으로 하는, 직물 기재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 횡방향 스레드의 상기 제2 성분의 융점이 200℃를 초과함을 특징으로 하는, 직물 기재.
  5. 제4항에 있어서, 상기 횡방향 스레드의 상기 제2 성분이 유리 또는 폴리에스테르임을 특징으로 하는, 직물 기재.
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부직물의 단위면적당 질량이 5 내지 25g/㎡ 범위임을 특징으로 하는, 직물 기재.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부직물이, 융점이 상기 횡방향 스레드의 상기 제2 성분의 융점 또는 분해점보다 낮고 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르 수지 또는 벤족사진 매트릭스 수지 또는 이들 매트릭스 수지의 블렌드에 용해되지 않는 제1 중합체 성분, 및 상기 제1 중합체 성분보다 융점이 낮은 제2 중합체 성분을 포함함을 특징으로 하는, 직물 기재.
  9. 제8항에 있어서, 상기 부직물의 상기 제1 중합체 성분의 융점이 180 내지 250℃ 범위이고 상기 부직물의 상기 제2 중합체 성분의 융점이 80 내지 140℃ 범위임을 특징으로 하는, 직물 기재.
  10. 제8항에 있어서, 상기 부직물의 상기 제1 중합체 성분이 폴리아미드 단독중합체 또는 폴리아미드 공중합체, 또는 폴리아미드 단독중합체들 및/또는 폴리아미드 공중합체들의 블렌드임을 특징으로 하는, 직물 기재.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층의 표면들 중의 적어도 하나 위에 결합제 재료를 추가로 포함하고, 상기 결합제 재료의 주성분은 실온에서 고체인 열가소성 중합체 또는 비스페놀 A-기반 에폭시 수지이며, 상기 결합제 재료는 상기 멀티필라멘트 보강 얀의 평평한 층에 불연속적으로 도포되고 상기 멀티필라멘트 보강 얀에 접착 결합됨을 특징으로 하는, 직물 기재.
  12. 제11항에 있어서, 상기 결합제 재료의 융점이 80 내지 120℃ 범위임을 특징으로 하는, 직물 기재.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멀티필라멘트 보강 얀이 탄소 섬유, 유리 섬유, 또는 아라미드 얀, 또는 고도로 신장된 UHMW 폴리에틸렌 얀임을 특징으로 하는, 직물 기재.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 나란히 평행하게 배열된 멀티필라멘트 보강 얀의 상기 적어도 하나의 평평한 층이 곡선의 윤곽을 갖고, 상기 멀티필라멘트 보강 얀은 상기 곡선의 윤곽의 원주 방향에 평행하게 배열되고, 각각의 멀티필라멘트 보강 얀은 상기 곡선의 윤곽의 원주 방향을 따라 그 자체의 궤적(trajectory)을 따르고, 멀티필라멘트 보강 얀의 상기 궤적은 공통의 곡률 중심(common center of curvature)을 갖는 것을 특징으로 하는, 직물 기재.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따르는 직물 기재를 포함함을 특징으로 하는, 복합-재료 부재의 제조를 위한 섬유 예비성형품.
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