KR20040029073A - Ｃｆｒｐ제 판재 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 등에 알맞는 경량으로, 고강성, 고강도인 것은 물론, 장기의 사용에도 견디는 표면 품위를 가지고, 환경 친화적인 섬유 강화 플라스틱 (이하, CFRP라 약칭함)제 판재 및 그의 제조 방법을 제공한다.

탄소 섬유로 이루어지는 직물을 보강 기재로 하는 CFRP로 이루어지는 판상물에 겔 코트 또는 도장 또는 그 조합을 가한 판재로서, 이 판재 표면의 NSIC값이 30 ％ 이상인 CFRP제 판재이다.

Description

ＣＦＲＰ제 판재 및 그의 제조 방법{CFRP PLATE MATERIAL AND METHOD FOR PREPARATION THEREOF}

섬유 강화 플라스틱(이하, CFRP라 약칭함)은 경량 또한 고강성이고, 또한 내부식성이 우수하기 때문에 자동차를 비롯한 수송 기기나 각종 산업 기계의 외판으로서 사용이 시도되고 있다. 예를 들면, 자동차의 본네트나 펜더 등의 외판에는, SMC(시트 몰딩 콤파운드)라는 CFRP가 널리 사용되고 있다.

일본 특허 공개 평 6-286008호 공보에 개시된 SMC는, 유리의 단섬유(길이 수 cm)의 보강 섬유와 폴리에스테르 수지 등을 혼합한 슬러리상의 중간 기재로, 이것을 형 내에서 가열하고, 50 기압 이상의 고압 프레스로 부형하여, 외판이 되는 기초판을 제조한다. 이어서, 본 기초판의 표면을 샌드 페이퍼나 줄로 깎아 평탄ㆍ평활하게 하고, 이어서 유색 도장하여, 예를 들면 자동차용의 CFRP제 외판이 된다.

SMC로 이루어지는 외판은, 보강 섬유가 단섬유(비연속 섬유)이기 때문에 보강 섬유를 연속 섬유로 한 경우 보다 강성이 낮고(단섬유가 보강 섬유형일 뿐만 아니라, 유리의 탄성률은 70 GPa에서 스틸의 탄성률 210 GPa의 1/3로 낮다), 금속 외판보다도 외판의 판 두께는 커지며, 금속 외판과 비교하여 반드시 경량이 되지 않는 경우가 있음과 동시에, 경량화할 수 있었다고 하여도 소폭에 머무는 경우가 많다. 또한, SMC제 외판은 섬유가 연속하지 않기 때문에, 내진동 특성(인장 피로 특성/구부림 피로 특성) 등에서는 그 비연속의 부분에서 파괴하여 높은 내진동 특성을 얻을 수가 없다. 즉 어느 일정한 평균 응력하에서의 파괴까지의 반복수가 작아져 버린다. 또한 SMC제 외판은 강도, 특히, 자갈 등의 비래물이 외판에 충돌하는 것과 같은 국소 충격에 의해 쉽게 관통 손상되기 때문에, 수송 기기 등 옥외에서 사용하는 외판으로서는 또한 두께를 증가하거나 고무를 붙이는 등의 내충격용 보호 대책을 강구할 필요가 있고, 중량면에서 금속제 외판을 대체할 수 있는 경량외판, 즉, 환경에 좋은 자동차용의 외판이 되지는 않는다.

연속 섬유를 사용함으로써 상기 내충격성이 향상된다. 특히 연속 섬유 직물을 사용하면 네트 구조이기 때문에 내충격 특성은 크게 향상되지만, 불균질하고 또한 이방성을 갖는 직물을 사용하기 때문에 온도 변화, 흡습 경시 변화가 국소적으로 다르고, 표면 부근에 마이크로 크랙이 발생한다는 문제가 있다.

이와 같이, 연속 섬유 직물을 사용한 CFRP제 외판은, 상기와 같은 많은 문제점을 안고 있고, 또한 지금까지 실용화예가 적어서, 실용성이 있는 CFRP제 외판의 표면 품위가 구조나 내구성에 미치는 영향에 대하여 아직 정량적으로 나타내는 지표가 확립되어 있지 않은 것이 실상이다.

금속제의 외판의 표면의 기준에 대해서는 오랜 세월의 실적으로부터, 광택도계나 텐션 미터 등이 각사에서, 사외 비밀로 취급되어 사용되고 있는 것 같지만CFRP는 금속과는 다른 기계 물성, 경도, 선팽창 계수를 갖기 때문에, 실용적인 표면의 기준은, 금속의 그것과는 다르다. 단순히 금속의 기준을 적용하여서는 실용에 견디는 CFRP 외판이 되지 않는다.

예를 들면, 금속 외판으로서는 제조 중에 공구 등이 낙하하면 소성 변형에 의해 패임(영구 변형)이 생겨 표면의 품위는 육안으로도 쉽게 판정할 수 있지만, CFRP는 소성 변형하지 않기 때문에 육안으로 판정할 수 있는 패임은 생기지 않고, 내부에서 박리가 생긴다.

따라서, 금속과 동일 기준으로 표면의 패임을 판정하면 CFRP 내부의 박리를 놓치는 것이 되어 장기 사용 중에 내부 박리가 진행하여 외판으로서의 성능을 유지할 수 없게 된다. 또한, 박리부에는 수분이 고여 중량 증가가 될 뿐만 아니라, 온도 상승과 동시에 수분이 기화하여 도장막을 내부에서 끌어 올려, 도막의 팽창이 생기기도 한다.

또한, 외판의 표면 품위는, 상기한 장기 내구성이나 상품성 이외에도, 공기나 물에 대한 유체 저항에 커다란 영향을 미친다는 것이 밝혀져 자동차 뿐만 아니라, 전차, 소형기, 보트, 선박 등의 이동하는 수송 기기 전반에 있어서, 에너지 절약 목적으로, 표면 품위 향상의 필요성이 요구되고 있다. 통상, 경량 목적으로 외판을 CFRP제로 하면 금속보다 탄성률이 낮기 때문에 수송 기기가 고속으로 이동 중에 받는 공기 저항에 대하여, 크게 변형하고 유동 저항이 보다 크게 변화한다. 이러한 것으로부터도, CFRP의 표면에 대해서는 금속 재료와는 다른 설계가 이루어져야 한다.

따라서, 연속 섬유를 사용한 CFRP제 외판을 실용화하기 위해서는, CFRP제 외판에 적합한 표면 품위가 구조나 내구성에 미치는 영향에 대해서, 정량적으로 지표로 나타내는 종합적인 기술의 확립이 요구되고 있다.

본 발명은 자동차용 부재로서 바람직한 CFRP제 판재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 CFRP제 판재의 단면을 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 CFRP제 판재의 단면을 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 CFRP제 판재의 단면을 나타낸 도면이다.

부호 1은 CFRP제 판재, 부호 2는 겔 코트, 부호 3은 도장, 부호 4는 연속인 탄소 섬유 직물을 강화재로서 이루어지는 수지 부분, 부호 5는 판재 표면이다.

<발명을 실시하기위한 최선의 형태>

본 발명을 도 1에 나타내는 자동차용 부재의 한 실시 형태에 기초하여 상세히 설명한다. 우선, 본 발명의 CFRP제 판재(1)는, 연속된 탄소 섬유 직물을 강화재로서 이루어지는 수지 부분(4)을 보강 기재로서 포함하는 것이다. 여기서 말하는 판재란 평판 뿐만 아니라 요철을 갖는 판재도 포함된다.

연속된 탄소 섬유를 보강 섬유로 하는 것으로, 탄소 섬유의 특징의 하나인 높은 탄성률과 강도를 발현시킬 수 있고, 외판으로서 필요한 패임에 대한 저항, 강성감, 강도를 경량으로 달성할 수 있다. 또한, 연속 섬유인 것으로부터 외판에 매우 중요한 특성인 내관통 충격 특성이 얻어진다. 즉, 짧은 단(單)섬유로서는 달성할 수 없는 경량함으로, 강성과 충격 특성이 얻어진다. 물론, 변형 저항, 최대 하중, 변위량, 에너지 흡수도 크다.

또한, 연속 섬유는 직물 형태를 하고 있기 때문에, 한 방향으로 배열하는 프리프레그를 적층한 경우보다도, 동일 량의 보강 섬유이면서, 내관통 충격 특성은 더욱 높은 것이 된다. 원리적으로는, 직물은 섬유가 교차하는 네트상과 유사한 구조이기 때문에, 비래물을 포획할 수가 있기 때문이다.

또한, 직물은 한층(단층)이어서 직교하는 2 방향의 물성이 동일하고, 한 방향으로 배열하는 프리프레그를 적층한 경우보다도, 적은 매수로 외판을 구성할 수 있어 보다 경량이 된다. 예를 들면, 2 매의 프리프레그를 직교시켜 적층한 외판으로 하면 경화시의 열 수축에 의해 안장형이라 불리는 면 외의 비틀어짐 변형이 생긴다. 또한 본면 외의 변형은, 외력 뿐만 아니라, 온도 변화에 따라서도 발생하여 외관상, 공력상, 바람직하지 않지만, 직물이라면 그것을 해결할 수 있다.

직물에 상당하는 구성을 프리프레그로 실현하기 위해서는, 적어도 3 매 (동일 프리프레그이면 4 매)의 적층이 필요하다. 즉, 수 mm 밖에 없는 얇은 경량 외판은, 직물 쪽이 한 방향으로 배치하는 프리프레그 보다 적합하다.

또한, 보강 섬유를 경량의, 고탄성률, 고강도인 탄소 섬유로 함으로써, 외판은 경량이고 높은 기계 물성으로 되고, 또한 내환경성 면에서도 우수하다.

본 CFRP제 판재는, 도 1, 도 2, 도 3에 나타내는 겔 코트 2 또는 도장 3 또는 그의 조합이 실시되고 있다. 적절한 겔 코트 2 또는 도장 3 또는 그 조합을 선정하는 것으로, 표면의 광택이나 요철, 표면 경도, 저온ㆍ고온 환경, 내수성, 내자외선 환경 등, CFRP 부분에서는 커버할 수 없는 특성이나 기능을 부여할 수가 있고, 처음으로 외판으로서의 실용성이 생기기 때문이다.

특히, 후에 CFRP제 판재를 도장할 경우 이 겔 코트층 등의 수지가 많이 함유된 층을 CFRP제 판재의 표면에 배치함으로써, 표면의 연마, 샌드 블러스트 처리, 쇼트 블러스트 처리 등 표면 품위를 향상시키는 처리를 실시하여도 깎을 때 연속인보강 섬유도 깎여 버려 강도, 강성 등의 기계적 물성이나, 관통 충격 같은 기능적 물성을 저하시키는 등의 문제가 생기지 않아 바람직하다. 이러한 수지가 많이 함유된 층은, 겔 코트 뿐만 아니라, CFRP에서 사용하고 있는 매트릭스 수지를 표층에 배치하거나, 수지 필름을 표층에 배치하여도 동일한 효과가 얻어진다.

또한, CFRP의 수지 부분이 내자외선에 약한 수지와 같은 경우에는, 내자외선에 우수한 도장을 실시함으로써 외판으로서의 내자외선 특성을 부여할 수가 있다. 물론, 여러가지 외관 (화장)도 가능하고, 의장 상으로도 도장은 바람직하다. 외판은, 안전의 배려 등으로부터 다른 부재와 색 조합을 행할 필요가 있고, 도장에 의해 미묘한 색 조합이 가능하게 된다. 또한, 외판은 상처 등이 생기면 외관상, 공력상, 내구성상 바람직하지 않기 때문에, 표면 경도를 높게 할 필요가 있고, 도장에 의해 표면 경도가 높은 도료를 사용하여 표면 경도 특성도 향상할 수가 있다. 또한, 도장함으로써 CFRP에 직접 수분이나, 광선이 입사하지 않는 것으로부터, 내환경성이나, 내약품성 등이 우수한 고내구 외판이 가능하게 된다.

다음으로, 본 발명의 내구성 외판은 NSIC값 (A값) (％)과 NSIC*값 (B값) (％)이 이하의 요건을 만족시킨다. ASTM D5767에 기재되어 있는 것으로, 시판되는 시험기(예를 들면, 스가 시깽기사 제조의 S89-A)를 사용하여 2개의 수치 NSIC(A), NSIC*(B)를 ASTM D5767에 따라서 계측한다. A는 「왜곡이나 파인 자국」라 불리고, B는 「포그나 번짐」에 대응한다. 더욱 자세하게는, A는 CFRP제 판재 표면의 물결침이나 기울어짐에 기인하는 사상성(寫像性)의 저하를 나타내고, 즉 마이크론 오더의 요철(상처) 또는, CFRP 판재 성형 시, 표면에 발생하는 잔류 응력 등에 대응하여 A의 값이 클 수록 상처의 크기가 작고, 응력이 잔류하지 않은 것을 나타내고 있다. 또한 B는, CFRP제 판재 중의 강화재 등에 기인하는 빛의 산란이나 확산에 의한 사상성의 저하이고, B의 값이 클 수록 빛의 산란이나 확산이 작다는 것을 나타내고 있다.

본 발명의 CFRP제 판재 표면 (4)는, NSIC (A)가 30 내지 100 ％이다. 본 범위에서, CFRP제 판재는 매우 실용적인 판재가 되고, 자동차용 부재, 또한 자동차용 외판에 바람직한 판재가 된다.

표면에 존재하는 상처는, 상처의 크기에 따라서 상처의 선단에서의 응력 집중이 커지기 때문에 A가 30 ％ 보다 작으면 상처의 선단에서의 파괴가 진행되고, 자동차용 부재가 주행시에 받는 진동에 의해 표면에 금이 생기고, 자동차용 부재로서 사용할 수 없다. 또한, 표면에 상처가 보이지 않는 경우, A는 CFRP제 판재의 표면의 물결침을 나타내고, A가 30 ％ 보다 작으면 표면이 크게 물결쳐 응력 집중이 크고 상기 진동을 받았을 때 표면에 금이 생겨 자동차용 부재로서 사용할 수 없다. 표면의 물결침은, 예를 들면 CFRP 성형시의 형이나 분위기의 온도 불균일 등에 의해 발생하는 표면 근방의 잔류 응력에 의한 것이다.

또한, 표면 요철이 큰 외판은, 오염이 부착하기 쉽고, A가 40 ％ 이상이면, 오염이 퇴적되어 표면의 평활성을 저하시켜 유체 저항을 증가시키는 원인이 없어져 보다 바람직하다. 이 범위에서는, 인간이 검출할 수 있는 상처의 크기 한계와도 대응한다.

또한, 이러한 상처가 표면에 존재하면 자동차에서 사용되고 있는 가솔린, 등유, 윈도우 워셔, 해빙제, 중성 세정액, 산성비, 알칼리 세정액, 엔진 오일, 크실렌, 톨루엔, 오키놀 등의 약품이, CFRP제 판재 중에 상처로부터 들어가 팽윤하므로, 강도, 탄성률, 내진동 특성 등이 저하되어 자동차용 부재로서는 사용할 수 없게 되기 때문에 표면에 존재하는 상처는 가능한 작은 쪽이 바람직하다.

본 발명의 CFRP제 판재 표면 4는, NSIC*(B)가 10 내지 100 ％이다. B가 높다는 것은, 흐려짐이 없고 상품성이 있다는 것이 아니고, CFRP제 판재에 달하는 자외선이나 적외선을 적게 할 수가 있기 때문에 빛에 의한 열화나 온도 상승을 억제할 수가 있다. B가 10 ％보다 작으면 도막의 내부까지 자외선 및 적외선이 들어 가, 수지와 필러를 열화시키고, 또한, 수지와 필러의 열팽창 계수의 차이에 의해, 이들의 계면에 있어서 열 응력이 발생하여 표면까지 파괴가 이르러 자동차용 부재로서는 바람직하지 않다. 또한 그 후 자동차용 부재가 주행 시에 받는 진동에 의해 표면에 금이 들어 가, 자동차용 부재로서 사용할 수 없게 되어 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는, B가 30 ％ 이상이면 제3자가 육안 확인 등에 의해, 용이하게 인식하기 쉬워지고 안전 상에도 좋다.

본 발명에서는, X = {0.6×A + 0.4×B} (％)의 계산식으로 산출되는 값을 사상 선영성 (X값) (％)로 정의한다. CFRP제 판재를 자동차용 부재로서 사용할 때, 상기 A 및 B가 모두 성립되어 있는 것이 바람직하지만, 더욱 바람직하게는 X값 (％)이 40 ％ 이상이면 기계적 내구성 및 내환경 내구성 모두 충분히 만족시킬 수가 있다.

사상 선영성의 값이 70 ％ 이상이면 또한 고급감이 있는 외판이 되어 바람직하다. 참고로, 본 사상 선영성은 금속 외판에도 적용할 수 있지만, 발명자 등이 행한 금속 외판의 레벨은 각각이고, 40 내지 60 ％의 것이 가장 많았다.

본 발명에 있어서의 CFRP제 판재는, 0.1 내지 50 m²의 크기를 갖는 자동차용 부재로서 사용하면 내진동 특성이나 내광선 성능 등의 내구성의 점에서 가장 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명에 있어서의 CFRP제 판재는 자동차용 외판으로서 사용하면 외관, 공력 등의 점에서 더욱 효과를 발휘한다.

탄소 섬유는, 연속 섬유 상태로 평직, 능직, 수자직 등의 직물 형태로 한다. 그 중에서도, 본 발명에 있어서의 직물은, 탄소 섬유 직물의 질량 (Wg/m²)과 두께 (t mm)의 비율 (W/t)이 700 내지 1700의 범위 내인 것이 바람직하다. 본 범위 내인 직물은, 박물이라 불리고, 질량에 비해서 얇고, 섬유가 넓어진 구조를 갖고 있고, 섬유의 두께 방향의 물결침이 작기 때문, 강도 및 강성이 높게 나타나 판재를 보다 경량화할 수 있다. 또한, 직물 표면의 요철이 작기 때문에 판재의 표면 품위도 향상되고, 보다 얇은 도막으로 높은 A를 확보할 수 있기 때문이다. 또한 직물의 질량과 두께는 JIS R7602에 의해 측정한다.

또한, 이 탄소 섬유 직물의 커버율은 90 내지 100 ％의 범위 내이면 수지만으로 이루어지는 부분이 매우 적고, 면 외 충격 특성이 높아짐과 동시에, 수지의 두께 방향으로의 수축에 의한 표면 요철이나 요철 불균일이 없어져 높은 A를 얻어 바람직하다. 관통 충격에 있어서, 비래물이 작은 조각인 경우도 상정하면 보다 바람직한 커버율은 95 내지 100 ％의 범위 내이다.

탄소 섬유 직물의 커버율 Cf (％)는, US 005396932 A에 기재, 정의되어 있는 바와 같이 직사 간에 형성되는 공극부의 크기 (수지만으로 이루어지는 부분)에 관계하는 요소로, 직물 상에 면적 S1의 영역을 설정하였을 때, 면적 S1 내에 있어서 직사 간에 형성되는 공극부의 면적을 S2라 하면 다음 식으로 정의되는 값을 말한다.

커버율 Cf={(S1-S2)/S1}×100 (％)

또한, 이 직물은, 외판의 물성 중, 특히 중요한 면 강성이나 표면 품위에 기여하는 것이기 때문에 이 직물의 위치는, 판의 표면층 근처에 있는 것이 바람직하다. 판재의 표층에 고강성의 탄소 섬유가 존재하기 때문에, 판재의 면 강성이 보다 높아지고 경량화가 가능해 진다. 가장 바람직한 위치는 최외층이다. 또한, 2축이나 3축 등의 다축 직물이 최외층에 있으면 특징이 있는 직물의 의장성을 외판에 부여할 수도 있다. 또한, 질량과 두께의 관계가 상기 범위의 직물을 최외층에 위치시킴으로써 판재의 표면은 매우 평활하게 되고, 얇은 도막으로 높은 A를 얻을 수 있다.

즉, 탄소 섬유 직물의 질량 (Wg/m²)과 두께 (t mm)의 비율 (W/t)이 700 내지 1700의 범위 내인 상기한 얇은 부재 직물은, 섬유의 두께 방향으로의 요철, 사행(蛇行)이 작기 때문에 판재로 한 경우에, 표면의 수지층의 두께 변화가 작고, 도장 전, 도장 후 모두 보다 평활한 표면이 얻어지기 때문이다.

또한, 커버율이 상기 90 내지 100 ％의 범위 내이면, 판재의 두께 방향에서, 수지만으로 이루어지는 개소가 없어지기 때문에, A라는 내구성 상 매우 중요한 특성이 향상되어 실용성이 높아 바람직하다.

CFRP제 판재의 성형형 표면의 표면 조도가 20 ㎛ 이하인 성형형을 사용하여 성형할 수 있다. 표면 조도는 JIS-B-0610에 기재되어 있는 방법으로, Ra (㎛)를 측정하였다. 일반적으로 형으로 성형을 행하면 수지가 성형형의 표면을 정밀도 좋게 전사하여 성형품 표면으로 되기 때문에, 성형형 표면의 표면 조도는, 직접, 성형품의 표면 품위가 되어 나타난다. CFRP제 판재의 성형형 표면의 표면 조도가 20 ㎛ 이하이면 A라는 내구성상 매우 중요한 특성이 향상되고 실용성이 높아져 바람직하다. 표면 조도를 20 ㎛ 이하로 하기 위해서는, 형 표면을 #1000 내지 #3000 번수의 연마지로 연마하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 버프 연마까지 행하여 표면 조도를 10 ㎛ 이하로 하면 좋다.

또한, 상기에서도 상술하였지만 본 CFRP제 판재에는 겔 코트 또는 도장 또는 그 조합이 실시되고 있다. 적절한 겔 코트 또는 도장 또는 그 조합을 선정함으로써 표면의 광택이나 요철, 표면 경도, 저온ㆍ고온 환경, 내수성, 내자외선 환경 등, CFRP 부분에서는 커버할 수 없는 특성이나 기능을 부여할 수가 있고, 처음으로 외판으로서의 실용성이 생기기 때문이다.

또한, 바람직한 것은 도장의 두께는 20 ㎛에서 200 ㎛ 이하이다. 20O ㎛을 초과하면 도막이 박리되기 쉽고, 기계 특성이나 외관상 바람직하지 않다. 또한, 20 ㎛ 미만이면 직접 태양광 등의 광선이 입사하여, 열화를 초래하거나 또한 도포불균일이 생기기 쉽고, 의장성 상에서도 바람직하지 않다. 본 범위 내로 함으로써, 중량 증가도 수반하지 않고, 내구성상도 바람직한 CFRP제 외판이 된다. 보다 바람직하게는 40 내지 100 ㎛이다.

CFRP 부분의 수지의 경화 수축률 (％)이 3 ％ 이하인 것이 바람직하다. 탄소 섬유 직물을 사용한 CFRP제 판재는, 그 탄소 섬유 직물의 커버율이 90 내지 100 ％의 범위이어도 직사 간에 형성되는 공극부가 수지만이 되어 버리는 것은 피할 수 없다. CFRP제 판재 성형시, 상기 공극부와 그렇지 않은 부분의 두께 방향의 경화 수축의 차이에 의해, 경화 중의 수지가 성형형으로부터 박리되어 버리고, CFRP제 판재의 표면에 요철이 생겨 버린다. CFRP 부분의 수지의 경화 수축률이 3％ 보다 크면 CFRP제 판재의 표면에 남는 요철이 크고, 온도 변화에 따르는 변형에 따라, 빗물이나 세정액 등이 정류하여, 자외선 등의 광선에 의한 렌즈 효과에 의해, 도장의 열화에 불균일이 생기고, 얼룩 모양의 자동차용 부재가 되어 버리기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 이 자외선에 의해, CFRP제 판재의 강도, 탄성률이 경시적으로 저하되어 버리기 때문에 바람직하지 않다.

성형시의 경화 수축을 될 수 있는 한 적게 하는 방법으로서, CFRP 성형용의 수지 중에 무기 필러나 유기 필러를 혼입함으로써 기하학적으로 성형품의 경화 수축을 작게 하는 방법이나, CFRP 성형용의 수지 중에 저수축제를 첨가하여 화학적으로 경화 수축을 작게 하는 방법 등이 있다.

CFRP 부분의 수지의 선팽창 계수가 60×10⁶(1/℃) 이하인 것이 바람직하다.CFRP 제판 판재는, 성형 사이클을 짧게 하기 때문에 형을 50 내지 150 ℃로 온도 조절하여 수지의 경화를 촉진시키는 것이 일반적이다. 그 때문에 온도 조절된 성형형으로부터 탈형한 후, 성형품이 성형 온도로부터 실온으로 내려 갈 때, 수지만의 부분과 그렇지 않은 부분의 두께 방향의 열 수축의 차이에 의해, CFRP 표면에 요철이 생긴다. CFRP 부분의 수지의 선팽창 계수가 60×10⁶(1/℃)보다 크면 상기같이 렌즈 효과에 의해 도장의 열화에 불균일이 생기고, 얼룩 모양의 자동차용 부재로 되어 버리기 때문에 바람직하지 않다.

이어서, 본 발명의 제조 방법의 일례를 나타낸다.

(기재 준비 공정)

본 발명에 있어서의 탄소 섬유는, PAN (폴리아크릴니트릴)계, 핏치계 중 어느 하나를 사용할 수 있다. PAN계의 탄소 섬유는 강도, 탄성률, 신도의 밸런스 상에서 직물을 만드는 데에 있어서 보다 바람직하다. 외판용으로서는, 강도와 탄성률은 높으면 높을 수록 바람직하지만 내충격성을 갖게 하기 위해서는, 신도가 1.4 ％ 이상인 탄소 섬유가 바람직하다. CFRP의 신도는 JIS K-7054에 준하여 요구되는 것으로, 엄밀하게는 인장 파괴 왜곡을 가리킨다.

탄소 섬유는, 연속 섬유 상태로 평직, 능직, 수자직 등의 직물 형태로 한다. 그 중에서도, 본 발명에 있어서의 직물은, 탄소 섬유 직물의 질량 (Wg/m²)과 두께 (t mm)의 비율 (W/t)이 700 내지 1700의 범위 내인 것이 바람직하다.

또한, 이 탄소 탄소 섬유 직물의 커버율은 90 내지 100 ％의 범위 내이고,직사 사이에 형성되는 공극부가 매우 적고, 면 외 충격 특성이 높게 됨과 동시에, 수지의 두께 방향으로의 수축에 의한 표면 요철이나 요철 불균일이 없어져 높은 A를 얻을 수 있어 바람직하다. 관통 충격에 있어서, 비래물이 소편인 경우도 상정하면, 보다 바람직한 커버율은 95 내지 100 ％의 범위 내이다.

또한, 탄소 섬유 이외에, 유리 섬유, 알루미나 섬유, 질화 규소 섬유 등의 무기 섬유, 아라미드계 섬유나 나일론 등의 유기 섬유를 병용하여도 지장이 없다. 이러한 장섬유, 단(短)섬유, 직물상, 매트상으로한 것, 또는 이들 형태의 혼합 등을 탄소 섬유나 수지 중에 규칙적 또는, 불규칙적으로 배치시키는 것으로 내충격성, 진동 감쇠 특성 등을 향상시킬 수 있다.

그 중에서도, 유리 섬유는 가격이 저렴하고, 압축/인장의 강도 균형이 좋다. 유리 섬유란 이산화 규소 (SiO₂)를 주성분으로 하는 소위 E 유리, C 유리, S 유리 등의 섬유상 유리를 말하며 섬유 직경은 5 내지 20 ㎛ 정도의 것이 바람직하다. 유리 크로스는 강성을 향상시킴과 동시에, 수지를 유지하기 때문에 성형성이 양호해진다. 적절한 것은, 질량이 20 g/m²내지 400 g/m²의 것이다. 표층에 사용할 경우에는 20 내지 50 g/m²이면 직물의 짜임을 외관 CFRP제 판재에 있어서 그 의장성을 해하지 않고, 또한 투명감도 유지할 수 있어 바람직하다.

유리 섬유의 사용량은, 강성이 필요한 경우는 탄소 섬유의 30 중량％ 이하, 내충격 특성이 필요한 경우는, 50 중량％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한 유기 섬유는, 탄소 섬유나 유리 섬유와 같이 취성이 아니라 연성이며부드럽고, 굴곡시켜도 쉽게 파단되지 않는다는 특징이 있다. 또한, 합성 섬유는 탄소 섬유와 비교한 경우, 전기 부식의 가능성이 없다는 특징이 있기 때문에 전기 부식 대책을 필요로 하지 않는다는 장점도 있다.

또한, 유리 섬유와 비교한 경우에는, 연소가 가능하기 때문에 폐기가 용이하다는 특징, 또한 비중이 유리 섬유의 대략 반이기 때문에 판재를 매우 경량으로 할 수 있다는 특징도 있다. 즉, 자동차용 부재를 매우 경량으로 할 수 있다.

이와 같이 상기에서 설명한 강화 섬유로 이루어지는 직물을, 성형형으로 부형하기 위해서 필요한 형상에, 구조 설계상, 또는 외관상 필요한 적층 매수만 재단하여 CFRP제 판재 성형용의 강화 섬유 직물 기재를 얻는다.

또한, CFRP제 판재를 샌드위치 구조로 하는 것도, CFRP제 판재의 강성이 높아지고 바람직한 대응이다. 샌드위치 구조의 코어재로서는, 예를 들면 스틸, 알루미늄, 티탄 등의 금속판이나 알루미늄 벌집형 코어나, 또는 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리이미드, 염화비닐, 페놀, 아크릴, 에폭시 등의 고분자 재료로 이루어지는 폼재나, 고무질재, 목질재 등을 들 수 있다. 이러한 코어재도 상기 직물과 같이 성형형에 부형할 때 필요한 형상으로 절단하고, CFRP제 판재 성형용의 보강 기재로서도 좋다.

또한, CFRP제 판재의 일부에 프레임을 설치한 구조로 하는 것도, CFRP제 판재의 강성이 높아져 바람직한 대응이다.

(형으로의 기재 부형 공정)

성형형은, 하형과, 상형 또는 배깅 필름 등의 간이 상형으로 이루어진다.하형 및 상형의 재료로서는, FRP, 주물, 구조용 탄소강, 알루미늄 합금, 아연 합금, 니켈 전주, 구리 전주, 실리콘, 목재, 합성 목재 등을 들 수 있지만 어떤 재료를 사용하여도 상관없다. 또한, 하형과 상형으로 각각의 재료를 사용하여도 아무런 문제는 없다.

또한, 하형 및 상형의 형 표면에 이형 처리를 실시하는 것이 필요하다. 이형제로서는, 실리콘계, 불소계, 식물 오일계, 왁스계, PVA 계 등이 있지만 어떤 것을 사용하여도 상관없다. 성형품에 도장을 실시할 경우에는 바탕과 도료의 밀착성의 면에서 불소계나 식물 오일계를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이형제에는 소부 유형과 스프레이 도포 유형이 있지만 어느 쪽을 사용하여도 상관없다.

이어서, 표면의 광택이나 요철, 표면 경도, 저온ㆍ고온 환경, 내수성, 내자외선 환경 등, CFRP 부분에서는 커버할 수 없는 특성이나 기능을 부여하기 때문에 본 CFRP제 판재에는 겔 코트 또는 도장 또는 그 조합이 실시되고 있다. 그래서, 하형 또는 상형에 겔 코팅막을 형성할 수 있다.

겔 코트는, 예를 들면, 불포화 폴리에스테르계 수지, 비닐에스테르계 수지, 아크릴계 수지, 아크릴우레탄계 수지, 불소계 수지, 실리콘계 수지, 에폭시계 수지등 모든 합성 수지를 사용할 수 있다. 이러한 겔 코트 중 불포화 폴리에스테르계수지, 비닐에스테르계 수지, 아크릴계 수지, 아크릴우레탄계 수지, 불소계 수지, 실리콘계 수지는 내후성이 우수하기 때문에 CFRP제 판재의 기계적 특성 등의 경시 열화가 적다는 점에서 바람직하다. 또한, 상기 수지 중에서 표면 경도가 작은 수지를 선택하면 표면 품위를 향상시키기 위한, 표면 연마, 샌드 블러스트 처리, 쇼트 블러스트 처리 등을 실시하는 처리 시간을 단축할 수 있기 때문에 바람직하다.

또한, 겔 코트는 수지에 안료를 혼입함으로써 자유 자재로 색을 변화시킬 수 있고 예를 들면 유색 클리어 겔 코트 등도 제조할 수가 있다.

상기 겔 코트는, 크게 구별하여, 2 액형, 다액형의 자연 건조 또는 상온 건조 겔 코팅, 고온 경화 겔 코트, 자외선 경화 겔 코트 등으로 크게 구별된다. 또한, 겔 코트 코팅법은, 분무용 겔 코트, 상하형 내주입용 겔 코트 등이 있다.

또한 겔 코트의 두께는, 50 내지 500 ㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 본 범위보다 작으면 표면 품위의 향상을 기대할 수 없기 때문에, 겔 코팅막을 부여하는 의미가 없다. 또한, 본 범위보다 크면 가열 경화시킨 경우에는, CFRP와 겔 코트층의 선팽창 계수의 차로부터, 성형체 전체가 휘는 등의 변형이 생기고, 정밀도가 요구되는 CFRP제 판재에는 적합하지 않고, 또한, 겔 코트층이 깨지하거나 주름이 생기기도 하여 CFRP제 판재에는 적합하지 않다. 또한, 보다 바람직한 겔 코트의 막 두께는 150 내지 400 ㎛이다.

그 후, 하형 내에 강화 섬유 직물 기재를 배치하고, 계속해서 상형으로써 형을 닫는다.

(수지 주입 공정)

본 발명의 CFRP를 구성하는 수지는, 에폭시계수지, 비닐에스테르계수지, 불포화 폴리에스테르계수지, 페놀계수지, 벤조옥사진계 수지, 우레탄계 수지 등의 열경화성 수지, 또는, 아크릴계 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌계 수지, 폴리아미드계 수지, ABS계 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트계 수지, 폴리아세탈계 수지, 폴리카보네이트계 등의 수지 등의 열가소성 수지 및 이들 수지를 얼로이화한 변성 수지로 이루어진다.

그 중에서도 (특히) 내약품성, 내후성 등이 우수하는 에폭시계 수지, 폴리에스테르계 수지, 비닐에스테르계 수지 및 이들 수지의 변성 수지가 바람직하다. 또한, 페놀계 수지, 벤조옥사진계 수지도 난연성이 우수하고, 내열성이 요구되는 외판에는 바람직하다.

또한, 아크릴계 수지, 폴리카보네이트계 수지 등의 투명 수지는, 의장성상 바람직하다. 그 중에서도 아크릴계 수지는 내후성이 우수하고 바람직하다. 또한,이들 투명 수지 중에 자외선 흡수제나 태양광 흡수제, 산화 방지제를 3 내지 20 ％ 첨가함으로써, 또한 내후성을 향상시킬 수 있다.

더욱 바람직하게는, 성형시의 수지의 성형 수축, 열 수축도 표면 품위에 영향을 주기 때문에, 수지의 성형 수축이 작은 에폭시 수지, 탈크나 유리 미립자 등의 필러를 혼입한 저수축 수지가 바람직하다.

상기한 진술한 CFRP를 구성하는 수지를, 주제 및 경화제 각각을 형 온도 이상에서 장시간 탈포하고, 그 후 혼합하여 상하형 내에 주입한다. 주입은 가압 주입, 감압 주입, 또는 가압과 감압을 조합한 주입 방법이 있지만, 어떤 방법으로 주입할 수도 있다.

주입하는 수지는 그 수지 점도를 500 mPaㆍs 이하로 하는 것이 바람직하다. 500 mPaㆍs 이상이고, 아무리 주입압을 높여도 CFRP제 판재 전체에 수지를 함침할 수 없다. 수지의 점도를 내리는 하나의 방법으로서, 수지를 가온하는 방법을 들수 있다. 더욱 바람직하게는 300 mPaㆍs 이하이면 좋다.

수지가 강화 섬유 직물 기재에 충분히 함침된 후, CFRP제 판재의 성형 온도까지 형 온도를 조정, 수지를 경화하여, 형으로부터 탈형함으로써, CFRP제 판재를 얻을 수 있다. 성형 온도는, 외판이 사용되는 온도보다 1O 이상 높은 온도인 것이 바람직하다. 자동차용 외판으로서는, 90 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 110 ℃ 이상이다.

CFRP제 판재에 있어서의 보강 섬유의 비율은, 수지에 대하여 중량비로 30 ％ 내지 75 ％의 범위 내인 것이 바람직하다. 30 ％를 하회하면 판재로서의 강성, 내충격성을 금속제 외판 정도로 하기 위해서는 경량화를 희생해야 될 가능성이 있기 때문이다. 75 ％ 이하인 이유는, 75 ％를 초과하면 수지의 함침이 어려워지고 보이드가 발생하여 물성상 바람직하지 않은 경우가 있기 때문이다.

또한 CFRP제 판재의 두께는, 용도에 의해 다르지만 자동차 등의 지상을 달리는 수송 기기의 외판인 경우는 0.5 내지 8 mm의 범위 내가 바람직하다. 본 범위 이하로서는, 내관통 특성에 문제가 생기는 경우가 있고, 이상에서는 경량성이 충분하지 않다.

(고차 가공 공정)

본 CFRP 판재에는, 표면의 광택이나 요철, 표면 경도, 저온ㆍ고온 환경, 내수성, 내자외선 환경 등, CFRP 부분에서는 커버할 수 없는 특성이나 기능을 부여하기 때문에, 겔 코트 또는 도장 또는 그 조합이 실시되고 있다. 그래서, CFRP제 판재에 도장을 실시할 수 있다.

도료는, 예를 들면, 실리콘/에폭시계 수지 도료, 아크릴계 수지 도료, 우레탄계 수지 도료, 폴리에스테르계 수지 도료, 에폭시계 수지 도료, 불소계 수지 도료, 캐슈 수지 도료, 알키드계 수지 도료, 아미노알키드계 수지 도료, 페놀계 수지 도료, 유성 페인트, 오일 바니시, 니트로셀루로오스ㆍ라커 등의 합성 수지 도료나 수용성 수지 도료, 프라이머ㆍ서페이서, 프라이머서페이서ㆍ퍼티 등도 포함하는 도료로부터 선택할 수 있다.

상기 도료는, 크게 구별하여 1 액형, 2 액형, 다액형의 자연 건조 또는 상온 건조 도료, 소부 도장, 자외선 경화 도료, 전자선 경화 도료 등으로 크게 구별된다. 또한, 도장법은 분무용 도료, 롤용 도료, 플로우코터용 도료, 블러시용 도료 등이 있다.

또한 도료의 선정에는, CFRP제 판재의 수지와 접착성이 좋은 도료 조성을 선택하는 것이 바람직하다. 또한, CFRP제 판재는 금속과 비교하여 내자외선성이 떨어지기 때문에, 내후성이 우수한 도료를 선정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 태양광 차단 도료나 자외선 차단 도료라 불리는 것으로, 알키드·아크릴ㆍ우레탄의 비히클에 카본 블랙을 안료로서 UV 흡수제, 또는 환원 테로폴리산 등을 배합한 것이나 산화 코발트, 산화 구리, 철흑 등의 흑색 안료를 첨가한 아크릴ㆍ우레탄ㆍ에폭시ㆍ실콘계 도료나, 불소계 도료 등이 있다. 클리어 도장인 경우에는 특히 상기 첨가제가 불가결하다.

또한, 카본 블랙이나 그라파이트, 금속 분말 등의 도전 필러를 분산시킨 도전 도료가 바람직하다. 산화 주석이나 산화 안티몬계의 도전체를 첨가한 도료는투명성 도전 도막을 제공하기 때문에, 탄소 섬유 직물의 의장성을 이용할 경우나 자동차 등의 외판에 정전기에 의한 먼지나 오염의 부착을 억제하는 대전 방지 효과를 부여할 목적으로서는 바람직한 도전 도료이다.

야간 등에 주의를 환기할 필요성이 높은 수송 기기의 외판에는, JIS K 5671에 기재되어 있는 발광 도료 (야광 도료)를 외판 전체 또는 일부에 실시하는 것도 유효하다.

또한, 자동차용 외판의 내구성을 높게 하기 위해서는, 주행 시간 또는 세정시에 스치는 상처가 쉽게 나지 않는 도료를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 도료로서는, 동적 점탄성의 저장 탄성률 G'가 작은 아크릴 도료나 불소계 도료 등이 유효하다.

도장 방법은, 스프레이 (분무) 도장 (에어 건이나 에어리스 방식 등), 정전 도장 (정전 분무화 방식이나 건 방식 등), 전착 도장 (양이온형이나 음이온형 등), 분체 도장 (용사법, 유동 침지법, 정전 분체 도장법 등) 이외에 공지된 특수 도장법도 적용할 수가 있다.

그 중에서도, 본 발명의 CFRP제 판재에 바람직한 것은, 내열성이 금속보다도 낮기 때문에 건조 온도를 120 ℃ 이하, CFRP제 판재를 양극으로 한 정전 도장이 도착성이 우수하여 바람직하다. 도장의 온도는, 외판의 내열 온도와 깊이 관계하고 있고, 내열 온도 부근에서 도장 건조하는 것이 필요하다. 자동차용 외판인 경우는 내열 온도는 100 ℃ 정도이고, 도료의 건조 온도는 60 내지 110 ℃의 범위로 하는 것이 보다 바람직하다. 건조 시간은 3 분 내지 60 분 정도이다. 또한, 탄소 섬유는 도전성이 있기 때문에, 정전 도장도 도료의 사용 효율이 높고 바람직한 도장법이다.

또한 도막의 두께는 20 내지 200 ㎛의 범위 내에서 하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 본 범위보다 작으면 CFRP제 판재에 자외선 등의 광선이 들어가 내구성을 저하시키는 일이 있기 때문이다. 또한, 본 범위보다 크면 충격을 받은 경우나, 장기 사용시에, 도막이 CFRP에서 박리되는 가능성이 생기기 때문이다. 보다 바람직한 도장의 두께는 40 내지 100 ㎛이다. 또한 본 두께의 도장을 실시함에 있어 CFRP제 판재의 표면은, 이형제를 제거하기 위한 탈지나 샌딩을 실시하는 것이 바람직하다. 이형제에 비실리콘계의 것을 사용함으로써 탈지나 샌딩 작업을 없애거나 저감할 수가 있다. 또한, 이러한 샌딩을 실시함으로써 도장 후의 표면 품위를 향상시킬 수도 있다.

도장의 색은, 다른 부재와의 배색으로 결정된다. 유색 도장하면 CFRP제 판재 중에 달하는 자외선이나 적외선을 적게 하고 빛에 의한 열화나 온도 상승을 억제하기 때문에 바람직하다. 또한 클리어 도장으로 하면 상기 광에 의한 열화나 온도 상승을 억제할 수는 없지만 탄소 섬유 직물을 보강 기재로 하고 있는 본 발명의 CFRP제 판재에 있어서는, CFRP 부분의 열화의 상태, 내부 손상의 상태를 육안으로 관찰할 수 있기 때문에 바람직하다. 클리어인 것으로, CFRP의 상태를 정밀하고 치밀하게 파악할 수 있고, 금속 외판 밖에 경험이 없는 제3자에게 CFRP제 외판을 사용하는 기운을 생기게 하는 효과도 있다. 물론, 클리어 도장은 직조 구조의 의장성을 이용하여 상품 가치를 높이는 효과도 갖는다. 또한 클리어 도장은 외판의 전체이어도 일부이어도 지장이 없다.

유색 클리어 도료를 도장하는 것으로, 빛에 의한 열화나 온도 상승의 억제는 약간 남지만, CFRP 부분의 열화의 상태, 내부 손상의 상태를 육안으로 관찰할 수가 있는 CFRP제 판재를 만들 수 있다.

또한 클리어 도료의 대표적인 것은, 실리콘/에폭시계 도료, 아크릴계 도료이지만 우레탄계이어도, 이들 도료의 혼합, 얼로이계이어도 지장이 없다.

또한, 상기 도장에 있어서, 층간 밀착, 내자외선, 표면 경도 등 필요한 기능에 따라서, 상기 도장의 두께 중에서, 필요한 기능을 가진 도료를 수층으로 나누고, 바람직하게는 1층 이상 4층 이하로 나누어 중첩 도포할 수 있다. 중첩 도포 회수가 많으면 도막 내에 도막층간이 증가하여, 층간에서 박리하는 등, 도막 및 CFRP에 자외선 등의 광선이 들어가, 내구성을 저하시킨다는 문제가 생기기 때문에, 가능한 적은 횟수의 중첩으로 도장하여 필요한 기능을 갖게 하는 것이 바람직하다.

이상, 상기에서는 RTM 성형법 및 고차 가공 방법에 대해서 설명하였지만 이것은 일례이고, RTM 성형법 이외에, 핸드 레이업법, 프리프레그 레이업법, 풀톨죤법 (방출 성형법), 풀와인드법, 필라멘트 와인드법, SCRIMP법 (샌드위치 구조를 성형하는 방법이고, 코어재에 크기가 다른 수지 러너(runner)를 미리 배치하여 놓은 RTM 성형법) 등, 공지된 모든 성형 기술을 이용하여도 지장이 없다.

본 발명의 판재는, 자동차, 고속 차량, 고속 선정, 오토바이, 자전거 등 수송 기기 내ㆍ외판으로서 사용할 수가 있다. 구체적으로는, 도어, 본네트, 팬더, 트렁크 리드, 하드 탑 (오픈카의 탈착식 루프), 사이드 미러 커버 등의 자동차 패널, 선두 차량 노즈, 루프, 사이드 패널, 도어 등의 차량용 외판, 윙 트랙에 있어서의 윙의 인너 패널, 아우터 패널, 루프, 플로어 등, 자동차나 오토바이에 장착하는 에어 스포이러나 사이드 스커트 등의 에어러 파트 등이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 연속 섬유를 사용한 CFRP제 외판의 내충격성, 내구성의 문제를 해결하는 것이다.

즉, 본 발명의 목적은, 자동차용 외판에 적합한, 경량으로, 고강성, 고강도인 것은 물론, 장기의 사용에도 견디는 표면 품위를 갖는 환경 친화적인 CFRP제의 외판의 구조, 재료, 표면성을 갖는 CFRP제 판재 및 그의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 구성을 갖는다. 즉,

(1) 탄소 섬유로 이루어지는 직물을 보강 기재로 하는 CFRP를 포함하는 판상물에, 겔 코팅 또는 도장 또는 이들의 조합을 실시한 판재로서, 이 판재 표면의 NSIC값(이하, A값이라 한다)이 30 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 CFRP제 판재.

(2) 상기 CFRP로 이루어지는 판재 표면의 NSIC*값(이하, B값이라 한다)이 10 ％ 이상인 상기 (1)에 기재된 CFRP제 판재.

(3) 상기 CFRP로 이루어지는 판재 표면의 A값과 B값으로 이루어지는 X 값(％) (식 1)

X = 0.6×A + 0.4×B (％)

이, 40 ％ 이상인 상기 (1)에 기재된 CFRP제 판재.

본 발명의 CFRP제 판재의 특징의 일례를 실시예에 의해 서술한다.

(실시예 1)

자동차 도어의 형상을 갖는 #1200번으로 초경면 마무리한 볼록형 (오스)의 금형에, 탄소 섬유 (탄성률 235 GPa, 강도 5 GPa, 신도 2.1 ％)로 이루어지는 평직 구조의 크로스 (질량 200 g/m², 두께 0.2 mm, 커버율 97 ％)를 5매 중첩 배치하고, 메스형을 폐쇄하여, 그 후 형 온도를 80 ℃까지 승온시켰다. 이어서, 에피코트 807 (유까 쉘 에폭시(주) 제조, 에폭시 수지) 70 중량부, 에피코트 630 (유까 쉘 에폭시(주) 제조, 에폭시 수지) 30 중량부, 안카민 2049 (퍼시픽 안케미(주) 제조, 아민 경화제) 43 중량부를 혼합하여 얻은 액상 에폭시 수지를, 수지 주입구로부터 주입하는 RTM 성형법으로써, 탄소 섬유로 이루어지는 평직 구조의 크로스에 수지를 충분히 함침시키고, 또한 100 ℃까지 승온 (스텝 경화)하여 2 시간 경화하여 탈형하고, 두께 1.0 mm의 CFRP제 판재를 제조하였다. 단면을 관찰하였더니 보이드는 1 ％ 이하이고, 섬유의 체적 함유율 (Vf)은 55 ％이었다.

본 기초판을 #1200 번의 내수 연마지로 가볍게 연마하여, 아세톤으로 탈지 처리, 또한 레탄 PG 80 Ⅲ (간사이 페인트(주) 제조, 우레탄 도료, 흑)으로 실온스프레이 도장하여 50 ㎛의 도막을 형성하여, 80 ℃에서 30 분 건조시켜, A가 40 ％, B가 40 ％, X가 40 ％의 CFRP제 판재를 얻었다.

본 CFRP제 판재로부터 ISO 527-4에 따라서, 폭 25 mm, 길이 250 mm, 두께 1 mm의 시험편을 제조하고, JIS-K 7118에 따라서 부분 편진 인장 피로 시험을 행하였다. 부분 편진 인장 피로 시험 시험 조건은, 최대 응력을 정적 인장 파단 응력의 50 ％로, 최소 응력을 정적 인장 응력의 5 ％로, 진동수를 5 Hz로 설정하여 피로 시험 중의 응력의 반복수 (n)가 1×1O⁶, 및 1×1O⁷이 되었을 때 피로 시험을 종료하였다. 이 피로 시험을 행한 후, 시험편 표면에 발생한 마이크로 크랙 밀도 (개/cm²) 측정하였다. 측정 방법으로서는, 염색 침투 탐상제 (가부시끼 가이샤 코자이 제조, 미크로 체크)에 의해 5 cm 각 중의 마이크로 크랙의 수를 측정하여 밀도를 다음 식으로부터 산출하였다.

마이크로 크랙 밀도 = (1 cm 각 중의 마이크로 크랙의 수)/5/5

시험편 표면에 발생한 마이크로 크랙 밀도가 O 개/cm²인 경우는 ○, O 내지 1 개/cm²의 범위 내인 경우는 △, 1 개/cm²이상인 경우는 ×의 3 단계 평가를 행한 결과, 반복수(n)가 1×1O⁶, 및 1×1O⁷인 경우 모두 ○이었다.

또한, 동일하게 본 CFRP제 판재로부터 폭 25 mm, 길이 250 mm의 피로 시험편을 잘라냈다. 이어서 이 시험편을 스가 시깽끼(주) 제조 메타링 웨자 미터 M6T를사용하고, 조도 1.55 kW/m²로, 층내 온도 63 ℃, 상대 습도 98 ％의 조건으로, 수분사하면서 조사 12 분, 블랙 패널 온도 63 ℃, 상대 습도 50 ％의 조건으로의 수분사 없이 조사 48 분을 사이클로 하여, 이것을 48 회 반복하는 촉진 내후성 시험을 행하였다. 촉진 내후성 시험 후의 시험편 표면의 마이크로 크랙 밀도를 상기와 같은 방법으로 측정하였더니 ○이었다. 또한, 촉진 내후성 시험 후의 시험편으로, 상기 같은 부분 편진 인장 피로 시험을 행하여, 같이 마이크로크랙 밀도를 측정한 결과, 반복수(n)가 1×1O⁶, 및 1×1O⁷인 경우 모두 ○이었다.

(실시예 2)

실시예 1에 있어서, 레탄 PG 80 Ⅲ (간사이 페인트(주) 제조, 우레탄 도료, 흑)을 레탄 PG 80 Ⅲ (간사이 페인트(주) 제조, 우레탄 도료, 클리어)로 한 이외에는, 실시예 1과 동일하게 행하여, RTM 성형에 의해 두께 1.0 mm의 CFRP제 판재를 제조하였다. 단면 관찰로서는, 보이드는 1 ％ 이하이고, 섬유의 체적 함유율 (Vf)은 55 ％이었다.

본 CFRP제 판재의 A, B, X값은 각각, A가 40 ％, B가 5 ％, X가 26 ％이었다.

본 CFRP제 판재를 실시예 1과 동일한 피로 시험, 내후성 시험, 내후성 시험 후의 피로 시험을 하였더니 피로 시험은 반복수(n)가 1×1O⁶, 및 1×1O⁷인 경우 모두 ○, 내후성 시험 후는 △, 내후성 시험 후의 피로 시험은 반복수 (n)가 1×10⁶에서 △, 1×1O⁷에서 △이었다.

(실시예 3)

실시예 1에 있어서, 레탄 PG 80 Ⅲ (간사이 페인트(주) 제조, 우레탄 도료, 흑)을 레탄 PG 80 Ⅲ (간사이 페인트(주) 제조, 우레탄 도료, 클리어) 1 중량부, 레탄 PG 80 Ⅲ (간사이 페인트(주) 제조, 우레탄 도료, 청) 99 중량부를 혼합하여 얻은 반투명의 청색 우레탄 도료로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 RTM 성형에 의해 두께 1.0 mm의 CFRP제 판재를 제조하였다. 단면 관찰로서는, 보이드는 1 ％ 이하이고, 섬유의 체적 함유율 (Vf)은 55 ％이었다.

본 CFRP제 판재의 A, B, X값은 각각 A가 40 ％, B가 20 ％, X가 32 ％이었다.

본 CFRP제 판재를 실시예 1과 동일한 피로 시험, 내후성 시험, 내후성 시험 후의 피로 시험을 하였더니 피로 시험은 반복수(n)가 1×1O⁶, 및 1×1O⁷인 경우 모두 ○, 내후성 시험 후는 ○, 내후성 시험 후의 피로 시험은 반복수 (n)가 1×1O⁶에서 ○, 1×1O⁷에서 △이었다.

(비교예 1)

실시예 1에서, 탄소 섬유 직물 기재를 유리 섬유 (탄성률 70 GPa, 강도 2.8 GPa, 신도 4 ％)로 이루어지는 평직 구조의 크로스 (질량 300 g/m², 두께 0.45 mm, 커버율 85 ％)를 5매 중첩한 것, 및 도장을 실시하지 않은 것 이외는 실시예 1과동일하게 하여, RTM 성형에 의해 두께 1.2 mm의 CFRP제 판재를 제조하였다. 단면 관찰로서는, 보이드는 관찰되지 않고, 섬유의 체적 함유율 (Vf)은 50 ％이었다.

본 CFRP제 판재의 A, B, X값은 각각, A가 20 ％, B가 5 ％, X가 14 ％이었다.

본 CFRP제 판재를 실시예 1과 동일한 피로 시험, 내후성 시험, 내후성 시험 후의 피로 시험을 하였더니, 피로 시험은 반복수 (n)이 1×1O⁶, 및 1×1O⁷인 경우 모두 ×, 내후성 시험 후는 ×, 내후성 시험 후의 피로 시험은 반복수(n)가 1×10⁶, 및 1×1O⁷인 경우 모두 ×이었다.

(비교예 2)

실시예 1에 있어서, 백색의 불포화 폴리에스테르계 겔 코트 (닛뽄 페로우(주) 제조, 7W-0012 P) 100 중량부에 메틸에틸케톤퍼옥시드계의 경화제 (닛뽄 가야꾸(주) 제조, 카야멕 M) 1 중량부를 첨가하여 25 ℃에서 충분히 교반ㆍ혼합한 겔 코트를, 압송식의 스프레이 건으로, #1200번으로 초경면 마무리한 볼록형 (오스)의 금형에 300 ㎛ 도포하고, 70 ℃에서 30 분간 경화한 후, 탄소 섬유 직물 기재를 유리 섬유 (탄성률 70 GPa, 강도 2.8 GPa, 신도 4 ％)로 이루어지는 평직 구조의 크로스 (질량 300 g/m², 두께 0.45 mm, 커버율 85 ％)를 5매 중첩한 것 및 도장을 실시하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, RTM 성형에 의해 두께 1.5 mm의 CFRP제 판재를 제조하였다. 실시예 단면을 관찰한 바, 보이드는 관찰되지 않고, 섬유의 체적 함유율 (Vf)은 50 ％이었다.

본 CFRP제 판재의 A, B, X 값은 각각, A가 10 ％, B가 20 ％, X가 14 ％이었다.

본 CFRP제 판재를 실시예 1과 동일한 피로 시험, 내후성 시험, 내후성 시험 후의 피로 시험을 하였더니 피로 시험은 반복수(n)가 1×1O⁶, 및 1×1O⁷인 경우 모두 ×, 내후성 시험 후는 ○, 내후성 시험 후의 피로 시험은 반복수(n)가 1×1O⁶, 및 1×1O⁷인 경우 모두 ×이었다.

(실시예 4)

비교예 2에 있어서, 겔 코트를 도포하고, 경화한 후, 탄소 섬유 (탄성률 235 GPa, 강도 5 GPa, 신도 2.1 ％)로 이루어지는 평직 구조의 크로스 (질량 2OO g/m², 두께 0.2 mm, 커버 요인 97 ％)을 5매 중첩한 것, 및 도장을 실시하지 않은 이외에, 실시예 1과 동일하게 하여, RTM 성형에 의해 두께 1.3 mm의 CFRP제 판재를 제조하였다. 실시예 단면을 관찰하였더니 보이드는 1 ％ 이하이고, 섬유의 체적 함유율 (Vf)은 55 ％이었다.

본 CFRP제 판재의 A, B, X값은 각각, A가 50 ％, B가 30 ％, X가 42 ％이었다.

본 CFRP제 판재를 실시예 1과 동일하게 피로 시험, 내후성 시험, 내후성 시험 후의 피로 시험을 하였더니 피로 시험은 반복수(n)가 1×1O⁶, 및 1×1O⁷인 경우모두 ○, 내후성 시험 후는 ○, 내후성 시험 후의 피로 시험은 반복수(n)가 1×1O⁶, 및 1×1O⁷인 경우 모두 ○이었다.

(실시예 5)

실시예 1에 있어서, 투명의 아크릴계 겔 코트 (닛뽄 페로(주) 제조, NR-AC0001 P) 100 중량부에 메틸에틸케톤퍼옥시드계의 경화제 (닛뽄 가야꾸(주) 제조, 카야멕 M) 1 중량부를 첨가하여 25 ℃에서 충분히 교반ㆍ혼합한 겔코트를, 압송식의 스프레이 건으로써, #1200번으로 초경면 마무리한 볼록형 (오스)의 금형에 300㎛ 도포하여, 70 ℃에서 30 분간 경화한 후, 탄소 섬유 (탄성률 235 GPa, 강도 5 GPa, 신도 2.1 ％)로 이루어지는 평직 구조의 크로스 (질량 200 g/m², 두께, O.2 mm, 커버율 97 ％)를 5 매 중첩한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, RTM 성형에 의해 두께 1.3 mm의 CFRP제 판재를 제조하였다. 실시예 단면을 관찰하였더니 보이드는 관찰되지 않았고, 섬유의 체적 함유율 (Vf)은 55 ％이었다.

본 CFRP제 판재의 A, B, X 값은 각각, A가 60 ％, B가 40 ％, X가 48 ％이었다.

본 CFRP제 판재를 실시예 1과 동일한 피로 시험, 내후성 시험, 내후성 시험 후의 피로 시험을 하였더니 피로 시험은 반복수(n)가 1×1O⁶, 및 1×10⁷인 경우 모두 ○, 내후성 시험 후는 ○, 내후성 시험 후의 피로 시험은 반복수(n)가 1×1O⁶,및 1×10⁷인 경우 모두 ○이었다.

이상의 결과는 표 1에 나타냈다.

본 발명에 관한 CFRP제 판재 및 그의 제조 방법은, 다음과 같은 현저한 작용 효과를 종합적으로 발휘할 수 있고, 자동차 등에 실용 가능한 판재가 된다.

1) 연속된 탄소 섬유를 사용함으로써 경량, 고강도, 고강성이 되고, 자동차 등의 연비의 향상, 탄산 가스의 배출량을 저감할 수 있다.

2) 직물 형태이므로 휘어짐이 없는 경량 박판재가 가능해짐과 동시에 내충격 손상성이 뛰어나, 자동차에 있어서의 충돌시 등에 안전하다.

3) 겔 코트 또는 도장 또는 그 조합을 갖기 때문에 내환경성, 의장성을 보유하는 외판이 될 수 있다.

4) NSIC값 (A값) (％)이 30 ％ 이상이므로, 내구성, 공력 저항 특성의 향상을 기대할 수 있다.

5) NSIC*값 (B값) (％)이 10 ％ 이상이므로, 제3자의 눈을 끌고 안전하게 되는 동시에, 내환경 내구성의 향상을 기대할 수 있다.

Claims (14)

1. 탄소 섬유로 이루어지는 직물을 보강 기재로 하는 섬유 강화 플라스틱 (이하, CFRP라 약칭함)을 포함하는 판상물에, 겔 코트 또는 도장 또는 이들의 조합을 가한 판재로서, 이 판재 표면의 NSIC값 (이하, A값이라 약칭함)이 30 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 CFRP제 판재.
2. 제1항에 있어서, 상기 CFRP로 이루어지는 판재 표면의 NSIC*값 (이하, B값이라 함)이 10 ％ 이상인 CFRP제 판재.
3. 제1항에 있어서, 상기 CFRP로 이루어지는 판재 표면의 A값과 B값으로 이루어지는 X값 (％)

   X = 0.6×A + 0.4×B (％)

   이, 40 ％ 이상인 CFRP제 판재.
4. 제1항에 있어서, 0.1 내지 50 m²의 범위 내의 크기를 갖는 자동차용 부재인 CFRP제 판재.
5. 제1항에 있어서, 자동차용 외판인 CFRP제 판재.
6. 제1항에 있어서, 탄소 섬유 직물의 질량 (Wg/m²)과 두께 (t mm)의 비율 (W/t)이 700 내지 1700인 CFRP제 판재.
7. 제1항에 있어서, 탄소 섬유 직물의 커버율이 90 내지 100 ％인 CFRP제 판재.
8. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 직물이 판의 최표면층에 있는 CFRP제 판재.
9. 제1항에 있어서, 형 표면의 표면 조도가 20 ㎛ 이하인 성형형을 사용하여 성형하는 CFRP제 판재.
10. 제1항에 있어서, 상기 도장의 두께가 20 내지 200 ㎛인 CFRP제 판재.
11. 제1항에 기재된 CFRP제 판재의 상기 CFRP의 수지의 경화 수축률을 3 ％ 이하로 한 CFRP제 자동차용 외부재.
12. 제1항에 있어서, 상기 CFRP의 수지의 선팽창 계수가 60×10^-6/℃ 이하인 CFRP제 판재.
13. 연속된 탄소 섬유로 이루어지는 직물에 수지를 함침시키고, 경화시켜, 탈형한 CFRP를 포함하는 판상물에, 겔 코트 또는 도장 또는 이들의 조합을 가하는 CFRP제 판재의 제조 방법으로서, 이 판재 표면의 NSIC (A) 값을 30 ％ 이상으로 하는 CFRP제 판재의 제조 방법.
14. 연속된 탄소 섬유로 이루어지는 직물에 수지를 함침시키고, 경화시켜, 탈형한 CFRP를 포함하는 판상물에, 겔 코트 또는 도장 또는 이들의 조합을 가하는 CFRP제 판재의 제조 방법으로서, 이 판재 표면의 NSIC (A) 값을 30 ％ 이상으로 하는 자동차용 외부재용 CFRP제 판재의 제조 방법.