KR20090113820A - 프리프레그 기재, 적층 기재, 섬유강화 플라스틱, 프리프레그 기재의 제조 방법, 및 섬유강화 플라스틱의 제조 방법 - Google Patents

프리프레그 기재, 적층 기재, 섬유강화 플라스틱, 프리프레그 기재의 제조 방법, 및 섬유강화 플라스틱의 제조 방법 Download PDF

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KR20090113820A
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나루미치 사토
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Abstract

일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 상기 다수개의 강화 섬유 사이에 존재하는 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재로서, 상기 프리프레그 기재는 그 전면에 상기 강화 섬유를 가로지르는 방향을 갖는 다수개의 절개를 갖고, 실질적으로 모든 상기 강화 섬유가 상기 절개에 의해 분단되며, 상기 절개의 의해 분단된 각 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10∼100㎜이며, 상기 프리프레그 기재의 두께(H)가 30∼300㎛이며, 상기 프리프레그 기재에 있어서의 상기 강화 섬유의 섬유 체적 함유율(Vf)이 45∼65%인 프리프레그 기재.
프리프래그 기재, 적층 기재, 섬유강화 플라스틱

Description

프리프레그 기재, 적층 기재, 섬유강화 플라스틱, 프리프레그 기재의 제조 방법, 및 섬유강화 플라스틱의 제조 방법{PREPREG BASE MATERIAL, LAYERED BASE MATERIAL, FIBER-REINFORCED PLASTIC, PROCESS FOR PRODUCING PREPREG BASE MATERIAL, AND PROCESS FOR PRODUCING FIBER-REINFORCED PLASTIC}
본 발명은 다수개의 강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 복수매 적층된 강화 섬유 시트의 적어도 일부가 본 발명의 프리프레그 기재로 이루어지는 적층 기재에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명의 적층 기재로 성형된 섬유강화 플라스틱에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명의 프리프레그 기재 및 본 발명의 섬유강화 플라스틱의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 프리프레그 기재는 섬유강화 플라스틱 성형체를 성형할 때의 매트릭스 수지의 유동에 따르는 강화 섬유의 양호한 유동성을 갖고, 그 결과 원하는 형상을 갖는 성형체의 성형에 있어서의 양호한 성형 추수성을 초래한다. 또한 본 발명의 프리프레그 기재를 적어도 일부에 함유하는 강화 섬유 시트의 적층체로부터 성형되는 섬유강화 플라스틱 성형체는, 여러 가지 구조재에 적용 가능한 뛰어난 역학물성을 갖는다. 성형체에 있어서의 상기 역학특성의 불균일성은 작고, 따라서, 성형체는 뛰어난 치수 안정성을 갖는다. 본 발명의 섬유강화 플라스틱은, 예를 들 면 자동차 부재, 스포츠용구 등에 적합하게 사용된다.
강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 섬유강화 플라스틱은, 비강도, 비탄성율이 높고, 역학특성이 뛰어나는 것, 내후성, 내약품성 등의 고기능 특성을 갖는 것 등으로부터, 산업용도에 있어서도 주목받아 그 수요는 해마다 높아지고 있다.
고기능 특성을 갖는 섬유강화 플라스틱의 성형법으로서는, 프리프레그로 칭해지는 연속된 강화 섬유에 매트릭스 수지를 함침시킨 반경화 상태의 원료 기재(프리프레그 시트)를 적층하고, 고온 고압 가마에서 가열 가압함으로써 매트릭스 수지를 경화시켜 섬유강화 플라스틱을 성형하는 오토클레이브 성형법이 있다. 이 오토클레이브 성형법은 범용되고 있다.
또한, 섬유강화 플라스틱의 성형법으로서, 생산 효율의 향상을 목적으로 해서 미리 부재 형상으로 부형한 연속된 강화 섬유로 이루어지는 원료 기재(프리폼)에 매트릭스 수지를 함침하고, 경화시키는 RTM(레진 트랜스퍼 몰딩) 성형법도 있다.
이들 성형법에 의해 얻어진 섬유강화 플라스틱은 강화 섬유가 연속 섬유인 까닭에 뛰어난 역학물성을 갖는다. 또한, 연속 섬유는 규칙적으로 배열되어 있기 때문에 적층하는 기재의 배치에 따라 섬유강화 플라스틱이 필요로 하는 역학물성을 갖도록 설계하는 것이 가능하고, 얻어지는 섬유강화 플라스틱의 역학물성의 불균형도 적다. 그러나, 한편으로 연속 섬유인 까닭에 3차원 형상 등의 복잡한 형상을 형 성하는 것은 어려워, 이들 성형법은 주로 평면 형상에 가까운 부재의 제조에 한해서 사용되고 있다.
3차원 형상 등의 복잡한 형상을 갖는 성형체의 성형에 알맞은 성형법으로서 SMC(시트 몰딩 컴파운드) 성형법이 있다. SMC 성형법은, 통상 25㎜ 정도로 절단한 강화 섬유의 촙드 스트랜드에 매트릭스 수지로서의 열경화성 수지를 함침시켜 반경화 상태로 한 SMC 시트를, 가열형 프레스기를 이용하여 가열 가압함으로써 성형을 행한다. 대부분 경우, 가압 전에 SMC 시트를 성형체의 형상보다 작게 절단해서 성형틀 상에 배치하고, 가압에 의해 성형체의 형상으로 작게 재단되어 있는 SMC 시트를 잡아 늘려서(유동시켜서) 성형을 행한다. 그 때문에 매트릭스 수지 및 재단되어 있는 다수의 강화 섬유의 유동에 의해 3차원 형상 등의 복잡한 형상으로의 성형 추수성이 얻어진다.
그러나, SMC 성형법은 SMC 시트를 제작하는 공정에 있어서 촙드 스트랜드의 분포 편차, 배향 편차가 필연적으로 생겨버리기 때문에, 성형체의 역학물성이 저하되거나, 또는 그 값의 불균형이 커져 버린다. 또한, 촙드 스트랜드의 분포 편차, 배향 편차에 의해 얇은 물건의 성형체에서는 휨, 싱크마크(sink mark) 등이 발생하기 쉬워져 구조재용의 성형체로서는 부적합한 경우가 있다.
상술한 바와 같은 재료의 결점을 메우기 위해, 연속 섬유와 열가소성 수지로 이루어지는 프리프레그 시트에 절개를 넣어 연속 섬유를 분단함으로써 섬유가 유동 가능하고, 성형된 성형체의 역학물성의 불균형도 작아지게 되는 프리프레그 기재가, 일본 특허공개 소63-247012호 공보(특허문헌 1) 또는 일본 특허공개 평9- 254227호 공보(특허문헌 2)에 개시되어 있다.
그러나, 이 절개를 갖는 프리프레그 기재를 이용하여 성형된 성형체는 SMC 성형법에 의해 성형된 성형체와 비교하면 역학특성이 크게 향상되고, 그 불균형이 작아지지만, 구조재로서 사용하기 위해서는 충분한 강도를 갖고 있다고는 말할 수 없다. 연속 섬유로 형성되어 있는 프리프레그 기재와 비교하면 절개라고 하는 결함을 내포한 구성이기 때문에 응력 집중점인 절개가 성형체에 있어서의 파괴의 기점이 되고, 특히, 성형체의 인장 강도, 인장 피로 강도가 저하된다고 하는 문제가 있었다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개 소63-247012호 공보
특허문헌 2 : 일본 특허공개 평9-254227호 공보
본 발명의 목적의 하나는, 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 성형시의 강화 섬유의 양호한 유동성, 및 복잡한 형상을 갖는 성형체의 성형 추수성을 갖는 프리프레그 기재의 제공에 있다. 본 발명의 목적의 다른 하나는, 본 발명의 프리프레그 기재를 적어도 일부에 함유하는 강화 섬유 시트의 적층 기재의 제공에 있다. 본 발명의 목적의 또 다른 하나는, 본 발명의 적층 기재로부터 성형되는 섬유강화 플라스틱의 제공에 있다. 또한 본 발명이 새로운 목적은, 본 발명의 프리프레그 기재의 제조 방법, 및 본 발명의 프리프레그 기재를 사용한 섬유강화 플라스틱의 제조 방법의 제공에 있다.
본 발명의 프리프레그 기재는 실질적으로 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 상기 강화 섬유에 부착되어 있는 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재로서, 상기 프리프레그 기재는 그 전면에 상기 강화 섬유를 가로지르는 방향을 갖는 다수개의 절개를 갖고, 실질적으로 모든 상기 강화 섬유가 상기 절개에 의해 분단되며, 상기 절개에 의해 분단된 각 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10∼100㎜이며, 상기 프리프레그 기재의 두께(H)가 30∼300㎛이며, 상기 프리프레그 기재에 있어서의 상기 강화 섬유의 섬유 체적 함유율(Vf)이 45∼65%이다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 각 절개가 일정한 길이를 갖는 절개 세그먼트로 이루어지고, 상기 절개 세그먼트를 상기 강화 섬유의 배열방향으로 투영했을 때의 상기 강화 섬유의 배열방향에 직각인 방향에 있어서의 상기 절개 세그먼트의 투영 길이(Ws)가 1∼10㎜이며, 상기 프리프레그 기재의 두께(H)가 30∼150㎛인 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 정길이 절개 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 각 절개가 일정한 길이를 갖는 절개 세그먼트로 이루어지고, 상기 절개 세그먼트를 상기 강화 섬유의 배열방향으로 투영했을 때의 상기 강화 섬유의 배열방향에 직각인 방향에 있어서의 상기 절개 세그먼트의 투영 길이(Ws)가 30㎛∼1.5㎜인 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 정길이 절개 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 절개 세그먼트가 적어도 3개의 같은 방향을 향하는 직선 상에 배열되고, 적어도 3열의 절개 열을 형성하고, 또한 인접하는 상기 절개 열의 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 간격이 서로 같은 것이 바람직하다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 절개 세그먼트가 상기 강화 섬유의 배열방향에 직각인 방향에 대하여 사행(斜行)해서 배열되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 사행 절개 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 절개 세그먼트가 상기 프리프레그 기재의 상면과 하면의 각각으로부터 상기 프리프레그 기재의 두께방향으로, 상기 프리프레그 기재를 관통하지 않고 형성되고, 상기 절개 세그먼트의 절개의 깊이(Hs)가 상기 프리프레그 기재의 두께(H)에 대하여 0.4H∼0.6H이며, 상기 상면의 임의의 절개 세그먼트(A)와, 상기 절개 세그먼트(A)와 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서 인접하는 상기 상면의 절개 세그먼트(B)의 간격을 La라고 하면, 상기 간격(La)이 10∼100㎜이며, 상기 절개 세그먼트(A)로부터 상기 절개 세그먼트(B) 방향으로의 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 거리가 0.4La∼0.6La인 위치에, 상기 하면에 있어서의 절개 세그먼트(C)의 기하 중심이 위치하고, 상기 상면의 상기 절개 세그먼트(A)와 상기 절개 세그먼트(B) 사이에 위치하는 상기 강화 섬유의 일부가 상기 상면의 상기 절개 세그먼트(A)와 상기 하면의 상기 절개 세그먼트(C),또는 상기 상면의 상기 절개 세그먼트(B)와 상기 하면의 상기 절개 세그먼트(C)에 의해 분단되어 있음과 아울러, 상기 상면에 있어서의 절개 세그먼트의 기하 형상 및/또는 상기 하면에 있어서의 절개 세그먼트의 기하 형상이 서로 동일한 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 양면 절개 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 절개 세그먼트가 경사각도(Θa)를 갖고 상기 프리프레그 기재의 두께방향으로 경사져서 설치되어 있고, 임의의 절개 세그먼트에 있어서 상기 프리프레그 기재의 상면에 있어서의 상기 강화 섬유의 분단선의 위치와 하면에 있어서의 분단선의 위치의 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 거리를 S라고 하면, 상기 거리(S)와 상기 프리프레그 기재의 두께(H)로부터 다음 식(식Ι)에 근거해 구해지는 상기 경사각도(Θa)가 1∼25°인 것이 바람직하다.
Figure 112009031941696-PCT00001
본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 경사 절개 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 프리프레그 기재의 표면에 있어서 상기 각 절개가 상기 강화 섬유의 배열방향과 이루는 사행각도(Θb)의 절대치가 2∼25°인 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 각 절개의 각각이 상기 프리프레그 기재의 전체 폭에 걸쳐서 연속되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 특정 각도 사행 연속 절개 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 각 절개가 일정한 길이를 갖는 절개 세그먼트로 이루어지고, 상기 절개 세그먼트를 상기 강화 섬유의 배열방향으로 투영했을 때의 상기 강화 섬유의 배열방향에 직각인 방향에 있어서의 상기 절개 세그먼트의 투영 길이(Ws)가 30㎛∼100㎜이며, 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서 인접하는 상기 절개 세그먼트의 기하 형상이 서로 동일한 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 특정 각도 사행 정길이 절개 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 각 절개가 직선상으로 형성되고, 상기 각 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)가 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 직선 사행 절개 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 적층 기재는 실질적으로 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 상기 강화 섬유에 부착되어 있는 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재의 복수매가 적층되어 일체화된 적층 기재로서, 상기 적층된 프리프레그 기재의 적어도 일부가 본 발명의 프리프레그 기재이며, 상기 적층된 프리프레그 기재의 상기 강화 섬유의 배열방향이 서로 다른 적어도 2방향으로 이루어진다.
본 발명의 적층 기재는 실질적으로 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 상기 강화 섬유에 부착되어 있는 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재의 복수매가 적층되어 일체화된 적층 기재로서, 상기 적층된 프리프레그 기재의 적어도 2매가 서로 인접하는 본 발명의 정길이 절개 프리프레그 기재로 이루어지고, 상기 인접하는 2매의 프리프레그 기재의 상기 강화 섬유의 배열방향이 서로 실질적으로 동일하며, 상기 인접하는 2매의 프리프레그 기재의 상기 절개 세그먼트의 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 배열 간격이 같고, 또한 상기 인접하는 2매의 프리프레그 기재 중 한쪽의 프리프레그 기재의 상기 절개 세그먼트의 위치와 다른쪽의 프리프레그 기재의 상기 절개 세그먼트의 위치가 상기 강화 섬유의 배열방향으로 어긋나 있다.
본 발명의 섬유강화 플라스틱은 실질적으로 일방향으로 배열된 강화 섬유로 이루어지는 강화 섬유층이 복수층 적층된 적층체와 매트릭스 수지로 이루어지는 섬유강화 플라스틱으로서, 상기 강화 섬유층의 적어도 2층은 서로 상기 강화 섬유의 배열방향이 다른 상태로 적층되고, 섬유 체적 함유율(Vf)이 45∼65%이며, 상기 강화 섬유층의 1층과 그것에 부수되는 상기 매트릭스 수지로 구성되는 섬유-수지층의 적어도 1층의 섬유-수지층이 상기 층의 전면에, 상기 강화 섬유가 존재하지 않고 상기 매트릭스 수지 또는 인접층의 상기 강화 섬유가 존재하는 영역으로 이루어지는 복수의 절개 개구부를 가지며, 상기 절개 개구부에 의해 상기 강화 섬유가 분단되며, 분단된 강화 섬유의 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10∼100㎜이며, 상기 절개 개구부의 상기 층의 표면에 있어서의 표면적이 상기 층의 표면적의 0.1∼10%이며, 상기 층의 평균 두께(Hc)가 15∼300㎛이다.
본 발명의 프리프레그 기재의 제조 방법은, 다수개의 강화 섬유를 일방향으로 가지런히 정돈해서 매트릭스 수지를 함침하여 예비 프리프레그를 준비하는 공정과, 준비된 예비 프리프레그에 롤러 외주면에 나선상으로 칼날이 설치된 회전날 롤러(rotary blade roller)를 눌러 접촉시켜 상기 강화 섬유를 절단하는 절개를 상기 예비 프리프레그에 넣는 공정으로 이루어진다.
본 발명의 섬유강화 플라스틱의 제조 방법은 본 발명의 적층 기재를 사용하고, 성형 금형에 있어서의 상기 적층 기재의 차지율을 50∼95%로 하여 상기 적층 기재를 가압 성형하는 것으로 이루어진다.
(발명의 효과)
본 발명의 프리프레그 기재는 동일한 방향으로 배열된 길이(L)가 10∼100㎜인 다수의 강화 섬유 세그먼트와 매트릭스 수지로 이루어지고, 프리프레그 기재의 두께(H)가 30∼300㎛이며, 또한 프리프레그 기재의 강화 섬유의 체적 함유율(Vf)이 45∼65%이기 때문에, 이 프리프레그 기재를 사용해서 섬유강화 플라스틱을 성형할 경우, 성형시에 있어서의 매트릭스 수지의 유동에 따라 강화 섬유 세그먼트도 양호하게 유동한다. 즉, 본 발명의 프리프레그 기재의 강화 섬유는 섬유강화 플라스틱의 성형시에 양호한 유동성을 나타낸다. 그 결과, 복잡한 형상의 섬유강화 플라스틱을 성형할 때의 성형 형상으로의 양호한 추수성이 초래된다. 또한 성형된 섬유강화 플라스틱은 뛰어난 역학물성, 불균형이 적은 역학물성, 뛰어난 치수 안정성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 프리프레그 기재의 일례의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 프리프레그 기재가 갖는 절개 패턴의 6예의 평면도이다.
도 3a는 본 발명의 적층 기재의 일례의 일부 파단 평면도이다.
도 3b는 도 3a에 있어서의 A-A화살표 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 적층 기재의 일례가 금형 상에 놓여진 상태를 나타내는 종단면도이다.
도 4b는도 4a에 나타내는 적층 기재에 성형 압력이 작용했을 경우의 적층 기재의 변형 상태를 설명하는 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 양면 절개 프리프레그 기재의 일례의 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 경사 절개 프리프레그 기재의 일례의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 프리프레그 기재의 절개를 형성하기 위한 절개 형성 장치의 일례의 개략적인 측면도이다.
도 8은 본 발명의 경사 절개 프리프레그 기재의 경사진 절개를 형성하기 위한 절개 형성 장치의 다른 일례의 개략적인 측면도이다.
도 9는 본 발명의 적층 기재의 일례에 있어서의 인접한 층의 절개 패턴의 위치 관계의 일례를 설명하기 위한 본 발명의 프리프레그 기재의 일례의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 프리프레그 기재의 다른 일례의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 프리프레그 기재의 다른 일례의 평면도이다.
도 12는 본 발명의 프리프레그 기재의 또 다른 일례의 평면도이다.
도 13은 본 발명의 프리프레그 기재에 있어서의 절개의 절개 패턴을 비교하기 위한 두개의 절개 패턴 예의 평면도이다.
도 14는 본 발명의 프리프레그 기재에 형성되는 절개 패턴의 다섯가지 예의 평면도이다.
도 15a는 절개를 갖는 프리프레그 기재로 이루어지는 적층 기재의 일례의 사 시도이다.
도 15b는 도 15a에 있어서의 A-A화살표 단면도이다.
도 15c는 도 15a에 나타내는 적층 기재에 성형 압력이 작용했을 경우의 적층 기재의 변형 상태를 설명하는 사시도이다.
도 15d는 도 15c에 있어서의 A-A화살표 단면도이다.
도 16a는 본 발명의 적층 기재의 일례의 사시도이다.
도 16b는 도 16a에 있어서의 A-A화살표 단면도이다.
도 16c는 도 16a에 나타내는 적층 기재에 성형 압력이 작용했을 경우의 적층 기재의 변형 상태를 설명하는 사시도이다.
도 16d는 도 16c에 있어서의 A-A화살표 단면도이다.
도 17a는 본 발명의 적층 기재의 다른 일례의 사시도이다.
도 17b는 도 17a에 나타내는 적층 기재에 성형 압력이 작용했을 경우의 적층 기재의 변형 상태를 설명하는 사시도이다.
도 18은 본 발명의 프리프레그 기재의 절개를 형성하기 위한 절개 형성 장치의 일례의 개략적인 사시도이다.
도 19a는 본 발명의 프리프레그 기재를 제조하기 위한 예비 프리프레그 기재의 배열과 배열된 예비 프리프레그 기재에 절개를 형성하기 위한 절개 형성 장치의 다른 일례의 개략적인 평면도이다.
도 19b는 본 발명의 프리프레그 기재를 제조하기 위한 예비 프리프레그 기재의 배열과 배열된 예비 프리프레그 기재에 절개의 형성을 형성하기 위한 절개 형성 장치의 다른 일례의 개략적인 평면도이다.
도 20은 본 발명의 적층 기재의 다른 일례의 평면도이다.
도 21은 본 발명의 사행 절개 프리프레그 기재에 있어서, 그 상면 및 하면으로부터 절개가 삽입된 양면 절개 프리프레그 기재의 일례의 종단면도이다.
도 22는 본 발명의 사행 절개 프리프레그 기재에 있어서, 절개가 프리프레그 기재의 두께방향으로 더욱 경사진 경사 절개 프리프레그 기재의 일례의 종단면도이다.
도 23은 본 발명의 추가 수지층이 있는 프리프레그 기재의 일례의 종단면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
C : 절개, 또는 절개 세그먼트 CA : 강화 섬유의 절단 장치
CE : 강화 섬유의 절단 단부 CO : 절개의 중복 부분
CP : 절개 패턴 CR : 절개 열
F : 강화 섬유 FP : 섬유강화 플라스틱(성형품)
FS : 강화 섬유 세그먼트 H : 프리프레그 기재의 두께
HD : 수평방향 Hs : 절개의 절개 깊이
L : 섬유 세그먼트의 길이
La : 인접하는 절개의 섬유 배열방향에 있어서의 거리
LB : 적층 기재 P : 프리프레그 기재
RP : 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)
S : 프리프레그 기재 상면의 섬유 분단 위치와 하면의 섬유 분단 위치 사이의 섬유의 배열방향에 있어서의 거리
VD : 수직방향
W : 절개 세그먼트의 길이방향 절개의 길이
Ws : 절개 세그먼트의 투영 길이(절개의 길이)
Θa : 절개의 프리프레그 기재 두께방향에 대한 경사각도
Θb : 절개의 프리프레그 기재 표면에 있어서의 섬유의 배열방향에 대한 경사각도
43 : 수지의 유동방향 44 : 간극(개구부)
62 : 경사 절개 프리프레그 기재에 있어서의 강화 섬유의 분단선
본 발명자들은 강화 섬유 플라스틱의 성형시에 강화 섬유의 양호한 유동성, 복잡한 형상으로의 성형 추수성을 갖고, 얻어지는 섬유강화 플라스틱이 뛰어난 역학물성, 불균형이 적은 역학물성, 뛰어난 치수 안정성을 발현하는 프리프레그 기재를 얻기 위해서 예의 검토하여, 프리프레그 기재로서 일방향으로 가지런히 정돈된 다수개의 강화 섬유와 매트릭스 수지 구성되는 프리프레그 기재라고 하는 특정한 기재에 특정한 절개 패턴을 삽입하여 얻어진 프리프레그 기재를, 필요에 따라서 다른 구성으로 이루어지는 기재와 함께 적층하여 적층체로 하고, 얻어진 적층체를 가압 성형함으로써 이러한 과제가 일거에 해결되는 것을 구명했다.
본 명세서에 있어서 사용되는 프리프레그 기재에는, 일방향으로 가지런히 정 돈된 다수개의 강화 섬유 시트나 다른 형태의 다수개의 강화 섬유 시트의 강화 섬유간의 간극에 매트릭스 수지가 완전하게 함침되어 있는 프리프레그 기재에 추가로, 매트릭스 수지가 시트상의 매트릭스 수지 시트로 이루어지고, 시트를 형성하고 있는 수지가 강화 섬유간의 간극 내에 완전하게는 함침되어 있지 않은 상태에서 매트릭스 수지 시트와 강화 섬유가 일체화되어 있는 수지 절반함침 프리프레그 기재도 포함한다. 수지 절반함침 프리프레그는 세미프레그로 호칭되는 경우가 있다.
본 발명의 프리프레그 기재는 다수개의 강화 섬유가 일방향으로 가지런히 정돈되어 있으므로, 프리프레그 기재를 복수매 적층할 경우 적층 기재간의 섬유방향의 배향 제어에 의해 임의의 역학물성을 갖는 성형체의 설계가 가능해진다. 또한, 본 명세서에서는 특별히 언급하지 않는 한, 섬유 혹은 섬유를 포함하는 용어(예를 들면 섬유방향 등)에 있어서, 섬유란 강화 섬유를 나타내는 것으로 한다.
본 발명의 프리프레그 기재는 실질적으로 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 상기 강화 섬유에 부착되어 있는 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재로서, 상기 프리프레그 기재는 그 전면에 상기 강화 섬유를 가로지르는 방향을 갖는 다수개의 절개를 갖고, 실질적으로 모든 상기 강화 섬유가 상기 절개에 의해 분단되며, 상기 절개에 의해 분단된 각 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10∼100㎜이며, 상기 프리프레그 기재의 두께(H)가 30∼300㎛이며, 상기 프리프레그 기재에 있어서의 상기 강화 섬유의 섬유 체적 함유율(Vf)이 45∼65%이다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서의 「실질적으로 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유」에서 말하는 「실질적으로 일방향」이란, 임의의 섬유가 어느 일부에 주목했을 때, 반경 5㎜ 이내에 존재하는 섬유군의 90% 이상의 섬유가 상기 임의의 섬유의 어느 일부가 갖고 있는 어떤 기준선, 예를 들면 수직선 혹은 수평선으로부터의 각도(섬유각도)로부터 ±10°이내에 배향된 상태에 있는 것을 의미한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서의 「실질적으로 모든 강화 섬유가 절개에 의해 분단되어」에서 말하는 「실질적으로 모든 강화 섬유」란, 절개에 의해 분단되어 있지 않은 연속 섬유가 배열되어 있는 면적의 프리프레그 기재의 면적에 차지하는 비율이 5% 이하인 것을 의미한다.
본 발명의 프리프레그 기재에 관해서 「배열된 강화 섬유」라는 용어와 「가지런히 정돈된 강화 섬유」라는 용어가 사용되지만, 양자는 같은 뜻이다.
도 1은 본 발명의 프리프레그 기재의 일례의 부분 확대 평면도이다. 도 1에 있어서 프리프레그 기재(P1)는 다수개의 강화 섬유(F1)와 강화 섬유(F1)에 부착되어 있는 매트릭스 수지(도시생략)로 이루어진다. 다수개의 강화 섬유(F1)의 길이방향(배열방향)은 도 1에 있어서의 수직방향(VD)이다. 다수개의 강화 섬유(F1)는 실질적으로 일방향, 즉 수직방향(VD)으로 배열되어 있다. 섬유(F1)의 길이방향(배열방향)에 직각인 방향이 도 1에 있어서의 수평방향(HD)이다.
프리프레그 기재(P1)는 그 전면에 간격을 두고, 강화 섬유(F1)를 가로지르는 방향을 갖는 다수개의 절개(C1)를 갖는다. 이들 절개(C1)에 의해 실질적으로 모든 강화 섬유(F1)가 그들 길이방향(배열방향)에 있어서 분단되어 있다. 섬유의 길이방향에 있어서 이웃하는 절개, 예를 들면 절개(C1b)와 절개(C1d)에 의해 분단된 섬유 는 강화 섬유 세그먼트를 형성한다. 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)는 10∼100㎜의 범위에 선정되어 있다.
프리프레그 기재(P1)의 두께(H)(도 5 또는 도 6을 참조)는 30∼300㎛의 범위에 선정되어 있다. 프리프레그 기재(P1)에 있어서의 강화 섬유(F1)의 섬유 체적 함유율(Vf)은 45∼65%의 범위에 선정되어 있다.
모든 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)를 100㎜ 이하로 함으로써 프리프레그 기재로 이루어지는 적층 기재로부터 섬유강화 플라스틱(성형품)을 성형할 때의 성형시에 섬유는 유동 가능, 특히 섬유의 길이방향으로도 유동 가능해진다. 이것은 복잡한 형상의 성형품의 성형에 있어서의 양호한 성형 추수성을 초래한다. 절개가 존재하지 않을 경우, 즉 연속 섬유만의 경우에 섬유는 섬유의 길이방향으로는 유동하지 않기 때문에 복잡한 형상의 성형품을 성형할 수는 없다.
강화 섬유 세그먼트의 길이(L)를 10㎜ 미만으로 하면 섬유의 유동성이 더욱 향상되지만, 이 경우 프리프레그 기재의 다른 구성 요건이 만족시켜져 있어도 성형품, 특히 구조재로서 필요한 고역학 특성은 얻어지지 않는다.
섬유의 유동성과 성형품의 역학특성의 관계를 감안하면, 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)는 20∼60㎜인 것이 바람직하다. 절개의 위치에 따라서는, 길이가 10㎜ 미만의 강화 섬유 세그먼트도 존재할 경우가 있지만, 길이가 10㎜ 미만의 강화 섬유 세그먼트는 적으면 적을수록 좋다. 길이가 10㎜ 미만의 강화 섬유 세그먼트가 가지런히 정돈되어 있는 면적의 프리프레그 기재의 면적에 차지하는 비율이 5% 이하인 것이 바람직하다.
프리프레그 기재의 두께(H)는 300㎛를 초과하고 있어도 섬유의 좋은 유동성을 얻을 수 있지만, 한편으로, 절개를 갖기 때문에 절개에 의해 분단되는 프리프레그 기재의 두께가 크면 클수록 성형품의 강도가 저하되는 경향이 있다. 성형품을 구조재에 적용하는 것을 전제로 하면, 프리프레그 기재의 두께(H)는 300㎛ 이하로 할 필요가 있다. 특히, 프리프레그 기재의 두께(H)가 150㎛ 이하인 경우, 성형품의 강도가 크게 향상된다.
프리프레그 기재의 두께(H)는 30㎛ 미만에서도 섬유의 유동성은 유지되어 고 강도인 성형품을 얻을 수 있지만, 매우 얇은 프리프레그 기재를 안정적으로 제조하는 것은 매우 곤란하다. 저비용으로 프리프레그 기재를 제조하기 위해서는 프리프레그 기재의 두께(H)는 30㎛ 이상인 것이 바람직하다. 성형품의 역학특성과 프리프레그 기재의 제조 비용의 관계를 감안하면, 프리프레그 기재의 두께(H)는 50∼150㎛인 것이 바람직하다.
섬유 체적 함유율(Vf)은 65% 이하에서 섬유의 충분한 유동성을 얻을 수 있다. 섬유 체적 함유율(Vf)이 낮을수록 섬유의 유동성은 향상되지만, 섬유 체적 함유율(Vf)이 45% 미만으로 되면 구조재에 필요한 고역학 특성은 얻어지지 않는다. 섬유의 유동성과 성형품의 역학특성의 관계를 감안하면, 섬유 체적 함유율(Vf)은 55∼60%인 것이 바람직하다.
본 발명의 프리프레그 기재의 필수적인 구성 요건은 이상과 같다.
한편, 도 1에 나타내는 본 발명의 프리프레그 기재의 실시형태에서는, 프리프레그 기재(P1)에 형성되어 있는 다수개의 절개(C1)는 강화 섬유(F1)를 가로지르 는 방향으로 연속되지 않고, 일정한 길이를 갖는 다수의 절개 세그먼트, 예를 들면 절개 세그먼트(C1b, C1d)로 형성되어 있다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 정길이 절개 프리프레그 기재라고 한다.
절개 세그먼트의 길이는 강화 섬유를 어느만큼 분단하고 있는지의 정도, 즉 프리프레그 기재의 면내에 있어서, 절개를 강화 섬유의 배열방향(길이방향)으로 투영했을 때의 강화 섬유의 배열방향(길이방향)에 직각인 방향에 있어서의 절개 세그먼트의 투영 길이(Ws)(도 1에 있어서 부호 12로 나타내어지는 길이)를 기준으로 해서 검토할 수 있다. 이하에 있어서, 이 절개 세그먼트의 투영 길이(Ws)를 단지, 절개 세그먼트의 길이(Ws)라고 할 경우가 있다. 섬유의 배열방향에 직각인 방향을 향하는 절개 세그먼트의 경우, 절개 세그먼트를 따른 실제의 세그먼트의 길이와 절개 세그먼트의 길이(Ws)는 일치한다.
절개에 의해 생성된 강화 섬유군의 절단 단부, 예를 들면 C1bE, C1dE는, 섬유강화 플라스틱에 있어서는 하중이 가해졌을 때에 응력 집중이 일어나고, 파괴의 기점이 될 가능성이 높다. 따라서, 강화 섬유를 가능한 한 분단하지 않는 쪽이 성형품의 강도상 유리하다. 절개 세그먼트의 길이(Ws)가 10㎜ 이하인 경우에는 성형품의 강도가 크게 향상된다. 그러나, 절개 세그먼트의 길이(Ws)가 30㎛ 미만으로 되면 절개의 제어가 어렵고, 프리프레그 기재 전면에 걸쳐서 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10∼100㎜로 되는 것을 보장하는 것이 어렵게 된다.
즉, 절개에 의해 절단되어 있지 않은 섬유가 존재하면 성형시의 섬유의 유동성은 현저하게 저하되지만, 이것을 피하기 위해서 섬유의 길이방향에 절개를 많이 넣으면 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10㎜ 미만인 부위가 발생하는 문제가 있다. 따라서, 절개 세그먼트의 길이(Ws)는 1㎜ 이상인 것이 바람직하다. 절개 세그먼트의 길이(Ws)가 1㎜ 이상인 절개는 간이한 장치로 형성할 수 있는 이점도 있다.
반대로, 절개 세그먼트의 길이(Ws)가 10㎜를 초과하고 있는 경우에는, 그 길이에 관계없이 성형품의 강도는 거의 일정한 값에 머문다. 이것은 강화 섬유군의 절단 단부(C1bE, C1dE)의 길이가 어느 일정 이상으로 커지면, 파괴가 시작되는 하중이 거의 동등하게 되는 것을 의미하고 있다.
절개 세그먼트의 길이(Ws)가 1.5㎜ 이하일 때에 성형품의 강도 향상이 현저하다. 이상의 고찰로부터, 간이한 장치로 절개를 삽입할 수 있다고 하는 관점으로부터는, 절개 세그먼트의 길이(Ws)는 1∼10㎜인 것이 바람직하고, 한편, 절개의 제어의 용이함과 성형품의 역학특성의 관계를 감안하면, 절개 세그먼트의 길이(Ws)는 30㎛∼1.5㎜인 것이 바람직하며, 50㎛∼1㎜인 것이 더욱 바람직하다.
다음에 본 발명의 프리프레그 기재의 일실시형태인 정길이 절개 프리프레그 기재(P1)에 대해서 더욱 설명한다.
도 1에 있어서, 프리프레그 기재(P1) 상에는 다수의 정렬된 일정한 길이를 갖는 절개(C1)가 형성되어 있다. 섬유의 길이방향에 있어서 이웃하는 쌍을 이루는 상측의 절개(C1b)와 하측의 절개(C1d)끼리에서 섬유(F1)가 분단되어, 그 간격(11)에 의해 섬유길이(L)가 10∼100㎜의 섬유 세그먼트(FS1)가 형성되어 있다. 이 섬유길이(L)를 섬유 세그먼트의 길이(L)라고 한다.
도 1의 프리프레그 기재(P1)는 섬유 세그먼트의 길이(L)와 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)가 모두 1종류인 형태이다. 도 1에 있어서, 제 1의 단속적인 절개로 이루어지는 절개 열(CRa)과 제 3의 단속적인 절개로 이루어지는 절개 열(CRc)은, 섬유의 길이방향으로 섬유 세그먼트의 길이(L)의 거리 평행 이동함으로써 겹칠 수 있다. 또한, 제 2의 단속적인 절개로 이루어지는 절개 열(CRb)과 제 4의 단속적인 절개로 이루어지는 절개 열(CRd)은, 섬유의 길이방향으로 섬유 세그먼트의 길이(L)의 거리 평행 이동함으로써 겹칠 수 있다.
또한, 제 1, 제 2의 절개 열(CRa, CRb)과 제 3, 제 4의 절개 열(CRc, CRd)에 서로 절개된 섬유가 있고, 섬유 세그먼트의 길이(L) 이하로 절개된 폭(13)으로 이루어지는 절개 중복 부분(CO1)이 존재한다. 즉, 폭(13)의 범위에 배열되어 있는 섬유는 절개(C1b)와 절개(C1d)에서 절단되어 있음과 아울러, 이들의 중간에 있어서 절개(C1c)에 의해서도 절단되어 있다. 섬유의 배열방향으로 투영했을 때의 절개 중복 부분(CO1)의 존재에 의해 섬유 세그먼트의 길이가 100㎜ 이하인 프리프레그 기재를 안정적으로 제조할 수 있다.
도 1의 프리프레그 기재(P1)는 우측 상향으로 사행하고 있는 일정한 길이를 갖는 절개(C1b)와 좌측 상향으로 사행하고 있는 일정한 길이를 갖는 절개(C1c)의 2종류의 절개 패턴을 갖고 있다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 사행 정길이 절개 프리프레그 기재라고 한다.
이 외에 6가지의 다른 실시형태의 절개 패턴의 예가 도 2의 (a)∼(f)에 나타내어진다. 도 2에 있어서, 강화 섬유의 배열의 도면에 나타내는 것은 생략되어 있지만, 강화 섬유의 배열방향은 도 2에 있어서 상하방향(수직방향)이다. 또한, 상기 의 각 조건을 만족시키면 절개 패턴은 어떤 패턴이어도 개의치 않는다. 또한, 도 2의 (a), (b) 또는 (c)로 나타내어지는 본 발명의 프리프레그 기재는, 절개 세그먼트(C2a, C2b, C2c)의 방향이 섬유의 배열방향에 직교하고 있는 실시형태이고, 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 직교 정길이 절개 프리프레그 기재라고 한다. 또한 도 2의 (d), (e) 또는 (f)로 나타내어지는 본 발명의 프리프레그 기재는, 절개 세그먼트(C2d, C2e, C2f)의 방향이 섬유의 배열방향으로 사행하고 있는 실시형태이며, 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태는 사행 정길이 절개 프리프레그 기재이다.
본 발명의 프리프레그 기재에 사용되는 강화 섬유로서는, 예를 들면 아라미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리파라페닐렌벤즈옥사돌(PBO) 섬유 등의 유기 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 탄화규소 섬유, 알루미나 섬유, 티라노 섬유, 현무암 섬유, 세라믹스 섬유 등의 무기 섬유, 스테인레스 섬유나 스틸 섬유 등의 금속 섬유, 기타 붕소 섬유, 천연 섬유, 변성된 천연 섬유 등을 섬유로서 사용한 강화 섬유 등을 들 수 있다.
그 중에서도 특히 탄소 섬유는 이들 강화 섬유 중에서도 경량이며, 또한 비강도 및 비탄성율에 있어서 특히 뛰어난 성질을 갖고 있고, 또한 내열성이나 내약품성에도 뛰어나기 때문에 경량화가 요망되는 자동차 패널 등의 부재에 바람직하다. 그 중에서도, 고강도의 탄소 섬유가 얻어지기 쉬운 PAN계 탄소 섬유가 바람직하다.
본 발명의 프리프레그 기재에 사용되는 매트릭스 수지로서는, 예를 들면 에 폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 에폭시아크릴레이트 수지, 우레탄아크릴레이트 수지, 페녹시 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 말레이미드 수지, 시아네이트 수지 등의 열경화성 수지나, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리아크릴레이트, 폴리술폰, ABS, 폴리에스테르, 아크릴, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 액정 폴리머, 염화비닐, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지, 실리콘 등의 열가소성 수지를 들 수 있다.
그 중에서도 특히 열경화성 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 매트릭스 수지가 열경화성 수지인 것에 의해 프리프레그 기재는 실온에 있어서 점착성을 갖고 있기 때문에, 프리프레그 기재를 적층했을 때에 상하의 프리프레그 기재와 점착에 의해 일체화되어 의도한 대로의 적층 구성을 유지한 채로 성형할 수 있다. 한편, 실온에 있어서 점착성이 없는 열가소성 수지를 매트릭스 수지로 하는 프리프레그 기재에서는, 프리프레그 기재를 적층했을 때에 프리프레그 기재끼리가 미끄러지기 때문에 성형시에 적층 구성이 어긋나 버려, 결과적으로 섬유의 배향 편차가 큰 섬유강화 플라스틱이 될 경우가 있다. 특히, 요철부를 갖는 틀로 성형할 때는 양자의 차이가 현저하게 드러난다.
또한 열경화성 수지를 매트릭스 수지로 하는 본 발명의 프리프레그 기재는, 실온에 있어서 뛰어난 드레이프성을 갖기 때문에, 예를 들면 요철부를 갖는 틀을 이용하여 성형품을 성형할 경우, 미리 그 요철에 따른 예비 부형을 용이하게 행할 수 있다. 이 예비 부형에 의해 성형성은 향상되고, 섬유의 유동의 제어도 용이해진 다.
본 발명의 프리프레그 기재는 테이프상의 지지체에 밀착되어 있어도 된다. 지지체를 사용함으로써 절개가 삽입된 프리프레그 기재는 모든 섬유가 절개에 의해 절단되어 있어도 그 형태를 유지하는 것이 가능해지고, 부형시에 섬유가 탈락해서 뿔뿔이로 된다고 하는 문제가 회피된다. 이 경우, 매트릭스 수지가 점착성을 갖는 열경화성 수지이면 더욱 바람직하다.
테이프상의 지지체로서는 크라프트지 등의 종이류나 폴리에틸렌·폴리프로필렌 등의 폴리머 필름류, 알루미늄 등의 금속박류 등을 들 수 있고, 또한 수지와의 이형성을 얻기 위해서 실리콘계나 "테플론(등록상표)"계의 이형제나 금속 증착 등이 표면에 부여되어 있어도 개의치 않는다.
더욱 바람직하게는 열경화성 수지 중에서도, 에폭시 수지나 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지 등이나, 그들의 혼합 수지가 좋다. 이들 수지의 상온(25℃)에 있어서의 수지 점도로서는, 1×106Pa·s 이하인 것이 바람직하고, 이 범위 내이면 소망으로 하는 점착성 및 드레이프성을 갖는 프리프레그 기재를 얻을 수 있다. 그 중에서도, 에폭시 수지를 매트릭스 수지로 하고, 탄소 섬유를 강화 섬유로 하는 프리프레그 기재는, 그것을 이용하여 성형되는 성형체(강화 섬유 복합 재료)에 가장 뛰어난 역학특성을 초래한다.
이러한 매트릭스 수지는 열경화성 수지의 DSC에 따르는 발열 피크 온도를 Tp라고 했을 때, 상기 열경화성 수지가 10분 이내에 경화될 수 있는 온도(T)가 (Tp- 60)∼(Tp+20)인 것이 바람직하다. 여기에서, 경화될 수 있다는 것은, 열경화성 수지를 포함하는 성형 전구체를 소정 온도 하에서 일정 시간 유지한 후에 성형 전구체의 형상을 유지한 상태에서 꺼내는 것이 가능한 것을 말한다. 구체적인 평가법으로서는, 가열한 프레스 상에 둔 내경 31.7㎜, 두께 3.3㎜의 폴리테트라플루오로에틸렌제 O링 중에 열경화성 수지를 1.5ml 주입하고, 10분간 가열 가압하여 가교반응을 진행시킨 후에, 수지 시험편을 변형시키지 않고 꺼낼 수 있는 상태를 말한다.
상기 열경화성 수지가 10분 이내에 경화할 수 있는 온도(T)가 (Tp+20)℃를 초과하는 경우, 수지의 급격한 반응에 의해 수지 내부에서의 보이드의 생성, 경화 불량을 야기할 우려가 있고, (Tp-60)℃ 미만의 경우 성형시에 온도상승에 시간을 요하기 때문에 성형 조건에 제약이 가해지므로 상기 범위인 것이 바람직하다. 또한, DSC에 의한 발열 피크 온도(Tp)는 온도상승 속도 10℃/분의 조건에서 측정한 값으로 한다.
이상의 경화 특성을 발현하는 열경화성 수지로서는 적어도 에폭시 수지가 있고, 경화제가 아민계 경화제이며, 경화 촉진제가 1분자 중에 우레아 결합을 2개 이상 갖는 화합물을 들 수 있다. 경화 촉진제로서는, 구체적으로 2,4-톨루엔비스(디메틸우레아) 또는 4,4-메틸렌비스(페닐디메틸우레아)가 바람직하다.
본 발명의 절개를 갖는 프리프레그 기재를 제작하기 위해서, 원재료인 일방향으로 배열된 연속된 강화 섬유와 강화 섬유에 부착된 매트릭스 수지로 이루어지는 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)에 절개를 넣는 방법으로서는, 우선, 예비 프리프레그 기재를 제작한다. 제작된 예비 프리프레그 기재에 커터를 이 용한 수작업이나 재단기에 의해 절개를 넣는 방법, 또는 일방향으로 가지런히 정돈된 연속 섬유의 프리프레그 제조 공정에 있어서, 제조되고 있는 프리프레그에 소정의 위치에 칼날을 배치한 회전 롤러를 연속적으로 눌러 접촉시키거나, 다층으로 예비 프리프레그 기재를 포개고, 소정의 위치에 칼날을 배치한 틀로 눌러 자르는 등의 방법이 있다. 간이하게 예비 프리프레그 기재에 절개를 넣을 경우에는 전자가, 생산 효율을 고려해 대량으로 제작할 경우에는 후자가 적합하다.
회전 롤러를 사용할 경우에는 직접 롤러를 깎아내서 소정의 칼날을 형성해도 된다. 또한 마그넷 롤러 등에 평판을 깎아내서 소정의 위치에 칼날을 배치한 시트상의 틀을 권취한 회전 롤러이어도 좋다. 이 경우에는 다른 절개를 넣기 위한 칼날의 교환이 용이하게 된다. 이러한 회전 롤러를 사용함으로써 절개 세그먼트의 길이(Ws)가 작은(구체적으로는 1㎜ 이하이여도) 프리프레그 기재가 요구되는 경우에도, 예비 프리프레그에 양호하게 절개를 형성할 수 있다.
예비 프리프레그에 절개를 넣은 후, 또한 프리프레그 기재를 롤러 등으로 열압착시켜 절개부에 수지를 충전, 융착시킴으로써 프리프레그 기재의 취급성을 향상시켜도 좋다.
프리프레그 기재의 절개의 방향은, 도 2의 (d), (e) 또는 (f)에 나타내는 바와 같이, 절개가 섬유의 길이방향[도 2에 있어서 수직방향(VD)]에 직각인 방향[도 2에 있어서 수평방향(HD)]에 대하여 기울어 있는 것이 바람직하다.
공업적으로 절개를 넣을 때, 섬유 방향으로 공급된 예비 프리프레그 기재에 섬유의 길이방향에 직교하는 방향[도 2에 있어서 수평방향(HD)]으로 절개를 넣으려 고 하면, 섬유를 단숨에 절단할 필요가 있어 큰 힘이 필요한 것 외에, 칼날의 내구성이 낮아지고, 또한 섬유가 섬유 방향에 직교하는 방향[도 2에 있어서 수평방향(HD)]으로 빠지기 쉬워 섬유의 미절개부가 증가한다.
한편, 절개가 섬유 방향에 직교하는 방향[도 2에 있어서 수평방향(HD)]으로부터 기울어져 있음으로써 칼날의 단위길이당 재단하는 섬유량이 감소하여 적은 힘으로 섬유를 재단할 수 있어 칼날의 내구성이 높으며, 섬유의 미절단부도 적게 할 수 있다. 또한 절개가, 섬유 방향에 직교하는 방향[도 2에 있어서 수평방향(HD)]으로부터 기울어져 있으로써 절개의 방향에 따른 절개 길이에 대하여 절개 세그먼트의 길이(Ws)를 작게 할 수 있고, 하나 하나의 절개에 의해 분단되는 섬유량이 줄어듬으로써 성형품의 강도 향상이 예상된다. 섬유 방향에 직교하는 방향[도 2에 있어서 수평방향(HD)]으로 절개를 넣을 경우에는, 절개 세그먼트의 길이(Ws)를 작게 하기 위해서 길이가 짧은 칼날을 준비하는 것이 바람직하지만, 내구성, 가공성의 관점으로부터 어렵다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 절개 세그먼트가 프리프레그 기재의 상면과 하면의 각각으로부터 프리프레그 기재의 두께방향으로, 프리프레그 기재(층)를 관통하지 않고 설치되고, 절개 세그먼트의 프리프레그 기재의 상면 및 하면으로부터의 두께방향에 있어서의 절개의 깊이(Hs)가 프리프레그 기재의 두께(H)에 대하여 0.4H∼0.6H이며, 상면의 임의의 절개 세그먼트(A)와, 상기 절개 세그먼트(A)와 강화 섬유의 배열방향(섬유의 길이방향)에 있어서 인접하는 상면의 절개 세그먼트(B)의 간격을 La라고 하면, 상기 간격(La)이 10∼100㎜이며, 절개 세그먼 트(A)로부터 절개 세그먼트(B) 방향으로의 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 거리(이동량)가 0.4La∼0.6La인 위치에 하면에 있어서의 절개 세그먼트(C)의 기하 중심이 위치하고, 상면의 절개 세그먼트(A)와 절개 세그먼트(B) 사이에 위치하는 강화 섬유의 일부가 상면의 절개 세그먼트(A)와 하면의 절개 세그먼트(C), 또는 상면의 절개 세그먼트(B)와 하면의 절개 세그먼트(C)에 의해 분단되어 있음과 아울러, 상면에 있어서의 절개 세그먼트의 기하 형상 및/또는 하면에 있어서의 절개 세그먼트의 기하 형상이 서로 동일한 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 양면 절개 프리프레그 기재라고 한다.
절개의 깊이가 성형품의 강도에 크게 영향을 주는 것을 상술했지만, 본 발명자들은 저비용으로 두께가 얇은 프리프레그 기재를 제조하기 위해서는 한계가 있기 때문에, 절개를 넣는 단계에서 프리프레그 기재의 두께의 대략 절반 정도의 깊이의 절개를 상하면으로부터 넣음으로써 성형품의 강도를 크게 향상시킴과 아울러 섬유의 유동성을 확보할 수 있는 것을 찾아냈다. 또, 여기에서 말하는 「기하 중심」이란 그 주위에서 1차 모멘트가 0인 점이다. 절개 세그먼트(S) 상의 점(X)(도 1에 있어서 부호 14로 나타내어짐)에 대하여 기하 중심점(G)은 다음 식(식Ⅱ)으로 나타내어지는 관계를 갖는다.
Figure 112009031941696-PCT00002
적어도 프리프레그 기재의 상면 내와 하면 내에서는 각각 절개 세그먼트의 기하 형상이 동일하다는 것은, 섬유의 배열방향에 있어서 인접하는 1세트의 절개 세그먼트로 분단되는 섬유는, 그 세트 내에서는 모든 섬유 세그먼트의 길이가 서로 같다는 것을 말한다. 상면과 하면의 절개 세그먼트의 기하 형상도 동일한 것이 바람직하다.
도 5는 양면 절개 프리프레그 기재의 일례의 종단면 개략도이다. 도 5에 있어서, 양면 절개 프리프레그 기재(P5)에 있어서의 강화 섬유의 배열방향은 좌우방향(수평방향)이며, 프리프레그 기재(P5)는 두께(H)(도 5에 있어서 부호 51로 나타내어지는 수직방향의 길이)를 갖는다. 양면 절개 프리프레그 기재(P5)는 상면에 형성된 다수의 절개(C5U)와, 하면에 형성된 다수의 절개(C5L)를 갖는다.
프리프레그 기재(P5)의 상면에는 이웃하는 절개 세그먼트(A, B)가 간격(La)(도 5에 있어서 부호 52로 나타내어지는 수평방향의 길이)을 가지고 형성되고, 절개 세그먼트(A, B)의 각각은 상면으로부터 두께방향을 향하는 절개 깊이(Hs)를 갖는다. 한편 프리프레그 기재(P5)의 하면에는 절개 세그먼트(C)가 형성되고, 절개 세그먼트(C)는 하면으로부터 두께방향을 향하는 절개 깊이(Hs)를 갖는다. 절개 세그먼트(C)에 이웃하는 절개 세그먼트는 절개 세그먼트(A, B)와 마찬가지로, 간격(La)을 가지고 형성되어 있다. 이웃하는 절개 세그먼트를 1세트의 절개 세그먼트라고 한다.
1세트의 절개 세그먼트의 간격(La)이 모두 동일한 것이 보다 바람직하다. 절개 세그먼트(A)로부터 섬유의 길이방향으로의 거리(이동량)가 0.5La의 위치에, 하면의 절개(C)가 위치하고 있는 것이 더욱 바람직하다.
즉, 절개 세그먼트를 제어하여 절개 세그먼트의 위치 관계를 등간격으로 함 으로써 개개의 절개 세그먼트끼리의 거리(도 5에 있어서 부호 53으로 나타내어지는 수평방향의 거리), 즉 상면의 절개 세그먼트(A)와 하면의 절개 세그먼트(C)의 섬유의 배열방향에 있어서의 거리, 및 상면의 절개 세그먼트(B)와 하면의 절개 세그먼트(C)의 섬유의 배열방향에 있어서의 거리가, 가장 떨어지는 상태로 되어, 성형품에 있어서의 층간 박리에 의해 큰 결함이 될 수 있는 절개 세그먼트끼리가 가장 연결되기 어려워진다.
절개 깊이(Hs)는 이상적으로는 0.5H로 함으로써 결함의 크기를 균등하게 할 수 있고, 함유하는 결함 사이즈를 최소화하여 파괴 개시 하중을 최저로 할 수 있다. 그러나, 상면에서의 절개 세그먼트에도 하면으로부터의 절개 세그먼트에도 분단되지 않는 섬유가 존재하면 섬유의 유동성이 현저하게 저하된다. 이 유동성의 저하를 막기 위해서는 절개 깊이(Hs)가 0.5H에 0.05H(도 5에 있어서 부호 CO5로 나타내는 중복 부분)를 더한 정도, 즉, 0.55H 정도의 절개 세그먼트를 상하면으로부터 형성하는 것이 바람직하다. 이에 따라 성형품의 성형시의 섬유의 유동성의 저하는 억제되어 품질 결함이 없는 성형품이 안정되게 생산 가능해진다.
프리프레그 기재에, 그 상면 및 하면으로부터 절개를 넣는 수단으로서는, 예를 들면 일방향으로 배열된 연속된 강화 섬유와 강화 섬유에 부착된 매트릭스 수지로 이루어지는 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)를 준비하고, 소정의 위치에 칼날을 배치한 회전날 롤러를 예비 프리프레그 기재의 상면과 하면의 양면으로부터 눌러 접촉시켜, 프리프레그 기재의 두께방향으로 프리프레그 기재(층)를 관통하지 않는 절개를 넣는 방법이 있다.
양면 절개 프리프레그 기재를 적어도 1층 포함하는 적층체를 제작하고, 얻어진 적층체를 이용하여 성형한 섬유강화 플라스틱은 다음 특징을 갖는다.
즉, 양면 절개 프리프레그 기재에 유래하는 절개의 바로 아래 혹은 바로 위에, 절개가 열리는 것을 멈추는 방향으로 섬유가 배열된 구조를 갖는다. 그 때문에 강화 섬유가 분단되어 있는 절개 부분으로부터의 파괴 진전이 억제되거나, 또는 지연되고, 그 결과, 섬유강화 플라스틱의 강도가 향상된다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 절개 세그먼트가 경사각도(Θa)를 갖고 프리프레그 기재의 두께방향으로 경사져서 형성되어 있고, 임의의 절개 세그먼트에 있어서 프리프레그 기재의 상면에 있어서의 강화 섬유의 분단선의 위치와 하면에 있어서의 분단선의 위치의 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 거리를 S라고 하면, 거리(S)와 프리프레그 기재의 두께(H)로부터 다음 식(식Ι)에 기초하여 구해지는 경사각도(Θa)가 1∼25°인 것이 바람직하다.
Figure 112009031941696-PCT00003
본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 경사 절개 프리프레그 기재라고 한다.
상술한 바와 같이, 절개 깊이가 강도에 큰 영향을 주는 것은 절개 개소에서 하중의 대부분을 전달하고 있는 섬유가 절단되어 있기 때문에, 하중 전달이 방해되어 응력 집중이 일어나는 것에 의한다.
그래서, 프리프레그 기재의 두께방향으로 경사진 절개를 넣음으로써 절단된 섬유속끼리가 서로 겹치는 기하 형상을 형성한 결과, 절단된 섬유속끼리가 경사지는 절단면에 의해 섬유속에 작용하는 하중을 원활하게 전달할 수 있는 것을 알 수있었다. 특히 절개의 경사각도(Θa)가 25°이하일 때, 성형품에 있어서의 역학특성향상의 효과가 현저하다. 한편, 경사(Θa)가 1°미만인 경우, 경사진 절개를 형성하는 것이 매우 곤란하게 된다.
프리프레그 기재에 두께방향으로 경사진 절개를 형성하는 수단으로서는 직접 비스듬히 절개를 넣는 방법도 있지만, 예를 들면 강화 섬유가 일방향으로 가지런히 정돈된 예비 프리프레그 기재를 준비하고, 두께방향으로 층을 관통하는 절개를 넣은 후, 예비 프리프레그 기재를 가열·연화시킨 상태에서 상면과 하면에서 회전속도가 다른 닙 롤러를 각각의 면에 눌러 접촉하여, 전단력에 의해 강화 섬유의 분단면을 두께방향으로 비스듬하게 하는 방법이 있다.
도 6은 후자의 방법에 의해 제작한 경사 절개 프리프레그 기재의 일례의 종단면 개략도이다. 도 6에 있어서, 경사 절개 프리프레그 기재(P6)에 있어서의 강화 섬유의 배열방향은 좌우방향(수평방향)이며, 경사 절개 프리프레그 기재(P6)는 두께(H)(도 6에 있어서 부호 61로 나타내어지는 수직방향의 길이)를 갖는다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 당초, 프리프레그 기재의 두께방향(수직방향)으로 상면으로부터 하면에 달해서 넣어진 절개에 의한 강화 섬유의 분단선(절개 선)이, 상면과 하면에서 회전속도가 다른 닙 롤러에 의해 초래된 전단력에 의해 프리프레그 기재의 두께방향으로 경사진 강화 섬유의 분단선(절개 선)(62)으로 변화되고 있다. 또한, 이 실제의 분단선(절개 선)(62)의 형상은 삐뚤삐뚤한 형상으로 되 어 있다. 즉, 분단선(62)(절개(C6))의 형상은 직선이라고는 말할 수 없다.
편의적으로, 경사 절개 프리프레그 기재(6P)의 상면의 절개 위치와 하면의 절개 위치의 섬유 배열방향(도 6에 있어서 수평방향)의 거리(S)(전단 거리(S))(도 6에 있어서 부호 63으로 나타내어지는 수평방향의 거리)로 하고, 경사 절개 프리프레그 기재(P6)의 상면의 절개 위치와 하면의 절개 위치를 지나는 선을 분단선(64)으로 한다. 분단선(64)이 프리프레그 기재(P6)의 상면과 이루는 각이 절개의 경사각도(Θa)이다. 전단 거리(S)는 프리프레그 기재(P6)의 전면의 각 절개의 전단 거리의 평균치이다. 전단 거리(S)와 프리프레그 기재(P6)의 두께(H)를 사용하여, 다음 식(식Ι)에 의해 절개의 경사각도(Θa)가 구해진다.
Figure 112009031941696-PCT00004
또한, 경사 절개 프리프레그 기재에 있어서 전단 거리(S)는 50㎛∼5㎜인 것이 바람직하다.
경사 절개 프리프레그 기재를 적어도 1층 포함하는 적층체를 제작하고, 얻어진 적층체를 이용하여 성형한 섬유강화 플라스틱은 다음 특징을 갖는다.
즉, 성형된 성형품은 경사 절개 프리프레그 기재로부터 유래되는 강화 섬유의 절단 끝이 두께방향으로 경사진 면으로 배열되어 있는 강화 섬유층을 갖는다. 이 강화 섬유층에 있어서의 강화 섬유의 절단 끝의 분포는 도 6의 섬유속 단부의 두께방향으로 경사진 분포에 근사하고 있다. 이러한 강화 섬유의 절단 끝의 분포가 존재하기 때문에, 성형품에 있어서의 섬유속 단부끼리의 하중 전달 효율이 높아지고, 절개(강화 섬유의 절단 끝)로부터의 파괴가 일어나기 어려워져 있다. 이 효과는, 특히 섬유속 단부끼리가 가까운 위치에 있을 때에 현저하다. 따라서, 섬유가 그다지 유동하지 않아도 성형 추종 가능한 완만한 형상에서는 특히 매우 높은 강도를 발현할 수 있다.
본 발명의 적층 기재는 실질적으로 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 상기 강화 섬유에 부착되어 있는 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재의 복수매가 적층되어 일체화된 적층 기재로서, 적층된 프리프레그 기재의 적어도 일부가 본 발명의 프리프레그 기재이며, 적층된 프리프레그 기재의 강화 섬유의 배열방향이 서로 다른 적어도 2방향으로 이루어진다.
도 3a는 본 발명의 적층 기재의 일례의 부분 추출 평면도이다. 도 3b는 도 3a에 있어서의 A-A화살표 단면도이다. 도 3a에 있어서, 적층 기재(LB1)는 4층의 본 발명의 프리프레그 기재(P3a, P3b, P3c, P3d)와 1층의 절개가 없는 프리프레그 기재(31)의 하이브리드 적층체이다. 4층의 프리프레그 기재(P3a, P3b, P3c, P3d)의 강화 섬유의 배열방향은, 이 순서로 45°, 0°, -45°, 90°로 되어 있다. 프리프레그 기재(P3a, P3b, P3c, P3d)는 이 순서로 다수의 절개 세그먼트(C3a, C3b, C3d, C3d)를 갖는다.
본 발명의 적층 기재는 복수매의 본 발명의 프리프레그 기재의 적층만으로 구성되어 있어도 되고, 적어도 1장의 본 발명의 프리프레그 기재와 섬유강화 플라스틱의 성형용의 적층체로서 종래부터 사용되고 있는 적층용의 기재와의 적층으로 구성되어 있어도 된다.
적층 기재를 형성하는 하나의 층만이 본 발명의 프리프레그 기재일 경우, 성형체의 성형시에 있어서의 매트릭스 수지의 유동에 따르는 섬유의 유동은 섬유의 배열방향에 직교하는 방향(90°방향)으로 밖에 생기지 않는다. 즉, 90°방향으로의 수지의 유동이 섬유를 움직이는 원동력이기 때문에, 섬유의 배열방향을 달리하는 2층 이상의 프리프레그 기재가 적층되고, 그 중에서 적어도 1층이 본 발명의 프리프레그 기재인 것에 의해 비로소 섬유의 유동성이 바람직하게 발현된다.
본 발명의 프리프레그 기재를 인접시켜서 적층하고, 또한 어쩔 수 없은 이유에 의해 양자의 섬유의 배열방향을 동일로 하지 않을 수 없는 경우에는, 양자의 절개가 겹치지 않도록 적층하는 것이 좋다. 또한 적층되는 본 발명의 프리프레그 기재의 층간에 수지 필름 등을 적층하고, 섬유의 유동성을 향상시켜도 좋다.
적층 기재에 있어서 섬유의 유동이 불필요한 부위에는 연속 섬유로 이루어지는 기재를 적층하면 좋다. 이 경우, 그 부위의 역학특성을 향상시킬 수도 있다. 성형품의 형상에 따라서는, 절개가 없는 일방향 프리프레그 기재와 본 발명의 프리프레그 기재를 적층해서 사용할 수도 있다. 예를 들면 같은 단면형상의 통형상체이면 형상 변화가 없는 방향으로, 절개가 없는 일방향 프리프레그 기재를 배치해도 섬유의 유동성에 문제는 없다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 프리프레그 기재를 사용했을 경우의 섬유의 유동 메커니즘을 설명하기 위한 종단면도이다. 도 4a에 성형 하형(41)의 표면에 섬유 배열방향이 90°인 프리프레그 기재(P4x)를 적재하고, 그 위에, 섬유 배열방향이 0 °인 절개를 갖는 본 발명의 프리프레그 기재(P4a)를 적재하고, 또한 그 위에, 섬유 배열방향이 90°인 프리프레그 기재(P4y)를 적재한 적층 기재(LB4)가 나타내어져 있다.
적층 기재(LB4) 상으로부터 성형 상형(도시생략)에 의한 압력(42)이 가해져 성형품이 성형된다. 이 성형 과정에 있어서, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 압력(42)에 의해 압출된 수지가 프리프레그 기재(P4x) 및 프리프레그 기재(P4y)의 섬유의 배열방향인 90° 방향으로 수지 흐름(43)을 만들고, 그 흐름에 따라서 절개(C4)에 의한 강화 섬유의 인접하는 절단 단부의 간격이 열리어 간극(개구부)(44)이 형성된다.
층마다 섬유의 배열방향이 다르면, 그것에 따른 층마다의 섬유의 유동방향, 유동 거리에 차이가 생기지만, 층간이 미끄러짐으로써 변위차가 흡수된다. 즉, 섬유 체적 함유율(Vf)이 45∼65%로 높아도, 본 발명의 적층 기재는 층간에 수지를 편재시킬 수 있는 구조를 갖고 있기 때문에 섬유의 높은 유동성을 발현시킬 수 있다.
SMC의 경우, 랜덤하게 분산된 촙드 스트랜드끼리에서 유동성이 달라 서로 다른 방향으로 유동하려고 하지만, 섬유끼리가 간섭해서 유동하기 어렵고, 최대로 섬유 체적 함유율(Vf)이 40% 정도까지 밖에 유동성을 확보할 수 없다.
즉, 본 발명의 적층 기재는 성형품의 역학특성을 향상시킬 수 있는 높은 섬유 체적 함유율(Vf)을 갖고 있어도 섬유의 높은 유동성을 발현할 수 있다고 하는 특징을 갖는다. 또한, 성형시의 수지 점도는 1×104Pa·s 이하이면 수지의 유동성이 뛰어나서 좋지만, 0.01Pa ·s보다 작으면 수지에 의해 섬유에 효율적으로 힘을 전달할 수 없기 때문에 적합하지 않는 경우가 있다.
본 발명의 적층 기재는 본 발명의 프리프레그 기재만으로 이루어지고, 적층 기재 전체에 있어서의 강화 섬유의 배열이 의사등방으로 적층되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재만을 사용함으로써 적층시에 트랩된 공기가 두께방향으로 절개를 통해서 탈기되기 쉽고, 보이드가 발생하기 어려우며, 성형된 성형품은 고역학 특성을 갖는 것으로 된다.
그 중에서도, [+45/0/-45/90]S, [0/±60]S라고 한 등방 적층은, 성형품에 균등한 물성을 초래하고, 성형품의 휨의 발생을 억제할 수 있으므로 바람직하다. 또한 상술한 바와 같이 90°방향으로의 수지의 유동이 섬유를 움직이는 원동력이기 때문에, 인접층의 섬유 배향에 따라 섬유의 흐름 상태가 다르지만, 의사등방 적층으로 함으로써 섬유의 유동성이 등방으로 되어, 섬유의 유동성의 불균형이 적기 때문에, 이 적층 기재는 강건성(robustness)이 우수한 성형품을 제조하기 위한 바람직한 성형 재료라고 할 수 있다.
본 발명의 적층 기재에 있어서, 섬유방향이 실질적으로 동일한 방향인 인접하는 층(적층 기재가 [+45/0/-45/90]S이면 +45°층끼리, 0°층끼리, -45°층끼리, 90°층끼리)에 있어서, 양 층의 다수의 절개 세그먼트로 이루어지는 절개 세그먼트 열의 간격이 등간격이며, 한쪽 층의 프리프레그 기재의 절개 세그먼트 열이 다른쪽 층의 프리프레그 기재의 절개 세그먼트 열에 대하여 섬유의 길이방향으로 어긋나서 배치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 적층 기재를 성형해서 얻은 섬유강화 플라스틱은 주로 하중을 부담하고 있는 층의 절개끼리가 연결되었을 때에 파괴된다. 임의의 하중이 섬유강화 플라스틱에 가해졌을 때에 주로 하중을 부담하는 층의 세트는 섬유방향이 실질적으로 동일한 방향인 층이며, 그 인접층끼리의 절개가 연결되는 것을 피하는 것이 섬유강화 플라스틱의 강도 향상에 도움이 된다.
즉, 적층 기재의 면외 방향으로부터 절개를 투영했을 때의 절개 위치를, 인접하는 동일 배향의 층과 어긋나게 함으로써 강도 향상을 실현할 수 있다. 절개 열끼리의 간격을 X라고 하면, 섬유의 길이방향으로 0.5X 벗어난 위치에 인접 동일 배향층의 절개가 위치하는 것이 더욱 바람직하다. 이것에 의해, 절개끼리의 거리가 가장 떨어지는 상태가 형성되기 때문이다. 특히, 섬유강화 플라스틱으로 되었을 때에 실질적으로 하중을 부담하는 층, 즉 하중방향으로부터 ±10°의 범위 내에 배향되어 있는 섬유에 대해서는, 섬유의 길이방향으로 절개 위치가 어긋남으로써 크게 강도가 향상된다.
도 9는 적층되는 본 발명의 프리프레그 기재의 적층상태에 있어서의 각 프리프레그 기재에 있어서의 절개 패턴의 일예를 나타내는 평면도이다. 여러가지 섬유배열 각도를 가진 프리프레그 기재가 적층된 적층체에 있어서, 섬유강화 플라스틱으로 되었을 때에 하중 방향에 따른 섬유 배향의 층 내의 임의의 프리프레그 기재(α)와, 그 프리프레그 기재(α)에 가장 가까이에 존재하는 동일한 섬유 배향의 층으로 이루어지는 프리프레그 기재(β)를 비교했을 때, 프리프레그 기재(α) 내의 절개(C9a)로 이루어지는 열(C9Ra)끼리의 간격을 간격(X)으로 하면, 섬유(F9)의 길이방향으로 0.5X(도 9에 있어서 부호 91로 나타내어지는 수평방향의 길이) 벗어난 위치에 프리프레그 기재(β)의 절개(C9b)를 배치하는 것이 좋다.
또한, 섬유의 배열방향이 실질적으로 동일한 방향이라고 정의한 이유는, 적층시의 배열방향의 각도의 다소의 엇긋남을 허용하는 것에 있다. 실질적으로 동일한 방향이라는 것은, 통상 그 각도의 어긋남이 ±10° 이내인 것을 말한다.
본 발명의 섬유강화 플라스틱은 본 발명의 적층 기재를 경화시킴으로써 제조된다. 경화시키는 방법, 즉 섬유강화 플라스틱을 성형하는 방법으로서는, 프레스 성형, 오토클레이브 성형, 시트 와인딩 성형 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 생산 효율을 고려하면 프레스 성형이 바람직하다.
본 발명의 적층 기재에 있어서, 본 발명의 프리프레그 기재만이 적층된 부위에 회전부 등의 기구를 구비하기 위해서 금속 인서트를 메워넣고, 경화, 일체화시킴으로써 어셈블리 비용을 저감할 수 있다. 그 때, 금속 인서트의 주위에 복수의 오목부를 형성함으로써 유동한 섬유가 오목부에 진입하여 용이하게 간극을 충전할 수 있음과 아울러, 성형온도로부터 온도 저하 과정에 있어서 금속과 섬유의 열팽창 차에 의해 코킹 작용이 일어나 금속 인서트를 강고하게 일체화시킬 수 있다.
본 발명의 프리프레그 기재 및 이것을 사용한 본 발명의 섬유강화 플라스틱의 용도로서는, 강도, 강성, 경량성이 요구되는 자전거용 부품, 골프 등의 스포츠 부재의 샤프트나 헤드, 도어나 시트 프레임 등의 자동차 부재, 로봇 암 등의 기계부품이 있다. 그 중에서도, 강도, 경량에 추가로, 부재형상이 복잡해서 성형시의 형상 추수성이 요구되는 시트 패널이나 시트 프레임 등의 자동차 부품에 바람직하게 사용된다.
다음에, 본 발명의 프리프레그 기재의 몇개의 다른 실시형태에 대하여 설명한다. 이들 다른 실시형태의 프리프레그 기재도, 위에 설명한 본 발명의 적층 기재 및 본 발명의 섬유강화 플라스틱의 형성 소재로서, 위에 설명한 본 발명의 프리프레그 기재의 각 실시형태와 마찬가지로 사용된다. 단, 이들 다른 실시형태의 프리프레그 기재에 있어서의 위에 설명한 본 발명의 프리프레그 기재의 각 실시형태와는 다른 작용, 효과는, 이하에 있어서 이들 다른 실시형태의 프리프레그 기재마다 설명된다. 이들의 작용, 효과를 고려하면서 이들의 프리프레그 기재를 이용하여, 위에 설명한 본 발명의 적층 기재나 본 발명의 섬유강화 플라스틱을 제조하면 된다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 프리프레그 기재의 표면에 있어서 각 절개가 강화 섬유의 배열방향과 이루는 사행각도(Θb)의 절대치가 2∼25°인 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재라고 한다.
이 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재는, 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10∼100㎜, 프리프레그 기재의 두께(H)가 30∼300㎛, 및 섬유 체적 함유율(Vf)이 45∼65%의 각 요건을 구비한다.
본 발명의 프리프레그 기재의 일실시형태인 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재의 특징은, 각 절개의 절개를 따른 방향(절개 방향)이 강화 섬유의 배열방향과 이루는 사행각도(Θb)의 절대치가 2∼25°인 점에 있다.
사행각도(Θb)의 절대치가 25°를 넘어도 섬유의 유동성은 얻어지고, 종래의 SMC 등과 비교하여 성형품의 높은 역학특성을 얻을 수는 있다. 그러나, 사행각도(Θb)의 절대치가 25°이하임으로써 성형품의 역학특성의 향상이 현저하다.
한편, 사행각도(Θb)의 절대치가 2° 미만에서도 섬유의 유동성도 성형품의 역학특성도 양호하지만, 절개를 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)에 안정되게 넣는 것은 어렵게 된다. 즉, 섬유의 배열방향에 대하여 절개가 섬유의 배열방향에 가까워지면, 절개를 넣을 때에 섬유가 절개 칼날로부터 벗어나기 쉬워져 절개를 안정되게 넣는 것이 어렵게 된다.
또한, 섬유 세그먼트의 길이(L)를 100㎜ 이하로 하기 위해서는, 사행각도(Θb)의 절대치가 2°보다 작으면 인접하는 절개끼리의 최단 거리가 0.9㎜보다 작아져, 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재의 생산 안정성이 나빠진다. 또한 이렇게, 인접하는 절개끼리의 거리가 작으면 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재의 적층시의 취급성이 어렵게 된다고 하는 문제가 있다. 절개의 제어의 용이함과 역학특성의 관계를 감안하면, 사행각도(Θb)의 절대치는 5∼15°인 것이 바람직하다.
다음에, 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재에 있어서의 바람직한 절개 패턴의 몇가지의 예를, 도 11∼14를 사용하여 설명한다.
도 11은 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재의 일례의 평면 개략도이다. 도 11에 있어서, 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재(P11)는 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유(F11)와 강화 섬유(F11)에 부착되어 있는 매트릭스 수지(도시생 략)로 이루어진다. 도 11에 있어서 섬유(F11)의 배열방향은 수직방향(VD)이다. 프리프레그 기재(P11)에는 섬유(F11)의 배열방향으로 간격을 두고 다수의 절개(C11)가 형성되어 있다. 다수의 절개(C11)는 각각 연속한 절개이다. 각 절개(C11)는 섬유의 배열방향에 대하여 사행각도(Θb)(도 11에 있어서 부호 111로 나타내는 각도)를 가지고 형성되어 있다. 이 실시형태의 본 발명의 프리프레그 기재를 특정 각도 사행 연속 절개 프리프레그 기재라고 한다.
도 12도 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재의 다른 일례의 평면 개략도이다. 도 12에 있어서, 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재(P12)는 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유(F12)와 강화 섬유(F12)에 부착되어 있는 매트릭스 수지(도시생략)로 이루어진다. 도 12에 있어서 섬유(F12)의 배열방향은 수직방향(VD)이다. 프리프레그 기재(P12)에는 섬유(F12)의 배열방향으로 간격을 두고 다수의 절개(C12)가 형성되어 있다. 다수의 절개(C12)는 각각 일정한 길이를 갖는 절개이다. 즉, 다수의 절개(C12)는 다수의 절개 세그먼트(C12a, C12b)로 이루어진다. 이 실시형태의 본 발명의 프리프레그 기재를 특정 각도 사행 정길이 절개 프리프레그 기재라고 한다.
도 11 및 도 12에 있어서, 섬유의 배열방향(길이방향)에 있어서 이웃하는 절개(1세트의 절개)에 의해 섬유(F11, F12)는 섬유 세그먼트에 실질적으로 분단되어 있다. 「실질적으로 분단되어 있다」란, 프리프레그 기재(P11, P12)에 포함되는 강화 섬유(F11, F12)의 개수 중 95% 이상이 분단되어 있는 것을 말한다. 섬유의 배열방향(길이방향)에 있어서 이웃하는 절개는 간격(112, 122)을 갖고, 이 간격(112, 122)이 미소한 차가 있는 경우는 있지만, 실질적으로 섬유 세그먼트의 길이(L)가 된다. 섬유 세그먼트의 길이(L)는 10∼100㎜이다. 프리프레그 기재(P11, P12)의 프리프레그 기재 두께(H)는 30∼300㎛이다.
도 11에 있어서의 절개(C11) 및 도 12에 있어서의 절개(C12)의 사행각도(Θb)(도 11에 있어서 부호 111로 나타내지고, 도 12에 있어서 부호 121로 나타내어짐)의 절대치는 프리프레그 기재의 전면에 있어서 2∼25°이다.
도 13은 특정 각도 사행 정길이 절개 프리프레그 기재와는 다른 2종류의 정길이 절개 프리프레그 기재의 평면도이다. 도 13에 있어서 섬유의 배열방향은 수직방향(VD)이다. 도 13(a)의 프리프레그 기재(P13a)의 절개(C13a)의 사행각도(Θb)의 절대치는 90°이다. 도 13(b)의 프리프레그 기재(P13b)의 절개(C13b)의 사행각도(Θb)의 절대치는 25°를 초과하고 있다. 이들의 프리프레그 기재(P13a, P13b)로부터는, 특정 각도 사행 정길이 절개 프리프레그 기재에 의해 얻어지는 고강도의 성형품을 제조할 수는 없다.
도 14는 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재의 평면도이다. 도 14에는 5개의 다른 절개 패턴을 갖는 프리프레그 기재(P14a, P14b, P14c, P14d, P14e)가 나타내어져 있다. 각 프리프레그 기재에 있어서의 강화 섬유의 배열방향은, 도 14에 있어서 수직방향(VD)이다. 도 14(a)의 프리프레그 기재(P14a)는 등간격을 갖고 배열된 사행한 연속의 절개 패턴(CP14a)을 갖는다. 각 절개의 형상은 직선이다. 도 14(b)의 프리프레그 기재(P14b)는 2종류의 간격을 갖고 배열된 사행한 연속의 절개 패턴(CP14b)을 갖는다. 각 절개의 형상은 직선이다. 도 14(c)의 프리프레그 기 재(P14c)는 등간격을 갖고 배열된 연속의 절개 패턴(CP14c)을 갖는다. 각 절개의 형상은 곡선(구불구불한 선)이다. 도 14(d)의 프리프레그 기재(P14d)는 등간격을 갖고 배열되고, 또한 2종류의 다른 방향으로 사행한 단속적인 절개 패턴(CP14d)을 갖는다. 각 절개의 형상은 직선이다. 도 14(e)의 프리프레그 기재(P14e)는 등간격을 갖고 배열된 사행한 단속적인 절개 패턴(CP14e)을 갖는다. 각 절개의 형상은 직선이다.
절개의 형상은 도 14(c)와 같이 곡선이어도 관계 없지만, 도 14(a), (b), (d), (e)와 같이 직선인 쪽이 섬유의 유동성을 컨트롤하기 쉬워 바람직하다. 또한 절개에 의해 분단되는 섬유 세그먼트의 길이(L)는, 도 14(b)와 같이 일정하지 않아도 좋지만, 섬유 세그먼트의 길이(L)가 프리프레그 기재의 전면에서 일정하면 섬유의 유동성을 컨트롤하기 쉽고, 성형품에 있어서의 강도 불균일을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.
직선이란, 기하학 상의 직선의 일부를 이루고 있는 상태를 의미하지만, 섬유의 유동성의 컨트롤을 쉽게 한다고 하는 효과를 손상하지 않는 한, 기하학 상의 직선의 일부를 이루고 있지 않은 개소가 있어도 관계가 없고, 그 결과, 섬유 세그먼트의 길이(L)가 프리프레그 기재의 전면에서 일정하게 되지 않는 개소가 있어도 관계 없다.
도 11이나 도 14(a), (b), (c)에 나타내어지는 프리프레그 기재는, 특정 각도 사행 연속 절개 프리프레그 기재(실시형태[1])의 예이다. 절개가 연속해서 넣어져 있는 프리프레그 기재이다. 실시형태[1]의 절개 패턴에서는, 절개가 단속적이지 않기 때문에 절개 단부 부근에서의 섬유의 유동 혼란이 일어나지 않고, 절개를 넣은 영역에서는 모든 섬유 세그먼트의 길이(L)를 일정하게 할 수 있어 섬유의 유동성이 안정된다. 절개가 연속적으로 넣어져 있기 때문에 프리프레그 기재가 인접하는 절개간 마다 뿔뿔이 흩어져져버리는 것을 막는 목적으로, 프리프레그 기재의 주변부에 절개가 연결되지 않는 영역을 형성하거나, 절개가 들어 있지 않은 시트 상의 이형지나 필름 등의 지지체로 파지함으로써 특정 각도 사행 연속 절개 프리프레그 기재의 취급성을 향상시킬 수 있다.
도 12나 도 14(d), (e)에 나타내어지는 프리프레그 기재는, 특정 각도 사행 정길이 절개 프리프레그 기재(실시형태[2])의 예이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 절개 세그먼트의 길이(Ws)(도 12에 있어서 부호 123으로 나타내어지는 길이)가 30㎛∼100㎜인 단속적인 절개(C12)가 프리프레그 기재(P12)의 전면에 형성되어 있고, 절개(C12a)와 절개(C12a) 섬유의 길이방향에 인접하는 절개(C12b)의 기하 형상이 동일하면 좋다.
절개 세그먼트의 길이(Ws)가 30㎛ 미만으로 되면 절개의 제어가 어렵고, 프리프레그 기재의 전면에 걸쳐서 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10∼100㎜가 되도록 하는 것이 어렵다. 즉, 절개에 의해 절단되어 있지 않은 섬유가 존재하면 섬유의 유동성은 현저하게 저하한다. 한편, 많이 절개를 넣으면 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10㎜를 밑도는 부위가 나와버리는 문제가 있다.
반대로, 절개 세그먼트의 길이(Ws)가 10㎜보다 클 때에는 성형품의 강도는 거의 일정하게 머문다. 즉, 섬유속 단부가 어느 일정 이상으로 커지면 파괴가 시작 되는 하중이 거의 동등하게 된다.
도 12의 프리프레그 기재(P12)는 섬유 세그먼트의 길이(L)와 절개 세그먼트의 길이(Ws)가 모두 1종류인 예이다. 이 경우, 어느쪽의 절개(C12)[예를 들면 절개(C12a)]나, 섬유의 배열방향으로 평행 이동함으로써 겹치는 다른 절개(C12)(예를 들면 C12b)가 있다.
섬유의 배열방향에 있어서 인접하는 절개의 쌍에 의해 분단되어서 형성되는 섬유 세그먼트의 길이(L)보다 더욱 짧은 섬유길이로, 다른 절개에 의해 섬유가 분단되는 폭(124)이 존재함으로써, 섬유 세그먼트의 길이(L)가 100㎜ 이하의 프리프레그 기재(P12)를 안정적으로 제조할 수 있다.
실시형태[2]의 절개 패턴에서는, 얻어진 프리프레그 기재를 적층할 때에 절개가 단속적이기 때문에 프리프레그 기재의 취급성이 우수하다. 도 14(d), 도 14(e)에는, 도 12의 절개 패턴(CP12)과는 다른 별도의 절개 패턴(CP14d, CP14e)도 예시했지만, 상기 조건을 만족시키면 어떤 절개 패턴이어도 개의치 않는다.
실시형태[2]에 있어서, 역학특성의 관점으로부터, 바람직하게는 절개 세그먼트의 길이(Ws)가 30㎛∼1.5㎜인 것이 좋다. 사행각도(Θb)의 절대치가 2∼25°인 것에 의해 실제의 절개 길이에 대하여 절개 세그먼트의 길이(Ws)(투영 길이(Ws))를 작게 할 수 있기 때문에, 절개 세그먼트의 길이(Ws)가 1.5㎜ 이하라고 하는 극소한 절개를 공업적으로 안정되게 형성할 수 있다.
절개 세그먼트의 길이(Ws)를 작게 함으로써 하나하나의 절개에 의해 분단되는 섬유량이 줄어들어 성형품에 있어서의 강도 향상이 예상된다. 특히, 절개 세그 먼트의 길이(Ws)를 1.5㎜ 이하로 함으로써 성형품에 있어서의 큰 강도 향상이 예상된다. 또한, 프로세스성의 관점으로부터, 바람직하게는 절개 세그먼트의 길이(Ws)를 1㎜∼100㎜로 함으로써 간이한 장치로 절개를 삽입할 수 있다.
다음에, 본 발명의 적층 기재가 사용되어 섬유강화 플라스틱을 성형할 경우의 성형시에 있어서의 매트릭스 수지 및 섬유의 유동에 대해서는, 앞에, 도 4a 및 도 4b를 사용하여 설명했지만, 여기에서는, 본 발명의 프리프레그 기재의 일실시형태인 앞에 설명한 특정 각도 사행 연속 절개 프리프레그 기재(실시형태[1])가 사용되어 있을 경우와, 마찬가지로 본 발명의 프리프레그 기재의 일실시형태인 앞에 설명한 특정 각도 사행 정길이 절개 프리프레그 기재(실시형태[2])가 사용되어 있을 경우의 섬유의 유동에 대하여 설명한다.
우선, 그 전에 본 발명의 프리프레그 기재와의 비교를 위해서, 도 15a를 이용하여, 도 13(a)에 나타내어지는 절개의 섬유 배열방향과 이루는 각도(Θb)의 절대치가 90°인 프리프레그 기재(P15)를 적층한 적층체(LB15)의 경우에 대하여 설명한다. 도 15a는 적층체(LB15)의 사시도이다. 프리프레그 기재(P15)의 섬유(F15)의 배열방향은 도 15a에 있어서 수평방향이다. 프리프레그 기재(P15)는 섬유의 배열방향으로 간격을 두고 다수의 절개 세그먼트(C15)를 갖는다. 도 15b는 도 15a에 있어서의 A-A화살표 단면도이며, 프리프레그 기재(P15)의 일부가 실선으로 나타내어져 있다.
도 15a에 나타내는 바와 같이, 프리프레그 기재(P15)는 섬유(F15)의 배열방향에 수직인 절개(C15)를 전면에 갖는다. 절개(C15)는 프리프레그 기재(P15)의 두 께방향으로 상면으로부터 하면으로 관통되어 있다. 섬유 세그먼트의 길이(L)를 100㎜ 이하로 함으로써 섬유의 유동성이 확보되고, 프레스 성형 등에 의해 용이하게 적층체(LB15)보다 면적이 신장된 섬유강화 플라스틱을 얻을 수 있다(단, 두께는 줄어든다).
도 15c는 이 면적이 신장한 섬유강화 플라스틱(FP15)의 사시도이다. 도 15c에 나타내는 바와 같이, 신장한 섬유강화 플라스틱(FP15)을 성형했을 때에 프리프레그 기재(P15) 유래의 다수의 섬유 세그먼트로 이루어지는 층(단섬유층)(151)은 섬유 수직방향으로 신장함과 아울러, 섬유가 존재하지 않는 영역(절개 개구부)(152)이 생성된다. 이것은 일반적으로 강화 섬유가 성형 정도의 압력에서는 신장하지 않기 때문이다.
도 15c에 있어서는, 단섬유층(151)이 신장한 길이만큼 절개 개구부(152)가 생성된다. 예를 들면, 면적 250×250㎜의 적층 기재(LB15)로부터 면적 300×300㎜의 섬유강화 플라스틱(FP15)을 얻을 때에는, 면적 300×300㎜의 섬유강화 플라스틱(FP15)의 표면적에 대하여 절개 개구부(152)의 총면적은 50×300㎜, 즉, 1/6(약16.7%)이 절개 개구부(152)가 된다.
도 15d는 도 15c에 있어서의 A-A화살표 단면도이고, 형성되는 절개 개구부(152) 및 그 부근이 실선으로 그려져 있다. 도 15d에 있어서, 개구부(152)는 인접층(153)이 침입해 와서, 대략 삼각형의 수지 리치부(154)와 인접층(153)이 침입되어 있는 영역(155)으로 차지된다. 따라서, 프리프레그 기재(P15)를 사용한 적층체(LB15)를 신장해서 성형했을 경우, 섬유속 단부(156)에서는 층의 굴곡(157)이나 수지 리치부(154)가 발생하고, 이것이 성형품의 역학특성의 저하나 표면품위의 저하에 영향을 준다.
또한, 섬유가 존재하는 부위와 존재하지 않는 부위에서 강성이 다르기 때문에, 면내 이방성의 섬유강화 플라스틱(FP15)으로 되고, 휨 등의 문제로부터 설계가 어렵다. 또한 강도의 면에서는, 하중방향으로부터 ±10°이하 정도를 향하고 있는 섬유가 대부분의 하중을 전달하고 있지만, 섬유속 단부(156)에서는 인접층(153)에 하중을 재분배하지 않으면 안된다. 그 때, 도 15d에 나타내는 바와 같이, 섬유속 단부(156b)가 하중방향에 수직으로 되어 있으면 응력 집중이 일어나기 쉽고, 박리도 일어나기 쉽다. 그 때문에 성형품의 강도 향상은 그다지 기대할 수 없다.
다음에, 도 16a를 이용하여, 본 발명의 특정 각도 사행 연속 절개 프리프레그 기재(실시형태[1])를 적층한 적층체(LB16)의 경우에 대하여 설명한다. 도 16a는 적층체(LB16)의 사시도이다. 프리프레그 기재(P16)의 섬유(F16)의 배열방향은, 도 16a에 있어서 수평방향이다. 프리프레그 기재(P16)는 섬유의 배열방향으로 간격을 두고, 섬유의 배열방향으로 사행한 다수의 연속한 절개(C16)를 갖는다. 절개(C16)의 사행각도(Θb)의 절대치는 2°이상 25°이하로 되어 있다. 도 16b는 도 16a에 있어서의 A-A화살표 단면도이며, 프리프레그 기재(P16)의 일부가 실선으로 나타내어져 있다.
도 16a에 나타내는 바와 같이, 프리프레그 기재(P16)에는 섬유(F16)와 이루는 사행각도(Θb)의 절대치가 25°이하인 연속한 절개(C16)가 전면에 형성되어 있고, 절개(C16)는 층의 두께방향을 관통하고 있다. 섬유 세그먼트의 길이(L)를 100 ㎜ 이하로 함으로써 섬유의 유동성이 확보되고, 프레스 성형 등에 의해 용이하게 적층체(LB16)보다 면적이 신장한 섬유강화 플라스틱을 얻을 수 있다(단, 두께는 줄어든다).
도 16c는 이 면적이 신장한 섬유강화 플라스틱(FP16)의 사시도이다. 도 16c에 나타내는 바와 같이, 신장한 섬유강화 플라스틱(FP16)을 성형했을 때에 프리프레그 기재(P16) 유래의 다수의 섬유 세그먼트로 이루어지는 층(단섬유층)(161)은 섬유 수직방향으로 신장함과 아울러, 섬유(F16) 자체가 회전(도 16c에 있어서 부호 162로 나타내어짐)해서 신장 영역의 면적을 벌기 때문에, 도 15c에 나타낸 바와 같은 섬유가 존재하지 않는 영역(절개 개구부)(152)이 실질적으로 생성되지 않고, 절개 개구부인 듯한 부분이 생성되었다고 해도, 층의 표면에 있어서의 그 부분의 면적은 층의 표면적의 0.1∼10%의 범위 내이다.
따라서, 도 16d에 나타내어지는 도 16c에 있어서의 A-A화살표 단면도를 보아도 알 수 있는 바와 같이, 도 15c에 나타내는 개구부(152)에 상당하는 부위에 인접층(163)이 침입하는 일도 없고, 층의 굴곡이나 수지 리치부가 없는 고강도이고 품위가 높은 섬유강화 플라스틱(FP16)을 얻을 수 있다.
성형품의 섬유층의 면내 전체에 빠짐없이 섬유(F16)가 배치되어 있기 때문에 면내에서의 강성차가 없고, 설계도 종래의 연속 섬유강화 플라스틱과 같이 간이하게 할 수 있다. 이 섬유가 회전해서 신장하고, 층 굴곡이 없는 섬유강화 플라스틱이 얻어진다고 하는 확기적 효과는, 절개와 강화 섬유가 이루는 사행각도(Θb)의 절대치가 25°이하이며, 또한 절개가 연속해서 넣어져 있음으로써 비로서 얻을 수 있다.
또한, 성형품의 강도의 면에서는, 상술과 마찬가지로, 하중방향으로부터 ±10°이하 정도에 향하고 있는 섬유에 주목하면, 도 16d에 나타내는 바와 같이, 섬유속 단부(165)가 하중방향에 대하여 누워있는 모양을 알 수 있다. 섬유속 단부(165)가 층 두께방향으로 비스듬히 되어 있기 때문에 하중의 전달이 원활하고, 섬유속 단부(165)로부터의 박리도 일어나기 어렵다. 따라서, 도 15a의 적층체(LB15)에 비하여, 도 16a의 본 발명의 적층체(LB16)를 이용하여 성형된 성형품에 있어서는 현격한 강도 향상이 예상된다.
이 섬유속 단부(165)가 층 두께방향으로 비스듬히 되는 것은, 상술의 섬유가 회전할 때에 상면과 하면의 마찰에 의해 상면으로부터 하면으로의 섬유(F16)의 회전(162)에 완만한 분포가 있기 때문이고, 그 때문에 층 두께방향으로 섬유(F16)의 존재 분포가 발생하여 섬유속 단부(165)가 층 두께방향으로 비스듬히 되었다고 생각된다. 이러한 섬유강화 플라스틱(FP16)의 층 내에서 층 두께방향으로 비스듬한 섬유속 단부를 형성하고, 강도를 현저하게 향상하는 확기적 효과는, 절개(C16)의 섬유(F16)와 이루는 사행각도(Θb)의 절대치가 25°이하임으로써 비로서 얻을 수 있다.
다음에 도 17a를 이용하여, 본 발명의 특정 각도 사행 정길이 절개 프리프레그 기재(실시형태[2])를 적층한 적층체(LB17)의 경우에 대하여 설명한다. 도 17a는 적층체(LB17)의 사시도이다. 프리프레그 기재(P17)의 섬유(F17)의 배열방향은 도 17a에 있어서 수평방향이다. 프리프레그 기재(P17)는 섬유의 배열방향으로 간격을 두고, 섬유의 배열방향으로 사행한 다수의 일정한 길이를 갖는 절개 세그먼트(C17)를 갖는다. 절개 세그먼트(C17)의 사행각도(Θb)의 절대치는 2°이상 25°이하로 되어 있다.
도 17a에 나타내는 바와 같이, 프리프레그 기재(P17)는 섬유(F17)와 이루는 사행각도(Θb)의 절대치가 25°이하인 단속적인 절개 세그먼트(C17)가 전면에 형성되어 있고, 절개 세그먼트(C17)는 층의 두께방향을 관통하고 있다. 절개 세그먼트의 실제의 길이, 절개의 사행각도(Θb)를 작게 함으로써 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)를 1.5㎜ 이하로 할 수 있다. 절개 세그먼트(C17)에 의해 섬유 세그먼트의 길이(L)를 프리프레그 기재(P17)의 전면에서 100㎜ 이하로 함으로써 섬유의 유동성이 확보되고, 프레스 성형 등에 의해 용이하게 적층체(LB17)보다 면적이 신장한 섬유강화 플라스틱을 얻을 수 있다.
도 17b는 이 면적이 신장한 섬유강화 플라스틱(FP17)의 사시도이다.
도 17b에 나타내는 바와 같이, 신장한 섬유강화 플라스틱(FP17)을 성형했을 때에 프리프레그 기재(P17) 유래의 다수의 섬유 세그먼트로 이루어지는 층(단섬유층)(171)은, 섬유 수직방향으로 신장할 때에 섬유방향으로 섬유가 신장하지 않기 때문에 섬유가 존재하지 않는 영역(절개 개구부)(172)이 생성되지만, 인접하는 단섬유군이 섬유 수직방향으로 유동함으로써 절개 개구부(172)를 메워서 절개 개구부(172)의 면적이 작아진다.
이 경향은, 특히 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)를 1.5㎜ 이하로 함으로써 현저해지고, 실질적으로 절개 개구부(172)가 생성되지 않고 절개 개구부인 듯 한 부분이 생성되었다고 해도, 층의 표면에 있어서의 그 부분의 면적은 층의 표면적의 0.1∼10%의 범위 내이다. 따라서, 두께방향으로 인접층이 침입하는 일도 없고, 층의 굴곡이나 수지 리치부가 없는 고강도이고 품위가 높은 섬유강화 플라스틱(FP17)을 얻을 수 있다.
성형품의 섬유층의 면내 전체에 빠짐없이 섬유(F17)가 배치되어 있기 때문에, 면내에서의 강성차가 없고, 설계도 종래의 연속 섬유강화 플라스틱과 같이 간이하게 적용할 수 있다. 이 절개 개구부를 섬유 수직방향의 섬유의 유동에 의해 메워서 층 굴곡이 없는 섬유강화 플라스틱을 얻을 수 있다고 하는 확기적 효과는, 절개의 사행각도(Θb)의 절대치가 25°이하이며, 또한, 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)를 1.5㎜ 이하로 함으로써 비로서 얻을 수 있다. 더욱 바람직하게는, 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)가 1㎜ 이하임으로써 보다 고강도, 고품위의 성형품으로 할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 섬유강화 플라스틱의 최외층에 있어서 절개 개구부의 면적이 실질적으로 0인 것이 좋다. 또한, 절개 개구부의 면적이 「실질적으로 0」이란, 개구부는 존재하지 않는 것이 바람직하지만, 최외층에 있어서 절개 개구부의 면적이 섬유강화 플라스틱의 표면적의 1% 이하이면 지장이 없는 것을 의미한다.
섬유와 이루는 사행각도(Θb)의 절대치가 25°를 넘는 경우에는, 수지 리치부나 그 층에 있어서의 섬유가 없는 영역, 즉, 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 영역이 최외층에 생성되기 때문에, 그러한 성형품은 외판 부재로서 사용하는 것이 어렵다. 한편, 본 발명의 섬유강화 플라스틱에서는 수지 리치부나 섬유가 없는 영역이 생성되기 어렵기 때문에, 그것을 외판 부재로서 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 프리프레그 기재를 얻기 위해서 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)에 절개를 넣는 방법은 앞에 설명한 대로이지만, 다음에 도면을 이용하여 구체적인 일례를 설명한다.
도 18은 절개를 형성하기 위해서 바람직하게 사용되는 회전날 롤러를 사용한 절개 형성 장치의 일례의 사시도이다. 도 18에 있어서 절개 형성 장치(CA18)는 회전날 롤러(181)를 갖는다. 회전날 롤러(181)는 기둥형상체로 이루어지고, 그 외주면에 나선상의 칼날(182)이 형성되어 있다. 회전날 롤러(181)는 기대(도시생략)에 회동 가능하게 지지된 회전 구동축(도시생략)에 부착되고, 화살표(183)의 방향으로 회전한다. 회전날 롤러(181)의 하측에 프리프레그 기재를 지지함과 아울러 화살표(184) 방향으로 이동시키는 프리프레그 기재 이동수단(도시생략)이 형성되어 있다. 절개 가공이 행해지는 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)(RP18)가 프리프레그 기재 이동수단에 의해 회전날 롤러(181)의 하측에 송급되어, 회전하고 있는 회전날 롤러(181)의 나선상의 칼날(182)에 의해 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)(RP18)에 절개(C18)가 형성되고, 본 발명의 프리프레그 기재(P18)가 제조된다.
나선상의 칼날(182)은 연속적인 칼날이여도, 단속적인 칼날이어도 좋다. 연속적인 칼날이 사용되는 경우에는, 도 11에 나타나 있는 바와 같은 연속한 절개를 갖는 프리프레그 기재가 제조된다. 단속적인 칼날이 사용되는 경우에는, 도 12에 나타나 있는 바와 같은 단속한 절개를 갖는 프리프레그 기재가 제조된다.
그 밖의 절개 형성 장치 중 2가지의 예를, 도 19a 및 도 19b를 사용하여 설명한다. 이들은 비스듬히 섬유가 가지런히 정돈된 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)를 제작한 후, 원료 프리프레그 기재의 길이방향 또는 폭방향으로 절개를 삽입하는 것이다.
도 19a는 절개 형성 장치(CA19A)의 평면 개략도이다. 도 19a에 있어서 절개 형성 장치(CA19A)에는, 형성 예정의 원료 프리프레그 기재(RP19A)의 길이방향(192a)으로부터 2∼25° 기운 방향으로 이동하는 이동 헤드(194A)와, 장치의 길이방향(192a)의 일단부에 압박 절단날(195A)과, 장치의 폭방향(193a)의 측단부에 원료 프리프레그 기재(RP19A)의 단부를 트리밍하는 단부 처리용의 회전날(196)이 장착되어 있다.
이동 헤드(194A)에 의해 장치(CA19A)의 프리프레그 기재 적재면(도시생략) 상에 일정 길이 또는 연속의 원료 프리프레그 기재, 또는 매트릭스 수지가 함침된 강화 섬유속이 적재된다. 이것에 의해, 원료 프리프레그 기재(RP19A)가 준비된다. 준비된 원료 프리프레그 기재(RP19A)에 있어서의 강화 섬유(F19A)의 배열방향은 원료 프리프레그 기재(RP19A)의 길이방향(192a)으로부터 2∼25° 기울어 있다.
이어서, 준비된 원료 프리프레그 기재(RP19A)에 압박 절단날(195A)에 의해 절개가 형성된다. 원료 프리프레그 기재(RP19A)의 길이방향(192a)에 간격을 두고 다수의 절개를 형성하기 위해서, 원료 프리프레그 기재(RP19A)는 화살표(197A)의 방향으로 이동된다. 이에 따라 본 발명의 프리프레그 기재가 제조된다. 원료 프리프레그 기재(RP19A)의 측단부는, 필요에 따라 단부 처리용의 회전날(196)에 의해 트리밍된다. 압박 절단날(195A) 대신에 재단날이 부착된 회전 롤러를 사용해도 좋다.
도 19b는 절개 형성 장치(CA19B)의 평면 개략도이다. 도 19b에 있어서 절개 형성 장치(CA19B)에는 형성 예정의 원료 프리프레그 기재(RP19B)의 폭방향(192b)으로부터 2∼25° 기운 방향으로 이동하는 이동 헤드(194B)와, 장치(CA19B)의 폭방향(193b)의 일단부에 회전날(195B)이 장착되어 있다.
이동 헤드(194B)에 의해 장치(CA19B)의 기재 적재면(도시생략) 상에 일정 길이 또는 연속의 원료 프리프레그 기재, 또는 매트릭스 수지가 함침된 강화 섬유속이 적재된다. 이에 따라 원료 프리프레그 기재(RP19B)가 준비된다. 준비된 원료 프리프레그 기재(RP19B)에 있어서의 강화 섬유(F19B)의 배열방향은, 원료 프리프레그 기재(RP19B)의 폭방향(193b)으로부터 2∼25° 기울어 있다.
이어서, 준비된 원료 프리프레그 기재(RP19B)에 원료 프리프레그 기재(RP19B)의 폭방향(193b)으로 이동하는 회전날(195B)에 의해 절개가 형성된다. 원료 프리프레그 기재(RP19B)의 길이방향(192b)으로 간격을 두고 다수의 절개를 형성하기 위해서, 원료 프리프레그 기재(RP19B)는 화살표(197B)의 방향으로 이동된다. 이에 따라 본 발명의 프리프레그 기재가 제조된다.
제조된 본 발명의 프리프레그 기재를 롤러 등으로 열압착함으로써 절개부에 수지를 충전, 융착시킴으로써 프리프레그 기재의 취급성을 향상시켜도 좋다.
본 발명의 적층 기재에 있어서 본 발명의 프리프레그 기재를 2층 적층하고, 상층의 임의의 절개와 교차하는 하층의 절개의 교차 각도(절대치)가 4∼90°의 범 위 내로 하는 것이 바람직하다.
도 20은 이 실시형태의 적층 기재의 평면도이다. 도 20에 있어서 적층 기재(LB20)는 본 발명의 프리프레그 기재(P20a, P20b)가 2층 적층되어서 형성되어 있다. 상층의 임의의 절개(C20a)(실선으로 나타나 있다)와 교차하는 하층의 절개(C20b)(점선으로 나타나 있다)가 이루는 교차 각도(절대치)가, 4∼90°의 범위 내로 되어 있다.
본 발명의 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재는, 섬유에 대한 절개의 사행각도(Θb)의 절대치가 25°이하이며, 섬유 세그먼트의 길이(L)가 100㎜ 이하가 아니면 안되므로 기하적으로 단위면적당의 절개량이 많아진다. 따라서, 프리프레그 기재는 섬유가 도처에서 분단되어 있기 때문에 취급성이 떨어진다.
특히, 절개가 연속해서 넣어져 있을 경우에는 프리프레그 기재의 취급성의 저하는 현저하다. 따라서, 절개의 사행각도(Θb)가 동일하지는 않은 프리프레그 기재를 2층 미리 일체로 적층해 둠으로써 다층 적층시의 프리프레그 기재의 취급성이 매우 향상된다. 3층 이상의 적층으로 해도 좋지만, 두께가 커짐으로써 드레이프성이 저하하기 때문에, 바람직하게는 2층이 일체화된 적층 기재를 한개의 유닛으로 하는 것이 좋다.
2층을 일체화한 프리프레그 기재의 상층과 하층의 조합으로서는, 상층과 하층과의 절개의 교차 각도(절대치)가 4∼90°이면 어떤 섬유배향의 프리프레그 기재의 조합이어도 좋고, 예를 들면 45°와 -45°, 0°와 90°, 0°와 0°등의 조합이 있다.
본 발명의 프리프레그 기재의 일실시형태인 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재에, 앞에 도 5를 사용하여 설명한 양면 절개 프리프레그 기재의 실시형태를 채용해도 좋다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 특정 각도 사행-양면 절개 프리프레그 기재라고 한다.
도 21은 특정 각도 사행-양면 절개 프리프레그 기재의 일례의 종단면도이다. 도 21에 있어서 특정 각도 사행-양면 절개 프리프레그 기재(P21)에 있어서의 섬유의 배열방향은 수평방향이다. 프리프레그 기재(P21)는 상면으로부터의 절개(C21U)와 하면으로부터의 절개(C21L)를 갖고, 각각의 절개(C21L, C21L)는 프리프레그 기재(P21)의 두께방향(도 21에 있어서 수직방향)으로 관통하지 않고 형성되어 있다. 절개(C21U, C21L)의 절개 깊이(Hs)가 프리프레그 기재(P21)의 두께(H)(도 21에 있어서 부호 211로 나타내어지는 길이)에 대하여 0.4H∼0.6H의 범위 내이며, 상면의 절개와 하면의 절개가 섬유의 길이방향으로 보았을 경우, 중복되어 있는 부분(CO21)을 갖고 있다. 이 중복되어 있는 부분(CO21)의 프리프레그 기재의 두께방향의 길이는 0.01H∼0.1H의 범위 내이다.
또한, 상면의 임의의 절개(C21U)의 사행각도(Θb)를 사행각도(Θc)로 하고, 상기 절개(C21U)와 교차하는 하면의 절개(C21L)의 사행각도(Θb)를 사행각도(Θd)로 하면, Θd의 값이 -Θc인 것이 바람직하다. 절개의 깊이(Hs)가 깊을수록 성형품의 강도가 내려가는 경향이 있지만, 저비용으로 프리프레그 기재를 제작할 수 있는 얇기에는 한계가 있다.
이에 대하여, 절개를 넣는 단계에서 프리프레그 기재 두께의 대략 절반 정도 의 깊이의 절개를 상하면으로부터 넣음으로써 성형품의 강도를 크게 향상시킬 수 있음과 아울러, 섬유의 유동성을 확보할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한 얇은 프리프레그 기재를 작성하여 팽팽히 합쳐도 좋지만, 팽팽히 합치는 공정의 비용 상승분을 고려하면 양면으로부터 절개를 넣는 방법 쪽이 바람직하다.
Θd 의 값이 -Θc인 것이 바람직한 것은 상술한 바와 같지만, 크게 강도를 향상시킴과 아울러 유동성을 확보할 수 있다고 하는 효과를 손상하지 않는 Θd의 값은, Θd=(-Θc-5°)∼(-Θc+5°)의 관계를 만족하고 있으면 관계 없다.
도 21에는 상면으로부터 넣어진 절개의 깊이(U)와, 하면으로부터 넣어진 절개의 깊이(D)가 같은 절개 깊이(Hs)일 경우가 나타내어져 있지만, 각각의 절개의 깊이는 0.4H∼0.6H의 범위 내인 것을 조건으로 해서, 서로 달라도 된다.
상면의 절개의 섬유방향과 이루는 사행각도(Θc)와 하면의 절개의 섬유방향과 이루는 사행각도(Θd)는, 바람직하게는 Θc=-Θd의 관계에 있는 것이 좋다. 절개의 사행각도에 따라 성형품의 강도 향상의 정도가 다르기 때문에, 사행각도(Θc)와 사행각도(Θd)의 절대치가 같음으로써 안정된 성능의 프리프레그 기재로 할 수 있다. 또한 절개의 사행각도의 부호에 의해, 성형시에 섬유가 회전하는 방향이 결정되기 때문에, 섬유의 회전 방향을 반대로 함으로써 섬유배향의 평균을 적층시의 섬유방향으로 할 수 있고, 강건성이 우수한 프리프레그 기재가 된다.
절개 깊이(Hs)는 이상적으로는 0.5H로 함으로써 결함의 크기를 균등하게 할 수 있고, 함유하는 결함 사이즈를 최소화할 수 있으며, 파괴 개시 하중을 최저로 할 수 있다. 그러나, 상면으로부터의 절개에도 하면으로부터의 절개에도 분단되지 않는 섬유가 존재하면 현저하게 유동성이 저하되기 때문에, 깊이가 0.5H+0.05H정도의 절개를 상하면으로부터 넣는 것이 바람직하다. 이것에 의해 섬유의 유동성을 저하시키는 것 같은 품질 결함 없어져 생산 안정성을 확보할 수 있다.
양면으로부터 절개를 넣는 수단으로서는, 예를 들면 강화 섬유가 일방향으로 가지런히 정돈된 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)를 준비하고, 상면 또는 하면의 어느 한쪽으로부터 층의 두께방향으로 관통하지 않는 절개를, 눌러 자르는 도장을 프리프레그 기재에 압박한 후, 다른 한쪽의 면에도 마찬가지로 도장을 압박하는 방법이 있다. 특히, 나선상으로 칼날을 롤러 상에 배치한 회전날 롤러를 한 면으로부터 압박층의 두께방향을 관통하지 않는 절개를 넣은 후, 다른 한쪽 면으로부터 나선상의 롤러를 눌러 접촉시키는 방법이, 생산 안정성이 우수하다.
본 발명의 프리프레그 기재의 일실시형태인 특정 각도 사행 절개 프리프레그 기재에, 앞에 도 6을 사용하여 설명한 프리프레그 기재의 두께방향으로 경사진 경사 절개 프리프레그 기재의 실시형태를 채용해도 좋다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 특정 각도 사행-경사 절개 프리프레그 기재라고 한다.
도 22는 특정 각도 사행-경사 절개 프리프레그 기재의 일례의 종단면도이다. 도 22에 있어서 특정 각도 사행-경사 절개 프리프레그 기재(P22)에 있어서의 섬유의 배열방향은 수평방향이다. 프리프레그 기재(P22)에는 프리프레그 기재(P22)의 두께방향으로 경사진 절개(C22)가 섬유의 배열방향으로 간격을 두고 형성되어 있다.
임의의 절개(C22)에 있어서 프리프레그 기재(P22)의 상면에 있어서의 강화 섬유의 분단선과 하면에 있어서의 분단선의 섬유의 배열방향에 있어서의 거리(223)를 전단 거리(S)라고 하면, 프리프레그 기재(P22)의 두께(H)(도 22에 있어서 부호 221로 나타내어지는 길이)를 이용하여, 다음 식(식Ι)으로부터 도출되는 각도(Θa)가 1∼25°의 범위 내에 있는 것이 좋다.
Figure 112009031941696-PCT00005
상술한 바와 같이, 면 내에 있어서 절개와 섬유방향이 이루는 사행각도(Θb)의 절대치가 25°이하인 프리프레그 기재를 적층한 적층체를 이용하여 성형해서 얻은 섬유강화 플라스틱의 섬유속 단부는, 층 두께방향으로 비스듬히 되어 있고, 그 것이 성형품의 강도 향상에 크게 기여하고 있다. 그래서, 프리프레그 기재의 단계에서 프리프레그 기재의 두께방향으로 경사진 절개를 넣음으로써 상기 효과를 더욱 높이고, 섬유강화 플라스틱으로 했을 때의 섬유속 단부의 각도를 보다 작게 해서 성형품의 강도 향상에 기여할 수 있었다. 특히 절개의 경사각도(Θa)가 25°이하일 때에 성형품에 있어서의 역학특성 향상의 효과가 현저하다. 한편, 경사각도(Θa)가 1°미만인 경우 경사진 절개를 형성하는 것이 매우 곤란해진다.
프리프레그 기재의 두께방향으로 경사진 절개를 프리프레그 기재에 형성하는 수단으로서는, 직접 비스듬히 절개를 넣는 방법도 있지만, 예를 들면 강화 섬유가 일방향으로 가지런히 정돈된 원료 프리프레그 기재(예비 프리프레그 기재)를 준비하고, 층의 두께방향을 관통하는 절개를 넣은 후, 프리프레그 기재를 가열·연화시 킨 상태에서 상면과 하면에서 회전속도가 다른 닙 롤러를 눌러 접촉시켜서 전단력에 의해 강화 섬유의 분단면을 두께방향으로 경사시키는 방법도 있다.
후자의 경우, 강화 섬유의 측면부가 보여지도록 프리프레그 기재를 수직으로 잘라낸 단면에 있어서, 도 22에 나타내는 바와 같이, 절개에 의한 섬유 분단선(222)은 직선형상이 아니라 울퉁불퉁해진다. 그러나, 이러한 경우에도 편의적으로 프리프레그 기재의 상면 절개와 프리프레그 기재의 하면 절개의 섬유 배열방향의 거리(223)를 전단 거리(S)로서 사용한다. 프리프레그 기재의 전면의 각 절개(C22) 사이의 전단 거리(223)의 평균을 전단 거리(S)로 하고, 식Ι에 대입함으로써 절개의 경사각도(Θa)가 구해진다.
본 발명의 프리프레그 기재에 있어서, 상기 프리프레그 기재의 적어도 한쪽의 표면에 수지로 형성된 필름 시트 또는 부직포 시트로 이루어지는 추가 수지층이 형성되고, 상기 수지의 인장신도가 상기 프리프레그 기재 중의 매트릭스 수지의 인장신도보다 높고, 또한 상기 추가 수지층의 두께가 상기 프리프레그 기재 중의 강화 섬유를 형성하고 있는 단섬유의 지름 이상이며, 상기 프리프레그 기재 두께의 0.5배 이하인 것이 바람직하다. 본 발명의 프리프레그 기재의 이 실시형태를 추가 수지층이 형성된 프리프레그 기재라고 한다.
본 발명의 적층 기재를 이용하여 성형된 섬유강화 플라스틱은, 층 내에 있어서 발생한 크랙에 기인한 층간 박리가 발생하면 최종적으로는 성형품의 파괴에 이를 경우가 있다. 이것을 억제하기 위해서, 매트릭스 수지의 신도보다 높은 신도를 갖는 수지로 이루어지는 추가 수지층이 층간에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 추가 수지층의 존재에 의해 층간 박리가 극적으로 억제되어 성형품의 강도가 향상된다.
도 23은 추가 수지층이 형성된 프리프레그 기재의 종단면도이다. 도 23에 있어서 추가 수지층이 형성된 프리프레그 기재(P23A)는, 추가 수지층이 부착되어 있지 않은 본 발명의 프리프레그 기재(P23)의 표면에 있어서의 절개(C23)가 위치하는 부위(232)를 중심으로 해서 그 좌우의 표면에 추가 수지층(233)이 부착되어져 있다. 추가 수지층(233)은 프리프레그 기재(P23)의 적어도 한쪽 표면에 형성된다. 도 23에는 추가 수지층(233)이 프리프레그 기재(P23)의 상면과 하면에 형성된 예가 나타내어져 있다. 프리프레그 기재(P23)에 있어서의 강화 섬유(F23)의 배열방향은 도 23에 있어서 수평방향이다.
추가 수지층(233)은 수지로 형성된 필름 또는 부직포로 이루어진다. 추가 수지층(233)을 형성하고 있는 수지의 인장신도는 프리프레그 기재(P23)를 형성하고 있는 매트릭스 수지의 인장신도보다 크다. 추가 수지층(233)의 두께(233t)는 프리프레그 기재(C23) 중의 강화 섬유(F23)의 1개 섬유(단섬유)의 지름 이상이고, 또한 프리프레그 기재(P23)의 두께(H)(도 23에 있어서 부호 231로 나타내어지는 길이)의 0.5배 이하이다.
추가 수지층이 형성된 프리프레그 기재(P23A)에 있어서, 절개(C23)가 위치하는 부위(232)로부터 우측 방향 또는 좌측 방향에 있어서의 추가 수지층(233)의 길이(234L)는, 프리프레그 기재(P23)의 섬유(F23)의 배열방향에 있어서 프리프레그 기재(P23)의 두께(H)의 1∼100배의 범위 내인 것이 바람직하다. 추가 수지층(233) 은 강화 섬유(F23)가 형성하는 층 내에 들어가지 않고 프리프레그 기재(P23)의 표면 상에 층형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
추가 수지층이 강화 섬유에 의해 형성되는 층 내에 들어가지 않고 층형상으로 형성되어 있다는 것은, 추가 수지가 강화 섬유에 의해 형성되는 층 중에 앵커 효과가 얻어지는 상태로 배치되어 있지 않은 것을 의미한다. 그러나, 소량의 추가 수지(예를 들면 전체 추가 수지의 20체적% 이하)가 용융 등에 의해 강화 섬유에 의해 형성되는 층 내에 들어가 있어도 좋은 것을 포함한다. 즉, 일부의 강화 섬유의 주위에 매트릭스 수지가 아니라, 전체 추가 수지의 20체적% 이하의 추가 수지가 존재하고 있어도 된다.
상술한 바와 같이, 매트릭스 수지의 인장신도보다 추가 수지의 인장신도가 큰 것에 의해 층간 박리가 일어나기 어려워지지만, 추가 수지가 지나치게 많아지면 섬유강화 플라스틱의 섬유 체적 함유율(Vf)이 작아져 탄성율이 저하된다. 그 때문에 프리프레그 기재(P23)에 부착되어는 추가 수지의 양은 프리프레그 기재(P23) 중의 매트릭스 수지의 양의 10% 미만인 것이 바람직하다.
응력집중이 일어나기 쉬운 섬유속 단부에 집중해서 추가 수지를 배치함으로써 높은 효율로 성형품의 강도 향상이 도모된다. 추가 수지의 배치의 방법에 대해서는 강화 섬유가 형성하는 층 내에 들어가지 않고 프리프레그 기재(P23)의 표면 상에 층형상으로 배치되어 있는 것이 좋다. 강화 섬유가 형성하는 층이란 프리프레그 기재(P23)와 동의이다.
추가 수지가 프리프레그 기재(P23)의 표면으로부터 크게 부풀어올라 부착되 어져 있으면, 그것을 이용하여 형성되는 적층체가 부피가 커지기 때문에 바람직하지 못하다. 추가 수지로 형성된 필름 시트 또는 부직포 시트가 추가 수지층(233)의 형성에 사용된다.
추가 수지의 인장신도는 매트릭스 수지의 인장신도보다 크면 어느 것이어도 좋지만, 매트릭스 수지의 인장신도의 2∼10배인 것이 바람직하다. 추가 수지의 인장신도는 2∼50%의 범위 내가 바람직하고, 8∼20%의 범위 내인 것이 더욱 바람직하다. 매트릭스 수지의 인장신도보다 추가 수지의 인장신도가 큰 것에 의해 층간 박리가 일어나기 어려워져 성형품의 강도 향상이 도모된다.
추가 수지의 인장강도는 매트릭스 수지의 인장강도보다 큰 것이 바람직하다. 즉, 추가 수지의 인장강도가 매트릭스 수지의 그것보다 높은 쪽이, 수지붕괴인 크랙이 발생하기 어렵다. 추가 수지의 인장강도가 매트릭스 수지의 인장강도의 1.5배 이상인 것이 더욱 바람직하다. 추가 수지의 파괴인성값이 매트릭스 수지의 파괴인성값보다 큰 쪽이 바람직하다.
수지의 인장신도와 인장강도는 JIS-K-7113(1995), 또는 ASTM-D638(1997)의 규정에 근거해 측정된다. 수지의 파괴인성값은 예를 들면 ASTM-E399(1983)(컴팩트 시험 규격)의 규정에 근거해 측정된다. 수지의 파괴인성값는 측정법에 따라 크게 값이 다르기 때문에, 동일 시험으로 비교했을 때의 파괴인성값이 매트릭스 수지와 비교해서 크면 클수록 좋다. 매트릭스 수지의 파괴인성값이 100J/㎡일 경우에 대하여 추가 수지의 파괴인성값이 500J/㎡일 경우가 하나의 예이다. 추가 수지의 파괴인성값은 매트릭스 수지의 파괴인성값의 3배 이상인 것이 더욱 바람직하다.
추가 수지로서는 상술의 매트릭스 수지에 적용되는 수지군 중에서 매트릭스 수지로서 사용하는 수지보다 인장신도가 높은 것이라면 무엇이든지 좋지만, 특히 열가소성 수지가 바람직하다. 열가소성 수지의 인장신도나 파괴인성값이 일반적인 열경화성 수지에 비해 높은 것이 알려져 있고, 효과적으로 성형품의 강도향상 효과가 얻어진다. 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리페닐렌술폰이 수지 특성과 비용의 밸런스, 수지 점도의 설계 자유도의 점에서 더욱 바람직하다.
추가 수지는 매트릭스 수지와의 상용성이 높을수록, 또한 성형 온도와 동등 이하의 융점을 가지는 것이 바람직하다. 특히, 공중합 등에 의해 100∼200°정도에 저융점화한 폴리아미드는, 열경화성 수지와의 상용성에 뛰어나고, 또한 인장신도, 인장강도, 파괴인성값도 높으므로 더욱 바람직하다. 강화 섬유로서 탄소섬유를 사용하고, 매트릭스 수지로서 에폭시 수지, 추가 수지로서 폴리아미드 수지를 사용했을 때에, 가장 경량이고 고강도, 고강성의 섬유강화 플라스틱을 얻을 수 있다.
다음에 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.
<평판 성형 방법>
강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 소정의 원료 프리프레그 기재를 표면적이 300×300㎜의 금형 상에 배치한 후, 가열형 프레스 성형기에 의해 6㎫의 가압 하, 150℃의 온도 분위기에서 소정 시간으로 성형 처리하여 300×300㎜의 평판의 성형체를 얻었다.
<기계 특성 평가 방법>
얻어진 평판 성형체로부터 길이 250±1㎜, 폭 25±0.2㎜의 인장강도 시험편을 잘라내었다. JIS-K-7073(1998)에 규정된 시험 방법에 따라, 표점간 거리를 150㎜로 하고, 크로스헤드 속도 2.0㎜/분으로 시험편의 인장강도를 측정했다. 이 시험에 있어서는, 시험기로서 "인스트론(등록상표)" 만능시험기 4208형을 사용했다. 측정한 시험편의 수(n)는 5로 하고, 얻어진 각 측정치의 평균치를 인장강도로 했다. 또한, 측정치로부터 표준편차를 산출하고, 그 표준편차를 얻어진 인장강도의 값으로 나눔으로써 불균형의 지표인 변동계수(CV값(%))를 산출했다.
<성형성 평가>
얻어진 평판 성형체의 성상으로부터 성형 과정에 있어서의 원료 프리프레그 기재의 신장에 기초하는 유동성과 평판의 휨을 평가했다.
기재의 유동성의 좋고 나쁨의 평가는, 금형 캐비티 내에 성형된 섬유강화 플라스틱이 충전되어 있고, 최표층에 배치된 기재도 금형 단부 부근까지 신장되어 있을 경우에는 유동성 「양호」(표 중에 기호 ○로 나타냄)로 하고, 금형 캐비티 내에 성형된 섬유강화 플라스틱이 충전되어 있지만, 최표층에 배치된 기재가 거의 신장되어 있지 않을 경우에는 유동성 「약간 양호」(표 중에 기호 △로 나타냄)로 하며, 금형 캐비티 내에 성형된 섬유강화 플라스틱이 충전되어 있지 않은 부위가 있을 경우에는 유동성 「불량」(표 중에 기호 ×로 나타냄)으로 해서 행하였다.
평판의 휨의 유무의 평가는, 평판을 시험대의 평평한 표면 상에 둔 것만으로 평판이 시험대의 표면과 전면에서 접촉하고 있을 경우에는 휨 「없음」(표 중에 기호 ○로 나타냄)으로 하고, 평판을 시험대의 평평한 표면 상에 둔 것만으로는 평판 과 시험대의 표면이 전면에서 접촉하고 있지 않고, 손가락으로 평판의 상면으로부터 시험대의 표면에 평판을 꽉 눌렀을 때에 평판이 시험대의 표면과 전면에서 접촉할 경우에는 휨 「약간 있음」(표 중에 기호 △로 나타냄)으로 하며, 손가락으로 평판의 상면으로부터 시험대의 표면에 평판을 꽉 눌렀을 때에 평판이 시험대의 표면과 접촉하지 않는 부분이 있을 경우에는 휨 「있음」(표 중에 기호 ×로 나타냄)로 해서 행하였다. 이들의 평가 결과는 표 1∼표 23에, 상기 기호를 이용하여 나타내어진다.
<프리프레그 기재의 형태의 비교 - 표 1 참조>
실시예 1
에폭시 수지[재팬 에폭시 레진(주)제 "에피코트(등록상표)" 828 : 30중량부, "에피코트(등록상표)" 1001 : 35중량부, "에피코트(등록상표)" 154 : 35중량부]에 열가소성 수지 폴리비닐포르말[틱소(주)제 "비니렉(등록상표)" K] 5중량부를 니더로 가열 혼련해서 폴리비닐포르말을 균일하게 용해시킨 후, 경화제 디시안디아미드[재팬 에폭시 레진(주)제 DICY7] 3.5중량부와, 경화촉진제 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아[호도가야 카가쿠 고교(주)제 DCMU99] 4중량부를 니더로 혼련하여 미경화의 에폭시 수지 조성물을 조정했다. 이 에폭시 수지 조성물을 리버스롤 코터를 이용하여 실리콘 코팅 처리된 두께 100㎛의 이형지 상에 도포해서 수지 필름을 제작했다.
다음에, 일방향으로 배열시킨 다수의 탄소섬유(인장강도 4,900㎫, 인장탄성율 235㎬)의 양면에 수지 필름을 각각 겹치고, 가열·가압함으로써 다수의 탄소섬 유 사이에 수지를 함침시켜 단위면적당의 탄소섬유 무게 125g/㎡, 섬유 체적 함유율(Vf) 55%, 두께 0.125㎜의 원료 프리프레그 기재를 제작했다.
도 10은 이 원료 프리프레그 기재에 다음에 설명하는 방법에 의해 절개를 넣은 후의 프리프레그 기재의 평면도이다. 도 10에 있어서 프리프레그 기재(P10)의 다수의 탄소섬유(F10)의 배열방향은 수직방향(VD)이다. 다수의 절개(C10)는 정길이 절개이며, 섬유의 배열방향에 직각인 방향으로 간격을 두고 배열되어 절개 열(C10Ra, C10Rb, C10Rc, C10Rd)을 형성하고 있다.
각 절개 열에 있어서의 각 절개의 간격은 등간격이다. 각 절개 열의 섬유의 배열방향에 있어서의 간격은 등간격이다. 인접하는 절개 열에 있어서의 절개의 위치는 수평방향(HD)에 있어서 어긋나 있다. 인접하는 절개 열에 있어서의 절개 단부는 수직방향(VD)으로 보면 각각 중복부(CO10)를 갖고 있다. 각 절개의 방향은 섬유의 배열방향에 직교하는 방향, 즉 수평방향(HD)이다. 이들 절개는 원료 프리프레그 기재에, 시판되고 있는 자동 재단기를 이용하여 형성된 것이다.
프리프레그 기재(P10)에 있어서 절개(C10)의 절개의 방향을 따른 실제의 길이(W)는 5.1㎜이다. 절개(C10)의 방향은 위에 서술한 바와 같이, 수평방향(HD)이기 때문에 절개의 길이(투영 길이)(Ws)는 절개의 방향을 따른 실제의 길이(W)인 5.1㎜와 일치한다. 섬유 세그먼트의 길이(L)(도 10에 있어서 부호 101로 나타내어지는 길이)는 30㎜이다. 상기 절개의 중복부(CO10)의 중복 길이는 1㎜이다.
사용한 에폭시 수지의 25℃ 분위기 하에 있어서의 점도는 2×104Pa·s이기 때문에 프리프레그 기재(P10)는 점착성을 갖고 있었다.
프리프레그 기재(P10)로부터 탄소섬유의 배향 방향이 0° 즉, 수직방향(VD)인 면적 250×250㎜의 프리프레그 기재(0°프리프레그 기재)와, 탄소섬유의 배향 방향이 수직방향(VD)으로부터 오른쪽으로 45도 기운 방향인 같은 면적 250×250㎜의 프리프레그 기재(45°프리프레그 기재)를 각각 8장씩 잘라내었다.
잘라낸 프리프레그 기재를 탄소섬유의 배향 방향이 동일한 인접하는 층에 있어서 한쪽 층의 프리프레그 기재의 절개로 이루어지는 열이 다른쪽 층의 프리프레그 기재의 절개로 이루어지는 열에 대하여, 섬유의 배향 방향으로 섬유 세그먼트의 길이(L)의 0.5배, 즉 15㎜ 벗어나도록 하여 의사등방이 되도록, 앞에 잘라낸 16장의 프리프레그 기재를 적층하여 [-45/0/+45/90]2S의 적층 기재를 얻었다.
또한 얻어진 적층 기재를 면적 300×300㎜의 캐비티를 갖는 평판 금형 상의 대략 중앙부에 배치한 후, 가열형 프레스 성형기에 의해 6㎫의 가압 하, 온도 150℃, 성형시간 30분으로 매트릭스 수지를 경화시켜서 면적 300×300㎜의 평판의 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 금형을 위에서 보았을 때의 금형 면적에 대한 적층 기재의 면적의 비율을 차지율이라 정의하면, 차지율은 70%가 된다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43㎬로 거의 이론치와 같으며, 또한 인장강도도 430㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 4%로 매우 낮은 값을 나타냈다.
<강화 섬유, 매트릭스 수지의 비교 - 표 2 참조>
실시예 2
경화촉진제를 2,4-톨루엔비스(디메틸우레아)[PTI JAPAN(주)제 "오미큐어(등록상표)" 24] 5중량부로 바꾼 이외는 실시예 1과 마찬가지로 해서 절개를 갖는 프리프레그 기재, 그것을 사용한 적층 기재를 제작했다. 얻어진 적층 기재를 가열형 프레스 성형기의 가압 시간(경화 시간)만을 3분으로 바꾼 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 가압 시간이 실시예 1의 1/10임에도 불구하고 거의 동등한 유리전이온도를 나타내고, 사용한 에폭시 수지 조성물은 속경화성이 우수한 것을 알 수 있었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 44㎬, 인장강도는 430㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)는 5%로 낮은 값을 나타냈다. 이들 값은 실시예 1의 값에 비하여 손색이 없는 것이었다.
실시예 3
경화촉진제를 4,4-메틸렌비스(페닐디메틸우레아)[PTI JAPAN(주)제 "오미큐어(등록상표)" 52] 7중량부로 바꾼 이외는 실시예 2와 같은 방법으로 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 가압 시간이 실시예 1의 1/10임에도 불구하고 거의 동등의 유리전이온도를 나타내고, 사용한 에폭시 수지 조성물은 속경화성이 우수한 것을 알 수 있었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 44㎬, 인장강도는 430㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)는 5%로 낮은 값을 나타냈다. 이들 값은 실시예 1의 값에 비하여 손색이 없는 것이었다.
실시예 4
공중합 폴리아미드 수지[토레이(주)제 "아밀란"(등록상표) CM4000, 폴리아미드6/66/610 공중합체, 융점 155℃]의 펠릿을 200℃에서 가열한 프레스로 34㎛ 두께의 필름으로 가공했다. 이형지를 사용하지 않은 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 절개를 갖는 프리프레그 기재를 제작했다. 폴리아미드 수지의 25℃ 분위기 하에 있어서의 점도는 고체이기 때문에 측정 불가능하고, 얻어진 기재는 점착성이 없었다.
실시예 1과 마찬가지의 사이즈으로 재단한 후, 점착성이 없으므로 단지 16층을 의사등방([-45/0/+45/90]2S)으로 포개고, 그대로 면적 300×300㎜의 캐비티를 갖는 평판 금형 상의 대략 중앙부에 배치했다. 가열형 프레스 성형기에 의해 6㎫의 가압의 하, 온도 200℃, 성형시간 1분의 조건으로 기재를 유동시켜, 틀을 여는 일 없이 냉각한 후, 탈형하여 면적 300×300㎜의 평판의 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 섬유 굴곡을 갖지만, 그 단부까지 섬유가 유동하고 있었다. 약간의 섬유분포의 조밀(粗密)로부터 약간이지만 휨이 발생되 어 있었지만, 대체로 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다.
실시예 5
랜덤 공중합 PP수지[프라임 폴리머(주)제 J229E, 융점 155℃] 55중량%와 산변성 PP계 수지[산요 카세이(주)제 유멕스 1010, 산가 약 52, 융점 142℃, 중량 평균 분자량 30,000] 45중량%를, 니혼세이코소(주)제 2축 압출기(TEX-30α2)를 사용하여 200℃에서 용융 혼련한 펠릿을, 200℃로 가열한 프레스에 의해 34㎛ 두께의 필름으로 가공했다. 이후, 실시예 4와 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 섬유의 굴곡을 갖지만, 그 단부까지 섬유가 유동하고 있었다. 약간의 섬유분포의 조밀로부터 약간이지만 휨이 발생되어 있었지만, 대체로 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다.
실시예 6
실시예 1과 마찬가지로 해서 수지 필름을 제작했다. 다음에, 일방향으로 배열시킨 유리섬유(인장강도 1,500㎫, 인장탄성율 74㎬)의 양면에 제작한 수지 필름을 각각 겹치고, 가열·가압함으로써 다수의 유리섬유 사이에 수지를 함침시켜 단위면적당의 유리섬유 무게 175g/㎡, 섬유 체적 함유율(Vf) 55%, 두께 0.125㎜의 원료 프리프레그 기재를 제작했다. 이후, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 27㎬, 인장강도는 340㎫로, 실시예 1의 값과 비교하면 강화 섬유의 성능차만큼 낮게 되어 있지만, 인장탄성율은 이론치 가까이의 값이며, 인장강도의 변동계수(CV값)는 2%로 낮은 값을 나타냈다.
<차지율의 비교 - 표 3 참조>
실시예 7
실시예 8
실시예 9
잘라내는 프리프레그 기재의 크기가 다른 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 잘라내는 프리프레그 기재의 크기는, 실시예 7에서는 212×212㎜, 실시예 8에서는 268×268㎜, 실시예 9에서는 300×300㎜로 했다. 차지율은 실시예 7에서는 50%, 실시예 8에서는 80%, 실시예 9에서는 100%로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 단, 실시예 9는 차지율이 100%이기 때문에 섬유는 실질적으로는 유동하지 않고 있다. 실시예 7에 있어서는 섬유가 장거리 유동했기 때문에 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 섬유분포의 조밀로부터 약간이지만 휨이 발생되어 있었지만, 대체로 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다.
실시예 8, 9에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 모두 휨이 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43∼44㎬, 인장강도는 360∼510㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 3∼6%로 낮은 값을 나타냈다.
특히, 차지율이 작은 실시예 7에서는 원료 프리프레그 기재가 얇게 잡아 늘려지기 때문에, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 각 층 두께가 매우 얇고, 섬유속 단부로부터의 층간 박리가 일어나기 어려워지기 때문인지 인장강도가 510㎫로 매우 높은 값을 나타냈다.
<섬유 세그먼트 길이의 비교 - 표 4 참조>
실시예 10
실시예 11
실시예 12
실시예 13
실시예 1의 절개 패턴에 있어서 절개의 간격, 즉 섬유 세그먼트의 길이(L)를 변경한 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 섬유 세그먼트의 길이(L)는 실시예 10에서는 15㎜, 실시예 11에서는 45㎜, 실시예 12에서는 60㎜, 실시예 13에서는 90㎜로 했다.
이것에 따라, 적층 기재에 있어서 섬유의 배향 방향이 동일한 인접하는 층에 있어서, 한쪽 층의 프리프레그 기재의 절개로 이루어지는 열이 다른쪽 층의 프리프레그 기재의 절개로 이루어지는 열에 대하여 섬유 방향으로 섬유 세그먼트의 길이(L)의 0.5배씩 벗어나는 상태가 형성되었다. 이 섬유의 길이방향으로의 어긋남은, 실시예 10에 있어서 7.5㎜, 실시예 11에 있어서 22.5㎜, 실시예 12에 있어서 30㎜, 실시예 13에 있어서 45㎜이었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은, 실시예 13의 경우를 제외하고 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 실시예 13에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 섬유의 굴곡을 갖고 있었다. 또한 금형과의 마찰을 받은 표면부에 있어서 단부까지 섬유가 충분히 유동하지 않는 부위가 있었다. 어느 쪽의 섬유강화 플라스틱도 휨이 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43∼44㎬, 인장강도는 390∼520㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 4∼8%로 낮은 값을 나타냈다.
<절개 세그먼트의 실제 길이의 비교 - 표 5 참조>
실시예 14
실시예 15
실시예 16
실시예 17
실시예 1의 절개 패턴에 있어서, 절개 방향을 따른 절개의 실제 길이(W)를 변경한 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
절개의 길이(W)는 실시예 14에서는 15.1㎜, 실시예 15에서는 10.1㎜, 실시예 16에서는 2.6㎜, 실시예 17에서는 1.35㎜로 했다. 이에 따라, 이웃하는 절개 열이 섬유의 배열방향에 직교하는 방향으로 벗어나는 상태가 형성되고, 어긋남의 크기는 실시예 14에서는 15㎜, 실시예 15에서는 10㎜, 실시예 16에서는 2.5㎜, 실시예 17에서는 1.25㎜이었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖 고 있었다. 인장탄성율은 43∼44㎬, 인장강도는 400∼520㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 3∼4%로 낮은 값을 나타냈다. 단, 실시예 14는 절개의 길이(W)가 길기 때문에 강화 섬유의 단부가 광범위하게 벌어져 있고, 싱크마크가 실시예 1이나 실시예 15∼17의 경우와 비교해서 두드러졌.
실시예 18
실시예 19
실시예 20
실시예 21
실시예 1의 절개 패턴과 마찬가지의 절개 패턴을 사용하고, 자동 재단기 대신에 원기둥형상의 금속을 깎아내 원주 상에 복수의 칼날을 설치한 회전 롤러를 이용하여 원료 프리프레그 기재에 눌러 접촉시켜서 원료 프리프레그 기재에 절개를 넣음으로써 절개의 길이(W)를 바꾼 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
절개의 길이(W)는 실시예 18에서는 0.725㎜, 실시예 19에서는 0.412㎜, 실시예 20에서는 0.05㎜, 실시예 21에서는 0.025㎜로 했다. 이에 따라, 이웃하는 절개 열이 섬유의 배열방향에 직교하는 방향으로 벗어나는 상태가 형성되고, 어긋남의 크기는 실시예 18에서는 0.625㎜, 실시예 19에서는 0.312㎜, 실시예 20에서는 0.03㎜, 실시예 21에서는 0.02㎜이었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖 고 있었다. 인장탄성율은 44∼45㎬, 인장강도는 560∼660㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 실시예 21을 제외하고, 3∼6%로 낮은 값을 나타냈다. 특히, 절개 길이(W)를 작게 함으로써 얻어진 섬유강화 플라스틱의 인장강도가 크게 향상되었다. 또한 약간이지만 인장탄성율도 향상되었다. 단, 실시예 21은 금형과의 마찰을 받은 표면부에서, 단부까지 섬유가 충분히 유동하지 않는 부위가 있었다. 또한 절개의 길이(W)가 작기 때문에 섬유가 30㎜ 이하로 분단되어 있지 않은 부위가 있는 탓인지 섬유의 굴곡이 두드러졌다.
<프리프레그 기재의 두께의 비교 - 표 6 참조>
실시예 22
실시예 23
실시예 24
실시예 25
실시예 26
실시예 1의 원료 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유의 무게를 변화시킴으로써 원료 프리프레그 기재의 두께를 바꾼 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
단위면적당의 탄소섬유 무게(g/㎡) 및 두께(㎜)는 실시예 22에서는 50g/㎡ 및 0.05㎜, 실시예 23에서는 100g/㎡ 및 0.1㎜, 실시예 24에서는 150g/㎡ 및 0.15㎜, 실시예 25에서는 200g/㎡ 및 0.2㎜, 실시예 26에서는 300g/㎡ 및 0.3㎜으로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다.
실시예 22∼24는 인장탄성율이 43∼44㎬, 인장강도가 400∼550㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 3∼5%로 낮은 값을 나타냈다. 실시예 25, 26은 인장탄성율이 43㎬, 인장강도가 270∼330㎫를 나타내고, 실시예 21∼23의 값에 비하면 약간 뒤떨어지지만, 후술하는 비교예 2∼4와 비교하면 높은 강도를 나타내고 있다고 할 수 있다. 특히, 원료 프리프레그 기재의 두께를 얇게 함으로써 크게 인장강도가 향상되는 것을 알 수 있었다.
<섬유 체적 함유율의 비교 - 표 7 참조>
실시예 27
실시예 28
실시예 29
실시예 30
실시예 1의 원료 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유의 무게를 변화시킴으로써 원료 프리프레그 기재에 있어서의 탄소섬유의 체적 함유율(Vf)을 바꾼 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
단위면적당의 탄소섬유 무게(g/㎡) 및 탄소섬유의 체적 함유율(Vf)(%)은 실시예 27에서는 146g/㎡ 및 65%, 실시예 28에서는 135g/㎡ 및 60%, 실시예 29에서는 113g/㎡ 및 50%, 실시예 30에서는 101g/㎡ 및 45%로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 실시예 27을 제외하고, 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 실시예 27에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 섬유의 굴곡을 갖고 있었다. 또한 금형과의 마찰을 받은 표면부에 있어서, 단부까지 섬유가 충분히 유동하지 않는 부위가 있었다. 어느쪽의 섬유강화 플라스틱도 휨이 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 36∼49㎬, 인장강도는 360∼460㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 3∼8%로 낮은 값을 나타냈다. 섬유 체적 함유율(Vf)이 커질수록 인장탄성율도 강도도 향상된다고 하는 결과가 되었지만, 너무 섬유의 체적 함유율(Vf)이 크면 유동성이 떨어진다고 하는 난점이 있었다.
<적층 구성의 비교 - 표 8 참조>
실시예 31
실시예 32
실시예 1의 적층 구성을 바꾼 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 31에 있어서는 실시예 1의 절개를 넣은 프리프레그 기재를 16층 크로스 플라이(cross-ply)로 적층한 [0/90]4S의 적층 기재를 사용했다. 실시예 32에 있어서는 실시예 1의 절개가 없는 연속 섬유만으로 구성된 프리프레그 기재(원료 프리프레그 기재) 8층과 실시예 1의 원료 프리프레그 기재에 절개를 넣은 프리프레그 기재 8층을 교대로 크로스 플라이로 적층한 [0/C90]4S(부호 C는 연속 섬유만으로 구성된 프리프레그 기재를 나타냄)의 적층 기재를 사용했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 실시예 31에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 휨이 존재하고 있었지만, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 59∼60㎬, 인장강도는 500∼510㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 2∼3%로 낮은 값을 나타냈다. 단, 인장시험의 방향은 0°방향이기 때문에 매우 높은 역학특성을 나타내고 있지만, ±45°의 방향으로는 섬유가 배향하고 있지 않기 때문에 얻어진 섬유강화 플라스틱은 범용적이지는 않다는 문제가 있다.
실시예 33
실시예 34
실시예 35
실시예 33에 있어서는 실시예 1의 적층 구성을 바꾼 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 33에 있어서 실시예 1의 절개를 넣은 프리프레그 기재를 12층 의사등방으로 적층한 [60/0/-60]2S의 적층 기재를 사용했다.
실시예 34에 있어서는 실시예 1의 절개를 넣은 프리프레그 기재에 추가로, 그 층간에 실시예 1의 에폭시 수지 필름을 전사시킨 수지층을 삽입한 적층 기재 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 34에 있어서의 상기 적층 기재는 실시예 1의 절개를 넣은 프리프레그 기재를 16층 의사등방 으로 적층할 때, 층간에 상기 수지층을 형성하고, [45/R/0/R/-45/R/90/R]2S(R은 수지층을 나타냄)의 적층 기재이다. 최종적으로 섬유 체적 함유율(Vf)은 49%로 되었다.
실시예 35에 있어서는 실시예 1의 절개를 넣은 프리프레그 기재에 추가로, 최표층에 실시예 1과 마찬가지의 에폭시 수지를 함침한 섬유 체적 함유율(Vf)이 55%, 층 두께가 250㎛의 평직 프리프레그 기재를 배치한 적층 기재를 사용한 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 35에 있어서의 상기 적층 기재는, 실시예 1의 절개를 넣은 프리프레그 기재를 16층 의사등방으로 적층하고, 또한 최표층에 섬유방향이 0°와 90°로 배향한 상기 평직 프리프레그 기재를 적층한 [WF0/45/0/-45/90]2S(WF는 평직 프리프레그 기재를 나타냄)의 적층 기재이다.
실시예 33, 34에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 특히, 실시예 34에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 유동성이 뛰어나고, 매우 균일하게 섬유가 퍼져 있었다. 어느 쪽의 얻어진 섬유강화 플라스틱이나 휨은 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다.
각각의 인장탄성율은 44㎬와 39㎬, 인장강도는 420㎫와 370㎫이며, 섬유 체적 함유율(Vf)에 상응한 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 5%와 3%이며, 낮은 값을 나타냈다.
실시예 35에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 최표층의 평직부가 전혀 유동하지 않고 있지만, 평직부에 끼워진 부위에 있어서는 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 단부에서 특히 섬유의 굴곡이 보여졌지만, 전체적으로는 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 52㎬, 인장강도는 490㎫로, 하이브리드화에 의해 높은 역학특성을 나타냈다.
실시예 36
실시예 1과 마찬가지로 수지 필름을 제작하고, 실시예 1과 마찬가지로 일방향으로 배열시킨 탄소섬유의 양면에 수지 필름을 각각 겹치고, 가열·가압할 때에, 수지가 완전하게 탄소섬유 내에 함침되어 있지 않은 상태에서 단위면적당의 탄소섬유 무게 125g/㎡, 섬유 체적 함유율(Vf) 55%의 절반함침 프리프레그 기재를 제작했다.
이 절반함침 프리프레그 기재에 실시예 1과 마찬가지로 도 10에 나타내는 바와 같은 절개를 삽입했다. 얻어진 절개를 갖는 프리프레그 기재는 두께방향 중앙부에는 수지가 함침되어 있지 않은 영역이 있지만, 절개에 의해 섬유가 보풀이 일거나, 분리되거나 하는 일없이, 실시예 1과 마찬가지로 충분한 취급성을 갖고 있었다. 또한 실시예 1과 마찬가지로, 적층, 성형해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43㎬, 인장강도도 440㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 5%로 낮은 값을 나타냈다.
<양면 절개 프리프레그 기재의 비교 - 표 9 참조>
실시예 37
실시예 38
실시예 39
실시예 1의 원료 프리프레그 기재에 절개를 넣는 공정에 있어서, 원료 프리프레그 기재의 상면과 하면의 각각으로부터 층을 관통하지 않는 절개를 넣은 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
도 7은 원료 프리프레그 기재에 절개를 넣는 공정에 있어서 사용한 절개 형성 장치의 개략적인 측면도이다. 도 7에 있어서, 절개 형성 장치(CA7)는 절개를 넣는 원료 프리프레그 기재(RP7)의 상면측에 설치된 상회전 롤러(71a)와 하면측에 설치된 하회전 롤러(71b)로 이루어진다. 상회전 롤러(71a)는 그 둘레면으로부터 돌출되어 간격을 두고 부착된 소정 길이의 절단날(72a)을 갖는다. 하회전 롤러(71b)는 그 둘레면으로부터 돌출되어 간격을 두고 부착된 소정 길이의 절단날(72b)을 갖는다. 상회전 롤러(71a)와 하회전 롤러(71b)는 같은 반경을 갖고, 같은 회전속도로 회전한다.
도 7의 절개 형성 장치(CA7)에 원료 프리프레그 기재(RP7)를 공급하고, 상하의 회전 롤러의 절단날에 의해 원료 프리프레그 기재(RP7)의 상하면으로부터 기재(RP7)를 관통하지 않는 깊이를 갖는 절개(C7a, C7b)를 원료 프리프레그 기재(RP7)에 형성하여, 양면 절개 프리프레그 기재(P7)를 제작했다.
양면 절개 프리프레그 기재(P7)의 두께를 H라고 하고, 양면 절개 프리프레그 기재(P7)의 상면에 들어간 절개(C7a)의 절개 깊이를 U, 하면에 들어간 절개(C7b)의 절개 깊이를 D라고 한다.
실시예 37에 있어서는 절개 깊이(U)는 35㎛이며, 이 값은 0.28H에 상당한다. 절개 깊이(D)는 100㎛이며, 이 값은 0.8H에 상당한다.
실시예 38에 있어서는 절개 깊이(U)는 55㎛이며, 이 값은 0.44H에 상당한다. 절개 깊이(D)는 75㎛이며, 이 값은 0.6H에 상당한다.
실시예 39에 있어서는 절개 깊이(U, D) 모두 67㎛이며, 이 값은 0.54H에 상당한다.
절개를 갖는 프리프레그 기재(P7)의 상면에 있어서의 임의의 절개(A)와 섬유의 길이방향에 있어서 인접하는 상면의 절개(B)의 간격, 즉 섬유 세그먼트의 길이(L)는 30㎜이며, 절개(A)로부터 절개(B) 방향으로 섬유의 길이방향으로, 거리 15㎜(0.5L) 이동한 위치에 하면의 절개(C)가 위치한다. 절개를 갖는 프리프레그 기재(P7)의 섬유는 상하의 절개(C7a, C7b)에 의해 분단되고, 모든 섬유 세그먼트의 길이(L)는 30㎜ 이하이었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 실시예 37에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 휨이 존재하고 있었지만, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 어느 것이나가 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43∼44㎬로 거의 이론치와 같은 값을 나타냈다. 인장강도는 실시예 37에서는 480㎫, 실시예 38에서는 540㎫, 실시예 39에서는 580㎫이며, 실시예 1의 경우와 비교해도 높은 값을 나타냈다. 인 장강도의 변동계수(CV값)는 2∼4%로 낮은 값을 나타냈다. 특히, 상면과 하면의 절개량이 가까울수록 높은 인장강도가 얻어졌다. 이것은 상면과 하면의 절개량이 동등함으로써 섬유속 단부의 두께를 최소화할 수 있는 것에 의한 것이라 생각된다.
실시예 40
실시예 41
실시예 42
실시예 37∼39와 마찬가지로, 원료 프리프레그 기재에 절개를 넣는 이외는, 실시예 9와 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
프리프레그 기재의 두께를 H라고 하고, 상면에 들어간 절개의 절개 깊이를 U, 하면에 들어간 절개의 절개 깊이를 D라고 한다. 실시예 40에 있어서는 절개 깊이(U)는 35㎛이며, 이 값은 0.28H에 상당한다. 절개 깊이(D)는 100㎛이며, 이 값은 0.8H에 상당한다.
실시예 41에 있어서는 절개 깊이(U)는 55㎛이며, 이 값은 0.44H에 상당한다. 절개 깊이(D)는 75㎛이며, 이 값은 0.6H에 상당한다.
실시예 42에 있어서는 절개 깊이(U, D) 모두 67㎛이며, 이 값은 0.54H에 상당한다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 실시예 40에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 휨이 존재하고 있었지만, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 어느 것이나가 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43∼44㎬로 거의 이론치와 같은 값을 나타냈다. 인장강도는 실시예 40에서 는 400㎫, 실시예 41에서는 460㎫, 실시예 42에서는 490㎫이며, 실시예 9의 경우와 비교해도 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)는 2∼5%로 낮은 값을 나타냈다. 실시예 37∼39와 마찬가지로, 특히 상면과 하면의 절개량이 가까울수록 높은 인장강도가 얻어졌다.
<경사 절개 프리프레그 기재의 비교 - 표 10 참조>
실시예 43
실시예 44
실시예 45
실시예 46
실시예 47
실시예 1의 원료 프리프레그 기재에 절개를 넣은 후, 얻어진 절개를 갖는 프리프레그 기재에, 그 두께방향으로 전단력을 가하여 절개를 두께방향에 대하여 경사시키는 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 1과 같이, 원료 프리프레그 기재에 그 층을 관통하는 연직된 절개를 넣은 후, 얻어진 절개를 갖는 프리프레그 기재를 각각 회전속도가 다른 상회전 롤러와 하회전 롤러로 이루어지는 닙 롤러를 이용하여 상회전 롤러가 프리프레그 기재의 상면에, 하회전 롤러가 프리프레그 기재의 하면에 압착된 상태에서 닙 롤러를 통과시켰다. 닙 롤러에 보내지는 프리프레그 기재는 온도 60℃로 가열·연화시킨 상태로 했다. 이 닙 롤러에 의해 프리프레그 기재에 작용하는 전단력에 의해, 강화 섬유 세그먼트의 당초 프리프레그 기재의 두께방향을 향하고 있었던 분단면을 두께방향으 로 경사시켰다.
도 8은 경사 절개를 형성하는 장치의 일례의 측면 개략도이다. 도 8의 경사 절개를 형성하는 장치(CA8)는 상회전 롤러(81a)와 하회전 롤러(81b)로 이루어지는 닙 롤러(82)를 갖는다. 상회전 롤러(81a)와 하회전 롤러(81b)의 회전속도는 서로 다르다. 상회전 롤러(81a)와 하회전 롤러(81b) 사이에 프리프레그 기재의 두께방향을 향한 절개(C8A)를 갖는 프리프레그 기재(P8A)가 공급된다. 닙 롤러(82)를 프리프레그 기재가 통과하는 사이에, 양 회전 롤러의 회전속도의 차이에 의해 프리프레그 기재의 두께방향을 향한 절개(C8A)는 두께방향으로 경사지게 할 수 있다. 이것에 의해, 절개(C8A)가 두께방향으로 경사진 절개(C8B)를 갖는 경사 절개 프리프레그 기재(P8B)가 얻어진다.
경사 절개 프리프레그 기재(P8B)의 상면에 있어서의 강화 섬유의 분단선과 하면에 있어서의 분단선의 섬유방향에 있어서의 거리(63)를 전단 거리(S)로 한다(도 6 참조). 면적 250×250㎜로 잘라낸 경사 절개 프리프레그 기재(C8B) 상에서, 5개소 이상의 절개부에 있어서 전단 거리(S)를 측정하고, 그 평균치를 식Ι에 대입하여 절개와 이루는 각(62), 즉 경사각도(Θa)를 산출했다.
실시예 43에서는 전단 거리(S)를 12.5㎜, 경사각도(Θa)를 0.6°, 실시예 44에서는 전단 거리(S)를 6.25㎜, 경사각도(Θa)를 1.1°, 실시예 45에서는 전단 거리(S)를 1㎜, 경사각도(Θa)를 7.1°, 실시예 46에서는 전단 거리(S)를 0.5㎜, 경사각도(Θa)를 1.4°, 실시예 47에서는 전단 거리(S)를 0.25㎜, 경사각도(Θa)를 27°로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 실시예 43에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 휨이 존재하고 있었지만, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 어느 것이나가 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43∼45㎬로 거의 이론값과 같은 값을 나타냈다. 인장강도는 실시예 44에서는 460㎫, 실시예 45에서는 450㎫, 실시예 46에서는 440㎫, 실시예 47에서는 430㎫이며, 실시예 1의 경우와 비교해도 동등 또는 이상의 값이었다.
특히, 경사각도(Θa)가 작을수록 섬유속 단부의 응력 집중이 완화되는 탓인지 높은 인장강도가 얻어졌다. 단, 경사각도(Θa)가 1°미만으로 된 실시예 43에서는 전단 거리(S)가 매우 길어져 있고, 절개부마다의 전단 거리(S)의 불균형이 커지고, 성형 공정의 안정성이 나빴다.
실시예 48
실시예 49
실시예 50
실시예 51
실시예 52
실시예 43∼47과 마찬가지로 절개를 갖는 프리프레그 기재의 절개를 경사시키는 이외는, 실시예 9와 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
실시예 48에서는 전단 거리(S)를 12.5㎜, 경사각도(Θa)를 0.6°, 실시예 49에서는 전단 거리(S)를 6.25㎜, 경사각도(Θa)를 1.1°, 실시예 50에서는 전단 거리(S)를 1㎜, 경사각도(Θa)를 7.1°, 실시예 51에서는 전단 거리(S)를 0.5㎜, 경 사각도(Θa)를 1.4°, 실시예 52에서는 전단 거리(S)를 0.25㎜, 경사각도(Θa)를 27°로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 실시예 48에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 휨이 존재하고 있었지만, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 어느 것이나가 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 45∼47㎬이었다. 인장강도는 실시예 48에서는 480㎫, 실시예 49에서는 460㎫, 실시예 50에서는 420㎫, 실시예 51에서는 380㎫, 실시예 52에서는 350㎫이며, 실시예 9의 경우와 비교해도 실시예 52을 제외하고는, 인장강도뿐만 아니라 인장탄성율도 높은 값을 나타냈다. 실시예 43∼47과 마찬가지로, 특히 경사각도(Θa)가 작을수록 높은 인장강도가 얻어졌다. 실시예 43∼47의 실시예 1로부터의 강도 향상율은 실시예 9로부터의 강도 향상율보다도 높고, 섬유속 단부가 가까워져 있을수록 경사각도(Θa)가 작은 효과, 즉 응력 집중이 적어지는 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.
<사행 절개 프리프레그 기재의 비교 - 표 11 참조>
실시예 53
실시예 54
실시예 1과 마찬가지의 원료 프리프레그 기재에, 도 2(f)에 나타내는 절개 패턴으로 이루어지는 다수의 절개를 자동 재단기를 이용하여 삽입했다. 즉, 각 절개는 섬유의 배열방향에 직교하는 방향으로부터 사행하고, 일정한 길이를 갖는 직선형상의 절개이다. 절개의 방향을 따른 절개의 실제의 길이(W)는 5.1㎜로 했다. 섬유의 배열방향에 있어서 이웃하여 쌍을 이루는 절개의 기하 중심끼리의 간격, 즉 섬유 세그먼트의 길이(L)는 30㎜로 했다. 섬유의 배열방향에 대한 절개의 사행각도를, 실시예 53에서는 30°, 실시예 54에서는 45°로 했다. 그 결과, 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)가 실시예 53에서는 2.55㎜, 실시예 54에서는 3.61㎜이 되었다. 이에 따라, 이웃하는 절개의 열은 섬유의 배열방향에 직교하는 방향에 있어서 각각, 실시예 53에서는 2.5㎜, 실시예 54에서는 3.5㎜ 어긋나 있다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있으며, 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43∼44㎬, 인장강도는 410∼470㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 2∼4%로 낮은 값을 나타냈다. 절개를 사행시킴으로써 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)를 작게 하고, 하나의 절개당의 절단 섬유 개수를 적게 함으로써 인장강도가 크게 향상되었다.
실시예 55
실시예 56
실시예 53, 54와 마찬가지의 방법을 이용하여, 섬유의 배열방향에 직교하는 방향으로부터 기울려서 직선형상의 절개를 원료 프리프레그 기재에 삽입했다. 절개의 길이(W)는 1.35㎜로 했다. 섬유 세그먼트의 길이(L)는 30㎜로 했다. 섬유의 배열방향에 대한 절개의 사행각도를, 실시예 55에서는 30°, 실시예 56에서는 45°로 했다. 그 결과, 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)가 실시예 55에서는 0.68㎜, 실시예 56에서는 0.95㎜로 되었다. 이에 따라, 이웃하는 절개의 열은 섬유의 배열 방향에 직교하는 방향에 있어서, 각각 실시예 55에서는 0.6㎜, 실시예 56에서는 0.9㎜ 어긋나 있다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있으며, 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 44∼45㎬, 인장강도는 580∼670㎫이며, 실시예 17의 경우와 비교해도 매우 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 4∼5%로 낮은 값을 나타냈다.
실시예 57
실시예 58
실시예 1의 원료 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유 무게를 200g/㎡로 변화시킴으로써 원료 프리프레그 기재의 두께를 0.2㎜로 변경한 이외는, 실시예 55, 56과 마찬가지의 방법, 마찬가지의 절개 패턴을 이용하여 원료 프리프레그 기재에 섬유의 배열방향에 직교하는 방향으로부터 사행한 직선형상의 절개를 삽입했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있고, 휨도 없으며, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43∼44㎬, 인장강도는 520∼600㎫로 매우 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 3∼6%로 낮은 값을 나타냈다.
실시예 59
실시예 1의 원료 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유 무게를 200g/㎡ 로 변화시킴으로써 원료 프리프레그 기재의 두께를 0.2㎜로 변경하고, 절개의 실제의 길이(W)를 1.35㎜, 즉 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)를 1.35㎜로 해서 이웃하는 절개의 열이 섬유의 배열방향에 직교하는 방향에 있어서 1.3㎜ 어긋나 있는 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있으며, 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 43㎬, 인장강도는 440㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 4%로 낮은 값을 나타냈다. 단, 실시예 57, 58의 경우와 비교하면 약간 인장강도가 낮았다.
<적층 구성의 비교 - 표 8 참조>
참고예 1
참고예 2
실시예 1의 적층 기재의 적층 구성을 바꾼 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 참고예 1에서는 실시예 1의 절개를 넣은 프리프레그 기재를, 8층 동방향으로 적층한 [0]8의 적층 기재를 사용했다. 참고예 2에서는 실시예 1의 절개를 넣은 절개 프리프레그 기재를, 16층 적층한 [0/45]4S의 적층 기재를 사용했다.
참고예 1에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 90° 방향으로만 섬유가 유동하고, 0 ° 방향으로는 여기 저기 수염과 같이 섬유가 튀어나와 있는 부분은 있지만, 기본적으로 섬유는 유동하고 있지 않았다. 0 ° 방향의 캐비티의 공극에는 짜 내어진 수지가 고이고, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 외관 품위는 나빴다. 참고예 2에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 캐비티 전체에 있어서 섬유는 유동은 하고 있지만, 적층 구성과 마찬가지로 섬유의 흐름이 이방성이며, 섬유의 굴곡이 컸다. 또한 얻어진 섬유강화 플라스틱은 휨이 컸다.
이하, 비교예를 나타낸다.
<프리프레그 기재의 실시형태의 비교 - 표 1 참조>
비교예 1
원료 프리프레그 기재에 절개를 넣지 않은 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 적층 기재로부터 섬유강화 플라스틱을 성형하는 과정에 있어서, 적층 기재는 거의 신장하지 않고, 즉 유동하지 않고, 면적은 거의 당초의 250×250㎜인 채로이며, 매트릭스 수지가 짜 내어져서 섬유강화 플라스틱과 금형의 간극에 수지 버(resin burr)가 생겨 있었다. 수지가 짜 내어져 있기 때문에 표면이 꺼칠꺼칠해져 있고, 시판에 제공할 수 있는 성형품용의 소재에 적용할 수 있을 것 같지도 않았다.
비교예 2
실시예 1과 마찬가지의 에폭시 수지 조성물을 두껍게 도포한 수지 필름을 제작했다. 다음에, 길이 25㎜로 컷팅된 탄소섬유속(인장강도 4,900㎫, 인장탄성율 235㎬, 12,000개)을 단위면적당의 중량이 125g/㎡로 되도록 균일하게 수지 필름 상 에 낙하, 산포했다. 또한 다른 한장의 수지 필름을 씌우고, 컷팅된 탄소섬유를 끼운 후, 캘린더 롤을 통과시켜 섬유 체적 함유율(Vf) 55%의 SMC 시트를 제작했다. 이 SMC 시트를 면적 250×250㎜로 잘라내고, 16층 적층하여 적층 기재를 얻은 후, 실시예 1과 마찬가지로 성형하여 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 약간이지만 휨이 발생한 한편, 섬유분포의 조밀로부터 수지 리치부에서 싱크마크가 발생되어 있고, 평활성이 떨어졌다. 인장탄성율은 33㎬로, 섬유가 진직이 아니기 때문인지 이론치보다 상당히 낮고, 인장강도도 220㎫, 인장강도의 변동계수(CV값)는 12%로 매우 높은 값을 나타냈다. 그 때문에 구조재에는 적용할 수 있을 것 같지 않았다.
비교예 3
매트릭스 수지로서 비닐에스테르 수지[다우 케미컬(주)제, 데라켄 790]를 100중량부, 경화제로서 tert-부틸퍼옥시벤조에이트[니혼 유시(주)제, 퍼부틸 Z]를 1중량부, 내부 이형제로서 스테아린산 아연[사카이 카가쿠 고교(주)제, SZ-2000]을 2중량부, 증점제로서 산화마그네슘[교와 카가쿠 고교(주)제, MgO#40]을 4중량부 사용하고, 그것들을 충분하게 혼합 교반하여 수지 페이스트를 얻었다. 얻어진 수지 페이스트를 닥터 블레이드를 이용하여 폴리프로필렌제의 이형 필름 상에 도포했다.
그 위로부터, 비교예 2와 마찬가지의 길이 25㎜로 컷팅된 탄소섬유속을 단위면적당의 중량이 500g/㎡이 되도록 균일하게 낙하, 산포했다. 또한 수지 페이스트를 도포한 다른 한쪽의 폴리프로필렌 필름으로 수지 페이스트측을 내측으로 해서 끼웠다. 탄소섬유의 SMC 시트에 대한 체적 함유량은 40%로 했다.
얻어진 시트를 40℃에서 24시간 정치함으로써 수지 페이스트를 충분하게 증점화시켜서 SMC 시트를 얻었다. 이 SMC 시트를 면적 250×250㎜로 잘라내어 4층 적층하고, 적층 기재를 얻었다. 얻어진 적층 기재를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 성형하고 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 약간이지만 휨이 발생한 한편, 수지함유 성분이 많은 만큼 평활성은 비교예 2의 경우보다는 뛰어나고 있었지만, 약간의 싱크마크가 발생했다. 인장탄성율은 30㎬, 인장강도는 160㎫로 전체적으로 낮고, 인장강도의 변동계수(CV값)는 16%로 매우 높은 값을 나타냈다. 그 때문에 구조재에는 적용할 수 있을 것 같지 않았다.
비교예 4
비교예 3과 마찬가지로 수지 페이스트를 제작하고, 폴리프로필렌 필름 상에 제작한 수지 페이스트를 도포한 후, 길이 25㎜로 컷팅된 유리섬유속(인장강도 1,500㎫, 인장탄성율 74㎬, 800개)을 단위면적당의 중량이 700g/㎡이 되도록 균일하게 낙하, 산포했다. 이후, 비교예 3과 마찬가지로 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 약간지만 휨이 발생한 한편, 수지함유 성분이 많은 만큼 평활성은 비교예 2의 경우보다는 뛰어나고 있었지만, 약간의 싱크마크가 발생했다. 인장탄성율은 15㎬, 인장강도는 180㎫로 전체적으로 낮고, 인장강도의 변동계수(CV값)는 14%로 매우 높은 값을 나타내었다. 그 때문에 구조재에는 적용할 수 있을 것 같지 않았다.
<섬유 세그먼트의 길이의 비교 - 표 4 참조>
비교예 5
비교예 6
실시예 1의 절개 패턴에 있어서 절개의 간격(L)(섬유 세그먼트의 길이)을 변경한 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 섬유 세그먼트의 길이(L)는 비교예 5에서는 7.5㎜, 비교예 6에서는 120㎜로 했다. 이것에 따라, 적층 기재에 있어서 배향 방향이 동일한 인접하는 층에 있어서 한쪽 층의 프리프레그 기재의 절개로 이루어지는 열이 다른쪽 층의 프리프레그 기재의 절개로 이루어지는 열에 대하여 섬유의 배열방향으로 상기 간격(L)의 0.5배씩 어긋나게 되고, 이 섬유 길이방향으로의 어긋남은 비교예 5에서는 3.75㎜, 비교예 6에서는 60㎜로 되었다.
비교예 5에 있어서는 얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었지만, 인장강도가 320㎫로 실시예 1이나 실시예 10∼13의 경우와 비교해서 낮은 값으로 되었다. 비교예 6에 대해서는, 얻어진 섬유강화 플라스틱은 금틀의 캐비티 전면에 섬유가 끝까지 유동하고 있지 않고, 단부에 수지 리치부가 보여졌다. 섬유의 굴곡이 확인되고, 휨도 확인되었다.
<프리프레그 기재의 두께의 비교 - 표 6 참조>
비교예 7
실시예 1의 절개 원료 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유의 무게를 변화시킴으로써 원료 프리프레그 기재의 두께를 바꾼 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
단위면적당의 탄소섬유 무게를 25(g/㎡), 및 두께를 0.025(㎜)로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 유지해서 갖고 있었다. 단, 절개 원료 프리프레그 기재의 두께가 매우 얇기 때문에 제조 비용이 매우 높아진다는 문제점이 있었다.
<섬유 체적 함유율의 비교 - 표 7 참조>
비교예 8
비교예 9
실시예 1의 원료 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유 무게를 변화시킴으로써 탄소섬유의 체적 함유율(Vf)을 바꾼 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 단위면적당의 탄소섬유 무게(g/㎡) 및 섬유 체적 함유율(Vf)(%)은, 비교예 8에서는 158g/㎡ 및 70%, 비교예 9에서는 90g/㎡ 및 40%로 했다.
비교예 8에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유가 굴곡되고, 금형과의 마찰을 받은 표면부에서 단부까지 섬유가 유동하지 않고 있었다. 표면부에는 수지결함이 있고, 외관 품위는 나쁘며, 휨도 발생하고 있었다. 비교예 9에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 휨이 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 그러나, 인장탄성율은 33㎬, 인장강도는 320㎫로 실시예 1이나 실시예 27∼30의 경우와 비교해 서 상당히 낮은 값이었다.
<프리프레그 기재의 실시형태의 비교 - 표 12 참조>
실시예 60
실시예 1과 마찬가지로 해서 원료 프리프레그 기재를 제작하고, 자동 재단기를 이용하여, 도 14(a)에 나타내는 바와 같이, 섬유의 배열방향[도 14(a)에 있어서 수직방향(VD)]으로부터 10°경사진 방향을 향한 연속한 직선적인 다수의 절개를 삽입하여 절개를 갖는 프리프레그 기재를 제작했다. 각 절개의 간격은 등간격이다. 이 절개를 갖는 프리프레그 기재로부터 면적 300×300㎜ 크기의 프리프레그 기재를 잘라내지만, 그 때 절개가 연속하고 있기 때문에 섬유가 뿔뿔이 흩어지지 않도록 이 면적의 주위로부터 5㎜의 폭에는, 절개가 존재하지 않는 상태에서 각 절개가 삽입되어 있다.
이 제작한 프리프레그 기재로부터 탄소섬유의 배향 방향(0°방향)과, 탄소섬유의 배향 방향으로부터 오른쪽으로 45도 어긋난 방향(45°방향)에 있어서, 각각 면적 300×300㎜ 크기로 잘라낸 2종류의 적층용의 프리프레그 기재를 준비했다. 적층용의 프리프레그 기재는, 전체의 면적이 300×300㎜이고, 그 주위로부터 5㎜의 폭 내에는 절개를 갖지 않는다. 즉, 절개가 존재하는 면적은 290×290㎜이다. 절개에 의해 분단된 섬유 세그먼트의 길이(L)는 30㎜이다. 이 프리프레그 기재는 사용하고 있는 에폭시 수지의 25℃ 분위기 하에 있어서의 점도가 2×104Pa·s이기 때문에, 프리프레그 기재는 점착성을 갖고 있었다.
상기 적층용의 프리프레그 기재를, 16층 의사등방([-45/0/+45/90]2S)으로 적층한 후, 주위 25㎜씩 잘라 떨어뜨리고, 전면에 절개를 갖는 면적 250×250㎜의 적층 기재를 얻었다.
얻어진 적층 기재를 실시예 1과 마찬가지로 해서 성형하여 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 전체적으로 휨도 없고, 최외층의 절개부에 있어서도, 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 46㎬로 거의 이론값과 같으며, 또한 인장강도도 590㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 5%로 매우 낮은 값을 나타냈다. 이들 결과로부터, 얻어진 섬유강화 플라스틱은 구조재 또는 외판 부재로서 사용 가능한 역학특성과 품위를 구비하고 있는 것을 알 수 있었다. 또한 얻어진 섬유강화 플라스틱을 잘라내고, 잘라낸 면이 0°인 층에 주목하면, 도 16d에 나타내는 바와 같이, 층 굴곡이나 섬유가 존재하지 않는 부위가 없고, 수지 리치부도 거의 존재하지 않았다. 또한 섬유속 단부도 두께방향으로 경사로 되어 있어(섬유방향으로부터 5°이하 정도), 응력 전달효율이 높은 성형품이라고 말할 수 있다.
실시예 61
절개를 넣는 방법을 변경한 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 60과 마찬가지로 해서 얻은 원료 프리프레그 기재에, 자동 재단기를 이용하여, 도 14(d)에 나타내는 바와 같이, 섬유의 배열방향으로부터 ±10°경사진 방향을 향한 단속한 직선적인 다수의 절개를 전면에 삽입하여 절개를 갖는 프리프레그를 제작했다. 각 절개의 간격은 등간격이다.
이 절개를 갖는 프리프레그 기재로부터 탄소섬유의 배향 방향(0°방향)과, 탄소섬유의 배향 방향으로부터 오른쪽으로 45도 어긋난 방향(45°방향)으로, 각각 면적 300×300㎜ 크기의 프리프레그 기재를 잘라내어 적층용의 프리프레그 기재를 준비했다. 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)는 10㎜(실제의 절개 길이(W)는 57.6㎜)이며, 도 12에 나타내는 바와 같이, 인접하는 절개에 의해 섬유 세그먼트의 길이(L) 이하의 길이로 분단되는 부위가 있었다. 그 길이는 이 실시예에서는 15㎜정도이었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 전체적으로 휨도 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 46㎬로 거의 이론값과 같으며, 또한 인장강도는 550㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 4%로 매우 낮은 값을 나타냈다.
또한, 얻어진 섬유강화 플라스틱을 잘라내고, 잘라낸 면이 0°인 층에 주목하면, 도 16d에 나타내는 바와 같이, 층 굴곡이나 섬유가 존재하지 않는 부위가 없고, 수지 리치부도 거의 존재하지 않았다. 또한 섬유속 단부도 두께방향으로 경사 로 되어 있어(섬유방향으로부터 5°이하 정도), 응력 전달효율이 높은 성형품이라고 말할 수 있다.
실시예 62
절개를 넣는 방법을 변경한 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 60과 마찬가지로 해서 얻은 원료 프리프레그 기재에 자동 재단기를 이용하여, 도 14(e)에 나타내는 바와 같이, 섬유의 배열방향으로부터 10°경사진 방향을 향한 단속한 직선적인 다수의 절개를 전면에 삽입하여, 절개를 갖는 프리프레그 기재를 제작했다. 각 절개의 간격은 등간격이다.
이 절개를 갖는 프리프레그 기재로부터 탄소섬유의 배향 방향(0°방향)과, 탄소섬유의 배향 방향으로부터 오른쪽으로 45도 어긋난 방향(45°방향)으로, 각각 면적 300×300㎜ 크기의 프리프레그 기재를 잘라내고, 적층용의 프리프레그 기재를 준비했다. 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)는 10㎜(실제의 절개 길이(W)는 57.6㎜)이며, 도 12에 나타내는 바와 같이, 인접하는 절개에 의해 섬유 세그먼트의 길이(L) 이하의 길이로 분단되는 부위가 있었다. 그 길이는 이 실시예에서는 15㎜정도이었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 전체적으로 휨도 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 46㎬로 거의 이론값과 같으며, 또한 인장강도는 580㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동 계수(CV값)도 5%로 매우 낮은 값을 나타냈다.
또한, 얻어진 섬유강화 플라스틱을 잘라내고, 잘라낸 면이 0°인 층에 주목하면, 도 16d에 나타내는 바와 같이, 층 굴곡이나 섬유가 존재하지 않는 부위가 없고, 수지 리치부도 거의 존재하지 않았다. 또한 섬유속 단부도 두께방향으로 경사로 되어 있고(섬유방향으로부터 5°이하 정도), 응력 전달효율이 높은 성형품이라고 말할 수 있다.
<강화 섬유, 매트릭스 수지의 비교 - 표 13 참조>
실시예 63
경화촉진제를 2,4-톨루엔비스(디메틸우레아)[PTI JAPAN(주)제 "오미큐어(등록상표)" 24] 5중량부로 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 한 절개를 갖는 프리프레그 기재, 그것을 사용한 적층 기재를 제작했다. 얻어진 적층 기재를 가열형 프레스 성형기의 가압 시간(경화 시간)만을 3분으로 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지의 방법으로 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 가압 시간이 실시예 60의 1/10임에도 불구하고 거의 동등의 유리전이온도를 나타내고, 사용한 에폭시 수지 조성물은 속경화성이 뛰어나는 것을 알 수 있었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 47㎬, 인장강도는 580㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)는 4%로 낮은 값을 나타냈 다. 이들 값은 실시예 60의 경우와 손색이 없는 것이었다.
실시예 64
경화촉진제를 4,4-메틸렌비스(페닐디메틸우레아)[PTI JAPAN(주)제 "오미큐어(등록상표)" 52] 7중량부로 바꾼 이외는, 실시예 63과 마찬가지의 방법으로 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 가압 시간이 실시예 60의 1/10임에도 불구하고 거의 동등의 유리전이온도를 나타내고, 사용한 미경화의 에폭시 수지 조성물은 속경화성이 뛰어난 것을 알 수 있었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 47㎬, 인장강도는 580㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)는 5%로 낮은 값을 나타냈다. 이들 값은 실시예 60의 경우와 손색이 없는 것이었다.
실시예 65
공중합 폴리아미드 수지[토레이(주)제 "아밀란"(등록상표) CM4000, 폴리아미드6/66/610 공중합체, 융점 155℃]의 펠릿을, 200℃에서 가열한 프레스에 의해 34㎛ 두께의 필름으로 가공했다. 이형지를 사용하지 않은 것 이외는 실시예 60과 마찬가지로 해서 절개를 갖는 프리프레그 기재를 제작했다. 폴리아미드 수지의 25℃ 분위기 하에 있어서의 점도는 고체이기 때문에 측정 불가능하고, 얻어진 프리프레그 기재는 점착성이 없었다.
실시예 60과 같은 사이즈로 재단한 후, 점착성이 없으므로 단지 16층을 의사등방([-45/0/+45/90]2S)으로 포개고, 그대로 면적 300×300㎜의 캐비티를 갖는 평판금형 상의 대략 중앙부에 배치했다. 가열형 프레스 성형기에 의해 6㎫의 가압 하에, 온도 200℃, 성형시간 1분의 조건으로 적층 기재를 유동시켜, 틀을 열지 않고 냉각한 후 탈형하여, 면적 300×300㎜의 평판의 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 섬유의 굴곡을 갖지만, 그 단부까지 섬유가 유동하고 있었다. 약간의 섬유 분포의 조밀로부터 약간이지만 휨이 발생하고 있었지만, 최외층의 절개부에 있어서는 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 대체로 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다.
실시예 66
랜덤 공중합 PP수지[프라임 폴리머(주)제 J229E, 융점155℃] 55중량%와 산변성 PP계 수지[산요 카세이(주)제 유멕스 1010, 산가 약 52, 융점 142℃, 중량 평균 분자량 30,000] 45중량%를, 니혼세이코소(주)제 2축 압출기(TEX-30α2)를 사용하여 200℃에서 용융 혼련한 펠릿을, 200℃로 가열한 프레스에 의해 34㎛ 두께의 필름상으로 가공했다. 이후, 실시예 65과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 섬유의 굴곡을 갖지만, 그 단부까지 섬유가 유동하고 있었다. 약간의 섬유분포의 조밀로부터 약간이지만 휨이 발생하고 있었지만, 최외층의 절개부에 있어서는 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 대체로 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다.
실시예 67
실시예 60과 마찬가지로 해서 수지 필름을 제작했다. 다음에, 일방향으로 배열시킨 유리섬유(인장강도 1,500㎫, 인장탄성율 74㎬)의 양면에 제작한 수지 필름을 각각 겹치고, 가열·가압함으로써 다수의 유리섬유 사이에 수지를 함침시켜, 단위면적당의 유리섬유 무게 175g/㎡, 섬유 체적 함유율(Vf) 55%, 두께 0.125㎜의 원료 프리프레그 기재를 제작했다. 이후, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 29㎬, 인장강도는 430㎫로, 실시예 60의 값과 비교하면 강화 섬유의 성능차만큼 낮게 되어 있지만, 인장탄성율은 이론치 가까이의 값이며, 인장강도의 변동계수(CV값)는 3%로 낮은 값을 나타냈다.
<절개의 사행각도의 비교 - 표 14 참조>
실시예 68
실시예 69
실시예 70
실시예 71
실시예 72
실시예 73
절개의 사행각도를 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 사행각도는 실시예 68에서는 1°, 실시예 69에서는 2°, 실시예 70에서는 5°, 실시예 71에서는 15°, 실시예 72에서는 25°, 실시예 73에서는 45°로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 실시예 68을 제외하고 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 어느 것이나 휨은 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 실시예 73을 제외하고 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 실시예 68에 대해서는 절개의 사행각도가 작기 때문에 절개끼리의 간격이 0.5㎜정도로 작고, 재단이나 적층에 어려움이 있었다. 또한 100㎜ 이하의 길이로 재단되어 있지 않은 섬유가 남아 있었기 때문인지, 약간 섬유가 굴곡되어 있었지만 단부까지 섬유가 유동하고 있었다. 실시예 73에 대해서는, 최외층의 절개부에 있어서 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 영역이 많이 존재했다. 이들 영역에 있어서 약간 싱크마크가 보여졌다. 역학특성에 관해서는, 실시예 73을 제외하고 인장탄성율은 45∼47㎬, 인장강도는 460∼660㎫로 높은 값을 나타냈다. 실시예 73은 인장탄성율은 45㎬이었지만, 인장강도가 330㎫로 실시예 60이나 실시예 68∼72와 비교하면 상당 히 낮았다. 인장강도의 변동계수(CV값)는 실시예 68을 제외하고 3∼5%로 낮은 값을 나타냈다. 특히 절개 각도가 작은 실시예 68, 69, 70에서는 600㎫ 이상의 인장강도를 발현시킨 한편, 실시예 68, 69에서는 절개 각도가 작기 때문에 절개끼리의 간격은 1㎜ 정도로 작고, 적층시의 취급성에 약간 어려움이 있었다.
<차지율의 비교 - 표 15 참조>
실시예 74
실시예 75
실시예 76
잘라내는 프리프레그 기재의 크기가 다른 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 잘라내는 프리프레그 기재의 크기는 실시예 74에서는 212×212㎜, 실시예 75에서는 285×285㎜, 실시예 76에서는 300×300㎜로 했다. 차지율은 실시예 74에서는 50%, 실시예 75에서는 90%, 실시예 76에서는 100%로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 단, 실시예 76은 차지율이 100%이기 때문에 섬유는 실질적으로는 유동하지 않고 있다. 실시예 74에 있어서는 섬유가 장거리 유동했기 때문에 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 섬유분포의 조밀로부터, 약간이지만 휨이 발생하고 있었지만 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 대체로 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다.
실시예 75, 76에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 휨이 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 46∼47㎬, 인장강도는 510∼690㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 3∼7%로 낮은 값을 나타냈다.
특히, 차지율이 작은 실시예 74에서는, 원료 프리프레그 기재가 얇게 잡아 늘려지기 때문에, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 각층 두께가 매우 얇고, 섬유속 단부로부터의 층간 박리가 일어나기 어려워지기 때문인지 인장강도가 690㎫로 매우 높은 값을 나타냈다.
<섬유 세그먼트의 길이의 비교 - 표 16 참조>
실시예 77
실시예 78
실시예 79
실시예 60의 절개 패턴에 있어서 절개의 간격 즉, 섬유 세그먼트의 길이(L)를 변경한 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 섬유 세그먼트의 길이(L)는, 실시예 77에서는 10㎜, 실시예 78에서는 60㎜, 실시예 79에서는 100㎜로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 실시예 79을 제외하고 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 실시예 79에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은, 약간의 섬유의 굴곡과 금형과의 마찰을 받은 표면부에 있어서 단부까지 섬유가 충분히 유동하지 않는 부위가 있었다. 어느쪽의 섬유강화 플라스틱도 휨이 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 46∼47㎬, 인장강도는 510∼650㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 3∼6%로 낮은 값을 나타냈다.
<절개 세그먼트의 실제의 길이의 비교 - 표 17 참조>
실시예 80
실시예 81
실시예 82
실시예 62의 절개 패턴과 같은 절개 패턴을 사용하고, 자동 재단기 대신에 원기둥상의 금속을 깎아 내 원주 상에 복수의 칼날을 설치한 회전 롤러를 사용하고, 원료 프리프레그 기재에 압착하여 섬유의 배열방향으로부터 10°사행한 방향을 향한 단속한 직선적인 다수의 절개를 넣음으로써 절개의 길이(W)를 바꾼 이외는, 실시예 62와 마찬가지로 하여 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)는, 실시예 80에서는 17㎛, 실시예 81에서는 30㎛, 실시예 82에서는 170㎛로 했다. 실제의 절개의 길이(W)는 각각, 실시예 80에서는 0.1㎜, 실시예 81에서는 0.17㎜, 실시예 80에서는 1㎜로 되었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 실시예 80을 제외하고 섬유의 굴곡이 없었다. 실시예 80에서는 절개 단부가 많이 존재하기 때문인지 섬유의 국소적인 유동의 혼란이 발생하고, 약간의 섬유 굴곡이 관찰되었다. 얻어진 섬유강화 플라스틱의 어느 것에 있어서나 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있고, 휨도 없으며, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 47㎬, 인장강도는 690∼710㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)는, 실시예 80에 있어서는 9%로 약간 높지만, 그 이외는 4∼5%로 낮은 값을 나타냈다.
실시예 83
실시예 84
실시예 85
실시예 86
실시예 62의 절개 패턴에 있어서 절개 세그먼트의 길이(투영 길이)(Ws)를 변경한 이외는, 실시예 62와 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 절개 세그먼트의 길이(Ws)는, 실시예 83에서는 1㎜, 실시예 84에서는 1.5㎜, 실시예 85에서는 100㎜, 실시예 86에서는 120㎜로 했다. 실제의 절개의 길이(W)는 실시예 83에서는 5.8㎜, 실시예 84에서는 8.6㎜이었다. 실시예 85, 86에서는 면적 300×300㎜의 프리프레그 기재에 있어서, 절개의 일단은 프리프레그 기재면 내에 존재하지만, 타단은 프리프레그 기재의 주변에 도달할 정도의 긴 절개로 되어 있어 거의 연속한 절개로 되었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있으며, 휨도 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬 유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 45∼46㎬, 인장강도는 580∼640㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)는 3∼6%로 낮은 값을 나타냈다. 한편으로, 실시예 85, 86에서는 절개가 거의 연속한 절개로 되어 있었기 때문에, 프리프레그 기재의 단부가 흩어져 있어 적층시에 있어서의 프리프레그 기재의 취급성이 나빴다.
<프리프레그 기재의 두께의 비교 - 표 18 참조>
실시예 87
실시예 88
실시예 60의 원료 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유의 무게를 변화시킴으로써 원료 프리프레그 기재의 두께를 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 하여 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 단위면적당의 탄소섬유 무게(g/㎡) 및 두께(㎜)는, 실시예 87에서는 50g/㎡ 및 0.05㎜, 실시예 88에서는 300g/㎡ 및 0.3㎜로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 46∼47㎬, 인장강도는 실시예 87에서는 750㎫로 높고, 한편 실시예 88에서는 370㎫로 약간 낮지만, 어느 것이나 인장강도의 변동계수(CV값)는 4∼5%로 낮은 값을 나타냈 다. 특히, 절개를 갖는 프리프레그 기재의 두께를 얇게 함으로써 인장강도가 향상되는 것을 알 수 있었다.
<섬유 체적 함유율의 비교 - 표 19 참조>
실시예 89
실시예 90
실시예 60의 원료 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유의 무게를 변화시킴으로써 원료 프리프레그 기재에 있어서의 탄소섬유의 체적 함유율(Vf)을 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
단위면적당의 탄소섬유 무게(g/㎡) 및 탄소섬유의 체적 함유율(Vf)(%)은, 실시예 89에서는 146g/㎡ 및 65%, 실시예 90에서는 101g/㎡ 및 45%로 했다.
실시예 89에서는, 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 섬유의 굴곡과 금형과의 마찰을 받은 표면부에서 단부까지 섬유가 충분히 유동하지 않는 부위가 있었다. 한편, 실시예 90에서는 얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있었다. 어느쪽의 섬유강화 플라스틱도 휨이 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 39∼52㎬, 인장강도는 490∼630㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 4∼8%로 낮은 값을 나타냈다. 섬유의 체적 함유율(Vf)이 커질수록 인장탄성율도 강도도 향상된다고 하는 결과가 되었지만, 너무 섬유의 체적 함유율(Vf)이 크면 유동성이 떨어진다고 하는 난점이 있었다.
<적층 구성의 비교 - 표 20 참조>
실시예 91
실시예 92
실시예 91에 있어서는 실시예 60의 적층 기재의 적층 구성을 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 60의 절개를 갖는 절개 프리프레그 기재를 16층 크로스 플라이로 적층한 [0/90]4s의 적층 기재를 사용했다. 실시예 92에 있어서는 실시예 60의 절개가 없는 연속 섬유만으로 구성된 원료 프리프레그 기재와, 이 원료 프리프레그 기재에 절개를 넣은 후의 절개를 갖는 프리프레그 기재를 준비하고, 이들을 이용하여 적층 기재를 형성한 이외는 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
절개가 없는 연속 섬유만으로 구성된 원료 프리프레그 기재 8층과 절개를 갖는 프리프레그 기재 8층을 교대로 크로스 플라이로 적층한 [0/C90]4s(부호 C는 연속 섬유만으로 구성된 프리프레그 기재를 나타냄)의 적층 기재를 사용했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 실시예 91에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 휨이 존재하고 있었지만, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 63∼64㎬, 인장강도는 680∼690㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 4∼5%로 낮은 값을 나타냈다. 단, 인장시험의 방향은 0°방향이기 때문에 매우 높은 역학특성을 나타내고 있지만, ±45°의 방향으로는 섬유가 배향하고 있지 않기 때문에 얻어진 섬유강화 플라스틱은 범용적이지는 않다고 하는 문제가 있다.
실시예 93
실시예 94
실시예 95
실시예 93에 있어서는 실시예 60의 적층 구성을 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 93에 있어서 실시예 60의 절개를 넣은 프리프레그 기재를 12층 의사등방으로 적층한 [60/0/-60]2s의 적층 기재를 사용했다.
실시예 94에 있어서는 실시예 60의 절개를 넣은 프리프레그 기재에 추가로, 그 층간에 실시예 60의 에폭시 수지 필름을 전사시킨 수지층을 삽입한 적층 기재를 사용한 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 94에 있어서의 상기 적층 기재는, 실시예 60의 절개를 넣은 프리프레그 기재를 16층 의사등방으로 적층할 때에 층간에 상기 수지층을 형성하고, [45/R/0/R/-45/R/90/R]2s(R은 수지층을 나타냄)의 적층 기재이다. 최종적으로 섬유 체적 함유율(Vf)은 49%로 되었다.
실시예 95에 있어서는 실시예 60의 절개를 넣은 프리프레그 기재에 추가로, 최표층에 실시예 60과 같은 에폭시 수지를 함침한 섬유 체적 함유율(Vf)이 55%, 층 두께가 250㎛인 평직 프리프레그 기재를 배치한 적층 기재를 사용한 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 95에 있어서의 상기적층 기재는, 실시예 60의 절개를 넣은 절개 프리프레그 기재를 16층 의사등방으로 적층하고, 또한 최표층에 섬유방향이 0°와 90°로 배향한 상기 평직 프리프레그 기재를 적층한 [WF0/45/0/-45/90]2s(WF는 평직 프리프레그 기재를 나타냄)의 적층 기재이다.
실시예 93, 94에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 특히, 실시예 94에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 유동성이 뛰어나고, 매우 균일하게 섬유가 퍼져 있었다. 어느 얻어진 섬유강화 플라스틱이나 휨은 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다.
각각의 인장탄성율은 47㎬와 42㎬, 인장강도는 580㎫와 510㎫이며, 섬유 체적 함유율(Vf)에 상응한 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 6%와 4%이며, 낮은 값을 나타냈다.
실시예 95에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 최표층의 평직부가 전혀 유동하지 않고 있지만, 평직부에 끼워진 부위에 있어서는 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 단부에서 특히 섬유의 굴곡이나, 섬유속 단부에 있어서 수지 리치나 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위가 보여졌지만, 전체적으로는 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 54㎬, 인장강도는 670㎫로, 하이브리드화에 의해 높은 역학특성을 나타냈다.
실시예 96
실시예 60과 마찬가지로 수지 필름을 제작하고, 실시예 60과 마찬가지로 일방향으로 배열시킨 탄소섬유의 양면에 수지 필름을 각각 겹쳐, 가열·가압할 때에, 수지가 완전하게 탄소섬유 내에 함침되어 있지 않은 상태에서 단위면적당의 탄소섬유 무게 125g/㎡, 섬유 체적 함유율(Vf) 55%의 절반함침 프리프레그 기재를 제작했다.
이 절반함침 프리프레그 기재에 실시예 60과 마찬가지로 도 11에 나타내는 바와 같은 절개를 삽입했다. 얻어진 절개를 갖는 프리프레그 기재는 두께방향 중앙부에는 수지가 함침되지 않는 영역이 있지만, 절개에 의해 섬유가 보풀이 일거나, 분리하거나 하지 않고, 실시예 60과 마찬가지로 충분한 취급성을 갖고 있었다. 또한 실시예 60과 마찬가지로, 적층, 성형해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 균등하게 유동하고 있었다. 또한 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 46㎬, 인장강도도 550㎫로 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)도 7%로 낮은 값을 나타냈다.
<양면 절개 프리프레그 기재의 비교 - 표 21 참조>
실시예 97
실시예 98
실시예 99
실시예 60의 원료 프리프레그 기재에 절개를 넣는 공정에 있어서, 원료 프리프레그 기재의 상면과 하면의 각각으로부터 층을 관통하지 않는 절개를 넣은 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 원료 프리프레그 기재에 절개를 형성하기 위해서, 도 18에 나타내는 절개 형성 장치(CA18)를 사용했다. 소정의 길이 둘레면으로부터 노출된 나선상의 칼날(182)이 형성된 회전 롤러(181)를, 원료 프리프레그 기재(RP18)의 상면, 하면의 순서로 눌러 접촉시켜 원료 프리프레그 기재(RP18)의 층을 관통하지 않는 절개(C18)를 넣었다.
얻어진 양면 절개 프리프레그 기재의 두께를 H로 하고, 양면 절개 프리프레그 기재의 상면에 들어간 절개의 절개 깊이를 U, 하면에 들어간 절개의 절개 깊이를 D라고 한다.
실시예 97에 있어서는 절개 깊이(U)는 35㎛이며, 이 값은 0.28H에 상당한다. 절개 깊이(D)는 100㎛이며, 이 값은 0.8H에 상당한다.
실시예 98에 있어서는 절개 깊이(U)는 55㎛이며, 이 값은 0.44H에 상당한다. 절개 깊이(D)는 75㎛이며, 이 값은 0.6H에 상당한다.
실시예 99에 있어서는 절개 깊이(U, D) 모두 67㎛이며, 이 값은 0.54H에 상당한다.
절개를 갖는 프리프레그 기재의 상면의 절개의 사행각도는 10°, 하면의 절개의 사행각도는 -10°이었다. 절개를 갖는 프리프레그 기재의 섬유는 상하의 절개에 의해 분단되고, 모든 섬유 세그먼트의 길이(L)는 30㎜ 이하이었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 실시예 99에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 휨이 존재하고 있었지만, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 어느 것이나가 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 45∼46㎬로 거의 이론값과 같은 값을 나타냈다. 인장강도는 650∼750㎫이며, 실시예 60의 경우와 비교해도 높은 값을 나타냈다. 특히, 상면과 하면의 절개량이 가까울수록 높은 인장강도가 얻어졌다. 이것은 상면과 하면의 절개량이 동등함으로써 섬유속 단부의 두께를 최소화할 수 있는 것에 의한 것이라 생각된다.
실시예 100
실시예 60의 원료 프리프레그 기재를 이용하여 상면과 하면에 있어서의 절개의 각도가 섬유방향에 대하여 10°와 -10°인 양면 절개 프리프레그 기재를 준비했다. 준비한 프리프레그 기재의 2장을 적층하고, 2층 적층 기재를 얻었다. 얻어진 2층 적층 기재를 1층분의 프리프레그 기재로 하여 실시예 60과 마찬가지로 적층 기재를 제작했다. 제작된 적층 기재를 성형하여 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 2층 적층 기재를 1층의 프리프레그 기재로서 보면, 상면의 절개의 절개 깊이(U)(도 21에 있어서 부호 Hs로 나타내어지는 깊이)와, 하면의 절개의 절개 깊이(D)(도 21에 있어서 부호 Hs로 나타내어지는 깊이)는 모두 125㎛이며, 이 값은 0.5H에 상당한다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 최외층의 절 개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 47㎬로 거의 이론값과 같은 값을 나타냈다. 인장강도는 690㎫이며, 실시예 60이나 실시예 97∼99의 경우와 비교하여 1층당의 두께가 2배이면서 높은 값을 나타냈다. 인장강도의 변동계수(CV값)는 4%로 낮은 값을 나타냈다. 절개의 이웃에 절개의 개구를 멈추는 방향으로 섬유가 배치되어 있는 구조로 되어 있기 때문에 높은 강도가 발현된 것이라고 생각된다.
<경사 절개 프리프레그 기재의 비교 - 표 22 참조>
실시예 101
실시예 102
실시예 103
실시예 104
실시예 105
실시예 60의 원료 프리프레그 기재에 절개를 넣은 후, 얻어진 절개를 갖는 프리프레그 기재에 그 두께방향으로 전단력을 가하여 절개를 두께방향에 대하여 경사시키는 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 60과 같이, 원료 프리프레그 기재에 그 층을 관통하는 연직된 절개를 넣은 후, 얻어진 절개를 갖는 프리프레그 기재를 각각 회전속도가 다른 상회전 롤러와 하회전 롤러로 이루어지는 닙 롤러를 이용하여, 상회전 롤러가 프리프레그 기재의 상면에, 하회전 롤러가 프리프레그 기재의 하면에 압착된 상태에서 닙 롤러를 통과시켰 다. 닙 롤러에 보내지는 프리프레그 기재는 온도 60℃로 가열·연화시킨 상태로 했다. 이 닙 롤러에 의해 프리프레그 기재에 작용하는 전단력에 의해 강화 섬유 세그먼트의 당초 프리프레그 기재의 두께방향을 향하고 있었던 분단면을, 두께방향으로 경사시켰다.
경사 절개 프리프레그 기재(P22)의 상면에 있어서의 강화 섬유의 분단선과 하면에 있어서의 분단선의 섬유방향에 있어서의 거리(223)를 전단 거리(S)라고 한다(도 22 참조). 면적 250×250㎜로 잘라낸 경사 절개 프리프레그 기재(P22) 상에서, 5개소의 절개부에 있어서 전단 거리(S)를 측정하고, 그 평균치를 식Ι에 대입하여 절개가 이루는 각(222), 즉, 경사각도(Θa)를 산출했다.
실시예 101에서는 전단 거리(S)를 12.5㎜, 경사각도(Θa)를 0.6°, 실시예 102에서는 전단 거리(S)를 6.25㎜, 경사각도(Θa)를 1.1°, 실시예 103에서는 전단 거리(S)를 1㎜, 경사각도(Θa)를 7.1°, 실시예 104은 전단 거리(S)를 0.5㎜, 경사각도(Θa)를 1.4°, 실시예 105은 전단 거리(S)를 0.25㎜, 경사각도(Θa)를 27°로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 실시예 101에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 약간의 휨이 존재하고 있었지만, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 어느 것이나가 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 46∼47㎬로 거의 이론값과 같은 값을 나타냈다. 인장강도는 실시예 101에서는 580㎫, 실시예 102에서는 620㎫, 실시예 103에서는 620MP, 실시예 101에서는 610㎫, 실시예 105에서는 590㎫이며, 실시예 60의 경우와 비교해도 동등 정도 또는 그 이상의 값이었다. 단, 섬유속 단부의 경사 각도가 1°미만으로 된 실시예 101에서는 전단 거리(S)가 매우 길어져 있어, 절개부마다의 전단 거리(S)의 불균형이 커지고, 성형 공정의 안정성이 나빴다.
<추가 수지의 부여 면적의 비교 - 표 23 참조>
실시예 106
추가 수지층의 형성에 사용하는 부직포를 다음과 같이 해서 준비했다. 즉, 공중합 폴리아미드 수지[토레이(주)제 "아밀란"(등록상표) CM4000, 폴리아미드6/66/610 공중합체, 융점 155℃]의 펠릿을, 멜트 블로우에 의해 단위면적당의 수지중량 30g/㎡로 되는 부직포를 제작했다. 폴리아미드 수지의 25℃ 분위기 하에 있어서의 점도는 고체이기 때문에 측정 불가능하고, 얻어진 부직포 기재는 점착성이 없었다. 얻어진 부직포 기재를 0.2㎜폭의 테이프상으로 재단했다. 실시예 60과 같은 절개를 갖는 프리프레그 기재의 양면에, 모든 연속적인 절개를 덮도록 절개가 테이프상의 부직포 기재의 폭의 중심이 되도록 하고, 섬유 방향으로 ±0.1㎜의 폭으로 테이프상의 부직포 기재를 배치했다. 에폭시 수지의 점착성에 기초하여, 압압하는 것만으로 부직포 기재가 프리프레그 기재에 부착되었다.
이렇게 해서 얻어진 복합 프리프레그 기재(추가 수지층이 형성된 프리프레그 기재) 전체의 섬유 체적 함유율(Vf)은 53% 상당으로 되었다. 이 복합 절개 프리프레그 기재를 적층해서 적층 기재를 제작하고, 제작된 적층 기재를 성형하여 섬유강 화 플라스틱을 얻었다.
복합 절개 프리프레그 기재를 1층만, 그대로 압력도 가하지 않고 오븐 내에서 온도 130℃, 처리 시간 2시간으로 경화시켜 단면을 잘라낸 결과, 추가 수지층이 없는 부위의 층 두께는 평균 125㎛인 것에 대해서, 추가 수지층이 양면에 존재하는 부위의 층 두께는 추가 수지층이 부직포이기 때문에 균일한 두께는 아니지만, 평균 175㎛이었다.
추가 수지층이 양면에 존재하는 부위를 섬유 방향에 수직인 면으로 잘라내고 광학현미경에 의해 관찰하면, 프리프레그 기재의 층 표면으로부터 10㎛정도의 깊이의 부위에 있어서 추가 수지층이 강화 섬유 주위에 존재하는 것이 확인되었다. 단면에 있어서의 추가 수지층이 차지하는 면적은, 프리프레그 기재 전체로부터 비교하면 10%를 초과하지 않고, 실질적으로 추가 수지층은 프리프레그 기재의 층 내에 들어가 있지 않고, 또한 추가 수지층의 두께는 평균 25㎛정도인 것을 알 수 있었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡도 없고, 최외층의 절개부에 있어서도, 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 45㎬, 인장강도는 580㎫로, 실시예 60의 경우와 동등 레벨이었다. 추가 수지의 부직포 테이프가 매우 가늘었기 때문에, 절개의 전부를 덮을 수 없었던 가능성이 있다.
실시예 107
실시예 108
추가 수지층을 형성하는 부직포 기재의 부여 면적이 다른 이외는, 실시예 106과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 테이프상의 부직포 기재 폭은, 실시예 107에서는 3㎜, 실시예 108에서는 20㎜로 했다. 절개가 부직포 테이프로 덮어지고, 부직포 테이프의 폭의 중심이 절개의 위치에 위치하도록 하여 프리프레그 기재 상에 배치했다. 섬유의 배열방향에 있어서의 절개 위치로부터 부직포 테이프의 폭 단부까지의 거리는, 실시예 107에서는 ±1.5㎜, 실시예 108에서는 ±10㎜로 했다. 실시예 106과 마찬가지로, 추가 수지층은 층상으로 배치되어 있고, 프리프레그 기재의 층 내에 들어가 있지 않은 것이 확인되고, 추가 수지층의 두께는 평균으로 25㎛ 정도이었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 어느 것이나 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장탄성율은 37∼44㎬로 약간 낮으면서, 인장강도는 590∼680㎫이며, 실시예 60의 경우와 동등 이상의 높은 물성을 나타냈다. 실시예 108에 있어서는, 추가 수지가 덮는 면적이 커짐에 따라 탄성율이나 인장강도가 약간 저하되는 경향이 보여졌다.
실시예 109
실시예 106과 마찬가지로 해서 얻은 추가 수지층 형성용의 부직포 기재를, 실시예 60의 프리프레그 기재의 양면의 전면에 부여한 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 실시예 106과 마찬가지로, 추가 수지층은 층상으로 배치되어 있고, 프리프레그 기재의 층 내에 들어가 있지 않은 것이 확인되며, 추가 수지층의 두께는 평균으로 25㎛ 정도이었다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 최외층의 절개부에 있어서도 강화 섬유가 존재하지 않고 수지 리치 또는 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위는 거의 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 인장강도는 590㎫로 실시예 60의 경우와 동등했다. 인장탄성율은 34㎬로 섬유 체적 함유율(Vf)이 저하했기 때문에 대폭 저하되어 있지만, 층간 전면에 인장신도가 높은 추가 수지가 배치됨으로써 면외 하중에 대한 내구성이 향상되는 효과가 얻어졌다.
<적층 구성의 비교 - 표 20 참조>
참고예 3
참고예 4
실시예 60의 적층 기재의 적층 구성을 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 참고예 3에서는 실시예 60의 절개를 넣은 프리프레그 기재를, 8층 같은 방향으로 적층한 [0]8의 적층 기재를 사용했다. 참고예 4에서는 실시예 60의 절개를 넣은 절개 프리프레그 기재를 16층 적층한 [0/45]4s의 적층 기재를 사용했다.
참고예 3에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 90° 방향으로만 섬유가 유동하고, 0 ° 방향으로는 여기저기 수염과 같이 섬유가 튀어 나와 있는 부분은 있지만, 기본적으로 섬유는 유동하지 않고 있었다. 0 ° 방향의 캐비티의 공극에는 짜내어 진 수지가 고이고, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 외관 품위도 나빴다. 참고예 4에서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 캐비티 전체에 있어서 섬유는 유동하고 있지만, 적층 구성과 마찬가지로 섬유의 흐름이 이방성이며, 섬유의 굴곡이 컸다. 또한 얻어진 섬유강화 플라스틱은 휨이 컸다. 얻어진 어느쪽의 섬유강화 플라스틱이나, 최외층의 절개부에 있어서 많은 수지 리치부나 인접층의 강화 섬유가 제외되어 있는 부위를 갖고 있었다.
이하, 비교예를 나타낸다.
<섬유 세그먼트의 길이의 비교 - 표 16 참조>
비교예 10
비교예 11
실시예 60의 절개 패턴에 있어서 절개의 간격(L)(섬유 세그먼트의 길이)을 변경한 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 섬유 세그먼트의 길이(L)는 비교예 10에서는 7.5㎜, 비교예 11에서는 120㎜로 했다.
비교예 10에 있어서는 얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분하게 유동하고 있었다. 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 그러나, 인장강도가 4400㎫로 실시예 60이나 실시예 77∼79의 경우와 비교해서 낮은 값이 되었다. 비교예 11에 있어서는, 얻어진 섬유강화 플라스틱은 금형의 캐비티 전면에 섬유가 끝까지 유동하고 있지 않고, 단부에 수지 리치부가 보여졌다. 얻어진 섬유강화 플라스틱에는 섬유의 굴곡, 휨도 발생했다.
<프리프레그 기재의 두께의 비교 - 표 18 참조>
비교예 12
비교예 13
실시예 60의 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유의 무게를 변화시킴으로써 원료 프리프레그 기재 두께를 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다.
단위면적당의 탄소섬유 무게(g/㎡) 및 두께(㎜)는, 비교예 12에서는 25g/㎡ 및 0.025㎜, 비교예 13에서는 400g/㎡ 및 0.4㎜로 했다.
얻어진 섬유강화 플라스틱은 어느 것이나 섬유의 굴곡이 없고, 그 단부까지 섬유가 충분히 유동하고 있으며, 휨도 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 그러나, 비교예 12에 있어서는, 프리프레그 기재 두께가 매우 얇기 때문에 섬유강화 플라스틱의 제조 비용이 매우 높아진다고 하는 문제가 있었다. 또한 비교예 13에 있어서는, 얻어진 섬유강화 플라스틱의 인장강도는 320㎫로 실시예 60이나 실시예 87, 88의 경우와 비교해서 상당히 저하되는 것을 알 수 있었다.
<섬유 체적 함유율의 비교 - 표 19 참조>
비교예 14
비교예 15
실시예 60의 원료 프리프레그 기재의 단위면적당의 탄소섬유 무게를 변화시킴으로써 탄소섬유의 체적 함유율(Vf)을 바꾼 이외는, 실시예 60과 마찬가지로 해서 섬유강화 플라스틱을 얻었다. 단위면적당의 탄소섬유 무게(g/㎡) 및 섬유 체적 함유율(%)은, 비교예 14에서는 158g/㎡ 및 70%, 비교예 15에서는 90g/㎡ 및 40%로 했다.
비교예 14에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 섬유가 굴곡되고, 금형과의 마찰을 받은 표면부에서 단부까지 섬유가 유동하지 않고 있었다. 표면부에는 수지 결함이 있고, 외관 품위는 나쁘며, 휨도 발생했다. 비교예 15에 있어서 얻어진 섬유강화 플라스틱은 휨이 없고, 양호한 외관 품위, 평활성을 갖고 있었다. 그러나, 인장탄성율은 36㎬, 인장강도는 440㎫로 실시예 60이나 실시예 89, 90의 경우와 비교해서 상당히 낮은 값이었다.
Figure 112009031941696-PCT00006
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Claims (16)

  1. 실질적으로 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 상기 다수개의 강화 섬유의 사이에 존재하는 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재로서: 상기 프리프레그 기재는 그 전면에 상기 강화 섬유를 가로지르는 방향을 갖는 다수개의 절개를 갖고, 실질적으로 모든 상기 강화 섬유가 상기 절개에 의해 분단되며, 상기 절개에 의해 분단된 각 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)가 10∼100㎜이고, 상기 프리프레그 기재의 두께(H)가 30∼300㎛이며, 상기 프리프레그 기재에 있어서의 상기 강화 섬유의 섬유 체적 함유율(Vf)이 45∼65%인 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 절개는 일정한 길이를 갖는 절개 세그먼트로 이루어지고, 상기 절개 세그먼트를 상기 강화 섬유의 배열방향으로 투영했을 때의 상기 강화 섬유의 배열방향에 직각인 방향에 있어서의 상기 절개 세그먼트의 투영 길이(Ws)가 1∼10㎜이며, 상기 프리프레그 기재의 두께(H)가 30∼150㎛인 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 각 절개는 일정한 길이를 갖는 절개 세그먼트로 이루어지고, 상기 절개 세그먼트를 상기 강화 섬유의 배열방향으로 투영했을 때의 상기 강화 섬유의 배열방향에 직각인 방향에 있어서의 상기 절개 세그먼트의 투영 길 이(Ws)가 30㎛∼1.5㎜인 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 절개 세그먼트는 3개 이상의 같은 방향을 향하는 직선 상에 배열되어 3열 이상의 절개 열을 형성하고, 또한 인접하는 상기 절개 열의 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 간격이 서로 같은 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 절개 세그먼트는 상기 강화 섬유의 배열방향에 직각인 방향에 대하여 사행하여 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 절개 세그먼트는 상기 프리프레그 기재의 상면과 하면의 각각으로부터 상기 프리프레그 기재의 두께방향으로 상기 프리프레그 기재를 관통하지 않고 형성되고, 상기 절개 세그먼트의 절개의 깊이(Hs)가 상기 프리프레그 기재의 두께(H)에 대하여 0.4H∼0.6H이며, 상기 상면의 임의의 절개 세그먼트(A)와, 상기 절개 세그먼트(A)와 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서 인접하는 상기 상면의 절개 세그먼트(B)의 간격을 La라고 하면, 상기 간격(La)이 10∼100㎜이며, 상기 절개 세그먼트(A)로부터 상기 절개 세그먼트(B) 방향으로의 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 거리가 0.4La∼0.6La인 위치에 상기 하면에 있어서의 절개 세그먼트(C)의 기하 중심이 위치하고, 상기 상면의 상기 절개 세그먼트(A)와 상기 절개 세그먼트(B) 사이에 위치하는 상기 강화 섬유의 일부가 상기 상면의 상기 절개 세그먼트(A)와 상기 하면의 상기 절개 세그먼트(C), 또는 상기 상면의 상기 절개 세그먼트(B)와 상기 하면의 상기 절개 세그먼트(C)에 의해 분단되어 있음과 아울러, 상기 상면에 있어서의 절개 세그먼트의 기하 형상 및/또는 상기 하면에 있어서의 절개 세그먼트의 기하 형상이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 절개 세그먼트는 경사각도(Θa)를 갖고 상기 프리프레그 기재의 두께방향으로 경사져서 형성되어 있고, 임의의 절개 세그먼트에 있어서 상기 프리프레그 기재의 상면에 있어서의 상기 강화 섬유의 분단선의 위치와 하면에 있어서의 분단선의 위치의 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 거리를 S 라고 하면, 상기 거리(S)와 상기 프리프레그 기재의 두께(H)로부터 다음 식(식Ι)에 기초하여 구해지는 상기 경사각도(Θa)가 1∼25°인 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
    Figure 112009031941696-PCT00029
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 프리프레그 기재의 표면에 있어서 상기 각 절개가 상기 강화 섬유의 배열방향과 이루는 사행각도(Θb)의 절대값은 2∼25°인 것을 특 징으로 하는 프리프레그 기재.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 각 절개의 각각이 상기 프리프레그 기재의 전체 폭에 걸쳐서 연속되어 있는 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 각 절개는 일정한 길이를 갖는 절개 세그먼트로 이루어지고, 상기 절개 세그먼트를 상기 강화 섬유의 배열방향으로 투영했을 때의 상기 강화 섬유의 배열방향에 직각인 방향에 있어서의 상기 절개 세그먼트의 투영 길이(Ws)가 30㎛∼100㎜이며, 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서 인접하는 상기 절개 세그먼트의 기하 형상이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 각 절개가 직선상으로 형성되고, 상기 각 강화 섬유 세그먼트의 길이(L)가 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재.
  12. 실질적으로 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 상기 강화 섬유에 부착되어 있는 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재의 복수매가 적층되어 일체화된 적층 기재로서: 상기 적층된 프리프레그 기재의 적어도 일부가 제 1 항에 기재된 프리프레그 기재이며, 상기 적층된 프리프레그 기재의 상기 강화 섬유의 배열방향이 서로 다른 2방향 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 기재.
  13. 실질적으로 일방향으로 배열된 다수개의 강화 섬유와 상기 강화 섬유에 부착되어 있는 매트릭스 수지로 이루어지는 프리프레그 기재의 복수매가 적층되어 일체화된 적층 기재로서: 상기 적층된 프리프레그 기재의 2장 이상이 서로 인접하는 제 2 항에 기재된 프리프레그 기재로 이루어지고, 상기 인접하는 2장의 프리프레그 기재의 상기 강화 섬유의 배열방향이 서로 실질적으로 동일하며, 상기 인접하는 2장의 프리프레그 기재의 상기 절개 세그먼트의 상기 강화 섬유의 배열방향에 있어서의 배열 간격이 같고, 또한 상기 인접하는 2장의 프리프레그 기재의 한쪽 프리프레그 기재의 상기 절개 세그먼트의 위치와 다른쪽 프리프레그 기재의 상기 절개 세그먼트의 위치가 상기 강화 섬유의 배열방향으로 어긋나 있는 것을 특징으로 하는 적층 기재.
  14. 실질적으로 일방향으로 배열된 강화 섬유로 이루어지는 강화 섬유층이 복수층 적층된 적층체와 매트릭스 수지로 이루어지는 섬유강화 플라스틱으로서: 상기 강화 섬유층의 2층 이상은 서로 상기 강화 섬유의 배열방향이 다른 상태에서 적층되고, 섬유 체적 함유율(Vf)이 45∼65%이며, 상기 강화 섬유층의 1층과 그것에 부수되는 상기 매트릭스 수지로 구성되는 섬유-수지층의 1층 이상의 섬유-수지층이 상기 층의 전면에 상기 강화 섬유가 존재하지 않고 상기 매트릭스 수지 또는 인접층의 상기 강화 섬유가 존재하는 영역으로 이루어지는 복수의 절개 개구부를 갖고, 상기 절개 개구부에 의해 상기 강화 섬유가 분단되며, 분단된 강화 섬유의 강화 섬 유 세그먼트의 길이(L)가 10∼100㎜이며, 상기 절개 개구부의 상기 층의 표면에 있어서의 표면적이 상기 층의 표면적의 0.1∼10%이며, 상기 층의 평균 두께(Hc)가 15∼300㎛인 것을 특징으로 하는 섬유강화 플라스틱.
  15. 제 8 항에 기재된 프리프레그 기재의 제조 방법으로서: 다수개의 강화 섬유를 일방향으로 가지런히 정돈해서 매트릭스 수지를 함침해서 예비 프리프레그를 준비하는 공정과, 준비된 예비 프리프레그에 롤러 외주면에 나선상으로 칼날이 형성된 회전날 롤러를 눌러 접촉시켜 상기 강화 섬유를 절단하는 절개를 상기 예비 프리프레그에 넣는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리프레그 기재의 제조 방법.
  16. 제 12 항에 기재된 적층 기재를 사용하고, 성형 금형에 있어서의 상기 적층 기재의 차지율을 50∼95%로 하며, 상기 적층 기재를 가압 성형하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 플라스틱의 제조 방법.
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