KR20130102090A - 구조용 경편 시트 및 그의 적층체 - Google Patents

Abstract

곡면을 갖는 형상에 대한 추종성, 역학 특성이 우수하고, 후육부의 형성이 가능하고, 또한 양산성이 우수한 성형 방법에의 대응이 가능한, 곡면을 갖는 스퍼 또는 스트링거에 사용되는 경편 시트 및 그의 적층체이며, 지편사에 의해 쇄편 조직을 포함하는 경편 조직이 형성되고, 상기 경편 조직에 종방향으로 삽입되는 종삽입사로서 연속한 탄소 섬유 사조가 삽입되고, 또한 인접하는 상기 쇄편 조직 사이를 왕래하는 방향으로 삽입되는 횡삽입사에 의해 상기 쇄편 조직이 일체화된, 스퍼 또는 스트링거용 경편 시트이며, 상기 종삽입사는, 필라멘트수가 12,000 내지 50,000개, 인장 강도가 4GPa 이상, 인장 탄성률이 220 내지 450GPa, 드레이프값이 4 내지 22인 탄소 섬유 사조이며, 상기 경편 시트 내의 인접하는 종삽입사가, 서로 독립적으로 이동 가능하며, 곡면 형상을 따라 배열할 수 있도록 구성되어 있는, 구조용 경편 시트에 관한 것이다.

Description

구조용 경편 시트 및 그의 적층체{STRUCTURAL WARP KNIT SHEET AND LAMINATE THEREOF}

본 발명은, 구조체를 지지하는 형재(桁材), 특히 날개 구조를 지지하는 스퍼(익형)나 스트링거에 적절하게 사용되는 경편 시트 및 그의 적층체에 관한 것으로, 예를 들어 항공기의 주익 혹은 미익, 헬리콥터 블레이드 또는 풍차 블레이드 등을 형성하는, 곡면을 갖는 스퍼(익형)나 스트링거에 적절하게 사용되는 경편 시트 및 그의 적층체에 관한 것이다.

최근，구조물의 날개 구조(윙, 블레이드)에 있어서는, 그의 대형화 및 경량화가 강하게 요망되고 있다. 예를 들어, 민간 항공기 용도에서는, 연료 효율 향상을 위해 주익의 복합재화가 진행되고, 또한, 풍력 발전의 블레이드에 있어서는, 대형화에 의한 대출력화가 진행되고 있다. 본 요망을 근거로 하여, 특히 경량화가 강하게 요구되는 스퍼나 스트링거에의 탄소 섬유의 적용이 진행되어 왔다(예를 들어, 특허문헌 1, 2).

또한, 날개 구조(윙, 블레이드)는, 고기능화의 요구에 수반하여, 특히 곡면을 갖는 형상으로 성형되는 경우가 많아, 사용되는 부재도 곡면에 대한 추종성이 필수로 되어 왔다. 구체적으로는, 항공기의 주익 혹은 미익, 헬리콥터 블레이드 및 풍차 블레이드 등에서는, 공력 특성의 향상(연비 향상, 회전 효율 향상, 정숙 성 향상 등을 포함)을 위하여, 만곡, 비틀림이라는 곡면을 갖는 형상이 요망된다. 예를 들어, 풍차 블레이드에 있어서는, 그의 공력 성능의 향상을 위하여, 곡면을 갖는 풍차 블레이드의 설계나 실증이 진행되고 있다(예를 들어, 비특허문헌 1).

그러나, 이것에 대응하는 곡면을 갖는 스퍼에, 탄소 섬유 프리프레그나 일반적인 탄소 섬유 직물(예를 들어, 특허문헌 3)을 사용한 것으로는, 인접하는 탄소 섬유 사조가, 탄소 섬유 사조의 섬유 방향이나 섬유축의 직각 방향으로 독립적으로 이동할 수 없어, 주름을 형성하지 않고 곡면 형상을 따라 탄소 섬유 사조를 배열하는 것이 곤란하다는 문제가 있다. 이것은, 특히 곡면부의 곡률 반경이 10m 이하인 경우에 현저해진다. 가령, 탄소 섬유 프리프레그나 일반적인 탄소 섬유 직물을 무리하게 곡면에 적용하고자 해도, 탄소 섬유 사조는 거의 신축할 수 없으므로, 곡면의 내주측과 외주측의 둘레 길이 차에 따라 내주측에 존재하는 탄소 섬유 사조가 남아, 주름이 형성되게 된다. 따라서 복합체(composite)를 원하는 형으로 성형할 수 없거나, 내장되는 주름이 결함으로 되어 역학 특성이 대폭 저하되는 문제가 있다. 이러한 경우에는, 원하는 특성을 얻을 수 없어 대폭적인 중량 상승으로 이어져, 탄소 섬유를 사용하는 의미가 희박해져 버린다.

상기 사정을 감안하여, 곡면을 갖는 스퍼는, 핸드 레이업법으로 형성되고, 수작업에 의지하여 그 둘레 길이 차를 해소하도록, 소량씩 탄소 섬유 사조가 배열되거나, 주름이 형성되는 부분에 절입을 형성하여 불연속 섬유로서 배열하는 것 중 어느 하나에 의해 제조되는 것이 현 상황이었다.

이러한 문제는, 항공기의 날개 구조에서도 마찬가지이며, 스퍼, 스트링거의 복잡한 형상에 추종하여 결점이 없는 성형체를 제조하기 위해, 매우 장시간을 필요로 하고 있었다.

그 외에, 날개 구조에 있어서의 스퍼, 스트링거의 경우에는, 부하되는 대하중을 지지할 필요가 있지만, 이러한 관점에서는, 판 두께를 두껍게, 예를 들어 최대 두께 부분에서 기재를 50 내지 300매 적층하여 형성할 필요가 있다. 그러나, 종래의 일반적인 직물을 기재로 한 경우에는, 이러한 두꺼운 구조체를, 양산성이 우수한 성형 방법(레진·인퓨전 성형 등)에 의해 형성하는 것은 곤란했다.

즉, 곡면을 갖는 스퍼나 스트링거는, 공업 제품화에 큰 과제를 갖고 있으며, 제조 효율 및 복합체 품질을 높이는 양산성이 우수한 성형 방법을 적용할 수 없는 점에 과제가 있었다.

한편, 교각 등의 콘크리트 구조를 보수 보강하는 대표적인 공법으로서, 시공 현장에서 탄소 섬유 시트에 수지를 함침·고화시켜, 소위 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 한 복합 재료에 의해, 콘크리트 구조를 보수 보강하는 탄소 섬유 시트 공법이 알려져 있다. 상기 탄소 섬유 시트로서는, 예를 들어 종방향으로 편성된 경편지에, 소정 간격으로 복수개의 강화 섬유 사조를 경삽입한 경편 시트가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 4 내지 9).

그러나, 상기 특허문헌 4 내지 9를 비롯한 종래의 기술은, 핸드 레이업법에 의한 성형을 적용하는 것이며, 이들 시트를 복수매, 특히 50매 이상 중첩하여 프리폼을 구성하는 것이나, 다량의 시트를 포함하는 적층체의, 곡면을 갖는 구조에의 적용 가능성은 검증되어 있지 않았다. 즉, 곡면을 갖는 프리폼 형상을 다수의 탄소 섬유 시트를 포함하는 적층체에 의해 달성하는 것, 상기 적층체의 제조 효율 및 복합체 품질을 높이는 성형 방법에의 대응에 대해서는, 전혀 고려되지 않은 것이 실상이다.

그로 인해, 날개(윙, 블레이드) 구조의 스퍼나 스트링거에 사용되는 탄소 섬유 시트로서, 특히 곡면을 갖는 프리폼 형상으로 변형되었을 때에 우수한 추종 성능을 발휘함과 함께, 복합체 품질을 높일 수 있는 양산성이 우수한 성형 방법을 적용할 수 있어, 복합체의 원하는 역학 특성을 만족할 수 있는 재료 및 그의 제조 기술이 갈망되고 있다.

국제 공개 제03/093672호 팸플릿 미국 특허 제7427189호 명세서 일본 특허 공개 평10-331047호 공보 일본 특허 공개 평06-101143호 공보 일본 특허 공개 평10-037051호 공보 일본 특허 공개 제2004-360106호 공보 일본 특허 공개 제2006-124945호 공보 일본 특허 공개 제2010-024554호 공보 일본 특허 공개 제2010-043400호 공보

EWEC-2007(European Wind Energy Conference 2007) 프리젠테이션 자료 「Sweep-Twist Adaptive Blade」, Joshua Paquette, 2007년 5월 7일

본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결하여, 탄소 섬유 시트로서, 곡면을 갖는 형상에 대한 추종성 및 주름을 억제하는 것에 의한 복합체의 역학 특성이 우수할 뿐만 아니라, 후육부의 형성이 가능하고, 또한, 양산성이 우수한 성형 방법에의 대응을 가능하게 하는, 곡면을 갖는 스퍼(익형)나 스트링거에 사용되는 경편 시트 및 그의 적층체를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 구성을 채용한다.

(1) 지편사에 의해 쇄편 조직을 포함하는 경편 조직이 형성되고, 상기 경편 조직에 종방향으로 삽입되는 종삽입사로서 연속한 탄소 섬유 사조가 삽입되고, 또한, 인접하는 상기 쇄편 조직 사이를 왕래하는 방향으로 삽입되는 횡삽입사에 의해 상기 쇄편 조직이 일체화된, 스퍼 또는 스트링거용 경편 시트이며, 상기 종삽입사는, 필라멘트수가 12,000 내지 50,000개, 인장 강도가 4GPa 이상, 인장 탄성률이 220 내지 450GPa, 드레이프값이 4 내지 22인 탄소 섬유 사조이며, 상기 경편 시트 내의 인접하는 종삽입사가, 서로 독립적으로 이동 가능하며, 곡면 형상을 따라 배열할 수 있도록 구성되어 있는, 구조용 경편 시트.

(2) 상기 탄소 섬유 사조의 최대 이동 가능 거리가 0.5 내지 10mm이며, 반경 0.1m의 반구체에 상기 구조용 경편 시트를 배치했을 때에, 상기 탄소 섬유 사조를 그의 반구체의 곡면 형상을 따라 배열할 수 있도록 구성되어 있는, 상기 (1)에 기재된 구조용 경편 시트.

(3) 상기 지편사 및 상기 횡삽입사 중 적어도 한쪽이, 권축 가공사 또는 커버링사인, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 구조용 경편 시트.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 구조용 경편 시트가 최대 두께 부분에서 50 내지 300매의 범위 내로 적층됨과 함께, 상기 구조용 경편 시트끼리의 부분적으로 접착 및/또는 봉합되어 형성된 경편 시트 적층체이며, 상기 탄소 섬유 사조는 곡면부의 최소 곡률 반경이 0.1 내지 10m 범위의 곡면 형상을 따라 배열되어 있고, 상기 경편 시트 적층체를 구성하는 구조용 경편 시트의 50중량％ 이상의 구조용 경편 시트는, 상기 경편 시트 적층체의 길이 방향과 상기 종삽입사의 섬유 축방향이 대략 일치하도록 배치되어 있는, 경편 시트 적층체.

(5) 상기 구조용 경편 시트의 적어도 표면에 바인더가 배치되어 있고, 적층된 경편 시트끼리의 부분적인 접착이 상기 바인더에 의해 이루어져 있는, 상기 (4)에 기재된 경편 시트 적층체.

본 발명의 스퍼 또는 스트링거용 경편 시트에 있어서는, 지편사에 의해 쇄편 조직을 포함하는 경편 조직이 형성되고, 상기 경편 조직의 종방향으로 연속한 탄소 섬유 사조가 종삽입사로서 삽입되고, 또한, 인접하는 상기 쇄편 조직 사이를 왕래하는 방향으로 횡삽입사가 삽입되어 상기 쇄편 조직이 일체화되어 있다. 그 외에, 상기 종삽입사는, 필라멘트수가 12,000 내지 50,000개이고, 인장 강도가 4GPa 이상, 인장 탄성률이 220 내지 450GPa인 탄소 섬유 사조를 포함함과 함께, 상기 탄소 섬유 사조의 드레이프값이 4 내지 22이며, 상기 경편 시트 내의 인접하는 종삽입사가, 서로 독립적으로 이동할 수 있다. 그로 인해, 이러한 경편 시트는, 곡면을 갖는 형상으로 용이하게 추종시킬 수 있다. 예를 들어 반경 0.1m의 반구체에 본 발명의 경편 시트를 배치했을 때에는, 상기 경편 시트가 주름을 형성하지 않고, 또한, 종삽입사의 간격에 불균일을 발생시키지 않고, 상기 경편 시트를 곡면 형상을 따라 변형시킬 수 있고, 또한, 그 때, 탄소 섬유 사조를 균등하게 배열할 수 있다.

그 외에, 상기 경편 시트는, 예를 들어 소정 매수를 적층하면서 곡면을 갖는 형상을 따르도록 변형되고, 또한 그것을 복수층 적층함으로써, 상기 경편 시트의 최대 적층수가 50 내지 300매의 범위의, 곡면 형상을 갖는 적층체, 나아가 역학 특성이 우수한 복합체를 얻을 수 있다. 그로 인해, 스퍼나 스트링거, 특히 스퍼 캡 부분 등에 적합한 복합체를 얻을 수 있다. 이때, 상기 경편 시트의 적어도 표면에 바인더를 배치해 두고, 소정 매수를 적층한 후에 상기 경편 시트끼리를 이러한 바인더에 의해 부분적으로 접착할 수도 있다. 또한, 소정 매수를 적층한 후에, 필요에 따라 그들을 봉합할 수도 있다. 이렇게 접착 혹은 봉합함으로써, 후육부의 형성이 가능하고, 또한, 제조 효율 및 복합체 품질을 높일 수 있는, 레진·인퓨전 성형이나 레진 트랜스퍼 몰딩 등의 양산성이 우수한 성형 방법에의 대응이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 경편 시트의 일 실시 형태를 도시하는 개략 평면도이다.
도 2a는 탄소 섬유 사조의 드레이프성을 측정하는 데 있어서 행하는 전처리의 모식도이다.
도 2b는 탄소 섬유 사조의 드레이프성을 측정하는 장치의 개략 모식도이다.
도 3은 경편 시트의 곡면 추종성을 평가하기 위한 반구형 맨드럴의 개략 사시도이다.
도 4는 본 발명의 스퍼용 적층체의 일 실시 형태를 도시하는 개략 사시도이다.
도 5는 본 발명의 스퍼용 적층체의 다른 실시 형태를 도시하는 개략 사시도이다.
도 6은 도 4에 도시하는 스퍼용 적층체의 개략 평면도이다.
도 7은 도 5에 도시하는 스퍼용 적층체의 개략 평면도이다.

본 발명의 구조용 경편 시트(이하, 「경편 시트」라고 칭하는 경우도 있음)는, 지편사에 의해 쇄편 조직을 포함하는 경편 조직이 형성되고, 상기 경편 조직의 종방향으로, 연속된 탄소 섬유 사조가 종삽입사로서 삽입되고, 또한, 인접하는 상기 쇄편 조직 사이를 왕래하도록 횡삽입사가 삽입되어, 상기 쇄편 조직이 일체화되어 이루어진다. 상기 경편 시트에 있어서는, 인접하는 탄소 섬유 사조가 서로 독립적으로 이동 가능하고, 상기 경편 시트가 주름을 형성하지 않고, 곡면 형상을 따라 탄소 섬유 사조가 배열되도록 구성되어 있다. 또한，이러한 곡면 형상이란, 경편 시트를, 어떤 평면 내(X-Y 방향, X-Z 방향 혹은 Y-Z 방향의 면)에서 예를 들어 도 4에 도시한 바와 같이 궁형으로 변형시키거나(이하, 만곡이라고 함), 공간 내(X-Y-Z 방향)에서 비틀리게 되어, 종이를 접지 않고 구부려 형성하려고 하면 주름이 잡히는 형상을 가리킨다.

이하, 본 발명의 경편 시트의 바람직한 실시 형태에 대해, 도면을 이용하여 설명한다.

도 １은 본 발명의 구조용 경편 시트의 일 실시 형태를 도시하는 개략 평면도이다.

도 1에 도시하는 경편 시트(10)에 있어서는, 종방향(길이 방향 또는 섬유 방향이라고도 칭함)으로 배치된 탄소 섬유 사조를 포함하는 종삽입사(3)와, 상기 종삽입사와 동일한 방향으로, 상기 종삽입사를 포위 속박하도록 경편 조직된 지편사 (4)가, 인접하는 상기 경편 조직 사이를 왕래하는 횡삽입사(5)에 의해 일체화되어 있다. 이때, 인접하는 종삽입사(3) 사이에는, 간극(2)이 형성되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 상기 탄소 섬유 사조는, 종삽입사와 동일한 방향으로 편성된 경편 조직에 의해 포위 속박되어 있지만, 경편 조직측에서 보면 상기 쇄편 조직에 삽입되어 있으므로, 종삽입사라고 불린다. 이와 같이, 탄소 섬유 사조가 경편 조직으로 포위 속박되어 집속됨으로써 최종적으로 발상의 경편 시트가 얻어진다.

상기 종삽입사와 경편 조직은 서로 한 쌍이며, 종삽입사와 그것과 동일 갯수의 경편 조직은, 그들의 길이 방향이 경편 시트의 종방향으로 되도록, 병렬로 배열되어 있다. 상기 종삽입사와 경편 조직은, 경편 시트의 종방향으로 연속성을 갖는 한편, 이들만으로는 경편 시트의 횡방향(폭 방향)에 대한 연속성을 갖지 않는다. 그로 인해, 경편 시트로 하기 위해서는, 상기 종방향으로 교차하는 횡방향으로 연속성을 부여할 필요가 있다. 이러한 기능을 담당하는 것이 횡삽입사(5)이다. 상기 횡삽입사는, 전술한 복수의 경편 조직을 횡방향으로 연결하여 시트를 형성하는 역할을 한다. 즉, 상기 횡삽입사(5)의 존재에 의해, 인접하는 지편사(4), 또한 상기 지편사(4)에 의해 구속되어 있는 종삽입사(3)가 일체화되고, 종삽입사(3) 사이에 간극(2)을 갖는 발상의 경편 시트가 형성된다. 이러한 간극(2)은, 레진·트랜스퍼 성형이나 레진·인퓨전 성형 시에 매트릭스 수지의 유로가 되어, 그 함침을 촉진시키는 기능을 한다.

구체적으로, 도 1에 도시한 지편사(4)의 경편 조직은, 3 내지 10코스/㎝로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 범위 내이면, 경편 시트를 곡면 형상으로 변형했을 때, 상기 경편 시트는 그 곡면 형상의 내경과 외경의 둘레 길이 차를 용이하게 흡수하는 것이 가능하게 된다. 경편 조직의 편밀도는, 단위 길이(㎝)당 루프수(코스)로 표현되고, 값이 커질수록 보다 세밀한 조직으로 되고, 값이 작을수록 보다 거친 조직이 형성된다. 상기 경편 조직은 종삽입사를 포위 속박하는 형태로 형성되어 있고, 상기 편밀도가 종삽입사의 집속성, 진직성에 직접 영향을 미친다. 이들 특성은, 경편 시트 내지 복합체에 있어서의, 역학 특성, 매트릭스 수지의 함침성에 반영되는 점에서, 적절한 밀도 설계가 요구된다. 편밀도가 보다 클수록, 즉, 상기 단위 「코스/㎝」의 수치가 클수록, 종삽입사의 집속성, 진직성은 높아지고, 취급성, 복합체의 역학 특성은 향상되는 경향이 있기는 하지만, 유연성, 부형성 및 매트릭스 수지 함침성은 저하되는 경향이 있다. 예를 들어, 경편 시트의 취급성의 관점에서는, 쇄편 조직의 편밀도를 크게 하는 것이 바람직한 한편, 경편 조직의 편밀도를 지나치게 크게 하면 곡면을 갖는 형상에 대한 추종성이 저하된다. 또한, 경편 시트에 매트릭스 수지를 함침시키는 경우, 경편 조직의 편밀도를 지나치게 크게 하면, 탄소 섬유 사조 내에 매트릭스 수지가 충분히 함침되지 않고 보이드나 미함침부를 형성하거나, 또한, 지편사인 경편 조직에 의한 탄소 섬유 사조의 표면 피복률이 지나치게 높아져, 탄소 섬유 사조와 매트릭스 수지의 접착성이 저해되거나 하여, 보강 효과를 손상시키는 것으로 이어진다. 즉, 편밀도를 올려 가면, 진직성 향상에 의해 복합체 특성은 향상되지만, 편밀도를 지나치게 올리면 복합체 특성은 저하되는 경향을 나타낸다. 한편 편밀도가 지나치게 작으면, 즉, 상기 단위 「코스/㎝」의 수치가 지나치게 작으면, 탄소 섬유 사조의 크림프나 굴곡을 유발하기 때문에, 복합체에 있어서 응력 집중을 유발함으로써 탄소 섬유 사조의 본래의 포텐셜을 발현할 수 없어, 이 경우도 보강 효과를 손상시키는 것으로 이어진다. 생산성의 관점에서는, 편밀도가 커질수록 생산성이 떨어진다. 이들 트레이드 오프의 관계에 있는 각 특성을 종합적으로 감안한 결과, 상술한 바와 같이, 상기 쇄편 조직이 3 내지 10코스/㎝의 범위 내인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5 내지 9코스/㎝의 범위 내이다. 또한，경편 조직으로서는 쇄편 조직이다.

지편사(4)는, 합성 섬유의 권축 가공사나 커버링사로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 구성이면, 종삽입사(3)인 탄소 섬유 사조의 크림프나 굴곡을 최소한으로 할 수 있어, 인접하는 탄소 섬유 사조가 종방향으로 독립적으로 움직이기 쉬워진다. 또한, 상술한 독립된 움직임에 의해, 곡면을 갖는 형상의 내경과 외경의 둘레 길이 차를 용이하게 흡수하는 것이 가능하게 된다.

종삽입사(3)로서 사용되는 탄소 섬유 사조로서는, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유, 셀룰로오스계 탄소 섬유 및 이들 2종류 이상을 포함하는 사조 등을 바람직하게 사용할 수 있다. 복합 재료의 강도나 탄성률을 더욱 중요시하는 경우에는, 이들 중에서도 PAN계 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 효과는, 특히 굵은 총 섬도의 탄소 섬유 사조를 사용한 경우에 현저해지기 때문에, 탄소 섬유 사조의 필라멘트수는 12,000 내지 50,000개이며, 바람직하게는 24,000 내지 50,000개이다. 또한, 본 발명에 사용하는 탄소 섬유 사조는, 총 섬도가 400 내지 4,000텍스(tex)인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 650 내지 4,000텍스이다. 이러한 태섬도의 탄소 섬유 사조는, 생산성 높게 경편 시트를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 저렴하게 입수할 수 있다.

탄소 섬유 사조의 인장 세기(강도)는 4GPa 이상이고, 인장 탄성률은 220GPa 이상 450GPa 이하이다. 일반적으로 구조 재료로서는, 인장 세기, 인장 탄성률 모두 높은 쪽이 좋지만, 인장 탄성률이 450GPa를 초과하면, 비틀림이나 압축 변형에 대한 강도가 부족하거나, 가격이 높아지거나 하므로, 바람직하지 않다. 인장 강도는, 현 시점에서 6.55GPa를 초과하는 탄소 섬유 사조를 입수하는 것이 용이하지 않기 때문에, 6.5GPa 이하가 바람직하다.

여기서, 탄소 섬유 사조의 인장 강도, 인장 탄성률은, 스트랜드 상태에서 측정한 것이며, 다음과 같이 하여 측정한다. 에폭시 수지로서 ERL4221(다우 케미컬 니혼(주）제조)/삼불화붕소모노에틸아민(BF₃·MEA)/아세톤=100/3/4부로 이루어지는 수지를 탄소 섬유 다발에 함침하고, 얻어진 수지 함침 스트랜드를 130℃에서 30분간 가열하여 경화시킨 후, JIS R7608(2007)에 규정하는 수지 함침 스트랜드 시험법으로 측정한다.

또한, 탄소 섬유 사조는, 후술하는 방법으로 측정되는 드레이프값이 4 내지 22일 필요가 있고, 바람직하게는 6 내지 20이다. 22를 초과하면 실 다발이 너무 딱딱해지기 때문에, 경편 시트의 곡면에 대한 추종성이 악화되는 경향이 있고, 쇄편 조직의 코스수를 저하시켜 대응하려고 해도 개선이 곤란해진다. 또한, 4 미만이면 사조가 적층 시나, 수지 함침 시에 변형되어, 적층성이 저하되어, 복합체 특성이 저하된다. 쇄편 조직의 코스수를 증가시켜 그들을 개선하고자 해도, 수지 함침성의 악화 등 새로운 문제가 발생해 버리기 때문에 바람직하지 않다.

드레이프값은, 탄소 섬유 사조의 총 섬도, 단사 섬도, 필라멘트수를 정하면, 사용하는 사이징제의 종류, 부착량, 사이징제 부여 시의 건조 방법, 사폭 등을 조정함으로써 4 내지 22의 범위로 할 수 있다.

구체적으로는, 우선 사용하는 매트릭스 수지에 적합한 사이징을 선정하고, 사이징제를 수분산액, 혹은 수용액으로 한다. 탄소 섬유 사조를 사이징욕 중에 침지하고, 수분을 건조시킬 때에 그의 사폭을 고정하고, 건조 후의 사조가 원하는 드레이프값으로 되도록 조정한다. 열풍 순환식 건조로에서 탄소 섬유 사조를 건조하는 경우는, 건조기에 사조를 도입할 때, 사폭 규제 가이드를 사용하여 그의 형상과 장력을 조정한다. 또한 핫 드럼에 접촉시켜 건조하는 경우는, 사조 장력을 조정하여, 건조 온도·시간에 의해 원하는 드레이프값에 맞추면 된다.

탄소 섬유 사조의 드레이프값은, JIS L1096(2010) 「직물 및 편물의 생지 시험 방법」 8.21 강연도 B법(슬라이드법)과 유사한, 도 2a, 도 2b에 도시한 하기 방법에 의해 측정한다.

즉, 도 2a에 도시한 바와 같이, 약 50㎝로 커트된 탄소 섬유 사조 F의 시료를, 온도 23℃, 습도 60％의 분위기 하에서 0.0375gf(0.000368N)/텍스의 장력으로 30분 이상 방치한다. 그 시료를 약 30㎝의 길이로 절단하고, 그의 일단부를 사각 기둥 A의 상면에 외팔보 지지 상태로 바닥면과 평행하게 되고, 탄소 섬유 사조 F가, 사각 기둥 A의 측면에 대하여 직각으로 되도록, 또한, 사각 기둥 A의 측면부터, 탄소 섬유 다발 F의 선단까지의 길이가 25㎝로 되도록 평판 B(도시 생략)에 더하여 고정한다. 그 후, 평판 B만을 재빨리 제거하고, 1초 후에 중력에 의해 현수된 탄소 섬유 사조 F의 선단과 사각 기둥 A의 측면이 이루는 가장 가까운 거리 X(㎝)를 측정한다(도 2b). 측정하는 사조 갯수는 10개로 하고 이러한 10개의 거리X(㎝)의 평균값을 드레이프값으로 한다.

종삽입사의 삽입 갯수는 25mm당 3 내지 12개가 바람직하다. 또한 다른 관점에서는, 경편 시트에 있어서의 종삽입사의 단위 면적당 중량은 190 내지 800g/㎡, 바람직하게는 250 내지 500g/㎡이다. 본 범위의 단위 면적당 중량이면, 취급성 및 성형 시의 수지 함침성이 우수한 경편 시트를 얻을 수 있다.

또한, 도 1에 도시하는 횡삽입사(5)는, 인접하는 쇄편 조직 사이를 왕래하는 빈도가 2 내지 30코스동안 1회(즉 1 왕복)인 것이 바람직하고, 또한 3 내지 10코스동안 1회인 것이 보다 바람직하다. 이하, 횡삽입사가 인접하는 쇄편 조직 사이를 왕래하는 빈도의 역수를 횡삽입사 간격이라고 칭하기로 한다. 즉, 횡삽입사가, 인접하는 쇄편 조직 사이를 왕래하는 빈도가 3코스동안 1회인 경우, 위사 삽입사 간격은 3코스/회이다. 상술한 바와 같이, 횡삽입사는 종삽입사 및 경편 조직을 경편 시트의 횡방향으로 연결하는 기능을 담당하고, 경편 시트의 형태를 유지하는 데 있어서 중요한 역할을 한다. 위사 삽입사 간격이 작을수록, 인접하는 경편 조직 사이를 연결하는 횡삽입사의 양이 증가하기 때문에, 경편 시트의 형태 유지 기능도 향상한다. 이 경우, 인접하는 종삽입사끼리의 진직성, 평행성도 향상하고, 보강 효과의 관점에서도 바람직하지만, 위사 삽입사 간격이 2코스/회 미만으로 되면, 위사 삽입사가 인접하는 탄소 섬유 사조의 종방향으로 독립된 움직임을 억제해 버린다. 한편, 위사 삽입사 간격이 30코스/회를 초과하면, 긴 경편 시트를 잘라내어 사용하는 경우, 단위 길이당 배치되는 횡삽입사의 양이 적어 형태 안정성, 취급성이 떨어지고, 인접하는 종삽입사끼리의 평행도를 유지할 수 없는 데다가, 보강 방향에 대하여 원하는 보강 효과를 확보할 수 없는 경우가 있다. 즉, 횡삽입사(5)의 횡삽입사 간격이 상기 범위 내이면, 마찬가지로 인접하는 탄소 섬유 사조가 종방향으로 독립적으로 움직이기 쉽게 할 수 있어, 곡면 형상의 내경과 외경의 둘레 길이차를 용이하게 흡수하는 것이 가능하게 된다.

횡삽입사(5)로서는, 유리 섬유나, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 아라미드 섬유 등의 합성 섬유 필라멘트 등을 사용할 수 있지만, 합성 섬유의 권축 가공사나 커버링한 폴리우레탄 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 권축 가공사란, 일례로서 합성 섬유를 포함하는 사조에 꼬임 처리를 하고 열처리한 후 해연함으로써, 큰 부피(벌키)로 되도록 가공된 것이며, 큰 부피 때문에 섬유 길이 방향으로 인장했을 때에 우수한 신축성을 나타낸다. 합성 섬유의 권축 가공사는, 신축성의 정도로서 권축 가공사의 벌키성을 나타내는 지표인 신축 복원율(CR)이, 10 내지 60％의 범위 내인 것이 바람직하다. 신축 복원율이 상기 범위의 권축 가공사를 상기 횡삽입사에 적용함으로써, 경편 시트의 횡방향의 신축성을 보다 우수한 것으로 할 수 있고, 경편 시트의 유연성, 부형성을 향상시킬 수 있다. 신축 복원율(CR)이란, JIS L1013(2010)에 의해 측정하는 값이다.

권축 가공사로서 사용하는 합성 섬유로서는, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 아라미드 섬유, 폴리아릴레이트 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, PBO 섬유 등이 바람직하다. 이러한 합성 섬유를 사용함으로써, 경편 시트의 제조 공정에서의 공정 통과성이 양호해져, 보풀이나 실 끊어짐의 발생을 억제하는 효과가 예상된다. 그 중에서도 특히 저렴하고 치수 안정성도 우수한 폴리에스테르 섬유가 바람직하다. 권축 가공사의 섬도로서는, 편성 시의 실 끊어짐과 같은 정기(停機) 원인을 최소한으로 억제하기 위해, 1.5 내지 150텍스인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3.0 내지 100텍스, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 50텍스이다.

지편사(4)로서는, 상술한 횡삽입사(5)와 마찬가지로, 유리 섬유나 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 아라미드 섬유, 폴리아릴레이트 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, PBO 섬유 등이 바람직하다. 그 중에서도 특히 저렴하고 치수 안정성도 우수한 폴리에스테르 섬유가 바람직하다. 형태에 대해서도 특별히 제한되는 것은 아니며, 필라멘트나 방적사 등 어느 것이든 좋지만, 기재 표면의 평활성이 얻어지기 때문에, 멀티 필라멘트사가 바람직하다. 또한, 횡삽입사와 마찬가지로, 권축 가공사나 커버링한 폴리우레탄 섬유도 바람직하다. 예를 들어 권축 가공사의 경우에는, 권축 가공을 하지 않은 실에 비하여 신축성이 큰 점에서 종삽입사를 소프트하게 집속시킬 수 있다. 그로 인해, 종삽입사인 탄소 섬유 사조 내로의 매트릭스 수지의 함침성이 우수하다는 이점이 있다. 섬도로서는, 편성 시의 실 끊어짐과 같은 정기 원인을 최소한으로 억제하기 위해, 대략 1.5 내지 150텍스 정도의 합성 섬유 중에서 적절히 선택하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3.0 내지 100텍스, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 50텍스이다.

경편 시트의 형태로서는, 형성하는 곡면을 갖는 스트링거나 스퍼의 구조에 따라, 사용 길이, 사용 폭도 다양하지만, 일반적으로 150 내지 1300mm 폭의 두루마리인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 300 내지 600mm 폭의 두루마리이다. 이러한 폭의 범위 내에서 경편 시트가 두루마리로 되어 있으면, 후술하는 적층 시에 폭 방향으로 커트하는 수고를 최소한으로 할 수 있으며, 또한, 길이 방향으로 커트할 때도 그 수고를 감소시킬 수 있고, 또한 시트 적층의 공정을 자동화하는 것이 용이해진다.

또한, 본 발명의 경편 시트는, 시트 내의 인접하는 종삽입사인 탄소 섬유 사조 각각이 지편사로 체결되면서, 횡삽입사로 걸리는 지편사가 일체화됨으로써, 인접하는 종삽입사가 서로 일체화되어 있지만, 상기 구성을 취함으로써 시트 내의 인접하는 탄소 섬유 사조가 서로 독립적으로 이동 가능하게 된다. 이 탄소 섬유 사조의 이동 가능한 거리의 최대값은 0.5 내지 10mm인 것이 바람직하다.

여기서, 이동 가능한 거리의 최대값은, 이하와 같은 방법으로 측정한 것이다.

(1) 경편 시트를 한 변이 25㎝인 사각 형상으로 절단한다. 이때, 사각형 2편(片)을 섬유 방향에 평행해지도록 한다.

(2) 절단한 사각형의 경편 시트를, 사조에 장력이 작용하지 않는 상태에서 평판 상에 정치한다.

(3) 경편 시트의 폭 방향(섬유 방향에 직교하는 방향)에서 거의 중앙에 있는 종삽입사 1개를 선정하여, 그 양단을 손으로 고정하고, 인접하는 종삽입사를 평판 상에서 고정되어 있는 종삽입사로부터 이격되는 방향으로 움직이게 했을 때에 얻어지는 사조간의 최대값을 계측한다. 1개의 경편 시트에 대하여 5회 계측하여, 그 평균값을 최대 이동 가능 거리로 한다.

또한 이 측정은, 횡삽입사에 영구 변형을 일으키지 않는 범위에서, 종삽입사를 분리할 수 있는 최대 거리를 계측한다.

해당 최대 이동 가능 거리가 0.5mm 미만이면 곡면에 대한 추종성이 충분하지 않고, 또한 성형 시의 수지 함침성이 저하된다. 해당 최대 이동 가능 거리가 10mm를 초과하면, 변형성이 지나치게 커져 형태 유지가 곤란해짐과 함께, 단위 면적당 중량 불균일을 발생시키기 쉬워 복합체의 기계 특성이 저하되기 쉽다는 문제가 있다. 더욱 바람직한 최대 이동 가능 거리는 1mm 내지 5mm이다.

또한, 이러한 바람직한 양태의 경편 시트는, 반경 0.1m의 반구체에 시트를 배치했을 때에, 그의 반구체의 곡면 형상을 따라 종삽입사가 배열된다. 여기서 곡면 형상을 따라 배열된다는 것은, 구체적으로는 섬유 방향을 한 변으로 하고 한 변을 35㎝로 잘라낸 시트를, 도 3에 도시한 바와 같은, 평판대 위에 고정한 반경 0.1m의 반구체의 맨드럴을 따르도록 배치했을 때에, 주름을 형성하지 않고 상기 시트를 밀착할 수 있는 것을 의미하고 있다. 여기서, 「주름을 형성하지 않는다」란, 경편 시트를 구성하는 종삽입사가, 부형하고자 하는 면(맨드럴)에 대하여 추종하는 것을 의미하고, 느슨해지거나 줄어들거나 하여 부분적으로 들뜨거나, 무리하게 맨드럴에 밀착시켜 종삽입사에 절곡이 발생하거나 하는 일이 없는 것을 의미한다. 즉, 이하의 스텝에서 경편 시트를 맨드럴에 밀착하고자 했을 때에, 모든 종삽입사에 구부러짐을 발생시키지 않아, 맨드럴에 밀착할 수 있는 상태를 의미한다.

(i) 한 변이 35㎝인 경편 시트의 폭 방향 거의 중앙부에 있는 종삽입사의 0° 방향을, 반원구에 밀착하여 따르게 한다.

(ii) 그 상태에서, 상기 폭 방향 거의 중앙부에 있는 종삽입사에 대하여 90° 방향으로, 시트를 반원구를 따르게 한다.

(iii) 그 후, 그 이외의 부분을 맨드럴에 밀착시킬 때에, 0° 방향의 실은 움직이지 않게 하고, 90° 방향의 실은 종삽입사를 절곡하지 않도록, 종삽입사의 간격을 조정하면서, 맨드럴에 밀착시킨다.

이상과 같은 본 발명의 경편 시트는, 예를 들어 후술하는 바와 같이 적층되어 사용된다. 그로 인해, 조직의 형태 유지를 보조하거나 시트와 시트의 일체화를 보조하여 취급성을 높이기 때문에, 종삽입사, 쇄편 조직 및 횡삽입사를 부분적으로 고착하는 것이 바람직하다. 또한, 적층된 경편 시트끼리 부분적으로 접착하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 상기 경편 시트의 적어도 시트 표면에는 바인더를 부분적으로 배치하고, 상기 바인더를 상기 경편 시트 자체에 융착시키거나, 경편 시트를 적층한 후에 상기 바인더를 융착시켜 층간을 접착하는 것이 바람직하다.

이러한 바인더의 부착 형태로서는, 점상, 선상 또는 불연속 선상을 예로 들 수 있다. 점상으로 부착시키기 위해서는, 입자 형태의 바인더를 경편 시트 표면에 산포하고, 열융착시키면 된다. 또한, 선상 또는 불연속 선상으로 부착시키기 위해서는, 바인더 성분을 포함하는 부직포나 직물 등의 포백을 일단 제작한 후, 경편 시트 표면에 접합하여 열융착시키거나, 경편 시트 제작 시에 매듭실로서 경편 시트 내에 배치하면 된다.

이러한 바인더로서는, 열경화성 수지 혹은 열가소성 수지 또는 그들의 혼합물을 사용할 수 있다. 열경화성 수지 혹은 열가소성 수지를 각각 단독으로 사용할 수도 있지만, 곡면을 갖는 스퍼 또는 스트링거에 내충격성이 요구되는 경우에 있어서는, 인성이 우수한 열가소성 수지와 열경화성 수지의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 혼합물은, 알맞은 인성을 가지면서 경편 시트에 대한 적절한 접착성을 발현한다.

열경화성 수지로서는, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르수지, 페놀 수지 등이다. 열가소성 수지로서는, 폴리카르보네이트, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥시드, 폴리페닐렌술피드, 폴리아릴레이트, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐포르말 등이다. 그 중에서도, 특히 에폭시 수지, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰으로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 포함하는 구성이면 바람직하다.

매듭실의 적용에 있어서는, 매듭실을 탄소 섬유 사조에 반듯이 정렬시킬 수도 있고, S 또는 Z 방향의 싱글 커버링이나 S 및 Z 방향의 더블 커버링과 같이 매듭실을 미리 탄소 섬유 사조에 나선상으로 감아 두고 나서, 경편 시트를 편성할 수도 있다.

매듭실로서는, 지편사 및 횡삽입사가 용융되지 않는 온도에서 용융되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 지편사 및 횡삽입사에 폴리에스테르 섬유를 포함하는 사조를 사용한 경우는, 폴리에스테르 섬유의 융점 255℃보다도 낮은 융점을 갖는 섬유가 바람직하고, 구체적으로는 융점이 80 내지 200℃인 저융점의 공중합 폴리에스테르 섬유, 공중합 폴리아미드 섬유 및 폴리올레핀 섬유 등이 바람직하게 사용된다.

이들 바인더를 부착시킨 경편 시트는, 원하는 형상으로 커트하고 나서 적어도 시트간을 부분적으로 열융착시키면서, 혹은 자동 설비에 의해 커트하면서 동시에 열융착하여 적층체에 성형되는 것도 바람직하다.

또한 본 발명의 다른 형태로서는, 복수의 경편 시트가 적층된 형태를 유지하기 위해, 부분적으로 재봉실 등을 사용하여 상기 경편 시트끼리 봉합하는 것도 바람직하다. 사용 가능한 재봉실의 재질로서는, 유리 섬유, 탄소 섬유, 폴리아미드나 폴리에스테르 등의 합성 섬유 등이다.

이상과 같은 구조용 경편 시트는, 소정 매수를 적층하고, 그것을 곡면을 갖는 형상 등 원하는 형상으로 변형하여, 스퍼나 스트링거용 적층체로 한다. 또한，한번에 원하는 두께에 상당하는 매수의 경편 시트를 적층하여 부형할 필요는 없고, 복수의 경편 시트로 이루어지는 군을 복수 준비하여, 그들을 별개로 부형하고, 상기 부형한 경편 시트의 군을 겹쳐 스퍼나 스트링거용 적층체로 할 수도 있다.

이하, 본 발명의 경편 시트를 사용한 경편 시트 적층체(이하, 「적층체」라고 칭하는 경우도 있다)의 바람직한 실시 형태에 대해서, 도면을 이용하여 설명한다.

도 ４는 만곡을 갖는 스퍼용 적층체의 일 실시 형태를 도시하는 개략 사시도이다. 도 ５는 비틀림을 갖는 스퍼용 적층체의 일 실시 형태를 도시하는 개략 사시도이다. 도 ６은 도 4에 도시하는, 만곡을 갖는 스퍼용 적층체의 개략 평면도(X-Y 방향)이다. 도 ７은 도 5에 도시하는, 비틀림을 갖는 스퍼용 적층체의 개략 평면도(X-Y 방향)이다.

도 4, 도 6에 있어서의 만곡을 갖는 스퍼용 적층체(20) 및 도 5, 도 7에 있어서의 비틀림을 갖는 스퍼용 적층체(21)는, 상기 경편 시트(10)가 적층되어 변형된 것이며, 본 발명의 적층체의 일 실시 형태이다. 이들 적층체(20, 21)의 제작에 있어서는, 경편 시트 내의 인접하는 탄소 섬유 사조가, 탄소 섬유 사조의 섬유 방향으로 서로 독립적으로 이동 가능하기 때문에, 도 4, 도 5에 도시한 바와 같이, 경편 시트에, 평면 내에서 궁형상으로 만곡하거나 경편 시트에 비틀림이 발생하는 하중이 부하되어도, 이러한 경편 시트에 주름을 발생시키지 않고 인접하는 탄소 섬유 사조가 각각 이동하여, 도 6, 도 7에 도시한 바와 같이, 그들의 상대적인 위치 관계를 바꾸어 형상 변화에 추종한다.

이러한 적층체(20, 21)는, 비행기의 날개나 풍차 블레이드에 부하되는 대하중을 지지하는, 곡면을 갖는 스트링거나 스퍼, 특히 바람직하게는 스퍼 캡을 구성하기 위해, 두껍게 하는 것이 바람직하다. 그로 인해, 상기 경편 시트가 최대 두께 부분에서 50 내지 300매의 범위 내로 적층되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 스트링거나 스퍼를 형성할 때에, 경편 시트의 적층 매수를 부분적으로 변화시키는 경우가 있다. 예를 들어 부하가 가장 작용하는 블레이드 등의 근원 부근에 상당하는 위치에는, 부분적으로 길이 방향 등의 전체 길이에 걸치지 않는 시트편을 적층시키는 경우가 있다. 상기 최대 두께 부분의 적층수란, 그러한 부분적으로 적층되는 시트편을 포함한, 최대 두께 부분의 적층수를 의미한다.

적층체(20, 21)는, 평면 내에서의 만곡부의 최소 곡률 반경 R(예를 들어 도 4에 있어서의 x-y 평면 내에서의 굽힘 상태), 내지 3차원 공간에 있어서의 곡면부의 최소 곡률 반경 R1, R2(이후, 이들 R, R1, R2를 통합하여, 「곡면부의 최소 곡률 반경」이라고 칭함)가 0.1 내지 10m 범위 내이면, 본 발명의 효과가 최대한으로 발현되기 때문에 바람직하다. 즉, 상기와 같은 최소 곡률 반경을 갖는 구조체를 제조할 때에 본 발명의 경편 시트를 사용하여 적층체로 하는 경우에는, 상기 경편 시트 내의 인접하는 탄소 섬유 사조가, 탄소 섬유 사조의 섬유 방향으로 서로 독립적으로 이동한다. 그로 인해, 상기 경편 시트에 주름을 형성하지 않고, 탄소 섬유 사조를 곡면 형상을 따라 배열하는 것이 가능하게 되는 것이다. 또한, 적층체(20, 21)는, 적층체의 길이 방향과 종삽입사의 섬유 축방향이 대략 일치하는 것이 바람직하다.

그리고, 상술한 바와 같이 경편 시트의 적어도 표면에 바인더가 배치되어 있는 경편 시트를 사용하여 적층체를 구성하는 경우에는, 복수의 경편 시트를 적층한 후, 상기 경편 시트간에 개재하는 바인더를 용융하여, 경편 시트끼리 부분적으로 접착하는 것이 바람직하다. 이러한 바인더는, 경편 시트를 적층할 때나, 경편 시트에 매트릭스 수지를 함침시킬 때, 경편 조직 및 횡삽입사의 조직의 붕괴나 해제를 억제할 수 있다. 또한 동시에, 적층된 경편 시트끼리 부분적으로 접착함으로써, 적층체의 취급성이나 형태 안정성을 높일 수 있다. 이때, 바인더가 경편 시트 표면의 전체면을 덮지 않도록 하여, 경편 시트끼리의 접착을 부분적으로 함으로써, 복합체 성형 시에 두께 방향으로의 매트릭스 수지의 함침 저해를 억제할 수 있다. 이 효과는 특히 레진·트랜스퍼 성형이나, 레진·인퓨전 성형에 있어서 현저한 효과를 발휘한다.

본 발명의 경편 시트를 사용한 곡면을 갖는 적층체는, 스퍼, 스트링거 등에 적절하게 사용된다. 특히 강성이 요구되는 스퍼나, 스트링거이면, 그의 캡 부분에 적절하게 사용된다. 또한 특히 스퍼의 캡 부분에 사용될 때에 큰 효과를 발휘한다. 또한, 최소 곡률 반경이 0.1 내지 10m 범위 내의 곡면을 갖는 적층체는, 항공기의 주익 혹은 미익, 헬리콥터 블레이드 또는 풍차 블레이드의 스퍼를 형성하는 데 적절하게 사용된다. 날개 구조(윙, 블레이드)에 있어서는, 그의 대형화, 경량화뿐만 아니라, 그의 공력 특성의 향상(연비 향상, 회전 효율 향상, 정숙성 향상 등을 포함)의 요구에 수반하여, 특히 곡면 형상에 대한 추종성이 요구되고 있으며, 본 발명에 있어서의 적층체는, 이러한 용도에 적절하게 사용할 수 있다.

스퍼의 캡 부분에 상기 경편 시트 적층체를 배치하는 경우, 스퍼의 길이 방향으로 종삽입사의 섬유축을 대략 일치시킨, 소위 탄소 섬유 사조를 0° 방향으로 배열한 경편 시트를 50중량％ 이상, 바람직하게는 80중량％ 이상 포함하는 적층 구성으로 하는 것이 바람직하다. 필요에 따라 탄소 섬유 사조를 다른 각도로 배열한 경편 시트나 유리 섬유 다축 기재 등을 더한 것이면 된다. 여기서, 「스퍼의 길이 방향으로 종삽입사의 섬유축을 대략 일치시킨다」란, 스퍼의 길이 방향과 경편 시트를 구성하는 탄소 섬유 사조의 섬유 배향 방향의 어긋남이 ±5° 이내인 것을 가리킨다.

경편 시트를 포함하는 적층체를 사용하여 스퍼, 스트링거를 제조할 때에는, 적층체에만 수지를 주입·함침, 고화하여 스퍼, 스트링거를 성형할 수도 있고, 수지를 주입하기 전의, 스퍼, 스트링거로 되는 적층체를, 스킨재 등의 다른 부재와 함께 일체화하고, 그 후 수지를 주입·함침, 고화하여 성형할 수도 있다. 성형 방법으로서는, 핸드 레이업법보다도 제조 효율 및 복합체 품질을 높이고, 양산성이 우수한 레진·인퓨전 성형, 레진·트랜스퍼 성형인 것이 바람직하다. 이때, 매트릭스 수지로서 열경화성 수지를 사용하면, 얻어지는 복합체의 역학 특성을 높일 수 있다. 구체적으로는, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 등을 예로서 들 수 있고, 그 중에서 에폭시 수지를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

실시예

종삽입사로서 탄소 섬유 사조(도레이(주）제조 T700SC-24000, 필라멘트수 24000, 섬도 1650텍스, 인장 강도 4.9GPa, 인장 탄성률 230GPa)를 사용하여, 탄소 섬유 사조의 사이징 부착량, 사폭, 사이징 부착 후의 실의 건조 조건을 조정함으로써, 표 1에 나타내는 드레이프성을 갖는 탄소 섬유 사조를 얻었다.

실시예 1 내지 8, 및 비교예 1, 2에서는, 지편사로서 폴리에스테르 권축 가공사(30텍스 CR값 43％)를 사용하여 경편 조직을 편성하고, 상기 경편 조직에 종삽입사(상기 탄소 섬유 사조)를 25mm당 5개(탄소 섬유 단위 면적당 중량 330g/㎡ 상당)의 비율로 삽입함과 함께, 횡삽입사(상기 지편사와 동일한 폴리에스테르 권축 가공사)를 상기 경편 조직을 왕래하도록 삽입하여, 이들을 경편 시트에 일체화하였다.

또한, 비교가 되는 다른 재료 형태로서, T700SC-24000 탄소 섬유(드레이프값 19)를, 평직 조직으로 단위 면적당 중량 330g/㎡로 한 직물(비교예 3)과, 그 직물에 180℃ 경화 에폭시 수지를 38질량％ 함침한 프리프레그(비교예 4)를 사용했다.

여기서 경편 시트 및 평직 직물에 대해서는, 그 양면에 유리 전이점 70℃의 미립자 바인더를 열 부착시켜, 적층성을 향상시켰다.

각 실시예·비교예에 있어서는, 상기와 같은 기재를 필요한 크기로 절단하고, 10플라이(ply)씩 적층한 것을 5개 준비하고, 각각을 곡률 반경 0.1m의 원통에 추종시키고 나서, 합하여 적층하여, 합계 50플라이의 적층체로 했다. 또한，필요 시에는 가열하여 적층했다. 그리고, 드라이 프리폼(실시예 1 내지 8, 비교예 1 내지 3)에 대해서는 180℃ 경화계의 2액 타입 액상 에폭시 수지에 의해 VaRTM(진공압 레진 트랜스퍼 몰딩) 성형을 행하고, 프리프레그(비교예 4)에 대해서는, 진공압 성형을 행하였다. 이 에폭시 수지는, JIS K 7171(2008)에 따라 측정한 3점 굽힘에 의한 경화물 굽힘 탄성률(두께 2mm, 폭 10mm, 길이 60mm의 시험편, 스팬 사이 32mm)이 3.0GPa, JIS K 7113(1995)에 따라 측정한 인장 신장(두께 2mm의 시험편, 인장 속도 1mm/분)이 5％인 고 인성의 것이었다.

이들에 관한 편성·적층·성형 결과를 표 1에 나타낸다. 여기서, 적층 작업성에 대해서는, 적층 시의 기재의 취급성, 기재의 탄소 섬유의 보풀 발생의 상태를 확인하고, 곡면 추종성에 대해서는, 곡면에 추종하도록 변형되어 적층했을 때, 기재의 주름 발생의 유무, 실 간격의 갭 발생의 유무와 성형품의 표면 외관을 확인하여, 각각 양호한 것부터 순서대로, A, B, C, D의 4단계로 랭크를 부여하였다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 경편 시트는, 평직을 베이스로 한 드라이 패브릭이나 프리프레그에 비교하여 개선된 곡면 추종성을 나타내지만, 특히 본 발명의 범위인, 특정한 드레이프값을 갖는 것은, 편성 시나 적층 시의 취급성(표에 있어서의 「적층 작업성」) 및 적층체의 곡면 추종성이 우수한 것을 알았다.

<산업상 이용가능성>

본 발명의 경편 시트에 의하면, 상기 경편 시트 내의 인접하는 탄소 섬유 사조가, 탄소 섬유 사조의 섬유 방향으로 서로 독립적으로 이동할 수 있기 때문에, 상기 경편 시트를 사용하여 곡면 형상을 갖는 적층체를 제작할 때에도 상기 경편 시트가 곡면 형상에 용이하게 추종한다. 또한, 상기 경편 시트에 주름을 형성하지 않고, 탄소 섬유 사조를, 곡면을 갖는 스퍼 형상으로 균등하게 배열할 수 있기 때문에, 역학 특성이 우수한 복합체를 얻을 수 있다.

또한, 상기 적층체를 구성하는 경편 시트의 표면에 바인더가 배치되어 있거나 경편 시트가 서로 봉합되어 있는 경우에는 탄소 섬유 사조의 상기 가동성을 상실하지 않는 범위에서, 적층된 경편 시트끼리 부분적으로 고정할 수 있으므로, 제조 효율 및 복합체 품질을 높이는 성형 방법에의 대응이 가능하게 된다.

따라서, 특히 곡면부의 최소 곡률 반경이 0.1 내지 10m의 범위 내인 항공기 주익 혹은 미익, 헬리콥터 블레이드 또는 풍차 블레이드의 구조용 재료로서 특히 적합하다.

10: 경편 시트
2: 간극
3: 종삽입사(탄소 섬유 사조)
4: 지편사
5: 횡삽입사
20: 만곡을 갖는 스퍼용 적층체
21: 비틀림을 갖는 스퍼용 적층체
R: 평면 내에서의 만곡부의 최소 곡률 반경
R1, R2: 공간에 있어서의 곡면부의 최소 곡률 반경
F: 탄소 섬유 사조
N: 하중
A: 사각 기둥(섬유 유지용)

Claims (5)

1. 지편사에 의해 쇄편 조직을 포함하는 경편 조직이 형성되고, 상기 경편 조직에 종방향으로 삽입되는 종삽입사로서 연속한 탄소 섬유 사조가 삽입되고, 또한, 인접하는 상기 쇄편 조직 사이를 왕래하는 방향으로 삽입되는 횡삽입사에 의해 상기 쇄편 조직이 일체화된, 스퍼 또는 스트링거용 경편 시트이며, 상기 종삽입사는, 필라멘트수가 12,000 내지 50,000개, 인장 강도가 4GPa 이상, 인장 탄성률이 220 내지 450GPa, 드레이프값이 4 내지 22인 탄소 섬유 사조이며, 상기 경편 시트 내의 인접하는 종삽입사가, 서로 독립적으로 이동 가능하며, 곡면 형상을 따라 배열할 수 있도록 구성되어 있는, 구조용 경편 시트.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 사조의 최대 이동 가능 거리가 0.5 내지 10mm이며, 반경 0.1m의 반구체에 상기 구조용 경편 시트를 배치했을 때에, 상기 탄소 섬유 사조를 그의 반구체의 곡면 형상을 따라 배열할 수 있도록 구성되어 있는, 구조용 경편 시트.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지편사 및 상기 횡삽입사 중 적어도 한쪽이, 권축 가공사 또는 커버링사인, 구조용 경편 시트.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 구조용 경편 시트가 최대 두께 부분에서 50 내지 300매의 범위 내로 적층됨과 함께, 상기 구조용 경편 시트끼리 부분적으로 접착 및/또는 봉합되어 형성된 경편 시트 적층체이며, 상기 탄소 섬유 사조는 곡면부의 최소 곡률 반경이 0.1 내지 10m 범위의 곡면 형상을 따라 배열되어 있고, 상기 경편 시트 적층체를 구성하는 구조용 경편 시트의 50중량％ 이상의 구조용 경편 시트는, 상기 경편 시트 적층체의 길이 방향과 상기 종삽입사의 섬유 축방향이 대략 일치하도록 배치되어 있는, 경편 시트 적층체.
5. 제4항에 있어서, 상기 구조용 경편 시트의 적어도 표면에 바인더가 배치되어 있고, 적층된 경편 시트끼리의 부분적인 접착이 상기 바인더에 의해 이루어져 있는, 경편 시트 적층체.

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