KR20130136164A - 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 열가소성 복합소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, GMT 제조용 더블벨트프레스(DBP)에서 연속섬유 강화 프리프레그 시트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-연속섬유 강화 프리프레그 시트의 순서로 순차 적층되게 소재를 공급하는 제1단계; 상기 제1단계에서, 연속섬유 강화 프리프레그 시트에 함유된 강화섬유 중량과상기 연속섬유 강화 프리프레그가 부착되는 측의 강화섬유 매트중량의 합이 상기 연속섬유 강화 프리프레그가 부착되는 반대 측의 강화섬유 매트 중량과 동일하게 유지하는 제2단계; 상기 제2단계 후 라미네이팅존을 통과시키면서 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 용융수지와 강화섬유 매트에 라미네이팅시켜 열가소성 복합소재를 제조하는 제3단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, GMT 이상의 물성을 획득하여충돌 흡수력 향상과 중량 절감을 달성할 수 있어 자동차 부품, 특히 범퍼빔으로써 유용하게 활용되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 열가소성 복합소재{METHOD FOR MANUFACTURING THERMOPLASTIC COMPOSITE USING CONTINUOUS FIBER REINFORCED THERMOPLASTIC PREPREG SHEET AND THERMOPLASTIC COMPOSITEMANUFACTURED BY THAT METHOD}

본발명은 연속섬유 강화 프리프레그(CFRTP) 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 열가소성 복합소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인장강도가 우수한 연속섬유 강화 프리프레그(CFRTP) 시트와 내충격성과 성형성이 우수한 유리섬유 강화 열가소성수지(GMT)를 융복합하여 자동차 부품으로서 강도 및 강성향상과 중량절감에 적합하도록 개량된 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 열가소성 복합소재에 관한 것이다.

일반적으로, 차량용 범퍼빔은 차량의 저속 충돌시 탄성적으로 변형하여 차량의 물리적인 손상을 최초화하기 위한 것으로서, 다른 자동차나 고정체와의 충돌시 그 충격을 흡수하여 탑승자의 안전을 도모하며, 동시에 차체의 변형을 최소화할 수 있도록 자동차 전,후방에 배치되는 완충수단이다.

이러한 범퍼빔은 강도를 높일 경우 중량과 비용이 급증하고, 중량 및 비용을 줄이게 되면 강도가 낮아져 그 기능을 충분히 수행할 수 없게 된다.

이에, 경량화 소재를 사용하면서 강도는 높인 GMT(Glass Mat reinforced Thermoplastic) 소재가 개발된 바 있다.

여기에서, 상기 GMT 소재는 범용 수지인 폴리프로필렌(Polypropylene) 수지와 글래스화이버매트(Glass fiber Mat) 강화재로 이루어진 판상의 복합소재로서, 특히 T-Die를 통해 압출된 용융상태의 폴리프로필렌과 글래스화이버 넌-우번 매트(Glass fiber non-woven Mat)가 직접 함침되어 수지와의 결합력이 우수하고, 글래스(Glass) 자체의 강도가 매트(Mat) 상으로 보강되어 기존의 어떤 소재보다도 우수한 강도를 보이며, 플라스틱 고유의 특성인 경량성, 디자인 자유도는 물론 열가소성수지에서 기인하는 높은 생산성, 재활용성 등의 특징을 갖는 신소재이다.

이와 같은 GMT 소재는 경량화가 가능하고, 충돌에너지의 흡수성이 우수하며, 디자인 자유도가 향상되고, 조립성은 물론 내부식성, 강성, 복원성, 차음성, 제진성, 탄성내충격성 등이 우수하여 범퍼빔, 시트백(Seat Back), 언더커버(Undercover) 등에 사용되고 있다.

그런데, 상기 GMT 소재는 공법상 GMT 자체만으로 추가적인 충돌성능과 중량 절감을 동시에 만족시키는데 한계가 있다.

한편, 연속섬유 강화 프리프레그 시트는 수지(PP: Polypropylene)에 60~80wt%의 연속섬유(유리섬유)를 길이방향으로 보강한 복합소재로서, 매우 높은 인장강도를 지닐 뿐만 아니라 다층 적층을 통해 우수한 고속 충격강도를 요구하는 방탄용 등으로 사용된다.

이러한 연속섬유 강화 프리프레그 시트(Prepreg Sheet)는 GMT 대비 2배 이상의 인장강도를 나타내며, 우수한 고속 충격강도 및 내구성이 요구되는 방탄소재, 컨테이너 벽면소재 등으로 사용된다.

하지만, 성형성이 없어 판상 외의 복잡한 형상 구현이 어려우며, 상대적으로 가격이 높다는 단점이 있다.

본발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 연속섬유 강화 프리프레그(CFRTP) 시트와 GMT의 장점을 융합하여 충돌성능 향상과 중량절감을 동시에 만족하며, 두 소재의 결합시 발생할 수 있는 시트의 휨 변형 문제를 일소시킨 새로운 형태의 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 열가소성 복합소재를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, GMT 제조용 더블벨트프레스(DBP)에서 연속섬유 강화 프리프레그 시트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-연속섬유 강화 프리프레그 시트의 순서로 순차 적층되게 소재를 공급하는 제1단계; 상기 제1단계 후 라미네이팅존을 통과시키면서 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 용융수지와 강화섬유 매트에 라미네이팅시켜 열가소성 복합소재를 제조하는 제2단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 GMT 제조용 더블벨트프레스(DBP)에서 연속섬유 강화 프리프레그 시트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지 또는 용융수지-강화섬유 매트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-섬유 강화 프리프레그 시트의 순서로 순차 적층되게 소재를 공급하는 제1단계; 상기 제1단계에서, 연속섬유 강화 프리프레그 시트에 함유된 강화섬유 중량과 상기 연속섬유 강화 프리프레그가 부착되는 측의 강화섬유 매트 중량의 합이 상기 연속섬유 강화 프리프레그가 부착되는 반대 측의 강화섬유 매트 중량과 동일하게 유지하는 제2단계; 상기 제2단계 후 라미네이팅존을 통과시키면서 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 용융수지와 강화섬유 매트에 라미네이팅시켜 열가소성 복합소재를 제조하는 제3단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법도 제공한다.

이때, 상기 제3단계에서, 열가소성 복합소재에는 유리섬유 총 함유량이 30~60wt% 인 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 제1단계에서, 용융수지는 폴리프로필렌 수지인 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 제1단계에서, 강화섬유 매트는 유리섬유 매트, 탄소섬유 매트, 아라미드섬유 매트 중 어느 하나인 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 본 발명은 상기에 기재된 방법으로 제조되고, 자동차의 범퍼빔 소재로 사용되는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재도 제공한다.

본 발명에 따르면, GMT 이상의 물성을 획득하여 충돌흡수력 향상과 중량 절감을 달성할 수 있어 자동차부품, 특히 범퍼빔으로서 유용하게 활용되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 알려진 프리프레그 시트와 GMT를 단순 접합했을때 유발되는 문제를 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제조방법을 예시한 예시도이다.
도 3은 본 발명 실시예에 따른 복합소재의 층상 구조를 보인 예시적인 단면도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 구체적인 설명에 앞서, 종래 기술에서 설명한 바와 같이 기능과 특성이 우수한 GMT와 프리프레그 시트를 서로 라미네이트하여 사용하면 원하는 물성을 쉽게 달성할 수 있을 것으로 생각할 수 있는데, 이는 다음과 같은 한계로 인해 실현가능성이 극히 낮다.

즉, 도 1의 예시와 같이, GMT(10)와 연속섬유 강화 프리프레그 시트(20)는 서로 다른 수축율(대략 GMT가 프리프레그 시트의 2배 정도임)로 인해 GMT의 유리섬유매트별 중량이 동일한 상태에서 하부에만 프리프레그를 라미네이트시키게 되면 도시와 같이 휨 변형이 발생되기 때문에 이를 제품화하기 어렵다는 한계가 있는 것이다.

본 발명은 이러한 사항들을 충분히 고려하고 검토한 후 완성된 것으로, 유리섬유매트의 레이어별 중량을 다르게 설계함과 아울러 라미네이팅시 배열방식을 달리 적용하여 상술한 한계를 극복하도록 창출된 것이다.

아울러, 본 발명에서 예시적으로 설명되는 유리섬유 혹은 유리섬유매트는 강화섬유 혹은 강화섬유매트의 구체적인 예를 예시적으로 설명한 것에 불과하므로 이에 국한되지 않고, 강화섬유 혹은 강화섬유매트를 구성하는 탄소섬유, 아라미드섬유 등도 포함하는 개념이다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 일 실시예는 도 2의 예시와 같이, 연속섬유 강화 프리프레그시트(Prepreg Sheet)를 기존의 GMT 생산공정에 추가로 투입하여 동일한 공정에서 두 소재를 라미네이트하도록 구성된다.

이 경우, 상기 GMT는 보통 용융수지(200)-유리섬유 매트(210)-용융수지(220)-유리섬유 매트(230)-용융수지(240) 등과 같이 유리섬유가 다수층을 이루도록 적층되어 형성되는데, 층 수는 가변될 수 있다.

그러므로, 소재가 더블벨트프레스(100)를 타고 이동하면서 라미네이팅존(110)에서 라미네이트되어 시트형상의 열가소성 복합소재를 구성할 때, GMT의 최하층(200)과 최상층(240)에 각각 연속섬유 강화 프리프레그 시트(300,310)를 한 층씩 더 투입하여 적층되도록 구성하면, 휨 변형을 일으키는 변형력이 서로 상쇄되므로 휨 변형이 발생되지 않게 되어 가공 불량을 해소할 수 있게 된다.

그런데, 이러한 개념은 가장 쉽게 구성할 수 있음에 반해, 고가의 프리프레그 투입량이 증가하여 제품 단가가증가하는 단점이 있다.

때문에, 프리프레그 투입량과 제품 성능 구현의 최적화가 필요한데, 그러한 예로, 본 발명에서는 도 3의 예시와 같이, GMT를 구성하는 최하층(200)에만 연속섬유 강화 프리프레그 시트(300)를 라미네이트시키되 휨 변형을 방지할 수 있는 방법을 제공한다.

즉, 휨 변형의 발생 원인이 GMT와 연속섬유 강화 프리프레그 시트(300)가 갖는 서로 다른 수축율 때문이므로, 이를 동일하게 맞춰 주면 해소될 수 있다. 다만, GMT와 연속섬유 강화 프리프레그 시트(300)를 구성하는 강화섬유가 서로 동일한 종류여야 한다.

이러한 점을 고려하여, GMT를 구성하는 최하층 유리섬유 매트(210)를 구성하는 유리섬유의 중량과, 연속섬유 강화 프리프레그 시트(300)에 함유되는 유리섬유 중량의 합을 최상층 유리섬유 매트(220)의 유리섬유 중량과서로 동일하게 유지하여 용융수지(220)를 중심으로 상하부의 유리섬유 함량이 같아지도록 라미네이트시키게 되면 수축율이 동일하므로 연속섬유 강화 프리프레그 시트(300)를 한 층만 라미네이트시켜도 휨 변형이 유발되지 않게 된다.

아울러, 상술한 바는 상기 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 GMT의 최하층에만 적용한 것을 설명하고 있으나, 최상층에만 또는 최상층과 최하층에 동시에 적용할 수 있음은 물론이다.

이렇게 하여, 본 발명에 따라 제조된 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재에 함유된 유리섬유(Glass fiber)의 총 함량은 30~60wt%의 범위를 가지며, 인장강도, 인장탄성율, 가공성 및 성형성 측면에서 매우 우수한 복합소재를 구현할 수 있게 된다.

그리고, 이와 같은 복합소재로 성형한 범퍼 백 빔은 기존 소재 적용시 대비 15% 이상 중량을 줄이면서도 충돌 성능을 만족한다.

다시 말해, 연속섬유 강화 프리프레그 시트는 성형성이 낮아 그 자체만으로는 범퍼백빔과 같은 복잡한 형상의 성형이 불가능하지만, 성형성이 우수한 GMT와 라미네이트된 본 발명에 따른 복합소재는 기존과 동일한 성형성을 나타낸다.

잘 알려진 바와 같이, 연속섬유 강화 프리프레그 시트는 보강재로 사용된 유리섬유의 함량이 60~80wt%로 높기 때문에 보강재인 연속섬유를 얇고 넓게 펼쳐 용융된 열가소성수지에 함침하거나, 수지필름을 코팅하여 두께 0.2~0.5mm를 갖는 시트 형태를 이룬다.

이러한 조성상 특징 때문에 연속섬유 강화 프리프레그 시트는 매우 우수한 인장강도를 갖지만, 두께가 얇고 수지함량이 적어 성형성이 매우 낮으므로 범퍼백 빔과 같은 복잡한 형상으로 성형이 불가능하며, 판상 적층이나 단순한 형상 구현만 가능하였던 것이다.

이에 반해, 본 발명에서는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 GMT와 라미네이팅함으로써 프리프레그 시트의 우수한 물성과 GMT의 성형성을 모두 갖춰 기존 각 소재의 한계를 극복하고 장점을 최적화할 수 있게 되어 기존 GMT와 동일한 프레스공정을 거쳐 복잡한 형태의 범퍼백 빔도 성형 가능하다.

본 발명에 따른 복합소재의 물성을 확인하기 위해 유리섬유의 총 함유율별로 시편을 만들고 테스트한 결과, 표 1과 같이 일정범위 내에서 보강재(유리섬유) 함량이 올라갈 수록 물성이 증대되었다.

여기에서, 발명재 3은 기존 GMT UD45와 동일하게 유리섬유 함량이 45wt%로서, 시편 상태에서 인장 강도를 비교한 것이며, 그 결과가 26% 향상되었다는 것을 보여 준다.

그리고, 본 발명에서 범퍼 백 빔을 제조한 것은 발명재 1로 시행하였다.

이때, 발명재 1을 사용한 이유는 GMT를 적용한 범퍼 백 빔 성형이 '부피성형'이기 때문에 기존 GMT와 동일한 비중의 발명재 3을 사용하여 중량을 15% 줄인 범퍼 백 빔을 만들게 되면, 그 만큼 제품 부피도 줄고 따라서 성형된 제품의 부위별 두께가 줄어들게 되어 성능이 나오지 않기 때문이다.

물론, 금형을 개조하여 각 부위별 두께가 최적화 되도록 한다면 발명재 3을 쓰지 못할 이유도 없지만 현 설비의 여건상 이와 같은 금형 개조가 불가하므로 기존 금형을 그대로 사용하기 위해(즉, 부피 변화 최소화를 위해) 발명재 1을 적용하여 테스트하였다.

발명재 1은 기존 GMT 또는 발명재 3 보다 비중이 낮기 때문에 중량이 15% 낮게 투입되더라도 부피 감소가 덜하고 따라서 부위별 두께 감소도 덜하게 되며, 내충격성은 소재 자체의 물성과 치수/형상 등이 복합적으로 영향을 주기 때문에 금형 개조 없이 당장 시행 가능하다.

100 : 더블벨트프레스(DBP) 110 : 라미네이팅존
200,220,240 : 용융수지 210,230 : 유리섬유매트
300,310 : 연속섬유 강화 프리프레그 시트

Claims (6)

1. GMT 제조용 더블벨트프레스(DBP)에서 연속섬유 강화 프리프레그 시트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-연속섬유 강화 프리프레그 시트의 순서로 순차 적층되게 소재를 공급하는 제1단계;
   상기 제1단계 후 라미네이팅존을 통과시키면서 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 용융수지와 강화섬유 매트에 라미네이팅시켜 열가소성 복합소재를 제조하는 제2단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법.
   
2. GMT 제조용 더블벨트프레스(DBP)에서 연속섬유 강화 프리프레그 시트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지 또는 용융수지-강화섬유 매트-용융수지-강화섬유 매트-용융수지-섬유 강화 프리프레그 시트의 순서로 순차 적층되게 소재를 공급하는 제1단계;
   상기 제1단계에서, 연속섬유 강화 프리프레그 시트에 함유된 강화섬유 중량과 상기 연속섬유 강화 프리프레그가 부착되는 측의 강화섬유 매트 중량의 합이 상기 연속섬유 강화 프리프레그가 부착되는 반대 측의 강화섬유 매트 중량과 동일하게 유지하는 제2단계;
   상기 제2단계 후 라미네이팅존을 통과시키면서 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 용융수지와 강화섬유 매트에 라미네이팅시켜 열가소성 복합소재를 제조하는 제3단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법.
   
3. 청구항 2에 있어서;
   상기 제3단계에서, 열가소성 복합소재에는 유리섬유 총 함유량이 30~60wt% 인 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서;
   상기 제1단계에서, 용융수지는 폴리프로필렌 수지인 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서;
   상기 제1단계에서, 강화섬유 매트는 유리섬유 매트, 탄소섬유 매트, 아라미드섬유 매트 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재 제조방법.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 방법으로 제조되고, 자동차의 범퍼빔 소재로 사용되는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 프리프레그 시트를 이용한 열가소성 복합소재.

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