KR20140030224A - 등방성을 유지한 성형체의 제조 방법 - Google Patents

등방성을 유지한 성형체의 제조 방법 Download PDF

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야스노리 나가쿠라
츠카사 아라이
아키히코 오바타
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Abstract

본 발명은, 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유강화 복합재료로 구성되며, 금형에 대한 프리프레그의 충전율이 낮은 상태에서 프레스 성형한 경우에도, 단부까지 섬유의 등방성이 유지된 성형체를 얻을 수 있는 성형체의 제조 방법이다. 구체적으로는, 특정한 랜덤 매트 모양의 강화섬유에 열가소성 수지를 함침시킨 프리프레그를 사용하여, 해당 프리프레그를 특정 조건에서 성형 가공한다.

Description

등방성을 유지한 성형체의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING COMPACT WITH SUSTAINED ISOTROPY}
본 발명은, 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 랜덤 매트(random mat)를 출발 재료로 한, 섬유강화 복합재료로 이루어지는 성형체의 제조 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 금형에 대한 프리프레그의 충전율이 100% 이하인 상태에서 금형을 닫고 프레스 성형한 경우에도, 단부까지 섬유의 등방성이 유지된 성형체를 얻을 수 있는, 성형체의 제조 방법에 관한 것이다.
탄소섬유나 아라미드섬유, 유리섬유 등을 강화섬유로서 이용한 섬유강화 복합재료는, 그 높은 비강도(比强度)·비(比)탄성율을 이용하여, 항공기나 자동차 등의 구조 재료나, 테니스 라켓, 골프 샤프트, 낚싯대 등의 일반 산업이나 스포츠 용도 등에 널리 이용되어 왔다.
이러한 섬유강화 복합재료로 이루어지는 성형체의 성형에 있어서는, 불연속 강화섬유와 수지를 포함하는 기재(基材)를 적층하여 프리 폼을 제작하고, 프리 폼을 금형 캐비티 총면적보다 광범위하게 배치하여 프레스 성형하는 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
그러나 이 성형 방법에서는, 성형체 외주부를 트림할 필요가 있고, 이 때문에 큰 폭의 단재(端材)가 발생하며, 또한, 그 처분에 비용이 소요되었다. 또한, 실질적으로 등방성을 나타내는 일체화 성형품을 얻기 위해서는, 항상 대칭 적층되도록 주의하여야 하며, 프리 폼의 준비 시간 및 성형 가공에 있어서, 배치 방법의 재량도(裁量度)가 낮은 것이었다.
또한, 강화섬유와 수지를 포함하는 조성물을, 사출성형에 의해 성형하여 섬유강화 복합체로 이루어지는 성형체를 얻는 것도 행해져 왔다(특허문헌 2 참조). 그러나 이 방법은, 이른바 장섬유 복합 펠릿을 이용하는 것으로서, 강화섬유의 평균 길이는 5∼15㎜ 정도로, 사출 성형 후의 성형체에 있어서는 강화섬유의 길이는 크게 감소했다.
일본 특개 2010-253938호 공보 일본 특개평 04-193504호 공보
본 발명의 목적은, 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 랜덤 매트로 성형체를 제조하는 방법으로서, 금형에 대한 프리프레그(prepreg)의 충전율이 낮은 상태에서 프레스 성형한 경우에도, 단부까지 섬유의 등방성이 유지된 성형체를 얻을 수 있는 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은, 특정 랜덤 매트 모양의 강화섬유에 열가소성 수지를 함침시킨 프리프레그를 사용하여, 해당 프리프레그를 특정 조건에서 성형하면, 상기 과제를 해결할 수 있음을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 섬유강화 복합재료로 구성되는 성형체의 제조 방법으로서,
1) 평균 섬유 길이 5∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 랜덤 매트를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점(融点) 이상, 열분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상, 열분해 온도 미만의 온도까지 가열하는 것에 의해, 열가소성 수지를 함침시켜 프리프레그를 얻는 프리프레그 제작 공정과,
2) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상, 열분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상, 열분해 온도 미만의 온도로 한 상기 프리프레그를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 온도 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만이 되도록 온도 조절된 금형에, 아래 식 (3)으로 나타내는 충전율이 50% 이상 100% 이하가 되도록 배치하는 프리프레그 배치 공정과,
3) 상기 금형 내에서, 상기 프리프레그를 가압함과 아울러, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만의 온도로 성형을 완결시켜 성형체를 얻는 성형 공정을 포함하며,
상기 랜덤 매트는, 25∼10000g/㎡의 단위면적당 중량으로, 상기 강화섬유가 실질적으로 2차원 랜덤하게 배향되어 있고,
식 (1)에서 정의되는 임계(臨界) 단사(單絲) 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)이, 상기 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대해 20Vol% 이상 99Vol% 미만 포함되어 있으며,
또한, 상기 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)가, 아래 식 (2)을 만족하는 것을 특징으로 하는, 섬유강화 복합재료로 구성되는 성형체의 제조 방법.
임계 단사 수 = 600/D (1)
0.7×104/D2 < N < 1×105/D2 (2)
(식 (1) 및 식 (2) 중, D는 강화섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
충전율(%) = 100×[기재 면적(㎟)/금형 캐비티 투영 면적(㎟)] (3)
(식 (3) 중, 기재 면적이란 배치된 모든 프리프레그의 빠짐 방향(draft direction)에의 투영 면적이며, 금형 캐비티 투영 면적이란 빠짐 방향에의 투영 면적이다)
본 발명의 제조 방법에 의하면, 필요 최소한의 재료를 사용하여 성형체를 성형할 수 있으며, 금형에 대한 프리프레그 충전율이 100% 이하로 되는 상태에서 프레스 성형한 경우에도, 단부까지 섬유의 등방성이 유지된 성형체를 얻는 것이 가능해진다. 따라서 본 발명에 의하면 트림 공정을 생략할 수 있으며, 폐기 재료의 대폭적인 삭감 및 그에 따른 비용 삭감이 가능해진다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 박육(薄肉), 경량, 고강성으로, 의장성이 우수한 성형체가 얻어짐과 아울러, 콜드 프레스에 의해 금형에서의 점유 시간을 줄일 수 있기 때문에, 높은 생산성으로 성형체를 제조하는 것이 가능해진다.
나아가, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 복잡한 3차원 형상의 금형을 이용해도, 형상 추종성이 우수한 성형체를 얻을 수 있고, 단시간에 성형체를 제조할 수 있음과 아울러, 제품 형상에의 트리밍이 불필요한 성형체를 얻는 것이 가능해진다.
도 1은 실시예 1 및 3에 있어서의 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
도 2는 실시예 2에서 사용한 입체 형상의 금형의 모식도이다.
도 3은 실시예 1 및 3에서 얻어진 성형품의 모식도(사시도)이다.
도 4는 실시예 2에 있어서의 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
도 5는 실시예 2에서 얻어진 성형품의 모식도(사시도)이다.
도 6은 실시예 4에 있어서의 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
도 7은 실시예 4에서 얻어진 성형품의 모식도(사시도)이다.
도 8은 금형의 단부(端部) 구조의 설명도이다.
도 9는 실시예 11에 있어서의 금형에의 기재 배치의 모식도이다.
이하에서, 본 발명의 실시 형태에 대해 순차적으로 설명하지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다.
본 발명은, 섬유강화 복합재료로 이루어지는 성형체의 제조 방법으로서,
1) 평균 섬유 길이 5∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 랜덤 매트를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상, 열분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상, 열분해 온도 미만의 온도까지 가열하는 것에 의해, 열가소성 수지를 함침시켜 프리프레그를 얻는 프리프레그 제작 공정과,
2) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상, 열분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상, 열분해 온도 미만의 온도로 한 상기 프리프레그를, 열가소성 수지가 결정성인 경우에는 융점 온도 미만, 비결정성인 경우에는 유리 전이 온도 미만이 되도록 온도 조절된 금형에, 아래 식 (3)으로 나타내는 충전율이 50% 이상 100% 이하가 되도록 배치하는 프리프레그 배치 공정과,
3) 상기 금형 내에서, 상기 프리프레그를 가압함과 아울러, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만의 온도로 성형을 완결시켜 성형체를 얻는 성형 공정을 포함하는 것이다.
충전율(%) = 100×[기재 면적(㎟)/금형 캐비티 투영 면적(㎟)] (3)
(식 (3) 중, 기재 면적이란 배치된 모든 프리프레그의 빼기 방향에의 투영 면적이며, 금형 캐비티 투영 면적이란 빼기 방향에의 투영 면적이다)
[성형체]
본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 성형체는, 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 섬유강화 복합재료로 구성되는 성형체이다. 본 발명에서 얻어지는 성형체는, 면내(面內) 2차원 랜덤 배향하는 층을 갖고, 실질적으로 등방성을 나타낸다.
여기서, 본 발명에서 말하는 「실질적으로 등방성」이란, 복합재료를 성형한 후, 성형판의 임의 방향 및 이와 직교하는 방향을 기준으로 하는 인장 시험을 행하여 각각의 방향의 인장 탄성율을 측정하고, 측정한 인장 탄성율 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)가 1.3 이하인 것으로 정의한다.
본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 성형체는, 표면이 평활하고, 균일한 두께를 가지는 성형체가 된다. 또, 성형체 두께의 편차로서는, 평균치로부터 ± 10% 이내인 것이 바람직하다. 여기서, 「표면이 평활」하다는 것은, 성형체의 표면을 눈으로 보았을 때, 까칠까칠한 형상이나 주름, 요철 등이 확인되지 않고, 평평하고 매끄러운 상태인 것을 의미한다.
본 발명에서 얻어지는 성형체는, 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 랜덤 매트를 출발 재료로 하여, 프리프레그의 형태를 거쳐 얻어지는 것이다. 최종적으로 얻어지는 성형체에 있어서도, 이용한 강화섬유의 평균 섬유 길이 및 강화섬유 다발과 단사의 비율은, 출발 재료가 되는 랜덤 매트 중에서의 상태를 유지하고 있다.
[강화섬유]
(종류)
본 발명에 이용되는 강화섬유로서는, 탄소섬유, 아라미드섬유 및 유리섬유로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 일종인 것이 바람직하다. 이들은 병용할 수도 있으며, 경량이면서 강도가 우수한 복합재료가 제공될 수 있다는 점에서, 탄소섬유를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 이용되는 강화섬유는, 사이징제가 부착된 것을 이용하는 것이 바람직하며, 사이징제의 부착량은, 강화섬유 100 질량부에 대해 0∼10 질량부인 것이 바람직하다.
(평균 섬유 길이)
또한, 본 발명에 이용되는 강화섬유는, 불연속으로, 평균 섬유 길이가 5∼100㎜ 이하이다. 본 발명의 제조 방법은, 긴 강화섬유를 포함하고 있어도 강화 기능이 발현될 수 있는 성형체가 얻어지는 것을 특징으로 하며, 강화섬유의 평균 섬유 길이로서는, 바람직하게는 10∼100㎜이고, 더 바람직하게는 10∼50㎜이며, 더욱더 바람직하게는 10∼30㎜이다. 또, 후술하는 바람직한 강화섬유의 절단 방법을 채용함으로써, 랜덤 매트를 구성하는 강화섬유의 길이를 고정 길이로 할 수 있다.
또, 본 발명에 있어서 탄소섬유를 이용하는 경우에는, 그 평균 섬유 지름은 바람직하게는 3∼12㎛이며, 더 바람직하게는 5∼7㎛이다.
(강화섬유의 단위면적당 중량)
랜덤 매트에 있어서의 강화섬유의 단위면적당 중량은, 25∼10000g/㎡이고, 바람직하게는 25∼6000g/㎡, 더 바람직하게는 25∼3000g/㎡ 이다. 단위면적당 중량이 25g/㎡ 미만인 경우에는, 랜덤 매트 중에 강화섬유의 분포가 불균일하게 되기 쉽고, 충분한 보강 효과가 발현되지 않을 우려가 있다. 한편으로, 10000g/㎡을 넘는 경우에는, 강화섬유가 너무 많기 때문에, 프리프레그 제작시에 수지가 함침되기 어렵고, 성형체 중에서 결점이 되는 보이드(void)가 발생하기 쉬운 경향이 발생한다. 또한, 열가소성 수지와 비교하여 강화섬유는 비중이 크기 때문에, 성형체가 무거워진다.
(강화섬유의 체적 함유율)
본 발명에 이용되는 랜덤 매트 및 얻어지는 성형품에 있어서의 강화섬유의 함유율로서는, 아래 식 (5)에서 정의되는 강화섬유 체적 함유율(Vf)이 5∼80Vol% 범위인 것이 바람직하다.
강화섬유 체적 함유율(Vf) = 100×[강화섬유의 체적/(강화섬유의 체적+열가소성 수지의 체적)] (5)
이 강화섬유 체적 함유율(Vf)은, 섬유강화 복합재료(랜덤 매트) 및 해당 복합재료(랜덤 매트)로부터 얻어지는 성형체에 포함되는 강화섬유와 열가소성 수지의 조성을 나타내는 것이다. 강화섬유 체적 함유율이 5Vol%보다 낮은 경우에는, 보강 효과가 충분히 발현되지 않을 우려가 있다. 한편으로, 함유율이 80Vol%를 넘는 경우에는, 프리프레그 제작시에 보이드가 발생하기 쉬워지고, 얻어지는 성형체의 물성이 저하될 가능성이 있다. 강화섬유 체적 함유율은, 20∼60Vol%의 범위가 더 바람직하다.
여기서, 강화섬유 체적 함유율(Vf)을 산출하는 구체적인 방법으로서는, 예를 들면, 성형체 등의 시료로부터 열가소성 수지를 제거하여, 잔류한 강화섬유와 열가소성 수지의 질량을 각각 구하고, 이들 질량 값을 각 성분의 밀도를 이용하여 체적으로 환산하고, 얻어진 체적 값을 상기 식 (5)에 적용시켜 구하는 방법을 들 수 있다.
[열가소성 수지]
(종류)
본 발명에 이용되는 열가소성 수지의 종류로서는, 예를 들면, 염화비닐 수지, 염화비닐 리덴 수지, 초산비닐 수지, 폴리비닐 알코올 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴-스티렌 수지(AS 수지), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지(ABS 수지), 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 6 수지, 폴리아미드 11 수지, 폴리아미드 12 수지, 폴리아미드 46 수지, 폴리아미드 66 수지, 폴리아미드 610 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌 나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리페닐렌 에테르 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르 술폰 수지, 폴리에테르 에테르 케톤 수지, 폴리유산 수지 등을 들 수 있다. 또, 열가소성 수지는, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
(형상)
열가소성 수지의 형상으로서는, 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 섬유 모양, 입자 모양, 용융 상태, 나아가서는 이들의 혼합물로서 공급할 수 있다.
열가소성 수지가 섬유상인 경우에는, 그 섬도는 100∼5000dtex인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 1000∼2000dtex이다. 또한, 평균 섬유 길이로서는 0.5∼50㎜인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 1∼10㎜이다.
열가소성 수지가 입자상인 경우에는, 구상(球狀), 세편상(細片狀), 또는 펠릿과 같은 원주상(円柱狀)인 것이 바람직하다. 구상의 경우에는, 진원 또는 타원의 회전체, 또는 달걀 모양 같은 형상이 바람직하다. 구(球)로 한 경우의 평균 입자 지름은 0.01∼1000㎛인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 0.1∼900㎛이며, 더욱더 바람직하게는 1∼800㎛이다. 입자 지름 분포에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 더 얇은 성형체를 얻을 목적으로서는 분포가 샤프한 것이 바람직하다. 또, 분급(分級) 등의 조작에 의해 소망하는 입도 분포로서 사용할 수도 있다.
열가소성 수지가 세편상인 경우에는, 펠릿과 같은 원기둥 모양이나, 각기둥 모양, 비늘 편(片) 모양인 것이 바람직하다. 이 경우에는, 어느 정도의 어스펙트 비(aspect ratio)를 가져도 좋지만, 바람직한 길이는 상기 섬유상의 경우와 같은 정도이다.
(열가소성 수지의 함유량)
출발 재료가 되는 랜덤 매트 및 얻어지는 성형품에 있어서의 열가소성 수지의 함유량은, 강화섬유 100 질량부에 대해, 바람직하게는 50∼1000 질량부, 더 바람직하게는 50∼500 질량부이다. 함유량이 50 질량부 미만인 경우에는, 열가소성 수지가 적기 때문에, 프리프레그 제작시에 보이드가 발생하기 쉽고, 얻어지는 성형체의 물성이 저하될 우려가 있다. 한편으로, 1000 질량부를 넘는 경우에는, 강화섬유의 비율이 상대적으로 낮아지므로, 섬유강화 복합재료에 의한 성형체에 기대하는 물성까지 도달하지 않을 가능성이 있다.
[그 외 성분]
본 발명의 제조 방법에 이용되는 랜덤 매트는, 적어도 상기한 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 것이면 좋지만, 목적을 훼손하지 않는 범위에서, 그 외의 제3성분을 포함하고 있어도 좋다.
그 외 성분으로서는, 예를 들면, 상기한 강화섬유 이외의 각종 섬유상 또는 비(非) 섬유상 충전재, 난연제, 내(耐)UV제, 안료, 이형제, 연화제, 가소제, 계면활성제 등을 들 수 있다. 특히, 전자·전기 기기 용도나 자동차 용도에 있어서는, 높은 난연성이 요구되는 경우가 있기 때문에, 열가소성 수지에 난연제를 함유시키는 것이 바람직하다. 난연제의 예로서는, 공지의 것을 사용할 수 있으며, 난연성을 부여할 수 있는 것이라면 특별히 한정은 되지 않는다. 구체적으로는, 인계 난연제, 질소계 난연제, 실리콘 화합물, 유기 알칼리 금속염, 유기 알칼리 토류 금속염, 브롬계 난연제 등을 들 수 있으며, 이들 난연제는 단독으로 사용해도, 복수를 병용해도 좋다. 난연제의 함유량은, 물성, 성형성, 난연성의 밸런스로부터, 열가소성 수지 100 질량부에 대해 1∼40 질량부로 하는 것이 바람직하며, 1∼20 질량부로 하는 것이 더 바람직하다.
[랜덤 매트]
본 발명에서 이용하는 랜덤 매트는, 상기한 강화섬유가 실질적으로 2차원 랜덤하게 배향(配向)한 것이다. 여기서 「2차원 랜덤」이란, 면내에서, 강화섬유가 특정 방향으로는 배향되어 있지 않고, 무작위 방향으로 분산하여 배치되어 있는 것을 의미한다.
(강화섬유 다발(A)의 비율 : 랜덤 매트에 있어서의 강화섬유의 개섬 정도)
본 발명에 이용되는 랜덤 매트는, 식 (1)에서 정의하는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)이, 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대해 20Vol% 이상 99Vol% 미만인 것을 특징으로 한다.
임계 단사 수 = 600/D (1)
(식 (1) 중, D는 강화섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
매트 중에서의 강화섬유는, 강화섬유 다발(A)로 되어 있는 상태 이외에, 단사의 상태 또는 임계 단사 수 미만으로 구성되는 섬유 다발의 상태로 존재한다. 따라서 본 발명에 이용되는 랜덤 매트는, 강화섬유의 개섬 정도를 조절하고, 특정 개수 이상의 강화섬유로 이루어지는 강화섬유 다발(A)과, 그 이외의 강화섬유를, 특정 비율로 포함하는 것을 특징으로 한다.
섬유 전량에 대한 강화섬유 다발(A)의 비율이 20Vol% 미만이 되면, 랜덤 매트를 성형할 때에 형(型) 내에서 섬유를 유동시키기 어려워지고, 이 때문에, 금형 캐비티 단부까지 섬유를 충전할 수 없어, 설계 치수대로의 성형체를 얻는 것이 곤란해진다. 한편으로, 강화섬유 다발(A)의 비율이 99Vol% 이상이 되면, 섬유의 교락부(交絡部)가 국부적으로 두꺼워져, 얇은 것이 얻어지지 않는다. 섬유 전량에 대한 강화섬유 다발(A)의 비율은, 바람직하게는 30Vol% 이상 90Vol% 미만, 더 바람직하게는 30Vol% 이상 80Vol% 미만이다.
또, 강화섬유 다발(A)의 비율은, 예를 들면, 후술하는 제조 방법에 있어서, 확폭 처리, 슬릿 처리, 커팅 공정, 개섬 공정 등의 조건을 조합함으로써 제어할 수 있다.
(강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N))
나아가, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)가, 아래 식 (2)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
0.7×104/D2 < N < 1×105/D2 (2)
(식 (2) 중, D는 강화섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
구체적으로는, 랜덤 매트를 구성하는 탄소섬유의 평균 섬유 지름이 5∼7㎛인 경우에는, 임계 단사 수는 86∼120개가 되며, 탄소섬유의 평균 섬유 지름이 5㎛인 경우에는, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 280∼4000개의 범위가 되는데, 탄소섬유의 평균 섬유 지름이 5㎛인 경우에는, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 280∼2000개인 것이 바람직하며, 그 중에서도 600∼1600개인 것이 바람직하다. 또한, 탄소섬유의 평균 섬유 지름이 7㎛인 경우에는, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 142∼2040개의 범위가 되는데, 탄소섬유의 평균 섬유 지름이 7㎛인 경우에는, 142∼1020개인 것이 바람직하며, 300∼800개인 것이 더 바람직하다.
강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 0.7×104/D2 이하인 경우에는, 높은 섬유 체적 함유율(Vf)을 얻는 것이 곤란해진다. 한편으로, 강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 1×105/D2이상인 경우에는, 국부적으로 두꺼운 부분이 발생하여, 보이드의 원인이 되기 쉽다.
1㎜ 이하의 얇은 성형체를 얻고 싶은 경우에는, 단순히 분섬한 정도의 섬유를 이용한 것으로는, 소밀(疎密)이 커, 양호한 물성이 얻어지지 않는다. 또한, 모든 섬유를 개섬한 경우에는, 더 얇은 것을 얻는 것은 용이해지는 한편으로, 섬유의 교락이 많아져, 높은 섬유 체적 함유율(Vf)이 얻어지지 않는다. 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)과, 단사의 상태 또는 임계 단사 수 미만의 강화섬유(B)가 동시에 존재하는 랜덤 매트로 하는 것에 의해, 박육이며, 또한, 얻어지는 물성이 높은 랜덤 매트를 얻는 것이 가능해진다.
본 발명에 이용되는 랜덤 매트는, 각종 두께로 하는 것이 가능한데, 이를 프리프레그로서, 두께가 0.2∼1㎜ 정도인 박육 성형품을 적절하게 얻을 수 있다. 즉, 목적으로 하는 성형체의 두께에 맞춘 랜덤 매트를 제작함으로써, 특히 샌드위치재(材)의 표피 등, 박물(薄物)의 성형품을 얻을 수 있다.
또, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는, 예를 들면, 후술하는 제조 방법에 있어서, 확폭 처리, 슬릿 처리, 커팅 공정, 개섬 공정 등의 조건을 조합함으로써 제어할 수 있다.
[랜덤 매트의 제조 방법]
랜덤 매트의 제조 방법은, 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 섬유상 및/또는 입자상의 열가소성 수지를 강화섬유와 혼합하여 존재하게 하도록 제조해도 좋고, 매트릭스 수지 성분을 포함하지 않는 랜덤 매트에 용융 상태의 열가소성 수지를 공급하여 제조해도 좋다.
이하에, 랜덤 매트의 바람직한 제조 방법에 대해 상술한다. 랜덤 매트의 제조 방법으로서는, 바람직하게는, 이하의 (I), (III), (IV), (V) 또는 (V')의 각 공정을 실시하는 방법을 들 수 있으며, 더 바람직하게는, (I)과 (III) 공정 사이에 (II) 공정을 실시하는 방법을 들 수 있다. 이들 공정을 순차적으로 실시함으로써, 특히 양호한 등방성을 가지는 랜덤 매트, 나아가 랜덤 매트로부터 성형체를 제조할 수 있다.
(I) 강화섬유 스트랜드(strand) 공급 공정
강화섬유 스트랜드 공급 공정에서는, 크릴부(creel section)에 배치된 복수의 강화섬유 권사체(卷絲體)로부터, 강화섬유 각각의 사조(yarn)를 인출하여, 단독의 사조로 이루어지거나 또는 단사를 복수개 가지런히 모아 이루어지는 강화섬유 스트랜드로서 공급한다. 이때, 스트랜드 폭은 10∼50㎜(특히 20∼30㎜)로 하는 것이 바람직하다. 공급되는 강화섬유의 스트랜드 폭이 작은 경우에는, 필요에 따라, 해당 스트랜드 공급 공정에서 소정 폭까지 확폭하여, 얇은 광폭의 스트랜드로서 공급해도 좋다. 이 확폭 조작은, 예를 들면, 스트랜드를 확폭용 롤러나 바 등과 접촉시키는 것에 의해 행할 수 있다.
(II) 스트랜드 슬릿 공정
스트랜드 슬릿 공정에서는, 공급된 강화섬유 스트랜드를, 바람직하게는 스트랜드 길이 방향과 평행하게(즉 섬유 축 방향을 따라) 연속적으로 슬릿하여, 스트랜드 폭이 0.05∼5㎜, 바람직하게는 0.1∼1.0㎜인 복수개의 좁은 폭의 스트랜드로 한다. 구체적으로는, 앞 공정에서부터 연속적으로 이송되어 오는 광폭의 스트랜드를, 섬유 축 방향과 평행한 날을 가지는 종(縱) 슬릿 장치(슬리터)를 이용하여 종방향으로 연속적으로 커팅하거나, 광폭 스트랜드의 주행로에 1개 또는 복수개의 분할 가이드를 설치하여, 그것에 의해, 스트랜드를 복수개로 분할하는 것 등에 의해 실시할 수 있다. 이 공정에서는, 라인 상에 확폭용 가이드나 바 등을 설치하여, 강화섬유를 확폭 처리하면서 슬릿을 가해도 좋다.
(III) 강화섬유 커팅 공정
이어서, 강화섬유 커팅 공정에서, 슬릿 처리를 행하고 있지 않은 스트랜드, 또는 상기와 같이 슬릿한 좁은 폭의 강화섬유 스트랜드를, 평균 섬유 길이 5∼100㎜로 커팅(절단)한다. 또, 여기서 말하는 「평균 섬유 길이」란, 무작위로 추출한 100개의 섬유의 섬유 길이를 캘리퍼 등을 이용하여 1㎜ 단위까지 측정하고, 그 평균을 구하는 방법에 의해 구할 수 있다. 통상적이라면, 평균 섬유 길이는 커터에 의한 스트랜드의 절단 간격과 일치한다.
강화섬유를 평균 섬유 길이 5∼100㎜로 자를 때에 사용하는 장치로서는, 로터리 커터가 바람직하다. 또, 로터리 커터 중에서도, 특정 각도를 가지는 나선상 나이프를 구비한 것이 바람직하다. 강화섬유를 연속적으로 커팅하기 위한 나이프 각도는, 사용하는 강화섬유의 폭과, 커팅한 후의 평균 섬유 길이에 의해 기하학적으로 계산할 수 있으며, 그들의 관계는, 강화섬유의 평균 섬유 길이(칼날의 피치) = 강화섬유 스트랜드 폭 × tan(90-θ)의 조건을 만족하도록 하는 것이 바람직하다.(여기서, θ는 둘레방향과 나이프의 배치 방향이 이루는 각도이다.)
예를 들면, 섬유 방향에 교차하는 나이프와 섬유 축 방향과 평행한 나이프를 갖는 커터를 이용하면, 섬유 다발을 종방향으로 슬릿함과 동시에, 특정 섬유 길이로 커팅할 수 있어, 이와 같은 커터를 사용하면, 스트랜드 슬릿 공정(II)과 강화섬유 커팅(III)을 동시에 실시할 수 있다.
(IV) 강화섬유 개섬 공정
강화섬유 개섬 공정에서는, 소정의 섬유 길이로 커팅된 강화섬유의 스트랜드(이하 「스트랜드편(片)」이라고 하는 경우가 있다)에 기체를 분사, 그 스트랜드편을 소망하는 사이즈(집속 본수)의 섬유 다발로 분할하도록 개섬한다.
구체적으로는, 강화섬유 개섬 공정(IV)에서는, 스트랜드편을 경로 내로 도입하여, 해당 경로를 통과하는 스트랜드편에 공기 등의 기체를 분사함으로써, 해당 스트랜드편을 소망하는 집속 사이즈로 분리시킴과 아울러 기체 중에 분산시킨다. 개섬의 정도에 대해서는, 분사하는 기체의 압력 등에 의해 적절히 조절할 수 있다.
바람직한 실시 형태로서는, 예를 들면, 경로의 도중 또는 선단부에 공기 분사 노즐을 설치하고, 그 압축공기 분사 구멍으로부터 풍속 5∼500m/sec의 공기를 직접 스트랜드편에 분사하여, 적당하게 강화섬유를 개섬시키는 방법을 들 수 있다. 구체적으로는, 강화섬유편(片)이 지나는 경로에 직경 1㎜ 정도의 구멍을 몇 군데 형성하여, 외측으로부터 0.2∼0.8㎫ 정도의 압력을 가해, 압축공기를 구멍으로부터 스트랜드편에 직접 분사하도록 한 기체 분사 노즐을 사용하는 방법을 들 수 있다.
이 강화섬유 개섬 공정에서는, 스트랜드편을 구성하는 모든 섬유를 따로따로 분리시켜 완전히 단사상이 될 때까지 분리하도록 개섬하는 것이 아니라, 일부는 단사상 또는 그에 가까운 상태까지 개섬되지만, 많은 부분은 단사의 일정 개수 이상이 집속된 섬유 다발이 되도록 조정할 필요가 있다. 즉, 개섬 정도를, 상기 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 이루어진 강화섬유 다발(A)의 비율, 나아가, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)를 만족하도록 할 필요가 있다.
(V) 랜덤 매트 형성 공정
랜덤 매트 형성 공정에서는, 커팅하여 개섬시킨 강화섬유를 공기 중으로 확산시킴과 동시에, 분립체 모양 또는 단섬유 모양의 열가소성 수지(이하, 이들을 「열가소성 수지 입자 등」으로 총칭한다)를 공급하고, 강화섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께 개섬 장치 하방에 설치한 통기성 지지체 상에 살포하여, 해당 지지체 상에서 강화섬유와 열가소성 수지 입자 등이 혼재하는 상태를 형성하며, 소정의 두께가 되도록 퇴적·정착시켜 랜덤 매트를 형성시킨다.
랜덤 매트 형성 공정에서는, 바람직하게는, 기체로 개섬한 강화섬유와는 별도의 경로로부터 열가소성 수지 입자 등을 공급하고, 이들을 동시에 통기성 지지체 상으로 향하여 살포하며, 양자가 거의 균일하게 뒤섞인 상태에서 통기성 지지체 상에 매트 모양으로 퇴적시켜, 그 상태로 정착시킨다. 이때, 통기성 지지체를 네트로 이루어지는 컨베이어로 구성하여, 일방향으로 연속적으로 이동시키면서 그 위에 퇴적시키도록 하면, 연속적으로 랜덤 매트를 형성할 수 있다. 또한, 지지체를 전후, 좌우로 이동시킴으로써, 균일한 퇴적을 실현할 수 있다.
랜덤 매트 형성 공정에서는, 강화섬유 및 열가소성 수지 입자 등은, 2차원 랜덤 배향하도록 살포되는 것이 바람직하다. 개섬한 강화섬유를 2차원 배향시키면서 도포하기 위해서는, 하류측으로 확대된 원뿔형 등의 테이퍼관(管)을 이용하는 것이 바람직하다. 이 테이퍼관 내에서는, 강화섬유에 분사한 기체가 확산되어 관 내의 유속이 감소하기 때문에, 강화섬유에 회전력이 주어진다. 이 벤튜리 효과를 이용함으로써, 개섬한 강화섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께 균등하게 얼룩 없이 살포할 수 있다. 또한, 후술하는 정착 공정을 위해서도, 하방에 흡인(吸引) 기구를 가진 가동식 통기 지지체(네트 컨베이어 등) 상에 살포하여, 랜덤 매트 형태로 퇴적시키는 것이 바람직하다.
랜덤 매트 형성 공정에서는, 열가소성 수지의 공급량은, 강화섬유 100 질량부에 대해, 50∼1000 질량부로 하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 강화섬유 100 질량부에 대해, 50∼500 질량부이고, 더욱더 바람직하게는 60∼300 질량부이다.
랜덤 매트 형성 공정에는, 강화섬유 및 열가소성 수지를 정착시키는 공정을 포함한다. 정착시키는 공정이란, 퇴적된 강화섬유 및 열가소성 수지입자 등을 정착시키는 공정으로, 예를 들면, 통기성 지지체의 하부로부터 공기를 흡인하여 강화섬유를 정착시키는 방법을 들 수 있다. 강화섬유와 동시에 살포된 열가소성 수지는, 섬유 모양이면 에어 흡인에 의해, 입자 모양이어도 강화섬유에 수반하여 정착할 수 있다.
이와 같이, 퇴적면의 하부로부터 흡인하는 것에 의해, 2차원 배향이 높은 매트를 얻을 수 있다. 이리하여 얻어지는 랜덤 매트는, 이를 구성하는 강화섬유의 간극이나 근방에 열가소성 수지 입자 등이 균일하게 존재함으로써, 후술하는 가열 함침 가압 공정에서, 수지의 이동 거리가 짧고, 비교적 단시간에 수지의 함침이 가능해진다.
또, 통기성 지지체를 구성하는 시트 또는 네트 등의 틈이 커서, 열가소성 수지 입자 등의 일부가 지지체를 통과하여 퇴적되지 않는 경우에는, 지지체의 표면에 부직포 등을 세팅하고, 해당 부직포 위에 강화섬유 및 열가소성 수지 입자 등을 분사하여 정착시키는 것도 가능하다.
강화섬유 스트랜드를 일정 길이로 커팅한 후, 그 스트랜드편 및 커팅시에 단사 상태로 분리된 강화섬유를 흡인, 반송하는 수송 경로에 공급하고, 그 수송 경로 도중 또는 종단부에 설치한 기체 분사 노즐로부터 강화섬유에 기체를 분사하여, 절단한 스트랜드편을 소망하는 사이즈(굵기)의 강화섬유 다발로 분리·개섬시킴과 동시에, 그 강화섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께, 일정 방향으로 연속적 또는 간헐적으로 이동하는 통기성 지지체(이하 「정착 네트」라 하는 경우가 있다)의 표면을 향해 분사하여, 퇴적하고 정착시키는 것에 의해 랜덤 매트를 형성하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 랜덤 매트에는 강화섬유와 분립체상 및/또는 섬유상의 열가소성 수지가 얼룩 없이 혼합하여 존재하기 때문에, 형 내에서 섬유와 수지를 크게 유동시킬 필요가 없고, 열가소성 수지를 용이하게 함침할 수 있다는 이점이 있다. 그 결과, 얻어지는 성형체에 있어서도, 랜덤 매트 중의 강화섬유의 등방성을 유지하는 것이 가능해진다.
(V') 랜덤 매트 형성 공정 (2)
또한, 다른 랜덤 매트 형성 공정으로서는, 매트릭스 수지를 포함하지 않는 이외는, 상기 (V)의 랜덤 매트 형성 공정과 마찬가지로 강화섬유로 구성되는 랜덤 매트를 얻고, 이것에 용융 상태의 열가소성 수지를 공급하여, 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 랜덤 매트를 얻는 방법을 들 수 있다. 이러한 방법으로서는, 예를 들면, 강화섬유 개섬 공정(VI)에서 얻어지는 개섬된 강화섬유 스트랜드를 매트 모양으로 퇴적시킴과 아울러, 상방에 설치한 다이로부터 용융 상태의 열가소성 수지를 막상(膜狀) 용융체로서 토출하고, 퇴적된 매트 위에 그 열가소성 수지를 공급하여, 매트의 거의 전면(全面)에 함침시킬 수 있다.
이 방법에 있어서, 강화섬유 스트랜드를 매트 모양으로 퇴적시키는 바람직한 방법은, 상기 (V)에 기재한 바와 같다. 열가소성 수지의 공급량에 대해서도 상기 (V)와 마찬가지인데, 다이로부터 압출하는 용융 상태의 열가소성 수지의 양, 구체적으로는 다이로부터 막상으로 공급하는 경우에는 막의 두께 및 압출 속도 등에 대해서는 조정하는 것이 바람직하다.
[프리프레그 작성 공정]
본 발명의 프리프레그 작성 공정에서는, 상기의 랜덤 매트를, 랜덤 매트에 포함되는 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상, 열분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상, 열분해 온도 미만의 온도까지 가열하고, 열가소성 수지를 함침시켜 프리프레그를 얻는다. 또, 열가소성 수지는 부분적으로 녹아서 용착되어 있어도 좋다.
[프리프레그]
(프리프레그 중의 강화섬유의 형태)
프리프레그에 있어서의 강화섬유의 형태는, 랜덤 매트 중에서의 상태를 유지하고 있다. 즉, 프리프레그 중의 강화섬유는 랜덤 매트에 있어서의 평균 섬유 길이나 등방성, 개섬 정도를 유지하고 있어, 상기의 랜덤 매트에 기재한 것과 마찬가지로 되어 있다.
(두께)
프리프레그의 두께는, 얻으려고 하는 성형체 두께의 1∼10배, 바람직하게는 1∼5배로 하는 것이 바람직하다. 두께의 한정은 없지만, 바람직하게는 0.1㎜ 이상이며, 상한은 금형에 배치하여 성형가능한 범위까지이고, 실질적으로는 30㎜ 정도이다.
(보이드율)
프리프레그 성형시의 수지의 함침 불량을 극력 억제하기 위해, 프리프레그의 보이드율은 0∼30%로 하는 것이 바람직하다. 프리프레그의 보이드율은, 프리프레그의 단면을 광학 현미경으로 관찰하고, 보이드의 존재 면적을 관찰 기재의 단면적으로 나누어 산출할 수 있다. 본 발명에서는, 1개의 프리프레그당 n=5의 관찰로 하여, 그 평균치를 보이드율로 한다.
[프리프레그 배치 공정]
프리프레그 배치 공정에서는, 얻어진 프리프레그를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상, 열분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상, 열분해 온도 미만의 온도로 유지하거나 재가열하고, 해당 온도로 한 프리프레그를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 온도 조절된 금형 내에 배치한다.
여기서, 프리프레그의 온도는, 예를 들면, 프리프레그 표면에 K타입의 열전대를 붙여 놓고, 가열로 바깥에 설치한 계측기에 의해 측정을 행할 수 있다. 또한, 금형에 배치하는 프리프레그는, 프리프레그 작성 공정에 의해 열가소성 수지를 함침시킨 후에 냉각하지 않고 그대로 사용해도 좋고, 열가소성 수지를 함침시킨 후에 일단 고화(固化)하고, 그 후에 재가열하는 공정을 거쳐도 좋다.
(배치 매수·배치 상황)
프리프레그 배치 공정에서는, 예를 들면, 도 1에 나타내는 바와 같이, 1매 또는 2∼10매를 중첩한 프리프레그를 금형 캐비티에 배치한다. 중첩하는 경우에는, 얻고자 하는 성형체에 따라, 프리프레그의 일부 또는 전체를 중첩할 수 있다.
배치에 있어서는, 프리프레그 단부의 모든 면이, 금형 단부와 접하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 복수매의 프리프레그를 배치하는 경우에는, 프리프레그는 모두 동일한 형상일 필요는 없고, 각각의 프리프레그의 일부 또는 전부가 중첩되어 있으면 좋다. 예를 들면, 단부를 오버랩시켜 금형에 배치해도 좋다. 대형이고 복잡한 형상의 성형체를 성형할 경우에는, 오버랩시키는 배치는 유효한 수단이 된다. 또한, 오버랩시키는 것에 의해, 단재의 유효 이용이 가능하게 된다.
오버랩시키는 기재(프리프레그)의 사이즈에는 특별히 제한은 없고, 목적 성형체의 형상이나 사이즈에 맞춰 적절히 필요한 사이즈를 이용하면 좋지만, 1∼30000㎠의 사이즈가 바람직하게 이용된다. 오버랩의 정도도 특별히 제한은 없고, 기재(프리프레그)의 크기에 맞춰 적절하게 설정할 수 있다.
기재를 오버랩시키는 겹침 부분은, 1∼100㎜로 하는 것이 바람직하며, 5∼50㎜로 하는 것이 더 바람직하다. 또한, 기재(프리프레그) 단부를 오버랩시켜 배치한 것의 위에, 또한, 다른 기재(프리프레그) 단부를 오버랩시킨 배치를 1회 이상 반복하여 적층해도 좋다. 그때의 층수로서는, 2∼100층이 바람직하다. 도 9에, 기재(프리프레그) 단부를 오버랩시켜 배치하는 경우의 예를 나타낸다.
(금형)
본 발명의 제조 방법에 사용하는 금형은, 밀폐하는 것이 가능한 것으로 하는 것이 바람직하며, 구체적으로는, 코어 측과 캐비티 측의 금형을 밀폐시킨 상태에서의 클리어런스가 매우 작은 금형으로 하는 것이 바람직하다. 본 발명은, 밀폐된 형(型) 내에서 프리프레그(기재)를 유동시키면서 프레스 성형하여 성형체를 얻는 방법으로, 본 발명에 따르면, 얻어지는 성형체의 단부까지 섬유의 등방성이 유지된 성형체를 얻을 수 있다.
여기서, 사용하는 금형의 클리어런스의 범위로서는, 단부의 클리어런스를 0.01∼0.1㎜로 하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 0.03∼0.05㎜이다.
본 발명에 이용되는 금형의 단부 구조의 설명도를, 도 8에 나타낸다. 단부의 빼기구배(draft angle)로서는 특별히 한정은 없지만, 0∼10도로 하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 1∼5도이다. 단부의 빼기구배를 1도 이상으로 함으로써, 성형 후에 성형체를 꺼낼 때의 이형(離型)이 용이해진다. 또한, 단부의 빼기구배를 5도 이하로 함으로써, 적절히 밀폐하여 프레스 성형할 수 있다. 또, 빼기구배를 5도 이하로 하는 것은, 성형체의 사이즈를 불필요하게 크게 하지 않는 것에도 효과적이다.
나아가, 코어 측과 캐비티 측의 단부가 예리한 구조가 되어 있어, 성형과 동시에 트림 가능한 것인 것이 바람직하다. 이와 같은 경우에는, 단재가 발생한 경우라도, 성형과 동시에 트림할 수 있다.
또한, 금형의 표면에는, 얻으려고 하는 성형체에 요구되는 의장성에 따라, 연마를 행해도 좋다. 성형체에 평활한 표면성이 요구되는 경우에는, #400 이상으로 연마되어 있는 것이 바람직하다.
(금형 온도)
또한, 금형의 온도로서는, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점－200℃ 이상, 융점－10℃ 이하, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도－200℃ 이상, 유리 전이 온도－10℃ 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
(충전율)
프리프레그 배치 공정에서는, 랜덤 매트를, 아래 식 (3)에서 나타내는 충전율이 50% 이상, 100% 이하가 되도록 금형에 배치할 필요가 있다. 본 발명에서는, 충전율을 50% 이상 100% 이하로 함으로써, 강화섬유가 실질적으로 면내 2차원 배향하는 층을 확보하면서, 재료 손실이나 트리밍의 수고를 발생시키는 일없이, 경량의 성형체를 높은 생산성으로 제조하는 것이 가능해진다.
충전율(%) = 100×[기재 면적(㎟)/금형 캐비티 투영 면적(㎟)] (3)
(식 (3) 중, 기재 면적이란 배치된 모든 프리프레그의 빠짐 방향(draft direction)에의 투영 면적이며, 금형 캐비티 투영 면적이란 빠짐 방향에의 투영 면적이다)
충전율이 50% 미만인 경우에는, 균열이나 주름이 발생하지 않고, 굴곡도 없으며, 금형 말단까지 섬유가 충전되어 있는 성형체를 얻을 수 있지만, 수평부에서 실질적으로 2차원 랜덤 배향된 층을 확보할 수 없는 영역이 늘어나기 때문에, 물성 발현율이나 의장성이 저하하는 경향이 있다.
한편으로, 충전율이 100%를 넘고 금형이 오픈 캐비티 구조를 가지는 경우에는, 금형 말단까지 섬유가 충전된 성형체를 얻을 수 있지만, 복잡한 형상을 가진 제품을 성형할 때에는, 재료의 압착이나 인장에 의해 두께(肉厚)가 변화되어 버리기 때문에, 제어가 어렵고, 특히 단면(端面)은 얇아지는 경향이 있다. 두께 편차가 있는 형상을 갖는 제품에서는, 제어가 더 어려워진다. 또한, 성형체의 단부에 버가 발생해 버려, 후(後) 가공에서의 기계 가공 등에 의한 트리밍이 필요하게 되기 때문에, 프로세스가 복잡해질 뿐만 아니라, 재료 손실이 발생해 버린다.
충전율이 100%를 넘고, 금형이 클로즈드 캐비티 구조를 가지는 경우에는, 균열이나 주름의 발생은 없고, 표면 외관도 양호하며, 굴곡도 없고, 실질적인 등방성을 가지며, 금형 말단까지 섬유가 충전된 성형체를 얻을 수 있지만, 제품 단면부를 금형의 단부에서 트리밍 할 필요가 발생한다. 또한, 제품 형상이 복잡한 경우에는, 부형(賦形)시에 금형의 단부가 최초로 프리프레그에 접촉하여 금형에의 추종을 방해하기 때문에, 제품 두께의 제어가 곤란해지는 경우가 있다.
또, 상기한 바와 같이, 프리프레그의 두께는 얻으려는 성형체의 두께에 맞춰 적절하게 선택할 수 있지만, 금형에의 기재(프리프레그) 충전율이 50% 이상, 80% 이하인 때에는, 유동을 적절히 행하기 위해, 프리프레그의 두께 또는 프리프레그를 적층한 두께의 합을 1.0㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(총면적 충전율)
또, 얻고자 하는 성형체가 입체 형상인 경우에는, 랜덤 매트를, 아래 식 (4)에서 나타내는 총면적 충전율이 30%∼100%가 되도록 금형에 배치하는 것이 바람직하다.
총면적 충전율(%) = 100×[기재 총면적(㎟)/금형 캐비티 총면적(㎟)] (4)
(식 (4) 중, 기재 총면적이란, 수평 전개한 모든 프리프레그의 투영 면적에서부터, 적층 및 오버랩부의 면적을 뺀 면적이며, 금형 캐비티 총면적이란, 금형 캐비티 표면의 면적의 합이다)
입체 형상 금형의 구체예의 상면도(上面圖) 및 측면도를 도 2에 나타낸다. 도면 중에 사선부(4)로 나타낸 각각의 금형 캐비티 표면의 면적의 합이, 금형 캐비티 총면적이다. 또, 총면적 충전율은, 성형체가 평판상 등의 평면인 경우에는, 상기 「충전율」과 같은 수치가 된다.
[성형 공정]
성형 공정에서는, 금형 내에서, 배치된 프리프레그를 가압함과 아울러, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만의 온도로 성형을 완결시켜 성형체를 얻는다. 즉, 이른바 콜드 프레스를 실시하여 성형체를 제작한다.
구체적으로는, 형 체결(mold clamping)을 행하고, 목표 압력까지 가압하면서, 프리프레그를 금형 중에서 냉각시켜 프레스 성형을 실시하고, 부형을 완료시킨다. 즉, 가압하여 부형하면서 금형과의 열교환을 실시하고, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만까지 프리프레그를 냉각한 후에, 형을 열어 성형체를 얻는다. 금형의 냉각 방법에 특별히 한정은 없으며, 금형 내 온도조절 회로에 냉각 매체를 흘리는 등의 방법에 의해 적절하게 냉각할 수 있다.
(시간 및 압력)
성형 공정에 있어서의 목표 압력에 이르기까지의 시간은, 1∼10초인 것이 바람직하다. 또한, 목표 압력은, 바람직하게는 3㎫∼100㎫, 더 바람직하게는 5㎫∼40㎫이다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이에 의해 하등의 한정을 받는 것은 아니다.
(1) 랜덤 매트에 있어서의 강화섬유 다발(A)의 분석
강화섬유 다발(A)의 매트의 섬유 전량에 대한 비율을 구하는 방법은, 이하와 같다.
랜덤 매트를 100㎜×100㎜으로 잘라내어, 두께(Ta)와 중량(Wa)을 측정했다.
잘라낸 매트로부터, 섬유 다발을 핀셋으로 모두 빼내고, 섬유 다발을 굵기마다 분류했다. 또, 본 실시예에서는, 굵기 0.2㎜ 정도 단위로 분류를 실시했다.
분류마다, 모든 섬유 다발의 길이(Li)와 중량(Wi), 섬유 다발 수(I)를 측정하고, 기록했다. 핀셋으로 빼낼 수 없는 정도로 섬유 다발이 작은 것에 대해서는, 한데 모아 최후에 중량을 측정했다(Wk). 중량 측정에 있어서는, 1/1000g까지 측정가능한 천칭을 이용했다. 또, 특히 강화섬유를 탄소섬유로 한 경우나, 평균 섬유 길이가 짧은 경우에는, 섬유 다발의 중량이 작아, 측정이 어려워진다. 이러한 경우에는, 분류한 섬유 다발을 복수개 모아서 중량을 측정했다.
측정 후, 이하의 계산을 행했다. 사용하고 있는 강화섬유의 섬도(F)로부터, 개개의 섬유 다발의 섬유 개수(Ni)는, 다음 식에 의해 구했다.
섬유 개수(Ni) = Wi/(Li×F)
강화섬유 다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)는, 아래 식에 의해 구했다.
N = Σ Ni/I
또한, 개개의 섬유 다발의 체적(Vi) 및 강화섬유 다발(A)의 섬유 전체에 대한 비율(VR)은, 사용한 강화섬유의 섬유 비중(ρ)을 이용하여 다음 식에 의해 구했다.
Vi = Wi/ρ
VR = Σ Vi/Va× 100
여기서, Va는 잘라낸 매트의 체적으로, Va=100×100×Ta
(2) 성형체에 있어서의 강화섬유 다발(A)의 함유량
성형체에 있어서의 강화섬유 다발(A)의 함유량에 대해서는, 500℃×1시간 정도, 로 내에서 수지를 제거한 후, 상기 랜덤 매트에 있어서의 방법과 마찬가지로 하여 측정했다.
(3) 성형체에 있어서의 섬유의 배향(섬유의 등방성)
성형체를 성형한 후, 성형체의 임의 방향 및 이와 직교하는 방향에 대해 인장 시험을 행하여 인장 탄성율을 측정했다. 얻어진 인장 탄성율 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)를 구함으로써, 섬유의 배향(配向) 정도를 확인했다. 탄성율의 비가 1에 가까울수록, 등방성이 우수한 재료이다.
(4) 성형체 및 랜덤 매트에 포함되는 강화섬유의 평균 섬유 길이(La)
랜덤 매트에 포함되는 강화섬유의 평균 섬유 길이(La)는, 무작위로 추출한 강화섬유 100개의 길이를, 확대경을 이용하여 1㎜ 단위까지 측정하고 기록했다. 얻어진 모든 강화섬유의 길이(Li)로부터, 다음 식에 의해 평균 섬유 길이(La)를 구했다.
성형체에 포함되는 강화섬유의 평균 섬유 길이(La)는, 500℃×1시간 정도, 로 내에서 수지를 제거한 후, 무작위로 추출한 강화섬유 100개의 길이를, 확대경을 이용하여 1㎜ 단위까지 측정하고 기록했다. 얻어진 모든 강화섬유의 길이(Li)로부터, 다음 식에 의해 평균 섬유 길이(La)를 구했다.
평균 섬유 길이(La) = Σ Li/100
(5) 성형체의 외관
성형체의 외관은, 눈, 광학 현미경 및 손으로 만져서 평가하고, 강화섬유에의 수지 함침이 불충분한(건조한) 부위, 주름, 균열 등에 대해, 아래의 평가 기준으로 평가했다.
○(양호) : 외관에 특별히 이상이 보이지 않는다.
△(불량) : 약간 건조한 부위나 주름이 보인다.
×(중대 불량) : 건조한 부위나 주름이 많이 발견되거나, 균열이 확인된다.
(6) 성형체의 굴곡
성형체의 굴곡 대해서는, 눈 및 손으로 만지고, 아래의 평가 기준으로 평가했다.
○(양호) : 굴곡이 보이지 않는다.
△(불량) : 약간의 굴곡이 확인된다.
×(중대 불량) : 크게 뒤틀려 있다.
(7) 성형성
성형성의 평가는, 성형체의 형상 관찰에 의해, 아래의 평가 기준으로 평가했다.
○(양호) : 단부까지 섬유강화 복합재료가 충전되고, 결함이 발견되지 않는다.
△(불량) : 일부에 결함이나 불량이 발견된다.
×(중대 불량) : 결함이나 불량이 많다.
(8) 성형체의 두께 편차
마이크로미터를 이용하여, 얻어진 성형체 전체로부터 10곳의 두께를 측정하고, 두께의 (산술) 평균치 및 표준 편차를 구했다. 또, 10곳의 두께 측정치 중, 그 최소치 및 최대치와, 상기 두께의 평균치를 이용하여, 각각 아래 식 (6) 및 (7)에서 정의되는 「두께 최소치의 편차」와 「두께 최대치의 편차」를 산출하여, 성형체의 두께 편차가 평균치에서부터 ±10% 이내를 충족하고 있는지를 확인했다.
두께 최소치의 편차(%)=100×[(두께 최소치-두께 평균치)/두께 평균치](6)
두께 최대치의 편차(%)=100×[(두께 최대치-두께 평균치)/두께 평균치](7)
(9) 프리프레그의 보이드율
프리프레그의 보이드율은, 시험편의 단면(斷面)을 광학 현미경으로 관찰하여, 보이드의 존재 면적을 관찰에 이용한 시험편의 단면적으로 나누어 산출했다. 관찰은 1개의 시료당 n=5로 하여, 그 평균치를 그 시료의 보이드율로 하였다.
<실시예 1>
[랜덤 매트 제작]
강화섬유로서, 동방(東邦) 테낙스사제 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유 지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜, 인장 강도 4000㎫)를 사용했다. 탄소섬유를 개섬시키면서 20㎜ 길이로 잘라, 탄소섬유의 공급량을 300g/min으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 풍속 450m/sec로 탄소섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동가능한 테이블 위에, 테이블 하부로부터 송풍기로 흡인을 행하면서 살포했다.
또한, 매트릭스 수지로서 폴리아미드 6 수지(유니치카제 A1030)를 360g/min으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소 섬유와 PA6이 혼합된 두께 7.5㎜의 랜덤 매트를 얻었다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 35vol%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 240이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 가열하여 250℃에 도달한 후에, 3㎫의 압력으로 7분 동안 가압한 후, 80℃까지 냉각하여, 두께 1.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.09%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
[프리프레그 배치 공정]
금형 캐비티 투영 면적에 대해 80%로 잘라낸 프리프레그를 2매, 적외선 오븐 중에 넣어 255℃로 가열한 후에 적층하고, 금형 온도 130℃로 온도 조절된 단부의 클리어런스가 0.02㎜인 평판상의 금형 내에 배치했다(도 1).
[성형 공정]
10㎫의 압력으로 30초간의 프레스 성형을 실시하여, 두께 2.4㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 3에 나타낸다.
5로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재(프리프레그)의 충전 부분이며, 그 외측의 6으로 나타낸 부분이 기재(프리프레그)가 금형 캐비티 엣지부까지 유동한 부분이다. 도면 중에 7로 나타내는 개소(箇所)에 대해 각각 섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 35.2%, 기재(프리프레그) 충전부가 35.0%로, 유동부도 기재(프리프레그) 충전부도 동등한 값을 나타냈다. 또한, 유동부에 대해 도면 중에 8로 나타내는 개소의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.03으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 또한, 얻어진 성형체의 두께 편차를 평가한 결과, 거의 균일한 두께인 것을 확인했다. 두께 편차의 평가 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
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<실시예 2>
[랜덤 매트 제작]
탄소섬유의 공급량을 150g/min, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 180g/min으로 하고, 테이퍼관 내의 풍속을 200m/sec로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지인 조건에서, 두께 4.0㎜의 랜덤 매트를 얻었다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 185g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 35vol%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)은 240이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지인 방법으로, 두께가 0.8㎜인 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.3%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정]
금형 캐비티 투영 면적에 대해 80%로 잘라낸 프리프레그를 4매 적층하고, 적외선 오븐 안에 넣어 255℃로 가열한 후에, 금형 온도 130℃로 온도 조절된 단부의 클리어런스가 0.05㎜인 도 2에 나타내는 입체 형상의 금형 내에 배치했다(도 4).
[성형 공정]
10㎫의 압력으로 30초간의 프레스 성형을 실시하여, 두께 2.4㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 5에 나타낸다.
5로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재(프리프레그)의 충전 부분이며, 그 외측의 6으로 나타낸 부분이 기재(프리프레그)가 금형 캐비티 엣지부까지 유동한 부분이다. 도면 중에 7로 나타내는 개소에 대해 각각 섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 35.3%, 기재(프리프레그) 충전부가 35.0%로 되어, 유동부도 기재(프리프레그) 충전부도 동등한 값을 나타냈다. 유동부에 대해 도면 중에 8로 나타내는 개소의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.08로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 3>
[랜덤 매트 제작]
강화섬유로서, 탄소섬유(동방 테낙스사제 : 테낙스 IMS60-12K(평균 섬유 지름 5㎛, 섬유 폭 6㎜))를 사용했다. 탄소섬유를 개섬시키면서 20㎜ 길이로 잘라, 탄소섬유의 공급량을 100g/min으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 풍속 250m/sec로 탄소섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동가능한 테이블 위에, 테이블 하부로부터 송풍기로 흡인을 행하면서 살포했다.
또한, 매트릭스 수지로서 폴리카보네이트 수지(데이진가세이제 판라이트(등록상표)L-1225L)를 300g/min으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유 길이 20㎜의 탄소섬유와 폴리카보네이트가 혼합된 두께 5.0㎜ 정도의 랜덤 매트를 얻었다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 125g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 120으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 80%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 1000이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 가열하여 260℃에 도달한 후에, 5㎫의 압력으로 7분 가압한 후, 50℃까지 냉각하여, 두께 1.0㎜의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.2%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정]
금형 캐비티 투영 면적에 대해 50%로 잘라낸 기재 시트(프리프레그)를 2매, 적외선 오븐 안에 넣어 260℃로 가열한 후에 적층하고, 금형 온도 60℃로 온도 조절된 단부의 클리어런스가 0.02㎜인 평판상의 금형 내에 배치했다(도 1).
[성형 공정]
10㎫의 압력으로 30초간의 프레스 성형을 실시하여, 두께 1.0㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 3에 나타낸다.
5로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재(프리프레그)의 충전 부분이며, 그 외측의 6으로 나타낸 부분이 기재(프리프레그)가 금형 캐비티 엣지부까지 유동한 부분이다. 도면 중에 7로 나타내는 개소에 대해 각각 섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 19.9%, 기재(프리프레그) 충전부가 20.1%로 되어 동등한 수치를 나타냈다. 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.21로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 4>
[랜덤 매트 제작]
탄소섬유의 공급량을 600g/min, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 720g/min으로 하고, 테이퍼관 내의 풍속을 1000m/sec로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지인 조건에서, 두께 15.0㎜의 랜덤 매트를 얻었다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 740g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 35vol%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 240이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지인 방법으로, 두께가 3.0㎜인 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.5%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정]
금형 캐비티 투영 면적에 대해 80%로 잘라낸 프리프레그를 2매, 적외선 오븐 안에 넣어 255℃로 가열한 후에 적층하여, 금형 온도 130℃로 온도 조절된 단부의 클리어런스가 0.08㎜인 리브(rib)ㆍ보스(boss) 형상을 가진 금형 내에 배치했다(도 6).
[성형 공정]
10㎫의 압력으로 30초간의 프레스 성형을 실시하여, 두께 4.8㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다. 얻어진 성형체의 모식도를 도 7에 나타낸다.
5로 나타낸 부분이 금형 내에의 기재(프리프레그)의 충전 부분이며, 그 외측의 6으로 나타낸 부분이 기재(프리프레그)가 금형 캐비티 엣지부까지 유동한 부분이다. 도면 중에 7로 나타내는 각 부위에 대해 각각 섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 34.6%, 기재(프리프레그) 충전부가 34.8%로 되어 동등한 값을 나타냈다. 유동부의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.09로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 5>
[랜덤 매트 제작]
탄소섬유의 공급량을 300g/min, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 360g/min으로 하고, 테이퍼관 내의 풍속을 400m/sec로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지인 조건에서, 두께 7.0㎜의 랜덤 매트를 얻었다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 50vol%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 500이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지인 방법으로, 두께가 1.5㎜인 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.3%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정 및 성형 공정]
실시예 1과 마찬가지로, 프리프레그의 배치 및 성형체의 성형을 실시하여, 두께 2.4㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다.
섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 34.9%, 기재(프리프레그) 충전부가 35.2%로 되어 동등한 값을 나타냈다. 유동부의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.02로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 6>
[랜덤 매트 제작]
탄소섬유의 공급량을 100g/min, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 300g/min으로 하고, 테이퍼관 내의 풍속을 250m/sec로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지인 조건에서, 두께 4.0㎜의 랜덤 매트를 얻었다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 125g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 80vol%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 1000이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지인 방법으로, 두께가 1.0㎜인 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.3%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정]
금형 캐비티 투영 면적에 대해 50%로 잘라낸 프리프레그를 2매, 적외선 오븐 안에 넣어 255℃로 가열한 후에 적층하여, 금형 온도 130℃로 온도 조절된 단부의 클리어런스가 0.02㎜인 평판상의 금형 내에 배치했다(도 1).
[성형 공정]
10㎫의 압력으로 30초간의 프레스 성형을 실시하여, 두께 1.0㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다.
섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 18.0%, 기재(프리프레그) 충전부가 18.2%로 되어 동등한 값을 나타냈다. 유동부의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.10으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 7>
[랜덤 매트 제작]
강화섬유로서, 동방 테낙스사제 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유 지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 사용했다. 종 슬릿 장치를 사용하여 폭 2㎜ 이하로 슬릿한 후, 섬유 길이 20㎜로 잘랐다. 커팅 장치는 연속적으로 강화섬유를 커팅할 수 있는 로터리 커터를 이용하였다. 로터리 커터를 통과한 스트랜드를 테이퍼관에 도입하고, 풍속 250m/sec로 처리하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬했다. 그 후, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동가능한 테이블 위에, 테이블 하부로부터 송풍기로 흡인하면서 살포하여, 두께 약 4㎜의 매트를 제작했다.
이어서, 얻어진 매트 위에, 용융된 매트릭스 수지를 공급했다. 매트릭스 수지로서는 유니치카사제(社製)의 폴리아미드 6 수지(A1030)를 사용하고, 이것을 압출기에서 용융하여 T-다이로부터 매트 전면(全面)에 용융 수지를 공급했다. 이때, 매트면 위의 수지가 공급되는 개소를 적외선 히터에 의해 가열하여, 수지의 냉각 고화를 방지하도록 했다. 강화섬유의 공급량 100g/min에 대해, 폴리아미드 6 수지의 공급량을 300g/min으로 하여 장치를 가동해서, 강화섬유와 열가소성 수지로 이루어지는 랜덤 매트를 형성했다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 125g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 80%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 1000이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 280℃로 설정한 1쌍의 가열 롤러로 가열 가압하여, 수지가 함침된 프리프레그를 제작했다. 냉각 후의 프리프레그의 두께는 1.0㎜로, 보이드율은 0.6%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정]
금형 캐비티 투영 면적에 대해 50%로 잘라낸 기재 시트를 2매, 적외선 오븐 안에 넣어 255℃로 가열한 후에 적층하여, 금형 온도 130℃로 온도 조절된 단부의 클리어런스가 0.02㎜인 평판상의 금형 내에 배치했다(도 1).
[성형 공정]
10㎫의 압력으로 30초간의 프레스 성형을 실시하여, 두께 1.0㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다.
섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 18.0%, 기재 충전부가 18.1%로, 동등한 수치를 나타냈다. 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.13으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 8>
[랜덤 매트 제작]
강화섬유의 평균 섬유 길이를 10㎜로 하고, 테이퍼관 내의 풍속을 50m/sec로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지인 조건에서, 두께 7.0㎜의 랜덤 매트를 얻었다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 95vol%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 1200이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지인 방법으로, 두께가 1.5㎜인 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.2%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정 및 성형 공정]
실시예 1과 마찬가지로, 프리프레그의 배치 및 성형체의 성형을 실시하여, 두께 2.4㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다.
섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 35.0%, 기재(프리프레그) 충전부가 35.3%로 되어 동등한 값을 나타냈다. 유동부의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.11로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 9>
[랜덤 매트 제작]
강화섬유의 평균 섬유 길이를 40㎜로 하고, 테이퍼관 내의 풍속을 250m/sec로 변경한 이외는 실시예 1과 마찬가지인 조건에서, 두께 7.0㎜의 랜덤 매트를 얻었다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 80vol%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 1000이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지인 방법으로, 두께가 1.5㎜인 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.4%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정 및 성형 공정]
실시예 1과 마찬가지로, 프리프레그의 배치 및 성형체의 성형을 실시하여, 두께 2.4㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다.
섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 34.8%, 기재(프리프레그) 충전부가 35.1%로 되어 동등한 값을 나타냈다. 유동부의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.05로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 10>
[랜덤 매트 제작]
강화섬유로서, 일본전기초자사제(社製)의 유리섬유 EX-2500(평균 섬유 지름 15㎛, 섬유 폭 9㎜)를 사용했다. 유리섬유를 개섬시키면서 50㎜ 길이로 잘라, 유리섬유의 공급량을 300g/min으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 풍속 300m/sec로 유리섬유에 분사하여 섬유 다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치한 XY방향으로 이동가능한 테이블 위에, 테이블 하부로부터 송풍기로 흡인을 행하면서 살포했다.
이어서, 매트릭스 수지로서 폴리아미드 6 수지(유니치카제 A1030)를 360g/min으로 테이퍼관 내에 공급하고, 유리섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유 길이 50㎜의 유리섬유와 PA6이 혼합된 두께 6.5㎜ 정도의 랜덤 매트를 얻었다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 40으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 80%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 150이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 가열하여, 250℃에 도달한 후에, 3㎫의 압력으로 5분 가압한 후, 80℃까지 냉각하여, 두께 1.5㎜의 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 0.1%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정 및 성형 공정]
실시예 1과 마찬가지로, 프리프레그의 배치 및 성형체의 성형을 실시하여, 두께 2.4㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다.
섬유 함유율(Vf)을 조사한바, 유동부의 평균이 27.0%, 기재(프리프레그) 충전부가 27.3%로 되어 동등한 값을 나타냈다. 유동부의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)는 1.25로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<실시예 11>
[프리프레그 배치 공정]
실시예 1에서 얻어진 프리프레그를 이용하여, 금형 캐비티 투영 면적에 대해 50%로 잘라낸 2매를, 적외선 오븐 안에 넣어 255℃로 가열한 후에, 금형 온도 130℃로 온도 조절된 단부의 클리어런스가 0.02㎜인 평판상의 금형 내에, 도 9에 나타내는 바와 같이 편측(片側)의 단부를 약 30㎜ 오버랩시켜 배치했다. 오버랩 배치 후의 기재(프리프레그) 충전율은, 금형 캐비티 투영 면적에 대해 95%였다.
[성형 공정]
10㎫의 압력으로 30초간의 프레스 성형을 실시하여, 두께 1.5㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 재료의 균열이나 주름의 발생이 없고, 표면 외관은 양호하며, 제품 굴곡이 보이지 않는 것으로, 금형 말단까지 수지와 섬유가 충전되어 있는 것을 확인했다.
섬유 함유율(Vf)은, 유동부의 평균이 34.5%, 기재(프리프레그) 충전부가 35.1%로 되어 동등한 값을 나타냈다. 유동부의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율의 비(Eδ)는 1.10으로, 등방성을 유지하고 있는 것을 확인했다. 또한, 기재 오버랩부의 인장 시험 결과, 오버랩부의 인장 강도는 다른 부위와 큰 차가 없었다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<비교예 1>
[랜덤 매트 제작]
테이퍼관 내의 풍속을 700m/sec로 한 이외는 실시예 1과 마찬가지인 조건으로, 두께 8.0㎜의 랜덤 매트를 제작했다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 10vol%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 100이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시에 1과 마찬가지인 방법으로, 두께가 1.7㎜인 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 10.5%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정 및 성형 공정]
실시예 1과 마찬가지로, 프리프레그의 배치 및 성형체의 성형을 실시하여, 두께 3.0㎜의 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체는, 단부까지 재료가 골고루 도달하지 않고, 결함부가 있음을 알게 되었다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<비교예 2>
테이퍼관 내의 풍속을 10m/sec로 한 이외는 실시예 1과 마찬가지인 조건에서, 두께 6.5㎜의 랜덤 매트를 제작했다.
얻어진 랜덤 매트의 강화섬유의 단위면적당 중량은 370g/㎡이었다. 또한, 얻어진 랜덤 매트에 대해, 강화섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유 수(N)를 조사한바, 식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수는 86으로, 강화섬유 다발(A)의 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대한 비율은 100vol%, 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)는 3000이었다. 랜덤 매트의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 1에 나타낸다.
[프리프레그 제작 공정]
얻어진 랜덤 매트를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지인 방법으로, 두께가 1.5㎜인 판상의 프리프레그를 얻었다. 프리프레그의 보이드율은 3.8%였다. 프리프레그의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
[프리프레그 배치 공정 및 성형 공정]
실시예 1과 마찬가지로, 프리프레그의 배치 및 성형체의 성형을 실시하여, 두께 2.4㎜의 성형체를 얻었다. 성형성 및 얻어진 성형체의 표면 외관은 양호하고 제품 굴곡도 보이지 않았다.
그러나 섬유 함유율(Vf)은, 유동부의 평균이 33.7%, 기재(프리프레그) 충전부가 35.5%이며, 유동부의 인장 탄성율을 측정한바, 서로 직교하는 두 방향의 인장 탄성율의 비(Eδ)는 1.38로 되어, 이방성이 있음을 알게 되었다. 성형체의 제조 조건 및 측정·평가 결과를 표 2에 나타낸다.
본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 성형체는, 경량으로 형상 자유도가 있고, 금형에 대한 프리프레그 충전율이 낮은 상태에서 프레스 성형한 경우에도, 단부까지 섬유의 등방성이 유지된 성형체가 된다. 또한, 성형성, 박육(薄肉), 비강성(比剛性), 생산성, 경제성이 우수하므로, 전기·전자 기기 부품, 자동차용 부품, 컴퓨터, OA기기, AV기기, 휴대 전화, 전화기, 팩시밀리, 가전 기기, 완구용품 등의 전기, 전자 부품이나 케이스에 효율적으로 이용할 수 있다. 특히, 환경 대응 차량에 탑재되는 자동차 부품에 바람직하게 사용할 수 있다.
1 프리프레그
2 금형 캐비티
3 금형 캐비티 엣지부
4 금형 캐비티 총면적
5 기재(프리프레그) 충전부
6 유동부
7 Vf의 계측점
8 인장 탄성율 계측점
9 보스형상부
10 리브형상부
11 금형 단부(端部)의 빼기구배(draft angle)
12 금형의 클리어런스
13 프리프레그의 오버랩부

Claims (10)

  1. 섬유강화 복합재료로 이루어지는 성형체의 제조 방법으로서,
    1) 평균 섬유 길이 5∼100㎜의 강화섬유와 열가소성 수지를 포함하는 랜덤 매트를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상, 열분해 온도 미만의 온도까지, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상, 열분해 온도 미만의 온도까지 가열하는 것에 의해 열가소성 수지를 함침시켜 프리프레그를 얻는 프리프레그 제작 공정과,
    2) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상, 열분해 온도 미만의 온도, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상, 열분해 온도 미만의 온도로 한 상기 프리프레그를, 열가소성 수지가 결정성인 경우에는 융점 온도 미만, 비결정성인 경우에는 유리 전이 온도 미만이 되도록 온도 조절된 금형에, 아래 식 (3)으로 나타내는 충전율이 50% 이상 100% 이하가 되도록 배치하는 프리프레그 배치 공정과,
    3) 상기 금형 내에서, 상기 프리프레그를 가압함과 아울러, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만의 온도로 성형을 완결시켜 성형체를 얻는 성형 공정을 포함하고,
    상기 랜덤 매트는, 25∼10000g/㎡의 단위면적당 중량으로 상기 강화섬유가 실질적으로 2차원 랜덤하게 배향되어 있고,
    식 (1)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 강화섬유 다발(A)이, 상기 랜덤 매트에 있어서의 섬유 전량에 대해 20Vol% 이상 99Vol% 미만 포함되어 있고,
    또한, 상기 강화섬유 다발(A)에 있어서의 평균 섬유 수(N)가, 아래 식 (2)을 만족하는 것을 특징으로 하는, 섬유강화 복합재료로 이루어지는 성형체의 제조 방법.
    임계 단사 수 = 600/D (1)
    0.7×104/D2 < N < 1×105/D2 (2)
    (식 (1) 및 식 (2) 중, D는 강화섬유의 평균 섬유 지름(㎛)이다)
    충전율(%) = 100×[기재 면적(㎟)/금형 캐비티 투영 면적(㎟)] (3)
    (식 (3) 중, 기재 면적이란 배치된 모든 프리프레그를 빠짐 방향에의 투영 면적이며, 금형 캐비티 투영 면적이란 빠짐 방향에의 투영 면적이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 매트에 있어서의 열가소성 수지의 함유량은, 상기 강화섬유 100 질량부에 대해 50∼1000 질량부인 성형체의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프리프레그 배치 공정에서, 상기 금형의 온도를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점－200℃ 이상, 융점－10℃ 이하, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도－200℃ 이상, 유리 전이 온도－10℃ 이하로 온도 조절하는 성형체의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리프레그 배치 공정에서, 상기 프리프레그를, 아래 식 (4)으로 나타내는 총면적 충전율이 30% 이상 100% 이하가 되도록 배치하는 성형체의 제조 방법.
    총면적 충전율(%) = 100×[기재 총면적(㎟)/금형 캐비티 총면적(㎟)] (4)
    (식 (4) 중, 기재 총면적이란, 수평 전개한 모든 프리프레그의 투영 면적에서부터, 적층 및 오버랩부의 면적을 뺀 면적이며, 금형 캐비티 총면적이란, 금형 캐비티 표면의 면적의 합이다)
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리프레그 배치 공정에서, 복수매의 프리프레그의 단부를 오버랩시키는 성형체의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강화섬유의 평균 섬유 길이는, 10∼30㎜인 성형체의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금형은, 단부(端部)의 클리어런스가 0.01∼0.1㎜이며, 밀폐하는 것이 가능한 것인 성형체의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리프레그의 보이드율이, 0∼30%인 성형체의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 공정에서, 프리프레그를 가압하는 압력을 3㎫∼100㎫로 하는 성형체의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 얻어지는 성형체로서,
    임의의 방향에 대한 인장 탄성율 및 이와 직교하는 방향에 대한 인장 탄성율에 대해, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비(Eδ)가 1.0 내지 1.3인 성형체.
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