KR20140081821A - 성형 재료 - Google Patents

Abstract

강도·인성·탄성률이라는 관점에 있어서, 각각 균형있게 우수함과 함께 높은 성형 특성을 갖는 성형 재료를 제공한다. 페놀 수지와, 탄소 섬유와, 폴리비닐부티랄, 아세트산비닐 및 아크릴로니트릴부타디엔 고무로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상의 엘라스토머를 함유한다.

Description

성형 재료{MOLDING MATERIAL}

본 발명은 성형 재료에 관한 것이다.

최근, 성형품이나 성형 부품 등에 대해, 재료의 경량화나 비용 절감 등의 관점에서, 종래 사용되고 있던 금속 재료를 수지 재료로 대체하는 시도가 이루어지고 있다. 지금까지 금속 대체 재료로서 성형품이나 성형 부품에 사용하기 위해 여러 가지 수지가 검토되어 왔다. 실제로 성형품이나 성형 부품의 재료로서 이용되는 수지 재료로는, 페놀 수지와 탄소 섬유를 포함하는 탄소·수지 복합재가 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1).

또, 자동차 분야, 전기 분야, 전자 분야 등의 기간 산업 분야에서는, 금속 대체 재료로서 내열성, 치수 안정성, 및 성형성 등이 우수한 페놀 수지 성형 재료가 사용되고 있다. 이 페놀 수지 성형 재료 중에서도 유리 섬유 강화 페놀 수지는 비용 절감의 관점에서 적극적으로 금속 대체 재료로서 검토가 이루어지고 있다 (예를 들어, 특허문헌 2).

그러나, 현행의 유리 섬유 강화 페놀 수지 성형 재료를 기구 부품 용도의 재료로서 사용하는 경우, 강도나 탄성률이 부족하다. 이 때문에, 기구 부품 용도의 재료로서 사용하기에 충분한, 인장 강도, 인장 탄성률, 및 인성 등의 성능을 구비하는 페놀 수지 성형 재료가 요구되고 있다.

일본 특허공보 제3915045호 일본 공개특허공보 2005-281364호

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 강도·인성·탄성률이라는 관점에 있어서, 각각 균형있게 우수함과 함께 높은 성형 특성을 갖는 성형 재료를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 페놀 수지와, 탄소 섬유와, 폴리비닐부티랄, 아세트산비닐 및 아크릴로니트릴부타디엔 고무로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상의 엘라스토머를 함유하는 성형 재료가 제공된다.

본 발명에 의하면, 강도·인성·탄성률이라는 관점에 있어서, 각각 균형있게 우수함과 함께 높은 성형 특성을 갖는 성형 재료를 제공하는 것이다.

본 실시형태에 관련된 성형 재료는 페놀 수지, 탄소 섬유, 및 특정 엘라스토머 (폴리비닐부티랄 혹은 아세트산비닐 혹은 아크릴로니트릴부타디엔 고무) 를 함유하는 구성으로 되어 있다. 이와 같은 구성을 채용함으로써, 강도·인성·탄성률이라는 관점에 있어서, 각각 균형있게 우수함과 함께 높은 성형 특성을 갖는 성형 재료를 얻을 수 있다. 이 이유는 반드시 분명하지는 않지만, 이하에 설명하는 것이 이유로서 생각된다. 먼저, 본 실시형태에 관련된 성형 재료에는 특정 엘라스토머를 함유시키고 있다. 이와 같이, 특정 엘라스토머를 선택하여 탄소 섬유와 함께 함유시킴으로써, 탄성률을 향상시킴과 함께, 인성과 강도의 밸런스가 높은 레벨로 우수한 것이 되었다고 생각된다. 또, 특정 엘라스토머와 페놀 수지를 함께 함유시킴으로써, 인성을 향상시킬 수 있던 것으로 생각된다. 이와 같이, 본 실시형태에 관련된 성형 재료에서는, 특정 엘라스토머, 페놀 수지 및 탄소 섬유를 각각 조합하여 사용함으로써, 이들의 상승 효과에 의해 강도·인성·탄성률을 각각 균형있게 향상시킬 수 있었던 것으로 생각된다.

본 실시형태에 관련된 페놀 수지로는 특별히 한정되지 않지만, 노볼락형 페놀 수지, 레졸형 페놀 수지, 아릴알킬렌형 페놀 수지로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종을 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 강도·인성·탄성률이라는 관점에 있어서, 보다 더 균형있게 우수한 성형 재료를 얻을 수 있다.

본 실시형태에 관련된 노볼락형 페놀 수지의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 페놀류와 알데히드류를 산성 촉매하에서 반응시킴으로써 얻을 수 있다.

본 실시형태에 관련된 노볼락형 페놀 수지를 제조할 때에 사용하는 페놀류로는, 예를 들어, 페놀, 크레졸, 자일레놀, 에틸페놀, p-페닐페놀, p-tert-부틸페놀, p-tert-아밀페놀, p-옥틸페놀, p-노닐페놀, p-쿠밀페놀, 비스페놀 A, 비스페놀 F, 레조르시놀 등을 들 수 있다. 또한, 이들 페놀류를 단독 또는 2 종류 이상 병용하여 사용해도 된다.

또, 본 실시형태에 관련된 노볼락형 페놀 수지의 제조에 사용하는 알데히드류로는, 예를 들어, 포름알데히드, 아세트알데히드, 프로필알데히드, 부틸알데히드 등의 알킬알데히드, 벤즈알데히드, 살리실알데히드 등의 방향족 알데히드 등을 들 수 있다. 포름알데히드원으로는, 포르말린 (수용액), 파라포름알데히드, 알코올류와의 헤미포르말, 트리옥산 등을 들 수 있다. 또한, 이들 알데히드류를 단독 또는 2 종류 이상 병용하여 사용해도 된다.

본 실시형태에 관련된 노볼락형 페놀 수지를 합성할 때, 페놀류와 알데히드류의 반응 몰 비율은 통상적으로 페놀류 1 몰에 대해 알데히드류가 0.3 ∼ 1.0 몰이고, 특히 0.6 ∼ 0.9 몰로 하는 것이 바람직하다.

또, 본 실시형태에 관련된 노볼락형 페놀 수지의 제조에 사용하는 산성 촉매로는, 예를 들어, 옥살산, 아세트산 등의 유기 카르복실산, 벤젠술폰산, 파라톨루엔술폰산, 메탄술폰산 등의 유기 술폰산, 1-하이드록시에틸리덴-1,1'-디포스폰산, 2-포스포노부탄-1,2,4-트리카르복실산 등의 유기 포스폰산, 염산, 황산, 인산 등의 무기산 등을 들 수 있다. 또한, 이들 산성 촉매를 단독 또는 2 종류 이상 병용하여 사용해도 된다.

다음으로, 본 실시형태에 관련된 레졸형 페놀 수지의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 페놀류와 알데히드류를 알칼리 금속이나 아민류, 2 가 금속염 등의 촉매의 존재하에서 반응시킴으로써 얻을 수 있다.

본 실시형태에 관련된 레졸형 페놀 수지의 제조에 사용하는 페놀류로는, 예를 들어, 페놀, o-크레졸, m-크레졸, p-크레졸 등의 크레졸류, 2,3-자일레놀, 2,4-자일레놀, 2,5-자일레놀, 2,6-자일레놀, 3,4-자일레놀, 3,5-자일레놀 등의 자일레놀류, o-에틸페놀, m-에틸페놀, p-에틸페놀 등의 에틸페놀류, 이소프로필페놀, 부틸페놀, p-tert-부틸페놀 등의 부틸페놀류, p-tert-아밀페놀, p-옥틸페놀, p-노닐페놀, p-쿠밀페놀 등의 알킬페놀류, 플루오로페놀, 클로로페놀, 브로모페놀, 요오도페놀 등의 할로겐화 페놀류, p-페닐페놀, 아미노페놀, 니트로페놀, 디니트로페놀, 트리니트로페놀 등의 1 가 페놀 치환체, 및, 1-나프톨, 2-나프톨 등의 1 가의 페놀류, 레조르신, 알킬레조르신, 피로갈롤, 카테콜, 알킬카테콜, 하이드로퀴논, 알킬하이드로퀴논, 플로로글루신, 비스페놀 A, 비스페놀 F, 비스페놀 S, 디하이드록시나프탈린 등의 다가 페놀류 등을 들 수 있다. 또한, 이들 페놀류를 단독 혹은 2 종 이상을 혼합하여 사용해도 된다. 또, 이들 페놀류 중에서도 경제적으로 유리한 페놀, 크레졸류, 비스페놀 A 를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

또, 본 실시형태에 관련된 레졸형 페놀 수지의 제조에 사용하는 알데히드류로는, 예를 들어, 포름알데히드, 파라포름알데히드, 트리옥산, 아세트알데히드, 프로피온알데히드, 폴리옥시메틸렌, 클로랄, 헥사메틸렌테트라민, 푸르푸랄, 글리옥살, n-부틸알데히드, 카프로알데히드, 알릴알데히드, 벤즈알데히드, 크로톤알데히드, 아크롤레인, 테트라옥시메틸렌, 페닐아세트알데히드, o-톨루알데히드, 살리실알데히드 등을 들 수 있다. 이들 알데히드류를 단독 또는 2 종류 이상 조합하여 사용해도 된다. 또한, 이들 알데히드류 중에서도 반응성이 우수하고, 저렴하다는 관점에서, 포름알데히드, 파라포름알데히드를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

또, 본 실시형태에 관련된 레졸형 페놀 수지의 제조에 사용하는 촉매로는, 예를 들어, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화칼륨 등의 알칼리 금속의 수산화물, 칼슘, 마그네슘, 바륨 등 알칼리 토금속의 산화물 및 수산화물, 탄산나트륨, 암모니아수, 트리에틸아민, 헥사메틸렌테트라민 등의 아민류, 아세트산마그네슘이나 아세트산아연 등의 2 가 금속염 등을 들 수 있다. 이들 촉매는 단독 또는 2 종류 이상 병용해도 된다.

또한, 본 실시형태에 관련된 레졸형 페놀 수지를 제조할 때, 페놀류와 알데히드류의 반응 몰비로는, 바람직하게는 페놀류 1 몰에 대해 알데히드류 0.80 ∼ 2.50 몰이고, 더욱 바람직하게는 알데히드류 1.00 ∼ 2.30 몰이다. 페놀류와 알데히드류의 반응 몰비가 상기 하한치 미만이면 레졸형 수지를 얻을 수 없는 경우가 있고, 상기 상한치를 초과하면 반응 제어가 곤란해지는 경우가 있다.

다음으로, 본 실시형태에 관련된 아릴알킬렌형 페놀 수지란, 반복 단위 중에 1 개 이상의 아릴알킬렌기를 갖는 에폭시 수지를 가리킨다. 이와 같은 아릴알킬렌형 페놀 수지로는, 예를 들어, 자일릴렌형 에폭시 수지, 비페닐디메틸렌형 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 비페닐디메틸렌형 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 얻어지는 성형 재료를 강도라는 관점에 있어서 우수한 것으로 할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관련된 성형 재료 중에 함유되는 페놀 수지의 함유량은 당해 성형 재료의 전체 중량에 대해 20 중량％ 이상 70 중량％ 이하인 것이 바람직하고, 40 중량％ 이상 55 중량％ 이하이면 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 얻어지는 성형 재료를 강도라는 관점에 있어서 보다 더 우수한 것으로 할 수 있다. 또한, 성형 재료 중의 페놀 수지 함유량이 상기 상한치를 초과한 경우, 얻어지는 성형품에 부풀음이 생기는 경우가 있다. 그리고 또한, 성형 재료 중의 페놀 수지 함유량이 상기 하한치 미만이 되는 경우, 페놀 수지의 경화에 시간을 필요로 하기 때문에 경화가 불충분해지는 경우가 있다.

다음으로, 본 실시형태에 관련된 탄소 섬유에 대해 설명한다. 먼저, 탄소 섬유란, 유기 섬유의 프리커서를 가열 탄소화 처리하여 얻어지는 질량비로 90 ％ 이상이 탄소로 구성되는 섬유를 가리킨다. 이 탄소 섬유는 유리 섬유 등의 그 밖의 섬유 재료와 비교하여 가볍다는 점, 그리고 단위 중량당 강도 (이하, 「비강도」라고도 한다) 가 우수하다는 점에 특징을 갖고 있다. 이 때문에, 탄소 섬유를 성형 재료에 사용한 경우, 당해 성형 재료의 강도나 탄성률을 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다. 그러나, 탄소 섬유는 그 밖의 재료와 혼련할 때에 꺾이기 쉬워, 탄소 섬유 자체의 효과를 발휘하기 위해서는 성형 재료에 요구되는 성능에 따라서, 탄소 섬유와 함께 혼련하는 그 외 재료, 탄소 섬유의 종류나 형상 (섬유 길이) 등을 적절히 선택할 필요가 있다.

본 실시형태에 관련된 탄소 섬유는 피치계 탄소 섬유 또는 PAN 계 탄소 섬유인 것이 바람직하다. 또, 이들 탄소 섬유는 1 종을 단독으로 사용해도 되고 2 종 이상을 조합하여 사용해도 된다. 또한, 탄소 섬유의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 원형인 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 얻어지는 성형 재료의 강도나 탄성률을 보다 더 균형있게 향상시킬 수 있다.

또, 본 실시형태에 관련된 성형 재료 중에 함유되는 탄소 섬유의 함유량은 당해 성형 재료의 전체 중량에 대해 20 중량％ 이상 70 중량％ 이하인 것이 바람직하고, 40 중량％ 이상 55 중량％ 이하이면 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 성형성이 우수하며 또한 강도나 탄성률이 보다 더 균형있게 향상된 성형 재료를 얻을 수 있다. 또한, 성형 재료 중의 탄소 섬유 함유량이 상기 상한치를 초과한 경우, 얻어지는 성형품의 표면 상태가 악화되는 경우가 있다. 또, 성형 재료 중의 탄소 섬유 함유량이 상기 하한치 미만이 되는 경우, 충분한 강도나 탄성률 등의 기계적 특성을 갖지 않는 성형품이 얻어지는 경우가 있다.

또, 본 실시형태에 관련된 탄소 섬유의 섬유 직경은 5 ㎛ 이상 13 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 6 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하이면 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 강도·인성·탄성률이 보다 더 균형있게 향상된 성형 재료를 얻을 수 있다.

또, 본 실시형태에 관련된 탄소 섬유의 체적 평균 섬유 길이는 100 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 150 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하이면 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 얻어지는 성형 재료의 탄성률을 보다 더 향상시킬 수 있다. 여기서, 「체적 평균 섬유 길이」는, 성형 재료를 소성 혹은 아세톤 용해시켜 수지 성분을 제거한 후, 유리 플레이트 등에 섬유를 분산시켜, 광학 현미경을 사용하여 섬유를 촬영하고, 화상 해석 장치를 사용하여 섬유 길이를 측정한다.

또, 본 실시형태에 관련된 탄소 섬유의 수 평균 섬유 길이는 50 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 100 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하이면 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 얻어지는 성형 재료의 강도를 보다 더 향상시킬 수 있다. 여기서, 「수 평균 섬유 길이」는, 성형 재료를 소성 혹은 아세톤 용해시켜 수지 성분을 제거한 후, 유리 플레이트 등에 섬유를 분산시켜, 광학 현미경을 사용하여 섬유를 촬영하고, 화상 해석 장치를 사용하여 섬유 길이를 측정한다.

또, 본 실시형태에 관련된 탄소 섬유에 대해, 상기 체적 평균 섬유 길이와 상기 수 평균 섬유 길이의 비율, 체적 평균 섬유 길이/수 평균 섬유 길이는 1 이상 5 이하인 것이 바람직하고, 1.2 이상 3 이하이면 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 강도와 탄성률이 보다 더 균형있게 향상된 성형 재료를 얻을 수 있다.

또한, 탄소 섬유의 섬유 길이는 이하에 설명하는 성형 재료의 제조 방법에 있어서의 주입, 혼합, 가열 용융 혼련 및 분쇄 등의 각 공정을 거침으로써 짧아진다. 그래서, 본 실시형태에 있어서 탄소 섬유의 체적 평균 섬유 길이 및 수 평균 섬유 길이는 각 공정을 거쳐 얻어진 성형 재료 중에 함유되는 탄소 섬유에 관한 값을 규정한 것이다.

다음으로, 본 실시형태에 관련된 엘라스토머에 대해 설명한다. 본 실시형태에 관련된 성형 재료에는, 폴리비닐부티랄, 아세트산비닐 및 아크릴로니트릴부타디엔 고무로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상의 엘라스토머를 함유시키고 있다. 또한, 본 실시형태에 관련된 엘라스토머는 이들 3 종 중 어느 것을 단독으로 사용해도 되고, 병용해도 된다. 즉, 본 실시형태에 관련된 성형 재료에는, 일반적으로 알려져 있는 여러 가지 엘라스토머 중에서 3 종의 엘라스토머를 선택하여 사용하고 있다. 이 이유는, 상기에서도 서술한 바와 같이, 탄소 재료나 페놀 수지와 조합하여 사용할 때, 각종 성분의 특성을 가장 발휘하는 엘라스토머의 조합으로서, 폴리비닐부티랄, 아세트산비닐 및 아크릴로니트릴부타디엔 고무의 3 종이 적합하기 때문이다.

또한, 본 실시형태에 관련된 엘라스토머로는 폴리비닐부티랄을 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 강도·인성·탄성률이 보다 더 균형있게 향상된 성형 재료를 얻을 수 있다. 이 이유로는, 일반적으로 폴리비닐부티랄은 성형 재료에 사용하는 경우, 이러한 재료의 인성이나 가요성을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 성형 재료에 함유시키는 성분으로서, 폴리비닐부티랄을 탄소 섬유나 페놀 수지와 조합하여 사용함으로써, 인성 및 강도를 균형있게 향상시킬 수 있음과 함께, 탄소 섬유와의 상승 효과에 의해 강도·인성·탄성률의 밸런스를 고도로 제어할 수 있을 것으로 생각된다.

또, 본 실시형태에 관련된 성형 재료 중에 함유되는 엘라스토머의 함유량은 당해 성형 재료의 전체 중량에 대해 0.1 중량％ 이상 20 중량％ 이하인 것이 바람직하고, 2 중량％ 이상 8 중량％ 이하이면 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 성형성이 우수하며 또한 강도나 탄성률이 보다 더 균형있게 향상된 성형 재료를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관련된 성형 재료는 필요에 따라 이형제, 활제, 경화 보조제, 안료, 무기 충전제, 다른 엘라스토머류, 유리 섬유 등의 성분을 추가로 함유해도 된다.

본 실시형태에 관련된 성형 재료에 함유시키는 무기 충전제로는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 탤크, 소성 클레이, 미소성 클레이, 마이카 등의 규산염, 산화티탄, 알루미나, 실리카, 용융 실리카 등의 산화물, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 하이드로탈사이트 등의 탄산염, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 수산화칼슘 등의 수산화물, 황산바륨, 황산칼슘, 아황산칼슘 등의 황산염 또는 아황산염, 붕산아연, 붕산바륨, 붕산알루미늄, 붕산칼슘, 붕산나트륨 등의 붕산염, 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소 등의 질화물 및 유리 섬유 등을 들 수 있다. 이들 무기 충전제 중에서도 유리 섬유가 바람직하다. 무기 충전제로서 유리 섬유를 사용함으로써, 성형품의 기계적 강도를 유지할 수 있다.

또, 상기 유리 섬유를 구성하는 유리는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 E 유리, C 유리, A 유리, S 유리, D 유리, NE 유리, T 유리, H 유리 등을 들 수 있다. 이들 유리 중에서도 E 유리, T 유리, 또는 S 유리가 바람직하다. 이렇게 함으로써, 유리 섬유의 고탄성화를 달성할 수 있고, 또한 열팽창 계수도 작게 할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관련된 다른 엘라스토머로는, 예를 들어, 아크릴산-알킬스티렌 공중합체, 스티렌-이소프렌 공중합체, 이소프렌 고무, 스티렌-부타디엔 공중합체, 에테르-우레탄 공중합체, 메틸-우레탄 공중합체, 에스테르-우레탄 공중합체, 비닐-실리콘 공중합체, 페닐-실리콘 공중합체, 클로로프렌 공중합체 등을 들 수 있다.

여기서, 본 실시형태에 관련된 성형 재료의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 실시형태에 관련된 성형 재료의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 이하의 방법을 사용함으로써 제조할 수 있다. 먼저, 페놀 수지, 탄소 섬유 및 엘라스토머를 각각 혼합한다. 다음으로, 상기 혼합물을 가압 니더, 2 축 압출기, 가열 롤 등에 의해 가열 용융 혼련한 혼련물을 파워 밀 등으로 분쇄한다. 이렇게 함으로써, 본 실시형태에 관련된 성형 재료를 얻을 수 있다. 또, 얻어진 성형 재료는 사출 성형, 이송 성형 및 압축 성형 등에 적용함으로써, 원하는 형상의 성형품을 얻을 수 있다.

또, 본 실시형태에 관련된 성형 재료는, 상기 배경 기술의 항에서 서술한 바와 같이, 금속 대체 재료로서 사용된다. 예를 들어, 알루미늄제 다이 캐스트 등에 관한 부품의 대체 재료로서 본 실시형태에 관련된 성형 재료는 사용된다.

이와 같이, 본 실시형태에 관련된 성형 재료는 금속 대체 재료로서 사용되는 것을 전제로 하고 있기 때문에, 용도에 따라, 이러한 성형 재료를 경화하여 얻어지는 경화물의 인장 강도, 및 인장 탄성률을 고도로 규정한 성형 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 강도·인성 및 탄성률 각각의 밸런스를 고도로 제어할 수 있음과 함께, 금속 대체 재료로서의 성형 특성을 보다 더 향상시킨 우수한 성형 재료를 얻을 수 있다. 이하, 이 점에 대해 설명한다.

본 실시형태에서는, 금형 온도 175 ℃, 경화 시간 1 분간이라는 경화 조건에서, 또한 JIS K 6911 에 준해 얻어진 덤벨 형상의 당해 성형 재료의 경화물을, 추가로 180 ℃, 6 시간이라는 조건에서 경화시켜 시험편으로서 사용하고, JIS K 6911 에 준해 인장 시험을 실시한 결과를 예로 설명한다.

본 실시형태에 관련된 성형 재료는 150 ℃ 및 25 ℃ 라는 조건에서 상기 인장 시험을 실시하였을 때에 얻어지는 인장 강도 S₁₅₀ 과 S₂₅ 의 비율, S₁₅₀/S₂₅ 가 0.6 이상 1 이하인 것이 바람직하고, 0.7 이상 1 이하이면 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 종래의 성형 재료와 비교하여 인장 강도를 향상시킬 수 있음과 함께, 강도와 탄성률 및 인성의 밸런스를 고도로 제어할 수 있다. 여기서, 파단 강도란, 시험편이 파단되었을 때에 시험편에 가한 힘을 가리킨다.

또, 본 실시형태에 관련된 성형 재료는 25 ℃ 라는 조건에서 상기 인장 시험을 실시하였을 때에 얻어지는 탄성률이 20 ㎬ 이상 70 ㎬ 이하인 것이 바람직하고, 30 ㎬ 이상 70 ㎬ 이하이면 더욱 바람직하다. 이렇게 함으로써, 종래의 성형 재료와 비교하여, 인장 탄성률을 향상시킬 수 있음과 함께, 탄성률과 강도 및 인성의 밸런스를 고도로 제어할 수 있다. 여기서, 탄성률이란, 인장 시험 실시시의 응력-변형 곡선에 있어서의 인장 개시 직후의 선형 영역에 있어서의 직선의 기울기로부터 구할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관련된 성형 재료는 종래의 금속 재료나 플라스틱 재료와 비교하여 수지로 이루어지는 재료인 만큼 밀도가 낮다. 이 때문에, 단위 밀도당 강도나 탄성률을 나타내는 비인장 강도나 비인장 탄성률의 값은 종래의 성형 재료와 비교하여 매우 높은 값을 나타낸다.

즉, 본 실시형태에 관련된 성형 재료는, 종래의 성형 재료와 비교하여, 강도·인성·탄성률이라는 관점에 있어서, 각각 균형있게 우수함과 함께 높은 성형 특성을 가질 뿐만 아니라, 단위 밀도당 강도나 탄성률이 우수한 것이 된다.

구체적으로, 본 실시형태에 관련된 성형 재료의 25 ℃ 에 있어서의 비인장 강도는 100 ㎫/(g/㎤) 이상 300 ㎫/(g/㎤) 이하인 것이 바람직하고, 120 ㎫/(g/㎤) 이상 300 ㎫/(g/㎤) 이하이면 더욱 바람직하다.

또, 본 실시형태에 관련된 성형 재료의 25 ℃ 에 있어서의 비인장 탄성률은 15 ㎬/(g/㎤) 이상 50 ㎬/(g/㎤) 이하인 것이 바람직하고, 20 ㎬/(g/㎤) 이상 50 ㎬/(g/㎤) 이하이면 더욱 바람직하다.

실시예

각 실시예 및 각 비교예에서 사용한 원료 성분을 하기에 나타낸다.

(1) 페놀 수지 (노볼락형 페놀 수지) : 스미토모 베이크라이트사 제조 A-1082G

(2) 탄소 섬유 (PAN 계) : 토호 테낙스사 제조 HT C261 6 ㎜

(3) 탄소 섬유 (피치계) : 미츠비시 수지사 제조 DIALEAD K223SE

(4) 유리 섬유 : 닛토 방적사 제조 E 유리 섬유

(5) 폴리비닐부티랄 : 세키스이 화학 제조 에스렉 BL-1

(6) 아세트산비닐 : 닛폰 합성 화학 제조 고세닐 PV-500

(7) 아크릴로니트릴부타디엔 고무 : JSR 제조 SBP-4300

(8) 경화제 (헥사메틸렌테트라민) : 스미토모 정화사 제조 우로트로핀

(9) 경화 보조제 : 산화마그네슘

(10) 이형제 : 스테아르산칼슘

(11) 착색제 : 카본 블랙

(실시예 및 비교예)

실시예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 2 에 대해, 하기 표 1 에 나타내는 배합량에 따라 각 성분을 배합한 원료 혼합물을 90 ℃ 의 가열 롤에 의해 3 분간 용융 혼련한 후 꺼내어 분쇄하고, 과립상으로 분쇄하여 성형 재료를 얻었다. 또한, 이하의 표 1 에 나타내는 성분의 양은 모두 중량％ 이다.

하기 표 1 의 배합 비율로 얻어진 성형 재료에 대해, 하기에 나타내는 측정 및 평가를 실시하였다.

실시예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 2 에서는, 성형 재료의 경화물을 얻기 위해 금형 온도 175 ℃, 경화 시간 1 분간이라는 경화 조건을 사용하고 있다. 또, 하기 측정에 사용하는 성형 재료의 경화물은 JIS K 6911 에 준한 형상으로 인젝션 성형하고, 180 ℃, 6 시간이라는 조건에서 추가로 경화함으로써 시험편을 얻었다.

또, 실시예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 2 에 있어서의 각 성분의 배합 비율을 이하의 표 1 에 정리하였다.

(평가 항목)

인장 강도 : 25 ℃ 혹은 150 ℃ 라는 조건에서 상기 시험편을 JIS K 6911 에 준해 인장 시험을 실시하였다. 여기서 인장 강도란, 시험편을 파단시키기 위해 필요한 인장 하중 또는 힘을 가리키고 있다. 본 실시예에 있어서 인장 강도는 이하의 방법으로 산출하였다. 먼저, 시험편이 파단되었을 때에, 시험편에 가한 응력을 σ, 시험편의 최소 단면적을 S 로 한다. 파단 강도는 시험편이 파단되었을 때에 시험편에 가한 힘이다. 단위는 ㎫ 로 하였다.

탄성률 : 25 ℃ 라는 조건에서 상기 시험편을 JIS K 6911 에 준해 인장 시험을 실시하였다. 또한, 탄성률의 단위는 ㎬로 하였다.

또, 본 실시예에서는, 상기 평가 결과의 값으로부터, 인장 강도를 밀도로 나눈 값인 비인장 강도와, 인장 탄성률을 밀도로 나눈 값인 비인장 탄성률을 산출하고 있다. 또한, 밀도는 JIS R 7601 에 기재된 방법에 준해 구하였다.

수 평균 섬유 길이 및 체적 평균 섬유 길이 : 얻어진 성형 재료를 소성함으로써 수지 성분을 제거한 후, 유리 플레이트에 섬유를 분산시키고, 광학 현미경을 사용하여 섬유를 촬영하였다. 이렇게 함으로써 얻어진 화상을 화상 해석 장치를 사용하여 섬유 길이를 측정하였다. 또한, 수 평균 섬유 길이 및 체적 평균 섬유 길이의 단위는 ㎛ 로 하였다.

상기 평가 항목에 관한 평가 결과를, 이하의 표 1 에 각 성분의 배합 비율 (중량％) 과 함께 나타낸다.

표 1 로부터도 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 ∼ 4 의 성형 재료는 모두 비교예의 값과 비교하여 비강도 및 비탄성률이 우수하였다. 실제로 실시예에 기재된 성형 재료를 사용하여 기구 부품을 제조한 경우, 강도·인성·탄성률이라는 관점에 있어서, 각각 균형있게 우수함과 함께 높은 성형 특성을 가진 기구 부품이 얻어졌다.

이 출원은 2011년 9월 28일에 출원된 일본 특허출원 2011-213088호를 기초로 하는 우선권을 주장하고, 그 개시된 모든 것을 여기에 도입한다.

Claims (12)

1. 페놀 수지와, 탄소 섬유와, 폴리비닐부티랄, 아세트산비닐 및 아크릴로니트릴부타디엔 고무로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상의 엘라스토머를 함유하는 성형 재료.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 페놀 수지가 노볼락형 페놀 수지, 레졸형 페놀 수지, 및 아릴알킬렌형 페놀 수지로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나인 성형 재료.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 탄소 섬유가 피치계 또는 PAN 계의 탄소 섬유인 성형 재료.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 페놀 수지의 함유량이 당해 성형 재료의 전체 중량에 대해 20 중량％ 이상 70 중량％ 이하인 성형 재료.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 탄소 섬유의 함유량이 당해 성형 재료의 전체 중량에 대해 20 중량％ 이상 70 중량％ 이하인 성형 재료.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 폴리비닐부티랄, 아세트산비닐 및 아크릴로니트릴부타디엔 고무로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상의 엘라스토머의 함유량이 당해 성형 재료의 전체 중량에 대해 0.1 중량％ 이상 20 중량％ 이하인 성형 재료.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 탄소 섬유의 체적 평균 섬유 길이가 100 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하인 성형 재료.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 탄소 섬유의 수 평균 섬유 길이가 50 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하인 성형 재료.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 탄소 섬유의 체적 평균 섬유 길이와 수 평균 섬유 길이의 비율, 체적 평균 섬유 길이/수 평균 섬유 길이가 1 이상 5 이하인 성형 재료.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    금형 온도 175 ℃, 경화 시간 1 분간이라는 경화 조건에서 얻어진 덤벨 형상의 당해 성형 재료의 경화물을, 추가로 180 ℃, 6 시간이라는 조건에서 경화시켜 시험편으로서 제작하고,
    JIS K 6911 에 준해 인장 시험을 실시하였을 때에 얻어지는, 150 ℃ 에서의 상기 시험편의 인장 강도 S₁₅₀ 과 25 ℃ 에서의 상기 시험편의 인장 강도 S₂₅ 의 비율, S₁₅₀/S₂₅ 가 0.6 이상 1 이하인 성형 재료.
11. 제 10 항에 있어서,
    25 ℃ 에 있어서의 당해 성형 재료의 상기 경화물의 인장 탄성률이 25 ㎬ 이상 70 ㎬ 이하인 성형 재료.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    25 ℃ 에 있어서의 당해 성형 재료의 상기 경화물의 인장 강도가 150 ㎫ 이상 300 ㎫ 이하인 성형 재료.