KR20140099456A

KR20140099456A - 내충격 부재

Info

Publication number: KR20140099456A
Application number: KR1020147013485A
Authority: KR
Inventors: 마사토모 테시마; 츠카사 아라이
Original assignee: 데이진 가부시키가이샤
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2014-08-12
Also published as: CN103958924A; WO2013080974A1; EP2787241A4; EP2789873A4; CN103958924B; WO2013080975A1; JPWO2013080975A1; CN103958925A; EP2789873A1; JPWO2013080974A1; US20140322484A1; EP2787241A1; KR20140099452A

Abstract

경량이고 형상 자유도가 높고, 내충격성이 뛰어난 내충격 부재를 제공한다. 개단면부와 그 내측에 있는 리브부로 이루어지고, 그 개단면부와 그 리브부 중 적어도 한쪽은 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어지고, 다른 쪽은 열가소성 수지로 이루어지는 것이여도 되는 내충격 부재로서, 그 내충격 부재에 있어서의 열가소성 수지의 존재량이, 탄소섬유 100질량부에 대하여 30∼500질량부이며, 그 탄소섬유의 평균 섬유 길이가 3∼100mm인 것을 특징으로 하는 내충격 부재.

Description

내충격 부재{IMPACT RESISTANT MEMBER}

본 발명은, 개단면부(開斷面部)와 그 내측에 있는 리브부로 이루어지고, 그 개단면부와 그 리브부 중 적어도 한쪽은 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어지고, 다른 쪽은 열가소성 수지로 이루어지는 것이여도 되는 내충격 부재에 관한 것이다. 또한, 항공기, 자동차, 전철, 이륜차 등 이동체에 바람직하게 사용되는 내충격 부재에 관한 것이다.

이동체에는 충돌시에 충격을 흡수하는 부분과 충격에 견디어 승무원 공간을 보호하는 부분이 요구되고 있다. 최근, 이동체의 연비 향상이나 주행 성능의 향상 등의 관점에서 경량화에 관한 요망이 높아지고 있고, 그것들에 사용되는 케이스나 부재 등에 대하여도 경량·고강성이 요구되게 되었다. 한편, 충돌시의 안전성에 대하여 더욱더 높은 수준이 정해지는 경향이 있고, 경량화와 승무원 공간 보호의 양립이 더욱더 중요해지고 있다.

이러한 배경으로부터 수지나 복합재료를 사용한 승무원 공간 보호 구조체가 다수 개시(開示)되어 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는 장섬유 강화 복합재료로 이루어지는 골격 부재를 복수 조합한 구조체가 나타나 있다. 이에 의해, 일단(一端)으로부터 입력된 하중을 타단(他端)에 전달할 수 있지만, 형상 자유도는 적고, 대응 가능한 입력 하중 방향도 섬유 방향에 한정된다. 또한, 장섬유를 어떤 범위 내에서 배향시킨 부재를 조합할 필요가 있기 때문에 성형이 복잡하게 되어, 제조 택트(tact) 및 제조 비용이 높았다.

한편, 특허문헌 2에는 합성 수지를 사용한 구조체가 나타나 있다. 이 구조체는 형상 자유도가 높고, 리브를 설치함으로써 강성을 높게 할 수 있지만, 내충격성이 낮고, 큰 충격에 대하여는, 구조체의 질량이 무거워져 버린다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개 2008-68720호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개 평6-305378호 공보

본 발명의 과제는, 경량이고 형상 자유도가 높고, 내충격성이 뛰어나고, 나아가서 길이 방향, 폭 방향, 높이 방향의 각각으로부터 입력된 하중에 대한 내충격성이 뛰어난 내충격 부재 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 예의(銳意) 검토한 결과, 본 발명에 도달하였다. 즉, 본 발명은, 개단면부와 그 내측에 있는 리브부로 이루어지고, 그 개단면부와 그 리브부 중 적어도 한쪽은 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어지고, 다른 쪽은 열가소성 수지로 이루어지는 것이여도 되는 내충격 부재로서, 그 내충격 부재에 있어서의 열가소성 수지의 존재량이, 탄소섬유 100질량부에 대하여 30∼1000질량부이며, 그 탄소섬유의 평균 섬유 길이가 3mm∼100mm인 것을 특징으로 하는 내충격 부재이다.

본 발명에 의하면, 경량이고 형상 자유도가 높고, 내충격성이 뛰어난 내충격 부재를 제조하는 것이 가능하게 된다. 또한, 경량이고 형상 자유도가 높고, 내충격성이 뛰어난 내충격 부재를 고효율로 제조할 수 있는 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 18%)의 사시도.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 53%)의 사시도.
도 3은 본 발명의 제3 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 48%)의 사시도.
도 4는 본 발명의 제4 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 44%)의 사시도.
도 5는 본 발명의 제5 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 65%)의 사시도.
도 6은 본 발명의 제6 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 25%)의 사시도.
도 7은 본 발명의 제7 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 42%)의 사시도.
도 8은 본 발명의 제8 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 20%)의 사시도.
도 9는 본 발명의 제9 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 60%)의 사시도.
도 10은 본 발명의 제10 실시형태(개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 34%)의 사시도.
도 11은 비교 형태의 사시도.

발명을 실시하기 위한 형태

본 발명은, 개단면부와 그 내측에 있는 리브부로 이루어지는 내충격 부재로서, 그 개단면부와 그 리브부 중 적어도 한쪽은 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어지고, 다른 쪽은 열가소성 수지로 이루어지는 것이여도 되는 내충격 부재이다. 상기 탄소섬유 강화 복합재료로서는, 열가소성 수지 중에 불연속의 탄소섬유가 면내에 있어서 무작위로 배향하여 존재하는, 등방성의 것이면 바람직하다. 이하, 본 발명의 내충격 부재의 실시형태에 관하여 설명하지만, 본 발명은 이들에 제한되는 것은 아니다.

[내충격 부재]

본 발명의 내충격 부재는, 개단면부와 그 내측에 있는 리브부로 이루어지고, 그 개단면부와 그 리브부 중 적어도 한쪽은 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어지고, 다른 쪽은 열가소성 수지로 이루어지는 것이여도 되는 내충격 부재로서, 그 내충격 부재에 있어서의 열가소성 수지의 존재량이, 탄소섬유 100질량부에 대하여 30∼1000질량부이며, 그 탄소섬유의 평균 섬유 길이가 3∼100mm인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 내충격 부재가, 개단면부와 리브부 중 한쪽이 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어지고, 다른 쪽이 열가소성 수지로 이루어지는 경우, 탄소섬유 강화 복합재료에 포함되는 열가소성 수지와, 다른 쪽의 열가소성 수지와는 같은 종류이여도 다른 종류이여도 된다.

본 발명의 내충격 부재에 있어서는, 개단면부와 리브부의 어느 쪽도 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어지는 것이면 바람직하고, 개단면부와 리브부를 이루는 탄소섬유 강화 복합재료는 같은 종류이여도 다른 종류의 것이여도 된다.

도 1에 본 발명의 실시형태의 예를 나타낸다. 도 1에 도시한 바와 같이, 개단면부를 1, 리브부를 2로 나타낸다.

개단면부란, 단면이 하트 형상·コ자 형상 등 개단면 형상으로 구성된 구조체이며, 그 내측에 한쌍의 대향하는 면(대향면)과, 이들 한쌍의 대향면의 가장자리를 잇는 바닥면을 갖는다. 리브부란 개단면부의 내측으로 뻗는 부위이다. 개단면부의 내측이란, 개단면부를 만일 닫았을 경우에 중공(中空)이 되는 부분이다.

리브부는 개단면부의 내측에 있는 바닥면에 대하여 수직 방향으로 뻗어서 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 바닥면에 대하여 수직 방향으로 뻗는다는 것은, 바닥면에 대하여 엄밀하게 직각이 아니어도 되고, 본 발명의 의도를 해치지 않을 정도로 임의의 각도나 금형의 빼기 구배를 확보하기 위한 각도를 취하는 것이 가능하다. 이 경우, 개단면부와 리브부가 이루는 각도는 30∼90도가 바람직하고, 40∼90도가 보다 바람직하다. 개단면부와 리브부의 사이에는, 본 발명의 의도를 해치지 않을 정도로 임의의 모따기나 곡률을 가하는 것도 가능하다. 모따기나 곡률의 치수로 특별히 제한은 없지만, 모따기의 경우는 C0. 2∼10mm, 곡률의 경우는 R0. 2∼10mm가 바람직하다.

리브부의 수에 제한은 없고, 1개 또는 복수이여도 상관없다. 리브부의 형상의 종류에 제한은 없고, 1종류 또는 복수의 종류가 조합되어도 된다.

리브부는 개단면부와 일체로 성형되어 있어도 되고, 예를 들면, 리브부에는 탄소섬유 복합재료를 사용하고, 개단면부에는 열가소성 수지를 사용하는 등 별체로 성형한 후에 접합되어 있어도 상관없지만, 내충격 성능을 좋게 하기 위해서, 탄소섬유 복합재료를 사용하여, 일체로 성형되어 있는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 내충격 성능은, 충격 하중의 방향에 한정되지 않는다.

[개단면부]

본 발명의 내충격 부재에 있어서, 개단면부란, 실질적으로 면 형상인 복수의 판체에 의해 개단면을 형성하는 구조체이며, 리브부의 기초가 되는 부위를 말한다. 도 1에 본 발명의 실시형태의 예를 나타내지만, 개단면부를 1, 개단면부 내측을 4로 나타낸다. 또한, 상기의 판체란 평판에 한정되지 않고, 소위 곡판(曲板)이여도 된다.

개단면부의 각 면은 완전하게 면 형상일 필요는 없고, 부분적인 요철이나 비드(bead)를 갖고 있어도 된다. 요철이나 비드의 높이나 폭에 특별히 제한은 없지만, 높이는 기초가 되는 개단면부의 판두께의 0.5∼2배로 하는 것이 바람직하다. 통기, 볼트 체결, 배선 등을 위한 관통구를 가져도 된다. 이 경우, 내충격 부재(성형체)의 성형과 동시에 형(型)내에서 시어(shear) 등을 사용하여 개공(開孔)시켜도 되고, 후(後)가공으로서 드릴, 타발(打拔), 절삭 가공 등으로 개공시켜도 된다. 개단면부의 판두께는 특별히 제한은 없지만, 0.2∼5mm가 바람직하고, 1∼3mm가 더욱 바람직하다. 개단면부의 판두께는 균일할 필요는 없고, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 이 경우, 판두께의 증감 폭에 특별히 제한은 없지만, 기초가 되는 개단면부의 판두께의 30∼300%가 바람직하고, 50∼200%가 더욱 바람직하다. 판두께는 단계적으로 변화시키는 것도 가능하고, 테이퍼(taper)나 곡률을 갖게 하여 연속적으로 변화시키는 것도 가능하지만, 응력 집중을 회피한다는 관점에서 연속적으로 변화시키는 것이 바람직하다.

[리브부]

본 발명의 내충격 부재에 있어서, 리브부란, 전술한 개단면부의 내측으로 뻗는 부위를 말하며, 개단면부의 내측에 수직 방향으로 뻗는 부위인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내충격 부재는, 그 리브부가 전술한 개단면부의 대향하고 있는 면(대향면) 끼리를 잇는 구조를 갖는 것이면 바람직하다. 리브부가 개단면부의 대향면을 잇도록 설치함으로써, 내충격성에 의해 뛰어난 내충격 부재로 할 수 있다. 또한, 상기의, 리브부가 개단면부의 대향면 끼리를 잇는 구조란, 그 대향면 끼리가 직접, 같은 리브부에 의해 연결되는 것뿐만이 아니라, 예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같이 그 대향면의 사이에 벽 형상으로 설치된 리브부와 각각의 대향면의 리브부가 연결됨으로써, 간접적으로 그 대향면 끼리가 리브부로 연결되는 구조이여도 된다.

본 발명의 내충격 부재로서는, 도 1 등에 나타내는 바와 같이, 리브부를 2개 이상 갖는 것이면 보다 내충격성이 높아져 바람직하다.

본 발명의 내충격 부재로서는, 리브부의 높이가, 개단면부의 바닥면으로부터의 개구부의 높이에 대하여 5%∼100%의 비율로 있으면 바람직하다. 예를 들면, 도 8에 나타내는 내충격성 부재에 있어서의, 리브부의 높이의 개단면부의 개구부의 높이에 대한 비는 70%이다.

상기의 리브부의 높이 비율로서는, 개구부의 높이가 변화되고 있는 경우는, 가장 낮은 곳을 100%로 한, 리브부의 높이의 비율이여도 되고, 높이가 다른 리브부가 복수인 내충격 부재에 있어서는, 가장 높은 리브부의 높이를 사용하여 구한 비율이여도 된다. 또한, 내충격 부재의 개단면부의 바닥면의 판체가, 단면이 반달 형상 등의 곡판인 경우는, 최하부를 기준으로 하는 리브부나 개구부의 높이로부터, 리브부의 높이 비율을 산출해도 된다.

본 발명의 내충격 부재로서는, 개단면부의 판체에 대하여 수직(대략 수직이여도 된다)인 리브부를 갖는 것이면 바람직하다. 상기한 바와 같이, 개단면부의 내측의 바닥면에 있는 판체에 대하여 수직인 리브부이면 바람직하고, 또한, 대향면의 판체에 대하여 수직이면 바람직하고, 도 2에 나타내는 내충격성 부재 등과 같이 바닥면의 판체와 대향면의 판체의 어느 쪽에도 수직인 리브부이여도 바람직하다.

본 발명의 내충격 부재로서는, 개단면부에 직행하는 면에 대하여 대칭인 리브부를 갖는 것이여도 바람직하다. 개단면부에 직행하는 면이란, 예를 들면, 도 1의 내충격 부재에 있어서, 바닥면의 판체에 직교하고, 대향하는 2면(2개의 대향면)의 중간에서 2등분하는 가상면 등을 들 수 있다.

본 발명의 내충격 부재로서는, 개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 1% 이상이 되도록 리브가 형성되어 있는 것이면 바람직하다. 리브부의 총면적이 1% 이상이면, 보다 유용한 내충격 부재가 되어 바람직하다. 본 발명의 내충격 부재는, 리브부의 총면적의 비율이 100%, 즉, 개단면부의 판체의 총면적과 리브부의 총면적이 동일한 것이여도 되고, 또한, 극단적으로 리브수를 늘리는 등, 리브부의 총면적의 비율이 100%를 넘는 것이여도 되지만, 바람직한 범위로서는 10∼80%를 들 수 있다.

도 1에 나타내는 본 발명의 실시형태의 예에 있어서, 리브부를 2로 나타낸다. 리브부의 높이는 특별히 제한은 없지만, 1∼300mm가 바람직하고, 5∼100mm가 더욱 바람직하다. 리브부의 높이는 균일할 필요는 없고, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 리브부 높이의 증감 폭에 특별히 제한은 없고, 최대 높이의 10∼90%가 바람직하게 사용되고, 20∼80%가 더욱 바람직하게 사용된다. 리브부의 판두께에 특별히 제한은 없고, 개단면부와 같아도 되고, 달라도 된다.

리브부의 판두께는 0.2∼100mm가 바람직하고, 1∼50mm가 더욱 바람직하다. 리브부의 판두께는 균일할 필요는 없고, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 이 경우, 증감 폭에 특별히 제한은 없지만, 기초가 되는 리브부 판두께의 20∼500%가 바람직하고, 50∼200%가 더욱 바람직하다. 판두께는 단계적으로 변화시키는 것도 가능하고, 테이퍼나 곡률을 갖게 하여 연속적으로 변화시키는 것도 가능하지만, 응력 집중을 회피한다는 관점에서 연속적으로 변화시키는 것이 바람직하다. 또한, 리브부에는, 본 발명의 의도를 해치지 않을 정도로, 금형의 빼기 구배를 확보하기 위한 각도를 형성하는 것이 바람직하다. 금형의 빼기 구배는 0∼45도가 바람직하고, 0∼10도가 더욱 바람직하다.

[패널부]

본 발명의 내충격 부재는, 개단면부의 단부(端部)에 연속하는 패널부를 더 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 내충격 부재에 있어서, 패널부란, 실질적으로 면 형상으로 개단면부의 단부에 연속하는 부위를 말한다. 도 1에 나타내는 본 발명의 실시형태의 예에 있어서, 패널부를 3으로 나타낸다. 패널부는 완전하게 면 형상일 필요는 없고, 부분적인 요철이나 비드를 갖고 있어도 된다. 요철이나 비드의 높이나 폭에 특별히 제한은 없지만, 높이는 기초가 되는 패널부 판두께의 0.5∼2배로 하는 것이 바람직하다. 통기, 볼트 체결, 배선 등을 위한 관통구를 가져도 된다. 이 경우, 내충격 부재(성형체)의 성형과 동시에 형내에서 시어 등을 사용하여 개공시켜도 되고, 후가공으로서 드릴, 타발, 절삭 가공 등으로 개공시켜도 된다. 패널부의 판두께는 특별히 제한은 없지만, 0.2∼5mm가 바람직하고, 1∼3mm가 더욱 바람직하다. 패널부의 판두께는 균일할 필요는 없고, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 이 경우, 판두께의 증감 폭에 특별히 제한은 없지만, 기초가 되는 패널부 판두께의 30∼300%가 바람직하고, 50∼200%가 더욱 바람직하다. 판두께는 단계적으로 변화시키는 것도 가능하고, 테이퍼나 곡률을 갖게 하여 연속적으로 변화시키는 것도 가능하지만, 응력 집중을 회피한다고 하는 관점에서 연속적으로 변화시키는 것이 바람직하다. 패널부는 개단면부와 일체로 성형되어 있어도 되고, 별체(別體)로 성형한 후에 접합되어 있어도 상관없지만, 내충격 성능을 좋게 하기 위해서 일체로 성형되어 있는 것이 바람직하다. 나아가서 개단면부와 리브부와 패널부를 일체 성형한 내충격 부재로 하는 것이 바람직하다.

[열가소성 수지]

본 발명의 내충격 부재에 있어서의, 열가소성 수지의 존재량은, 탄소섬유 100질량부에 대하여, 30∼1000질량부이다. 보다 바람직하게는, 탄소섬유 100질량부에 대하여, 열가소성 수지의 존재량이 30∼500질량부이며, 더욱 바람직하게는, 30∼200질량부이며, 특히 바람직하게는, 60∼200질량부이다.

본 발명의 내충격 부재로서, 보다 바람직하게는, 개단면부 및 리브부, 나아가서 패널부도 포함시킨 전체가 탄소섬유 강화 복합재료에 의해 이루어지는 것이고, 또한, 그 탄소섬유 강화 복합재료에 있어서의, 열가소성 수지의 존재량이, 탄소섬유 100질량부에 대하여, 30∼1000질량부가 되는 것이다. 보다 한층 바람직하게는, 탄소섬유 100질량부에 대하여, 열가소성 수지의 존재량이 30∼500질량부의 것이며, 더욱 바람직하게는, 30∼200질량부의 것이며, 특히 바람직하게는, 60∼200질량부의 것이다.

본 발명에 있어서 사용되는 열가소성 수지로서는, 특별히 제한은 없지만, 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 아세트산비닐수지, 폴리비닐알코올 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴-스티렌 수지(AS수지), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지(ABS 수지), 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 수지(예를 들면, 폴리아미드6 수지, 폴리아미드11 수지, 폴리아미드12 수지, 폴리아미드46 수지, 폴리아미드66 수지, 폴리아미드610 수지), 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌술피드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리 에테르에테르케톤 수지, 폴리젖산 수지, 및 이들의 수지로부터 선택되는 2종류 이상의 혼합물(수지 조성물) 등으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 바람직하게 들 수 있다. 열가소성 수지로서 바람직하게는 폴리카보네이트 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리카보네이트, ABS 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리아미드 수지 및 이들의 수지로부터 선택되는 2종류 이상의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종이며, 보다 바람직하게는, 폴리아미드 수지 또는 폴리에스테르 수지이다.

상기의 수지 조성물로서는, 폴리카보네이트 수지와 폴리에스테르 수지의 조성물, 폴리카보네이트와 ABS 수지와의 조성물, 폴리페닐렌에테르 수지와 폴리아미드 수지의 조성물, 폴리아미드 수지와 ABS 수지의 조성물, 및 폴리에스테르 수지와 폴리아미드 수지의 조성물 등으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종이, 보다 바람직하다.

또한, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위에서, 탄소섬유 강화 복합재료나 열가소성 수지에 기능성의 충전재나 첨가제를 함유시켜도 된다. 예를 들면, 유기/무기 필러, 난연제, 내(耐)UV제, 안료, 이형제, 연화제, 가소제, 계면활성제 등을 들 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.

[내충격 부재에 포함되는 탄소섬유]

본 발명의 내충격 부재를 구성하는 탄소섬유 복합재료에 포함되는 탄소섬유는, 평균 섬유 길이가 3mm 이상 100mm 이하의 불연속인 것이다. 이에 의해, 정적(靜的)인 강도·강성뿐만이 아니라, 충격적인 하중이나 장기(長期)의 피로 하중에 대하여도 높은 물성을 나타내는 내충격 부재가 된다. 평균 섬유 길이가 3mm 미만이면, 내충격 부재의 물성이 낮아진다는 문제가 있고, 100mm보다 길면 탄소섬유 취급 성이 나빠진다는 문제가 있다. 탄소섬유의 평균 섬유 길이는 8mm 이상이 바람직하고, 10mm 이상이 보다 바람직하고, 15mm 이상이 보다 한층 바람직하고, 20mm 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 탄소섬유의 섬유 길이는 80mm 이하가 바람직하고, 60mm 이하가 보다 바람직하다. 특히 바람직한 평균 섬유 길이로서는 8mm∼80mm를 들 수 있다.

본 발명의 내충격 부재는, 탄소섬유 강화 복합재료 중에 포함되는 탄소섬유가, 하기 식(1)

임계단사수(臨界單絲數) = 600/D (1)

(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)의, 탄소섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 내충격 부재는, 탄소섬유 강화 복합재료 중에 포함되는 탄소섬유가, 상기 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)에 대하여, 그 탄소섬유 강화 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만이며, 또한 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 하기 식(2)를 만족하는 것이 보다 바람직하다.

0.7×10⁴/D²＜N＜1×10⁵/D² (2)

(여기서, D는 탄소섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

상기의 탄소섬유 전량에 대한 탄소섬유다발(A)의 비율이 20Vol% 미만이 되면, 표면 품위가 뛰어난 내충격 부재를 얻을 수 있다는 이점은 있지만, 기계 물성이 뛰어난 내충격 부재를 얻기가 어려워진다. 탄소섬유다발(A)의 비율이 99Vol%를 넘으면, 섬유의 교락부(交絡部)가 국부적으로 두꺼워지고, 박육(薄肉)의 것을 얻기가 어려워진다. 탄소섬유다발(A)의 비율로서, 바람직하게는 30Vol% 이상 90Vol% 미만이고, 보다 바람직하게는 30Vol% 이상 80Vol% 미만이다.

또한, 상기의 탄소섬유다발(A)에 대하여 다른 표현을 하면, 본 발명의 내충격 부재는, 이것을 구성하는 탄소섬유 강화 복합재료 중에서, 탄소섬유 중 20Vol% 이상 99Vol% 이하가, 상기 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)이 되고, 나머지의 1Vol% 이상 80Vol% 이하의 탄소섬유는, 단사(單絲)의 상태 또는 상기의 임계단사수 미만으로 구성되는 섬유다발이 되고, 열가소성 수지에 분산되어 있다. 또한 본 발명의 내충격 부재를 구성하는 탄소섬유 강화 복합재료에서는, 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 하기 식(2)를 만족하는 것이면, 두께가 0.2∼1mm 정도의 박육의 부분을 갖는 내충격 부재의 경우에도 특히 표면이 평활하고, 균일한 두께를 갖는 것이 되어 바람직하다.

0.7×10⁴/D²＜N＜1×10⁵/D² (2)

(여기서, D는 탄소섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 구체적으로는, 탄소섬유의 평균 섬유 직경이 5∼7㎛인 경우, 임계단사수는 86∼120개가 되고, 탄소섬유의 평균 섬유 직경이 5㎛인 경우, 섬유다발 중의 평균 섬유수는 280개 초과 4000개 미만의 범위가 되지만, 그 중에서도 600개∼2500개인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 600∼1600개이다. 탄소섬유의 평균 섬유 직경이 7㎛인 경우, 섬유다발 중의 평균 섬유수는 142개 초과 2040개 미만의 범위가 되지만, 그 중에서도 300∼1600개인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 300∼800개이다.

탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 0.7×10⁴/D² 이하인 경우, 높은 섬유 체적 함유율(Vf)을 얻는 것이 곤란해진다. 또한 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 1×10⁵/D² 이상인 경우, 국부적으로 두꺼운 부분이 발생하여, 보이드(void)의 원인이 될 가능성이 있다. 상기의 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)로서는, 이하 식(2')을 만족하는 것이면 보다 바람직하다.

0.7×10⁴/D²＜N＜6×10⁴/D² (2')

(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

본 발명의 내충격 부재는, 바닥면 내의 임의의 방향, 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향(이하, 각각 0도 방향과 90도 방향이라고 부르는 경우가 있다)에 대한 인장 탄성률의, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비(이하, Eδ라고 약칭하는 경우가 있다)가 1.0∼1.3이면 바람직하다. Eδ는, 재료의 등방성의 지표이며, Eδ가 2 미만이면 등방성이 되고, 1.3 이하이면 등방성이 특히 우수한 것이 된다. 또한, 개단면부, 리브부, 및 패널부로부터 선택되는 1개 이상의 부위에, 연속 섬유가 열가소성 수지 중에 일방향으로 가지런히 배치되어 있을 일방향재층(一方向材層)을 갖는 구성으로 하는 것도 바람직하다.

본 발명의 내충격 부재는, 개단면부의 열가소성 수지의 존재량(탄소섬유 100질량부 당의질량부)과, 리브부의 열가소성 수지의 존재량(탄소섬유 100질량부 당의질량부)으로부터, 하기 식(i)

열가소성 수지 존재량비(%) = 100×(리브부의 열가소성 수지의 존재량 - 개단면부의 열가소성 수지의 존재량)/개단면부의 열가소성 수지의 존재량 (i)

으로 구해지는 열가소성 수지 존재량비가 -60%∼+45%이면 바람직하고, -40%∼+30%이면 보다 바람직하고, -20%∼+20%이면 더욱 바람직하고, -10%∼+10%이면 보다 한층 바람직하고, 0%, 즉, 개단면부와 리브부에서 열가소성 수지 존재량이 동일하면 특히 바람직하다.

본 발명의 내충격 부재는, 상기의 열가소성 수지 존재비가 -60%∼45%이고, 또한, 개단면부의 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대한 인장 탄성률의, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비가 1.0∼1.3인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 내충격 부재는, 그 내충격 부재에 있어서의 개단면부 및 리브부의 열가소성 수지의 존재량이 동일하고, 개단면부의 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대한 인장 탄성률의, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비가 1.0∼1.3인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 내충격 부재는, 그 내충격 부재의 내충격 성능이 4×10¹¹(N³/g) 이상인 것이 바람직하고, 7×10¹¹이상(N³/g)인 것이 보다 바람직하고, 1×10¹²(N³/g)인 것이 더욱 바람직하다. 내충격 성능은, 내충격 부재를 사용하는 부위에 의해 적절히 조정이 가능하지만, 4×10¹¹(N³/g) 이상이면, 내충격 부재로서 충분한 성능을 발휘할 수 있다. 내충격 성능에 대하여 특별히 상한은 없지만, 5×10¹³(N³/g) 이하이고, 많은 용도에 충분하다.

내충격 성능은, 내충격 부재를 고속 압축하였을 때의 내하중을 측정하는 것으로 평가할 수 있다. 즉, 내충격 부재의 길이 방향과 폭 방향과 높이 방향의 내하중의 곱을, 내충격 부재의 질량으로 나눔으로써, 일방향 이외의 입력에 대한 성능도 가미한 평가를 실시할 수 있다.

내하중은, 예를 들면, 낙추시험기를 사용하여 측정할 수 있다.

<내충격 부재의 제조 방법>

본 발명의 내충격 부재의 바람직한 제조 방법은, 평균 섬유 길이가 3mm 이상 100mm 이하의 탄소섬유와 열가소성 수지로 구성되는 랜덤 매트(random mat)로서, 탄소섬유가 25∼3000g/m²의 중량(단위 면적당 중량; 目付)이며, 하기 식(1)

임계단사수 = 600/D (1)

(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)의, 랜덤 매트 중의 탄소섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하인 것을 사용하여, 프레스 성형을 실시하는 제조 방법이다.

본 발명의 내충격 부재의 보다 바람직한 제조 방법은, 섬유 길이 3∼100mm의 탄소섬유와 열가소성 수지로 구성되고, 탄소섬유가 25∼3000g/m²의 중량이며, 상기식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)의, 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만이고, 또한 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 상기 식(2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 랜덤 매트를 프레스 성형하는 제조 방법이다.

제조 효율에서는, 1회의 프레스 성형으로, 개단면부와 리브부를 갖는 내충격 부재를 얻는 것이 바람직하지만, 개단면부와 리브부를 별개로 성형하고 나서, 이들을 접합하여 내충격 부재로 하여도 되고, 개단면부와 리브부 중 한쪽을 상기한 바와 같이 랜덤 매트를 프레스 성형하여 얻고, 다른 쪽은 다른 방법에 의해 얻어, 이들을 접합하여도 된다.

본 발명은 이러한 내충격 부재의 바람직한 제조 방법을 포함한다. 본 발명에 의해 평균 섬유 길이가 3∼100mm라고 하는 비교적 긴 탄소섬유를, 열가소성 수지의 존재량이, 탄소섬유 100질량부에 대하여 30∼1000질량부라고 하는 고충전율로 채워서, 형상 자유도가 높고, 내충격성이 뛰어나고, 나아가서 길이 방향, 폭 방향, 높이 방향의 각각으로부터 입력된 하중에 대한 내충격성이 뛰어난 내충격 부재를 제공할 수 있다.

금형을 열가소성 수지의 연화점이상으로 가열하여 프레스 성형한 후에, 금형과 제품을 열가소성 수지의 연화점 미만으로 냉각하는 핫프레스도 적용 가능하고, 랜덤 매트를 사용한 프리프레그를 열가소 수지의 연화점이상으로 가열하고, 열가소 수지의 연화점 미만의 온도를 갖는 금형으로 프레스 성형하는 콜드프레스도 적용 가능하다. 본 발명 방법에 있어서는 이러한 복잡 형상의 것도 1회의 성형으로 얻는 것이 가능하고, 개단면부와 리브부와 패널부를 일체 성형하여 내충격 부재를 얻는 것이 가능하다. 또한, 본원에 있어서, 열가소성 수지의 연화점이란, 그 열가소성 수지가 결정성(結晶性)의 경우는 융점을, 그 열가소성 수지가 비정성(非晶性)의 경우는 유리 전이점인 것을 가리킨다.

<랜덤 매트>

본 발명의 내충격 부재의 제조 방법에서 사용되는 랜덤 매트는, 평균 섬유 길이가 3mm 이상 100mm 이하의 탄소섬유와 열가소성 수지로 구성되고, 탄소섬유가 25∼3000g/m²의 중량이며, 상기 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)의, 랜덤 매트의 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 이하이고, 또한 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 상기 식(2)를 만족하는 것이다.

본 발명에 있어서, 랜덤 매트란, 탄소섬유가 뒤얽힌 매트 형상물에 열가소성 수지가 부착된 것을 가리킨다.

랜덤 매트 중의 탄소섬유, 열가소성 수지, 및 탄소섬유다발(A)의 상세에 대하여는, 내충격 부재를 구성하는 탄소섬유 강화 복합재료에 관하여 전술한 바와 같지만, 이하와 같이 보충한다.

랜덤 매트의 면내에 있어서, 탄소섬유는 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고, 무작위의 방향으로 분산되어 배치되어 있다. 본 발명의 제조 방법에서 사용되는 랜덤 매트는 등방성의 재료인 것이 바람직하다. 랜덤 매트로부터 내충격 부재를 얻은 경우에, 랜덤 매트 중의 탄소섬유의 등방성은, 내충격 부재에 있어서도 유지된다. 랜덤 매트로부터 내충격 부재를 얻고, 그 내충격 부재에 대하여, 서로 직교하는 이방향(二方向)의 인장 탄성률의 큰 쪽의 값의 작은 쪽의 값에 대한 비(Eδ)를 구함으로써, 랜덤 매트 및 그로부터 얻을 수 있는 내충격 부재의 등방성을 정량적으로 평가할 수 있다. Eδ가 2 미만인 내충격 부재는 등방성으로 되고, 1.3 이하인 내충격 부재는 특히 등방성이 우수하다.

먼저, 본 발명의 내충격 부재의 제조 방법에서 사용되는 랜덤 매트에 있어서, 랜덤 매트의 섬유 전량에 대한, 탄소섬유다발(A)의 비율이 20Vol% 미만이 되면, 표면 품위가 뛰어난 내충격 부재를 얻을 수 있다고 하는 이점은 있지만, 기계 물성이 뛰어난 내충격 부재를 얻기가 어려워진다. 탄소섬유다발(A)의 비율이 99Vol%를 넘으면, 섬유의 교락부가 국부적으로 두꺼워져, 박육의 것을 얻기가 어려워진다. 랜덤 매트에 있어서의 탄소섬유다발(A)의 비율은, 바람직하게는 30Vol% 이상 90Vol% 미만이며, 보다 바람직하게는 30Vol% 이상 80Vol% 미만이다.

본 발명의 내충격 부재를 구성하는 탄소섬유 복합재료에 관하여 설명한 바와 같이, 랜덤 매트에 대하여도, 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가, 상기 식(2)를 만족하는 것이면 바람직하다. 그 평균 섬유수(N)가 0.7×10⁴/D² 이하의 랜덤 매트를 사용한 경우, 높은 탄소섬유 체적 함유율(Vf)의 내충격 부재를 얻는 것이 곤란해진다. 또한, 그 평균 섬유수(N)가 1×10⁵/D² 이상의 랜덤 매트를 사용하는 경우, 국부적으로 두꺼운 부분이 생겨, 보이드의 원인이 되기 쉽다. 상기의 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)로서는, 이하 식(2')를 만족하는 것이면 보다 바람직하다.

0.7×10⁴/D²＜N＜6×10⁴/D² (2')

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

또한, 본 발명의 내충격 부재의 제조 방법에서 사용되는 랜덤 매트를 사용하여 함침∼성형을 실시하고, 1mm 이하의 박육의 내충격 부재를 얻고자 한 경우, 단순하게 분섬(分纖)한 것만의 섬유를 사용한 것으로는, 소밀(疎密)이 크고, 양호한 물성을 얻을 수 없다. 또한, 모든 섬유를 개섬(開纖)한 경우에는, 보다 얇은 것을 얻는 것은 용이하게 되지만, 섬유의 교락이 많아져, 섬유 체적 함유율이 높은 것을 얻을 수 없다. 상기 식(1)로 정의되는 임계단사 이상의 탄소섬유다발(A)과, 단사의 상태 또는 임계단사수 미만의 탄소섬유(B)를, 내충격 부재를 이루는 탄소섬유 강화 복합재료에 동시에 존재시킴으로써, 박육이며, 물성 발현율이 높은 내충격 부재를 실현하는 것이 가능하다. 본 발명의 제조 방법은, 각종의 두께의 내충격 부재를 제공하는 것이 가능하지만, 두께가 0.2∼1mm 정도의 박육의 내충격 부재를 얻는데 특히 적합하다.

본 발명의 내충격 부재의 제조 방법에서 사용되는 랜덤 매트의 두께에 특별히 제한은 없고, 1∼150mm 두께의 것을 얻을 수 있다. 본 발명의 랜덤 매트로부터 박육의 내충격 부재를 얻을 수 있다고 하는 본 발명의 효과를 발휘하는 점에서는, 2∼100mm두께로 하는 것이 바람직하다. 또한, 랜덤 매트는 적당한 가압 또는 감압 장치를 사용하여, 사용하기 쉬운 두께로 감용(減容)하고 나서 다음의 공정에서 사용해도 된다.

본 발명의 내충격 부재의 제조 방법에서 사용되는 랜덤 매트에 포함되는 탄소섬유 및 열가소성 수지의 존재량을 질량 기준으로 나타내면, 바람직하게는 탄소섬유 100질량부에 대하여 30∼1000질량부, 보다 바람직하게는 30∼500질량부, 보다 한층 바람직하게는 50∼500질량부이고, 더욱 바람직하게는, 탄소섬유 100질량부에 대하여, 열가소성 수지 60∼200질량부이다. 탄소섬유 100질량부에 대한 열가소성 수지의 비율이 30질량부보다 적으면, 얻을 수 있는 탄소섬유 강화 복합재료 중에 보이드가 발생하기 쉬워져, 강도나 강성이 낮아질 우려가 있다. 반대로, 열가소성 수지의 비율이 1000질량부보다 많아지면 탄소섬유의 보강 효과가 발현하기 어려울 가능성이 있다.

<프리프레그>

본 발명에 있어서, 콜드프레스 성형을 실시하는 경우, 랜덤 매트를, 그 함유하는 열가소성 수지의 연화점 이상 열분해 온도 미만의 온도까지 가열, 즉, 열가소성 수지가 결정성의 경우는 랜덤 매트를 융점 이상 열분해 온도 미만의 온도까지, 비정성의 경우는 유리 전이 온도 이상 열분해 온도 미만의 온도까지 가열함으로써, 열가소성 수지를 함침시켜 프리프레그를 얻어 성형에 사용한다. 프리프레그에 있어서의 탄소섬유의 형태는 랜덤 매트 중에 있어서의 상태를 유지하고 있다. 즉, 프리프레그 중의 탄소섬유는 랜덤 매트에 있어서의 섬유 길이나 등방성, 개섬 정도를 유지하고 있고, 상기의 랜덤 매트에 기재한 것과 같다.

즉, 본 발명에는, 섬유 길이 3∼100mm의 탄소섬유와 열가소성 수지로 구성되고, 탄소섬유가 25∼3000g/m²의 중량이며, 상기 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)의, 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만이고, 또한 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 상기 식(2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 랜덤 매트를, 열가소성 수지의 연화점 이상 열분해 온도 미만의 온도까지 가열하여 얻을 수 있는 프리프레그로 하고, 그 프리프레그를 프레스 성형하여 얻는 것을 특징으로 하는, 상기의 내충격 부재를 제조하는 방법의 발명도 포함된다.

또한, 상기의 열분해 온도에 대하여 보다 구체적으로 말하면 공기 중의 열분해 온도이면 바람직하다.

본 발명의 내충격 부재는, 도 1에 나타낸 형태의 것에 한정되지 않으며, 예를 들면, 도 2∼10에 나타내는 형태로 할 수도 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이에 의해 어떠한 한정을 받는 것은 아니다. 또한, 사용하는 열가소성 수지에 대하여, 나일론6의 융점은 225℃, 열분해 온도(공기 중)는 300℃이며, 폴리부틸렌테레프탈레이트의 융점은 230℃, 열분해 온도(공기 중)는 300℃이다.

1) 랜덤 매트에 있어서의 탄소섬유다발의 분석

랜덤 매트를 100mm×100mm정도로 잘라낸다. 잘라낸 랜덤 매트로부터, 섬유다발을 핀셋으로 모두 꺼내고, 탄소섬유다발(A)의 다발의 수(I) 및 탄소섬유다발의 길이(Li)와 질량(Wi)을 측정하고, 기록한다. 핀셋으로 꺼낼 수 없을 정도로 섬유다발이 작은 것에 대하여는, 모아서 마지막에 질량을 측정한다(Wk). 질량의 측정으로는, 1/100mg(0.01mg)까지 측정 가능한 천칭을 사용한다.

랜덤 매트에 사용하고 있는 탄소섬유의 섬유 길이(D)로부터, 임계단사수를 계산하고, 임계단사수 이상의 탄소섬유다발(A)과, 그 이외로 나눈다. 또한, 2종류 이상의 탄소섬유가 사용되고 있는 경우에는, 섬유의 종류마다 나누고, 각각에 대하여 측정 및 평가를 실시한다.

탄소섬유다발(A)의 평균 섬유수(N)를 구하는 방법은 이하와 같다.

각 탄소섬유다발 중의 섬유 갯수(Ni)는 사용하고 있는 탄소섬유의 섬도(F)로부터, 다음 식에 의해 구할 수 있다.

Ni = Wi/(Li×F)

탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는, 탄소섬유다발(A)의 다발의 수(I)로부터, 다음 식에 의해 구할 수 있다.

N = ΣNi/I

탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 섬유 전량에 대한 비율(VR)은, 탄소섬유의 밀도(ρ)를 사용하여 다음 식에 의해 구할 수 있다.

VR = Σ(Wi/ρ)×100/((Wk+ΣWi)/ρ)

2) 내충격 부재에 포함되는 탄소섬유의 평균 섬유 길이의 분석

얻어진 내충격 부재에 포함되는 탄소섬유의 평균 섬유 길이는, 500℃×1시간 정도, 로(爐)내에서 수지를 제거한 후, 무작위로 추출한 탄소섬유 100개의 길이를 노기스 및 확대경으로 1mm 단위까지 측정하여 기록하고, 측정한 모든 탄소섬유의 길이(Li, 여기서 i=1∼100의 정수)로부터, 다음 식에 의해 평균 섬유 길이(La)를 구하였다.

La = ΣLi/100

또한, 랜덤 매트 중의 탄소섬유의 평균 섬유 길이에 대하여도 상기와 같은 방법으로 측정할 수 있다.

3) 내충격 부재에 있어서의 탄소섬유다발 분석

내충격 부재에 대하여, 500℃×1시간 정도, 로내에서 수지를 제거한 후, 상기의 랜덤 매트에 있어서의 방법과 동일하게 하여 측정하였다.

4) 내충격 부재에 있어서의 섬유와 수지의 존재량의 분석

내충격 부재의 개단면부, 패널부 및 리브부로부터 시험편을 잘라내고, 각각 500℃×1시간, 로내에서 수지를 연소 제거하고, 처리 전후의 시료의 질량을 칭량 (稱量)함으로써 탄소섬유분과 수지분의 질량을 산출하였다.

5) 인장 탄성률 시험

워터젯을 사용하여, 내충격 부재로부터 시험편을 잘라내고, 개단면부의 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대하여, A&D사 제의 텐시론 만능시험기를 사용하여, 인장 탄성률을 측정하고, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비를 산출하였다.

6) 내충격성 평가 방법

낙추시험기를 사용하여, 내충격 부재를 고속 압축하였을 때의 내하중을 측정하였다. 일방향 이외의 입력에 대한 성능도 가미한 평가를 실시하기 위해, 길이 방향과 폭 방향과 높이 방향의 내하중의 곱을 부재 질량으로 나눈 값에 의해 평가를 실시하였다.

[참고예 1]

강화 섬유로서의 탄소섬유(토호테낙스사 제: 테낙스(등록상표) STS40-24KS(섬유 길이 7㎛)를 20mm 폭으로 넓히면서, 섬유 길이 10mm으로 자르고, 탄소섬유의 공급량을 820g/분으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 탄소섬유에 분사하여 섬유다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치된 테이블 위로 살포하였다.

또한, 매트릭스 수지로서, 평균 입경이 약 1mm로 냉동분쇄한 나일론6(폴리아미드6: 이하 PA6라고 기재하는 경우가 있다) 수지(우베고산 제 1015B)를 1000g/분으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유 길이 10mm의 탄소섬유와 PA6가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 이 랜덤 매트의 강화 섬유(탄소섬유) 체적 함유율(Vf)은 35%, 강화 섬유의 중량은 910g/m²이었다. 얻어진 랜덤 매트의 평균 섬유 길이(La) 및 강화 섬유다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 평균 섬유 길이(La)는 10mm, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이고, 강화 섬유다발(A)의, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 33%, 강화 섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 230이었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 평행하여 있고, 면내에 있어서 무작위로 분산되어 있었다.

[참고예 2]

강화 섬유로서의 탄소섬유(토호테낙스 사제: 테낙스(등록상표) STS40-24KS(섬유 길이 7㎛)를 길이 4mm로 자르고, 탄소섬유의 공급량을 240g/분으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 탄소섬유에 분사하여 섬유다발을 거의 완전하게 단사상(單絲狀)이 될 때까지 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치된 테이블 위로 살포하였다.

또한 매트릭스 수지로서, 평균 입경이 약 1mm로 냉동분쇄한 나일론6 수지(우베고산 제 1015 B)를 1400g/분으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유 길이 4mm의 탄소섬유와 PA6가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 이 랜덤 매트의 강화 섬유(탄소섬유) 체적 함유율(Vf)은 10%, 강화 섬유의 중량은 260g/m²이었다. 얻어진 랜덤 매트의 평균 섬유 길이(La) 및 강화 섬유다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 평균 섬유 길이는 4mm, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이고, 강화 섬유다발(A)은 관측되지 않았다. 얻어진 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 평행하여 있고, 면내에 있어 무작위로 분산되어 있었다.

[참고예 3]

강화 섬유로서의 탄소섬유(토호테낙스 사제: 테낙스(등록상표) HTS40-12KS(섬유 직경 7㎛, 섬유 폭 10mm))를 섬유 길이 30mm로 자르고, 탄소섬유의 공급량을 950g/분으로 테이퍼관 내에 도입하고, 테이퍼관 내에서 공기를 탄소섬유에 분사하여 섬유다발을 부분적으로 개섬하면서, 테이퍼관 출구의 하부에 설치된 테이블 위로 살포하였다.

또한, 매트릭스 수지로서 평균 입경이 약 1mm로 냉동분쇄한 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지(이하 PBT라고 기재하는 경우가 있는, 폴리플라스틱제 DURANEX(등록상표) 2002)를 1060g/분으로 테이퍼관 내에 공급하고, 탄소섬유와 동시에 살포함으로써, 평균 섬유 길이 30mm의 탄소섬유와 PBT가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 이 랜덤 매트의 강화 섬유(탄소섬유) 체적 함유율(Vf)은 40%, 강화 섬유의 중량은 1050g/m²이었다. 얻어진 랜덤 매트의 평균 섬유 길이(La) 및 강화 섬유다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 평균 섬유 길이(La)는 30mm, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이고, 강화 섬유다발(A)의, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 85%, 강화 섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 1500이었다. 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 형태를 관찰하였던바, 강화 섬유의 섬유축은 면과 거의 평행하여 있고, 면내에 있어 무작위로 분산되어 있었다.

[실시예 1]

참고예 3에서 얻어진 랜덤 매트를, 함침용의 평판 금형이 세트된 가와사키유고 제 프레스기를 사용하여 260℃, 4MPa에서 5분간 핫프레스 한 후, 50℃까지 냉각하여, 탄소섬유 100질량부에 대하여 PBT가 112질량부 존재하는 강화 섬유의 중량이 1050g/m²인 프리프레그를 얻었다.

다음으로, 얻어진 프리프레그를 NGK 킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 260℃로 가열하여 10MPa의 압력으로 60초간 콜드프레스 하고, 도 2에 나타내는 성형체(내충격 부재)를 얻었다.

본 실시예의 형상은 폭 40mm, 길이 50mm, 높이 22mm, 두께 2mm의 개단면부와, 두께 2mm의 리브부로 이루어진다. 내충격 부재에 있어서의 탄소섬유의 평균 섬유 길이는 30mm이고, 탄소섬유다발(A)의 비율은 85%, 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 1500이었다. 개단면부와 패널부의 탄소섬유 100질량부에 대한 열가소성 수지의 존재량은 112질량부, 리브부의 열가소성 수지의 존재량은 112질량부, 및 개단면부의 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대한 인장 탄성률의 비는 모두 1.02이었다.

이 구성에서의 내충격 성능은 1.6×10¹²N³/g이며, 이 내충격 부재는, 길이 방향, 폭 방향, 높이 방향의 각각으로부터 입력된 하중에 대한 내충격성이 뛰어나다는 것을 알았다.

[실시예 2]

참고예 1에서 얻어진 랜덤 매트를, 함침용의 평판 금형이 세트된 가와사키유고 제 프레스기를 사용하여 260℃, 4MPa에서 5분간 핫프레스 한 후, 50℃까지 냉각하여, 탄소섬유 100질량부에 대하여 PA6가 122질량부 존재하는 강화 섬유의 중량이 910g/m²인 프리프레그를 얻었다.

다음으로, 얻어진 프리프레그를 NGK 킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 260℃로 가열하여 10MPa의 압력으로 60초간 콜드프레스하고, 도 4에 나타내는 성형체(내충격 부재)를 얻었다.

본 실시예의 형상은 폭 40mm, 길이 50mm, 높이 22mm, 두께 2mm의 개단면부와, 두께 2mm의 리브부로 이루어진다. 내충격 부재에 있어서의 탄소섬유의 평균 섬유 길이는 10mm이며, 탄소섬유다발(A)의 비율은 33%, 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 230이었다. 개단면부와 패널부의 탄소섬유 100질량부에 대한 열가소성 수지의 존재량은 122질량부, 리브부의 열가소성 수지의 존재량은 122질량부, 및 개단면부의 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대한 인장 탄성률의 비는 모두 1.05이었다. 이 구성에서의 내충격 성능은 1.6×10¹²N³/g이며, 이 내충격 부재는, 길이 방향, 폭 방향, 높이 방향의 각각으로부터 입력된 하중에 대한 내충격성이 뛰어나다는 것을 알았다.

[비교예 1]

참고예 1에서 얻어진 랜덤 매트로부터, 실시예 2와 동일하게 하여 프리프레그를 얻고, 얻어진 프리프레그를, NGK 킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 260℃로 가열하여 30MPa의 압력으로 60초간 콜드프레스하고, 도 11에 나타내는 내충격 부재를 얻었다. 본 실시예의 형상은 폭 40mm, 길이 50mm, 높이 22mm, 두께 2mm의 개단면부로 이루어진다. 내충격 부재에 있어서의 탄소섬유의 평균 섬유 길이는 10mm이고, 탄소섬유다발(A)의 비율은 33%, 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 230이었다. 개단면부와 패널부의 탄소섬유 100질량부에 대한 열가소성 수지의 존재량은 122질량부, 및 개단면부의 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대한 인장 탄성률의 비는 1.05이었다. 이 구성에서의 내충격 성능은 1.1×10¹¹N³/g이었다. 본 실시예와 비교하여 구조 강성이 약하고, 내충격 성능은 낮은 결과가 되었다.

[실시예 3]

참고예 2에서 얻어진 랜덤 매트를, 함침용의 평판 금형이 세트된 가와사키유고 제 프레스기를 사용하여 260℃, 4MPa에서 5분간 핫프레스 한 후, 50℃까지 냉각하여, 탄소섬유 100질량부에 대하여 PA6가 583질량부 존재하는 강화 섬유의 중량이 260g/m²인 프리프레그를 얻었다.

다음으로, 얻어진 프리프레그를 NGK 킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 260℃로 가열하여 10MPa의 압력으로 60초간 콜드프레스하고, 실시예 2로 같은 형상을 얻었다. 내충격 부재에 있어서의 탄소섬유의 평균 섬유 길이는 4mm이고, 탄소섬유다발(A)은 관측되지 않았다. 개단면부와 패널부의 탄소섬유 100질량부에 대한 열가소성 수지의 존재량은 583질량부, 리브부의 열가소성 수지의 존재량은 583질량부, 및 개단면부의 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대한 인장 탄성률의 비는 모두 1.06이었다. 이 구성에서의 내충격 성능은 3.2×10¹¹N³/g이었다.

산업상의 사용 가능성

본 발명에 의하면, 경량이고 형상 자유도가 높고, 내충격성이 뛰어난 내충격 부재를 제공하는 것이 가능하게 된다.

또한, 경량이고 형상 자유도가 높고, 내충격성이 뛰어난 내충격 부재를 고효율로 제조할 수 있는 제조 방법이 제공된다.

본 발명을 상세하고 또한 특정의 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 벗어나는 일 없이 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있다는 것은 당업자에게 있어서 분명하다.

본 출원은, 2011년 12월 7일 출원의 일본 특허출원(특원 2011-268176) 및 2011년 11월 28일 출원의 일본 특허출원(특원 2011-259046)에 기초한 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 원용된다.

1 : 개단면부
2 : 리브부
3 : 패널부
4 : 개단면부 내측

Claims

개단면부(開斷面部)와 그 내측에 있는 리브부로 이루어지고, 그 개단면부와 그 리브부 중 적어도 한쪽은 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어지고, 다른 쪽은 열가소성 수지로 이루어지는 것이여도 되는 내충격 부재로서, 그 내충격 부재에 있어서의 열가소성 수지의 존재량이, 탄소섬유 100질량부에 대하여 30∼1000질량부이며, 그 탄소섬유의 평균 섬유 길이가 3∼100mm인 것을 특징으로 하는 내충격 부재.
제1항에 있어서,
개단면부와 리브부의 모두가 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어지는 내충격 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
개단면부의 열가소성 수지의 존재량(탄소섬유 100질량부 당의 질량부)과, 리브부의 열가소성 수지의 존재량(탄소섬유 100질량부 당의 질량부)으로부터, 하기 식(i)
열가소성 수지 존재량비(%) = 100×(리브부의 열가소성 수지의 존재량 - 개단면부의 열가소성 수지의 존재량)/개단면부의 열가소성 수지의 존재량 (i)
로 구해지는 열가소성 수지 존재량비가 -60%∼+45%인 내충격 부재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
그 내충격 부재에 있어서의 개단면부의 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대한 인장 탄성률의, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비가 1.0∼1.3인 내충격 부재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
개단면부의 열가소성 수지의 존재량(탄소섬유 100질량부 당의 질량부)과, 리브부의 열가소성 수지의 존재량(탄소섬유 100질량부 당의 질량부)으로부터, 하기 식(i)
열가소성 수지 존재량비(%) = 100×(리브부의 열가소성 수지의 존재량 - 개단면부의 열가소성 수지의 존재량)/개단면부의 열가소성 수지의 존재량 (i)
로 구해지는 열가소성 수지 존재량비가 -60%∼+45%이며, 개단면부의 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대한 인장 탄성률의, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비가 1.0∼1.3인 내충격 부재.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
그 내충격 부재에 있어서의 개단면부 및 리브부의 열가소성 수지의 존재량이 동일하고, 바닥면 내의 임의의 방향 및 동일면 내에서 이것과 직교하는 방향에 대한 인장 탄성률의, 큰 쪽의 값을 작은 쪽의 값으로 나눈 비가 1.0∼1.3인 내충격 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
그 섬유 강화 복합재료 중에 포함되는 탄소섬유가, 하기 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 섬유다발(A)의, 그 섬유 강화 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만이고, 또한 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 하기 식(2)를 만족하는 내충격 부재.
임계단사수=600/D (1)
0.7×10⁴/D²＜N＜1×10⁵/D² (2)
(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 내충격부재로서, 리브부가, 개단면부에 있어서 대향하고 있는 면 끼리를 잇는 구조를 갖는 내충격 부재.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 내충격 부재로서, 리브부를 2개 이상 갖는 내충격 부재.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 내충격 부재로서, 리브부의 높이가, 개단면부의 바닥면으로부터의 개구부의 높이에 대하여 5%∼100%의 비율로 있는 내충격 부재.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 내충격 부재로서, 개단면부의 판체에 대하여 수직인 리브부를 갖는 내충격 부재.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 내충격 부재로서, 개단면부에 직행하는 면에 대하여 대칭인 리브부를 갖지는 형상인 내충격 부재.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 내충격 부재로서, 개단면부의 판체의 총면적에 대하여, 리브부의 총면적의 비율이 1%이상이 되도록 리브가 형성되어 있는 내충격 부재.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
내충격성능이 4×10¹¹(N³/g) 이상인 내충격 부재.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
그 내충격 부재가 개단면부의 단부(端部)에 연속하는 패널부를 더 갖고, 개단면부와 리브부와 패널부를 일체 성형한 내충격 부재.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
그 내충격 부재에 있어서의 열가소성 수지의 존재량이, 탄소섬유 100 질량부에 대하여 30∼500질량부인 내충격 부재.
섬유 길이 3∼100mm의 탄소섬유와 열가소성 수지로 구성되고, 탄소섬유가 25∼3000g/m²의 중량이고, 상기 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)의, 매트의 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만이고, 또한 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 상기 식(2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 랜덤 매트를 프레스 성형하여 얻는 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 내충격 부재의 제조 방법.
섬유 길이 3∼100mm의 탄소섬유와 열가소성 수지로 구성되고, 탄소섬유가 25∼3000g/m²의 중량이고, 상기 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)의, 매트의 섬유 전량에 대한 비율이 20Vol% 이상 99Vol% 미만이고, 또한 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 상기 식(2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 랜덤 매트를, 열가소성 수지의 연화점 이상 열분해 온도 미만의 온도까지 가열하여 얻어지는 프리프레그로 하고, 그 프리프레그를 프레스 성형하여 얻는 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 내충격 부재의 제조 방법.