KR20140107282A

KR20140107282A - 랜덤 매트, 및 강화 섬유 복합재료

Info

Publication number: KR20140107282A
Application number: KR1020147016797A
Authority: KR
Inventors: 마코토 오오쯔보; 유헤이 코나가이
Original assignee: 데이진 가부시키가이샤
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-09-04
Also published as: EP2796604A4; CN104011276A; JPWO2013094706A1; WO2013094706A1; US20150031257A1; EP2796604A1

Abstract

리브와 같은 입상부를 가지는 성형체의 프리폼에 적합한 랜덤 매트를 제공한다.
섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유가 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 50∼100질량%이며, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유가 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 0∼50질량%이며, 특정의 기본 중량, 개섬도를 만족하는 랜덤 매트.

Description

랜덤 매트, 및 강화 섬유 복합재료{RANDOM MAT AND REINFORCING FIBER COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은, 강화 섬유 복합재료 성형체의 프리폼(preform)으로서 사용되는 랜덤 매트, 그것으로부터 얻어지는 성형체, 및 본 발명의 랜덤 매트를 사용한 강화 섬유 복합재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 그 중에서도 리브(rib)와 같은 입상부(立上部)를 가지는 성형체의 프리폼에 적합한 랜덤 매트에 관한 것이다.

탄소 섬유나 아라미드 섬유, 유리 섬유 등을 강화 섬유로서 사용한 강화 섬유 복합재료는, 그 높은 비강도(比强度)·비탄성률(比彈性率)을 이용하여, 항공기나 자동차 등의 구조재료나, 테니스 라켓, 골프 샤프트, 낚싯대 등의 일반 산업이나 스포츠 용도 등에 널리 이용되어 왔다. 이들에 사용되는 강화 섬유의 형태로서는, 연속 섬유를 사용하여 만들어지는 직물이나, 일방향으로 섬유가 가지런히 정렬된 UD시트, 커트한 섬유를 사용하여 만들어지는 랜덤 시트, 부직포 등이 있다.

일반적으로, 연속 섬유를 사용한 직물이나 UD시트 등은, 섬유가 가지는 이방성으로부터, 예를 들면 0/+45/-45/90 등과 같이, 여러 가지 각도로 적층되고, 또한 성형체의 휨 상태를 방지하기 위해, 면대상(面對象)으로 적층되는 등, 적층 공정이 번잡하게 되는 것이, 강화 섬유 복합재료의 비용을 인상시키는 원인 중 하나가 되고 있었다.

그 때문에, 미리 등방성인 랜덤 매트를 사용함으로써, 비교적 염가의 강화 섬유 복합재료를 얻을 수 있다. 이 랜덤 매트는, 커트한 강화 섬유 단체, 혹은 열경화성의 수지를 성형형(成形型)에 동시에 분사하는 스프레이 업 방식(건식)이나, 바인더를 함유시킨 슬러리에 미리 커트한 강화 섬유를 첨가하고, 초지(抄紙)하는 방법(습식) 등에 의해 얻을 수 있지만, 장치가 비교적 소형이라는 점에서, 건식 제조 방법을 사용함으로써, 보다 염가로 랜덤 매트를 얻을 수 있다.

건식 제조 방법으로서는, 연속 섬유를 사용하여, 커트와 동시에 분사하는 방법이 많이 사용되며, 그 대부분은 로터리 커터를 사용한 것이다. 그러나, 섬유 길이를 길게 하기 위해서, 날의 간격을 넓게 했을 경우, 커트 빈도가 떨어지게 되어, 섬유의 토출이 불연속으로 되어 버린다. 이 때문에, 국소적인 매트의 섬유 기본 중량(단위 면적당 중량; 目付)의 불균일이 생기고, 특히 기본 중량이 낮은 매트를 작성하는 경우에는, 두께 불균일이 현저하게 되는 점에서, 표면 의장(意匠)이 불량하게 된다고 하는 문제가 있었다.

한편, 강화 섬유 복합재료의 비용을 인상시키는 또 하나의 요인으로서, 성형 시간이 길다고 하는 점이 있다. 통상, 강화 섬유 복합재료는, 미리, 강화 섬유 기재에 열경화성 수지를 함침시킨 프리프레그이라고 불리는 재료를, 오토클래브(autoclave)를 사용하여 2시간 이상 가열·가압함으로써 얻을 수 있다. 최근, 수지를 함침시키지 않은 강화 섬유 기재를 금형 내에 세팅한 후, 열경화성 수지를 유입하는 RTM 성형 방법이 제안되어, 성형 시간은 대폭으로 단축되었다. 그러나, RTM 성형 방법을 사용한 경우이여도, 1개의 부품을 성형하기까지 10분 이상 필요하다.

그 때문에, 종래의 열경화성 수지를 대신하여, 열가소성 수지를 매트릭스에 사용한 컴퍼짓(composite)이 주목받고 있다. 그러나, 열가소성 수지는, 일반적으로 열경화성 수지와 비교하여 점도가 높고, 그 때문에, 섬유 기재(基材)에 수지를 함침시키는 시간이 길고, 결과적으로 성형까지의 택트(tact)가 길어진다고 하는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하는 방법으로서, 열가소 스탬핑 성형(TP-SMC)이라고 불리는 방법이 제안되고 있다. 이는, 미리 열가소성 수지를 함침시킨 촙드 파이버(chopped fiber)를 융점 또는 유동 가능한 온도 이상으로 가열하고, 이것을 금형 내의 일부에 투입한 후, 즉시 형(型)을 닫고, 형내에서 섬유와 수지를 유동시킴으로써 제품 형상을 얻어, 냉각·성형한다고 하는 성형 방법이다. 이 방법에서는, 미리 수지를 함침시킨 섬유를 사용함으로써, 약 1분 정도라고 하는 짧은 시간에 성형이 가능하다. 촙드 섬유 다발 및 성형 재료의 제조 방법에 관한 특허문헌 1 및 2가 있지만, 이들은 SMC나 스탬퍼블 시트(stampable sheet)이라고 불리는 성형 재료로 하는 방법이다. 그러나, 이러한 열가소 스탬핑 성형에서는, 열경화성 수지를 매트릭스로 한 강화 섬유 복합재료와 비교하여 수지의 분자량의 차이로부터 점도가 높은 것이나, 유동시켜 성형하기 위해, 특히, 리브, 보스라고 하는 복잡 형상으로 섬유나 수지를 충전시키기 위해서는 비교적 높은 성형 압력이 필요하고, 대형 성형체를 성형하기 위해서는 고액의 설비 투자나 유지비가 필요했다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개 2009-114611호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개 2009-114612호 공보

본 발명의 과제는, 강화 섬유 복합재료 성형체의 프리폼으로서 사용되고, 저압 조건에서도 리브, 보스라고 하는 입상부를 가지는 복잡한 3차원 형상을 일체 성형으로 얻을 수 있는 랜덤 매트, 그것으로부터 얻어지는 성형체, 및 본 발명의 랜덤 매트를 사용한 강화 섬유 복합재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 나아가서 등방성이 뛰어난 성형체를 얻을 수 있는 랜덤 매트를 제공하는 것이다.

본 발명은, 열가소성 수지와 특정의 수속(收束) 혹은 개섬(開纖) 조건을 충족하고, 특정 범위의 섬유 길이를 가지는 강화 섬유로 구성되는 랜덤 매트로 함으로써, 성형시의 유동성을 적합하게 제어하는 것이 가능해진다는 것을 발견하여 본 발명에 이른 것이다. 즉 본 발명은, 섬유 길이 3∼50mm의 강화 섬유를 포함하고, 하기 i)∼v)를 만족하는 랜덤 매트, 그것으로부터 얻어지는 성형체, 본 발명의 랜덤 매트를 사용한 강화 섬유 복합재료 및 그 제조 방법이다.

i) 섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유가 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 50∼100질량%이며, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유가 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 0∼50질량%이고,

ii) 강화 섬유의 기본 중량이 25∼10000g/m²이고,

iii) 강화 섬유에 관하여 하기 식(1)로 정의되는 임계단사수(臨界單絲數) 미만의 단사와, 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)이 동시에 존재하고,

iv) 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율이 50Vol% 이상 99Vol% 미만이고,

v) 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 하기 식(2)를 만족한다.

임계단사수=600/D (1)

1.5×10⁴/D²＜N＜3×10⁵/D² (2)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

본 발명의 랜덤 매트는 강화 섬유 복합재료 성형의 프리폼으로서 바람직하게 사용되고, 성형시의 유동성이 뛰어나기 때문에, 리브나 보스 등, 수평부에 대하여 세로 방향으로 뻗은 복잡한 3차원 형상의 입상부를 비교적 낮은 압력으로 용이하게 성형할 수 있다. 따라서 본 발명의 랜덤 매트로부터, 필요 최소한의 재료를 사용하여 제품 형상을 성형할 수 있고, 트림 공정이 없어지는 것에 의한 폐기 재료의 대폭적인 삭감, 그에 따르는 비용의 삭감을 기대할 수 있다. 또한, 본 발명의 랜덤 매트는, 각종 구성 부재, 예를 들면 자동차의 내판, 외판, 구성 부재, 또한 각종 전기제품, 기계의 프레임이나 케이스 등의 프리폼으로서 사용할 수 있다.

도 1은 커트 공정의 개략도.
도 2는 로터리 분섬 커터의 정면과 단면의 개략도.
도 3은 나이프 각도의 설명도.
도 4는 섬유 방향에 평행한 날을 가지는 커터의 개략도.
도 5는 날의 피치가 연속적으로 변화되고 있는 로터리 커터.
도 6은 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한, 금형의 모식도.
도 7은 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한, 성형체의 일례의 모식도.
도 8은 보스 및 리브를 가지는 성형체에 있어서의 측정용의 시료 절출부(切出部).

[랜덤 매트]

본 발명의 랜덤 매트는, 섬유 길이 3∼50mm의 강화 섬유를 포함하고, 하기 i)∼v)를 만족한다.

i) 섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유가 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 50∼100질량%이고, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유가 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 0∼50질량%이고,

ii) 강화 섬유의 기본 중량이 25∼10000g/m²이고,

iii) 강화 섬유에 관하여 하기 식(1)로 정의되는 임계단사수 미만의 단사와, 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)이 동시에 존재하고,

iv) 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대한 비율이 50Vol% 이상 99Vol% 미만이고,

임계단사수=600/D (1)

1.5×10⁴/D²＜N＜3×10⁵/D² (2)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

또한, 본 발명에 있어서, 강화 섬유다발(A)에 관하여, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대한 비율(Vol%)을, 매트 섬유 전체에 대한 체적비(Vol%)로 기재하는 경우가 있다.

랜덤 매트의 면내에 있어서, 강화 섬유는 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고, 무작위인 방향으로 분산되어 배치되어 있다.

본 발명의 랜덤 매트는 면내 등방성이 뛰어난 재료이다. 랜덤 매트로부터 성형체를 얻었을 경우에, 랜덤 매트 중의 강화 섬유의 등방성은, 성형체에 있어서도 유지된다. 랜덤 매트로부터 성형체를 얻어, 서로 직교하는 이방향(二方向)의 인장 탄성률의 비(比)를 구함으로써, 랜덤 매트 및 그것으로부터의 성형체의 등방성을 정량적으로 평가할 수 있다. 랜덤 매트로부터 얻어진 성형체에 있어서의 이방향의 탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비가 2를 초과하지 않을 때에 등방성이라고 한다. 비가 1.3을 초과하지 않을 때는 등방성이 뛰어나다고 한다.

랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 기본 중량은 25∼10000g/m²의 범위이다. 랜덤 매트는 프리프레그로서 유용하고, 원하는 성형에 맞추어 각종 기본 중량을 선택할 수 있고, 기본 중량은 바람직하게는 25∼4500g/m²이며, 보다 바람직하게는 25∼3000g/m²이다.

[강화 섬유]

랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유는 불연속이며, 강화 섬유로서는, 섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유(이하, 강화 섬유(B)라고 칭하는 경우가 있다)가 포함된다. 강화 섬유(B)는 성형시의 유동성에 크게 기여하는 군(群)이며, 강화 섬유(B)의 섬유 길이의 범위로서는 5∼15mm가 바람직하고, 7∼13mm가 보다 바람직하고, 7∼10mm가 보다 더욱더 바람직하다. 또한, 강화 섬유(B)는 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 50∼100질량%이고, 70∼100질량%가 바람직하고, 90∼100질량%가 보다 바람직하다. 후술하는 바람직한 강화 섬유의 커트 방법에 있어서, 강화 섬유를 고정 길이로 커트하여 랜덤 매트를 제조했을 경우, 평균 섬유 길이는 커트한 섬유 길이와 대략 같아진다.

또한, 본 발명에 있어서, 특정의 강화 섬유에 관하여, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대한 질량%를, 매트 섬유 전체에 대한 질량비(%)로 기재하는 경우가 있다.

본 발명에서는, 섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유(B) 외에, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유(이하, 강화 섬유(C)라고 칭하는 경우가 있다)도 병용할 수 있다. 강화 섬유(C)는, 비교적 섬유 길이가 길기 때문에 기계적 물성(특히 장기적인 피로강도)을 담보할 수 있지만, 극단적으로 너무 긴 것은 유동성을 저해하기 때문에, 강화 섬유(C)의 섬유 길이의 범위로서, 바람직하게는 17∼40mm, 보다 바람직하게는 20∼30mm이다. 또한, 강화 섬유(C)의 매트 섬유 전량에 대한 비율은, 0∼50질량%이며, 0∼10질량%가 더욱 바람직하다. 더욱더 바람직하게는 2∼10질량%이다.

이러한 섬유 길이 분포로 하는 방법은 특별히 한정은 없지만, 후술하는 바람직한 랜덤 매트의 제조 방법에 있어서, 섬유 다발을 커트하는 날의 피치를 조정하는 방법을 들 수 있다. 날의 피치를 바꾼 것을 복수 사용하는 것이나, 날의 피치가 연속적으로 변화되고 있는 로터리 커터를 사용함으로써, 연속적으로 섬유 길이를 변화시켜 섬유를 절단할 수 있다.

섬유 길이는, 얻어진 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유의 섬유 길이를 측정하여 구한 섬유 길이 분포로서 표현된다. 섬유 길이의 측정 방법으로서는 무작위로 추출한 100개의 섬유의 섬유 길이를 노기스 등을 사용하여 1mm 단위까지 측정하고, 그 분포를 구하는 방법을 들 수 있다. 또한 후술하는 바람직한 강화 섬유의 커트 방법을 채용함으로써, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 길이는 고정 길이 혹은, 소정의 길이 분포로 제어할 수 있다.

랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유는, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 및 유리 섬유로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 일종인 것이 바람직하다. 이들은 병용할 수도 있고, 그 중에서도 탄소 섬유가, 경량이면서 강도가 뛰어난 복합재료를 제공할 수 있는 점에서 바람직하다. 탄소 섬유로서는, 특히 폴리아크릴로니트릴계 섬유를 전구체(前驅體)로 하는 탄소 섬유(이하, 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유 또는 PAN계 탄소 섬유로 약칭하는 경우가 있다)가 바람직하다. 탄소 섬유의 경우, 평균 섬유 직경은 바람직하게는 3∼12㎛이며, 보다 바람직하게는 5∼7㎛이다.

강화 섬유는 사이징(sizing)제가 부착된 것을 사용하는 것이 바람직하고, 사이징제는 강화 섬유 100질량부에 대하여, 0∼10질량부인 것이 바람직하다.

유리 섬유의 경우, 평균 섬유 직경은 바람직하게는 3∼20㎛이며, 보다 바람직하게는 10∼15㎛이다.

[개섬 정도]

본 발명의 랜덤 매트는, 식(1)

임계단사수=600/D (1)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 랜덤 매트의 섬유 전량에 대한 비율이 50Vol% 이상 99Vol% 미만인 것을 특징으로 한다. 랜덤 매트 중에는, 강화 섬유 다발(A) 이외의 강화 섬유로서, 단사 상태 또는 임계단사수 미만으로 구성되는 섬유 다발이 존재한다.

즉 본 발명의 랜덤 매트는, 평균 섬유 직경에 의존하여 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)의 존재량을 50Vol% 이상 99Vol% 미만으로 하는, 즉 강화 섬유의 개섬 정도를 컨트롤하고, 특정 개수 이상의 강화 섬유로 이루어지는 강화 섬유 다발(A)과, 그 이외의 개섬된 강화 섬유를 특정의 비율로 포함하는 것을 특징으로 한다. 강화 섬유 다발(A)의 존재량을 50Vol% 이상 99Vol% 미만으로 하려면, 후술하는 바람직한 제법에 있어서 예를 들면 개섬 공정에 있어서의 분사되는 공기의 압력 등에 의해 컨트롤할 수 있다. 또한, 커트 공정에 제공하는 섬유 다발의 크기, 예를 들면 다발의 폭이나 폭 당의 섬유수를 조정함으로써 컨트롤할 수도 있다. 구체적으로는 개섬하는 등 하여 섬유 다발의 폭을 넓혀서 커트 공정에 제공하는 것, 커트 공정의 전에 슬릿(slit) 공정을 설치하는 방법을 들 수 있다. 또한 짧은 날을 다수 늘어놓은 소위 분섬 나이프를 사용하여 섬유 다발을 커트하는 방법이나, 커트함과 동시에, 슬릿하는 방법을 들 수 있다. 바람직한 조건에 관하여는 개섬 공정의 항(項)에 기재한다.

섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율이 50Vol% 미만이 되면, 본 발명의 랜덤 매트를 성형했을 때에, 표면 품위가 뛰어난 복합재료를 얻을 수 있다고 하는 이점은 있지만, 기계 물성이 뛰어난 강화 섬유 복합재료가 얻기 어려워질 뿐만 아니라, 단사상(單絲狀)의 것이 많아지기 때문에, 섬유끼리의 교락(交絡)이 많아져, 유동성을 저해한다. 강화 섬유 다발(A)의 비율이 99Vol% 이상이 되면, 섬유의 교락이 극단적으로 적기 때문에, 유동성 자체는 양호하지만, 섬유끼리의 구속력이 작기 때문에, 유동 방향으로 섬유 배향이 진행되어 버려 등방성을 담보할 수 없어, 본 발명의 목적에 적합하지 않다. 강화 섬유 다발(A)의 비율은 보다 바람직하게는 60Vol% 이상 95Vol% 미만이다.

또한 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 하기 식(2)

1.5×10⁴/D²＜N＜3×10⁵/D² (2)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

을 만족하는 것을 특징으로 한다.

강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)를 상기 범위로 하려면, 후술하는 바람직한 제법에 있어서는, 커트 공정에 제공하는 섬유 다발의 크기, 예를 들면 다발의 폭이나 폭 당의 섬유수를 조정함으로써 컨트롤할 수도 있다. 구체적으로는 개섬하는 등 하여 섬유 다발의 폭을 넓혀서 커트 공정에 제공하는 것, 커트 공정의 전에 슬릿 공정을 설치하는 방법을 들 수 있다. 또 섬유 다발을 커트와 동시에, 슬릿해도 된다.

또한 개섬 공정에 있어서의 분사되는 공기의 압력 등에 의해 커트된 섬유 다발의 흐트려진 쪽을 조정하여, 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)를 컨트롤할 수도 있다. 바람직한 조건에 대하여는 개섬 공정 및 커트 공정의 항에 기재한다.

구체적으로는 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 평균 섬유 직경이 5∼7㎛인 경우, 임계단사수는 86∼120개가 되고, 강화 섬유의 평균 섬유 직경이 5㎛인 경우, 섬유 다발 중의 평균 섬유수는 600∼12000개의 범위가 되지만, 그 중에서도 1000∼9000개인 것이 바람직하다. 강화 섬유의 평균 섬유 직경이 7㎛인 경우, 섬유 다발 중의 평균 섬유수는 306∼6122개의 범위가 되지만, 그 중에서도 500∼4900개인 것이 바람직하다.

강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 1.5×10⁴/D² 이하인 경우, 높은 섬유 체적 함유율(Vf)을 얻는 것이 곤란해진다. 또한 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 3×10⁵/D² 이상인 경우, 국부적으로 두꺼운 부분이 발생하고, 보이드(void)의 원인이 되기 쉬울 뿐만 아니라, 유동 후의 물성에 이방성이 나오기 쉬워 본 발명의 목적에 적합하지 않다. 또한, 1 mm이하의 박육(薄肉) 복합재료를 얻으려고 했을 경우, 단순하게 분섬했을 뿐의 섬유를 이용한 것은, 소밀(疎密)이 크고, 양호한 물성을 얻을 수 없다. 또한, 모든 섬유를 개섬했을 경우에는, 보다 얇은 것을 얻는 일은 용이하게 되지만, 섬유의 낙합(絡合)이 많아져, 섬유 체적 함유율이 높은 것을 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 유동성이 저해되기 때문에 바람직하지 않다.

상기와 같은 이유에 의해, 본 발명에 있어서, 섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유(B)에 관하여, 상기 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A_B) 중의 평균 섬유수(N_B)가 하기 식(2B)을 만족하는 것이 바람직하다.

1.5×10⁴/D_B ²＜N_B＜3×10⁵/D_B ² (2B)

(여기서 D_B는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

본 발명에 있어서, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유(C)가 존재하지 않는 경우, 당연, 상기의 평균 섬유수(N_B)는 상기의 평균 섬유수(N) 것과 같다.

또한, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유(C)에 관하여, 상기 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A_C) 중의 평균 섬유수(N_C)가 하기 식(2C)을 만족하는 것이 바람직하다.

5.0×10⁴/D_C ²＜N_C＜3×10⁵/D_C ² (2C)

(여기서 D_C는 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

강화 섬유(C)는 비교적 섬유 길이가 긴 성분이며, 비교적 다발을 구성하는 섬유 개수가 많은 편이, 랜덤 매트 중에서 섬유의 직선성을 담보하는 것이 용이해져, 기계적 물성이 높아질 뿐만 아니라, 섬유끼리의 낙합도 억제되기 때문에, 유동성이 향상된다.

또한, 본 발명에 있어서, 1종류의 강화 섬유만이 사용되고 있는 경우 등은, 상기의, 섬유 길이가 3mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유(강화 섬유(B))의 평균 섬유 직경 D_B, 및 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유(강화 섬유(C)) 의 평균 섬유 직경 D_C는, 상기 식(1)이나 (2)에 있어서의 평균 섬유 직경 D와 당연히 같다.

본 발명에 있어서는, 섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유(강화 섬유(B)) 의 평균 섬유 길이에 대한, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유(강화 섬유(C)) 의 평균 섬유 길이의 비가 1.5∼10이면, 성형성과 강도의 양쪽이 특별히 뛰어난 성형체로 할 수 있으므로 바람직하고, 1.5∼5이면 보다 바람직하다.

식(1)로 정의되는 임계단사 이상의 강화 섬유 다발(A)과, 단사 상태 또는 임계단사수 미만의 강화 섬유가 동시에 존재하는 랜덤 매트에 의해, 물성이 높고 유동성이 높은 랜덤 매트를 얻는 것이 가능하다. 본 발명의 랜덤 매트는, 특히 후술하는 리브, 보스라고 하는 입상부를 가지는 성형체를 형성하는데 적합하다.

본 발명의 랜덤 매트는, 각종의 두께로 하는 것이 가능하지만, 이것을 프리폼으로서 두께가 0.2∼1mm정도의 박육의 성형체도 적합하게 얻을 수 있다. 즉 본 발명에 의해, 각종 목적으로 하는 성형체의 두께에 맞춘 랜덤 매트를 작성할 수가 있고, 특히 샌드위치재의 표피 등, 박물(博物)의 성형체의 프리폼으로서 유용하다. 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수는 후술하는 바람직한 제조 방법의 커트 공정, 및 개섬 공정으로 제어할 수 있다.

여기서 샌드위치재란, 복수의 소재를 3층 이상, 대표적인 것으로서는 3층이 적층된 부재를 말한다. 샌드위치재로서 특히 대표적인 것은, 식품의 샌드위치와 같이, 중심층의 재료(심재(芯材))의 표리(表裏)에, 이것과는 다른 재료(면재(面材))를 적층한 것이지만, 광의로는, 4층 이상의 적층체인 것이나, 심재와 면재가 동일 소재의 적층체도 포함된다.

[열가소성 수지]

본 발명의 랜덤 매트는, 열가소성 수지를 더 포함하고, 강화 섬유 복합재료를 얻기 위한 프리폼이 된다. 랜덤 매트에 있어서는, 열가소성 수지가, 섬유상 및/또는 입자상으로 존재하는 것이 바람직하다. 강화 섬유와 섬유상 및/또는 입자상의 열가소성 수지가 혼합되어 존재하고 있음으로써, 형(型)내에서 섬유와 수지를 유동시킬 필요가 없이, 성형시에 열가소성 수지를 용이하게 함침할 수 있는 것을 특징으로 한다. 열가소성 수지는, 섬유상 또는 입자상으로 구성되는 것이 바람직하다. 열가소성 수지의 종류를 2종 이상으로 할 수도 있고, 또한 섬유상과 입자상의 것을 병용해도 된다.

섬유상의 경우, 섬도(纖度) 100∼5000dtex의 것, 보다 바람직하게는 섬도 1000∼2000dtex의 것이 보다 바람직하고, 평균 섬유 길이로서는 0.5∼50mm가 바람직하고, 보다 바람직하게는 평균 섬유 길이 1∼10mm이다.

입자상의 경우, 구상(球狀), 세편상(細片狀)), 혹은 펠릿(pellet)과 같은 원주상(圓柱狀)을 바람직하게 들 수 있다. 구상의 경우는, 진원(眞圓) 또는 타원의 회전체, 혹은 난상(卵狀)과 같은 형상을 바람직하게 들 수 있다. 구(球)로 했을 경우의 바람직한 평균 입자 직경은 0.01∼1000㎛이다. 보다 바람직하게는 평균 입자 직경 0.1∼900㎛의 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 평균 입자 직경 1∼800㎛의 것이 보다 바람직하다. 입자 직경 분포에 대하여는 특별히 제한은 없지만, 분포가 샤프한 것이 보다 얇은 성형체를 얻는 목적으로서는 보다 바람직하지만, 분급(分級) 등의 조작에 의해 원하는 입도 분포로서 사용할 수가 있다.

세편상의 경우, 펠릿과 같은 원주상이나, 각주상(角柱狀), 인편상(鱗片狀)이 바람직한 형상으로서 들 수 있다. 이 경우 어느 정도의 애스펙트비(aspect ratio)를 가져도 되지만, 바람직한 길이는 상기의 섬유상의 경우와 동일한 정도로 한다.

열가소성 수지의 종류로서는 예를 들면 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, 폴리아미드6 수지, 폴리아미드11 수지, 폴리아미드12 수지, 폴리아미드46 수지, 폴리아미드66 수지, 폴리아미드610 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리부틸렌나프탈레이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌설피드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리젖산 수지 등을 들 수 있다.

이들의 열가소성 수지는 단독으로 사용해도 되고, 복수를 병용하여 사용해도 된다.

랜덤 매트에 있어서의 열가소성 수지의 존재량은, 강화 섬유 100질량부에 대하여, 50∼1000질량부인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 강화 섬유 100질량부에 대하여, 열가소성 수지 55∼500질량부, 더욱 바람직하게는, 강화 섬유 100질량부에 대하여, 열가소성 수지 60∼300질량부이다.

[기타의 제(劑)]

본 발명의 랜덤 매트 중에는, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위에서, 유리 섬유나 유기 섬유 등의 각종 섬유상 또는 비섬유상 필러, 난연제, 내UV제, 안료, 이형제, 연화제, 가소제, 계면활성제의 첨가제를 포함하고 있어도 된다.

[제조 방법]

이하 본 발명의 랜덤 매트를 바람직하게 얻는 방법에 관하여 설명한다. 본 발명의 랜덤 매트는 이하의 공정 1∼3으로부터, 바람직하게 제조된다.

1. 강화 섬유를 커트하는 공정,

2. 커트된 강화 섬유를 관내에 도입하고, 섬유 다발을 개섬시키는 공정,

3. 강화 섬유와 열가소성 수지로부터 랜덤 매트를 형성하는 공정

즉 본 발명은, 상기의 공정 1∼3을 포함하는, 랜덤 매트의 제조 방법을 포함 한다.

이하, 각 공정에 대하여 상세히 설명한다.

[커트 공정]

본 발명 방법에 있어서의 강화 섬유의 커트 방법은, 구체적으로는 나이프를 사용하여 강화 섬유를 커트하는 공정이다. 커트에 사용하는 나이프로서는 로터리 커터 등이 바람직하다. 로터리 커터로서는, 각도를 규정한 나선상 나이프, 혹은 짧은 날을 다수 늘어놓은, 소위 분섬 나이프를 설치한 것이 바람직하다. 커트 공정의 구체적인 모식도를 도 1에 나타낸다. 나선상 나이프를 가지는 로터리 커터의 일례를 도 2에, 분섬 나이프를 가지는 로터리 커터의 일례를 도 3에 나타낸다.

강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)를 본 발명에 있어서의 바람직한 범위와 하기 위해, 커트 공정에 제공하는 섬유 다발의 크기, 예를 들면 다발의 폭이나 폭 당의 섬유수를 조정하는 것으로 컨트롤하는 것이 바람직하다.

커트에 사용하는 섬유 다발로서 미리 강화 섬유의 섬유 다발수가 (2)식의 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 일반적으로 섬유 다발수가 적을수록, 섬유의 가격이 고가로 되어 버린다. 그래서 염가로 입수할 수 있는 섬유 다발수가 많은 강화 섬유 다발을 사용하는 경우에는, 커트 공정에 제공하는 섬유 다발의 폭이나 폭 당의 섬유수를 조정하여 커트 공정에 제공하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 개섬하는 등 하여 섬유 다발의 폭을 얇게 넓혀 커트 공정에 제공하는 것이나, 커트 공정의 전에 슬릿 공정을 설치하는 방법을 들 수 있다. 슬릿 공정을 설치하는 방법에서는, 미리 섬유 다발을 가늘게 한 후, 커트 공정에 제공하기 위해, 커터로서는, 특별한 기구를 가지지 않는, 통상의 평날, 나선날 등을 사용할 수 있다.

또한 분섬 나이프를 사용하여 섬유 다발을 커트하는 방법이나, 슬릿 기능을 가지는 커터를 사용하여, 커트함과 동시에 슬릿하는 방법을 들 수 있다.

분섬 나이프를 사용하는 경우, 나이프 폭이 좁은 것을 사용함으로써 평균 섬유수(N)를 작게 할 수가 있고, 역으로 나이프의 폭이 넓은 것을 사용함으로써 평균 섬유수(N)를 크게 할 수가 있다.

또한, 슬릿 기능을 가지는 커터로서, 섬유 방향에 수직한 날에 추가하여 섬유 방향에 평행한 슬릿 기능이 있는 날을 가진 분섬 커터의 예를 도 4에 나타낸다. 도 4의 커터는, 섬유 방향에 수직한 짧은 날이 나선상으로, 어느 일정 간격으로 설치되어 있고, 이것들로 섬유를 커트함과 동시에, 섬유 방향에 수직한 날에 의해 슬릿할 수 있다. 도 4의 분섬 커터도 도면에 나타내는 바와 같이, 로터리 커터의 둘레 방향과 나이프의 배치 방향이 이루는 각(θ)이, 일정하다. 또한 도 2에 나타내는 바와 같은 분섬 나이프에 있어서도, 분섬 나이프 사이에 섬유 방향에 평행한 날을 설치해도 된다.

표면 품위가 뛰어난 열가소 수지 강화용 랜덤 매트를 얻기 위해서는, 섬유의 소밀 불균일이 크게 영향을 준다. 통상의 평날을 배치한 로터리 커터에서는, 섬유의 커트가 불연속이며, 그대로 도포 공정에 도입했을 경우에는, 섬유 기본 중량에 불균일이 있을 수 있게 된다. 그 때문에, 각도를 규정한 나이프를 사용하여 섬유가 중도에 끊어지는 일 없이, 연속적으로 커트함으로써, 소밀 불균일이 작은 도포가 가능해진다. 강화 섬유를 연속적으로 커트하기 위한 나이프 각도는, 사용하는 강화 섬유의 폭과, 날의 피치에 의해 기하학적으로 계산되며, 그들의 관계는, 하기의 식(3)으로 하는 것이 바람직하다. 둘레 방향의 날의 피치는, 그대로 강화 섬유의 섬유 길이에 반영된다.

강화 섬유의 섬유 길이(날의 피치)=강화 섬유 스트랜드 폭×tan(90-θ) (3)

여기서, θ는 둘레 방향과 나이프의 배치 방향이 이루는 각이다.

도 2∼도 4는, 이와 같이 각도를 규정한 나이프의 예이며, 이러한 커터의 예에 있어서의 둘레 방향과 나이프의 배치 방향이 이루는 각 θ를 도면 중에 나타낸다.

또한, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 섬유 길이를 2종류 이상으로 하는 경우는, 상술한 커트 장치를 복수 준비하고, 각각의 커트 장치로 절단한 섬유를, 후술하는 개섬 장치 혹은 도포 장치에 의해 각각을 혼합할 수 있다. 그 때, 후술하는 바와 같이 개섬 장치에 의해 개섬의 정도, 강화 섬유 다발(A)의 존재량, 및 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)에 관하여는, 공기의 압력 등에 의해 적절히 컨트롤할 수가 있어, 복수의 커트 장치 각각에 각각 개섬 장치를 설치하고, 각각의 개섬 장치에 대하여 공기의 압력을 바꾸어, 각각의 섬유 길이에 관하여 적정한 강화 섬유 다발(A)의 존재량, 및 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)를 얻을 수 있다. 각 섬유 길이에 대하여 적정한 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)는 특별히 한정은 하지 않지만, 섬유 길이가 15 이상 50mm 이하의 강화 섬유(C)는, 섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만의 강화 섬유(B)에 대하여, 상기 식(2C)으로 나타내는 바와 같이 임계단사수 이상의 수의 단사로 이루어지는 강화 섬유 다발 중의 평균 섬유수가 많은, 즉, 상기의 평균 섬유수(N_C)가, 평균 섬유수(N_B)보다 큰 것이 바람직하다. 강화 섬유(C)는 강화 섬유(B)보다 애스펙트비가 큰 경향이 있기 때문에, 섬유 다발로서 보다 굴곡되기 쉽고, 교락되기 쉬운 경향으로 되어, 유동성을 저해할 가능성이 있다.

또한, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유의 섬유 길이에 비교적 넓은 길이 분포를 갖게 하는 경우는, 예를 들면, 도 5에 나타내는 날의 피치가 연속적으로 변화되고 있는 로터리 커터를 사용함으로써, 연속적으로 섬유 길이를 변화시켜 섬유를 절단할 수 있다.

[개섬 공정]

본 발명 방법에 있어서의 개섬 공정은 커트된 강화 섬유를 관내에 도입하고, 섬유 다발을 개섬시키는 공정이다. 공기를 섬유에 분사함으로써 적절히 개섬시킬 수 있다. 개섬의 정도, 강화 섬유 다발(A)의 존재량, 및 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)에 관하여는, 공기의 압력 등에 의해 적절히 컨트롤할 수가 있다. 개섬 공정에 있어서 바람직하게는 압축 공기 분사구멍으로부터, 풍속 1∼1000m/sec로 공기를 직접 섬유 다발에 분사함으로써, 강화 섬유를 개섬시킬 수 있다. 보다 바람직하게는 풍속 5∼500m/sec이며, 보다 바람직하게는 풍속 50 초과∼500m/sec이다. 구체적으로는 강화 섬유가 통과하는 관내에 Φ1∼2mm 정도의 구멍을 수 개소 (箇所) 뚫고, 외측으로부터 0.01∼1.0MPa, 보다 바람직하게는 0.2∼0.8MPa 정도의 압력을 가하여, 압축 공기를 섬유 다발에 직접 분사한다. 풍속을 낮춤으로써, 보다 많은 섬유 다발을 남기는 것이 가능하고, 역으로, 풍속을 높임으로써, 섬유 다발을 단사상(單絲狀)까지 개섬시킬 수가 있다.

[랜덤 매트를 형성하는 공정]

이 공정은, 커트하여 개섬시킨 강화 섬유를, 공기 중에 확산시킴과 동시에, 분립체상 또는 단섬유상의 열가소성 수지(이하, 이들을 「열가소성 수지 입자 등」이라고 총칭한다)를 공급하고, 강화 섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께, 개섬 장치 아래쪽에 설치한 통기성 지지체 위에 산포하고, 그 지지체 위에 강화 섬유와 열가소성 수지 입자 등이 혼재된 상태로, 소정의 두께로 퇴적·정착시켜 랜덤 매트를 형성시키는 공정이다.

이 공정에서는, 기체로 개섬한 강화 섬유와 별도 경로로부터 공급되는 열가소성 수지 입자 등을 동시에 통기성 지지체 위로 향하여 산포하고, 양쪽이 거의 균일하게 서로 섞인 상태로 통기성 지지체 위에 매트상(狀)으로 퇴적시켜, 그 상태로 정착시킨다. 이 때, 통기성 지지체를 네트(net)로 이루어지는 컨베이어로 구성하고, 일방향으로 연속적으로 이동시키면서 그 위에 퇴적시키도록 하면 연속적으로 랜덤 매트를 형성시킬 수 있다. 또한, 지지체를 전후 좌우로 이동시킴으로써 보다 균일한 퇴적이 실현되도록 해도 된다.

여기서, 강화 섬유 및 열가소성 수지 입자 등은, 2차원 배향하도록 산포하는 것이 바람직하다. 개섬한 섬유를 2차원 배향시키면서 도포하기 위해서는, 하류측으로 확대한 원추형 등의 테이퍼(taper)관을 사용하는 것이 바람직하다. 이 테이퍼관 내에서는, 강화 섬유에 분사된 기체가 확산되어, 관내의 유속이 감속되므로, 이 때 강화 섬유에는 회전력이 부여된다. 이 벤츄리(venturi) 효과를 이용함으로써, 개섬된 강화 섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께 균등하게 불균일 없이 산포할 수 있다. 또한, 후술하는 정착 공정을 위해서도, 아래쪽에 흡인 기구를 가지는 가동식의 통기 지지체(네트컨베이어 등) 위에 산포하여, 랜덤 매트상으로 퇴적시키는 것이 바람직하다.

이 공정에 있어서, 열가소성 수지 입자 등의 공급량은, 강화 섬유 100질량부에 대하여, 50∼1000질량부인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 강화 섬유 100질량부에 대하여, 열가소성 수지 입자 등이 55∼500질량부이며, 더욱 바람직하게는, 열가소성 수지 입자 등이 60∼300질량부이다.

이 랜덤 매트 형성 공정에는, 강화 섬유 및 열가소성 수지 입자 등을 정착시키는 공정을 포함한다. 즉, 이 정착 공정은, 퇴적한 강화 섬유 및 열가소성 수지 입자 등을 정착시키는 공정이다. 바람직하게는 통기성 지지체의 하부로부터 에어를 흡인하여 강화 섬유를 정착시킨다. 강화 섬유와 동시에 산포된 열가소성 수지도 혼합되면서, 섬유상이면 에어 흡인에 의해, 입자상이여도 강화 섬유에 따라 정착된다.

이와 같이 퇴적면의 하부로부터 흡인함으로써, 2차원 배향의 높은 랜덤 매트를 얻을 수 있다. 또한, 여기서 발생하는 부압(負壓)을 이용하여 열가소성 수지 입자 등을 흡인하고, 또한, 관내에서 발생하는 확산류에 의해, 강화 섬유와 용이하게 혼합할 수 있다. 이렇게 하여 얻어지는 랜덤 매트는, 이것에 포함되는 강화 섬유의 틈이나 근방에 열가소성 수지 입자 등이 균일하게 존재함으로써, 후술하는 가열 함침 가압 공정에 있어서, 수지의 이동거리가 짧아, 비교적 단시간에 랜덤 매트에 대한 수지의 함침이 가능해진다.

또한, 통기성 지지체를 구성하는 시트, 네트 등의 눈구멍이 작은 경우, 열가소성 수지 입자 등의 일부가 지지체를 통과하여 매트 내에 남지 않는 경우에는, 이것을 방지하기 위해, 지지체의 표면에 부직포 등을 세트하고, 그 부직포 위에 강화 섬유 및 열가소성 수지 입자 등을 분사하여 정착시키는 것도 가능하다. 이 경우는, 부직포를 열가소성 수지 입자 등과 같은 수지로 구성하면, 퇴적된 매트로부터 부직포를 벗길 필요는 없이, 그대로 다음 공정으로 가열 가압함으로써, 부직포 구성 섬유도 복합재료의 매트릭스가 되는 열가소성 수지의 일부로서 사용할 수 있다.

본 발명의 방법에 있어서, 강화 섬유 스트랜드를 일정한 길이로 커트한 후, 그 스트랜드편(片) 및 커트시에 단사 상태로 분리한 강화 섬유를 흡인 반송하는 수송 경로에 공급하고, 그 수송 경로의 도중 또는 종단부(終端部)에 설치한 기체분사노즐로부터, 강화 섬유에 기체를 분사하여, 절단한 스트랜드편을 원하는 사이즈(굵기)의 강화 섬유 다발로 분리·개섬시킴과 동시에, 그 강화 섬유를 열가소성 수지 입자 등과 함께, 일정 방향으로 연속적 또는 간헐적으로 이동하는 통기성 지지체(이하 「정착 네트」이라고 하는 경우가 있다)의 표면을 향하여 분사하고 퇴적하여 정착시킴으로써, 랜덤 매트를 형성할 수 있다. 상기 수송 경로는 플렉시블 튜브, 호스 등의 가요성관과 그 선단(先端)에 연결 설치한 테이퍼관으로 구성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 가요성관과 테이퍼관과의 접속부에 기체분사노즐을 설치해도 되고, 이 경우, 테이퍼관의 내벽에 열가소성 수지 입자 등의 공급 경로를 개구시키는 것이 바람직하다.

[강화 섬유 복합재료]

본 발명에 있어서, 강화 섬유 복합재료란, 광의로는, 수지가 강화 섬유에 의해 강화된 소재를 가리키지만, 협의로는, 해당 소재로 이루어지는, 프리프레그 등의 성형 중간체(성형용의 기재)를 가리킨다. 이하, 본 발명에 있어서의 협의의 강화 섬유 복합재료에 관하여 설명한다.

본 발명의 랜덤 매트를 프리폼으로서 가열 및 가압함으로써, 강화 섬유와, 열가소성 수지로 이루어지는 강화 섬유 복합재료를 얻을 수 있다. 여기서, 가열 및 가압하는 방법으로서는, 가열과 가압을 별도로 실시해 되지만, 프레스 성형 및/또는 열성형 등의 방법에 의해 성형하는 것이 바람직하다. 이 경우, 본 발명의 강화 섬유 복합재료는 판상(板狀)의 성형체라고 할 수도 있다. 본 발명의 랜덤 매트는 열가소성 수지를 용이하게 함침하기 쉬운 특징을 가지기 때문에, 핫 프레스 성형 등의 방법에 의해 강화 섬유 복합재료를 효율 좋게 얻을 수 있다. 구체적으로는 가압하에서 랜덤 매트 중의 열가소성 수지를 용융하고, 강화 섬유 다발 내 및 강화 섬유의 단사간에 열가소성 수지를 함침시킨 후, 냉각하고 가열 및 가압하는 것이 바람직하다. 이 가열 및 가압 조작은, 금형 내에서 실시되면 바람직하다.

강화 섬유 복합재료를 얻을 때의 가압 조건으로서는, 10MPa 미만이면 바람직하고, 8MPa 이하이면 보다 바람직하고, 5MPa 이하이면 더욱 바람직하다. 성형 압력이 10MPa 미만이면, 보다 염가 또는 일반적인 성형 장치를 사용할 수 있고, 대형 성형체를 성형하는 경우이여도, 설비 투자나 유지비를 억제할 수 있어 바람직하다.

본 발명의 랜덤 매트를 강화 섬유 복합재료로 하기 위해 가열할 때의 온도로서는, 랜덤 매트에 포함되는 열가소성 수지가 결정성의 경우는 융점 이상 분해온도 이하, 비결정성의 경우는 유리전이온도 이상 분해온도 이하이면 바람직하고, 열가소성 수지가 결정성의 경우는 융점 이상 분해온도 미만, 비결정성의 경우는 유리전이온도 이상 분해온도 미만이면 보다 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 열가소성 수지의 분해온도로서는, 공기 중의 열분해온도이면 바람직하다.

이와 같이 하여, 예를 들면 판상의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 단시간에 효율 좋게 얻을 수 있다. 판상의 강화 섬유 복합재료는, 또한 입체 성형용의 프리프레그, 그 중에서도 프레스 성형용의 프리프레그로서 유용하다. 구체적으로는 판상의 강화 섬유 복합재료를, 그 함유하는 열가소성 수지가 결정성이면 그 융점 이상, 혹은 열가소성 수지가 비결정성이면 그 유리전이온도 이상까지 가열하고, 이것을 얻고자 하는 성형체의 형상에 맞추어 단독 또는 복수 매 겹치고, 열가소성 수지가 결정성이면 그 융점 미만 혹은 열가소성 수지가 비결정성이면 그 유리전이온도 미만으로 유지한 금형 내에 투입하고, 가압한 후, 냉각하는, 소위 콜드 프레스로 성형체를 얻을 수가 있다.

또는, 금형 내에 판상의 강화 섬유 복합재료를 투입하고, 그 함유하는 열가소성 수지가 결정성이면 그 융점 이상, 혹은 열가소성 수지가 비결정성이면 그 유리전이온도 이상까지 승온하면서, 프레스 성형을 실시하고, 이어서 금형을 열가소성 수지가 결정성이면 그 융점 미만 혹은 열가소성 수지가 비결정성이면 그 유리전이온도 미만까지 냉각하는, 소위 핫 프레스로 성형체를 얻을 수가 있다.

즉 본 발명은 랜덤 매트로부터 얻어진 강화 섬유 복합재료, 및 이것을 성형하여 얻어지는 성형체를 포함한다. 상술한 바와 같이 본 발명의 랜덤 매트는 강화 섬유와 열가소성 수지가 혼합되고, 근접하여 존재하고 있으므로, 형내에서 섬유와 수지를 유동시킬 필요가 없이, 열가소성 수지를 용이하게 함침할 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 랜덤 매트로부터 얻어진 강화 섬유 복합재료, 및 이것을 성형하여 얻어지는 성형체에 있어서도, 랜덤 매트 중의 강화 섬유의 형태, 즉 등방성을 유지하는 것이 가능해진다.

즉 본 발명은 평균 섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유가 매트 섬유 전량에 대하여 50∼100질량%, 평균 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유가 매트 섬유 전량에 대하여 0∼50질량%로 구성되는 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하고, 강화 섬유가 실질적으로 2차원 랜덤으로 배향되어 있고, 식(1)로 정의되는 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 섬유 전량에 대한 강화 섬유 다발(A)의 비율이 50Vol% 이상 99Vol% 미만이고, 또한 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 하기 식(2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 복합재료이다.

임계단사수=600/D (1)

1.5×10⁴/D²＜N＜3×10⁵/D² (2)

(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)

통상, 성형체가 열가소성 수지만으로 구성되어 있는 경우, 성형시의 용융온도를 높이거나, 좁은 유로 내에 수지가 유입되는 것, 즉, 전단류(剪斷流)에 의해 용융점도가 낮아지기 때문에, 리브나 보스 등을 보다 박육으로 크게, 성형하는 것이 가능해진다. 또한, 수지만의 유동이면, 복잡한 형상으로 부형(賦刑)하는 것도 가능해지고, 성형체 전체의 두께를 얇게 하면서, 보스나 리브의 효과를 최대한으로 살려, 보다 적은 수지량으로, 성형체에 보다 큰 보강 효과를 부여할 수 있다. 그러나, 성형체가 복합재료인 경우, 보강재인 섬유가 유동성을 저해하기 쉽다. 특히, 강화 섬유 복합재료에서는 강화 섬유의 애스펙트비가 크기 때문에, 재료의 유동성은 현저하게 저하되는 경향이 있다. 강화 섬유의 길이를 짧게 하고, 애스펙트비를 작게 하면 재료의 유동성은 증가하지만, 성형체 전체적으로의 기계적 물성은 저하된다. 또한, 종래는 유동성이 높은 복합재료의 경우, 보강재인 섬유가 유동 방향으로 배향되는 경향이 높고, 재료의 흐름 방향에서는 고강도이여도, 흐름과 직교하는 방향은 강도가 오르지 않아, 성형체의 기계적 물성에 이방성을 나타내는 경향이 있었다. 이러한 것으로부터, 탄소 섬유 복합재료의 성형체의 기계 물성을 등방적(等方的)으로 하기 위해서는, 성형체를 두껍게 하여 리브나 보스 등의 보강부를 필요로 하지 않는 구조로 할 필요가 있었다. 또한, 리브나 보스 등의 입상부에 관하여는, 높이 방향으로 크게 유동시켜 성형시키는 것이 곤란했다. 이에 대하여, 본 발명의 랜덤 매트로부터 얻어지는 성형체는, 등방적으로 고유동(高流動)하는 랜덤 매트를 구성 재료로 하므로, 리브나 보스 등의 입상부를 보다 형성하기 쉽다. 또한, 보다 복잡한 형상을 보다 얇게, 입상부를 보다 높게 형성할 수 있으므로, 적은 소재량으로 성형체 전체에 대한 보강 효과를 부여할 수 있다.

[입상부]

상기와 같이 본 발명에 의해 입상부를 가지는 성형체를 바람직하게 제공할 수 있다. 입상부란, 전술한 수평부에 대하여 세로 방향으로 뻗은 부위를 말하며, 케이스 혹은 패널상 부재의 측벽, 리브, 보스, 마운트, 힌지를 일례로서 들 수 있다. 입상부의 높이는 특별히 제한은 없지만, 1∼300mm가 바람직하고, 5∼100mm가 더욱 바람직하다. 입상부의 높이는 균일할 필요는 없고, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 입상부 높이의 증감 폭에 특별히 제한은 없고, 최대 높이의 10∼90%가 바람직하고, 20∼80%가 더욱 바람직하다. 입상부의 판두께에 특별히 제한은 없고, 수평부와 같아도 되고, 달라도 된다. 입상부는 수평부와 비교하여, 보다 복잡한 형상을 요구하는 경우가 많으므로, 입상부의 판두께는 0.2∼100mm가 바람직하고, 1∼50mm가 더욱 바람직하다. 입상부의 판두께는 균일할 필요는 없고, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 이 경우, 증감 폭에 특별히 제한은 없지만, 기초가 되는 입상 판두께 20∼500%가 바람직하고, 50∼200%가 더욱 바람직하다. 판두께는 단계적으로 변화시키는 것도 가능하고, 테이퍼나 곡률을 갖게 하여 연속적으로 변화시키는 것도 가능하지만, 응력 집중을 회피한다고 하는 관점으로부터 연속적으로 변화시키는 것이 바람직하다.

입상부는 성형체의 수평부로부터 임의의 각도로 세로 방향으로 뻗어 있고, 수평부로부터의 입상 각도는 30∼90도가 바람직하고, 40∼85도가 보다 바람직하다. 입상부의 수평부로부터의 각도가 30도보다 작아지면 금형으로부터의 이형(離型)에는 유리하지만, 보다 많은 재료가 필요하게 된다. 또한, 입상부에는, 본 발명의 의도를 해치지 않을 정도로 임의의 모따기나 곡률을 가하는 것도 가능하다. 모따기나 곡률의 치수에 특별히 제한은 없지만, 모따기의 경우는 C0. 2∼10mm, 곡률의 경우는 R0. 2∼10mm가 바람직하다. 또한, 입상부에는 본 발명의 의도를 해치지 않는 범위에서, 금형의 빼기 구배를 확보하기 위한 각도를 마련하는 것이 바람직하다. 금형의 빼기 구배는 1∼45도가 바람직하고, 5∼10도가 더욱 바람직하다. 입상부는 부분적인 요철이나 비드를 가지고 있어도 되지만, 이 경우는 금형의 빼기 구배를 확보할 수 있다는 것에 유의할 필요가 있다.

리브란, 성형체, 예를 들면 전자·전기 기기용 케이스의 테두리나 측벽 등에서 두께를 두껍게 하지 않고 성형체의 강도나 강성을 높이는 목적, 또는 넓은 평면을 가지는 성형체의 휨이나 뒤틀림 등의 변형을 방지, 저감하는 목적으로 실시되는 돌기상(突起狀)의 보강 부위를 가리킨다. 또한, 보스란, 성형체 내의 구멍의 주위를 보강하는 목적, 다른 성형체나 부품과 조합할 때의 끼워 넣기대(代), 성형체의 자리를 안정화하는 목적 등, 성형체의 일부를 높게 하려고 할 때에 설치하는 돌기 부분을 가리킨다. 본 발명의 실시예에 있어서 구체적으로 개시한 것은, 입상부로서 리브 및/또는 보스부를 가지는 성형체이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

입상부가 리브인 경우, 리브의 형상, 길이, 높이에는 특별히 한정은 없고, 목적에 맞추어 적절히 설정할 수 있다. 예를 들면, 성형체의 테두리나 측벽의 보강의 경우에는, 보강하려고 하는 부위에 직육면체나 삼각기둥 등의 형상으로, 수mm에서 수백mm의 길이나 높이로 설치한다. 높이는, 통상은 1∼300mm가 바람직하고, 5∼100mm가 보다 바람직하다. 높이가 너무 낮으면 보강 효과를 얻기 어려운 경우가 있다. 또한, 성형체의 휨이나 뒤틀림을 방지하는 경우에는, 성형체의 한쪽의 끝으로부터 다른 쪽의 끝까지 연속한 리브를 설치해도 된다. 이 경우, 높이는 일정하여도 되고, 도중에 증감시켜도 된다. 증감시키는 경우의 증감 폭은 최대 높이의 10∼90%가 바람직하고, 20∼80%가 보다 바람직하다. 리브의 두께에는 특별히 제한은 없고, 수평부와 같아도 되고, 달라도 된다. 리브는 수평부보다 복잡한 형상이므로, 두께는 0.2∼100mm가 바람직하고, 1∼50mm가 보다 바람직하다. 두께가 0.2mm보다 얇아지면 충분한 보강 효과가 발현되지 않는 경우가 있다. 역으로 50mm보다 두꺼워지면 경제성이나 경량화의 면에서 바람직하지 않다. 또한, 리브의 두께는 균일할 필요는 없고, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 이 경우, 증감 폭에 특별히 제한은 없지만, 기초가 되는 두께의 20∼500%가 바람직하고, 50∼200%가 보다 바람직하다. 두께는 단계적으로 변화시키는 것도 가능하고, 테이퍼나 곡률을 갖게 하여 연속적으로 변화시키는 것도 가능하지만, 부하가 걸렸을 경우의 응력 집중을 회피한다고 하는 관점에서는 연속적으로 변화시키는 것이 바람직하다. 리브의 형상, 길이, 높이, 두께는 성형체의 보강이나 변형 방지에 각각 영향을 주어, 리브는 크고, 길고, 높고, 두꺼운 것이 보다 보강 효과가 높다. 그러나, 그렇게 함으로써, 보다 많은 재료가 필요하게 되므로 경제성이나 경량화의 면에서는 불리하게 된다. 그 때문에, 필요한 보강, 변형 방지 레벨에 맞추어 균형 좋게, 형상이나 각각의 사이즈를 설정한다. 또한, 리브는 통기 등을 위한 관통구를 가지고 있어도 되고, 성형시에 형내에서 시어(shear) 등을 사용하여 개공(開孔)시켜도 되고, 후(後)가공으로서 드릴, 펀칭, 절삭 가공 등으로 개공시켜도 된다.

입상부가 보스인 경우, 보스의 형상에는 특별히 한정은 없고, 각주나 원주 등 어떠한 형상이여도 되지만, 보강 효과의 면에서 원주가 보다 바람직하다. 높이는 성형체의 사이즈에 따르지만 0.1∼300mm가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.2∼100mm이다. 높이가 0.1mm보다 낮아지면 보강 효과를 얻기 어렵고, 300mm보다 높아지면 많은 재료가 필요하여, 경제성이나 경량화의 면에서 불리하게 된다. 두께는 목적의 보강 레벨에 맞추어 적절히 설정하고, 수평부와 같아도 되고, 달라도 된다. 보스는 수평부보다 복잡한 형상이므로, 보스를 설치하는 목적이 성형체의 자리를 안정화시키는 경우 등에서 형상을 중실(中實)로 하는 경우에는 0.5∼100mm가 바람직하고, 1∼50mm가 보다 바람직하다. 또한, 나사나 축을 통하는 구멍을 보강하는 경우 등은 중공(中空)의 형상으로 하고, 이 경우의 두께는 0.2∼50mm가 바람직하고, 1∼20mm가 보다 바람직하다. 중실체(中實體)의 경우의 두께나 중공체(中空體)의 경우의 두께가 너무 얇으면 보강 효과를 얻기 어려운 경우가 있다. 너무 두꺼우면 보다 많은 재료를 필요로 하여, 경제성이나 경량화의 면에서 불리하게 된다. 또한, 보스의 두께나 두께는 균일할 필요는 없고, 국소적으로 증감시키는 것도 가능하다. 이 경우, 증감 폭에 특별히 제한은 없지만, 가장 두꺼운 부위와 가장 얇은 부위의 차이가 5배 이내인 것이 바람직하고, 2배 이내인 것이 보다 바람직하다. 두께는 단계적으로 변화시키는 것도 가능하고, 테이퍼나 곡률을 갖게 하여 연속적으로 변화시키는 것도 가능하지만, 부하가 걸렸을 경우의 응력 집중을 회피한다고 하는 관점에서는 연속적으로 변화시키는 것이 바람직하다. 또한, 보스는 내부에 너트 서트(nut sert) 등의 금속 부품을 인서트 성형하고 있어도 된다.

본 발명의 성형체로서는, 도 7에 예시하는 바와 같이, 복수부의 보스, 및 복수의 리브를 가지는 것은, 실용성이 있는 것이 많기 때문에 바람직하고, 대략 직육면체의 상자 형상물이며, 그 상자 형상물의 적어도 네 모서리에 보스를 가지고, 또한 상자 형상부의 내부를 2개 이상의 구간으로 구획하는 배치로 리브부를 가지는 것이면 보다 바람직하다.

[성형체의 성형 방법]

또한, 본 발명의 랜덤 매트를 사용한 성형체의 성형 방법은 특별히 한정은 하지 않지만, 다음과 같은 방법을 예시할 수 있다.

즉, 이하의 공정 A-1)∼A-3)을 포함하여 함침∼성형을 실시하거나, 공정 B-1)∼B-4)를 포함하여 함침∼성형을 실시하는 방법이다.

A-1) 랜덤 매트를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 분해온도 이하, 비결정성인 경우는 유리전이온도 이상 분해온도 이하로 가온하고, 가압하여 열가소성 수지를 강화 섬유 다발 내에 함침시켜 강화 섬유 복합재료인 프리프레그를 얻는 공정

A-2) A-1)에서 얻어진 프리프레그를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이하, 비결정성인 경우는 유리전이온도 이하로 온도 조절된 금형에, 하기 식(4)롤 표시되는 충전율(charge rate) 5∼100% 이하가 되도록 배치하여, 가압하는 공정

A-3) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이하, 비결정성인 경우는 유리전이온도 이하로 금형 온도를 조절함으로써 성형을 완결시키는 공정

B-1) 랜덤 매트를 하기 식(3)로 표시되는 충전율 5∼100% 이하가 되도록 금형에 배치하는 공정

B-2) 금형을 열가소성 수지가 결정성인 경우는 열가소성 수지의 융점 이상 열분해온도 이하의 온도까지, 비결정성인 경우는 열가소성 수지의 유리전이온도 이상 열분해온도 이하의 온도까지 승온하면서, 가압하는 공정(제1 프레스 공정)

B-3) 1단(段) 이상이며, 최종단의 압력이 제1 프레스 공정의 압력의 1.2배∼100배가 되도록 가압하는 공정(제2 프레스 공정)

B-4) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이하, 비결정성인 경우는 유리전이온도 이하로 금형 온도를 조절함으로써 성형을 완결시키는 공정에 의해 바람직하게 제조할 수 있다.

공정 A-1)∼A-3)을 포함하여 함침∼성형을 실시하는 방법은, 소위 콜드 프레스법이다. 공정 B-1)∼B-4)를 포함하여 함침∼성형을 실시하는 방법은, 소위 핫 프레스법이다. 공정 A-2) 및 B-3)은, 프리프레그나 랜덤 매트 등의 기재에 압력을 가하여 원하는 성형체를 얻는 공정이지만, 이 때의 성형 압력에 관하여는 특별히 한정은 하지 않지만, 금형 캐비티 투영 면적에 대하여 10MPa 미만이 바람직하고, 8MPa 이하이면 보다 바람직하고, 5MPa 이하이면 더욱 바람직하다. 성형 압력이 10MPa 이상인 경우는, 특히 대형 성형체를 성형하기 위해서는 고액의 설비 투자나 유지비가 필요하기 때문에, 바람직하지 않다. 본 발명의 성형체에는 양쪽의 프레스 성형이 적용 가능하지만, 성형 시간을 보다 단축할 수 있는 관점에서는, 콜드 프레스법이 보다 바람직하다.

또한, 여기서 충전율이란, 다음의 하기 식(4)로 정의되는 값이다.

충전율=100×기재 면적(mm²)/금형 캐비티 투영 면적(mm²) (4)

(여기서 기재 면적이란 배치한 모든 랜덤 매트 또는 프리프레그의 빼기 방향으로의 투영 면적이며 금형 캐비티 투영 면적이란 빼기 방향으로의 투영 면적이다)

본 발명에서는, 상기 충전율은 특별히 한정은 하지 않지만, 비교적 저충전율로 성형하는 것이 기재가 복잡한 형상으로 충전되기 쉬워진다. 구체적으로는, 5∼100%가 바람직하고, 20∼95%가 보다 바람직하다. 더욱 바람직한 기재의 충전율은 50∼90%이다. 기재의 충전율이 5%보다 낮으면, 성형시에 유동하는 과정에서 기재가 차가워져 버려, 원하는 두께를 가지는 성형체를 얻을 수 없을 우려가 있다. 역으로, 기재의 충전율이 100%를 초과하면, 어느 정도 유동시켜 성형한다고 하는 본 발명의 특징이 구현되지 않는다. 또한 기재의 충전율이 100%를 초과하면 기재의 손실이 증가될 뿐만이 아니라, 트리밍 등의 후가공이 필요하여, 생산성이나 비용면에서 불리하게 된다.

실시예

이하에 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이들에 제한되는 것은 아니다. 본 실시예에서 사용한 탄소 섬유는, 모두 PAN계 탄소 섬유이다.

또한, 실시예, 비교예에서 사용된 열가소성 수지는 이하에 나타내는 것이다. · 폴리카보네이트(유리전이온도 150℃, 열분해온도(공기 중) 350℃)

· 폴리아미드66(융점 265℃, 열분해온도(공기 중) 300℃)

· 폴리아미드6(융점 225℃, 열분해온도(공기 중) 300℃)

1) 랜덤 매트에 있어서의 강화 섬유 다발의 분석

랜덤 매트를 100mm×100mm 정도로 잘라낸다. 잘라낸 매트로부터, 섬유 다발을 핀셋으로 전부 꺼내고, 강화 섬유 다발(A)의 다발의 수(I) 및 섬유 다발의 길이(Li)와 질량(Wi)을 측정하여, 기록한다. 핀셋으로 꺼낼 수 없을 정도로 섬유 다발이 작은 것에 대하여는, 모아서 마지막에 질량을 측정한다(Wk). 질량의 측정에는, 1/100mg까지 측정 가능한 천칭을 사용한다. 랜덤 매트에 사용하고 있는 강화 섬유의 섬유 직경(D)로부터, 임계단사수를 계산하고, 임계단사수 이상의 강화 섬유 다발(A)과, 그 이외로 나눈다. 또한, 2종류 이상의 강화 섬유가 사용되고 있는 경우에는, 섬유의 종류마다 나누어, 각각에 대하여 측정 및 평가를 실시한다.

강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)를 구하는 방법은 이하와 같다.

각 강화 섬유 다발 중의 섬유 개수(Ni)는 사용하고 있는 강화 섬유의 섬도(纖度)(F)로부터, 다음 식에 의해 구할 수 있다.

Ni=Wi/(Li×F)

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

N=ΣNi/I

강화 섬유 다발(A)의 매트의 섬유 전량에 대한 비율(VR)은, 강화 섬유의 밀도(ρ)를 사용하여 다음 식에 의해 구할 수 있다.

VR=Σ(Wi/ρ)×100/((Wk+ΣWi)/ρ)

2) 랜덤 매트 또는 강화 섬유 복합재료(성형판)에 포함되는 강화 섬유의 평균 섬유 길이의 분석

랜덤 매트 또는 강화 섬유 복합재료로부터 무작위로 추출한 강화 섬유 100개의 길이를 노기스 및 확대경으로 1mm 단위까지 측정하여 기록하고, 측정한 모든 강화 섬유의 길이(Li)로부터, 다음 식에 의해 평균 섬유 길이(La)를 구했다. 복합재료의 경우는 500℃×1시간 정도, 로(爐)내에서 수지를 제거한 후, 강화 섬유를 추출했다.

La=ΣLi/100

3) 강화 섬유 복합재료(성형판)에 있어서의 강화 섬유 다발 분석

랜덤 매트를 가열 프레스하여 얻어지는 강화 섬유 복합재료(성형판)에 대하여는, 500℃×1시간 정도, 로내에서 수지를 제거한 후, 상기의 랜덤 매트에 있어서의 방법과 동일하게 하여 측정한다.

4) 보스 및 리브를 가지는 성형체에 있어서의 섬유 체적 함유율의 분석

성형체를 500℃×1시간, 로내에서 수지를 연소 제거하고, 처리 전후의 시료의 질량을 칭량함으로써 섬유분과 수지분의 질량을 산출했다. 다음으로, 각 성분의 비중을 이용하여, 섬유 체적 함유율을 산출했다.

5) 보스 및 리브에 대한 충전성 평가

랜덤 매트 및 복합재료의 유동성이나 성형성을 평가하는 목적으로, 성형체의 외관, 특히 리브나 보스의 단부(端部)를 육안 평가했다.

평가에서는 랜덤 매트를 가열 프레스하여 얻어지는 강화 섬유 복합재료(성형판)를 원하는 조건으로 가열한 것을 120℃로 설정한 도 5에 나타내는 금형의 수평부에 충전율 80%가 되도록 배치하여 원하는 압력으로 60초간 콜드 프레스 했다.

리브나 보스의 단부까지 재료가 충전되어, 성형체에 결함을 볼 수 없는 경우를 ○, 약간 결함을 볼 수 있는 경우를 △, 충전이 불충분하고 성형체에 분명한 결함이 있는 경우를 ×로 했다.

6) 보스 및 리브를 가지는 성형체에 있어서의 섬유 배향의 분석

리브 부분의 섬유 배향성을 평가하는 목적으로, 도 8과 같이 보스 및 리브를 가지는 성형체의 수평부 및 리브부로부터 직사각형의 시험편을 잘라내고, 인장시험을 실시하여, 인장 탄성률을 측정하고, 측정한 인장 탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)를 측정했다. 탄성률의 비가 1에 가까울수록, 등방성이 뛰어난 재료이다. 본 실시예에서는 탄성률의 비가 1.3 이하인 경우, 등방성이라고 평가한다.

[실시예 1]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 탄소 섬유“테낙스”(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유 길이 7㎛, 섬유 폭 10mm)를 확폭(擴幅)하여, 섬유 폭 20mm로 한 것을 사용했다. 커트 장치에는, 초경합금을 사용하여 나선상 나이프를 표면에 배치한 로터리 커터를 사용했다. 이 때, 하기 식(3)

(여기서,θ는 둘레 방향과 나이프가 이루는 각이다.)

에 있어서의 θ는 68도이며, 날의 피치를 8mm로 하고, 강화 섬유를 섬유 길이 8mm로 커트하도록 했다. 개섬 장치로서, 직경이 다른 SUS304제의 니플을 용접하여, 이중관을 제작했다. 내측의 관에 작은 구멍을 형성하고, 외측의 관과의 사이에 컴프레셔를 사용하여 압축 공기를 이송했다. 이 때, 작은 구멍으로부터의 풍속은, 150m/sec이었다. 이 관을 로터리 커터의 바로 아래에 배치하고, 또한 그 하부에는 테이퍼관을 용접했다. 테이퍼관의 측면으로부터, 매트릭스 수지를 공급하고, 이 매트릭스 수지로서, 데이진가세이사 제의 폴리카보네이트“팬라이트”(등록상표) L-1225L 펠릿를 냉동 분쇄하고, 또한, 20메쉬, 및 100메쉬로 분급한 입자를 사용했다. 폴리카보네이트 파우더의 평균 입경은 약 710㎛였다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, XY방향으로 이동 가능한 테이블을 설치하고, 테이블 하부로부터 블로어(blower)로 흡인을 실시했다. 그리고, 강화 섬유의 공급량을 180g/min, 매트릭스 수지의 공급량을 480g/min로 세트하고, 장치를 가동하여, 강화 섬유와 열가소성 수지(폴리카보네이트 파우더)가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 8mm이며, 강화 섬유의 기본 중량은, 200g/m²였다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이며, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 61%, 강화 섬유(B)의 다발내 평균 섬유수(N_B)는 1500이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 1500이었다. 얻어진 랜덤 매트의 표면을 관찰하였던바, 면내에서 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고, 랜덤하게, 분산되어 있었다. 또한, 폴리카보네이트 파우더는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트를 8매 겹쳐서 300℃로 가열한 프레스 장치에서, 4MPa로 3분간 가열하여, 두께 4.8mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부(未含浸部)나 보이드는 확인되지 않았다.

얻어진 성형판의 0도 및 90도 방향의 인장 탄성률을 측정하였던바, 탄성률의 비(Eδ)는 1.03이며, 섬유 배향은 거의 없고, 등방성이 유지된 재료를 얻을 수 있었다. 또한, 이 성형판을 500℃×1시간 정도 로내에서 가열하고, 수지를 제거한 후, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 상기 랜덤 매트의 측정 결과와 차이는 볼 수 없었다.

또한, 얻어진 성형판을 NGK킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 300℃로 가열한 것을 120℃로 설정한 도 6에 나타내는 금형의 수평부에 충전율 80%가 되도록 배치하고 5MPa의 압력으로 60초간 콜드 프레스 하여, 도 7에 나타내는 보스 및 리브를 가지는 성형체를 얻었다. 각 부위의 치수는,

수평부(9)가, 길이 400mm, 폭 200mm, 두께 2mm

측벽(10)이, 높이 50mm, 두께 2mm

리브 1(11A)가, 높이 50mm, 두께 2mm

리브 2(11B)가, 높이 30∼50mm, 두께 2mm

리브 3(11C)가, 높이 30∼50mm, 두께 1mm

보스 1(12A)가, 높이 50mm, 중공부(中空部) 직경 5mm, 두께 2mm

보스 2(12B)가, 높이 40mm, 중공부 직경 5mm, 두께 2mm

보스 3(12C)이, 높이 50mm, 중공부 직경 5mm, 두께 1mm

보스 4(12D)가, 높이 40mm, 중공부 직경 5mm, 두께 1mm였다.

얻어진 성형체에 대하여, 도 8에 나타내는 바와 같이 수평부 및 리브부로부터 직사각형의 시험편을 잘라내고, 인장시험을 실시하여, 평가 결과를 표 1에 기재했다.

[실시예 2]

강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 탄소 섬유“테낙스”(등록상표) IMS60-12K(평균 섬유 길이 5㎛, 섬유 폭 6mm)를 사용했다. 커트 장치에는, 실시예 1과 같은 날의 피치가 8mm인 로터리 커터를 사용했다. 이 로터리 커터에는, 섬유 다발을 소형화할 목적으로, 섬유 방향에 평행한 날을 0.8mm 간격으로 설치했다. 개섬 장치는 실시예 1과 같은 것을 사용하고, 작은 구멍으로부터의 풍속은, 100m/sec로 했다. 이 관을 로터리 커터의 바로 아래에 배치하고, 또한 그 하부에는 테이퍼관을 용접했다. 테이퍼관의 측면으로부터, 매트릭스 수지를 공급하고, 이 매트릭스 수지로서, 2mm로 드라이 커트한 PA66섬유(아사히카세이센이 제 T5나일론 섬도 1400dtex)를 사용했다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 실시예 1과 같은 XY방향으로 이동 가능한 테이블을 설치하고, 테이블 하부로부터 블로어로 흡인을 실시했다. 그리고, 강화 섬유의 공급량을 270g/min, 매트릭스 수지의 공급량을 550g/min로 세트하고, 장치를 가동하여, 강화 섬유와 폴리아미드(PA66 섬유)가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 강화 섬유의 기본 중량은 300g/m²였다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 120이며, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 93%, 강화 섬유(B)의 다발내 평균 섬유수(N_B)는 1900이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 1900이었다. 또한, 나일론 섬유(PA66 섬유)는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트를 8매 겹쳐서 280℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 3분간 가열하여, 두께 5.9mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부나 보이드는 확인되지 않았다. 얻어진 성형판의 0도 및 90도 방향의 인장 탄성률을 측정하였던바, 탄성률의 비(Eδ)는 1.07이며, 섬유 배향은 대부분 없고, 등방성이 유지된 재료를 얻을 수가 있었다. 또한, 이 성형판을 500℃×1시간 정도 로내에서 가열하고, 수지를 제거한 후, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 상기 랜덤 매트의 측정 결과와 차이는 볼 수 없었다.

또한, 얻어진 성형판을 NGK킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 300℃로 가열한 것을 120℃로 설정한 도 6에 나타내는 금형의 수평부에 충전율 80%가 되도록 배치하고 5MPa의 압력으로 60초간 콜드 프레스 하여, 실시예 1과 동일하게 도 7에 나타내는 보스 및 리브를 가지는 성형체를 얻었다.

얻어진 성형판, 성형체에 대하여 실시예 1과 동일하게 평가한 결과를 표 1에 기재했다.

[실시예 3]

강화 섬유로서 실시예 1과 동일하게 토호테낙스사 제의 탄소 섬유“테낙스”(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유 직경 7㎛, 섬유 폭 10mm)를 확폭하여, 섬유 폭 20mm로 한 것을 사용했다. 커트 장치는, 초경합금을 사용하여 나선상 나이프를 표면에 배치한 로터리 커터를 2대(커트 장치 a, b) 사용했다. 커트 장치 a에 있어서는, 상기 식(3) 중의 θ는 45도, 날의 피치를 20mm로 하고, 강화 섬유를 섬유 길이 20mm로 커트하고, 커트 장치 b에 있어서는, 상기 식(3) 중의 θ는 68도, 날의 피치를 8mm로 하고, 강화 섬유를 섬유 길이 8mm로 커트할 수 있도록 했다.

개섬 장치도 실시예 1과 같은 이중관을 2대 준비하고, 커트 장치 a, b의 바로 아래에 각각 배치했다. 이 때 작은 구멍으로부터의 풍속은, 모두 150m/sec로 했다. 또한, 실시예 1과 같은 테이퍼관을 커트 장치 a 바로 아래의 이중관의 하부에 용접했다. 또한, 실시예 3의 테이퍼관의 측면에는, 매트릭스 수지 공급용의 구멍 외에, 그 대면(對面) 측에 또 하나의 구멍을 뚫어 커트 장치 b 바로 아래의 이중관의 하부와 이 구멍을 내경 1.5mm의 고무 호스로 접속했다. 이에 의해, 커트 장치 b로 절단한 섬유는, 호스 내를 이동하여 테이퍼관에 공급되고, 테이퍼관 내에서 커트 장치 a, b 각각에서 절단한 섬유가 혼합된다. 테이퍼관의 측면으로부터 공급하는 매트릭스 수지로서 PA6 파우더(유니치카 제 A1030FP)를 사용했다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 실시예 1과 같은 XY방향으로 이동 가능한 테이블을 설치하고, 테이블 하부로부터 블로어로 흡인을 실시했다. 그리고, 커트 장치 a로부터의 강화 섬유의 공급량을 81g/min, 커트 장치 b로부터의 강화 섬유의 공급량을 189g/min, 매트릭스 수지의 공급량을 550g/min로 세트하고, 장치를 가동하여, 강화 섬유와 폴리아미드(PA6 파우더)가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 강화 섬유의 기본 중량은 300g/m²였다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이고, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 86%, 강화 섬유(B) 및 (C)의 다발내 평균 섬유수(각각 N_B, N_C)는, 각각 1500, 2200이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 1800이었다. 또한, 폴리아미드 파우더(PA6 파우더)는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트를 8매 겹쳐서 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 3분간 가열하고, 두께 5.9mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부나 보이드는 확인되지 않았다.

얻어진 성형판의 0도 및 90도 방향의 인장 탄성률을 측정하였던바, 탄성률의 비(Eδ)는 1.05이며, 섬유 배향은 대부분 없고, 등방성이 유지된 재료를 얻을 수가 있었다. 또한, 이 성형판을 500℃×1시간 정도 로내에서 가열하고, 수지를 제거한 후, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 상기 랜덤 매트의 측정 결과와 차이는 볼 수 없었다.

[실시예 4]

강화 섬유로서 닛뽄덴키글라스사 제의 유리 섬유 EX-2500(평균 섬유 직경 15㎛, 섬유 폭 9mm)을 사용했다. 커트 장치에는, 초경합금을 사용하여, 섬유와 90도 방향의 짧은 날이 비스듬하게 배치된, 분섬 나이프를 표면에 배치한 로터리 커터를 사용했다. 나이프의 폭은 1mm이며, 또한 나이프 사이에는 섬유 다발을 소형화하는 목적으로, 섬유 방향에 평행한 날을 설치했다. 이 때, 상기 식(3) 중의 것 θ는 42도이며, 날의 피치를 10mm로 하고, 강화 섬유를 섬유 길이 10mm로 커트했다. 개섬 장치로서, 실시예 1과 같은 장치를 사용했다. 컴프레셔의 압력을 낮춤으로써, 작은 구멍으로부터의 풍속은, 250m/sec로 했다. 이 관을 로터리 커터의 바로 아래에 배치하고, 또한 그 하부에는 테이퍼관을 용접했다. 테이퍼관의 측면으로부터, 매트릭스 수지를 공급하고, 이 매트릭스 수지로서, 데이진카세이사 제의 폴리카보네이트“팬라이트”(등록상표) L-1225L 펠릿을 냉동 분쇄하고, 또한, 30메쉬, 및 200메쉬로 분급한 파우더를 사용했다. 이 때, 평균 입경은 약 360㎛였다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, XY방향으로 이동 가능한 테이블을 설치하고, 테이블 하부로부터 블로어로 흡인을 실시했다. 그리고, 강화 섬유의 공급량을 300g/min, 매트릭스 수지의 공급량을 600g/min로 세트하고, 장치를 가동하여, 강화 섬유와 열가소성 수지(폴리카보네이트 파우더)가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 강화 섬유의 기본 중량은 300g/m²였다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 40이고, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 63% 강화 섬유(B)의 다발내 평균 섬유수(N_B)는 300이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 300이었다. 또한, 폴리카보네이트 파우더는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

이 랜덤 매트를 8매 겹쳐서 300℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 3분간 가열하고, 두께 5.8mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부나 보이드는 확인되지 않았다.

얻어진 성형판의 0도 및 90도 방향의 인장 탄성률을 측정하였던바, 탄성률의 비(Eδ)는 1.14이며, 섬유 배향은 대부분 없고, 등방성이 유지된 재료를 얻을 수가 있었다. 또한, 이 성형판을 500℃×1시간 정도 로내에서 가열하고, 수지를 제거한 후, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 상기 랜덤 매트의 측정 결과와 차이는 볼 수 없었다.

얻어진 성형체에 대하여 실시예 1과 동일하게 평가한 결과를 표 1에 기재했다.

[실시예 5]

실시예 1에 있어서, 강화 섬유의 공급량을 315g/min로 하고, 매트릭스 수지의 공급량을 390g/min로 한 것 이외는 동일한 방법으로 랜덤 매트를 작성했다. 얻어진 랜덤 매트의 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 8mm이며, 강화 섬유의 기본 중량은, 350g/m²였다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이며, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 66%, 강화 섬유(B)의 다발내 평균 섬유수(N_B)는 1600이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 1600이었다. 얻어진 랜덤 매트의 표면을 관찰하였던바, 면내에서 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고, 랜덤하게, 분산되어 있었다. 또한, 폴리카보네이트 파우더는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트를 8매 겹쳐서 300℃로 가열한 프레스 장치에서, 4MPa로 3분간 가열하여, 두께 4.8mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부나 보이드는 확인되지 않았다.

[실시예 6]

실시예 3에 있어서, 커트 장치 a로부터의 강화 섬유(섬유 길이 20mm)의 공급량을 450g/min, 커트 장치 b(섬유 길이 8mm)로부터의 강화 섬유의 공급량을 450g/min, 매트릭스 수지의 공급량을 1830g/min로 세트하고, 장치를 가동하여, 강화 섬유와 폴리아미드6이 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 강화 섬유의 기본 중량은 1000g/m²였다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이고, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 87%, 강화 섬유(B) 및 (C)의 다발내 평균 섬유수(각각 N_B, N_C)는, 각각 1700, 2300이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 2000이었다. 얻어진 랜덤 매트의 표면을 관찰하였던바, 면내에서 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고, 랜덤하게, 분산되어 있었다. 또한, 폴리아미드 파우더는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트를 3매 겹쳐서 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 4MPa로 3분간 가열하고, 두께 6.0mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부나 보이드는 확인되지 않았다.

얻어진 성형판의 0도 및 90도 방향의 인장 탄성률을 측정하였던바, 탄성률의 비(Eδ)는 1.02이며, 섬유 배향은 대부분 없고, 등방성이 유지된 재료를 얻을 수가 있었다. 또한, 이 성형판을 500℃×1시간 정도 로내에서 가열하고, 수지를 제거한 후, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 상기 랜덤 매트의 측정 결과와 차이는 볼 수 없었다.

또한, 얻어진 성형판을 NGK킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 300℃로 가열한 것을 120℃로 설정한 도 6에 나타내는 금형의 수평부에 충전율 80%가 되도록 배치하고 5MPa의 압력으로 60초간 콜드 프레스 하여, 실시예 1과 동일하게 도 7에 나타내는 보스 및 리브를 가지는 성형체를 얻었다. 얻어진 성형판, 성형체에 대하여 실시예 1과 동일하게 평가한 결과를 표 1에 기재했다.

[실시예 7]

실시예 3에 있어서, 2대의 커트 장치 모두 실시예 4에서 사용한 것 같은 분섬 나이프로서 섬유 커트 길이를 바꾼 분섬 나이프 및 섬유 방향으로 병행한 날을 가지는 로터리 커터를 사용했다. 이 때 커트 장치 a에 있어서는, 상기 식(3) 중의 θ는 45도, 날의 피치를 20mm로 하고, 강화 섬유를 섬유 길이 20mm로 커트하고, 커트 장치 b에 있어서는, 상기 식(3) 중의 θ는 68도, 날의 피치를 8mm로 하고, 강화 섬유를 섬유 길이 8mm로 커트할 수 있도록 했다.

개섬 장치도 실시예 1과 같은 이중관을 2대 준비하고, 커트 장치 a, b의 바로 아래에 각각 배치했다. 이 때 작은 구멍으로부터의 풍속은, 모두 150m/sec로 했다. 또한, 실시예 1과 같은 테이퍼관을 커트 장치 a 바로 아래의 이중관의 하부에 용접했다. 또한, 실시예 3의 테이퍼관의 측면에는, 매트릭스 수지 공급용의 구멍 외에, 그 대면 측에 또 하나의 구멍을 뚫어 커트 장치 b 바로 아래의 이중관의 하부와 이 구멍을 내경 1.5mm의 고무 호스로 접속했다. 이에 의해, 커트 장치 b로 절단한 섬유는, 호스 내를 이동하여 테이퍼관에 공급되고, 테이퍼관에서 커트 장치 a, b 각각으로 절단한 섬유가 혼합된다. 테이퍼관의 측면으로부터 공급하는 매트릭스 수지로서 PA6 파우더(유니치카 제 A1030FP)를 사용했다. 다음으로, 테이퍼관 출구의 하부에, 실시예 1과 같은 XY방향으로 이동 가능한 테이블을 설치하고, 테이블 하부로부터 블로어로 흡인을 실시했다. 그리고, 커트 장치 a로부터의 강화 섬유의 공급량을 81g/min, 커트 장치 b로부터의 강화 섬유의 공급량을 189g/min, 매트릭스 수지의 공급량을 550g/min로 세트하고, 장치를 가동하였던바, 강화 섬유와 폴리아미드가 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 강화 섬유의 기본 중량은 300g/m²였다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이며, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 80%, 강화 섬유(B) 및 (C)의 다발내 평균 섬유수(각각 N_B, N_C)는, 각각 500, 800이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 600이었다. 또한, 폴리아미드 파우더는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트를 8매 겹쳐서 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 3분간 가열하여, 두께 5.9mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부나 보이드는 확인되지 않았다. 얻어진 성형판의 0도 및 90도 방향의 인장 탄성률을 측정하였던바, 탄성률의 비(Eδ)는 1.03이며, 섬유 배향은 대부분 없고, 등방성이 유지된 재료를 얻을 수가 있었다. 또한, 이 성형판을 500℃×1시간 정도 로내에서 가열하고, 수지를 제거한 후, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 상기 랜덤 매트의 측정 결과와 차이는 볼 수 없었다.

[비교예 1]

실시예 1에 있어서, 작은 구멍으로부터의 풍속을, 450m/sec로 한 이외는 동일하게 하여 랜덤 매트를 작성했다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이며, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 43%, 강화 섬유(B)의 다발내 평균 섬유수(N_B)는 800이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 800이었다.

얻어진 랜덤 매트 중에 존재하는 섬유 다발은 가늘고, 면내에서 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고, 랜덤하게 분산되어 있었다. 또한, 폴리카보네이트 파우더는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

실시예 1과 동일하게 얻어진 랜덤 매트를 8매 겹쳐서 300℃로 가열한 프레스 장치에서, 4MPa로 3분간 가열하여, 두께 4.8mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부나 보이드는 확인되지 않았다.

또한, 얻어진 성형판을 NGK킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 300℃로 가열한 것을 120℃로 설정한 도 6에 나타내는 금형의 수평부에 충전율 80%가 되도록 배치하고 5MPa의 압력으로 60초간 콜드 프레스 하여 성형체를 얻었지만, 보스 및 리브부에의 섬유 및 수지의 충전은 불충분했다. 얻어진 성형판, 성형체에 대하여 실시예 1과 동일하게 평가한 결과를 표 1에 기재했다.

[비교예 2]

실시예 1에 있어서, 로터리 커터의 나선날의 각도 θ를 45도, 날의 피치를 20mm로 한 것 이외는 동일한 방법으로 랜덤 매트를 얻었다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이며, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 71%, 강화 섬유(C)의 다발내 평균 섬유수(N_C)는 2200이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 2200이었다. 얻어진 랜덤 매트의 표면을 관찰하였던바, 면내에서 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고, 랜덤하게, 분산되어 있었다. 또한, 폴리카보네이트 파우더는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

얻어진 성형판의 0도 및 90도 방향의 인장 탄성률을 측정하였던바, 탄성률의 비(Eδ)는 1.03이며, 섬유 배향은 대부분 없고, 등방성이 유지된 재료를 얻을 수가 있었다. 또한, 이 성형판을 500℃×1시간 정도 로내에서 가열하고, 수지를 제거한 후, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 상기 랜덤 매트의 측정 결과와 차이는 볼 수 없었다.

또한, 얻어진 성형판을 NGK킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 300℃로 가열한 것을 120℃로 설정한 도 6에 나타내는 금형의 수평부에 충전율 80%가 되도록 배치하고 5MPa의 압력으로 60초간 콜드 프레스 하여, 성형체를 얻었지만, 보스 및 리브부에는 섬유 및 수지가 거의 충전되어 있지 않았기 때문에, 실시예 1과 동일하게 인장 탄성률과 Vf를 평가하려고 했지만, 측정 불가능했다.

[비교예 3]

실시예 3에 있어서, 커트 장치 a로부터의 강화 섬유(섬유 길이 20mm)의 공급량을 216g/min, 커트 장치 b로부터의 강화 섬유(섬유 길이 8mm)의 공급량을 54g/min, 매트릭스 수지의 공급량을 550g/min로 세트하고, 장치를 가동하였던바, 강화 섬유와 폴리아미드6이 혼합된 랜덤 매트를 얻었다. 강화 섬유의 기본 중량은 300g/m²였다.

얻어진 랜덤 매트에 관하여, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이고, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은 85%, 강화 섬유(B) 및 (C)의 다발내 평균 섬유수(각각 N_B, N_C)는, 각각 1500, 2200이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 2100이었다. 얻어진 랜덤 매트의 표면을 관찰하였던바, 면내에서 특정의 방향으로 배향되어 있지 않고, 랜덤하게, 분산되어 있었다. 또한, 폴리아미드 파우더는, 강화 섬유 중에 큰 불균일이 없는 상태로 분산되어 있었다.

얻어진 랜덤 매트를 8매 겹쳐서 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 4MPa로 3분간 가열하여, 두께 4.8mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부나 보이드는 확인되지 않았다.

또한, 얻어진 성형판을 NGK킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 300℃로 가열한 것을 120℃로 설정한 도 6에 나타내는 금형의 수평부에 충전율 80%가 되도록 배치하고 5MPa의 압력으로 60초간 콜드 프레스 하여, 성형체를 얻었지만, 보스 및 리브부에의 섬유 및 수지의 충전은 불충분했다.

[비교예 4]

260℃로 온도 조절된 스크류 타입 압출기의 호퍼에 매트릭스 수지로서, 폴리아미드6 수지(우베코우산 제, 1013B)를 공급하고, 용융 수지를 기어 펌프의 회전수로 소정량 계량하여, 260℃로 온도 조절된 엑스트루더(이케가이 제, FS50)에서 함침용 크로스 헤드 다이에 공급했다. 한편, 강화 섬유로서, 토호테낙스사 제의 탄소 섬유“테낙스”(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유 직경 7㎛, 섬유 폭 10mm)를 확폭하여, 섬유 폭 20mm로 한 것을 하류 선단에 개구부를 좁힌 슬릿 다이를 구비한 함침용 크로스 헤드 다이의 상류에 공급하고, 강화 섬유에 수지를 함침·탈포시켜, 하류 개구부로부터 토출된 강화 섬유와 폴리아미드6으로 이루어지는 테이프 프리프레그를 냉각하여 릴(reel)에 권취했다. 이 때 테이프 프리프레그에 있어서의 강화 섬유의 체적 함유율은 30%였다.

얻어진 테이프 프리프레그를 폭 10mm로 슬릿한 후, 10mm로 커트하고, 평판 금형 내에 랜덤하게 흩뿌려, 260℃로 가열한 프레스 장치에서, 4.0MPa로 3분간 가열하여, 두께 5.8mm의 강화 섬유 복합재료(성형판)를 얻었다. 얻어진 성형판에 대하여 초음파 탐상시험을 실시하였던바, 미함침부나 보이드는 확인되지 않았다.

얻어진 성형판의 0도 및 90도 방향의 인장 탄성률을 측정하였던바, 탄성률의 비(Eδ)는 1.13이며, 섬유 배향은 대부분 없고, 등방성이 유지된 재료를 얻을 수가 있었다. 또한, 이 성형판을 500℃×1시간 정도 로내에서 가열하고, 수지를 제거한 후, 강화 섬유 다발(A)의 비율과, 평균 섬유수(N)를 조사하였던바, 식(1)로 정의되는 임계단사수는 86이며, 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 매트의 섬유 전량에 대한 비율은97%, 강화 섬유(B)의 다발내 평균 섬유수(N_B)는 11000이며, 강화 섬유 다발(A)의 평균 섬유수(N)는 11000이었다.

또한, 얻어진 성형판을 NGK킬른텍 제의 IR오븐을 사용하여 300℃로 가열한 것을 120℃로 설정한 도 6에 나타내는 금형의 수평부에 충전율 80%가 되도록 배치하고 5MPa의 압력으로 60초간 콜드 프레스 하여, 보스 및 리브를 가지는 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체의 평가 결과를 표 1에 기재했다. 수평부 및 리브부의 인장 탄성률비는 1.53이며, 등방성이 약간 뒤떨어져 있었다.

산업상의 이용 가능성

본 발명의 랜덤 매트는 강화 섬유 복합재료 성형의 프리폼으로서 바람직하게 사용되고, 성형시의 유동성이 뛰어나기 때문에, 리브나 보스 등, 수평부에 대하여 세로 방향으로 뻗은 복잡한 3차원 형상의 입상부를 비교적 낮은 압력으로 용이하게 성형할 수 있다. 따라서 본 발명의 랜덤 매트로부터, 필요 최소한의 재료를 사용하여 제품 형상을 성형할 수 있고, 트림 공정이 없어지는 것에 의한 폐기 재료의 대폭적인 삭감, 그에 따른 비용의 삭감을 기대할 수 있다. 또한, 본 발명의 랜덤 매트는, 각종 구성 부재, 예를 들면 자동차의 내판, 외판, 구성 부재, 또한 각종 전기제품, 기계의 프레임이나 케이스 등의 프리폼으로서 사용할 수 있다.

본 발명을 상세하게 또한 특정의 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 벗어남이 없이 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.

본 출원은, 2011년 12월 22일 출원의 일본 특허출원(특원 2011-281509)에 기초한 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 원용된다.

1. 강화 섬유
2. 핀치롤러
3. 고무 롤러
4. 로터리 커터 본체
5. 날
6. 커트된 강화 섬유
7. 날의 피치
8. 섬유 방향에 평행한 날
9. 수평부
10. 측벽
11A. 리브1
11B. 리브2
11C. 리브3
12A. 보스1
12B. 보스2
12C. 보스3
12D. 보스4
13. 리브부에 있어서의 인장 탄성률 측정용 시료 절출 부분
14. 수평부에 있어서의 인장 탄성률 측정용 시료 절출 부분

Claims

섬유 길이 3∼50mm의 강화 섬유를 포함하고, 하기 i)∼v)를 만족하는 랜덤 매트.
i) 섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유가, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 50∼100질량%이며, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유가, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 0∼50질량%인 것,
ii) 강화 섬유의 기본 중량(目付)이 25∼10000g/m²인 것,
iii) 강화 섬유에 관하여 하기 식(1)로 정의되는 임계단사수(臨界單絲數) 미만의 섬유 다발 및 단사(單絲)와, 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A)이 동시에 존재하는 것,
iv) 강화 섬유 다발(A)에 관하여, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대한 비율이 50Vol% 이상 99Vol% 미만인 것,
v) 강화 섬유 다발(A) 중의 평균 섬유수(N)가 하기 식(2)를 만족하는 것.
임계단사수=600/D (1)
1.5×10⁴/D²＜N＜3×10⁵/D² (2)
(여기서 D는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)
제1항에 있어서,
강화 섬유가 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 및 유리 섬유로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 일종인 랜덤 매트.
제1항 또는 제2항에 있어서,
섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유가, 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 90∼100질량%이며, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유가 랜덤 매트에 포함되는 강화 섬유 전량에 대하여 0∼10질량%인 랜덤 매트.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유에 대하여, 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A_B) 중의 평균 섬유수(N_B)가 하기 식(2B)을 만족하는 랜덤 매트.
1.5×10⁴/D_B ²＜N_B＜3×10⁵/D_B ² (2B)
(여기서 D_B는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유에 대하여, 임계단사수 이상으로 구성되는 강화 섬유 다발(A_C) 중의 평균 섬유수(N_C)가 하기 식(2C)을 만족하는 랜덤 매트.
5.0×10⁴/D_C ²＜N_C＜3×10⁵/D_C ² (2C)
(여기서 D_C는 강화 섬유의 평균 섬유 직경(㎛)이다)
제5항에 있어서,
상기 평균 섬유수(N_C)가, 평균 섬유수(N_B)보다 큰 랜덤 매트.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
섬유 길이가 3mm 이상 15mm 미만인 강화 섬유의 평균 섬유 길이에 대한, 섬유 길이가 15mm 이상 50mm 이하인 강화 섬유의 평균 섬유 길이의 비가 1.5∼10인 랜덤 매트.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
열가소성 수지를 더 포함하고, 랜덤 매트에 있어서의 열가소성 수지의 존재량이, 강화 섬유 100질량부에 대하여, 50∼1000질량부인 랜덤 매트.
제8항에 기재된 랜덤 매트를 가열 및 가압하여 얻어지는 강화 섬유 복합재료.
제8항에 기재된 랜덤 매트 또는 제9항에 기재된 강화 섬유 복합재료를 성형하여 얻어지는 성형체.
제10항에 있어서,
입상부를 가지는 성형체.
제8항에 기재된 랜덤 매트를 사용하고, 열가소성 수지를 함침시켜 가열 및 가압하는 강화 섬유 복합재료의 제조 방법.
제12항에 있어서,
가압할 때의 압력이 10MPa 미만인 강화 섬유 복합재료의 제조 방법.
제8항에 기재된 랜덤 매트 또는 제9항에 기재된 강화 섬유 복합재료를, 10MPa 미만의 압력으로 프레스 성형하는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
제14항에 있어서,
성형체가 복수부의 보스, 및 복수의 리브를 가지는 것인 제조 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
성형체가, 대략 직육면체의 상자 형상물이며, 그 상자 형상물의 적어도 네 모서리에 보스를 가지고, 또한 상자 형상부의 내부를 2개 이상의 구간으로 구획하는 배치로 리브부를 가지는 것인 제조 방법.