KR20150097693A - 속경화 에폭시 수지 시스템 - Google Patents

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Abstract

경화시 140℃ 이하의 Tg 및 140℃ 또는 그 미만의 온도에서 20°미만의 위상 각을 갖는, 속경화 에폭시 수지 시스템, 및 이러한 시스템을 기반으로 하는 프리프레그 및 몰딩이 제공된다. 수지 포뮬레이션은 수지의 반응성을 사용되는 경화제 및 하드너의 양에 매칭한다.

Description

속경화 에폭시 수지 시스템 {FAST EPOXY RESIN SYSTEMS}
본 발명은 속경화 에폭시 수지 시스템으로서, 이로부터의 물품의 제조에 보다 빠른 몰딩 사이클(moulding cycle)이 사용되도록 하는 속경화 에폭시 수지 시스템에 관한 것이다. 물품은 종종 섬유 보강 에폭시 수지로부터, 다층의 섬유 보강재 및 에폭시 수지가 몰드에 레이업(lay up)되고, 경화되어 최종 물품을 형성하는 공정으로 제조된다. 경화가능한 수지로 함침된 섬유층은 본원에서 프리프레그(prepreg)로서 알려져 있으며, 프리프레그 내 수지는 경화되지 않거나 부분적으로 경화될 수 있다.
에폭시 포뮬레이션은 전형적으로 사용되는 경화 사이클 및 생성되는 최종 물품의 특성에 따라 광범위한 에폭시 함유 물질로부터 선택될 수 있는 에폭시 수지를 함유한다. 에폭시 수지는 고체, 액체 또는 반고체일 수 있으며, 이들의 작용가(functionality) 및 에폭시 당량에 의해 특징된다. 에폭시 수지의 작용가는 반응하고 경화되어 경화된 구조물을 형성하는데 이용될 수 있는 분자당 반응성 에폭시 자리의 수이다. 예를 들어, 작용가가 2의 특정 글리시딜 아민을 지닌 비스페놀-A 에폭시 수지는 4초과의 작용가를 가질 수 있다. 에폭시 수지의 반응성은 그것의 에폭시 당량 (EEW)에 의해 표시된다. EEW가 낮을 수록, 반응성은 높아진다. EEW는 에폭시기 몰당 1 그램을 함유하는 에폭시 수지 물질의 중량(그램)이다.
본 발명은 특히 짧은 몰딩 사이클 시간에 걸쳐 경화되어, 경화된 물질이 경화 직후 몰드로부터 제거될 수 있는, 반응성 에폭시 수지 조성물을 함유하는 프리프레그와 관련된다.
에폭시 포뮬레이션은 또한 촉매 및/또는 경화제를 포함할 수 있으며, 이들은 또한 에폭시 수지의 특성, 생성되어야 하는 생성물, 및 요구되는 경화 사이클에 따라 선택될 수 있다.
에폭시 수지 시스템은 일반적으로 여러 층들이 섬유 보강재, 예컨대 탄소 섬유, 유리 섬유, Kevlar 및 아라미드 섬유의 층들로 중첩되는 몰드에서 경화된다. 이후, 이 시스템은 가열에 의해 몰드에서 경화된다.
경화된 에폭시 수지 시스템은 부서지기 쉬울 수 있으며, 이들의 취성(brittleness)을 감소시키기 위해 에폭시 수지 시스템에 충격 개질제를 포함하는 것으로 널리 알려져 있다. 제안된 전형적인 충격 개질제는 열가소성 물질, 예컨대 나일론 6, 나일론 11, 및 나일론 66을 포함하는 폴리아미드 또는 폴리에테르, 폴리비닐포름알데하이드 및 폴리설폰 및/또는 상술된 성분들의 조합물이다.
에폭시 수지의 경화는 발열 반응이어서, 몰딩 물질 및 몰드 그 자체 둘 모두에 손상을 일으킬 수 있는 몰드 내 물질의 반응 폭주 및 과열을 피하기 위해 주의를 기울어야 한다.
프리프레그(prepreg) 및 프리프레그 스택의 경화에 사용되는 경화 사이클은 수지의 반응성 및 사용되는 수지 및 섬유의 양을 고려하여 온도 및 시간이 균형을 이루어야 한다. 경제적 관점으로부터, 사이클 시간이 가능한 짧은 것이 바람직하고, 이에 따라 경화제 및 가속화제가 일반적으로 에폭시 수지에 포함된다. 더구나 수지의 경화를 개시시키기 위해 열을 필요로 하기 때문애, 경화 반응 자체는 고도로 발열일 수 있고, 이는 특히 크고 두꺼운 프리프레그 스택을 경화시키기 위한 시간/온도 경화 사이클에서 고려될 필요가 있다. 이는 산업상 적용을 위한 라미네이트를 생성하는 경우에 더욱 더 그러한데, 그러한 산업상 적용은 다량의 에폭시 수지를 필요로 하며, 이것은 나아가 수지 경화 반응의 발열로 인해 생성되는 스택 내 과도한 온도를 초래할 수 있다. 과도한 온도는 몰드 보강재를 손상시키거나 수지의 어느 정도의 분해를 초래할 수 있기 때문에 과도한 온도는 피해져야 한다. 과도한 온도는 또한 수지 경화에 대한 제어 상실을 초래하여 경화 폭주를 유도할 수 있다.
과도한 온도의 생성은, 중공업 용도를 위한 섬유 보강 라미네이트의 제조시, 예컨대 풍력 터빈 구조물, 특히 블레이드가 조립되는 풍력 터빈 스파(spar) 및 쉘의 제조시 더욱 일반적이 되고 있으므로 다층의 프리프레그를 포함하는 두꺼운 섹션이 경화되어야 하는 경우에 더 큰 문제일 수 있다. 경화 동안 생성되는 열을 보상하기 위해, 몰딩이, 몰딩의 온도를 제어하기 위해 소정의 시간 동안 일정한 온도로 유지되는, 경화 사이클 동안 체류 시간을 사용하는 것이 필요하였다. 이는 사이클 시간을 원치않게 긴 사이클 시간으로 증가시킨다.
예를 들어, 에폭시계 프리프레그의 두꺼운 스택, 예컨대 60층 또는 그 초과의 층은 수시간 동안 100℃ 초과의 경화 온도를 요할 수 있다. 그러나, 경화는 에폭시 수지 그램 당 150 주울(joule) 또는 그 초과의 반응 엔탈피(enthalpy)를 가질 수 있고, 이러한 반응 엔탈피는 수지의 과열 및 분해를 피하기 위해 100℃ 미만에서 경화 사이클 동안 소정의 체류 시간을 필요로 한다. 나아가, 체류 시간에 이어, 수지의 경화를 완료하기 위해 스택을 추가로 100℃ 초과 (예를 들어, 125℃ 초과)로 가열하는 것이 필요하다. 이는 원치 않게 길고 비경제적인 경화 사이클을 유발한다. 또한, 생성된 고온은 몰드 또는 백(bag) 물질에 대한 손상을 일으시키거나 몰드 또는 백을 위한 특수하고 고가의 물질을 사용할 것을 요할 수 있다.
프리프레그에 대한 또 다른 중요한 성질은 경화 전에, 프리프레그가 용이하게 취급되고, 수송되고, 경화를 위해 준비된 몰드에 레이업될 수 있다는 점이다. 추가적으로, 프리프레그 내에 또는 프리프레그 사이에 포집된 에어 포켓(air pocket)의 존재를 없애거나 최소화시키는 것이 바람직한데, 왜냐하면 포집된 에어 포켓이 경화된 구조물에서 불규칙성을 유도할 수 있기 때문이다. 그러므로, 프리프레그는, 프리프레그가 용이하게 취급되고 먼지 및 그 밖의 불순물을 끌어들이지 않을 낮은 수준의 점착성으로 결합되는 스택으로 레이업될 수 있도록 충분한 강도를 지녀야 한다.
또한, 경화되면 에폭시계 구조물은 소정의 유리 전이 온도 (Tg)를 지니며, 그 초과에서 몰딩은 몰드로부터 제거될 수 있도록 충분히 자가-지지되지 않는다. 그러므로, 이러한 상황에서, 몰딩을 Tg 미만으로 냉각되게 한 후에 몰딩이 몰드로부터 제거될 수 있게 하는 것이 필요하다. 그러므로, 경화된 수지가 높은 유리 전이 온도(Tg)를 지녀서 요망하는 수준, 전형적으로 95% 경화시 또는 경화된 직후 경화된 물질이 충분히 경직되어 몰드로부터 제거될 수 있는 프리프레그로부터의 층상(laminar) 구조물을 제조하는 것이 요망된다. 그러므로, Tg가 최고 온도에 있거나 근접한 것이 바람직하다. Tg에서의 증가는 보다 많은 반응성 수지를 사용함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 수지의 반응성이 높아질 수록, 하드너 및 가속화제의 존재 하 수지의 경화 동안 방출되는 열이 더 커지고, 이는 몰드로부터 제거 전에 체류 시간 및 지연에 대한 필요성을 증가시킬 수 있다.
일반적으로, 용어 95% 경화는 충분히 대부분의 반응성 자리가 소비됨으로써 그 부분의 기계적 성능 및 내열성이 그러한 물질에 대해 바람직한 특징 범위 내에 있는 물질을 정의한다. 최종 5%의 경화를 얻기 위해 추가의 시간 및 에너지를 소비하는 것이 가능하지만, 이것이 상당한 기계적 또는 열적 향상을 유도하지는 않을 것이다. 디지털 주사 열량계(Digital Scanning Calorimetry)가 사용되어 95% 경화에 도달하는 시간을 모니터링한다. DSC 측정 동안 검출되는 총 열 또는 반응 엔탈피는 수지가 전형적으로 10℃의 출발 온도에서 경화가 완료될 것으로 예상되는 온도로 가열되는 경우 경화 반응에 의해 방출되는 열로서 확인된다. 속경화 에폭시 수지에 대해, 경화가 완전히 완료되는 것으로 예상되는 온도는 전형적으로 225℃이고, 이 온도에 대한 상승률은 전형적으로 10℃/분의 비율로 설정된다.
총 열 엔탈피가 확립되면, 이후 특정 경화로 처리되는 수지의 어떠한 후속 시험 샘플의 나머지 경화가 시험 샘플을 동일한 가열 상승률로 노출시킴으로써 분석될 수 있으며, 잔류 반응 엔탈피는 DSC를 사용하여 측정된다. 따라서, 시험 샘플의 경화도는 하기 식에 의해 주어진다: 경화율% = (Δ Hi -Δ He ) / Δ Hi x 100
상기 식에서, ΔHi는 출발 온도에서 예상된 완전 경화된 온도(상기 예에서 225℃) 까지 가열된 경화되지 않은 수지에 의해 발생된 열이고, ΔHe는 225℃에서 완전히 경화되기 까지 가열된 시험 샘플에 의해 발생된 열이다.
PCT 공개 WO 2009/118536는 적어도 수지의 표면이 실온에서 소정의 점도 및 점착성을 지니며, 두 프리프레그가 인접하는 물질 표면과 실온에서 수직 스택으로 배치되는 경우에, 인접하는 수지 물질 표면이 부착되지 않고, 그 사이에 연속적인 공기 통로를 형성하도록 각각의 프리프레그가 실온에서 소정의 강성(stiffness)을 지니는, 프리프레그의 스택을 제공하고 경화시키는 것에 관한 것이다. WO 2009/118536는 이러한 취급성 문제를 몰딩 온도 및 빠른 반응 시간과 어떻게 결합시키는 지와 요구되는 Tg의 경화된 물질을 생성하는 것의 필요성을 다루고 있지 않다. WO 2009/118936는 복소 탄성률(complex modulus) G*와 저장 탄성률(storage modulus) G' 간의 위상 각 δ면에서 이들 성질을 정의한다. 위상 각은 수지의 물리적 상태를 기술하기 위해 사용된다. 위상 각은 수지가 유동하지 않고, 고체 또는 반고체인 경우에 낮고; 위상 각은 예를 들어, 수지의 온도가 증가되는 경우, 유동 능력이 증가함에 따라 증가된다. 그러나, 일반적으로 열활성화되는 경화제를 함유하는 에폭시 수지 시스템에서, 경화제의 작용으로 인한 에폭시 수지의 가교 작용은 수지를 고화시키고, 승온에서 위상 각이 감소되게 할 것이다. 그러므로, 위상 각은 수지의 형태, 및 몰딩이 몰드로부터 쉽게 제거되도록 충분히 고체상태일 온도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 바람직한 보다 낮은 위상 각이 얻어지는 온도를 감소시키고/거나 요망하는 낮은 위상 각에 도달하는데 요구되는 몰딩 시간을 감소시키는 것을 추구한다. 20℃ 미만, 바람직하게는 15°미만, 더욱 바람직하게는 10°미만의 위상 각이 도달되면, 몰딩이 몰드로부터 제거될 수 있다.
사용되는 에폭시 수지 또는 수지의 적합한 선택, 경화제의 양 및 특성, 및 촉매의 양 및 특성에 의해 경화 반응에 요구되는 시간을 감소하려는 이전의 시도는 경화 반응에 요구되는 시간을 감소시키는데 제한적인 성공을 얻었지만, 충분히 높은 Tg 및 낮은 위상 각을 갖는 물질을 생성하는데 충분히 빠른 반응 시간을 지녀 경화된 생성물이 취급가능하게 될 수 있는데 시간을 요하지 않으면서 몰드로부터 제거될 수 있는, 용이하게 취급될 수 있는 프리프레그를 성공적으로 제공하지 못하였다. 또한, 경화 시간을 빠르게 하는 것이 프리프레그로부터 생성되는 층상 구조물에 요구되는 기계적 성질의 조합에 바람직하지 않게 영향을 미치지 않는 것이 중요하다.
그러므로, 보다 높은 Tg 및 낮은 위상 각에 대한 필요성은 프리프레그의 취급성에 대한 요구 및 몰딩 사이클에 요구되는 시간을 최소화시키려는 경제적 필요성과 조화를 이루어야 한다. 에폭시 수지 및 프리프레그에 대한 몰딩 사이클은 3 단계를 포함한다:
i) 몰드에 물질(프리프레그)의 제공(레이업));
ii) 경화 반응; 및
iii) 몰드로부터 경화된 생성물 제거.
그러므로, 용이하게 몰드에 제공될 수 있고, 특정 시간에 신속하게 경화될 수 있는 프리프레그를 제공하고, 경화된 물질이 경화 온도에서 또는 경화 온도에 근접한 온도에서 탈형될 수 있는 에폭시 수지 시스템이 필요한 실정이다.
유럽 특허 출원 1279688 A1는 속경화 탄소 섬유 보강된 에폭시 수지에 관한 것이며, 프리프레그에 대한 요망되는 성질이
1) 경화전 점착성의 반죽과 같은 컨시스턴시(consistency)
2) 실온에서의 낮은 반응성
3) 150℃에서 2시간 이하 동안 가열한 후 높은 경화도임을 기술하고 있다.
EP 1279688 A1는 3분 동안 150℃의 온도로 가열시 적어도 95% 경화가능하여 적어도, 그리고 바람직하게는 140℃ 초과의 유리 전이 온도를 지닌 조성물을 제공하고/거나, 5시간 동안 80℃의 온도로 가열시 적어도 바람직하게는 100℃ 초과의 유리 전이 온도를 갖는 조성물을 제공하는 프리프레그를 형성하는데 사용될 수 있는 매트릭스 조성물을 제공한다. 상기 조성물은 2 또는 그 초과의 작용가를 가지며, 150 내지 1500의 에폭시 당량을 갖는 비스페놀 에폭시 수지, 및 적어도 70%의 2,4, 디(N,N, 디메틸우레아) 톨루엔인 촉매를 포함할 수 있다. 바람직한 구체예에서, 상기 조성물은 열가소성 첨가제, 예컨대 폴리비닐 포르말을 추가로 포함한다.
EP 1279688 A1은 추가적으로 19분 내에 130℃에서 95% 경화, 및 3분 정도로 짧은 시간 내에 150℃에서 95% 경화를 가지며, 경화시 적어도 140℃의 유리 전이 온도를 갖는 수지를 제공한다. 본 발명은 몰딩 온도에서 또는 이에 근접하여 Tg 및 20°미만의 위상 각을 갖는 보다 빠른 경화 시스템을 제공한다.
본 발명에 따라, 첨부되는 청구항 중 어느 한 항에서 정의되는 바와 같은 포뮬레이션, 프리프레그, 스택 및 구조물이 제공된다.
본 발명은 150℃에서 150초 이내에 95% 경화로 경화될 수 있고, 120℃에서 4분 이내에 95% 경화로 경화될 수 있어 140℃ 이하의 Tg를 갖는 경화된 수지를 제공하는, 경화제를 함유하는 에폭시 수지 포뮬레이션을 제공한다. 경화된 에폭시 수지 포뮬레이션은 바람직하게는 140℃ 미만의 온도에서 20°미만, 바람직하게는 15°미만, 더욱 바람직하게는 10°미만의 위상 각을 갖는다. 위상 각은 140℃ 미만의 온도에서 10° 또는 20° 또는 30° 또는 40°초과일 수 있다.
또 다른 구체예에서, 경화제를 함유하는 에폭시 수지 포뮬레이션이 제공되며, 이러한 포뮬레이션은 120℃에서 600초 미만, 바람직하게는 550초 미만 동안 경화되는 경우, 30°미만의 위상 각을 포함한다.
추가의 구체예에서, 경화제를 함유하는 에폭시 수지 포뮬레이션이 제공되며, 이러한 포뮬레이션은 130℃에서 350초 미만, 바람직하게는 300초 미만 동안 경화되는 경우, 30°미만의 위상 각을 포함한다.
본 발명은 추가로 이러한 에폭시 수지 포뮬레이션을 함유하는 프리프레그를 제공한다.
본 출원에서, 수지 포뮬레이션에 대한 경화 시간은 95% 경화에 요구되는 시간으로서 정의된다. 수지의 Tg는 시험 방법 ASTM D7028에 따른 시차 기계 분석(Differential Mechanical Analysis)에 따라 측정되며, Tg는 저장 탄성률에서의 강하가 개시되는 온도인 것으로 간주된다.
디지털 주사 열량계가 상기 논의된 바와 같이 95% 경화에 도달하는 시간을 모니터링하기 위해 사용되었으며, 이에 따라 가열은 10℃에서 225℃로 10℃/min 비율로 시작한다.
추가의 구체예에서, 본 발명은 150℃에서 150초 이내에 경화될 수 있고, 120℃에서 4분 이내에 경화될 수 있어 140℃ 이하의 Tg 및 140℃ 또는 그 미만의 온도에서 20°또는 그 미만의 위상 각을 갖는 경화된 수지를 제공하는 에폭시 수지 포뮬레이션 및 섬유 보강재를 포함하는 프리프레그를 제공한다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 150℃에서 10 내지 140초 이하, 30 내지 180초, 바람직하게는 40초 내지 120초, 더욱 바람직하게는 35초 내지 100초 및/또는 상술된 범위의 조합으로 경화될 수 있고, 120℃에서 30초 내지 220초 이내, 바람직하게는 80초 내지 200초, 더욱 바람직하게는 130초 내지 190초 및/또는 이들의 조합으로 경화될 수 있어 140℃ 이하의 Tg 및 140℃ 또는 그 미만의 온도에서 20°또는 그 미만의 위상 각을 갖는 경화된 수지를 제공하는 에폭시 수지 포뮬레이션 및 섬유 보강재를 포함하는 프리프레그를 제공한다.
에폭시 수지 조성물은 또한 하나 이상의 우레아계 경화제를 포함하며, 에폭시 수지의 중량을 기준으로 하여 4 내지 10 wt %, 더욱 바람직하게는 4 내지 6 wt %, 더욱 바람직하게는 4 내지 5 wt %의 경화제를 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 우레아계 물질은 2,6 및 2,4 톨루엔 비스 디메틸 우레아(2,6 및 2,4 TDI 우론(urone)으로서 공지되어 있음)의 이성질체, 예컨대 상업명 DYHARD®(Alzchem의 상표명, 우레아 유도체)로 입수가능한 범위의 물질이다. 조성물은 하드너, 예컨대 디시안디아미드를 추가로 포함하며, 7 중량% 내지 10 중량%, 더욱 바람직하게는 8 내지 10 중량%, 가장 바람직하게는 8.5 내지 9.5 중량%의 하드너를 사용하는 것이 바람직하다. 빠른 경화 시간은 에폭시 포뮬레이션 중 이용가능한 반응성기의 양에 경화제 및 가속화제의 비를 매칭(matching)시킴으로써 달성된다. 보다 높은 Tg는 충분한 반응성기를 제공하기 위해 적어도 2의 작용가를 지닌 수지를 사용함으로써 얻어진다. 프리프레그의 취급성은 마찬가지로 섬유 보강재의 특성 및 양, 및 에폭시 수지의 특성 및 양에 의해 결정된다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 본 발명의 수지 포뮬레이션을 사용하여 프리프레그 층들의 스택을 레이업하고, 스택을 경화시킴으로써 층상 구조물을 제조하는 것에 관한 것이다. 수지가 경화되지 않은, 이러한 층의 경화가능한 구조물은 때로는 프리프레그로서 알려져 있다.
프리프레그에 요구될 수 있는 추가의 성질은 경화 동안 결합될 수 있는 기재로부터 프리프레그의 접착성이다. 예를 들어, 본 발명자들은 특정 적용을 위해 프리프레그를 함께 결합하는 것을 기술하였지만, 프리프레그는 예를 들어, 금속 호일과 같은 다른 층들과 레이업되어 결합될 수 있다. 스키의 제조시, 프리프레그는 알루미늄 호일과 함께 레이업될 수 있고, 스키의 에지는 금속으로 트리밍(trimming)될 수 있다. 그러므로, 스키의 요구되는 물리적 성질 및 경화 동안 달성되는 알루미늄과 프리프레그 또는 스틸(steel) 간의 접착성이 본 발명의 속경화 에폭시 수지 시스템의 사용에 의해 바람직하지 않게 영향받지 않는 것이 중요하다.
그러므로, 본 발명은 용이하게 취급되고 스택되어 프리폼(preform)을 형성하고, 이어서 신속하게 경화되어 경화 온도에 근접하는 온도에서 몰드로부터 경화된 물질을 제거할 수 있는 Tg 및 위상 각을 지닌 보강된 복합 물질을 형성할 수 있는, 섬유 및 열경화성 수지를 포함하는 프리프레그에 관한 것이다. 이러한 복합 물질은 경량이고, 고강도이며, 자동차 및 항공 산업에서, 그리고 스키 제조와 같은 스포츠 상품 분야에서와 같은 다수의 구조적 적용에 사용된다.
프리프레그는 경화되지 않거나, 부분적으로 경화된 상태로, 그리고 경화를 위해 준비된 수지로 함침된 섬유 및 패브릭을 기술하기 위해 사용된 용어이다. 섬유는 토우(tow) 또는 패브릭 형태로 존재할 수 있다. 토우는 일반적으로 복수의 얇은 섬유를 포함한다. 프리프레그에 사용되는 섬유상 물질 및 수지는 경화된 섬유 보강된 물질의 요구되는 성질, 및 또한 경화된 라미네이트가 놓이게 되는 용도에 의거할 것이다. 섬유상 물질은 본원에서 구조적 섬유로서 기술된다.
여러 방법이 프리프레그의 생성을 위해 제안되었으며, 바람직한 방법 중 하나는 이동하는 섬유 웹을 액체이거나 용융되어 있거나 반고체인 경화되지 않은 열경화성 수지로 함침시키는 것이다. 이후, 이 방법에 의해 생성된 프리프레그는 요망하는 길이의 섹션으로 절삭될 수 있으며, 이러한 섹션의 스택이 열에 의해 경화되어 최종 섬유 보강된 라미네이트를 생성한다. 경화는 쉘 또는 블레이드, 또는 스파(spar)와 같은 풍력 에너지 구조물의 제조에 바람직한 경화용 몰드에 배치될 수 있는 진공 백에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 스택은 몰드에서 형성되고 직접 경화될 수 있다.
본 발명은 추가로 적어도 2의 작용가 및 150 내지 1500, 바람직하게는 200 내지 800, 더욱 바람직하게는 300 내지 600, 가장 바람직하게는 200 내지 500 및/또는 이들의 조합의 평균 에폭시 당량 (EEW)의 에폭시 수지를 함유하는 프리프레그의 스택으로서, 수지가 외부적으로 가해지는 온도에 의해 150℃에서 150초 이내로 경화될 수 있어 140℃ 이하의 Tg 및 바람직하게는 140℃ 또는 미만의 온도에서 경화된 경우 20°미만의 위상 각을 갖는 경화된 수지를 제공하는, 프리프레그의 스택을 제공한다. 앞서 언급된 바와 같이, 속경화 및 높은 Tg는 에폭시 수지의 요망하는 반응성을 얻기 위해 경화제 및 하드너의 비를 선택함으로써 얻어진다. 평균 EEW는 분자당 에폭시기의 수로 나뉜 수지의 평균 분자량으로서 정의된다.
본 발명자들은 이러한 바람직한 프리프레그 및 프리프레그의 스택이 에폭시 수지가 적어도 2의 작용가를 지니고, 하드너, 예컨대 디시안디아미드의 존재 하에, 그리고 우레아계 경화제의 존재 하에 경화되는 경우에 얻어질 수 있음을 발견하였다. 사용되어야 하는 경화제 및 에폭시 수지의 상대적 양은 수지의 반응성 및 프리프레그 중 섬유 보강재의 특성 및 양에 의거할 것이다.
전형적으로 빠른 경화를 얻기 위해 일반적인 양보다 많은 양이 사용되며, 본 발명자들은 4 내지 10 wt %, 더욱 바람직하게는 4 내지 6 wt %의 우레아계 경화제를 사용하는 것을 선호한다. 특히 우수한 결과가 에폭시 수지의 중량을 기준으로 하여 4.25 내지 4.75 wt %의 우레아계 경화제 및 6 내지 10 wt %, 더욱 바람직하게는 7 내지 10 wt %의 하드너, 예컨대 디시안디아미드가 사용되는 경우에 얻어졌으며, 특히 우수한 결과는 특히 4.25 내지 4.75 wt %의 우레아계 경화제를 함께 8.5 내지 9.5 wt % 디시안디아미드 사용하는 경우에 얻어졌다.
본 발명의 프리프레그는 전형적으로 이들이 제조되는 위치와 다른 위치에서 사용되며, 이에 따라 취급성을 요한다. 그러므로, 프리프레그는 건조 상태이거나, 가능한 한 건조상태이고, 낮은 표면 점착성을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 고점도 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이는 섬유층의 함침이 느려서 공기가 빠져 나가게 하고 공극 형성을 최소화한다는 이점을 갖는다.
프리프레그를 생성하기 위한 바람직한 공정은 전형적으로 롤러에 의해 가이드되는, 일련의 단계를 통해 수천개의 섬유를 통과시키는 것을 포함하는 연속 공정이다. 섬유가 일반적으로 시트 형태의 수지와 만나는 시점은 함침 단계의 시작시이다. 섬유가 수지와 접촉하고, 함침 존(zone)에 도달하기 전에, 섬유는 전형적으로 복수의 토우에 정렬되며, 각각의 토우는 수천 개의 필라멘트, 예를 들어, 12,000개를 포함한다. 이들 토우는 보빈 상에 구비되고, 섬유의 고른 분리를 보장하기 위해 초기에 코우밍 유닛(combing unit)에 제공된다. 보빈 공급 위치 바로 다음의 유달리 낮은 섬유 장력이 최종 프리프레그 내 섬유 파괴에 대해 추가의 개선점을 제공하는 것으로 나타났다. 따라서, 이 시점에서 필라멘트 당 장력은 바람직하게는 0.007 내지 0.025 g, 바람직하게는 0.01 내지 0.015 g이다.
상기 공정에서, 열경화성 수지를 포함하는 수지의 제 2층은 전형적으로 제 1층과 동시에 섬유의 다른 면과 접촉하게 될 가능성이 있으며, 이는 수지의 제 1 및 제 2층을 압축하여 수지가 섬유 간극에 유입되게 한다. 이러한 공정은 섬유의 각각의 면이 어느 한 수지 층과 접촉하지만, 최종 프리프레그 중 모든 수지가 한 단계로 함침되기 때문에 1-단계 공정인 것으로 간주된다.
수지 함침은 전형적으로 롤 위에 수지 및 섬유를 통과시키는 것을 포함하며, 이는 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 두가지 주요 배열은 간단한 "닙(nip)" 배열 및 "S-랩(S-wrap)" 배열이다.
S-랩 단계는 수지 및 섬유 둘 모두가 시트 형태로 S-랩 롤러로서 공지된 문자 "S"의 모양으로 두 개의 분리된 회전 롤러를 통과하는 단계이다. 대안적인 롤러 배열은 섬유 및 수지가 두 개의 인접하는 회전 롤러 사이 핀치점(pinch point) 사이를 통과함에 따라 섬유 및 수지가 함께 핀칭(pinching)되거나, 닙핑(nipping)되는, 널리 사용되는 "닙"을 포함한다.
수지 및 섬유에 유도되는 압력은 섬유의 요망하는 파괴도를 일으키도록 조절될 수 있다. 파라미터, 예컨대, 롤러간 간격, 속도, 롤러간 상대 속도 및 수지 및 섬유와 롤러의 접촉 면적은 요망하는 파괴도 및 또한 수지 함침을 달성하기 위해 달라질 수 있다.
또한, 예를 들어 인접하는 롤러 간 갭에 대한 제어에 의해 압력이 낮게 유지되는 한, 닙 단계가 사용될 수 있다.
이론적으로 큰 압력이 우수한 수지 함침을 제공하지만, 이러한 압력은 일-단계 공정에서 프리프레그의 결과에 해로울 수 있는 것으로 나타났다.
따라서, 섬유 및 수지에 가해지는 압력은 바람직하게는 섬유 층 폭의 센티미터 당 35 kg을 초과하지 않고, 더욱 바람직하게는 섬유 층 폭의 센티미터 당 30 kg를 초과하지 않는다.
예를 들어, S-랩 배열에서의 경우, 두 롤러는 바람직하게는 이들 중심 간의 갭이 250 내지 600 mm, 바람직하게는 280 내지 360 mm, 가장 바람직하게는 300 내지 340 mm, 예를 들어 320 mm가 되도록 이격된다.
S-랩 롤러의 두 개의 인접하는 쌍은 바람직하게는 각 롤러의 중심 사이가 200 내지 1200 mm, 바람직하게는 300 내지 900 mm, 가장 바람직하게는 700 내지 900 mm, 예를 들어 800 mm로 분리된다.
함침 롤러는 여러 방식으로 회전할 수 있다. 함침 롤러는 자유롭게 회전 또는 구동될 수 있다. 구동되는 경우, 함침 롤러는 관례적으로 회전 속도와 롤러에 대한 수지 및 섬유의 통과 속도 간에 차이가 없도록 구동된다. 때로는 수지 및 섬유의 통과에 비해 약간 증가된 속도 또는 감소된 속도를 적용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 차이는 당해에서 "트림(trim)"으로서 일컫어 진다.
수지의 섬유로의 함침 후, 종종 냉각 단계, 및 추가의 처리 단계, 예컨대, 라미네이팅, 슬릿팅(slitting) 및 세퍼레이팅(separating)이 존재한다.
본 발명의 몰딩 물질 또는 구조물은 그것의 수지 함량 및/또는 그것의 섬유 부피 및 수지 부피 및/또는 물 흡수 시험에 의해 측정되는, 그것의 함침도에 의해 특징될 수 있다.
경화되지 않은 몰딩 물질 또는 구조물의 수지 및 섬유 함량은 단방향 탄소를 포함하지 않는 섬유상 물질을 함유하는 몰딩 물질 또는 구조물에 대해 ISO 11667 (방법 A)에 따라 측정된다. 단방향 탄소 섬유상 물질을 함유하는 경화되지 않은 몰딩 물질 또는 구조물의 수지 및 섬유 함량은 DIN EN 2559 A (코드 A)에 따라 측정된다. 탄소 섬유상 물질을 함유하는 경화된 몰딩 물질 또는 구조물의 수지 및 섬유 함량은 DIN EN 2564 A에 따라 측정된다.
프리프레그 몰딩 물질 또는 구조물의 섬유 및 수지 부피%는 섬유 및 수지의 중량%로부터, 그러한 중량%를 수지 및 탄소 섬유의 각각의 밀도로 나눔으로써 결정될 수 있다.
수지로 함침되는 토우 또는 섬유상 물질의 함침%는 물 픽업 시험에 의해 측정된다.
물 픽업 시험은 다음과 같이 수행된다. 6개의 프리프레그 스트립을 100 (+/-2) mm x 100 (+/-2) mm 크기로 자른다. 어떠한 배킹 시트(backing sheet) 물질은 제거된다. 샘플을 가장 가까운 0.001 g (W1)에 가까이 칭량한다. 스트립을 PTFE 배킹된 알루미늄판에 배치시킴으로써 15 mm의 프리프레그 스트립이 한 단부 상에서 PTFE 배킹된 판의 어셈블리로부터 돌출하고, 이로써 프리프레그의 섬유 배향이 돌출부를 따라 뻗어진다. 클램프(clamp)가 반대 단부에 배치되고, 돌출부의 5 mm가 23℃의 온도를 갖는 수중에, 상대 공기 습도 50% +/- 35%, 및 23℃의 주위 온도에서 침지된다. 5분의 침지 후, 샘플을 물로부터 제거하고, 어떠한 외부 물을 블로팅 페이퍼(blotting paper)로 제거한다. 이후, 샘플을 다시 칭량한다(W2). 이후, 하기와 같이 여섯 개의 샘플에 대해 측정된 중량을 평균냄으로써 물 흡수율(WPU)(%)을 계산한다: WPU(%)=[(<W2>-<W1>)/<W1>)x100. WPU(%)는 수지 함침도(DRI)의 지표이다.
전형적으로, 본 발명의 경화되지 않은 프리프레그에 대한 수지 함량 중량 값은 프리프레그의 15 내지 70 중량%, 프리프레그의 18 내지 68 중량%, 프리프레그의 20 내지 65 중량%, 프리프레그의 25 내지 60 중량%, 프리프레그의 25 내지 55 중량%, 프리프레그의 25 내지 50 중량%, 프리프레그의 25 내지 45 중량%, 프리프레그의 25 내지 40 중량%, 프리프레그의 25 내지 35 중량%, 프리프레그의 25 내지 30 중량%, 프리프레그의 30 내지 55 중량%, 프리프레그의 35 내지 50 중량%의 범위 및/또는 상술된 범위의 조합 내에 있다.
전형적으로, 본 발명의 경화되지 않은 프리프레그에 대한 수지 함량 부피 값은 프리프레그의 15 내지 70 부피%, 프리프레그의 18 내지 68 부피%, 프리프레그의 20 내지 65 부피%, 프리프레그의 25 내지 60 부피%, 프리프레그의 25 내지 55 부피%, 프리프레그의 25 내지 50 부피%, 프리프레그의 25 내지 45 부피%, 프리프레그의 25 내지 40 부피%, 프리프레그의 25 내지 35 부피%, 프리프레그의 25 내지 30 부피%, 프리프레그의 30 내지 55 부피%, 프리프레그의 35 내지 50 부피%의 범위 및/또는 상술된 범위의 조합 내에 있다.
본 발명의 경화되지 않은 프리프레그 몰딩 물질 및 토우에 대한 물 픽업 값은 1 내지 90%, 5 내지 85%, 10 내지 80%, 15 내지 75%, 15 내지 70%, 15 내지 60%, 15 내지 50%, 15 내지 40%, 15 내지 35%, 15 내지 30%, 20 내지 30%, 25 내지 30%의 범위 및/또는 상술된 범위의 조합 내에 있을 수 있다.
바람직한 구체예에서, 섬유상 물질의 내측은 공기 통기로 또는 공기 통기 구조를 제공하도록 적어도 부분적으로 수지를 함유하지 않음으로써 공기가 시초에 토우에 존재할 수 있거나, 액체 수지로의 함침 동안에 도입될 수 있는 공기가 수지에 의해 구조물에 포집되지 않도록 하고, 프리프레그의 제조 및 압밀 동안 빠져나갈 수 있게 한다. 공기는 토우의 길이를 따라, 그리고 또한 수지에 의한 함침이 섬유층의 제 2 측의 일부 또는 모든 표면이 수지를 지니고 있지 않도록 되는 경우, 섬유층의 제 2 측으로부터 빠져나갈 수 있다. 또한, 토우의 필라멘트 사이 공간의 제공은 특히, 또한 프리프레그의 한 측이 완전히 수지로 코팅되지 않은 경우, 스택 형성 동안 프리프레그 사이에 포집된 공기가 빠져나가도록 할 것이다.
침입형(intersticial) 수지는 물질이 실온에서 물질의 취급을 가능하도록 적절한 구조를 갖게 한다. 이는 실온 (23℃)에서, 수지가 전형적으로 1000 내지 100,000 Pa.s의 범위, 더욱 전형적으로 5000 Pa.s 내지 500,000 Pa.s의 범위로 상대적으로 높은 점도를 지니기 때문에 달성된다. 또한, 수지는 점착성일 수 있다. 점착성은 툴(tool) 표면 또는 어셈블리에서 다른 프리프레그 플라이(ply)로의 프리프레그의 접착성에 대한 척도이다. 점착성은 문헌("experimental analysis of prepreg tack", Dubois et al, (LaMI)UBP/IFMA, 5 March 2009)에서 기술된 바와 같은 방법에 따라 수지 자체와 관련하여 또는 프리프레그와 관련하여 측정될 수 있다. 상기 문헌은 그 문헌에 기술된 장비를 사용함으로써, 그리고 30℃의 일정 온도에서 30N의 초기 압력으로 수지 또는 프리프레그와 접촉하게 되고, 이후 5mm/분의 속도로 이동하게 되는 프로브(probe)에 대한 최대 탈결합력을 측정함으로써 점착성이 객관적으로, 그리고 반복가능하게 측정될 수 있음을 기술하고 있다. 이들 프로브 접착 파라미터에 대해, 수지에 대한 접착성 F/Fref는 0.1 내지 0.6의 범위 내에 있으며, 여기서 Fref = 28.19N이고, F는 최대 탈결합력이다. 프리프레그에 대해, 점착성 F/Fref는 F/Fref에 대해 0.1 내지 0.45의 범위 내에 있으며, 여기서 Fref = 28.19N이고, F는 최대 탈결합력이다. 그러나, 섬유 지지 웹, 그리드(grid), 또는 스크림(scrim)이 또한 취급, 저장 및 가공 동안 물질 또는 구조물의 완결성을 추가로 증진시키기 위해 섬유 보강재의 적어도 하나의 외측 표면 상에 배치될 수 있다.
프리프레그 중 매트릭스 수지 물질로서 사용되는 본 발명의 에폭시 수지 포뮬레이션은 바람직하게는 실온 (20℃)에서 3 x 105 Pa 내지 1 x 108 Pa의 저장 탄성률 G' 및 2 x 106 Pa 내지 1 x 108 Pa의 손실 탄성률 G"를 갖는다.
바람직하게는, 수지 물질은 실온 (20℃)에서 1 x 106 Pa 내지 1 x 107 Pa, 더욱 바람직하게는 2 x 106 Pa 내지 4 x 106 Pa의 저장 탄성률 G'를 갖는다.
바람직하게는, 수지 물질은 실온 (20℃)에서 5 x 106 Pa 내지 1 x 107 Pa, 더욱 바람직하게는 7 x 106 Pa 내지 9 x 106 Pa의 손실 탄성률 G"를 갖는다.
바람직하게는, 수지 물질은 실온 (20℃)에서 5 x 105 Pa 내지 1 x 107 Pa, 더욱 바람직하게는 7.5 x 105 Pa 내지 5 x 106 Pa의 복소 점도를 갖는다.
바람직하게는, 수지 물질은 80℃에서 1 x 106 Pa 내지 2 x 106 Pa.s, 더욱 바람직하게는 5 내지 30 Pa.s의 복소 점도를 갖는다. 바람직하게는, 수지 물질은 80℃에서 10 내지 25 Pa.s의 점도를 갖는다. 바람직하게는, 수지 물질은 에폭시 수지이다.
본 발명자들은 라미네이트 스택이 40℃ 초과의 온도 (예컨대 60℃) 까지 가열되고, 진공 압력이 가해지는 경우에, 심지어 다수의 플라이(20, 30, 40, 60 또는 심지어 보다 많은 플라이의 스택)이 레이업되는 경우에도 가공의 시작에 이르기까지 프리프레그 몰딩 물질 또는 구조물이 취급, 저장 및 레이업 동안 상기 언급된 저장 탄성률 및 손실 탄성률 성질이 공기 통기 구조가 여전히 제 위치에 있도록 함을 발견하였다.
바람직하게는, 프리프레그 몰딩 물질은 그의 길이 방향으로 길고, 섬유 보강재는 프리프레그의 길이 방향을 따라 단방향이다.
열경화성 프리프레그 물질의 거동은 사용되는 전형적인 레이업 온도에서 고도로 점탄성이다. 탄성 고체 부분은 회수가능한 탄성 포텐셜(potential)로서 변형 에너지를 저장하는 반면, 점성 액체는 외부 힘의 작용 하에 비가역적으로 흐른다.
이러한 복소 점도는 진동 실험을 적용하는 레오미터(rheometer)를 사용하여 얻어진다. 이로부터, 복소 탄성률 G*는 물질에 적용되는 복소 진동으로서 유도되며, 이는 공지되어 있다(Principles of Polymerization, John Wiley & Sons, New York, 1981).
점탄성 물질에서, 응력 및 스트레인(strain)은 각 델타의 위상에서 벗어날 것이다. 복소 점도를 형성하는 개개의 기여도는 G' (저장 탄성률) = G* x cos (델타); G" (손실 탄성률) = G* x sin(델타)로서 정의된다. 이러한 관계식은 WO 2009/118536의 도 8에 도시된다.
G*는 복소 탄성률이다. G'는 물질이 얼마나 탄성인지와 관련되며, 그것의 강성을 정의한다. G"는 물질이 얼마나 점성인지와 관련되며, 물질의 감쇠(damping), 및 액체 비회수가능 흐름 반응을 정의한다.
순 탄성 고체(유리질 또는 고무질)에 대해, G" =0이고, 위상 각 델타는 0°이고, 순 점성 액체에 대해, G'=0이고, 위상 각 델타는 90°이다.
손실 탄성률 G"는 비가역적 흐름 거동을 나타내며, 높은 손실 탄성률 G"를 갖는 물질은 또한 조기 크리프(creep)형 흐름을 방지하고, 보다 오래 개방된 공기 통로를 유지하는 것이 요망된다. 그러므로, 본 발명의 프리프레그에 사용되는 수지는 전형적인 레이업 온도에 상응하는 온도, 예컨대 실온 (21℃)에서 높은 저장 탄성률 및 높은 손실 탄성률, 및 상응하게 높은 복소 탄성률을 갖는다.
본 명세서에서, 본 발명의 프리프레그에 사용되는 수지의 점탄성 성질, 즉, 저장 탄성률, 손실 탄성률 및 복소 점도는 일회용 25 mm 직경 알루미늄판을 지닌 Bohlin VOR 오실레이팅 레오미터(Oscillating Rheometer)를 사용함으로써 적용 온도(즉, 20℃의 레이업 온도)에서 측정되었다*. 하기 셋팅으로 측정을 수행하였다: 조절되는 주파수 1.59 Hz 및 500 마이크로미터의 갭(gap)으로 50℃에서 150℃로 2℃/mm로 증가하는 온도에서의 진동 시험.
전형적으로, 점탄성 프리프레그의 강성은 높은 탄성 레올로지 반응을 나타내는 수지에 의해 특징된다. 수지 레올로지는 실온에서의 수지의 저장 탄성률 G', 바람직하게는 20℃에서 3 x 105 Pa 내지 1 x 108 Pa, 더욱 바람직하게는 1 x 106 Pa 내지 1 x 107 Pa, 더욱 더 바람직하게는 2 x 106 Pa 내지 4 x 106 Pa에 의해 특징된다. 실온(20 ℃)에서 저장 탄성률이 높을 수록, 프리프레그 스택의 공기 수송 성질을 더 커진다. 그러나, 저장 탄성률의 상한이 한정되는데, 왜냐하면 프리프레그가 풍력 터빈 스파에서 전형적인 완만한 곡률로 평평하게 라미네이팅됨에 따라, 그렇지 않으면 프리프레그가 너무 강성이게 되고, 끊어지는 경향으로 진행될 것이기 때문이다.
본 발명의 프리프레그 몰딩 물질 또는 구조물을 사용하는 구조적 부재의 제조시, 바람직하게는 수지는 20℃에서 2 x 106 Pa 내지 1 x 108 Pa, 더욱 바람직하게는 5 x 106 Pa 내지 1 x 107 Pa, 더욱 더 바람직하게는 7 x 106 Pa 내지 9 x 106 Pa의 높은 손실 탄성률 G"을 갖는다.
수지 물질은 바람직하게는 20℃에서 5 x 105 Pa 내지 1 x107 Pa.s, 더욱 바람직하게는 7.5 x 105 Pa 내지 5 x 106 Pa.s, 더욱 더 바람직하게는 1 x 106 Pa 내지 2 x 106 Pa.s의 높은 복소 점도를 갖는다.
실질적으로 균일한 기계적 성질을 지닌 최종 라미네이트를 생성하기 위해, 구조적 섬유 및 에폭시 수지는 실질적으로 균질한 프리프레그를 제공하도록 혼합되어야 하는 것이 중요하다. 이것은 섬유를 둘러싸는 수지의 실질적으로 연속되는 매트릭스를 제공하도록 프리프레그 내에 구조적 섬유의 균일한 분포를 요한다. 그러므로, 섬유에 적용되는 동안 수지 내에 기포의 캡슐화를 최소화시키는 것이 중요하다. 이에 따라, 높은 점도 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 프리프레그는 낮은 수준의 공극을 함유해야 하고, 이에 따라 각각의 프리프레그 및 프리프레그 스택은 9% 미만, 더욱 바람직하게는 6% 미만, 가장 바람직하게는 3% 미만의 물 픽업 값을 갖는 것이 바람직하다. 물 픽업 시험은 프리프레그의 방수 또는 함침도를 측정한다. 이를 위해, 프리프레그 물질의 시편을 처음에 칭량하고, 폭 15mm 시편의 스트립이 돌출하는 방식으로 두 판 사이에 클램핑시킨다. 이러한 배열을 5분 동안 수조내 섬유의 방향으로 현수시킨다. 판을 분리시킨 후, 시편을 다시 칭량한다. 중량에서의 차이를 함침도에 대한 측정 값으로서 사용한다. 물 픽업 양이 적을 수록, 방수 또는 함침도는 더 높다.
본 발명의 프리프레그는 그 밖의 복합 물질(예를 들어, 본 발명에 따른 그 밖의 프리프레그 또는 그 밖의 프리프레그)일 수 있는 그 밖의 복합 물질과 레이업되어 섬유 보강된 라미네이트를 생성하도록 경화될 수 있는 프리프레그 스택을 생성하도록 의도된다. 그 밖의 구체예에서, 프리프레그는 금속 호일, 예컨대 스틸 및 알루미늄 호일과 같은 그 밖의 층과 레이업될 수 있다.
프리프레그는 전형적으로 프리프레그의 롤로서 생성되고, 이러한 물질의 점착성 특성에 비추어 배킹 시트가 일반적으로 사용 시점에서 롤이 펴질 수 있도록 제공된다. 따라서, 바람직하게는 본 발명에 따른 프리프레그는 외측면 상에 배킹 시트를 포함한다.
본 발명에서 사용되는 작용가가 적어도 2인 에폭시 수지는 높은 반응성을 갖는다. 수지의 에폭시 당량 (EEW)은 150 내지 1500, 바람직하게는 200 내지 500의 범위 내이고, 수지 조성물은 가속화제 또는 경화제와 함께 에폭시 수지를 포함한다. 적합한 에폭시 수지는 일작용성, 이작용성, 삼작용성 및/또는 사작용성 에폭시 수지로부터 선택된 둘 이상의 에폭시 수지의 블렌드를 포함할 수 있다.
적합한 이작용성 에폭시 수지는, 예로서, 비스페놀 F의 디글리시딜에테르, 비스페놀 A(임의로 브롬화된)의 디글리시딜 에테르, 페놀 및 크레졸 에폭시 노볼락, 페놀-알데하이드 부가물의 글리시딜 에테르, 지방족 디올의 글리시딜 에테르, 디글리시딜 에테르, 디에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르, 방향족 에폭시 수지, 지방족 폴리글리시딜 에테르, 에폭시화된 올레핀, 브롬화된 수지, 방향족 글리시딜 아민, 헤테로사이클릭 글리시딜 이미딘 및 아미드, 글리시딜 에테르, 플루오르화된 에폭시 수지, 글리시딜 에스테르 또는 이들의 어떠한 조합물을 기반으로 하는 것들을 포함한다.
이작용성 에폭시 수지는 비스페놀 F의 디글리시딜 에테르, 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르, 디글리시딜 디하이드록시 나프탈렌, 또는 이들의 어떠한 조합물로부터 선택될 수 있다.
적합한 삼작용성 에폭시 수지, 예로서 페놀 및 크레졸 에폭시 노볼락, 페놀-알데하이드 부가물의 글리시딜 에테르, 방향족 에폭시 수지, 지방족 트리글리시딜 에테르, 디지방족 트리글리시딜 에테르, 지방족 폴리글리시딜 아민, 헤테로사이클릭 글리시딜 이미딘 및 아미드, 글리시딜 에테르, 플루오르화된 에폭시 수지, 또는 이들의 어떠한 조합물을 기반으로 하는 것들을 포함할 수 있다. 적합한 삼작용성 에폭시 수지는 상표명 MY0500 및 MY0510 (트리글리시딜 파라-아미노페놀) 및 MY0600 및 MY0610 (트리글리시딜 메타-아미노페놀) 하에 헌츠만 어드밴스드 머티리얼즈(Huntsman Advanced Materials)(Monthey, Switzerland)로부터 입수가능하다. 트리글리시딜 메타-아미노페놀은 또한 상표명 ELM-120 하에 수미토모 케미컬 코포레이션(Sumitomo Chemical Co.)(Osaka, Japan)으로부터 입수가능하다.
적합한 사작용성 에폭시 수지는 N,N, N'N'-테트라글리시딜-m-자일릴렌디아민(상표명 Tetrad-X 하에 미츠비시 가스 케미컬 컴패니(Mitsubishi Gas Chemical Company)로부터, 그리고 Erisys GA-240로서 CVD 케미컬스(CVC Chemicals))로부터 상업적으로 입수가능함), 및 N,N,N'N'-테트라글리시딜메틸렌디아닐린(예를 들어, 헌츠만 어드밴스드 머티리얼즈로부터의 MY0720 및 MY0721)을 포함한다. 그 밖의 적합한 다작용성 에폭시 수지는 DEN438 (다우 케미컬스(Dow Chemicals)로부터, Midland, MI) DEN439 (다우 케미컬스로부터), Araldite ECN 1273 (헌츠만 어드밴스드 머티리얼즈로부터), 및 Araldite ECN 1299 (헌츠만 어드밴스드 머티리얼즈로부터)를 포함한다.
보강 섬유는 합성 또는 천연 섬유 또는 어떠한 그 밖의 형태의 물질, 또는 본 발명의 수지 조성물과 배합되어 복합 생성물을 형성하는 물질의 조합물일 수 있다. 보강 웹은 풀려져 있는 섬유의 스풀(spool)을 통해 제공되거나 텍스타일의 롤로부터 제공될 수 있다. 예시적인 섬유는 유리, 탄소, 그라파이트, 붕소, 세라믹, 및 아라미드를 포함한다. 바람직한 섬유는 탄소 및 유리 섬유, 특히 탄소 섬유이다.
혼성 또는 혼합 섬유 시스템이 또한 예상될 수 있다. 크랙킹된(즉, 연신-파괴된) 또는 선택적으로 불연속 섬유를 사용하는 것이 본 발명에 따른 생성물의 레이업을 용이하게 하고, 그것의 성형되는 능력을 향상시키는데 유리할 수 있다. 단방향 섬유 배열이 바람직할 수 있지만, 다른 형태도 또한 사용될 수 있다. 전형적인 텍스타일 형태는 단순 직물, 평직물(knit fabric), 능직물(twill fabric) 및 주자직(satin weave)을 포함한다. 또한, 부직 또는 비-크림프(non-crimped) 섬유 층을 사용하는 것을 구상하는 것도 가능하다. 섬유 보강재 내 섬유의 표면 질량은 일반적으로 80-4000 g/m2, 바람직하게는 100-2500 g/m2, 및 특히 바람직하게는 150-2000 g/m2이다. 토우 당 탄소 필라멘트의 수는 3000 내지 320,000, 다시 바람직하게는 6,000 내지 160,000, 그리고 가장 바람직하게는 12,000 내지 48,000로 다양할 수 있다. 섬유유리 보강재에 대해, 600-2400 tex의 섬유가 특히 적합하다.
단방향 섬유 토우의 예시적인 층은 헥셀 코포레이션(Hexcel Corporation)으로부터 입수할 수 있는 HexTow® 탄소 섬유로부터 제조된다. 단방향 섬유 토우를 제조하는데 사용하기에 적합한 HexTow® 탄소 섬유는 6,000 또는 12,000개의 필라멘트를 함유하고 각각 0.223 g/m 및 0.446 g/m의 중량을 지닌 토우로서 입수가능한 IM7 탄소 섬유; 12,000개의 필라멘트를 함유하고 0.446 g/m 내지 0.324 g/m으로 칭량되는 토우로서 입수가능한 IM8-IM10 탄소 섬유; 및 12,000개의 필라멘트를 함유하고 0.800 g/m으로 칭량되는 토우로서 입수가능한 AS7 탄소 섬유를 포함하며, 토레이(Toray)로부터 입수가능한 약 25,000개의 필라멘트를 함유하는 토우 및 졸텍(Zoltek)으로부터 입수가능한 약 50,000개의 필라멘트를 함유하는 토우와 같은 최대 80,000 또는 50,000 (50K) 필라멘트를 함유하는 토우가 사용될 수 있다. 토우는 전형적으로 3 내지 7 mm의 폭을 지니며, 토우를 보유하고, 평행하고 단방향으로 유지시키는 코움(combe)을 사용하는 장비로의 함침을 위해 공급된다.
제조되면, 프리프레그는 롤-업됨으로써 소정 시간 동안 저장될 수 있다. 이후, 풀리고, 요망에 따라 절삭되고, 임의로 다른 프리프레그와 레이업되어 몰드 또는 진공 백에서 프리프레그 스택을 형성하며, 이는 이후에 몰드에 배치되고 경화된다.
에폭시 수지는 경화시 부서지기 쉬울 수 있으며, 강인화 물질이 수지와 함께 포함되어 내구성을 부여할 수 있지만, 이들 물질은 수지의 점도를 원치않게 증가시킬 수 있다. 다르게는, 강인화 물질은 베일(veil)과 같은 별도의 층으로서 제공될 수 있다.
추가의 강인화 물질이 폴리머인 경우, 강인화 물질은 수지가 경화되는 승온에서, 그리고 실온에서 매트릭스 에폭시 수지 중에 불용성이어야 한다. 폴리머는 열가소성 물질일 수 있다. 적합한 열가소성 물질은 폴리아미드 (PAS), 폴리에테르설폰 (PES) 및 폴리에테르이미드(PEI)를 포함할 수 있다. 폴리아미드, 예컨대 나일론 6 (PA6) 및 나일론 12 (PA12) 및 이들의 혼합물이 바람직하다. 본 발명자들은 열가소성일 뿐만 아니라 승온에서 경화될 수 있는 페녹시 수지를 사용하는 것을 선호한다. 본 발명의 바람직한 포뮬레이션은 2 내지 10 wt %의 페녹시 수지를 함유한다.
본 발명의 프리프레그는 섬유상 물질을 에폭시 수지로 함침시킴으로써 생성된다. 함침률을 증가시키기 위해, 공정은 바람직하게는 승온에서 수행되고, 이로써, 수지의 점도가 감소된다. 그러나, 수지의 조기 경화가 일어나는 충분한 시간 동안 그와 같이 고온이지 않아야 한다. 따라서, 함침 공정은 바람직하게는 40℃ 내지 80℃ 범위의 온도에서 수행된다.
수지 조성물은 롤러의 외부 표면 상으로 스프레딩되고, 종이 또는 다른 배킹 물질 상으로 코팅되어 경화가능한 수지 층을 생성한다. 이후, 수지 조성물은 아마도 롤러를 통한 통로에 의해 함침을 위한 섬유층과 접촉하게 될 수 있다. 수지는 구조적 섬유층과 접촉하게 되고, 가열된 압밀 롤러를 통과시켜 함침을 일어나게 하는 배킹 물질의 하나 또는 두 시트 상에 존재할 수 있다. 다르게는, 수지는 주위 온도에서 액체인 수지이거나, 또는 주위 온도에서 고체 또는 반고체인 수지인 경우 용융되어 있는 수지 배쓰에서 액체 형태로 유지될 수 있다. 이후, 액체 수지는 독터 블레이드를 사용하여 배킹에 적용되어 종이 또는 폴리에틸렌 필름과 같은 이형층 상에 수지 필름을 생성할 수 있다. 이후, 구조적 섬유층이 수지에 배치될 수 있고, 임의로 제 2 수지 층이 섬유층의 정상부에 제공될 수 있다.
배킹 시트는 수지의 함침 전 또는 후에 적용될 수 있다. 그러나, 수지가 섬유층을 함침시키는데 요구되는 압력을 인가하는 비점착성 표면을 제공할 수 있기 때문에 전형적으로 함침 전 또는 동안에 인가된다.
제조되면, 프리프레그는 롤-업됨으로써 소정 시간 동안 저장될 수 있다. 이후, 풀리고, 요망에 따라 절삭되고, 임의로 다른 프리프레그와 레이업되어 몰드 또는 진공 백에서 프리프레그 스택을 형성하며, 이는 이후에 몰드에 배치된다.
몰드에서 생성되면, 프리프레그 또는 프리프레그 스택은 70℃ 내지 110℃ 범위의 외부적으로 가해지는 승온, 및 임의로 승압에 노출됨으로써 경화되어 경화된 라미네이트를 생성할 수 있다.
프리프레그 스택의 경화로 인한 발열은 110℃ 초과의 스택 내 온도를 유도할 수 있지만, 본 발명자들은 외부적으로 가해지는 온도가 70℃ 내지 110℃ 범위 내에 있는 경우, 150 내지 1500의 EEW, 특히 200 내지 500의 EEW의 에폭시 수지를 기반으로 하는 프리프레그 또는 프리프레그의 스택의 경화는 150초 미만에서 약 150℃의 온도에서 달성되어 130 내지 140℃의 Tg 및 140℃에서 20°또는 그 미만의 위상 각을 갖는 경화된 수지를 제공할 수 있음으로써, 경화된 물품이 과도한 지연없이 몰드로부터 분리될 수 있음을 발견하였다.
따라서, 추가의 양태에서, 본 발명은 본원에서 기술되는 바와 같은 프리프레그 또는 프리프레그 스택 내 에폭시 수지를 경화시키는 공정으로서, 프리프레그 또는 프리프레그 스택을 그러한 범위의 외부적으로 인가되는 온도에 노출시킴으로써 에폭시 수지 조성물이 150초 미만에서 경화하는 것을 포함하는 공정에 관한 것이다. 이 공정은 몰드에 배치될 수 있는 진공 백에서 또는 직접 몰드에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 3.0 bar 절대 압력 미만의 압력에서 수행된다.
경화 공정은 2.0 bar 절대 압력 미만의 압력에서 수행될 수 있다. 특히 바람직한 구체예에서, 압력은 대기압보다 낮다. 경화 공정은 에폭시 수지 조성물을 요망하는 정도로 경화시키기에 충분한 시간 동안 70℃ 내지 110℃ 범위 내의 하나 이상의 외부적으로 인가되는 온도를 사용하여 수행될 수 있다. 특히, 경화 사이클이 3시간 미만의 기간을 갖는 것이 바람직하다.
대기압에 근접한 압력에서의 경화는 소위 진공 백 기술에 의해 달성될 수 있다. 이는 프리프레그 또는 프리프레그 스택을 기밀 백에 배치하고, 백의 내측에 진공을 생성시키는 것을 포함하며, 백은 진공을 생성시키기 전 또는 후에 몰드에 배치될 수 있으며, 이후 수지가 외부적으로 인가된 열에 의해 경화되어 몰딩된 라미네이트를 생성한다. 진공 백의 사용은 프리프레그 스택이 인가되는 진공의 정도에 따라 대기압 이하의 압밀압에 처해지는 효과를 갖는다.
경화 시, 프리프레그 또는 프리프레그 스택은 구조적 적용, 예컨대, 자동차, 해상 선박 또는 항공 구조물 또는 풍력 터빈 구조물, 예컨대, 블레이드 또는 스파용 쉘에 사용하기에 적합한 복합 라미네이트가 된다. 이러한 복합 라미네이트는 구조적 섬유를 80 부피% 내지 15 부피%, 바람직하게는 58 부피% 내지 65 부피%의 수준으로 포함할 수 있다.
본 발명은 하기 실시예를 참조하여 제한되지 않는 방식으로 예시된다.
실시예에서 여러 파라미터는 하기와 같이 측정된다. 수지 또는 수지 혼합물의 점도는 약 40℃에서 약 160℃까지 2℃/분의 온도 상승률로, 그리고 10 rpm 주파수에서 실행되는 보린 게미니 플레이트 레오미터(Bohlin Gemini plate rheometer)에 의해 측정하였다. 95% 경화에 이르는 시간을 모니터링하기 위해 디지털 주사 열량계를 사용하였다. 동일한 보린 게미니 레오미터(Bohlin Gemini rheometer)를 위상 각을 측정하는데 사용하였다.
DSC 측정을 전술된 바와 같은 방법에 따라 %경화를 측정하기 위해 사용하였다. 수지의 총 반응 엔탈피를 확립하기 위해, 수지를 전형적으로 10℃의 출발 온도에서 225℃의 온도까지 가열하였으며, 온도에 대한 상승률을 10℃/min 비율로 설정하였다. 총 열 엔탈피가 확립되면, 특정 경화에 주어진 수지의 어떠한 이후 샘플의 잔류 경화를, 시험 샘플을 동일한 가열 상승률에 노출시킴으로써 분석하고, 잔존하는 반응 엔탈피를 DSC를 사용하여 측정하였다. 이후, 시험 샘플의 경화도를 하기 식으로부터 계산하였다: 경화% = (Δ Hi -Δ He ) / Δ Hi x 100
상기 식에서, ΔHi는 출발 온도에서 225℃ 까지 가열된, 경화되지 않은 수지에 의해 발생된 열이고, ΔHe는 225℃에서 완전히 경화되기 까지 가열된 시험 샘플에 의해 발생된 열이다.
Tg의 값을 ASTM D7028 (Alpha Technologies Model APA 2000 사용)에 따라 측정하였다.
본 발명에 따른 포뮬레이션 A는 하기 성분들을 블렌딩함으로써 제조된다:
Figure pct00001
표 1
포뮬레이션 A는 150℃로 가열된 경우 140초 내에 경화되어 약 135℃의 Tg를 지닌 경화된 수지를 제공할 수 있었다.
비교 포뮬레이션 7 및 8을 표 2에 기재된 바와 같이 다음과 같은 하기 조성을 블렌딩함으로써 제조하였다:
Figure pct00002
표 2
Alzchem에 의해 공급된 Epikote 828은 에폭시 당량 (EEW)이 187인 액체 비스페놀-A 에폭시이다. Alzchem에 의해 공급된 Epikote 1001은 EEW가 440인 고체 비스페놀 A 에폭시이다. Huntsman에 의해 공급된 Araldite GT6084-2는 EEW가 860인 고체 비스페놀 A 에폭시이다. Kukdo에 의해 공급된 YDPN-638는 페놀 노발락 에폭시 수지이다. 표 2에서 Dicy는 디시안디아미드 경화제이고, Dyhard에 의해 공급된 UR500는 2,4'/2,6' TDI 우론(urone) 가속화제이다.
이들 포뮬레이션의 수지 혼합물을 120℃ 및 130℃의 일정한 온도에 노출시켰을 때 포뮬레이션 A 및 비교 포뮬레이션 7 및 8에 대해 보린 게미니 레오미터를 사용하여 점도 및 위상 각을 측정하였다. 결과가 상응하는 도면 도 1 및 도 2이 각각에 제시된다.
포뮬레이션에서 이용가능한 반응성 에폭시기의 양과 대해 비교되는 사용된 비스 우레아 가속화제 및 경화제(디시안디아미드)의 양의 비에 의해 빠른 경화 시간이 달성된다.
요구되는 Tg는 보다 많은 반응성 자리를 가질 수록, 경화 후 보다 높은 가교 밀도, 및 상응하게 보다 높은 Tg를 제공함에 따라 2 초과의 작용가를 지닌 수지의 혼입에 의해 달성된다.
수지 포뮬레이션 A를 37 wt%의 수지 포뮬레이션 및 50,000개의 스트랜드 150 그램/제곱 미터 단방향 탄소 섬유 보강재(150 g/m2 UD 탄소 섬유 보강재에 함침된 88 g/m2 수지, SGL SIGRAFIL C30 T050 EPY 50k 섬유)를 포함하는 프리프레그에 사용하였다. 프리프레그는 60℃로부터 2℃/분의 가열률로 가열되는 경우, 134℃의 온도에서 10°의 위상 각을 갖는 것으로 밝혀졌다. 4Bar의 압력을 가하는 프레스에서 물질을 2분 동안 150℃로 가열함으로써 경화시켰다. 몰딩의 물리적 성질은 다음과 같았다.
Figure pct00003
표 3
동일한 포뮬레이션 A를 37%의 공칭 수지 함량 및 200gsm의 섬유 면적 중량을 지닌 Hexcel IM7 탄소 섬유 (12000 섬유/토우)에 적용시켰다. 형성되는 프리프레그를 오토클레이브에서 30분 동안 140℃에서 가열함으로써 경화시켰으며, 그 결과는 하기와 같다.
Figure pct00004
표 4
그러므로, 포뮬레이션은 높은 Tg를 지닌 몰딩의 빠른 생성을 가능하게 하지만, 보다 느린 냉각 단계를 사용하는 경우에 얻어질 수 있는 기계적 성질을 보유한다.

Claims (17)

  1. 경화제를 포함하는 에폭시 수지 포뮬레이션(epoxy resin formulation)으로서, 포뮬레이션이 150℃에서 150초 이내에 경화가능하고, 120℃에서 4분 이내로 경화가능하여 140℃ 이하의 Tg를 갖는 경화된 수지를 제공하는, 에폭시 수지 포뮬레이션.
  2. 제 1항에 있어서, 140℃ 미만의 온도에서 경화되는 경우 20°미만의 위상 각(Phase angle)을 갖는, 에폭시 수지 포뮬레이션.
  3. 제 2항에 있어서, 위상 각이 15°미만인, 에폭시 수지 포뮬레이션.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 에폭시 수지의 중량을 기준으로 하여 4 내지 10 wt%의 하나 이상의 우레아계 경화제를 포함하는, 에폭시 수지 포뮬레이션.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 7% 내지 10%의 하드너(hardener)를 포함하는, 에폭시 수지 포뮬레이션.
  6. 제 5항에 있어서, 하드너가 디시안디아미드인, 에폭시 수지 포뮬레이션.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 에폭시 수지가 2 이상의 작용가(functionality)를 갖는, 에폭시 수지 포뮬레이션.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 에폭시 수지가 20℃의 온도에서 3 x 105 Pa 내지 1 x 108 Pa의 저장 탄성률(storage modulus) G' 및 2 x 106 Pa 내지 1 x 108 Pa의 손실 탄성률(loss modulus) G"를 갖는, 에폭시 수지 포뮬레이션.
  9. 제 13항에 있어서, 에폭시 수지가 20℃의 온도에서 5 x 105 Pa 내지 1 x 107 Pa.s의 복소 점도(complex viscosity)를 갖는, 에폭시 수지 포뮬레이션.
  10. 섬유 보강재 및 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 에폭시 수지 포뮬레이션을 포함하는 프리프레그(prepreg).
  11. 제 8항에 있어서, 경화되지 않은 프리프레그의 수지 부피 함량이 프리프레그의 15 내지 70 부피%의 범위 내에 있는 프리프레그.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 섬유 보강재가 크랙킹된(cracked), 선택적으로 불연속 또는 연속 필라멘트를 포함하는 프리프레그.
  13. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 필라멘트가 탄소, 현무암 섬유(basaltic fibre), 그라파이트(graphite), 유리, 금속화 폴리머(metalized polymer), 아라미드, 천연 섬유 및/또는 이들의 혼합물로부터 제조되는 프리프레그.
  14. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 프리프레그의 층들의 스택을 레이업(lay up)하고, 스택을 경화시킴으로써 층상 구조물을 생성시키는 방법.
  15. 작용가가 2 이상이고 EEW가 150 내지 1500인 에폭시 수지를 함유하고, 경화제를 함유하는 프리프레그의 스택(stack)으로서, 수지가 외부적으로 가해지는 온도에 의해 150℃에서 150초 이내로 경화가능하여 140℃ 이하의 Tg를 갖는 경화된 수지를 제공하는, 프리프레그의 스택.
  16. 제 15항에 있어서, 에폭시 수지 포뮬레이션이 140℃ 또는 그 미만의 온도에서 경화된 경우 20°미만의 위상 각을 갖는, 프리프레그의 스택.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 따른 경화된 프리프레그의 스택을 포함하는 층상 구조물(laminar structure).
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