KR20150107893A - 적층 기재 및 그의 제조 방법 - Google Patents

적층 기재 및 그의 제조 방법

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KR20150107893A
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다케시 이시카와
마사오 도미오카
마사히로 오스카
유지 후지타
유키치 고나미
다카히로 하야시
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Abstract

구조재에 적용 가능한 굽힘 강도나 굽힘 탄성률 등 우수한 역학 물성을 가지면서, 역학 특성의 격차가 낮고, 또 복잡한 형상으로의 부형성이 우수하며, 단시간에 성형 가능한 적층 기재, 및 그의 제조 방법을 제공한다. 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 매트릭스 수지를 포함하는 시트상의 프리프레그를 복수 장 적층한 적층 기재로서, 상기 프리프레그는, 표면으로부터 이면으로 관통한 절결을 갖고, 각 절결은 각 강화 섬유와 1회만 교차하도록 설치되며, 또한 상기 절결의 개시점과 종점을 잇는 선분의 길이를 Ls로 한 경우, 상기 선분의 길이 Ls와 절결의 길이 Lr이 하기 식 1의 관계를 만족시키고,
Ls≤Lr≤Ls×1.5 ···(식 1)
상기 선분과 상기 강화 섬유의 섬유 방향이 교차하는 각도가 30° 이상 90° 이하이며, 상기 프리프레그 1m2당 절결의 길이 Lr의 총합이 20m 이상 200m 이하인 프리프레그를 포함하는 적층 기재, 및 그의 제조 방법이다.

Description

적층 기재 및 그의 제조 방법{LAYERED SUBSTRATE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은, 스탬핑 성형 시의 복잡한 형상으로의 부형성(賦形性)이 우수하고, 단시간에 성형 가능하며, 또한 성형 후의 부품이 구조재에 적용 가능한 우수한 역학 물성, 낮은 격차성을 갖는 것을 특징으로 하는 적층 기재, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 리브, 보스 등의 3차원 형상의 성형에 용이하게 추종하고, 구조 부재로서 기계 강도를 유지하여, 예컨대 항공기 부재, 자동차 부재, 스포츠 용구 등에 적합하게 이용되는 섬유 강화 플라스틱의 중간 기재인 적층 기재, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은 2013년 3월 11일에 일본에 출원된 특허출원 2013-048018호 및 2013년 3월 11일에 일본에 출원된 특허출원 2013-048019호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
섬유 강화 열가소성 플라스틱의 성형 방법으로서는, 연속된 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시킨 기재(프리프레그)를 적층하고, 프레스 등으로 가열 가압하는 것에 의해 목적하는 형상으로 부형하는 스탬핑 성형이 가장 일반적으로 행해지고 있다. 이에 의해 얻어진 섬유 강화 플라스틱은 연속된 강화 섬유를 이용하고 있으므로 우수한 역학 물성을 갖는다. 또한 연속된 강화 섬유는 규칙적으로 배열함으로써, 필요로 하는 역학 물성으로 설계하는 것이 가능하며, 역학 물성의 격차도 작다. 그러나, 연속된 강화 섬유라서 3차원 형상 등의 복잡한 형상으로 하는 것은 어렵고, 이와 같이 제조된 섬유 강화 플라스틱은 주로 평면 형상에 가까운 부재에 한정되어 이용된다.
이 문제를 해결하기 위해서 좁은 폭의 테이프상의 프리프레그를 일정한 길이로 절단한 칩상의 프리프레그를 평면 상에 분산시키는 것에 의해, 스탬핑 성형성이 뛰어난 유동성이 좋은 시트를 얻는 방법이 개시되어 있다(특허문헌 1). 그러나 일정 폭과 길이를 가진 칩상의 프리프레그를 완전히 랜덤한 방향으로 평판 상에 배치하는 것은 극히 어렵고, 그 때문에 이와 같이 제조된 시트는, 동일 시트 내에서도 장소나 방향에 따라 역학 물성이 상이하다는 문제가 있다.
또한, 최근에는 생산 효율의 향상을 목적으로 강화 섬유를 직접 성형기의 스크류부로 보내어, 섬유의 절단과 분산을 동시에 행하고, 그 후 연속해서 사출 성형이나 압출 성형을 행하는 D-LFT 성형도 행해지고 있다(비특허문헌 1). 이 방법에 의하면 강화 섬유는 적당한 길이로 절단되어 있기 때문에 유동이 용이하여 3차원 형상 등의 복잡한 형상에도 추종 가능해진다. 그러나, D-LFT는 그의 절단 및 분산 공정에서 섬유 길이의 불균일이나 섬유 분포의 불균일을 발생시켜 버리기 때문에, 역학 물성이 저하되거나, 또는 그의 값의 격차가 커져 버린다는 문제가 있다.
전술한 바와 같은 재료의 결점을 메우기 위해서, 연속 섬유와 열가소성 수지로 이루어지는 프리프레그에 절결을 넣는 것에 의해, 단시간 성형이 가능하고, 성형 시에는 우수한 부형성을 나타내며, 섬유 강화 플라스틱으로 했을 때에 우수한 역학 물성을 발현한다고 여겨지는 적층 기재가 개시되어 있다(특허문헌 2 및 3). 그러나 이 적층 기재는, D-LFT와 비교하면 역학 특성은 높고, 또한 그의 격차가 작아지지만, 구조재로서 적용하기에 충분한 강도가 얻어진다고는 말할 수 없다.
또한 절결 형상을 최적화하는 것에 의해 전술한 강도나 그의 격차에 관한 문제에 대하여 개량하는 방법이 제시되어 있다(특허문헌 4∼6). 그러나 이 방법에 의하면 역학 특성과 격차의 개량은 보이지만, 얇은 리브나 보스 등의 복잡한 3차원 형상에 대한 균일한 유동성은 불충분하다. 또한 이 방법에 의하면 섬유 방향에 대하여 급준한 절결을 다수 배치할 필요가 있어, 커팅 플로터로 절단하는 경우에는 절결에 갖는 시간이 장대해진다. 또한 이 방법에 의하면, 타발(打拔)로 절결을 배치하는 경우에는, 타발 칼날의 제조 비용이 방대해질 뿐만 아니라, 타발 시에 섬유 방향으로 금이 생기기 쉬워, 인접하는 절결 사이에서 시트의 결락이 생긴다는 문제가 있다.
일본 특허공개 평07-164439호 공보 일본 특허공개 소63-247012호 공보 일본 특허공개 소63-267523호 공보 일본 특허공개 2008-207544호 공보 일본 특허공개 2008-207545호 공보 일본 특허공개 2009-286817호 공보
In-line compounding and molding of long-fiber reinforced thermoplastics (D-LFT): Insight into a rapid growing technology. ANTEC 2004 Conference Proceedings p. 3500
본 발명은 상기와 같은 종래 기술에 수반하는 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 구조재에 적용 가능한 굽힘 강도나 굽힘 탄성률 등 우수한 역학 물성을 가지면서, 그들 역학 특성의 격차가 낮고, 또 복잡한 형상으로의 부형성이 우수하며, 단시간에 성형 가능한 적층 기재, 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 검토한 결과, 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 매트릭스 수지를 포함하는 프리프레그에, 특정한 슬릿을 설치하는 것에 의해 상기 과제를 해결할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 즉, 본 발명은 하기 (1)∼(15)와 같은 실시태양을 갖는다.
(1) 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 매트릭스 수지를 포함하는 시트상의 프리프레그를 복수 장 적층한 적층 기재로서, 상기 프리프레그는, 표면으로부터 이면으로 관통한 절결을 갖고, 각 절결은 각 강화 섬유와 1회만 교차하도록 설치되며, 또한 상기 절결의 개시점과 종점을 잇는 선분의 길이를 Ls로 한 경우, 상기 선분의 길이 Ls와 절결의 길이 Lr이 하기 식 1의 관계를 만족시키고,
Ls≤Lr≤Ls×1.5 ···(식 1)
상기 선분과 상기 강화 섬유의 섬유 방향이 교차하는 각도가 30° 이상 90° 이하이며, 상기 프리프레그 1m2당 절결의 길이 Lr의 총합이 20m 이상 200m 이하인 프리프레그를 포함하는 적층 기재.
(2) 상기 절결에 의해서 절단된 강화 섬유의 길이가 5mm 이상 100mm 이하인 프리프레그를 포함하는 상기 (1)에 기재된 적층 기재.
(3) 상기 강화 섬유의 평균 단섬유 섬도가 0.5dtex 이상 2.4dtex 이하인 탄소 섬유인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 적층 기재.
(4) 상기 적층 기재가 열가소성 수지로 이루어지는 층을 추가로 포함하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(5) 상기 적층 기재를 구성하는 복수의 프리프레그가, 프리프레그에 포함되는 강화 섬유의 방향이 의사 등방(疑似等方)이 되도록 적층된 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(6) 상기 적층 기재를 구성하는 복수의 프리프레그가, 상기 프리프레그 중 임의의 하나에 포함되는 강화 섬유의 방향을 0°로 했을 때, 상기 프리프레그의 각각에 포함되는 강화 섬유의 방향이 0°인 프리프레그와 90°인 프리프레그가 교대로 적층되어 있는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(7) 절결의 개시점과 종점을 잇는 직선과 강화 섬유가 교차하는 각도가 30° 이상 60° 이하인 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(8) 상기 적층 기재를 구성하는 프리프레그에 포함되는 강화 섬유의 체적 함유율이 프리프레그의 전체 체적에 대하여 20체적% 이상 55체적% 이하인 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(9) 상기 프리프레그의 어느 5cm×5cm 부분에 있어서도, 당해 25cm2당 절결의 길이 Lr의 총합이 0.5m 이상 5m 이하인 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(10) 상기 적층 기재를 구성하는 프리프레그의 두께가 50μm 이상 200μm 이하인 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(11) 상기 적층 기재를 구성하는 프리프레그끼리가 접착되어 있는 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(12) 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상이, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮여 있는 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(13) 시트상물이 점착 테이프이고, 적층 기재의 외주를 따라 최하층 기재 외주부, 적층 기재의 외주 단면, 최상층 기재 외주부를 덮도록 점착 테이프가 붙여진 상기 (12)에 기재된 적층 기재.
(14) 프리프레그를 복수 장 적층하여 적층 기재를 제조하는 방법으로서, 프리프레그를 복수 장 적층한 후, 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상을, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮는 것을 특징으로 하는 적층 기재의 제조 방법.
(15) 상기 시트상물이 점착 테이프이고, 적층 기재의 외주를 따라 최하층 기재 외주부, 적층 기재의 외주 단면, 최상층 기재 외주부를 덮도록 점착 테이프를 붙이는 것을 특징으로 하는 상기 (14)에 기재된 적층 기재의 제조 방법.
또한, 하기 (16)∼(27)도 본 발명의 실시형태의 하나이다.
(16) 상기 절결이 레이저 마커를 이용하여 실시된 것인 상기 (1) 내지 (13) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(17) 상기 절결이 커팅 플로터를 이용하여 실시된 것인 상기 (1) 내지 (13) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(18) 상기 절결이 타발형을 이용하여 실시된 것인 상기 (1) 내지 (13) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(19) 상기 프리프레그의 적어도 1변의 길이가 1m 이상이고, 상기 프리프레그의 면적이 1m2 이상인 상기 (1) 내지 (13) 및 (16) 내지 (18) 중 어느 것인가에 한 항에 기재된 적층 기재.
(20) 상기 프리프레그가, 표면으로부터 이면으로 관통한 절결을 갖고, 각 절결은 각 강화 섬유와 1회만 교차하도록 설치되며, 또한 상기 절결의 개시점과 종점을 잇는 선분의 길이를 Ls로 한 경우, 상기 절결의 길이 Lr이 하기 식 1을 만족시키고,
Ls≤Lr≤Ls×1.5 ···(식 1)
상기 선분과 상기 강화 섬유의 섬유 방향이 교차하는 각도가 30° 이상 90° 이하이며, 상기 프리프레그 1m2당 절결의 길이 Lr의 총합이 20m 이상 200m 이하인 프리프레그인 상기 (14) 또는 (15)에 기재된 적층 기재의 제조 방법.
(21) 상기 절결이 레이저 마커를 이용하여 실시된 것인 상기 (20)에 기재된 적층 기재의 제조 방법.
(22) 상기 절결이 커팅 플로터를 이용하여 실시된 것인 상기 (20)에 기재된 적층 기재의 제조 방법.
(23) 상기 절결이 타발형을 이용하여 실시된 것인 상기 (20)에 기재된 적층 기재의 제조 방법.
(24) 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상을, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮기 전 또는 덮은 후에, 적층한 프리프레그끼리를 열 용착을 이용하여 접착하는 것을 특징으로 하는 상기 (14), (15) 및 (20) 내지 (23) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재의 제조 방법.
(25) 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상을, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮기 전 또는 덮은 후에, 적층한 프리프레그끼리를 진동 용착을 이용하여 접착하는 것을 특징으로 하는 상기 (14), (15) 및 (20) 내지 (23) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재의 제조 방법.
(26) 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상을, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮기 전 또는 덮은 후에, 적층한 프리프레그끼리를 열 프레스를 이용하여 접착하는 것을 특징으로 하는 상기 (14), (15) 및 (20) 내지 (23) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재의 제조 방법.
(27) 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상을, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮기 전 또는 덮은 후에, 적층한 프리프레그끼리를 열롤 프레스를 이용하여 접착하는 것을 특징으로 하는 상기 (14), (15) 및 (20) 내지 (23) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재의 제조 방법.
또한, 본 발명의 실시태양의 다른 측면에 있어서는 이하와 같은 태양도 갖는다.
(1A) 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하는 프리프레그를 복수 장 적층한 적층 기재로서, 상기 프리프레그는, 강화 섬유를 가로지르는 방향으로 강화 섬유를 절단하는 깊이의 절결을 갖고, 상기 절결이 직선상이고, 절결과 강화 섬유가 이루는 각도가 30° 이상 60° 이하이며, 상기 프리프레그 1m2당 절결 길이의 총합이 20m 이상 150m 이하인 프리프레그를 포함하는 적층 기재.
(2A) 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하는 프리프레그를 복수 장 적층한 적층 기재로서, 상기 프리프레그는, 강화 섬유를 가로지르는 방향으로 강화 섬유를 절단하는 깊이의 절결을 갖고, 상기 절결이 직선상의 중심선을 따른 곡선이며, 또한 곡선을 중심선에 투영했을 때에 겹침이 없고, 상기 중심선과 강화 섬유가 이루는 각도가 30° 이상 60° 이하이며, 상기 프리프레그 1m2당 절결 길이의 총합이 20m 이상 150m 이하인 프리프레그를 포함하는 적층 기재.
(3A) 절결에 의해서 절단된 강화 섬유의 길이가 10mm 이상 50mm 이하인 프리프레그를 포함하는 (1A) 또는 (2A) 중 어느 것인가에 기재가 있는 적층 기재.
(4A) 상기 적층 기재를 구성하는 프리프레그의 두께가 50μm 이상 200μm 이하인 상기 (1A) 내지 (3A) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
또한, 본 발명의 실시태양의 다른 측면에 있어서는 이하와 같은 태양도 갖는다.
(1B) 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하는 프리프레그를 복수 장 적층한 적층 기재로서, 상기 프리프레그는, 강화 섬유를 가로지르는 방향으로 강화 섬유를 절단하는 깊이의 절결을 갖고, 상기 절결이 직선상이고, 절결과 강화 섬유가 이루는 각도가 30° 이상 60° 이하이며, 상기 프리프레그 1m2당 절결 길이의 총합이 20m 이상 150m 이하, 프리프레그의 적어도 1변의 길이가 1m 이상, 프리프레그의 면적이 1m2 이상인 적층 기재.
(2B) 절결에 의해서 절단된 강화 섬유의 길이가 10mm 이상 50mm 이하인 (1B)에 기재된 적층 기재.
(3B) 상기 적층 기재를 구성하는 복수의 프리프레그가, 프리프레그에 포함되는 강화 섬유의 방향이 0°인 프리프레그(A)와 45°인 프리프레그(D)와 90°인 프리프레그(B)와 -45°인 프리프레그(F)가 교대로 적층된 (1B) 또는 (2B) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
(4B) 상기 적층 기재를 구성하는 복수의 프리프레그가, 프리프레그에 포함되는 강화 섬유의 방향이 0°(A)인 프리프레그와 45°인 프리프레그(D)와 90°인 프리프레그(B)와 -45°인 프리프레그(F)의 프리프레그가 각각 2개 이상을 조합하여 이루어지는 45°인 프리프레그(d, e)와 90°인 프리프레그(b, c)와 -45°인 프리프레그(f, g)가 교대로 적층된 (1B) 내지 (3B) 중 어느 한 항에 기재된 적층 기재.
본 발명에 의하면, 복잡한 형상으로의 부형성이 우수하고 단시간 성형 가능하며, 또한 구조재에 적용 가능한 굽힘 강도나 굽힘 탄성률 등 우수한 역학 물성, 그의 낮은 격차성을 가지는 적층 기재 및 그의 제조 방법을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직선상의 절결을 넣은 프리프레그를 나타내는 측단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직선상의 중심선을 따른 곡선인 절결을 넣은 프리프레그를 나타내는 측단면 모식도이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 기재는, 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 매트릭스 수지를 포함하는 시트상의 프리프레그를 복수 장 적층한 적층 기재로서, 상기 프리프레그는, 표면으로부터 이면으로 관통한 절결을 갖고, 각 절결은 각 강화 섬유와 1회만 교차하도록 설치되며, 또한 상기 절결의 개시점과 종점을 잇는 선분의 길이를 Ls로 한 경우, 상기 절결의 길이 Lr이 하기 식 1을 만족시키고,
Ls≤Lr≤Ls×1.5 ···(식 1)
상기 선분과 상기 강화 섬유의 섬유 방향이 교차하는 각도가 30° 이상 90° 이하이며, 상기 프리프레그 1m2당 절결의 길이 Lr의 총합이 20m 이상 200m 이하인 프리프레그를 포함하는 적층 기재이다.
(프리프레그)
본 실시형태에서 이용하는 프리프레그는, 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 매트릭스 수지를 포함하고, 강화 섬유와 교차하는 방향으로, 표면으로부터 이면으로 관통하는 절결을 갖는 시트상의 프리프레그이다. 일 방향으로 배향된 강화 섬유, 및 열가소성 매트릭스 수지에 대해서는 후술한다. 「강화 섬유와 교차하는 방향으로 절결을 갖는다」란, 후술하는 선상의 절결의 방향이 강화 섬유와 병행이 아닌 것이며, 절결과 교차하는 부위에 있어서 프리프레그에 포함되는 강화 섬유가 절단되어 있는 것이다.
일반적으로 적층 기재에 포함되는 강화 섬유의 길이는 길수록 역학 특성이 우수하지만, 스탬핑 성형 시의 유동성이 저하되는 경향이 있다. 한편, 스탬핑 성형 시의 유동성 향상을 위해서는, 강화 섬유가 짧은 것, 즉 강화 섬유가 어떤 길이로 절단되어 있는 것이 효과적이고, 이에 의해 리브나 보스와 같은 복잡한 3차원 형상으로도 유동하는 적층 기재를 얻을 수 있다. 그러나, 각각 임의의 방향으로 배향되도록 적층된 평판상의 적층 기재는 역학 특성에 격차를 발생시키기 때문에, 부품 설계가 곤란했다. 이 해결책으로서 절결을 가진 프리프레그를 복수 장 적층함으로써, 역학 특성이 양호하고, 게다가 격차가 작으며, 스탬핑 성형 시의 유동성이 우수한 적층 기재를 얻을 수 있다.
절결은 프리프레그의 표면으로부터 이면까지를 관통해 있다. 여기에서 프리프레그의 표면으로부터 이면이란, 적층 기재를 구성하는 복수 장의 프리프레그 각각에 대하여, 가장 면적이 넓은 한 쌍의 면을 표면 및 이면으로 한 것을 가리킨다. 절결이 프리프레그 내에서 많은 강화 섬유를 절단하고 있으므로, 적층 기재의 성형 시의 유동성을 우수한 것으로 할 수 있다.
스탬핑 성형 시의 유동성은, 절결의 개시점과 종점을 잇는 선분(직선)과 강화 섬유의 섬유 방향이 교차하는 각도(간단히 강화 섬유와 이루는 각도라고도 한다, 이하, 「θ」라고 한다), 및 프리프레그 1m2당 절결의 길이 Lr의 총합(이하, 「la」라고 한다)에 의존한다. 여기에서 절결의 개시점 및 종점이란, 후술하는 절결의 다양한 형상에 있어서 길이의 값도 가장 큰 방향을 취하여 그의 일단을 개시점, 타단을 종점으로 하지만, 후술하는 바와 같이 절결이 선상인 경우에는, 그 선의 일단과 타단을 가리킨다. 또한, 여기에서 θ는 선끼리가 교차할 때에 이루는 각도 중 예각의 측을 가리킨다.
θ의 값이 90도에 가까울수록 강화 섬유 사이의 전단력이 작아지기 때문에 유동성이 높고, la의 값이 클수록 유동성이 높아진다. 평판의 스탬핑 성형에 이용하는 프리프레그의 경우, θ는 25° 이상인 것이 바람직하고, la는 10m 이상이 바람직하다. 또 리브 등 복잡 형상의 스탬핑 성형의 경우, θ는 30° 이상인 것이 바람직하고, la는 20m 이상인 것이 바람직하다.
또한, 프리프레그의 어느 5cm×5cm 부분에 있어서도, 당해 25cm2당 절결의 길이 Lr의 총합(la)이 0.5m 이상 5m 이하인 것이 바람직하다.
프리프레그의 굽힘 강도, 굽힘 탄성률로 대표되는 역학 물성은, 상기 섬유와 교차하는(절단하는) 절결의 개시점과 종점을 잇는 선분과 강화 섬유가 교차하는 각도 θ뿐만 아니라, 1m2당 절결 길이의 총합 la에 의존한다. θ가 작을수록 기계 물성이 높다는 것이 알려져 있고(특허문헌 5), 또한 la가 작을수록 높은 역학 물성이 얻어진다. 예컨대 본 실시형태의 적층 기재를 자동차의 준구조 부재에 이용하기 위해서는, 프리프레그의 상기 θ가 70° 이하인 것이 바람직하고, la는 200m 이하인 것이 바람직하다. 또한, 굽힘 강도와 인장 강도의 밸런스가 보다 우수한 구조 부재에 이용하기 위해서는, θ는 60° 이하인 것이 바람직하고, la는 200m 이하인 것이 바람직하다.
절결을 실시한 프리프레그를 제조하는 시간이나 제조 비용은, 강화 섬유와 교차하는 절결과 강화 섬유가 교차하는 각도 θ뿐만 아니라, 1m2당 절결 길이의 총합 la에 크게 의존한다. θ가 작고, 또한 la가 큰 경우이고, 커팅 플로터로 절단하는 경우에는 절결 가공에 갖는 시간이 장대해진다. 또한 타발로 절결을 가공하는 경우에는, 타발 칼날 제조 비용이 방대해질 뿐만 아니라, 타발할 때에 강화 섬유 방향으로 금이 생기기 쉬워, 인접하는 절결 사이에서 시트의 결락이 생긴다. 이 때문에 θ는 15° 이상이 바람직하고, la는 200m 이하가 바람직하다. 또 절결 가공 후의 적층 공정을 고려하면, θ는 30° 이상이 바람직하고, la는 200m 이하가 더 바람직하다.
지금까지 기술한 바와 같이, θ와 la는, 적층 기재의 용도, 필요하다고 여겨지는 역학 특성, 가공성 등을 고려하면, θ가 30° 이상 90° 이하, la가 20m 이상 200m 이하여도 된다.
본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 프리프레그는, 절결에 의해 프리프레그에 포함되는 강화 섬유가 절단되어 있을 것이 필요하다. 절단된 강화 섬유의 길이(이하 「L」이라고 한다)는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 역학 특성과 유동성의 관점에서, 5mm 이상 100mm 이하가 바람직하다. 특히 충분한 역학 물성과 스탬핑 성형 시의 리브 등의 박육부로의 유동을 양립시키기 위해서는 5mm 이상 50mm 이하가 더 바람직하고, 10mm 이상 50mm 이하가 특히 바람직하다.
한편, 상기 절결의 형상은 선상, 특히 직선상이나 곡선상인 것이 바람직하다. 여기에서 직선(상) 또는 곡선(상), 즉 선상이라는 것은, 예컨대 절결의 길이에 대하여, 상기 프리프레그 표면에 있어서의 절결의 폭이 1.0mm 미만인 것이다. 상기 표면에 있어서의 절결의 폭이 이 조건 이내이면, 이 선상의 절결의 표면-이면의 단면에 있어서의 단면 형상은 장방형 또는 쐐기형 등의 어떤 형상이어도 된다.
각 절결은 각 탄소 섬유와 1회만 교차하도록 설치되며, 또한 절결의 개시점과 종점을 잇는 선분의 길이 Ls로 한 경우, 절결의 길이 Lr이 하기 식 1을 만족시키면 직선상일 필요는 없고, 예컨대 도 2에 나타낸 것과 같은 곡선을 이용할 수도 있다. 한편, Ls=Lv일 때, 절결은 직선상이다. 여기에서 절결의 길이란 절결의 중심을 따른 선이 곡선 형상인 경우, 그 곡선의 전체 길이(상기 중심을 따른 선 위를 타고 올라가는 도정의 총계)를 가리킨다.
Ls≤Lr≤Ls×1.5 ···(식 1)
절결의 형상을 곡선으로 함으로써, θ와 L의 값을 유지하면서, la를 크게 할 수 있다. 이 경우 높은 역학 물성을 유지하면서 스탬핑 성형성의 향상을 기대할 수 있으므로 바람직하다. 그러나 절결 가공에 갖는 시간이 장대화되기 때문에, 상기한 바와 같이 절결은 직선상인 것이 바람직하다.
각 절결이 각 탄소 섬유와 1회만 교차하도록 설치되어 있다는 것은, 동일한 하나의 절결은 하나의 탄소 섬유에 대하여 1회만 교차하도록 설치되어 있는(하나의 탄소 섬유에 하나의 절결이 복수 회 교차하는 경우는 없는) 상태를 가리킨다. 한편, 하나의 절결이 복수의 탄소 섬유와 교차하고 있는 상태여도 된다. 구체적으로는, 절결이 직선상 또는 만곡이 적은 곡선상이면, 이들 상태를 적합하게 실현할 수 있다.
본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 프리프레그는, θ와 la의 값이 소정의 범위 내이면, 절결의 길이와 절결의 수가 상이한 프리프레그를 적층해도 된다. 스탬핑 성형 시, 보스나 리브 등의 박육이고 3차원 형상을 갖는 부분에는 θ를 크게, 또한 la를 크게 하는 것이 바람직하다. 반대로 유동이 2차원적이고 유동 길이가 작으며, 높은 역학 물성을 필요로 하는 부분에는, θ를 작게, 또한 la를 작게 하는 것이 바람직하다.
본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 프리프레그는, 섬유 체적 함유율 Vf가 55% 이하이면, 충분한 유동성을 얻을 수 있으므로 바람직하다. Vf의 값이 낮을수록 유동성은 향상되지만, Vf의 값이 20% 미만이면 구조재에 필요한 역학 특성은 얻어지지 않는다. 유동성과 역학 특성의 관계를 감안하면, 20% 이상 55% 이하가 바람직하다. 이러한 Vf값은, 예컨대, 수중 치환법에 의해 얻어진 프리프레그의 밀도 ρc와, 마찬가지의 방법으로 얻어진 섬유의 밀도 ρf, 또한 프리프레그의 질량 W, 프리프레그를 연소해 수지를 소실시킨 후의 중량 W1로부터, 이하의 식을 이용하여 구하는 것을 이용한다.
Wf=(W-W1)×100/W ···식(2)
Vf=Wf×ρc/ρf ···식(3)
프리프레그의 두께에 관해서는, 본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 프리프레그는 절결을 갖기 때문에, 분단되는 프리프레그의 두께가 클수록 강도가 저하되는 경향이며, 구조재에 적용하는 것을 전제로 한다면, 프리프레그의 두께는 200μm 이하로 하는 것이 좋다. 한편 두께가 50μm 미만이면 프리프레그의 취급이 어렵고 적층 기재로 하기 위해서 적층하는 프리프레그의 수가 상당히 많아지므로, 생산성이 현저하게 악화된다. 따라서 생산성의 관점에서 50μm 이상 200μm 이하인 것이 바람직하다. 프리프레그의 두께 이외의 치수, 예컨대 프리프레그의 상기 평단면 형상이 장방형일 때에는, 상기 장방형의 길이나 폭은 적층 기재의 제조 방법에 적합하도록 임의로 결정할 수 있지만, 본 실시형태에서는, 적층 기재에 적층할 때에는 프리프레그의 길이나 폭이 각각 200∼2000mm 정도가 되도록 재단하여 이용해도 된다. 프리프레그의 적어도 1변의 길이, 구체적으로는 상기 평단면 형상에 있어서의 장방형의 길이 또는 폭은 1m 이상인 것이 바람직하다. 프리프레그의 면적, 구체적으로는 상기 평단면 형상에 있어서의 장방형의 면적은 1m2 이상인 것이 바람직하다.
본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 강화 섬유로서는, 강화 섬유의 종류는 특별히 한정되지 않고, 무기 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유, 또는 이들을 조합한 하이브리드 구성의 강화 섬유를 사용할 수 있다. 무기 섬유로서는, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 탄화규소 섬유, 알루미나 섬유, 텅스텐 카바이드 섬유, 보론 섬유, 유리 섬유 등을 들 수 있다. 유기 섬유로서는, 아라미드 섬유, 고밀도 폴리에틸렌 섬유, 기타 일반의 나일론 섬유, 폴리에스터 등을 들 수 있다. 금속 섬유로서는, 스테인레스, 철 등의 섬유를 들 수 있고, 또한 금속을 피복한 탄소 섬유여도 된다. 이들 중에서는, 최종 성형물의 강도 등의 기계 특성을 고려하면, 탄소 섬유가 바람직하다. 또한, 강화 섬유의 평균 섬유 직경은 1∼50μm인 것이 바람직하고, 5∼20μm인 것이 더 바람직하다.
본 실시형태의 프리프레그는 전술한 강화 섬유가 일 방향으로 배향되어 이루어진다. 일 방향으로 배향(또는 일 방향으로 배열)되어 이루어진다는 것은, 섬유의 장척의 방향이 거의 평행인 것이다. 거의 평행이라는 것은, 구체적으로는 프리프레그가 함유하는 섬유 중 90∼100%의 장척의 방향이 -5°∼+ 5°의 범위 내에 속해 있는 것이며, 바람직하게는 섬유의 95∼100%의 장척의 방향이 -2°∼+ 2°의 범위에 속해 있는 것이다. 본 실시형태에서는 특히, 프리프레그의 제조에 있어서, 섬유를 맞댄 섬유속에 장력을 거는 것에 의해 방향을 거의 맞춤으로써, 섬유가 일 방향으로 배향되어 이루어지는(이 상태를, 섬유가 일 방향으로 당겨 정렬되어 있다고도 함) 것이 바람직하다.
상기 강화 섬유의 평균 단섬유 섬도는 통상 0.1dtex 이상 5.0dtex 이하이다. 평균 단섬유 섬도가 지나치게 낮으면 강화 섬유의 개섬(開纖)이 어려워 프리프레그의 제조가 불가능해지고, 지나치게 높으면 역학 물성의 저하가 생긴다. 여기에서, 평균 단섬유 섬도란 10,000m당 섬유의 질량으로서 정의되는 값이며, 일정 길이의 섬유속의 질량을 섬유수로 나누어, 길이 10,000m로 환산하는 것에 의해 계측된다. 본 실시형태에서 이용하는 강화 섬유로서는, 평균 단섬유 섬도가 0.5dtex 이상 2.4dtex 이하인 탄소 섬유가 특히 바람직하다.
본 실시형태의 적층 기재에는 열가소성 수지를 이용한다. 즉, 불연속인 강화 섬유를 이용한 섬유 강화 플라스틱의 경우, 강화 섬유 단부끼리를 연결하도록 파괴하기 위해, 일반적으로 열경화성 수지보다도 인성값이 높은 열가소성 수지를 이용함으로써 강도, 특히 내충격성(대충격성)이 향상된다. 또 열가소성 수지는 화학 반응을 수반함이 없이 냉각 고화하여 형상을 결정하므로, 단시간 성형이 가능하여, 생산성이 우수하다. 이와 같은 열가소성 수지로서는, 폴리아마이드(나일론 6 또는 나일론 66 등), 폴리올레핀(폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등), 변성 폴리올레핀, 폴리에스터(폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트 등), 아크릴(폴리메타크릴산 메틸 등), 폴리카보네이트, 폴리아마이드이미드, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리설폰, 폴리에터 설폰, 폴리에터 에터 케톤, 폴리에터이미드, 폴리스타이렌, ABS, 폴리페닐렌 설파이드, 액정 폴리에스터, 또는 아크릴로나이트릴과 스타이렌의 공중합체 등을 이용할 수 있다. 또한, 이들의 혼합물을 이용해도 된다. 또, 나일론 6과 나일론 66의 공중합 나일론과 같이 공중합한 것이어도 된다. 본 실시형태에서 이용하는 열가소성 수지로서는, 강화 섬유와의 친화가 좋고 높은 역학 물성과 높은 유동성의 관점에서, 특히 폴리아마이드, 폴리올레핀, 변성 폴리올레핀, 아크릴 또는 폴리카보네이트가 바람직하다. 또한, 얻고자 하는 성형품의 요구 특성에 따라, 난연제, 내후성 개량제, 기타 산화 방지제, 열 안정제, 자외선 흡수제, 가소제, 활제, 착색제, 상용화제 또는 도전성 필러 등을 첨가해 둘 수도 있다. 본 실시형태에서는, 이 열가소성 수지를 구성 소재로 하는 열가소성 매트릭스 수지를 이용한다.
(적층 기재)
본 실시형태에 있어서의 적층 기재는 전술한 프리프레그를 복수 장 적층한 적층 기재이다. 구체적으로는 프리프레그를 2장 이상 적층한 적층 기재로서, 높은 유동성의 관점에서 프리프레그를 4장 이상 적층한 적층 기재가 바람직하고, 특히 바람직하게는 프리프레그를 8장 이상 적층한 적층 기재이다. 한편, 제조 비용의 관점에서, 통상은 프리프레그를 192장 이하 적층한 적층체이며, 바람직하게는 프리프레그를 96장 이하 적층한 적층체이다.
본 실시형태의 적층 기재는, 복수 장의 프리프레그를 강화 섬유의 방향이 의사 등방이 되도록 적층되어 있는 것이, 프레스 시의 유동의 이방성을 작게 하는 점에서 바람직하다. 여기에서 의사 등방이란, 각 층의 섬유가 360°/n(n은 대중으로 해서 3 이상의 정수)으로 나타내는 등각으로 적층되는 것을 말한다. 프리프레그가 의사 등방이 되도록 적층됨으로써, 보다 많은 방향에서 강성이나 탄성 등의 물리적 성질이 우수한 것이 얻어진다. 본 실시형태에서는, 예컨대 n=8, 즉 각 섬유가 45°의 등각으로 적층된 것을 이용하고 있다.
본 실시형태의 적층 기재는, 프리프레그에 포함되는 강화 섬유의 방향이 0°인 프리프레그와 90°인 프리프레그가 교대로 적층되어 있는 것이, 적층 기재의 강도의 이방성을 작게 하는 점에서 바람직하다. 여기에서 강화 섬유의 방향에 대해서는, 상기 프리프레그 중 임의의 하나에 포함되는 강화 섬유의 방향을 0°로 했을 때, 상기 0° 에 대한 방향을 가리킨다.
본 실시형태의 적층 기재는, 적층 기재를 구성하는 복수의 프리프레그 사이에, 추가로 열가소성 수지로 이루어지는 층을 적층하는 것이, 프레스 시의 유동성을 더욱 향상시키는 점에서 바람직하다. 이와 같은, 열가소성 수지로 이루어지는 층으로서는, 프리프레그에 포함되는 수지 조성물과 동일한 수지 조성물이거나, 또는 폴리아마이드(나일론 6 또는 나일론 66 등), 폴리올레핀(폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등), 변성 폴리올레핀, 폴리에스터(폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트 등), 아크릴(폴리메타크릴산 메틸 등), 폴리카보네이트, 폴리아마이드이미드, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리설폰, 폴리에터 설폰, 폴리에터 에터 케톤, 폴리에터이미드, 폴리스타이렌, ABS, 폴리페닐렌 설파이드, 액정 폴리에스터, 또는 아크릴로나이트릴과 스타이렌의 공중합체 등등을 바람직하게 이용할 수 있다. 프리프레그와의 친화가 좋고 높은 역학 물성과 높은 유동성의 관점에서, 특히 바람직하게는 폴리아마이드, 폴리올레핀, 변성 폴리올레핀, 아크릴 또는 폴리카보네이트이다.
본 실시형태의 적층 기재는, 섬유 체적 함유율 Vf가 55% 이하이면, 충분한 유동성을 얻을 수 있으므로 바람직하다. Vf의 값이 낮을수록 유동성은 향상되지만, Vf의 값이 20% 미만이면 구조재에 필요한 역학 특성은 얻어지지 않는다. 상기 Vf는 이들 유동성과 역학 특성의 관계를 감안하면, 20% 이상 55% 이하가 바람직하다. 이러한 Vf값은 전술한 방법에 기초하여 측정할 수 있다.
본 실시형태의 적층 기재의 두께는, 적층 기재에 요구되는 사양에도 의존하지만, 절결 가공성의 관점에서, 통상 10∼500μm이고, 바람직하게는 50∼200μm이다. 여기에서 적층 기재의 두께는, 적층 기재의 임의의 복수의 부위를 마이크로미터로 측정했을 때의 값을 이용한다.
본 실시형태에 있어서의 적층 기재는, 적층 기재의 취급의 관점에서, 적층 기재를 구성하는 프리프레그끼리가 접착되어 있는 것이 바람직하다. 적층 기재를 구성하는 복수의 프리프레그 사이에, 열가소성 수지로 이루어지는 층 등의 프리프레그 이외의 층을 추가로 적층하는 경우에는, 상기 층과 프리프레그가 접착되어 있는 것이 바람직하다. 프리프레그끼리의 접착은 임의의 방법에 의해 행해져 있어도 되지만, 접착제를 개재하거나, 또는 후술하는 바와 같이 열 용착 또는 진동 용착된 것이어도 된다.
본 실시형태의 적층 기재는, 취급의 관점에서, 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상이, 보다 바람직하게는 60% 이상이, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮여 있는 것이 바람직하다. 여기에서, 외주 단면 부분이란 구체적으로는 적층 기재의 표면과 이면 이외의 면, 즉 적층 기재의 표면과 이면을 포함하지 않는 외주 부분의 면을 가리킨다. 적층 기재의 외주를 따라 최하층 기재 외주부, 적층 기재의 외주 단면, 최상층 기재 외주부를 덮도록 해당 시트로 덮여 있는 것이 보다 바람직하다. 최하층 기재 외주부란 적층 기재의 가장 아래의 층을 구성하는 기재의 주변 부분 근방의 범위, 적층 기재의 외주 단면이란 적층 기재의 표면과 이면을 포함하지 않는 외주 부분의 면, 최상층 기재 외주부란 적층 기재의 가장 위의 층을 구성하는 기재의 주변 부분 근방의 범위를 가리킨다.
「프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지한다」란, 상기 시트상물이 상기 온도(매트릭스 수지의 융점+10℃)와 23℃에서의 영률의 비가 0.8 이상인 것을 의미한다. 시트상이란, 면적이 두께에 대하여 특히 큰(대중으로 해서 폭 및 길이가 면적의 적어도 1/100 이상)의 형상을 가리킨다. 상기 시트상물로서는, 예컨대 종이, 천, 플라스틱 필름 또는 금속박 등을 들 수 있다. 상기 시트상물은, 사용의 용이성의 관점에서, 점착 테이프를 이용하는 어떤 것이 바람직하다.
(적층 기재의 제조 방법)
이하에 본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 프리프레그의 제조 방법의 일 실시형태를 설명하지만, 본 실시형태는 이에 의해서 특별히 제한되는 것은 아니다.
본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 프리프레그는, 예컨대 필름상으로 한 열가소성 수지를 2장 준비하고, 그 2장 사이에 강화 섬유를 시트상으로 나열한 강화 섬유 시트를 끼워 넣어, 가열 및 가압을 행하는 것에 의해 얻을 수 있다.
강화 섬유 시트는 이하와 같은 방법에 의해 제조된 것을 이용한다. 예컨대, 탄소 섬유를 일 방향으로 당겨 정렬할 때에는, 섬유를 배열시켜 장력을 거는 등의 수법에 의해 행한다.
이 강화 섬유 시트를 열가소성 수지의 필름에 끼워 넣어서 프리프레그로 할 때에는, 보다 구체적으로는, 2장의 열가소성 수지로 이루어지는 필름을 송출하는 2개의 롤로부터 2장의 필름을 송출함과 더불어, 강화 섬유 시트의 롤로부터 공급되는 강화 섬유 시트를 2장의 필름 사이에 끼워지게 한 후에 가열 및 가압한다. 가열 및 가압하는 수단으로서는, 공지된 것을 이용할 수 있고, 2개 이상의 열롤을 이용하거나, 예열 장치와 열롤의 쌍을 복수 사용하거나 하는 등의 다단계의 공정을 필요로 하는 것이어도 된다. 여기에서, 필름을 구성하는 열가소성 수지는 한 종류일 필요는 없고, 다른 종류의 열가소성 수지로 이루어지는 필름을 상기와 같은 장치를 이용하여 추가로 적층시켜도 된다.
상기 가열 온도는, 열가소성 수지의 종류에도 의존하지만, 통상 100∼400℃인 것이 바람직하다. 한편, 가압 시의 압력은 통상 0.1∼10MPa인 것이 바람직하다. 이 범위이면, 프리프레그에 포함되는 강화 섬유 사이에 열가소성 수지를 함침시킬 수 있으므로 바람직하다. 또한, 본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 프리프레그는 시판되고 있는 프리프레그를 이용할 수도 있다.
본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 프리프레그의 절결은 레이저 마커, 커팅 플로터 또는 발형(拔型) 등을 이용하여 절결을 넣는 것에 의해 얻을 수 있다. 즉, 레이저 마커에 의해서 프리프레그의 열가소성 수지에 대하여 열에 의해 형상을 뚫는 것에 의해 절결을 얻거나, 커팅 플로터에 의해서 프리프레그의 표면을 베어내는 것에 의해 절결을 얻거나 또는 발형에 의해서 프리프레그로부터 일정 형상을 베어내는 것에 의해 절결을 얻는 등이다. 그러나, 상기 절결이 레이저 마커를 이용하여 실시된 것이면, 곡선이나 지그재그선 등 복잡한 절결을 고속으로 가공할 수 있다는 효과가 있으므로 바람직하고, 또한 상기 절결이 커팅 플로터를 이용하여 실시된 것이면, 2m 이상의 대형의 프리프레그층을 가공할 수 있다는 효과가 있으므로 바람직하다. 또, 상기 절결이 발형을 이용하여 실시된 것이면, 고속으로 가공이 가능하다는 효과가 있으므로 바람직하다.
다음 공정에서는, 상기와 같이 해서 얻어진 프리프레그를 강화 섬유의 방향이 의사 등방 또는 교대 적층이 되도록 적층하여 적층 기재를 작성한다. 이때 취급의 용이성으로부터 초음파 용착기(니혼에머슨사제, 제품명: 2000LPt)로 스폿 용접하여 적층 기재로 할 수도 있다. 또한, 본 실시형태의 적층 기재는 프리프레그를 8∼96층이 되도록 적층하는 것이 바람직하다.
다음 공정에서는, 상기와 같이 해서 얻어진 적층 기재를 가열 및 가압(핫 스탬핑)하여 일체화한 적층 기재를 성형한다. 이 공정은, 가열 및 가압에 통상 이용되는 여러 가지의 장치, 예컨대 가열 프레스기를 이용하여 행할 수 있고, 그때에 이용하는 형에 대해서는, 원하는 형상을 갖는 것을 이용할 수 있다. 형의 재질에 대해서도, 핫 스탬핑 성형에서 통상 이용되는 것을 채용할 수 있고, 금속제의 각종 형을 이용할 수 있다. 구체적으로 본 공정은, 예컨대 상기 적층 기재를 형 내에 배치하여 가열 및 가압하는 것에 의해 행할 수 있다.
상기 가열에 있어서는, 적층 기재에 포함되는 열가소성 수지의 종류에도 의존하지만, 100∼400℃에서 가열하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 150∼350℃에서 가열하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 가열에 앞서, 예비 가열을 행해도 된다. 예비 가열에 대해서는, 통상 150∼400℃, 바람직하게는 200∼380℃에서 가열하는 것이 바람직하다.
상기 가압에 있어서 적층 기재에 거는 압력으로서는, 바람직하게는 0.1∼10MPa이고, 보다 바람직하게는 0.2∼2MPa이다. 이 압력에 대해서는, 프레스력을 적층 기재의 면적으로 나눈 값으로 한다.
상기 가열 및 가압하는 시간은 0.1∼30분간인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 0.5∼10분간이다. 또한, 가열 및 가압 후에 마련하는 냉각 시간은 0.5∼30분간인 것이 바람직하다. 상기 핫 스탬핑 성형을 거친 본 실시형태에 따른 일체화한 적층 기재의 두께는 0.5∼10mm인 것이 바람직하다.
한편, 상기 가열 및 가압은 형과 상기 적층 기재 사이에 윤활제가 존재하는 조건 하에서 행해도 된다. 윤활제의 작용에 의해, 상기 가열 및 가압 시에 상기 적층 기재를 구성하는 프리프레그에 포함되는 강화 섬유의 유동성이 높아지기 때문에, 강화 섬유 사이로의 열가소성 수지의 함침이 높아짐과 더불어, 얻어지는 적층 기재에 있어서 강화 섬유 사이 및 강화 섬유와 열가소성 수지 사이에서의 보이드를 저감시킬 수 있기 때문이다.
상기 윤활제로서는, 예컨대 실리콘계 윤활제나 불소계 윤활제를 이용할 수 있다. 또한, 상기 윤활제로서는 이들의 혼합물을 이용해도 된다. 상기 윤활제에 이용하는 실리콘계 윤활제로서는, 고온 환경에서 이용할 수 있는 내열성의 것이 바람직하게 이용된다. 보다 구체적으로는, 메틸페닐 실리콘 오일이나 다이메틸실리콘 오일과 같은 실리콘 오일을 들 수 있고, 시판되고 있는 것을 바람직하게 이용할 수 있다. 불소계 윤활제로서는, 고온 환경에서 이용할 수 있는 내열성의 것이 바람직하게 이용된다. 그와 같은 것의 구체예로서는, 퍼플루오로폴리에터 오일이나 삼불화 염화에틸렌의 저중합물(질량 평균 분자량 500∼1300)과 같은 불소 오일을 이용할 수 있다.
상기 윤활제는, 상기 적층 기재의 편측 또는 양측의 표면 상, 상기 형의 편측 또는 양측의 표면 상, 또는 상기 적층 기재 및 형의 쌍방의 편측 또는 양측의 표면 상에, 윤활제 도포 장치 등의 적당한 수단에 의해서 공급되어도 되고, 미리 형의 표면 상에 도포해 두어도 된다. 그 중에서도 적층 기재의 양측의 표면에 윤활제가 공급되는 태양이 바람직하다.
본 실시형태의 적층 기재에 이용할 수 있는 프리프레그는, 인접하는 층을 이루는 프리프레그끼리를 초음파 용착기로 스폿 용접하면서 적층함으로써 적층 기재로 할 수도 있어, 취급을 용이하게 하는 점에서 바람직하다.
본 실시형태의 적층 기재의 제조 방법의 다른 실시형태로서, 프리프레그를 복수 장 적층하여 적층 기재를 제조하는 방법으로서, 프리프레그를 복수 장 적층한 후, 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상을, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮는 것을 특징으로 하는 적층 기재의 제조 방법을 들 수 있다. 당해 제조 방법에 의해, 적층 기재를 용이하게 취급할 수 있다.
프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물에 대해서는 전술한 대로이다. 또한, 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상을, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮는 것에 대해서도, 전술한 대로이다.
본 실시형태의 적층 기재의 제조 방법에 있어서는, 생산성의 관점에서, 상기 시트상물이 점착 테이프이고, 적층 기재의 외주를 따라 최하층 기재 외주부, 적층 기재의 외주 단면, 최상층 기재 외주부를 덮도록 점착 테이프를 붙이는 것을 특징으로 하는 상기의 적층 기재의 제조 방법으로 하는 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태의 적층 기재의 제조 방법에 있어서는, 얻어지는 적층 기재가 구조재에 적용 가능한 굽힘 강도나 인장 탄성률 등 우수한 역학 물성을 가지면서, 역학 특성의 격차가 낮고, 또 복잡한 형상으로의 부형성이 우수하다는 관점에서, 적층 기재의 제조 방법에 있어서는, 프리프레그는 전술한, 표면으로부터 이면으로 관통한 절결을 갖고, 각 절결은 각 강화 섬유와 1회만 교차하도록 설치되며, 또한 상기 절결의 개시점과 종점을 잇는 선분의 길이를 Ls로 한 경우, 상기 선분의 길이 Ls와 상기 절결의 길이 Lr이 하기 식 1의 관계를 만족시키고,
Ls≤Lr≤Ls×1.5 ···(식 1)
절결의 개시점과 종점을 잇는 직선과 강화 섬유가 교차하는 각도가 30° 이상 90° 이하인 것이 바람직하다. 또, 상기 프리프레그는 상기 절결의 절결의 길이가 5∼100mm이고, 상기 프리프레그 1m2당 절결의 길이의 총합이 20m 이상 200m 이하인 프리프레그인 것이 바람직하다.
프리프레그에 상기 절결을 실시하는 방법으로서는, 예컨대 레이저 마커를 이용하여 실시하는 방법, 커팅 플로터를 이용하여 실시하는 방법, 타발형을 이용하여 실시하는 방법 등을 들 수 있다. 이 조작은, 프리프레그 시트를 적층하기 전에, 프리프레그 시트에 대하여 행해도 된다.
적층 기재를 구성하는 프리프레그끼리를 접착시키는 방법으로서는, 예컨대 적층한 프리프레그끼리를 열 용착을 이용하여, 즉 프리프레그에 열을 가하여 프리프레그에 포함되는 수지 등의 일부를 용해시키는 것에 의해 접착하는 방법, 적층한 프리프레그끼리를 진동 용착을 이용하여, 즉 프리프레그에 진동을 가하여 프리프레그에 포함되는 수지 등의 일부를 용해시키는 것에 의해 접착하는 방법, 적층한 프리프레그끼리를 열 프레스를 이용하여, 즉 프리프레그에 열 및 압력을 가하여 프리프레그에 포함되는 수지 등의 일부를 용해시키는 것에 의해 접착하는 방법, 적층한 프리프레그끼리를 열롤 프레스를 이용하여, 즉 프리프레그에 열 및 압력을 가하여 프리프레그에 포함되는 수지 등의 일부를 용해시키는 것에 의해 접착하는 방법 등을 들 수 있다. 이 조작은, 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상을, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮는 조작의 전후에 행해도 된다.
(프레스에 의한 유동성의 평가)
본 실시형태의 적층 기재는, 성형 시의 유동성이 양호하기 때문에, 여러 가지의 복잡한 형상으로 성형할 수 있다. 이러한 유동성은, 예컨대, 적층 기재를 가열 및 가압한 경우에, 가열 및 가압 후의 두께가 가열 및 가압 전의 두께에 비하여 작아져 있는 정도가 큰 것에 의해 평가할 수 있다. 구체적으로는, 예컨대, 가열 및 가압하여 일체화한 두께 2mm의 적층 기재를 78mm 각으로 잘라낸 후에 2장을 겹쳐, 미리 230℃로 가온한 히터 내에서 10분간 유지하고, 그 후 바로 145℃로 가열한 소형 프레스(도요정기사제, 제품명: 미니테스트프레스 MP-2FH)에 옮겨 협지하여, 10MPa, 60초 조건에서 프레스한 경우에, 프레스 전의 두께를 프레스 후의 두께로 나눈 값이 클수록 유동성이 우수하다고 한다. 본 실시형태의 적층 기재의 유동성은 통상 2.0 이상, 바람직하게는 2.5 이상이다.
(3점 굽힘 시험)
또한, 본 실시형태의 가열 및 가압하여 일체화한 적층 기재는 파괴 강도(굽힘 강도)가 우수하다. 이러한 굽힘 강도는 JIS K7074에 의거해서 측정할 수 있다. 본 실시형태의 적층 기재의 굽힘 강도는 통상 250MPa 이상, 바람직하게는 300MPa 이상이다.
(인장 시험)
또한, 본 실시형태의 가열 및 가압하여 일체화한 적층 기재는 인장 강도가 우수하다. 이러한 인장 강도는 JIS K7164에 의거해서 측정할 수 있다. 본 실시형태의 적층 기재의 굽힘 강도는 통상 150MPa 이상, 바람직하게는 200MPa 이상이다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명의 실시형태를 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 실시예에 기재된 발명에 한정되는 것은 아니다.
(평가 방법)
본 실시예에 있어서 프레스에 의한 유동성의 평가는, 전술과 같이, 가열 및 가압하여 일체화한 두께 2mm의 적층 기재를 78mm 각으로 잘라낸 후에 2장을 겹쳐, 미리 230℃로 가온한 히터 내에서 10분간 유지하고, 그 후 바로 145℃로 가열한 소형 프레스(도요정기사제, 제품명: 미니테스트프레스 MP-2FH)에 옮겨 협지하여, 10MPa, 60초 조건에서 프레스한 경우에, 프레스 전의 두께를 프레스 후의 두께로 나눈 값을 평가했다.
3점 굽힘 시험은, 전술한 JIS K7074에 의거해서, 25mm 폭, 100mm 길이의 시험편을 표점간 거리 80mm, R 2mm의 지지 상에 두고, R 5mm의 압자(壓子)를 이용하여, 크로스헤드 속도 5mm/min으로 3점 굽힘 시험을 행했다.
인장 강도의 시험은, 전술한 JIS K7164에 의거해서, 25mm 폭, 250mm 길이의 시험편을 양단으로부터 25mm를 척으로 고정하여, 크로스헤드 속도 2mm/min으로 인장 시험을 행했다.
(실시예 1)
탄소 섬유(미쓰비시레이온제, 제품명: 파이로필(등록상표) TR-50S15L)를, 강화 섬유의 방향이 일 방향이 되도록 평면상으로 당겨 정렬하여 평량이 72.0g/m2인 강화 섬유 시트로 했다. 이 강화 섬유 시트의 양면을 산 변성 폴리프로필렌 수지제의 필름(미쓰비시화학사제, 제품명: 모딕(등록상표) P958, 평량: 36.4g/m2)으로 협지하고, 캘린더 롤을 통해서, 열가소성 수지를 강화 섬유 시트에 함침시켜, 섬유 체적 함유율(Vf)이 33%, 두께가 0.12mm인 프리프레그를 얻었다.
얻어진 프리프레그를 300mm 각으로 잘라내고, 커팅 플로터(레작사제, 제품명: L-2500)를 이용하여 도 1에 나타내는 바와 같이 일정 간격으로 직선상(Ls=Lr)의 절결을 넣었다. 그때, 시트의 단부로부터 5mm 내측 부분을 제외하고, L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=20.0mm가 되도록, θ=30°의 절결 가공을 실시했다. 이때 la=80.0m였다.
또한 시트 한 장을 절결 가공하는 시간을 측정하여, 절결 가공 시간으로 정의했다.
이와 같이 해서 얻어진 절결 16층을 의사 등방([0/45/90/-45]s2)으로 겹치고, 초음파 용착기(니혼에머슨사제, 제품명: 2000LPt)로 스폿 용접하여 적층 기재를 작성했다.
이와 같이 해서 얻은 적층 기재를 300mm 각으로 깊이 1.5mm의 인롱형(印籠型) 내에 배치해 가열하고 압축 성형기(신토금속공업소제, 제품명: SFA-50HH0)를 이용하여, 고온측 프레스로 220℃, 유압 지시 0MPa의 조건에서 7분간 유지하고, 이어서 동일 온도로 유압 지시 2MPa(프레스압 0.55MPa)의 조건에서 7분간 유지 후, 형을 냉각 프레스에 이동시켜, 30℃, 유압 지시 5MPa(프레스압 1.38MPa)로 3분간 유지함으로써 성형품을 얻었다.
얻어진 적층 기재는, 강화 섬유의 기복이 없어, 그의 단부까지 강화 섬유가 균등하게 유동해 있으며, 휨도 없어, 양호한 외관과 평활성을 유지하고 있었다.
얻어진 적층 기재로부터, 길이 100mm, 폭 25mm의 굽힘 강도 시험편을 잘라냈다. JIS K7074에 규정되는 시험 방법에 따라서, 만능 시험기(인스트론사제, 제품명: 4465형)를 이용하여, 표점간 거리를 80mm로 하고, 크로스헤드 속도 5.0mm/분으로 3점 굽힘 시험을 행했다. 측정한 시험편의 수는 n=6으로 하고, 그의 전체 평균값을 굽힘 강도로 했다.
얻어진 적층 기재로부터, 길이 250mm, 폭 25mm의 인장 시험편을 잘라냈다. JIS K7164에 규정되는 시험 방법에 따라서, 만능 시험기(인스트론사제, 제품명: 4465형)를 이용하여, 크로스헤드 속도 2.0mm/분으로 인장 시험을 행했다. 측정한 시험편의 수는 n=6으로 하고, 그의 전체 평균값을 인장 강도로 했다.
얻어진 적층 기재로부터, 세로 78mm, 가로 78mm의 판상물을 2장 잘라냈다. 그 판상물을 2장 겹쳐서, 미니테스트프레스(도요정기사제, 제품명: MP-2FH)를 이용하여 230℃에서 10분간 가열 후, 145℃, 10MPa 조건에서 60초간 프레스했다. 프레스 성형 전후에서의 두께를 측정하여, 초기 두께를 최종 두께로 나누는 것에 의해 유동성의 평가로 했다.
실시예 1의 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 2)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=40.0mm가 되도록, θ=30°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=80.0m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 3)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=60.0mm가 되도록, θ=30°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=80.0m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 4)
L=37.5mm 일정, 절결의 길이 l=40.0mm가 되도록, θ=30°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=53.3m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 유동성, 인장 강도 및 가공 시간 모두 양호했다.
(비교예 1)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=86.4mm가 되도록, θ=10°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시했다. 그러나 커팅 플로터에서는 칼날이 미끄러져, 절결 가공을 실시할 수 없었다.
(비교예 2)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=77.3mm가 되도록, θ=15°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=154.5m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도 및 가공 시간은 양호했지만, 유동성이 불충분했다.
(비교예 3)
L=3.0mm 일정, 절결의 길이 l=40.0mm가 되도록, θ=30°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=666.7m였다. 평가 결과는, 굽힘 탄성 및 유동성은 양호했지만, 굽힘 강도와 인장 강도가 불충분하며, 가공 시간이 장대했다.
(비교예 4)
L=3.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=471.4m였다. 평가 결과는, 굽힘 탄성 및 유동성은 양호했지만, 굽힘 강도와 인장 강도가 불충분하며, 가공 시간이 장대했다.
(실시예 5)
L=12.5mm 일정, 절결의 길이 l=40.0mm가 되도록, θ=30°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=160.0m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 6)
L=12.5mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=113.1m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 7)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=14.1mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=56.6m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 8)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=56.6m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 9)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=42.4mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=56.6m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 10)
L=37.5mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=37.7m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 11)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=23.1mm가 되도록, θ=60°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=46.2m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 12)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=20.7mm가 되도록, θ=75°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=41.4m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 13)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=20.0mm가 되도록, θ=90°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=40.0m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 14)
L=50.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=28.3m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(비교예 5)
L=100.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=14.1m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도 및 가공 시간 모두 양호했지만, 유동성이 불충분했다.
(실시예 15)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=42.4mm가 되도록, 강화 섬유에 대한 각도 θ=30°의 X축(X축은 절결의 개시점과 종점을 잇는 직선)에 대하여, y=sin(0.5X)mm로 한 사인 곡선상의 절결 가공을 실시한 것(도 2) 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때, 1.1Ls=Lr, la=84.9m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 16)
L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=34.6mm가 되도록, 강화 섬유에 대한 각도 θ=45°의 X축(X축은 절결의 개시점과 종점을 잇는 직선)에 대하여, y=2.0sin(0.5X)mm로 한 사인 곡선상의 절결 가공을 실시한 것(도 2) 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때, 1.2Ls=Lr, la=69.2m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 17)
절결 가공을 레이저 마커(파나소닉전공SUNX사제, 제품명: LP-S500)로 행하고, L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=56.6m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 18)
절결 가공을 특별히 작성한 발형과 압축 성형기(신토금속공업소제, 제품명: SFA-50HH0)로 행하고, L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=56.6m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 19)
일 방향으로 탄소 섬유(미쓰비시레이온사제, 제품명: 파이로필(등록상표) TR-50S15L)를 평면상으로 당겨 정렬하여 평량이 78.0g/m2가 되는 강화 섬유 시트로 하고, 강화 섬유 시트의 양면을 산 변성 폴리프로필렌 수지(미쓰비시화학사제, 제품명: 모딕(등록상표) P958)로 이루어지는 평량이 36.4g/m2인 필름으로 협지하고, 캘린더 롤을 통해서, 열가소성 수지를 섬유 시트에 함침시켜, 섬유 체적 함유율(Vf)이 35%, 두께가 0.12mm인 프리프레그를 얻었다. 이 프리프레그의 L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=56.6m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(비교예 6)
일 방향으로 탄소 섬유(미쓰비시레이온사제, 제품명: 파이로필(등록상표) TR-50S15L)를 평면상으로 당겨 정렬하여 평량이 93.0g/m2가 되는 강화 섬유 시트로 하고, 강화 섬유 시트의 편면을 산 변성 폴리프로필렌 수지(미쓰비시화학사제, 제품명: 모딕(등록상표) P958)로 이루어지는 평량이 36.4g/m2인 필름과를 맞대고, 캘린더 롤을 통해서, 열가소성 수지를 섬유 시트에 함침시켜, 섬유 체적 함유율(Vf)이 56%, 두께가 0.09mm인 프리프레그를 얻었다. 이 프리프레그를 L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시하고, 24층을 의사 등방([0/45/90/-45]s3)으로 적층한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=56.6m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도 및 가공 시간 모두 양호했지만, 유동성이 불충분했다.
(비교예 7)
L=6.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=235.7m였다. 평가 결과는, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했지만, 굽힘 강도와 인장 강도가 불충분했다.
(실시예 20)
일 방향으로 탄소 섬유(미쓰비시레이온사제, 제품명: 파이로필(등록상표) TR-50S15L)를 평면상으로 당겨 정렬하여 평량이 72.0g/m2가 되는 강화 섬유 시트로 하고, 강화 섬유 시트의 양면을 폴리아마이드 수지(우베흥산사제, 제품명: 1013B)로 이루어지는 평량이 45.6g/m2인 필름으로 협지하고, 캘린더 롤을 통해서, 열가소성 수지를 섬유 시트에 함침시켜, 섬유 체적 함유율(Vf)이 33%, 두께가 0.12mm인 프리프레그를 얻었다. 이 프리프레그를 L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시했다. 고온측 프레스 온도를 260℃로 설정한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하고, 하기에 기술하는 유동성 평가 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가를 행했다. 이때 la=56.6m였다. 또한 유동성 평가는, 실시예 1에 기재된 판상물을, 미니테스트프레스(도요정기제, 제품명: MP-2FH)를 이용하여 270℃에서 10분간 가열 후, 180℃, 10MPa 조건에서 60초간간 프레스했다. 프레스 성형 전후에서의 두께를 측정하여, 초기 두께를 최종 두께로 나누는 것에 의해 유동성의 평가로 했다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성 및 가공 시간 모두 양호했다.
(실시예 21)
폴리아크릴로나이트릴을 주성분하고, 메타크릴산 2-하이드록시에틸을 2몰% 함유하는 공중합체를 다이메틸아세트아마이드 중에 용해시켜 방사 원액으로 하고, 습식 방사법을 이용하여, 방사 원액으로부터 평균 단섬유 섬도 2.5dtex, 총 단사수 24,000본의 탄소 섬유 전구체를 얻었다. 또 얻어진 탄소 섬유 전구체를 250∼290℃의 열풍 순환식 내염화로에서 60분간 공기 산화함으로써 내염화 처리를 행하고, 계속해서 질소 분위기 하에 있어서 660℃에서 90초간 및 1350℃에서 90초간 고온 열처리로에서 탄소화 처리를 행하여 탄소 섬유를 얻었다. 얻어진 탄소 섬유를 전해액 중에서 표면 산화 처리를 행한 후, 에폭시 수지를 사이징제로 해서 부착량이 0.4질량%가 되도록 사이징 처리하고, PAN계 탄소 섬유(평균 단섬유 섬도: 1.4dtex, 진원도(眞圓度): 0.82, 필라멘트수: 24000본, 스트랜드 강도: 4275MPa, 스트랜드 탄성률: 230GPa, 사이즈제 종류: 에폭시 수지, 사이즈제 부착량: 0.4질량%)를 얻었다.
상기 PAN계 탄소 섬유를, 강화 섬유의 방향이 일 방향이 되도록 평면상으로 당겨 정렬하여 평량이 72.0g/m2인 강화 섬유 시트로 했다. 이 강화 섬유 시트의 양면을 산 변성 폴리프로필렌 수지제의 필름(산 변성 폴리프로필렌 수지: 미쓰비시화학사제, 제품명: 모딕(등록상표) P958, 평량: 36.4g/m2)으로 협지하고, 캘린더 롤을 통해서, 열가소성 수지를 강화 섬유 시트에 함침시켜, 섬유 체적 함유율(Vf)이 33%, 두께가 0.12mm인 프리프레그를 얻었다. 이 프리프레그를 L=25.0mm 일정, 절결의 길이 l=28.3mm가 되도록, θ=45°의 직선상(Ls=Lr)의 절결 가공을 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 적층 기재와 그의 성형품을 작성하여, 평가를 행했다. 이때 la=56.6m였다. 평가 결과는, 굽힘 강도, 굽힘 탄성률, 인장 강도, 유동성, 가공 시간 모두 양호했다.
Figure pct00001
Figure pct00002
(실시예 22)
실시예 1과 마찬가지의 방법으로 얻어진 프리프레그를 935×1235mm로 잘라내고, 샘플 커팅기(레작사제, 제품명: L-2500)를 이용하여 도 1에 나타내는 바와 같이 일정 간격으로 절결을 넣었다. 그때, 시트의 단부로부터 17.5mm 내측 부분을 제외하고, 강화 섬유의 길이 L=25.4mm 일정, 평균 절결의 길이 l=42.4mm가 되도록, 섬유를 절단하는 절결과 강화 섬유가 교차하는 각도 θ=45°의 절결 가공을 실시했다. 이때 1m2당 절결 길이의 총합 la=56.6m였다.
이와 같이 해서 얻어진 절결 프리프레그를 의사 등방([0/45/90/-45]s2)의 16층으로 겹치고, 초음파 용착기(니혼에머슨사제, 제품명: 2000LPt)로 스폿 용접하여 적층 기재를 작성했다.
이와 같이 해서 얻어진 적층 기재를 프리프레그 적층체의 바깥테두리 절단면을 포함하는 최외층 기재(최하층 기재 1층째와 최상층 기재 16층째)의 주위를 공업용 접착 테이프(소니케미컬사제, 제품명: T4082S, 폭 25mm)로 둘러싸 첩부해서 고정한 적층 기재를 작성했다.
얻어진 적층 기재는 취급성이 양호했다.
이와 같이 해서 얻어진 적층 기재를 940×1240mm 각이고 깊이 5mm인 인롱형 내에 배치하고, 가열 프레스로 190℃, 0.3MPa의 조건에서 10분간 유지하고, 이어서 형을 냉각 프레스에 이동시켜, 80℃, 1.1MPa의 조건에서 1분간 유지함으로써 두께가 약 2mm인 성형판을 얻었다.
얻어진 성형판은 강화 섬유의 기복이 없어, 그의 단부까지 강화 섬유가 균등하게 유동해 있으며, 휨도 없고, 버(burr)도 없어, 양호한 외관과 평활성을 유지하고 있었다. 얻어진 적층 기재로부터, 길이 100mm, 폭 25mm의 굽힘 강도 시험편을 잘라냈다. JIS K-7074에 규정되는 시험 방법에 따라서, 만능 시험기(인스트론사제, 제품명: 4465형)를 이용하여, 표점간 거리를 80mm로 하고, 크로스헤드 속도 5.0mm/분으로 3점 굽힘 시험을 행했다. 측정한 시험편의 수는 n=6으로 하고, 그의 전체 평균값을 굽힘 강도로 했다.
평가 결과는, 굽힘 강도 및 굽힘 탄성률 모두 양호했다.
(실시예 23)
실시예 1과 마찬가지로 행하여, 얻어진 프리프레그를 타발형(주식회사다이텍스제)으로 시트의 단부로부터 17.5mm 내측 부분을 제외하고, 강화 섬유의 길이 L=25.4mm, 평균 절결의 길이 l=42.4mm, 섬유를 절단하는 절결과 강화 섬유가 교차하는 각도 θ=45°의 절결, 1m2당 절결 길이의 총합 la=56.6m의 절결 가공을 실시한 935×1235mm로 잘라냈다. 평가 결과는, 취급성 양호하고, 얻어진 성형판은 강화 섬유의 기복이 없어, 그의 단부까지 강화 섬유가 균등하게 유동해 있으며, 휨도 없고, 버도 없어, 양호한 외관과 평활성을 유지하고 있었다. 얻어진 성형판은 굽힘 강도 및 굽힘 탄성률 모두 양호했다.
(비교예 8)
실시예 1과 마찬가지로 행하여, 프리프레그 적층체의 주위를 점착 테이프로 둘러싸 첩부해서 고정하지 않는 적층 기재를 작성했다. 평가 결과는, 취급성은 불량이고, 얻어진 성형판은 강화 섬유의 기복이 있어, 강화 섬유가 불균등하게 유동해 있으며, 휨이 있고, 버도 있었다. 얻어진 성형판은 굽힘 탄성률이 불량이었다.
(취급성)
적층 기재를 취급할 때의 취급성을 작업자의 감각으로 평가했다. 평가의 판정은 이하의 기준으로 행했다.
「○」: 취급 쉬움
「×」: 취급 어려움(적층 사이가 벌어짐)
(강화 섬유의 기복)
성형체를 작업자의 육안으로 평가했다. 평가의 판정은 이하의 기준으로 행했다.
「○」: 강화 섬유의 기복을 확인하기 어려움
「×」: 분명한 강화 섬유의 기복이 확인됨
(버)
프레스 성형 후의 버 제거 전후의 질량을 측정하여, 버의 질량을 버 제거 전의 성형체의 질량으로 나누어 평가했다. 평가의 판정은 이하의 기준으로 행했다.
「○」: 2질량% 미만의 버
「×」: 2질량% 이상의 버
Figure pct00003
본 발명에 의하면, 복잡한 형상으로의 부형성이 우수하고, 단시간에 성형 가능하며, 또한 구조재에 적용 가능한 굽힘 강도나 굽힘 탄성률 등 우수한 역학 물성을 갖고, 그들 역학 물성의 격차가 작은 적층 기재 및 그의 제조 방법을 얻을 수 있다.
1: 절결
2: 강화 섬유
3: 절결과 강화 섬유가 교차하는 각도
4: 절결의 길이
5: 절단된 강화 섬유의 길이
6: 중심선

Claims (15)

  1. 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 매트릭스 수지를 포함하는 시트상의 프리프레그를 복수 장 적층한 적층 기재로서,
    상기 프리프레그는, 표면으로부터 이면으로 관통한 절결을 갖고,
    각 절결은 각 강화 섬유와 1회만 교차하도록 설치되며,
    또한 상기 절결의 개시점과 종점을 잇는 선분의 길이를 Ls로 한 경우, 상기 선분의 길이 Ls와 상기 절결의 길이 Lr이 하기 식 1의 관계를 만족시키고,
    Ls≤Lr≤Ls×1.5 ···(식 1)
    상기 선분과 상기 강화 섬유의 섬유 방향이 교차하는 각도가 30° 이상 90° 이하이며,
    상기 프리프레그 1m2당 절결의 길이 Lr의 총합이 20m 이상 200m 이하인 프리프레그를 포함하는 적층 기재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절결에 의해서 절단된 강화 섬유의 길이가 5mm 이상 100mm 이하인 프리프레그를 포함하는 적층 기재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 강화 섬유의 평균 단섬유 섬도가 0.5dtex 이상 2.4dtex 이하인 탄소 섬유인 적층 기재.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 기재가 열가소성 수지로 이루어지는 층을 추가로 포함하는 적층 기재.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 기재를 구성하는 복수의 프리프레그가, 프리프레그에 포함되는 강화 섬유의 방향이 의사 등방이 되도록 적층된 적층 기재.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 기재를 구성하는 복수의 프리프레그가, 상기 프리프레그 중 임의의 하나에 포함되는 강화 섬유의 방향을 0°로 했을 때, 상기 프리프레그의 각각에 포함되는 강화 섬유의 방향이 0°인 프리프레그와 90°인 프리프레그가 교대로 적층되어 있는 적층 기재.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    절결의 개시점과 종점을 잇는 선분과 강화 섬유가 교차하는 각도가 30° 이상 60° 이하인 적층 기재.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 기재를 구성하는 프리프레그에 포함되는 강화 섬유의 체적 함유율이 상기 프리프레그의 전체 체적에 대하여 20체적% 이상 55체적% 이하인 적층 기재.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리프레그의 어느 5cm×5cm 부분에 있어서도, 당해 25cm2당 절결의 길이 Lr의 총합이 0.5m 이상 5m 이하인 적층 기재.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 기재를 구성하는 프리프레그의 두께가 50μm 이상 200μm 이하인 적층 기재.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 기재를 구성하는 프리프레그끼리가 접착되어 있는 적층 기재.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상이, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮여 있는 적층 기재.
  13. 제 12 항에 있어서,
    시트상물이 점착 테이프이고, 적층 기재의 외주를 따라 최하층 기재 외주부, 적층 기재의 외주 단면, 최상층 기재 외주부를 덮도록 점착 테이프가 붙여진 적층 기재.
  14. 시트상의 프리프레그를 복수 장 적층하여 적층 기재를 제조하는 방법으로서, 프리프레그를 복수 장 적층한 후, 적층 기재의 외주 단면 부분 모두의 50% 이상을, 프리프레그를 구성하는 매트릭스 수지의 융점+10℃에서 형상을 유지하는 시트상물로 덮는 것을 특징으로 하는 적층 기재의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 시트상물이 점착 테이프이고, 적층 기재의 외주를 따라 최하층 기재 외주부, 적층 기재의 외주 단면, 최상층 기재 외주부를 덮도록 점착 테이프를 붙이는 것을 특징으로 하는 적층 기재의 제조 방법.
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