KR20150114396A

KR20150114396A - 프리프레그, 탄소섬유 강화 복합재료 및 로봇 핸드

Info

Publication number: KR20150114396A
Application number: KR1020150036584A
Authority: KR
Inventors: 신이치 타케무라; 다이스케 우치다; 마사키 미나미
Original assignee: 제이엑스 닛코 닛세키 에네루기 가부시키가이샤
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2015-10-12
Also published as: TWI695026B; CN104974521B; JP2015196777A; KR102317550B1; US20150274913A1; CN104974521A; JP6397205B2; TW201602187A

Abstract

포화 흡수율이 낮고, TML, CVCM 및 내열성이 뛰어난 탄소섬유 강화 복합재료, 로봇 핸드 또는 이들에 적합한 프리프레그를 제공한다. 본 발명의 프리프레그는, 분자 중에 시아네이트기를 2 이상 가지는 시아네이트에스테르 수지(a1) 100질량부, 금속배위형 촉매(a2) 0.01∼0, 5질량부, 및 열가소성의 인성 향상제(a3) 1∼20질량부를 포함하는, 수지 조성물(a)과, 인장탄성률이 450GPa 이상인 탄소섬유(b1)를 포함하는 탄소섬유(b)로 이루어지는 CFRP 시트를 포함하고, 로봇 핸드의 지지부에 유용하다.

Description

프리프레그, 탄소섬유 강화 복합재료 및 로봇 핸드{PREPERG, CARBON-FIBER-REINFORCED COMPOSITE MATERIAL, AND ROBOT HAND}

본 발명은, 특히 포화 흡수율이 낮고, Total Mass Loss(TML), Collected Volatile Condensable Material(CVCM) 및 내열성이 뛰어나고, 나아가서 굽힘강성 등의 내변형성이 뛰어난 탄소섬유 강화 복합재료, 로봇 핸드 및 이들에 사용하는 프리프레그에 관한 것이다.

산업계에서는, 보다 경량이고, 강인하고, 난열성(難熱性), 내충격성, 및 내변형성이 높은 섬유 강화 복합재료가 요구되고 있다. 예를 들면, 각종 산업의 제조 현장에서 사용되는 로봇, 제판(製版)이나 인쇄에 사용되는 고속 회전하는 롤러, 및 우주 산업 등에 사용되는, 가혹한 조건하에서 장기간의 사용에 견딜수 있는 섬유 강화 복합재료가 요구되고 있다.

일본 특허공개 2011-183470호 공보는, 탄소섬유 강화 플라스틱층과, 점탄성 수지 및 고강성 수지를 함유하는 제진(制振) 탄성층과의 적층체로 이루어지는 탄소섬유 강화 플라스틱 성형체를 사용한 로봇 핸드에 관련되는 발명을 개시하고 있다.

일본 특허공개 2011-183471호 공보는, 탄소섬유 강화 플라스틱층과, 점탄성 수지 및 강성이 높은 섬유상 물질을 함유하는 제진 탄성층과의 적층체로 이루어지는 탄소섬유 강화 플라스틱 성형체를 이용한 로봇 핸드에 관련되는 발명을 개시하고 있다.

이들에 기재된 탄소섬유 강화 플라스틱 성형체는, 제진성이 뛰어나고, 어느 정도의 굽힘강성을 가지지만, 그 굽힘강성 등의 내변형성은 반드시 충분하다고는 할 수 없다. 또한, 포화 흡수율, TML, CVCM에 있어서, 만족스러운 섬유 강화 복합재료는 아직 얻지 못하고 있다.

본 발명의 과제는, 특히 포화 흡수율이 낮고, TML, CVCM 및 내열성이 뛰어난 탄소섬유 강화 복합재료, 로봇 핸드 및 이들에 적합한 프리프레그를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 과제는, 특히 포화 흡수율이 낮고, TML, CVCM 및 내열성이 뛰어나고, 나아가서 굽힘강성 등의 내변형성이 뛰어나고, 가혹한 조건하에서도 장기간의 사용에 견딜 수 있는 탄소섬유 강화 복합재료, 로봇 핸드 및 이들에 적합한 프리프레그를 제공하는 데 있다.

본 발명에 의하면, 분자 중에 시아네이트기를 2 이상 가지는 시아네이트에스테르 수지(a1)(이하, (a1)성분이라고 약기하는 경우가 있다) 100질량부, 금속배위형 촉매(a2)(이하, (a2)성분이라고 약기하는 경우가 있다) 0.01∼0.5질량부, 및 열가소성의 인성(靭性) 향상제(a3)(이하, (a3)성분이라고 약기하는 경우가 있다) 1∼20질량부를 포함하는 수지 조성물(a)과, 인장탄성률이 450GPa 이상인 탄소섬유(b1)(이하, (b1)성분이라고 약기하는 경우가 있다)를 포함하는 탄소섬유(b)로 이루어지는 탄소섬유 함유 수지 시트(이하, CFRP 시트라고 약기하는 경우가 있다)(c1)를 포함하는 프리프레그가 제공된다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 프리프레그를 가열 경화시킨 탄소섬유 강화 복합재료(이하, 본 발명의 복합재료라고 약기하는 경우가 있다)가 제공된다.

또한 본 발명에 의하면, 반송 대상물을 지지하는 지지부를 구비한 로봇 핸드로서, 상기 지지부가 본 발명의 복합재료를 포함하는 로봇 핸드가 제공된다.

게다가 또한 본 발명에 의하면, 상기 (a1)성분 100질량부, 상기 (a2)성분 0.01∼0.5질량부 및 상기 (a3)성분 1∼20질량부를 포함하는 상기 프리프레그용 수지 조성물(a)이 제공된다.

본 발명의 복합재료 및 로봇 핸드는, 상기 구성의 CFRP 시트(c1)를 포함하는 프리프레그를 사용하므로, 특히 포화 흡수율이 낮고, TML, CVCM 및 내열성이 뛰어나고, 나아가서 굽힘강성 등의 내변형성이 뛰어나다. 따라서, 본 발명의 복합재료 및 로봇 핸드는, 가혹한 조건하에서 장기간의 사용에 견딜 수 있고, 예를 들면 우주 산업분야 등에도 이용 가능하다.

도 1은 로봇 핸드의 일례를 나타내는 개략 부분 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 있어서의 굽힘강성 평가 시험에 사용한 로봇 핸드의 단면 개구부의 크기를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 있어서의 로봇 핸드의 굽힘강성 평가 시험을 설명하기 위한 개략도이다.

이하, 본 발명에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 프리프레그에 사용하는 수지 조성물(a)은, 상기 (a1)∼(a3)성분을 특정비율로 함유한다. (a1)성분은, 분자 중에 시아네이트기를 2 이상 가지는 시아네이트에스테르 수지이며, 예를 들면, 식(Ⅰ)로 표시된다.

식(Ⅰ) 중, n은 2 이상의 정수, A는 n가의 유기기이다.

상기 식(Ⅰ)로 표시되는 시아네이트에스테르 수지로서는, 1,3- 또는 1,4-디시아네이트벤젠, 4,4'-디시아네이트비페닐, 식(II)로 표시되는 오르토 치환 디시아네이트에스테르, 식(III)으로 표시되는 폴리페닐렌옥시드시아네이트에스테르, 식(IV)로 표시되는 트리시아네이트에스테르 또는 식(V)로 표시되는 폴리시아네이트에스테르가 예시된다.

식(II) 중, R_l∼R₄는 수소 원자 또는 메틸기를 나타내고, 서로 동일해도 상이해도 되고, X는 탄소수 1∼4의 알킬렌기, 페닐렌기, 방향족기를 가지는 알킬렌기, -O-, -S-, -SO₂ 또는 -CO-를 나타낸다.

식(III) 중, h는 h≥0을 만족하는 정수, i는 i≥1을 만족하는 정수, R₅∼R₁₂는 수소 원자 또는 메틸기를 나타내고, 서로 동일해도 상이해도 되고, X는 상기 식(II) 중의 X와 동일하다.

식(Ⅳ) 중, R₁₃∼R₁₇은 수소 원자 또는 메틸기를 나타내고, 서로 동일해도 상이해도 된다.

식(V) 중, k는 1 이상의 정수, R₁₈∼R₂₀은 수소 원자 또는 메틸기를 나타내고, 서로 동일해도 상이해도 되고, Y는 탄소수 1∼6의 알킬렌기를 나타낸다.

(a1)성분은, 수지 조성물(a)의 원하는 경화물을 생성할 수 있는 주요한 전구체이면 되고, 예를 들면, 분자 중에 시아네이트기를 2 이상 가지는 시아네이트에스테르의 모노머, 올리고머, 프레폴리머 또는 이들의 혼합물이어도 되고, 시아네이트에스테르 수지의 삼량체화에 의해 형성되는 폴리트리아진도 동일하게 사용할 수 있다. 예를 들면, 식(Ⅰ)로 표시되는 시아네이트에스테르 수지의 삼량체 폴리트리아진은, 식(Ⅵ)로 표시되는 구조를 가진다.

(a1)성분으로서는, 시판품을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 비스페놀A의 디시아네이트(2,2'-비스(4-시아네이트페닐)이소프로필리덴)로서, Lonza사제의 상품명 프라이머 세트 「BADCy」, 그 BADCy의 프레폴리머 혼합물(시아네이트에스테르 수지와 폴리트리아진과의 혼합물)인 Lonza사제의 상품명 프라이머 세트 「BA200」, 「BA3000」, 또는 Huntsman사제의 상품명 「B-10」, 그 B-10의 프레폴리머 혼합물인 Huntsman사제의 상품명 「B-30」을 사용할 수 있고, 비스페놀AD의 디시아네이트(1,1'-비스(4-시아네이트페닐)에탄)로서, Lonza사제의 상품명 프라이머 세트 「LECy」, Huntsman사제의 상품명 「L10」)를 사용할 수 있고, 치환 비스페놀F의 디시아네이트로서, Lonza사제의 상품명 「METHYLCy」, Huntsman사제의 상품명 「M-10」, 그 METHYCy의 프레폴리머 혼합물(시아네이트에스테르 수지와 폴리트리아진과의 혼합물)인 Huntsman사제의 상품명 「M-30」을 사용할 수 있고, 페놀디시클로펜타디엔 부가물의 시아네이트에스테르로서, Huntsman사제의 상품명 「XU-71787-02」를 사용할 수 있고, 페놀 노볼락형 시아네이트에스테르 및 그 프레폴리머 혼합물로서, Loma사제의 상품명 프라이머 세트 「PT-15」, 「PT-30」, 「PT-60」을 사용할 수 있고, 디시클로펜타디엔 변성 페놀형 시아네이트에스테르 및 그 프레폴리머 혼합물로서, Lonza사제의 상품명 프라이머 세트 「DT-4000」, 「DT-7000」을 사용할 수 있다.

(a1)성분으로서는, 후술하는 본 발명의 복합재료의 내열성을 더욱 향상시키기 위해서, 페놀 노볼락형 시아네이트에스테르 수지를 함유시키는 것이 바람직하다. (a1)성분 중의 그 페놀 노볼락형 시아네이트에스테르 수지의 함유비율은, 30질량% 이상 80질량% 이하가 바람직하고, 50질량% 이상 80질량% 이하가 보다 바람직하다. 80질량%를 초과하면 본 발명의 복합재료의 내열성은 향상되지만, 인성이 저하되어, 장기 내구성이 악화될 우려가 있다.

수지 조성물(a)에 있어서 (a2)성분은, 금속배위형 촉매이다. 그 (a2)성분으로서는, 구리 아세틸아세토나토, 코발트(III) 아세틸아세토나토(이하, Co(acac)₃으로 약기한다), 옥틸산아연, 옥틸산주석, 나프텐산아연, 나프텐산코발트, 스테아린산주석, 스테아린산아연이나, 철, 코발트, 아연, 구리, 망간 또는 티타늄과 카테콜 등의 2좌(座) 배위자와의 킬레이트 화합물을 예시할 수 있다. 수지 조성물(a)의 경화성, 성형성, 및 포트 라이프(pot life)의 밸런스의 관점에서, (a2)성분으로서는, Co(acac)₃의 사용이 바람직하다.

(a2)성분의 배합량은, 수지 조성물(a)의 경화성과 안정성을 양립시키기 위해서는, (a1)성분 100질량부에 대하여 0.01∼0.5질량부, 바람직하게는 0.03∼0.3질량부이다. (a2)성분이 0.5질량부를 초과하면, 후술하는 본 발명의 복합재료 조제를 위한 가열 경화에 있어서, 수지 조성물(a)이 단시간에 겔화되고, 균일하게 경화되지 않아 보이드(void)가 발생할 우려가 있고, 0.01질량부보다 적으면 경화에 시간이 너무 걸려 실용적이지 않다.

수지 조성물(a)에 있어서 (a3)성분은, 열가소성의 인성 향상제이다. 그 (a3)성분으로서는, 공중합 폴리에스테르 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르술폰, 아크릴계 수지, 부타디엔-아크릴로니트릴 수지, 스티렌계 수지, 올레핀계 수지, 나일론계 수지, 부타디엔·메타크릴산 알킬·스티렌 공중합물, 아크릴산 에스테르·메타크릴산 에스테르 공중합체 또는 이들의 혼합물을 예시할 수 있다.

(a3)성분은, 수지 조성물(a)에 용해시켜도, 미립자로서 분산시켜도 된다. 그 미립자의 평균 입경은, 100㎛ 이하가 바람직하다.

(a3)성분의 배합량은, (a1)성분 100질량부에 대하여, 1∼20질량부, 바람직하게는 2∼15질량부이다. 1질량부 미만이면 후술하는 본 발명의 복합재료의 인성 향상 효과가 불충분하고, 20질량부를 초과하면, 원하는 내변형성을 얻을 수 없을 우려가 있다.

수지 조성물(a)은, 상기 (a1)∼(a3)성분 외에, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에 있어서 다른 성분을 함유해도 된다. 예를 들면, (a1) 및 (a3)성분 이외의 수지를 배합해도 된다. 이러한 수지로서는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지, 유레아 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 벤조옥사진 수지 등의 열경화성 수지를 예시할 수 있다. 그러나, 후술하는 복합재료에 있어서 특히 양호한 저흡방습(低吸防濕) 특성을 얻으려면, 수지 조성물(a) 중에는, (a1) 및 (a3)성분 이외의 수지 성분을 실질적으로 포함하지 않는 것이 바람직하다.

수지 조성물(a)의 점도는, 후술하는 CFRP 시트의 제조 시에 있어서의 시트 형성을 용이하게 하는 관점에서, 50℃에 있어서, 바람직하게는 10∼20000Pa·s, 보다 바람직하게는 10∼10000Pa·s, 가장 바람직하게는 50∼6000Pa·s이다. 10Pa·s 미만에서는, 수지 조성물(a)의 택(tack)이 높아지고, 한편 20000Pa·s를 초과하면 수지 조성물(a)이 반고형화되어, 각각 상기 시트 형성이 곤란하게 된다.

수지 조성물(a)은, 후술하는 본 발명의 복합재료의 내열성을 더욱 향상시키기 위해서, 유리전이온도 250℃ 이상 350℃ 이하의 물성을 나타내는 것이 바람직하다. 이와 같은 물성을 나타내는 수지 조성물(a)은, 예를 들면, 그 수지 조성물(a) 중에 (a1) 및 (a3)성분 이외의 수지 성분을 포함하지 않는 것이 바람직하고, 또한, (a1)성분으로서, 상술한 페놀 노볼락형 시아네이트에스테르 수지를 포함하는 것이 바람직하다.

수지 조성물(a)을 조제하기 위해서는, 상기 (a1)∼(a3)성분을 포함하는 각 성분을, 상법(常法)에 따라, 예를 들면 니더(kneader)나 플레니터리 믹서(planetary mixer), 2축 압출기로 혼합하는 방법에 의해 얻을 수 있다. 또한 (a3)성분이 미립자인 경우에는, 그 (a3)성분을, 미리 호모 믹서, 3본롤, 볼밀, 비즈밀 또는 초음파 등으로, (a1)성분 등의 액상의 수지 성분에 예비 분산시켜 두는 것이 바람직하다. 또한, 상기 혼합 시나, 미립자의 예비 분산 시 등에는, 필요에 따라 가열·냉각, 가압·감압하여도 된다. 보존 안정성의 관점에서, 혼합 후의 수지 조성물(a)은, 신속하게 냉장·냉동차에서 보관하는 것이 바람직하다.

본 발명의 프리프레그는, 상기 수지 조성물(a)과, 특정의 인장탄성률을 가지는 탄소섬유(b1)를 포함하는 탄소섬유로 이루어지는 CFRP 시트(c1)를 필수로 포함하고, 프리프레그가 적층체인 경우에는, 필요에 따라 상기 수지 조성물(a)과 특정의 인장탄성률을 가지는 탄소섬유(U2)(이하, (b2)성분이라고 약기하는 경우가 있다)로 이루어지는 CFRP 시트(c2)를 더 포함한다.

탄소섬유에는, 원료의 차이에 따라, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유 및 피치계 탄소섬유가 있다. 피치계 탄소섬유는, 탄성이 높다는 특성을 가진다. 한편, PAN계 탄소섬유는, 인장탄성률이 높다는 특성을 가진다. 본 발명에 사용하는 탄소섬유는, PAN계 탄소섬유이어도 피치계 탄소섬유이어도 되지만, 본 발명의 복합재료에 있어서의 내변형성의 점에서 피치계 탄소섬유가 바람직하다.

본 발명에 사용하는 (b1)성분은, 인장탄성률이 450GPa 이상, 바람직하게는 600GPa 이상인 탄소섬유이며, 그 인장탄성률의 상한은 특별히 정할 필요는 없지만, 실용상 900GPa 정도가 상한이다. 이와 같은 (b1)성분을 포함하는 CFRP 시트(c1)를 프리프레그에 채용함으로써, 본 발명의 복합재료의 내열성, 내충격성이나, 굽힘강성 등의 내변형성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 프리프레그에 있어서, 후술하는 CFRP 시트(c1)에 사용하는 탄소섬유(b) 중의 (b1)성분의 함유비율은, 본 발명의 복합재료의 굽힘강성을 보다 향상시키는 점에서, 통상 70질량% 이상, 바람직하게는 80질량% 이상, 특히 바람직하게는 100질량%이다. 또한, 본 발명의 프리프레그에 있어서, CFRP 시트(c1) 중의 (b1)성분의 함유비율은, 바람직하게는 20∼90질량%, 보다 바람직하게는 30∼85질량%, 더욱 바람직하게는 40∼80질량%이다. 그 함유비율이 20질량% 미만에서는, 수지 조성물(a)의 양이 너무 많아서, 비강도(比强度)와 비탄성률(比彈性率)이 뛰어난 본 발명의 복합재료의 이점을 얻을 수 없을 우려가 있고, 가열 경화 시의 발열량이 너무 커지는 경우가 있다. 함유비율이 90질량%를 초과하면, 수지 조성물(a)의 함침 불량이 발생하고, 얻어지는 본 발명의 복합재료는 보이드가 많은 것이 되는 경향이 있다.

본 발명의 프리프레그에 있어서 필요에 따라 사용하는 CFRP 시트(c2)의 (b2)성분은, 인장탄성률이 450GPa 미만의 탄소섬유이며, 그 하한은 특별히 한정되지 않는다.

이와 같은 CFRP 시트(c2)를 본 발명의 프리프레그에 채용함으로써, 본 발명의 복합재료에 있어서의 굽힘강성과 제진성을 양호하게 양립시키는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 프리프레그에 사용할 수 있는 CFRP 시트(c2)에 있어서, (b2)성분의 함유비율은, 바람직하게는 20∼90질량%, 보다 바람직하게는 30∼85질량%, 더욱 바람직하게는 40∼80질량%이다. 그 함유비율이 20질량% 미만에서는, 수지 조성물(a)의 양이 너무 많아서, 본 발명의 복합재료의 이점을 얻을 수 없을 우려가 있고, 가열 경화 시의 발열량이 너무 커지는 경우가 있다. 함유비율이 90질량%를 초과하면, 수지 조성물(a)의 함침 불량이 발생하고, 얻어지는 본 발명의 복합재료는 보이드가 많은 것이 되는 경향이 있다.

본 발명의 프리프레그에 있어서 CFRP 시트는, 공지의 방법에 준하여 조제할 수 있다. 예를 들면, 탄소섬유를 동일 방향으로 배향한 일방향 시트나, 탄소섬유의 평직물, 능직물, 주자직물, 3축직물 등의 크로스 시트에, 수지 조성물(a)을 함침시키는 방법에 의해 조제할 수 있다. 이 때, 예를 들면, 탄소섬유를 다른 배향 상태로 한 복수의 CFRP 시트를 제작하고, 본 발명의 복합재료의 사용 개소에 따라, 공지된 방법에 준하여 최적의 굽힘강성의 CFRP 시트의 조합을 선택할 수 있다.

수지 조성물(a)을 탄소섬유 시트에 함침시키는 방법으로서는, 수지 조성물(a)을 메틸에틸케톤, 메탄올 등의 용매에 용해하고 저점도화하여 함침시키는 웨트법, 가열에 의해 저점도화하여 함침시키는 핫멜트법(드라이법)을 들 수 있다.

웨트법은, 탄소섬유 시트를 수지 조성물(a)의 용액에 침지한 후, 리프팅, 오븐 등을 이용하여 용매를 증발시키는 방법이다. 핫멜트법은, 가열에 의해 저점도화한 수지 조성물(a)을 직접 탄소섬유 시트에 함침시키는 방법, 또는 일단 수지 조성물(a)을 이형지 위에 도포하여 필름을 제작해 두고, 이어서 탄소섬유 시트의 양측 또는 편측으로부터 상기 필름을 겹쳐, 가열 가압함으로써 탄소섬유 시트에 수지 조성물(a)을 함침시키는 방법이다. 핫멜트법은, 프리프레그 중에 잔류하는 용매가 실질상 전무(全無)가 되기 때문에 바람직하다.

본 발명의 프리프레그에 있어서 CFRP 시트의 단위면적 당의 탄소섬유량은, 70∼1000g/m²가 바람직하다. 탄소섬유량이 70g/m²미만에서는, 본 발명의 복합재료에 소정의 두께를 갖게 하기 위해서, CFRP 시트의 적층 매수를 많이 할 필요가 있어, 작업이 번잡하게 되는 경우가 있다. 한편, 탄소섬유량이 1000g/m²를 초과하면, 수지 조성물(a)의 함침성이 나빠져, 가열 경화 후의 본 발명의 복합재료에 보이드가 발생하기 쉽게 된다.

본 발명의 프리프레그는, CFRP 시트(c1) 단독의 미경화 시트이어도, CFRP 시트(c1)를 포함하는 미경화 적층체이어도 된다. 또한, 적층체로 하는 경우에는, CFRP 시트(c1) 및 (c2)를 적절히 조합하여 적층하는 것이, 본 발명의 복합재료의 내변형성 및 제진성 등을 더욱 양호하게 하기 위해 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들면 적어도 1매의 CFRP 시트(c1)로 이루어지는 중간층과, 적어도 1매의 CFRP 시트(c2)로 이루어져 상기 중간층을 협지하는 2개의 외층으로 이루어지는 적층체를 들 수 있다.

본 발명의 프리프레그를 적층체로 하는 경우, CFRP 시트의 2/3 이상이 CFRP 시트(c1)인 것이 바람직하다.

적층체를 형성하는 CFRP 시트의 과반수를 CFRP 시트(c1)로 함으로써, 내열성, 내충격성에 더하여, 굽힘강성 등의 내변형성도 뛰어난 탄소섬유 강화 복합재료를 얻을 수 있다.

본 발명의 프리프레그를 로봇 핸드에 적용하는 경우의, 바람직한 적층체의 구성예에 관하여 이하에 설명한다.

로봇 핸드는, 반송 대상물을 적재했을 때에 휘어지기 어려운 것, 즉, 높은 굽힘강성을 가지는 것이 요구된다. 이 때문에, 고탄성률 탄소섬유를 일방향으로 배향시킨 일방향 시트를 사용하는 경우에는, 탄소섬유의 방향이, 로봇 핸드의 길이 방향과 일치하도록 적층함으로써, 높은 굽힘강성을 얻을 수 있다. 일방향 시트의 탄소섬유와 직교하는 방향을 로봇 핸드의 길이 방향과 일치하도록 적층하면, 이 방향에는 탄소섬유가 존재하지 않기 때문에, 프리프레그의 강도가 낮아져 버려, 로봇 핸드로서 사용했을 때, 세로 갈라짐이나 균열 등의 불편이 생기는 경우가 많다.

그래서, 각(角)파이프형의 로봇 핸드를, 중간층을 형성하는 시트와 그 중간층을 협지하는 2개의 외층을 형성하는 시트에 의해 제조하는 경우에는, 그 2개의 외층을 형성하는 시트에, 크로스 시트를 사용하는 것이 유효하다. 크로스 시트는 탄소섬유를 위경(緯經)으로 짜여져 있고, 로봇 핸드의 길이 방향에 더하여, 이것과 직하는 방향에도 탄소섬유가 존재하기 때문에, 세로 갈라짐, 균열 등의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 판상(板狀)의 로봇 핸드에 대하여도, 상기 2개의 외층을 형성하는 시트에, 크로스 시트를 사용함으로써, 분열을 방지할 수 있다. 게다가, 로봇 핸드에, 흡착 패드 부품 등의 장착용 구멍뚫기 가공, 로봇 장착 부분에의 나사 구멍 가공 등이 필요하게 되는 경우, 일방향 시트만을 사용하면, 가공 부분에서 버어(burr)가 발생하여, 표면 상태가 악화되는 경우가 많지만, 외층에 크로스 시트를 사용함으로써, 전술한 버어 발생을 방지할 수 있다.

본 발명의 복합재료는, 상기 설명한 본 발명의 프리프레그를 가열 경화시킴으로써 얻어진 탄소섬유 강화 복합재료이다.

본 발명의 복합재료에 있어서, TML는 바람직하게는 0.35% 이하, 바람직하게는 0.30% 이하이며, CVCM는 바람직하게는 0.002% 미만, 특히 바람직하게는 0.001% 이하이다. 또한, 그 포화 흡수율은 바람직하게는 3.0% 이하, 특히 바람직하게는 1.5% 이하이다. TML 및 CVCM는, ASTM E595-06에 준거하여 측정하고, 각각 다음의 식에 의해 산출된다.

TML(%)=[(시험전 시료 중량-시험 후 시료 중량)/시험전 시료 중량]×100

CVCM(%)=[(시험 후 콜렉터 플레이트 중량-시험전 콜렉터 플레이트 중량)/

시험전 시료 중량]×100

또한, 포화 흡수율은 다음의 식에 의해 산출된다.

포화 흡수율(%)=[(흡수 후 시료 중량-흡수 전 시료 중량)/흡수 전 시료 중량]×100

본 발명의 복합재료를 얻기 위한, 프리프레그의 가열 경화 조건은, (a1)성분이 (a2)성분의 작용으로 가교 반응을 일으켜, 수지 조성물(a)을 경화시키는 조건이면 된다. 예를 들면, 120℃ 이상 200℃ 이하로 가열함으로써, 수지 조성물(a)을 경화시킨다. 바람직하게는 150℃ 이상 200℃ 이하로 가열한다. 경화 시간은 특별히 한정되지 않지만 통상 1∼5시간 정도, 바람직하게는 2∼4시간 정도이다.

이와 같이 하여 얻어지는 본 발명의 복합재료의 내열성은, 통상 150℃ 이상이지만, 상기 가열 경화 후, 게다가 200∼300℃의 온도에서 후(後)경화함으로써, 최고 250℃ 이상의 내열성을 얻을 수 있다. 따라서, 해당 후 경화를 실시하는 것이 바람직하다. 후 경화에 있어서의 경화 시간도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 1∼20시간 정도가 바람직하다.

상기 가열 경화는, 프레스 장치, 오토클레브 장치를 이용하여 실시할 수 있다. 특히 오토클레브 장치에서는, 본 발명의 프리프레그를, 진공백 내에 격납하고, 이것을 오토클레브 장치 내에서 경화한다. 버큐엄(vacumm)하는 것에 더하여, 오토클레브 장치 내에서 가압함으로써, 프리프레그에 내포된 공기, 보이드를 배제할 수 있다.

본 발명의 복합재료는, 각종 산업의 제조 현장에서 사용되는 로봇 핸드 등의 로봇, 제판이나 인쇄에 사용되는 고속 회전하는 롤러, 및 우주 산업 등에 사용되는 재료에 응용 가능하다.

상기 로봇 핸드는, 부품 또는 제품의 제조 공정에 있어서, 조립 부품 등의 반송 대상물을 지지하는 지지부를 가지는 것으로, 산업용 로봇의 일부이다. 생산 라인의 자동화에 따라, 로봇 핸드의 역할은 더욱더 중요하게 되고 있고, 그 반송 속도나 정밀도의 향상이 보다 한층 요구되고 있다.

특히, 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 반도체 웨이퍼 등의 정밀품의 제조 공정에서 사용되는 기판 반송용의 로봇 핸드에는, 비교적 중량이 있는 고가의 유리 기판을 지지했을 때에, 약간의 변형도 기피하고, 휨 등의 발생을 극력 억제하는 높은 굽힘강성이 요구된다.

또한, 예를 들면, 유기EL 장치 등의 제조 공정과 같이, 진공 챔버 내에서의 반송이 요구되는 경우, 종래의 섬유 강화 복합재료에 의한 로봇 핸드에서는, 상기 TML나 CVCM의 값이 너무 커서, 제조 공정에 지장을 초래할 우려가 있다.

게다가, 그와 같은 제조 공정에서는 수분을 극도로 기피하기 때문에, 재료의 함수율을 나타내는 상기 포화 흡수율은 가능한 한 작은 값인 것이 필요하다. 그러나, 종래의 섬유 강화 복합재료의 포화 흡수율은, 해당 요구 품질을 만족할 수 있는 것은 아니었다.

본 발명의 복합재료는, 그 TML, CVCM, 및 포화 흡수율을 종래의 섬유 강화 복합재료보다 지극히 작은 값으로 할 수 있기 때문에, 상기의 정밀 부품, 정밀 장치의 제조에 사용하는 로봇 핸드의 반송 대상물을 지지하는 지지부로서 뛰어난 성능을 발휘한다.

이하에, 본 발명의 복합재료를 사용한 로봇 핸드의 일 실시형태에 관하여, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에 있어서 로봇 핸드(10)는, 본 발명의 복합재료를 중공(中空)의 직사각형으로 가공한 것이고, 그 일부를 1로서 나타내고, 그 A-A단면을 도 2에 나타낸다. 도 2에 나타내는 바와 같이 로봇 핸드(10)의 단면은 장방형이지만, 본 발명의 로봇 핸드의 단면 형상은 이에 한정되지 않으며, 다각형, 반원형, 혹은 원형 등, 반송 대상물의 요구에 맞추어 원하는 형상으로 할 수 있다.

로봇 핸드(10)는, 예를 들면 이하의 방법에 의해 제조된다, 우선, 수지 조성물(a)의 경화 온도에 있어도 변형하지 않는 심재(芯材)(맨드릴)를 준비한다. 이 맨드릴의 재질은, 철, 알루미늄 등의 금속계 재료이어도, 나일론 등의 수지계 재료이어도 된다. 예를 들면, 로봇 핸드가 각(角)파이프상(狀)인 경우, 맨드릴은, 그 각파이프의 내측의 치수와 대략 동일한 치수로 할 수 있다.

계속하여, 본 발명의 프리프레그에 사용하는 상술한 CFRP 시트를, 미리 원하는 치수로 재단하여 두어, 맨드릴에 순차적으로 감는다. 각파이프 형상의 로봇 핸드를 제작하는 경우, 맨드릴에 최초로 감는 CFRP 시트, 및 최후에 감는 CFRP 시트로서는, 상기 크로스 시트를 사용하는 것이 바람직하고, 이 때, 예를 들면 상기 CFRP 시트(c2)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 크로스 시트간에 협지되는 중간층에는, 높은 굽힘강성을 얻기 위해서, 탄소섬유의 배향 방향이 로봇 핸드의 길이 방향과 대략 일치하도록 상기 일방향 시트를 원하는 두께가 되도록 적층하는 것이 바람직하다.

상기 적층 공정에 의해 얻어진 프리프레그를, 이형필름으로 덮고, 진공백 내에 세트한다. 이것을 오토클레브 장치에 세트하고, 진공백을 진공하면서, 가압·가열함으로써, 적층체 내의 수지 조성물(a)을 경화시킨다. 이어서, 프리프레그를, 오토클레브 장치 및 진공백으로부터 취출하고, 맨드릴을 빼냄으로써, 각파이프 형상의 로봇 핸드(10)를 얻을 수 있다.

[ 실시예 ]

이하에 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예에 한정되지 않는다.

실시예 1-1

(a1)성분으로서, 페놀 노볼락형 시아네이트에스테르 수지인 상품명 프라이머 세트 PT60(Lonza사제) 40질량부 및 상품명 프라이머 세트 PT-30(Lonza사제) 20질량부, 및 비스페놀형 시아네이트에스테르 수지인 상품명 프라이머 세트 BA-200(Lonza사제) 40질량부와, (a2)성분으로서 Co(acac)₃ 0.06질량부와, (a3)성분으로서 폴리에테르술폰(상품명 ULTRASON E 2020PSR MICRO, BASF사제) 3질량부를, 플래니터리 믹서로 혼합하여, 수지 조성물(a)을 제작한 후, 이형지 위에 도포하여 전구체 필름을 얻었다. 다음으로, 인장탄성률 780GPa의 탄소섬유(상품명 XN-80, 니폰그라파이트파이버사제)를 일방향 시트로 하고, 상기 전구체 필름을 가열·가압하여 그 일방향 시트에 함침시켜서, 기본 중량(目付, Fiber Areal Weight, AFW) 256g/m²의 CFRP 시트(c1)를 제작했다. 이 시트의 두께는, 0.21mm이었다.

계속하여, 얻어진 CFRP 시트(c1)의 탄소섬유가 일방향이 되도록 14매 적층하여 프리프레그로 하고, 이것을 오토클레브에 의해 180℃, 2시간 가열 경화시켜 수지 함침율 31.4질량%의 탄소섬유 강화 복합재료를 제작했다. 얻어진 탄소섬유 강화 복합재료에 관하여 이하의 측정을 실시했다. 결과를 표 1에 나타냈다.

TML 및 CVCM 측정

얻어진 탄소섬유 강화 복합재료를, 폭 3mm×깊이 3mm×높이 3mm로 가공하여 시험편을 얻고, ASTM E595-06에 준거하여 측정하여, 상술한 식에 의해, TML 및 CVCM를 각각 산출했다.

포화 흡수율 측정

얻어진 탄소섬유 강화 복합재료를, 폭 10mm×길이 60mm×두께 2mm로 가공하여 시험편을 얻고, 그 시험편을, 93℃ 온수에 20일간 침지함으로써 포화 흡수시켜, 침지 전후의 중량을 측정하고, 상술한 식에 의해 포화 흡수율을 산출했다.

유리전이온도 측정

수지 조성물(a)을 100℃에서 금형에 주입한 후, 180℃ 2시간 경화하여, 수지판을 얻었다. 동적점탄성 측정장치(ARES, TA인스트르먼트사제)로, 저장 탄성률의 온도 의존성을 측정하고, 급격한 탄성률의 저하점을 접선법으로 산출하여, 유리전이온도로 했다

비교예 1-1

(a1)성분 대신에, 비스페놀A형 에폭시 수지(상품명 YD-128, 신닛데츠스미킨가가쿠사제) 30질량부, 및 글리시딜아민형 에폭시 수지(상품명 YH434L, 신닛데츠스미킨가가쿠사제) 30질량부를 사용하고, (a2)성분 대신에, 4,4'-디아미노디페닐아민(상품명 세이카큐어-S, 와카야마세이덴코사제) 30질량부를 사용한 이외는, 실시예 1-1과 동일하게 하여 탄소섬유 강화 복합재료를 제작했다. 얻어진 복합재료를 사용하여 실시예 1-1과 동일하게 각 측정을 실시했다. 결과를 표 1에 나타냈다

비교예 1-2

(a1)성분 대신에, 비스페놀A형 에폭시 수지(상품명 YD-128, 신닛데츠스미킨가가쿠사제) 25질량부, 비스페놀A형 에폭시 수지(상품명 YD-011, 신닛데츠스미킨가가쿠사제) 35질량부, 및 페놀 노볼락형 에폭시 수지(상품명 YDPN-638, 신닛데츠스미킨가가쿠사제) 40질량부를 사용하고, (a2)성분 대신에, 디시안디아미드(도쿄가세이고교사제) 5질량부 및 DCMU(호도가야가가쿠고교사제) 3질량부를 사용하고, (a3)성분으로서 페녹시 수지(상품명 YP-70, 신닛데츠스미킨가가쿠사제) 10질량부를 사용하고, 가열 경화 조건을 130℃ 1시간으로 한 것 이외는, 실시예 1-1과 동일하게 하여 탄소섬유 강화 복합재료를 제작했다. 얻어진 복합재료를 사용하여 실시예 1-1과 동일하게 각 측정을 실시했다. 결과를 표 1에 나타냈다.

실시예 2-1

실시예 1-1에서 조제한 수지 조성물(a) 및 표 2에 나타내는 탄소섬유(CF)를 사용하여, 표 2에 나타내는 CFRP 시트 PPG-A 및 PPG-E를 제작했다. 이어서, 이들을 맨드렐에 감음으로써, 표 3에 나타내는 적층체 구조의 프리프레그를 제작했다. 다음으로 180℃×4시간의 조건으로 가열 경화시키고, 도 3에 나타내는 치수의, 단면 개구를 가지는 전장(全長) 2150mm의 로봇 핸드를 제작했다. 얻어진 로봇 핸드에 관하여 이하의 굽힘강성 시험을 실시했다. 결과를 표 3에 나타냈다.

또한, 표 3에 있어서, CF배향 각도의 「0°」는, 탄소섬유를 로봇 핸드의 직사각형 방향으로 배향시킨 것을 의미하며, 「0°/90°」은, 탄소섬유를 길이 방향과 그 길이 방향에 직행하는 방향의 양쪽으로 배향시킨 평직(平織)을 의미한다.

굽힘강성 시험

제작한 전장 2150mm의 로봇 핸드(10)의 일단으로부터 150mm의 범위를, 도 4에 나타내는 바와 같이, 고정대(2)에 수평으로 고정하여 외팔보상(狀)으로 유지했다. 2000mm의 외팔보부의 선단(先端)에 도 4에 나타내는 바와 같이 추 1kgf를 매달아, 선단에 있어서의 휨을 측정했다. 휨량이 5mm 이하인 경우를 합격으로 했다.

실시예 2-2, 2-3 및 비교예 2-1

사용 CFRP 시트 및 프리프레그의 적층체 구조를 표 3에 나타내는 것으로 한 것 이외는, 실시예 2-1과 동일하게 로봇 핸드를 제작하여, 실시예 2-1과 동일하게 굽힘강성 시험을 실시했다. 결과를 표 3에 나타냈다. 또한, 표 3 중의 PPG-B, PPG-C 및 PPG-D는, 표 3에 나타내는 CF를 사용한 이외는 실시예 2-1에 있어서의 PPG-A와 동일하게 제조한 것이다.

표 1로부터 분명한 바와 같이, 실시예에 관련되는 탄소섬유 강화 복합재료는, 비교예와 비교하여 TML, CVCM 및 포화 흡수율이 현저하게 작고, 유리전이온도는 높고, 뛰어난 내열성 등을 가지는 탄소섬유 강화 복합재료이었다. 또한, 표 3으로부터 분명한 바와 같이, 각 실시예에 관련되는 로봇 핸드는, 비교예보다도 휨량이 매우 적고, 굽힘강성이 뛰어났다.

Claims

분자 중에 시아네이트기를 2 이상 가지는 시아네이트에스테르 수지(a1) 100질량부, 금속배위형 촉매(a2) 0.01∼0.5질량부, 및 열가소성의 인성(靭性) 향상제(a3) 1∼20질량부를 포함하는 수지 조성물(a)과, 인장탄성률이 450GPa 이상인 탄소섬유(b1)를 포함하는 탄소섬유(b)로 이루어지는 탄소섬유 함유 수지 시트(c1)를 포함하는 프리프레그.
제1항에 있어서,
수지 조성물(a)과 인장탄성률 450GPa 미만의 탄소섬유(b2)로 이루어지는 탄소섬유 함유 수지 시트(c2)를 더 포함하고, 적층체 구조인 프리프레그.
제2항에 있어서,
상기 적층체가, 적어도 1매의 탄소섬유 함유 수지 시트(c1)로 이루어지는 중간층과, 적어도 1매의 탄소섬유 함유 수지 시트(c2)로 이루어져 상기 중간층을 협지하는 2개의 외층으로 이루어지는 프리프레그.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유(b1)의 인장탄성률이 600GPa 이상인 프리프레그.
제1항에 있어서,
분자 중에 시아네이트기를 2 이상 가지는 시아네이트에스테르(a1)가, 페놀 노볼락형 시아네이트에스테르를 30질량% 이상 80질량% 이하 포함하는 프리프레그.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 프리프레그를 가열 경화시킨 탄소섬유 강화 복합재료.
제6항에 있어서,
TML가 0.35% 이하, 및 CVCM가 0.002% 미만인 복합재료.
제6항에 있어서,
포화 흡수율이 3.0% 이하인 복합재료.
제6항에 있어서,
상기 수지 조성물(a)은, 단독으로 가열 경화시켰을 때에, 유리전이온도 250℃ 이상 350℃ 이하의 물성을 나타내는 복합재료.
반송 대상물을 지지하는 지지부를 구비한 로봇 핸드로서, 상기 지지부가 제6항의 복합재료를 포함하는 로봇 핸드.