KR20160107178A - 섬유 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 강화 섬유 또는 필라멘트의 층을 1개 이상 갖는 섬유 복합재로서, 상기 강화 섬유 또는 필라멘트의 층과 접촉되는 리본 얀(ribbon yarn)의 층을 1개 이상 포함하는 섬유 복합재, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

섬유 복합재 및 이의 제조방법{FIBER COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은, ("로빙(roving)"으로도 알려진) 섬유 매트릭스 중간체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 열가소성 매트릭스를 갖는 섬유 복합재를 제조하기 위한 섬유 매트릭스 중간체에 관한 것이다. 이로부터 제조되는 제품은, 예를 들면, 오늘날 주로 자동차 및 항공기 제작에 사용되는 유기 시트(organic sheet)일 수 있다. 프론트 엔드(front end), 시트(seat), 캐리어(carrier) 및 페달(pedal)의 제조에서 추가의 가능성이 존재한다.
유기 시트는 섬유 매트릭스 중간체이다. 이것은 열가소성 매트릭스에 매립된 연속 섬유로 제조된 직포(woven fabric) 또는 스크림(scrim)으로 구성된다. 열가소성 매트릭스의 장점은, 고도의 자동화 가능성, 예를 들어 상기 중간체의 연속 생산 및 열 성형성에 있으며, 이로 인한 짧은 가공 시간은 통상적인 열경화성 섬유 복합재와 비교된다. 특히, 이의 짧은 공정 시간은 자동차 산업에서 큰 관심사이다. 당해 분야에서 빈번하게 사용되는 섬유재는 유리, 아라미드 및 탄소이다. 직포 및 스크림의 경우, 섬유들은 서로에 대해 직각으로 배치되어, 기계적 성질, 예를 들어 강성(rigidity), 강도 및 열팽창이 이들 기계적 성질의 금속 전형(metallic aychetype)에 대해 정의된 것보다 더 우수하게 정의될 수 있다. 금속 시트와 대조적으로, 인장 및 압축 거동은 대칭적이지 않다.
고강도 열가소성 섬유 복합재는 일반적으로, 연속 필라멘트, 예를 들어, 강화 섬유로서 먼저 적층되는(laid up), 탄소 섬유, 아라미드 섬유 또는 유리 섬유의 번들에 의해 생성된다. 이후, 열가소성 접착재-예를 들어, 폴리아미드 수지, 열가소성 폴리우레탄 또는 폴리에스테르-로 구성되는 매트릭스재의 사이즈(size)가 상기 강화 섬유의 위 및/또는 아래에 도포된다. 이후, 섬유 복합재를 얻기 위해, 매트릭스재는 열 및 가능하게는 압력의 적용에 의해 용융되게 된다. 이러한 유형의 방법은, 예를 들어 WO 2005/033390 A2에 개시되어 있다.
가교 결합 가능한 물질 및 유사한 물질의 매트릭스재도 물론 일반적이며, 일반적으로 그 자체가 당해 기술 분야의 숙련가에게 공지되어 있다.
하이브리드 섬유 복합재도 유기 시트로서 사용될 수 있으며, 여기에는 강화 필라멘 이외에, 매트릭스로서 역할하는 추가의 필라멘트도 삽입된다. 상기 필라멘트들은 바람직하게는 단일 방향으로 배향되며; 이는, 예를 들어, 적절한 가이드 장치 및 얀 가이드 유니트를 사용하여 필라멘트들을 분리시킴에 의해 성취될 수 있다. 여기서 또한, 상기 복합재를 열적으로 또는 화학적으로 제조하기 위해 매트릭스재 또는 고정제(fixing agent)가 최종적으로 도포된다.
하이브리드 섬유 복합재의 최신 제조방법은, 매트릭스재의 균일한 도포가 종종 성취되기 어렵다는 단점을 갖는다. 게다가, 상이한 유형의 필라멘트들은 빈번하게 분리 또는 스프레드(spread)되어야만 하며, 이것은 이들 필라멘트들의 상이한 기계적 성질들로 인해 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은, 강화 섬유 또는 필라멘트의 층을 1개 이상 갖는 섬유 복합재로서, 상기 강화 섬유 또는 필라멘트의 층과 접촉되는 리본 얀(ribbon yarn)의 층을 1개 이상 포함하는 섬유 복합재를 제공하여 이러한 문제를 해결한다.
본 발명의 맥락 내에서, 용어 "리본 얀"은, 너비 대 두께 비율이 10:1 이상, 바람직하게는 50:1, 보다 바람직하게는 40:1, 가장 바람직하게는 30:1이며, 예를 들어 두께가 0.2mm이고 폭이 6mm인, 단일 방향으로 배향된 필라멘트들의 스프레드 배치(spread arrangement)를 의미하는 것으로 이해된다. 이러한 배치는 적절한 결합제, 예를 들어 사이즈 또는 열가소성 접착제에 의해 고정된다.
리본 얀에 사용되는 물질은 바람직하게는, WO 2013/117728에 개시된 것들이다. 이러한 물질의 주요 장점은 단순한 취급성, 특히 매트릭스재의 균일한 분포, 짧은 압밀(consolidation) 경로의 성취 및 매우 균일한 생성물의 획득에 있다. 가연(twist)없이 권사된(winding up) 리본 얀은, 예를 들면, 쉽게 수송될 수 있으며, 현장(on site)에서 사용될 수 있다.
본 발명의 섬유 복합재에 있어서, 상기 강화 섬유 또는 필라멘트의 층 적어도 1개가 상기 리본 얀의 층들 2개 사이에 존재하는 것이 바람직하다. 이러한 샌드위치 구조는, 후속 단계들에서 손쉽게 그리고 저렴하게 추가로 가공될 수 있는 매우 균일한 중간체의 형성을 야기한다.
따라서, 본 발명의 섬유 복합재의 리본 얀은 바람직하게는, 폴리아미드 6, 폴리아미드 6,6, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 또는 폴리프로필렌의 얀을 포함한다. 이러한 바람직한 리본 얀은, 예를 들어 오베른부르크(독일)의 피에이치피 파이버스(PHP Fibers)에 의해 엔카 텍테입(Enka TecTape)의 상품명으로 판매된다.
리본 얀은 물론 다른 물질로부터 제조될 수도 있다. 예를 들어, 리본 얀은 강화 섬유 또는 필라멘트로 일반적으로 사용되는 물질로부터 제조되는 것이 가능하고 또한 바람직하다. 예를 들어 리본 얀은, 유리 멀티필라멘트 얀으로부터 제조될 수 있으며, 상기 유리 멀티필라멘트 얀 또한 상기 공정에서 본질적으로 서로에 대해 평행하게 스프레드되어 도입될 것이다. 이러한 유리 멀티필라멘트는, 적당한 사이즈를 사용하여 편의상 고정되며, 바람직하게는 12000dtex f2000의 선밀도를 갖는 멀티필라멘트 얀으로 구성되며, 또한 바람직하게는 접착-활성화(adhesion-activated)되어있다. 이러한 이유로, 본 발명은 또한, 강화 섬유 또는 필라멘트가 리본 얀의 형태도 취하는 섬유 복합재에 관한 것이기도 하다.
또한, 본 발명은, 강화 섬유 또는 필라멘트의 층 1개 이상이 리본 얀의 층 1개 이상과 접촉하는 섬유 복합재의 제조방법에 관한 것이다. 여기서, 리본 얀의 층들이 1개 이상의 릴(reel)로부터 해사되는(unwinding) 것이 바람직하다. 추가로 바람직한 양태에서, 상기 강화 필라멘트들 자체도 리본 얀의 형태를 취한다.
이러한 방식으로 얻어지는 섬유 복합재는, 이후에, 예를 들어 소위 유기 시트로 추가로 가공하기 위해, 열에 의하고/열에 의하거나 압력하에 압밀될 수 있다.
추가로 바람직한 양태에서, 강화 섬유 및 필라멘트의 층들은 리본 얀의 층들과 함께 가연되어 심지어 열처리 또는 압력 없이도 용집(cohesion) 가능하다. 모든 층, 즉, 강화층을 형성하는 섬유 또는 필라멘트를 포함하는 모든 층도 리본 얀의 형태를 취하는 경우가 물론 이상적이다.
본 발명은, 청구범위 제6항 내지 제11항에 보다 상세히 기재되어 있는 섬유 복합재의 제조방법에 관한 것이기도 하다.
또한, 본 발명은, 다음의 실시예들을 사용하여 보다 자세히 개시될 것이며, 이러한 실시예들은 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하는 것으로 간주되지 않아야만 한다.
실시예 1
WO 2013/117728에 개시된 바와 같이, 1880dtex f280의 공칭 선밀도를 갖는 폴리아미드 6 멀티필라멘트로부터 리본 얀을 제조했다. 상기 제조는 다음의 단계들을 포함하며, 또한 도면의 도식에 의해 설명된다.
- 얀의 해사
- 가능한 세척
- 건조
- 스프레딩
- 이엠에스-케미 아게(EMS-Chemie AG)로부터의 그릴텍스(Griltex) 2A 결합제(수성 분산액 형태의 코폴리아미드) 5중량% 도포
- 120℃의 가마(kiln)에서 상기 코폴리아미드의 압밀
- 가연 없이 권사
실시예 2
폴리아미드 6 대신, (접착-활성화된) 12000dtex f2000의 선밀도를 갖는 유리 멀티필라멘트 얀을 사용하는 것만 상이하게 하여 실시예 1을 반복했다.
이엠에스-케미 아게로부터의 그릴텍스 2A 결합제(수성 분산액 형태의 코폴리아미드) 5중량% 또는 사이즈 2중량% 도포.
실시예 3
상기 실시예들로부터 얻어진 리본 얀을, 섬유 복합재(이 경우, 유리 섬유 하이브리드 로빙)를 제조하기 위해 다음과 같이 처리했다.
a) 폴리아미드 6 리본 얀의 층 1개 및 유리 멀티필라멘트 리본 얀의 층 1개
b) 다층(3층 샌드위치)으로 구성:
폴리아미드 6 리본 얀의 층 1개(상부), 유리 멀티필라멘트 리본 얀의 층 1개(중간부), 폴리아미드 6 리본 얀의 층 1개(하부).
c) 다층(5층 이중 샌드위치)으로 구성:
폴리아미드 6 리본 얀의 층 1개(상부), 뒤이어 유리 멀티필라멘트 리본 얀의 층 1개 및 폴리아미드 6 리본 얀의 층 1개, 이후 추가의 유리 멀티필라멘트 리본 얀의 층 1개 및 최종적으로 폴리아미드 6 리본 얀의 층 1개(하부).
상기 유리 섬유 하이브리드 로빙은 코폴리아미드 및/또는 사이즈를 사용하여 접합된다(사전 고정된다). 생성된 로빙은 가연 없이 권사된다.
다르게는, 개별 층들을 가마에서 약 120℃로 가열만 하여 상기 코폴리아미드를 약간 용융되게 한 후, 상기 층들을 롤러(캘린더)를 사용하여 함께 압축하여 압밀하고, 가연 없이 권사한다.

Claims (12)

  1. 강화 섬유 또는 필라멘트의 층 1개 이상 및 이와 접촉되는 리본 얀(ribbon yarn)의 층 1개 이상을 포함하는, 섬유 복합재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강화 섬유 또는 필라멘트의 층 적어도 1개는 상기 리본 얀의 층들 2개 사이에 위치함을 특징으로 하는, 섬유 복합재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강화 섬유 또는 필라멘트가 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유 및/또는 아라미드 섬유를 포함하는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는, 섬유 복합재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리본 얀의 얀이 지방족 폴리아미드, 예를 들어 폴리아미드 6, 폴리아미드 6,6, 폴리아미드 4,6, 방향족 폴리아미드, 예를 들어 PPA, 폴리에스테르, 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 또는 폴리프로필렌 얀임을 특징으로 하는, 섬유 복합재.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 강화 섬유 또는 필라멘트가 리본 얀의 형태도 취하는 것을 특징으로 하는, 섬유 복합재.
  6. 강화 섬유 또는 필라멘트의 층 1개 이상이 리본 얀의 층 1개 이상과 접촉됨을 특징으로 하는, 섬유 복합재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 리본 얀이 폴리아미드 6 또는 폴리프로필렌 얀으로 필수적으로 구성됨을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 리본 얀의 층들이 하나 이상의 릴(reel)로부터 가연(twist) 없이 해사(unwinding)됨을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화 섬유 또는 필라멘트가 리본 얀의 층으로서도 도입됨을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 복합재가 열에 의하고/열에 의하거나 압력하에 후속적으로 압밀(consolidation)됨을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화 섬유 또는 필라멘트의 층들이 이들을 함께 가연시킴에 의해 압밀됨을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화 섬유 또는 필라멘트가 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유 및 아라미드 섬유를 포함하는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는, 방법.
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