KR20170066519A - 하이브리드 강화 조립체들 - Google Patents

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KR20170066519A
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데이비드 알 하트먼
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오씨브이 인텔렉츄얼 캐피탈 엘엘씨
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Abstract

복수의 강화 섬유들 (12), 및 상기 강화 섬유들 (12) 과 혼합된 복수의 탄소 섬유들 (14) 을 포함하는 하이브리드 강화 재료 (18) 가 개시되어 있다. 강화 섬유들 (12) 은 천연 섬유들, 유기 섬유들 및 무기 섬유들로부터 선택되고 그리고 탄소 섬유들 (14) 과 단일의 하이브리드 조립된 로빙을 형성한다. 탄소 섬유들 (14) 은 상용화제로 후코팅된다. 하이브리드 조립된 로빙 (18) 은 유리 섬유 및 탄소 섬유들의 하이브리드를 사용하여 형성될 수 있다.

Description

하이브리드 강화 조립체들 {HYBRID REINFORCEMENT ASSEMBLIES}
본 출원은 복합재의 성능과 생산성 향상을 위한 하이브리드 조립체들이라고 하는 2014년 10월 8일에 출원된 미국가특허출원 시리즈 제 62/061,323 호를 우선권주장하고 그 모든 이점을 주장하고, 이 문헌은 전체적으로 본원에 원용된다.
섬유 강화 복합재들은 매트릭스 재료와 이 매트릭스 재료의 강도 및 탄성을 기계적으로 향상시키도록 기능하는 섬유들로 구성된 복합 재료들이다. 섬유 강화 복합재들은 높은 강성, 강도 및 인성을 가지며, 종종 구조용 금속 합금들에 필적가능하다. 더욱이, 섬유 강화 복합재들은 통상적으로 강 또는 알루미늄의 5 배에 달하는 단위 중량당 "특정" 강도와 계수로 인해 금속들보다 실질적으로 적은 중량에서 이러한 특성들을 제공한다. 결과적으로, 섬유 강화 복합재로 형성된 디바이스의 전체 구조는 보다 더 경량으로 될 수 있다. 비행기나 우주선 부품들과 같은 중량이 중요한 디바이스들에 대해서, 이러한 중량 절감이 중요한 이점이 될 수 있다.
시트 성형 화합물 (SMC) 은 시트 형태의 섬유 강화 열경화성 화합물이다. 이의 중량 대비 높은 강도비로 인해서, 건축 재료로서 널리 사용된다. 이의 강도, 강성 및 다른 특성들은, 수평 뿐만 아니라 수직 패널들, 예를 들어 자동차들에 사용하는데 적합하다. SMC 제조 공정에서, 폴리에스테르 수지 또는 비닐 에스테르 수지 프리믹스 (premix) 와 같은 폴리머 필름의 층이 비접착성 표면을 포함하는 플라스틱 캐리어 시트로 계량된다. 강화 섬유들은 그 후에 폴리머 필름에 성막되고, 제 2 폴리머 필름층을 함유하는 제 2 비접착성 캐리어 시트는 제 2 폴리머 필름이 강화 섬유들과 접촉하여 샌드위치된 재료를 형성하도록 제 1 시트에 위치된다. 이 샌드위치된 재료는 그 후에 그 결과 얻어진 SMC 재료 전체에 걸쳐 폴리머 수지 매트릭스 및 섬유 다발들을 분포시키기 위해 연속적으로 압축된 후, 성형 공정에 추후 사용하기 위해 압연될 수 있다.
SMC 화합물들의 제조시, 강화 재료들은 폴리머의 매트릭스 재료내에서 균일하게 분산 및 혼합되는 것이 바람직하다. 이러한 균일한 혼합의 일 측정법으로는 습윤 (wetting) 이라 하며, 이는 강화 재료가 매트릭스 수지 재료에 의해 얼마나 잘 캡슐화되는지의 척도이다. 강화 재료를 건조 섬유들이 없는 상태로 완전히 습윤시키는 것이 바람직하다. 이러한 초기 프로세싱 동안 불완전한 습윤은 후속 프로세싱 뿐만 아니라 최종 복합재의 표면 특성들에 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 불량한 습윤은 SMC 의 불량한 성형 특성들을 유발하여, 최종 성형 부품에서의 표면 결함들 및 낮은 복합 강도들을 초래할 수 있다. 라인 속도들 및 생산성과 같은 SMC 제조 공정 처리량은, 로빙 절단된 다발들이 얼마나 잘 그리고 얼마나 신속하게 완전히 습윤될 수 있는지에 의해 제한된다.
복합재 제품들은 또한 장섬유 강화 열가소성물 ("LFT") 복합재들과 같은 열가소성 수지들을 사용하여 형성될 수 있다. LFT 복합재들은 절단된 섬유 강화재들의 긴 (약 4.5 mm 또는 그 이상) 피스들을 가진 열가소성물이다. LFT 와 종래의 절단된 단섬유 강화 화합물들 사이의 차이점은 섬유들의 길이에 있다. LFT 들에서, 섬유의 길이는 펠릿의 길이와 동일하다. LFT 제조시, 섬유 로빙들의 연속 스트랜드들은 다이를 통하여 인출되고, 여기에서 스트랜들은 열가소성 수지로 코팅 및 함침된다. 강화 플라스틱의 이러한 연속 로드는 그 후에 통상적으로 10 mm ~ 12 mm 의 길이로 절단되거나 펠릿화된다.
유리 섬유들 및 탄소 섬유들은 섬유 강화재들의 공통적인 실시예들이다. 유리 섬유들은, 변화하는 분위기 조건들에 따라서 수축 또는 연신되지 않기 때문에 치수 안정성을 제공하며 부분 압밀 (consolidation) 을 위해 금속들과 유사한 치수 공차들을 제공한다. 추가로, 유리 섬유들은 높은 인장 강도, 내열성, 내식성 및 내충격성과 체결 또는 결합을 위한 높은 인성을 가진다. 통상적으로, 유리 섬유들은 오리피스들의 부싱 또는 다른 집속물로부터 용융된 유리 재료의 스트림들을 감쇠시킴으로써 형성된다. 후속 프로세싱 동안 섬유들이 파손되지 않도록 보호하고 그리고 강화될 매트릭스 수지들과 섬유들의 상용화 (compatibility) 를 개선시키기 위해서, 필름 형성 폴리머, 커플링제 및 윤활제를 함유하는 수용성 사이징 조성물이 통상적으로 부싱으로부터 인출된 후에 섬유들에 도포된다. 사이징 조성물이 도포된 후에, 사이징된 섬유들은 스트랜드들로 집속되고 그리고 유리 섬유 패키지를 형성하도록 권취된다. 유리 섬유 패키지는 그 후 가열되어 물을 제거하고 유리 섬유의 표면을 가볍게 코팅하는 잔류물로서 사이즈를 성막한다. 다수의 건조된 유리 섬유 패키지들은 다단 로빙 패키지라고 하는 스풀에 압밀 및 권취될 수 있다. 로빙 패키지는 복수의 다발의 유리 섬유들을 가진 유리 스트랜드로 구성된다.
탄소 섬유들은 원하는 기계적 특성들을 가진 경량의 섬유들이고, 이는 다양한 매트릭스 수지들과 함께 복합 재료들을 형성하는데 유용하도록 해준다. 한편으로는, 탄소 섬유들은 높은 인장 강도 및 높은 탄성 계수를 나타낸다. 다른 한편으로는, 탄소 섬유들은 높은 도전성, 높은 내열성 및 화학적 안정성을 나타낸다. 탄소 섬유들의 낮은 밀도와 함께 이러한 특성들의 조합은, 항공우주, 운송, 전자기 간섭 (EMI) 차폐 적용들, 스포츠 용품, 배터리 적용들, 열 관리 적용들 및 많은 다른 적용들과 같은 다양한 산업분야에서 광범위한 적용을 위해 복합 재료들에서 강화 요소들로서 탄소 섬유들의 사용 증가로 이어졌다.
하지만, 탄소 섬유들은 프로세싱하기 더 어렵고 그리고 유리 섬유들보다 비용이 많이 든다. 탄소 섬유들은 취성일 수 있고 그리고 열악한 내마모성에 매우 연루되기 쉬워, 프로세싱 동안 보풀 또는 파단된 나사산들이 쉽게 생성된다. 추가로, 탄소 섬유들은, 적어도 부분적으로 이들의 소수성 특성때문에, 통상적인 수지 매트릭스들에서 유리 섬유들과 같은 다른 강화 섬유들처럼 쉽게 습윤되지 않는다. 습윤은 매트릭스 전체에 균일하게 분산되도록 적합한 표면 습윤 인장을 갖는 섬유들의 능력을 말한다. 탄소 섬유들을 포함하는 복합 재료를 사용하기 위해, 탄소 섬유들과 매트릭스 수지 사이의 우수한 습윤 및 접착성이 중요하다.
유리 및 탄소 섬유들 각각은 섬유 강화 복합재들에 바람직한 특성들을 부여한다. 따라서, 수지들에서 유리 및 탄소 섬유들의 혼합물들은 수지 매트릭스에 각각 제공되는 인성, 강도 및 계수의 특징들을 사용하려고 시도되어 왔다. 하지만, 이러한 하이브리드 복합재를 시도할 때, 비용 효과적인 복합재들에 바람직한 빠른 경화 및 압밀 공정들에서 탄소 스트랜드들을 프로세싱하는데 상당한 어려움이 발생한다.
본 발명의 다양한 양태들에 따르면, 하이브리드 조립된 로빙 및 하이브리드 조립된 로빙을 형성하는 방법이 제공된다. 하이브리드 조립된 로빙은 복수의 강화 섬유 스트랜드들 및 강화 섬유들이 혼합된 (comingled) 복수의 탄소 섬유 다발들을 포함한다. 강화 섬유들은 천연 섬유들, 유기 섬유들 및 무기 섬유들로부터 선택된다. 탄소 섬유들은 상용화제 (compatibilizer) 로 후코팅된다.
다양한 예시적인 실시형태들에서, 강화 섬유들은 유리 섬유들이다.
다양한 예시적인 실시형태들에서, 상용화제는 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 메틸 실란, 아미노 실란 및 에폭시 실란 중 적어도 하나를 포함한다.
다양한 예시적인 실시형태들에서, 탄소 섬유들은 50 tex ~ 800 tex 의 밀도 및 0.5 mm ~ 4 mm 의 폭을 가진다.
다양한 예시적인 실시형태들에서, 하이브리드 강화 재료는 0.5 mm ~ 2 mm 의 폭을 가진다.
다양한 예시적인 실시형태들에서, 하이브리드 강화 재료는 1.0×105 m ~ 2.0×105 m 의 비강도 (specific strength) 및 7.0×106 m ~ 14.0×106 m 의 비계수 (specific modulus) 를 가진다.
다양한 예시적인 실시형태들에서, 강화 섬유들은 탄소 섬유들을 건조하기 전에 또는 건조한 후에 유리 섬유들을 탄소 프로세싱 라인안으로 인출함으로써 탄소 섬유들과 혼합된다.
본 발명의 다른 양태들에 따라서, 혼합되는 복수의 탄소 섬유들과 복수의 강화 섬유들을 포함하는 적어도 하나의 하이브리드 강화 재료를 포함하는 하이브리드 강화 복합재가 제공된다. 강화 섬유들은 천연 섬유들, 유기 섬유들, 및 무기 섬유들로부터 선택된다. 탄소 섬유들은 상용화제로 후코팅된다. 하이브리드 강화 복합재는 폴리머 수지 매트릭스를 더 포함한다.
본 개시의 예시적인 실시형태들은, 후술되고 그리고 첨부 도면에 도시된 바와 같이 특정 예시적인 실시형태들의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 전구체로부터 시작하는 탄소 섬유 형성 라인을 도시한다.
도 2 는 예시적인 하이브리드 조립된 로빙 형성 공정을 도시한다.
도 3 은 탄소 섬유들을 탄소 섬유 다발들로 확산시키도록 탄소 섬유들이 인장하에 인출되는 초기 확산 스테이션을 도시한다.
도 4a 및 도 4b 는 탄소 섬유 다발들을 확산하기 위한 홈식 롤러 (grooved roller) 를 도시한다.
도 5 는 다른 예시적인 하이브리드 조립된 로빙 형성 공정을 도시한다.
도 6a ~ 도 6c 는 탄소 다발들 및 유리 섬유들의 배치를 변화시키는 예시적인 하이브리드 조립된 로빙 형성물들을 도시한다.
도 7 은 강화 섬유들을 절단하는데 사용되는 예시적인 융기식 롤러 (ridged roller) 를 도시한다.
도 8 은 폴리머 수지 필름에 적어도 2 가지 유형의 강화 섬유들을 포함시키는 예시적인 공정을 도시한다.
도 9 는 하이브리드 SMC 복합 재료내의 다양한 유형의 탄소 및 유리 섬유 분산을 도시한다.
도 10 은 다양한 유형의 섬유들의 비강도 대 섬유들의 비계수를 그래프로 도시한다.
도 11 은 3 개의 SMC 재료들에 대한 응력-변형 곡선을 그래프로 도시하고, 하나는 유리 섬유 강화재들만을 포함하고, 하나는 탄소 섬유 강화재들만을 포함하며, 하나는 50 : 50 의 유리 대 탄소비를 가진 하이브리드 조립된 로빙 강화재들을 포함한다.
도 12 는 유리 및 탄소 강화된 SMC 재료와 비교된 예시적인 하이브리드 SMC 재료의 절단된 스트랜드 폭에 따른 인장 강도를 그래프로 도시한다.
일반적인 본원의 개념은 많은 다른 형태들의 실시형태로 가능하지만, 본 개시는 일반적인 본원의 개념의 원리의 예시로서 고려되어야 함을 이해하면서, 도면들에 도시되어 있으며 그리고 본원의 특정 실시형태를 상세히 설명한다. 따라서, 일반적인 본원의 개념은 본원에 설명된 특정 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
다르게 규정되지 않는 한, 본원에 사용되는 용어는 일반적인 본원의 개념을 포함하는 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 본원에 사용된 용어는 일반적인 본원의 개념의 예시적인 실시형태들을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 일반적인 본원의 개념을 제한하려는 것은 아니다. 일반적인 본원의 개념의 설명 및 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, 단수형 지시대상은 문맥에서 명백하게 다르게 나타내지 않는 한 복수형 지시대상을 포함하도록 의도된다.
본 발명은, 프로세싱 적용시, 예를 들어 1) 강화된 복합재 (예를 들어, 압축 성형을 위한 시트 성형 화합물 ("SMC")) 의 형성시, 2) 장섬유 열가소성 사출 성형시, 3) 인발 (pultrusion) 공정시, 4) 프리프레그 (prepreg) 형성시 등에 사용되는 하이브리드 강화 재료에 관한 것이다. 상기 프로세싱 적용에서 형성된 하이브리드 강화 복합재들은 (i) 혼합된 유리 및 탄소 강화 재료 및 (ii) 열경화성 또는 열가소성 수지 조성물을 포함한다.
강화 재료는 양호한 구조적 품질 뿐만 아니라 양호한 열적 특성들을 결과물인 복합재에 제공하는데 적합한 어떠한 유형의 섬유를 포함할 수 있다. 강화 섬유들은 어떠한 유형의 유기, 무기 또는 천연 섬유들일 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 강화 섬유들은 유리, 탄소, 폴리에스테르들, 폴리올레핀들, 나일론들, 아라미드들, 폴리 (페닐렌 설파이드), 탄화규소 (SiC), 질화붕소 등 중 어떠한 하나 이상으로 제조된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 강화 섬유들은 유리, 탄소 및 아라미드 중 하나 이상을 포함한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 강화 재료는 유리 섬유와 탄소 섬유의 하이브리드를 포함한다.
유리 섬유들은 종래의 유리들을 포함하는 특정 적용 및/또는 원하는 제품 사양에 적합한 어떠한 유형의 유리로 형성될 수 있다. 유리 섬유들의 비배타적인 실시예들로서는 A 형 유리 섬유들, C 형 유리 섬유들, G 형 유리 섬유들, E 형 유리 섬유들, S 형 유리 섬유들, E-CR 형 유리 섬유들 (예를 들어, Owens Corning 으로부터 상업적으로 이용가능한 Advantex
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유리 섬유들), R 형 유리 섬유들, 울 유리 섬유들, 생체용해성 유리 섬유들 및 이들의 조합물들을 포함하며, 이들은 강화 섬유로서 사용될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 하이브리드 강화 재료에 사용되는 유리 섬유 입력물 (input) 은 종래의 오프라인 로빙 공정 하에서 조립된 다단 유리 로빙 재료이다.
탄소 섬유들은 일반적으로 고 강성, 고 인장 강도, 고온 인성, 낮은 열팽창성을 갖는 일반적으로 소수성, 전도성 섬유들이며 그리고 일반적으로 경량이어서, 강화 복합재들을 형성할 시 인기가 있다. 하지만, 탄소 섬유들은 유리와 같은 다른 유형들의 강화 재료보다 더 비싸다. 예를 들어, 탄소 섬유들은 $20/kg 로 비용이 상향될 수 있지만, 유리 섬유들은 약 $l/kg 로 비용이 낮게 될 수 있다. 추가로, 탄소 섬유들은 하류측 적용시에 프로세싱하기가 더 어려우므로, 제품 제조 속도를 느리게 한다. 이는 적어도 부분적으로 유리 섬유들처럼 통상적인 매트릭스들에서 쉽게 습윤되지 않는 탄소 섬유들의 소수성 특성 때문이다. 습윤은 매트릭스 전체에 균일하게 분산되고 그리고 적합한 표면 습윤 인장을 갖는 섬유들의 능력을 말한다. 반대로, 일반적으로 친수성 섬유들인 유리 섬유들은 프로세싱하기 더 쉽고 그리고 매트릭스에서 균일하게 습윤될 것이다.
사용된 전구체에 따라서, 탄소 섬유들은 터보스택틱 (turbostratic) 또는 그래픽틱 (graphitic) 일 수 있거나 터보스택틱 및 그래픽틱 부품들 둘 다가 존재하는 하이브리드 구조를 가질 수 있다. 터보스택틱 탄소 섬유에서, 탄소 원자들의 시트들은 우연히 함께 접혀지거나 구겨진다. 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 에서 유래된 그래픽틱 탄소 섬유들은 터보스택틱인 반면, 메조페이스 피치 (mesophase pitch) 에서 유래된 탄소 섬유들은 2200℃ 를 초과하는 온도에서 열처리된 후의 그래픽틱이다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 탄소 섬유들은 PAN 에서 유래된다. 도 1 은 PAN 전구체로부터 탄소 로빙을 형성하기 위한 하나의 예시적인 공정을 도시한다.
강화 섬유들은 섬유 형성 공정 동안 또는 섬유 형성 공정 직후에 사이징 조성물로 코팅될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 사이징 조성물은 현탁액 또는 에멀젼과 같은 수용성계 조성물이다. 현탁액 또는 에멀젼은 필름 형성제, 커플링제, 윤활제 및 계면활성제 중 하나 이상을 포함하는 고형 함량을 가진다. 필름 형성제는, 섬유들 형성시에 보조하고 마모에 의해 유발되는 손상으로부터 필라멘트를 보호하도록 함께 개별적인 필라멘트들을 유지한다. 허용가능한 필름 형성제들은, 예를 들어 폴리비닐 아세테이트들, 폴리우레탄들, 개질된 폴리올레핀들, 폴리에스테르들, 에폭시드들 및 이들의 혼합물을 포함한다.
사이징 조성물은 실란 커플링제와 같은 적어도 하나의 커플링제를 더 포함할 수 있다. 실란 커플링제들은 필름 형성 폴리머들의 섬유들에 대한 접착성을 향상시키고 그리고 후속 프로세싱 동안 보풀 또는 파단된 섬유 필라멘트들의 레벨을 감소시키도록 기능한다. 본원의 사이즈 조성물에 사용될 수 있는 실란 커플링제들의 실시예들은, 작용기들 아미노, 에폭시, 비닐, 메타크릴옥시, 아지도, 우레이도 및 이소시아나토를 특징으로 할 수 있다. 커플링제는 약 0.05% ~ 약 0.20% 활성 고체들, 보다 바람직하게는 약 0.08% ~ 약 0.15% 활성 고체들의 양으로 사이즈 조성물에 존재될 수 있다.
사이징 조성물은 또한 적어도 하나의 윤활제를 함유할 수 있다. 어떠한 종래의 윤활제는 사이즈 조성물에 포함될 수 있다. 사이즈 조성물에 사용하는데 적합한 윤활제들의 비배타적 실시예들은, 부분적으로 아미드화된 장쇄 폴리알킬렌 이민들, 에틸렌글리콜 올레에이트들, 에톡시화 지방 아민들, 글리세린, 에멀젼화된 광유들, 오르가노폴리실록산 에멀젼들, 스테아르산 에탄올아미드 및 폴리에틸렌글리콜 모노스테아레이트, 부톡시에틸 스테아레이트 및 폴리에틸렌 글리콜 모노올레에이트와 같은 수용성 에틸렌글리콜 스테아레이트들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 윤활제는 약 0.025% ~ 약 0.010% 활성 고체들의 양으로 존재할 수 있다.
추가로, 사이즈 조성물은 조성물의 pH 레벨을 조절하기 위해 아세트산, 시트르산, 황산 또는 인산과 같은 pH 조절제를 선택적으로 포함할 수 있다. pH 는 의도된 적용에 따라서 또는 사이즈 조성물의 성분들의 상용화를 촉진시키기 위해 조절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 사이징 조성물은 3.0 ~ 7.0 의 pH 또는 3.5 ~ 4.5 의 pH 를 가진다.
의도된 적용에 따라서, 사이징 조성물들에는 추가의 첨가제들이 포함될 수 있다.
일부 예시적인 실시형태에서, 2 개 이상의 유형의 강화 섬유들이 하이브리드 조립된 로빙의 형성시 혼합된다. 하이브리드 조립된 로빙은 적어도 2 개 유형의 강화 섬유들을 포함하는 다단 섬유 로빙이다. 예를 들어, 하이브리드 조립된 로빙은 2 개 이상의 유리 섬유들, 탄소 섬유들, 아라미드 섬유들 및 높은 계수의 유기 섬유들을 포함 할 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 하이브리드 조립된 로빙은 유리 섬유와 탄소 섬유의 혼합물을 포함한다. 하이브리드 강화 섬유들은 유리 섬유와 탄소 섬유의 혼합물로서 본원에 개시될 것이지만, 이는 단지 일 예시적인 실시형태이며, 하이브리드 조립된 로빙은 전술한 강화 섬유들의 어떠한 조합을 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
하이브리드 조립된 로빙을 형성하는 것은 다양한 방법으로 실시할 수 있다. 예를 들어, 도 2 는 유리 스트랜드들 (12) 및 탄소 스트랜드들 (14) 이 개별적으로 인장되고 그리고 유리 스트랜드들이 탄소 프로세싱 라인으로 인출되며, 혼합된 스트랜드들을 단일의 하이브리드 조립된 로빙 패키지로 권취하기 전에 유리 및 탄소 스트랜드들을 혼합하는, 형성 공정을 도시한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 유리 스트랜드들은 건조 단계 이전에 탄소 섬유 프로세싱 라인에 통합되고, 다른 예시적인 실시형태들에서, 유리 스트랜드들은 후 코팅 적용 단계 (24) 이전에 탄소 섬유 프로세싱 라인에 통합된다.
로빙 공정에서 유리 및 탄소 섬유들을 혼합하는데 있어서 한 가지 어려움은 탄소 섬유가 응집되는 경향에 기인하며, 이는 절단할 때 섬유들을 함께 뭉치게 한다. 이러한 응집 및 뭉침은 탄소 섬유를 매트릭스 수지 재료내에 분산시키는데 어렵게 만든다. 유리 섬유들은 약 0.3 ~ 약 1.2 mm 의 직경들을 가진 얇은 로드형 섬유 다발들이다. 유리 스트랜드들을 탄소와 효과적으로 혼합하기 위해서, 탄소 섬유 스트랜드들은 유리 섬유 스트랜드들과 유사하게 사이징 및 형상화되어야 한다. 따라서, 일부 예시적인 실시형태들에서, 유리 섬유 스트랜드들 (12) 및 탄소 섬유 스트랜드들 (14) 을 혼합하기 전에, 탄소 섬유 스트랜드들 (14) 은 개별 탄소 필라멘트들을 분리하고 그리고 약 50 ~ 800 tex (tex= grams/토우의 1000 m) 또는 50 ~ 400 tex 의 복수의 얇은 다발들로 형성하도록 확산되고, 각각은 약 0.5 mm ~ 약 4.0 mm 또는 약 0.5 ~ 2.0 mm 의 폭을 가진다. 얇은 다발들은 약 0.05 ~ 약 0.5 mm 또는 약 0.1 ~ 약 0.3 mm 의 두께를 가질 수 있다. 도 3 은, 도 4a 및 도 4b 에 도시된 바와 같이, 탄소 섬유들을 얇은 다발들 (22) 로 확산시키도록 탄소 섬유들은 2 ~ 4 배의 인장하에서 인출되는 초기 확산 스테이션 (25) 을 도시한다. 탄소 섬유 다발들 (22) 은 일정한 확산을 유지하고 그리고 다발들 사이의 확산을 더 증가시키기 위해 인장하에서 인출될 수 있다. 예를 들어, 약 3/8" ~ 약 ½" 의 확산들을 가진 복수의 탄소 섬유 다발들 (22) 은, 약 ¾" ~ 약 1½" 의 확산들을 형성하도록 인장하에서 다양한 롤러들 (16) 을 따라서 인출된다. 롤러들 (16) 의 각 및 반경은 너무 크지 않은 인장을 유지하도록 설정되어야 하며, 이는 확산 다발을 함께 되돌릴 수 있다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 탄소 섬유 스트랜드들이 얇은 탄소 섬유 다발들로 확산되면, 절단용 다발들을 압밀하고 그리고 원하는 매트릭스 재료를 가진 탄소 섬유들의 분산성 및 용해성을 향상시키도록 탄소 섬유 다발들 (22) 은 후코팅 처리욕 (24) 을 통하여 인출된다. 매트릭스 재료의 상용화를 향상시킴으로써, 섬유들은 보다 쉽게 습윤되고, 이는 또한 제조 시간을 단축시킬 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 후코팅 처리욕을 통하여 인출 대신에, 후처리는 어떠한 공지된 코팅 도포 방법, 예를 들어 하나 이상의 분무 장치 (38) 에 의해 탄소 다발들상에 코팅을 분무하거나 키스-코팅하거나 어플리케이터 롤을 사용하여 다발들에 도포될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 스트랜드들을 다발들로 확산시킨 후에 섬유 스트랜드들을 후코팅 조성물로 코팅 대신에, 섬유 다발들이 확산되기 전에 후코팅 조성물이 도포될 수 있다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 후코팅 조성물은 섬유 다발들이 확산되기 전후에 도포될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 탄소 섬유 입력물은 복수의 미리 형성된 얇은 탄소 섬유 다발들 (22) 을 포함하고, 후코팅 조성물은 유리 섬유 스트랜드들과 혼합하기 전에 프로세싱 동안 어떠한 지점에서 다발에 도포될 수 있다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 후코팅 처리 조성물은 적어도 하나의 필름 형성제를 포함한다. 예를 들어, 후처리 조성물은 필름 형성 결합제로서 폴리비닐피롤리돈 (PVP) 및 높은 극성으로 인해 착화제를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 후처리 조성물은 매트릭스 재료와 탄소 섬유를 상용화하는데 보조하도록 아크릴, 알킬, 메틸, 아미노 실란 및 에폭시 실란과 같은 하나 이상의 실란들을 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 후처리 조성물은 PVP 및 메틸 실란 둘 다를 포함한다. 추가로, 결합제는 정전기 방지용 4 원 아민과 조합하여 사용된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 후처리 조성물은 하나 이상의 공막 (co-film) 형성제, 상용화제 및 윤활제를 포함한다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 후코팅된 탄소 다발들은, 그 후에 탄소 다발들상의 후코팅 처리 조성물을 건조시키도록 적외선 오븐 (26) 또는 다른 경화 메카니즘을 통하여 인출된다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 도 5 에 도시된 바와 같이, 탄소 섬유 프로세싱이 인라인으로 발생함에 따라, 유리 섬유 스트랜드들 (12) 은 전술한 탄소 섬유 다발들 (22) 과 혼합하기 위해 유리 섬유 패키지로부터 병렬로 동시에 인출된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 탄소 섬유 다발들 (22) 이 적외선 오븐 (26) 으로부터 인출됨에 따라, 탄소 섬유 다발들 (22) 은 유리 및 탄소 섬유들의 하이브리드 조립된 로빙 (28) 을 형성하는 유리 섬유들 (12) 과 혼합된다. 대안으로서, 유리 섬유들은 탄소 섬유 다발들과 혼합될 수 있는 반면, 탄소 섬유들은 인라인, 예를 들어 탄소 섬유들을 오븐을 통하여 인출하기 전에 인라인이다. 점착성 하이브리드 로빙을 형성하기 위해, 공정을 통해 인출되는 유리 섬유들의 폭은 탄소 섬유들의 폭과 일치해야 한다. 예를 들어, 공정을 통하여 인출된 유리 섬유들의 폭이 2 mm 이면, 탄소 섬유 다발들의 폭은 또한 약 1 mm 의 변동 (variance) 마진으로 약 2 mm 가 되어야 한다. 유리 및 탄소 섬유들이 하이브리드 조립된 로빙으로 응축됨에 따라, 응축된 하이브리드 섬유 다발의 폭은 약 0.5 mm ~ 약 2.0 mm 와 같이 더 낮아질 수 있다.
통상적으로, 탄소 섬유들을 절단하는 것은 탄소 섬유들을 필라멘트화하여, 섬유들의 표면적을 증가시키고 그리고 습윤 및 유동 장애를 증가시킨다. 탄소 섬유들을 하이브리드 조립된 로빙들로 압밀하고 하이브리드 로빙을 절단된 하이브리드 섬유들 (30) 로 절단함으로써, 유리가 탄소용 안정제로서 작용하고 그리고 필라멘트화되지 않기 때문에 탄소 섬유들의 유동 및 분산이 개선되어, 균일한 복합재 형성물을 제공한다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 하이브리드 조립된 로빙 구조는 유리 및 탄소 다발들의 구조 및/또는 탄소 섬유들에 대한 유리 섬유들의 중량비를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 탄소 섬유 다발들 (22) 은, 도 6a 에 도시된 바와 같이, 다발의 중심에 배치된 유리 섬유들 (12) 과 함께 하이브리드 다발의 외부에 배열된다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 유리 섬유들은, 도 6b 에 도시된 바와 같이, 다발의 중심에 배치된 탄소 섬유 다발들 (22) 과 함께 하이브리드 다발의 외부에 배열된다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 유리 섬유들 및 탄소 섬유 다발들은 도 6c 에 도시된 바와 같이 하이브리드 다발내에 랜덤하게 분산된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 유리 및 탄소 섬유들은 유리 섬유 대 탄소 섬유의 중량비가 약 10:90 ~ 약 90:10, 예를 들어 약 60:40 또는 약 75:25, 또는 약 65:35 로 하이브리드 다발내에 분산된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 유리 섬유 대 탄소 섬유의 중량비는 약 50:50 이다.
일단 형성되면, 하이브리드 조립된 로빙은 권취되거나 그렇지 않으면 패키지내에 배치되고 하류측 사용을 위해, 예를 들어 장섬유 열가소성 압축 성형 공정에서 열가소성 조성물과 배합하기 위해 저장될 수 있다. 본 발명의 목적들을 위해서, 장섬유 열가소성 재료라는 용어는 4.5 mm 보다 긴 초기 유리 섬유 입력물을 포함하는 재료이다. 장섬유 열가소성물에 대한 다양한 형성 방법들이 있으며, 가장 일반적으로 압출된 "충전물" 또는 펠릿, 와이어 코팅 및 직접 배합이 있다. 본 발명의 일부 양태들은 압축 또는 사출 성형 공정에 사용하기 위한 압출된 하이브리드 조립된 로빙 충전물을 형성하는 것에 관한 것이다. 이 공정에서, 열가소성 폴리머가 압출기안으로 도입됨에 따라, 하이브리드 조립된 로빙은 압출기 노즐 (또는 사이드 스터퍼 (side stuffer)) 에 도입될 수 있고, 여기서 로빙에는 열가소성물이 함침된다. 열가소성 함침 하이브리드 로빙은 그 후 압축 또는 사출 성형 공정에서 사용하기 위해 하이브리드 충전물로 압출될 수 있다.
하이브리드 조립된 로빙은 강화 복합재의 형성에 사용하기 위해 다르게 절단될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 하이브리드 조립된 로빙은, 도 7 에 도시된 바와 같이, 폴리우레탄 또는 경질 고무 구동 롤러 (31) 에 대하여 가압된 블레이드식 강 절단기 롤과 같은 절단기 롤 (18) 을 사용하여 절단될 수 있다. 절단된 하이브리드 섬유들 (30) 은 평균 길이가 약 10 mm ~ 약 100 mm 길이 또는 약 11 ~ 약 50 mm 길이를 가질 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 절단된 하이브리드 섬유들은 약 25 mm 길이를 가진다.
절단된 하이브리드 섬유들은 다양한 길이 및 직경을 가질 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 하이브리드 조립된 로빙은 절단된 유리 섬유와 탄소 섬유의 혼합물을 포함한다. 절단된 섬유들의 특정 길이는, 하류측에 사용될 성형 부품 툴링의 복잡함에 기초로 하여, 원하는 복합재 부품 성능과 균형을 이루도록 한다.
전술한 바와 같이, 절단된 하이브리드 섬유들 (30) 은 그 후 강화 복합재들, 프리프레그들, 직물들, 부직포들 등과 같은 강화 재료들의 형성에 사용될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 절단된 하이브리드 섬유들 (30) 은 SMC 재료를 형성하기 위해 SMC 공정에 사용될 수 있다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 절단된 하이브리드 섬유들 (30) 은 비접착성 표면을 가지는 캐리어 시트상에 위치된 폴리머 수지 필름 (32) 의 층상에 배치될 수 있다. 폴리머 수지 필름의 제 2 층을 함유하는 제 2 비접착성 캐리어 시트는, 제 2 폴리머 수지 필름 (32) 이 절단된 하이브리드 섬유들 (30) 과 접촉하고 그리고 폴리머 수지 필름-절단된 하이브리드 섬유- 폴리머 수지 필름 (32) 의 샌드위치된 재료를 형성하도록 하는 배향으로 절단된 하이브리드 섬유들 (30) 상에 위치될 수 있다. 이러한 샌드위치된 재료는, 그 후에 그 결과 얻어진 SMC 재료 전체에 폴리머 수지 매트릭스 및 하이브리드 섬유 다발들을 실질적으로 균일하게 분포시키도록, 압착 롤러들과 같은 롤러들로 혼련될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "실질적으로 균일하게 분포" 라는 용어는 균일하게 분포 또는 50% 초과하여 균일하게 분포하는 것을 의미한다. 일부 예시적인 실시형태들에서, "실질적으로 균일하게 분포" 는 약 90% 균일하게 분포하는 것을 의미한다. SMC 재료는 그 후 수지를 두껍게 하고 그리고 숙성 (mature) 시키도록 2 ~ 5 일 동안 저장될 수 있다. 이러한 숙성 시간 동안, SMC 재료는 약 1,500 만 센티푸아즈 ~ 약 4,000 만 센티푸아즈의 범위내에서 점도를 증가시킨다. 점도가 증가함에 따라, 제 1 및 제 2 폴리머 수지 필름 (32) 및 절단된 하이브리드 섬유들 (30) 은 일체형 복합재 층을 형성한다.
폴리머 수지 필름 재료는 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 페놀 수지, 에폭시, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐 클로라이드 및/또는 스티렌과 같은 어떠한 적합한 열가소성 또는 열경화성 재료 및 필러, 안료들, UV 안정제들, 촉매들, 개시제들, 억제제들, 이형제들, 증점제들과 같은 어떠한 원하는 첨가제들 등을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 열경화성 재료는 스티렌 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 또는 비닐 에스테르 수지를 포함한다. 구조용 SMC 적용들에서, 폴리머 수지 필름 (32) 은 액체를 포함할 수 있는 반면, Class A SMC 적용들에서, 폴리머 수지 필름은 페이스트를 포함할 수 있다.
탄소 섬유들에 도포된 후코팅 처리 조성물은 폴리머 수지 필름과 탄소 섬유들을 상용화시키고 탄소 섬유들이 적절하게 유동 및 습윤되도록 하여, 폴리머 수지 필름 (32) 내에 유리 및 탄소 섬유들의 실질적으로 균일한 분산물을 형성한다. 후코팅 처리는 또한 증가된 점착성을 부여하여, 섬유들의 양호한 절단 및 압밀 공정에서 향상된 습윤을 가능하게 한다. 탄소 섬유들의 보다 빠른 습윤은 시간당 더 많은 양의 SMC 재료를 제조할 수 있는 인라인 생산성 및 능력을 더 크게 해준다. 추가로, 유리 섬유들의 보다 빠른 습윤은 보다 적은 건조 유리 섬유들을 함유하는 SMC 재료를 유발한다. SMC 재료의 건조 유리 섬유들이 더 적어지면, 또한 복합재 부품의 성형 중에 발생할 수 있는 결함의 수를 감소시키고, 유리 섬유들만으로 형성된 복합재 부품들의 제조에 비해 제조 비용을 감소시킨다.
일단 SMC 재료가 목표 점도에 도달하면, SMC 재료는 절단되고 원하는 형상의 최종 제품을 가진 몰드에 배치될 수 있다. 몰드는 상승된 온도로 가열되고 압력을 증가시키기 위해 폐쇄된다. 이러한 높은 열과 높은 압력의 조합은 SMC 재료를 유동시켜 몰드를 충전시키도록 해준다. 매트릭스 수지는 그 후 숙성 기간을 거치게 되고, 여기에서 재료는 화학적 농축 또는 겔화의 형태로 점도가 계속 증가한다. 하이브리드 조립된 로빙들을 사용하여 형성된 예시적인 성형된 복합재 부품들은 외부 차체 부품들 및 구조용 차체 부품들을 포함할 수 있다.
성형된 복합재 부품들은 절단되거나 다르게는 통합되는 약 10 중량% ~ 약 80 중량% 하이브리드 조립된 로빙 재료를 함유할 수 있다. Class A 복합재들을 형성할 때, 일부 예시적인 실시형태들은 약 15 중량% ~ 약 40 중량% 하이브리드 조립된 로빙 재료를 포함할 것이다. 구조용 복합재들을 형성할 때, 일부 예시적인 실시형태들은 약 35 중량% ~ 약 75 중량% 하이브리드 조립된 로빙 재료를 포함할 것이다.
복합 재료들에서 유리 및 탄소 섬유들의 하이브리드를 포함함으로써, 유리 섬유 강화재들만을 포함하는 다른 동일한 복합 재료들보다 약 15% ~ 약 50% 더 경량이고 그리고 약 20% ~ 약 200% 더 강한 재료의 제조를 가능하게 한다. 이러한 개선은, 도 9 에 도시된 바와 같이, 스트랜드 레벨에서 그리고 복합재의 두께를 통한 층들에 의해 분산이 커짐에 따라 증가한다. 복합재 전체에 탄소 섬유들을 미세하게 분산시킴으로써, 근방에 유리 섬유가 존재함으로써 응력을 받는 탄소 섬유의 잠재적인 파괴가 저감될 것이다. 유리 섬유들의 인성은 응력을 받는 탄소 섬유로부터 부하를 재분배하는데 도움을 준다. 이는, 파괴 균열 개시 부위들을 저감시키고 그리고 파단 (failure) 진전을 지연시킴으로써 파괴 진전을 지연시킬 것이다.
추가로, 하이브리드 유리 및 탄소 강화 복합재는 도장 공정들을 위한 연마 수단, 자동차 부품들의 전기 단락 및 전자기 간섭 "EMI" 차폐와 같은 추가의 제품 개선을 위해 탄소의 도전성을 사용한다. 균일하게 분산된 탄소 섬유들은, 여과 (percolation) 를 유도하는 배향으로 자체 강화 네트워크를 형성함으로써 복합재 부품 전체에 효과적인 패러데이 케이지 (faraday cage) 를 형성한다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 본원에 개시된 하이브리드 강화 재료들을 사용하여 형성된 하이브리드 SMC 재료들은 약 5 GPa ~ 약 40 GPa, 또는 약 10 GPa ~ 약 30 GPa, 또는 약 15 GPa ~ 약 20 GPa 의 탄성 계수를 가진다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 하이브리드 SMC 재료는 약 12 GPa ~ 약 17 GPa, 또는 약 15 GPa 의 탄성 계수를 가진다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 본원에 개시된 하이브리드 강화 재료들을 사용하여 형성된 하이브리드 SMC 재료들은 약 50 MPa ~ 약 300 MPa 또는 약 70 MPa ~ 약 80 MPa 의 건조 층간 전단 강도를 가진다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 그 결과 얻어진 하이브리드 SMC 재료는 약 72 MPa 및 약 78 MPa 또는 약 75 MPa 의 건조 층간 전단 강도를 가진다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 본원에 개시된 하이브리드 강화 재료들을 사용하여 형성된 하이브리드 SMC 재료들은 약 0.5 g/cc ~ 약 3.0 g/cc, 또는 약 0.75 g/cc ~ 약 2.5 g/cc 의 밀도를 가진다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 그 결과 얻어진 하이브리드 SMC 재료는 약 1.0 g/cc ~ 약 1.5 g/cc, 또는 약 1.08 g/cc 의 밀도를 가진다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 본원에 개시된 하이브리드 강화 재료들을 사용하여 형성된 하이브리드 LFT 재료들은 150 MPa 보다 큰 인장 강도를 가진다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 하이브리드 LFT 재료들은 약 160 MPa ~ 약 300 MPa 의 인장 강도를 가진다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 본원에 개시된 하이브리드 강화 재료들을 사용하여 형성된 하이브리드 LFT 재료들은 15 GPa 보다 큰 인장 계수를 가진다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 하이브리드 LFT 재료들은 약 19 GPa ~ 약 28 GPa, 또는 약 21 GPa ~ 약 25 GPa 의 인장 계수를 가진다.
추가로, LFT 재료들에 하이브리드 강화 섬유들을 사용하면 탄소 섬유들이 LFT 공정들에 제기되는 도전을 극복하는데 도움을 준다. 특히, 탄소 섬유들은 유리 섬유들보다 열 전도성이 더 크기 때문에, 탄소 섬유들은 몰드내로 주입된 후에 매우 신속하게 냉각되는 경향이 있다. 유리 섬유들과 탄소 섬유들을 혼합함으로써 유리 섬유들은 탄소 섬유들을 단열시키도록 작용하여, 더 많은 유동이 수율 증가를 위해 몰드 부품을 일정하게 충전시킨다.
일반적으로 일반적인 본원의 개념들의 다양한 양태들을 개시하였지만, 후술되는 어떠한 특정 실시예들을 참조하면 보다 잘 이해될 것이고, 이는 설명 목적을 위해서만 제공되고 그리고 다르게 명시하지 않는 한 모두 포함하거나 제한하려는 것이 아니다.
실시예들
도 10 은 다양한 강화 섬유들의 비강도 대 섬유들의 비계수를 그래프로 도시한다. 도시된 바와 같이, 종래의 강화 재료, 특히 유리 섬유들은 약 0.9×105 m ~ 1.5×105 m 의 비강도 및 5×106 m 미만의 비계수를 나타낸다. 한편, 탄소 섬유들은 각각 약 2.4×105 m 및 14.0×106 m 에서 보다 높은 비강도 및 비계수를 나타낸다. 반대로, 50/50 하이브리드 유리 및 탄소 섬유 둘 다 및 40/60 하이브리드 유리 및 탄소 섬유는 유리 섬유들 단독에 걸쳐 향상된 특성들을 나타낸다. 비강도는 1.5 ~ 1.7×105 m 로 증가되었고 그리고 비계수는 약 7.5 ~ 9.0×106 m 로 증가되었다. 따라서, 하이브리드 섬유 강화재들은 탄소 섬유 강화재들 제조와 관련된 모든 비용 및 프로세싱 문제들 없이 유리 섬유 강화재들에 걸쳐 개선을 제공한다.
도 11 은 3 개의 SMC 재료들에 대한 응력-변형 곡선을 나타내고, 하나는 유리 섬유 강화재들만을 포함하고, 하나는 탄소 섬유 강화재들만을 포함하며, 하나는 50:50 의 유리 대 탄소비를 가진 하이브리드 조립된 로빙 강화재들을 포함한다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 동일한 응력 부하에 노출되었을 때, 유리 섬유 강화 SMC 는 가장 큰 변형 (연신) 백분율을 도시하지만, 여전히 원래 형태로 되돌아갈 수 있다. 반대로, 탄소 섬유들은 동일한 양의 응력하에서 낮은 변형 연신을 나타낸다. 하이브리드 조립된 로빙 강화재들을 사용하여 형성된 복합재는 탄소 섬유 또는 유리 섬유만을 사용하는 변형 백분율의 범위에 있는 변형 백분율을 나타낸다.
도 12 는 절단된 스트랜드 폭에 따라서, 유리 및 탄소 강화 SMC 재료 둘 다와 비교하여 예시적인 하이브리드 SMC 재료의 인장 강도를 나타낸다. 도 12 에 설명된 바와 같이, 스트랜드들의 폭이 증가함에 따라, SMC 재료의 인장 강도가 떨어진다. 구조용 SMC 재료에 대해서, 하이브리드 조립된 로빙의 폭은 약 1 mm 미만, 예를 들어 약 0.5 mm 이하이어야 한다. Class A SMC 재료에 대하여, 하이브리드 조립된 로빙의 폭은 약 2 mm 미만일 수 있다.
표 1 은 장섬유 열가소성 복합재들에서 본 발명의 개념들의 하이브리드 강화 재료를 사용하여 달성된 특성들을 나타낸다. 실시예 1 및 실시예 2 는, PA-6,6 매트릭스 수지로 함침된 장섬유 토우 (tow) 와 혼합된 하이브리드 조립된 유리 및 탄소를 사용한다. 비교예 1 은 다단 유리 섬유 로빙을 사용하는 유리 단독 복합재이다. 비교예 2 는, 섬유들과 혼합되지 않고 탄소와 유리의 패키지들을 나란히 주행시킴으로써 형성되는 종래의 하이브리드 다단 유리 및 탄소 섬유이다. 종래의 하이브리드 LFT 복합재들은 평행한 유리 및 탄소 섬유들을 포함하지만, 유리 및 탄소 섬유들은 단일 로빙에 혼합되지 않고 오히려 별도의 섬유들로 유지된다. 실시예 1 및 실시예 2 는 본 발명의 개념에 따른 하이브리드 강화 재료를 사용하여 제조되었다. 실시예 1 에서 LFT 복합 재료의 형성에 사용된 탄소 섬유들은 3.5 중량% PVP 후코팅 조성물로 코팅되었고, 실시예 2 에서 LFT 복합 재료의 형성에 사용된 탄소 섬유들은 PVP 를 포함하는 3.5 중량% 후코팅 조성물 및 50% A-1100 및 50% A-174 의 혼합물로 코팅되었다.
Figure pct00002
전술한 바와 같이, 본원에 개시된 하이브리드 강화 재료들을 사용하여 형성된 LFT 복합재들은 유리 LFT 복합재들 및 종래의 비혼합된 하이브리드 LFT 복합재들보다 높은 성능 특성들을 나타낸다. 특히, 실시예 1 및 실시예 2 는 (LFT 복합재의 중량% 로 나타낸 바와 같이) 보다 경량이고 그리고 비교예 1 및 비교예 2 둘 다 보다 낮은 비중을 가진다. 추가로, 실시예 1 및 실시예 2 는, 유리 LFT 복합재 또는 종래의 비혼합된 하이브리드 LFT 복합재 (21 GPA 초과) 에서 볼 수 있는 것보다 더 높은 인장 및 굴곡 계수 및 높은 인장 및 굴곡 강도들 (160 MPa 초과) 을 가진다. 표 1 에 열거된 비노치 및 노치 충격 강도들은 플라스틱 복합재의 충격 강도에 대한 비교값들을 나타낸다. 노치 충격 강도는 복합재를 2 mm 의 깊이로 노칭하고 그리고 이를 파단하기 위해 복합재상에 해머를 낙하시킴으로써 결정된다. 충격시 및 파단 후에 해머 에너지의 차이는 복합재에 의해 흡수되는 충격 에너지를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2 는 비교예 1 또는 비교예 2 보다 상당히 더 큰 비노치 충격 강도를 나타낸다.
본원의 실시형태들이 본원에 개시되었지만, 일반적인 본원의 개념들의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 많은 수정을 할 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 모든 수정들은 본원의 범위내에 포함되는 것으로 의도되며, 이는 이하의 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (21)

  1. 하이브리드 강화 재료로서,
    복수의 강화 섬유들, 및
    상기 하이브리드 강화 재료를 형성하도록 상기 강화 섬유들과 혼합된 복수의 탄소 섬유들을 포함하고,
    상기 탄소 섬유들은 상용화제로 코팅되는, 하이브리드 강화 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강화 섬유들은 유리, 아라미드, 고계수 유기 섬유들 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드 강화 재료.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 강화 섬유들은 유리 섬유들로 구성되는, 하이브리드 강화 재료.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 강화 재료는 하이브리드 로빙인, 하이브리드 강화 재료.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상용화제는 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 메틸 실란, 아미노 실란 및 에폭시 실란 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드 강화 재료.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유들은 50 tex ~ 800 tex 의 밀도 및 0.5 mm ~ 4 mm 의 폭을 가지는, 하이브리드 강화 재료.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 강화 재료는 0.5 mm ~ 2 mm 의 폭을 가지는, 하이브리드 강화 재료.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유리 섬유들 대 탄소 섬유들의 중량비는 10:90 ~ 90:10 의 범위내에 있는, 하이브리드 강화 재료.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 강화 재료는 1.0×105 m ~ 2.0×105 m 의 비강도 (specific strength) 를 가지는, 하이브리드 강화 재료.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 강화 재료는 7.0×106 m ~ 14.0×106 m 의 비계수 (specific modulus) 를 가지는, 하이브리드 강화 재료.
  11. 하이브리드 조립된 로빙을 형성하는 방법으로서,
    복수의 강화 섬유들과 복수의 탄소 섬유들을 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 탄소 섬유들은 사이징 조성물로 미리 코팅된 후 상용화제로 후코팅되며,
    상기 하이브리드 조립된 로빙은 0.5 mm ~ 2.0 mm 의 두께를 가지는, 하이브리드 조립된 로빙을 형성하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 강화 섬유들은 유리 섬유들을 포함하는, 하이브리드 조립된 로빙을 형성하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유들과 상기 유리 섬유들을 혼합하는 것은 상기 탄소 섬유들을 건조하기 전에 유리 섬유들을 탄소 프로세싱 라인안으로 인출함으로써 발생하는, 하이브리드 조립된 로빙을 형성하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유들과 상기 유리 섬유들을 혼합하는 것은 상기 탄소 섬유들이 건조된 후에 유리 섬유들을 탄소 프로세싱 라인안으로 인출함으로써 발생하는, 하이브리드 조립된 로빙을 형성하는 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 섬유들은 약 50 ~ 800 tex 의 밀도를 가지는, 하이브리드 조립된 로빙을 형성하는 방법.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상용화제는 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 메틸 실란, 아미노 실란 및 에폭시 실란 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드 조립된 로빙을 형성하는 방법.
  17. 하이브리드 강화 복합재로서,
    복수의 강화 섬유들 및 복수의 탄소 섬유들을 포함하는 적어도 하나의 하이브리드 강화 재료로서, 상기 강화 섬유들 및 상기 탄소 섬유들은 혼합되고, 상기 탄소 섬유들은 상용화제로 코팅되는, 상기 하나 이상의 하이브리드 강화 재료, 및
    폴리머 수지 매트릭스를 포함하는, 하이브리드 강화 복합재.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 강화 섬유들은 유리 섬유들, 아라미드 섬유들 및 고계수 유기 섬유들 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드 강화 복합재.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 강화 섬유들은 유리 섬유들로 구성되는, 하이브리드 강화 복합재.
  20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상용화제는 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 아크릴, 알킬, 메틸, 아미노 실란 및 에폭시 실란 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드 강화 복합재.
  21. 제 17 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    폴리머 수지 매트릭스 제형은 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 페놀 수지, 에폭시, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리스티렌 및 코-모노머들 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드 강화 복합재.
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