KR20170120417A - 연속섬유 강화 복합재 - Google Patents

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Abstract

고강도 및 경량화를 갖는 연속섬유 강화 복합재에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 연속섬유 강화 복합재는 일방향의 섬유 배열을 가지는 제1프리프레그 및 상기 제1프리프레그의 섬유와 교차하는 섬유 배열을 가지는 제2프리프레그가 1회 이상 교대로 적층된 구조를 갖고, 상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그는 열가소성 수지와 연속섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연속섬유 강화 복합재{CONTINUOUS FIBER REINFORCED COMPOSITES}
본 발명은 연속섬유 강화 복합재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프리프레그의 섬유 배열 방향을 달리하여 적층함으로써, 우수한 물성을 갖는 복합재에 관한 것이다.
연속섬유를 매트릭스 수지에 함침시켜 제조된 연속섬유 강화 복합재는 섬유의 배열 방향에 따라 그 섬유의 기계적 물성을 이용할 수 있다. 일반적으로 단일 방향을 갖는 섬유 시트에 수지가 함침되어 형성된 프리프레그를 포함하여 복합재를 제조하거나, 또는 복수의 프리프레그를 적층하여 복합재를 제조한다.
이렇게 제조된 복합재는 내비틀림성, 내굴곡성이 우수하기 때문에 골프채와 같은 스포츠 레저용 구조물, 전신주와 같은 구조물 등의 여러 분야에서 폭 넓게 사용되고 있다.
그러나, 연속섬유 강화 복합재에 포함되는 섬유 배열 방향만을 조절하여 자동차용 시트백(Seat back), 범퍼백빔(Bumper Back Beam) 등의 고강도 및 경량화를 필요로 하는 자동차 부품, 선박, 항공기 등에 사용되는데 한계가 있다.
따라서, 프리프레그의 적층 구조를 달리하여, 고강도 및 경량화를 갖는 연속섬유 강화 복합재를 제공할 필요가 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제 10-2015-0059782호(2015.06.02.)가 있으며, 상기 문헌에는 섬유 강화 복합 재료 성형체 및 그의 제조 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 고강도 및 경량화를 갖는 연속섬유 강화 복합재를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 연속섬유 강화 복합재는 일방향의 섬유 배열을 가지는 제1프리프레그 및 상기 제1프리프레그의 섬유와 교차하는 섬유 배열을 가지는 제2프리프레그가 1회 이상 교대로 적층된 구조를 갖고, 상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그는 열가소성 수지와 연속섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2실시예에 따른 연속섬유 강화 복합재는 하부로부터 일방향의 섬유 배열을 가지는 제1프리프레그, 상기 제1프리프레그의 섬유와 교차하는 섬유 배열을 가지는 제2프리프레그 및 상기 제1프리프레그로 이루어지고, 상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그는 열가소성 수지와 연속섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1실시예 또는 제2실시예에 따르면, 상기 연속섬유 강화 복합재의 비중은 1~2일 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 따르면, 상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그 각각은 열가소성 수지 100중량부에 대하여, 연속섬유 50~70중량부를 포함할 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 따르면, 상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그 각각의 평균 두께는 0.1~0.5mm일 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 따르면, 상기 연속섬유의 직경은 10~30㎛일 수 있다.
본 발명에 따른 연속섬유 강화 복합재는 단일방향성 프리프레그를 적층하되, 섬유의 배열 방향을 달리하여 적층함으로써, 고강도 및 경량화를 갖는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연속섬유 강화 복합재를 확대하여 나타낸 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속섬유 강화 복합재에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
연속섬유 강화 복합재는 UD(UniDirectional) 프리프레그(Prepreg)를 적층하여 제조된다. 상기 UD 프리프레그는 단일방향성 프리프레그로, 일정한 방향으로 배열된 연속섬유에 수지가 함침된 복합 시트를 의미한다. 프리프레그에 포함된 섬유의 배열 방향을 달리하여 적층하는 경우, 섬유의 배열 방향과 프리프레그의 적층 구조에 따라 연속섬유 강화 복합재의 서로 다른 물성과 성형 특성이 나타난다.
본 발명에서는 UD 프리프레그를 이용하되, 섬유 배열 방향을 달리하여 프리프레그를 적층하고, 방향각도에 따른 복합재의 물성을 확인하여 고강도 및 경량화를 갖는 연속섬유 강화 복합재를 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연속섬유 강화 복합재를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 연속섬유 강화 복합재(100)는 복수의 단일방향성(UD) 프리프레그가 적층된 구조를 갖는다. 이때, 단일방향성 프리프레그는 일방향의 섬유 배열을 가지는 제1프리프레그(10) 및 상기 제1프리프레그의 섬유와 교차하는 섬유 배열을 가지는 제2프리프레그(20)를 포함한다.
상기 일방향의 섬유 배열이란, 프리프레그의 길이 방향으로 섬유가 배열되어 있는 것을 의미한다. 일방향의 섬유 배열은 프리프레그의 폭 방향으로 섬유가 배열되어 있을 수도 있으나, 본 발명에서는 도 1과 같이 프리프레그의 길이 방향으로 섬유가 배열되어 있음을 가정하에 설명하기로 한다.
상기 단일방향성 프리프레그는 제1프리프레그(10) 및 제2프리프레그(20)를 포함하는데, 제2프리프레그(20)는 제1프리프레그(10)의 섬유와 교차하는 섬유 배열을 가진다.
본 발명의 연속섬유 강화 복합재는 상기 제1프리프레그(10)와 제2프리프레그(20)가 1회 이상 교대로 적층된 구조로 인해, 연속섬유 강화 복합재의 강도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 제1프리프레그(10)의 섬유 배열이 좌표의 X축, 0°에 해당하고, 제2프리프레그(20)의 섬유 배열이 좌표의 Y축, 90°에 해당한다고 가정할 때, (0°, 90°), (0°, 90°, 0°), (0°, 0°, 90°, 0°), (0°, 90°, 0°, 90°, 0°) 또는 (0°, 0°, 90°, 0°, 0°) 구조로 프리프레그가 적층될 수 있다. 보다 바람직하게는, 하부로부터 일방향의 섬유 배열을 가지는 제1프리프레그(10), 제2프리프레그(20) 및 제1프리프레그(10)로 이루어질 수 있다. 즉, (0°, 90°, 0°) 구조로 제1프리프레그(10)와 제2프리프레그(20)가 적층되어 강도가 향상된 연속섬유 강화 복합재를 제공할 수 있다.
상기 프리프레그는 단일 가닥의 섬유가 배열되고, 쌓이면서 형성된 섬유 골격 사이에 수지가 침투된 것으로, 프리프레그의 두께에 따라 수지의 함량이 달라질 수 있다.
상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그 각각의 평균 두께는 0.1~0.5mm인 것이 바람직하며, 0.2~0.4mm인 것이 보다 바람직하다. 제1프리프레그 및 제2프리프레그 각각의 평균 두께가 0.1mm 미만인 경우, 복합재의 유연성 및 기계적 강도가 저하될 수 있고, 평균 두께가 0.5mm를 초과하는 경우, 복합재의 두께가 증가하는 문제점이 있다.
상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그는 열가소성 수지와 연속섬유를 포함한다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 높은 함침성과 적절한 유연성을 가지면서 동시에 열가소성 수지, 연속섬유의 함량을 조절하여 우수한 강도를 가질 수 있다.
연속섬유 강화 복합재는 상기와 같은 적층 구조로 인해 점도가 높은 열가소성 수지를 사용하면서도 균일하게 함침될 수 있는 장점을 지닌다. 상기 열가소성 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지 및 폴리올레핀계 수지 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌 수지이고, 상기 폴리프로필렌 수지는 프로필렌 단일중합체 또는 에틸렌-프로필렌 중합체일 수 있다.
상기 연속섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 연속섬유는 대략 1~5mm의 길이를 갖는 장섬유로, 복합재의 우수한 강도 향상 효과를 나타낼 수 있다.
상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그 각각은 열가소성 수지 100중량부에 대하여, 연속섬유 50~70중량부를 포함하여 연속섬유 강화 복합재의 물성을 확보하고 제조공정의 효율을 높일 수 있다.
연속섬유의 함량이 50중량부 미만인 경우, 형성되는 프리프레그의 두께가 불충분해지거나 복합재의 물성이 저하될 수 있다. 70중량부를 초과하는 경우, 프리프레그의 두께가 증대되고, 함침성이 떨어지며 수지의 함량이 낮아지며, 프리프레그를 제어하기 어려울 수 있다.
상기 연속섬유의 직경은 10~30㎛일 수 있고, 보다 구체적으로는 15~20㎛일 수 있다. 연속섬유의 직경이 상기 범위를 유지함으로써 열가소성 수지에 함침되는 특성을 확보하는데 유리하다.
상기 열가소성 수지와 연속섬유를 포함하는 프리프레그를 적층함으로써, 비중이 1~2인 연속섬유 강화 복합재를 제공할 수 있다. 비중 1~2를 만족하는 연속섬유 강화 복합재는 고강도 뿐만 아니라, 경량화를 필요로 하는 자동차용 시트백, 범퍼백빔 등의 자동차 부품, 선박 및 비행기 관련 부품에도 사용될 수 있다.
본 발명의 연속섬유 강화 복합재는 상기 열가소성 수지와 연속섬유 외에 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는 산화방지제, 열안정제 및 분산제 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 같이 연속섬유 강화 복합재에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
1. 연속섬유 강화 복합재의 제조
실시예 1~5
일방향의 섬유 배열을 가지는 제1프리프레그 및 상기 제1프리프레그의 섬유와 교차하는 섬유 배열을 가지는 제2프리프레그를 [표 1]과 같이 적층하여 연속섬유 강화 복합재(CFT, Continuous Fiber Thermoplastic)를 제조하였다.
제1프리프레그와 제2프리프레그 각각에는 폴리프로필렌(PP) 수지 100중량부에 대하여, 유리섬유(GF) 60중량부가 포함된다. 상기 제1프리프레그와 제2프리프레그 각각의 두께는 대략 0.2mm이고, 상기 유리섬유의 직경은 17㎛이다.
[표 1]을 참조하면, 적층 구조 및 실시예는 4:1 적층(실시예1), 3:1 적층(실시예2), 2:1 적층(실시예3), 3:2 적층(실시예4), 1:2 적층(실시예5)에 해당한다.
비교예 1
UD 적층으로, 제1프리프레그만 포함하는 연속섬유 강화 복합재를 제조하였다.
2. 물성 평가 방법 및 그 결과
하기 [표 1]의 측정 각도는 좌표의 X축에 해당하는 각도는 0°, 좌표의 Y축에 해당하는 각도는 90°, 좌표의 X축으로부터 45°에 위치한 각도로 측정했음을 의미한다.
1) 비중(Specific gravity) : ASTM D792를 이용하여 복합재의 비중을 측정하였다.
2) 인장강도(Tensile Strength), 인장탄성률(Tensile Modulus), 인장변형률 (Tensile Strain) : ASTM D3039에 준하여, 측정 각도 0°, 45°, 90°에 따른 물성을 측정하였다. 실시예 1~5 및 비교예의 복합재의 양 끝을 인스트론(Instron) 인장시험기의 물림쇠(Jaw)에 고정시킨다. 한쪽 물림쇠는 고정되어 있고, 반대쪽 물림쇠는 움직일 수 있으며, 움직일 수 있는 물림쇠를 분당 0.5~10인치의 속도로 움직이면서 복합재를 늘리는데 필요한 힘을 측정하였다.
3) 굴곡강도(flexural Strength), 굴곡탄성률(flexural Modulus), 굴곡변형률(flexural Strain) : ASTM D790에 준하여 측정 각도 0°, 45°, 90°에 따른 물성을 측정하였다. 실시예 1~5 및 비교예의 복합재를 2인치 떨어진 두 지지대 위에 올려 놓는다. 정해진 속도로 시편의 중심에 힘을 가해, 파괴점에서의 힘을 측정하였다.
4) 아이조드 충격강도(Notched Izod Impact Strength) : ASTM D256에 준하여 측정 각도 0°, 45°, 90°에 따른 물성을 측정하였다. 실시예 1~5 및 비교예의 복합재에 일정한 무게의 추(pendulum)를 가격하여 회전시 돌아가는 높이로 얻어지는 흡수에너지를 복합재의 단면적으로 나눈다.
5) 낙구 충격강도(High/Speed Puncture Energy) : ASTM D3763에 준하여, 측정 각도 0°, 45°, 90°에 따른 물성을 측정하였다. 실시예 1~5 및 비교예의 복합재에 낙하 추를 낙하시켜 크랙이 발생되는 높이로부터 크랙 발생 에너지를 환산하여 측정하였다.
[표 1]
Figure pat00001
[표 2]
Figure pat00002
표 1을 참조하면, 비교예인 UD 적층 구조에 비하여 실시예 1~5의 적층 구조가 인장강도, 굴곡 강도, 아이조드 충격강도 및 낙구 충격강도에서 물성이 우수함을 확인할 수 있다.
표 2는 본 발명에 따른 연속섬유 강화 복합재의 물성을 나타낸 그래프로 가로축의 2~12의 숫자는 0° 각도에 해당하는 제1프리프레그의 개수를 나타낸다. 예를 들어, 가로축의 2는 2:1 적층 구조를 나타내고, 가로축의 4는 4:1 적층 구조를 나타낸다. 세로축의 300~7500의 숫자는 물성을 나타낸 것으로 단위는 MPa이다.
표 2의 그래프의 인장강도, 굴곡강도, Izod강도는 표 1에서 측정 각도 0°와 90°에 해당하는 인장강도, 굴곡강도, Izod강도를 각각 합하여 나타낸 것이다.
표 1을 참조하면, 1:1 적층 구조에서 0°와 90°에 해당하는 인장강도의 합은 786MPa, 굴곡강도의 합은 536MPa, Izod강도의 합은 4531MPa이며, 이들의 강도총합은 5853MPa로 나타났다.
또한, 2:1 적층 구조에서 0°와 90°에 해당하는 인장강도의 합은 850MPa, 굴곡강도의 합은 561MPa, Izod강도의 합은 5508MPa이며, 이들의 강도총합은 6919MPa로 나타났다.
이처럼, 1:1~4:1 적층 구조에서 강도총합을 비교해 본 결과, 2:1 적층 구조에서 7000MPa에 근접한 고강도 수치가 나타났음을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 제1프리프레그
20 : 제2프리프레그
100 : 연속섬유 강화 복합재

Claims (6)

  1. 일방향의 섬유 배열을 가지는 제1프리프레그 및 상기 제1프리프레그의 섬유와 교차하는 섬유 배열을 가지는 제2프리프레그가 1회 이상 교대로 적층된 구조를 갖고,
    상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그는 열가소성 수지와 연속섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 복합재.
  2. 하부로부터 일방향의 섬유 배열을 가지는 제1프리프레그, 상기 제1프리프레그의 섬유와 교차하는 섬유 배열을 가지는 제2프리프레그 및 상기 제1프리프레그로 이루어지고,
    상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그는 열가소성 수지와 연속섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 복합재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연속섬유 강화 복합재의 비중은 1~2인 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 복합재.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그 각각은 열가소성 수지 100중량부에 대하여, 연속섬유 50~70중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 복합재.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1프리프레그 및 제2프리프레그 각각의 평균 두께는 0.1~0.5mm인 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 복합재.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연속섬유의 직경은 10~30㎛인 것을 특징으로 하는 연속섬유 강화 복합재.
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