KR20170130407A - 탄소섬유 강화 수지 복합재료 - Google Patents

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Abstract

탄소섬유다발을 포함한 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 수지 복합재료로서, (1) 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게의 변동계수(CV1)가 10% 이하, (2) 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 식(a)으로 정의되는 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)가 15% 이하이고, (3) 탄소섬유의 중량 평균 섬유길이가 1∼100㎜인, 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
탄소섬유 체적 비율(Vf)=100×탄소섬유 체적/(탄소섬유 체적+열가소성 수지 체적) 식(a)

Description

탄소섬유 강화 수지 복합재료{CARBON FIBER-REINFORCED RESIN COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은, 성형 시의 부형(賦形) 불균일 및 기계 물성 불균일을 작은 피치로 억제함으로써, 소형 성형체나 복잡 형상의 성형체에서도, 뛰어난 성형성이나 기계 특성을 발휘할 수 있는, 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 관한 것이다.
탄소섬유로 강화된 복합재료는, 그의 높은 비강도(比强度)·비탄성율(比彈性率)을 이용하여, 항공기나 자동차 등의 구조 재료나, 테니스 라켓, 골프 샤프트, 낚싯대 등의 일반 산업이나 스포츠 용도 등에 널리 이용되어 왔다. 이들에 이용되는 탄소섬유의 형태로는, 연속 섬유를 이용하여 만들어지는 직물이나, 일 방향으로 섬유가 합쳐진 UD 시트, 커트한 섬유(불연속 섬유)를 이용해서 만들어지는 랜덤 시트, 부직포 등이 있다.
최근, 종래의 열경화성 수지 대신에, 열가소성 수지를 매트릭스로 이용한 복합재료가 주목되고 있다. 예를 들면, 탄소섬유와 열가소성 수지를 함침시킨 탄소섬유 강화 수지 재료를 열가소성 수지의 연화점 이상으로 가열하고, 융점 이하 혹은 유리 전이 온도 이하로 조정된 성형 형(成形型)에 투입 후, 형(型) 잠금으로 부형하는 성형 방법이 개발되어 있으며, 섬유무게 불균일이 적은 탄소섬유 강화 수지 복합재료도 개발되어 있다(특허문헌 1∼2).
특허문헌 1에는, 연속한 탄소섬유를 일 방향으로 합치고 열가소성 수지로 함침시킨 열가소성 수지 프리프레그를 짧게 커트한 것을 프레스 성형함으로써 성형체를 얻는 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 따르면, 특정한 평균 단섬유 섬도(纖度)와 진원도를 가진 탄소섬유를 사용함으로써, 섬유무게 불균일을 억제할 수 있다.
특허문헌 2에는, 저비용으로 초지 기재(抄紙基材)를 얻는 방법으로서, 강화 섬유의 분산 상태가 뛰어나고, 또 섬유무게 불균일이 작은 초지 기재의 제조 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 2에 따르면, 초지 공정 중의 탄소섬유의 투입을 특정한 방법으로 정밀 제어함으로써, 강화 섬유의 분산 상태가 뛰어나고, 또 섬유무게 불균일이 작은 초지 기재를 제작할 수 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특개2013-203942호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특개2011-157637호 공보
그러나, 특허문헌 1, 2 어느 발명에서도, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 섬유무게 불균일의 저감은 충분하지 않고, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 불균일까지 제어된 것은 아니었다. 예를 들면 특허문헌 1의 열가소성 수지 프리프레그는 200㎜×200㎜ 사방의 넓은 피치마다의 섬유무게 불균일은 억제할 수 있지만, 좁은 피치마다(25㎜×25㎜ 사방)에서의 섬유무게 불균일까지는 제어할 수 없다. 나아가, 프리프레그로 제작한 것을 일단 커트한 것을 이용하여 성형하기 때문에, 커트한 것을 금형 내에 분산하는 공정에서 섬유무게 불균일이 커지는 경우가 있다. 특허문헌 2의 초지 기재에 대해서도, 50㎜×50㎜ 사방의 넓은 피치마다의 섬유무게 불균일을 폭 방향 또는 길이 방향 별개로는 억제할 수 있지만, 좁은 피치마다 광범위에 걸쳐 섬유무게 불균일 저감에는 도달하지 않는다. 특히 소형 부품이나 복잡한 부품을 성형할 때에는 좁은 피치에서도 섬유무게 불균일 및 탄소섬유 체적 비율(Vf) 불균일이 작은 탄소섬유 강화 수지 복합재료가 요구된다.
본 발명의 목적은, 성형 시의 부형 불균일 및 기계 물성 불균일을 작은 피치로 억제함으로써, 소형 성형체나 복잡 형상의 성형체에서도, 뛰어난 성형성이나 기계 특성을 발휘할 수 있는, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 [1]∼[8]의 수단을 제공한다.
[1] 탄소섬유다발을 포함한 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 수지 복합재료로서, (1) 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게의 변동계수(CV1)가 10% 이하, (2) 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 식(a)으로 정의되는 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)가 15% 이하이고, (3) 탄소섬유의 중량 평균 섬유길이가 1∼100㎜인, 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
탄소섬유 체적 비율(Vf)=100×탄소섬유 체적/(탄소섬유 체적+열가소성 수지 체적) 식(a)
[2] 탄소섬유 강화 수지 복합재료가 단층(單層)으로서, 두께가 0.3㎜ 이상인, 상기 [1]항에 기재된 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
[3] 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게의 변동계수(CV1)가 5% 이하로서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)가 10% 이하인, 상기 [1]항 또는 [2]항에 기재된 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
[4] 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 포함되는 탄소섬유 중, 식(b)으로 정의되는 임계 단사(單絲) 수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)에 대해서, 탄소섬유 전량에 대한 비율이 20∼99Vol%로서, 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3)가 10% 이하인, 상기 [1]∼[3]항 중 어느 한 항에 기재된 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
임계 단사 수=600/D 식(b)
(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
[5] 총 섬유무게가 50∼20000g/㎡인, 상기 [1]∼[4]항 중 어느 한 항에 기재된 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
[6] 탄소섬유 체적 비율(Vf)이 10∼60%인, 상기 [1]∼[5]항 중 어느 한 항에 기재된 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
[7] 탄소섬유 강화 수지 복합재료는 프레스 성형 용도인, 상기 [1]∼[6]항 중 어느 한 항에 기재된 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
[8] 탄소섬유 강화 수지 복합재료는 에어레이드법에 의해 제조되는, 상기 [1]∼[7]항 중 어느 한 항에 기재된 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
[9] 상기 [1]∼[8]항 중 어느 한 항에 기재된 탄소섬유 강화 수지 복합재료를, 랜덤 매트를 경유하여 제조하는 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 제조 방법으로서,
(i) 복수의 관체로 구성되는 관체 유닛으로, 탄소섬유와 열가소성 수지를, 일 방향으로 연속적으로 반송되는 통기성 지지체상에 살포하고,
(ii) 상기 관체를 통기성 지지체의 반송 방향 및/또는 통기성 지지체의 반송 방향에 수직인 방향으로 위상 차를 두고 배치하든지, 상기 관체 유닛을 요동(搖動)시키든지, 관체로부터 살포된 탄소섬유와 열가소성 수지를 기계적인 처리에 의해 고르기 처리(均 處理)를 실시하여, 랜덤 매트를 제조하고,
(iii) 상기 랜덤 매트를 가압·가열 하에서 함침 처리시켜,
탄소섬유 강화 수지 복합재료를 제조하는 방법.
본 발명은, 총 섬유무게 불균일 및 탄소섬유 체적 비율(Vf) 불균일이 작은 피치에서도 작은 탄소섬유 강화 수지 복합재료이다. 본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 이용하면, 작은 피치에서 성형 시의 부형 불균일 및 기계 물성 불균일을 억제할 수 있기 때문에, 소형 성형체나 복잡 형상의 성형체에서도, 뛰어난 성형성이나 기계 특성을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 이용하면, 성형 후의 성형체의 외관을 향상시킬 수 있다.
[도 1] (a) 관체 유닛의 개략도(상면도), (b) 관체 유닛의 개략도(측면도).
[도 2] 성형 시의 유동 길이를 나타낸 모식도.
본 발명에 있어서의 탄소섬유 강화 수지 복합재료는, 탄소섬유다발을 포함한 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 수지 복합재료로서, (1) 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게의 변동계수(CV1)가 10% 이하, (2) 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 식(a)으로 정의되는 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)가 15% 이하이고, (3) 탄소섬유의 중량 평균 섬유길이가 1∼100㎜이다.
탄소섬유 체적 비율(Vf)=100×탄소섬유 체적/(탄소섬유 체적+열가소성 수지 체적) 식(a)
[탄소섬유]
탄소섬유로는, 일반적으로 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유, 석유·석탄 피치계 탄소섬유, 레이온계 탄소섬유, 셀룰로오스계 탄소섬유, 리그닌계 탄소섬유, 페놀계 탄소섬유, 기상 성장계 탄소섬유 등이 알려져 있지만, 본 발명에서는 이들 중 어떤 탄소섬유이어도 적합하게 사용할 수 있다.
그 중에서도, 본 발명에서는 인장 강도가 뛰어난 점에서 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소섬유로서 PAN계 탄소섬유를 사용하는 경우, 그 인장 탄성률은 100∼600㎬ 범위 내인 것이 바람직하고, 200∼500㎬ 범위 내인 것이 더 바람직하며, 230∼450㎬ 범위 내인 것이 보다 더 바람직하다. 또한, 인장 강도는 2000∼10000㎫ 범위 내인 것이 바람직하고, 3000∼8000㎫ 범위 내인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 이용되는 탄소섬유는, 표면에 사이징제가 부착되어 있는 것이어도 된다. 사이징제가 부착되어 있는 탄소섬유를 이용하는 경우, 해당 사이징제의 종류는, 탄소섬유 및 매트릭스 수지의 종류에 따라서 적정하게 선택할 수 있는 것이며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
[탄소섬유의 형태]
(섬유길이)
본 발명에 이용되는 탄소섬유는 불연속 탄소섬유로서, 중량 평균 섬유길이가 1∼100㎜이면 된다. 불연속 탄소섬유의 중량 평균 섬유길이는, 3∼80㎜인 것이 더 바람직하고, 5∼60㎜인 것이 보다 더 바람직하다. 중량 평균 섬유길이가 100㎜를 초과하는 경우, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 유동성이 저하해 버려, 프레스 성형 등에 의해 원하는 성형체 형상을 얻지 못하는 경우가 있다. 한편, 중량 평균 섬유길이가 1㎜ 미만인 경우, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 기계 강도가 저하해 버린다.
본 발명에서는 섬유길이가 서로 다른 탄소섬유를 병용해도 된다. 바꿔 말하면, 본 발명에 이용되는 탄소섬유는, 중량 평균 섬유길이에 단일 피크를 가진 것이어도 되고, 혹은 복수의 피크를 가진 것이어도 된다.
탄소섬유의 평균 섬유길이는, 예를 들면, 탄소섬유 강화 수지 복합재료로부터 무작위로 추출한 100개의 섬유의 섬유길이를, 캘리퍼스 등을 사용하여 1㎜ 단위까지 측정하고, 하기 식(f)에 근거하여 구할 수 있다. 평균 섬유길이의 측정은, 중량 평균 섬유길이(Lw)로 측정한다. 개개의 탄소섬유의 섬유길이를 Li, 측정 개수를 j로 하면, 수(數) 평균 섬유길이(Ln)와 중량 평균 섬유길이(Lw)는, 이하의 식(e), (f)에 의해 구해진다.
Ln=ΣLi/j…식(e)
Lw=(ΣLi2)/(ΣLi)…식(f)
또한, 섬유길이가 일정 길이인 경우는 수 평균 섬유길이와 중량 평균 섬유길이는 같은 값이 된다.
탄소섬유 강화 수지 복합재료로부터의 탄소섬유의 추출은, 예를 들면, 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 500℃×1시간 정도의 가열 처리를 실시하여, 로(爐) 내에서 수지를 제거하는 것에 의해 행할 수 있다.
(섬유지름)
본 발명에 이용되는 탄소섬유의 섬유지름은, 평균 섬유지름으로서, 통상 3∼50㎛ 범위 내인 것이 바람직하고, 4∼12㎛ 범위 내인 것이 더 바람직하며, 5∼8㎛ 범위 내인 것이 보다 더 바람직하다.
여기서, 상기 평균 섬유지름은, 탄소섬유의 단사(單絲)의 직경을 가리키는 것으로 한다. 따라서, 탄소섬유가 섬유다발 모양인 경우는, 섬유다발의 지름이 아니라, 섬유다발을 구성하는 탄소섬유(단사)의 직경을 가리킨다. 탄소섬유의 평균 섬유지름은, 예를 들면, JIS R-7607:2000에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.
(탄소섬유다발)
본 발명에 이용되는 탄소섬유는, 탄소섬유다발을 포함하는 것이며, 탄소섬유다발이란 2개 이상의 단사가 집속제(集束劑)나 정전기력 등에 의해 근접해 있는 것을 나타낸다. 단, 본 발명에 이용되는 탄소섬유는, 단사로 이루어지는 단사 모양의 것을 포함하고 있어도 되고, 섬유다발 모양의 것과 혼재되어 있어도 된다.
섬유다발 모양의 탄소섬유에 대해, 각 섬유다발을 구성하는 단사의 수는, 각 섬유다발에서 거의 균일해도 되고, 혹은 다르게 되어 있어도 된다. 각 섬유다발을 구성하는 단사의 수는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상, 2∼10만개의 범위 내가 된다.
(바람직한 탄소섬유다발)
섬유다발을 개섬(開纖)해서 사용하는 경우, 개섬 후의 섬유다발의 개섬 정도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 섬유다발의 개섬 정도를 제어하여, 특정 개수 이상의 탄소섬유로 이루어지는 탄소섬유다발과, 그 미만의 탄소섬유(단사) 또는 탄소섬유다발을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 구체적으로는, 하기 식(b)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)과, 그 이외의 개섬된 탄소섬유(B), 즉 단사 상태 또는 임계 단사 수 미만으로 구성되는 섬유다발로 이루어지는 것이 바람직하다.
임계 단사 수=600/D 식(b)
(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
또한, 본 발명에서는, 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 탄소섬유다발(A)의 비율이 20∼99Vol%인 것이 바람직하고, 30∼95Vol%인 것이 더 바람직하며, 50Vol% 이상 90Vol% 미만인 것이 보다 더 바람직하다. 탄소섬유 전량에 대한 탄소섬유다발(A)의 비율이 20Vol% 이상인 경우, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)을 높이는 것이 용이하게 되고, 결과적으로 원하는 기계 특성을 얻기 쉬워지며, 또한, 단사 모양의 탄소섬유의 존재량이 상대적으로 적어지기 때문에, 성형 시의 부형성(賦形性)이 양호해진다. 한편으로 탄소섬유다발(A)의 비율이 99Vol%를 초과하지 않는 경우, 탄소섬유다발의 섬유다발 폭이 커지지 않아, 섬유다발의 섬유다발 폭에 대한 섬유길이 비(애스펙트 비)를 확보할 수 있고, 결과적으로 원하는 기계 특성을 얻기 쉬워진다.
또한, 탄소섬유의 개섬 정도는, 예를 들면, 개섬 공정에서 내뿜는 공기의 압력 조정 등, 섬유다발의 개섬 조건을 조정하는 것에 의해 목적 범위 내로 할 수 있다.
본 발명에 있어서의, 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)는 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서 적정하게 결정할 수 있는 것이며, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 하기 식(c)을 만족시키는 것이 바람직하다.
0.6×104/D2<N<6×105/D2 식(c)
(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)를 상기 범위로 하는 데에는, 후술하는 바람직한 제법에서, 섬유다발의 크기, 예를 들면 섬유다발 폭이나 폭당 섬유 수를 조정함으로써 달성할 수 있다. 구체적으로는 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유의 평균 섬유지름이 5∼7㎛인 경우, 임계 단사 수는 86∼120개가 되고, 탄소섬유의 평균 섬유지름이 5㎛인 경우, 탄소섬유다발 중의 평균 섬유 수(N)는 240∼24000개가 되지만, 300∼10000개인 것이 더 바람직하고, 500∼5000개인 것이 보다 더 바람직하다. 탄소섬유의 평균 섬유지름이 7㎛인 경우, 탄소섬유다발 중의 평균 섬유 수(N)는 122∼12200개가 되지만, 200∼5000개인 것이 더 바람직하고, 300∼3000개인 것이 보다 더 바람직하다. 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 0.6×104/D2 이상인 경우, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)을 높이는 것이 용이하게 되고, 결과적으로 원하는 기계 특성을 얻기 쉬워진다. 한편으로, 탄소섬유다발(A) 중의 평균 섬유 수(N)가 6×105/D2 이하인 경우, 국부적으로 두꺼운 부분이 생기기 어렵고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중에 보이드가 생기기 어려워진다.
[랜덤 매트의 형태]
본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료는, 상술한 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함한 랜덤 매트를 함침 처리하는 것에 의해, 바람직하게 제조된다. 랜덤 매트(도 1의 2)란, 탄소섬유다발을 포함하는, 소정의 중량 평균 섬유길이를 가진 불연속인 탄소섬유로 이루어지는 탄소섬유 매트와, 열가소성 수지를 포함하여 구성되는 것이며, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 전구체(前驅體)이다. 탄소섬유 매트는 탄소섬유가 랜덤한 방향으로 배열한 것이며, 실질적인 면 내의 종횡 방향의 기계 특성의 불균일이 작은 것이 바람직하다. 탄소섬유 매트는, 2차원으로 랜덤 배향(配向)해 있는 것이 바람직하다.
랜덤 매트에 있어서의, 열가소성 수지의 형태로는, 탄소섬유 매트에, 분말 형태, 섬유 형태, 괴(塊) 형태 등의 열가소성 수지가 포함되는 것이어도 되고, 탄소섬유 매트에 시트 형태 또는 필름 형태 등의 열가소성 수지가 탑재 또는 적층된 것이어도 되며, 이 시트 형태 또는 필름 형태 등의 열가소성 수지는 용융 상태여도 된다. 또한, 랜덤 매트의 제조 방법으로서 특별히 한정은 없어, 에어레이드법, 카딩법, 초지법을 이용하는 것으로 달성할 수 있지만, 특히 에어레이드법으로 제조하는 것이 바람직하다. 카딩법의 경우, 탄소섬유가 일 방향으로 합치기 쉬워져, 2차원으로 랜덤 배향시키는 것이 어려운 경우가 있다. 또한, 초지법의 경우, 단사 형태의 탄소섬유가 상대적으로 많이 존재하기 때문에 성형 시의 부형성이 나빠지거나, 섬유무게가 큰 랜덤 매트를 제조하는 경우에는 불균일이 커진다거나 하는 일이 있다. 에어레이드법의 구체적인 제법에 대해서는 후술한다.
또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 있어서의 탄소섬유의 2차원 랜덤 배열의 배향 형태는, 예를 들면, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 임의의 방향, 및 이와 직교하는 방향을 기준으로 하는 인장 시험을 행하여, 인장 탄성률을 측정한 후, 측정한 인장 탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비(Eδ)를 측정함으로써 확인할 수 있다. 탄성률의 비가 1에 가까울수록, 탄소섬유가 2차원 랜덤 배열해 있다고 평가할 수 있다. 직교하는 2방향의 탄성률의 값 중 큰 것을 작은 것으로 나눈 비가 2를 초과하지 않을 때 등방성이 있는 것이 되며, 이 비가 1.3을 초과하지 않을 때는 등방성이 뛰어난 것으로 평가된다.
또한, 본 발명에 있어서의 탄소섬유 수지 복합재료를 사용하면, 더 안정적으로 상기 범위를 만족시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서의 탄소섬유 강화 수지 복합재료는, 전체 폭 방향의 어느 곳에서도, 뛰어난 등방성을 실현할 수 있다.
[열가소성 수지]
본 발명에 이용되는 열가소성 수지는, 원하는 기계 특성을 가진 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻을 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것이 아니라, 제작하는 성형체의 용도 등에 따라 적정하게 선택하여 사용할 수 있다. 상기 열가소성 수지는 특별히 한정되는 것이 아니라, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 용도 등에 따라 원하는 연화점 또는 융점을 가진 것을 적정하게 선택하여 사용할 수 있다. 통상, 연화점이 180℃∼350℃ 범위 내인 것이 이용되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
열가소성 수지로는, 폴리올레핀 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리아세탈 수지(폴리옥시메틸렌 수지), 폴리카보네이트 수지, (메타)아크릴 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에테르니트릴 수지, 페녹시 수지, 폴리페닐렌술피드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리케톤 수지, 폴리에테르케톤 수지, 열가소성 우레탄 수지 불소계 수지, 열가소성 폴리벤조이미다졸 수지 등을 들 수 있다.
상기 폴리올레핀 수지로는, 예를 들면, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부타디엔 수지, 폴리메틸펜텐 수지, 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 아세트산비닐 수지, 폴리비닐알코올 수지 등을 들 수 있다. 상기 폴리스티렌 수지로는, 예를 들면, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴-스티렌 수지(AS 수지), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지(ABS 수지) 등을 들 수 있다. 상기 폴리아미드 수지로는, 폴리아미드6 수지(나일론6), 폴리아미드11 수지(나일론11), 폴리아미드12 수지(나일론12), 폴리아미드46 수지(나일론46), 폴리아미드66 수지(나일론66), 폴리아미드610 수지(나일론610) 등을 들 수 있다. 상기 폴리에스테르 수지로는, 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트 수지, 액정(液晶) 폴리에스테르 등을 들 수 있다. 상기 (메타)아크릴 수지로는, 예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트를 들 수 있다. 상기 폴리페닐렌에테르 수지로는, 예를 들면, 변성 폴리페닐렌에테르 등을 들 수 있다. 상기 폴리이미드 수지로는, 예를 들면, 열가소성 폴리이미드, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에테르이미드 수지 등을 들 수 있다. 상기 폴리술폰 수지로는, 예를 들면, 변성 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지 등을 들 수 있다. 상기 폴리에테르케톤 수지로는, 예를 들면, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에테르케톤케톤 수지를 들 수 있다. 상기 불소계 수지로는, 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 들 수 있다.
본 발명에 이용되는 열가소성 수지는 1종류만이어도 되고, 2종류 이상이어도 된다. 2종류 이상의 열가소성 수지를 병용하는 형태로는, 예를 들면, 서로 연화점 또는 융점이 다른 열가소성 수지를 병용하는 형태나, 서로 평균 분자량이 다른 열가소성 수지를 병용하는 형태 등을 들 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
[그 외 약제]
탄소섬유 강화 수지 복합재료 중에는, 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서, 유리섬유나 유기섬유 등의 각종 섬유상 또는 비섬유상 필러, 난연제, 내UV제, 안료, 이형제, 연화제, 가소제, 계면활성제의 첨가제를 포함하고 있어도 된다.
[탄소섬유 강화 수지 복합재료]
본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료는, 상술한 랜덤 매트를 가압·가열 하에서 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시킴으로써, 바람직하게 얻어진다. 함침 공정은 배치식이어도 연속식이어도 되지만, 생산성 관점에서 연속식 쪽이 바람직하다.
(탄소섬유와 열가소성 수지의 총 섬유무게(目付))
본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 있어서의, 탄소섬유 섬유무게와 열가소성 수지 섬유무게의 합(이하 간단히 「총 섬유무게」로 기재한다)에 특별히 한정은 없지만, 50∼20000g/㎡인 것이 바람직하고, 500∼15000g/㎡인 것이 더 바람직하며, 1000∼10000g/㎡이면 더욱더 바람직하다. 총 섬유무게가 50g/㎡ 이상인 경우, 탄소섬유의 분산 상태를 제어하는 것이 용이하며, 결과적으로 총 섬유무게의 변동계수(CV1) 및 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)를 작게 할 수 있다. 한편으로, 총 섬유무게가 20000g/㎡ 이하인 경우, 프레스 성형 등에 의해 얻어지는 성형체의 두께가 지나치게 커지지 않고, 목적으로 하는 경량인 성형체가 얻어지기 쉽다.
(탄소섬유 체적 비율)
본 발명에서, 하기 식(a)으로 정의되는, 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 포함되는 탄소섬유 체적 비율(이하, 간단히 「Vf」라고 하는 경우가 있다)에 특별히 한정은 없지만, 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 있어서의 탄소섬유 체적 비율(Vf)은, 10∼60Vol%인 것이 바람직하고, 20∼50Vol%인 것이 더 바람직하며, 25∼45Vol%이면 더욱더 바람직하다.
탄소섬유 체적 비율(Vf)=100×탄소섬유 체적/(탄소섬유 체적+열가소성 수지 체적) 식(a)
탄소섬유 강화 수지 복합재료에 있어서의 탄소섬유 체적 비율(Vf)이 10Vol% 이상인 경우, 바라는 기계 특성이 얻어지기 쉽다. 한편으로, 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 있어서의 탄소섬유 체적 비율(Vf)이 60Vol% 이하인 경우, 프레스 성형 등에 사용할 때의 유동성이 뛰어나, 원하는 성형체 형상이 얻어지기 쉽다.
(총 섬유무게의 변동계수(CV1))
본 발명에 있어서의 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게의 변동계수(CV1)는 10% 이하이다.
본 발명에 있어서의 총 섬유무게의 변동계수(CV1)란, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 면 내의 전체 범위를 25㎜×25㎜ 피치로 구분한 때의 각각의 총 섬유무게의 변동계수를 식(g)으로 산출한 것이며, 예를 들면, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 치수가 100㎜×100㎜인 면상체인 경우, 4×4인 16곳으로 구분하여 측정한 변동계수로 정의된다.
총 섬유무게의 변동계수(CV1)=100×총 섬유무게의 표준 편차/총 섬유무게의 평균 값 식(g)
총 섬유무게의 변동계수(CV1)를 10% 이하로 하는 것에 의해, 성형 시의 부형 불균일과 기계 특성 불균일을 작은 피치에서 저감할 수 있어, 소형 성형체나 복잡 형상의 성형체에서도, 뛰어난 성형성이나 기계 특성을 발휘시킬 수 있으며, 특히, 본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 콜드 프레스하여 성형체를 얻는 경우에는, 균일하게 유동하기 때문에 뛰어난 성형성을 발휘한다.
총 섬유무게의 변동계수(CV1)는 바람직하게는 7% 이하이며, 더 바람직하게는 5% 이하이다. 변동계수(CV1)의 제어 방법에 대해서는 후술한다.
(탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2))
본 발명에 있어서의 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)는 15% 이하이다.
여기서 말하는 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)란, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 면 내의 전체 범위를 25㎜×25㎜ 피치로 구분한 때의 각각의 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수를 식(h)으로 산출한 것이며, 예를 들면, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 치수가 100㎜×100㎜의 면상체인 경우, 4×4인 16곳으로 구분하여 측정한 변동계수로 정의된다.
탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)=100×탄소섬유 체적 비율의 표준 편차/탄소섬유 체적 비율의 평균 값 식(h)
탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)를 15% 이하로 하는 것에 의해, 성형 시의 부형 불균일과 기계 특성 불균일을 작은 피치로 저감할 수 있어, 소형 성형체나 복잡 형상의 성형체에서도, 뛰어난 성형성이나 기계 특성을 발휘시킬 수 있으며, 특히, 본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 콜드 프레스하여 성형체를 얻는 경우에는, 균일하게 유동하기 때문에 뛰어난 성형성을 발휘한다.
탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)는 바람직하게는 12% 이하이며, 더 바람직하게는 10% 이하이다. 변동계수(CV2)의 제어 방법에 대해서는 후술한다.
(탄소섬유다발에 포함되는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3))
본 발명에 있어서의 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 포함되는 탄소섬유 중, 식(b)에서 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3)는 10% 이하인 것이 바람직하다.
여기서 말하는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3)란, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 면 내의 임의의 범위를 25㎜×25㎜ 피치로 구분하고, 무작위로 10점 추출한 때의 변동계수를 하기 식(i)으로 산출한 것이며, 예를 들면, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 치수가 100㎜×100㎜의 면상체인 경우, 4×4인 16곳으로 구분하고, 이 중 무작위로 10점 추출한 때의 변동계수로 정의된다.
탄소섬유다발(A) 체적 비율의 변동계수(CV3)=100×탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 표준 편차/탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 평균 값 식(i)
탄소섬유다발(A) 체적 비율의 변동계수(CV3)를 10% 이하로 하는 것에 의해, 함침 공정에 있어서의 함침 불균일을 억제할 수 있음과 아울러, 성형 시의 부형 불균일과 기계 특성 불균일을 작은 피치로 저감할 수 있어, 소형 성형체나 복잡 형상의 성형체에서도, 뛰어난 성형성이나 기계 특성을 발휘시킬 수 있으며, 특히, 본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 콜드 프레스하여 성형체를 얻는 경우에는, 균일하게 유동하기 때문에 뛰어난 성형성을 발휘한다.
탄소섬유다발(A)의 변동계수(CV3)는 바람직하게는 7% 이하이며, 더 바람직하게는 5% 이하이다. 탄소섬유다발(A)의 변동계수(CV3)의 제어 방법에 대해서는 후술한다.
임계 단사 수=600/D 식(b)
(여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료는, 생산성 관점에서 단층인 것이 바람직하고, 그 두께는 0.3㎜ 이상인 것이 바람직하며, 0.5㎜ 이상인 것이 더 바람직하고, 1.0㎜ 이상인 것이 더욱더 바람직하며, 1.5㎜ 이상인 것이 한층 더 바람직하고, 2.0㎜ 이상인 것이 특히 바람직하며, 2.5㎜ 이상인 것이 가장 바람직하다. 본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료는, 두께 0.3㎜ 이상의 비교적 두꺼운 단층이어도, 총 섬유무게의 변동계수(CV1), 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)를 작게 할 수 있다.
또한, 상기 단층이란, 강화 섬유와 수지를 퇴적하여 얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 전구체를, 적층시키는 일없이, 함침 처리하여 제조한 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 층을 말한다.
다만, 단층의 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 제조한 후, 이를 복수 층 적층하여 성형해서, 목적으로 하는 성형체의 두께나 형상으로 해도 된다.
또한, 본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 사이즈(길이×폭)는, 100㎜×100㎜ 이상인 것이 바람직하고, 200㎜×200㎜ 이상인 것이 더 바람직하다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 표면의 면적으로는, 10000㎟ 이상인 것이 바람직하고, 40000㎡ 이상인 것이 더 바람직하다.
또한, 본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 사이즈(폭 방향, TD 방향)는, 500㎜ 이상인 것이 바람직하고, 1000㎜ 이상인 것이 더 바람직하며, 1400㎜ 이상인 것이 더욱더 바람직하다.
[탄소섬유 강화 수지 복합재료의 제조 방법]
본 발명에 이용되는 탄소섬유 강화 수지 복합재료는, 각종 변동계수를 제어하는 수단을 제외하고, 에어레이드법에 의해 바람직하게 제조할 수 있다. 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 제조 공정은, 예를 들면, 일본 특개2011-178891호 공보, 일본 특개2013-49208호 공보 등의 기재를 참조하여, 이하의 공정 1∼4로 이루어진다.
1. 크릴부로부터 탄소섬유를 내보내어 확폭 장치에 의해 확폭한 후, 종(縱) 슬릿 장치를 통해 분섬(分纖)하여 탄소섬유다발을 형성하는 공정.
2. 탄소섬유다발을 커트하고, 커트된 탄소섬유다발(이하, 「섬유다발 편」이라 한다.)을 관체 내에 도입하여, 공기를 섬유다발 편에 내뿜는 것에 의해, 섬유다발 편을 어느 정도 산산이 개섬시키는 절단·개섬 공정.
3. 개섬 공정을 끝낸 섬유다발 편을 확산시키면서, 수지 공급부로부터 공급된 섬유 형태 또는 파우더 형태의 열가소성 수지와 함께, 흡인 장치로 흡인하면서 통기성 지지체상에 살포하여, 랜덤 매트를 얻은 살포·정착 공정.
4. 가압·가열 하에서, 랜덤 매트 중의 살포된 탄소섬유다발에 열가소성 수지를 함침시키는 함침 공정.
또한, 상기 「2.」에서, 본 발명에서는, 커트된 탄소섬유의 관체 내로의 수송은, 그 거리가 짧고, 연직(鉛直) 하향(下向)으로 수송하는 것이 바람직하다.
커트된 탄소섬유를, 거리를 짧게, 연직 하향으로 수송함으로써, 예를 들면 긴 수송 배관을 이용한다든지, 플렉시블 배관 등에 의한 곡선 수송한다든지 하는 경우에 비해, 더 적합하게, 본 발명의 각종 변동계수(CV1, CV2(나아가 CV3))의 값으로 할 수 있다.
[에어레이드법]
또한, 일반적으로 에어레이드법이란, 소정량의 개섬 및/또는 분섬된 강화 섬유와, 필요에 따라 열가소성 수지를 포함하여 공기류로 분산시키면서 반송하고, 토출구로부터 내뿜은 강화 섬유 등을, 하부에 설치된 통기성 지지체(섬유 포집용 네트)상에 떨어뜨리고, 통기성 지지체의 하부에서 공기를 석션하면서, 강화 섬유를 통기성 지지체에 웹으로서 퇴적시키고, 필요에 따라, 이 조작을 복수 반복하여 탄소섬유 매트나 랜덤 매트를 제조하는 방법을 말한다.
[각종 변동계수의 제어 방법]
상기 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 각종 변동계수(CV1, CV2, CV3)의 제어 방법에 특별히 한정은 없지만, 예를 들면 이하의 제조 방법을, 상술한 「3. 랜덤 매트를 얻은 살포·정착 공정」에 이용하여, 살포·정착 공정에서 얻어진 랜덤 매트(탄소섬유 강화 수지 복합재료의 전구체)의 총 섬유무게의 변동계수(CV1'), 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2'), 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3')를 제어하고, 얻어진 랜덤 매트를 가압·가열 하에서 함침하면 된다. 함침 방법에 특별히 제한은 없지만, 생산성 관점에서 연속식이 바람직하다. 또한, 함침 온도는 열가소성 수지의 연화점 이상, 특히 결정성 수지인 경우는 융점 이상의 온도로, 함침 압력은 살포·정착 공정에서 얻어진 랜덤 매트의 총 섬유무게의 변동계수(CV1'), 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2'), 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3')가 크게 변동하지 않는 범위에서 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 통상적으로는 랜덤 매트를 함침 처리하여, 탄소섬유 강화 수지 복합재료로 하는 과정에서, 총 섬유무게의 변동계수(CV1')는 작아지고, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2')는 커지며, 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3')는 변화가 작은 경향이 된다. 이것은 함침 공정에서는 탄소섬유는 가압되어도 유동하기 어렵지만, 열가소성 수지는 가압에 의해 크게 유동하게 된다. 통상 함침 압력이 너무 높으면, 각종 변동계수가 크게 변동해 버리지만, 함침성 향상 등 때문에 함침 압력을 높이고 싶은 경우에는, 랜덤 매트 중의 탄소섬유 및 열가소성 수지의 불필요한 유동을 억제하기 위해, 함침 장치 내에 유동 방지용의 댐 기구를 설치하는 것이 바람직하다.
(제조예 1)
본 발명의 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 제조 방법으로서는, 생산성 향상을 위해서, 복수의 상술한 관체를 갖고, 또, 통기성 지지체를 일 방향으로 진행시키면서 연속적으로 관체로부터 탄소섬유 및 열가소성 수지를 통기성 지지체상으로 살포하는 제조 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 복수의 관체로부터 동시에 탄소섬유 및 열가소성 수지를 통기성 지지체상에 살포하는 경우에 있어서는, 통상, 기류의 불균일로 인해, 복수의 관체 사이에서 탄소섬유 및 열가소성 수지 등의 살포 불균일이 발생해 버리며, 결과적으로 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 전구체인 랜덤 매트의 총 섬유무게의 변동계수(CV1'), 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2'), 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3')의 값이 커져 버린다. 그 변동계수를 작게 하는 대책으로서, 관체를 특정 관체간 거리로 폭 방향으로 배치하고, 또한, 전후 방향으로 위상 차를 갖고서 배치한 관체 유닛(도 1 참조)을 적합하게 사용할 수 있다. 여기서, 위상 차란, 폭 방향(TD 방향, Transverse Direction)에 직교하는 방향으로 주기적으로 배치된 복수의 관체로 이루어지는 관체의 열을, 폭 방향으로 복수 가지는 관체 유닛에 있어서, 어떤 열에 포함되는 특정한 1개의 관체의 중심과, 그 열의 인접 열에 포함되는 상기 특정한 관체에 가장 근접한 관체의 중심과의, 열에 평행인 방향(폭 방향에 직교하는 방향)에 있어서의 차이(예를 들면 도 1의 P1)를 말한다. 인접하는 관체의 중심간 거리(X1)는 인접하는 관체로부터 살포되는 탄소섬유 및 열가소성 수지끼리가 통기성 지지체상에 정착하는 전(前)단계의 공기 중에서 혼합되지 않는 거리가 확보되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 위상 차(예를 들면 도 1의 P1)를 두기 위한 관체의 배치에 대해서 특별히 한정은 없지만, 바람직한 위상 차로는, 폭 방향(TD 방향, Transverse Direction)에 미치는 관체의 위상 차(예를 들면 도 1의 P1)는 얻어진 랜덤 매트의 평균 살포 폭(예를 들면 도 1의 W1)의 1/2 값보다 좁은 쪽이 더 바람직하다. 랜덤 매트의 평균 살포 폭(예를 들면 도 1의 W1)이란, 하나의 관체로부터 살포된 랜덤 매트의 살포 폭의 평균 값이다. 또한, 인접하는 관체의 중심간 거리(예를 들면 도 1의 X1), 위상 차(예를 들면 도 1의 P1), 랜덤 매트의 평균 살포 폭(예를 들면 도 1의 W1)은 상술한 바람직한 범위를 만족시키고 있다면, 관체 유닛 내에서 동일해도 되고, 달라도 된다. 이러한 위상 차를 둠으로써, 복수의 관체로 각각 제작된 각 랜덤 매트가 통기성 지지체상에서 중합하여, 총 섬유무게의 변동계수(CV1')의 값을 10% 이하로, 또한, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2')의 값을 15% 이하로(또한, 바람직하게는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3')의 값을 10% 이하로), 제어할 수 있다.
(제조예 2)
또한, 예를 들면, 제조예 1과 마찬가지로 복수의 관체를 가지는 관체 유닛으로, 탄소섬유와 열가소성 수지를, 통기성 지지체에 살포·정착시키고, 얻어진 랜덤 매트를 일 방향으로 연속적으로 반송시키는 공정에서, 관체 유닛을 임의의 방향, 예를 들면, 진행 방향(MD 방향, Machine Direction)에 대한 수직 방향(TD 방향, Transverse Direction), 원주상(圓周狀), 타원주상(楕圓周狀), 파상(波狀) 등으로 요동시키는 제조 방법도 적합하게 사용할 수 있다. 요동 조건에 관하여 특별히 한정은 없지만, 통기성 지지체의 반송 속도(V1)에 대한, 요동 속도(V2)의 비, V2/V1이 3∼60인 것이 바람직하다.
여기서, 요동 속도(V2)란, 단위시간당 요동 1주기 분의 거리이다. V2/V1을 3∼60으로 함으로써, 공정 안정성을 유지하면서, 반송 방향에 걸쳐, 총 섬유무게, 탄소섬유 체적 비율(Vf), 바람직하게는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 불균일을 저감할 수 있다. 또한, 요동 진폭(W2)은, 인접하는 관체의 중심간 거리(X1)의 1/2 값보다 큰 것이 바람직하다. 여기서, 요동 진폭(W2)이란, 1개의 관체의 요동시의 관체 관통 방향 중심선과 통기성 지지체와의 교점을 취한 때의 교점간 거리의 최대값의 1/2 값이다. 이에 의해, 복수의 관체로 각각 제작된 각 랜덤 매트가 통기성 지지체상에서 중합하여, 총 섬유무게의 변동계수(CV1')의 값을 10% 이하로, 또한, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2')의 값을 15% 이하로(또한, 바람직하게는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3')의 값을 10% 이하로), 제어할 수 있다.
(제조예 3)
또한, 예를 들면, 복수의 관체를 가지는 관체 유닛으로, 탄소섬유와 열가소성 수지를, 통기성 지지체에 살포·정착시키고, 얻어진 랜덤 매트를 일 방향으로 연속적으로 반송시키는 공정에서, 통기성 지지체상에 살포·정착시킨 랜덤 매트에 대해서 기계적인 고르기 처리를 실시하는 제조 방법도 적합하게 사용할 수 있다. 기계적인 고르기 처리의 방법에 특별히 제한은 없지만, 복수의 니들 모양, 괭이 모양 등의 고르기 기구(均 機構)를 구비한 고르기 장치를, 랜덤 매트에 대해서, 상하 왕복 운동이나 회전 운동시키는 방법이 바람직하다. 이에 의해, 랜덤 매트 내의 총 섬유무게, 탄소섬유 체적 비율(Vf), (바람직하게는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 불균일)을 저감할 수 있고, 총 섬유무게의 변동계수(CV1')의 값을 10% 이하로, 또한, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2')의 값을 15% 이하로(또한, 바람직하게는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3')의 값을 10% 이하로), 제어할 수 있다.
[탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 방법]
탄소섬유 강화 수지 복합재료를 성형하는 경우, 여러 가지 성형 방법을 이용할 수 있지만, 가열·가압하여 행해지는 것이 바람직하다. 성형 방법으로는, 소위, 콜드 프레스법이나 핫 프레스법 등의 압축 성형법이 바람직하게 이용된다.
(콜드 프레스법)
콜드 프레스법은, 예를 들면, 제1 소정 온도로 가열한 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 제2 소정 온도로 설정된 금형 내에 투입한 후, 가압·냉각을 행한다.
구체적으로는, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 구성하는 열가소성 수지가 결정성인 경우, 제1 소정 온도는 융점 이상이고, 제2 설정 온도는 융점 미만이다. 열가소성 수지가 비결정성인 경우, 제1 소정 온도는 유리 전이 온도 이상이고, 제2 설정 온도는 유리 전이 온도 미만이다.
즉, 콜드 프레스법은, 적어도 이하의 공정 A-1)∼A-2)를 포함하고 있다.
A-1) 탄소섬유 강화 수지 복합재료를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 이상 분해 온도 이하, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 이상 분해 온도 이하로 가온하는 공정.
A-2) 상기 A-1)에서 가온된 탄소섬유 강화 수지 복합재료를, 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 온도 조절된 금형에 배치하여, 가압하는 공정.
이들 공정을 행함으로써, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형을 완결시킬 수 있다.
또한, 금형에 투입할 때, 탄소섬유 강화 수지 복합재료는, 대상 성형체의 판 두께에 맞춰, 단독(1매)으로 또는 복수 매로 사용된다. 복수 매로 사용하는 경우, 복수 매를 미리 적층하여 가열해도 되고, 가열한 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 적층한 후에 금형 내에 투입해도 되고, 가열한 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 금형 내에 순차 적층해도 된다. 또한, 적층한 경우의 최하층의 탄소섬유 강화 수지 복합재료와 최상층의 복합재료의 온도 차는 적은 쪽이 좋고, 이 관점에서는, 금형에 투입하기 전에 적층한 쪽이 바람직하다. 또한, 상기 A-1)에 있어서의 가압은, 예를 들면, 금형이나 닙 롤러 등을 이용할 수 있다. 상기의 각 공정은, 상기 순번으로 행할 필요가 있지만, 각 공정 사이에 다른 공정을 포함해도 된다. 다른 공정이란, 예를 들면, A-2) 전에, A-2)에서 이용되는 금형과 다른 부형 형(型)을 이용하여, 금형의 캐비티 형상으로 미리 부형하는 부형 공정 등이 있다.
(핫 프레스법)
핫 프레스법은, 예를 들면, 금형 내에 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 투입하고, 금형의 온도를 제1 소정 온도까지 상승시키면서 가압하고, 제2 소정 온도까지 금형의 냉각을 행한다. 구체적으로는, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 구성하는 열가소성 수지가 결정성인 경우, 제1 소정 온도는 융점 이상이고, 제2 소정 온도는 융점 미만이다. 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 구성하는 열가소성 수지가 비결정성인 경우, 제1 소정 온도는 유리 전이 온도 이상이고, 제2 소정 온도는 유리 전이 온도 미만이다.
핫 프레스법은, 적어도 이하의 공정 B-1)∼B-4)을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
B-1) 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 금형에 배치하는 공정.
B-2) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 열가소성 수지의 융점 이상 열분해 온도 이하의 온도까지, 비결정성인 경우는 열가소성 수지의 유리 전이 온도 이상 열분해 온도 이하의 온도까지, 금형을 승온하면서, 가압하는 공정(제1 프레스 공정).
B-3) 일단(一段) 이상이고, 최종 단(段)의 압력이 제1 프레스 공정의 압력의 1.2배 이상 100배 이하가 되도록 가압하는 공정(제2 프레스 공정).
B-4) 열가소성 수지가 결정성인 경우는 융점 미만, 비결정성인 경우는 유리 전이 온도 미만으로 금형 온도를 조절하는 공정.
이들 공정을 행함으로써, 복합재료의 성형을 완결시킬 수 있다.
(공통 사항)
공정 A-2) 및 B-3)은, 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 압력을 가하여 소망 형상의 성형체를 얻는 공정이지만, 이때의 성형 압력에 대해서는 특별히 한정은 하지는 않으나, 원하는 성형체 형상을 얻을 수 있는 범위 내에서, 극력 낮은 쪽이 바람직하다. 구체적으로는, 금형 캐비티 투영 면적에 대해 30㎫ 미만이 바람직하고, 20㎫ 이하이면 더 바람직하고, 10㎫ 이하이면 더욱더 바람직하다.
성형 압력이 30㎫ 미만인 경우는, 프레스기의 설비 투자나 유지비가 필요하지 않기 때문에, 바람직하다. 상술한 탄소섬유 강화 수지 복합재료는 성형 시의 유동성이 높고, 총 섬유무게, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV1, CV2)가 작아(또한 바람직하게는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3)도 작기 때문에), 성형 압력을 낮게 해도, 안정적으로 소형 형상이나 복잡 형상의 성형을 행할 수 있다.
또한, 당연한 것이지만, 압축 성형 시에 여러 가지 공정을 상기 공정 사이에 넣어도 되고, 예를 들면 진공으로 하면서 압축 성형하는 진공 압축 성형을 이용해도 된다.
(성형체의 용착 안정성의 향상)
탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 복합재료끼리를 서로 접합하는 경우, 접착제를 대신하여, 진동 용착(溶着), IR 용착, 초음파 용착, 열 용착 등이 이용되는 경우가 많다.
그 용착 강도는 일반적으로 용착부의 탄소섬유와 열가소성 수지의 존재 상태에 의해 결정되는 경우가 많고, 용착부에 극단적으로 탄소섬유량이 많은 경우나, 용착면의 두께 불균일이 큰 경우에는 용착 불량을 발생시킬 수 있기 때문에, 용착부의 총 섬유무게 불균일, 탄소섬유 체적 비율(Vf) 불균일을 억제하는 것이 요망되고 있다.
본 발명에 있어서의 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 사용하여 얻어진 성형체는, 탄소섬유와 열가소성 수지의 총 섬유무게의 변동계수(CV1)와 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)의 값이 매우 낮기 때문에(또한, 바람직하게는 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3)도 작기 때문에), 용착 강도가 안정화되기 쉽다는 효과를 가진다.
실시예
이하, 본 발명에 대해 실시예를 이용해서 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 있어서의 각 값은, 이하의 방법에 따라 구했다.
1. 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 분석
(1) 총 섬유무게의 분석
탄소섬유 강화 수지 복합재료의 전체 범위를 대략 25㎜×25㎜ 피치로 샘플을 잘라내고, 잘라낸 전체 샘플의 기중중량(氣中重量)을, 전자 천칭(天秤)을 사용하여 측정했다. 샘플 치수는 마이크로미터를 사용하여 2변간의 거리(2변간 거리(W2 및 W3))를, 1/1000㎜ 단위로 정밀하게 측정하여, 식(j)에 의해 각 샘플의 총 섬유무게를 산출했다. 또한, 샘플 전체 수(본 실시예에서는 폭 1000㎜×길이 250㎜의 등방성 기재를, 폭 방향 40점×길이 방향 10점의 합계 400점)에 의한 평균 값 및 표준 편차를 산출하여, 식(g)에 의해, 총 섬유무게의 변동계수(CV1)를 구했다.
총 섬유무게=기중중량/(W2×W3) 식(j)
총 섬유무게의 변동계수(CV1)=100×총 섬유무게의 표준 편차/총 섬유무게의 평균 값 식(g)
(2) 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 분석
탄소섬유 강화 수지 복합재료의 전체 범위를 대략 25㎜×25㎜ 피치로 샘플을 잘라내고, 잘라낸 전체 샘플의 기중중량을, 전자 천칭을 사용하여 측정한 후, 해당 샘플을 500℃×1시간 공기 분위기 하에서 열가소성 수지를 연소 제거하고, 처리 후 샘플의 중량을 칭량하는 것에 의해 탄소섬유와 열가소성 수지의 중량을 산출했다. 다음으로, 각 성분의 비중을 이용하여, 탄소섬유와 열가소성 수지의 체적 비율을 산출하여, 식(a)에 의해 각 샘플의 탄소섬유 체적 비율(Vf)을 산출했다.
Vf=100×탄소섬유 체적/(탄소섬유 체적+열가소성 수지 체적) 식(a)
또한, 샘플 전체 수(400점)에 의한 평균 값 및 표준 편차를 산출하여, 식(h)에 의해, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)를 구했다.
탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)=100×탄소 체적 비율의 표준 편차/탄소섬유 체적 비율의 평균 값 식(h)
(3) 섬유다발의 분석
탄소섬유 강화 수지 복합재료 중에서 무작위로 대략 25㎜×25㎜ 피치로 10점 추출하고, 샘플을 잘라내고, 500℃×1시간 정도, 로 내에서 수지를 제거하고, 잔류한 섬유다발을 핀셋으로 모두 취출하여, 탄소섬유다발(A)의 다발 수(I) 및 중량(Wi)을 측정했다. 핀셋으로 취출할 수 없을 정도로 섬유다발이 작은 것에 대해서는, 통합하여 최후에 중량을 측정했다(Wk). 중량 측정에는, 1/100㎎까지 측정 가능한 천칭을 사용했다. 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 사용하고 있는 탄소섬유의 섬유지름(D)으로부터, 임계 단사 수를 계산하여, 임계 단사 수 이상의 탄소섬유다발(A)과, 그 이외로 나누었다.
탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 섬유 전량에 대한 체적 비율(VR)은, 탄소섬유의 밀도(ρ)를 이용하여 식(k)에 의해 구해진다.
VR=Σ(Wi/ρ)×100/(Wk+ΣWi)/ρ) 식(k)
또한, 샘플 10점에 의한 평균 값 및 표준 편차를 산출하여, 식(i)에 의해, 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3)를 구했다.
탄소섬유다발(A) 체적 비율의 변동계수(CV3)=100×탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 표준 편차/탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 평균 값 식(i)
(4) 탄소섬유의 평균 섬유길이의 분석
탄소섬유 강화 수지 복합재료에 포함되는 탄소섬유의 평균 섬유길이는, 500℃×1시간 정도, 로 내에서 열가소성 수지를 제거한 후, 무작위로 추출한 탄소섬유 100개의 길이를 캘리퍼스 및 루페로 1㎜ 단위까지 측정하여 기록하고, 측정한 모든 탄소섬유의 길이(Li, 여기서 i=1∼100의 정수)로부터, 다음 식에 의해 중량 평균 섬유길이(Lw)를 구했다.
Lw=(ΣLi2)/(ΣLi)…식(f)
(5) 인장 강도
워터 제트를 이용하여 탄소섬유 강화 수지 복합재료로부터 시험편을 폭 방향에 걸쳐 15점 잘라내고, JIS K-7164:2005를 참고로 해서, 인스트론 사제의 5982R4407 만능시험기를 이용하여, 인장 시험을 행했다. 각 시험편의 형상은 A형 시험편으로 했다. 척 사이 거리는 115㎜, 시험 속도는 2㎜/min로 했다.
또한, 샘플 전체 수(15점)에 의한 평균 값 및 표준 편차를 산출하여, 식(I)에 의해, 인장 강도의 변동계수(CV4)를 구했다.
인장 강도의 변동계수(CV4)=100×인장 강도의 표준 편차/인장 강도의 평균 값 식(I)
(6) 성형 시의 유동 길이
탄소섬유 강화 수지 복합재료로부터 샘플을 250㎜×250㎜ 잘라내고, NGK킬른테크 주식회사 제의 수지 시트 가열 장치(형식 H7GS-73408)를 사용하여, 폴리아미드6(열가소성 수지)의 가소화 온도 이상인 290℃로 가열(폴리카보네이트(열가소성 수지)인 경우는 300℃로 가열)했다.
150℃로 설정한 400㎜×400㎜×2.6㎜의 클리어런스를 가진 성형 형의 하형(下型)에 배치하고, 성형 형의 상형(上型)을 하강시켜, 20㎫로 1분간 콜드 프레스해서 평판의 프레스 성형체를 작성했다. 성형 형의 상형을 상승시켜 성형 형을 완전히 개방한 후, 작성한 프레스 성형체를 하형으로부터 탈형시켜, 프레스 성형체를 취출했다.
취출한 프레스 성형체에 대해, 프레스 성형하기 전의 250㎜×250㎜로 잘라낸, 탄소섬유 강화 수지 복합재료와 비교하여, 콜드 프레스 시에 유동한 거리를 측정했다. 구체적으로는, 도 2에 나타내는 모식도의 4변을 유동시켜, 각 변의 유동 길이 4점을 측정했다.
또한, 각 변(4변×4점의 합계 16점)의 유동 길이에 의한 평균 값 및 표준 편차를 산출하여, 식(m)에 의해, 성형 시의 유동 길이의 변동계수(CV5)를 구했다.
유동 길이의 변동계수(CV5)=100×유동 길이의 표준 편차/유동 길이의 평균 값 식(m)
(7) 성형체의 외관 평가
탄소섬유 강화 수지 복합재료로부터 샘플을 390㎜×390㎜ 잘라내고, NGK킬른테크 주식회사 제의 수지 시트 가열 장치(형식 H7GS-73408)를 사용해서, 폴리아미드6(열가소성 수지)의 가소화 온도 이상인 290℃로 가열(폴리카보네이트(열가소성 수지)인 경우는 300℃로 가열)했다.
가열한 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 샘플을, 150℃로 설정한 400㎜×400㎜×2.6㎜의 클리어런스를 가진 성형 형의 하형에 배치하고, 성형 형의 상형을 하강시켜, 20㎫로 1분간 콜드 프레스하여 평판의 프레스 성형체를 작성했다. 성형 형의 상형을 상승시켜 성형 형을 완전히 개방한 후, 작성한 프레스 성형체를 하형으로부터 탈형시켜, 프레스 성형체를 취출했다.
취출한 프레스 성형체에 대해, 그 양면의 공기 침입 유래의 표면 볼록부(최소 길이 1㎜ 이상인 것)의 개수를 측정했다.
2. 랜덤 매트의 분석
(1) 총 섬유무게의 분석
랜덤 매트의 총 섬유무게 및 총 섬유무게의 변동계수(CV1')의 측정은, 잘라내는 대상을 랜덤 매트로 하는 것 이외는, 상술한 「1. (1) 총 섬유무게의 분석」에서 기술한 것과 마찬가지인 방법을 이용했다.
(2) 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 분석
랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf) 및 탄소섬유 체적 비율의 변동계수(CV2')의 측정은, 잘라내는 대상을 랜덤 매트로 하는 것 이외는, 상술한 「1. (2) 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 분석」에서 기술한 것과 마찬가지인 방법을 이용했다.
(3) 섬유다발(A)의 분석
랜덤 매트의 탄소섬유다발(A)의 분석 및 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3')의 측정은, 잘라내는 대상을 랜덤 매트로 하는 것 이외는, 상술한 「1. (3) 섬유다발의 분석」에서 기술한 것과 마찬가지인 방법을 이용했다.
(4) 탄소섬유의 평균 섬유길이의 분석
랜덤 매트의 평균 섬유길이의 분석은, 잘라내는 대상을 랜덤 매트로 하는 것 이외는, 상술한 「1. (4) 탄소섬유의 평균 섬유길이의 분석」에서 기술한 것과 마찬가지인 방법을 이용했다.
[실시예 1]
탄소섬유로서, 토호 테낙스 사제의 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24K(평균 섬유지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 확폭하여, 섬유 폭 20㎜로 한 것을 사용하고, 또한 1/5로 분섬(分纖)했다. 커트 장치에는 로터리 커터를 사용하여 탄소섬유를 섬유길이 20㎜로 정장(定長) 커트하도록 했다. 이어서, 커트 장치의 바로 아래에 둔 관체에 115g/min의 공급 속도로 공급하여, 탄소섬유를 관체 내의 작은 구멍으로부터 압축 공기를 분사시킴으로써 개섬(開纖)함과 아울러, 수지 공급부로부터 매트릭스 수지로서, 유니티카 사제의 나일론6 수지 A1030(PA6)을 135g/min의 공급 속도로 관체 내에 공급하여, 탄소섬유와 혼합시킨 후, 관체 바로 아래에 설치한, 반송 속도(V1)=0.7m/min으로 일 방향으로 연속적으로 움직이는 통기성 지지체상에 살포·정착(定着)시켜, 랜덤 매트를 얻었다. 이 제조 방법은 수송 배관을 이용하고 있지 않다. 커트 장치의 바로 아래에 관체를 두고 있으므로, 커터로 커트된 탄소섬유는, 관체에 들어가기까지 동안, 연직 하향으로 낙하할 뿐이다.
또한, 관체는, 중심간 거리를 통기성 지지체의 반송 방향(MD 방향)에 수직한 방향(TD 방향)으로 100㎜ 간격으로 13개를 배치하여, 관체 유닛화하고, 그 관체 유닛은 요동 속도(V2)=9m/min, 요동 진폭(W2)=110㎜로 TD 방향으로 왕복 요동시켰다. 이때의 반송 속도(V1)에 대한, 요동 속도(V2)의 비, V2/V1은 12.9이며, 요동 진폭(W2)은 인접간 관체 피치 100㎜의 1/2값=50㎜보다 크게 설정했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 75%, 변동계수(CV3')는 3.2%이고, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3650g/㎡, 변동계수(CV1')는 5.2%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.6%, 변동계수(CV2')는 3.7%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다. 탄소섬유 복합재료는 단층이며, 그 두께는 2.6㎜였다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 74%, 변동계수(CV3)는 3.4%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3600g/㎡, 변동계수(CV1)는 3.6%이며, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.6%, 변동계수(CV2)는 7.0%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 336㎫, 변동계수(CV4)는 7.6%이고, 비교예 1의 CV4 대비 43%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 25㎜, 변동계수(CV5)는 6.4%이며, 비교예 1의 CV5 대비 35%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 0개였다.
랜덤 매트 및 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 평가 결과는 표 1에 정리하여 나타냈다. 이후의 실시예에서 얻어진 랜덤 매트 및 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 평가 결과에 대해서도 마찬가지로 표 1에 나타냈다.
[실시예 2]
탄소섬유로서, 토호 테낙스 사제의 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24KS(평균 섬유지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 확폭하여, 섬유 폭 20㎜로 한 것을 사용하고, 또한 1/5로 분섬했다. 커트 장치에는 로터리 커터를 사용하여 탄소섬유를 섬유길이 20㎜로 정장 커트하도록 했다. 이어서, 커트 장치의 바로 아래에 둔 관체에 58g/min의 공급 속도로 공급하여, 탄소섬유를 관체 내의 작은 구멍으로부터 압축 공기를 분사시킴으로써 개섬함과 아울러, 수지 공급부로부터 매트릭스 수지로서, 유니티카 사제의 나일론6 수지 A1030을 73g/min의 공급 속도로 관체 내에 공급하여, 탄소섬유와 혼합시킨 후, 관체 바로 아래에 설치한, 반송 속도(V1)=0.7m/min으로 일 방향으로 연속적으로 움직이는 통기성 지지체상에 살포·정착시켜, 랜덤 매트를 얻었다. 또한, 관체는 통기성 지지체의 반송 방향(MD 방향)에 수직한 방향(TD 방향)으로 10개를 200㎜ 피치로 배치한 것을 1열로 하고, 열(列) 사이의 피치를 200㎜, 열 사이의 위상 차를 50㎜로 해서 4열을 평행하게 배치하여, 합계 40관체를 유닛화했다. 인접하는 관체의 중심간 거리(X1)의 최소 거리는 200㎜이며, 인접하는 관체로부터 살포되는 탄소섬유 및 열가소성 수지끼리가 통기성 지지체상에 정착하기 전(前) 단계의 공기 중에서 혼합되지 않는 거리를 확보했다. 또한, 폭 방향(TD 방향)으로 지나는 관체의 위상 차(P1)는 50㎜이고, 얻어진 랜덤 매트의 평균 살포 폭(W1)=180㎜의 1/2 값보다 좁은 것으로 했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 74%, 변동계수(CV3')는 4.5%이며, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3600g/㎡, 변동계수(CV1')는 6.9%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.1%, 변동계수(CV2')는 4.6%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 77%, 변동계수(CV3)는 4.4%이며, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3580g/㎡, 변동계수(CV1)는 4.9%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.4%, 변동계수(CV2)는 8.8%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 328㎫, 변동계수(CV4)는 9.1%이며, 비교예 1의 CV4 대비 52%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 22㎜, 변동계수(CV5)는 8.6%이고, 비교예 1의 CV5 대비 47%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 1개였다.
[실시예 3]
탄소섬유로서, 토호 테낙스 사제의 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) STS40-24K(평균 섬유지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)를 확폭하여, 섬유 폭 20㎜로 한 것을 사용하고, 또한 1/5로 분섬했다. 커트 장치에는 로터리 커터를 사용하여 탄소섬유를 섬유길이 20㎜로 정장 커트하도록 했다. 이어서, 커트 장치의 바로 아래에 둔 관체에 115g/min의 공급 속도로 공급하여, 탄소섬유를 관체 내의 작은 구멍으로부터 압축 공기를 분사시킴으로써 개섬함과 아울러, 수지 공급부로부터 매트릭스 수지로서, 유니티카 사제의 나일론6 수지 A1030을 135g/min의 공급 속도로 관체 내에 공급하여, 탄소섬유와 혼합시킨 후, 관체 바로 아래에 설치한, 반송 속도(V1)=0.7m/min으로 일 방향으로 연속적으로 움직이는 통기성 지지체상에 살포·정착시켜, 랜덤 매트를 얻었다. 또한, 관체는 통기성 지지체의 반송 방향(MD 방향)에 수직한 방향(TD 방향)으로 13개를 100㎜ 피치로 배치하여, 관체 유닛화했다. 또한, 얻어진 랜덤 매트의 위쪽으로부터, 폭 1500㎜×길이 300㎜의 판에 20㎜ 피치로 선단이 L자 모양인 니들을 배치한 고르기 장치를, 20회/min의 빈도로, 랜덤 매트를 찌르도록 상하 왕복 운동시켜, 랜덤 매트를 고르게 했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 69%, 변동계수(CV3')는 6.4%이고, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3650g/㎡, 변동계수(CV1')는 7.7%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 33.8%, 변동계수(CV2')는 6.6%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 67%, 변동계수(CV3)는 6.9%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3610g/㎡, 변동계수(CV1)는 5.7%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 33.6%, 변동계수(CV2)는 10.1%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 344㎫, 변동계수(CV4)는 11.0%이며, 비교예 1의 CV4 대비 63%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 18㎜, 변동계수(CV5)는 7.9%이며, 비교예 1의 CV5 대비 43%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 3개였다.
[실시예 4]
로터리 커터를 사용하여 탄소섬유를 섬유길이 40㎜로 길게 커트한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 샘플을 작성했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 79%, 변동계수(CV3')는 4.7%이며, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3490g/㎡, 변동계수(CV1')는 7.1%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.0%, 변동계수(CV2')는 4.8%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 80%, 변동계수(CV3)는 4.5%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3500g/㎡, 변동계수(CV1)는 4.8%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.0%, 변동계수(CV2)는 9.3%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 310㎫, 변동계수(CV4)는 10.3%이며, 비교예 1의 CV4 대비 59%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 11㎜, 변동계수(CV5)는 9.1%이며, 비교예 1의 CV5 대비 50%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 4개였다.
[실시예 5]
관체로부터 분사하는 압축 공기량을, TD 방향으로 배치된 13개의 관체 중, 6개(일 방향으로 1∼13번으로 차례로 나열한 때의 짝수 번호인 6개)에 대해, 실시예 1의 2/3인 양으로, 7개(일 방향으로 1∼13번으로 차례로 나열한 때의 홀수 번호인 7개)에 대해, 실시예 1의 4/3인 양으로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 샘플을 작성했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 74%, 변동계수(CV3')는 12.1%이고, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3590g/㎡, 변동계수(CV1')는 5.5%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 36.2%, 변동계수(CV2')는 3.6%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 76%, 변동계수(CV3)는 13.1%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3550g/㎡, 변동계수(CV1)는 3.7%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.5%, 변동계수(CV2)는 7.5%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 333㎫, 변동계수(CV4)는 12.2%이고, 비교예 1의 CV4 대비 70%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 22㎜, 변동계수(CV5)는 10.3%이며, 비교예 1의 CV5 대비 56%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 4개였다.
[실시예 6]
탄소섬유의 공급량을 29/min, 열가소성 수지의 공급량을 37/min로 세트하여 장치를 가동해서, 탄소섬유와 열가소성 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻은 것 이외는, 실시예 2와 마찬가지로 하여 샘플을 작성했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 72%, 변동계수(CV3')는 5.1%이며, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 1870g/㎡, 변동계수(CV1')는 7.2%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 34.1%, 변동계수(CV2')는 4.9%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 71%, 변동계수(CV3)는 5.5%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 1890g/㎡, 변동계수(CV1)는 4.8%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 33.9%, 변동계수(CV2)는 9.1%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 311㎫, 변동계수(CV4)는 10.2%이고, 비교예 1의 CV4 대비 58%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 10㎜, 변동계수(CV5)는 11.1%이며, 비교예 1의 CV5 대비 61%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 3개였다.
[실시예 7]
탄소섬유의 공급량을 82/min, 열가소성 수지의 공급량을 158/min로 세트하여 장치를 가동해서, 탄소섬유와 열가소성 수지가 혼합된 랜덤 매트를 얻은 것 이외는, 실시예 2와 마찬가지로 하여 샘플을 작성했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 74%, 변동계수(CV3')는 5.0%이며, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3610g/㎡, 변동계수(CV1')는 6.7%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 25.4%, 변동계수(CV2')는 6.1%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 73%, 변동계수(CV3)는 5.4%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3560g/㎡, 변동계수(CV1)는 4.6%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 24.9%, 변동계수(CV2)는 9.9%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 270㎫, 변동계수(CV4)는 9.8%이며, 비교예 1의 CV4 대비 56%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 29㎜, 변동계수(CV5)는 7.8%이며, 비교예 1의 CV5 대비 43%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 0개였다.
[실시예 8]
탄소섬유를, 토호 테낙스 사제의 탄소섬유 "테낙스"(등록상표) UTS50-24K(평균 섬유지름 7㎛, 섬유 폭 10㎜)로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 샘플을 작성했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 76%, 변동계수(CV3')는 3.4%이며, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3580g/㎡, 변동계수(CV1')는 4.9%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 36.1%, 변동계수(CV2')는 2.9%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 77%, 변동계수(CV3)는 3.3%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3560g/㎡, 변동계수(CV1)는 2.9%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.5%, 변동계수(CV2)는 6.4%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 375㎫, 변동계수(CV4)는 6.6%이고, 비교예 1의 CV4 대비 38%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 26㎜, 변동계수(CV5)는 5.9%이며, 비교예 1의 CV5 대비 32%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 0개였다.
[실시예 9]
열가소성 수지를, 테이진 주식회사 제의 폴리카보네이트 수지 "판라이트"(등록상표) L-1225WP(PC)로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 샘플을 작성했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 74%, 변동계수(CV3')는 4.1%이며, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3590g/㎡, 변동계수(CV1')는 5.3%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 36.1%, 변동계수(CV2')는 3.9%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 73%, 변동계수(CV3)는 4.3%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3590g/㎡, 변동계수(CV1)는 3.9%이며, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.9%, 변동계수(CV2)는 7.6%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 339㎫, 변동계수(CV4)는 8.3%이며, 비교예 1의 CV4 대비 47%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 9㎜, 변동계수(CV5)는 12.4%이며, 비교예 1의 CV5 대비 68%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 2개였다.
[비교예 1]
관체 유닛을 왕복 요동시키지 않고 고정하여 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 작성한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 샘플을 작성했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 76%, 변동계수(CV3')는 12.0%이고, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3600g/㎡, 변동계수(CV1')는 15.3%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.4%, 변동계수(CV2')는 11.2%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 76%, 변동계수(CV3)는 11.1%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3570g/㎡, 변동계수(CV1)는 10.8%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 34.9%, 변동계수(CV2)는 13.4%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 302㎫, 변동계수(CV4)는 17.5%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 17㎜, 변동계수(CV5)는 18.3%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 15개였다.
랜덤 매트 및 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 평가 결과는 표 2에 정리해서 나타냈다. 이후의 비교예에서 얻어진 랜덤 매트 및 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 평가 결과에 대해서도 마찬가지로 표 2에 나타냈다.
[비교예 2]
로터리 커터의 클리어런스를 작게 하여, 탄소섬유의 중량 평균 섬유길이를 0.5㎜가 되도록 조정한 것 이외는, 비교예 1과 마찬가지로 하여 샘플을 작성했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 81%, 변동계수(CV3')는 9.6%이고, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3570g/㎡, 변동계수(CV1')는 14.5%이며, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.8%, 변동계수(CV2')는 13.8%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 80%, 변동계수(CV3)는 9.8%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3580g/㎡, 변동계수(CV1)는 9.8%이며, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.4%, 변동계수(CV2)는 15.4%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 240㎫, 변동계수(CV4)는 15.5%이며, 비교예 1의 CV4 대비 89%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 35㎜, 변동계수(CV5)는 17.0%이며, 비교예 1의 CV5 대비 93%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 2개였다.
[비교예 3]
관체로부터 분사하는 압축 공기량을 비교예 1의 2배로 하고, 또 관체 길이를 2배로 한 것 이외는, 비교예 1과 마찬가지로 하여 샘플을 작성했다.
얻어진 랜덤 매트에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 랜덤 매트의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 10%, 변동계수(CV3')는 14.3%이고, 랜덤 매트의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3630g/㎡, 변동계수(CV1')는 14.9%이고, 랜덤 매트의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.3%, 변동계수(CV2')는 10.8%였다.
얻어진 랜덤 매트는, 반송 속도 0.7m/min의 연속 함침 장치에서 가압·가열하여 열가소성 수지를 탄소섬유 매트 중에 함침시켜서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료를 얻었다.
얻어진 탄소섬유 강화 수지 복합재료에 대해, 폭 1000㎜×길이 250㎜로 잘라내어, 탄소섬유다발(A)에 대해 조사한 바, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수는 86이며, 탄소섬유다발(A)의 탄소섬유 강화 수지 복합재료 중의 탄소섬유 전량에 대한 체적 비율의 평균 값은 11%, 변동계수(CV3)는 14.6%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게에 대해 조사한 바, 총 섬유무게의 평균 값은 3600g/㎡, 변동계수(CV1)는 10.3%이고, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)에 대해 조사한 바, 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 평균 값은 35.7%, 변동계수(CV2)는 11.1%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 인장 강도에 대해 조사한 바, 인장 강도의 평균 값은 354㎫, 변동계수(CV4)는 15.4%이고, 비교예 1의 CV4 대비 88%였다. 또한, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 성형 시의 유동성에 대해 조사한 바, 성형 시의 유동 길이의 평균 값은 4㎜, 변동계수(CV5)는 24.9%이며, 비교예 1의 CV5 대비 136%였다. 성형 시의 프레스 성형체의 양면의 표면 볼록부의 개수는 38개였다.
Figure pct00001
Figure pct00002
본 발명의 섬유 강화 수지 복합재료는, 총 섬유무게 불균일 및 탄소섬유 체적 비율(Vf) 불균일을 작은 피치로 억제한 것이며, 성형 시의 부형 불균일 및 기계 물성 불균일도 작은 피치로 억제 가능하게 되어, 소형 성형체나 복잡 형상의 성형체에서도, 뛰어난 성형성이나 기계 특성을 발휘할 수 있기 때문에, 예를 들면 각종 자동차 부품, 전기 제품 등의 정밀 부품에 이용할 수 있다.
본 발명을 상세하게 또한 특정 실시 형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일없이 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 명백하다.
본 출원은, 2015년 3월 24일 출원의 일본 특허출원(특원2015-060975)에 기초한 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.
1. 관체
2. 랜덤 매트
3. 관체 유닛
4. 통기성 지지체
5. 반송 방향
6. 성형체
7. 성형 시의 유동 부분
8. 유동 길이
X1. 관체의 중심간 거리
P1. 위상 차
W1. 랜덤 매트의 평균 살포 폭

Claims (9)

  1. 탄소섬유다발을 포함한 탄소섬유와 열가소성 수지를 포함하는 탄소섬유 강화 수지 복합재료로서,
    (1) 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게의 변동계수(CV1)가 10% 이하,
    (2) 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 식(a)으로 정의되는 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)가 15% 이하이고,
    (3) 탄소섬유의 중량 평균 섬유길이가 1∼100㎜인,
    탄소섬유 강화 수지 복합재료.
    탄소섬유 체적 비율(Vf)=100×탄소섬유 체적/(탄소섬유 체적+열가소성 수지 체적) 식(a)
  2. 청구항 1에 있어서,
    탄소섬유 강화 수지 복합재료가 단층(單層)으로서, 두께가 0.3㎜ 이상인, 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    탄소섬유 강화 수지 복합재료의 총 섬유무게의 변동계수(CV1)가 5% 이하로서, 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 탄소섬유 체적 비율(Vf)의 변동계수(CV2)가 10% 이하인, 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    탄소섬유 강화 수지 복합재료에 포함되는 탄소섬유 중, 식(b)으로 정의되는 임계 단사 수 이상으로 구성되는 탄소섬유다발(A)에 대해, 탄소섬유 전량에 대한 비율이 20∼99Vol%로서, 탄소섬유다발(A)의 체적 비율의 변동계수(CV3)가 10% 이하인, 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
    임계 단사 수=600/D 식(b)
    (여기서 D는 탄소섬유의 평균 섬유지름(㎛)이다)
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    총 섬유무게가 50∼20000g/㎡인, 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    탄소섬유 체적 비율(Vf)이 10∼60%인, 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    탄소섬유 강화 수지 복합재료는 프레스 성형 용도인, 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    탄소섬유 강화 수지 복합재료는 에어레이드법에 의해 제조되는, 탄소섬유 강화 수지 복합재료.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 탄소섬유 강화 수지 복합재료를, 랜덤 매트를 경유하여 제조하는 탄소섬유 강화 수지 복합재료의 제조 방법으로서,
    (i) 복수의 관체(管體)로 구성되는 관체 유닛에서, 탄소섬유와 열가소성 수지를, 일 방향으로 연속적으로 반송되는 통기성 지지체상에 살포하고,
    (ii) 상기 관체를 통기성 지지체의 반송 방향 및/또는 통기성 지지체의 반송 방향에 수직인 방향으로 위상 차를 두고 배치하거나, 상기 관체 유닛을 요동시키거나, 관체부터 살포된 탄소섬유와 열가소성 수지를 기계적인 처리에 의해 고르기 처리를 실시하여, 랜덤 매트를 제조하고,
    (iii) 상기 랜덤 매트를 가압·가열 하에서 함침 처리시켜서,
    탄소섬유 강화 수지 복합재료를 제조하는 방법.
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