KR20170133540A - 보강 복합재 및 이를 포함하는 물품 - Google Patents

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Abstract

복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 물품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +θ°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 - θ°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 보강 복합재를 제공한다.
또한, 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.

Description

보강 복합재 및 이를 포함하는 물품 {COMPOSITE MATERIAL FOR REINFORCEMENT AND ARTICLES COMPRISING THE SAME}
차량, 항공기 등에 적용되어 강도 및 강성을 보완하는 보강 복합재 및 이를 포함하는 물품에 관한 것이다.
근래에는 원유 가격의 상승 및 에너지 절약에 관한 관심이 크게 증대되고 있으며, 이에 상응하여 차량, 항공기 등의 운송 수단에 있어서 연비를 향상시키고, 경량화를 도모하는 것이 중요한 요소 중 하나이다.
기존의 차량 및 항공기 등을 구성하는 부품들은 대부분이 금속을 주요 재질로 하여 높은 강도 및 강성을 확보하고자 하였다. 부품들이 금속으로 제조되는 경우에는 가공 시 비용이 많이 들고, 중량이 커서 연비 향상 또는 경량화에 불리한 면이 있었다. 따라서, 최근에는 다양한 부품들이 경량화 도모 목적에 부합하도록 금속 대신 플라스틱을 주요 재질로 하여 제조되고 있다. 플라스틱은 일반적으로 금속에 비하여 비중이 약 1/4 내지 약 1/5 정도 수준이므로 경량화 효과를 얻을 수 있고, 연비를 향상시킬 수 있다.
다만, 금속은 파괴에 대한 저항이 높아서 외력에 의한 영구 변형을 통해 최대 강도 도달 후에도 재료의 완전한 파단을 지연시키고, 에너지를 저장하며, 변형도가 큰 장점이 있다. 이에 비해, 플라스틱 재료의 경우 매우 작은 신율에서 재료의 최대 강도를 보인 후 급격한 파단이 이루어지는 형태의 거동을 보이며, 외력이 가해졌을 때, 파단 전에 영구 변형이 이루어지지 않고, 변형도가 적은 단점이 있다.
따라서, 경량화 소재 개발에 부합하여 기계적 물성을 확보하면서, 변형도가 높은 복합 재료의 개발이 중요해지고 있다.
본 발명의 일 구현예는 강도 및 강성 측면에서 필요한 수준의 기계적 물성을 확보하면서도 신율 및 에너지 흡수 성능이 높아 내충격성이 향상된 보강 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 보강 복합재를 포함하는 물품에 관한 것으로, 우수한 충격 흡수 성능과 함께 연비 향상 효과 및 경량화 효과를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 물품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 보강 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.
상기 보강 복합재는 강도 및 강성 측면에서 일정 수준 이상의 기계적 물성을 확보하면서도, 높은 신율 및 높은 에너지 흡수 성능을 바탕으로 이를 적용한 물품에 향상된 충격 흡수 성능을 부여할 수 있다.
또한, 상기 보강 복합재를 적용한 물품은 외력에 대한 변형도가 높아지고, 우수한 내충격성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 보강 복합재의 분해 조립도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 보강 시트의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 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.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
본 발명의 일 구현예에서, 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하는 보강 복합재를 제공한다.
이때, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트 및 적어도 하나의 제2 섬유 보강시트를 포함하며, 상기 제1 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트이고, 상기 제2 섬유 보강 시트는 상기 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트이다.
본 명세서에서 '보강 요구 방향(Reinforcement required direction)'이란 상기 보강 복합재를 적용한 물품이 차량 또는 항공기 등에 장착될 때, 혹은 장착 이후 차량 또는 항공기 등이 가동 및 운동할 때, 외부에서 가해지는 외력 또는 하중을 고려하여 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향을 의미한다. 이러한 보강 요구 방향은 상기 보강 복합재가 적용된 물품이 차량 또는 항공기 등의 부품으로 이에 장착될 때의 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.
상기 보강 복합재는 상기 보강 요구 방향에 대하여 전술한 범위의 각도를 갖는 2 종류의 섬유 보강 시트가 복수로 적층된 적층체를 함유함으로써 일정 수준의 강도 및 강성을 확보하면서, 향상된 신율 및 에너지 흡수 성능을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 보강 복합재의 분해 조립도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조할 때, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 보강 복합재(100)는 복수의 섬유 보강 시트(10)를 적층한 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트(10)는 배향성을 갖는 섬유 보강재(20); 및 수지 기지재(30)를 포함한다. 이때, '배향성'을 갖는다는 것은 상기 섬유 보강재(20)의 섬유 단일 가닥들이 어느 일 방향으로 나란히 배열된 것을 의미한다. 이러한 섬유 보강재(20)를 포함하는 섬유 보강 시트(10)는 소위 UD 시트(unidirection sheet) 또는 UD 프리프레그(unidirection prepreg)라고도 한다. 즉, 상기 보강 복합재(100)는 복수의 UD 시트 또는 복수의 UD 프리프레그의 적층체를 포함할 수 있다.
도 1을 참조할 때, 상기 복수의 섬유 보강 시트(10)는 보강 요구 방향(X)에 대하여 +θ 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(11)와 상기 보강 요구 방향(X)에 대하여 -θ 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(12)를 포함한다.
또한, 상기 θ는 약 1° 내지 약 44°일 수 있고, 예를 들어, 약 20°내지 약 40°일 수 있고, 예를 들어, 약 25°내지 약 40°일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도가 상기 범위를 만족함으로써 신율 및 에너지 흡수 성능의 향상이 극대화될 수 있고, 상기 보강 복합재를 적용한 물품이 우수한 내충격성을 구현할 수 있다.
또한, 상기 제1 섬유 보강 시트(11)의 섬유 보강재의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도(+θ)는 상기 제2 섬유 보강 시트(12)의 섬유 보강재의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도(-θ)와 절대값이 동일할 수 있다. 상기 제1 섬유 보강 시트(11)와 상기 제2 섬유 보강 시트(12)가 물품의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도의 절대값이 동일한 섬유 보강재를 포함함으로써 그 절대값이 상이한 경우에 비하여 후변형을 방지하는 효과가 우수할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 섬유 보강재는 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 0°또는 90°각도를 갖는 방향으로 배향성을 갖지 않을 수 있다. 즉, 이 경우, 상기 섬유 보강 시트의 섬유 보강재는 상기 물품의 보강 요구 방향과 일치하는 방향으로 배향성을 갖지 않으며, 또한 상기 물품의 보강 요구 방향과 수직한 방향으로 배향성을 갖지 않는다.
상기 섬유 보강재가 물품의 보강 요구 방향에 대하여 0°의 배향성을 갖는 경우, 강도 및 강성 측면에서 크게 향상될 수는 있으나, 요구되는 수준의 충격 흡수 성능을 확보할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 상기 섬유 보강재가 물품의 보강 요구 방향에 대하여 90°의 배향성을 갖는 경우 강도 및 강성이 오히려 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 섬유 보강 시트는 물품의 보강 요구 방향에 대하여 0°또는 90°의 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하지 않음으로써 기본적으로 요구되는 강도 및 강성을 확보함과 동시에 현저히 향상된 충격 흡수 성능을 구현할 수 있다.
상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 적어도 하나의 상기 제1 섬유 보강 시트와 적어도 하나의 상기 제2 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트의 각각의 층수는 보강 복합재의 전체 두께 설계와 보강 복합재가 적용될 물품의 용도 및 목적에 따라 적절히 설정할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트와 상기 제2 섬유 보강 시트를 각각 1층 이상 포함할 수 있고, 예를 들어, 각각 1층 내지 2000층 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 : 상기 제2 섬유 보강 시트를 약 1 : 2 내지 약 2 : 1의 적층비(lay-up ratio)로 포함할 수 있고, 예를 들어 약 1 : 1의 적층비로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 적층비(lay-up ratio)란, 상기 제1 섬유 보강 시트의 개수와 상기 제2 섬유 보강 시트의 개수의 개수비를 의미한다. 예를 들어, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체가 상기 제1 섬유 보강 시트를 2층, 상기 제2 섬유 보강 시트를 3층 포함하는 경우 적층비는 2 : 3, 즉, 1 : 1.5가 된다. 이와 같이, 상기 제1 섬유 보강 시트와 상기 제2 섬유 보강 시트가 약 1 : 2 내지 약 2 : 1의 적층비(lay-up ratio)를 갖도록 각각의 층수를 설정함으로써 상기 보강 복합재를 적용한 물품의 내충격성이 크게 향상될 수 있고, 물품의 모든 방향에 대해 고른 강도 및 강성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트가 교호 적층된 것이거나, 연속적으로 적층된 복수의 제1 섬유 보강 시트와 연속적으로 적층된 복수의 제2 섬유 보강 시트가 적층된 것일 수도 있다.
예를 들어, 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트는 교호 적층될 수 있다. 즉, 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트가 각각 1층씩 교대로 적층될 수 있다. 이 경우, 상기 보강 복합재가 전방향으로 고른 충격 흡수 성능을 구현하기에 유리할 수 있고, 연속적으로 적층한 경우에 비하여 적층체의 층간 계면 박리를 효과적으로 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 보강 시트(10)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조할 때, 상기 섬유 보강 시트(10)는 배향성을 갖는 섬유 보강재(20) 및 수지 기지재(30)를 포함한다.
도 2를 참조할 때, 구체적으로, 상기 섬유 보강 시트(10)는 상기 수지 기지재(30)가 상기 섬유 보강재(20)에 함침된 구조일 수 있다. 상기 섬유 보강재(20)는 섬유 단일 가닥들이 일 방향으로 나란하게 배향된 것으로, 상기 수지 기지재(30)는 상기 섬유 단일 가닥들 사이사이에 침투되어 함침될 수 있다. 이러한 구조를 통하여, 상기 수지 기지재는 상기 섬유 보강재의 배향성을 잘 유지시키는 역할을 하며, 상기 섬유 보강재의 배향 각도를 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 제어하기 용이한 이점을 얻을 수 있다.
상기 섬유 보강재는 연속 섬유일 수 있다. 상기 '연속 섬유'란 구조적으로 절단되지 않고 길게 연속되어 있는 섬유를 의미하며, 상기 섬유 보강 시트의 전체 크기에 의존하여 그 내부에서 끊어지지 않고 연속적인 형태로 존재하는 섬유를 의미한다. 상기 섬유 보강재가 연속 섬유의 형태로 사용됨으로써, 장섬유 또는 단섬유와 같이 소정의 길이를 갖도록 절단된 비연속 섬유를 사용하는 경우에 비하여 배향성을 더 잘 형성하고 유지할 수 있으며, 내충격성 향상을 위하여 상기 물품의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도의 제어를 더욱 용이하게 할 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 보강재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있고, 이 경우 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리할 수 있다.
상기 섬유 보강재는 섬유 단일 가닥들의 집합체를 지칭하는 것이며, 상기 섬유 단일 가닥들은 각각 단면의 직경이, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 200㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 50㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 30㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 섬유 단일 가닥들이 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 배향성을 가지면서 1겹 내지 30겹으로 나란히 배열될 수 있고, 상기 섬유 보강 시트의 제조 과정에서 상기 수지 기지재의 함침이 용이할 수 있다. 또한, 상기 섬유 보강 시트가 적절한 두께로 형성될 수 있다.
도 2에서는 상기 섬유 보강재가 섬유 단일 가닥들이 2겹으로 나란히 배열된 구조를 예시로 도시한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다
상기 수지 기지재(matrix)는 수지를 포함하는 것으로, 물품의 종류 및 요구되는 성능에 따라 다양한 종류의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 선택하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 수지 기지재는 열가소성 수지로서, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 수지 기지재는 열경화성 수지로서, 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 섬유 보강 시트가 전술한 종류의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 사용하는 경우, 상기 보강 복합재가 충격 흡수 성능이 주요하게 요구되는 물품에 적용되기 유리한 이점을 얻을 수 있다.
상기 수지 기지재는 상기 수지를 주재료로 하면서, 적절하게는 열안정제, 커플링제, 상용화제, 가소제, 가교제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 첨가제를 더 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있다.
상기 섬유 보강 시트는 상기 섬유 보강재를 약 10중량% 내지 약 90중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 20중량% 내지 약 70중량% 포함할 수 있다. 상기 섬유 보강 시트가 섬유 보강재를 상기 범위의 함량으로 함유함으로써 상기 보강 복합재가 강도 및 강성을 일정 수준 이상으로 보완할 수 있고, 적절한 층수의 섬유 보강 시트를 적층하여 신율 및 에너지 흡수율이 향상된 보강재를 얻을 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유 보강 시트는 두께가 약 50㎛ 내지 약 10000㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎛ 내지 약 2000㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎛ 내지 약 1000㎛일 수 있다. 상기 섬유 보강 시트의 두께가 상기 범위를 만족함으로써 상기 섬유 보강 시트가 상기 범위 내에서 얇은 두께를 가질수록, 이들을 복수로 적층하여 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였을 때, 강도 및 신율의 향상 효과가 우수할 수 있다.
상기 복수의 섬유 보강 시트는 고온에서 가압함으로써 합지될 수 있고, 이로써 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하는 보강 복합재를 제조할 수 있다. 상기 복수의 섬유 보강 시트를 가압하는 온도 및 압력은 상기 수지 기지재의 유동성이 최대화되면서 상기 섬유 보강재의 배향성이 틀어지지 않는 적절한 온도 및 압력을 선택하는 것이 중요하다.
일 구현예에서, 상기 섬유 보강재는 단면의 직경이 전술한 범위를 갖는 유리 섬유의 집합체일 수 있고, 상기 수지 기지재는 폴리프로필렌 수지를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 복수의 섬유 보강 시트는 약 150℃ 내지 약 250℃의 온도 및 약 0.1Ton 내지 약 200Ton의 압력에서 가압하여 합지될 수 있고, 이로써 상기 수지 기지재의 유동성이 최대화되면서 상기 섬유 보강재의 배향성이 틀어지지 않는 이점을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.
상기 물품은 차량, 항공기 등의 운송 수단(vehicle)의 외부 또는 내부에 설치 또는 적용되는 다양한 부품일 수 있다.
종래에는 이러한 부품들이 대부분 금속 재질로 제조되었다. 금속 재질의 부품들은 경량화 효과 및 연비 향상의 효과를 구현하기 위하여 그 본체를 플라스틱 복합재료로 제조할 수 있다. 이와 같이, 본체가 플라스틱 복합재료로 제조되는 물품, 즉, 경량화 플라스틱 재질의 물품은 금속 재질의 물품에 비하여 변형도가 크지 않고, 충격에 대한 저항성이 좋지 못한 문제가 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 보강 복합재를 플라스틱 재질의 물품에 적용하는 경우, 금속 재질의 물품 대비 강도 및 강성을 유사하게 확보하거나 더 향상시킬 수 있고, 이와 동시에 신율 및 에너지 흡수 성능을 크게 향상시키는 이점을 갖는다.
상기 보강 복합재는 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부 표면에 배치될 수도 있고, 물품의 본체를 이루는 재질 자체로 활용될 수도 있다.
구체적으로, 상기 보강 복합재 물품의 본체 내부 표면에 배치되는 경우, 상기 물품의 본체 내부, 즉, 차량 또는 항공기에 장착되었을 때 외부로 드러나지 않는 본체 내부의 표면 상에 배치될 수 있다. 상기 보강 복합재는 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부의 표면에 배치됨으로써 외관으로 드러나지 않으면서 물성을 보완하는 역할을 수행할 수 있고, 상기 물품의 본체를 성형하는 동시에 상기 보강 복합재를 배치하기에 용이할 수 있다.
구체적으로, 상기 별도의 재질로 형성된 물품의 본체는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성될 수 있다. 본 명세서에서, '플라스틱 복합재료'란 플라스틱을 주요 성분으로 하는 재료를 의미한다. 예를 들어, 상기 플라스틱 복합재료는 장섬유, 단섬유 또는 연속섬유를 포함하는 섬유와 플라스틱 수지를 포함하는 섬유 강화 플라스틱 복합재료일 수 있고, 상기 섬유 및 플라스틱 수지의 종류는 물품의 용도에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
상기 보강 복합재는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 상기 물품의 본체를 제조할 때, 미리 금형에 배치될 수 있고, 상기 플라스틱 복합재료를 금형에 사출하여 용도에 적합한 형상으로 성형함으로써 상기 복합재가 적용된 물품을 제조할 수 있다. 상기 물품의 본체가 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성됨으로써 상기 보강 복합재를 미리 금형에 배치하여 본체의 내부 표면에 일체로 삽입시키기 유리하고, 제조 공정 및 제조 비용의 측면에서 효율적일 수 있다.
대안적으로, 상기 보강 복합재는 그 자체를 성형하여 물품의 본체를 이루는 재질로 활용될 수 있다. 상기 보강 복합재는 전술한 특징들을 가짐으로써 우수한 성형성 및 후-변형 방지 성능을 확보할 수 있고, 이로써 그 자체를 성형하여 상기 물품을 제조할 수 있다. 이 경우, 상기 보강 복합재가 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부 표면에 배치되는 경우보다 물성 향상의 측면에서 더 유리할 수 있다.
상기 물품은 차량, 항공기 등에 장착될 때, 또는 장착 이후 이를 가동 및 사용할 때, 이에 가해지는 외력 또는 하중에 따라 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향으로서 보강 요구 방향(Reinfocement required direction)을 가진다. 이러한 보강 요구 방향은 상기 물품이 최종적으로 장착 또는 적용될 때 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.
이때, 상기 보강 복합재에 관한 사항은 전술한 바와 동일하다. 일 구현예에서, 상기 물품은 상기 보강 복합재를 포함함으로써 일정 수준의 강도 및 강성과 우수한 내충격성을 동시에 확보하는 이점을 얻을 수 있다.
도 1을 참조할 때, 상기 물품은 외력 및 하중에 대한 보강 요구 방향(X)을 가지며, 이에 적용된 상기 보강 복합재(100)는 상기 보강 요구 방향(X)에 대해 +θ 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트와 상기 물품의 보강 요구 방향(X)에 대하여 -θ 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트의 적층체를 포함한다.
또한, 전술한 바와 같이 상기 θ는 1° 내지 44°일 수 있고, 예를 들어, 약 20°내지 약 40°일 수 있고, 예를 들어, 약 25°내지 약 40°일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 보강 요구 방향(X)에 대한 배향 각도(±θ)가 상기 범위를 만족함으로써 신율 및 에너지 흡수 성능의 향상이 극대화될 수 있고, 상기 보강 복합재를 적용한 물품이 우수한 내충격성을 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들은 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1
단면의 직경이 17㎛인 유리 섬유가 폴리프로필렌 수지 기지재에 함침된 8장의 UD 시트를 준비하였다. 상기 UD 시트의 두께는 300㎛로 제조되었다. 상기 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때 보강 요구 방향에 대해 +15°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 -15°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 1 : 1의 적층비로 교호 적층되도록 적층하여, A/B/A/B/A/B/A/B구조를 갖도록 적층체를 제조하였다. 이어서, 220℃의 온도에서 7ton의 압력을 가해 상기 UD 시트들을 합지함으로써 2.5mm 두께를 갖는 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 2
상기 8장의 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때, 보강 요구 방향에 대해 +15°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 -15°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 1 : 1의 적층비로 연속 적층되도록 적층하여 A/A/A/A/B/B/B/B의 구조를 갖도록 적층체를 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 3
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +30°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -30°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 4
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +30°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -30°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 5
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +37°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -37°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
비교예 1
상기 UD 시트를 8장 준비하고, 물품의 보강 요구 방향에 대해 0°각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 90°각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 1 : 1의 적층비로 교호 적층한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
<평가>
실험예 1: 강도의 측정
상기 실시예 및 비교예의 각각의 보강 복합재에 대하여 ASTM 3039 규격에 의거하여 강도를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
실험예 2: 신율의 측정
상기 실시예 및 비교예의 각각의 보강 복합재에 대하여 ASTM 3039 규격에 의거하여 신율을 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
실험예 3: 비에너지 흡수량의 측정
상기 실시예 및 비교예의 보강 복합재에 대하여 ASTM 3039규격에 의거하여 얻은 S-S Curve의 면적을 구하여 비에너지 흡수량을 도출하였고, 그 결과는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.
UD시트두께
[㎛]		 적층방법 ±θ° 강도
[MPa]		 신율
[%]		 비에너지 흡수량
[J·m-3·104]
실시예 1 300 교호적층 ±15° 550 2.4 436
실시예 2 300 연속적층 ±15° 279 1.23 128
실시예 3 300 교호적층 ±30° 268 6.25 832
실시예 4 300 연속적층 ±30° 130 1.95 107
실시예 5 300 교호적층 ±37° 158 14.28 1092
비교예 1 300 교호적층 0°, 90° 516 2.58 533
상기 표 1의 결과를 참조할 때, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 실시예 1 내지 4의 복합재는 약 100MPa 내지 약 600MPa의 강도를 구현하면서, 동시에 신율을 약 1% 내지 약 15%, 예를 들어, 약 2% 내지 약 15%, 예를 들어 약 5% 내지 약 15%로 구현할 수 있고, 또한, 비에너지 흡수량을 약 100J·m-3·104 내지 약 1100J·m-3·104, 예를 들어, 약 400J·m-3·104 내지 약 1100J·m-3·104, 예를 들어, 약 800J·m-3·104 내지 약 1100J·m-3·104의 범위로 구현할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 보강 복합재는 강도는 일정 수준 이상을 구현하면서, 특히 높은 신율과 높은 비에너지 흡수 성능을 구현하는바, 외력에 대한 변형도가 높고 향상된 충격 흡수 성능을 구현하는 이점을 가질 수 있다.
100: 보강 복합재
10: 섬유 보강 시트
11: 제1 섬유 보강 시트
12: 제2 섬유 보강 시트
20: 섬유 보강재
30: 수지 기지재
X: 보강 요구 방향

Claims (10)

  1. 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고,
    상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고,
    상기 복수의 섬유 보강 시트는 물품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 보강 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 0°또는 90°각도를 갖는 방향으로 배향성을 갖지 않는
    보강 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 : 상기 제2 섬유 보강 시트를 1 : 2 내지 2 : 1의 적층비(lay-up ratio)로 포함하는
    보강 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 연속 섬유인
    보강 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    보강 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수지 기지재는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는
    보강 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수지 기지재는 폴리프로필렌계 수지, 방향족 폴리아미드계 수지, 지방족 폴리아미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    보강 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강 시트는 상기 섬유 보강재를 10중량% 내지 90중량% 포함하는
    보강 복합재.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 보강 복합재를 포함하는 물품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보강 복합재가 물품의 본체 내부 표면에 배치되거나; 물품의 본체를 이루는
    물품.
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