KR20180067049A

KR20180067049A - 유리섬유 및 탄소섬유로 강화된 폴리아미드 하이브리드 조성물

Info

Publication number: KR20180067049A
Application number: KR1020160168344A
Authority: KR
Inventors: 오경환; 고재필; 오봉환
Original assignee: 현대자동차주식회사; 주식회사 코프라; 기아자동차주식회사
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-20
Also published as: KR102463416B1

Abstract

본 발명은 유리섬유 및 탄소섬유로 강화된 폴리아미드 하이브리드 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폴리아미드 하이브리드 조성물은 폴리아미드 기재수지에 유리섬유, 탄소섬유, 실란 커플링제, 내열안정제 및 활제가 일정 함량비로 포함되어 있고, 이로써 경량화 효과와 강도, 탄성율 등의 기계적 물성 보강 효과를 동시에 제공하게 된다.

Description

유리섬유 및 탄소섬유로 강화된 폴리아미드 하이브리드 조성물{Polyamide complex composition reinforced with glass fiber and carbon fiber}

본 발명은 유리섬유 및 탄소섬유로 강화된 폴리아미드 하이브리드 조성물에 관한 것이다.

경량화 또는 낮은 제조 원가를 위하여 자동차 및 전기/전자 분야에서는 부품의 소재를 플라스틱으로 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 플라스틱 중에서도 폴리아미드 수지는 이러한 연구개발에 중요한 대체화 소재로 각광을 받고 있으며, 자동차의 경우는 알루미늄이나 스틸(STEEL)을 대체할 수 있는 소재로 우수한 장점을 갖고 있다. 이에, 자동차용 부품 소재로서 폴리아미드 수지를 적용하고자 하는 시도가 많았으며, 높은 기계적 강도, 성형성, 장기물성 등이 우수하여 다양한 차종에 폴리아미드 수지를 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

폴리아미드 수지를 자동차 부품 소재로 적용하기 위해서는 특정의 강화제를 포함시킨 폴리아미드 하이브리드 소재로의 개발이 필요하다. 폴리아미드 하이브리드 소재에 적용되는 강화제로서는 주로 유리섬유 (Glass Fiber, GF), 아라미드섬유 (Aramid Fiber, AF), 탄소섬유 (Carbon Fiber, CF) 등의 강화섬유가 사용되고 있다. 그 중에서도 유리섬유(GF)는 가격이 저렴하다는 이유로 광범위하게 사용되고 있다.

카본섬유(CF)의 경우 스틸(STEEL)에 대비하여 10배 높은 강도와 25% 정도의 무게를 가지며, 유리섬유에 대비하여서도 30% 정도 가벼우므로 고강도 및 경량화 소재로 장점이 있으나 단가가 높기 때문에 일부 고기능이 요구되는 부품에 제한적으로 사용되고 있다. 또한, 카본섬유(CF)는 자동차 구조체용 소재로 적용하기에는 충격강도가 낮다는 단점이 있다.

그럼에도 불구하고, 현재 전세계적으로 자동차 경량화에 대한 요구가 증대되는 상황에서 카본섬유 강화 플라스틱 (CFRP, )의 사용이 많은 부품으로 확대되고 있으며, CFRP의 성능향상과 단가를 낮추기 위한 연구 역시 경쟁적으로 진행되고 있다.

카본섬유 강화 플라스틱 (CFRP)의 경우, 카본섬유 자체의 원가가 높기도 하지만 공정 설비 및 공정 중에 고가의 비용이 발생되므로, 하이브리드 소재의 원가상승의 원인이 되고 있다. 상기 카본섬유 강화 플라스틱 (CFRP)의 가공공정에서는 일반적으로 카본섬유에 매트릭스 수지를 함침시키는 방법이 적용된다. 구체적으로, 카본섬유를 배열시켜 시트형태로 만든 프레프리그(prepreg)를 매트릭스 수지에 함침시킨 뒤, 고온 또는 고압에서 경화 또는 성형시키는 RTM 공정 및 핫 스탬핑(Hot-stamping) 등의 공정이 있다. 또한, 섬유를 매트릭스 수지에 함침시킨 후, 다이나 금형을 통과시켜 매트릭스 수지를 경화시키는 인발 성형 등이 알려져 있다. 이러한, 카본섬유 강화 플라스틱 (CFRP)의 가공공정은 공정시간이 길고 공정비용이 높으며, 고가의 장비가 필요하다.

또한, 카본섬유 강화 플라스틱 (CFRP)은 자동차 구조체용 소재로 적용하기에는 충격강도가 낮다는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-1154303호 "탄소섬유 복합재 조성물 및 이를 이용한 성형품" 대한민국 공개특허 10-2011-0108976호 "폴리아미드 수지 조성물 및 이를 포함하는 성형품"

본 발명의 목적은 강화제로서 카본섬유와 유리섬유를 병용함으로써 원가를 낮추고 자동차 구조체용 소재로서 요구되는 충격강도 등의 기계적 물성을 보완할 수 있는 새로운 폴리아미드 하이브리드 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 폴리아미드 하이브리드 조성물을 이용하여 압출 또는 사출 공정에 의한 고강성 성형품을 제공하는 것이다.

상기한 과제 해결을 위하여, 본 발명은 (a) 폴리아미드 40 ~ 80 중량%; (b) 길이가 3 ~ 6 mm이고, 직경이 10 ~ 15 ㎛인 유리섬유 강화제 5 ~ 40 중량%; (c) 길이가 3 ~ 6 mm이고, 12 ~ 50 K 등급의 탄소섬유 강화제 5 ~ 40 중량%; (d) 에폭시계 실란 및 아민계 실란로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 실란 커플링제 0.1 ~ 2.0 중량%; (e) 내열안정제 0.1 ~ 1.0 중량%; 및 (f) 활제 0.1 ~ 1.0 중량%를 포함하는 폴리아미드 복합수지 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기한 폴리아미드 복합수지 조성물을 성형하여 제조된 성형품을 제공한다.

본 발명에 따른 폴리아미드 하이브리드 조성물은 경량화 효과는 물론이고, 충격강도, 탄성율 등의 기계적 물성 보강 효과를 가진다.

본 발명에 따른 폴리아미드 하이브리드 조성물은 보강제로서 탄소섬유와 유리섬유를 병용하며, 탄소섬유 단독사용에 대비하여 단가를 낮추고 충격강도를 향상시키는 효과가 있다

또한, 본 발명의 폴리아미드 하이브리드 조성물은 압출 또는 사출 성형을 통하여 고강성 성형품을 제조하는 것이 가능하다.

따라서 본 발명의 폴리아미드 하이브리드 조성물은 자동차 구조체용 부품 소재로 유용하다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리아미드 하이브리드 조성물 시편의 전자현미경 사진이다.

본 발명은 폴리아미드 수지, 강화제로서 탄소섬유와 유리섬유, 실란 커플링제, 내열안정제 및 활제가 일정 함량비 범위로 포함된 폴리아미드 하이브리드 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 폴리아미드 하이브리드 조성물에 포함되는 각 성분에 대해 구체적으로 설명하면 하기와 같다.

(a) 폴리아미드 수지

본 발명의 하이브리드 조성물은 기재수지로서 폴리아미드 수지를 포함한다. 본 발명에서는 상기 폴리아미드 수지에 대하여 특별히 제한을 두고 있지 않으며, 구체적으로는 나일론 6, 나일론 66 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 폴리아미드 수지의 중량평균분자량은 200 내지 20,000, 바람직하게는 5,000 내지 10,000인 것을 사용하며, 이로써 수지 조성물의 우수한 기계적 강성, 치수안정성, 표면 특성 및 내열 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 하이브리드 조성물에는 상기 폴리아미드 수지가 40 ~ 80 중량%, 바람직하게는 40 ~ 70 중량% 범위로 포함될 수 있다. 상기 폴리아미드 수지의 함량이 40 중량% 미만으로 적으면 성형성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 80 중량%를 초과하면 각종 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.

(b) 유리섬유 강화제

본 발명에서는 강화제로서 유리섬유와 탄소섬유를 병용하며, 이로써 압출 또는 사출 성형공정을 통해 하이브리드 성형체의 제조가 가능해졌다.

상기 유리섬유는 상업적으로 사용되는 것으로 E-glass, S-glass 등을 사용할 수 있다. 구체적으로는 길이가 3 ~ 6 mm이고, 직경이 10 ~ 15 ㎛인 유리섬유를 사용할 수 있다. 상기 유리섬유 강화제의 길이가 3 mm 미만이면 물성향상 효과가 미미할 수 있고, 6 mm를 초과하면 압출 공정시 섬유파단에 의한 물성저하가 일어날 수도 있으므로, 길이가 3 ~ 6 mm인 유리섬유를 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 하이브리드 조성물에는 상기 유리섬유 강화제가 5 ~ 40 중량%, 바람직하기로는 10 ~ 20 중량% 범위로 포함될 수 있다. 상기 유리섬유 강화제는 매트릭스 수지의 물성을 보강하는 필러로서 포함되며, 본 발명의 하이브리드 조성물에 포함되어서는 비중을 낮추고 강도 및 탄성률을 보강하는 역할을 한다. 이에 유리섬유 강화제의 함량이 5 중량% 미만이면 요구되는 경량화 및 물성 강화효과가 미미할 수 있고, 40 중량%를 초과하여 포함되면 강화 효과는 있으나 경량의 효과가 현저히 떨어질 수 있다.

(c) 탄소섬유 강화제

본 발명에서는 강화제로서 유리섬유와 더불어 탄소섬유를 포함한다. 상기 탄소섬유로는 레이온(Rayon)계, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 피치(pitch)계 등이 사용 가능하다. 사출공정 원료인 펠렛을 압출할 시 탄소섬유의 파단을 최소화하기 위해서는 탄소섬유의 길이와 등급은 제한하는 것이 바람직한데, 구체적으로 길이가 3 ~ 6 mm이고, 등급이 12 ~ 50 K(kilo)인 탄소섬유를 사용할 수 있다. 상기에서 등급 K는 필라멘트의 가닥수를 의미하는 것으로, 예컨대 '12 K 탄소섬유'는 필라멘트수가 12,000 가닥인 탄소섬유를 일컫는다. 상기 탄소섬유 강화제로서 필라멘트수가 12 K 미만인 탄소섬유를 사용하면 섬유자체의 강도 및 강성이 낮아서 바람직하지 못하고 성형공정에서 압출기내로 투입성이 떨어져 생산성 확보가 어려워질 수 있다. 반면에, 필라멘트수가 50 K를 초과하는 탄소섬유를 사용하면 탄소섬유의 분산성이 떨어져 성형품의 물성이 저하되어 바람직하지 못하다. 또한, 상기 탄소섬유 강화제의 길이가 3 mm 미만이면 물성향상 효과가 미미하고, 6 mm를 초과하면 압출 공정시 섬유파단에 의한 물성저하가 일어날 수도 있다.

본 발명의 하이브리드 조성물에는 상기 탄소섬유 강화제가 5 ~ 40 중량%, 바람직하기로는 10 ~ 20 중량% 범위로 포함될 수 있다. 상기 탄소섬유 강화제는 매트릭스 수지의 물성을 보강하는 필러로서 포함되며, 본 발명의 하이브리드 조성물에 포함되어서는 비중을 낮추고 강도 및 탄성률을 보강하는 역할을 한다. 이에 탄소섬유 강화제의 함량이 상기 범위를 벗어나면 경량화 및 물성 강화효과가 저하될 수 있다.

또한, 본 발명의 하이브리드 조성물에 강화제로서 포함되는 유리섬유와 탄소섬유의 총 함량은 50 중량% 미만, 바람직하기로는 10 ~ 50 중량% 범위로 제한하는 것이 물성 개선 측면에서 보다 바람직할 수 있다.

(d) 실란 커플링제

본 발명의 하이브리드 조성물 중에 강화제로서 포함되는 유리섬유와 탄소섬유를 기재수지에 고루 분산시키고, 또한 기재수지와의 상용성을 향상시키기 위해 실란 커플링제를 사용한다.

상기 실란 커플링제로는 에폭시기 또는 아민기가 관능기로 치환된 알콕시실란이 포함될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 상기 실란 커플링제로서 에폭시계 커플링제 및 아민계 커플링제 중에서 선택된 1 종 이상을 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 커플링제는 감마-글로시독시프로필트리메톡시실란, 베타(3,4-에폭시에틸)감마-아미노프로필트리메톡시실란, 감마-아미노프로필트리에톡시실란, 감마-아미노프로필트리메톡시실란, N-(베타-아미노에틸)감마-아미노프로필트리에톡시실란 등이 사용될 수 있다.

본 발명의 하이브리드 조성물에는 상기 실란 커플링제가 0.1 ~ 2.0 중량%, 바람직하기로는 0.1 ~ 0.5 중량% 범위로 포함될 수 있다. 상기 실란 커플링제의 함량이 0.1 중량% 미만으로 적으면 첨가효과가 미미할 수 있고, 2.0 중량%를 초과하여 포함되면 GAS화 되어 사출 성형시 외관에 영향을 줄 수 있다.

(e) 내열안정제

본 발명의 하이브리드 조성물에는 부품의 장기 내열특성을 유지하기 위해 내열안정제를 포함한다. 상기 내열안정제로는 테트라키스(메틸렌(3,5-디-터셔리부틸-4-하이드록시신나메이트))메탄 (Irganox 1010), 3,3'-비스(3,5-디-터셔리부틸-4-하이드록실페닐)-N,N'-헥사메틸렌디프로피온아미드(HD-98), 구리계, 페놀계의 내열제 등이 포함될 수 있다.

본 발명의 하이브리드 조성물에는 상기 내열안정제가 0.1 ~ 1.0 중량%, 바람직하기로는 0.1 ~ 0.5 중량% 범위로 포함될 수 있다. 상기 내열안정제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 첨가효과가 미미하고, 1.0 중량%를 초과하여 포함되면 오히려 성형품의 기계적 물성 저하를 초래할 수 있다.

(f) 활제

본 발명의 하이브리드 조성물에는 성형품 제조를 위한 압출, 사출 공정시 원활한 흐름을 유도하기 위해 활제를 포함한다. 상기 활제로는 에틸렌 비스스테아르아미드(EBS), 카나우바 왁스(carnauba wax), 칼슘 디스테아레이트(CA-ST), 징크 디스테아레이트(ZN-ST) 등이 포함될 수 있다.

본 발명의 하이브리드 조성물에는 상기 활제가 0.1 ~ 1.0 중량%, 바람직하기로는 0.1 ~ 0.5 중량% 범위로 포함될 수 있다. 상기 활제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 첨가효과가 미미하고, 1.0 중량%를 초과하여 포함되면 오히려 성형품의 기계적 물성 저하를 초래할 수 있다.

그 밖에도 본 발명의 하이브리드 조성물에는 통상의 첨가제로서 난연제, 윤활제, 대전방지제, 안료 등이 포함될 수 있다. 본 발명은 상기한 통상의 첨가제 종류 및 함량은 특별히 제한하지 않으며, 이 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다.

(g) 고무

본 발명의 하이브리드 조성물에는 충격강도를 보강하기 위해 고무가 더 포함될 수 있다. 상기 고무는 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM) 고무, 폴리부타디엔, 폴리(스티렌-부타디엔), 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔) 등의 디엔계 고무, 상기 디엔계 고무에 수소를 첨가한 포화고무, 이소플렌 고무, 클로로프렌 고무, 폴리아크릴산부틸 등의 아크릴계 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다. 상기 고무는 디엔계 고무를 사용하는 것이 좋고, 보다 좋기로는 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM) 고무를 포함하는 것이다.

본 발명의 하이브리드 조성물에는 상기 고무가 0 ~ 5 중량% 포함될 수 있다. 상기 고무의 함량이 5 중량%를 초과하여 포함되면 오히려 성형품의 강도 및 강성 저하가 초래될 수 있다.

또한, 본 발명은 이상에서 설명한 하이브리드 조성물을 압출 또는 사출 성형하여 제조된 성형품에 관한 것이다. 본 발명의 하이브리드 조성물을 이용하여 제조된 성형품에는 고하중 지지가 필요한 자동차 구조체용 부품 등이 포함될 수 있다. 구체적으로, 경량화가 중요한 자동차 부품으로서 고하중 지지가 필요한 배터리 팩 케이스, 플로어 패널, 시트 프레임, 도어 모듈, 임팩트 바 등의 성형품이 포함될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1 ~ 15 및 비교예 1 ~ 8. 폴리아미드 하이브리드 시편 제조

하기 표 1 및 표 2의 조성비로 원료성분을 사용하고, 이축압출기를 이용하여 폴리아미드 하이브리드 시편을 제조하였다.

강화제로 사용된 섬유를 제외한 나머지 원료성분인 나일론 6, 실란 커플링제, 내열안정제, 활제 등은 메인 피더(main feeder)를 통하여 투입하였다. 강화제로 사용된 유리섬유 및 탄소섬유는 섬유의 파단을 최소화하기 위해 사이드 피더(side feeder)를 통하여 투입하였다. 또한, 사이드 피더(side feeder)가 두개 이상일 때는 섬유의 투입 순서를 임의로 선택할 수 있으며, 바람직하게는 탄소섬유를 먼저 투입하는 것이 섬유의 분산을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 압출도중 섬유의 파단을 방지하기 위하여, 섬유는 압출공정 중간에 투입하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 섬유의 투입 순서, 공정 온도, 스크류 속도, 스크류 디자인 등의 변경도 가능하다.

압출기의 스크류는 범용적인 이축스크류를 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 섬유의 파단을 최소화하기 위해 스크류 디자인을 변경할 수 있다. 또한 혼련영역에서의 압출온도는 240 ~ 260℃로 유지하였다. 혼련된 하이브리드 조성물은 커터를 통하여 펠렛화 한 다음 제습건조기를 이용하여 건조함으로써 시편을 제조하였다.

폴리아미드 하이브리드 시편 제조를 위해 사용된 원료 성분은 구체적으로 하기와 같다.

<원료성분>

(a) 폴리아미드 수지: 나일론 6

(b) 유리섬유 강화제 :

(b-1) 길이 3 mm, 직경 10 ㎛인 유리섬유

(b-2) 길이 3 mm, 직경 13 ㎛인 유리섬유

(b-3) 길이 5 mm, 직경 10 ㎛인 유리섬유

(c) 탄소섬유 강화제

(c-1) 길이 3 mm, 필라멘트 가닥수 12 K

(c-2) 길이 3 mm, 필라멘트 가닥수 24 K

(c-3) 길이 3 mm, 필라멘트 가닥수 50 K

(c-4) 길이 6 mm, 필라멘트 가닥수 12 K

(c-5) 길이 9 mm, 필라멘트 가닥수 12 K

(d) 실란 커플링제

(d-1) 에폭시계 실란

(d-2) 아민계 실란

(e) 내열안정제 : 테트라키스(메틸렌(3,5-디-터셔리부틸-4-하이드록시신나메이트))메탄 (Irganox 1010)

(f) 활제 : 에틸렌 비스스테아르아미드(EBS)

(g) 고무 : 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM) 고무

구 분	실시예
구 분	1	2	3	4	5	6	7	8
나일론 6	69.4	69.2	69	69.4	69.2	69	79	49
유리섬유(b-1)	10	10	10	10	10	10	10	10
탄소섬유(c-1)	20	20	20	20	20	20	10	40
에폭시계 커플링제	0.1	0.3	0.5	-	-	-	-	-
아민계 커플링제	-	-	-	0.1	0.3	0.5	0.5	0.5
내열안정제	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
활제	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
총량(중량%)	100	100	100	100	100	100	100	100

구 분		실시예
구 분		6	9	10	11	12	13	14
나일론 6		69	69	69	69	69	69	69
유리 섬유	b-1	10	10	10	10	10	-	-
	b-2	-	-	-	-	-	10	-
	b-3	-	-	-	-	-	-	10
탄소 섬유	c-1	20	-	-	-	-	20	20
	c-2	-	20	-	-	-	-	-
	c-3	-	-	20	-	-	-	-
	c-4	-	-	-	20	-	-	-
	c-5	-	-	-	-	20	-	-
아민계 커플링제		0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
내열안정제		0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
활제		0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
총량(중량%)		100	100	100	100	100	100	100

구 분	실시예			비교예
구 분	15	16	17	1	2	3	4	5	6	7
나일론 6	66	64	62	79	79	79	79	66.5	66.5	39
유리섬유(b-1)	10	10	10	20	-	20	-	10	10	10
탄소섬유(c-1)	20	20	20	-	20	-	20	20	20	50
에폭시계 커플링제	-	-	-	0.5	0.5	-	-	3	-	-
아민계 커플링제	0.5	0.5	0.5	-	-	0.5	0.5	-	3	0.5
내열안정제	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
활제	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
고무	3	5	7	-	-	-	-	-	-	-
총량(중량%)	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100

실험예. 폴리아미드 하이브리드 시편의 물성 측정

상기 실시예 1 ~ 15 및 비교예 1 ~ 8에서 제조한 폴리아미드 하이브리드 시편 각각에 대하여 비중(ASTM D 792 측정법), 인장강도(ASTM D 368 측정법), 굴곡강도(ASTM D 368 측정법), 굴곡탄성율(ASTM D 790 측정법), 아이조드 충격강도 (ASTM D 256 측정법), 열변형온도(ASTM D 648 측정법)를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 4 내지 6에 각각 나타내었다.

구 분	실시예
구 분	1	2	3	4	5	6	7	8
비중	1.30	1.30	1.30	1.30	1.30	1.30	1.23	1.40
인장강도 (MPa)	216	219	220	218	227	229	176	238
굴곡강도 (MPa)	276	278	278	279	281	282	220	310
굴곡탄성률 (MPa)	14500	14710	14730	14600	14970	15010	8860	21080
Izod충격강도 (23℃, KJ/m²)	8.3	8.3	8.4	8.2	8.2	8.3	8.9	7.3
열변형온도 (℃)	218	218	218	218	219	218	217	219

구 분	실시예
구 분	6	9	10	11	12	13	14
비중	1.30	1.30	1.30	1.30	1.30	1.30	1.30
인장강도 (MPa)	229	221	218	232	225	227	230
굴곡강도 (MPa)	282	273	268	289	274	279	284
굴곡탄성률 (MPa)	15010	14680	14480	15720	14380	14840	15180
Izod충격강도 (23℃, KJ/m²)	8.3	7.6	7.4	8.6	7.7	8.1	8.4
열변형온도 (℃)	218	218	216	218	216	217	218

구 분	실시예			비교예
구 분	15	16	17	1	2	3	4	5	6	7
비중	1.29	1.28	1.28	1.28	1.22	1.28	1.22	1.30	1.30	1.42
인장강도 (MPa)	210	206	196	120	195	124	200	200	206	233
굴곡강도 (MPa)	265	250	238	170	247	175	251	246	256	308
굴곡탄성률 (MPa)	14350	14200	13950	5360	11960	5560	12050	13520	13900	20730
충격강도 (23℃, KJ/m²)	11	12.5	16	10	7.1	10.3	7.5	7.5	7.8	7.1
열변형온도 (℃)	218	216	215	205	206	206	206	212	214	219

상기 표 4의 결과에 의하면, 실시예 1 ~ 8은 본 발명이 제안한 바대로 폴리아미드 수지, 유리섬유와 탄소섬유의 강화제, 실란 커플링제, 내열안정제 및 활제를 소정의 함량비로 포함하는 하이브리드 시편으로 비중이 낮고, 충격강도 등의 기계적 물성이 우수하면서 내열성도 우수한 것으로 확인되고 있다.

또한, 실시예 1 ~ 6과 비교예 5 ~ 6은 커플링제의 함량에 따른 하이브리드 시편의 물성변화를 확인한 것이다. 커플링제는 기재수지와 강화섬유 간의 상용성을 향상시키기 위해 첨가되는데, 실시예 1 ~ 6에 의하면 커플링제의 함량이 증가할수록 물성이 향상되는 경향을 보이지만, 비교예 5 ~ 6에 의하면 커플링제의 함량이 3 중량%로 과량 포함됨으로써 오히려 물성이 감소됨을 확인할 수 있다. 이로부터 커플링제의 함량 조절이 중요함을 알 수 있다.

또한. 실시예 6 ~ 8과 비교예 7은 강화제로서 포함되는 탄소섬유의 함량에 따른 하이브리드 시편의 물성변화를 확인한 것이다. 실시예 6 ~ 8에 의하면 탄소섬유의 함량이 증가할수록 강도 및 탄성률은 증가하는 경향을 보인데 반하여, 충격강도가 감소하는 경향을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 탄소섬유의 함량이 50 중량%로 과량 포함된 비교예 7의 경우, 충격강도 감소는 물론이고 탄소섬유의 분산성 및 가공성이 저하되어 강도 및 탄성률 역시 감소됨을 확인할 수 있다. 이로써 강화제로서 포함되는 유리섬유의 함량 조절이 중요하고, 유리섬유와 탄소섬유로 구성되는 강화제의 총 함량은 50 중량%를 초과하여 과량으로 포함하는 것은 바람직하지 못함을 확인할 수 있다.

또한, 실시예 6과 실시예 9 ~ 14는 강화제로 포함되는 유리섬유의 길이와 직경, 그리고 탄소섬유의 길이와 필라멘트 가닥수를 변화시키면서 하이브리드 시편의 물성변화를 확인한 것이다. 실시예 6과 실시예 9 ~ 10은 탄소섬유의 필라멘트 가닥수를 변화시키면서 물성변화를 확인한 것으로, 필라멘트 가닥수가 증가할수록 충격강도를 포함한 모든 물성이 저하되는 경향을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 실시예 6과 실시예 11 ~ 12는 탄소섬유의 길이를 변화시키면서 물성변화를 확인한 것으로, 탄소섬유의 길이가 증가할수록 물성이 증가하는 경향을 보이고 있으며, 탄소섬유의 길이가 9 mm로 너무 길면 압출공정시 과다한 파단이 일어나 성형품의 물성 저하 원인이 되고 있음을 확인할 수 있다. 실시예 6과 실시예 13 ~ 14는 유리섬유의 길이와 직경을 변화시키면서 물성변화를 확인한 것으로, 유리섬유의 길이와 직경이 증가할수록 컴파운딩 작업성은 떨어지나 물성은 크게 증가하지 않는 경향을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 이로써 강화제로 포함되는 유리섬유의 길이와 직경, 그리고 탄소섬유의 길이와 필라멘트 가닥수는 폴리아미드 하이브리드 성형품의 물성 변화에 지대한 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

또한, 실시예 15 ~ 17은 실시예 6의 조성물에 추가로 고무를 포함시킨 하이브리드 시편으로, 비중과 충격강도를 향상시킴을 확인할 수 있다. 다만, 고무의 함량이 과다하게 포함되면 충격강도 이외의 다른 기계적 물성이 저하될 수 있으므로, 5 중량부 미만으로 고무를 첨가하는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.

또한, 비교예 1 ~ 4는 보강제로서 유리섬유 또는 탄소섬유를 단독으로 포함하는 하이브리드 시편이다. 유리섬유 단독으로 포함된 비교예 1 또는 비교예 3의 시편의 경우, 충격강도가 10 KJ/m² 수준으로 높았지만 실시예 3 또는 실시예 6의 시편에 대비하여 비중이 높고, 탄성율 등의 기계적 물성이 낮음을 확인할 수 있다. 또한, 탄소섬유 단독으로 포함된 비교예 2 또는 비교예 4의 시편의 경우, 비중이 낮고 탄성율 등의 기계적 물성이 우수하였지만 충격강도가 7 KJ/m² 수준으로 매우 낮음을 확인할 수 있다.

또한, 도 1에는 상기 실시예 1에서 제조한 폴리아미드 하이브리드 시편을 전자현미경으로 촬영한 사진을 첨부하였다. 도 1에 의하면 강화제로 사용된 유리섬유와 탄소섬유가 기재수지에 대한 상용성이 우수하여 함침이 잘 되어 있음을 확인할 수 있다.

Claims

(a) 폴리아미드 40 ~ 80 중량%;
(b) 길이가 3 ~ 6 mm이고, 직경이 10 ~ 15 ㎛인 유리섬유 강화제 5 ~ 40 중량%;
(c) 길이가 3 ~ 6 mm이고, 12 ~ 50 K 등급의 탄소섬유 강화제 5 ~ 40 중량%;
(d) 에폭시계 실란 및 아민계 실란로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 커플링제 0.1 ~ 2.0 중량%;
(e) 내열안정제 0.1 ~ 1.0 중량%; 및
(f) 활제 0.1 ~ 1.0 중량%; 를 포함하는 폴리아미드 복합수지 조성물.
제 1 항에 있어서,
(g) 고무 5 중량% 이하; 를 더 포함하는 폴리아미드 복합수지 조성물.
제 1 항에 있어서,
(b)유리섬유 강화제 및 (c)탄소섬유 강화제를 각각 10 ~ 20 중량% 범위로 포함하는 폴리아미드 복합수지 조성물.
제 1 항에 있어서,
(b)유리섬유 강화제 및 (c)탄소섬유 강화제는 총 함량이 50 중량% 미만 되도록 포함하는 폴리아미드 복합수지 조성물.
제 1 항 내지 제 4 항 중에서 선택된 어느 한 항의 폴리아미드 복합수지 조성물을 성형한 성형품.
제 5 항에 있어서,
자동차 구조체용 부품인 성형품.