KR20180072703A - 다층 섬유 복합재 물질 - Google Patents

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코베스트로 도이칠란트 아게
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Abstract

본 발명은 면대면으로 상호결합되고 섬유 복합재 물질의 두 개의 외부 층과 섬유 복합재 물질의 하나 이상의 내부 층으로 서로 상대적으로 정의되는 섬유 복합재 물질의 세 개 이상의 중첩된 층을 포함하는 다층 복합재 물질에 관한 것이다. 섬유 복합재 물질의 이들 층 각각은 연속 섬유를 포함하고, 상기 연속 섬유는 각각의 층 안에 단방향으로 정렬되고 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 내 매립되며, 상기 폴리카르보네이트는 호모폴리카르보네이트 또는 코폴리카르보네이트에서 선택되고, 섬유 복합재 물질의 내부 층은 동일하게 배향되고 섬유 복합재 물질의 외부 층에 대한 그들의 배향은 30°내지 90°로 회전되며, 섬유 복합재 물질의 외부 층은, 섬유 복합재 물질 층의 총 부피와 관련하여, 섬유 복합재 물질의 적어도 하나의 내부 층보다 부피에 있어 더 낮은 섬유 함량을 갖는다. 본 발명은 또한 청구된 다층 복합재 물질을 제조하는 방법 및 상기 다층 복합재 물질로부터 제조될 수 있는, 전자 장치의 하우징 내 사용 또는 적용에 적합한 하우징 부분에 관한 것이다.

Description

다층 섬유 복합재 물질
본 발명은 다층 복합재, 그의 제조 방법 및 그러한 다층 복합재를 포함하는 전자 장치의 하우징을 위한 하우징 부분에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 예를 들어 이동 전화, 랩탑 또는 태블릿과 같은, 특히 휴대용 전자 장치의 분야에서, 훨씬 더 가볍고 얇은 장치를 제조하는 경향이 있어왔다. 이는 특히 장치 스크린 및 전자 장치를 보호하기 위해 높은 기계적 안정성을 동시에 나타내야 하는 매우 가볍고 얇은 하우징의 개발을 필요로 한다. 예를 들어, 마그네슘-알루미늄 합금은 이제 그러한 목적을 위한 선행 기술로서 확립되었다. 금속 합금으로 만든 하우징의 장점은 그들의 저중량 및 높은 기계적 안정성이다. 또한, 그러한 금속 하우징은 소비자에 의해 미적으로 만족스럽고 고급스러운 것으로 인식된다. 반면, 통상적인 플라스틱으로 만든 하우징은 소비자에 의해 다소 저가로 인식되며 기계적 특성 면에서도 금속 합금과 경쟁할 수 없다. 그러나, 후자의 심각한 단점은 높은 제조 비용과 관련이 있는, 복잡하고 에너지 집약적인 공정에서 값비싼 원료로부터 제조되어야 할 필요가 있다는 것이다.
다층 복합재로 만들어진 하우징은 금속 하우징에 대한 유망한 대안이다. 플라스틱으로 함침된 단방향으로 정렬된 무한 섬유를 포함하는 섬유 복합재 물질의 복수개의 플라이로 제작된 그러한 다층 복합재는 더 비용-효율적으로 제조될 수 있을 뿐만 아니라 경량이며 적합한 배열을 통해 금속 합금으로 만든 하우징에 유사한 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 그러나, 다층 복합재의 문제점은 그들의 표면이 종종 결함을 나타낸다는 것이다. 그러한 결함은 아마도 특히 플라스틱으로 습윤되지 않았으며 표면으로부터 돌출된 건조 무한 섬유 및 공기의 혼입에 의해 유발된다. 이러한 결함은 표면에서 보이므로 소비자에게 미적으로 만족스럽지 못하다. 이러한 결함의 추가의 문제는 그들이 표면의 코팅성을 손상시킨다는 것이다. 특히 코팅의 균일한 층 두께의 형성이 파괴되고 그로 인하여 코팅된 다층 복합재는 일정한 특성의 프로파일을 나타내지 않는다. 또한, 결함은 다층 복합재의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다.
상기에서 설명한 선행 기술에서 나아가 본 발명의 목적은 전자 장치의 하우징을 위한 하우징 부분 물질로서 적합하기 위한 양호한 기계적 특성을 유지함과 동시에 미적으로 만족스럽고, 실질적으로 결함이 없는 표면을 나타내는 다층 복합재를 제공하는 것이다. 이를 위해, 다층 복합재는 금속-유사 기계적 특성을 더 가져야한다.
이 목적은 섬유 복합재의 두 개의 외부 플라이(ply)와 섬유 복합재의 하나 이상의 내부 플라이로 서로 상대적으로 정의되는 섬유 복합재의 세 개 이상의 중첩된 플라이를 포함하는 다층 복합재에 의한 발명에 따라 달성되는데, 여기서
(a) 섬유 복합재의 세 개 이상의 각 플라이는 무한 섬유를 포함하고, 여기서
- 각 플라이 내 무한 섬유는 단방향으로 정렬되고
- 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 내 매립되며, 여기서 폴리카르보네이트는 호모폴리카르보네이트 또는 코폴리카르보네이트에서 선택되고,
(b) 섬유 복합재의 내부 플라이는 실질적으로 동일한 배향을 가지고 섬유 복합재의 외부 플라이에 대한 그들의 배향은 30°내지 90°로 회전되며, 여기서 섬유 복합재 물질의 플라이의 배향은 그 안에 포함된 단방향으로 정렬된 섬유의 배향에 의해 결정되고,
(c) 여기서 섬유 복합재의 외부 플라이는 섬유 복합재의 적어도 하나의 내부 플라이보다 섬유 복합재의 플라이의 총 부피를 기준으로 한 섬유의 더 낮은 부피 함량을 갖는다.
놀랍게도 독립 청구항 1의 특징들의 조합 결과 실질적으로 결함이 없는 표면 을 특징으로 하고 섬유 복합재의 외부 플라이 내 더 낮은 섬유 부피 함량에도 불구하고 양호한 기계적 특성을 나타내는 다층 복합재가 된다는 것을 발견하였다. 더욱이 본 발명에 따른 다층 복합재는 양호한 코팅성 및 후방-사출 성형성을 특징으로 한다. 또한 본 발명에 따른 다층 복합재는 다층 복합재의 열성형성으로 인해, 예를 들어 하우징 부분의, 성형이 특히 쉽고 유연하게 이루어질 수 있다는 장점을 가진다.
또한 본 발명은 본 발명에 따른 다층 복합재를 제조하는 방법을 제공하고 전자 장치의 하우징 내 사용 또는 이용에 적합하고 다층 복합재를 사용하는 하우징 부분 또한 제공한다.
섬유 복합재는 선행 기술에서 예를 들어 자동차, 조선, 항공우주, 스포츠 및 건설 산업에서, 주로 경량 물질로서 사용된다. 플라스틱-기재 섬유 복합재는 일반적으로 플라스틱 매트릭스 내 매립된 섬유상 충전제를 주요 구성요소로 포함한다.
선행 기술에서 이용된 섬유 복합재용 플라스틱 매트릭스 물질은 특히 우레아-포름알데히드 수지 또는 에폭시 수지와 같은 열로 경화 가능한 열경화성 플라스틱, 또는 폴리아미드, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 같은 열가소성 플라스틱이다.
반면 섬유 복합재용 플라스틱 매트릭스 물질로서 폴리카르보네이트의 사용은 눈에 많이 띄지 않는다. 통상적으로 이용되는 열가소성 플라스틱과 비교하여, 폴리카르보네이트는 크리프(creep) 성향이 거의 없으므로 일정한 응력 하에서 균열을 생성하는 경향이 있다는 단점을 가진다. 이는 특히 무한 섬유를 포함하는 섬유 복합재에 사용하기에 매우 문제가 된다. 이는 그의 플라스틱 매트릭스 내 무한 섬유를 포함하는 섬유 복합재가 무한 섬유로 인해 일정한 응력 하에 있기 때문이다. 그러므로 폴리카르보네이트는 실제로 지금까지 그러한 무한 섬유를 포함하는 섬유 복합재용 플라스틱 매트릭스로서 단지 종속적 역할만을 해왔다. 그러나, 폴리아미드 또는 폴리프로필렌과 같은 다른 통상적인 열가소성 플라스틱과 비교하여, 폴리카르보네이트는 경화 동안 감소된 부피 수축을 나타내기 때문에, 복합재 물질을 포함하도록 폴리카르보네이트의 적용 분야를 넓히는 것이 원칙적으로 바람직할 것이다. 폴리카르보네이트는 또한 더 높은 열 변형 온도를 나타낸다. 놀랍게도 정확히 독립 청구항 1의 추가의 특징과 조합하여 무한 섬유용 플라스틱 매트릭스로서 폴리카르보네이트-기재 플라스틱의 사용 결과 현저한 금속 촉각 및 광학을 나타내는 본 발명에 따른 다층 복합재가 됨이 밝혀졌다.
선행 기술은 수많은 섬유 복합재 및 그의 제조 방법을 개시한다. WO 2013/098224 A1은 플라스틱-함침된 넓은 섬유 웹(web) 및 넓은 섬유 웹의 단면으로부터 얻을 수 있는 다층 복합재 구조의 형태로 섬유 복합재를 제조하는 방법을 기술한다. 열경화성 및 열가소성 플라스틱 둘 다 플라스틱 매트릭스로서 사용될 수 있다. DE 10 2012 200 059 A1은 플라스틱 매트릭스로서 열가소성 플라스틱을 갖는 섬유-강화 다층 복합재를 기술한다. 그러나, 만약 관심사가 금속 합금으로 만든 하우징의 특성에 더 가깝게 하는 것이라면 선행 기술로부터 공지된 다층 복합재는 그의 광학적, 색조, 촉각적 및 기계적 특성 면에서 심하게 개선의 필요가 있다.
본 발명에 관련해서 "복합재"는 이미 가교되어있고 더 이상 실온에서 유동가능하지 않은 완성된 플라스틱 제품을 포함한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 관련해서 용어 "무한 섬유"는 당업자에게 또한 공지된 단섬유 또는 장섬유와 구별되는 것으로 이해되어야 한다. 무한 섬유는 일반적으로 섬유 복합재의 플라이의 전체 길이에 걸쳐있다. 용어 "무한 섬유"는 이들 섬유가 롤 위에 감겨있고 섬유 복합재 개별 플라이의 제조 동안 감긴 것이 풀리고 플라스틱으로 함침되어, 경우에 따른 롤의 파손 또는 전환을 제외하고는, 상기 섬유의 길이는 통상적으로 제조된 섬유 복합재 플라이의 길이에 실질적으로 상응한다는 사실로부터 유래한다.
본 발명에 관련해서 "폴리카르보네이트-기재 플라스틱"은 50 중량% 이상, 바람직하게는 60 중량% 이상, 바람직하게는 70 중량% 이상, 특히 80 중량% 이상, 특히 바람직하게는 90 중량% 이상, 매우 특히 바람직하게는 95 중량% 이상, 특히 97 중량% 이상의 폴리카르보네이트를 포함하는 플라스틱을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 또 다른 방법으로 표현하면, 본 발명에 관련해서 폴리카르보네이트-기재 플라스틱은 50 중량% 이하, 바람직하게는 40 중량% 이하, 바람직하게는 30 중량% 이하, 특히 20 중량% 이하, 특히 바람직하게는 10 중량% 이하, 매우 특히 바람직하게는 5 중량% 이하, 특히 3 중량% 이하의 하나 이상의 블렌드 파트너로서의 폴리카르보네이트와 별개인 플라스틱을 포함할 수 있다.
한 특정 실시양태에서, 폴리카르보네이트-기재 플라스틱은 실질적으로, 특히 100 중량% 정도까지의 폴리카르보네이트로 구성된다.
본원에서 폴리카르보네이트에 대해 언급할 때 폴리카르보네이트는 또한 상이한 폴리카르보네이트의 혼합물로 이해한다. 폴리카르보네이트는 또한 본원에서 포괄적 용어로 사용되므로 호모폴리카르보네이트 및 코폴리카르보네이트 둘 다로 이해한다. 폴리카르보네이트는 또한 공지된 방식으로 선형 또는 분지형일 수 있다.
본 발명의 한 특정 실시양태에서 폴리카르보네이트-기재 플라스틱은 70 중량%, 80 중량%, 90 중량% 정도까지 또는 실질적으로, 특히 100 중량% 정도까지의 선형 폴리카르보네이트로 구성된다.
폴리카르보네이트는 디페놀, 탄산 유도체 및 경우에 따라 사슬 종결제 및 분지 형성제로부터 공지된 방식으로 제조될 수 있다. 폴리카르보네이트의 제조에 관한 상세사항은 적어도 약 40 년에 걸쳐 당업자에게 잘 알려져 있다. 본원에서 예를 들어 문헌 [Schnell, Chemistry and Physics of Polycarbonates, Polymer Reviews, Volume 9, Interscience Publishers, New York, London, Sydney 1964], 문헌 [D. Freitag, U. Grigo, P.R. Mueller, H. Nouvertne, BAYER AG, "Polycarbonates" in Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Volume 11, Second Edition, 1988, pages 648-718] 및 마지막으로 문헌 [U. Grigo, K. Kirchner and P.R. Mueller "Polycarbonate" in BeckerBraun, Kunststoff-Handbuch, Volume 31, Polycarbonate, Polyacetale, Polyester, Celluloseester, Carl Hanser Verlag Munich, Vienna 1992, pages 117-299]를 참조할 수 있다.
방향족 폴리카르보네이트는 예를 들어 디페놀과 카르보닐 할라이드, 바람직하게는 포스겐, 및/또는 방향족 디카르보닐 디할라이드, 바람직하게는 벤젠디카르보닐 디할라이드의 반응에 의해, 계면 방법에 의해, 경우에 따라 사슬 종결제의 사용 및 경우에 따라 삼관능성 또는 삼관능성 초과의 분지 형성제의 사용과 함께 제조된다. 디페놀과 예를 들어 디페닐 카르보네이트의 반응에 의한 용융 중합 공정을 통한 제조 또한 가능하다. 폴리카르보네이트 제조에 적합한 디페놀은 예를 들어 하이드로퀴논, 레조르시놀, 디히드록시비페닐, 비스(히드록시페닐)알칸, 비스(히드록시페닐)시클로알칸, 비스(히드록시페닐)술피드, 비스(히드록시페닐)에테르, 비스(히드록시페닐)케톤, 비스(히드록시페닐)설폰, 비스(히드록시페닐)설폭시드, α,α'-비스(히드록시페닐)디이소프로필벤젠, 이사틴 유도체 또는 페놀프탈레인 유도체로부터 유래된 프탈이미딘 및 또한 관련한 고리-알킬화, 고리-아릴화 및 고리-할로겐화 화합물이다.
바람직하게 이용되는 디페놀은 프탈이미드를 기재로 하는 것들로, 예를 들어 2-아르알킬-3,3'-비스(4-히드록시페닐)프탈이미드 또는 2-페닐-3,3'-비스(4-히드록시페닐)프탈이미드와 같은 2-아릴-3,3'-비스(4-히드록시페닐)프탈이미드, 2-부틸-3,3'-비스(4-히드록시페닐)프탈이미드와 같은 2-알킬-3,3'-비스(4-히드록시페닐)프탈이미드, 2-프로필-3,3'-비스(4-히드록시페닐)프탈이미드, 2-에틸-3,3'-비스(4-히드록시페닐)프탈이미드 또는 2-메틸-3,3'-비스(4-히드록시페닐)프탈이미드 및 또한 3,3-비스(4-히드록시페닐)-1-페닐-1H-인돌-2-온 또는 2,2-비스(4-히드록시페닐)-1-페닐-1H-인돌-3-온과 같은 질소에서 치환된 이사틴을 기재로 하는 디페놀이다.
바람직한 디페놀은 4,4'-디히드록시비페닐, 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판 (비스페놀 A), 2,4-비스(4-히드록시페닐)-2-메틸부탄, 1,1-비스(4-히드록시페닐)-p-디이소프로필벤젠, 2,2-비스(3-메틸-4-히드록시페닐)프로판, 디메틸비스페놀 A, 비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)메탄, 2,2-비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)프로판, 비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)설폰, 2,4-비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)-2-메틸부탄, 1,1-비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)-p-디이소프로필벤젠 및 1,1-비스(4-히드록시페닐)-3,3,5-트리메틸시클로헥산이다.
특히 바람직한 디페놀은 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판 (비스페놀 A), 2,2-비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)프로판, 1,1-비스(4-히드록시페닐)시클로헥산, 1,1-비스(4-히드록시페닐)-3,3,5-트리메틸시클로헥산 및 디메틸비스페놀 A이다.
이들 및 다른 적합한 디페놀은 예를 들어 US-A 3 028 635, US-A 2 999 825, US-A 3 148 172, US-A 2 991 273, US-A 3 271 367, US-A 4 982 014 및 US-A 2 999 846에, DE-A 1 570 703, DE-A 2063 050, DE-A 2 036 052, DE-A 2 211 956 및 DE-A 3 832 396에, FR-A 1 561 518에, 논문 “H. Schnell, Chemistry and Physics of Polycarbonates, Interscience Publishers, New York 1964”에, 그리고 또한 JP-A 620391986, JP-A 620401986 및 JP-A 1055501986에 기재되어 있다.
호모폴리카르보네이트의 경우에는 단지 하나의 디페놀이 이용되고 코폴리카르보네이트의 경우에는 둘 이상의 디페놀이 이용된다.
적합한 카르복실산 유도체의 예는 포스겐 또는 디페닐 카르보네이트를 포함한다. 폴리카르보네이트의 제조에 이용될 수 있는 적합한 사슬 종결제는 모노페놀이다. 적합한 모노페놀은 예를 들어 페놀 자체, 크레졸과 같은 알킬페놀, p-tert-부틸페놀, 큐밀페놀 및 이들의 혼합물이다.
바람직한 사슬 종결제는 선형 또는 분지형, 바람직하게는 비치환된 C1 내지 C30 알킬 라디칼 또는 tert-부틸로 단일- 또는 다중치환된 페놀이다. 특히 바람직한 사슬 종결제는 페놀, 큐밀페놀 및/또는 p-tert-부틸페놀이다. 이용되는 사슬 종결제의 양은 각 경우에 이용되는 디페놀의 몰수를 기준으로 하여 바람직하게는 0.1 내지 5 몰%이다. 사슬 종결제의 첨가는 카르복실산 유도체와의 반응 전, 동안 또는 후에 수행될 수 있다.
적합한 분지 형성제는 폴리카르보네이트 화학에서 전형적인 삼관능성 또는 삼관능성 초과의 화합물, 특히 세 개 또는 세 개 초과의 페놀성 OH 기를 갖는 것들이다.
적합한 분지 형성제는 예를 들어 1,3,5-트리(4-히드록시페닐)벤젠, 1,1,1-트리(4-히드록시페닐)에탄, 트리(4-히드록시페닐)페닐메탄, 2,4-비스(4-히드록시페닐이소프로필)페놀, 2,6-비스(2-히드록시-5'-메틸벤질)-4-메틸페놀, 2-(4-히드록시페닐)-2-(2,4-디히드록시페닐)프로판, 테트라(4-히드록시페닐)메탄, 테트라(4-(4-히드록시페닐이소프로필)페녹시)메탄 및 1,4-비스((4',4-디히드록시트리페닐)메틸)벤젠 및 3,3-비스(3-메틸-4-히드록시페닐)-2-옥소-2,3-디히드로인돌이다.
임의적 이용을 위한 분지 형성제의 양은 각 경우에 사용되는 디페놀의 몰수를 기준으로 하여 바람직하게는 0.05 몰% 내지 3.00 몰%이다. 분지 형성제는 수성 알칼리 상 내에서 디페놀 및 사슬 종결제와 함께 초기에 충전되거나 또는 포스겐화 전에 유기 용매 내 용해되어 첨가될 수 있다. 에스테르교환 공정의 경우 분지 형성제는 디페놀과 함께 이용된다.
특히 바람직한 폴리카르보네이트는 비스페놀 A를 기재로 하는 호모폴리카르보네이트, 1,3-비스(4-히드록시페닐)-3,3,5-트리메틸시클로헥산을 기재로 하는 호모폴리카르보네이트 및 두 단량체 비스페놀 A와 1,1-비스(4-히드록시페닐)-3,3,5-트리메틸시클로헥산을 기재로 하는 코폴리카르보네이트이다.
코폴리카르보네이트 역시 또한 사용될 수 있다. 이들 코폴리카르보네이트를 제조하기 위해 사용되는 디페놀의 총량을 기준으로 하여, 1 내지 25 중량%, 바람직하게는 2.5 중량% 내지 25 중량%, 특히 바람직하게는 2.5 중량% 내지 10 중량%의, 히드록시아릴옥시 말단 기를 갖는 폴리디오르가노실록산이 이용될 수 있다. 이들은 공지되어 있고 (US 3 419 634, US-PS 3 189 662, EP 0 122 535, US 5 227 449) 문헌에 공지된 방법에 의해 제조될 수 있다. 폴리디오르가노실록산-함유 코폴리카르보네이트도 마찬가지로 적합하다; 폴리디오르가노실록산-함유 코폴리카르보네이트의 제조는 예를 들어 DE-A 3 334 782에 기재되어 있다.
폴리카르보네이트는 단독으로 또는 폴리카르보네이트의 혼합물로서 존재할 수 있다. 또한 폴리카르보네이트 또는 블렌드 파트너로서의 폴리카르보네이트와 별개인 하나 이상의 플라스틱과 폴리카르보네이트의 혼합물을 이용하는 것이 가능하다.
이용될 수 있는 블렌드 파트너는 폴리아미드, 폴리에스테르, 특히 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리락티드, 폴리에테르, 열가소성 폴리우레탄, 폴리아세탈, 플루오로중합체, 특히 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에테르설폰, 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리아크릴레이트, 특히 폴리(메틸)메타크릴레이트, 폴리페닐렌옥시드, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에테르케톤, 폴리아릴에테르케톤, 스티렌 중합체, 특히 폴리스티렌, 스티렌 공중합체, 특히 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 블록 공중합체 및 폴리비닐 클로라이드를 포함한다.
최대 10.0 중량%, 바람직하게는 0.10 내지 8.0 중량%, 특히 바람직하게는 0.2 내지 3.0 중량%의, 다른 통상적인 첨가제가 경우에 따라 추가로 존재한다.
이 군은 폴리카르보네이트에 대해 통상적인 양으로 난연제, 적하방지제, 열 안정화제, 탈형제(demoulding agents), 항산화제, UV 흡수제, IR 흡수제, 대전방지제, 형광 증백제, 광산란제, 예를 들어 무기 안료, 카본 블랙 및/또는 염료를 포함하는, 안료와 같은 착색제 및 무기 충전제를 포함한다. 이들 첨가제는 단독으로 또는 혼합되어 첨가될 수 있다.
폴리카르보네이트의 경우에 통상적으로 첨가되는 그러한 첨가제는, 예를 들어, EP-A 0 839 623, WO-A 96/15102, EP-A 0 500 496에 또는 문헌 ["Plastics Additives Handbook", Hans Zweifel, 5th Edition 2000, Hanser Verlag, Munich]에 기재되어 있다.
본 발명에 관련한 다층 복합재는 섬유 복합재 물질의 세 개 이상의 중첩된 플라이를 포함한다.
"섬유 복합재"는 본 발명에 따라 플라스틱 매트릭스 내 매립된 무한 섬유를 포함하는 복합재를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서 다층 복합재는 섬유 복합재의 세 개 이상 중첩된 그리고 표면으로 상호결합된 플라이를 포함한다.
본 발명의 다층 복합재의 섬유 복합재의 플라이는 각 플라이 내 단방향으로 정렬되고 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 내 매립된 무한섬유를 포함한다. 특히 이들 무한 섬유는 실질적으로 섬유 복합재의 플라이의 전체 길이에 걸쳐 있다.
본 발명의 한 특정 실시양태에서 다층 복합재의 모든 섬유 복합재 플라이는 면대면으로 결합되고, 여기서 각 플라이 내에서 무한 섬유는 단방향으로 정렬되고 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 내 매립된다. 이 실시양태에서 추가의 물질 플라이가 경우에 따라 섬유 복합재 플라이 사이에 존재할 수 있다.
섬유 복합재의 플라이 외에도 본 발명에 따른 다층 복합재는 또한 하나 이상의 추가의 플라이를 포함할 수 있다. 본원에 언급될 수 있는 예는 섬유 복합재의 플라이 내 사용된 플라스틱 매트릭스와 동일하거나 다를 수 있는 플라스틱의 추가의 플라이다. 특히 이들 플라스틱 플라이는 또한 본 발명에 따라 제공된 무한 섬유와 구별되는 충전제를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 다층 복합재는 또한 접착 플라이, 직조 플라이, 부직조 플라이 또는 예를 들어 코팅 층과 같은, 표면-강화 플라이를 포함할 수 있다. 이들 추가의 플라이는 섬유 복합재의 내부 및 외부 플라이 사이, 섬유 복합재의 복수개의 내부 플라이들 사이 및/또는 섬유 복합재의 외부 플라이의 하나 또는 둘 모두의 상부에 존재할 수 있다. 그러나 섬유 복합재의 외부 플라이와 섬유 복합재의 하나 이상의 내부 플라이가 상호결합되어 그 사이에 추가의 플라이가 존재하지 않는 것이 바람직하다. 실제 시험은 본 발명에 따른 다층 복합재는 그러한 추가의 개재된 물질 플라이 없이도 유리한 기계적 특성 및 금속 촉각 및 광학을 나타낸다는 것을 보여주었다. 본 발명의 추가의 실시양태에서 다층 복합재의 모든 섬유-포함 플라이는 각 플라이 내 단방향으로 정렬되고 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 내 매립된 무한 섬유를 포함하는 본 발명에 따른 섬유 복합재 플라이다. 다층 복합재는 또한 오로지 각 플라이 내 단방향으로 정렬되고 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 내 매립된 무한 섬유를 포함하는 본 발명에 따른 섬유 복합재 플라이로만 구성될 수 있으며, 여기서 예를 들어 코팅 층과 같은, 하나 이상의 표면-강화 플라이는, 경우에 따라 섬유 복합재의 외부 플라이의 하나 또는 둘 모두의 상부에 존재할 수 있다.
다층 복합재가 여섯 개, 바람직하게는 다섯 개, 특히 네 개, 특히 바람직하게는 세 개의 내부 섬유 복합재 플라이를 포함하는 경우 본 발명에 관련해서 유리하다는 것이 입증되었다. 그러나, 본 발명에 따른 다층 복합재는 또한 두 개 또는 여섯 개 초과, 예를 들어 일곱 개, 여덟 개, 아홉 개, 열 개 또는 열 개 초과의 내부 섬유 복합재 플라이를 포함할 수 있다.
섬유 복합재의 개별 플라이는 실질적으로 동일한 또는 다른 구성 및/또는 배향을 가질 수 있다.
섬유 복합재 플라이의 "실질적으로 동일한 구성"은 본 발명에 관련해서 화학적 조성물, 섬유 부피 함량 및 층 두께를 포함하는 군으로부터 적어도 하나의 특징이 동일하다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
"화학적 조성물"은 무한 섬유의 화학적 조성물 및/또는 섬유 복합재의 플라스틱 매트릭스의 화학적 조성물을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서 섬유 복합재의 외부 플라이는 그들의 조성물, 그들의 섬유 부피 함량 및 그들의 층 두께 면에서 실질적으로 동일한 구성을 갖는다.
본 발명에 따르면 섬유 복합재의 "외부 플라이"는 플라이 내 단방향으로 정렬되고 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 내 매립된 무한 섬유를 포함하며 각 경우에 다층 복합재의 다른 섬유 복합재 플라이에 대해 가장 바깥쪽에 있는 섬유 복합재 플라이를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 그러므로 본 발명에 관련해서 "내부 플라이"는 두 개의 외부 플라이 사이에 위치한 모든 섬유 복합재 플라이다. 하나 이상의 추가의 물질 플라이, 예를 들어 하나 이상의 플라스틱 플라이, 외장/베니어 및/또는 코팅 층이 섬유 복합재의 외부 플라이의 외부에 위치할 수 있다는 것이 명확히 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본 발명에 관련해서 "단방향의"는 무한 섬유가 실질적으로 단방향으로 정렬되고, 즉 종방향으로 동일 방향을 가리키므로 동일 연장 방향(running direction)을 가진다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "실질적으로 단방향의"는 이러한 맥락에서 섬유 연장 방향의 편차가 최대 5 %까지 가능하다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 섬유 연장 방향의 편차가 3 %보다 현저히 아래, 특히 바람직하게는 1 %보다 현저히 아래인 경우가 바람직하다.
본 발명에 따른 적합한 무한 섬유의 예로는 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 아라미드 섬유, 액정 중합체 섬유, 폴리페닐렌 술피드 섬유, 폴리에테르 케톤 섬유, 폴리에테르 에테르 케톤 섬유, 폴리에테르 이미드 섬유 및 그의 혼합물이 있다. 유리 섬유 또는 탄소 섬유의 사용은 특히 실용적인 것으로 입증되었다.
본 발명의 특히 바람직한 실시양태에서 이용된 섬유는 탄소 섬유이다.
240 GPa 초과, 바람직하게는 245 GPa 초과, 특히 바람직하게는 250 GPa 이상의 탄성 모듈러스를 갖는, 무한 섬유, 특히 탄소 섬유를 사용하는 것이 본 발명의 특정 실시양태에 대해 특히 실용적인 것으로 입증되었다. 그러한 탄소 섬유는 미쓰비시 레이온 캄파니, 리미티드 (Mitsubishi Rayon CO., LtD.)로부터 상표명 파이로필(Pyrofil)로 시판된다. 실제 시험 결과 이들 탄소 섬유는 본 발명에 따른 섬유 복합재 플라이를 얻기 위한 가공 동안 특히 양호한 퍼짐성을 특징으로 하는 것으로 나타났다.
추가의 플라이가 섬유 복합재의 외부 플라이 상부에 적용될 수 있고, 여기서 이들 플라이가 예를 들어 추가의 섬유 복합재 플라이, 플라스틱 플라이 또는 코팅 층일 수 있고, 여기서 섬유 복합재의 외부 플라이 상부에 적용될 수 있는 섬유 복합재 플라이는 플라이 내 단방향으로 정렬되고 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 내 매립된 무한 섬유를 함유하지 않는 것은 본 발명의 범위 내이다.
본 발명의 한 특정 실시양태에서 섬유 복합재의 세 개 이상의 플라이는 실질적으로 대칭 방식으로 배치되고, 여기서 섬유 복합재의 두 개의 외부 플라이는 화학적 조성물, 섬유 부피 함량 및 층 두께를 포함하는 군으로부터 하나의 특징 면에서 실질적으로 동일한 구성을 가진다.
본 발명에 관련해서 "실질적으로 대칭"은 다층 복합재의 섬유 복합재 플라이가 화학적 조성물, 섬유 부피 함량 및 층 두께를 포함하는 군으로부터의 적어도 하나의 특징, 바람직하게는 모든 특징 면에서, 섬유 복합재의 두 개의 외부 플라이에 의해 바깥 쪽으로 범위가 정해지는 다층 복합재의 두께의 절반에 걸쳐 섬유 복합재의 플라이에 평행하게 연장되는 거울 면에 대하여 실질적으로 동일한 구성을 갖는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서 섬유 복합재의 세 개 이상의 플라이는 실질적으로 대칭적으로 배치되고, 여기서 섬유 복합재의 두 개의 외부 플라이는 화학적 조성물, 섬유 부피 함량 및 층 두께를 포함하는 군으로부터의 모든 특징 면에서 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 본 발명의 추가의 특히 바람직한 실시양태에서 섬유 복합재의 세 개 이상의 플라이는 대칭적으로 배치되고, 여기서 섬유 복합재의 두 개의 외부 플라이는 동일한 구성을 갖는다.
본 발명에 따른 다층 복합재에서 섬유 복합재의 외부 플라이는 섬유 복합재의 적어도 하나의 내부 플라이보다 섬유 복합재의 플라이의 총 부피를 기준으로 한 섬유의 더 낮은 부피 함량을 갖는다. 어떤 과학적 이론에도 구속되기를 바라지는 않지만 외부 섬유 복합재 플라이 내 더 낮은 섬유 부피 함량은 폴리카르보네이트-기재 플라스틱에 의한 무한 섬유의 개선된 습윤성을 초래하여 본질적으로 모든 무한 섬유 및 개재된 공극이 습윤된 것으로 보인다. 따라서, 표면으로부터 돌출된 건조 섬유 및 공기의 혼입 형태의 다층 복합재의 표면 상 결함의 형성은 본 발명에 따른 다층 복합재의 외부 섬유 복합재 플라이의 더 낮은 섬유 부피 함량에 의해 실질적으로 회피될 수 있다. 외부 층 내 섬유의 더 낮은 부피 함량에도 불구하고 본 발명에 따른 플라이 구조를 통해 양호한 기계적 특성을 갖는 복합재를 얻는 것이 놀랍게도 여전히 가능하다.
본 발명의 하나의 실시양태에서 섬유 복합재의 외부 플라이는 50 부피% 이하, 바람직하게는 45 부피% 이하, 특히 42 부피% 이하의 섬유 부피 함량을 갖는다.
본 발명의 한 특정 실시양태에서 섬유 복합재의 외부 플라이는 30 부피% 이상, 바람직하게는 35 부피% 이상, 특히 37 부피% 이상의 섬유 부피 함량을 갖는다.
섬유 복합재의 내부 플라이는 섬유 복합재의 플라이의 총 부피를 기준으로 하여 40 내지 60 부피%, 바람직하게는 45 내지 55 부피%, 특히 바람직하게는 48 내지 52 부피%의 섬유 부피 함량을 가질 수 있다.
"부피%"는 이러한 맥락에서 섬유 복합재의 플라이의 총 부피를 기준으로 한 부피 분율 (% v/v)을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
만약 섬유 부피 함량이 30 부피% 미만인 경우 점 부하 아래 생성된 섬유 복합재의 기계적 특성은 종종 최적 상태에 이르지 못하고, 즉 섬유 복합재는 점 부하를 충분히 견딜 수 없고 일부 경우에 심지어 관통된다. 60 부피%를 초과하는 섬유 부피 함량은 마찬가지로 섬유 복합재의 기계적 특성의 열화를 초래한다. 어떤 과학적 이론에도 구속되기를 바라지는 않지만 그 이유는 섬유가 그러한 높은 섬유 부피 함량에서의 함침 동안 더 이상 충분히 습윤될 수 없으므로 공기의 혼입 증가와 기계적 특성에 유해한 효과를 갖는 섬유 복합재의 증가된 표면 결함의 발생을 초래하기 때문인 것으로 보인다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서 다층 복합재는 0.5 내지 2 mm, 바람직하게는 0.8 내지 1.8 mm, 특히 0.9 내지 1.2 mm의 총 두께를 갖는다. 실제 시험은 본 발명에 따른 다층 복합재가 이러한 얇은 두께에서도 탁월한 기계적 특성을 달성할 수 있음을 보여주었다.
섬유 복합재의 모든 내부 플라이의 합이 200 ㎛ 내지 1200 ㎛, 바람직하게는 400 ㎛ 내지 1000 ㎛, 특히 바람직하게는 500 ㎛ 내지 750 ㎛의 총 두께를 갖는 경우 특히 유리한 것으로 입증되었다.
또한 섬유 복합재의 두 개의 외부 플라이의 각 두께가 각각, 100 내지 250 ㎛, 바람직하게는 120 ㎛ 내지 230 ㎛, 특히 바람직하게는 130 ㎛ 내지 180 ㎛인 경우 본 발명에 관련해서 유리하다.
놀랍게도 기계적 특성 면에서 본 발명에 따른 다층 복합재가 0.3 내지 0.65, 바람직하게는 0.35 내지 0.58, 특히 바람직하게는 0.39 내지 0.5의 섬유 복합재의 모든 내부 플라이의 합에 대한 두 개의 외부 플라이 합의 두께 비율을 갖는 경우 특히 양호한 결과가 달성된다는 것이 본 발명에 관련해서 발견되었다. 놀랍게도 모든 내부 플라이의 합에 대한 두 개의 외부 플라이의 합의 상기 언급된 두께 비율을 갖는 다층 복합재는 이 두께 비율을 갖지 않는 다층 복합재에 비해 더 개선된 기계적 특성을 나타낸다는 것이 발견되었다. 특히 예를 들어 0°및 90°둘 다에서 실험 부분에 기재된 방법에 따라 측정시 전자 장치용 하우징 부분으로서 사용하기에 충분히 높은 탄성 모듈러스를 나타내는 다층 복합재를 얻는 것은 상기 언급한 두께 비율로 가능하다.
다층 복합재의 표면의 광학 및 평활성의 추가의 개선이 중요한 실시양태에서 본 발명에 따른 다층 복합재가 0.3 내지 0.65, 바람직하게는 0.35 내지 0.58, 특히 바람직하게는 0.39 내지 0.5의 섬유 복합재의 모든 내부 플라이의 합에 대한 두 개의 외부 플라이의 합의 두께 비율을 가질 때 마찬가지로 유리한 것으로 입증되었다. 실제 시험은 이들 다층 복합재가 개선된 광학, 평활성 및 표면의 개선된 코팅성과 관련된 다층 복합재의 표면의 파형을 감소시켰다는 것을 보여주었다. 특히 섬유 복합재의 하나 이상의 외부 플라이의 표면은 10.5 ㎛ 미만, 바람직하게는 10.0 ㎛ 미만, 특히 바람직하게는 9.5 ㎛ 미만의 이차 평균 파형 (Wq), 및/또는 8.5 ㎛ 미만, 바람직하게는 8.0 ㎛ 미만, 특히 바람직하게는 7.5 ㎛ 미만의 산술 평균 파형 (Wa), 및/또는 60.0 ㎛ 미만, 바람직하게는 58.0 ㎛ 미만, 특히 바람직하게는 56.0 ㎛ 미만의 계산 길이에 대한 파형 프로파일의 총 높이 (Wt)를 가진다.
섬유 복합재의 내부 플라이가 동일 배향을 갖고 섬유 복합재의 외부 플라이에 대한 그들의 배향이 90°로 회전된 경우 특히 실용적인 것으로 입증되었다. 그러나 내부 플라이를 외부 플라이에 대해 30°, 40°, 50°, 60°, 70°또는 80°로 회전시키는 것도 고려할 수 있다. 각 경우 이 배향은 기재된 가이드 값으로부터 ±5°, 바람직하게는 ±3°, 특히 바람직하게는 ±1°만큼 편차가 날 수 있다.
본 발명에 따른 다층 복합재의 섬유 복합재 플라이는 당업자에게 공지된 섬유 복합재의 통상적인 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
하기 제조 방법이 사용되는 경우 기계적 특성 및 표면 평활성 면에서 특히 양호한 결과가 달성되었다: 본 발명의 바람직한 실시양태에서 다층 복합재의 섬유 복합재 플라이는 용융된 폴리카르보네이트-기재 플라스틱을 압력-전단 진동을 적용하여 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높게 예열된 무한 섬유 웹에 적용하여 생산할 수 있다. 그러한 제조 방법은 DE 10 2011 005 462 B3에 기재되어 있다.
놀랍게도 이와 같이 제조된 섬유 복합재 플라이는 폴리카르보네이트-기재 및 이에 따른 응력-균열-경향이 있는 플라스틱의 사용에도 불구하고 공기의 혼입의 특히 낮은 비율 및 매우 양호한 기계적 특성을 특징으로 한다는 것이 발견되었다. 이와 같이 제조된 섬유 복합재 플라이로부터 얻을 수 있는 본 발명에 따른 다층 복합재는 금속 촉각 및 광학 뿐만 아니라 특히 점 부하와 관련하여, 매우 양호한 기계적 특성을 나타낸다.
본 발명에 따른 다층 복합재의 섬유 복합재의 세 개 이상의 플라이는 바람직하게는 본질적으로 공극을 포함하지 않으며, 특히 본질적으로 공기의 혼입을 포함하지 않는다.
"본질적으로 공극 없음"은 한 실시양태에서 본 발명에 따른 다층 복합재의 섬유 복합재의 세 개 이상의 플라이의 공극 함량이 2 부피% 미만, 특히 1 부피% 미만, 특히 바람직하게는 0.5 부피% 미만인 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
섬유 복합재 플라이 또는 다층 복합재의 공극 함량은 일반적으로 허용되는 것으로 간주되는 다른 방식으로 측정될 수 있다. 예를 들어 시험 시료의 공극 함량은 수지 애슁(ashing) 시험에 의해 측정될 수 있는데, 여기서 시험 시료는 예를 들면 시험 시료 내 섬유를 둘러싼 수지를 소각하기 위해 오븐에서 세 시간 동안 600 ℃의 온도로 노출된다. 그 후 이와 같이 노출된 섬유의 질량은 시험 시료의 공극 함량에서 추가의 계산 단계 후에 도달하기 위해 측정될 수 있다. 그러한 수지 애슁 시험은 섬유 및 중합체 매트릭스의 개별 중량을 측정하기 위해 ASTM D 2584-08에 따라 수행될 수 있다. 시험 시료의 공극 함량은 다음의 방정식 1을 이용해 추가의 단계에서 그로부터 측정할 수 있다:
V f = 100 * (ρt ― ρc) / ρt (방정식 1)
여기서
Vf 는 샘플 내 공극 함량이고 [%];
ρc 는 예를 들어 액체 및 기체 비중측정법에 의해 측정되는, 시험 시료의 밀도이고;
ρt 는 다음의 방정식 2 에 따라 측정되는 시험 시료의 이론적인 밀도이고
ρt = 1 / [W f / ρf +W m / ρm] (방정식 2)
ρm 는 중합체 매트릭스의 밀도이고 (예를 들어 적절한 결정성을 위한);
ρf 는 사용된 섬유의 밀도이고;
Wf 는 사용된 섬유의 중량 분율이고
Wm 는 중합체 매트릭스의 중량 분율이다.
대안으로, 공극 함량은 ASTM D 3171-09에 따라 시험 시료의 밖으로 중합체 매트릭스의 화학적 용해에 의해 측정할 수 있다. 수지 애슁 시험 및 화학적 용해 방법은 일반적으로 용융 또는 화학적 처리에 불활성인 유리 섬유에 더 적합하다. 더 민감한 섬유에 대한 추가의 방법은 ASTM D 2734-09 (방법 A)에 따른 중합체, 섬유 및 시험 시료의 밀도에 의한 공극 함량의 간접적 계산이고, 여기서 밀도는 ASTM D792-08 (방법 A)에 따라 측정될 수 있다. 또한 통상적인 현미경에 의해 측정되는 화상 기록의 공극 함량을 평가하기 위해 화상 프로세싱 프로그램, 그리드 템플릿 또는 결함 계수를 이용할 수 있다.
공극 함량을 측정하는 추가의 방법은 알려진 기본 중량 및 중합체와 섬유의 밀도에 대한 이론적인 구성요소 두께와 실제 구성요소 두께 사이의 층 두께 차이의 측정을 포함하는 두께 차이 방법이다. 이론적인 구성요소 두께의 계산은 구성에 공극이 존재하지 않으며 중합체로 섬유가 완전히 습윤된 것으로 가정한다. 두께 차이를 실제 구성요소 두께와 관련시키면 공극 함량 백분율을 얻는다. 이들 두께는 예를 들어 마이크로미터로 측정될 수 있다. 이 방법에 있어서, 오차-최소화된 결과는 바람직하게는 4 층 초과, 특히 바람직하게는 6 층 초과 및 매우 특히 바람직하게는 8 층 초과의 복수개의 개별 층으로 구성된 구성요소 상의 공극 함량을 측정함으로써 바람직하게 측정될 수 있다.
상기 기재된 모든 방법이 적절한 표준을 공동-시험할 때 유사한 결과를 낳지만 본원에 기재된 공극 함량은 실시예에 기록된 두께 차이 방법에 의해 측정되었다.
본 발명에 따른 다층 복합재의 섬유 복합재의 세 개의 플라이가 공극이 없는 경우, 특히 공기의 혼입이 없는 경우 매우 특히 바람직하다.
"무한 섬유 웹"은 본 발명에 따라 함께 모아진 복수개의 로빙(roving)을 의미하는 것으로 이해되어야 하고, 여기서 로빙은 많은 무한 섬유의 꼬이지 않은 다발이다.
다층 복합재의 섬유 복합재 플라이의 바람직한 제조 방법은 특히 다음의 단계를 포함한다:
- 무한 섬유 웹을 제공하고 가공 라인을 따라 무한 섬유 웹을 운송하는 단계,
- 무한 섬유 웹을 폴리카르보네이트-기재 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높은 가공 온도로 예열하는 단계,
- 무한 섬유 웹의 전체 폭에 걸친 용융된 폴리카르보네이트-기재 플라스틱을 무한 섬유 웹의 하나의 표면에 적용하는 단계,
- 폴리카르보네이트-기재 플라스틱의 적용 후 웹의 면에 수직인 무한 섬유 웹에 압력을 가하는데, 여기서 압력의 적용은 웹 연장 방향에 대해 횡으로 웹 면의 진동 운동 구성요소로 프레싱 램(pressing ram)에 전단 진동이 동시에 가해지는 적어도 하나의 프레싱 램에 의해 실시되는 단계,
- 적어도 압력-전단 진동의 적용이 끝날 때까지 무한 섬유 웹을 폴리카르보네이트-기재 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높은 가공 온도 범위 내에서 유지하는 단계.
압력-전단 진동의 하기 적용을 통한 용융 적용은 미가공(raw) 섬유 웹이 폴리카르보네이트-기재 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높은 온도에 있는 한 미가공 섬유 웹의 전체 섬유 부피 구조로의 플라스틱 용융물의 효과적인 혼입을 야기한다. 380 ℃의 무한 섬유 웹의 온도를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 무한 섬유 웹의 온도는 통상적으로 180 ℃ 와 260 ℃ 사이, 바람직하게는 200 ℃ 와 240 ℃사이, 특히 바람직하게는 210 ℃ 와 230 ℃ 사이, 특히 220 ℃이다. 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높게 가열하거나 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높게 유지하는 것을 언급할 때, 이는 플라스틱이 완전히 용융된 상태인 온도로 가열하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 플라스틱의 유리 전이 온도는 DIN EN ISO 17025에 따라 측정될 수 있다. 플라스틱 용융물과 무한 섬유 웹의 접촉시 섬유 온도와 용융물 온도 사이의 차이는 60 ℃ 내지 120 ℃, 바람직하게는 70 ℃ 내지 110 ℃, 특히 바람직하게는 80 ℃ 내지 100 ℃의 범위 내이다. 압력-전단 진동의 적용은 미가공 섬유 웹 내 여전히 존재하는 기체 부피의 효율적인 배출을 야기한다. 공정은 연속적인 방식으로 수행될 수 있다. 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 무한 섬유 웹의 유지는 폴리카르보네이트-기재 플라스틱이 무한 섬유 웹 내 및 상부에 완전히 침투 및 배분되기 전에 원하지 않는 응고를 일으키지 않는 것을 보장한다. 이 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높은 온도의 유지는 휴식 간격 동안 압력-전단 진동의 적용의 종료 후에 계속될 수 있다. 일단 표시된 공정 단계가 수행되면 제조된 함침된 무한 섬유 웹은 정해진 방식으로 냉각될 수 있다. 무한 섬유 웹은 수많은 무한 섬유를 포함할 수 있다. 압력-전단 진동의 적용은 섬유 웹의 양호한 플라스틱 침투, 즉 섬유에 대한 손상이, 만약 있다면, 거의 없는, 양호한 함침을 달성하는 것을 가능하게 한다.
주변 대기압 하에서 무한 섬유 웹이 운반되는 동안 폴리카르보네이트-기재 플라스틱의 무한 섬유 웹에 대한 적용이 이루어지도록 다층 복합재의 섬유 복합재 플라이의 제조방법이 수행되는 경우 특히 바람직하다. 플라스틱의 그러한 적용은 가압된 적용 챔버(chamber)의 복잡하고 불편한 외부 밀봉을 피한다.
또한 플라스틱 적용 후 무한 섬유 웹의 단면에 대한 압력-전단 진동의 적용이 가공 라인을 따라 연속하여 그리고 반복하여 이루어지도록 다층 복합재의 섬유 복합재 플라이를 제조하는 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 또한 플라스틱 적용 후 무한 섬유 웹의 단면에 대한 압력-전단 진동의 적용이 웹 면의 양면으로부터 이루어지도록 공정이 수행되는 것도 가능하다. 압력-전단 진동의 반복된 적용은 제조 방법의 효율을 높인다. 압력-전단 진동의 적용을 위한 다양한 장치의 횡단 운동 구성요소는 동기화된 대향 방식, 즉 푸시풀(push-pull) 방식으로 제어될 수 있다. 미가공 섬유 웹이 기정 시간 간격 동안 그 것에 적용되는 압력 및/또는 전단 진동을 갖지 않는 휴식 간격은 각 경우에 연속적인 압력-전단 진동의 적용 사이에 목표가 된 방식으로 제공될 수 있다. 양 측면으로부터의 압력-전단 진동의 적용은 가공 라인에서 연속하여 배열된 압력 적용 장치의 방식에 의해 이루어질 수 있다. 대안으로, 양 측면으로부터의 압력-전단 진동의 동시 적용이 가능하다. 또한 양 측면으로부터의 압력-전단 진동의 적용은 동기화된 대향 방식, 즉 제어된 푸시풀 방식으로 발생하는 횡단 운동 구성요소로 이루어질 수 있다.
압력-전단 진동의 적용의 주파수는 1 Hz와 40 kHz 사이의 범위 내일 수 있다. 압력-전단 진동의 적용의 진폭은 0.1 mm와 5 mm 사이의 범위 내일 수 있다. 압력-전단 진동의 적용의 압력은 0.01 MPa와 2 MPa 사이의 범위 내일 수 있다.
본 발명은 추가로 본 발명에 따른 다층 복합재를 제조하는 방법을 제공하는데:
- 섬유 복합재의 하나 이상의 내부 플라이 및 섬유 복합재의 두 개의 외부 플라이를 제공하고, 여기서 개별 섬유 복합재 플라이의 제조는 용융된 폴리카르보네이트-기재 플라스틱을 압력-전단 진동을 적용하여 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높게 예열된 무한 섬유 웹에 적용함에 의해 이루어지고,
- 외부 섬유 복합재 플라이 사이에 섬유 복합재의 하나 이상의 내부 플라이를 도입하고, 여기서 섬유 복합재의 내부 플라이는 동일 배향을 갖고 섬유 복합재의 외부 플라이에 대한 그들의 배향은 30°내지 90°로 회전되며,
- 다층 복합재를 얻기 위해, 특히 압력 및/또는 온도에 의해, 섬유 복합재의 층을 이룬 플라이를 결합하는, 단계들을 포함한다.
"섬유 복합재의 층을 이룬 플라이를 결합하는 것"은 본 발명에 따라 섬유 복합재의 층을 이룬 플라이의 물리적 결합을 야기하는 임의의 공정을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 다층 복합재를 얻기 위한 섬유 복합재의 층을 이룬 플라이의 결합은 압력 및/또는 온도에 의해, 예를 들어 라미네이션에 의해 이루어지는 경우 바람직하다. 다층 복합재를 얻기 위한 섬유 복합재의 층을 이룬 플라이 결합에 이용된 압력은 5 내지 15 bar, 바람직하게는 7 내지 13 bar, 특히 바람직하게는 8 내지 12 bar의 범위 내일 수 있다. 섬유 복합재 플라이 결합 온도는 80 ℃ 내지 300 ℃일 수 있다. 만약 가열 및 냉각 영역이 있는 결합 공정이 이용될 때 가열 영역에서 섬유 복합재 플라이를 결합하기 위한 온도는 220 ℃ 내지 300 ℃, 바람직하게는 230 ℃ 내지 290 ℃, 특히 바람직하게는 240 ℃ 내지 280 ℃일 수 있다. 냉각 영역에서 온도는 80 ℃ 내지 140 ℃, 바람직하게는 90 ℃ 내지 130 ℃, 특히 바람직하게는 100 ℃ 내지 120 ℃일 수 있다.
그러나, 섬유 복합재의 층을 이룬 플라이를 결합하기 위해 라미네이션 외에도, 접착제 접합 또는 용접 또한 가능하다.
바람직한 실시양태에서 섬유 복합재의 층을 이룬 플라이의 결합은 섬유 복합재의 면대면으로 결합된 플라이를 야기한다. 이 맥락에서 "면대면"은 50 % 이상, 바람직하게는 75 %, 90 %, 95 %, 99 % 이상 또는 100 % ("균일한" 결합)의 서로 마주보는 섬유 복합재의 두 개의 인접한 플라이의 표면이 직접 상호결합된 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 결합의 정도는 현미경에 의한 단면으로 측정되거나 그렇지 않으면 섬유 복합재 내, 공동, 예를 들어 공기의 혼입의 부재에 의해 측정될 수 있다.
전자 장치의 하우징으로 사용하기에, 또는 하우징에 이용하기에, 적합한 하우징 부분의 제조는:
a) 출발 물질로서 본 발명에 따른 다층 복합재를 제공하고,
b) 하우징 부분을 얻기 위해 추가의 구성요소로 성형 및/또는 조립하는 단계를 수행하는 것을 수반한다.
본 발명에 관련해서 하우징 부분은 전자 장치의 하우징 (IT 하우징)으로 사용하기에, 또는 하우징에 이용하기에, 적합한 임의의 부분이다. 예를 들어 본 발명에 관련해서 하우징 부분은 이동 전화의 배면, 랩탑의 밑면, 랩탑의 모니터 이면, 태블릿의 배면 등 또는 그렇지 않으면 단지 이동 전화의 배면, 랩탑의 밑면, 랩탑의 모니터 이면, 태블릿의 배면 등의 구성요소일 수 있다.
특정 실시양태에서 하우징 부분은 모니터 이면 (소위 "a-커버") 또는 랩탑의 밑면 (소위 "d-커버")이고 또는 모니터 이면 또는 랩탑의 밑면의 구성요소이다.
본 발명에 따른 다층 복합재의 추가의 장점은 임의의 원하는 형상으로 성형될 수 있다는 것이다. 성형은 당업자에게 공지된 임의의 성형 공정에 의해 달성될 수 있다. 그러한 성형 공정은 압력 및/또는 열의 작용 하에 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 하나의 실시양태에서 성형은 열의 작용 하에, 특히 열성형에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명은 전자 장치의 하우징으로 사용하기에, 또는 하우징에 이용하기에, 적합한 하우징 부분을 추가로 제공하고, 여기서 하우징 부분은 본 발명에 따른 다층 복합재를 포함하거나 본 발명에 따른 하우징 부분의 제조 방법에 의해 얻을 수 있고 여기서 전자 장치의 하우징은 바람직하게는 모니터 이면 또는 랩탑의 밑면이다.
또한 본 발명은 특히 본 발명에 따른 다층 복합재를 포함하거나 또는 하우징 부분의 제조 방법에 의해 얻을 수 있는 컴퓨터, 모니터, 태블릿 또는 전화, 여기서 컴퓨터는 바람직하게는 랩탑인 전자 장치를 제공한다.
전자 장치의 하우징으로서 또는 전자 장치의 하우징에 사용되기 위해 본 발명에 따른 다층 복합재는 예를 들어 전자 장치를 떨어트리거나 의도치 않게 밟았을 때 생성되는 점 부하를 견딜 수 있어야 한다. 본 발명에 따른 다층 복합재는 특히 미적으로 만족스러운 실질적으로 결함이 없는 표면을 가질 뿐만 아니라 또한 특히 점 부하에 잘 견딘다. 이는 그들을 IT 하우징에 사용하기에 특히 적합하게 한다.
0°방향에서 55 GPa 초과의 탄성 복합 모듈러스 및 90°방향에서 28 GPa 초과의 탄성 모듈러스를 갖는 본 발명에 따른 다층 복합재가 전자 장치의 하우징에 요구되는 점 부하능 요구조건을 특히 잘 만족시킨다는 것을 발견한 것은 놀라웠다. 본 발명에 따른 다층 복합재는 바람직하게는 0°방향에서 60 GPa 초과의 탄성 복합 모듈러스 및 90°방향에서 28 GPa 초과의 탄성 모듈러스를 갖는다. 견본이 되는 실시양태에 기재된 바와 같이 이 선택 규칙은 특히 다층 복합재 내 상대적인 층 두께 및/또는 섬유 부피 함량의 조정에 의해 관찰될 수 있다.
또한 본 발명은 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 내 매립된 단방향으로 정렬된 무한 섬유를 포함하는 섬유 복합재 플라이를 제공한다. 이 폴리카르보네이트-기재 플라스틱은 바람직하게는 선형 폴리카르보네이트이고 단방향으로 정렬된 무한 섬유는 바람직하게는 240 GPa 초과의 탄성 모듈러스를 갖는다. 실제 시험은 그러한 섬유 복합재 플라이가 탁월한 기계적 특성을 갖는 본 발명에 따른 다층 복합재를 얻기 위한 추가의 가공에 특히 용이하다는 것을 보여주었다.
본 발명의 추가의 세부 사항 및 장점은 바람직한 실시양태를 보여주는 첨부된 도면을 따르는 설명으로부터 분명하다.
도 1은 확대된 세부 사항과 함께 섬유 복합재의 세 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재의 개략도 및 사시도를 도시하고, 여기서 내부 플라이는 섬유 복합재의 외부 플라이에 대해 90°로 회전되며,
도 2는 섬유 복합재의 다섯 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재의 개략도 및 사시도를 도시하고, 여기서 내부 플라이는 동일 배향을 갖고 섬유 복합재의 외부 플라이에 대한 그들의 배향은 90°로 회전되며,
도 3a는 섬유 복합재의 여섯 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재의 개략도 및 사시도를 도시하고, 여기서 내부 플라이는 동일 배향을 갖고 섬유 복합재의 외부 플라이에 대한 그들의 배향은 90°로 회전되며,
도 3b는 섬유 복합재의 세 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재의 개략도 및 사시도를 도시하고, 여기서 내부 플라이는 두 개의 외부 플라이의 합보다 더 큰 두께를 갖는다. 두 개의 외부 플라이의 합에 대한 내부 플라이의 두께 비율은 도 3a의 다층 복합재의 두 개의 외부 플라이의 합에 대한 모든 내부 플라이의 합의 두께 비율과 동일하며,
도 4는 섬유 복합재의 세 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재의 개략도 및 사시도를 도시하고, 여기서 섬유 복합재의 외부 플라이는 섬유 복합재의 내부 플라이보다 더 낮은 섬유 부피 함량을 가지며,
도 5a는 섬유 복합재의 세 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재 및 섬유 복합재의 외부 플라이 위 추가의 물질 플라이의 개략도 및 사시도를 도시하며,
도 5b는 섬유 복합재의 세 개의 중첩된 플라이 및 예를 들어 플라스틱 층인, 두 개의 추가의 내부 추가 물질 플라이로 만든 다층 복합재의 개략도 및 사시도를 도시하고, 여기서 내부 추가 물질 플라이는 섬유 복합재의 각 외부 플라이와 섬유 복합재의 내부 플라이 사이에 위치하며,
도 6은 랩탑의 개략도 및 사시도를 도시한다.
도 1은 섬유 복합재 2, 3의 세 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재 1의 부분을 도시하며, 여기서 섬유 복합재 2의 내부 플라이는 섬유 복합재의 외부 플라이 3에 대해 90°로 회전된다. 도 1의 확대된 세부 사항은 다층 복합재의 각 플라이 2, 3이 각 플라이 내 단방향으로 정렬되고 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 5 내 매립된 무한 섬유 4를 포함하는 것을 도시한다. 섬유 복합재 2, 3의 각 플라이의 배향은 그 안에 존재하는 단방향으로 정렬된 무한 섬유 4의 배향에 의해 결정된다. 무한 섬유 4는 다층 복합재의 전체 길이/폭에 걸쳐있다. 층 2, 3은 균일하게 상호 결합된다.
도 2에 따른 다층 복합재 1은 섬유 복합재 2, 3의 다섯 개의 중첩된 플라이로 만들고, 여기서 섬유 복합재 2의 내부 플라이는 동일 배향을 갖고 섬유 복합재 3의 외부 플라이에 대한 그들의 배향은 90°로 회전된다.
도 3a에 따른 다층 복합재 1은 섬유 복합재 2, 3의 여섯 개의 중첩된 플라이로 만들고, 여기서 섬유 복합재 2의 내부 플라이는 동일 배향을 갖고 섬유 복합재 3의 외부 플라이에 대한 그들의 배향은 90°로 회전된다. 외부 플라이 3의 각 개별 플라이의 두께, 그리고 내부 플라이 2의 각 개별 플라이의 두께가, 예를 들어 170 ㎛이면, 내부 플라이 2의 합에 대한 두 개의 외부 플라이 3의 합의 두께 비율은 (2·170 ㎛)/(4·170 ㎛) = 0.5 이다.
도 3b는 섬유 복합재 2, 3의 세 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재 1을 도시하고, 여기서 내부 플라이 2는 두 개의 외부 플라이 3의 합보다 더 큰 두께를 갖는다. 예를 들어 170 ㎛의 외부 플라이 3의 각 개별 플라이의 두께 및 680 ㎛의 내부 플라이 2의 두께에 대해, 내부 플라이 2의 합에 대한 두 개의 외부 플라이 3의 합의 두께 비율은 (2·170 ㎛)/680 ㎛ = 0.5이다. 그러므로 도 3b에 따른 두꺼운 내부 플라이 2에 대한 두 개의 외부 플라이 3의 합의 두께 비율은 도 3a의 다층 복합재 1의 네 개의 내부 플라이 2의 합에 대한 두 개의 외부 플라이 3의 합의 두께 비율과 동일하다.
도 4에 따른 다층 복합재 1은 섬유 복합재 2, 3의 세 개의 중첩된 플라이로 만들고, 여기서 섬유 복합재 3의 외부 플라이는 섬유 복합재 2의 내부 플라이보다 더 낮은 섬유 부피 함량을 갖는다. 도 4가 섬유 복합재 3의 외부 플라이 내 무한 섬유 4의 밀도가 섬유 복합재 2의 내부 플라이 내 섬유 밀도에 비해 더 낮음과/섬유 복합재 3의 외부 플라이 내 플라스틱 5의 비율이 내부 섬유 복합재 플라이 2 내 플라스틱의 비율에 비해 상응하게 더 높음을 개략적인 형태로 명확하게 보여주지만, 다른 선행 및 후속 도면도 각 외부 섬유 복합재 플라이 3이 섬유 복합재 2의 적어도 하나의 내부 플라이보다 본 발명에 따른 더 낮은 섬유 부피 함량을 나타내는 것으로 이해될 것이다.
도 5a는 섬유 복합재 3의 하나의 외부 플라이 상부에 추가의 추가 외부 물질 플라이 6을 갖는 것을 제외하고는 도 1에 표현된 바와 같은 섬유 복합재 2,3의 세 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재 1을 도시한다. 예를 들어 외부 물질 플라이 6은 하나 이상의 섬유가 없는 플라스틱 플라이 및/또는 예를 들어 코팅 층 또는 베니어와 같은, 얇은 외장을 포함할 수 있다.
도 5b는 두 개의 추가의 추가 내부 물질 플라이 7을 갖는 것을 제외하고는 도 1에 표현된 바와 같은 섬유 복합재 2,3의 세 개의 중첩된 플라이로 만든 다층 복합재 1을 도시하고, 여기서 각 내부 추가 물질 플라이 7은 섬유 복합재의 하나의 외부 플라이 3과 섬유 복합재의 내부 플라이 2 사이에 각각 위치한다. 추가 내부 물질 플라이 7은 동일한 또는 상이한 구성을 가질 수 있고 예를 들어 하나 이상의 섬유가 없는 플라스틱 플라이를 포함할 수 있다.
도 6은 랩탑의 개략적인 묘사를 도시한다. 모니터 b의 모니터 이면 a를 형성하는 랩탑의 하우징 부분은 당업계에서 "a-커버"라고도 지칭된다. 키보드 c의 밑면 d를 형성하는 랩탑의 하우징 부분은 통상적으로 "d-커버"로 지칭된다. 모니터 이면 a 및 랩탑의 밑면 d는 본 발명에 따른 다층 복합재를 포함한다.
참조 부호 목록:
1: 다층 복합재
2: 섬유 복합재의 내부 플라이
3: 섬유 복합재의 외부 플라이
4: 무한 섬유
5: 폴리카르보네이트-기재 플라스틱
6: 추가 외부 물질 플라이
7: 추가 내부 물질 플라이
a: 랩탑 모니터 이면
b: 랩탑 모니터
c: 랩탑 키보드
d: 랩탑 밑면
본 발명은 이하의 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
실시예
1. 원료 및 시험 방법의 설명
구성요소 A
(300 ℃의 시험 온도 및 1.2　kg 하중에서 ISO　1133에 따라) 6.0　cm3/10　min의 용융 부피 유동률 MVR을 갖는 비스페놀 A를 기재로 하는 선형 폴리카르보네이트.
구성요소 B
7 ㎛의 개별 필라멘트 직경, 1.81 g/cm3의 밀도 및 250 GPa의 인장 모듈러스를 갖는 미쓰비시 레이온 캄파니, 리미티드의 파이로필(Pyrofil) TRH50 60M 탄소 섬유. 60,000 개의 개별 필라멘트들은 로빙에서 무한 스풀(spool)로 얻어진다.
측정의 방법
관련 파라미터를 측정하기 위한 이하 상세하게 설명된 방법은 실시예 수행/평가를 위해 이용되었으며 또한 일반적으로 본 발명에 따라 관련된 파라미터를 측정하기 위한 방법이다.
섬유 부피 함량 측정
본 방법에서 섬유는 일정한 습윤 속도로 열가소성 용융물을 통과한다. 그러므로 섬유 복합재 플라이의 섬유 부피 함량은 열가소성 용융물의 용융 부피 유동의 차이 및 섬유 복합재 플라이의 제조 속도와 제조할 섬유 복합재 플라이의 단면적의 곱으로부터 계산된다
두께 및 두께 비율의 측정
섬유 복합재 플라이 및 결합 후 얻어지는 다층 복합재의 두께 측정은 시판되는 마이크로미터를 사용하여 이루어졌다. 보고된 결과는 다른 위치에서의 5 개의 개별 측정치의 산술 평균값이었다.
내부 섬유 복합재 플라이의 합에 대한 두 개의 외부 섬유 복합재 플라이의 두께 비율은 다층 복합재를 얻기 위한 플라이의 결합 전에 섬유 복합재의 플라이의 개별 두께의 측정에 의해 제조 과정에서 측정될 수 있다. 실제 시험은 플라이 결합의 통상적인 공정(예를 들어 압력 및 열의 작용 하 라미네이션)에서 서로에 대한 두께의 비율은 가압 및 수반되는 두께의 감소의 경우에도 실질적으로 변화하지 않는 것을 보여주었다. 본원에 기재된 두께 비율은 다층 복합재를 얻기 위한 플라이 결합 전에 제조 과정에서 측정되는 섬유 복합재의 플라이의 개별 두께에 관한 것이다.
대안으로, 두께 비율의 측정은 완성된 다층 복합재에서 또한 이루어질 수 있다. 이는 현미경에 의한 물질의 단면적의 검사에 의해 달성된다. 내부로부터 섬유 복합재의 두 개의 외부 플라이로의 전이시 섬유 연장 방향의 배향 변화는 이들 플라이를 현미경에 의해 용이하게 식별할 수 있게 한다. 층 두께 측정을 위해 섬유 복합재의 외부 플라이에 속하는 마지막 무한 섬유와 섬유 복합재의 내부 플라이에 속하는 첫 번째 무한 섬유 사이의 중간에서 섬유 연장 방향에 의해 결정되는 평면에 평행하게 연장되는 평면이 층 경계로서 사용된다.
공극 함량 측정
공극 함량이 이전에 간격 가열 프레스(press)에 의해 결합된 시험 시료에 대해 상기 기재된 바와 같이 두께 차이 방법에 의해 측정되었다. 실제 시료 두께의 측정은 구성요소 위 분산된 5 개의 측정 지점에서 이루어졌다. 공극 함량의 계산은 실제 샘플 두께의 5 개의 개별 측정의 산술 평균값을 사용했다.
파형 파라미터의 측정
표면 위 파형 파라미터는 프로파일러(Profiler) 7.21 제어 소프트웨어 및 아펙스(Apex) 3D 평가 소프트웨어를 사용하는 KLA 텐코(Tencor) P16+ TM 기기를 사용하여 측정되었다.
측정된 1차 프로파일로부터 조도 프로파일과 파형 프로파일 사이의 구별은 0.08 mm의 한계 파장의 DIN EN ISO 11562:1998에 따른 디지털 가우시안(Gaussian) 필터를 이용하여 이루어졌다.
파형 프로파일은 DIN EN ISO 4287:2010에서 정의된 산술 평균값 파형 (Wa), 이차 평균값 파형 (Wq) 및 계산 길이에 대한 파형 프로파일의 총 높이 (Wt)를 계산하기 위해 사용되었다.
2 mg의 센서의 추적 중량과 200 ㎛/sec의 센서의 공급 속도가 파라미터의 측정을 위해 선택되었다. 각 경우에 측정 거리는 30 mm였다. 계산 길이는 측정 거리와 일치했다.
하기에 보고된 파라미터는 섬유 배향에 직교하는 3 개의 개별 측정치로부터의 평균값이었다. 측정은 실온 (23 ℃)에서 이루어졌다.
탄성 굴곡 모듈러스
탄성 굴곡 모듈러스를 측정하기 위해 다이아(Dia) 절단 디스크 CFK 파인(fine) 블레이드를 사용한 뮤트로닉 다이아디스크(Mutronic Diadisc) 5200 절단 톱으로 제조된 다층 복합재 시트로부터 배향 (0°, 90°)에 따른 5 개의 시험 시료가 먼저 준비되었다. 그 후 외부 마이크로미터를 사용하여 시험과 관련된 정확한 시료 치수 (폭 및 두께)를 측정하였다. 시험은 ASTM D790-10 방법 A에 따라 수행되었다. 생성된 힘-거리 다이어그램의 기울기는 탄성 굴곡 모듈러스에 해당한다. 보고된 결과는 5 개의 개별 측정치의 산술 평균값이었다.
2. 제조 및 결과
섬유 복합재 플라이의 제조
상기-기재된 구성요소 A 및 B로부터 섬유 복합재 플라이의 제조는 DE 10 2011 005 462 B3에 기재된 방법에 따라 이루어졌다. 스프레드(spread) 로빙으로 구성된 미가공 섬유 웹은 용융된 플라스틱이 미가공 섬유 웹의 양쪽 면에 적용되기 전에 약 220 ℃의 온도로 가열되었다. 일단 압력-전단 진동의 적용이 이루어지면, 다음의 섬유 복합재 플라이의 조성물이 무한 테이프로서 얻어졌다.
표 1: 개별 섬유 복합재 플라이의 특성 개요
Figure pct00001
다층 복합재의 제조
추가의 특징규명을 위해 사용된 다층 복합재의 시험 시료는 다음의 배향으로 섬유 복합재 플라이의 특정 레이업(layup)에 의해 얻어졌다.
표 2: 다층 복합재 내 이용된 섬유 복합재 플라이의 유형, 배향 및 수 개요
Figure pct00002
레이업 후 시험 시료는 간격 가열 프레스에서 반연속적으로 상호결합되었다. 표면에 적용된 성형 압력은 10 bar였다. 가열 구역의 온도는 280 ℃였고 냉각 구역의 온도는 100 ℃였다. 또한, 사이클 당 공급은 30 mm였고 사이클 시간은 10 초였다. 시험 시료를 얻기 위한 결합 후 개별 테이프 시료의 두께는 유지되었다.
적어도 하나의 내부 섬유 복합재 플라이에서보다 외부 섬유 복합재 플라이에서 더 낮은 섬유 부피 함량을 갖는 본 발명에 따른 다층 복합재 시료의 광학적 검사는 표면에서 결함을 보여주지 않았다. 본 발명에 따른 이들 다층 복합재의 표면은 내부 및 외부 섬유 복합재 플라이에 동일 섬유 부피 함량을 갖는 다층 복합재의 표면보다 훨씬 더 양호했다. 특히, 본 발명에 따른 다층 복합재의 경우 표면으로부터 돌출된 건조 무한 섬유가 검출되지 않았다.
파형 프로파일 측정의 결과
표 3: 상이한 플라이 구성을 갖는 다층 복합재에 대한 파라미터
Figure pct00003
파형 프로파일 측정은 본 발명에 따른 다층 복합재의 표면 품질이 다층 복합재가 0.3 내지 0.65 사이의 섬유 복합재의 모든 내부 플라이의 합에 대한 두 개의 외부 섬유 복합재 플라이의 합의 특정 두께 비율을 가질 때 더욱 개선될 수 있음을 보여준다. 이는 본 발명의 다층 복합재 G 및 H의 경우에 해당하지만 본 발명의 다층 복합재 D 및 F 는 이 추가의 기준을 충족시키지 못한다. 이러한 이유로 다층 복합재 D 및 F는 본원에서 비교 실시예 (비교*)로 표시되었다.
탄성 굴곡 모듈러스 및 공극 함량 측정의 결과
표 4: 상이한 층 구성을 갖는 다층 복합재의 0°및 90°배향의 탄성 굴곡 모듈러스
Figure pct00004
탄성 굴곡 모듈러스 측정의 결과는 본 발명의 다층 복합재 C, G, 및 H가 90°배향 및 0°배향 둘 다에서 충분한 탄성 굴곡 모듈러스를 나타낸다는 것을 보여준다. 본 발명이 아닌 다층 복합재 I 및 B는 상응하는 탄성 모듈러스를 나타내지만 본 발명의 다층 복합재보다 더 좋지 않은 표면 구성을 갖는다. 본 발명에 따른 다층 복합재가 외부 섬유 복합재 플라이 내 더 낮은 섬유 부피 함량 뿐만 아니라 0.3과 0.65 사이의 섬유 복합재의 모든 내부 플라이의 합에 대한 두 개의 외부 섬유 복합재 플라이의 합의 두께 비율을 나타낼 때 더욱 개선된 표면 특성 및 기계적 특성 모두에 대해 특히 유리한 것으로 놀랍게도 입증되었다. 이는 본 발명의 시료가 관련 구성요소의 낙하 또는 의도치 않은 표면 하중과 같은 다축 부하에 대한 내성이 있도록 보장한다. 공극 함량은 제조 방법에 의해 최소화되고 모든 시험된 시료에 대해 0.5 미만임이 더욱더 분명하다.

Claims (15)

  1. 섬유 복합재 (3)의 두 개의 외부 플라이와 섬유 복합재 (2)의 하나 이상의 내부 플라이로 서로 상대적으로 정의되는 섬유 복합재의 세 개 이상의 중첩되고 면대면으로 결합된 플라이를 포함하며, 여기서
    (a) 섬유 복합재 (2, 3)의 이 들 세 개 이상의 각 플라이는 무한 섬유 (4)를 포함하고, 여기서
    - 각 플라이 (2, 3) 내 무한 섬유 (4)는 단방향으로 정렬되고
    - 폴리카르보네이트-기재 플라스틱 (5) 내 매립되며, 여기서 폴리카르보네이트는 호모폴리카르보네이트 또는 코폴리카르보네이트에서 선택되고,
    (b) 섬유 복합재 (2)의 내부 플라이는 실질적으로 동일 배향을 갖고 섬유 복합재 (3)의 외부 플라이에 대한 그들의 배향은 30°내지 90°로 회전되며, 여기서 섬유 복합재 (2, 3)의 플라이의 배향은 그 안에 존재하는 단방향으로 정렬된 무한 섬유 (4)의 배향에 의해 결정되고,
    (c) 섬유 복합재 (3)의 외부 플라이는 섬유 복합재 (2)의 적어도 하나의 내부 플라이보다 섬유 복합재의 플라이의 총 부피를 기준으로 한 섬유의 더 낮은 부피 함량을 갖는 것인 다층 복합재 (1).
  2. 제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유 복합재 (2)의 모든 내부 플라이의 합에 대한 두 개의 외부 플라이 (3)의 합의 두께 비율이 0.3 내지 0.65인 것을 특징으로 하는 다층 복합재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유 복합재 플라이 (2, 3)은 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높게 예열된 미가공 섬유 웹에 용융된 폴리카르보네이트-기재 플라스틱을 적용함에 의해 얻을 수 있고, 여기서 적용은 압력-전단 진동의 적용 하에 이루어지고 여기서 폴리카르보네이트는 호모폴리카르보네이트 또는 코폴리카르보네이트로부터 선택되는 것인 다층 복합재 (1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 복합재 (3)의 외부 플라이의 섬유 부피 함량이 섬유 복합재 (3)의 외부 플라이의 부피를 기준으로 하여 50 부피% 이하인 것인 다층 복합재 (1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 복합재 (2, 3)의 세 개 이상의 플라이가 실질적으로 대칭 방식으로 배치되고, 여기서 섬유 복합재 (3)의 두 개의 외부 플라이는 화학적 조성물, 섬유 부피 함량 및 층 두께를 포함하는 군으로부터의 하나 이상의 특징 면에서 실질적으로 동일한 구성을 갖는 것인 다층 복합재 (1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 0.5 mm 내지 2 mm 범위의 전체 두께를 갖는 다층 복합재 (1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 복합재 (2)의 모든 내부 플라이의 합에 대한 두 개의 외부 플라이 (3)의 합의 두께 비율이 0.38 내지 0.55, 특히 0.42 내지 0.48인 것인 다층 복합재 (1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 세 개 내지 여섯 개의 내부 섬유 복합재 플라이 (2)를 포함하는 다층 복합재 (1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 복합재 (2)의 내부 플라이가 동일 배향을 갖고 섬유 복합재 (3)의 외부 플라이에 대한 그들의 배향이 90°±5°로 회전되는 것인 다층 복합재 (1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 복합재 (2, 3)의 적어도 세 개의 플라이가 본질적으로 공극을, 특히 본질적으로 공기의 혼입을 포함하지 않는 것인 다층 복합재 (1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 무한 섬유 (4)가 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 아라미드 섬유, 액정 중합체 섬유, 폴리페닐렌 술피드 섬유, 폴리에테르 케톤 섬유, 폴리에테르 에테르 케톤 섬유, 폴리에테르 이미드 섬유 및 그의 혼합물, 특히 탄소 섬유를 포함하는 군으로부터 선택되는 것인 다층 복합재 (1).
  12. - 섬유 복합재 (2)의 하나 이상의 내부 플라이 및 섬유 복합재 (3)의 두 개의 외부 플라이를 제공하고, 여기서 개별 섬유 복합재 플라이의 제조는 플라스틱의 유리 전이 온도보다 높게 예열된 미가공 섬유 웹에 용융된 폴리카르보네이트-기재 플라스틱을 적용함에 의해 이루어지고, 여기서 적용은 압력-전단 진동의 적용 하에 이루어지며 여기서 폴리카르보네이트는 호모폴리카르보네이트 또는 코폴리카르보네이트에서 선택되는 단계,
    - 외부 섬유 복합재 플라이 (3) 사이에 섬유 복합재 (2)의 하나 이상의 내부 플라이를 도입하고, 여기서 섬유 복합재 (2)의 내부 플라이는 동일 배향을 갖고 섬유 복합재 (3)의 외부 플라이에 대한 그들의 배향은 30°내지 90°로 회전되는 단계,
    - 특히 압력 및 온도에 의해, 섬유 복합재 (2, 3)의 층을 이룬 플라이를 결합하여, 다층 복합재 (1)을 얻는 단계
    를 포함하는, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 다층 복합재 (1)의 제조방법.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 다층 복합재 (1)을 포함하는, 전자 장치 또는 전자 장치의 하우징에 사용하기에 또는 이용하기에 적합한 하우징 부분.
  14. 제13항에 있어서, 전자 장치는 모니터, 태블릿, 이동 전화 또는 컴퓨터, 바람직하게는 랩탑인 전자 장치.
  15. 제13항에 있어서, 전자 장치의 하우징은 모니터 이면 (a) 또는 랩탑의 밑면 (d)인 것인 하우징 부분.
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