KR20180098226A - 샌드위치 구조체 및 성형체, 및 그것들의 제조 방법 - Google Patents

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KR20180098226A
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resin
skin layer
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KR1020187012990A
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히데아키 사사키
히데키 누데시마
다카유키 오니시
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도레이 카부시키가이샤
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Abstract

금속층, 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(X), 또는 불연속 섬유와 열경화성 매트릭스 수지(B)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(Y) 중 적어도 어느 1층을 사용하는 스킨층과, 불연속 섬유와 매트릭스 수지(C)로 이루어지는 유동 코어층을 포함하는 코어층으로 구성되며, 상기 스킨층은 상기 코어층보다도 굽힘 탄성률이 높은 재료로 이루어짐과 함께, 상기 스킨층의 적어도 일부의 영역에 관통부가 설치된 샌드위치 구조체. 스킨층의 면외 방향으로 고강도의 리브 등의 복잡 형상을 한 입설 부분을 간이한 방법으로 얻어지는 경량, 고강도ㆍ고강성이며 휨이 적은 샌드위치 구조체 및 성형체, 및 그의 제조 방법을 제공한다.

Description

샌드위치 구조체 및 성형체, 및 그것들의 제조 방법
본 발명은, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터나 OA 기기, 휴대 전화 등의 부품이나 하우징 부분으로서 사용되는 경량, 고강도ㆍ고강성이며, 특히 리브 등의 입설(立設) 부분을 갖는 경우에 있어서도 입설 부분을 용이하게 또한 확실하게 원하는 형상이나 강도로 성형할 수 있는 샌드위치 구조체 및 성형체, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 퍼스널 컴퓨터, OA 기기, AV 기기, 휴대 전화, 전화기, 팩시밀리, 가전 제품, 완구 용품 등의 전기ㆍ전자 기기의 휴대화가 진행됨에 따라서, 보다 소형, 경량화가 요구되고 있다. 그 요구를 달성하기 위해서, 기기를 구성하는 부품, 특히 하우징에는, 외부로부터 하중이 가해졌을 경우에 하우징이 크게 휘어서 내부 부품과 접촉, 파괴를 일으키지 않도록 할 필요가 있기 때문에, 고강도ㆍ고강성화를 달성하면서 또한 박육화가 요구되고 있다.
또한, 성형체가 리브나 보스 등의 입설 부분을 갖는 경우에는, 강화 섬유 다발을 리브 형성 부분 내에 충전시킴으로써 성형되거나, 또는 매트상의 강화 섬유가 성형 시에 리브 형성 부분 내에 충전됨으로써 성형된다. 전자의 경우에는, 예를 들어 프레스 성형 등이 어려운 경우가 많으므로, 프레스 성형 등에 의해 성형을 행하는 경우에는, 통상적으로 불연속인 강화 섬유가 랜덤하게 배치된 열가소성 수지 기재가 성형에 사용된다.
예를 들어, 성형 형틀 내에 배치된 강화 섬유와 열가소성 수지 등의 매트릭스 수지로 이루어지는 성형용 기재를 배치하여, 이것을 성형 형틀에 의해 프레스 성형하고, 프레스 성형 시에, 리브 형성부 내로 기재가 유동하여 충전시켜 리브를 형성하는 방법이 취해진다. 이 경우, 리브 등의 복잡 형상을 프레스에 의해 고정밀도로 성형되는 것이 중요하고, 리브 형성부 내에 강화 섬유를 충분히 충전시켜, 수지가 리치한 부분이 발생하지 않는 것이 중요하다.
고강성이면서 박육화를 위해 경량의 코어층과 고강성 스킨층으로 이루어지는 샌드위치 구조체가 사용되는 경우가 있지만, 스킨층의 면외 방향으로 고강도의 리브 등의 복잡 형상을 한 입설 부분을 일발 성형 등의 간이한 방법으로 설치하고, 범용성이 높은 전자 부품용 하우징으로서 높은 비용 경쟁력을 얻을 수 있는 성형체는 중요한 요소이다.
특허문헌 1(일본 특허 공개 제2012-148443호 공보)에서는, 「프레스 가공으로 리브를 제조하고, 별도의 성형 형틀 내에서 용융시켜 프레스 가공으로 패널을 제조하고, 제조된 리브를 그 열가소성 수지의 융점 이상으로 가열 처리해두고, 상기 별도의 성형 형틀을 형틀 개방하여 제조된 패널 상에 가열 처리된 리브를 적재하고, 형틀 폐쇄하여 프레스 가공함으로써 리브 부착 구조의 섬유 강화 수지재가 제조되며, 해당 섬유 강화 수지재는, 리브를 형성하는 소재의 중량 평균 섬유 길이의 비율이 패널을 형성하는 소재의 중량 평균 섬유 길이의 비율에 비해 낮은 구성」이 기재되고, 「섬유 강화 수지로 이루어지는 리브 부착 패널에 있어서, 리브가 설치된 표면과 반대측의 패널 표면에 발생할 수 있는 함몰이 효과적으로 해소된다」는 효과가 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 1의 구성에서는, 리브 형성부와 기타 형성 부분을 미리 별도의 성형 형틀로 성형해두고, 양자를 프레스 가공함으로써 일체화하는 기술이 개시되어 있지만, 각각 미리 성형된 부재가 프레스 가공에 의해 일체화되므로, 일체화된 양쪽 부재의 경계 부분에서는 그 부분에 내재하는 강화 섬유에 끊어진 자국이나 계면이 잔존하기 쉬워져, 강화 섬유에 의한 충분한 보강 효과를 얻지 못할 우려가 있다. 또한, 프레스 가공 전에는 일단 양쪽 부재를 미리 성형해두기 때문에, 프레스 가공 시에 양쪽 부재간에 걸쳐 소재의 비교적 큰 유동이 발생하기 어려워져, 통상 일반적인 성형체 전체를 프레스 성형하여 일체 성형하는 경우에 발현되는 성형용 소재 자체의 우수한 유동성을 이용하기 어려워진다. 그 때문에, 원하는 3차원 형상으로의 성형을 용이하게 행하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.
또한, 특허문헌 2(일본 특허 공개 제2014-172241호 공보)에서는, 「프레스에 의해 성형되고, 면 형상 형성 부분으로부터 면외 방향으로 일어서는 적어도 1개의 입설 부분을 갖는 성형체에 있어서, 해당 성형체가, 강화 섬유가 랜덤하게 배향된 제1 강화 섬유층을 갖는 제1 섬유 강화 열가소성 수지층과 그의 적어도 편면에 적층되어 제2 강화 섬유층을 갖는 제2 섬유 강화 열가소성 수지층으로 구성되고, 입설 부분에서 제2 섬유 강화 열가소성 수지층이 파단되어 있음과 함께, 제1 강화 섬유층이, 면 형상 형성 부분과 입설 부분의 내부 사이에서 연속해서 연장되어 있는 구성」이 기재되고, 이에 의해, 「성형체를 구성하는 섬유 강화 열가소성 수지층의 강화 섬유층이, 면 형상 형성 부분과 입설 부분의 내부에 걸쳐 연속해서 연장되어 있으므로, 면 형상 형성 부분과 입설 부분 사이에 실질적으로 강화 섬유층의 경계부가 존재하지 않고, 강화 섬유의 존재에 의해 충분히 보강할 수 있다」는 효과가 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 2의 구성에서는, 제2 섬유 강화 열가소성 수지층이 입설 부분에서 파단되어, 그 파단 부분을 통해, 제1 섬유 강화 열가소성 수지층의 제1 강화 섬유층이 면 형상 형성 부분과 입설 부분의 내부 사이에서 연속해서 연장되어 있는 형태이며, 제2 섬유 강화 열가소성 수지층의 강도는 약하고, 하우징 등의 고강성이 요구되는 샌드위치 구조체의 스킨층으로서의 역할을 하기 어려운 경향이 있다.
또한, 특허문헌 3(일본 특허 공개 제2013-176984호 공보)에서는, 「불연속인 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하며, 일정 이상의 농도 파라미터를 갖는 시트상의 성형 재료(A)와, 불연속인 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하며, 일정 이하의 농도 파라미터를 갖는 시트상의 성형 재료(B)를 포함하는 프리폼을, 리브 구조를 형성하기 위한 개구부를 갖는 개구 금형과 그것에 대향하는 대향 금형을 사용하여 프레스 성형하여 리브 구조를 갖는 성형품을 제조하는 데 있어서, 상기 성형 재료(A)의 면적을 성형품의 투영 면적의 70％ 이상으로 하고, 상기 성형 재료(B)를 상기 개구부의 개구 위치에 배치하는 리브 구조이며, 성형 재료(A)가 성형 재료(B)와 개구 금형 사이에 배치되고, 성형 재료(A)에는 개구부의 투영면 영역에 관통부를 갖는 리브 구조」가 기재되고, 「시트상의 성형 재료를 사용한 프레스 성형에 있어서, 표면 외관, 치수 정밀도, 신뢰성이 우수한 면판부의 형성과, 리브 구조의 형성을 양립시킨 섬유 강화 복합 재료의 성형품이 얻어진다」 는 효과가 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 3의 구성에서는, 성형 재료(A)의 관통부는 리브 개구부의 폭보다도 작게 하는 구성으로 되어 있으며, 이 구성에서는, 성형 재료 B의 리브부로의 충전성에 개선의 여지가 있다. 또한, 표층이 불연속인 강화 섬유와 열가소성 수지로 형성되기 때문에, 표층의 강성ㆍ강도에도 개선의 여지가 있다.
일본 특허 공개 제2012-148443호 공보 일본 특허 공개 제2014-172241호 공보 일본 특허 공개 제2013-176984호 공보
본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여, 경량, 고강도ㆍ고강성이며, 특히 리브 등의 입설부를 갖는 경우에 있어서도 입설부를 용이하게 또한 확실하게 원하는 형상이나 강도로 성형할 수 있고, 스킨층의 면외 방향으로 고강도의 리브 등의 복잡 형상을 한 입설부를 일발 성형 등의 간이한 방법으로 얻을 수 있는 샌드위치 구조체 및 성형체, 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 금속층, 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(X), 및 불연속 섬유와 열경화성 매트릭스 수지(B)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(Y) 중 적어도 어느 1층을 사용하는 스킨층과, 불연속 섬유와 매트릭스 수지(C)로 이루어지는 유동 코어층을 포함하는 코어층으로 구성되며,
상기 스킨층은 상기 코어층보다도 굽힘 탄성률이 높은 재료로 이루어짐과 함께, 상기 스킨층의 적어도 일부의 영역에 관통부가 설치된 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조체.
(2) 상기 섬유 강화 수지층(X)이 연속 섬유로서의 일방향 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로서의 열경화성 수지로 이루어지는 일방향 섬유 강화 수지층, 또는 연속 섬유로서의 연속 섬유 직물과 매트릭스 수지(A)로서의 열경화성 수지로 이루어지는 직물 섬유 강화 수지층이며,
상기 스킨층이 상기 일방향 섬유 강화 수지층 및/또는 상기 직물 섬유 강화 수지층을 1층 이상 적층시킨 적층체인, (1)에 기재된 샌드위치 구조체.
(3) (1) 또는 (2)에 기재된 샌드위치 구조체의 면외 방향으로 적어도 1개의 입설부가 형성된 성형체이며,
상기 입설부는 상기 코어층의 일부가 상기 관통부를 삽통하여, 연장되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 성형체.
(4) 관통부가 비의장면측의 스킨층의 적어도 일부에 설치되어 있는, (3)에 기재된 성형체.
(5) 추가로 의장면측의 스킨층의 적어도 일부에 관통부가 설치되고, 상기 의장면측의 적어도 1개의 상기 관통부와 상기 비의장면측의 적어도 1개의 상기 관통부가 대향하여 배치되어 있는, (4)에 기재된 성형체.
(6) 상기 의장면측의 관통부와 상기 비의장면측의 관통부가 대향하는 영역에 전파가 투과 가능한, (5)에 기재된 성형체.
(7) 비의장면측에 설치된 관통부의 적어도 1개의 개구 면적이, 당해 관통부를 삽통하여 형성된 입설부 선단으로부터 해당 입설부의 높이의 10％의 위치에서의 해당 입설부 높이 방향에 수직인 단면적(입설부 단면적)보다도 큰, (3) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 성형체.
(8) 비의장면측에 설치된 관통부에 1개의 입설부가 형성되고, 상기 개구 면적이 상기 입설부 단면적의 1.1배 내지 10배이거나,
또는 상기 관통부에 2개 이상의 입설부가 형성되고, 상기 개구 면적이 해당 2개 이상의 입설부 단면적의 총합의 1.1배 내지 2배인, (3) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 성형체.
(9) 적어도 이하의 공정 [1] 내지 공정 [3]을 갖는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조체의 제조 방법,
[1] 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정,
[2] 적어도 편측의 스킨층에, 상기 관통부를 설치한 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼워 샌드위치 전구체를 얻는 공정,
[3] 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여, 샌드위치 구조체를 얻는 공정.
(10) 적어도 이하의 공정 [1] 내지 [3]을 갖는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조체의 제조 방법,
[1] 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼워 샌드위치 전구체를 얻는 공정,
[2] 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여, 샌드위치 구조체를 얻는 공정,
[3] 상기 샌드위치 구조체의 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정.
(11) 적어도 이하의 공정 [1] 내지 [3]을 갖는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법,
[1] 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정,
[2] 적어도 편측의 스킨층에 상기 관통부를 설치한 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼운 샌드위치 전구체를 얻는 공정,
[3] 상기 샌드위치 전구체를 성형 금형 내에 배치한 후, 상기 성형 금형을 폐쇄함으로써, 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여 샌드위치 구조체로 함과 함께, 상기 유동 코어층을 상기 관통부를 통해, 상기 성형 금형의 캐비티 내로 흐르게 함으로써, 상기 스킨층면으로부터 상기 유동 코어층을 면외 방향으로 일어서게 함으로써, 유동 코어층과 연속해서 연장되는 적어도 1개의 입설부를 형성하는 공정.
(12) (9) 또는 (10)에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 샌드위치 구조체를 성형 금형 내에 배치한 후, 상기 성형 금형을 폐쇄함으로써, 상기 유동 코어층을 상기 관통부를 통해, 상기 성형 금형의 캐비티 내로 흐르게 함으로써, 상기 스킨층면으로부터 상기 유동 코어층을 면외 방향으로 일어서게 함으로써, 유동 코어층과 연속해서 연장되는 적어도 1개의 입설부를 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
(13) 적어도 이하의 공정 [1] 내지 [4]를 갖는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법,
[1] 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정,
[2] 적어도 편측의 스킨층에 상기 관통부를 설치한 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼운 샌드위치 전구체를 얻는 공정,
[3] 상기 샌드위치 전구체를 성형 금형 내에 배치한 후, 상기 성형 금형을 폐쇄함으로써, 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여 샌드위치 구조체로 하고, 이어서 유동 코어층의 매트릭스 수지를 용융시키는 공정,
[4] 상기 유동 코어층의 매트릭스 수지의 융점 미만으로 온도 조정한 다른 성형 금형 내에 상기 샌드위치 구조체를 반송, 배치한 후, 상기 성형 금형을 폐쇄함으로써, 상기 유동 코어층을 상기 관통부를 통해, 상기 성형 금형의 캐비티 내로 흐르게 함으로써, 상기 스킨층면으로부터 상기 유동 코어층을 면외 방향으로 일어서게 함으로써, 유동 코어층과 연속해서 연장되는 적어도 1개의 입설부를 형성시키고, 이어서 상기 유동 코어층의 매트릭스 수지를 고화시키는 공정.
(14) 오토클레이브 성형 또는 프레스 성형을 실시하는, (11) 내지 (13) 중 어느 한 항에 기재된 성형체의 제조 방법.
상술한 샌드위치 구조체 및 성형체, 및 그의 제조 방법에 의하면, 리브 등의 입설부를 갖는 경우에 있어서도 입설부를 용이하게 또한 확실하게 원하는 형상이나 강도로 성형할 수 있고, 스킨층의 면외 방향으로 고강도의 리브 등의 복잡 형상을 한 입설부를 간이한 방법으로 얻어지는 경량, 고강도ㆍ고강성이며 휨이 적은 성형체를 얻을 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 관통부가 설치된 스킨층과, 유동 코어층을 포함하는 코어층으로 이루어지는 샌드위치 구조체의 개략 사시도이다.
도 2는, 도 1의 A-A' 단면도이다.
도 3은, 일방향 섬유 강화 수지층을 스킨층으로 하여, 코어층과 샌드위치 적층한 상태를 나타내는 개략 사시도이다.
도 4는, 샌드위치 구조체의 면외 방향으로 입설부가 형성된 성형체의 단면도이다.
도 5는, 성형체의 단면을 광학 현미경에 의해 관찰한 단면 상태도이다.
도 6은, 의장면측과 비의장면측에 설치한 관통부가 대향하여 배치되고, 또한 1개의 입설부를 형성시킨 성형체의 단면도이다.
도 7은, 스킨층에 형성된 관통부를 통해, 코어층으로부터 연속해서 연장되어 입설부가 형성된 성형체의 평면도, 우측면도 및 정면 단면도이다.
도 8은, 1개의 관통부에 3개의 입설부를 설치한 경우의 샌드위치 구조체의 평면도, 우측면 단면도 및 정면 단면도이다.
도 9는, 본 발명에 따른 성형체의 제조 방법에 있어서, 의장면이 되는 면판과 입설부로 이루어지는 형상을 가진 성형품을 얻기 위한 대향하는 한 쌍의 프레스 성형 금형의 정면 단면도이다.
도 10은, 상부 금형을 강하시켜, 일정한 면압으로 샌드위치 구조체를 가압한 상태를 나타내는 개략 단면도이다.
도 11은, 프레스 성형이 행해진 후, 상부 금형을 상승 개방하여, 성형체를 취출한 상태를 나타내는 개략 단면도이다.
도 12는, 대향하는 한 쌍의 금형 사시도이다.
도 13은, 상부 금형(개구 금형)의 평면도, 정면 단면도 및 우측면 단면도이다.
도 14는, 하부 금형(대향 금형)의 평면도, 정면 단면도 및 우측면 단면도이다.
도 15는, 근접한 2개의 홈부를 갖는 대향하는 한 쌍의 금형 사시도이다.
도 16은, 근접한 2개의 홈부를 갖는 상부 금형(개구 금형)의 평면도, 정면 단면도 및 우측면 단면도이다.
도 17은, 본 실시예에서 사용한 스킨층의 치수 형상을 나타낸 사시도이다.
도 18은, 본 실시예에서 사용한 샌드위치 전구체의 평면도, 정면 단면도 및 측면 단면도이다.
도 19는, 실시예 6에서 얻어진 성형체의 입설부의 근원부의 외관도
이하, 본 발명에 대하여 도면을 사용하면서 설명한다. 또한, 본 발명은 도면에 의해 하등 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 샌드위치 구조체(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 금속층, 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(X), 또는 불연속 섬유와 열경화성 매트릭스 수지(B)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(Y) 중 적어도 어느 1층을 사용하는 스킨층(2)과, 불연속 섬유와 매트릭스 수지(C)로 이루어지는 유동 코어층을 포함하는 코어층(3)으로 구성되고, 스킨층(2)은 코어층(3)보다도 굽힘 탄성률이 높은 재료로 이루어짐과 함께, 스킨층(2)의 적어도 일부의 영역에 관통부(4)가 설치된 것이다. 도 2는 도 1의 A-A' 단면도이며, 관통부(4)는 코어층(3)의 일부가 노출되도록 개구시킨 것이다.
스킨층(2)은, 금속층, 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(X), 또는 불연속 섬유와 열경화성 매트릭스 수지(B)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(Y) 중 어느 1층이 사용되는 것이 중요하다.
스킨층(2)을 형성하는 금속층으로서는, 티타늄, 스틸, 알루미늄, 마그네슘, 철, 은, 금, 백금, 구리, 니켈로부터 선택된 원소, 또는 이들 원소를 주성분으로 하는 합금 등을 들 수 있다. 금속 재료는 필름, 시트 형태를 사용할 수 있다. 또한, 이들 재료를 2종류 이상 조합하여 사용할 수도 있다.
또한, 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(X)을 사용하는 경우에는, 매트릭스 수지(A)로서 열경화성 수지, 열가소성 수지 중 어느 것을 사용할 수 있다. 열경화성 수지로서는 예를 들어, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지, 페놀(레졸형) 수지, 우레아ㆍ멜라민 수지, 폴리이미드 수지 등이나, 이들 공중합체, 변성체, 및 이들 중 적어도 2종을 블렌드한 수지 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 적어도 에폭시 수지를 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 열경화성 수지 중에 용도 등에 따라서 다른 충전재나 첨가제를 함유해도 된다. 예를 들어, 엘라스토머 또는 고무 성분, 무기 충전재, 난연제, 도전성 부여제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색 방지제, 이형제, 대전 방지제, 가소제, 착색제, 안료, 염료, 발포제, 제포(制泡)제, 커플링제 등을 들 수 있다.
한편, 열가소성 수지로서는, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 수지, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT) 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 수지, 액정 폴리에스테르 수지 등의 폴리에스테르 수지나, 폴리에틸렌(PE) 수지, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리부틸렌 수지 등의 폴리올레핀 수지나, 스티렌계 수지 이외나, 폴리옥시메틸렌(POM) 수지, 폴리아미드(PA) 수지, 폴리카르보네이트(PC) 수지, 폴리메틸렌메타크릴레이트(PMMA) 수지, 폴리염화비닐(PVC) 수지, 폴리페닐렌술피드(PPS) 수지, 폴리페닐렌에테르(PPE) 수지, 변성 PPE 수지, 폴리이미드(PI) 수지, 폴리아미드이미드(PAI) 수지, 폴리에테르이미드(PEI) 수지, 폴리술폰(PSU) 수지, 변성 PSU 수지, 폴리에테르술폰(PES) 수지, 폴리케톤(PK) 수지, 폴리에테르케톤(PEK) 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 수지, 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 수지, 폴리아릴레이트(PAR) 수지, 폴리에테르니트릴(PEN) 수지, 페놀계 수지, 페녹시 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지, 또한 폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리부타디엔계, 폴리이소프렌계, 불소계 등의 열가소 엘라스토머 등이나, 이들 공중합체, 변성체, 및 2종류 이상 브랜드한 수지 등이어도 된다. 열가소성 수지에는, 내충격성 향상을 위해 엘라스토머 또는 고무 성분을 첨가해도 된다. 내열성, 내약품성의 관점에서 PPS 수지를, 성형품 외관, 치수 안정성의 관점에서 폴리카르보네이트 수지나 스티렌계 수지를, 성형품의 강도나 내충격성의 관점에서 폴리아미드 수지를 바람직하게 사용할 수 있다. 열가소성 수지에는 용도 등에 따라서 다른 충전재나 첨가제를 함유해도 된다. 예를 들어, 무기 충전재, 난연제, 도전성 부여제, 결정 핵제, 자외선 흡수제, 산화 방지제, 제진제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색 방지제, 열 안정제, 이형제, 대전 방지제, 가소제, 활제, 착색제, 안료, 염료, 발포제, 제포제, 커플링제 등을 들 수 있다.
또한, 불연속 섬유와 열경화성 매트릭스 수지(B)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(Y)을 사용하는 경우에는, 열경화성 매트릭스 수지(B)로서, 매트릭스 수지(A)에서 예시한 열경화성 수지를 사용할 수 있다.
코어층(3)으로서는, 가열 또는 가압에 의해 용이하게 유동화되는 유동 코어층을 포함하고, 필요에 따라서 경량화를 목적으로 한 경량 코어층을 사용할 수 있다. 유동 코어층으로서는 불연속 섬유와 매트릭스 수지(C)로 이루어지는 섬유 강화 수지층을 사용할 수 있고, 매트릭스 수지(C)로서는 상기에서 예시한 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 중 어느 것을 사용할 수 있다. 한편, 경량 코어층으로서는, 수지 필름, 시트, 발포체로부터 선택되는 1종 이상을 배치하는 것이 바람직하다. 경량 코어층에 사용되는 수지의 종류에 특별히 제한은 없지만, 전술로 예시한 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 중 어느 것을 사용할 수 있다. 또한, 이들 수지에 불연속 섬유를 함유시킨 섬유 강화 수지를 두께 방향으로 팽창시킨 재료도 바람직하게 사용할 수 있다.
또한, 샌드위치 구조체(1)는, 성형체의 면외에 리브나 보스 등의 입설부(8)를 프레스 등의 가압에 의해 용이하게 설치할 수 있는 전구체(프리폼이라 칭하는 경우도 있음)로서 사용할 수 있다. 그 중에서도, 코어층(3)은 가열 또는 가압에 의해 용이하게 유동화되는 재료로 구성되어 있기 때문에, 프레스 등의 가압에 의해 스킨층(2)에 형성된 관통부(4)로부터 코어층(3)이 용이하게 유동되어, 리브 등의 입설부(8)를 형성할 수 있다.
또한, 스킨층(2)은 코어층(3)보다도 굽힘 탄성률이 높은 재료로 구성되는 것이 중요하다. 이에 의해 성형 시의 휨 등의 변형을 억제하여, 더욱 고강도ㆍ고강성의 구조체를 얻을 수 있다.
또한, 섬유 강화 수지층(X)이, 연속 섬유로서의 일방향 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로서의 열경화성 수지로 이루어지는 일방향 섬유 강화 수지층, 또는 연속 섬유로서의 연속 섬유 직물과 매트릭스 수지(A)로서의 열경화성 수지로 이루어지는 직물 섬유 강화 수지층을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 스킨층(2)으로서, 일방향 섬유 강화 수지층을 1층 이상 적층시킨 적층체나, 직물 섬유 강화 수지층을 적어도 1층 이상 적층시킨 적층체, 또는 일방향 섬유 강화 수지층과 직물 섬유 강화 수지층을 각각 1층 이상 적층시킨 적층체인 것이 바람직하다.
여기서, 섬유 강화 수지층(X)으로서의 일방향 섬유 강화 수지층을 스킨층(2)으로 하고, 코어층(3)의 양측에 샌드위치 적층한 샌드위치 구조체(1)의 개략 사시도를 도 3에 도시한다. 도 3에서는, 편측의 스킨층(2)으로서, 섬유 배향 각도를 직교시킨 2장의 일방향 섬유 강화 수지층을 적층시킴으로써, 각각의 일방향 섬유 강화 수지층의 섬유 방향에 대하여 90° 방향의 강성을 높일 수 있다.
스킨층(2)으로서 일방향 섬유 강화 수지층이나 직물 섬유 강화 수지층을 적층함으로써, 스킨층(2) 자체가 박층이라도, 표면 강성이 높은 샌드위치 구조체(1)를 얻을 수 있다. 또한 후술하는 스킨층의 면외 방향으로 입설부를 형성하여 구성하는 경우에 있어서도, 입설부에 대해 보다 높은 보강 작용을 갖는다.
여기서, 불연속 섬유란, 샌드위치 구조체(1) 또는 성형체의 전체 길이 또는 전체 폭에 걸쳐 섬유가 연속해서 배치된 형태가 아닌 것을 말한다. 불연속 섬유의 섬유 길이에 대해서는 특별히 제한은 없기는 하지만, 불연속 섬유와 매트릭스 수지(C)로 이루어지는 유동 코어층의 유동성과 강화 섬유의 보강 효과의 밸런스를 유지하는 관점에서, 불연속 섬유의 수평균 섬유 길이는 20mm 미만, 바람직하게는 10mm 미만, 더욱 바람직하게는 3mm 미만인 것이 바람직하다. 또한, 연속 섬유란, 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(X)의 고강성화, 고강도화의 관점에서, 연속 섬유의 수평균 섬유 길이는 20mm 이상, 바람직하게는 50mm 이상, 더욱 바람직하게는 100mm 이상인 것이 바람직하다.
스킨층(2) 또는 코어층(3)에 사용되는 불연속 섬유로서는 특별히 제한은 없고, 예를 들어 PAN계, 레이온계, 리그닌계, 피치계 탄소 섬유나, 흑연 섬유나, 유리 등의 절연성 섬유나, 아라미드 수지, PBO 수지, 폴리페닐렌술피드 수지, 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지 등의 유기 섬유나, 실리콘카르바이트, 실리콘나이트라이드 등의 무기 섬유를 들 수 있다. 또한, 이들 섬유에 표면 처리가 실시되어 있는 것이어도 된다. 표면 처리로서는, 도전체로서 금속의 피착 처리 외에도, 커플링제에 의한 처리, 사이징제에 의한 처리, 결속제에 의한 처리, 첨가제의 부착 처리 등이 있다. 또한, 이들 강화 섬유는 1종류를 단독으로 사용해도 되고, 2종류 이상을 병용해도 된다. 그 중에서도 경량화 효과의 관점에서, 비강도, 비강성이 우수한 PAN계, 피치계, 레이온계 등의 탄소 섬유가 바람직하게 사용된다.
또한, 얻어지는 성형체(7)의 경제성을 높이는 관점에서는, 유리 섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 경제성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 유리 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 성형품의 충격 흡수성이나 부형성을 높이는 관점에서는, 아라미드 섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 충격 흡수성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 성형품의 도전성을 높이는 관점에서는, 니켈이나 구리나 이테르븀 등의 금속을 피복한 강화 섬유를 사용할 수도 있다. 이들 중에서 강도와 탄성률 등의 역학적 특성이 우수한 PAN계 탄소 섬유를 보다 바람직하게 사용할 수 있다.
스킨층(2)에 사용되는 연속 섬유는, 예를 들어 전술한 코어층(3)에서 사용되는 불연속 섬유와 동일한 종류의 강화 섬유를 사용할 수 있다.
또한, 연속 섬유의 인장 탄성률은, 샌드위치 구조체(1)의 강성의 점에서, 바람직하게는 150 내지 1000GPa, 보다 바람직하게는 300 내지 800GPa의 범위 내인 것을 사용할 수 있다. 강화 섬유의 인장 탄성률이 150GPa보다도 작은 경우에는, 샌드위치 구조체(1)의 강성이 열악한 경우가 있고, 1000GPa보다도 큰 경우에는, 강화 섬유의 결정성을 높일 필요가 있고, 강화 섬유를 제조하는 것이 곤란해진다. 강화 섬유의 인장 탄성률이 이 범위 내이면, 샌드위치 구조체(1)의 더 한층의 강성 향상, 강화 섬유의 제조성 향상의 점에서 바람직하다. 또한, 강화 섬유의 인장 탄성률은 JIS R7601-1986에 기재된 스트랜드 인장 시험에 의해 측정할 수 있다.
스킨층(2)이 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(X)인 경우, 각각의 함유량은 연속 섬유가 5 내지 80질량％, 매트릭스 수지(A)가 20 내지 95질량％인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 연속 섬유가 7 내지 70질량％, 매트릭스 수지(A)가 30 내지 93질량％, 보다 바람직하게는 연속 섬유가 20 내지 50질량％, 매트릭스 수지(A)가 50 내지 80질량％, 더욱 바람직하게는 연속 섬유가 25 내지 40질량％, 매트릭스 수지(A)가 60 내지 75질량％이다. 연속 섬유가 5질량％ 보다도 적고, 매트릭스 수지(A)가 95질량％ 보다도 많으면, 샌드위치 구조체(1) 또는 성형체의 강성이 저하된다. 연속 섬유가 80질량％ 보다도 많고, 매트릭스 수지(A)가 20질량％ 보다도 적으면, 샌드위치 구조체(1) 또는 성형체의 표면에 긁힘 등의 외관 불량이 발생하는 경우가 있다.
또한, 불연속 섬유와 열경화성 매트릭스 수지(B)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(Y)의 경우, 불연속 섬유가 5 내지 75질량％, 열경화성 매트릭스 수지(B)가 25 내지 95질량％인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 불연속 섬유가 7 내지 70질량％, 열경화성 매트릭스 수지(B)가 30 내지 93질량％, 보다 바람직하게는 불연속 섬유가 20 내지 50질량％, 열경화성 매트릭스 수지(B)가 50 내지 80질량％, 더욱 바람직하게는 불연속 섬유가 25 내지 40질량％, 열경화성 매트릭스 수지(B)가 60 내지 75질량％이다. 불연속 섬유가 5질량％ 보다도 적고, 열경화성 매트릭스 수지(B)가 95질량％ 보다도 많으면, 샌드위치 구조체(1) 또는 성형체의 강성이 저하된다. 연속 섬유가 75질량％ 보다도 많고, 열경화성 매트릭스 수지(B)가 25질량％ 보다도 적으면, 샌드위치 구조체(1) 또는 성형체의 표면에 긁힘 등의 외관 불량이 발생하는 경우가 있다.
또한, 코어층(3)으로서, 불연속 섬유와 매트릭스 수지로 구성되는 유동 코어층을 사용하는 경우에 있어서의 각각의 함유량은, 불연속 섬유가 5 내지 75질량％, 매트릭스 수지가 25 내지 95질량％인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 불연속 섬유가 7 내지 70질량％, 매트릭스 수지가 30 내지 93질량％, 보다 바람직하게는 불연속 섬유가 20 내지 50질량％, 매트릭스 수지가 50 내지 80질량％, 더욱 바람직하게는 불연속 섬유가 25 내지 40질량％, 매트릭스 수지가 60 내지 75질량％이다. 불연속 섬유가 5질량％ 보다도 적고, 매트릭스 수지가 95질량％ 보다도 많으면, 입설부의 강도가 저하된다. 불연속 섬유가 75질량％ 보다도 많아, 매트릭스 수지가 25질량％ 보다도 적으면, 샌드위치 구조체(1)의 비강성이 저하된다.
스킨층(2) 또는 코어층(3)으로서 유동 코어층에 포함되는 강화 섬유와 매트릭스 수지 각각의 배합 비율을 구하는 방법에 특별히 제한은 없지만, 스킨층(2) 또는 유동 코어층에 포함되는 매트릭스 수지 성분을 제거하고, 남은 강화 섬유만의 중량을 측정함으로써 구할 수 있다. 스킨층(2) 또는 유동 코어층에 포함되는 매트릭스 수지 성분을 제거하는 방법으로서는, 용해법 또는 소성 비산법 등을 예시할 수 있다. 중량의 측정에는, 전자 저울, 전자 천칭을 사용하여 측정할 수 있다. 측정하는 성형 재료의 크기는 100mm×100mm각(角)이 바람직하고, 측정수는 n=3으로 행하여, 그 평균값을 사용할 수 있다.
이어서, 샌드위치 구조체(1)를 사용하여 성형한 성형체(7)에 대하여 설명한다.
성형체(7)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 샌드위치 구조체(1)의 면외 방향으로 형성된 적어도 1개의 입설부(8)를 가지고, 스킨층(2)의 적어도 일부에 관통부(4)가 설치되며, 입설부(8)는 코어층(3)의 일부가 관통부(4)를 삽통하여, 연장된 것이다.
여기서 입설부(8)란, 샌드위치 구조체(1)의 면외 방향으로 형성된 리브나 보스 부품 등의 형상 부위를 가리킨다. 코어층(3)으로서는, 후술하는 프레스 가공 등에 의해 코어층(3)의 일부가 유동하여 입설부(8)를 형성 가능하게 하는 유동 코어층을 사용하는 것이 바람직하다. 유동 코어층으로서는, 매트릭스 수지(C)에 포함된 불연속 섬유가 랜덤하게 분산된 것을 적합하게 사용할 수 있다. 이러한 유동 코어층을 사용하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 입설부의 근원부(9)에서는, 불연속 섬유의 대다수가 입설부를 향하는 방향으로 배향되기 때문에, 코어층(3)과 입설부(8) 사이에 경계부가 존재하지 않고, 입설부(8)를 별도로 성형하여 일체화하는 경우에 비해, 높은 기계 특성을 발휘할 수 있다.
또한, 관통부(4)는 적어도 성형체(7)의 비의장면측의 스킨층(2)의 일부에 설치하는 것이 바람직하다. 이에 의해 성형체(7)의 비의장면측에 입설부(8)를 형성할 수 있고, 전자 부품 등의 내장 부재를 배치할 수 있다.
또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 관통부(4)가 샌드위치 구조체(1)의 비의장면측 및 의장면측의 스킨층(2)의 적어도 일부에 설치되고, 의장면측의 적어도 1개의 관통부(4)와 비의장면측의 적어도 1개의 관통부(4)가 대향하여 배치된 구성으로 하는 것도 바람직하다. 여기서, 대향하여 배치된이란, 의장면측의 적어도 1개의 관통부(4)와 비의장면측의 적어도 1개의 관통부(4) 각각의 영역의 일부를 성형체(7)의 두께 방향으로 투영한 경우에, 투영면의 적어도 일부가 겹치는 경우도 포함하는 것이다.
의장면측과 비의장면측에 설치한 관통부(4)를 대향하여 배치한 경우의 장점으로서는, 예를 들어 전파 투과성과 전자파 실드성의 2개 기능을 양립시킨 성형체(7)를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 전파 투과성을 갖는 재료를 코어층(3)에 사용하면, 관통부(4)가 대향하는 영역에서는, 전파 투과성을 갖는 코어층(3)만이 존재하기 때문에, 전파 투과 가능한 영역을 확보할 수 있다. 한편, 스킨층(2)으로서 전자파 실드성을 갖는 재료를 사용하면, 스킨층(2)으로 덮인 영역은 전자파 실드성을 확보할 수 있다. 이들의 조합에 의해, 전파 투과 영역을 전파 투과성이 필요한 영역에만 자유롭게 설계하는 것이 가능해진다.
여기서, 적어도 1개의 입설부(8)를 갖는 성형체(7)에 있어서, 스킨층(2)의 적어도 일부에, 입설부 선단으로부터 입설부 높이의 10％의 위치에서의 입설부 높이 방향에 수직인 단면적보다도 큰 면적의 관통부(4)가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 개구 면적의 관계에 대해서, 도 7을 사용하여 설명한다. 도 7은 입설부(8)가 설치된 성형체(7) 중, 입설부(8)를 포함하는 스킨층(2)을 나타낸(코어층(3)은 생략) 평면도, 우측면도 및 정면 단면도이다. 스킨층(2)의 외표면(10)을 기준으로 하여 입설부 선단 높이 H1에 대하여, 입설부(8)의 선단으로부터 높이 H1의 10％의 위치(H2=H1×10％)에서의 입설부 높이 방향에 수직인 면의 단면적(입설부 단면적)을 M1, 관통부(4)의 개구 면적을 M2라 하면, 개구 면적 M2는 입설부 단면적 M1보다도 큰 것이 바람직하다.
이러한 관계를 가지면, 코어층(3)을 형성하는 불연속 섬유와 매트릭스 수지 성분이 관통부(4)를 삽통하고, 후술하는 입설부(8)를 형성하는 금형 개구부로 용이하게 유동할 수 있으므로, 입설부(8)에 균일하게 코어층(3)의 구성 성분을 충전할 수 있다.
또한, 비의장면측에 설치한 관통부(4)의 개구 면적 M2는, 1개의 관통부(4)에 1개의 입설부(8)를 설치하는 경우, 입설부 단면적 M1의 1.1배 내지 50배(M1*1.1≤M2≤M1*50)인 것이 바람직하다. 바람직하게는 1.2배 내지 20배, 보다 바람직하게는 1.5배 내지 5배이다. 1.1배 미만이면, 코어층(3)이 관통부(4)를 통해 입설부(8)로 유동되는 것을 스킨층(2)이 저해할 우려가 있다. 50배를 초과하면 입설부(8)의 선단부 부근이 극단적으로 가늘어져 강도적으로 약해질 우려가 있거나, 개구 면적 M2를 불필요하게 크게 함으로써 스킨층(2)의 영역이 작아져, 성형체(7) 전체의 강성이 충분히 얻어지지 못할 우려가 있다.
또한, 다른 형태로서, 도 8에 도시한 바와 같은 1개의 관통부(4)에 3개의 입설부(8)가 설치된 경우, 입설부 단면적 M1을 3개의 입설부 단면적의 총합으로 하여, 개구 면적 M2는 입설부 단면적 M1보다도 큰 것이 바람직하다.
이렇게 1개의 관통부(4)에 복수의 입설부(8)를 설치하는 경우, 각각의 입설부(8)에 있어서의 입설부 단면적의 총합을 입설부 단면적 M1로 하여, 개구 면적 M2는 입설부 단면적 M1의 1.1배 내지 50배인 것이 바람직하다. 바람직하게는 1.2배 내지 10배, 보다 바람직하게는 1.3배 내지 2배이다. 1.1배 미만이면 코어층(3)이 관통부(4)를 통해 입설부(8)로 유동되는 것을 스킨층(2)이 저해하는 경우가 있다. 50배를 초과하면 입설부(8)의 선단부 부근이 극단적으로 가늘어져 강도면에서 약해질 우려가 있거나, 개구 면적 M2를 불필요하게 크게 함으로써 스킨층(2)의 영역이 작아져, 성형체(7) 전체의 강성이 충분히 얻어지지 못할 우려가 있다.
이어서, 샌드위치 구조체(1) 및 성형체(7)의 제조 방법에 대하여 설명한다.
샌드위치 구조체(1)는 적어도, [1] 스킨층(2)의 적어도 일부에 관통부(4)를 설치하는 공정, [2] 적어도 편측의 스킨층(2)에 관통부(4)를 설치한 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼워서 샌드위치 전구체를 얻는 공정, [3] 샌드위치 전구체를 일체화하여, 샌드위치 구조체(1)를 얻는 공정에 의해 생성할 수 있다.
또한, 샌드위치 구조체(1)는 적어도, [1] 스킨층(2)을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층(3)을 양측으로부터 끼워 샌드위치 전구체를 얻는 공정, [2] 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여, 샌드위치 구조체(1)를 얻는 공정, [3] 상기 샌드위치 구조체(1)의 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정에 의해 생성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 샌드위치 구조체(1)의 면외 방향으로 입설부(8)를 설치하기 위해서는, 스킨층(2)의 적어도 일부에 관통부(4)를 갖는 샌드위치 구조체(1)를 제작할 필요가 있다. 관통부(4)를 설치하는 공정은 스킨층(2) 또는 샌드위치 구조체(1) 중 어느 상태에서 행할 수 있다. 전자의 경우에서는, 관통부(4)를 소정의 위치에 설치한 스킨층(2)을 제작한 후, 적어도 편측의 스킨층(2)으로서 관통부(4)를 설치한 스킨층(2)을 사용하여, 코어층(3)을 사이에 끼워서 샌드위치 전구체를 제작하고, 이어서 샌드위치 전구체를 가열, 가압함으로써 일체화하고, 스킨층(2)의 일부에 관통부(4)를 갖는 샌드위치 구조체(1)를 얻을 수 있다. 또한 후자의 경우에서는, 스킨층(2)으로 코어층(3)을 사이에 끼워서 샌드위치 전구체를 제작한 후, 샌드위치 전구체를 가열, 가압함으로써 일체화하여 샌드위치 구조체(1)를 얻는다. 추가로 이 샌드위치 구조체(1)의 스킨층(2)의 소정의 위치에 관통부(4)를 별도로 설치함으로써, 스킨층(2)의 일부에 관통부(4)를 갖는 샌드위치 구조체(1)를 얻을 수 있다.
또한, 성형체(7)는 적어도, [1] 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정, [2] 적어도 편측에 관통부를 설치한 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼운 샌드위치 전구체를 얻는 공정, [3] 샌드위치 전구체를 성형 금형 내에 배치한 후, 형틀 폐쇄에 의해, 샌드위치 전구체를 일체화함과 함께(샌드위치 구조체(1)에 상당함), 유동 코어층이 관통부를 통해, 성형 금형의 캐비티 내로 흐름으로써, 스킨층면으로부터 상기 유동 코어층이 면외 방향으로 일어섬으로써, 유동 코어층과 연속해서 연장되는 적어도 1개의 입설부를 형성하는 공정에 의해 생성할 수 있다.
성형체(7)의 제조 방법에 대해서, 도면을 사용하여 설명한다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 관통부(4)를 형성한 스킨층(2), 불연속 섬유와 매트릭스 수지(C)로 이루어지는 유동 코어층을 포함한 코어층(3), 및 스킨층(2)의 순서대로 적층한 형태의 샌드위치 전구체를 형성한다. 하부 금형(21)의 오목부(24) 상에, 관통부(4)를 형성한 스킨층(2)측이 아래로 향해지도록 샌드위치 전구체를 배치한다. 이 때, 관통부(4)가 하부 금형(21)의 홈부(23)의 위치에 합치되도록 배치한다. 또한, 하부 금형(21)의 홈부(23)보다도 관통부(4)의 영역쪽이 큰 경우에는, 관통부(4)의 영역이 홈부(23)의 영역을 덮도록 배치하는 것이 바람직하다.
이어서, 상부 금형(22)을 강하시켜, 일정한 면압으로 샌드위치 전구체를 가압한 상태도를 도 10에 도시한다. 도시는 생략하지만, 가압에 의해 스킨층(2)과 코어층(3)을 일체화시켜 샌드위치 구조체(1)가 얻어진다. 면압을 높여서 추가로 일정 시간 가압함으로써, 스킨층(2)에 형성된 관통부(4)를 통해 유동 코어층의 일부가 홈부(23)에 유입, 충전되어, 입설부(8)가 형성된다.
프레스 성형이 행해진 후, 상부 금형(22)을 상승 개방하여, 성형체(7)를 취출한 상태를 도 11에 도시한다. 유동 코어층이 관통부(4)를 삽통하여 일체적으로 입설부(8)가 형성되어 있고, 목표로 하는 3차원 형상을 갖는 성형체(7)가 얻어진다.
또한, 성형체의 제조 방법으로서는, 상술한 방법에 의해 미리 준비한 스킨층(2)의 적어도 일부에 관통부(4)를 설치한 샌드위치 구조체(1)를 사용하여, 샌드위치 구조체(1)를 성형 금형 내에 배치한 후, 형틀 폐쇄에 의해 샌드위치 구조체(1)를 가압함으로써, 샌드위치 구조체(1)에 포함되는 유동 코어층의 일부가 관통부(4)를 통해 홈부(23)에 유입, 충전됨으로써, 적어도 1개의 입설부(8)를 갖는 성형체(7)를 성형할 수 있다.
또는, 성형체(7)는 적어도, [1] 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정, [2] 적어도 편측의 스킨층에 상기 관통부를 설치한 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼운 샌드위치 전구체를 얻는 공정, [3] 상기 샌드위치 전구체를 금형 내에 배치한 후, 형틀 폐쇄에 의해 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여 샌드위치 구조체로 하고, 이어서 유동 코어층의 매트릭스 수지를 용융시키는 공정, [4] 상기 유동 코어층의 매트릭스 수지의 융점 미만으로 온도 조절한 별도의 성형 금형 내에 상기 샌드위치 구조체를 반송, 배치한 후, 형틀 폐쇄에 의해 상기 유동 코어층이 상기 관통부를 통해, 상기 성형 금형의 캐비티 내로 흐름으로써, 상기 스킨층면으로부터 상기 유동 코어층이 면외 방향으로 일어섬으로써, 유동 코어층과 연속해서 연장되는 적어도 1개의 입설부를 형성시키고, 이어서 상기 유동 코어층의 매트릭스 수지를 고화시키는 공정에 의해 생성할 수 있다.
성형체의 제조 방법으로서, 샌드위치 구조체를 얻는 공정은 전술한 바와 같이, 관통부(4)를 소정의 위치에 설치한 스킨층(2)을 제작한 후, 적어도 편측의 스킨층(2)으로서 관통부(4)를 설치한 스킨층(2)을 사용하여, 코어층(3)을 사이에 끼워서 샌드위치 전구체를 제작하고, 추가로 샌드위치 전구체를 가열, 가압함으로써 일체화하고, 스킨층(2)의 일부에 관통부(4)를 갖는 샌드위치 구조체(1)를 얻을 수 있다. 이 때, 가열에 의해 샌드위치 구조체(1)의 유동 코어층의 매트릭스 수지는 용융된 상태가 된다. 계속해서, 유동 코어층의 매트릭스 수지의 융점 미만으로 온도 조절한 별도의 성형 금형 내에, 유동 코어층의 매트릭스 수지가 용융된 샌드위치 구조체(1)를 빠르게 반송, 배치한 후, 형틀 폐쇄한다. 형틀 폐쇄 후에 일정 시간 가압함으로써, 매트릭스 수지가 용융된 유동 코어층의 일부가 스킨층(2)에 형성된 관통부(4)를 통해 홈부(23)에 유입, 충전되어, 입설부(8)가 형성된다. 또한 성형 금형에 의해 점차 냉각된 유동 코어층의 매트릭스 수지는 고화되기 때문에, 고화 후에 성형체(7)를 탈형할 수 있다. 여기서, 유동 코어층의 매트릭스 수지가 열가소성 수지인 경우, 가열한 성형 금형에 샌드위치 구조체(1)를 배치하고, 형틀 폐쇄 후에 가압함으로써 스킨층(2)과 코어층(3)의 일체화와 입설부(8)를 형성하는 것이 가능하지만, 탈형하기 위해서는 성형 금형을 냉각시킬 필요가 있기 때문에, 금형 온도 조절에 시간을 요하고, 성형 사이클이 길어진다. 그러나, 전술한 바와 같이 유동 코어층의 매트릭스 수지를 용융시켜두고, 융점 미만으로 온도 조절한 별도의 성형 금형에서 성형체(7)를 성형함으로써, 스킨층(2)과 코어층(3)의 일체화와 입설부(8)를 형성함과 함께, 유동 코어층의 매트릭스 수지를 고화시키고, 성형체(7)를 탈형할 수 있는 상태로 할 수 있기 때문에, 성형 사이클을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
샌드위치 전구체의 일체화나, 입설부(8)를 설치하기 위한 가압 방법으로서는, 오토클레이브 성형 또는 프레스 성형의 수단에 의해 행할 수 있다.
상기 제조 방법에 의해 얻어진, 입설부(8)를 구비한 3차원 형상을 갖는 성형체(7)는, 입설부(8)와 코어층(3)이 연속적으로 일체 성형되어 있으므로, 강화 섬유에 의한 보강 효과가 충분히 발현되어, 높은 기계 특성을 갖는 성형체(7)를 용이하게 또한 확실하게 성형할 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해, 샌드위치 구조체 및 성형체의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
[성형 재료의 섬유 질량 함유율의 측정 방법]
강화 섬유와 수지로 구성된 성형 재료의 섬유 질량 함유율은, 이하의 방법에 의해 측정한다. 성형 재료로부터 100mm×100mm(각 두께)의 각판을 잘라내고, 그 중량 w0(g)을 측정한다. 이어서, 잘라낸 성형 재료를 공기 중에서 500℃×1시간 가열하고, 수지 성분을 소성 비산시키고 남은 강화 섬유의 중량 w1(g)을 측정한다. 하기 (1) 식을 사용하여 섬유 질량 함유율(질량％)을 구한다. 어느 측정도 n=3으로 행하고, 그 평균값을 사용한다.
섬유 질량 함유율(질량％)=(강화 섬유의 중량 w1/성형 재료의 중량 w0)×100ㆍㆍㆍ(1) 식
[평균 굽힘 탄성률의 측정 방법]
측정해야 할 성형 재료 또는 측정해야 할 성형 재료로 구성된 적층체로부터, 길이 50mm, 폭 25mm, (각 두께)의 치수로 시험편을 잘라내고, 지점간 거리를 시험편 두께의 32배로 하여, ASTM D790에 준거하여 굽힘 탄성률을 구한다. 또한, 측정하는 성형 재료 및 적층체에 이방성이 있는 경우에는, 섬유가 주로 배향하는 방향과, 그의 90° 방향 각각의 방향에 대하여 굽힘 탄성률을 구하고, 그것들의 평균값을 평균 굽힘 탄성률로 한다. 또한, 등방성 재료의 경우에는 임의의 방향에서 굽힘 탄성률을 측정하고, 그 값을 평균 굽힘 탄성률로서 사용한다.
[신장률의 측정 방법]
성형 재료의 신장률을 이하의 수순으로 측정한다. 먼저, 두께를 2mm로 조정한 성형 재료로부터 직경 150mm의 원반을 잘라내어, 측정 샘플로 한다. 성형 재료를 구성하는 수지가 열경화성 수지인 경우, 또는 수지를 포함하지 않는 성형 재료인 경우, 150℃로 온도 조절한 프레스 금형에 샘플을 세트하고, 면압 10MPa로 프레스 성형한다. 또한, 성형 재료를 구성하는 수지가 열가소성 수지인 경우, 원적외선 히터를 구비한 오븐 내에 배치하고, 10분간 예열한다. 이 때, 멀티 입력 데이터 수집 시스템(키엔스(주)사제, NR-600)을 사용하여, 샘플의 표면 또한 원반의 중앙에 열전대를 설치하고, 열 이력을 계측한다. 계측한 온도가 수지 단체의 융점+35℃인 것을 확인한 후, 오븐으로부터 취출한 샘플을 수지 단체의 융점 -40℃로 온도 조절한 프레스 금형에 세트하여 프레스 성형한다. 프레스 성형의 조건은 모든 경우에, 면압 10MPa로 1분간 가압하고, 성형품을 얻는다.
성형품의 직경을 임의의 2군데에 대하여 측정하고, 그 평균값을 사용하여 성형 후의 성형품의 면적을 도출한다. 또한, 성형 전의 성형 재료의 면적은 직경을 150mm로 하여 계산한다. 여기서, 성형 재료의 신장률을 하기 (2) 식으로 정의하여 구한다.
신장률=(성형 전의 성형 재료의 면적/성형 후의 성형품의 면적)×100ㆍㆍㆍ(2) 식
[밀도의 측정 방법]
수중 치환법을 사용하여, 측정해야 할 성형 재료, 또는 측정해야 할 성형 재료로 구성된 적층체의 밀도를 구한다.
[성형품 면판의 외관 품위]
면판 표면을 눈으로 관찰하고, 이하의 기준으로 평가한다. A, B가 합격이며, C가 불합격이다.
A: 면판에 긁힌 형상의 자국, 천공이 없고, 우수한 표면 외관이다.
B: 실용상 문제는 없기는 하지만, 면판의 일부에 긁힌 형상의 자국이 보인다.
C: 면판에 미충전이나 천공, 전체적으로 긁힘이 있어 열악하다.
[성형품 입설부의 외관 품위]
입설부를 눈으로 관찰하고, 이하의 기준으로 평가한다. 입설부에는 재료가 완전히 충전되어 있는 것이 바람직한 관점에서, AA, A, B를 합격으로 하고, C, D를 불합격으로 한다.
AA: 완전 충전, 또한 수지 리치부 없음, 또한 긁힘 자국 없음
A: 완전 충전, 또한 수지 리치부 없음, 또한 일부 긁힌 형상의 자국 있음
B: 수지 리치부는 있지만, 완전 충전
C: 80％ 이상 100％ 미만의 충전량
D: 80％ 미만의 충전량
[코어층과 입설부의 연속성]
입설부의 근원부를 포함한 소편을 성형품으로부터 잘라내고, 에폭시 수지에 포매한 후, 단면을 연마함으로써 시료를 제작한다. 상기 시료를 레이저 현미경((주) 키엔스제 VK-9510)을 사용하여 관찰하고, 입설부가 관통부를 통해 유동 코어층과 연속해서 형성되어 있는지 여부를 확인한다. 유동 코어층에 포함되는 불연속 섬유를 확인할 수 있는 경우, 섬유 배향을 관찰함으로써 연속 또는 불연속을 판단할 수 있다. 연속되어 있는 경우를 합격, 불연속인 경우를 불합격으로 한다.
(재료예 1) PAN계 탄소 섬유 다발
폴리아크릴로니트릴을 주성분으로 하는 중합체로부터 방사, 소성 처리를 행하고, 총 필라멘트수 12000개의 탄소 섬유 연속 다발을 얻었다. 해당 탄소 섬유 연속 다발에 침지법에 의해 사이징제를 부여하고, 120℃ 온도의 가열 공기 중에서 건조시켜 PAN계 탄소 섬유 다발을 얻었다. 이 PAN계 탄소 섬유 다발의 특성은 다음과 같았다.
단섬유 직경: 7㎛
단위 길이당 질량: 0.83g/m
비중: 1.8g/cm3
인장 강도: 4.0GPa
인장 탄성률: 235GPa
사이징 종류: 폴리옥시에틸렌올레일에테르
사이징 부착량: 2질량％
(재료예 2) 에폭시 수지
에폭시 수지(베이스 레진: 디시안디아미드/디클로로페닐메틸우레아 경화계 에폭시 수지)
(재료예 3) 무변성 폴리프로필렌
무변성 폴리프로필렌(프라임폴리머(주)사제, "프라임폴리프로"(등록 상표) J105G, 융점 160℃)
(재료예 4) 산 변성 폴리프로필렌
산 변성 폴리프로필렌(미쓰이 가가쿠(주)사제, "애드머"(등록 상표) QE510, 융점 160℃)
(재료예 5) 에폭시 수지 필름의 조정
재료예 2의 에폭시 수지를, 나이프 코터를 사용하여 이형지 상에 도포하여 에폭시 수지 필름을 얻었다.
(재료예 6) 폴리프로필렌 필름의 조정
재료예 3의 무변성 폴리프로필렌을 90질량％와, 재료예 4의 산 변성 폴리프로필렌을 10질량％ 준비하고, 이것들을 드라이 블렌드하였다. 이 드라이 블렌드품을 2축 압출기의 호퍼로부터 투입하고, 압출기에서 용융 혼련한 후, 500mm폭의 T자 다이로부터 압출하였다. 그 후, 60℃의 냉각 롤에서 인취함으로써 냉각 고화시켜, 폴리프로필렌 필름을 얻었다.
(재료예 7) 촙드 탄소 섬유 다발의 조정
카트리지 커터를 사용하여, 재료예 1의 PAN계 탄소 섬유 다발을 커트하고, 섬유 길이 9mm의 촙드 탄소 섬유 다발을 얻었다.
(재료예 8) 밀드 탄소 섬유의 조정
재료예 1에서 얻은 PAN계 탄소 섬유 다발을 단섬유화하고, 수평균 섬유 길이 1.0mm의 밀드 탄소 섬유를 얻었다.
(재료예 9) 촙드 유리 섬유 다발
촙드 유리 섬유 다발(니토보사제, 상품명 CS13G-874, 단섬유 직경: 10㎛, 비중: 2.5g/cm3, 섬유 길이: 13mm(카탈로그값))
(재료예 10) 유리 섬유 매트의 조정
계면 활성제(와코 쥰야꾸 고교(주)사제, 「n-도데실벤젠술폰산나트륨」(제품명))의 1.5wt％ 수용액 100리터를 교반하고, 미리 거품를 낸 분산액을 제작하였다. 이 분산액에, 재료예 9에서 얻어진 촙드 유리 섬유 다발을 투입하고, 10분간 교반한 후, 길이 500mm×폭 500mm의 초지면을 갖는 초지기에 유입하고, 흡인에 의해 탈수 후, 150℃의 온도에서 2시간 건조시키고, 유리 섬유를 포함하는 유리 섬유 매트를 얻었다.
(재료예 11) 일방향 탄소 섬유 강화 시트 A
재료예 1에서 얻어진 PAN계 탄소 섬유 다발을 시트상으로 일방향으로 배열한 후, 재료예 5에서 얻어진 에폭시 수지 필름 2장을 시트상의 탄소 섬유 다발의 양면으로부터 겹치고, 가열 가압에 의해 수지를 함침시킨, 탄소 섬유와 에폭시 수지를 포함하는 길이 500mm, 폭 500mm, 두께 0.15mm, 섬유 질량 함유율이 70질량％인 일방향 탄소 섬유 강화 시트 A를 제작하고, 성형 재료 S-1로 하였다. 이하의 성형 재료를 포함하여, 성형 재료 조성 및 특성의 일람을 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
(재료예 12) 일방향 탄소 섬유 강화 시트 B
재료예 1에서 얻어진 PAN계 탄소 섬유 다발을 시트상으로 일방향으로 배열한 후, 재료예 6에서 얻어진 폴리프로필렌 필름 2장을 시트상의 탄소 섬유 다발의 양면으로부터 겹치고, 가열 가압에 의해 수지를 함침시켜, 냉각 프레스함으로써 탄소 섬유 다발과 폴리프로필렌을 포함하는 길이 500mm, 폭 500mm, 두께 0.1mm, 섬유 질량 함유율이 55질량％인 일방향 탄소 섬유 강화 시트 B를 제작하고, 성형 재료 S-2로 하였다.
(재료예 13) 직물 탄소 섬유 강화 시트
재료예 1에서 얻어진 PAN계 탄소 섬유 다발을 시트상으로 평직한 후, 재료예 5에서 얻어진 에폭시 수지 필름 2장을 시트상의 탄소 섬유 다발의 양면으로부터 겹치고, 가열 가압에 의해 수지를 함침시켜, 탄소 섬유와 에폭시 수지를 포함하는 길이 500mm, 폭 500mm, 두께 0.3mm, 섬유 질량 함유율이 55질량％인 직물 탄소 섬유 강화 시트를 제작하고, 성형 재료 S-3으로 하였다.
(재료예 14) SMC 시트
금속제 툴판 상에 이형 시트(테플론(등록 상표), 두께 1mm)를 배치하고, 추가로 재료예 5에서 얻어진 에폭시 수지 필름을 위에 배치하였다. 해당 에폭시 필름 상에 재료예 7의 촙드 탄소 섬유 다발을 랜덤하게 흩어 끼워넣고, 촙드 탄소 섬유 다발이 랜덤 방향으로 분포되어 있는 것을 눈으로 확인하였다. 또한, 그 위에 재료예 5에서 얻어진 에폭시 수지 필름, 이형 시트, 툴판의 순서로 배치하였다. 이어서, 가열 가압에 의해 수지를 함침시켜, 탄소 섬유와 에폭시 수지를 포함하는 길이 500mm, 폭 500mm, 두께 0.3mm, 섬유 질량 함유량이 50질량％인 SMC 시트를 제작하고, 성형 재료 S-4로 하였다.
(재료예 15) 알루미늄박
알루미늄박((주)UACJ 세이하쿠사제, 150㎛ 두께)을 성형 재료 S-5로 하였다.
(재료예 16) 단섬유 강화 수지 시트 A
재료예 2의 에폭시 수지와 재료예 8에서 얻은 밀드 탄소 섬유를 혼합한 후, 시트상으로 조정하고, 두께 0.2mm의 단섬유 강화 수지 시트 A를 제작하고, 성형 재료 K-6으로 하였다.
(재료예 17) 단섬유 강화 수지 시트 B
재료예 6과 동일하게 하여, 재료예 3의 무변성 폴리프로필렌 수지를 90질량％와, 재료예 4의 산 변성 폴리프로필렌 수지를 10질량％ 준비하고, 이들을 드라이 블렌드하였다. 이 드라이 블렌드품을 2축 압출기의 호퍼로부터 투입하고, 압출기에서 용융 혼련한 후, 해당 압출기의 사이드 피더로부터 재료예 7에서 얻어진 촙드 탄소 섬유 다발을 투입하고, 더 혼련하였다. 500mm폭의 T자 다이로부터 압출하였다. 그 후, 60℃의 냉각 롤에서 인취함으로써 냉각 고화시켜, 두께 0.2mm의 단섬유 강화 수지 시트 B를 제작하고, 성형 재료 K-7로 하였다.
(재료예 18) 단섬유 강화 수지 시트 C
재료예 10에서 얻어진 유리 섬유 매트를 재료예 5에서 얻어진 에폭시 수지 필름 사이에 끼우고, 가열 가압에 의해 수지를 함침시킨, 유리 섬유와 에폭시 수지를 포함하는 길이 500mm, 폭 500mm, 두께 0.3mm, 섬유 질량 함유율이 55질량％인 단섬유 강화 수지 시트 C를 제작하고, 성형 재료 S-8로 하였다.
(재료예 19) 폴리프로필렌 시트
재료예 6과 동일하게 하여, 길이 500mm, 폭 500mm, 두께 0.2mm의 폴리프로필렌 시트를 제작하고, 성형 재료 K-9로 하였다.
(재료예 20) 단섬유 강화 수지 시트 D
재료예 18과 동일하게 하여, 재료예 10과 재료예 6의 재료를 사용하여, 유리 섬유와 폴리프로필렌 수지를 포함하는 길이 500mm, 폭 500mm, 두께 0.3mm, 섬유 질량 함유율이 60질량％인 단섬유 강화 수지 시트 D를 제작하고, 성형 재료 S-10으로 하였다.
(재료예 21) 단섬유 강화 수지 시트 E
재료예 18과 동일하게 하여, 재료예 10과 재료예 5의 재료를 사용하여, 유리 섬유와 에폭시 수지를 포함하는 길이 500mm, 폭 500mm, 두께 0.2mm, 섬유 질량 함유율이 35질량％인 단섬유 강화 수지 시트 E를 제작하고, 성형 재료 S-11로 하였다.
(재료예 22)
도 12에, 면판과 일자(一文字)의 입설부인 리브로 이루어지는 형상을 가진 성형체를 얻기 위한, 대향하는 한 쌍의 금형(20)의 사시도를 나타낸다. 하부 금형(21)의 상부 금형(22)과 대향하는 면에 오목부(24)가 설치되고, 또한 그 내부에는 입설부(8)를 형성하기 위한 홈부(23)가 형성되어 있다. 또한, 상부 금형(22)의 하부 금형(21)과 대향하는 면에는, 샌드위치 구조체(1)(또는 샌드위치 전구체)를 가압하기 위한 볼록부(25)가 설치되어 있다. 하부 금형(21)에 형성된 홈부(23)나 오목부(24)의 위치 관계를 도 13에 나타낸다. 또한, 상부 금형(22)에 설치된 볼록부(25)의 위치 관계를 도 14에 도시한다. 또한, 도면 중의 W, H는 각각의 길이나 깊이를 나타낸다. 구체적인 치수는 이하와 같다.
ㆍ도 13: W1; 30mm, W2; 185mm, W3; 185mm, W4; 400mm, W5; 500mm, W6; 2mm, W7; 200mm, W8; 300mm, H1; 10mm, H3; 10mm, H4; 120mm
ㆍ도 14: W9; 399.8mm, W10; 500mm, W11; 199.8mm, W12; 300mm, H5; 9mm, H6; 150mm
(재료예 23)
도 15에, 면판과 일자의 근접한 2개의 입설부인 리브로 이루어지는 형상을 가진 성형체를 얻기 위한, 대향하는 한 쌍의 금형(20)의 사시도를 나타낸다. 하부 금형(21)의 상부 금형(22)과 대향하는 면에 오목부(24)가 설치되고, 또한 그 내부에는 입설부(8)를 형성하기 위한 홈부(23)가 형성되어 있다. 또한, 상부 금형(22)의 하부 금형(21)과 대향하는 면에는, 샌드위치 구조체(1)(또는 샌드위치 전구체)를 가압하기 위한 볼록부(25)가 설치되어 있다. 하부 금형(21)에 형성된 홈부(23)나 오목부(24)의 위치 관계를 도 16에 나타낸다. 또한, 상부 금형(22)에 설치된 볼록부(25)의 위치 관계는 재료예 22의 볼록 금형과 동일한 형상 치수이다. 또한, 도면 중의 W, H는 각각의 길이나 깊이를 나타낸다. 구체적인 치수는 이하와 같다.
ㆍ도 16: W1; 30mm, W2; 185mm, W3; 185mm, W4; 400mm, W5; 500mm, W6; 2mm, W7; 200mm, W8; 300mm, W9; 6mm, H1; 10mm, H3; 10mm, H4; 120mm
(실시예 1)
재료예 11에 나타내는 성형 재료 S-1을 스킨층(관통부 있음: 성형 재료 S-1-1, 관통부 없음: 성형 재료 S-1-2), 재료예 16에 나타내는 성형 재료 K-6을 코어층으로 하여, 이하의 치수로 재단하였다. 여기서, 성형 재료 S-1-1에 형성한 관통부는, 도 17에 나타내는 치수 형상으로 하였다.
성형 재료 S-1-1(관통부 있음): W13; 400mm, W14; 200mm, W15; 50mm, W16; 15mm
성형 재료 S-1-2(관통부 없음), 성형 재료 K-6(관통부 없음): W13; 400mm, W14; 200mm
이어서, [성형 재료 S-1-2(0°)/성형 재료 S-1-2(90°)/성형 재료 K-6/성형 재료 K-6/성형 재료 K-6/성형 재료 S-1-1(90°)/성형 재료 S-1-1(0°)]의 순서로 성형 재료를 적층하고, 샌드위치 전구체를 얻었다. 괄호 내는 강화 섬유의 배향 각도를 나타낸다.
재료예 22에 나타내는 성형 금형을 준비하고, 금형 온도를 150℃로 온도 조절하였다. 준비한 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부 중에, 성형 재료 S-1-1이 아래로 향하도록 배치되고, 성형 재료 S-1-1의 관통부가 하부 금형의 홈부 위치에 배치되어 있음을 확인하였다. 그 후, 상부 금형을 강하시켜, 면압 1MPa로 2분간 가압하고, 각 성형 재료를 일체화시켜 샌드위치 구조체로 하였다. 또한 면압 15MPa로 승압하여 6분간 가압한 후, 상부 금형을 상승시키고, 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체의 면판부에 긁힌 형상의 자국, 천공은 없고, 우수한 표면 외관이었다. 또한, 성형 재료 S-1-1의 관통부의 영역 내에 형성한 입설부에는 재료가 완전히 충전되어 있으며, 수지 리치부, 긁힘은 보이지 않았다. 또한, 입설부는 관통부를 통해 유동 코어층과 연속해서 형성되어 있었다. 평가 결과는 표 2에 기재하였다.
Figure pct00002
(비교예 1)
표 3에 나타내는 성형 재료를 사용하여 실시예 1과 동일하게 하여 샌드위치 전구체를 얻은 후, 실시예 1과 동일한 재료예 22의 성형 금형을 150℃로 온도 조절하고, 실시예 1과 동일한 조건에서 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다.
면판부의 외관 품위는 양호하였다. 그러나, 스킨층에 관통부를 설치하지 않았기 때문에, 스킨층의 수지가 입설부의 일부로 유입되지만, 입설부의 10％ 정도밖에 충전되어 있지 않았다. 또한, 수지만이 충전되어 있기 때문에 입설부는 저강도였다. 평가 결과는 표 3에 기재하였다.
Figure pct00003
(실시예 2)
표 2에 나타내는 성형 재료를 사용하였다. 먼저, 400mm×200mm로 재단한 성형 재료 S-2를 [성형 재료 S-2(0°)/성형 재료 S-2(90°)/성형 재료 S-2(0°)]의 순서로 적층하고, 프레스 성형기를 사용하여 가열과 냉각의 간헐 프레스를 행함으로써 교대 적층한 적층판으로서, 교대 적층판 S-2-2(관통부 없음)를 얻었다. 실시예 1과 동일하게 하여, 표 2에 나타내는 치수의 관통부를 설치한 교대 적층판 S-2-2를 교대 적층판 S-2-1(관통부 있음)로 하였다. 이어서, 표 2의 치수로 재단한 성형 재료 K-6을 사용하여, 실시예 1과 동일하게 하여 표 2에 나타내는 순서로, 도 18에 나타내는 바와 같이 성형 재료를 적층하여, 샌드위치 전구체를 얻었다.
실시예 1과 동일한 재료예 22의 성형 금형을 155℃로 온도 조절하고, 실시예 1과 동일하게 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 면압 15MPa로 7분간 가압하여 성형체를 성형하였다. 얻어진 성형체의 평가는 표 2에 나타내는 대로, 양호한 것이었다.
(실시예 3)
표 2에 나타내는 성형 재료를 사용하여 실시예 1과 동일하게 하여 샌드위치 전구체를 얻은 후, 실시예 1과 동일한 재료예 22의 성형 금형을 150℃로 온도 조절하고, 실시예 1과 동일하게 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체의 평가는 표 2에 나타내는 대로, 양호한 것이었다.
(실시예 4)
표 2에 나타내는 성형 재료를 사용하여 실시예 1과 동일하게 하여 샌드위치 전구체를 얻은 후, 실시예 1과 동일한 재료예 22의 성형 금형을 150℃로 온도 조절하고, 실시예 1과 동일하게 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체의 평가는 표 2에 나타내는 대로, 양호한 것이었다.
(실시예 5)
표 2에 나타내는 성형 재료를 사용하여, 성형 재료 S-5를 스킨층(관통부 있음: 성형 재료 S-5-1, 관통부 없음: 성형 재료 S-5-2), 성형 재료 K-6을 코어층으로서, 이하의 치수로 재단하였다. 여기서, 성형 재료 S-1-1에 형성한 관통부는 도 17에 나타내는 치수 형상으로 하였다.
성형 재료 S-5-1(관통부 있음): W13; 400mm, W14; 200mm, W15; 50mm, W16; 20mm
성형 재료 S-5-2(관통부 없음), 성형 재료 K-6(관통부 없음): W13; 400mm, W14; 200mm
이어서, 표 2에 나타내는 적층 구성으로 실시예 1과 동일하게 하여 샌드위치 전구체를 얻은 후, 재료예 23의 성형 금형을 150℃로 온도 조절하고, 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부 중에, 성형 재료 S-5-1(관통부 있음)이 아래로 향하도록 배치하고, 성형 재료 S-5-1의 관통부의 영역이 하부 금형에 2개 홈부의 전체를 가리는 위치에 배치되어 있음을 확인하였다. 그 후, 상부 금형을 강하시켜, 면압 1MPa로 2분간 가압하고, 각 성형 재료를 일체화시켜 샌드위치 구조체로 하였다. 또한 면압 15MPa로 승압하여 6분간 가압한 후, 상부 금형을 상승시키고, 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체의 면판부에 긁힌 형상의 자국, 천공은 없고, 우수한 표면 외관이었다. 또한, 성형 재료 S-5-1의 관통부의 영역 내에 형성한 2개의 입설부에는 재료가 완전히 충전되어 있으며, 수지 리치부, 긁힘은 보이지 않았다. 또한, 2개의 입설부는 모두 관통부를 통해 유동 코어층과 연속해서 형성되어 있었다. 얻어진 성형체의 평가는 표 2에 나타내는 대로, 양호한 것이었다.
(실시예 6)
표 2에 나타내는 성형 재료를 사용하였다. 관통부의 면적을 작게 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 샌드위치 전구체를 얻은 후, 실시예 1과 동일한 재료예 22의 성형 금형을 150℃로 온도 조절하고, 실시예 1과 동일하게 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체의 면판부에 긁힌 형상의 자국, 천공은 없고, 우수한 표면 외관이었다. 또한, 입설부에는 재료가 완전히 충전되어 있었지만, 입설부의 근원부(9)에 수지 리치부가 보였다. 수지 리치부의 주변의 모습을 도 19에 나타낸다. 입설부의 근원부(9)에 있어서, 수지 리치부(26)는 스킨층(2)의 영역에서만 확인할 수 있고, 관통부(4)의 영역에는 확인할 수 없었다. 이것은, 가압 시에 스킨층(2)에 포함되는 에폭시 수지가 금형의 홈부(23)로 배어 나옴으로써 수지 리치부를 형성한 후, 관통부(4)를 통해 스킨층(2)측의 홈부(23)에 유동 코어층(성형 재료 K-6)이 유입됨으로써, 재료가 완전히 충전된 입설부를 형성했다고 생각된다. 입설부의 근원부가 수지 리치인 입설부는 저강도가 되기 때문에, 홈부(23)에 섬유와 함께 유입할 수 없는 유동성이 나쁜 재료를 스킨층에 사용하는 경우에는, 홈부(23)보다도 관통부의 면적을 넓게 설계하는 것이 바람직하다. 평가 결과는 표 2에 기재하였다.
(비교예 2)
표 3에 나타내는 성형 재료를 사용하여 실시예 1과 동일하게 하여, 샌드위치 전구체를 얻은 후, 재료예 22의 성형 금형을 200℃로 온도 조절하고, 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 면압 1MPa로 2분간 가압하였다. 또한 면압 15MPa로 승압하여 6분간 가압한 후, 상하의 금형에 냉각수를 흘려 냉각시켰다. 금형 온도가 80℃ 이하인 것을 확인한 후, 상부 금형을 상승시켜 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체의 면판부에 긁힌 형상의 자국, 천공은 없고, 우수한 표면 외관이었다. 또한, 스킨층에 관통부를 설치하고 있지는 않지만, 입설부에는 재료가 완전히 충전되어 있으며, 수지 리치부, 긁힘은 보이지 않았다. 또한, 입설부의 근원(9)의 일부에 유리 섬유를 확인할 수 있고, 또한 입설부의 거의 전역에는 탄소 섬유를 확인할 수 있었다. 얻어진 성형체의 단면 관찰로부터, 유동 코어층인 성형 재료 K-7은 스킨층의 성형 재료 S-10을 돌파함으로써 홈부(23)에 유입되고, 유동 코어층과 입설부는 연속해서 형성되어 있음을 확인하였다. 평가 결과는 표 3에 기재하였다.
(비교예 3)
표 3에 나타내는 성형 재료를 사용하여 실시예 1과 동일하게 하여 샌드위치 전구체를 얻은 후, 실시예 1과 동일한 재료예 22의 성형 금형을 150℃로 온도 조절하고, 실시예 1과 동일한 조건에서 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다.
면판부의 외관 품위는 양호하였다. 그러나, 스킨층에 관통부를 설치하고 있지 않았기 때문에, 스킨층의 수지가 입설부의 일부에 유입되지만, 입설부의 60％ 정도밖에 충전되지 않고, 또한 대부분이 수지만으로 형성되어 있어, 저강도였다. 스킨층과 유동 코어층을 구성하는 매트릭스 수지는 열경화성 수지이기 때문에, 비교예 2의 열가소성 수지와 비교하여 수지 점도가 낮고, 동일한 성형을 한 경우, 수지 점도가 낮은 열경화성 수지에서는 수지가 유동함으로써 불연속 섬유를 눌러 운반력이 충분히 얻어지지 않고, 입설부에는 성형 재료로부터 배어 나온 열경화성 수지만이 유입된 것으로 추측된다. 평가 결과는 표 3에 기재하였다.
(실시예 7)
표 2에 나타내는 성형 재료를 사용하였다. 관통부의 면적을 작게 한 것 이외에는 실시예 4와 동일하게 하여, 샌드위치 전구체를 얻은 후, 실시예 4와 동일한 재료예 22의 성형 금형을 150℃로 온도 조절하고, 실시예 4와 동일하게 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체의 면판부에 긁힌 형상의 자국, 천공은 없고, 우수한 표면 외관이었다. 또한, 입설부에는 재료가 완전히 충전되어 있었다. 그러나, 입설부의 근원부(9)의 일부에 수지 리치부가 보였다. 수지 리치부는 스킨층(2)의 영역에서만 확인할 수 있고, 관통부(4)의 영역에는 확인할 수 없었다. 평가 결과는 표 2에 기재하였다.
(비교예 4)
표 3에 나타내는 성형 재료를 사용하였다. 관통부를 설치하지 않는 것 이외에는 실시예 7과 동일하게 하여, 샌드위치 전구체를 얻은 후, 실시예 7과 동일한 재료예 22의 성형 금형을 150℃로 온도 조절하고, 실시예 7과 동일하게 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체의 면판부에 긁힌 형상의 자국, 천공은 없고, 우수한 표면 외관이었다. 그러나, 스킨층에 관통부를 설치하지 않았기 때문에, 유동 코어층인 성형 재료 K-6과 스킨층이 입설부의 일부에 유입되지만, 입설부의 50％ 정도밖에 충전되어 있지 않았다. 평가 결과는 표 3에 기재하였다.
(실시예 8)
표 2에 나타내는 성형 재료를 사용하였다. 코어층에 경량 코어층으로서 성형 재료 K-9를 사용하여, 유동 코어층인 성형 재료 K-6 이외의 층에 관통부를 설치한 것 이외에는 실시예 3과 동일하게 하여, 샌드위치 전구체를 얻은 후, 실시예 3과 동일한 재료예 22의 성형 금형을 150℃로 온도 조절하고, 실시예 3과 동일하게 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체의 평가는 표 2에 나타내는 대로, 양호한 것이었다. 또한, 실시예 3과 비교하여 성형체의 밀도는 작았다.
(실시예 9)
표 2에 나타내는 성형 재료를 사용하였다. 스킨층에 실시예 1에서 제작한 성형 재료 S-1-1(관통부 있음)을, 코어층에 성형 재료 K-11을 사용하였다. 성형 재료 K-11은 도 17에 나타내는 형상으로 이하의 치수로 재단하였다.
성형 재료 K-11(관통부 없음): W13; 400mm, W14; 200mm
이어서, 성형 재료 S-1-1에 설치한 관통부가 모두 두께 방향으로 겹치도록 적층하고, 표 2에 나타내는 적층 구성으로 실시예 1과 동일하게 하여 샌드위치 전구체를 얻었다. 이어서, 실시예 1과 동일하게 하여 150℃로 온도 조절한 재료예 22의 성형 금형에 샌드위치 전구체를 하부 금형의 오목부에 배치한 후, 상부 금형을 강하시켜, 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체의 면판부에 긁힌 형상의 자국, 천공은 없고, 우수한 표면 외관이었다. 또한, 성형 재료 S-1-1의 관통부의 영역 내에 형성한 입설부에는 재료가 완전히 충전되어 있으며, 수지 리치부, 긁힘은 보이지 않았다. 또한, 입설부는 관통부를 통해 유동 코어층과 연속해서 형성되어 있었다. 여기서, 함유하는 탄소 섬유의 영향에 의해 성형 재료 S-1-1은 전파 차폐성을 갖지만, 성형 재료 S-1-1에 설치한 관통부 내의 영역은 두께 방향으로 전파 투과성을 갖는 성형 재료 K-11밖에 존재하지 않기 때문에, 전파 투과 에어리어가 된다. 평가 결과는 표 2에 기재하였다.
(실시예 10)
표 2에 나타내는 성형 재료를 사용하여 실시예 1과 동일하게 하여 얻은 샌드위치 전구체를 금속판 사이에 끼운 상태에서, 170℃로 온도 조절한 가열 프레스기의 하반(下盤)면에 배치한 후, 상반(上盤)면을 강하시켜, 면압 1MPa로 6분간 가열하고, 스킨층에 사용한 성형 재료 S-1의 에폭시 수지가 경화되고, 코어층에 사용한 성형 재료 K-7의 폴리프로필렌 수지가 용융되며, 또한 각 성형 재료를 일체화한 샌드위치 구조체를 얻었다. 계속해서, 금형 온도를 80℃로 온도 조절한 재료예 22의 성형 금형에 샌드위치 구조체를 빠르게 반송하고, 하부 금형의 오목부에 배치하였다. 상부 금형을 강하시켜, 면압 15MPa로 1분간 가압한 후, 상부 금형을 상승시켜 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체의 면판부에 긁힌 형상의 자국, 천공은 없고, 우수한 표면 외관이었다. 또한, 성형 재료 S-1-1의 관통부의 영역 내에 형성한 입설부에는 재료가 완전히 충전되어 있으며, 수지 리치부, 긁힘은 보이지 않았다. 또한, 입설부는 관통부를 통해 유동 코어층과 연속해서 형성되어 있었다. 평가 결과는 표 2에 기재하였다.
본 발명에 의해 얻어지는 성형체는 자동차 내외장, 전기ㆍ전자 기기 하우징, 자전거, 스포츠용품용 구조재, 항공기 내장재, 수송용 상자체 등에 유효하게 사용할 수 있다.
1 샌드위치 구조체
2 스킨층
3 코어층
4 관통부
5 일방향 섬유 강화 수지층
7 성형체
8 입설부
9 입설부의 근원부
20 한 쌍의 금형
21 하부 금형
22 상부 금형
23 홈부
24 오목부
25 볼록부
26 수지 리치부

Claims (14)

  1. 금속층, 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(X), 및 불연속 섬유와 열경화성 매트릭스 수지(B)로 이루어지는 섬유 강화 수지층(Y) 중 적어도 어느 1층을 사용하는 스킨층과, 불연속 섬유와 매트릭스 수지(C)로 이루어지는 유동 코어층을 포함하는 코어층으로 구성되며,
    상기 스킨층은 상기 코어층보다도 굽힘 탄성률이 높은 재료로 이루어짐과 함께, 상기 스킨층의 적어도 일부의 영역에 관통부가 설치된 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유 강화 수지층(X)이, 연속 섬유로서의 일방향 연속 섬유와 매트릭스 수지(A)로서의 열경화성 수지로 이루어지는 일방향 섬유 강화 수지층, 또는 연속 섬유로서의 연속 섬유 직물과 매트릭스 수지(A)로서의 열경화성 수지로 이루어지는 직물 섬유 강화 수지층이며,
    상기 스킨층이, 상기 일방향 섬유 강화 수지층 및/또는 상기 직물 섬유 강화 수지층을 1층 이상 적층시킨 적층체인, 샌드위치 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 샌드위치 구조체의 면외 방향으로 적어도 1개의 입설부가 형성된 성형체이며,
    상기 입설부는, 상기 코어층의 일부가 상기 관통부를 삽통하여, 연장되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 성형체.
  4. 제3항에 있어서, 관통부가 비의장면측의 스킨층의 적어도 일부에 설치되어 있는, 성형체.
  5. 제4항에 있어서, 추가로 의장면측의 스킨층의 적어도 일부에 관통부가 설치되고, 상기 의장면측의 적어도 1개의 상기 관통부와 상기 비의장면측의 적어도 1개의 상기 관통부가 대향하여 배치되어 있는, 성형체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 의장면측의 관통부와 상기 비의장면측의 관통부가 대향하는 영역에 전파가 투과 가능한, 성형체.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 비의장면측에 설치된 관통부의 적어도 1개의 개구 면적이, 당해 관통부를 삽통하여 형성된 입설부 선단으로부터 해당 입설부의 높이의 10％의 위치에서의 해당 입설부 높이 방향에 수직인 단면적(입설부 단면적)보다도 큰, 성형체.
  8. 제7항에 있어서, 비의장면측에 설치된 관통부에 1개의 입설부가 형성되고, 상기 개구 면적이 상기 입설부 단면적의 1.1배 내지 10배이거나,
    또는 상기 관통부에 2개 이상의 입설부가 형성되고, 상기 개구 면적이 해당 2개 이상의 입설부 단면적의 총합의 1.1배 내지 2배인, 성형체.
  9. 적어도 이하의 공정 [1] 내지 공정 [3]을 갖는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조체의 제조 방법,
    [1] 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정,
    [2] 적어도 편측의 스킨층에, 상기 관통부를 설치한 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼워서 샌드위치 전구체를 얻는 공정,
    [3] 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여, 샌드위치 구조체를 얻는 공정.
  10. 적어도 이하의 공정 [1] 내지 [3]을 갖는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조체의 제조 방법,
    [1] 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼워 샌드위치 전구체를 얻는 공정,
    [2] 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여, 샌드위치 구조체를 얻는 공정,
    [3] 상기 샌드위치 구조체의 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정.
  11. 적어도 이하의 공정 [1] 내지 [3]을 갖는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법,
    [1] 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정,
    [2] 적어도 편측의 스킨층에 상기 관통부를 설치한 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼운 샌드위치 전구체를 얻는 공정,
    [3] 상기 샌드위치 전구체를 성형 금형 내에 배치한 후, 상기 성형 금형을 폐쇄함으로써, 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여 샌드위치 구조체로 함과 함께, 상기 유동 코어층을 상기 관통부를 통해, 상기 성형 금형의 캐비티 내로 흐르게 함으로써, 상기 스킨층면으로부터 상기 유동 코어층을 면외 방향으로 일어서게 함으로써, 유동 코어층과 연속해서 연장되는 적어도 1개의 입설부를 형성하는 공정.
  12. 제9항 또는 제10항에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 샌드위치 구조체를 성형 금형 내에 배치한 후, 상기 성형 금형을 폐쇄함으로써, 상기 유동 코어층을 상기 관통부를 통해, 상기 성형 금형의 캐비티 내로 흐르게 함으로써, 상기 스킨층면으로부터 상기 유동 코어층을 면외 방향으로 일어서게 함으로써, 유동 코어층과 연속해서 연장되는 적어도 1개의 입설부를 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  13. 적어도 이하의 공정 [1] 내지 [4]를 갖는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법,
    [1] 스킨층의 적어도 일부에 관통부를 설치하는 공정,
    [2] 적어도 편측의 스킨층에 상기 관통부를 설치한 스킨층을 사용하여, 유동 코어층을 포함하는 코어층을 양측으로부터 끼운 샌드위치 전구체를 얻는 공정,
    [3] 상기 샌드위치 전구체를 성형 금형 내에 배치한 후, 상기 성형 금형을 폐쇄함으로써 상기 샌드위치 전구체를 일체화하여 샌드위치 구조체로 하고, 이어서 유동 코어층의 매트릭스 수지를 용융시키는 공정,
    [4] 상기 유동 코어층의 매트릭스 수지의 융점 미만으로 온도 조정한 다른 성형 금형 내에 상기 샌드위치 구조체를 반송, 배치한 후, 상기 성형 금형을 폐쇄함으로써, 상기 유동 코어층을 상기 관통부를 통해, 상기 성형 금형의 캐비티 내로 흐르게 함으로써, 상기 스킨층면으로부터 상기 유동 코어층을 면외 방향으로 일어서게 함으로써, 유동 코어층과 연속해서 연장되는 적어도 1개의 입설부를 형성시키고, 이어서 상기 유동 코어층의 매트릭스 수지를 고화시키는 공정.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 오토클레이브 성형 또는 프레스 성형을 실시하는, 성형체의 제조 방법.
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