KR20190074106A - 섬유강화 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

중공을 갖는 제1 UD 프리프레그를 포함하고, 상기 중공은 발포 폼으로 충진된 섬유 강화 복합재가 제공된다.

Description

섬유강화 복합재 및 이의 제조방법{FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL AND METHODE FOR MANUFACTURING THE SAME}

섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법에 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 높으면서 외부 충격에 견딜 수 있는 복합 재료의 개발이 중요해지고 있다.

본 발명의 일 구현예는 외부 충격에 충분히 견딜 수 있어 우수한 내구성을 구현할 수 있고, 향상된 3차원 형상 구현성과 다축방향으로 강화된 물성을 구현할 수 있는 경량화된 섬유 강화 복합재를 제공한다.

본 발명의 다른 구현예는 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에서, 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그를 포함하고, 상기 중공은 발포 폼으로 충진된 섬유 강화 복합재를 제공한다.

본 발명의 다른 구현예에서, 프리프레그(prepreg)를 성형금형에서 성형하여 제1 성형물을 형성하는 단계; 상기 제1 성형물에 발포성 수지 조성물을 충진하여 제2 성형물을 형성하는 단계; 및 상기 제2 성형물을 냉각금형에서 냉각시켜 제3 성형물을 형성하는 단계; 를 포함하는 섬유 강화 복합재의 제조방법을 제공한다.

상기 섬유 강화 복합재는 외부 충격에 충분히 견딜 수 있어 우수한 내구성을 구현할 수 있고, 향상된 3차원 형상 구현성과 다축방향으로 강화된 물성을 구현할 수 있다. 그리고, 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 발포성 수지 조성물을 보다 쉽게 충진할 수 있으며, 균일한 발포 폼을 형성하여 우수한 물성을 부여할 수 있다. 또한, 하나의 공정으로 중공에 발포 폼이 충진된 섬유강화 복합재를 제공하여 우수한 생산성을 부여할 수 있다.

도 1의 (가)는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재의 제조방법을 모식화한 것이고, (나)는 각 단계에서의 프리프레그의 변화를 모식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 다른 섬유 강화 복합재의 제조방법을 모식화한 것이다.
도 3의 (가)는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재의 모식적인 사시도이고, (나)는 본 발명의 다른 구현예에 따른 섬유 강화 복합재의 모식적인 사시도이다.

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.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

또한, 본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 아울러, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

본 발명의 일 구현예에서, 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그를 포함하고, 상기 중공은 발포 폼으로 충진된 섬유 강화 복합재를 제공한다.

도 3의 (가)는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재의 모식적인 사시도이다. 이를 참조하면, 상기 섬유 강화 복합재는 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그(2)를 포함하고, 상기 중공은 발포 폼(3)으로 충진되어 있다.

차량 등의 부품의 경량화를 위하여 중공을 갖는 섬유 강화 복합재가 제조되고 있으며, 섬유 강화 복합재는 인발 성형 공정으로 제조되는 것이 일반적이다. 섬유 강화 복합재의 인발 성형 공정은 연속 섬유 보강재에 열경화성 또는 열가소성 수지를 함침시킨 후 금형 내에서 경화 또는 고화시켜 성형품을 연속적으로 생산하는 것을 말한다. 일반적인 인발 성형 공정으로 제조한 섬유 강화 복합재의 경우 섬유 보강재가 일방향(Uni-direction)으로 배향되어 있어 그 방향으로의 기계적 물성이 우수하나, 상기 일방향에 수직한 횡방향(Transverse direction)으로의 물성 및 굴곡 물성은 취약한 문제가 있다.

상기 섬유 강화 복합재는 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그를 포함하고 상기 중공을 발포 폼으로 충진하여 횡방향(Transverse direction)으로의 물성 및 굴곡 물성을 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 상기 제1 UD 프리프레그는 제1 섬유 보강재 및 제1 수지 기지재를 포함할 수 있으며, 상기 섬유 보강재는 배향성을 가질 수 있다. 이때, '배향성'을 갖는다는 것은 상기 섬유 보강재의 섬유 단일 가닥들이 어느 일 방향으로 나란히 배열된 것을 의미한다. UD 프리프레그(unidirection prepreg)는 이러한 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트를 의미한다

상기 제1 UD 프리프레그는 배향성을 갖는 제1 섬유 보강재 및 제1 수지 기지재를 포함하여 배향된 방향으로 일정 수준의 강도 및 강성을 확보할 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 섬유 보강재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 섬유 보강재는 연속 섬유 보강재일 수 있다. 상기 제1 UD 프리프레그는 연속 섬유 보강재를 포함하여 단섬유 또는 장섬유를 포함하는 경우와 달리, 원하는 단일방향으로의 배향성 제어가 용이하고, 유연성 및 내충격성을 크게 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 섬유 보강재는 유리 섬유일 수 있으며, 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리한 장점이 있다.

상기 제1 섬유 보강재의 단일 가닥은 단면의 직경이, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 200㎛, 약 1㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 30㎛, 또는, 약 1㎛ 내지 20㎛ 일 수 있다. 상기 제1 섬유 보강재는 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 우수한 단방향 배향성을 가질 수 있으며, 제조 과정에서 수지 기지재로의 함침성을 향상시킬 수 있다.

상기 제1 수지 기지재는 열가소성 수지를 포함할 수 있으며, 구체적으로, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리페닐렌 옥사이드(polyphenylene oxidel; PPO), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 나일론(Nylon) 6.6, 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate; PMMA) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 수지 기지재는 열가소성 수지로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET)를 포함할 수 있다. 상기 상기 제1 수지 기지재가 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 경우, 가격 경쟁력을 가지고, 우수한 열적, 기계적 물성을 부여할 수 있다.

상기 중공에 충진된 상기 발포 폼은, 후술하는 제조방법에 의해 충진된 것으로서, 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리염화비닐, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리비닐아세테이트, 멜라민 수지, 페놀 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 재질일 수 있다. 상기 섬유 강화 복합재는 상기 발포 폼이 충진된 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그를 포함하여, 배향된 상기 제1 섬유 보강재의 일방향에 수직한 횡방향(Transverse direction)으로의 물성 및 굴곡 물성을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 섬유 강화 복합재는 우수한 굴곡하중을 가지고 외부충격을 충분히 견딜 수 있어 우수한 내구성을 구현할 수 있다. 예를 들어, 상기 중공 내부에 폴리우레탄 발포 폼을 포함할 수 있고, 우수한 탄성을 부여할 수 있어 압축 강도가 증대되는 효과가 있으며, 폴리우레탄 발포 폼의 낮은 열 전도도로 우수한 내열성을 부여할 수 있다.

상기 섬유 강화 복합재는 약 0.94g/㎤ 내지 약 0.96g/㎤의 밀도를 가질 수 있고, 상기 발포 폼이 중공 내에서 균일하게 발포되어, 우수한 경량화와 동시에 우수한 기계적 물성과 충격 흡수성을 나타낼 수 있다.

도 3의 (나)는 본 발명의 다른 구현예에 따른 섬유강화 복합재의 모식적인 사시도이다. 이를 참고하면, 상기 섬유 강화 복합재는 상기 제1 UD 프리프레그의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 제2 UD 프리프레그를 포함하고, 상기 제2 UD 프리프레그는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함하고, 상기 제1 UD 프리프레그의 제1 섬유 보강재 및 상기 제2 UD 프리프레그의 제2 섬유 보강재의 배향 방향이 서로 상이할 수 있다.

구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재는 중공이 발포폼으로 충진된 상기 제1 UD 프리프레그; 및 상기 제1 UD 프리프레그의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 제2 UD 프리프레그를 포함한다. 제2 UD 프리프레그는, 후술하는 제조방법에서와 같이, 상기 제1 UD 프리프레그 상에 감겨진 형태로 제1 UD 프리프레그 상에 권취된 제2 UD 프리프레그들 간의 경계가 존재할 수도 있고, 또는, 가열가압 공정에 의해, 상기 제1 UD 프리프레그 상에 권취된 제2 UD 프리프레그들 간의 경계가 부존재할 수도 있다.

상기 제2 UD 프리프레그는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함한다.

상기 제2 섬유 보강재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 섬유 보강재는 상기 상기 제1 UD 프리프레그에 포함된 제1 섬유 보강재와 동일한 물질 및 특성을 가질 수 있다.

상기 제2 수지 기지재는 열가소성 수지를 포함할 수 있으며, 구체적으로, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리페닐렌 옥사이드(polyphenylene oxidel; PPO), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 나일론(Nylon) 6.6, 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate; PMMA) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 수지 기지재는 상기 상기 제1 UD 프리프레그에 포함된 제1 수지 기지재와 동일한 물질 및 특성을 가질 수 있다.

상기 제1 UD 프리프레그는 일방향으로 배향된 제1 섬유 보강재를 포함한다. 상기 제1 UD 프리프레그의 제1 섬유 보강재 및 상기 제2 UD 프리프레그의 제2 섬유 보강재의 배향 방향이 서로 상이할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 섬유 보강재의 제1 배향방향은, 제1 UD 프리프레그의 장축 방향일 수 있으며, 제2 섬유 보강재의 제2 배향방향은, 제1 섬유 보강재의 제1 배향방향과 엇갈려서, 제1 섬유 보강재와 제2 섬유 보강재의 사이의 끼인각이 약 0° 초과이고 약 180° 미만이 될 수 있다. 상기 제1 섬유 보강재와 상기 제2 섬유 보강재의 사이의 끼인각이 약 0° 초과이고 약 180° 미만이 되는 것에 의해, 섬유강화 복합재의 제조방법은, 다축 방향으로 강화된 섬유강화 복합재를 제공할 수 있다.

상기 제2 UD 프리프레그는 끈 형상의 시트로서, 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 제1 UD 프리프레그의 표면에 감길 수 있으며, 예를 들어, 상기 상기 제2 UD 프리프레그는 상기 제1 UD 프리프레그 상에 나선형으로 감길 수 있다.

상기 섬유 강화 복합재의 형상은, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 장축과 단축을 가진 기둥형상일 수 있고, 보다 구체적으로, 다각기둥 형상 또는 원기둥 형상 등일 수 있다. 상기 섬유 강화 복합재의 형상은, 상기 제1 UD 프리프레그의 형상에 의해 결정될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 UD 프리프레그가 중공을 갖는 관 형상으로 설계된 경우, 상기 섬유강화 복합재는, 상기 관 형상에 감겨진 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그를 포함할 수 있다. 상기 제1 섬유 보강재의 배향방향과 상기 제2 섬유 보강재의 배향방향이 서로 다름은 전술한 바와 같다. 상기 섬유 강화 복합재는, 시트형상 혹은 패널형상이 아닌 기둥형상으로 제작될 수 있으므로, 시트형상 혹은 패널형상의 섬유강화 복합재와 달리, 성형금형에 따라 3차원 형상으로 제작될 수 있다.

본 발명의 다른 구현 예는 섬유 강화 복합재의 제조방법을 제공한다. 도 1의 (가)는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재의 제조방법을 모식화한 것이고, (나)는 각 단계에서의 프리프레그의 변화를 모식화한 것이다. 이를 참조하면, 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 프리프레그(prepreg)를 성형금형에서 성형하여 제1 성형물을 형성하는 단계; 상기 제1 성형물에 발포성 수지 조성물을 충진하여 제2 성형물을 형성하는 단계; 및 상기 제2 성형물을 냉각금형에서 냉각시켜 제3 성형물을 형성하는 단계; 를 포함한다.

상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 성형금형과 냉각금형 사이에서, 발포성 수지 조성물을 보다 쉽게 충진할 수 있으며, 균일한 발포 폼을 형성하여 우수한 물성을 부여할 수 있다. 또한, 하나의 공정으로 중공에 발포 폼이 충진된 섬유 강화 복합재를 제공하여 우수한 생산성을 부여할 수 있다.

상기 섬유 강화 복합재의 제조방법에 의해 제조된 섬유 강화 복합재는, 전술한 바와 같이, 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그를 포함하고, 상기 중공을 발포 폼으로 충진하여 횡방향(Transverse direction)으로의 물성 및 굴곡 물성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 섬유 강화 복합재는 낮은 밀도를 가지고, 상기 발포 폼이 중공 내에서 균일하게 발포되어, 우수한 경량화와 동시에 우수한 기계적 물성과 충격 흡수성을 나타낼 수 있다.

구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 프리프레그(prepreg)를 성형금형에서 성형하여 제1 성형물을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 성형금형은 약 180℃ 내지 약 250℃의 온도를 가질 수 있으며, 상기 온도 범위에서 제1 성형물을 형성할 수 있다. 상기 제1 성형물은 도 1의 (나)에서 보는 바와 같이, UD 프리프레그가 말굽형상과 같이 말리면서, UD 프리프레그에 포함된 섬유 보강재의 의 길이방향에 수직한 단면이 일부가 열린 구조의 중공 형태를 가질 수 있다.

또한, 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 상기 제1 성형물에 발포성 수지 조성물을 충진하여 제2 성형물을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 성형금형과 냉각금형 사이에서, 발포성 수지 조성물을 충진하여 보다 쉽게 균일한 발포 폼을 형성하여 우수한 물성을 부여할 수 있다. 또한, 하나의 공정으로 중공에 발포 폼이 충진된 섬유강화 복합재를 제공하여 우수한 생산성을 부여할 수 있다.

구체적으로, 상기 제2 성형물은 도 1의 (나)에서 보는 바와 같이, 일부가 열린 구조의 중공에 발포성 수지 조성물이 충진된 구조를 가질 수 있다. 상기 제2 성형물에 포함된 섬유 보강재의 길이방향에 수직한 단면의 원둘레길이, 즉, 내측 원둘레길이 및 외측 원둘레길이의 평균 원둘레길이는 상기 제1 성형물의 원둘레 길이 중 열린 부분의 길이와 비교하여 작을 수 있다.

도 1의 (가)에서 보는 바와 같이, 상기 발포성 수지 조성물은 상기 성형금형과 냉각 금형 사이의 약 2.5/4 내지 약 3.5/4 지점에서 충진될 수 있다. 또한, 상기 발포성 수지 조성물은 상기 제1 성형물의 표면 온도가 약 70℃ 내지 약 80℃를 가질 때 충진될 수 있다. 상기 발포성 수지 조성물은 상기 시점에 충진되어, 충진과 동시에 발포될 수 있다.

상기 발포성 수지 조성물은 일부가 열린 구조의 중공을 갖는 제2 성형물에 충진되고 동시에 발포되어, 발포시 발생하는 기체를 쉽게 제거할 수 있으며, 쉽게 균일한 발포 폼을 형성하여 우수한 물성을 부여할 수 있다.

따라서, 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 상기 발포성 수지 조성물을 발포시키기 위한 별도의 가열 단계를 포함하지 않을 수 있다. 즉, 하나의 in-line 공정에서 별도의 추가 단계 없이, 중공에 발포 폼이 충진된 섬유강화 복합재를 제공하여 우수한 생산성을 부여할 수 있다.

상기 발포성 수지 조성물은 2 이상의 히드록시기를 가진 지방족 화합물인 폴리올 화합물과 이소시아네이트 화합물을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 폴리올 화합물은 Polyester계 폴리올, Polyether계 폴리올 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 폴리올을 포함할 수 있다. 상기 폴리올은 약 105 내지 약 115의 이소시아네이트 인덱스(isocyanate index)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리올은 Ethylene glycol adipates-Butane diol adipates, Hexane diol adipates 등 일 수 있다.

그리고, 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 상기 제2 성형물을 냉각금형에서 냉각시켜 제3 성형물을 형성하는 단계를 포함한다.

구체적으로, 상기 냉각금형은 약 45℃ 내지 약 65℃의 온도를 가질 수 있으며, 상기 온도 범위에서 제3 성형물을 형성할 수 있다. 상기 제3 성형물은 도 1의 (나)에서 보는 바와 같이, 발포 폼으로 충진된 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그일 수 있다. 상기 제1 UD 프리프레그는 전술한 바와 같이, 상기 제1 섬유 보강재 및 상기 제1 수지 기지재를 포함할 수 있다.

상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 제3 성형물을 인발 및 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 도 2는 본 발명의 다른 구현예에 다른 섬유강화 복합재의 제조방법을 모식화한 것이다. 이를 참조하면, 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 상기 제1 UD 프리프레그 상에 제2 UD 프리프레그를 감는 권취 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 UD 프리프레그 상에 상기 제2 UD 프리프레그가 감길 때, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면에 열과 압력을 인가하는 가열가압 단계;를 포함하고, 상기 제2 UD 프리프레그는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함하고, 상기 제1 UD 프리프레그의 제1 섬유 보강재 및 상기 제2 UD 프리프레그의 제2 섬유 보강재의 배향 방향이 서로 상이할 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 UD 프리프레그 상에 제2 UD 프리프레그를 감는 권취 단계와 가열가압 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 UD 프리프레그는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함하고 전술한 바와 같다.

권취 단계는 상기 제1 UD 프리프레그 상에 상기 제2 UD 프리프레그를 감는 공정이다. 상기 제1 UD 프리프레그의 제1 섬유 보강재 및 상기 제2 UD 프리프레그의 제2 섬유 보강재의 배향 방향은, 전술한 바와 같이, 서로 상이할 수 있다.

상기 제2 UD 프리프레그는 끈 형상의 시트로서, 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 상기 제1 UD 프리프레그의 표면에 감길 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 UD 프리프레그 상에 상기 제2 UD 프리프레그가 나선으로 감겨질 수 있다.

가열가압 단계는 상기 제1 UD 프리프레그 상에 상기 제2 UD 프리프레그가 감길 때, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면에 열과 압력을 인가하는 공정이다.

상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그가 수지 기지재로 열가소성 수지를 포함하고 있는 것에서, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그 간의 접착이 경계면 없이 컨솔리데이션(consolidation)을 이루도록 가열장치(5)와 가압장치(1)가 요구된다.

상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면을 가열장치(5)로 가열하는 가열공정과, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면을 가압장치(1)로 가압하는 가압공정을 포함한다.

가열공정과 가압공정은 실질적으로 동시에 이루어지는 것이 바람직하며, 가열공정과 가압공정 간의 시간 차가 존재하는 경우, 가열공정이 가압공정에 비해 먼저 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제1 UD 프리프레그는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 상기 제2 UD 프리프레그는 일정한 장력을 유지하면서 가이드바(4)를 경유하여 상기 UD 프리프레그 측으로 안내되어, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 상기 UD 프리프레그의 표면에 감길 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 UD 프리프레그는 상기 제1 UD프리그레그 상에 나선형으로 감길 수 있다.

또한, 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은 권취 공정에서, 상기 제2 UD 프리프레그는 기 설계된 장력을 유지한 상태에서, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 순차적으로 감길 수 있다. 이 때, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면은, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 이동된다. 또한, 이 때, 가열가압 공정에서는, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 이동하는 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2UD 프리프레그의 경계면에 열과 압력이 인가된다.

상기 제1 UD 프리프레그의 상부에는, 가압장치(1), 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같은, 가압롤(1)이 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 가압롤(1)의 사이에는, 상기 제2 UD 프리프레그(6)가 배치될 수 있다.

상기 제2 UD 프리프레그(6)는, 일정한 장력을 유지하면서, 가이드바(4)를 경유하여, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 가압롤(1)의 사이로 투입되어, 상기 제1 UD 프리프레그(2) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 UD 프리프레그(6)가, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 가압롤(1)의 사이로 투입되어, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 표면과 접한 때, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)는 각각 가열장치(5)에 의해 용융점 이상의 온도로 열처리될 수 있다.

이렇게 함으로써, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 표면에 감긴 상기 제2 UD 프리프레그(6)는, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 접합될 수 있으며, 상기 가압롤(1)은, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 접촉점에서의 보이드 제거 및 원활한 접합을 위해, 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 상부에서 제1 UD 프리프레그(2)의 회전방향과 반대 방향으로 회전할 수 있다.

상기 가이드바(4)는, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향 또는 길이 방향을 따라 이동할 수 있다. 가열장치(5)는, 상기 가이드바(4)와 연동하여, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향 또는 길이 방향을 따라 이동할 수 있다.

상기 가열장치(5)는, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면을 추적하도록 설계될 수 있다. 상기 가열장치(5)는, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면을 추적하며, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)를 동시에 국부적으로 가열할 수 있다.

다시 말하면, 상기 가열장치(5)는, 상기 제2 UD 프리프레그(6)가, 일정한 장력을 유지한 상태에서, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 장축을 따라 순차적으로 감김으로써, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 장축을 따라 이동하는 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면을 추적하며, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 경계면에 열을 가하여, 상기 제1 UD 프리프레그(2)를 국부적으로 순차 가열한다.

이와 반대의 경우, 예를 들어, 제1 UD 프리프레그의 길이 전부에 열을 가하게 되는 경우, 컨솔리데이션이 이루어져야 할 경계면 외 다른 지점에서는 지속적으로 가열되어 소재의 형상이 변형되거나 심각하게는 소재가 산화될 수 있다. 따라서, 상기 가열장치(5)의 예로는, 일정한 온도를 유지하면서, 국부적으로 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면에 열을 가할 수 있는, 레이저 조사장치, 핫 가스(hot gas) 분사장치, 자외선 조사장치, 직화 장치 중 적어도 하나를 들 수 있다.

한편, 상기 가압장치(1), 예를 들어, 상기 가압롤(1)은, 상기 가이드바(4)와 연동하여 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향 또는 길이 방향을 따라 이동할 수도 있고, 또는, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 장축의 길이보다 긴 장축을 가지고, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 상부에 고정되게 배치될 수 있다. 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면의 컨솔리데이션을 위해, 상기 가압장치(1)는 공압을 이용하여 상기 제2 UD 프리프레그(6)를 일정한 압력으로 가압할 수 있어야 한다. 한편, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면의 컨솔리데이션을 위해, 상기 제2 UD 프리프레그(6)가 감겨진 보빈이 풀릴 때도 일정한 장력이 유지되어야 한다.

상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)는 섬유강화 복합재의 제조방법의 공정과 별개의 공정에서 준비되는 것이 바람직하다.

상기 제2 UD 프리프레그(6)가 섬유강화 복합재의 제조방법 내의 공정 중에 제조되는 경우를 예로 들면, 일정한 장력을 유지하면서 보강섬유 매트를 제1 UD 프리프레그(2)의 외주면으로 안내하는 과정에서, 보강섬유 매트가 수지 기지재가 담긴 수지조(bath)을 경유하게 함으로써, 섬유 보강재를 수지 기지재에 함침시키는 방법이 고려될 수 있다. 그러나, 전술한 방법으로는, 섬유 보강재가 수지 기지재에 완전히 함침되지 않는 문제가 있다. 또한, 섬유 보강재를 수지 기지재에 함침시킬 때, 수지 함침공정이 대기 중에서 행해지므로, 대기 중의 공기에 의해 섬유 보강재가 함침된 수지 기지재에는 미세한 보이드가 포함될 수 있다.

그리고, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)는 수지 기지재로 열가소성 수지를 포함하여 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 접합면에 열을 가하는 것 만으로도 우수한 접합력을 부여할 수 있다.

필라멘트 와인딩 공법을 이용하여, 열경화성 수지 기반 섬유강화재를 제조하는 경우, 제1 UD 프리프레그(2) 대신에 금속 재질의 멘드릴 또는 라이너(liner)를 사용하고, 보강섬유 매트를 일정한 장력을 유지하면서 멘드릴 또는 라이너로 안내하는 과정에서, 보강섬유 매트가 열경화성 수지가 담긴 수지조(bath)를 경유하게 함으로써, 보강섬유가 함침된 열경화성 수지를 얻은 뒤, 이것을 멘드릴 또는 라이너에 감고, 후속하여 열경화성 수지를 경화하는 방법이 고려될 수 있으나, 이 방법은, 후속하는 열경화성 수지의 경화공정으로 인해 생산성이 저하되는 문제가 있으며, 멘드릴 또는 라이너의 길이방향으로의 인성이 취약한 단점이 있다.

상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은, 예를 들어, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 장축 방향으로 상기 제1 섬유 보강재가 일방향 배향된 제1 UD 프리프레그(2) 상에, 제2 섬유 보강재의 배향방향이 제1 섬유 보강재의 배향방향과 엇갈리도록, 상기 제2 UD 프리프레그(6)를 와인딩함으로써, 장축 방향 및 단축 방향의 다축 방향에서 강화되어 인성이 강화된 섬유 강화 복합재를 제공할 수 있다.

또한, 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법은, 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 다축 강화 섬유 강화 복합재를 제조하는 데에 있어서, 상기 제1 UD 프리프레그(2)와 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 수지 기지재로 열가소성 수지를 포함함으로써, 열경화성 수지가 사용된 경우와 달리 후속하는 경화공정이 필요치 않아, 열경화성 수지가 사용된 경우에 비해 생산성을 향상시킬 수 있다.

상기 제1 섬유 보강재 및 상기 제2 섬유 보강재에 관한 사항과 제1 수지 기지재 및 제2 수지 기지재에 관한 사항은 전술한 바와 같다.

한편, 전술한 내용에 덧붙여, 상기 제1 UD 프리프레그(2) 상에는 상기 제2 섬유 보강재의 제2 배향방향이 서로 상이한 2 층 이상의 상기 제2 UD 프리프레그(6)가 감겨질 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 UD 프리프레그(6)는 다층구조로 상기 제1 UD 프리프레그(2) 상에 감겨질 수 있고, 이 경우, 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조는, 상기 제2 섬유 보강재의 제2 배향방향이 서로 다른 층을 포함할 수 있다. 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조에서, 서로 다른 층의 상기 제2 섬유 보강재 간의 끼인각은, 예를 들어, 약 0° 초과 약 180° 미만일 수 있다.

상기 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조는, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 외주면에 상기 제2 UD 프리프레그(6)가 단층으로 감긴 때, 외부 힘에 대해 취약한 부분에 대한 인성을 더욱 보강하기 위한 것으로, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 제1 섬유 보강재의 제1 배향방향과 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조의 각 층의 제2 섬유 보강재 간의 제2 배향방향은 각각 서로 다른 것이 바람직하다.

따라서, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 외주면 상에 상기 제2 UD 프리프레그(6)가 다층구조로 감긴 때, 상기 섬유 강화 복합재는, 상기 제1 UD 프리프레그(2)의 제1 섬유 보강재의 제1 배향방향과 상기 제2 UD 프리프레그(6)의 다층구조의 각 층의 제2 섬유 보강재의 제2 배향방향이 각각 서로 다른 영역을 하나 이상 포함할 수 있다.

상기 섬유 강화 복합재는 상기 방법으로 제조되어 상기 발포 폼이 충진된 중공을 갖는 상기 제1 UD 프리프레그를 포함하고, 제1 UD 프리프레그의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 제2 UD 프리프레그를 포함하여, 우수한 경량화와 동시에 우수한 기계적 물성과 충격 흡수성을 부여할 수 있고, 동시에 3차원 형상 구현성과 생산성이 우수하고, 다축방향으로 더욱 강화된 섬유강화 복합재를 제공할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.

<실시예 및 비교예>

실시예 1

제1 섬유 보강재인 연속된 유리섬유에 제1 수지 기지재인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 함침시켜 제조한 프리프레그를 약 220℃의 성형금형에서 성형하여 일부가 열린 구조의 중공을 갖는 제1 성형물을 제조하였다. 상기 성형금형에서 제조된 상기 제1 성형물에 발포성 수지 조성물을 충진하여 제2 성형물을 형성하였다. 이때, 상기 발포성 수지 조성물은 폴리올인 에틸렌글리콜아디페이트-부탄디올아디페이트(Ethylene glycol adipates-Butane diol adipates)과 메틸렌디페닐디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocyanate, MDI)를 2: 1의 질량비로 혼합하여 포함하고, 상기 발포성 수지 조성물은 상기 성형금형과 냉각금형 사이의 3/4 지점에서 상기 제1 성형물에 충진되도록 하였다. 그리고, 상기 제2 성형물을 약 50℃ 내지 약 60℃의 냉각금형에서 냉각시켜 중공이 폴리우레탄계 발포 폼으로 충진된 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그인 제3 성형물을 제조하였다. 상기 제3 성형물을 인발 및 절단하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.

실시예 2

반시계 방향으로 회전하는, 실시예 1의 중공이 폴리우레탄계 발포 폼으로 충진된 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그의 상부에 배치되어 시계 방향으로 회전하는 가압롤의 사이로, 제2 UD 프리프레그 시트를 공급하였다. 이때, 상기 제2 UD 프리프레그 시트는 제2 섬유 보강재인 연속된 유리섬유에 제2 수지 기지재인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 함침시켜 제조하였다.

그리고, 상기 제2 UD 프리프레그 시트는 반시계 방향으로 회전하는 공급롤, 반시계 방향으로 회전하는 상기 제1 UD 프리프레그 및 시계 방향으로 회전하는 가압롤에 의해 일정한 장력이 유지된 상태로, 가이드바를 경유하여, 상기 제1 UD 프리프레그의 장축 방향을 따라 상기 제1 UD 프리프레그와 가압롤의 사이로 투입되었다.

상기 제1 UD 프리프레그의 외주면과 상기 제2 UD 프리프레그가 서로 접하는 경계면을 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그 시트의 용융점 이상의 온도로 가열장치를 이용하여 가열하였다.

가열장치 및 가압롤에 의해, 상기 제1 UD 프리프레그의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 상기 제2 UD 프리프레그 시트를 포함하는 섬유 강화 복합재를 얻었다.

상기 제1 UD 프리프레그는 상기 제1 섬유 보강재가 장축 방향을 따라 일방향 배향된 것이 사용되었다. 상기 제2 UD 프리프레그 시트는 상기 제2 섬유 보강재가 길이 방향(제1 UD 프리프레그로의 투입 방향)을 따라 일방향 배향된 것이 사용되었다. 이때, 상기 제1 섬유 보강재와 상기 제2 섬유 보강재 간의 배향방향의 끼인 각이 80°가 되도록 하였다.

비교예 1

상기 성형금형에서 제조된 상기 제1 성형물에 발포성 수지 조성물을 충진하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유 강화 복합재를 제조하였다.

<평가>

실험예 1: 굴곡하중(N)

실시예에서 제조된 섬유 강화 복합재를 ASTM D790 규격에 의거하여 3점 굽힘 시험을 행하여 굴곡 하중을 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

실험예 2: 밀도(g/㎤)

실시예에서 제조된 섬유 강화 복합재의 경량화 효과를 확인하고자 ASTM D792 규격에 의하여 밀도를 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

	실시예 1	실시예 2	비교예 1
굴곡하중 (N)	2030	2120	1850
밀도 (g/cm3)	0.96	1.84	1.83

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예의 섬유 강화 복합재는 우수한 굴곡하중을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예의 섬유 강화 복합재는 발포 폼이 균일하게 충진되어, 굴곡 하중을 밀도로 나눈 값인, 비굴곡 하중이 현저히 우수한 것을 알 수 있다. 즉, 실시예의 섬유 강화 복합재는 보다 효과적으로 경량화를 달성할 수 있다.

1: 가압장치
2: 제1 UD 프리프레그
3: 발포 폼
4: 가이드바
5: 가열장치
6: 제2 UD 프리프레그

Claims (13)

1. 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그를 포함하고,
   상기 중공은 발포 폼으로 충진된
   섬유 강화 복합재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 UD 프리프레그는 제1 섬유 보강재 및 제1 수지 기지재를 포함하는
   섬유 강화 복합재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 발포 폼은 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리염화비닐, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리비닐아세테이트, 멜라민 수지, 페놀 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 재질인
   섬유 강화 복합재.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 UD 프리프레그의 외주면 상에 감겨진 상태로 접합된 제2 UD 프리프레그를 포함하고,
   상기 제2 UD 프리프레그는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함하고,
   상기 제1 UD 프리프레그의 제1 섬유 보강재 및 상기 제2 UD 프리프레그의 제2 섬유 보강재의 배향 방향이 서로 상이한
   섬유강화 복합재.
   
5. 프리프레그(prepreg)를 성형금형에서 성형하여 제1 성형물을 형성하는 단계;
   상기 제1 성형물에 발포성 수지 조성물을 충진하여 제2 성형물을 형성하는 단계; 및
   상기 제2 성형물을 냉각금형에서 냉각시켜 제3 성형물을 형성하는 단계; 를 포함하는
   섬유 강화 복합재의 제조방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 성형물은 일부가 열린 구조의 중공을 갖는
   섬유 강화 복합재의 제조방법.
   
7. 제5항에 있어서,
   제3 성형물은 중공을 갖는 제1 UD 프리프레그이고,
   상기 중공은 발포 폼으로 충진된
   섬유 강화 복합재의 제조방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 UD 프리프레그는 제1 섬유 보강재 및 제1 수지 기지재를 포함하는
   섬유 강화 복합재의 제조방법.
   
9. 제5항에 있어서,
   상기 발포성 수지 조성물은 상기 제1 성형물에 충진됨과 동시에 발포되는
   섬유 강화 복합재의 제조방법.
   
10. 제5항에 있어서,
    상기 발포성 수지 조성물을 발포시키기 위한 별도의 가열 단계를 포함하지 않는
    섬유 강화 복합재의 제조방법.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 UD 프리프레그 상에 제2 UD 프리프레그를 감는 권취 단계;를 더 포함하고,
    상기 제1 UD 프리프레그 상에 상기 제2 UD 프리프레그가 감길 때, 상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면에 열과 압력을 인가하는 가열가압 단계;를 포함하고,
    상기 제2 UD 프리프레그는 제2 섬유 보강재 및 제2 수지 기지재를 포함하고,
    상기 제1 UD 프리프레그의 제1 섬유 보강재 및 상기 제2 UD 프리프레그의 제2 섬유 보강재의 배향 방향이 서로 상이한
    섬유강화 복합재의 제조방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 UD 프리프레그 상에 상기 제2 UD 프리프레그가 나선으로 감겨진
    섬유강화 복합재의 제조방법.
    
13. 제11 항에 있어서,
    상기 권취 단계에서, 상기 제2 UD 프리프레그는 기 설계된 장력을 유지한 상태에서 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 순차적으로 감기고,
    상기 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면은 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 이동되고,
    상기 가열가압 단계는 상기 제1 UD 프리프레그의 장축을 따라 이동하는 제1 UD 프리프레그와 상기 제2 UD 프리프레그의 경계면에 열과 압력을 인가하는 것인
    섬유강화 복합재의 제조방법.

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