KR20190095288A - 복합 구조체의 제조 방법 및 일체화 복합 구조체의 제조 방법 - Google Patents

복합 구조체의 제조 방법 및 일체화 복합 구조체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

복잡한 형상을 용이하게 형성가능하며, 경량성 및 역학 특성이 우수한 복합 구조체를 높은 비용을 요하는 일 없이 제조가능한 복합 구조체의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 의한 복합 구조체의 제조 방법은 제 1 부재와, 제 2 부재인 구조체가 일체화된 복합 구조체의 제조 방법으로서, 상기 제 1 부재로 이루어지는 틀에 수지와 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 배치하는 배치 공정과, 상기 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108Pa 미만이 되는 온도 이상으로 상기 구조체 전구체를 가열하는 가열 공정과, 가열에 의해 상기 구조체 전구체를 팽창시켜 제 2 부재인 구조체로서 제 1 부재에 밀착시켜서 복합 구조체를 얻는 부형 공정과, 상기 복합 구조체를 냉각하는 냉각 공정을 갖고, 상기 제 1 부재는 상기 가열 공정의 온도에 있어서 굽힘 탄성률이 5GPa 이상이며, 상기 제 2 부재인 구조체는 수지와 강화 섬유와 공극으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 구조체의 제조 방법 및 일체화 복합 구조체의 제조 방법
본 발명은 제 1 부재와 제 2 부재가 일체화된 복합 구조체의 제조 방법 및 일체화 복합 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 자동차, 항공기, 스포츠 제품 등의 산업용 제품에 대해서는 강성이나 경량성의 향상에 대한 시장 요구가 해마다 높아지고 있다. 이러한 요구에 응하기 위해서 강성이나 경량성이 우수한 섬유 강화 수지가 각종 산업 용도에 폭넓게 이용되어 있다. 또한, 여러가지 재료를 조합한 멀티머테리얼화나 필링 개선도 검토되기 시작하고 있다. 그 중에서도 경량성을 만족시키기 위해서 공극을 갖는 성형품 및 그 제조 방법이 검토되고 있다. 예를 들면, 성형품의 심재부에 공극을 포함시키기 위해서 발포성 재료를 사용하는 방법이나 사출 성형기 등의 대규모인 장치를 이용하여 발포시키는 방법이 검토되어 있다(특허문헌 1, 2 참조). 또한, 성형품을 중공 형상으로 하는 방법으로서 내압 성형법이나 외압 성형법이 알려져 있다(특허문헌 3 참조).
일본특허공개 평 07-124981호 공보 일본특허공개 2016-187935호 공보 일본특허공개 2000-238141호 공보
그러나, 역학 특성을 높이는 관점으로부터는 성형품은 발포성 재료를 포함하지 않는 것이 바람직하고, 또한 대규모인 장치나 금형을 사용하는 것은 비용이 높아지는 점에서 바람직하지 않다. 또한, 내압 성형법이나 외압 성형법에서는 프리포밍에 시간을 소비할 필요가 있고, 부자재도 많이 필요해지기 때문에 생산성의 관점으로부터 바람직하지 않다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 복잡한 형상을 용이하게 형성가능하며, 경량성 및 역학 특성이 우수한 복합 구조체를 제조가능한 복합 구조체의 제조 방법을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 많은 비용을 요하는 일 없이 복합 구조체를 제조가능한 복합 구조체의 제조 방법 및 일체화 복합 구조체의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은 이하의 (1)이다.
(1) 제 1 부재와, 제 2 부재인 구조체가 일체화된 복합 구조체의 제조 방법으로서,
상기 제 1 부재로 이루어지는 틀에 수지와 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 배치하는 배치 공정과,
상기 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108Pa 미만이 되는 온도 이상으로 상기 구조체 전구체를 가열하는 가열 공정과,
가열에 의해 상기 구조체 전구체를 팽창시켜 제 2 부재인 구조체로서 제 1 부재에 밀착시켜서 복합 구조체를 얻는 부형 공정과,
상기 복합 구조체를 냉각하는 냉각 공정을 갖고,
상기 제 1 부재는 상기 가열 공정의 온도에 있어서 굽힘 탄성률이 5GPa 이상이며,
상기 제 2 부재인 구조체는 수지와 강화 섬유와 공극으로 이루어지는 복합 구조체의 제조 방법이다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 복잡한 형상을 용이하게 형성가능하며, 경량성 및 역학 특성이 우수한 복합 구조체를 제조가능한 복합 구조체의 제조 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 많은 비용을 요하는 일 없이 복합 구조체를 제조가능한 복합 구조체의 제조 방법 및 일체화 복합 구조체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 제조 방법에서 얻어지는 복합 구조체의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 의한 제 2 부재인 구조체에 있어서의 강화 섬유의 분산 상태의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은 강화 섬유 매트의 제조 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4는 실시예 1의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 실시예 3에 사용하는 제 1 부재를 설명하기 위한 모식 사시도이다.
도 6은 실시예 5의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 본 발명에 의한 복합 구조체의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 의한 복합 구조체의 제조 방법은 제 1 부재와, 제 2 부재인 구조체가 일체화된 복합 구조체의 제조 방법으로서,
상기 제 1 부재로 이루어지는 틀에 수지와 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 배치하는 배치 공정과,
상기 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108Pa 미만이 되는 온도 이상으로 상기 구조체 전구체를 가열하는 가열 공정과,
가열에 의해 상기 구조체 전구체를 팽창시켜 제 2 부재인 구조체로서 제 1 부재에 밀착시켜 상기 복합 구조체를 얻는 부형 공정과,
상기 복합 구조체를 냉각하는 냉각 공정을 갖고,
상기 제 1 부재는 상기 가열 공정의 온도에 있어서 굽힘 탄성률이 5GPa 이상이며, 상기 제 2 부재인 구조체는 수지와 강화 섬유와 공극으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 제조 방법에서 얻어지는 복합 구조체(2)에 대하여 간단히 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 제조 방법에서 얻어지는 복합 구조체(2)의 모식도(단면)이다. 복합 구조체(2)는 제 1 부재인 파이프(3)와, 제 2 부재인 코어(8)로 구성되어 있다. 코어(8)는 수지(4)와 강화 섬유(5)와 공극(6)으로 이루어지는 구조체이며, 파이프(3) 내에 코어(8)가 밀착해서 일체화되어 있다. 본 발명에 의한 제조 방법에서는 제 1 부재인 파이프(3)는 틀로서 기능하고, 수지(4)와 강화 섬유(5)를 갖는 구조체 전구체를 파이프(3) 내에 배치하고, 구조체 전구체의 저장 탄성률이 1.2×108Pa 미만이 되는 온도 이상으로 가열하고, 구조체 전구체를 팽창시켜 파이프(3)에 밀착시킨 후, 냉각함으로써 복합 구조체를 제조할 수 있다.
본 발명의 제조 방법에 있어서, 배치 공정에서는 제 1 부재로 이루어지는 틀에 수지와 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 배치함으로써 최종적으로 제 1 부재는 복합 구조체의 일부가 되기 때문에 프레스 성형기 등의 대형 장치나 그들의 장치에 부착하는 금형을 사용하지 않고 복합 구조체를 제조할 수 있다. 즉, 복합 구조체를 형성하는 제 1 부재 그 자체를 제 2 부재인 구조체의 성형을 행하기 위한 틀로서 사용하는 것이다.
본 발명의 제조 방법에 있어서, 가열 공정에서는 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108Pa 미만이 되는 온도 이상으로 구조 전구체의 온도를 상승시키는 것이 필요하다. 구체적으로는 구조체 전구체의 유리 전이 온도나 결정화 온도 이상의 온도로 함으로써 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108Pa 미만이 되는 온도 이상으로 하는 것이 가능하지만, 구조체 전구체의 융점 또는 연화점에 대하여 10℃ 이상 높고, 또한 구조체 전구체의 열 분해 온도 이하의 온도를 부여하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 가열 공정에 있어서, 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108Pa 이상이면 틀에의 부형(형상의 형성)이 곤란해지는 경우가 있기 때문에 가열 공정에 있어서는 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108Pa 미만이 되는 온도 이상으로 구조체 전구체를 가열하는 것이 중요하다.
본 발명의 제조 방법에 있어서, 부형 공정에서는 가열에 의해 구조체 전구체를 팽창시켜서 제 1 부재에 밀착시키도록 부형하는 것이 필요하다. 이 때의 구조체 전구체의 팽창에 의해 제 1 부재와 밀착하여 일체화되어서 제 1 부재와 제 2 부재가 복합화되어 복합 구조체가 얻어진다. 또한, 부형 공정에 있어서 구조체 전구체를 팽창시킴으로써 공극을 형성하여 구조체 전구체를 제 2 부재가 되는 구조체로 변환한다. 이 때, 가열 공정과 부형 공정은 다른 장치에서 실시해도 좋고, 예를 들면 구조체 전구체를 효과적으로 가열하는 관점으로부터 가열 공정에서는 가열원과 구조체 전구체가 접하도록 해서 가열을 행하고, 부형 공정에서는 팽창을 하기 쉽게 하기 위해서 가열원을 떼어 놓는 것을 들 수 있다. 가열 공정과 부형 공정을 다른 장치에서 실시하는 경우에는 가열 공정과 부형 공정은 다른 공정으로서 행해지는 것이 된다. 또한, 생산성의 관점으로부터는 가열 공정과 부형 공정을 같은 장치에서 실시하는 것이 바람직하고, 장치 간의 이송 시에 있어서의 성형 부재의 온도 저하를 억제할 수 있다. 또한, 가열 공정과 부형 공정을 같은 장치에서 실시하는 경우에는 가열 공정과 부형 공정은 1개의 공정에서 연속적 또는 병행되어서 행해지는 것이 된다. 가열 공정에 있어서의 가열에 의해 구조체 전구체의 저장 탄성률이 저하를 비롯하여, 사용하는 구조체 전구체에 따라 다르지만 어떤 저장 탄성률을 하회하면 부형 공정에 있어서의 구조체 전구체의 팽창이 개시된다. 이 때, 저장 탄성률의 저하가 급격한 경우(가열 시의 온도 상승이 급격한 경우), 구조체 전구체의 팽창이 약간 늦게 개시되고, 1개의 공정에서 연속적으로 행해진다. 또한, 저장 탄성률의 저하가 완만한 경우(가열 시의 온도 상승이 완만한 경우), 구조체 전구체의 팽창이 가열 공정의 가열과 병행되어서 행해진다.
부형 공정의 온도에 대해서는 구조체 전구체를 팽창시키는 정도나 구조체 전구체의 저장 탄성률이 영향을 미치기 때문에 일률적으로는 말할 수 있는 것이 아니고 특별히 한정되지 않는다. 한편, 부형 공정의 시간은 15초 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30초 이상, 더욱 바람직하게는 1분 이상이다. 부형 공정의 시간에 대하여 특별히 상한은 없지만, 성형 사이클을 단축하는 관점으로부터 30분 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10분 이하이다.
본 발명의 제조 방법에 있어서, 냉각 공정에서는 복합 구조체를 냉각하는 것이 필요하다. 냉각 방법이나 시간에 대하여 특별히 한정은 되지 않지만, 제 2 부재인 구조체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108Pa 이상이 되는 온도까지 하강시키는 것이 바람직하다. 복합 구조체를 취급할 때의 변형을 억제하는 관점으로부터 제 2 부재인 구조체의 저장 탄성률이 높은 쪽이 바람직하고, 구체적으로는 제 2 부재인 구조체의 융점 또는 연화점에 대하여 30℃ 이상 낮은 것이 바람직하고, 50℃ 이상 낮은 것이 성형 사이클을 단축하는 관점으로부터 바람직하다.
본 발명에 의한 복합 구조체의 제조 방법은 부형 공정 이후에 가압에 의해 복합 구조체(2)를 성형하는 성형 공정을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 부재에 밀착한 제 2 부재를 제 1 부재와 함께 가압함으로써 복잡한 형상을 가진 복합 구조체를 얻을 수 있다. 이 때, 제 2 부재는 팽창성을 가진 상태이기 때문에 복잡한 형상으로의 성형에도 추종하는 것이 가능하다. 가압에 의해 복합 구조체를 성형하는 성형 공정의 방법으로서는 프레스기에 부착한 금형 내에 복합 구조체를 배치하고, 가압해서 표면에 형상을 성형하는 방법 등을 들 수 있다. 또한, 이 성형 공정은 부형 공정과 냉각 공정 사이에 행해도 좋고, 또한 냉각 공정 후에 행해도 좋다.
본 발명에 의한 복합 구조체의 제조 방법은 부형 공정 이후에 국부적으로 가압을 행하여 복합 구조체를 변형시키는 변형 공정을 구비하는 것이 바람직하다. 상술한 성형 공정과 마찬가지로 제 2 부재가 팽창성을 가진 상태이기 때문에 복잡한 변형에 대해서도 추종하는 것이 가능하다. 국부적으로 가압을 행하여 복합 구조체를 변형하는 변형 공정의 방법으로서는 벤더나 클램프에 고정해서 국부적으로 가압을 행하여 형상을 변형시키는 방법 등을 들 수 있다. 또한, 굽힙 변형과 같이 복합 구조체를 부분적으로 변형시키는 경우는 변형 공정에 있어서 변형시키는 개소의 적어도 일부를 가열하는 것이 바람직하고, 동시에 변형시키고 싶지 않은 장소는 가열을 하지 않는다는 것도 선택적으로 행하는 것이 가능하다. 또한, 이 변형 공정은 부형 공정과 냉각 공정 사이에 행해도 좋고, 또한 냉각 공정 후에 행해도 좋다.
<제 1 부재>
본 발명의 제조 방법에서는 제 1 부재가 가열 공정의 온도에 있어서 굽힘 탄성률이 5GPa 이상인 것이 필요하며, 8GPa 이상인 것이 보다 바람직하다. 가열 공정의 가열 온도에 있어서 제 1 부재의 굽힘 탄성률이 5GPa 이상인 경우, 제 1 부재만으로 형상을 유지하는 것이 가능해지고, 제 1 부재를 틀로서 사용하는 것이 가능해 지고, 제 1 부재의 고정 등 다른 설비의 사용이나 배치 공정의 간소화가 가능한 점에서도 바람직하다.
또한, 제 1 부재의 선 팽창계수는 50×10-6/℃ 이하인 것이 바람직하다. 제 1 부재로서 이러한 선 팽창계수를 갖는 부재를 사용함으로써 가열 공정 및 부형 공정의 가열에 의해서도 제 1 부재의 치수 변화가 적어 목적으로 하는 복합 구조체를 정밀도 좋고 제조하는 것이 가능해진다. 또한, 부형 공정에 의해 제 1 부재에 제 2 부재가 밀착한 상태로부터 냉각 공정에 의해 냉각함으로써 제 1 부재가 크게 수축하면 제 1 부재와 제 2 부재의 밀착 상태가 저하하는 경우가 있기 때문에 제 1 부재의 선 팽창계수는 50×10-6/℃ 이하인 것이 바람직하다.
제 1 부재는 섬유 강화 열 경화성 수지 부재, 섬유 강화 열 가소성 수지 부재, 금속 부재, 및 세라믹 부재로 이루어지는 군으로부터 선택되는 부재인 것이 바람직하다. 경량성의 관점으로부터는 제 1 부재로서 섬유 강화 열 경화성 수지 부재나 섬유 강화 열 가소성 수지 부재를 사용하는 것이 바람직하다. 도전성이나 방열성의 관점으로부터는 제 1 부재로서 금속 부재를 사용하는 것이 바람직하다. 내열성이나 내마모성, 내부식성의 관점으로부터는 제 1 부재로서 세라믹 부재를 사용하는 것이 바람직하다.
제 1 부재로서 적합한 섬유 강화 열 경화성 수지 부재 및 섬유 강화 열 가소성 수지 부재로서는 특별히 한정은 되지 않지만, 후술하는 강화 섬유와 열 경화성 수지 또는 열 가소성 수지로 구성되는 부재이면 좋다. 특히, 강화 섬유에 수지가 미리 함침된 시트 형상인 것이 취급성의 관점으로부터 바람직하다
제 1 부재로서 적합한 금속 부재로서는 특별히 한정되지 않지만, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 및 티탄 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 들 수 있다. 이들의 금속은 목적의 용도, 물성에 따라 선택하는 것이 가능하지만, 예를 들면 알루미늄 합금으로서는 Al-Cu계의 A2017, A2024, Al-Mn계의 A3003, A3004, Al-Si계의 A4032, Al-Mg계의 A5005, A5052, A5083, Al-Mg-Si계의 A6061, A6063, Al-Zn계의 A7075 등을 들 수 있다. 또한, 알루미늄 합금원이 되는 공업용 순알루미늄을 사용해도 좋고, A1050이나 A1100, A1200 등을 들 수 있다. 마그네슘 합금으로서는 예를 들면, Mg-Al-Zn계의 AZ31이나 AZ61, AZ91 등을 들 수 있다. 순마그네슘에 대해서는 판 형상의 것은 유통이 부족하지만, 본 출원의 금속재로서 사용해도 좋다. 티탄 합금으로서는 11~23종의 팔라듐을 첨가한 합금이나 코발트와 팔라듐을 첨가한 합금, 50종(α합금), 60종(α-β합금), 80종(β합금)에 해당하는 Ti-6Al-4V 등을 들 수 있다. 또한, 티탄 합금원이 되는 공업용 순티탄을 사용해도 좋고, 1~4종의 TP270H 등을 들 수 있다.
제 1 부재의 두께는 0.1mm 이상인 것이 바람직하고, 제 2 부재가 되는 구조체 전구체의 팽창에 대하여 의도하지 않은 변형을 억제하고, 제 2 부재와의 밀착을 높이는 관점으로부터 제 1 부재의 두께는 0.5mm 이상인 것이 보다 바람직하고, 제 1 부재의 취급성의 관점으로부터 1.0mm 이상인 것이 더욱 바람직하다. 제 1 부재의 두께의 상한값은 특별히 한정되지 않지만, 경량성 및 형상 성형성, 형상 변형성의 관점으로부터 10mm 이하인 것이 바람직하고, 5mm 이하인 것이 보다 바람직하다. 제 1 부재의 두께가 0.1mm 미만인 경우, 예를 들면 금속박이나 수지막을 사용했을 경우, 취급이 곤란해질 수 있고, 또한 제 2 부재가 되는 구조체 전구체의 팽창에 의해 의도하지 않은 변형을 억제할 수 없고, 틀로서의 역할을 수행할 수 없어 목적으로 하는 복합 구조체를 얻는 것이 곤란해지는 경우가 있는 점에서 바람직하지 않다.
제 1 부재의 형상에 대하여 특별히 한정은 되지 않지만, 원기둥 형상, 다각기둥 형상, 또는 이들의 통 형상, 평판, L자 형상, 상자 형상인 것이 바람직하다. 이 중에서도 복합 구조체의 제조의 용이함의 관점으로부터는 통 형상이 바람직하고, 가열 공정 이후에 있어서, 프레스기나 고정용의 지그가 없는 환경에 있어서도 용이하게 복합 구조체를 얻을 수 있다. 대형 성형품을 얻는 관점으로부터는 평판이나 L자 형상, 상자 형상이 바람직하고, 프레스기나 고정용의 지그 등이 필요로 되지만 비교적 용이하게 입수하는 것이 가능하기 때문에 저비용이 된다.
<제 2 부재(구조체)>
본 발명의 제조 방법에 사용하는 제 2 부재인 구조체는 수지와 강화 섬유와 공극으로 이루어져 있다.
본 발명에 있어서의 1개의 형태에 있어서, 구조체 중의 수지는 적어도 1종류 이상의 열 가소성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 열 가소성 수지로서는 「폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 액정 폴리에스테르 등의 폴리에스테르, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀, 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리아미드(PA), 폴리페닐렌술피드(PPS) 등의 폴리아릴렌술피드, 폴리케톤(PK), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리에테르니트릴(PEN), 폴리테트라플루오르에틸렌 등의 불소계 수지, 액정 폴리머(LCP)」 등의 결정성 수지, 「스티렌계 수지 외, 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리술폰(PSU), 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트(PAR)」 등의 비결정성 수지, 그 외 페놀계 수지, 페녹시 수지, 또한 폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리부타디엔계, 폴리이소프렌계, 불소계 수지, 및 아크릴로니트릴계 등의 열 가소 엘라스토머 등이나, 이들의 공중합체 및 변성체 등으로부터 선택되는 열 가소성 수지를 예시할 수 있다. 그 중에서도 얻어지는 구조체의 경량성의 관점으로부터는 폴리올레핀이 바람직하고, 강도의 관점으로부터는 폴리아미드가 바람직하고, 표면 외관의 관점으로부터는 폴리카보네이트나 스티렌계 수지와 같은 비결정성 수지가 바람직하고, 내열성의 관점으로부터는 폴리아릴렌술피드가 바람직하고, 연속 사용 온도의 관점으로부터는 폴리에테르에테르케톤이 바람직하고, 또한 내약품성의 관점으로부터는 불소계 수지가 바람직하게 사용된다.
본 발명에 있어서의 1개의 형태에 있어서, 구조체 중의 수지는 적어도 1종류 이상의 열 경화성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 열 경화성 수지로서는 불포화 폴리에스테르, 비닐에스테르, 에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 열 경화성 폴리이미드, 이들의 공중합체, 변성체, 및 이들의 적어도 2종류를 블렌딩한 수지를 예시할 수 있다.
또한, 상기 수지에 대하여 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 범위에서 본 발명에 의한 구조체 또는 구조체 전구체는 엘라스토머 또는 고무 성분 등의 내충격성 향상제, 다른 충전재나 첨가제를 함유해도 좋다. 충전재나 첨가제의 예로서는 무기 충전재, 난연제, 도전성 부여제, 결정핵제, 자외선 흡수제, 산화 방지제, 제진제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색 방지제, 열 안정제, 이형제, 대전 방지제, 가소제, 윤활제, 착색제, 안료, 염료, 발포제, 거품 억제제, 또는 커플링제를 예시할 수 있다.
본 발명에 있어서의 제 2 부재인 구조체는 제 2 부재인 구조체를 100체적%로 했을 때에 이하를 만족하는 것이 바람직하다.
(1) 수지의 체적 함유율이 2.5~85체적%
(2) 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5~55체적%
(3) 공극의 체적 함유율이 10~97체적%
본 발명에 있어서의 제 2 부재인 구조체 중의 수지의 체적 함유율은 2.5체적% 이상 85체적% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 수지의 체적 함유율이 2.5체적% 이상인 경우, 구조체 중의 강화 섬유끼리를 결착하여 강화 섬유의 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 있고, 구조체의 역학 특성, 특히 굽힘 특성을 만족할 수 있으므로 바람직하다. 한편, 수지의 체적 함유율이 85체적% 이하이면 공극의 형성을 저해하지 않기 때문에 바람직하다.
강화 섬유로서는 알루미늄, 황동, 스테인리스 등의 금속 섬유, PAN계, 레이온계, 리그닌계, 피치계의 탄소 섬유, 흑연 섬유, 유리 등의 절연성 섬유, 아라미드, PBO, 폴리페닐렌술피드, 폴리에스테르, 아크릴, 나일론, 폴리에틸렌 등의 유기섬유, 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드 등의 무기 섬유를 예시할 수 있다. 또한, 이들의 섬유에 표면 처리가 실시되어 있는 것이어도 좋다. 표면 처리로서는 도전체로서 금속의 피착 처리 외에 커플링제에 의한 처리, 사이징제에 의한 처리, 결속제에 의한 처리, 첨가제의 부착 처리 등이 있다. 또한, 이들의 섬유는 1종류를 단독으로 사용해도 좋고, 2종류 이상을 병용해도 좋다. 그 중에서도 경량화 효과의 관점으로부터 비강도, 비강성이 우수한 PAN계, 피치계, 레이온계 등의 탄소 섬유가 바람직하게 사용된다. 또한, 얻어지는 제 2 부재인 구조체의 경제성을 높이는 관점으로부터는 유리 섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 경제성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 유리 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 구조체의 충격 흡수성이나 부형성을 높이는 관점으로부터는 아라미드 섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 충격 흡수성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 구조체의 도전성을 높이는 관점으로부터는 니켈이나 구리나 이테르븀 등의 금속을 피복한 강화 섬유를 사용할 수도 있다. 이들 중에서 강도와 탄성률 등의 역학적 특성이 우수한 PAN계의 탄소 섬유를 보다 바람직하게 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서의 제 2 부재인 구조체 중의 강화 섬유의 체적 함유율은 0.5체적% 이상 55체적% 이하의 범위 내가 되는 것이 바람직하다. 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5체적% 이상인 경우, 강화 섬유로부터 유래되는 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 있으므로 바람직하다. 한편, 강화 섬유의 체적 함유율이 55체적% 이하인 경우에는 강화 섬유에 대한 수지의 체적 함유율이 상대적으로 많아지고, 구조체 중의 강화 섬유끼리를 결착하여 강화 섬유의 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 있기 때문에 구조체 및 복합 구조체의 역학 특성, 특히 굽힘 특성을 만족할 수 있으므로 바람직하다.
제 2 부재인 구조체 중의 강화 섬유는 불연속이며, 대략 모노필라멘트 형상, 또한 랜덤하게 분산되어 있는 것이 바람직하다. 강화 섬유를 이러한 양태로 함으로써 시트 형상의 구조체 전구체 또는 구조체를 외력을 가하여 성형하는 경우에 복잡 형상으로의 부형이 용이해진다. 또한, 강화 섬유를 이러한 양태로 함으로써 강화 섬유에 의해 형성된 공극이 치밀화되고, 구조체 중에 있어서의 강화 섬유의 섬유 다발 단부에 있어서의 약부가 극소화될 수 있기 때문에 우수한 보강 효율 및 신뢰성에 추가하여 등방성도 부여된다.
여기서, 강화 섬유가 대략 모노필라멘트 형상이란 강화 섬유의 단사가 500개 미만의 세섬도 스트랜드로 존재하는 것을 가리킨다. 더욱 바람직하게는 모노필라멘트 형상이다.
여기서, 대략 모노필라멘트 형상, 또는 모노필라멘트 형상으로 분산되어 있다란 제 2 부재인 구조체 중에서 임의로 선택한 강화 섬유에 대하여 그 2차원 접촉각이 1° 이상인 단섬유의 비율(이하, 섬유 분산율이라고도 칭함)이 80% 이상인 것을 가리키고, 바꿔 말하면, 구조체 중에 있어서 단섬유의 2개 이상이 접촉하여 평행한 다발이 20% 미만인 것을 말한다. 따라서, 여기서는 적어도 강화 섬유에 있어서의 필라멘트수 100개 이하의 섬유 다발의 질량 분율이 100%에 해당하는 것이 특히 바람직하다.
2차원 접촉각이란 불연속인 강화 섬유의 경우, 단섬유와 이 단섬유가 접촉하는 단섬유에 의해 형성되는 각도이며, 접촉하는 단섬유끼리가 형성하는 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도로 정의한다. 이 2차원 접촉각에 대하여 도면을 이용하여 더 설명한다. 도 2는 면방향(도 2(a)) 및 두께방향(도 2(b))으로부터 관찰했을 때의 제 2 부재인 구조체에 사용하는 강화 섬유 매트 중의 강화 섬유의 분산 상태의 일례를 나타내는 모식도이다. 단섬유(1a)를 기준으로 하면 단섬유(1a)는 도 2(a)에서는 단섬유(1b~1f)와 교차하여 관찰되지만, 도 2(b)에서는 단섬유(1a)는 단섬유(1e, 1f)와는 접촉하고 있지 않다. 이 경우, 기준이 되는 단섬유(1a)에 대하여 2차원 접촉각의 평가 대상이 되는 것은 단섬유(1b~1d)이며, 접촉하는 2개의 단섬유가 형성하는 2개의 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도(A)이다.
2차원 접촉각을 측정하는 방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 제 2 부재인 구조체의 표면으로부터 강화 섬유의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있다. 이 경우, 구조체의 표면을 연마해서 강화 섬유를 노출시킴으로써 강화 섬유를 보다 관찰하기 쉬워진다. 또한, X선 CT 투과 관찰을 행하여 강화 섬유의 배향 화상을 촬영하는 방법도 예시할 수 있다. X선 투과성이 높은 강화 섬유의 경우에는 강화 섬유에 트레이서용의 섬유를 혼합해 두거나, 또는 강화 섬유에 트레이서용의 약제를 도포해 두면 강화 섬유를 관찰하기 쉬워지기 때문에 바람직하다. 또한, 상기 방법으로 측정이 곤란한 경우에는 가열로 등에 의해 구조체를 고온 하에 있어서 수지 성분을 소실시킨 후, 광학현미경 또는 전자현미경을 이용하여 취출한 강화 섬유로부터 강화 섬유의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있다.
상술한 관찰 방법에 의거하여 섬유 분산율은 다음의 수순으로 측정한다. 즉, 무작위로 선택한 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(1a))에 대하여 접촉하고 있는 모든 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(1b~1d))와의 2차원 접촉각을 측정한다. 이것을 100개의 단섬유에 대하여 행하고, 2차원 접촉각을 측정한 모든 단섬유의 총 개수와 2차원 접촉각이 1° 이상인 단섬유의 개수의 비율로부터 비율을 산출한다.
또한, 강화 섬유는 랜덤하게 분산되어 있는 것이 특히 바람직하다. 여기서, 강화 섬유가 랜덤하게 분산되어 있다란 제 2 부재인 구조체에 있어서의 임의로 선택한 강화 섬유의 2차원 배향각의 산술 평균값이 30° 이상 60° 이하의 범위 내에 있는 것을 말한다. 이러한 2차원 배향각이란 강화 섬유의 단섬유와 이 단섬유와 교차하는 단섬유로 형성되는 각도의 것이며, 교차하는 단섬유끼리가 형성하는 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도로 정의한다.
이 2차원 배향각에 대하여 도면을 이용하여 더 설명한다. 도 2(a),(b)에 있어서 단섬유(1a)를 기준으로 하면 단섬유(1a)는 다른 단섬유(1b~1f)와 교차하고 있다. 여기서, 교차란 관찰하는 2차원 평면에 있어서 기준으로 하는 단섬유가 다른 단섬유와 교차하여 관찰되는 상태의 것을 의미하고, 단섬유(1a)와 단섬유(1b~1f)가 반드시 접촉하고 있을 필요는 없고, 투영해서 보았을 경우에 교차하여 관찰되는 상태 에 대해서도 예외는 아니다. 즉, 기준이 되는 단섬유(1a)에 대하여 보았을 경우, 단섬유(1b~1f) 모두가 2차원 배향각의 평가 대상이며, 도 2(a) 중에 있어서 2차원 배향각은 교차하는 2개의 단섬유가 형성하는 2개의 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도(A)이다.
2차원 배향각을 측정하는 방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 구성요소의 표면으로부터 강화 섬유의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있고, 상술한 2차원 접촉각의 측정 방법과 마찬가지의 수단을 취할 수 있다. 2차원 배향각의 평균값은 다음의 수순으로 측정한다. 즉, 무작위로 선택한 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(1a))에 대하여 교차하고 있는 모든 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(1b~1f))와의 2차원 배향각의 평균값을 측정한다. 예를 들면, 어떤 단섬유에 교차하는 다른 단섬유가 다수인 경우에는 교차하는 다른 단섬유를 무작위로 20개 선택하여 측정한 산술 평균값을 대용해도 좋다. 이 측정을 다른 단섬유를 기준으로 해서 합계 5회 반복하고, 그 산술 평균값을 2차원 배향각의 산술 평균값로서 산출한다.
강화 섬유가 대략 모노필라멘트 형상, 또한 랜덤하게 분산되어 있음으로써 상술한 대략 모노필라멘트 형상으로 분산된 강화 섬유에 의해 부여되는 성능을 최대한까지 높일 수 있다. 또한, 제 2 부재인 구조체에 있어서 역학 특성에 등방성을 부여할 수 있다. 이러한 관점으로부터 강화 섬유의 섬유 분산율은 90% 이상인 것이 바람직하고, 100%에 가까울수록 보다 바람직하다. 또한, 강화 섬유의 2차원 배향각의 산술 평균값은 40° 이상 50° 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 이상적인 각도인 45°에 가까울수록 바람직하다.
한편, 강화 섬유가 부직포의 형태를 취하지 않는 예로서는 강화 섬유가 일방향으로 배열되어서 이루어지는 시트 기재, 직물 기재, 및 논크림프 기재 등이 있다. 이들의 형태는 강화 섬유가 규칙적으로 조밀하게 배치되기 때문에 구조체 중의 공극이 적어져 버려 수지의 함침이 매우 곤란해지고, 미함침부를 형성하거나, 함침 수단이나 수지종의 선택지를 크게 제한하거나 하는 경우가 있다.
강화 섬유의 형태로서는 구조체와 같은 정도의 길이의 연속성 강화 섬유, 또는 소정 길이로 절단된 유한 길이의 불연속성 강화 섬유 중 어느 것이어도 좋지만, 수지를 용이하게 함침시키거나, 그 양을 용이하게 조정할 수 있거나 하는 관점으로부터는 불연속성 강화 섬유인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서의 강화 섬유는 부직포 형상의 형태를 취하는 것이 강화 섬유에의 수지의 함침의 용이함의 관점으로부터 바람직하다. 또한, 강화 섬유가 부직포 형상의 형태를 갖고 있음으로써 부직포 자체의 핸들링성의 용이함에 추가하여 일반적으로 고점도가 되는 열 가소성 수지의 경우에 있어서도 함침을 용이한 것으로 할 수 있기 때문에 바람직하다. 여기서, 부직포 형상의 형태란 강화 섬유의 스트랜드 및/또는 모노필라멘트가 규칙성 없이 면 형상으로 분산된 형태를 가리키고, 촙 스트랜드 매트, 컨티뉴어스 스트랜드 매트, 초지 매트, 카딩 매트, 에어레이드 매트등을 예시할 수 있다(이하, 이들을 통합해서 강화 섬유 매트라고 칭함).
제 2 부재인 구조체를 구성하는 강화 섬유 매트의 제조 방법으로서는 예를 들면, 강화 섬유를 미리 스트랜드 및/또는 대략 모노필라멘트 형상으로 분산시켜서 강화 섬유 매트를 제조하는 방법이 있다. 강화 섬유 매트의 제조 방법으로서는 강화 섬유를 공기류에 의해 분산 시트화하는 에어레이드법이나, 강화 섬유를 기계적으로 빗질하면서 형상을 조정하여 시트화하는 카딩법 등의 건식 프로세스, 강화 섬유를 수중에서 교반하여 초지하는 래드라이트법에 의한 습식 프로세스를 공지 기술로서 들 수 있다. 강화 섬유를 보다 모노필라멘트 형상에 가깝게 하는 수단으로서는 건식 프로세스에 있어서는 개섬 바를 설치하는 방법이나 또한 개섬 바를 진동시키는 방법, 또한 카드의 눈을 미세하게 하는 방법이나, 카드의 회전 속도를 조정하는 방법 등을 예시할 수 있다. 습식 프로세스에 있어서는 강화 섬유의 교반 조건을 조정하는 방법, 분산액의 강화 섬유 농도를 희박화하는 방법, 분산액의 점도를 조정하는 방법, 분산액을 이송시킬 때에 와류를 억제하는 방법 등을 예시할 수 있다. 특히, 강화 섬유 매트는 습식법으로 제조하는 것이 바람직하고, 투입 섬유의 농도를 늘리거나, 분산액의 유속(유량)과 메쉬 컨베이어의 속도를 조정하거나 함으로써 강화 섬유 매트의 강화 섬유의 비율을 용이하게 조정할 수 있다. 예를 들면, 분산액의 유속에 대하여 메쉬 컨베이어의 속도를 느리게 함으로써 얻어지는 강화 섬유 매트 중의 섬유의 배향이 인취방향으로 향하기 어려워져, 부피가 큰 강화 섬유 매트를 제조가능하다. 강화 섬유 매트는 강화 섬유 단체로 구성되어 있어도 좋고, 강화 섬유가 분말 형상이나 섬유 형상의 매트릭스 수지 성분과 혼합되어 있거나, 강화 섬유가 유기 화합물이나 무기 화합물과 혼합되어 있거나, 강화 섬유끼리가 수지 성분으로 메워져 있어도 좋다.
본 발명의 강화 섬유는 질량 평균 섬유 길이가 1mm 이상 15mm 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해 강화 섬유의 보강 효율을 높일 수 있고, 제 2 부재인 구조체에 우수한 역학 특성이 부여된다. 강화 섬유의 질량 평균 섬유 길이가 1mm 이상인 경우, 구조체 중의 공극을 효율적으로 형성할 수 있기 때문에 밀도를 낮게 하는 것이 가능해지고, 바꿔 말하면 동일 두께이면서 경량인 구조체를 얻을 수 있으므로 바람직하다. 한편, 강화 섬유의 질량 평균 섬유 길이가 15mm 이하인 경우에는 구조체 중에서 강화 섬유가 자체 중량에 의해 굴곡되기 어려워져 역학 특성의 발현을 저해하지 않기 때문에 바람직하다. 질량 평균 섬유 길이는 구조체의 수지 성분을 소실이나 용출 등의 방법에 의해 제거하고, 남은 강화 섬유로부터 무작위로 400개를 선택하고, 그 길이를 10㎛ 단위까지 측정하여 그들의 평균 길이로서 산출할 수 있다.
본 발명에 있어서의 공극이란 수지에 의해 피복된 강화 섬유가 기둥 형상의 지지체가 되고, 그것이 서로 겹치거나, 또는 교차함으로써 형성된 공간의 것을 가리킨다. 예를 들면, 강화 섬유에 수지가 미리 함침된 구조체 전구체를 가열해서 구조체를 얻는 경우, 가열에 따르는 수지의 용융 또는 연화에 의해 강화 섬유가 기모함으로써 공극이 형성된다. 이것은 구조체 전구체에 있어서 가압에 의해 압축 상태로 되어 있던 내부의 강화 섬유가 그 탄성률로부터 유래되는 기모력에 의해 기모하는 성질에 의거한다.
또한, 상술한 바와 같이 제 2 부재인 구조체 중에 있어서의 공극의 체적 함유율은 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 공극의 체적 함유율이 10체적% 이상인 것에 의해 구조체의 밀도가 낮아지기 때문에 경량성을 만족할 수 있으므로 바람직하다. 한편, 공극의 함유율이 97체적% 이하인 경우에는 바꿔 말하면, 강화 섬유의 주위에 피복된 수지의 두께가 충분한 것이 되는 점에서 구조체 중에 있어서의 강화 섬유끼리의 보강을 충분하게 행할 수 있고, 역학 특성이 높아지므로 바람직하다. 공극의 함유율의 상한값은 97체적%인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 체적 함유율은 구조체를 구성하는 수지와 강화 섬유와 공극의 각각의 체적 함유율의 합계를 100체적%로 한다.
본 발명에 의한 제 2 부재인 구조체의 굽힘 탄성률을 Ec, 구조체의 밀도를 ρ라고 했을 때, Ec1/3·ρ-1로서 나타내어지는 구조체의 비굽힘 강성은 3 이상 20 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 구조체의 비굽힘 강성이 3 이상인 경우, 굽힘 탄성률이 높고, 밀도가 낮은 상태이며, 소망하는 경량화 효과가 얻어지므로 바람직하다. 한편, 구조체의 비굽힘 강성의 상한값에는 특별히 제한은 없지만, 20 이하인 것이 바람직하고, 20 이하로 함으로써 경량화 효과와 굽힘 탄성률의 밸런스가 우수한 점에서 바람직하다. 일반적으로 강재나 알루미늄의 비굽힘 강성은 1.5 이하이며, 이들의 금속 재료보다 매우 우수한 비굽힘 강성의 영역이 된다. 또한, 경량화 효과에 착안되는 탄소 섬유 강화 수지 복합 재료의 일반적인 비굽힘 강성인 2.3을 초과하는 3 이상인 것, 더욱 바람직하게는 5 이상이다.
본 발명의 구조체의 굽힘 탄성률(Ec)은 3GPa 이상, 바람직하게는 6GPa 이상이면 좋다. 구조체의 굽힘 탄성률(Ec)이 3GPa 이상인 경우, 구조체로서 사용하는 범위를 확대할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 구조체의 설계를 용이하게 하기 위해서 굽힘 탄성률은 등방성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 굽힘 탄성률의 상한에 대해서는 제한을 두지 않지만, 일반적으로 강화 섬유와 수지로 이루어지는 구조체에서는 그 구성 성분인 강화 섬유 및 수지 각각의 탄성률로부터 산출되는 값이 상한이 될 수 있다. 본 발명에 의한 구조체에 있어서는 구조체를 단독으로 사용하는 경우에 있어서도, 다른 부재와 함께 사용하는 경우에 있어서도 구조체 자신의 굽힘 탄성률을 이용하여 부재의 설계를 행하고, 실용에 제공하기 위해서는 50GPa도 있으면 충분하다.
본 발명의 제 2 부재인 구조체의 밀도(ρ)는 0.9g/㎤ 이하인 것이 바람직하다. 구조체의 밀도(ρ)가 0.9g/㎤ 이하의 경우, 구조체로 했을 경우의 질량이 감소하는 것을 의미하고, 결과, 제품으로 했을 경우의 질량의 경량화에 공헌하는 것이 되므로 바람직하다. 밀도의 하한에 대해서는 제한을 두지 않지만, 일반적으로 강화 섬유와 수지로 이루어지는 구조체에서는 그 구성 성분인 강화 섬유, 수지, 및 공극 각각의 체적 비율로부터 산출되는 값이 하한이 될 수 있다. 본 발명에 의한 구조체에 있어서는 구조체를 단독으로 사용하는 경우에 있어서도, 다른 부재와 함께 사용하는 경우에 있어서도 구조체 자신의 밀도는 사용하는 강화 섬유나 수지에 따라 다르지만, 구조체의 역학 특성을 유지한다는 관점으로부터 0.03g/㎤ 이상인 것이 바람직하다.
<구조체 전구체>
본 발명의 제조 방법에 사용하는 구조체 전구체는 적어도 수지와 강화 섬유를 갖는다. 수지 및 강화 섬유는 목적에 따라 상술한 재료를 선택할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제조 방법에 사용하는 구조체 전구체에 있어서 수지의 체적 함유율은 2.5체적% 이상 95체적% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 수지의 체적 함유율이 2.5체적% 이상인 경우, 구조체 중의 강화 섬유끼리를 결착하여 강화 섬유의 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 있고, 구조체 전구체의 역학 특성, 특히 취급성을 만족할 수 있으므로 바람직하다.
본 발명의 제조 방법에 사용하는 구조체 전구체에 있어서 강화 섬유의 체적 함유율은 0.5체적% 이상 85체적% 이하의 범위 내가 되는 것이 바람직하다. 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5체적% 이상인 경우, 강화 섬유로부터 유래되는 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 있으므로 바람직하다. 한편, 강화 섬유의 체적 함유율이 85체적% 이하인 경우에는 강화 섬유의 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 있고, 구조체의 역학 특성, 특히 굽힘 특성을 만족할 수 있으므로 바람직하다.
본 발명의 제조 방법에 사용하는 구조체 전구체에 있어서의 공극이란 수지에 의해 피복된 강화 섬유가 기둥 형상의 지지체가 되고, 그것이 서로 겹치거나, 또는 교차함으로써 형성된 공간의 것을 가리킨다. 예를 들면, 강화 섬유에 수지를 미리 함침시켜서 구조체 전구체를 얻는 경우, 수지의 함침을 미완전의 상태로 하는 방법이나 수지를 완전히 함침시킨 상태로부터 제거함으로써 공극을 형성시키는 방법이 있다. 또는, 강화 섬유에 수지가 미리 함침된 구조체 전구체를 가열해서 가열에 따르는 수지의 용융 또는 연화에 의해 강화 섬유가 기모함으로써 공극을 형성시키는 방법이 있다.
구조체 전구체 중에 있어서의 공극의 체적 함유율은 0체적% 이상 30체적% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 공극의 함유율이 30체적% 이하인 경우에는 부형 공정에 있어서 팽창의 정도를 높일 수 있기 때문에 제 1 부재에 배치하는 구조체 전구체의 배치량을 줄이는 것이 가능해지고, 배치 공정을 간소화할 수 있는 점에서 바람직하다. 본 발명에 있어서, 체적 함유율은 구조체 전구체를 구성하는 수지와 강화 섬유와 공극의 각각의 체적 함유율의 합계를 100체적%로 한다.
본 발명의 제조 방법에 사용하는 구조체 전구체는 강화 섬유로 이루어지는 매트와 열 경화성 수지 또는 열 가소성 수지 중 어느 한쪽으로 이루어지는 매트릭스 수지로 이루어지고, 강화 섬유로 이루어지는 매트에 미리 수지가 함침되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구조체 전구체를 사용함으로써 배치 공정에 있어서 용이하게 제 1 부재에 배치하는 것이 가능하며, 복잡한 형상에 대해서도 용이하게 프리포밍하는 것이 가능하다. 강화 섬유로 이루어지는 매트는 습식 초지법, 건식 초지법, 에어레이드법, 및 편직법 중 어느 하나의 방법으로 제조된 부직포 형상인 것이 바람직하다. 강화 섬유가 부직포 형상의 형태를 취하는 것이 강화 섬유에의 수지의 함침의 용이함의 관점으로부터 바람직하다. 또한, 강화 섬유가 부직포 형상의 형태를 갖고 있음으로써 부직포 자체의 핸들링성의 용이함에 추가하여 일반적으로 고점도가 되는 열 가소성 수지의 경우에 있어서도 함침을 용이한 것으로 할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 이러한 부직포 형상을 사용한 구조체 전구체를 사용함으로써 경량이며 역학 특성이 우수한 구조체를 용이하게 얻는 것이 가능해 진다. 또한, 본 발명에 있어서는 열 경화성 수지와 열 가소성 수지가 블렌딩되어 있어도 좋고, 그 경우는 수지를 구성하는 성분 중 50질량%를 초과하는 양을 차지하는 성분을 수지의 명칭으로 한다.
상기 각 방법을 실현하기 위한 설비로서는 압축 성형기나 더블 벨트 프레스를 적합하게 사용할 수 있다. 배치식의 경우는 전자이며, 가열용과 냉각용의 2기 이상을 병렬한 간헐식 프레스 시스템으로 함으로써 생산성의 향상이 도모된다. 연속식의 경우는 후자이며, 연속적인 가공을 용이하게 행할 수 있으므로 연속 생산성이 우수하다.
강화 섬유 매트가 부직포의 형태를 취하지 않는 예로서는 강화 섬유가 일방향으로 배열되어서 이루어지는 시트 기재, 직물 기재, 및 논크림프 기재 등이 있다. 이들의 형태는 강화 섬유가 규칙적으로 조밀하게 배치되기 때문에 강화 섬유 매트 중의 공극부가 적고, 열 가소성 수지가 충분한 앵커링 구조를 형성하지 않기 때문에 그것을 코어 형성층으로 하면 접합 능력이 저하한다. 또한, 수지가 열 가소성 수지인 경우, 함침이 매우 곤란해져 미함침부를 형성하거나, 함침 수단이나 수지종의 선택지를 크게 제한하거나 한다.
구조체 전구체를 구성하는 매트릭스 수지가 필름, 입자, 섬유, 및 액체 중 중 어느 하나의 형태로 부여되는 것이 바람직하다. 이것에 의해 강화 섬유로 이루어지는 매트에 수지를 용이하게 함침시킬 수 있다.
구조체 전구체에는 발포제가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해 제 2 부재인 구조체를 보다 용이하게 발포시키는 것이 가능해지기 때문에 경량화의 관점으로부터 바람직하다. 또한, 보다 미세한 금형 형상에 대하여 높은 부형성을 발현할 수 있다. 발포제로서는 압축 가스의 방압이나 기체 등의 물리적 변화에 의해 발포시키는 물리 발포제와 열 분해나 화학 반응에 의해 가스를 발생시키는 화학 발포제가 있다. 이들 중에서 열 분해에 의해 질소 가스나 탄산 가스를 발생시키는 화학 발포제를 열 분해형 화학 발포제라고 한다. 열 분해형 화학 발포제란 상온에 있어서 액체 또는 고체의 화합물이며, 가열되었을 때에 분해 또는 기화하는 화합물이다. 또한, 열 분해형 화학 발포제는 본 발명에 의한 제 2 부재인 구조체의 제조 방법에 사용하는 구조체 전구체를 제조하는 과정을 실질적으로 방해하지 않는 것인 것이 바람직하고, 열 분해형 화학 발포제의 분해 온도는 180~250℃의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이러한 열 분해형 화학 발포제로서는 아조디카본아미드, 아조디카르복실산 금속염, 디니트로소펜타메틸렌테트라민, N,N-디니토로소펜타메틸렌테트라민, 4,4-옥시비스, 비스테트라졸·디암모늄 등을 예시할 수 있다.
<일체화 복합 구조체>
본 발명의 복합 구조체의 표면의 적어도 일부에 다른 부재를 일체화해서 일체화 복합 구조체를 제조할 수 있다.
본 발명의 일체화 구조체의 제조 방법은 본 발명의 제조 방법에서 얻어지는 복합 구조체의 표면의 적어도 일부에 또 다른 부재를 일체화하는 일체화 구조체의 제조 방법이다.
여기서 말하는 다른 부재는 특별히 한정되지 않지만, 제품에 복합 구조체를 부착하기 위한 접속부나 제품 안에 수용하기 위한 파지부, 제품에 메워넣기 위한 피복부가 되는 부재를 들 수 있다.
이들의 다른 부재와 복합 구조체를 일체화하는 방법으로서는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면 접착제를 사용해서 일체화하는 방법이나 볼트나 나사를 사용해서 일체화하는 방법이 있다. 열 가소성의 부재와 일체화하는 경우에는 열 용착, 진동 용착, 초음파 용착, 레이저 용착, 인서트 사출 성형, 아웃서트 사출 성형 등이 바람직하게 사용된다. 성형 사이클의 관점으로부터 아웃서트 성형, 인서트 성형이 바람직하게 사용된다.
본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 복합 구조체 및 일체화 구조체는 예를 들면, 「퍼스널 컴퓨터, 디스플레이, OA 기기, 휴대전화, 휴대 정보 단말, PDA(전자수첩 등의 휴대 정보 단말), 비디오 카메라, 광학 기기, 오디오, 에어콘, 조명 기기, 오락 용품, 완구 용품, 그 외 가전 제품 등의 하우징, 트레이, 섀시, 내장 부재, 또는 그 케이스」 등의 전기, 전자 기기 부품, 「각종 멤버, 각종 프레임, 각종 힌지, 각종 암, 각종 차축, 각종 차륜용 베어링, 각종 빔」, 「후드, 루프, 도어, 펜더, 트렁크 리드, 사이드 패널, 리어 엔드 패널, 프론트 보디, 언더 보디, 각종 필라, 각종 멤버, 각종 프레임, 각종 빔, 각종 서포트, 각종 레일, 각종 힌지 등의 외판, 또는 보디 부품」, 「범퍼, 범퍼 빔, 몰, 언더 커버, 엔진 커버, 정류판, 스포일러, 카울 루버, 에어로파츠」 등의 외장 부품, 「인스트루먼트 패널, 시트 프레임, 도어 트림, 필라 트림, 핸들, 각종 모듈」 등의 내장 부품, 또는 「모터 부품, CNG 탱크, 가솔린 탱크」 등의 자동차, 이륜차용 구조 부품, 「배터리 트레이, 핸드램프 서포트, 페달 하우징, 프로텍터, 램프 리플렉터, 램프 하우징, 노이즈 실드, 스페어타이어 커버」 등의 자동차, 이륜차용 부품, 「차음벽, 방음벽 등의 벽내 부재」 등의 건재, 「랜딩기어 포드, 윙릿, 스포일러, 엣지, 래더, 엘리베이터, 페일링, 리브, 시트」 등의 항공기용 부품, 또는 「골프 샤프트, 라켓이나 자전거, 휠체어 등의 각종 프레임, 낚시대, 스키판, 스노우보드판」 등의 스포츠 용품 및 스포츠 용품용 구조재를 들 수 있다. 역학 특성의 관점으로부터는 자동차 내외장, 전기·전자 기기 하우징, 자전거, 스포츠 용품용 구조재, 항공기 내장재, 수송용 상자체, 건재에 바람직하게 사용된다. 그 중에서도 특히 복수의 부품으로 구성되는 모듈 부재에 적합하다. 또한, 본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 이들의 통 형상인 구조체는 예를 들면, 자동차의 필라, 자전거의 프레임, 각종 스포츠 경기용의 라켓 프레임이나 샤프트, 건축물의 기둥이나 보 등에 사용하는 것이 가능하다.
(실시예)
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<평가·측정 방법>
(1) 제 2 부재인 구조체의 밀도(ρ)
구조체로부터 시험편을 잘라내고, JIS K7222(2005)를 참고로 해서 구조체의 겉보기 밀도를 측정했다. 시험편은 세로 100mm, 가로 100mm를 잘라냈다. 시험편의 세로, 가로, 두께를 마이크로미터로 측정하고, 얻어진 값우로부터 시험편의 체적(V)을 산출했다. 또한, 잘라낸 시험편의 질량(M)을 전자 천칭으로 측정했다. 얻어진 질량(M) 및 체적(V), 다음 식으로부터 겉보기 밀도(ρ)를 산출했다.
ρ[g/㎤]=103×M[g]/V[㎣]
(2) 굽힘 시험
시험편으로서 실시예 및 비교예에서 얻어지는 제 2 부재인 구조체와 마찬가지의 조성이 되는 평판을 ISO178법(1993)에 기재된 두께가 되도록 평판을 제작했다. 제작한 평판으로부터 시험편을 잘라내고, ISO178법(1993)에 따라 굽힘 탄성률을 측정했다. 시험편은 임의의 방향을 0°방향으로 했을 경우에 +45°, -45°, 90°방향의 4방향에 대하여 잘라낸 시험편을 제작하고, 각각의 방향에 대하여 측정수는 n=5로 하고, 산술 평균값을 굽힘 탄성률(Ec)로 했다. 측정 장치로서는 "인스트론(등록상표)" 5565형 만능 재료 시험기(인스트론·재팬(주) 제작)를 사용했다. 얻어진 결과로보터 다음 식에 의해 성형품의 비굽힘 강성을 산출했다.
비굽힘 강성=Ec1/3/ρ
(3) 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')
구조체 전구체의 측정 샘플(두께 0.5mm, 폭 10mm)을 동적 점탄성 해석(DMA)에 의해 승온 속도를 5℃/분, 비틀림 진동 주파수 0.5Hz, 변형량 0.1%의 조건 하, 승온해서 평가했다. 이 평가 조건에 있어서, 각 공정에 있어서의 구조체 전구체의 도달 온도에 있어서의 저장 탄성률(G')을 구했다. 여기서는 측정 장치로서 TA인스트루먼트사 제작 ARES를 사용했다
(4) 항온 굽힘 시험(가열 공정의 온도에 있어서의 제 1 부재의 굽힘 탄성률)
시험편으로서 제 1 부재를 이용하여 (2)와 마찬가지로 해서 평판을 제작했다. 제작한 평판우로부터 시험편을 잘라내고, (3)의 측정 결과로부터 선정한 가열 공정의 온도가 되도록 설정한 항온조 내에서 굽힘 탄성률을 측정했다. 얻어진 결과의 산술 평균값을 제 1 부재의 굽힘 탄성률(E1)로 했다.
(5) 각 부재의 선 팽창계수의 평가
JIS K7197(1991)에 규정되는 「플라스틱의 열 기계 분석에 의한 선 팽창률 시험 방법」을 참고로 해서 제 1 부재의 선 팽창계수를 평가했다. 본 평가에 있어서의 시험편은 실시예 또는 비교예에서 얻어지는 각 부재를 사용했다. 이 때, 두께는 각 부재의 두께로 하고, 한 변의 길이가 5mm가 되도록 가공을 행하여 시험편을 제작했다. 측정수는 n=5로 하고, 평균값을 각 부재의 선 팽창계수로 했다.
(6) 제 2 부재인 구조체에 있어서의 강화 섬유의 체적 함유율(Vf)
구조체의 질량(Ws)을 측정한 후, 구조체를 공기 중 500℃에서 30분간 가열해서 수지 성분을 소성하여 날리고, 남은 강화 섬유의 질량(Wf)을 측정하여 다음 식에 의해 산출했다.
Vf(체적%)=(Wf/ρf)/{Wf/ρf+(Ws-Wf)/ρr}×100
ρf: 강화 섬유의 밀도(g/㎤)
ρr: 수지의 밀도(g/㎤)
(7) 제 2 부재인 구조체의 공극의 체적 함유율
구조체로부터 세로 10mm, 가로 10mm로 시험편을 잘라내고, 단면을 주사형 전자현미경(SEM)(Hitachi High-Technologies Corporation 제작 S-4800형)에 의해 관찰하여 구조체의 표면으로부터 등간격으로 10개소를 1000배의 배율로 촬영했다. 각각의 화상에 대하여 화상 내의 공극의 면적(Aa)을 구했다. 또한, 공극의 면적(Aa)의 합계를 화상 전체의 면적으로 나눔으로써 공극률을 산출했다. 구조체의 공극의 체적 함유율은 5매의 시험편에서 각각 10개소씩 촬영한 합계 50개소의 공극률로부터 산술 평균에 의해 구했다.
또한, 제 2 부재인 구조체에 있어서 표면으로부터 두께방향의 중점 위치까지의 공극률과 나머지 부분의 공극률이 다른 경우를 판단하기 위해서 상기 등간격으로 촬영한 10개소에 있어서 각각의 공극의 체적 함유율을 산출하고, 공극의 체적 함유율이 0체적% 이상 10체적% 미만의 범위 내에 있는 것과, 공극의 체적 함유율이 10체적% 이상 99체적% 이하인 것으로 분별해서 구했다.
(8) 제 2 부재인 구조체에 있어서의 수지의 체적 함유율
(6), (7)로부터 구한 구조체에 있어서의 강화 섬유의 체적 함유율(Vf)과 공극의 체적 함유율(Va)의 값을 이용하여 하기 식에 의해 수지의 체적 함유율(Vr)을 구했다.
Vr(체적%)=100-(Vf+Va)
Vr: 수지의 체적 함유율(체적%)
Vf: 강화 섬유의 체적 함유율(체적%)
Va: 공극의 체적 함유율(체적%)
(9) 구조체 전구체의 강화 섬유, 수지, 및 공극의 체적 함유율
상술의 (6)~(8)과 마찬가지로 해서 구했다.
<사용한 재료>
평가에 사용한 재료를 이하에 나타낸다.
[재료 1]
폴리아크릴로니트릴을 주성분으로 하는 공중합체로부터 방사, 소성 처리, 및 표면 산화 처리를 행하고, 총 단사수 12,000개의 연속 탄소 섬유를 얻었다. 이 연속 탄소 섬유인 강화 섬유의 특성은 다음에 나타내는 바와 같았다.
단섬유 지름: 7㎛
단위길이당 질량: 1.6g/m
비중: 1.8
인장 강도: 4600MPa
인장 탄성률: 220GPa
얻어진 강화 섬유(1)를 카트리지 커터로 6mm로 커팅하여 촙드 탄소 섬유를 얻었다. 물과 계면활성제(NACALAI TESQUE, INC. 제작, 폴리옥시에틸렌라우릴에테르(상품명))로 이루어지는 농도 0.1질량%의 분산액을 제작하고, 이 분산액과 상기 촙드 탄소 섬유를 이용하여 도 3에 나타내는 초지 기재의 제조 장치를 이용하여 초지 기재를 제조했다. 제조 장치는 분산조로서의 용기 하부에 개구 코크를 갖는 직경 1000mm의 원통 형상의 용기, 분산조와 초지조를 접속하는 직선 형상의 수송부(경사각 30°)를 구비하고 있다. 분산조의 상면의 개구부에는 교반기가 부속되고, 개구부로부터 촙드 탄소 섬유 및 분산액(분산 매체)을 투입가능하다. 초지조는 바닥부에 폭 500mm의 초지면을 갖는 메쉬 컨베이어를 구비하고, 탄소 섬유 기재(초지 기재)를 운반가능한 컨베이어를 메쉬 컨베이어에 접속하고 있다. 초지는 분산액 중의 탄소 섬유 농도를 0.05질량%로 해서 행했다. 초지한 탄소 섬유 기재는 200℃의 건조로에서 30분간 건조시켰다. 얻어진 탄소 섬유 기재의 폭은 500mm, 길이는 500mm, 단위면적당 질량은 100g/㎡이었다.
수지로서 미변성 폴리프로필렌 수지(Prime Polymer Co., Ltd. 제작 "Prime Polypro" J105G) 80중량%와, 산 변성 폴리프로필렌 수지(Mitsui Chemicals, Inc. 제작 "ADMER" QB510) 20중량%로 이루어지는 단위면적당 질량 100g/㎡의 시트를 제작했다. 얻어진 탄소 섬유 기재와 수지 시트를 수지 시트/탄소 섬유 기재/수지 시트가 되도록 적층해서 적층체를 얻었다. 얻어진 적층체를 2매의 금속판 사이에 끼우고, 열반 온도가 230℃인 프레스기에 있어서 면압 3MPa로 금속판과 함께 가압·가열을 행했다. 5분 후, 프레스기의 가압을 멈추고, 열반 온도가 100℃인 프레스기에 있어서 면압 3MPa로 가압·냉각을 행했다. 5분 후, 프레스기의 가압을 멈추고, 구조체 전구체가 되는 두께 0.28mm, 강화 섬유 체적 함유율 20%의 재료 1을 얻었다. 상기 측정 방법으로 측정한 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')은 1.5×106Pa이었다.
[재료 2]
Toray Industries, Inc. 제작, "TORAYCA" 프리프레그 P3252S-12를 재료 2로 했다.
[재료 3]
재료 1에서 사용한 촙드 탄소 섬유와 폴리프로필렌 수지를 사용하고, 실린더 온도를 230℃로 설정한 2축 압출기로 폴리프로필렌 수지를 용융 혼련시킨 후, 압출기의 사이드 피더로부터 촙드 탄소 섬유를 투입하여 더 혼련했다. 혼련된 수지를 거트 형상으로 인출하고, 냉각시킨 후, 길이 6mm의 펠릿으로 가공하여 강화 섬유 체적 함유율 20%의 구조체 전구체가 되는 재료 3을 얻었다.
(실시예 1)
제 1 부재로서 내경 30mm, 길이 300mm, 두께 3mm의 알루미늄 합금제의 파이프를 준비했다. 제 2 부재의 구조체 전구체로서 재료 1로부터 길이 300mm, 폭 850mm의 크기로 잘라내어서 준비했다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 얻어진 구조체 전구체(7)를 감긴 형상체로 해서 파이프(3) 내에 배치했다. 이어서, 분위기 온도를 230℃로 설정한 열풍 건조기 내에 넣고, 수지(재료 1에서 사용하는 폴리프로필렌 수지)를 용융 상태로 했다. 마찬가지의 구성을 사용하여, 사전 검토에 있어서 구조체 전구체(7)의 중심부의 온도가 구조체 전구체(7)의 중심부에 삽입한 온도계에 의해 설정 온도 근방까지 상승하는 시간을 측정하고, 성형 조건에 반영시켰다. 이 때, 수지가 용융한 개소로부터 서서히 팽창이 시작되고, 파이프(3) 안이 도 1에 나타내는 바와 같이 수지(4)와, 강화 섬유(5)와, 공극(6)으로 이루어지는 코어(8)(제 2 부재)로 채워졌다. 그 후, 파이프(3)를 건조기로부터 취출해서 냉각을 행하여 복합 구조체를 얻었다. 물성이나 조건 등은 표 1에 나타낸다.
(실시예 2)
제 1 부재로서 실시예 1과 같은 형상이 되도록 재료 2를 사용해서 파이프를 제작했다. 이 때, 파이프의 길이방향을 0°로 해서 구성이 [0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°]가 되도록 재료 2를 적층하고, 외경 30mm의 심재에 둘러 감고, 오토클레이브에서 130℃, 2시간의 성형을 행했다. 얻어진 탄소 섬유 강화 열 경화성 수지제의 파이프를 사용하는 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 해서 복합 구조체를 얻었다. 물성이나 조건 등은 표 1에 나타낸다.
(실시예 3)
제 1 부재로서 도 5에 나타나내는 바와 같은 단면이 「U」가 되는 길이 300mm, 폭 300mm, 높이 5mm, 두께 2mm의 알루미늄 합금제의 상자를 2개 준비했다. 상자 안에 길이 300mm, 폭 300mm로 잘라낸 10매의 재료 1로 이루어지는 제 2 부재를 배치했다. 이어서, 상자의 높이가 15.2mm가 되도록 고정하고, 2분간 부형 공정을 행한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 해서 복합 구조체를 얻었다. 물성이나 조건 등은 표 1에 나타낸다.
(실시예 4)
제 1 부재로서 실시예 3과 같은 형상이 되도록 재료 2를 사용해서 상자를 제작했다. 이 때, 상자의 길이방향을 0°로 해서 구성이 [0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°]가 되도록 재료 2를 적층하고, 길이 300mm, 폭 300mm, 높이 15.2mm의 정사각형의 심재에 부형시키고, 오토클레이브에서 130℃, 2시간의 성형을 행했다. 얻어진 탄소 섬유 강화 열 경화성 수지제의 상자를 사용하고, 0.5분간 부형 공정을 행한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 해서 복합 구조체를 얻었다. 물성이나 조건 등은 표 1에 나타낸다.
(실시예 5)
제 2 부재로서 재료 1로 이루어지는 길이 300mm, 폭 10mm의 스트립 형상의 구조체 전구체(7A)를 85매 준비하고, 도 6에 나타내는 바와 같이 파이프(3) 안에 배치한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 해서 복합 구조체를 얻었다. 물성이나 조건 등은 표 1에 나타낸다.
(실시예 6)
실시예 3과 마찬가지로 해서 부형 공정까지 실시한 것을 편측에 볼록 형상을 갖는 금형에 배치하고, 가압을 행하여 성형 공정을 실시했다. 압력을 유지한 상태에서 냉각 공정을 실시하여 복합 구조체를 얻었다. 물성이나 조건 등은 표 2에 나타낸다.
(실시예 7)
실시예 1과 마찬가지로 해서 부형 공정까지 실시한 것을 파이프 벤더에 고정하고, 부분적으로 굽힘, 변형 공정을 실시했다. 그 후, 냉각을 행하여 복합 구조체를 얻었다. 물성이나 조건 등은 표 2에 나타낸다.
(실시예 8)
실시예 1에서 얻어진 복합 구조체의 길이방향의 중앙을 히트 건으로 표면 온도가 230℃가 될 때까지 가온하고, 그대로 5분간 가열을 계속했다. 그 후, 실시예 7과 마찬가지로 해서 복합 구조체를 파이프 벤더에 고정하여 부분적으로 굽힘, 변형 공정을 실시했다. 그 후, 냉각을 행하여 복합 구조체를 얻었다. 물성이나 조건 등은 표 2에 나타낸다.
(실시예 9)
실시예 1에서 얻어진 복합 구조체를 금형 내에 인서트하고, 복합 구조체의 일단을 덮도록 재료 3을 사출 성형하여 일체화 복합 구조체를 얻었다. 물성이나 조건 등은 표 2에 나타낸다.
(비교예 1)
제 1 부재인 알루미늄 합금제의 파이프를 사용하지 않고 단면이 원형이 되는 금형을 부착한 프레스 성형기를 사용하는 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 해서 성형을 실시했다. 부형 공정으로부터 냉각 공정으로 이행하기 위해서 프레스기의 금형을 개방한 결과, 금형에 제 2 부재가 밀착해서 잡아 늘려져 목적의 형상을 얻을 수 없었다. 물성이나 조건 등은 표 3에 나타낸다.
(비교예 2)
제 1 부재로서 재료 1에서 사용하는 폴리프로필렌성 수지로 이루어지는 파이프를 사용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 성형을 실시했다. 비교예 1과 마찬가지로 목적의 형상을 얻을 수 없었다. 물성이나 조건 등은 표 3에 나타낸다.
(비교예 3)
건조기의 온도를 150℃로 한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 해서 성형을 실시했다. 구조체 전구체의 저장 탄성률이 높기 때문에 부형 공정에 있어서의 팽창이 충분하지 않아 밀착되지 않았다. 물성이나 조건 등은 표 3에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
상기 실시예 1~5에 있어서, 여러가지 형상을 용이하게 형성하고, 경량성 및 역학 특성이 우수한 복합 구조체를 얻을 수 있었다. 또한, 부자재나 프레스 성형기를 사용하지 않기 때문에 많은 비용을 요하는 일 없이 복합 구조체를 얻을 수 있었다. 또한, 실시예 1, 2, 5에 있어서, 통 형상의 파이프를 사용하기 때문에 냉각 공정의 냉각도 장치(금형)를 점유할 필요가 없기 때문에 성형 사이클을 단축할 수 있었다. 또한, 실시예 6에 있어서 얻어진 복합 구조체의 단면을 확인한 결과, 성형된 제 1 부재에 제 2 부재가 밀착한 상태에서 더 복잡한 형상을 얻을 수 있었다. 실시예 7에 있어서, 실시예 6과 마찬가지로 제 2 부재가 제 1 부재에 밀착한 복합 구조체를 얻을 수 있었다. 또한, 실시예 8에서는 변형시키는 개소를 부분적으로 가열하여 실시예 7과 마찬가지로 변형시키는 것이 가능했다. 이 것은 이러한 복합 구조체를 조립하는 장소에서도 간단하게 사이즈, 형상 수정을 행하여 조립을 행할 수 있는 것을 나타낸다. 실시예 9에 있어서, 얻어진 일체화 복합 구조체는 예를 들면, 그립(손잡이부)을 갖는 파이프가 될 수 있기 때문에 휠체어나 이동용 차체의 프레임으로서 사용할 수 있다.
한편, 비교예 1에 있어서는 냉각 공정으로 이행할 때에 제 2 부재가 변형되어 버려 목적으로 한 구조체를 얻을 수는 없었다. 이러한 경우, 냉각 공정에서 제 2 부재가 완전히 고화할 때까지 시간을 요하기 때문에 성형 사이클이 길어진다. 또한, 프레스기나 금형 등의 장치가 필요하며, 비용을 요한다. 비교예 2에 있어서는 제 1 부재의 가열 공정에 있어서의 굽힘 탄성률이 지나치게 낮기 때문에 냉각 공정으로 이행할 때에 변형되어 버려 목적으로 한 복합 구조체를 얻을 수는 없었다. 이러한 경우도 비교예 1과 마찬가지로 성형 사이클이 장시간화되어 버린다. 비교예 3에 있어서는 제 2 부재의 팽창이 충분하지 않아 제 1 부재와의 밀착이 불충분한 복합 구조체가 얻어졌다.
(산업상 이용가능성)
본 발명에 의하면, 복잡한 형상을 이루고, 경량성 및 역학 특성이 우수한 복합 구조체를 많은 비용을 요하는 일 없이 제공할 수 있다.
1a~1f 단섬유 2 복합 구조체
3 파이프(제 1 부재) 4 수지
5 강화 섬유 6 공극
7 구조체 전구체 8 코어(제 2 부재)

Claims (12)

  1. 제 1 부재와, 제 2 부재인 구조체가 일체화된 복합 구조체의 제조 방법으로서,
    상기 제 1 부재로 이루어지는 틀에 수지와 강화 섬유를 갖는 구조체 전구체를 배치하는 배치 공정과,
    상기 구조체 전구체의 저장 탄성률(G')이 1.2×108Pa 미만이 되는 온도 이상으로 상기 구조체 전구체를 가열하는 가열 공정과,
    가열에 의해 상기 구조체 전구체를 팽창시켜 제 2 부재인 구조체로서 제 1 부재에 밀착시켜서 복합 구조체를 얻는 부형 공정과,
    상기 복합 구조체를 냉각하는 냉각 공정을 갖고,
    상기 제 1 부재는 상기 가열 공정의 온도에 있어서 굽힘 탄성률이 5GPa 이상이며,
    상기 제 2 부재인 구조체는 수지와 강화 섬유와 공극으로 이루어지는 복합 구조체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부형 공정 이후에 가압에 의해 상기 복합 구조체를 성형하는 성형 공정을 갖는 복합 구조체의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 부형 공정 이후에 국부적으로 가압을 행하여 상기 복합 구조체를 변형시키는 변형 공정을 구비하는 복합 구조체의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 변형 공정에 있어서 변형시키는 개소의 적어도 일부를 가열하는 복합 구조체의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 부재의 선 팽창계수가 50×10-6/℃ 이하인 복합 구조체의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 부재가 섬유 강화 열 경화성 수지 부재, 섬유 강화 열 가소성 수지 부재, 금속 부재, 및 세라믹 부재로 이루어지는 군으로부터 선택되는 부재인 복합 구조체의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 부재의 두께가 0.1mm 이상인 복합 구조체의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 부재인 구조체가 이하의 (1)~(3)을 만족하는 복합 구조체의 제조 방법.
    (1) 상기 수지의 체적 함유율이 2.5~85체적%
    (2) 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5~55체적%
    (3) 상기 공극의 체적 함유율이 10~97체적%
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체 전구체가 이하의 (4)~(6)을 만족하는 복합 구조체의 제조 방법.
    (4) 상기 수지의 체적 함유율이 2.5~95체적%
    (5) 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5~85체적%
    (6) 상기 공극의 체적 함유율이 0~30체적%
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 부재인 구조체의 밀도(ρ)가 0.9g/㎤ 이하인 복합 구조체의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 부재인 구조체 중의 강화 섬유가 불연속이며, 대략 모노필라멘트 형상 또한 랜덤하게 분산되어서 이루어지는 복합 구조체의 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 얻어진 복합 구조체의 표면의 적어도 일부에 또 다른 부재를 일체화하는 일체화 복합 구조체의 제조 방법.
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