KR20200031604A - 일방향으로 배향된 테이프상 프리프레그 및 그의 성형품 - Google Patents

일방향으로 배향된 테이프상 프리프레그 및 그의 성형품 Download PDF

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마유카 야마다
에이타 곤노
다이토 우에다
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도레이 카부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 일방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지를 포함하는 테이프상 프리프레그에 있어서, 테이프 두께나 인장 강도가 양호하면서 또한 균일한, 최종 제품 제조 비용이 낮은 테이프상 프리프레그를 제공하는 것을 과제로 하고, 일방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지 조성물을 포함하는 테이프상 프리프레그로서, 평균 두께가 0.2mm 이상 1.5mm 이하이고, 공극률이 5체적％ 이하이며, 또한 강화 섬유 분산도가 0.5 이하인, 테이프상 프리프레그로 하는 것을 그 본지로 한다.

Description

일방향으로 배향된 테이프상 프리프레그 및 그의 성형품
본 발명은 인장 강도가 우수한, 일방향으로 배향된 강화 섬유 및 열가소성 수지 조성물을 포함하는 테이프상 프리프레그에 관한 것이다.
강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 복합 재료는, 경량이며 우수한 역학 특성을 갖고 있어, 자동차 부재, 항공 우주 산업 용도, 건축ㆍ토목 재료, 스포츠 용품 등, 일반 산업 용도로 폭넓게 이용되고 있다. 특히, 상기 매트릭스 수지로서 열가소성 수지를 사용한 복합 재료는, 섬유 강화 열경화성 재료와 비교하여, 가열에 의한 용융, 냉각에 의한 고화가 용이하다는 점에서, 성형 시에 있어서의 핸들링성, 사이클 타임의 단축 등의 효과가 예상되어, 공정수 저감, 비용 저감의 관점에서 주목을 모으고 있다.
한편, 열경화성 수지와 비교하여 열가소성 수지의 용융 점도는 일반적으로 매우 높기 때문에, 강화 섬유 다발에 대한 함침성의 악화, 고점도 수지의 유동에 수반하는 강화 섬유의 흐트러짐에 의한 섬유의 배향성, 분산성의 악화, 생산성의 저하와 같은 우려가 생긴다.
또한, 다종에 걸친 복합 재료 중에서도, 연속된 강화 섬유를 일방향으로 정렬하여 매트릭스 수지를 함침시킨 테이프상 프리프레그는, 인장 응력장에서의 보강재로서 그 특성을 최대한 발휘하는 것이 알려져 있다.
상기 인장 응력장에서의 보강 방법의 예로서, 예를 들어 수지 부품과의 용착 일체 성형이나, 필라멘트 와인딩에 의한 구조 부재로의 둘러 감기에 의한 보강 방법이 알려져 있으며, 자동차 부재나 토목ㆍ건축 용도로서 사용되고 있다. 이러한 사용 형태에서는, 두께가 얇을수록 테이프상 프리프레그의 가공성, 부품에 대한 추종성이 높아진다.
용착 일체 성형이나 필라멘트 와인딩에서는, 테이프상 프리프레그를 필요한 강도를 만족하는 두께로 적층할 필요가 있다. 이 경우, 테이프상 프리프레그의 두께가 얇을수록 적층수가 늘어나기 때문에 레이업의 시간이 걸리고, 층간의 공극이나 어긋남 등, 성형 기술에 대한 우려도 발생한다. 따라서, 두께물의 테이프상 프리프레그를 성형품에 사용하는 편이, 성형 시간 단축, 제조 비용의 삭감 및 성형품의 품질의 균일화가 가능하게 된다. 한편, 두께가 두꺼워질수록, 강화 섬유 사이에 대한 매트릭스 수지의 함침성의 저하가 우려된다.
특허문헌 1에서는, 사이즈제의 종류, 부착량을 규정함으로써, 라지 토우 타입의 섬유 다발이면서 두께 불균일이나 갈라짐이 적은 프리프레그를 제공하고 있다. 즉, 매트릭스 수지로서 열가소성 수지를 사용한 경우에 생기는 함침성의 저하를 개선한 것의 발명이 기재되어 있다.
특허문헌 2에는 열가소성 수지를 사용한 공극률이 낮은 테이프상물을 수렴하여 얻어지는 성형재가 개시되어 있다. 강화 섬유 사이에 대한 열가소성 수지의 함침성을 공극률로 규정하고 있고, 규정의 수치를 초과하는 공극을 갖는 테이프상물을 사용하면, 수렴 후의 성형재의 굽힘 강도가 저하되는 것에 대하여 기재되어 있다.
특허문헌 3에서는, 강화 섬유의 분산도와 배향도를 평가하여 굽힘 강도가 높은 테이프상 프리프레그를 개시하고 있다. 테이프상 프리프레그의 두께를 50㎛ 이상 150㎛ 이하로 규정하며, 얇은 것이기 때문에 유연성이 있고, 성형체에 대한 가공성이 우수한 것을 특징으로 하고 있다.
특허문헌 4에서는, 강화 섬유 다발을 개섬에 의해 폭을 확대하고, 두께 방향으로 복수 배치하여 열가소성 수지를 함침시키고, 함침조 내에서 복수의 강화 섬유 다발을 적층하여 시트상 프리프레그를 제조하는 제조 방법에 대하여 개시되어 있다. 이 방법으로, 균일하면서 또한 양호하게 강화 섬유간에 수지를 함침시킬 수 있고, 함침에 요하는 시간을 단축할 수 있는 것을 특징으로 하고 있다.
특허문헌 5에는, 강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하고, 보이드율이 6％ 이하, 두께가 0.1mm 이상 1.5mm 이하인 일방향성 섬유 강화 테이프가 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2013-203943호 공보 일본 특허 제3317357호 공보 일본 특허 공개 제2016-216654호 공보 국제 공개 2012/002417호 팸플릿 국제 공개 2015/046290호 팸플릿
특허문헌 1에는, 함침성을 개선해도, 그 정도에 대해서는 규정되어 있지 않기 때문에, 역학 특성이 우수한 프리프레그를 얻을 수 있다고 할 수 없으며, 또한 탄소 섬유의 분산성에 대하여 기재가 없다.
특허문헌 2에서는, 강화 섬유의 배향성이나 분산성에 대해서는 기재되어 있지 않다. 테이프상물을 복수매 적층하고, 실시예에서는 이것을 로드상이나 T자상의 성형재로 수렴하고 있기 때문에, 결속 시의 강화 섬유의 위치의 변동은 매우 크며, 강화 섬유의 분산성 및 배향성은 나쁠 것으로 예상된다.
특허문헌 3에 기재된 발명에서는, 두께가 얇은 만큼 레이업에 요하는 시간이 길어지기 때문에, 최종 제품 제조 비용의 증가가 우려된다.
특허문헌 4에 관한 발명에서는, 제조된 테이프상 프리프레그에 대하여, 함침이나 분산의 균일성의 정도에 대해서는 기술되어 있지 않기 때문에 불분명하지만, 폭 확대의 정도에 따라서는 강화 섬유의 분산성에 영향을 미치는 것에 대하여 언급이 없었다. 또한, 조 내에서 띠상 강화 섬유 다발 내에 용융 열가소성 수지를 함침시키는 공정에서, 용융 열가소성 수지의 흐름에 의해 띠상 강화 섬유의 위치가 대폭 변동되어 분산성이 악화될 것으로 예측되는 것이었다.
특허문헌 5에 관한 발명에서는, 수지를 함침시킬 때 강화 섬유가 폭을 확대하여, 결과적으로 섬유의 단면에 있어서의 분산성이 저하된다는 과제를 알아내지 못하여, 그 해결 수단도 제시되어 있지 않았다.
즉, 이들 과제를 해결하기 위해서는, 비교적 두께물이면서 강화 섬유에 대한 열가소성 수지의 함침성이 높으며, 또한 강화 섬유의 분산성이 높은 테이프상 프리프레그가 아니면 안된다.
본 발명은 최종 제품 제조 비용 삭감을 하나의 목적으로 하여, 비교적 두께물이면서, 인장 강도가 높으며 또한 균일한 테이프상 프리프레그를 제공하는 데 있다.
상기 과제는, 본 발명의 이하에 나타내는 테이프상 프리프레그에 의해 해결된다.
(1) 일방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지 조성물을 포함하는 테이프상 프리프레그로서,
평균 두께가 0.2mm 이상 1.5mm 이하이고,
공극률이 5체적％ 이하이며, 또한
강화 섬유 분산도가 0.5 이하인, 테이프상 프리프레그.
(2) 일방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지 조성물을 포함하는 테이프상 프리프레그를 사용한 성형품으로서, 상기 테이프상 프리프레그는,
평균 두께가 0.2mm 이상 1.5mm 이하이고,
공극률이 5체적％ 이하이며, 또한
강화 섬유 분산도가 0.5 이하인, 성형품.
또한, 상기 테이프상 프리프레그를 제조 가능한 방법의 하나로서, 함침조에 강화 섬유 다발을 도입하기 직전의 강화 섬유 다발에 훑음을 부여하거나, 장력을 가하는 등의 개섬 방법을 사용하는 테이프상 프리프레그의 제조 방법의 발명이다.
본 발명에 따르면, 인장 강도가 높으며, 또한 인장 강도나 테이프 두께의 변동이 적고, 동시에 최종 제품의 제조 비용의 저감이 가능하게 되는 테이프상 프리프레그를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 관한 제조 방법의 일례의 모식 도면이다.
도 2는, 본 발명에 사용하는 폭 규제 부재를 마련한 고정 가이드의 일례의 모식 도면이다.
도 3은, 본 발명에 사용하는 폭 규제 부재를 마련한 고정 가이드의 일례의 모식 도면이다.
도 4는, 본 발명에 사용하는 폭 규제 부재를 마련한 고정 가이드의 일례의 모식 도면이다.
본 발명의 테이프상 프리프레그에 있어서, 강화 섬유는 일방향으로 배향되어 있고, 이하에 기재된 방법에 의해 평가되는 강화 섬유 분산도 X가 0.5 이하이다. 이 강화 섬유 분산도는 0.4 이하인 것이 바람직하다. 강화 섬유 분산도가 0.5 이하이면 강화 섬유가 대략 균일하게 분산되어 있어 테이프상 프리프레그의 위치에 따른 역학 강도의 변동이 저하된다. 또한, 본 발명에서는 열가소성 수지를 사용하지만, 열가소성 수지는 성형 후에 수축하는 성질을 갖는바, 강화 섬유는 원칙적으로 성형 후에도 체적 변화하는 일이 없기 때문에, 강화 섬유가 균일하게 분산되어 있을수록, 테이프상 프리프레그의 두께의 변동이 저하된다. 한편, 강화 섬유 분산도 X가 0.1 미만인 테이프상 프리프레그에서는, 강화 섬유는 보다 균일하게 분산되어 테이프상 프리프레그로서는 우수하지만, 성형 공정에서의 생산성이 저하될 우려가 있어, 현실적으로는 반드시 바람직하지 않은 경우가 있다는 점에서, 강화 섬유 분산도는 0.1 이상이 바람직하다. 강화 섬유 분산도 X가 0.5를 초과하면, 강화 섬유의 치우침이 크고, 두께나 역학 강도의 변동이 커진다. 테이프상 프리프레그의 강화 섬유 분산도의 평가 수순은 이하 (i) 내지 (iii)과 같다.
(i) 상기 강화 섬유의 배향 방향에 거의 수직인 횡단면을 촬영한다.
(ii) 촬영 화상을 0.1mm 사방의 정사각형 유닛으로 분할하고, (정사각형 유닛의 합계 면적/테이프상 프리프레그의 단면적×100(％))이 10％ 이상이 되도록, 정사각형 유닛 복수매를 무작위로 선택하고, 선택한 모든 정사각형 유닛의 각각에 대하여 포함되어 있는 강화 섬유 부분의 면적을 구한다.
(iii) 상기 강화 섬유의 면적의 변동 계수를 구하여, 강화 섬유 분산도로 규정한다.
상기를 보다 상세하게 설명하면, 우선, 테이프상 프리프레그에 있어서의 강화 섬유의 배향 방향에 수직인 횡단면을 배율 200배로 촬영한다. 촬영한 화상을 0.1mm 사방의 정사각형 유닛으로 분할한다. 이어서, 촬상한 횡단면 화상에 있어서, (정사각형 유닛의 합계 면적/테이프상 프리프레그의 단면적×100(％))이 10％ 이상이 되도록, 정사각형 유닛 복수매를 무작위로 선택한다. 단, 이때 선택하는 화상으로서는 화상 내에 테이프상 프리프레그만이 찍힌 화상으로 하고, 테이프상 프리프레그가 일부 잘려 보이는 것이나 찍히지 않은 것은 선택하지 않기로 한다. 계속해서, 선택한 모든 정사각형 유닛의 각각에 대하여 강화 섬유의 면적을 구한다. 이때, 화상 처리 소프트웨어를 사용하여 2치화 처리를 행하고, 강화 섬유의 면적을 픽셀수로 구해도 된다. 마지막으로, 선택한 모든 정사각형 유닛에 있어서 구한 강화 섬유의 면적으로부터 이하의 식으로 변동 계수를 산출한다. 이것을 강화 섬유 분산도로 한다.
선택하는 정사각형 유닛의 수: N≥S/S1×0.1
S1: 정사각형 유닛의 면적
S: 테이프상 프리프레그의 단면적
또한, N은 상기 식을 만족하는 범위이면 통상은 충분하지만, 선택한 N의 수에 따라 X의 값에 큰 변동을 발생시킨다면, 가능한 한 큰 수로 해야 하며, 궁극적으로는 모든 정사각형 유닛(단, 테이프상 프리프레그가 일부 잘려 보이는 것이나 찍히지 않은 것을 제외함)을 대상으로 구해야 한다.
변동 계수(강화 섬유 분산도): X=√(Σ(Ai-Aave)2/(N-1))/Aave
Ai: N개 중 i번째 정사각형 유닛 중의 강화 섬유의 면적
Aave: 정사각형 유닛 중의 강화 섬유의 면적의 평균값
또한, 본 발명에 있어서의 바람직한 양태에서는, 변동 계수로서 규정되는 강화 섬유 분산도에 대하여, 그 테이프상 프리프레그의 길이 방향에 있어서 몇 개소를 선택하고, 선택한 개소의 단면에 있어서 구한 변동 계수(％), 즉 프리프레그 길이 방향에서의 강화 섬유 분산도의 변동 계수를 일정 이하로 하는 것도 가능하며, 구체적으로 바람직한 변동 계수 Y(％)는 5.0％ 이하이고, 보다 바람직하게는 3.0％ 이하이다. 강화 섬유 분산도의 프리프레그 길이 방향에 있어서의 변동 계수(％)가 5.0％ 이하이면, 길이 방향에 걸쳐 테이프상 프리프레그의 두께나 인장 강도의 변동이 저하되기 때문에, 연속 생산 시의 품질의 안정성이 향상된다. 여기서, 변동 계수 Y(％)는, 테이프상 프리프레그의 길이 방향에 있어서 임의로 4개소 이상의 단면 사진을 측정하고, 각각에 대하여 상기의 방법으로 각 단면에 있어서의 변동 계수 X를 구하고, 추가로 하기 식에 의해 산출한다.
강화 섬유 분산도의 길이 방향의 변동 계수(％): Y=√(Σ(Xi-Xave)2/(M-1))/Xave×100
M: 테이프상 프리프레그의 길이 방향의 단면 사진의 수
Xi: M개의 단면 사진 중, i번째 단면 사진으로부터 구해지는 강화 섬유 분산도
Xave: 강화 섬유 분산도의 평균값.
테이프상 프리프레그의 강화 섬유와 강화 섬유의 사이는 열가소성 수지 조성물로 충전되어 있다. 즉 본 발명의 테이프상 프리프레그에 있어서, 강화 섬유는 매트릭스 수지로서의 열가소성 수지 조성물로 함침되어 있다.
본 발명의 테이프상 프리프레그의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 인발 성형법 등의 연속 성형에 의해 제조되는 것이 바람직하다.
강화 섬유에 열가소성 수지 조성물을 함침시켜, 일방향으로 배향한 테이프상 프리프레그를 제조하는 방법으로서는, 용융법, 분말법, 필름법, 혼섬(코밍글)법 등이 예시된다. 본 발명에 있어서, 함침시키는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 사전에 열가소성 수지 조성물을 가공할 필요가 없는 용융법이 바람직하게 사용된다. 도 1에 도시하는 제조 장치를 사용하여, 테이프상 프리프레그를 제조할 수 있다. 예를 나타내면, 도 1에 있어서, 보빈(102)으로부터 연속적으로 사도(絲道) 가이드(103)를 통하여 강화 섬유 다발(101)을 송출하고, 함침조(104)에 도입하기 전에 강화 섬유 다발 1스트랜드당 폭과 장력을 조정한다. 연속적으로 송출된 강화 섬유 다발(101)이 함침조(104) 내를 통과할 때, 열가소성 수지 조성물(105)을 피더(106)로부터 정량 공급하고, 고정 가이드(107)에 의해 강화 섬유 다발(101)을 훑어 강화 섬유 다발(101)에 함침시킨다. 여기서, 고정 가이드는, 강화 섬유가 그 위를 통과하는 면 또는 그 아래를 통과하는 면이 곡면을 갖는 것이 통상이며, 예로서 도 2, 3, 4에 도시하는 것이 있다. 열가소성 수지 조성물(105)이 함침된 강화 섬유 다발(101)을, 함침조(104)의 노즐로부터 연속적으로 인취 롤(109)로 인발하고, 냉각 롤(108)을 통과시켜 냉각 고화하고, 권취기(111)로 권취하여, 테이프상 프리프레그(110)를 얻을 수 있다. 상기 제조 방법에 있어서, 강화 섬유 사이에 대한 수지의 함침성 및 강화 섬유의 분산성을 양립하기 위해, 함침 다이 도입 전의 1스트랜드당 강화 섬유 다발의 폭을 5mm 이상 20mm 이하의 범위로 하는 것이 바람직하며, 5mm 이상 15mm 이하의 범위가 보다 바람직하다. 또한, 함침 다이 도입 전의 1스트랜드당 강화 섬유 다발에 걸리는 장력을 200cN 이상 1800cN 이하로 하는 것이 바람직하고, 400cN 이상 1600cN 이하로 제어하는 것이 보다 바람직하다. 상기 상한과 하한 중 어느 것을 조합한 범위여도 된다. 또한, 함침 다이 도입 전의 장력이란, 도 1로 예시하자면, 사도 가이드(103)와 함침 다이(104)에 있어서의 강화 섬유 다발에 걸리는 장력을 가리키며, 공지된 측정 방법을 이용할 수 있다. 또한, 고정 가이드(107)는 그 양단에 테이프상 프리프레그의 폭에 상당하는 간격을 마련하여 폭 규제 부재(112)를 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 폭 규제 부재란, 도 2, 3, 4로 예시하는 바와 같이, 고정 가이드(107)의 상기 면 상에 한 쌍의 돌출부로서 마련되는 것이다. 상기 면 상에는, 적어도 한 쌍의 돌출부가 마련되고, 한 쌍의 돌출부가 복수 마련되어 있어도 되며(또한, 돌출부의 수는 양측에서 동일 수인 것이 바람직하지만, 수가 상이해도 상관없음), 이 경우, 복수 라인에서 강화 섬유 다발에 수지가 함침된 프리프레그의 전구체를 흘려, 테이프상 프리프레그 복수를 동시에 제조할 수도 있다. 여기서, 한 쌍의 돌출부는, 그 거리가 최단이 되는 직선의 방향이 강화 섬유의 배향 방향과 대략 수직이 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 한 쌍의 돌출부의 간격의 규정에 의해 강화 섬유 다발의 폭 방향으로의 과도한 폭 확대가 억제되고, 프리프레그 전구체의 폭이 규제된다. 이러한 폭 규제 부재, 즉 한 쌍의 돌출부의 간격은, 테이프상 프리프레그의 폭 이상이며 또한 테이프상 프리프레그의 폭의 1.1배 이하인 것이 바람직하다. 함침조 내에서는, 열가소성 수지 조성물의 유동에 의해 강화 섬유 다발이 테이프상 프리프레그의 폭 방향으로 흐트러진다. 특히, 용융 열가소성 수지와 같이 고점도인 경우, 흐트러짐이 현저하다. 이에 의해, 강화 섬유 다발에 열가소성 수지를 함침시킬 때, 강화 섬유 다발이 폭 방향으로 과도하게 확대되는 것을 방지할 수 있어, 강화 섬유 분산도가 향상된다. 또한, 강화 섬유의 진직성이 향상됨으로써, 테이프상 프리프레그의 길이 방향으로 강화 섬유 분산도의 변동이 억제된 테이프상 프리프레그가 얻어진다. 또한, 고정 가이드에 위치하는 폭 규제 부재는 돌기 또는 벽 또는 단차 등이어도 되며, 도 2, 3, 4에 도시된 형태에 제한되지 않는다.
본 발명에 사용되는 강화 섬유로서는, 특별히 한정되지 않지만, 탄소 섬유, 금속 섬유, 유기 섬유 및 무기 섬유가 예시된다.
탄소 섬유로서는, 폴리아크릴로니트릴(Poly Acrylo-Nitrile: PAN)계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유, 셀룰로오스계 탄소 섬유, 기상 성장계 탄소 섬유, 이들의 흑연화 섬유 등이 예시된다. 이 중 PAN계 탄소 섬유는, 폴리아크릴로니트릴 섬유를 원료로 하는 탄소 섬유이다. 피치계 탄소 섬유는 석유 타르나 석유 피치를 원료로 하는 탄소 섬유이다. 셀룰로오스계 탄소 섬유는 비스코스 레이온이나 아세트산셀룰로오스 등을 원료로 하는 탄소 섬유이다. 기상 성장계 탄소 섬유는 탄화수소 등을 원료로 하는 탄소 섬유이다. 이들 탄소 섬유 중, 강도와 탄성률의 밸런스가 우수한 점에서, PAN계 탄소 섬유가 바람직하게 사용된다.
금속 섬유로서는, 예를 들어 철, 금, 은, 구리, 알루미늄, 황동, 스테인리스 등의 금속을 포함하는 섬유를 들 수 있다.
유기 섬유로서는, 아라미드 섬유, 폴리페닐렌술파이드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유 등의 유기 재료를 포함하는 섬유를 들 수 있다. 아라미드 섬유로서는 강도나 탄성률이 우수한 파라계 아라미드 섬유와 난연성, 장기 내열성이 우수한 메타계 아라미드 섬유가 예시된다. 파라계 아라미드 섬유로서는, 예를 들어 폴리파라페닐렌테레프탈아미드 섬유, 코폴리파라페닐렌-3,4'-옥시디페닐렌테레프탈아미드 섬유 등을 들 수 있고, 메타계 아라미드 섬유로서는, 폴리메타페닐렌이소프탈아미드 섬유 등을 들 수 있다. 아라미드 섬유로서는, 메타계 아라미드 섬유에 비하여 탄성률이 높은 파라계 아라미드 섬유가 바람직하게 사용된다.
무기 섬유로서는, 유리, 현무암, 실리콘카바이드, 실리콘나이트라이드 등의 무기 재료를 포함하는 섬유를 들 수 있다. 유리 섬유로서는, E 유리 섬유(전기용), C 유리 섬유(내식용), S 유리 섬유, T 유리 섬유(고강도, 고탄성률) 등이 예시되는데, 이 중 어느 것을 사용해도 된다. 현무암 섬유는, 광물인 현무암을 섬유화한 것이며, 내열성이 매우 높은 섬유이다. 현무암에는, 일반적으로 철의 화합물인 FeO 또는 FeO2를 9 내지 25％, 티타늄의 화합물인 TiO 또는 TiO2를 1 내지 6％ 함유하는데, 용융 상태에서 이들 성분을 증량하여 섬유화하는 것도 가능하다.
본 발명에 있어서는, 강화 섬유로서, 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유 및 아라미드 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 강화 섬유를 사용하는 것이 보다 바람직하고, 이들 중에서도, 경량화나 강도 등의 역학 특성을 효율적으로 발휘할 수 있는 탄소 섬유를 사용하는 것이 특히 바람직하다.
강화 섬유는, 그 복수종을 조합하여 사용해도 되며, 이들 섬유를 조합함으로써 복합적인 효과를 기대할 수 있고, 예를 들어 탄소 섬유와 유리 섬유를 조합함으로써, 탄소 섬유에 의한 높은 보강 효과 및 저렴한 유리 섬유에 의한 비용의 저감을 양립할 수 있다.
본 발명의 테이프상 프리프레그에 있어서, 강화 섬유는 통상, 다수개의 단섬유를 묶은 강화 섬유 다발을 1개 또는 복수개를 배열하여 구성된다. 1개 또는 복수개의 강화 섬유 다발을 배열하였을 때의 강화 섬유의 총 필라멘트수(단섬유의 개수)는, 본 발명의 테이프상 프리프레그 중에 1,000 내지 2,000,000개의 범위에 있는 것이 바람직하다. 생산성의 관점에서는, 본 발명의 기재 중의 강화 섬유의 총 필라멘트수는, 1,000 내지 1,000,000개가 보다 바람직하고, 1,000 내지 600,000개가 더욱 바람직하고, 1,000 내지 300,000개가 특히 바람직하다. 강화 섬유의 총 필라멘트수의 상한은, 분산성이나 취급성의 밸런스도 고려하여, 생산성과 분산성, 취급성을 양호하게 유지할 수 있도록 선택한다.
또한, 강화 섬유는 인장 강도가 3,000 내지 6,000MPa인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 강화 섬유의 인장 강도(MPa)=단섬유 강력(N)/단섬유 단면적(㎟)이라고 하는 관계로 된다.
또한, 강화 섬유는, 접착성이나 컴포지트 종합 특성, 고차 가공성을 향상시키기 위해 사이징제로 표면 처리되어 있어도 된다. 사이징제에는, 비스페놀형 에폭시 화합물, 직쇄상 저분자량 에폭시 화합물, 폴리에틸렌글리콜, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 유화제 혹은 계면 활성제 등의 성분을 점도 조정, 내찰과성 향상, 내보풀성 향상, 집속성 향상, 고차 가공성 향상 등의 목적으로 혼합한 것이 바람직하다.
사이징제의 부여 수단으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 롤러를 통하여 사이징액에 침지하는 방법, 사이징액이 부착된 롤러에 접하는 방법, 사이징액을 안개 상태로 하여 분사하는 방법 등이 있다. 또한, 배치식, 연속식 중 어느 것이어도 되지만, 생산성이 좋고 변동을 작게 할 수 있는 연속식이 바람직하다. 이때, 강화 섬유에 대한 사이징제 유효 성분의 부착량이 적정 범위 내에서 균일하게 부착되도록, 사이징액 농도, 온도, 사조 장력 등을 컨트롤하는 것이 바람직하다. 또한, 사이징제 부여 시에 강화 섬유를 초음파로 가진시키는 것은 보다 바람직하다.
본 발명의 테이프상 프리프레그 중의 열가소성 수지 조성물에 포함되는 열가소성 수지로서는, 열가소성 수지이기만 하면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리아세트산비닐, ABS 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아세탈, 폴리카르보네이트, 변성 폴리페닐렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 폴리알킬렌옥사이드, 폴리술폰, 폴리페닐렌술파이드, 폴리아릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 액정 폴리머, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리술폰 등을 들 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서 열가소성 수지 조성물의 의미는, 복수의 열가소성 수지의 혼합물인 경우나 열가소성 수지와 첨가제의 혼합물인 경우 이외에도 1종류의 열가소성 수지만을 포함하는 경우도 포함하는 의미로서 사용된다.
특히, 내열성이나 강도, 강성 등의 각 물성이 우수한 테이프상 프리프레그가 얻어지므로, 본 발명의 테이프상 프리프레그 중의 열가소성 수지 조성물에 포함되는 열가소성 수지로서는, 폴리아미드 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 폴리아미드 수지란, 아미노산, 락탐 혹은 디아민과 디카르복실산을 주된 구성 성분으로 하는 폴리아미드이다. 그 주요 구성 성분의 대표예로서는, 6-아미노카프로산, 11-아미노운데칸산, 12-아미노도데칸산, 파라아미노메틸벤조산 등의 아미노산, ε-카프로락탐, ω-라우로락탐 등의 락탐, 테트라메틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 2-메틸펜타메틸렌디아민, 노나메틸렌디아민, 운데카메틸렌디아민, 도데카메틸렌디아민, 2,2,4-/2,4,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 5-메틸노나메틸렌디아민, 메타크실릴렌디아민, 파라크실릴렌디아민, 1,3-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1,4-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1-아미노-3-아미노메틸-3,5,5-트리메틸시클로헥산, 비스(4-아미노시클로헥실)메탄, 비스(3-메틸-4-아미노시클로헥실)메탄, 2,2-비스(4-아미노시클로헥실)프로판, 비스(아미노프로필)피페라진, 아미노에틸피페라진 등의 지방족, 지환족, 방향족의 디아민, 및 아디프산, 수베르산, 아젤라산, 세바스산, 도데칸이산, 테레프탈산, 이소프탈산, 2-클로로테레프탈산, 2-메틸테레프탈산, 5-메틸이소프탈산, 5-나트륨술포이소프탈산, 2,6-나프탈렌디카르복실산, 헥사히드로테레프탈산, 헥사히드로이소프탈산 등의 지방족, 지환족, 방향족의 디카르복실산을 들 수 있으며, 본 발명에 있어서는, 이들 원료로부터 유도되는 나일론 호모폴리머 또는 코폴리머를 각각 단독 또는 혼합물의 형태로 사용할 수 있다.
본 발명의 테이프상 프리프레그 중의 열가소성 수지 조성물에 포함되는 열가소성 수지로서 특히 유용한 폴리아미드 수지의 구체적인 예로서는, 폴리카프로아미드(나일론 6), 폴리헥사메틸렌아디파미드(나일론 66), 폴리테트라메틸렌아디파미드(나일론 46), 폴리헥사메틸렌세바카미드(나일론 610), 폴리헥사메틸렌도데카미드(나일론 612), 폴리운데칸아미드(나일론 11), 폴리도데칸아미드(나일론 12), 폴리카프로아미드/폴리헥사메틸렌아디파미드 코폴리머(나일론 6/66), 폴리카프로아미드/폴리헥사메틸렌테레프탈아미드 코폴리머(나일론 6/6T), 폴리헥사메틸렌아디파미드/폴리헥사메틸렌테레프탈아미드 코폴리머(나일론 66/6T), 폴리헥사메틸렌아디파미드/폴리헥사메틸렌이소프탈아미드/폴리카프로아미드 코폴리머(나일론 66/6I/6), 폴리헥사메틸렌아디파미드/폴리헥사메틸렌이소프탈아미드 코폴리머(나일론 66/6I), 폴리헥사메틸렌테레프탈아미드/폴리헥사메틸렌이소프탈아미드 코폴리머(나일론 6T/6I), 폴리헥사메틸렌테레프탈아미드/폴리도데칸아미드 코폴리머(나일론 6T/12), 폴리헥사메틸렌아디파미드/폴리헥사메틸렌테레프탈아미드/폴리헥사메틸렌이소프탈아미드 코폴리머(나일론 66/6T/6I), 폴리크실릴렌아디파미드(나일론 XD6), 폴리헥사메틸렌테레프탈아미드/폴리-2-메틸펜타메틸렌테레프탈아미드 코폴리머(나일론 6T/M5T), 폴리노나메틸렌테레프탈아미드(나일론 9T), 및 이들의 혼합물 내지 공중합체 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 강화 섬유에 대한 함침성, 취급성이 우수한 폴리아미드 6이 바람직하다.
본 발명의 테이프상 프리프레그 중의 열가소성 수지 조성물에 포함되는 열가소성 수지의 용융 점도는, 그 융점보다 50℃ 이상 높은 온도에 있어서 200Paㆍs 이하가 바람직하며, 보다 구체적으로는 상기 융점보다 50℃ 높은 온도에서부터 상기 융점보다 100℃ 높은 온도까지의 범위에 있어서 200Paㆍs 이하가 바람직하다. 상기 용융 점도이면, 수지의 유동성이 우수하고, 강화 섬유 사이에 대한 함침성이 우수하다. 여기서 용융 점도는, 전단 속도 1000sec-1의 조건 하에서 노즐 직경 0.5mmφ, 노즐 길이 10mm의 노즐을 사용하여, 고화식 플로우 테스터에 의해 측정한 값이다.
본 발명에 있어서의 테이프상 프리프레그의 평균 두께는, 0.2 내지 1.5mm이며, 바람직하게는 0.25 내지 1.2mm, 보다 바람직하게는 0.3 내지 1.0mm이다. 상기 상한과 하한 중 어느 것을 조합한 범위여도 된다. 테이프상 프리프레그의 평균 두께가 0.2mm 미만이면, 성형 시에 적층 시간이 걸려 최종 제품의 제조 비용이 증가하거나, 적층수가 늘어남으로써 층간의 공극이나 어긋남 등의 우려가 생긴다. 1.5mm를 초과하면, 강화 섬유 사이에 대한 열가소성 수지 조성물의 함침성이 악화된다. 또한, 테이프상 프리프레그의 평균 두께는, 테이프상 프리프레그의 임의의 상이한 15점 이상의 두께의 측정값을 평균한 값으로 한다. 테이프상 프리프레그의 두께의 변동 계수 C(％)는, 이하 식에 의해 구해지며, 2.0％ 이하가 바람직하며, 보다 바람직하게는 1.0％ 이하이다. 두께의 변동 계수 C(％)가 2.0％ 이하이면, 다른 부재에 대한 접착성이 우수하다.
테이프상 프리프레그의 두께의 변동 계수(％): C=√(Σ(Di-Dave)2/(K-1))/Dave×100
Di: K개소의 두께의 측정 중, i번째 개소의 측정값
Dave: 테이프상 프리프레그의 두께의 평균값
K: 두께의 측정 개소수
본 발명의 테이프상 프리프레그 100체적％ 중 섬유 체적 함유율은, 30 내지 70체적％가 바람직하며, 보다 바람직하게는 35 내지 65체적％, 더욱 바람직하게는 40 내지 60체적％이다. 상기 상한과 하한 중 어느 것을 조합한 범위여도 된다. 섬유 체적 함유율이 30체적％ 이상이면, 테이프상 프리프레그의 역학 특성이 우수하고, 다른 부재에 대한 보강이 우수하다. 섬유 체적 함유율이 70체적％ 이하이면, 강화 섬유에 대한 열가소성 수지 조성물의 함침성이 우수하다.
본 발명의 테이프상 프리프레그 100체적％ 중의 공극률은 5체적％ 이하이며, 바람직하게는 4체적％ 이하, 보다 바람직하게는 3체적％ 이하이다. 공극률이 5체적％를 초과하면, 테이프상 프리프레그의 인장 강도가 저하된다. 또한, 테이프상 프리프레그의 공극률은 작을수록 바람직하며, 그 때문에 하한은 0체적％이다. 공극률을 5체적％ 이하로 제어하기 위한 수단으로서는, 함침시키는 열가소성 수지 조성물의 용융 점도를 낮추거나, 함침 시에 걸리는 압력을 상승시키는 등의 수단이 있다.
본 발명에서는, 상기 섬유 체적 함유율 및 공극률은, 실시예에 하기한 방법에 의해 측정 가능하다. 또한, 산출 과정에서 필요한 비중의 측정은, 하기한 특정 기기에 의한 것에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서의 ASTM D3039/D3039M-07로 측정한 테이프상 프리프레그의 인장 강도는 1,500MPa 이상이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1,750MPa 이상이다. 인장 강도가 1,500MPa 이상이면 다른 부재에 대한 보강이 우수하다. 또한, 테이프상 프리프레그의 인장 강도는 클수록 바람직하지만, 함침성이 높은 테이프상 프리프레그를 제조하기 위해서는 3,500MPa 이하가 바람직하며, 현실적인 상한으로서는 4,200MPa 정도라고 생각된다. 인장 강도를 1,500MPa 이상으로 제어하기 위한 수단으로서는, 강화 섬유를 균일하게 분산시키거나, 공극률을 조정하는 등의 수단이 있다.
본 발명에서는, 인장 강도는, 실시예에 하기한 방법에 의해 측정 가능하다.
<실시예>
다음으로 본 발명을 실시예, 비교예에 기초하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 의해 제한하여 해석되는 것은 아니다.
(1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법
강화 섬유로서 탄소 섬유를 사용하고, 열가소성 수지 조성물로서는 시판 중인 폴리아미드 6 수지를 사용하였다. 도 1에 도시하는 제조 장치를 사용하여, 테이프상 프리프레그를 제조하였다. 도 1에 있어서, 강화 섬유 다발(101)이 감긴 보빈(102)을 준비하고, 각각 보빈(102)으로부터 연속적으로 사도 가이드(103)를 통하여 강화 섬유 다발(101)을 송출하였다. 연속적으로 송출된 강화 섬유 다발(101)이 함침조(104) 내를 통과할 때, 고정 가이드(107)에 의해 강화 섬유 다발(101)을 훑어, 열가소성 수지 조성물을 충전한 피더(106)로부터 정량 공급된 열가소성 수지 조성물(105)을 함침시켰다. 함침조(104) 내에서 열가소성 수지 조성물(105)이 함침된 강화 섬유 다발(101)을, 함침조(104)의 노즐로부터 연속적으로 인발하였다. 인취 롤(109)로 인발된 강화 섬유 다발(101)을, 냉각 롤(108)을 통과시켜 냉각 고화하고, 권취기(111)로 권취하여, 테이프상 프리프레그(110)를 얻었다.
(2) 테이프상 프리프레그의 두께의 측정 방법
테이프상 프리프레그의 임의의 상이한 15점 이상의 두께를 마이크로미터(미츠토요 BLM-25M)로 측정하여, 평균 두께와 그의 변동 계수(％)를 구하였다. 얻어진 두께의 변동 계수에 따라, 이하의 기준으로 판정하였다. 또한, A, B가 합격 기준이며, A 쪽이 우수하다.
A: 1.0％ 이하
B: 1.0％ 초과 2.0％ 이하
C: 2.0％ 초과.
(3) 강화 섬유 분산도의 평가 방법
테이프상 프리프레그의 강화 섬유의 배향 방향에 수직인 횡단면을 촬영하였다. 이때, 광학 현미경(KEYENCE VHX-1000)을 사용하여 배율 200배로 촬영을 행하였다. 얻어진 테이프상 프리프레그의 단면 화상을 화상 처리 소프트웨어 ImageJ를 사용하여 0.1mm 사방의 정사각형 유닛으로 분할하였다. 이어서, (정사각형 유닛의 합계 면적/테이프상 프리프레그의 단면적×100(％))이 10％ 이상이 되도록, 정사각형 유닛을 복수매 무작위로 선택하였다. 단, 테이프상 프리프레그가 일부 잘려 보이는 것이나 찍히지 않은 것은 제외하고 선택하였다. 선택한 모든 정사각형 유닛의 각각에 대하여 강화 섬유의 면적을 구하였다. 이때, 상술한 화상 처리 소프트웨어를 사용하여, 2치화 처리를 행하여, 강화 섬유의 면적을 화상의 픽셀수로 구하였다. 마지막으로, 모든 강화 섬유의 면적으로부터 하기 식으로 변동 계수를 산출하였다. 이것을 강화 섬유 분산도로 한다. 또한, 테이프상 프리프레그의 길이 방향으로 각 3m 이상의 간격을 두고 강화 섬유 분산도를 4개소 측정하여, 그의 평균값 및 변동 계수(％)를 산출하였다.
선택하는 정사각형 유닛의 수: N≥S/S1×0.1
S1: 정사각형 유닛의 면적
S: 테이프상 프리프레그의 단면적
변동 계수(강화 섬유 분산도): X=√(Σ(Ai-Aave)2/(N-1))/Aave
Ai: N개 중 i번째 정사각형 유닛 중의 강화 섬유의 면적
Aave: 정사각형 유닛 중의 강화 섬유의 면적의 평균값
강화 섬유 분산도의 길이 방향의 변동 계수(％): Y=√(Σ(Xi-Xave)2/(M-1))/Xave×100
Xi: M개의 단면 사진 중, i번째 단면 사진으로부터 구해지는 강화 섬유 분산도
Xave: 강화 섬유 분산도의 평균값.
M: 테이프상 프리프레그의 길이 방향의 단면 사진의 수
얻어진 강화 섬유 분산도의 길이 방향의 변동 계수값에 따라, 이하의 기준으로 판정하였다. 또한, A, B가 합격 기준이며, A 쪽이 우수하다.
A: 3.0％ 이하
B: 3.0％ 초과 5.0％ 이하
C: 5.0％ 초과.
(4) 비중의 측정 방법
비중 측정기(ALFA MIRAGE제, ELECTRONIC DENSIMETER SD-200L)를 사용하여 측정하였다.
(5) 섬유 체적 함유율, 공극률의 측정 방법
약 0.5g의 테이프상 프리프레그를 취하여 칭량(W1(g))한 후, 50밀리리터/분의 질소 기류 중, 500℃의 온도로 설정한 전기로에 120분간 방치하여, 테이프상 프리프레그 중의 열가소성 수지 조성물을 완전히 열분해시킨다. 그리고, 20리터/분의 건조 질소 기류 중의 용기로 옮겨, 15분간 냉각한 후에 얻어지는 강화 섬유를 칭량(W2(g))하여, 강화 섬유량을 구하였다. 다음으로 각 측정값으로부터 다음 식에 의해 각 값을 산출하였다.
섬유 체적 함유율(％)=(W2(g)/강화 섬유 비중(g/㎤))/(W1(g)/테이프상 프리프레그의 비중(g/㎤))×100
수지 체적 함유율(％)=((W1-W2)(g)/열가소성 수지 조성물 비중(g/㎤))/(W1(g)/테이프상 프리프레그의 비중(g/㎤))×100
공극률(％)=100-섬유 체적 함유율(％)-수지 체적 함유율(％).
(6) 인장 강도의 측정 방법
테이프상 프리프레그의 인장 강도는, ASTM D3039/D3039-07에 따라 측정하였다.
얻어진 인장 강도의 측정값에 따라, 이하의 기준으로 판정하였다. 또한, A, B가 합격 기준이며, A 쪽이 우수하다.
A: 1750MPa 이상 3500MPa 미만
B: 1500MPa 이상 1750MPa 미만
C: 1500MPa 미만.
(7) 원재료
(A) 연속 강화 섬유로서는, 탄소 섬유(도레이 가부시키가이샤제 T700S)를 사용하였다.
(B) 열가소성 수지로서는, 폴리아미드 6(도레이 가부시키가이샤제)을 사용하였다. 융점보다 50℃ 높은 온도에서의 점도는 약 40Paㆍs였다.
(실시예 1)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 1000cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.4mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 2)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 600cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.4mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 3)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 400cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.4mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 4)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 1000cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.3mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 5)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 600cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.3mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 6)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 400cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.3mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 7)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 1000cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 10mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.4mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 8)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 1000cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 40체적％이고 테이프 평균 두께가 0.4mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 9)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 1000cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.2mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 10)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 1600cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.8mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(실시예 11)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 1600cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 1.2mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
공극률이 약간 높은 것도 있어, 인장 강도에 약간의 감소가 보였다.
(실시예 12)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 1800cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 한 쌍의 폭 규제 부재(112)를 돌출부간의 최단 거리가 섬유 방향과 대략 수직이 되도록 그 면 상에 마련한 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 1.5mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(비교예 1)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 100cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 5mm로 하고, 폭 규제 부재(112)를 갖지 않는 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.4mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
(비교예 2)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 400cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 5mm로 하고, 폭 규제 부재(112)를 갖지 않는 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 0.4mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
인장 특성을 포함하는 테이프 품질에 변동이 커서, 실용에는 제공할 수 없는 것이었다.
(비교예 3)
상기 (1) 테이프상 프리프레그의 제조 방법에 있어서, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드당 장력을 2000cN, 함침 다이(104) 전의 강화 섬유 다발 1스트랜드의 폭을 15mm로 하고, 폭 규제 부재(112)를 갖지 않는 고정 가이드(107)를 사용하여, 섬유 체적 함유율이 50체적％이고 테이프 평균 두께가 2.0mm인 테이프상 프리프레그(109)를 성형하였다.
상기 실시예, 비교예의 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
100: 제조 장치
101: 강화 섬유 다발
102: 보빈
103: 사도 가이드
104: 함침조
105: 열가소성 수지 조성물
106: 피더
107: 고정 가이드
108: 냉각 롤
109: 인취 롤
110: 테이프상 프리프레그
111: 권취 롤
112: 폭 규제 부재

Claims (10)

  1. 일방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지 조성물을 포함하는 테이프상 프리프레그로서,
    평균 두께가 0.2mm 이상 1.5mm 이하이고, 공극률이 5체적％ 이하이며, 또한
    강화 섬유 분산도가 0.5 이하인, 테이프상 프리프레그.
  2. 제1항에 있어서, 섬유 체적 함유율이 30 내지 70체적％인, 테이프상 프리프레그.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, ASTM D3039/D3039-07로 측정한 인장 강도가 1500 내지 3500MPa인, 테이프상 프리프레그.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 테이프상 프리프레그의 두께의 변동 계수(％)가 2.0％ 이하인, 테이프상 프리프레그.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화 섬유 분산도의 테이프상 프리프레그 길이 방향에 있어서의 변동 계수(％)가 5.0％ 이하인, 테이프상 프리프레그.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 수지의 용융 점도가, 그 융점보다 50℃ 이상 높은 온도에 있어서 200Paㆍs 이하인, 테이프상 프리프레그.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화 섬유가 탄소 섬유인, 테이프상 프리프레그.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 수지 조성물이 폴리아미드 수지 조성물인, 테이프상 프리프레그.
  9. 일방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지 조성물을 포함하는 테이프상 프리프레그를 사용한 성형품으로서,
    상기 테이프상 프리프레그는,
    평균 두께가 0.2mm 이상 1.5mm 이하이고,
    공극률이 5체적％ 이하이며, 또한
    강화 섬유 분산도가 0.5 이하인,
    성형품.
  10. 일방향으로 배향된 강화 섬유와 열가소성 수지 조성물을 포함하는 테이프상 프리프레그의 제조 방법으로서,
    상기 강화 섬유에 상기 열가소성 수지 조성물을 함침시키는 조 내에 고정 가이드를 갖고,
    상기 고정 가이드는, 상기 강화 섬유가 그 위를 통과하는 면 및/또는 그 아래를 통과하는 면에, 적어도 한 쌍으로 되는 돌출부가 마련되고,
    상기 한 쌍의 돌출부간의 거리가 최단으로 되는 직선의 방향은, 상기 강화 섬유의 배향 방향과 대략 수직이고,
    상기 한 쌍의 돌출부의 간격의 규정에 의해 상기 테이프상 프리프레그의 폭 확대를 제한하는, 테이프상 프리프레그의 제조 방법.
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