KR20200047710A

KR20200047710A - 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법

Info

Publication number: KR20200047710A
Application number: KR1020207010534A
Authority: KR
Inventors: 노리야스 도리야마
Original assignee: 가부시키가이샤 모노포스트
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2020-05-07
Also published as: EP3695947A1; CN111201122A; EP3695947A4; WO2019073848A1; US20200238638A1; IL273897A; JP6405433B1; JP2019069579A; CN111201122B; KR102363817B1

Abstract

(과제) 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법에 있어서, 매트릭스 수지를 함유하는 섬유 강화 수지 베이스재를 가열 가압하여 성형할 때에 대형 장치를 이용하지 않고 정밀도나 품질이 우수한 성형품을 얻을 수 있으며 작업도 간편한 제조 방법의 제공. (해결수단) 강화용 섬유에 매트릭스 수지를 함유시킨 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 하형(3)의 내면에 배치하고, 상기 섬유 강화 수지 베이스재(1)가 배치된 형틀의 코어 공간부(5)에 열팽창성 마이크로캡슐과 그 이외의 분체로 이루어지는 유동성을 갖는 분체 혼합물(2a)을 충전하여 하형(3)과 상형(4)을 밀폐하며, 다음으로 열팽창성 캡슐의 열팽창 개시 온도 이상, 최대 팽창 온도 이하로 가열하여 열팽창성 캡슐을 팽창시키고, 상기 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 하형(3)의 내면에 압압하여 성형품을 제조한다.

Description

섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법

본 발명은 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 열프레스기나 오토클레이브 등의 장치를 이용하지 않고 섬유 강화 수지 성형품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법은 강화용 섬유에 액상의 열경화성 수지 조성물을 함침시킨 섬유 강화 수지 베이스재(基材)를 형틀에 배치하고 다음으로 가열 가압하여 수지를 경화시키거나, 열가소성 수지를 용융하여 강화용 섬유에 함침시킨 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀에 배치하고 다음으로 가열 가압하여 성형시키는 방법이나, 열경화성 수지 조성물을 강화용 섬유에 함침시킨 후 이 조성물을 반경화시키거나 또는 열가소성 수지를 용융하여 강화용 섬유에 함침시킨 후 냉각 고화하여 시트형상으로 한 섬유 강화 수지 베이스재, 이른바 프리프레그 시트 또는 스탬퍼블(stempable) 시트를 가열 가압하여 성형하는 방법 등이 행해지고 있다. 그러나, 이들 방법에 있어서 가열 가압하는 공정에서는 가열 프레스나 오토클레이브 등의 가열 가압 장치를 필요로 하고, 대형의 성형품을 제조하는 경우에서는 큰 대형 설비가 필요하여 거액의 설비 투자를 요구하였다.

그 때문에 특허문헌 1에는 대형의 섬유 강화 수지 성형품을 거액의 설비 투자를 하지 않고도 성형할 수 있는 방법으로서 프리프레그 시트를 오픈 몰드의 내면에 적층하여 내열성 배깅재로 전체를 덮은 후 배깅재와 몰드 내면 사이의 공기를 배출하여 진공 상태로 하고 프리프레그 시트를 오픈 몰드의 내면에 밀착시키면서 가열 가압하여 성형하는 방법이 제안되어 있다. 그러나, 이 방법에서는 프리프레그 시트를 몰드에 밀착시키는 압력은 대기압에 의한 것이기 때문에 최대로 약 0.1MPa이며, 정밀도나 품질이 우수한 성형품을 얻는 데는 한계가 있다.

나아가 상기의 오토클레이브를 이용하는 방법이나 상기의 진공을 이용한 방법에서는 모두 프리프레그 시트나 스탬퍼블 시트 등의 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀의 내면에 밀착시키기 위해 나일론 필름이나 실리콘 고무 등의 배깅재를 사용하여 배깅을 행하고 배깅 내부를 배기하여 밀착한다. 이 때 배깅재의 취급을 신중하게 행하지 않으면 배깅재에 상처가 생겨 배깅 내를 배기하고자 해도 공기가 누출되어 밀착이 충분히 행해지지 않고, 오토클레이브에서는 가압이 균일하게 행해지지 않으며, 또한 진공을 이용하는 경우에서는 공기 누출이 발생하여 가압이 충분히 행해지지 않는다. 또한, 배깅시에 실링 테이프의 취급도 마찬가지로 형틀의 내면과 배깅재의 사이에 쓰레기, 유성(油性) 오물 등의 부착이 누출의 원인이 되기 때문에 신중한 작업이 필요해진다.

한편, 특허문헌 2에는 섬유 보강 수지 복합 재료에 의해 소정의 형상으로 성형된 표층부와 다공질 코어를 갖는 복합 성형물을 제조함에 있어서, 형틀의 내면 부근에 보강용 섬유를 배치하고, 그 내측의 코어 부분에 열팽창성 마이크로캡슐 등의 열팽창성 입자와 열용융성 매트릭스 수지의 혼합물을 존재시키며, 그 후 형틀을 가열하여 상기 매트릭스 수지를 용융함과 아울러 상기 열팽창성 입자를 발포 팽창시키면서 표층부를 성형하는 제조 방법이 제안되어 있다. 그러나, 이 방법에서는 열팽창성 입자의 팽창력에 의해 가열에 의해 용융시킨 매트릭스 수지를 보강용 섬유에 함침시키면서 성형을 행할 필요가 있어 가열 조건의 설정이 어렵고, 또한 열팽창성 입자의 팽창 후의 입자는 통과하지 못하지만 용융한 매트릭스 수지를 통과하는 다공질로 이루어지는 분리층을 마련하는 등 복잡한 구성으로 할 필요가 있다.

또한, 특허문헌 3에는 강도가 높은 성형품을 성형할 수 있는 복합 재료의 성형 방법이 제안되어 있고, 그 성형 방법은 섬유에 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 함침시킨 복수의 프리프레그의 사이에 열팽창성 마이크로캡슐(열팽창성 마이크로스페어)을 개재시킨 적층체를 형성하고 이 적층체를 가열함으로써 열팽창성 마이크로캡슐을 팽창시킴과 아울러 상기 프리프레그를 경화시킴으로써 복합 재료를 성형하는 것이다. 이 성형 방법에서는 미리 섬유에 수지를 함침시킨 프리프레그를 이용하기 때문에 매트릭스용의 수지로서 고점도의 것을 사용할 수 있고, 성형품의 플라스틱 강도를 향상시킬 수 있음과 아울러 매트릭스 내에 열팽창성이 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 나아가 열팽창성 마이크로캡슐이 팽창함으로써 복합 재료의 밀도를 저하시킬 수 있고, 이에 의해 성형품의 2차 모멘트를 크게 하여 굽힘 강도를 향상시킬 수 있다. 이와 같이 본 방법은 열팽창한 마이크로캡슐을 성형품의 구성 부분으로 함으로써 성형품의 굽힘 강도를 향상시키는 것이다.

특허문헌 1: 일본공개특허 2004-276471호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 평3-288629 특허문헌 3: 일본공개특허 2015-112805

본 발명의 과제는 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법에 있어서, 매트릭스 수지를 함유하는 섬유 강화 수지 베이스재를 가열 가압하여 성형할 때에 대형 장치를 이용하지 않고 정밀도나 품질이 우수한 성형품을 얻을 수 있으며 작업도 간편한 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법은 강화용 섬유에 매트릭스 수지를 함유시킨 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀의 내면에 배치하고, 상기 섬유 강화 수지 베이스재가 배치된 형틀의 코어 공간부에 열팽창성 마이크로캡슐과 그 이외의 분체로 이루어지는 유동성을 갖는 분체 혼합물을 충전하여 형틀을 밀폐하며, 다음으로 열팽창성 캡슐의 열팽창 개시 온도 이상, 최대 팽창 온도 이하로 가열하여 열팽창성 캡슐을 팽창시키고, 상기 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀의 내면에 압압하는 것을 특징으로 한다.

상기 분체 혼합물에서의 열팽창성 마이크로캡슐의 함유량은 20~80중량%인 것이 바람직하고, 열팽창성 마이크로캡슐 이외의 분체는 유기물 분체, 무기물 분체, 촙드 파이버 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 섬유 강화 수지 베이스재가 배치된 형틀의 코어 공간부에 이 공간부의 용적 1L당 250g~600g의 상기 분체 혼합물을 충전하는 것이 바람직하고, 이 양의 분체 혼합물을 충전함으로써 분체 혼합물이 코어 공간부 용적의 25~60%를 차지하도록 할 수 있다. 이 경우 분체의 겉보기 비중에 따라 차지하는 용적은 변동되지만 충전량을 가감함으로써 조정할 수 있다.

나아가 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀의 내면에 밀착시키는 작업으로서는 형틀의 내면에 배치된 섬유 강화 수지 베이스재와 형틀의 내면 사이의 공기를 배출하는 작업이 바람직하고, 간단하게 밀착시킬 수 있다. 그리고, 이 밀착시키는 작업에 있어서는 형틀의 내면에 배치한 섬유 강화 수지 베이스재와 상기 분체 혼합물의 사이에 이형재를 배치하고 형틀을 밀폐한 후, 섬유 강화 수지 베이스재와 형틀의 내면 사이의 공기를 배기함으로써 이 베이스재와 이 내면을 밀착시킬 수 있다. 이 경우 이형재로서는 불소 수지 필름이나 실리콘 필름 등의 필름류가 이용된다. 이형재를 이용함으로써 가열에 의해 팽창한 분체 혼합물을 섬유 강화 수지 성형품으로부터 용이하게 제거할 수 있다.

열팽창성 마이크로캡슐이란 열가소성 수지로 이루어지는 껍데기(shell)의 내부에 휘발성 용제를 봉지한 입자로 구성되는 분체로서, 평균 입경은 5~300μm, 바람직하게는 5~150μm이다. 껍데기를 구성하는 열가소성 수지로서는 폴리염화비닐리덴계 수지, 아크릴계 수지, AN계 공중합체계 수지가 이용되고, 휘발성 용제로서는 저비점 탄화수소 등이 이용된다.

분체 혼합물을 구성하는 열팽창성 마이크로캡슐 이외의 분체로서는 평균 입경 1~200μm의 유기 분체 혹은 무기 분체, 또는 섬유 직경이 1~20μm, 길이 0.5~5mm, 바람직하게는 0.5~3mm로 커트한 촙드 파이버 혹은 이들의 혼합물이 이용된다. 그리고, 분체 혼합물은 유동성을 갖는 것이 필요하며, 유동성이 없는 경우에는 충전 작업이 곤란하고, 또한 열팽창성 마이크로캡슐의 팽창력을 섬유 강화 수지 베이스재에 전달하는 데에 지장이 생긴다. 유동성을 가진다는 것은 분체 혼합물이 90° 미만의 경사면 상에서 미끄러져 내려가 유동할 수 있는 것이다.

열팽창성 마이크로캡슐은 가열됨으로써 껍데기를 구성하는 열가소성 수지가 연화함과 아울러 내부 봉지된 휘발성 용제가 증발하여 가스화함으로써 열팽창성 마이크로캡슐 내부의 압력이 상승하여 열팽창성 마이크로캡슐의 부피는 50배 이상이 된다. 본 발명에서는 열팽창성 마이크로캡슐이 가열에 의해 팽창하는 힘에 의해 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀의 내면에 압압함으로써 성형품을 제조한다. 또한, 열팽창성 마이크로캡슐은 온도가 높아짐에 따라 그 부피를 팽창시키는데, 어떤 온도 이상이 되면 껍데기의 두께가 얇아져 휘발성 용제의 가스가 마이크로캡슐의 외부로 투과 확산되어 수축하는 성질을 가지고 있고, 마이크로캡슐이 팽창을 개시하는 온도를 열팽창 개시 온도, 마이크로캡슐의 부피가 최대가 되는 온도를 최대 팽창 온도라고 부른다. 이러한 특성을 가지고 있기 때문에 미팽창(미가열)의 열팽창성 마이크로캡슐을 밀폐 공간 내에 충전하고 열팽창 개시 온도 이상, 최대 팽창 온도 이하로 가열함으로써 밀폐 공간 내부의 압력을 상승할 수 있고, 그 압력을 0.5MPa 이상으로 상승시킬 수 있다. 열팽창성 마이크로캡슐의 껍데기 내의 압력은 최대 팽창시에는 3MPa 정도가 되기 때문에 그 압력까지 상승시키는 것도 불가능하지 않지만 밀폐 공간 내의 내부 압력은 통상 0.1~0.6MPa이며, 충전하는 열팽창성 마이크로캡슐의 양을 늘리면 1MPa 이상도 가능하다.

본 발명에서는 열팽창성 마이크로캡슐은 그 이외의 분체와 혼합하여 이용한다. 본 발명자는 이 분체 혼합물을 섬유 강화 수지 베이스재의 코어 공간부에 충전하여 가열을 행함으로써 열팽창성 마이크로캡슐 단독의 경우에 비해 가열에 따른 압력의 상승을 보다 단시간에 행할 수 있고, 나아가 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀의 내면에 압압하는 힘을 유지할 수 있음을 발견하여 본 발명을 이룬 것이다.

섬유 강화 수지 베이스재에 이용되는 강화용 섬유로서는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등이 바람직하게 이용된다. 이들 섬유를 일방향으로 가지런히 하여 로빙이나 실로 한 섬유다발이나 섬유를 직편(織編)한 클로스(cloth)로서 매트릭스 수지를 함침시킬 수 있다. 나아가 섬유를 커트한 촙드 파이버로서 매트릭스 수지에 혼합하여 섬유 강화 수지 베이스재로 할 수도 있다.

섬유 강화 수지 베이스재에 이용되는 매트릭스 수지로서는 각종 열경화성 수지나 열가소성 수지를 이용할 수 있다. 열경화성 수지는 통상 경화제 등이 더해진 수지 조성물로서 이용되고, 액상 수지 조성물로서 이용되는 경우가 많으며, 강화용 섬유에 함침시켜 매트릭스 수지를 함유하는 섬유 강화 수지 베이스재로 할 수 있다. 이 경우 열경화성 수지 조성물을 반경화시키는 등으로 하여 프리프레그 시트로서 이용할 수 있다. 또한, 각종 프리프레그 시트도 시판되고 있고, 매트릭스 수지로서 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 수지 베이스재도 스탬퍼블 시트로서 시판되고 있으며, 이들을 이용할 수도 있다.

본 발명에서는 섬유 강화 수지 베이스재가 배치된 형틀의 코어 공간부에 열팽창성 마이크로캡슐을 함유하는 분체 혼합물을 충전하고 형틀을 밀폐하여 이미 정해진 온도에 도달시킴으로써 섬유 강화 수지 성형품을 제조할 수 있다. 그 때문에 대형 장치를 이용하지 않고 정밀도나 품질이 우수한 성형품을 얻을 수 있는 제조 방법이며, 또한 상기한 종래 기술에서의 배깅 작업과 같은 신중한 조작의 필요가 없어 작업도 간편한 제조 방법이 되고, 공업 제품으로서 안정된 것을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제조법을 나타내는 단면 설명도이다.
도 2는 팽창된 분체 혼합물이 섬유 강화 수지 베이스재를 가압하고 있는 상태를 나타내는 단면 설명도이다.
도 3은 분체 혼합물과 섬유 강화 수지 베이스재의 사이에 이형재를 배치하지 않는 제조 방법을 나타내는 단면 설명도이다.
도 4는 도 3에서 팽창된 분체 혼합물이 섬유 강화 수지 베이스재를 가압하고 있는 상태를 나타내는 단면 설명도이다.
도 5는 내측을 향하여 볼록 형상의 내면 구조의 형틀을 이용한 제조법을 나타내는 단면 설명도이다.
도 6은 상형을 개폐 가능하게 하여 하형과 상형의 두 내면에 섬유 강화 수지 베이스재를 밀착하여 성형하는 방법에서의 상형을 개방한 상태를 나타내는 단면 설명도이다.
도 7은 도 6에서 상형을 폐쇄한 상태를 나타내는 단면 설명도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 더욱 상세하게 설명을 행한다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 내면에 섬유 강화 수지 베이스재가 배치된 형틀의 코어 공간부에 열팽창성 마이크로캡슐과 그 이외의 분체로 이루어지는 유동성을 갖는 분체 혼합물을 충전하여 형틀을 밀폐하고, 다음으로 열팽창성 캡슐의 열팽창 개시 온도 이상, 최대 팽창 온도 이하로 가열하여 열팽창성 캡슐을 팽창시켜 상기 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀의 내면에 압압함으로써 섬유 강화 수지 성형품을 제조한다.

도 1은 본 발명의 제조 방법을 나타낸 것으로, 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 하형(3)의 내면에 밀착 배치하고, 다음으로 불소계 수지 필름 등의 이형재(8)를 섬유 강화 수지 베이스재(1)의 내면에 밀착 배치하여 이형재(8)의 내측의 코어 공간부(5)에 미팽창의 열팽창성 마이크로캡슐과 그 이외의 분체로 이루어지는 미팽창의 분체 혼합물(2a)을 충전하며, 다음으로 하형(3)의 개구부를 상형(4)으로 덮고, 볼트 너트 등의 체결 부재(7)로 고무 패킹재(9)를 끼워넣어 체결하여 형틀을 밀폐하거나 혹은 고무 패킹재(9)를 이용하는 것 대신에 체결부 주변을 도면에 도시된 바와 같이 배깅재(12)와 시일재(13)로 배깅을 행한 후 이형 필름(8)과 하형(3)의 내면 사이의 공기를 상형에 마련한 진공 흡인구(6)로 진공 흡인한다(도 1에서는 고무 패킹재(9)를 이용하는 경우와 배깅재(12)를 이용하는 경우를 둘 다 도시하고 있지만 어느 하나의 방법을 이용하면 된다). 이 경우 하형(3)의 개구부를 상형(4)으로 덮기에 앞서, 도면에 도시된 바와 같이 이형 필름(8)의 단부를 실링 테이프 등의 시일재(11)에 의해 단단히 밀봉을 행하여 공기 누출이 없도록 하여 섬유 강화 수지 베이스재와 하형 사이의 밀폐성을 높이고 진공 흡인을 확실히 행할 수 있도록 한다.

이 진공 흡인은 섬유 강화 수지 베이스재(1)의 하형의 내면에의 밀착이 충분해지면 진공 흡인구(6)의 밸브를 체결해도 되지만, 이어서 진공 흡인을 계속하는 것이 바람직하다. 또한, 이 방법에서는 진공 흡인에 의해 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 하형(3)의 내면에 밀착 배치한 후 코어 공간부(5)에 충전한 분체 혼합물(2a)의 팽창력에 의한 압압력으로 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 성형하기 때문에 상기한 종래의 배깅 조작과 같이 신중한 작업은 필요가 없다.

상형과 하형의 체결시에 이용되는 고무 패킹재(9)로서는 내열성이 있는 실리콘 고무나 불소 고무가 바람직하게 이용되지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상형과 하형 사이의 밀봉으로서 상기한 바와 같이 도 1의 체결부에 나타낸 바와 같이 배깅 필름(12)과 시일재(13)에 의해 배깅을 행하여 두 형틀의 밀봉을 행할 수도 있다.

도 1에서는 미팽창의 분체 혼합물(2a)은 코어 공간부(5)를 완전히 채우는 것이 아니라 공간의 일부를 차지하도록 하여 충전되어 있다. 이 충전량을 코어 공간부(5)의 용적 1L당 250~600g으로 하고, 이 분체 혼합물(2a)에 팽창성 마이크로캡슐을 20~80중량% 함유시켜 둠으로써 가열 후에 코어 공간부(5)의 내부압을 0.1~0.6MPa로 할 수 있고, 조건을 조정하면 상기한 바와 같이 그 이상의 압력으로 할 수 있다.

도 2는 섬유 강화 수지 베이스재(1)와 분체 혼합물(2a)을 포함하는 형틀 전체를 열팽창성 마이크로캡슐의 열팽창 개시 온도 이상, 최대 팽창 온도 이하로 가열하여 분체 혼합물(2a)에 함유되어 있는 열팽창성 마이크로캡슐을 팽창시키고, 팽창한 분체 혼합물(2b)이 코어 공간부(5) 전체에 긴밀히 충전된 상태를 나타내고 있다. 이 상태에서는 팽창한 분체 혼합물(2b)이 팽창에 따라 발생하는 압력에 의해 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 하형(3)의 내면에 압압하여 내면의 형상에 따른 성형품으로 할 수 있다. 팽창 후의 코어 공간부(5)의 내부 압력은 상기한 바와 같이 0.1~0.6MPa 또는 그 이상으로 할 수 있고, 상기 종래 기술과 같이 배깅재와 몰드 내면 사이의 공기를 배출하여 진공 상태로 하고 프리프레그 시트를 오픈 몰드의 내면에 밀착시키면서 대기압을 이용하여 가열 가압하여 성형하는 종래의 방법에 비해 수배 내지는 10배 이상의 압압력을 가할 수 있기 때문에 오토클레이브 등의 장치를 이용하지 않고 하형(3)의 내면 형상에 충실히 따른 성형품으로 할 수 있다.

열팽창성 마이크로캡슐의 팽창에 따라 발생하는 압력은 분체 혼합물에서의 열팽창성 마이크로캡슐의 함유량이나 코어 공간부에 충전하는 분체 혼합물의 충전량 등으로 조정할 수 있다. 또한, 열팽창성 마이크로캡슐은 각종 타입이 시판되어 있으며, 열팽창 개시 온도가 80~110℃, 최대 팽창 온도가 115~140℃인 저중온도 팽창 타입부터 열팽창 개시 온도가 115~140℃, 최대 팽창 온도가 170~200℃인 중고온도 팽창 타입이 있고, 나아가 열팽창 개시 온도가 180~230℃, 최대 팽창 온도가 210~275℃인 초고온도 팽창 타입 등도 시판되고 있다. 그 때문에 섬유 강화 수지 베이스재의 적정 성형 온도를 고려하여 열팽창성 마이크로캡슐의 타입을 선택하고 성형 온도를 선택할 수 있다.

본 발명에서는 코어 공간부에 충전하는 것은 열팽창성 마이크로캡슐 단독이 아니라 그 밖의 분체와의 혼합물이다. 이는 상기한 바와 같이 열팽창성 마이크로캡슐 단독의 경우에 비해 가열에 따른 압력의 상승을 보다 단시간에 행할 수 있고, 나아가 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀의 내면에 압압하는 힘을 유지할 수 있다는 지견에 기초한다.

도 1, 2에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 코어 공간부(5)에 분체 혼합물(2a)을 충전하여 성형을 행하기 때문에 하형(3)에는 캐비티가 마련되지만 상형(4)에는 코어는 마련할 필요가 없고 코어 공간부(5)를 밀폐할 수 있으면 되기 때문에 평판형상의 덮개체로서 체결 부재로 두 형틀을 체결하여 밀폐하면 된다.

도 1, 2에 도시된 바와 같이 이형재(8)를 사용하는 태양에서는 가열 성형 후 팽창 후의 분체 혼합물을 성형품의 내부로부터 제거하는 것이 용이해질 뿐만 아니라 섬유 강화 수지 베이스재(1)에 이용되는 매트릭스 수지가 액상 내지는 페이스트 형상의 열경화성 수지인 프리프레그의 경우에는 분체 혼합물(2a)의 충전시에 분체 혼합물의 입자가 섬유 강화 수지 베이스재(1)에 들어가는 것을 막는 효과나 분체 혼합물의 충전 작업을 원활하게 하는 효과도 있다.

도 3, 4에 도시된 태양에서는 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 하형(3)의 내면에 밀착 배치할 때에 이형재(8)는 섬유 강화 수지 베이스재(1)의 표면 전체를 덮지 않고 섬유 강화 수지 베이스재(1)와 진공 흡인구(6)의 사이를 연결하여 섬유 강화 수지 베이스재(1)와 하형(3)의 내면 사이의 공기를 상형에 마련한 진공 흡인구(6)로 진공 흡인할 수 있도록 하기 위한 것으로, 이형재(8)와 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 시일재(11)로 밀봉을 행하고, 섬유 강화 수지 베이스재(1)와 금형 내면 사이의 공기를 흡인하여 양자를 밀착 배치한다. 이 경우 도면에 도시된 바와 같이 상하의 두 형틀의 체결부에 고무 패킹재(9)를 끼워넣고 체결 부재(7)로 체결함으로써 두 형틀의 체결부의 밀봉을 행하여 형틀 내부의 밀폐성을 높이고 진공 흡인을 확실히 행하고 있다.

도 4는 분체 혼합물(2a)에 함유되어 있는 열팽창성 마이크로캡슐을 팽창시키고, 팽창한 분체 혼합물(2b)이 코어 공간부(5) 전체에 긴밀히 충전된 상태를 나타내며, 섬유 강화 수지 베이스재(1)가 가압 가열되어 성형품으로 되어 있다. 이 태양에서는 내부에 팽창 후의 분체 혼합물(2b)이 충전 결합한 섬유 강화 수지 성형품을 얻을 수 있고, 내부가 다공질체로 구성되어 있는 성형품이 된다.

도 5는 하형으로서 내측을 향하여 볼록 형상의 내면 구조를 갖는 하형(3a)을 이용한 성형품의 제조 방법을 나타낸 것이다. 이 제조 방법은 성형품의 내면의 표면 구조가 중시되는 성형품의 제조에 바람직하게 응용된다. 도 1, 2에 도시된 제조법과 프로세스는 동일하고 형틀의 형상이 다를 뿐이며, 도 3, 4에 도시된 방법에도 적용할 수 있다.

하형의 형상은 특별히 한정되지 않고, 제조하는 성형품의 형상에 따라 적절히 설계함으로써 여러 가지 형상의 하형을 사용할 수 있다. 나아가 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 하형(3)의 내면보다 큰 면적을 갖는 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 이용하여 상형(4a)의 내면까지 이 베이스재(1)를 밀착시켜 성형하는 것도 가능하다. 도면에 도시된 바와 같이 상형(4a)은 하형(3)에 힌지(9)에 의해 개폐 가능하게 연결되어 있다. 우선, 도 6에 도시된 바와 같이 하형(3)의 내면으로부터 상형(4a)의 내면까지 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 연속하여 배치한다. 이 경우 힌지(10)에 의한 연결 부분을 배깅재(12)와 시일재(13)로 배깅하여 밀봉하고, 나아가 도 1과 마찬가지로 배치한 섬유 강화 수지 베이스재(1)의 표면을 이형재(8)로 덮은 후 코어 공간부에 미팽창의 분체 혼합물(2a)을 충전하며, 다음으로 상형(4a)을 폐쇄함과 아울러 이형재(8)의 단부를 시일재(11)로 밀봉하고, 상형(4a)과 하형(3)의 체결부에 고무 패킹재(9)를 끼워넣고 체결 부재(7)로 두 형틀을 체결한다. 두 형틀의 체결 후, 섬유 강화 수지 베이스재(1)와 상하의 두 금형(3, 4a)의 내면 사이의 공기를 진공 흡인구(6)에 의해 흡인함으로써 도 7에 도시된 바와 같이 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 형틀의 내면에 밀착시키고, 미팽창의 분체 혼합물(2a)을 섬유 강화 수지 베이스재(1)의 밀폐 공간 내에 분체 혼합물(2a)이 충전된 상태로 할 수 있다. 이 상태로 섬유 강화 수지 베이스재(1)와 분체 혼합물(2a)을 포함하는 형틀 전체를 열팽창성 마이크로캡슐의 열팽창 개시 온도 이상, 최대 팽창 온도 이하로 가열함으로써 분말 혼합물(2a)을 팽창시키고, 섬유 강화 수지 베이스재(1)를 상하 두 형틀(3, 4a)의 내면에 압압하여 성형할 수 있다.

이상 설명한 모든 방법에서도 팽창 후의 분말 혼합물은 성형품의 코어 공간 내에 존재하지만, 가열하여 섬유 강화 수지 성형품을 제조한 후 이 팽창 후의 분말 혼합물을 제거해도 되고, 그대로 남겨 내부가 다공질체로 되어 있는 성형품으로 해도 된다. 도 6, 7에 도시된 바와 같은 중공체의 성형품에서는 도 7에 도시된 개구부(14)로부터 팽창 후의 분말 혼합물을 취출해도 되고, 그대로 남겨 내부에 다공질체를 갖는 중공 성형품으로 할 수도 있다. 팽창 후의 분체 혼합물의 취출시에는 열팽창성 마이크로캡슐의 최대 팽창 온도 이상의 온도로 하여 팽창한 캡슐을 수축시킴으로써 취출을 용이하게 할 수 있다.

분말 혼합물에서의 열팽창성 마이크로캡슐 이외의 분말은 유기 분체로서는 각종 곡물 분말(소맥분, 쌀가루, 대두분 등), 전분(녹말가루, 콘스타치 등), 어분, 고추냉이 분말, 목분, 대나무 분말 등이, 무기 분체로서는 염화나트륨, 탄산칼슘, 실리카, 알루미나, 탈크, 석고, 규사, 유리 등의 분말을 이용할 수 있고, 그 밖의 FRP 등의 열경화 수지 제품의 분쇄 분말도 사용할 수 있다. 또한, 촙드 파이버로서는 각종 섬유를 1~3mm의 길이로 커트한 것을 이용할 수 있다. 유기 분체로서는 음식이나 사료에 이용되는 것 등을 예시하였는데, 이들은 사용 후 폐기하는 것이 용이하고, 또한 재이용할 수도 있다. 그리고, 열팽창성 마이크로캡슐 이외의 분말은 성형 온도에서 용융되거나 표면이 점착성이 되거나 하여 분말 혼합물의 유동성을 손상시키는 일이 없는 것이 사용된다.

섬유 강화 수지 베이스재에 이용되는 매트릭스 수지로서는 상기한 바와 같이 각종 열경화성 수지나 열가소성 수지를 이용할 수 있다. 열경화성 수지로서는 불포화 폴리에스테르수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 비닐에스테르 수지 등이 이용된다. 열경화성 수지는 통상 경화제 등이 더해진 수지 조성물로서 이용되고, 액상 수지 조성물로서 이용되는 경우가 많으며, 강화용 섬유에 함침시켜 매트릭스 수지를 함유하는 섬유 강화 수지 베이스재로 할 수 있다. 이 경우 열경화성 수지 조성물을 반경화시키는 등으로 하여 프리프레그 시트로서 이용할 수 있다. 또한, 각종 프리프레그 시트도 시판되어 있고, 매트릭스 수지로서 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 수지 베이스재도 스탬퍼블 시트로서 시판되어 있으며, 이들을 이용할 수도 있다.

형틀의 가열 수단은 형틀에 전열 히터나 열매의 도관을 마련하여 가열하는 방식, 고주파 유도 가열 방식, 복사 가열 방식 등의 공지의 수단을 이용할 수 있다. 나아가 형틀에 냉각수나 냉각 오일을 열매로 전환하여 도관에 통과시키는 등의 냉각 수단을 마련할 수도 있고, 가열 수단에 더하여 냉각 수단을 부여한 형틀을 이용함으로써 성형품의 보다 좋은 광택 표면을 얻을 수도 있다.

섬유 강화 수지 베이스재에 이용되는 강화용 섬유로서는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등이 바람직하게 이용되지만, 그 붕소 섬유, 세라믹 섬유, 탄화규소 섬유 등이어도 된다.

또한, 열가소성 수지로서는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아미드(PA), 폴리아세탈(POM), 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등을 예시할 수 있다.

한편, 섬유 강화 수지 성형품의 폐기물 처리의 관점에서 섬유 강화 수지 베이스재에 이용되는 강화용 섬유, 열가소성 수지, 열경화성 수지로서 생분해성 섬유나 생분해성 수지를 사용함으로써 폐기물의 처리를 용이하게 할 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 나타낸다.

[실시예 1]

섬유 강화 수지 베이스재로서 카본 파이버 클로스에 130℃ 경화 타입의 에폭시 수지 바니시를 함침시켜 작성한 카본 섬유 강화 에폭시 수지 프리프레그를 이용하고, 분체 혼합물로서 열팽창성 마이크로캡슐[엑스판셀(등록상표, 엑스판셀사 제품) 031-40DU, 열팽창 개시 온도 80~90℃, 최대 팽창 온도 125~135℃, 평균 입자경 10-16μm]과 건조한 녹말가루(평균 입자경 약 30μm)를 각각 50중량% 함유시킨 분체 혼합물을 이용하여 도 1, 2에 도시된 방법으로 성형품의 제조를 행하였다.

우선, 상기 섬유 강화 수지 베이스재를 하형의 내부에 배치하고, 그 위를 이형 필름으로서의 불소 수지 필름을 배치하며, 이형 필름 내부의 코어 공간부에 이 공간부의 용적 1L당 280g의 분체 혼합물을 충전하여 이형 필름의 단부를 실링 테이프로 밀봉한 후 상형으로 덮어 상형과 하형을 체결부에 고무 패킹재를 끼워넣음으로써 밀폐하고, 이형 필름과 하형 사이의 공기를 진공 흡인하여 양자를 밀착 배치하였다. 다음으로 섬유 강화 수지 베이스재가 배치된 형틀을 가열하여 코어 공간부의 온도를 80℃에서 시작하여 30분간 유지하고, 다음으로 형틀 온도를 130℃에서 60분간 유지하여 성형을 행하였다. 그동안 코어 공간부의 내부 압력은 0.3~0.5MPa이었다. 냉각 후 형틀로부터 취출하고, 코어 공간 내부의 이형 필름과 팽창 후의 분체 혼합물을 제거하여 하형의 내면에 충실한 형상의 성형품을 얻었다.

또한, 130℃로 유지하는 경우 팽창 후의 분체 혼합물로 형성된 혼합 발포체가 충전되어 있고, 단열재로서 기능하기 때문에 분체 혼합물에 필요 이상으로 열에너지를 부여하지 않도록 주의하여 설정 온도를 유지할 필요가 있다. 분체 혼합물의 온도가 설정 온도 이상이 되면 팽창한 열팽창성 캡슐이 수축을 시작하기 때문에 특히 형틀의 근방에서는 온도 상승에 주의하여 설정 온도를 유지하였다. 130℃ 경화 타입의 에폭시 수지 바니시를 사용한 경우에서도 형틀의 형상 등으로 형틀의 내부의 물체 온도가 상승하기 쉬운 경우에는 열팽창성 캡슐로서 최대 팽창 온도가 138~146℃인 엑스판셀(등록상표, 엑스판셀사 제품) 053-40DU를 사용하여 양호한 결과를 얻었다.

[실시예 2]

실시예 1에 있어서, 코어 공간부의 온도를 130℃로 60분간 유지한 후 온도를 더욱 10~15℃ 상승시켜 팽창 후의 마이크로캡슐을 수축시키고 냉각 후 성형품을 형틀로부터 취출하였는데, 실시예 1과 같은 성형품을 얻을 수 있었다.

[실시예 3]

실시예 1에 있어서, 섬유 강화 수지 베이스재를 이형 필름으로 덮지 않고 도 3, 4에 도시된 방법으로 실시예 1과 같은 가열 조작으로 성형품을 얻었다. 이 성형품은 내부가 다공성 물질로 충전된 성형품이다.

[실시예 4]

섬유 강화 수지 베이스재로서 평직 유리 클로스에 폴리프로필렌을 함침시킨 유리 섬유 강화 폴리프로필렌 시트를 이용하고, 열팽창성 마이크로캡슐로서 엑스판셀[(등록상표, 엑스판셀사 제품) 092-40DU, 열팽창 개시 온도 123~133℃, 최대 팽창 온도 170~180℃, 평균 입자경 10-16μm]을 이용하여 가열 조건으로서 코어 공간부의 온도를 125℃에서 시작하여 30분간 유지하고, 다음으로 형틀 온도를 160℃에서 60분간 유지하는 것 이외에는 실시예 1과 같은 조작을 행하여 하형의 내면에 충실한 형상의 성형품을 얻었다.

1 섬유 강화 수지 베이스재
2a 분체 혼합물(미팽창)
2b 분체 혼합물(팽창완료)
3, 3a 하형
4, 4a 상형
5 코어 공간부
6 진공 흡인구
7 체결 부재
8 이형재
9 고무 패킹재
10 힌지
11 이형재용 시일재
12 배깅재
13 배깅용 시일재
14 개구부

Claims

강화용 섬유에 매트릭스 수지를 함유시킨 섬유 강화 수지 베이스재를 형틀의 내면에 배치하고, 상기 섬유 강화 수지 베이스재가 배치된 형틀의 코어 공간부에 열팽창성 마이크로캡슐과 그 이외의 분체(粉體)로 이루어지는 유동성을 갖는 분체 혼합물을 충전하여 형틀을 밀폐하며, 다음으로 열팽창성 캡슐의 열팽창 개시 온도 이상, 최대 팽창 온도 이하로 가열하여 열팽창성 캡슐을 팽창시키고, 상기 섬유 강화 수지 베이스재를 가열 가압하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 분체 혼합물에서의 열팽창성 마이크로캡슐의 함유량은 20~80중량%인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 섬유 강화 수지 베이스재가 배치된 형틀의 코어 공간부에 이 공간부 용적 1L당 200g~600g의 상기 분체 혼합물을 충전하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
형틀의 내면에 배치한 섬유 강화 수지 베이스재와 상기 분체 혼합물의 사이에 이형재를 배치하고 형틀을 밀폐한 후, 섬유 강화 수지 베이스재와 형틀의 내면 사이의 공기를 배기함으로써 이 베이스재와 이 내면을 밀착시키는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
열팽창성 마이크로캡슐 이외의 분체는 유기물 분체, 무기물 분체, 촙드 파이버 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 성형품의 제조 방법.