KR20200102366A - 프리프레그 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20200102366A
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카츠로 츠카모토
히로아키 츠카모토
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재팬 마텍스 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 종래의 프리프레그보다 긴 프리프레그 및 그 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명에 따른 프리프레그는 사이징제로 처리된 원사와, 열가소성 수지재와, 열경화성 수지재를 구비하고, 열가소성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 열경화성 수지재는 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있거나, 또는 열경화성 수지재는 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 열가소성 수지재는 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있고, 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이다.

Description

프리프레그 및 그 제조방법{PREPREG AND ITS PRODUCTION METHOD}
본 발명은 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 종래의 프리프레그보다 긴 프리프레그 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래부터, 건축재료, 항공기, 선박, 차량, 스포츠 용품, 프린트 기판 등의 다양한 분야에서 섬유 강화 플라스틱(FRP)이 사용되고 있다.
FRP는 유리섬유나 탄소섬유 등의 섬유를 플라스틱 속에 넣어 강도를 향상시킨 복합재료이며, FRP의 재료로서, 프리프레그가 널리 사용되고 있다.
프리프레그는 유리섬유나 탄소섬유 등의 섬유상 보강재에, 경화제, 착색제 등의 첨가물을 혼합한 에폭시 등의 열경화성 수지를 균일하게 함침시키고, 가열 또는 건조하여 반경화 상태로 한 FRP의 성형재료이다.
프리프레그는 FRP로 정밀하게 성형할 수 있다는 점에서 FRP의 성형재료로서 널리 이용되고 있다.
그 때문에, FRP의 성형재료로서, 보다 우수한 특성을 갖는 프리프레그의 개발이 이루어지고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는 섬유 사조에 열경화성 수지를 함침시켜 반경화 상태로 처리한 프리프레그에 있어서, 상기 섬유 사조가 적어도 무기섬유 필라멘트를 실질적으로 꼬임없이 여러 종류를 합친 상태로 포함하는 사조 다발을 심사(芯絲)로 하고, 그 둘레를 초사 감기에 의해 피복한 복합사인 것을 특징으로 하는 복합사 프리프레그가 개시되어 있다.
특허문헌 1에 기재된 복합사 프리프레그는 수지 함침 공정에서의 무기섬유 필라멘트의 손상이 방지되고, 프리프레그 공정의 통과성이 우수할 뿐만 아니라, 제조가 용이하며, 보빈에 감아 패키지로 한 후, 성형을 위해 되감기할 때에 실 파단이나 섬유 파단이 발생하는 일이 없고, 그 때문에 무기섬유 필라멘트가 손상되지 않고 원활한 해제가 가능하게 된다고 여겨지고 있다.
일본 특허공개 평1-174413호 공보
상기와 같이, FRP의 성형재료로서, 보다 우수한 특성을 갖는 프리프레그가 개발되고 있다.
특허문헌 1에 기재된 프리프레그를 포함한 종래의 프리프레그는 열경화성 수지가 미경화 상태에 있다.
이에, 시간 경과에 따라 프리프레그의 열경화성 수지의 경화반응이 진행되어, 제조 후 약 15일을 초과한 프리프레그(상온 저장)는 FRP의 성형재료로서 사용할 수 없게 된다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 종래의 프리프레그보다 긴 프리프레그 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
청구항 1에 따른 발명은 사이징제로 처리된 원사와, 열가소성 수지재와, 열경화성 수지재를 구비하고,
상기 열가소성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 상기 열경화성 수지재는 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있거나, 또는
상기 열경화성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 상기 열가소성 수지재는 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있고,
상기 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이며,
상기 열가소성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있으며, 및/또는 상기 열경화성 수지재는 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있거나, 혹은, 상기 열경화성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있으며, 및/또는 상기 열가소성 수지재는 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있는 것을 특징으로 하는 프리프레그에 관한 것이다.
청구항 2에 따른 발명은 상기 열가소성 수지재가 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하며, 및/또는
상기 열경화성 수지재가 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 청구항 1에 기재된 프리프레그에 관한 것이다.
청구항 3에 따른 발명은 상기 열경화성 수지재가 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하며, 및/또는
상기 열가소성 수지재가 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 청구항 1에 기재된 프리프레그에 관한 것이다.
청구항 4에 따른 발명은 상기 사이징제가 과황산칼륨, 알루미나졸 및 PVA를 포함하는 것을 특징으로 하는, 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 프리프레그에 관한 것이다.
청구항 5에 따른 발명은 상기 원사가 코로나 방전 처리되어 있는 것을 특징으로 하는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 프리프레그에 관한 것이다.
청구항 6에 따른 발명은 상기 열가소성 수지재 및/또는 상기 열경화성 수지재가 코로나 방전 처리되어 있는 것을 특징으로 하는, 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 프리프레그에 관한 것이다.
청구항 7에 따른 발명은 직물 형태로 형성된, 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 프리프레그에 관한 것이다.
청구항 8에 따른 발명은 편물 형태로 형성된, 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 프리프레그에 관한 것이다.
청구항 9에 따른 발명은 원사를 사이징처리하는 제1 공정과,
사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 열가소성 수지재를 피복하는 제2 공정과,
상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 열경화성 수지재를 피복하는 제3 공정을 포함하며,
상기 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이고,
상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 상기 열가소성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정이며, 및/또는 상기 제3 공정은 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 상기 열경화성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정인 것을 특징으로 하는, 프리프레그의 제조방법에 관한 것이다.
청구항 10에 따른 발명은, 상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하는 공정이며, 및/또는
상기 제3 공정은 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하는 공정인 것을 특징으로 하는, 청구항 9에 기재된 프리프레그의 제조방법에 관한 것이다.
청구항 11에 따른 발명은 원사를 사이징처리하는 제1 공정과,
사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 열경화성 수지재를 피복하는 제2 공정과,
상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 열가소성 수지재를 피복하는 제3 공정을 포함하며,
상기 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이고,
상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 상기 열경화성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정이며, 및/또는 상기 제3 공정은 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 상기 열가소성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정인 것을 특징으로 하는, 프리프레그의 제조방법에 관한 것이다.
청구항 12에 따른 발명은, 상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하는 공정이며, 및/또는 상기 제3 공정은 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하는 공정인 것을 특징으로 하는, 청구항 11에 기재된 프리프레그의 제조방법에 관한 것이다.
청구항 13에 따른 발명은 상기 제1 공정의 사이징처리에서 사용하는 사이징제는 과황산칼륨, 알루미나졸 및 PVA를 포함하는 것을 특징으로 하는, 청구항 9 내지 12 중 어느 한 항에 기재된 프리프레그의 제조방법에 관한 것이다.
청구항 14에 따른 발명은 상기 제1 공정 후에, 사이징처리된 상기 원사를 코로나 방전 처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 청구항 9 내지 13 중 어느 한 항에 기재된 프리프레그의 제조방법에 관한 것이다.
청구항 1에 따른 발명에 의하면, 프리프레그는 사이징제로 처리된 원사와, 열가소성 수지재와, 열경화성 수지재를 구비하고, 상기 열가소성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 상기 열경화성 수지재는 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있거나, 또는 상기 열경화성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 상기 열가소성 수지재는 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있고, 상기 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이기 때문에, 종래의 프리프레그와 같이, 시간 경과에 따라 열경화성 수지재의 경화반응이 진행될 우려가 없다.
또한, 사이징처리된 원사 또는 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 열가소성 수지재가 피복하고 있기 때문에, 열경화성 수지재가 이미 가열에 의해 중합한 것일지라도, 열가소성 수지재가 프리프레그를 원하는 형상으로 성형하는 성형재가 되어, 프리프레그를 원하는 형상으로 성형할 수 있다.
뿐만 아니라, 프리프레그의 성형시에는 열가소성 수지재가 연화되는 온도까지 가열하면 되므로, 소성할 필요가 없어, 종래의 프리프레그보다 쉽게 성형할 수 있다.
또한, 상기 열가소성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있으며, 및/또는 상기 열경화성 수지재는 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있거나, 혹은, 상기 열경화성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있으며, 및/또는 상기 열가소성 수지재는 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있으므로, 프리프레그를 보다 용이하게 성형할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 프리프레그는 FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 종래의 프리프레그보다 길고, 또한 쉽게 성형될 수 있다는 우수한 효과를 발휘한다.
청구항 2에 따른 발명에 의하면, 상기 열가소성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하고, 및/또는, 상기 열경화성 수지재는 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하기 때문에, 프리프레그를 보다 용이하게 성형할 수 있다.
청구항 3에 따른 발명에 의하면, 상기 열경화성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하고, 및/또는, 상기 열가소성 수지재는 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하기 때문에, 프리프레그를 보다 용이하게 성형할 수 있다.
청구항 4에 따른 발명에 의하면, 상기 사이징제는 과황산칼륨, 알루미나졸 및 PVA를 포함하기 때문에, 성형시에 사이징제에 포함되는 OH기가 작용하여 열가소성 수지재와 원사를 견고하게 접착할 수 있다.
청구항 5에 따른 발명에 의하면, 상기 원사는 코로나 방전 처리되어 있기 때문에, 열가소성 수지재와 원사를 보다 견고하게 접착할 수 있다.
청구항 6에 따른 발명에 의하면, 상기 열가소성 수지재 및/또는 상기 열경화성 수지재는 코로나 방전 처리되어 있기 때문에, 열가소성 수지재와 원사 및 열경화성 수지재 및/또는 열경화성 수지재와 열가소성 수지재를 더 견고하게 접착할 수 있다.
청구항 7에 따른 발명에 의하면, 프리프레그가 직물 형태로 형성되어 있기 때문에, 보다 용이하게 성형될 수 있는 프리프레그로 할 수 있다.
청구항 8에 따른 발명에 의하면, 프리프레그가 편물 형태로 형성되어 있기 때문에, 보다 용이하게 성형될 수 있는 프리프레그로 할 수 있다.
청구항 9에 따른 발명에 의하면, 프리프레그의 제조방법은 원사를 사이징처리하는 제1 공정과, 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 열가소성 수지재를 피복하는 제2 공정과, 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 열경화성 수지재를 피복하는 제3 공정을 포함하고, 상기 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이기 때문에, 종래의 프리프레그와 같이, 시간 경과에 따라 열경화성 수지재의 경화반응이 진행되는 일이 없는 프리프레그를 제조할 수 있다.
또한, 사이징처리된 원사의 외주면을 열가소성 수지재가 피복하고 있기 때문에, 열경화성 수지재가 이미 가열에 의해 중합한 것일지라도, 열가소성 수지재가 프리프레그를 원하는 형상으로 성형하는 성형재가 되어, 원하는 형상으로 성형할 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
뿐만 아니라, 성형시에는 열가소성 수지재가 연화되는 온도까지 가열하면 되므로, 소성할 필요가 없고, 종래의 프리프레그보다 용이하게 성형될 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
또한, 상기 제 2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 상기 열가소성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정이며, 및/또는, 상기 제3 공정은 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 상기 열경화성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정이므로, 보다 용이하게 성형할 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
그러므로, FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 종래의 프리프레그보다 길고, 또한 용이하게 성형될 수 있다는 우수한 효과를 나타내는 프리프레그를 제조할 수 있다.
청구항 10에 따른 발명에 의하면, 상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하는 공정이며, 및/또는 상기 제 3 공정은 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하는 공정이기 때문에, 보다 용이하게 성형할 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
청구항 11에 따른 발명에 의하면, 원사를 사이징처리하는 제1 공정과, 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 열경화성 수지재를 피복하는 제2 공정과, 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 열가소성 수지재를 피복하는 제3 공정을 포함하고, 상기 열경화성 수지재는, 가열에 의해 중합한 것이기 때문에, 종래의 프리프레그와 같이, 시간 경과에 따라 열경화성 수지재의 경화반응이 진행되는 일이 없는 프리프레그를 제조할 수 있다.
또한, 열경화성 수지재의 외주면을 열가소성 수지재가 피복하고 있기 때문에, 열경화성 수지재가 이미 가열에 의해 중합한 것일지라도, 열가소성 수지재가 프리프레그를 원하는 형상으로 성형하는 성형재가 되어, 원하는 형상으로 성형될 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
뿐만 아니라, 성형시에는 열가소성 수지재가 연화되는 온도까지 가열하면 되므로, 소성할 필요가 없어, 종래의 프리프레그보다 용이하게 성형될 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
또한, 상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 상기 열경화성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정이며, 및/또는 상기 제3 공정은 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 상기 열가소성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정이기 때문에, 보다 용이하게 성형할 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
그러므로, FRP의 성형재료로서, 사용가능한 기간(수명)이 종래의 프리프레그보다 길고, 또한 용이하게 성형될 수 있다는 우수한 효과를 나타내는 프리프레그를 제조할 수 있다.
청구항 12에 따른 발명에 의하면, 상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하는 공정이며, 및/또는 상기 제3 공정은 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하는 공정이기 때문에, 보다 용이하게 성형할 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
청구항 13에 따른 발명에 의하면, 상기 제1 공정의 사이징처리에서 사용하는 사이징제는 과황산칼륨, 알루미나졸 및 PVA를 포함하기 때문에, 성형시에 사이징제에 포함되는 OH기가 작용하여, 열가소성 수지재와 원사를 견고하게 접착할 수 있기 때문에, 보다 용이하면서 견고하게 성형될 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
청구항 14에 따른 발명에 의하면, 상기 제1 공정 후에, 사이징처리된 상기 원사를 코로나 방전 처리하는 공정을 더 포함하므로, 열가소성 수지재와 원사를 보다 견고하게 접착할 수 있기 때문에, 보다 용이하면서 견고하게 성형될 수 있는 프리프레그를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 프리프레그의 개략단면도로, (a)는 중심으로부터 원사, 열가소성 수지재, 열경화성 수지재의 순으로 배치된 프리프레그, (b)는 중심으로부터 원사, 열경화성 수지재, 열가소성 수지재의 순으로 배치된 프리프레그를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 프리프레그의 제조방법의 개략설명도로, 원사를 사이징처리하는 제1 공정을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 프리프레그의 제조방법의 개략설명도로, 사이징처리된 원사를 코로나 방전 처리하는 공정을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 프리프레그의 제조방법의 개략설명도로, 사이징처리된 원사에 열가소성 수지재 또는 열경화성 수지재를 피복하는 제2 공정과, 열가소성 수지재에 열경화성 수지재를 피복하거나 또는 열경화성 수지재에 열가소성 수지재를 피복하는 제3 공정을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 프리프레그를 성형하여 제조한 제품(조인트 부재)의 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 프리프레그(제조 후 60일이 경과한 것)를 성형하여 제조한 제품(조인트 부재)의 사진이다.
이하, 본 발명에 따른 프리프레그(이하, 단순히 프리프레그라 칭함) 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대해, 첨부도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 프리프레그의 개략단면도로, (a)는 중심으로부터 원사, 열가소성 수지재, 열경화성 수지재의 순으로 배치된 프리프레그, (b)는 중심으로부터 원사, 열경화성 수지재, 열가소성 수지재의 순으로 배치된 프리프레그를 나타내는 도면이다.
도 1의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 프리프레그(1)는 사이징제(A)로 처리된 원사(2)와, 열가소성 수지재(3)와, 열경화성 수지재(4)를 구비하고 있다.
보다 구체적으로는, 프리프레그(1)에 있어서, 열가소성 수지재(3)는 원사(2)의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 열경화성 수지재(4)는 열가소성 수지재(3)의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있거나(도 1(a) 참조), 또는 열경화성 수지재(4)는 원사(2)의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 열가소성 수지재(3)는 열경화성 수지재(4)의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있는(도 1(b) 참조) 것으로, 열경화성 수지재(4)는 가열에 의해 중합한 것이다.
또한, 도 1의 (a)에 나타낸 구성을 구비하는 프리프레그(1)의 경우, 열경화성 수지재(4)의 외주면의 적어도 일부를 피복하도록 열가소성 수지재를 더 마련하여도 좋다.
프리프레그(1)에 사용되는 원사(2)는 특별히 한정되지 않고, 프리프레그의 섬유상 보강재로서 통상 사용되는 유리섬유, 탄소섬유(PAN계, 피치계), 부직포 등을 사용할 수 있다.
예를 들어, 원사(2)에 사용되는 탄소섬유로서는 무연(無撚) 탄소섬유 3K(즉, 3000가닥의 무연 탄소섬유), 6K(6000가닥), 12K(12000가닥), 24K(24000가닥) 등의 레귤러 토우(RT), 64K(64000가닥) 등의 라지 토우(LT)를 예시할 수 있다. 아크릴계, 피치계 중의 어느 탄소섬유도 원사(2)로서 사용할 수 있다.
프리프레그(1)에 사용되는 원사(2)는 사이징제(A)에 의해 사이징처리되어 있다.
사이징제(A)를 이용하여 사이징처리함으로써, 원사(2)에 OH기(관능기)를 부가할 수 있다.
이로써, 프리프레그(1)를 성형할 때에, 가열에 의해 연화(軟化)된 열가소성 수지재(3)와 원사(2)가 사이징제(A)의 관능기에 의해 견고하게 접착할 수 있으며, 프리프레그(1)의 성형을 보다 용이하게 수행할 수 있다.
프리프레그(1)에 사용하는 사이징제(A)는 탄소섬유 등의 사이징제로서 통상적으로 사용되고, 상술한 접착성을 열가소성 수지재(3)와 원사(2)에 부여할 수 있는 것이면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
OH기를 함유하기 때문에, 우수한 접착성을 열가소성 수지재(3)와 원사(2)에 부여할 수 있다는 관점에서, 사이징제(A)는 과황산칼륨, 알루미나졸 및 PVA를 포함하고 있는 것이 바람직하다.
사이징제(A)에 사용하는 알루미나졸의 입경이나 pH는 특별히 한정되지 않고, 본 발명에 따른 효과를 얻을 수 있는 것이라면 어떠한 것이어도 좋다.
또한, 알루미나졸의 알루미나의 형상은 특별히 한정되지 않고, 판상, 주상, 섬유상, 육각판상 등 어떠한 형상이어도 좋다.
또한, 알루미나졸이 섬유 형태인 경우의 알루미나는 알루미나의 섬유상 결정이다. 보다 구체적으로는, 알루미나의 무수화물로 형성된 알루미나 파이버, 수화물을 포함하는 알루미나로 형성된 알루미나 수화물 파이버 등을 들 수 있다.
사이징제(A)에 사용하는 알루미나졸은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 알루미나졸-10A(Al2O3 환산중량% : 9.8∼10.2, 입자크기(nm) : 5∼15, 점도 25℃, mPa/s : <50, pH : 3.4∼4.2, 카와켄파인케미컬제), 알루미나졸-A2(Al2O3 환산중량% : 9.8∼10.2, 입자크기(nm) : 10∼20, 점도 25℃, mPa/s : <200, pH : 3.4∼4.2, 카와켄파인케미컬제), 알루미나졸-CSA-110AD(Al2O3 환산중량% : 6.0∼6.4, 입자크기(nm) : 5∼15, 점도 25℃, mPa/s : <50, pH : 3.8∼4.5, 카와켄파인케미컬제), 알루미나졸-F1000(Al2O3 환산중량% : 4.8∼5.2, 입자크기(nm) : 1400, 점도 25℃, mPa/s : <1000, pH : 2.9∼3.3, 카와켄파인케미컬제), 알루미나졸-F3000(Al2O3 환산중량% : 4.8∼5.2, 입자크기(nm) : 2000∼4500, 점도 25℃, mPa/s : <1000, pH : 2.7∼3.3, 카와켄파인케미컬제) 등을 들 수 있으며, 당업자에게 자명한 알루미나졸이면 어떤 것이라도 사용할 수 있다.
사이징제(A)에 사용하는 과황산칼륨은 OH기를 함유하는 화합물이기 때문에, 사이징제(A)에 포함되는 OH기의 수를 증가시킬 수 있으며, OH기에 의한 화학적인 결합력(접착력)이 증가하기 때문에, 원사(2)와 열가소성 수지재(3)에 뛰어난 접착성을 부여할 수 있다.
한편, 사이징제(A)에는 과황산칼륨 대신에, 혹은 과황산칼륨 이외에도, 아세트산, 벤조산, 페닐포스폰산 혹은 벤조일 등의 OH기를 함유하는 화합물을 첨가할 수도 있다.
이 경우에도, 과황산칼륨을 첨가한 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
사이징제(A)는 접착성분으로서 열가소성 수지인 폴리비닐알코올(PVA)을 포함한다.
PVA는 이하에 나타낸 구조식을 가지고 있으며, 많은 OH기를 함유하고 있다.
PVA는 사이징제(A)에 배합된 후에도 안정되게 접착제 중에 존재하며, 접착·접합력이 저하될 우려가 적다.
따라서, 사이징제(A)를 장기간에 걸쳐 안정적으로 사용할 수 있다.
사이징제(A)에 열가소성 수지이며 OH기를 함유하는 PVA를 사용함으로써, 원사(2)와 열가소성 수지재(3)의 접착시에 고온으로 가열할 필요가 없어지기 때문에, 보다 용이하게 프리프레그(1)를 성형할 수 있다.
Figure pat00001
상술한 바와 같이, 사이징제(A)는 과황산칼륨, 알루미나졸 및 PVA로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이들 구성요소의 농도는 특별히 한정되지 않지만, 사이징제(A)의 농도가 소정의 범위보다 낮으면, 원사(2)와 열가소성 수지재(3)의 접착성이 저하될 우려가 있다. 또한, 사이징제(A)의 농도가 소정의 범위보다 높으면, 사이징제(A)가 원사(2)에 침투하기 어려워질 우려가 있다.
그러므로, 사이징제(A)의 각 구성요소의 농도에는 다음과 같은 바람직한 범위가 있다.
PVA의 농도는 5.0∼15wt%가 바람직하다.
알루미나졸의 농도는 1.0∼1.5wt%가 바람직하다.
알루미나졸의 농도가 1.0wt%보다 낮으면, 원사(2)와 열가소성 수지재(3)의 접착 강도가 낮아질 우려가 있다.
또한, 알루미나졸의 농도가 1.5wt%보다 높아도, 원사(2)와 열가소성 수지재(3)의 접착 강도는 그 이상으로는 증가하기 어렵다.
과황산칼륨의 농도는 1.0∼1.5wt%가 바람직하다.
또한, 사이징제(A)는 상기한 구성성분 이외에도, 사이징제를 개질하기 위해 기타 첨가제 등을 함유하고 있어도 좋다.
첨가물로서는 예를 들어, 용제, 점착부여제, 가소제, 경화제, 가교제, 희석제, 충전제, 증점제, 안료 등을 들 수 있는데, 이에 한정되지 않고, 사이징제의 성질을 개질하기 위해 통상 사용되며, 당업자에게 자명한 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
또한, 사이징제(A)는 상기한 구성성분 이외에 물(증류수)을 함유하고 있어도 좋다.
또한, 사이징제(A)가 도포되기 전에, 혹은 사이징제(A)가 도포된 후의 원사(2)에 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리를 실시함으로써, 원사(2)와 열가소성 수지재(3)의 접착력을 보다 높일 수 있다.
원사(2)에 실시하는 코로나 방전 처리 혹은 플라즈마 처리의 종류나 조건 등은 특별히 한정되지 않고, 원사(2)의 접착력을 보다 높일 수 있으며, 당업자에게 자명한 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
도 1의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 열가소성 수지재(3)는 원사(2)의 외주면의 적어도 일부를 피복하도록, 혹은 열경화성 수지재(4)의 외주면의 적어도 일부를 피복하도록 마련된다.
열가소성 수지재(3)를 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)의 외주면의 적어도 일부를 피복하도록 마련함으로써, 프리프레그(1)를 가열하여 성형할 때에, 가열에 의해 연화된 열가소성 수지재(3)가, 원사(2)와 열경화성 수지재(4)를 접착하는 접착수단으로 작용한다.
또한, 프리프레그(1)를 가열하여 성형할 때에, 열가소성 수지재(3)가 연화되고, 그 후 냉각함으로써 경화되기 때문에, 열경화성 수지재(4)가 이미 경화된 것일지라도, 프리프레그(1)를 원하는 형태로 성형할 수 있다.
그리고, 열가소성 수지재(3)에는 경화제 등이 포함되어 있지 않기 때문에, 열가소성 수지재(3)를 이용하여 프리프레그(1)를 제조한 후일지라도, 시간 경과에 따라 열가소성가 없어질 우려는 없다.
그러므로, 열가소성 수지재(3)를 접착수단 및 성형수단으로서 사용함으로써, FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 종래의 프리프레그보다 긴 프리프레그로 할 수 있다.
또한, 열가소성 수지재(3)를 열경화성 수지재(4)의 외주면의 적어도 일부를 피복하도록 마련한 경우에는, 성형시의 가열에 의해 연화된 열가소성 수지재(3)가 원사(2)와 열경화성 수지재(4) 사이에 파고들어, 상기의 접착작용 및 성형작용을 발휘한다.
열가소성 수지재(3)는 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)의 외주면을 용이하게 피복할 수 있도록 필름 형태, 필름을 슬릿한 테이프 형태, 혹은 꼬임을 건 실 형태인 것이 바람직하다.
열가소성 수지재(3)의 형상은 필름 형태, 테이프 형태 혹은 실 형태로 한정되지 않고, 원사(2)의 외주면을 피복할 수 있는 형상이면 어떠한 형상이어도 좋다.
열가소성 수지재(3)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 프리프레그(1)의 성형용이성 관점에서 10μm∼100μm의 두께인 것이 바람직하고, 10μm∼50μm의 두께인 것이 보다 바람직하며, 10∼25μm의 두께인 것이 가장 바람직하다.
이는 열가소성 수지재(3)의 두께가 10μm 미만이면, 원사(2) 및 열경화성 수지재(4)와의 접착이 불충분하게 될 우려가 있고, 열가소성 수지재(3)의 두께가 100μm를 초과하면, 프리프레그(1)에서의 열가소성 수지재(3)의 비율이 너무 높아져서 프리프레그(1)의 강도가 저하될 우려가 있기 때문이다.
열가소성 수지재(3)의 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)의 외주면에 대한 피복방법은 특별히 한정되지 않지만, 시트 형태 또는 실 형태의 열가소성 수지재(3) 를 사용하는 경우, 열가소성 수지재(3)는 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)의 외주면에 1개는 S자 와인딩, 1개는 Z자 와인딩되어 있는(즉, 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)의 외주면에 X자 형태로 감겨 있는) 것이 바람직하다(도 4 참조).
열가소성 수지재(3)가 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)의 외주면에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있음으로써, 낭비없이 균일하게 열가소성 수지재(3)를 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)의 외주면에 감을 수 있기 때문에, 프리프레그(1)의 성형시에, 골고루 균일하면서도 쉽게 원사(2) 및 열경화성 수지재(4)와 접착할 수 있으며, 마무리 치수 굵기를 균일하고 안정적이게 하여 프리프레그(1)를 원하는 형태로 성형할 수 있다. 또한, 요구되는 원사의 길이당 중량의 안정성을 향상시킬 수 있다.
시트 형태 또는 실 형태의 열가소성 수지재(3)를 사용하는 경우, 열가소성 수지재(3)의 권취 피치는 특별히 한정되지 않지만, 3∼7mm가 바람직하고, 4∼5mm가 가장 바람직하다.
피치를 3 내지 7mm로 함으로써, 열가소성 수지재(3)를 균일하면서도 낭비없이 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)에 감을 수 있다.
시트 형태 또는 실 형태의 열가소성 수지재(3)를 사용하는 경우, 열가소성 수지재(3)의 폭은 특별히 한정되지 않지만, 1.0mm∼3.5mm가 바람직하고, 1.5mm∼1.8mm이 가장 바람직하다.
열가소성 수지재(3)의 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)의 외주면의 면적에 대한 피복율은 특별히 한정되지 않지만, 30% 이상인 것이 바람직하고, 50% 이상인 것이 가장 바람직하다.
이는 열가소성 수지재(3)의 원사(2) 또는 열경화성 수지재(4)의 외주면의 면적에 대한 피복률이 30% 미만이면, 프리프레그(1)를 가압·가열하여 성형할 때에, 원사(2)와 열경화성 수지재(4)를 접착하는 접착력이 저하되어, 원하는 형태로 성형할 수 없게 될 우려가 있기 때문이다.
열가소성 수지재(3)에 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리를 실시함으로써, 원사(2)와 열경화성 수지재(4)를 접착하는 접착력을 보다 높일 수 있다.
이는 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리를 실시함으로써, 열가소성 수지재(3)의 표면에 작은 손상이 생겨, 원사(2) 및 열경화성 수지재(4)와의 접착성이 증가하기 때문이다.
열가소성 수지재(3)에 실시하는 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리의 종류나 조건 등은 특별히 한정되지 않고, 열가소성 수지재(3)의 접착력을 보다 높일 수 있으며, 당업자에게 자명한 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
프리프레그(1)에 사용되는 열가소성 수지재(3)의 재료는 특별히 한정되지 않고, 나일론 6, 나일론 66, 폴리에스테르, PFA, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, PTFE, PET, ABS, AS, 아크릴, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 환상 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, FEP, ETFE, PCTFE, PVDF 등 열가소성 수지라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
도 1의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 열경화성 수지재(4)는 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면의 적어도 일부를 피복하도록 마련된다.
열경화성 수지재(4)는 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면을 용이하게 피복할 수 있도록, 필름 형태, 필름을 슬릿한 테이프 형태, 혹은 꼬임을 건 단사(單絲), 또는 쌍사(雙絲)를 건 실 형태인 것이 바람직하다.
열경화성 수지재(4)의 형상은 필름 형태, 테이프 형태 혹은 실 형태로 한정되지 않고, 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면을 피복할 수 있는 형상이면 어떠한 형상이어도 좋다.
열경화성 수지재(4)의 두께는 프리프레그(1)의 성형용이성 관점에서, 10μm∼100μm의 두께인 것이 바람직하고, 10μm∼50μm의 두께인 것이 보다 바람직하며, 10μm∼25μm의 두께인 것이 가장 바람직하다.
이는 열경화성 수지재(4)의 두께가 10μm 미만이면, 프리프레그(1)에 열경화성 수지재(4)에 기인하는 인장, 압축, 굴곡강도 등의 물성을 프리프레그(1)에 충분히 부여할 수 없을 우려가 있고, 열경화성 수지재(4)의 두께가 100μm를 초과하면, 열경화성 수지재(4)에 기인하는 강성이 너무 커져, 프리프레그(1)를 구부리는 것이 어렵게 되어 원하는 형상으로 성형할 수 없게 될 우려가 있기 때문이다.
열경화성 수지재(4)의 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면에 대한 피복방법은 특별히 한정되지 않지만, 시트 형태 또는 실 형태의 열경화성 수지재(4)를 사용하는 경우, 열경화성 수지재(4)는 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있는(즉, 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면에 X자 형태로 감겨 있는) 것이 바람직하다.
열경화성 수지재(4)가 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있음으로써, 열경화성 수지재(4)의 강성을 프리프레그(1)에 의해 용이하게 부여할 수 있고, 또한 열경화성 수지재(4)의 가공용이성을 증가시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 열경화성 수지재(4)를 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하는 것은 자동화할 수 있기 때문에, 보다 용이하게 프리프레그(1)를 제조할 수 있다.
또한, 낭비없이 균일하게 열경화성 수지재(4)를 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면에 감을 수 있기 때문에, 프리프레그(1)의 성형시에, 골고루 균일하면서 용이하게 원사(2) 및 열경화성 수지재(4)와 접착할 수 있으며, 보다 용이하게 프리프레그(1)를 원하는 형태로 성형할 수 있다.
시트 형태 또는 실 형태의 열경화성 수지재(4)를 사용하는 경우, 열경화성 수지재(4)의 권취 피치는 특별히 한정되지 않지만, 3∼7mm가 바람직하고, 4∼5mm가 가장 바람직하다.
피치를 3∼7mm로 함으로써, 열경화성 수지재(4)를 균일하면서 낭비없이 열가소성 수지재(3)에 감을 수 있다.
시트 형태 또는 실 형태의 열경화성 수지재(4)를 사용하는 경우, 열경화성 수지재(4)의 폭은 특별히 한정되지 않지만, 1.0mm∼3.5mm인 것이 바람직하며, 1.5mm∼1.8mm가 가장 바람직하다.
열경화성 수지재(4)의 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면의 면적에 대한 피복율은 특별히 한정되지 않지만, 30% 이상인 것이 바람직하며, 50% 이상인 것이 바람직하다.
이는 열경화성 수지재(4)의 원사(2) 또는 열가소성 수지재(3)의 외주면의 면적에 대한 피복률이 30% 미만이면, 프리프레그(1)를 가압·가열하여 성형할 때에, 프리프레그(1)의 장소에 따라 두께나 강도에 큰 편차가 생길 우려나, 프리프레그(1)에 충분한 강성을 부여할 수 없을 우려가 있기 때문이다.
프리프레그(1)에서의 원사(2)와 열가소성 수지재(3) 및 열경화성 수지재(4)와의 체적 비율은 원사 45%∼60% : 열가소성 수지재 25%∼30% : 열경화성 수지재 15%∼25%인 것이 바람직하고, 원사 51% : 열가소성 수지재 25% : 열경화성 수지재 24%가 가장 바람직하다.
프리프레그(1)에서의 원사(2)와 열가소성 수지재(3) 및 열경화성 수지재(4)와의 체적비율을 상기 비율로 함으로써, 프리프레그(1)의 인장강도, 압축강도, 굴곡강도 등의 물성을 높이면서, 또한 우수한 성형성을 얻을 수 있다.
열경화성 수지재(4)는 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리를 실시함으로써, 열가소성 수지재(3)와의 접착력을 보다 높일 수 있다.
이는 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리를 실시함으로써, 열경화성 수지재(4)의 표면에 작은 손상이 생기고, 원사(2) 및 열가소성 수지재(3)와의 접착성이 증가하기 때문이다.
또한, 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리를 실시하고, 열경화성 수지재(4)에 구멍(펀치 구멍)을 형성하여도 좋다. 이로써, 가열시에 연화된 열가소성 수지재(3)가 보다 쉽게 열경화성 수지재(4)와 접착할 수 있다.
열경화성 수지재(4)에 실시하는 코로나 방전 처리 혹은 플라즈마 처리의 종류나 조건 등은 특별히 한정되지 않고, 열경화성 수지재(4)의 접착력을 보다 높일 수 있으며, 당업자에게 자명한 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
프리프레그(1)에 사용되는 열경화성 수지재(4)는 가열에 의한 중합반응이 완료된 것을 사용한다.
가열에 의한 중합반응이 완료된(즉, 경화된) 열경화성 수지재(4)를 사용함으로써, 종래의 프리프레그의 문제점이었던, 시간 경과에 따라 열경화성 수지의 반응이 진행되어 성형에 사용될 수 없게 된다는 문제가 생기지 않는다.
경화된 열경화성 수지재(4)는 프리프레그(1)에 인장, 압축, 굴곡강도 등의 강성을 부여하기 위한 골재로서 작용한다.
본 발명의 프리프레그(1)에 사용되는 열경화성 수지재(4)는 사이징처리된 원사(2)의 외주면을 피복하는 열가소성 수지재(3)의 외주면을 피복하도록 마련되어 있으며, 종래의 프리프레그와 같이, 열경화성 수지가 직접 원사에 함침되어 있지 않다.
그러므로, 본 발명의 프리프레그(1)는 성형시에 원사(2) 및 열가소성 수지재(3)에 의해 프리프레그(1)를 원하는 형상으로 성형할 수 있으며, 이미 경화된 열경화성 수지재(4)를 사용한 경우에도, 프리프레그(1)를 원하는 형상으로 성형할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 프리프레그(1)는 열가소성 수지재(3)가 연화되는 온도까지 가열하는 것만으로, 원하는 형상으로 성형할 수 있다. 그러므로, 프리프레그의 성형에 대규모의 설비는 불필요하게 되어, FRP의 생산성을 향상시킬 수 있다.
프리프레그(1)에 사용되는 열경화성 수지재(4)의 재료는 특별히 한정되지 않고, 프리프레그에 통상 사용되고 있는 열경화성 수지라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
예를 들어, 열경화성 수지재(4)의 재료로서, 에폭시, 불포화 폴리에스테르, 비닐에스테르, 비스말레이미드, 페놀, 시아네이트, 폴리이미드 등을 들 수 있다.
또한, 열가소성 수지재(3) 및 열경화성 수지재(4)에는 서로 접착시킨 복합재를 사용할 수도 있다.
프리프레그(1)는 직물 형태 또는 편물 형태로 사용할 수도 있다.
프리프레그(1)를 직물 형태로 함으로써, 단층으로 한 경우 또는 적층한 경우 모두 자동 커팅을 할 수 있어, 대량 생산이나 대형 생산에 적합하다.
프리프레그(1)를 편물 형태로 함으로써, 자동 뜨기가 가능하게 되어, 소품 성형에 적합하다. 또한, 프리프레그(1)를 직물 형태 또는 편물 형태로 함으로써, 프리프레그(1)를 보다 용이하게 원하는 형상으로 성형할 수 있다.
프리프레그(1)나 직물 형태 또는 편물 형태로 한 프리프레그(1)를 원하는 형상의 금형에 충전한 후, 가열프레스에 의해 가열·가압 성형을 실시하여, 프리프레그(1)를 원하는 형상으로 성형한다.
프리프레그(1)의 성형은 열가소성 수지재(3)가 연화되는 온도 이상으로 가열함으로써 가능해지기 때문에, 이 온도는 열가소성 수지재(3)에 사용되는 열가소성 수지에 의존하며, 120℃∼410℃의 온도에서 15분∼45분 정도의 가열·가압 시간으로 프리프레그(1)를 성형할 수 있다.
이하, 본 발명의 프리프레그(1)의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 프리프레그의 제조방법의 개략설명도로서, 원사를 사이징처리하는 제1 공정을 설명하는 도면이다. 도 3은 본 발명에 따른 프리프레그의 제조방법의 개략설명도로서, 사이징처리된 원사를 코로나 방전 처리하는 공정을 설명하는 도면이다. 도 4는 본 발명에 따른 프리프레그의 제조방법의 개략설명도로서, 사이징처리된 원사에 열가소성 수지재 또는 열경화성 수지재를 피복하는 제2 공정과, 열가소성 수지재에 열경화성 수지재를 피복하거나 또는 열경화성 수지재에 열가소성 수지재를 피복하는 제3 공정을 설명하는 도면이다.
또한, 도 2∼도 4에 나타낸 화살표는 원사(2) 및 프리프레그(1)가 풀려나오는 방향을 가리킨다.
프리프레그(1)의 제조방법은 원사(2)를 사이징처리하는 제1 공정과, 사이징처리된 원사(2)에 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 피복하는 제2 공정과, 열가소성 수지재(3)에 열경화성 수지재(4)를 피복하거나 또는 열경화성 수지재(4)에 열가소성 수지재(3)를 피복하는 제3 공정을 포함한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 공정에서, 원사(2)는 도면 중의 화살표 방향으로 풀려나와 사이징제(A)가 도포 롤러(5)에 의해 도포되며, 사이징제(A)가 도포된 원사(2)는 가열된 건조 롤러(6)를 주행함으로써 건조된다.
또한, 도 2에서는 사이징제(A)는 도포 롤러(5)에 의해 원사(2)에 도포되어 있는데, 사이징제(A)의 도포방법은 특별히 한정되지 않고, 원사(2)에 사이징제(A)를 분무하거나, 또는 원사(2)를 사이징제(A)에 침지시키는 등, 원사(2)에 사이징제(A)를 도포할 수 있는 방법이라면 어떠한 방법을 사용하여도 좋다.
또한, 사이징제(A)가 도포된 원사(2)를 건조시키는 방법은 도 2의 건조 롤러에 한정되지 않고, 예를 들면, 사이징제(A)가 도포된 원사(2)를 자연 건조, 가열 건조 또는 감압 건조시키는 등, 사이징제(A)가 도포된 원사(2)를 건조시킬 수 있는 방법이면 어떠한 방법을 사용하여도 좋다.
또한, 도 2∼도 4에서는 이송 롤러(7)을 통해 원사(2)을 이동시키고 있는데, 원사(2)를 이동시키는 방법은 특별히 한정되지 않는다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 공정 후, 제2 공정에 들어가기 전에, 사이징처리된 원사(2)를 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리하는 공정을 포함하고 있어도 좋다.
구체적으로는, 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리 장치(10)에 원사(2)를 통과시켜 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리한다.
또한, 이 공정에서 사용되는 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리 장치(10)는 특별히 한정되지 않고, 사이징처리된 원사(2)를 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리할 수 있는 것이면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
코로나 처리는 5W·min/m2 내지 400W·min/m2로 수행하는 것이 바람직하고, 50W·min/m2로 수행하는 것이 보다 바람직하다.
코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리된 원사(2)는 물(W)이 들어 있는 수조(T) 속을 통과하여 세척된다.
코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리된 원사(2)를 물로 세척함으로써, 여분의 불순물이 제거되고, 원사(2)에 부착된 사이징제 유래의 관능기(OH기)를 1/10 내지 1/15 정도로 줄일 수 있으며, 이와 같이 관능기를 적당히 감소시킴으로써, 원사(2)와 열가소성 수지재(3)의 접착성을 보다 높일 수 있다.
코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리된 원사(2)의 세척에 사용되는 물은 원사(2)에 부착된 사이징제 유래의 관능기(OH기)를 1/10 내지 1/15 정도로 보다 용이하게 할 수 있다는 관점에서, 70℃∼80℃의 수온인 것이 바람직하다.
물로 세척된 원사(2)는 가열된 건조 롤러(6)를 주행함으로써 건조된다.
물로 세척된 원사(2)를 건조시키는 방법은 도 3의 건조 롤러에 한정되지 않고, 예를 들면, 물로 세척된 원사(2)를 자연 건조, 가열 건조 또는 감압 건조시키는 등, 물로 세척된 원사(2)를 건조시킬 수 있는 방법이면 어떠한 방법을 사용하여도 좋다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제2 공정에서, 사이징처리된 원사(2)에는 제1 커버링 수단(8) 및 제2 커버링 수단(9)에 의해 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)가 S자 와인딩 및 Z자 와인딩된다.
S자 와인딩 및 Z자 와인딩의 순서는 특별히 한정되지 않고, 제1 커버링 수단(8)에 의해, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 S자 와인딩하고, 그 후 제2 커버링 수단(9)에 의해, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 Z자 와인딩할 수도 있으며, 그 역순(즉, Z자 와인딩 후에 S자 와인딩)으로 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 피복할 수도 있다.
또한, 커버링 수단의 설치 개수는 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 원하는 상태로 피복할 수 있도록 1개, 2개, 3개, 4개 혹은 5개 이상 마련하여도 좋으며, 특별히 한정되지 않는다.
커버링 수단은 특별히 한정되지 않고, 원사를 피복할 수 있는 수단이라면 어떠한 것을 사용하여도 좋다.
또한, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)의 피복방법은 도 4에 나타낸 방법에 한정되지 않고, 예를 들어, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 S자 와인딩 또는 Z자 와인딩하거나, 혹은 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 원사(2)에 압착이나 접착제 등을 사용하여 접착하는 등, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)가 원사(2)의 외주를 피복하도록 마련할 수 있는 방법이면 어떠한 방법을 사용하여도 좋다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제3 공정에서, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)가 피복된 원사(2)는 제1 커버링 수단(8) 및 제2 커버링 수단(9)에 의해, 열가소성 수지재(3)의 외주를 피복하도록 열경화성 수지재(4)가, 혹은 열경화성 수지재(4)의 외주를 피복하도록 열가소성 수지재(3)가 S자 와인딩 및 Z자 와인딩된다.
S자 와인딩 및 Z자 와인딩의 순서는 특별히 한정되지 않고, 제1 커버링 수단(8)에 의해, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 S자 와인딩하고, 그 후 제2 커버링 수단(9)에 의해, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 Z자 와인딩할 수도 있으며, 그 역순(즉, Z자 와인딩 후에 S자 와인딩)으로 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 피복할 수도 있다.
또한, 커버링 수단의 설치 개수는 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 원하는 상태로 피복할 수 있도록 1개, 2개, 3개, 4개 혹은 5개 이상 마련하여도 좋으며, 특별히 한정되지 않는다.
커버링 수단은 특별히 한정되지 않고, 원사를 피복할 수 있는 수단이라면 어떠한 것을 사용하여도 좋다.
또한, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)의 피복방법은 도 4에 나타낸 방법에 한정되지 않고, 예를 들어, 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 S자 와인딩 또는 Z자 와인딩하거나, 혹은 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)를 열가소성 수지재(3) 또는 열경화성 수지재(4)에 압착이나 접착제 등을 사용하여 접착하는 등, 열경화성 수지재(4)가 열가소성 수지재(3)의 외주를 피복하도록, 또는 열가소성 수지재(3)가 열경화성 수지재(4)의 외주를 피복하도록 마련할 수 있는 방법이면 어떠한 방법을 사용하여도 좋다.
[실시예]
본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해, 이하에 실시예 및 비교예를 들어 설명하는데, 이들 실시예 등은 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 프리프레그가 종래의 프리프레그보다도, FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 긴 지 아닌지에 대해 이하의 확인시험을 실시하였다.
<실시예>
실시예로서 사용한 본 발명에 따른 프리프레그는, 이하의 재료를 사용하여 제조하였다.
원사 : 12K 탄소섬유(쿠레하사제, 피치계, 3플라이)
사이징제 : 과황산칼륨(와코쥰야쿠공업사제) 1.5wt%, 알루미나졸(카와켄파인케미컬사제, 10-A) 2.0wt%, PVA(덴카사제) 5.0wt%, 물 88.5wt%, PTFE(다이킨사제, D-111) 3wt%
열가소성 수지재 : 나일론 66(산텍크스사제)
열경화성 수지재 : 터프크레스트 필름(스미토모세이카사, PI70%, 클레이 30%, 두께 25μm)
상기의 재료를 이용하여, 본 발명에 따른 프리프레그를 이하의 방법으로 제조하였다.
먼저, 원사에 도포 롤러를 통해 사이징제를 도포하고, 그 후 원사를 건조 롤러로 건조시켰다.
이어, 원사에 열가소성 수지재의 실(직경 30μm)을 제1 커버링 수단 및 제2 커버링 수단에 의해 6mm의 피치로 S자 와인딩 및 Z자 와인딩으로 감았다.
마지막으로, 열가소성 수지재의 외주면에 열경화성 수지재(2.0mm 폭으로 슬릿한 것)를 제1 커버링 수단 및 제2 커버링 수단에 의해 6mm의 피치로 S자 와인딩 및 Z자 와인딩으로 감아, 실시예의 프리프레그를 제조하였다.
또한, 실시예의 프리프레그에서의 탄소섬유와 열가소성 수지재 및 열경화성 수지재의 비율은 탄소섬유 51wt% : 열가소성 수지재 및 열경화성 수지재 49wt%이었다.
이어, 제조한 실시예의 프리프레그를 18개 준비하여, 16mm×16mm의 사각 형상으로 편조(編組)하고, 롤러압연에 의해 직육면체 형상으로 압연하였다.
이 직육면체 형상으로 압연된 편조 프리프레그를 금형에 충전하고, 385℃에서 20분간 가열·가압(200kg/cm2)한 후, 냉각수로 냉각하여, 성형된 제품(조인트 부재)을 제조하였다.
도 5는 프리프레그를 성형하여 제조한 제품을 나타내는 사진이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 프리프레그를 사용함으로써, 원하는 형상으로 성형한 제품을 제조할 수 있는 것으로 나타났다.
이어, 제조한 실시예의 프리프레그의 FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)의 확인 시험을 실시하였다.
상기와 같이 제조한 실시예의 프리프레그를 25℃에서 보관하고, 제조로부터 20일 경과후 및 60일 경과후의 실시예의 프리프레그를 사용하여 제품(조인트 부재)을 제조하였다.
제품의 제조방법은 상술한 방법과 마찬가지이다.
도 6은 제조로부터 60일 경과한 실시예의 프리프레그를 성형하여 제조한 제품을 나타내는 사진이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 프리프레그는 제조 후 60일 경과한 것일지라도, 제조 직후의 프리프레그와 마찬가지로, FRP의 성형재료로서 사용될 수 있는 것으로 나타났다.
제조로부터 2일 경과한 실시예의 프리프레그에 있어서도, 제조 직후의 프리프레그와 마찬가지로, 도 5와 동일한 제품을 제조할 수 있었다(미도시).
또한, 원사에 열경화성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하고, 열경화성 수지재의 외주면에 열가소성 수지재의 실을 S자 와인딩 및 Z자 와인딩한 프리프레그(제조 후 60일이 경과한 것)에 있어서도, 상기 실시예의 프리프레그와 마찬가지로 제품을 제조할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 따른 프리프레그는 이미 경화된 열경화성 수지재를 사용하기 때문에, FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 긴 것으로 나타났다.
<비교예>
비교예로서 사용한 프리프레그는 이하의 재료를 사용하여 제조하였다.
원사 : 12K의 탄소섬유(쿠레하사제, 피치계, 3플라이)
열경화성 수지재 : 비스페놀 A계 에폭시 수지(액상) 20부, 비스페놀 A계 에폭시 수지(고형) 80부, 디시안디아미드(경화제) 5부, 방향족계 우레아(경화촉진제) 5부 및 메틸에틸케톤과 메탄올의 50/50 혼합액 100부로 이루어진 에폭시 수지
상기의 재료를 사용하여, 비교예의 프리프레그를 이하의 방법으로 제조하였다.
원사를 열경화성 수지재에 침지에 의해 함침시킨 후, 원사를 열건조시켜 열경화성 수지재를 반경화 상태로 한 비교예의 프리프레그를 제조하였다.
상기 방법으로 제조한 비교예의 프리프레그를 25℃에서 20일간 보관한 후, 실시예와 마찬가지로 비교예의 프리프레그를 성형하여 제품(조인트 부재)을 제조하려고 하였는데, 비교예의 프리프레그의 열경화성 수지재의 경화반응이 진행되었기 때문에, 비교예의 프리프레그 자체가 경화되었었다.
그 때문에, 비교예의 프리프레그를 금형에 충전할 수 없어, 제품을 제조할 수 없었다.
상기의 실시예 및 비교예의 시험결과로부터, 본 발명에 따른 프리프레그는 종래의 프리프레그보다도, FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 길고, 제조 후 60일이 경과한 것일지라도, 원하는 형상으로 용이하게 성형될 수 있다는 우수한 효과를 나타내는 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 프리프레그는 사이징제로 처리된 원사와, 열가소성 수지재와, 열경화성 수지재를 구비하고, 열가소성 수지재는 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 열경화성 수지재는 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있거나, 또는 열경화성 수지재는 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 열가소성 수지재는 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있고, 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이기 때문에, 종래의 프리프레그와 같이, 시간 경과에 따라 열경화성 수지재의 경화반응이 진행되는 일이 없다.
또한, 사이징처리된 원사 또는 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 열가소성 수지재가 피복하고 있기 때문에, 열경화성 수지재가 이미 가열에 의해 중합한 것일지라도, 열가소성 수지재가 프리프레그를 원하는 형상으로 성형하는 성형재가 되어, 프리프레그를 원하는 형상으로 성형할 수 있다.
뿐만 아니라, 프리프레그의 성형시에는 열가소성 수지재가 연화되는 온도까지 가열하면 되므로, 소성할 필요가 없어, 종래의 프리프레그보다 용이하게 성형될 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 프리프레그는 FRP의 성형재료로서 사용가능한 기간(수명)이 종래의 프리프레그보다도 길고, 또한 용이하게 성형될 수 있다는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 프리프레그의 제조방법은 상기한 우수한 특징을 구비하는 프리프레그를 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명은 FRP의 재료가 되는 프리프레그 및 그 제조방법으로서 폭넓게 이용할 수 있다.
1 : 프리프레그 2 : 원사
3 : 열가소성 수지재 4 : 열경화성 수지재
5 : 도포 롤러 6 : 건조 롤러
7 : 이송 롤러 8 : 제1 커버링 수단
9 : 제2 커버링 수단
10 : 코로나 방전 처리 또는 플라즈마 처리 장치
A : 사이징제 T : 수조
W : 물

Claims (14)

  1. 사이징제로 처리된 원사와, 열가소성 수지재와, 열경화성 수지재를 구비하고,
    상기 열가소성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 상기 열경화성 수지재는 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있거나, 또는
    상기 열경화성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있으며, 상기 열가소성 수지재는 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부를 피복하고 있고,
    상기 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이고,
    상기 열가소성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있으며, 및/또는 상기 열경화성 수지재는 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있거나, 혹은, 상기 열경화성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있으며, 및/또는 상기 열가소성 수지재는 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩 및 Z자 와인딩되어 있는 것을 특징으로 하는 프리프레그.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하며, 및/또는
    상기 열경화성 수지재는 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 프리프레그.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지재는 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하며, 및/또는
    상기 열가소성 수지재는 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 S자 와인딩된 것, 및 Z자 와인딩된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 프리프레그.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사이징제는 과황산칼륨, 알루미나졸 및 PVA를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리프레그.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원사는 코로나 방전 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 프리프레그.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지재 및/또는 상기 열경화성 수지재는 코로나 방전 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 프리프레그.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    직물 형태로 형성된 프리프레그.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    편물 형태로 형성된 프리프레그.
  9. 원사를 사이징처리하는 제1 공정과,
    사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 열가소성 수지재를 피복하는 제2 공정과,
    상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 열경화성 수지재를 피복하는 제3 공정을 포함하며,
    상기 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이고,
    상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 상기 열가소성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정이며, 및/또는, 상기 제3 공정은 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 상기 열경화성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정인 것을 특징으로 하는 프리프레그의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하는 공정이며, 및/또는
    상기 제3 공정은 상기 열가소성 수지재의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하는 공정인 것을 특징으로 하는 프리프레그의 제조방법.
  11. 원사를 사이징처리하는 제1 공정과,
    사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 열경화성 수지재를 피복하는 제2 공정과,
    상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 열가소성 수지재를 피복하는 제3 공정을 포함하며,
    상기 열경화성 수지재는 가열에 의해 중합한 것이고,
    상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에 상기 열경화성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정이며, 및/또는, 상기 제3 공정은 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에 상기 열가소성 수지재를 S자 와인딩 및 Z자 와인딩하여 피복하는 공정인 것을 특징으로 하는 프리프레그의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 공정은 사이징처리된 상기 원사의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열경화성 수지재에 의해 피복하는 공정이며, 및/또는
    상기 제3 공정은 상기 열경화성 수지재의 외주면의 적어도 일부에서, S자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하고, 및 Z자 와인딩한 열가소성 수지재에 의해 피복하는 공정인 것을 특징으로 하는 프리프레그의 제조방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 공정의 사이징처리에서 사용하는 사이징제는 과황산칼륨, 알루미나졸 및 PVA를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리프레그의 제조방법.
  14. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 공정 후에, 사이징처리된 상기 원사를 코로나 방전 처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프리프레그의 제조방법.
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