KR20200133203A

KR20200133203A - 섬유 강화 수지의 제조 방법

Info

Publication number: KR20200133203A
Application number: KR1020207013487A
Authority: KR
Inventors: 유스케 츠무라; 츠요시 사오토메; 나오후미 호소카와
Original assignee: 도레이 카부시키가이샤
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-11-26
Also published as: JPWO2019188195A1; CA3088144A1; US20200398461A1; BR112020014078A2; EP3778172A1; AU2019244244A1; CN111886119A; WO2019188195A1; RU2020130913A; EP3778172A4

Abstract

후육부나 돌기 등의 두께 변화를 갖는 입체형상을 프레스 성형으로 얻을 경우라도, 기계특성이나 캐비티에의 충전성이 뛰어나고, 미충전이나 수지의 미함침과 같은 문제를 회피하면서, 버의 저감에 유효한 섬유 강화 수지를 제공하기 위해서, 강화 섬유와 열경화성 수지로 이루어지는 프리프레그의 프리폼을 프레스 성형하는 섬유 강화 수지의 제조 방법으로서, (a) 프리폼을 제작하는 프리폼 제작 공정과, (b) 상기 프리폼을 금형에 배치함과 아울러 예열하는 배치·예열 공정과, (c) 상기 프리폼을 제품형상으로 변형시키는 프레스 공정과, (d) 상기 프리폼을 가압하면서 경화시키는 경화 공정을 포함하고, 상기 (c)의 프레스 공정의 개시 시점에 있어서, 상기 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)가 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 큰 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법으로 한다.

Description

섬유 강화 수지의 제조 방법

본 발명은 강화 섬유와 열경화성 수지로 이루어지는 프리프레그의 프레스 성형 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 특히 프리프레그를 프레스 성형했을 경우이여도 섬유의 흐트러짐이나 제품 잉여부인 버(burr)를 발생시키기 어렵고, 또한 기계특성이나 표면 개관이 우수한 성형품을 얻을 수 있는 섬유 강화 수지의 제조 방법에 관한 것이다.

섬유 강화 수지는 경량 또한 고강도, 고강성이기 때문에, 낚싯대나 골프채 등의 스포츠·레저 용도, 자동차나 항공기 등의 산업 용도 등의 폭넓은 분야에서 사용되고 있다. 섬유 강화 수지의 제조에는 강화 섬유 등의 장섬유로 이루어지는 섬유 보강재에 수지를 함침한 중간 재료인 프리프레그를 사용하는 방법이 적합하게 사용된다. 프리프레그를 소망의 형상으로 절단한 후에 적층, 부형하고, 금형 내에서 가열 경화시킴으로써 섬유 강화 수지로 이루어지는 성형품을 얻을 수 있다.(예를 들면 특허문헌 1)

또한, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 함침시킨 프리프레그를 적층한 적층체와 금형을 예비 가열함과 아울러, 적층체보다 치수가 작은 워크홀더에 의해 적층체의 주연부 부근을 협지하면서 수지 점도를 저하시킨 후, 적층체를 워크홀더로부터 금형측으로 끌어들이면서 금형 내에서 가열 또는 냉각해서 고화 또는 반경화시킴으로써 섬유 강화 수지로 이루어지는 프리폼을 성형하는 방법이 개시되어 있다.(예를 들면 특허문헌 2)

또한, 두께 변화나 요철 변화를 갖는 형상은 양호한 충전성을 가지는 재료로 성형하는 것이 바람직하고, 프리프레그에 미소한 절개를 삽입함으로써 형상으로의 추종성을 향상시킨 절개 삽입 프리프레그 등의 재료가 프레스 성형에 사용되고 있다.(예를 들면 특허문헌 3)

또한, 열경화성 수지를 예열했을 경우, 처음에 수지의 온도상승에 따라 점도가 저하하고, 계속해서 수지의 경화 반응에 의해 점도가 상승한다. 이 현상을 이용하여, 일반적으로 프리폼을 예열해서 수지의 경화도를 높인 후에 프레스 성형하는 방법이 채용되는 경우가 많다.

일본 특허공개 2015-143343호 공보 일본 특허공개 2008-68532호 공보 국제공개 제2017/073460호

그런데, 예열시간을 짧게 하고, 수지의 경화도가 작은 상태에서 프레스 성형하면, 제품형상으로의 프리폼의 추종성은 높아지지만, 제품형상 밖에 큰 버를 발생시켜서 재료 수율이 저하하거나, 재료 유동에 따라 섬유 흐트러짐을 발생시켜 기계특성이 저하하거나, 버를 제거하기 위한 후가공에 시간이 걸린다고 하는 과제가 있었다.

한편, 예열시간을 길게 하고, 수지의 경화도가 큰 상태에서 프레스 성형하면, 버는 감소하지만 프리폼의 추종성이 저하하고, 두께 변화부나 코너부, 요철부 등에서 미충전이나 수지의 미함침이 발생해서 기계특성이 저하할 경우가 있다.

또한, 같은 압축성형의 방법에 있어서 프리폼이 대략 성형품 형상의 입체형상으로 되도록 프리프레그를 적층, 부형하고, 이것을 프레스하는 종래의 방법에서는, 프리폼의 제조에 많은 시간과 비용을 요하는 과제가 있다.

또한, 적층체보다 치수가 작은 워크홀더에 의해 적층체의 주연부 부근을 협지하면서, 상기 적층체를 워크홀더로부터 금형으로 끌어들이면서 요철형상으로 부형하는 종래의 방법에서는, 끌어들임에 따라 실제로 협지되는 부분이 최초에 협지하고 있었던 부분으로부터 어긋나 가게 된다. 그 때문에, 적층체 주연부에서 주름이나 섬유의 흐트러짐을 발생시켜서 기계특성이 저하하는 과제나, 협지부 밖이 버가 되어 후가공에 시간이 걸리는 과제가 있었다. 또한, 이 방법을 성형품의 제조에 응용했을 경우, 워크홀더 외주가 개방되어 있기 때문에 프레스 성형시의 압력에 의해 재료가 워크홀더 외주로 유출되어 버려, 기계특성이나 표면외관이 우수한 성형품을 얻을 수 없는 과제가 있었다.

따라서 종래 기술에서는, 가령 형상으로의 추종성이 우수한 재료를 사용하면서 성형 조건을 조정하더라도, 생산효율과 기계특성을 양립시키면서 섬유의 흐트러짐이나 버가 적은 성형품을 얻는 것은 매우 곤란했다.

그래서 본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점에 착안하여, 후육부이나 돌기 등의 두께 변화를 갖는 입체형상을 프레스 성형으로 얻을 경우에도, 기계특성이나 캐비티에의 충전성이 뛰어나고, 미충전이나 수지의 미함침과 같은 문제를 회피하면서, 버의 저감에 유효한 섬유 강화 수지의 제조 방법 및 상기 방법에 의해 제조한 성형품을 제공하는 것에 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하고자 하는 것이며, 이하 중 어느 하나의 구성을 갖는다.

(1) 강화 섬유가 열경화성 수지로 이루어지는 프리프레그의 프리폼을 프레스 성형하는 섬유 강화 수지의 제조 방법으로서,

(a) 프리폼을 제작하는 프리폼 제작 공정과,

(b) 상기 프리폼을 금형에 배치함과 아울러 예열하는 배치·예열 공정과,

(c) 상기 프리폼을 제품형상으로 변형시키는 프레스 공정과,

(d) 상기 프리폼을 가압하면서 경화시키는 경화 공정을 포함하고,

상기 (c)의 프레스 공정의 개시 시점에 있어서, 상기 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)가 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 큰 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.

(2) 강화 섬유가 열경화성 수지로 이루어지는 프리프레그의 프리폼을 프레스 성형하는 섬유 강화 수지의 제조 방법으로서,

(a) 프리폼을 제작하는 프리폼 제작 공정과,

(c) 상기 프리폼을 제품형상으로 변형시키는 프레스 공정과,

상기 (c)의 프레스 공정의 직전에 있어서, 상기 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)를 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.

(3) 상기 (a)의 프리폼 제작 공정에 있어서, 상기 프리폼의 특정부에 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역보다 열경화성 수지의 경화도가 큰 프리프레그를 사용하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 섬유 강화 수지의 제조 방법.

(4) 상기 (b)의 배치·예열 공정에 있어서, 상기 프리폼의 특정부를 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역보다 높은 온도에서 예열하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(3) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 수지의 제조 방법.

(5) 상기 금형의 상기 프리폼의 특정부에 대응하는 위치에 볼록부를 형성하고, 상기 (b)의 배치·예열 공정에 있어서 상기 프리폼의 특정부를 상기 볼록부에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(4) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 수지의 제조 방법.

(6) 상기 볼록부가 입벽형상인 것을 특징으로 하는 상기 (5)에 기재된 섬유 강화 수지의 제조 방법.

(7) 상기 특정부가 상기 프리폼의 주연부인 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(6) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 수지의 제조 방법.

(8) 평면 상태의 면적이 상기 금형의 캐비티의 투영면적 이상인 프리폼을 사용하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 섬유 강화 수지의 제조 방법.

본 발명에 따른 섬유 강화 수지의 제조 방법에 의하면, 프리폼의 특정부의 수지의 경화도가 커서 특정부에 있어서 재료 유동이 억제된다. 그 때문에, 입체형상, 특히 후육부이나 돌기 등의 두께 변화를 갖는 형상의 섬유 강화 수지를 얻을 경우에도, 프레스 성형의 압력에 의해 프리폼을 용이하게 변형시키면서 섬유의 흐트러짐이나 버의 저감이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제조 공정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 있어서의 프리폼의 특정부의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 의해 얻어지는 섬유 강화 수지의 일례를 나타내는 도면이며, 두께 변화나 요철 변화를 갖는 섬유 강화 수지의 도면이다.
도 4는 실시예에서 사용한 금형(a), 및 상기 금형의 캐비티(b)의 형상을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 있어서의 프리폼의 예를 나타내는 도면이다.

본 발명은 강화 섬유와 열경화성 수지에 의한 프리프레그를 프레스 성형했을 경우라도 섬유의 흐트러짐이나 버를 발생시키기 어렵고, 또한 기계특성이나 표면 개관이 우수한 성형품이 얻어지는 제조 방법 및 성형품에 관한 것으로서, 이하에, 본 발명의 실시형태의 상세를 설명한다.

[제조 공정]

본 발명에 따른 구체적인 제조 방법은,

(a) 프리폼을 제작하는 프리폼 제작 공정과,

(c) 상기 프리폼을 제품형상으로 변형시키는 프레스 공정과,

(d) 상기 프리폼을 가압하면서 경화시키는 경화 공정

을 포함하고, 상기 (c)의 프레스 공정의 직전에 있어서, 상기 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)를 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 크게 하는 것이다. 여기에서, 상기 (c)의 프레스 공정의 직전에 있어서 열경화성 수지의 경화도(αe, αi)의 관계를 상술한 바와 같이 한다고 하는 것은, 상기 (c)의 프레스 공정의 개시 시점에 있어서, 상기 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)가 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 큰 상태이면 좋다고 하는 것이다.

이하, 도면을 사용하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제조 공정의 일례를 나타내는 도면이다.

우선, 예를 들면 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 프리폼 제작 공정이 실시된다. 커터나 가위, 자동재단기에 의해 프리프레그(1)를 소정 형상으로 재단하고, 적층함으로써 프리폼(2)이 제작된다. 프리폼(2)은 전체를 버그필름 등으로 덮은 후에 진공 처리에 의해 프리프레그끼리를 밀착시키는 것이 바람직하다. 또, 여기에서는 복수매의 프리프레그(1)를 적층해서 프리폼(2)을 제작하고 있지만, 본 발명에 있어서는 반드시 적층체로 할 필요는 없고, 프리프레그(1)층으로 프리폼으로 해도 된다.

성형품 전구체에 상당하는 프리폼(2)을 제작한 뒤, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 배치·예열 공정이 실시된다. 금형(한쪽의 형(3), 다른쪽의 형(4))을 열경화성 수지의 경화 온도 이상까지 온도조절한 후, 다른쪽의 금형(4)의 캐비티(5)에 프리폼(2)을 배치한다. 프리폼(2)을 다른쪽의 금형(4)에 배치한 순간부터, 상기 프리폼의 예열이 개시되어 열경화성 수지가 경화 반응을 개시한다. 이어서 한쪽의 금형(3)을 소정 위치까지 닫고, 프리폼을 소정 시간 예열한다. 또, 한쪽의 형(3)과 다른쪽의 형(4)은 위치 관계를 반대로, 한쪽의 형(3)에 프리폼(2)을 배치하도록 해도 조금도 지장이 없다.

배치·예열 공정에 계속하여, 또는 동시에, 도 1(c)에 나타낸 바와 같이 프레스 공정이 실시된다. 프리폼(2)이 한쪽의 금형(3)과 다른쪽 금형(4)에 의해 가압됨으로써 제품형상인 캐비티 형상으로 변형시켜진다. 프리폼(2)은 금형의 밖으로는 거의 유출되지 않고 가압되고, 캐비티(5)의 거의 전부를 채우게 된다.

또한 계속하여, 도 1(d)에 나타낸 바와 같이 경화 공정이 실시된다. 캐비티 형상으로 변형된 프리폼을 가압하면서 유지하고, 열경화성 수지를 경화시켜 성형품(7)을 얻는다.

계속해서, 각 공정에 대해서 상세하게 설명한다.

[(a) 프리폼 제작 공정]

프리폼 제작 공정에서는, 예를 들면 재단된 프리프레그를 적층함으로써 프리폼이 제작된다. 프리프레그(1)층만으로 프리폼으로 해도 된다. 또한, 프리폼은 평판 형상의 프리프레그를 그대로 배치할 뿐만 아니라, 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 롤 형상으로 하거나, 폴딩하거나, 또한 그것들을 조합시키도록 해서 구성해도 좋다. 본 발명에서 사용되는 프리프레그는 강화 섬유와 열경화성 수지로 구성된다.

(강화 섬유)

프리프레그에 사용되는 강화 섬유의 형태로서는, 예를 들면 연속 섬유를 사용할 수 있다. 강화 섬유로서 연속 섬유를 사용한 프리프레그에 의한 프리폼은, 그 성형품이 부하에 노출되었을 때에 섬유가 가지는 강도를 이용하기 쉽기 때문에, 고강도인 구성으로서 예시할 수 있다. 연속 섬유를 사용한 프리프레그로서는, 그 연속 섬유가 같은 방향으로 늘어선 일방향 프리프레그나, 연속 섬유가 짜여진 형태의 직물 프리프레그, 또는 연속 섬유가 뜨여진 블레이딩에 수지를 함침한 구성을 예시할 수 있다.

강화 섬유로서 연속 섬유를 사용한 프리프레그에 절개를 부분적으로 삽입하고(즉 연속 섬유를 가로지르도록 복수의 절개를 넣고), 절개 삽입 프리프레그로서 사용할 수도 있다. 기계특성의 관점으로부터는, 일방향 프리프레그에 절개를 삽입하여 절개 삽입 프리프레그로서 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 절개 삽입 프리프레그는 강화 섬유를 연속 섬유로 한 것만의, 절개가 들어가 있지 않은 통상의 프리프레그와 병용해서 프리폼에 사용할 수 있다.

절개 삽입 프리프레그를 프리폼에 사용하는 것은 본 발명의 바람직한 형태의 하나로서 예시할 수 있다. 이 프리프레그에 의하면, 절개 삽입 개소에 개구나 어긋남이 생기기 쉬워져, 프리프레그의 강화 섬유 방향으로의 신장성이 향상된다. 또한, 압축 성형시의 유동으로 절개 삽입 개소가 개방되어 강화 섬유의 섬유다발끼리가 이반함으로써 프리프레그로서 유연성을 나타내게 되어 유동성이 높아진다. 이와 같이 하여 프리프레그를 유동할 수 있는 구성으로 함으로써, 성형품 단부에까지 강화 섬유가 도달한다. 그 결과, 수지 과다로 되는 영역이 줄어들고, 기계특성과 외관이 우수한 성형품을 얻을 수 있다. 또, 유동성의 점으로부터 상기 절개 삽입 개소의 절단면은 프리프레그의 두께 방향으로 관통하고 있는 것(즉 상기 절개가 프리프레그의 두께 방향에 걸쳐서 전역에 들어가 있는 것)이 바람직하다

절개 삽입 프리프레그가 포함하는 절단된 강화 섬유의 길이(즉 절개에 의해서 절단된 강화 섬유의 길이)는, 바람직하게는 3㎜ 이상 100㎜ 이하이며, 보다 바람직하게는 5㎜ 이상 75㎜ 이하이며, 더 바람직하게는 10㎜ 이상 50㎜ 이하이다. 강화 섬유의 길이를 상기 바람직한 범위의 하한값 이상으로 함으로써 성형품은 충분한 기계특성을 발현한다. 한편, 강화 섬유의 길이를 상기 바람직한 범위의 상한값 이하로 함으로써 프리폼은 성형시에 충분한 유동성을 얻을 수 있다.

절개 삽입 개소의 절단 길이(절개 깊이)는 절개 방향과 프리프레그의 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각에 따라 다르지만, 프리프레그의 강화 섬유의 섬유 직교 방향으로의 투영 길이로서, 바람직하게는 0.05㎜ 이상 25㎜ 이하이며, 보다 바람직하게는 0.1㎜ 이상 10㎜ 이하이며, 더 바람직하게는 0.15㎜ 이상 5㎜ 이하이다. 절단 길이를 상기 바람직한 범위의 하한값 이상으로 함으로써 절개 삽입 개소의 개방량이 커지고, 프리폼은 충분한 유동성을 발현한다. 한편, 절단 길이를 상기 바람직한 범위의 상한값 이하로 함으로써 절개 삽입 개소의 개방이 억제되어, 외관품위나 기계특성이 우수한 성형품을 얻을 수 있다.

프리프레그로서 바람직한 강화 섬유의 체적 함유율은, 바람직하게는 40% 이상 80% 미만이며, 보다 바람직하게는 45% 이상 75% 미만이며, 더 바람직하게는 50% 이상 70% 미만이다. 상술한 바와 같이, 일방향 프리프레그나 절개 삽입 프리프레그는 강화 섬유의 충전 효율이 뛰어나기 때문에, 강화 섬유의 보강 효과를 끌어내는데 적합하며, 성형품의 강성을 개선하는 점에서 효과적이다.

프리프레그에 포함되는 강화 섬유의 양은, 시트 형상물로 했을 경우에 있어서의 강화 섬유의 단위면적당 무게량(g/㎡)으로서, 50gsm 이상 1000gsm 미만인 것이 바람직하다. 강화 섬유다발에 열경화성 수지를 함침한 소편 또는 촙드 섬유다발을 전구체로 하는 프리프레그에 있어서는, 단위면적당 무게량이 지나치게 작으면 프리프레그의 면내에 강화 섬유가 존재하지 않는 공공을 발생시킬 경우가 있다. 단위면적당 무게를 상기 바람직한 범위의 하한값 이상으로 함으로써 섬유 강화 수지에 있어서 약부로 되는 공공을 배제할 수 있게 된다. 또한, 단위면적당 무게가 상기 바람직한 범위의 상한 미만이면, 성형의 예열에 있어서 내부에 열을 균일하게 전할 수 있게 된다. 단위면적당 무게는 구조로서의 균일성과 전열의 균일성을 양립시키는 점에서, 보다 바람직하게는 100gsm 이상 600gsm 미만이며, 더 바람직하게는 150gsm 이상 400gsm 미만이다. 강화 섬유의 단위면적당 무게량의 측정은 강화 섬유의 시트 형상물로부터 10㎝×10㎝의 영역을 잘라내고, 그 질량을 측정하고, 면적으로 나눔으로써 실시한다. 측정은 강화 섬유의 시트 형상물의 다른 부위에 대해서 10회 행하고, 그 평균값을 강화 섬유의 단위면적당 무게량으로서 채용한다.

프리프레그로서 열경화성 수지가 강화 섬유에 미함침인 부위를 포함한 프리프레그를 사용할 수도 있다. 여기에서 미함침의 부위란, 강화 섬유의 표면에 열경화성 수지가 부착되어 있지 않은 부위이다. 프리프레그에 있어서의 수지 미함침의 부위는 프레스 성형 등의 압축성형을 거침으로써 다른 부위로부터 유동해 오는 열경화성 수지가 함침하고, 건전한 부위로서 소망의 특성을 발현할 수 있다.

프리프레그에 사용되는 강화 섬유로서는, 예를 들면 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 붕소 섬유, 금속 섬유, 천연 섬유, 및 광물 섬유 등을 사용할 수 있고, 이것들은 1종 또는 2종 이상을 병용할 수 있다. 그 중에서도, 비강도와 비강성이 높고 경량화 효과의 관점으로부터, PAN계, 피치계 및 레이온계 등의 탄소 섬유가 바람직하게 사용된다. 또한, 얻어지는 성형품의 도전성을 높인다고 하는 관점으로부터, 니켈이나 구리나 이테르븀 등의 금속을 피복한 강화 섬유를 사용할 수도 있다.

(열경화성 수지)

프리프레그에 사용되는 열경화성 수지로서는, 예를 들면 불포화 폴리에스테르, 비닐에스테르, 에폭시, 페놀, 우레아·멜라민, 말레이미드 및 폴리이미드 등의 수지, 이것들의 공중합체, 변성체, 및, 이것들의 적어도 2종류를 블렌드한 수지를 들 수 있다. 그 중에서도, 얻어지는 성형품의 역학 특성의 관점으로부터 에폭시 수지가 바람직하게 사용된다. 또한, 프리프레그는 (c) 프레스 공정과 (d) 경화 공정에서 경화시키기 위해서, 사용하는 열경화성 수지의 미경화 상태의 유리전이온도는 80℃ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 70℃ 이하이며, 더 바람직하게는 60℃ 이하이다.

열경화성 수지의 경화도의 측정은, 예를 들면 시차 주사 열량계를 이용하여 반응 전후의 발열량을 비교함으로써 측정할 수 있다. 즉, 열경화성 수지의 경화도가 0%인 프리프레그의 발열량을 H0(J), 측정하는 프리프레그의 발열량을 H1(J)로 하면, 경화도 α(%)는 다음 식으로 구할 수 있다.

α={(H0-H1)/H0}×100

(프리폼의 구성)

본 발명에 있어서는, 소망 형상으로 재단된 프리프레그를 단체로 사용하거나, 복수의 프리프레그를 적층하거나, 상기 프리프레그의 적층체를 복수 조합시킴으로써 제품형상에 적합한 프리폼을 제작하고, 성형에 사용할 수 있다. 또한, 프리폼으로서 복수의 분할된 프리폼을 사용하는 것, 즉, 소망하는 제품형상을 복수의 프리폼으로 구성할 수 있다.

프리프레그의 적층체 등 프리폼은 삼차원 형상으로 미리 부형되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 프리폼을 사용하면, 금형 캐비티의 형상에 가까운 형상으로 되기 때문에, 프리프레그의 적층체 등 프리폼의 프레스 성형 중의 유동이 억제되어, 상기 프리폼이 포함하는 강화 섬유의 흐트러짐을 억제할 수 있고, 기계특성이 우수한 성형품을 얻을 수 있다. 또한, 이러한 프리폼을 사용하면 프리폼의 형상이 성형품의 형상과 가까운 형상이기 때문에, 금형 캐비티에의 프리폼의 배치가 용이해진다.

프리폼의 체적은 제품형상에 가까운 것을 사용하는 것이 바람직하다. 프리폼의 체적을, 얻어지는 성형품의 체적의 100% 이상 120% 이하로 하는 것이 바람직하다. 100% 이상으로 함으로써 프리폼에 충분한 성형 압력을 부여할 수 있다. 한편, 120% 이하로 함으로써 제품형상 밖으로의 재료 유출을 억제할 수 있어 재료 수율이 향상된다.

프리폼의 두께는 어느 영역이나 제품형상의 80% 이상 200% 이하로 하는 것이 바람직하고, 예를 들면 80% 이상 100 미만의 영역과 100% 이상 200% 이하의 영역을 형성하는 등, 면내에서 분포를 갖게 하는 것이 바람직하다. 부분적으로 80% 이상 100% 미만의 영역을 형성함으로써, 프리폼의 체적을 100% 이상 120% 이하로 유지하면서, 두께가 100% 이상 200% 이하인 영역을 형성할 수 있다. 두께가 100% 이상 200% 이하인 영역은, 배치·예열 공정에 있어서 다른 영역(두께가 얇은 영역)보다 먼저 한쪽의 금형과 다른쪽 금형의 양쪽에 동시에 접촉하기 때문에, 다른 영역보다 수지의 경화 반응이 촉진된다. 그 결과, 재료 유동이 억제됨으로써 섬유의 흐트러짐이 억제됨과 아울러 버를 저감할 수 있다.

프리폼의 평면 상태의 면적을 금형 캐비티의 투영면적 이상으로 하는 것도 바람직한 형태이다. 또, 「평면 상태의 면적」이란 프리폼을 금형에 배치하는 것이 아니라, 단지 그대로 평면에 배치했을 때의, 프리폼 두께 방향으로의 투영면적을 말한다. 예를 들면, 도 5에 나타내는 바와 같은 프리폼을 사용하는 경우에는, 도 5에 나타내는 형태인 채로의 지면(紙面) 상하 방향으로 투영한 면적이, 「평면 상태의 면적」이 된다. 또한, 금형 캐비티의 투영면적의 투영 방향은 형 개방 방향이다. 상기 구성의 경우, 예를 들면 특정부로서 프리폼 외주 전체를 프리폼 중앙부(특정부 이외의 영역)에 앞서서 금형에 접촉시킬 수 있다. 이 구성은, 금형이 캐비티 외주에 입벽을 가질 경우에 특히 유효하다.

프리폼은 평판 형상의 프리프레그를 그대로 배치할 뿐만 아니라, 도 5에 나타내는 바와 같이, 롤 형상으로 하거나, 폴딩하거나, 또한 그것들을 조합시키도록 해서 구성해도 좋다. 예를 들면, 프리프레그의 적층체와 러프 형상의 프리폼 요소(프리프레그)를 조합시켜서 프리폼으로 하는 것도 바람직한 형태의 예이다. 러프 형상의 프리폼 요소란, 예를 들면 프리프레그를 감아올린 권취물 구조로 하거나(도 5(a)), 프리프레그를 폴딩한 폴딩 구조로 하거나(도 5(b)), 그들 구조로부터 일부를 뽑아 냄으로써 선상으로 변형시킨 구조인 것을 말한다. 러프 형상의 프리폼 요소를 사용함으로써 프리프레그의 적층에 걸리는 시간을 생략할 수 있다.

프리프레그의 적층체와 러프 형상의 프리폼 요소가 고착되어 있는 것도 바람직한 형태의 예이다. 이러한 구성에서는, 프리폼의 반송이나 금형 캐비티로의 프리폼의 배치 공정에 있어서 적절한 핸들링성이 갖추어지는 것 외에, 프리프레그와 러프 형상의 프리폼 요소의 상대적인 위치 관계가 공정간에 걸쳐 유지되게 된다. 금형 캐비티에 있어서의 부위마다의 챠지율이 적정화됨으로써 성형품의 수율의 향상에 효과를 초래한다.

고착의 방법으로서는, 프리프레그의 점착성을 이용해서 압박에 의해 고착하는 방법이나, 진동 용착이나 초음파 용착 등을 이용하여 고착하는 방법을 예시할 수 있다.

그리고, 본 발명에 있어서는 프레스 공정의 개시 시점에 있어서, 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)가 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 큰 상태로 되도록 한다. 그 때문에, 프리폼의 특정부에는 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역보다 열경화성 수지의 경화도가 큰 프리프레그를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에서는, (c) 프레스 공정에 있어서 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)(%)가 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)(%)보다 커지기 때문에, 특정부에 있어서는 재료 유동을 억제함으로써 섬유의 흐트러짐을 억제하면서, 특정부 이외에서는 충분한 재료 유동에 의해 복잡 형상으로의 추종이 가능해지고, 기계특성과 제품 외관이 우수한 성형품을 얻을 수 있다.

프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)(%)는 프레스 공정의 개시 시점에 있어서 0.5% 이상 30% 이하인 것이 바람직하다. 경화도(αi)가 지나치게 작으면 핸들링시에 프리폼이 용이하게 변형해 버려, 금형으로의 배치 정밀도가 저하할 가능성이 있다. 경화도(αi)를 상기 바람직한 범위의 하한값 이상으로 함으로써 프리폼의 배치 정밀도가 향상한다. 한편, 경화도(αi)가 지나치게 크면 프레스 성형의 성형 압력에 의해 프리폼의 유동이 생기기 전에 열경화성 수지가 겔화해 버려, 충분한 유동성을 얻을 수 없을 경우가 있다. 경화도(αi)를 상기 바람직한 범위의 상한값 이하로 함으로써 프리폼은 성형시에 충분한 유동성을 얻을 수 있게 된다.

얻어지는 성형품의 의장성을 개선하는 관점으로부터, 프리폼의 표면에는 가식 필름, 투명 필름 및 색조 필름으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 접착하는 것이 바람직하다. 여기에서, 가식 필름으로서는 그 필름 표면에 의장 및/또는 기하학적 문양을 갖고 있는 것이 바람직하다. 또한, 투명 필름으로서는 그 필름의 가시광선의 투과율이 80∼100%인 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 색조 필름으로서는 유기계 및/또는 무기계의 안료나 착색제를 함유하는 것이 바람직하다. 기타, 필요에 따라, 광택 필름, 프린트 필름, 대전방지 필름, 차광 필름, 및 내열 필름 등을 사용할 수 있다.

(프리폼의 특정부 및 상기 특정부 이외의 영역)

상술의 프리폼의 특정부의 예를 도 2(a)∼(d)에 나타낸다. 프리폼의 특정부는 섬유의 흐트러짐을 억제해서 제품의 기계특성을 향상시키는 관점으로부터, 제품 사용시에 큰 하중이나 변형이 발생하는 영역인 것이 바람직하다.

또한, 프리폼의 특정부는 섬유의 흐트러짐을 억제해서 제품의 외관을 향상시키는 관점으로부터, 제품 사용시에 외부에 노출되는 영역인 것이 바람직하다.

또한, 프리폼의 특정부는 재료 유동을 억제해서 버를 억제하는 관점으로부터, 프리폼의 주연부인 것이 바람직하다. 이러한 구성에 있어서, 프리폼의 주연부는 실질적으로 제품형상의 주연부로 되지만, 주연부 전체를 상기 프레스 공정의 개시 시점에 열경화성 수지의 경화도가 다른 것보다 큰 특정부로 할 필요는 없고, 필요에 따라서 불연속으로 복수의 특정부를 설정 가능하다. 프레스 공정의 개시 시점에서 프리폼의 주연부의 열경화성 수지의 경화도를 다른 영역보다 크게 해 둠으로써, 한창 프레스 공정 중에 있어서도 프리폼의 주연부는 다른 영역보다 경화도가 커져 재료 유동이 억제되어서 버가 저감된다. 한편, 프리폼의 특정부 이외의 영역은 주연부에 비해서 경화도가 작고, 재료 유동이 억제되어 있지 않아 복잡한 형상으로 추종할 수 있다. 여기에서 주연부란, 형상의 외주여도 좋고, 후가공에 의해 구멍 형성, 트림 가공되는 형상 내부의 닫힌 둘레 형상의 영역이여도 좋다.

프리폼의 특정부 이외의 영역은 소망의 제품형상을 성형하기 위해서 프리폼의 특정부보다 프리폼의 유동이나 신장이 필요한 개소를 말하고, 프리폼의 특정부 이외의 영역을 가리킨다. 예를 들면 프리폼의 특정부로서 버를 억제하기 위해서 프리폼의 주연부를 특정부로서 선택한 경우에는, 프리폼의 주연부에 둘러싸여진 내부의 영역이 상기 특정부 이외의 영역이 되고, 특정부로서 제품 주요부의 외관이나 기계특성을 향상시키는 관점으로부터 프리폼의 내부를 특정부로서 선택한 경우에는, 프리폼의 특정부 이외의 영역은 프리폼의 주연부가 된다.

[(b) 배치·예열 공정]

(b) 배치·예열 공정은, 기본적으로, 프리폼을 한쪽의 금형에 배치해서 상기 프리폼의 가열을 개시하고나서 다른쪽 금형이 프리폼에 접촉할 때까지의 공정이다. 프리폼은 한쪽의 금형의 캐비티에 배치됨과 아울러 예열된다.

(금형)

본 발명에 사용하는 금형은 프리폼을 고온 고압 하에서 경화시키는 것이 가능한 금형이면 되고, 적어도 한쪽의 형과 다른쪽의 형의 2개의 금형(상형·하형 또는 수형·암형)으로 이루어진다. 각각의 금형은 분할 구조나 네스팅 구조를 가질 수 있다. 적어도 한쪽의 형과 다른쪽의 형의 2개의 금형 사이에는, 제품형상을 포함하는 캐비티가 설치된다. 금형은 전기 히터나 열매에 의해 온도 조절되고, 캐비티가 성형 온도로 가열된다.

2개의 금형에는 닫았을 때에 상기 금형의 내부를 기밀하게 유지하는 것이 가능한 구조를 갖는 금형을 사용하는 것이 바람직하다. 여기에서, 기밀이란 금형을 채우기에 충분한 양의 프리폼을 금형 내에 넣고, 가압했을 때에도, 프리폼을 구성하는 에폭시 수지가 금형으로부터 실질적으로 새어나가지 않는 것을 말한다. 내부를 기밀하게 유지하는 금형으로서는, 금형을 조였을 때에 한쪽의 형과 다른쪽의 형이 접촉하는 부분에 전단 에지 구조나 고무 시일 구조를 채용한 금형을 들 수 있다. 또한, 금형의 내부를 기밀하게 유지하는 것이면 어떠한 구조를 채용한 금형이라도 된다.

그리고, 본 발명에 있어서는 프레스 공정의 개시 시점에 있어서, 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)가 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 큰 상태로 되도록 하지만, 그 때문에, 본 발명에 사용하는 금형에는 프리폼의 특정부에 대응하는 위치에 볼록부가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성으로 함으로써, 프리폼의 특정부가 다른 영역보다 먼저 금형에 접촉해 예열 중에 다른 영역보다 가열되기 쉬워지기 때문에, 특정부의 경화도가 그 밖의 영역에 비해서 커지고, 프레스 공정에 있어서 재료 유동이 억제되어 섬유의 흐트러짐을 저감할 수 있다.

상기 볼록부는 입벽형상이어도 좋다. 볼록부가 입벽형상일 경우, 제품형상의 주연부에 대응하는 위치에 형성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 배치·예열 공정에 있어서 프리폼의 주연부가 볼록부에 접촉하기 때문에, 주연부의 경화도가 커지고, 프레스 공정에 있어서 재료 유동이 억제되어 버를 저감할 수 있다.

또한, 같은 관점으로부터, 본 발명에 사용하는 금형은 프리폼의 특정부에 대응하는 위치가 다른 부위보다 고온인 것이 바람직하다. 예를 들면 금형의 특정부를 네스팅 구조로 하고, 네스트를 다른 부위보다 고온으로 되도록 전기 히터나 열매에 의해 가열하면, 프리폼의 특정부가 다른 영역보다 고온에서 가열되기 때문에, 프레스 공정의 개시 시점에 있어서 특정부의 경화도가 다른 영역보다 커진다.

배치·예열 공정에 있어서의 금형의 온도는, 사용하는 열경화성 수지에도 의하지만, 100℃ 이상 220℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다. 금형의 예열온도가 100℃ 이상이면, 충분하게 수지의 경화 반응을 일으킬 수 있고, 높은 생산성으로 성형품을 얻을 수 있다. 또한, 상기 온도가 220℃ 미만이면, 수지의 축열에 의한 과잉반응에 의해 생기는 가스의 발생을 억제할 수 있고, 성형품의 미충전이나 보이드의 발생을 막을 수 있다.

(배치 방법)

프리폼은 상기 한쪽의 형의 캐비티에, 손 또는 지그, 또는 자동기에 의해 배치된다.

프리폼은 특정부가 금형에 접촉하도록 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들면 평면 상태의 면적이 금형 캐비티의 투영면적 이상인 프리폼을 사용하는 경우에는, 프리폼을 필요에 따라서 절곡하면서 배치하여 특정부를 금형에 접촉시키고, 그 밖의 영역을 금형에 접촉시키지 않는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 특정부의 경화도가 그 밖의 영역에 비해서 커지고, 프레스 공정에 있어서 재료 유동이 억제되어 섬유의 흐트러짐을 저감할 수 있다.

또한, 복수의 분할 프리폼을 사용하는 경우에는, 특정부에 위치하는 분할 프리폼을 다른 분할 프리폼에 선행해서 배치함으로써 특정부의 경화도가 그 밖의 영역에 비해서 커지고, 프레스 공정에 있어서 재료 유동이 억제되어 섬유의 흐트러짐을 저감할 수 있다.

(예열 방법)

프리폼은 한쪽의 금형에 배치한 순간부터 예열되기 시작하고, 열경화성 수지가 경화 반응을 개시한다. 이어서 다른쪽의 형을 소정 위치까지 닫고, 프리폼을 소정 시간 예열한다.

상기 프리폼의 특정부는 상술의 금형을 사용한 방법이나 상술의 배치 방법에 의해, 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역보다 장시간 또는 높은 온도에서 예열하는 것이 바람직하다.

상기 소정 위치는 0㎜ 이상 100㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 0㎜ 이상 10㎜ 이하이다. 0㎜ 이상으로 함으로써 금형의 프리폼으로의 접촉을 최소한으로 억제할 수 있고, 프리폼의 위치 어긋남이나 섬유의 흐트러짐을 억제할 수 있다. 100㎜ 이하로 함으로써 금형 밖의 분위기에 의한 프리폼의 냉각을 억제하고, 프리폼을 충분하게 예열할 수 있다. 또, 상기 소정 위치란 최종적인 형체결 완료시의, 한쪽의 금형과 다른쪽의 형의 상대적인 위치 관계를 0㎜로 하고, 그 위치 관계와의 차를 나타내는 값이다.

상기 소정 위치에 있어서의 예열 시간은 0초 이상 30분 이하로 하는 것이 바람직하다. 프리폼의 배치 시간에도 의하지만, 반응이 빠른 수지를 사용하는 경우에는, 예열 공정의 시간을 0초로 해도 된다.

예열에 의해, 프레스 공정 직전(즉 프레스 공정 개시시)의 수지의 점도를 10㎩·s 이상 1000㎩·s 이하로 하는 것이 바람직하다. 수지 점도가 지나치게 작으면 프리프레그의 수지만이 프리프레그로부터 스며나오도록 유동하지만, 점도를 10㎩·s 이상으로 함으로써 강화 섬유도 수지와 함께 유동시킬 수 있어 성형품의 기계특성이나 외관이 향상된다. 한편, 수지 점도가 지나치게 크면 프리폼이 제품형상에 추종하기 어려울 경우나, 강화 섬유 전체에 수지가 함침되지 않아 성형품 표면외관이 손상될 경우가 있다. 점도를 1000㎩·s 이하로 함으로써 프리폼이 제품형상에 추종하고, 강화 섬유 전체에 수지가 함침된다.

[(c) 프레스 공정]

프레스 공정은 프리폼을 금형에서 변형시키는 공정이며, 예열·배치 공정이 종료하고나서 프리폼이 제품형상에 추종할 때까지의 공정이다.

프레스의 형체결 속도는, 지나치게 느리면 형체결 완료 전에 수지 점도가 상승해서 프리폼이 제품형상에 추종할 수 없게 되고, 지나치게 빠르면 재료가 금형 밖으로 튀어나올 경우가 있을 뿐만 아니라, 금형이나 장치에 충격력이 가해져 고장의 원인이 된다. 이 관점으로부터, 형체결 속도는 0.2㎜/s 이상 50㎜/s 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.5㎜/s 이상 25㎜/s 이하로 하는 것이 더욱 바람직하고, 1.2㎜/s 이상 12㎜/s 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

성형 압력은 프레스 하중을 캐비티의 형체결 방향의 투영면적으로 나눔으로써 구해진다. 성형 압력은 지나치게 작으면 프리폼이 제품형상에 충분히 추종하지 않고, 지나치게 크면 성형 장치가 대규모인 것으로 되어 생산성이 저하하기 때문에, 게이지 압력으로 0.1㎫ 이상 30㎫로 하는 것이 바람직하다.

[(d) 경화 공정]

경화 공정은 프리폼이 제품형상에 추종하고나서 열경화성 수지의 경화가 완료할 때까지의 공정을 말한다. 경화 공정에 있어서 프리폼은 실질적으로 유동하지 않고, 상기 특정부의 섬유 흐트러짐이나 버가 억제된 상태에서 열경화성 수지가 경화되어 성형품으로 된다.

경화 공정에 계속하여, 금형을 열고 성형품을 탈형한다. 탈형된 성형품은 필요에 따라서 트림 가공이나 구멍 형성 가공 등의 후가공이 실시되어, 최종 제품형상으로 된다.

이상과 같이, 본 발명에 있어서는 프레스 공정의 개시 시점에 있어서, 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)가 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 큰 상태로 되도록 함으로써, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같은 후육부나 돌기 등의 두께 변화를 갖는 입체형상을 프레스 성형으로 얻을 경우에도, 기계특성이나 캐비티에의 충전성이 뛰어나, 미충전이나 수지의 미함침과 같은 문제를 회피하면서 버도 저감할 수 있다. 또, 이러한 경화도로 하기 위해서는, (i) 상기 특정부에 상기 특정부 이외의 영역보다 열경화성 수지의 경화도가 큰 프리프레그를 사용하거나, (ii) 상기 특정부를 상기 특정부 이외의 영역보다 높은 온도에서 예열하거나, (iii) 상기 특정부를 상기 특정부 이외의 영역보다 장시간 예열하거나, (iv) 상기 특정부를 상기 특정부 이외의 영역보다 보다 많은 열을 부여해서 예열하거나 하면 좋지만, 이것들은 단독으로 채용해도, 2가지 이상을 동시에 채용해도 좋다.

(실시예)

다음에, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 실시예에서 사용한 평가 방법은 다음과 같다.

(1) 프리폼의 치수:

프리폼을 구성하는 프리프레그의 두께, 폭, 길이에 대해서, 노기스를 이용하여 1㎜ 단위로 측정했다.

(2) 프리폼의 경화도:

프리폼을 구성하는 프리프레그 적층체의, 특정부와 특정부 이외의 영역으로부터 각각 20mg의 시료를 잘라내고, 시차 주사 열량계를 이용하여 각각의 발열량 H1(J)을 측정했다. 이어서, 열경화성 수지의 경화도가 0%인 프리프레그의 발열량 H0(J)을 측정하고, 경화도 α(%)를 다음 식으로 구했다.

α={(H0-H1)/H0}×100

(3) 성형품의 충전성:

도 4에 나타내는 캐비티를 갖는 금형을 이용하여 프리폼의 프레스 성형을 실시했다. 성형품의 충전은 성형품 단부의 단면을 연마 관찰해서 다음 기준으로 평가했다. A와 B을 합격으로 했다.

A: 성형품에 충전 불량에 의한 깨짐이 보이지 않고, 또한, 성형품의 단부에 있어서 섬유 강화와 열경화성 수지가 함께 존재한다.

B: 성형품에 충전 불량에 의한 깨짐이 보이지 않지만, 성형품의 단부에 있어서 열경화성 수지밖에 존재하지 않는다.

C: 성형품에 충전 불량에 의한 깨짐이 보인다.

(4) 성형품의 표면 개관:

성형품의 표면 개관은 특정부에 있어서 육안에 의한 요철이나 섬유 흐트러짐이 보이지 않는 것을 A, 요철이나 섬유 흐트러짐을 확인할 수 있는 것을 C로서 판별했다. 표면에 성형 불량에 기인하는 황변이나 수지 리치에 의한 요철이 생긴 것에 대해서도 C로 분류했다. 여기에서 A를 합격으로 했다.

(5) 성형품의 버:

성형품의 버를 다음 기준으로 평가했다. A를 합격으로 했다.

A: 성형품에 충전 불량에 의한 깨짐이 보이지 않고, 또한, 프리폼의 특정부에 있어서 캐비티 형상 외부에 생긴 버의 중량 W2(g)가 제품 중량 W3(g)의 1% 미만이다.

C: 성형품에 충전 불량에 의한 깨짐이 보이거나, 또는, 프리폼의 특정부에 있어서 캐비티 형상 외부에 생긴 버의 중량 W2(g)가 제품 중량 W3(g)의 1% 이상이다.

특정부에 생긴 버의 중량 W2(g)는 탈형시의 성형품의 중량 W0(g)과 특정부로서의 주연부를 트림 후의 성형품의 중량 W1(g)의 차로서 구했다. 제품 중량 W3(g)은 특정부 이외의 필요 개소를 모두 트림한 후의 성형품의 중량으로 했다.

본 발명의 실시예에서 사용한 프리프레그는 다음과 같다.

[프리프레그]

프리프레그로서 일방향 프리프레그 P3432S-20(도레이 카부시키가이샤제)을 사용했다. 이 프리프레그의 특성은 다음과 같다. 이후, 이것을 프리프레그 (A)라고 한다.

·탄소섬유 밀도: 1.80g/㎤

·탄소섬유 인장 강도: 4.9㎬

·탄소섬유 인장 탄성율: 230㎬

·실 단위면적당 무게: 200

·수지 함유율: 33%

·두께: 0.19㎜

[절개 삽입 프리프레그]

프리프레그 (A)에 자동재단기를 이용하여 절개를 삽입함으로써 절개 삽입 프리프레그를 제작했다. 또, 절개 삽입 개소의 절단 길이(절개 깊이)는 1㎜(강화 섬유의 섬유 직교 방향으로의 투영 길이 0.24㎜), 절개 방향과 프리프레그의 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각은 14°, 절개에 의해 절단된 강화 섬유의 평균 길이는 25㎜이었다. 또한, 절개는 프리프레그의 두께 방향으로 관통시켰다. 절개 이외의 특성은 상술의 일방향 프리프레그 (A)와 같다. 이후, 이것을 프리프레그 (B)라고 한다.

[경화도가 큰 프리프레그]

프리프레그 (B)를 80℃의 오븐에서 잠시 가열하여 경화도가 큰 프리프레그를 제작했다. 이후, 이것을 프리프레그 (C)라고 한다.

(실시예 1)

프리프레그 (A)를, 길이 방향(도 4에 나타내는 캐비티(5)에의 배치시에 그 캐비티(5)의 길이 방향(11)으로 되는 방향)과 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각이 0, ±45, 90도로 되도록, 길이 102㎜×폭 102㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (1), 즉 프리폼을 얻었다. 이것을 2매 제작했다. 또, [45/0/-45/90]에 있어서의 각 숫자는 상기 길이 방향을 0°방향으로 하고, 상기 길이 방향과 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각의 크기(°)를 나타낸다. 또한, 「2s」란 [ ] 내의 조합을 2회 반복해서 적층한 적층체와, 이 적층체와 역순으로 적층한 적층체를 준비하고, 이것들을 대칭이 되도록 적층한 형태를 나타낸다. 얻어진 프리프레그 적층체 (1)의 1매에 대해서, 상술의 방법으로 치수, 경화도를 측정했다.

이어서, 열경화성 수지의 경화도를 크게 하는 프리폼의 특정부를 프리폼 외주인 주연부 전체로 정하고, 도 4에 나타내는 금형의 입벽부(6)에 주연부를 접촉시키면서 적층체를 배치하고, 또한 예열 공정을 실시하여 프리폼을 형으로부터 꺼냈다. 이 때, 상술의 방법에 의해 프리폼의 특정부로서의 프리폼 주연부와 프리폼의 특정부 이외의 영역으로서의 프리폼 중앙부의 프레스 공정 직전의 경화도를 측정했다.

다음에, 다른 1장의 프리프레그 적층체를 이용하여 마찬가지로 배치·예열 공정을 실시하고, 이어서, 상기 프리폼을 5㎫로 가압하면서 동 금형 내에서 10분간 가열함으로써 프레스 공정, 경화 공정을 실시하여 성형품을 얻었다. 평가한 경화도, 성형품의 충전성, 성형품의 표면외관, 성형품의 버의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예 2)

프리프레그 (B)를, 길이 방향과 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각이 0, ±45, 90도로 되도록, 길이 100㎜×폭 80㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (2-1)를 얻었다. 이것을 2매 제작했다. 또한, 프리프레그 (A)를 길이 100㎜×폭 10㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (2-2)를 얻었다. 이것을 4매 제작했다. 얻어진 프리프레그의 적층체 (2-1), (2-2)의 각 1매에 대해서 상술의 방법으로 치수, 경화도를 측정했다.

이어서, 열경화성 수지의 경화도를 크게 하는 프리폼의 특정부를, 제품 주요부로 되는 프리폼 내부로 정하고, 도 4에 나타내는 금형의 중앙부에 적층체 (2-1)을 배치했다. 잠시 기다린 후, 적층체 (2-1)의 양측에 적층체 (2-2)를 1매씩 합계 2매 배치하고, 예열 공정을 실시했다. 상술의 방법에 의해 프리폼의 특정부로서의 프리폼 중앙부와 프리폼의 특정부 이외의 영역으로서의 프리폼 주연부의 프레스 공정 직전의 경화도를 측정했다.

다음에, 나머지 프리프레그의 적층체를 이용하여 마찬가지로 배치·예열 공정을 실시하고, 이어서, 실시예 1과 마찬가지로 프레스 공정, 경화 공정을 실시하여 성형품을 얻었다. 평가한 경화도, 성형품의 충전성, 성형품의 표면외관의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예 3)

프리프레그 (B)를, 길이 방향과 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각이 0, ±45, 90도로 되도록, 길이 95㎜×폭 110㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (3), 즉 프리폼을 얻었다. 이것을 2매 제작했다. 얻어진 프리프레그의 적층체 (3)의 1매에 대해서 상술의 방법으로 치수, 경화도를 측정했다.

이어서, 열경화성 수지의 경화도를 크게 하는 프리폼의 특정부를, 프리폼 외주 중, 짧은변 측(길이 95㎜측)의 2변 주변으로 정하고, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이 금형의 입벽부에 상기 짧은변 측의 2변이 접촉하도록 적층체를 만곡시키면서 배치하고, 또한 예열 공정을 실시했다. 상술의 방법에 의해, 프리폼의 특정부로서의 프리폼 외주의 2변과 프리폼의 특정부 이외의 영역으로서의 프리폼 중앙부의 프레스 공정 직전의 경화도를 측정했다.

다음에, 다른 1장의 프리프레그의 적층체를 이용하여 마찬가지로 배치·예열 공정을 실시하고, 이어서, 실시예 1과 마찬가지로 프레스 공정, 경화 공정을 실시하여 성형품을 얻었다. 평가한 경화도, 성형품의 충전성, 성형품의 표면외관, 성형품의 버의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예 4)

프리프레그 (B)를, 길이 방향과 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각이 0, ±45, 90도로 되도록, 길이 100㎜×폭 80㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (4-1)을 얻었다. 이것을 2매 제작했다. 또한, 프리프레그 (C)를 길이 100㎜×폭 10㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (4-2)를 얻었다. 이것을 4매 제작했다. 얻어진 프리프레그의 적층체 (4-1), (4-2)의 각 1매에 대해서 상술의 방법으로 치수, 경화도를 측정했다.

이어서, 열경화성 수지의 경화도를 크게 하는 프리폼의 특정부를, 프리폼 외주 중 적층체 (4-2)의 긴변 측의 2변 주변으로 정하고(즉, 적층체 (4-1), (4-2)를 배열하여 구성되는 100㎜×100㎜의 정방형 프리폼에 있어서, 그 외주에 대응하는 적층체 (4-2)의 변), 금형의 중앙부에 적층체 (4-1)을, 적층체 (4-1)의 양측에 적층체 (4-2)를 동시에 배치하고, 예열 공정을 실시했다. 상술의 방법에 의해, 프리폼의 특정부로서의 프리폼 외주의 2변과 프리폼의 특정부 이외의 영역으로서의 프리폼 중앙부의 프레스 공정 직전의 경화도를 측정했다.

다음에, 나머지의 프리프레그의 적층체를 이용하여 마찬가지로 배치·예열 공정을 실시하고, 이어서, 실시예 1과 마찬가지로 프레스 공정, 경화 공정을 실시하여 성형품을 얻었다. 평가한 경화도, 성형품의 충전성, 성형품의 표면외관, 성형품의 버의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예 5)

프리프레그 (B)를, 길이 방향과 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각이 0, ±45, 90도로 되도록, 길이 100㎜×폭 80㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (5-1)을 얻었다. 이것을 2매 제작했다. 또한, 프리프레그 (C)를 길이 100㎜×폭 10㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (5-2)를 얻었다. 이것을 4매 제작했다. 얻어진 프리프레그의 적층체 (5-1), (5-2)의 각 1매에 대해서, 상술의 방법으로 치수, 경화도를 측정했다.

이어서, 열경화성 수지의 경화도를 크게 하는 프리폼의 특정부를, 프리폼 외주 중 적층체 (5-2)의 긴변 측의 2변 주변으로 정하고(즉, 적층체 (5-1), (5-2)를 배열하여 구성되는 100㎜×100㎜의 정방형 프리폼에 있어서, 그 외주에 대응하는 적층체 (5-2)의 변), 금형의 중앙부에 적층체 (5-1)을, 적층체 (5-1)의 양측에 적층체 (5-2)를 동시에 배치하고, 즉시 형체결했을 경우의, 금형이 프리폼에 접촉할 때까지의 시간에 상당하는 시간만큼 경과한 후에, 금형으로부터 그것들 적층체 (5-1), (5-2)를 꺼냈다. 상술의 방법에 의해, 프리폼의 특정부로서의 프리폼 외주의 2변과 프리폼의 특정부 이외의 영역으로서의 프리폼 중앙부의 프레스 공정 직전의 경화도를 측정했다.

다음에, 나머지의 프리프레그의 적층체를 이용하여 마찬가지로 배치 후, 즉시 실시예 1과 마찬가지로 프레스 공정을 실시했다. 또한, 경화 공정을 실시하여 성형품을 얻었다. 평가한 경화도, 성형품의 충전성, 성형품의 표면외관, 성형품의 버의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예 6)

프리프레그 (B)를, 길이 방향과 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각이 0, ±45, 90도로 되도록, 길이 102㎜×폭 102㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (6), 즉 프리폼을 얻었다. 이것을 2매 제작했다. 얻어진 프리프레그의 적층체 (6)의 1매에 대해서, 상술의 방법으로 치수, 경화도를 측정했다.

이어서, 열경화성 수지의 경화도를 크게 하는 프리폼의 특정부를, 프리폼 외주인 주연부 전체로 정하고, 도 4에 나타내는 금형에 대해서 입벽부(6) 근방의 도면에 나타내지 않은 전기 히터의 온도 설정을 높게 함으로써 입벽부(6)의 평균의 표면온도를 그 밖의 영역의 평균온도보다 10℃ 높게 했다.

계속해서, 도 4에 나타내는 금형의 입벽부(6)에 주연부를 접촉시키면서 적층체를 배치하고, 또한 예열 공정을 실시하여 프리폼을 형으로부터 꺼냈다. 이 때, 상술의 방법에 의해 프리폼의 특정부로서의 프리폼 주연부와 프리폼의 특정부 이외의 영역으로서의 프리폼 중앙부의 프레스 공정 직전의 경화도를 측정했다.

다음에, 다른 1장의 프리프레그의 적층체를 이용하여 마찬가지로 배치·예열 공정을 실시하고, 이어서, 상기 프리폼을 5㎫로 가압하면서 동 금형 내에서 10분간 가열함으로써 프레스 공정, 경화 공정을 실시하여 성형품을 얻었다. 평가한 경화도, 성형품의 충전성, 성형품의 표면외관, 성형품의 버의 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예 1)

프리프레그 (A)를, 길이 방향과 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각이 0, ±45, 90도로 되도록, 길이 90㎜×폭 90㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90/0/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (비-1)을 얻었다. 이것을 2매 제작했다. 얻어진 프리프레그의 적층체 (비-1)의 1매에 대해서, 상술의 방법으로 치수, 경화도를 측정했다.

이어서, 금형의 중앙부에 적층체를 배치하고, 또한 예열 공정을 실시했다. 이 때, 상술의 방법에 의해 프리폼의 주연부와 프리폼의 중앙부의 프레스 공정 직전의 경화도를 측정했다.

다음에, 다른 1장의 프리프레그의 적층체를 이용하여 마찬가지로 배치·예열 공정을 실시하고, 이어서, 실시예 1과 같은 방법으로 프레스 공정, 경화 공정을 실시하여 성형품을 얻었다. 평가한 경화도, 성형품의 충전성, 성형품의 표면외관, 성형품의 버의 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예 2)

프리프레그 (B)를, 길이 방향과 강화 섬유의 주축 방향이 이루는 각이 0, ±45, 90도로 되도록, 길이 90㎜×폭 90㎜의 치수로 각각 재단하고, 적층 구성이 [45/0/-45/90/0/90]_2s로 되도록 적층하여 프리프레그의 적층체 (비-2)를 얻었다. 이것을 2매 제작했다. 얻어진 프리프레그의 적층체 (비-1)의 1매에 대해서 상술의 방법으로 치수, 경화도를 측정했다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1∼6은 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)를 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 크게 함으로써, 특정부에 있어서의 프리폼의 유동을 억제하면서 특정부 이외의 영역에서는 프리폼이 양호 유동으로 된다. 그 결과, 단부까지 깨짐이 없는 성형품을 얻을 수 있음과 아울러, 표면 개관이 뛰어나고, 또한, 보이드나 수지 리치가 거의 없은 역학적 특성이 양호한 성형품이 얻어졌다. 한편, 비교예 1에서는 특정부를 설치하지 않고, 적층체의 면내 전체를 균일한 경화도로서 성형했기 때문에, 성형품 외주에 큰 버가 보여진 것에 추가해, 유동이 저해되어서 큰 수지 리치가 생기거나 섬유의 흐트러짐이 생겨서 표면 개관이 떨어지는 결과로 되었다. 또한, 비교예 2에서는 수지 리치는 보이지 않지만, 성형품 외주에 섬유의 흐트러짐을 발생시켰다.

(산업상의 이용 가능성)

본 발명은 낚싯대나 골프채 등의 스포츠·레저 용도, 자동차나 항공기 등의 산업 용도 등의 폭넓은 분야에 있어서, 후육부이나 돌기 등의 두께 변화를 갖는 입체형상을 프레스 성형으로 얻을 경우에 특히 적합하다.

1 : 프리프레그
2 : 프리폼
3 : 한쪽의 형(상형)
4 : 다른쪽의 형(하형)
5 : 캐비티
6 : 볼록부(입벽)
7 : 성형품
8 : 특정부
9 : 특정부 이외의 영역
10 : 후가공에 의해 구멍 형성, 트림 가공되는 형상 내부의 닫혀진 둘레 형상의 영역
11 : 길이 방향

Claims

강화 섬유와 열경화성 수지로 이루어지는 프리프레그의 프리폼을 프레스 성형하는 섬유 강화 수지의 제조 방법으로서,
(a) 프리폼을 제작하는 프리폼 제작 공정과,
(b) 상기 프리폼을 금형에 배치함과 아울러 예열하는 배치·예열 공정과,
(c) 상기 프리폼을 제품형상으로 변형시키는 프레스 공정과,
(d) 상기 프리폼을 가압하면서 경화시키는 경화 공정을 포함하고,
상기 (c)의 프레스 공정의 개시 시점에 있어서, 상기 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)가 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 큰 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.
강화 섬유와 열경화성 수지로 이루어지는 프리프레그의 프리폼을 프레스 성형하는 섬유 강화 수지의 제조 방법으로서,
(a) 프리폼을 제작하는 프리폼 제작 공정과,
(b) 상기 프리폼을 금형에 배치함과 아울러 예열하는 배치·예열 공정과,
(c) 상기 프리폼을 제품형상으로 변형시키는 프레스 공정과,
(d) 상기 프리폼을 가압하면서 경화시키는 경화 공정을 포함하고,
상기 (c)의 프레스 공정의 직전에 있어서, 상기 프리폼의 특정부에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αe)를 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역에 있어서의 열경화성 수지의 경화도(αi)보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 (a)의 프리폼 제작 공정에 있어서 상기 프리폼의 특정부에 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역보다 열경화성 수지의 경화도가 큰 프리프레그를 사용하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (b)의 배치·예열 공정에 있어서 상기 프리폼의 특정부를 상기 프리폼의 특정부 이외의 영역보다 높은 온도에서 예열하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금형의 상기 프리폼의 특정부에 대응하는 위치에 볼록부를 형성하고, 상기 (b)의 배치·예열 공정에 있어서 상기 프리폼의 특정부를 상기 볼록부에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 볼록부가 입벽형상인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 특정부가 상기 프리폼의 주연부인 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
평면 상태의 면적이 상기 금형의 캐비티의 투영면적 이상인 프리폼을 사용하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지의 제조 방법.