KR20210019130A - 시트 몰딩 컴파운드 - Google Patents

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Abstract

성형체 중의 섬유속의 분산 상태의 격차가 작고, 수지 굄의 발생이 억제되고, 인장 강도, 탄성률 등의 물성의 격차가 억제된 섬유 강화 수지 재료 성형체 및 그의 제조 방법, 및 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법을 제공한다. 강화 섬유가 복수본 묶인 섬유속과 매트릭스 수지를 함유하는 섬유 강화 수지 재료 성형체로서, 두께 방향을 따른 절단면에 있어서의, 0.1mm 각의 단위 구획당 상기 강화 섬유의 섬유 함유율의 변동 계수가 40% 이하인, 섬유 강화 수지 재료 성형체를 제공한다.

Description

시트 몰딩 컴파운드{FIBER-REINFORCED RESIN MATERIAL MOLDING, METHOD FOR MANUFACTURING FIBER-REINFORCED RESIN MATERIAL MOLDING, AND METHOD FOR MANUFACTURING FIBER-REINFORCED RESIN MATERIAL}
본 발명은 섬유 강화 수지 재료 성형체, 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제조 방법 및 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은 2015년 12월 24일에 일본에 출원된 특원 2015-251532 및 2016년 1월 19일에 일본에 출원된 특원 2016-007707에 기초해서 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
부분적으로 육후가 상이한 부분이나, 리브나 보스 등을 갖는 섬유 강화 수지 재료 성형체의 중간 재료로서는, 금형에 의한 성형 시에 유동하기 쉬운 성질을 갖는 SMC(Sheet Molding Compound)가 널리 이용되고 있다. SMC는, 예를 들면 유리 섬유나 탄소 섬유 등의 장척의 강화 섬유를 소정의 길이로 재단한 복수의 촙드 섬유속으로 형성된 시트상 섬유속군에, 불포화 폴리에스터 수지 등의 열경화성 수지를 함침시킨 섬유 강화 수지 재료이다.
SMC는, 예를 들면, 이하의 방법으로 제조된다. 일방향으로 반송되는 시트상의 캐리어 상에 열경화성 수지를 포함하는 페이스트를 도공해서 띠상의 수지 시트를 형성한다. 주행하는 수지 시트 상에, 장척의 섬유속을 소정의 길이로 재단하면서 산포해서 시트상 섬유속군을 형성한다. 해당 시트상 섬유속군 상에 수지 시트를 추가로 적층하고, 형성된 적층체를 양면으로부터 가압해서 수지를 해당 시트상 섬유속군에 함침시켜 SMC로 한다.
SMC의 제조에는, 제조 비용을 낮출 목적으로, 비교적 염가인 라지 토우라고 불리는 필라멘트 본수가 많은 섬유속이 이용되는 경우가 많다. 라지 토우인 섬유속은 두께가 있기 때문에, 필라멘트 본수가 적어 두께가 얇은 섬유속을 이용하는 경우에 비해, 시트상 섬유속군을 형성시켰을 때의 섬유속과 섬유속 사이에 생기는 극간이 큰 경향이 있다. 수지를 함침시켜 SMC를 얻었을 때에는, 시트상 섬유속군 중의 해당 극간에는 수지 굄이 형성되기 쉽다. SMC에 이와 같은 수지 굄이 형성되면, 기계 물성이 저하된다.
그래서, 필라멘트 본수가 많은 섬유속을 이용하는 경우에는, 해당 섬유속을 개섬에 의해 폭 방향으로 확폭해서 편평하게 하고 나서 재단하는 방법이 널리 이용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2). 이에 의해, 시트상 섬유속군 중의 극간이 작아져, 수지 굄이 형성되어서 SMC의 기계 물성이 저하되는 것이 억제된다.
그러나, 섬유속을 개섬하여 편평하게 하면, 시트상 섬유속군을 평면시(平面視)했을 때의 각 섬유속의 면적이 커지기 때문에, 해당 시트상 섬유속군에 수지를 충분히 함침시키는 것이 곤란해진다. 함침 시의 적층체의 가압에는, 일반적으로 복수쌍의 롤러가 이용된다. 시트상 섬유속군에 수지를 충분히 함침시키기 위해서는, 롤러에 의한 가압 시의 압력을 높게 하는 것도 생각된다. 그러나, 롤러에 의한 가압 시의 압력을 높게 하면, 그 압력에 의해 적층체의 표층에서 수지가 역류하는 백플로가 일어나 함침이 불충분해지기 쉽다.
그런데, 얻어지는 SMC에 기포가 잔류하는 것을 억제하면서 시트상 섬유속군에 충분히 수지를 함침시키는 방법으로서, 시트상 섬유속군과 수지의 적층물을, 외주면에 복수의 침상의 돌기가 설치된 롤과, 외주면이 평평한 롤에 의해 순서대로 가압해서 수지를 함침시키는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 3). 해당 방법에서는, 전단(前段)의 롤에 의한 가압에 있어서, 침상의 돌기가 적층물에 꽂히는 것에 의해 탈포가 촉진됨으로써, 얻어지는 SMC에 기포가 잔류하는 것이 억제된다.
한편, 상기와 같은 SMC를 성형해서 얻어지는 섬유 강화 수지 재료 성형체로서는, 예를 들면, 이하의 것을 들 수 있다.
섬유 길이 5∼100mm의 강화 섬유를 10,000∼700,000본 포함하는 촙드 섬유속과 매트릭스 수지를 함유하고, 상기 촙드 섬유속의 평균 폭 Wm과 평균 두께 tm의 비율(Wm/tm)이 70∼1,500이고, 평균 폭 Wm이 2∼50mm이며, 평균 두께 tm이 0.01∼0.1mm인 섬유 강화 수지 재료 성형체(특허문헌 4).
미국 특허출원공개 제2012/0213997호 명세서 일본 특허공개 2006-219780호 공보 일본 특허공개 소62-73914호 공보 일본 특허공개 2009-62474호 공보
그러나, 특허문헌 4와 같은 종래의 섬유 강화 수지 재료 성형체에서는, 장소에 따라 인장 강도, 탄성률 등, 물성의 격차가 생기는 경우가 있어, SMC의 제조 방법으로서 특허문헌 3의 방법을 채용한 경우라도, 개섬하여 편평한 상태로 한 섬유속을 이용한 시트상 섬유속군에 수지를 함침시킬 때에, 수지의 백플로가 생겨 함침이 충분히 진행되기 어렵기 때문에, 상기의 물성의 향상과 물성의 격차의 저감을 양립시키는 것은 어려웠다.
본 발명은, 인장 강도, 탄성률 등의 물성의 격차가 억제된 섬유 강화 수지 재료 성형체 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
또한, 본 발명은, 시트상 섬유속군을 형성하기 위한 섬유속을 개섬하여 편평하게 한 경우라도, 매트릭스 수지를 충분히 함침하여 기계적 강도가 우수한 섬유 강화 수지 재료를 얻을 수 있는, 상기의 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제공에 유용한 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 이하의 구성을 갖는다.
[1] 강화 섬유가 복수본 묶인 섬유속과 매트릭스 수지를 함유하는 섬유 강화 수지 재료 성형체로서,
상기 섬유 강화 수지 재료 성형체의 두께 방향을 따른 절단면에 있어서의, 0.1mm 각의 단위 구획당 상기 강화 섬유의 섬유 함유율의 변동 계수가 40% 이하인, 섬유 강화 수지 재료 성형체.
[2] 상기 강화 섬유의 평균 섬유 길이가 5∼100mm인, [1]에 기재된 섬유 강화 수지 재료 성형체.
[3] 면 방향을 따른 절단면에 있어서의 상기 섬유속의 섬유축의 방향이 실질적으로 랜덤으로 분포하고 있는, [1] 또는 [2]에 기재된 섬유 강화 수지 재료 성형체.
[4] 상기 변동 계수가 10% 이상인, [1]∼[3] 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 수지 재료 성형체.
[5] 상기 섬유 강화 수지 재료 성형체의 두께 방향을 따른 절단면에 있어서의, 0.1mm 각의 단위 구획당 상기 강화 섬유의 섬유 함유율의 평균값이 50∼60%인, [1]∼[4] 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 수지 재료 성형체.
[6] 상기 섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서의, 직교하는 2개의 방향 각각의 방향을 따른 각각의 굽힘 탄성률의 비가 0.8:1∼1:0.8이고, 각각의 방향을 따른 굽힘 탄성률의 변동 계수가 모두 5∼15인, [1]∼[5] 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 수지 재료 성형체.
[7] 상기 매트릭스 수지가 열경화성 수지인, [1]∼[6] 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 수지 재료 성형체.
[8] 분산된 섬유속 사이에 매트릭스 수지가 함침되고, X선 회절법에 의해 회절각 2θ가 25.4°인 회절 X선을 검출하여, 하기 식(1)∼(3)에 의해 구해지는 거칠기도 β가 0.5∼4.5인, 시트상의 섬유 강화 수지 재료를 성형하는, [1]∼[7] 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제조 방법.
Figure pat00001
단, 식(1) 중, f(φi)는, 하기 식(2)로 표시되는, X선 회절 측정에 있어서의 i번째의 회전 각도(φi)의 휘도(I(φi))로부터 평균의 휘도를 뺀 휘도이고, dφ는 X선 회절 측정의 스텝 폭이다. I(φi)는 하기 식(3)으로 표시되는 적분 강도가 10000이 되도록 규격화된 것이다.
Figure pat00002
[9] 분산된 섬유속 사이에 매트릭스 수지가 함침되고, 면 방향을 따르는 직교하는 2개의 방향의 한쪽을 0° 방향, 다른 쪽을 90° 방향으로 했을 때에, X선 회절법에 의해 회절각 2θ가 25.4°인 회절 X선을 검출하여, 하기 식(4)에 의해 구해지는, 0° 방향을 기준으로 한 상기 섬유속의 결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차의 합계값이 0.05∼0.13인, 시트상의 섬유 강화 수지 재료를 성형하는, [1]∼[7] 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제조 방법.
Figure pat00003
단, 식(4) 중, a는 식(5)로 표시되는 배향 계수이고, I(φi)는 X선 회절 측정에 있어서의 i번째의 회전 각도(φi)의 휘도이며, 상기 식(6)으로 표시되는 적분 강도가 10000이 되도록 규격화된 것이다.
[10] [1]∼[7] 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 수지 재료 성형체를 제조하기 위한 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법으로서,
복수의 섬유속으로 이루어지는 시트상 섬유속군이, 각각 매트릭스 수지를 포함하는 제 1 수지 시트와 제 2 수지 시트에 의해 협지된 적층체를, 롤로 가압하여, 상기 매트릭스 수지를 상기 시트상 섬유속군에 함침시키는 공정으로서, 평면 상의 선단면이 형성된 볼록부가 롤 외주면에 복수 설치된 요철 롤을 이용하는 제 1 함침 공정을 갖는, 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법.
[11] 상기 제 1 함침 공정의 후에, 상기 매트릭스 수지를 상기 시트상 섬유속군에 더 함침시키는 공정으로서, 롤 외주면에 요철이 없는 평면 롤을 이용하는 제 2 함침 공정을 갖는, [10]에 기재된 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체는, 인장 강도, 탄성률 등의 물성의 격차가 억제되어 있고, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제조 방법에 의해, 인장 강도, 탄성률 등의 물성의 격차가 억제된 섬유 강화 수지 재료 성형체를 제조할 수 있다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법은, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제공에 유용하고, 시트상 섬유속군을 형성하기 위한 섬유속을 개섬하여 편평하게 한 경우라도, 매트릭스 수지를 충분히 함침하여 기계적 강도가 우수한 섬유 강화 수지 재료를 얻을 수 있다.
도 1은 함침 장치의 일례를 나타낸 개략 구성도이다.
도 2는 함침 장치의 다른 예를 나타낸 개략 구성도이다.
도 3은 함침 장치의 다른 예를 나타낸 개략 구성도이다.
도 4는 제 1 함침 수단의 요철 롤의 일례의 롤 외주면의 일부를 확대해서 나타낸 사시도이다.
도 5는 제 1 함침 수단의 요철 롤의 다른 예의 롤 외주면의 일부를 확대해서 나타낸 사시도이다.
도 6은 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법에 이용하는 섬유 강화 수지 재료의 제조 장치의 일례를 나타낸 개략 구성도이다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체는 강화 섬유가 복수본 묶인 섬유속과 매트릭스 수지를 함유한다. 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체는, 예를 들면, 복수의 상기 섬유속으로 이루어지는 섬유속군에 매트릭스 수지가 함침된 섬유 강화 수지 재료(SMC)가 성형됨으로써 얻어진다.
(섬유속)
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체가 함유하는 섬유속은 강화 섬유가 복수본 묶여 있다.
섬유속을 형성하는 강화 섬유로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 무기 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유, 또는 이들을 조합한 하이브리드 구성의 강화 섬유를 사용할 수 있다.
무기 섬유로서는, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 탄화규소 섬유, 알루미나 섬유, 텅스텐 카바이드 섬유, 보론 섬유, 유리 섬유 등을 들 수 있다. 유기 섬유로서는, 아라미드 섬유, 고밀도 폴리에틸렌 섬유, 기타 일반의 나일론 섬유, 폴리에스터 섬유 등을 들 수 있다. 금속 섬유로서는, 스테인리스, 철 등의 섬유를 들 수 있고, 또한 금속을 피복한 탄소 섬유여도 된다.
이들 중에서는, 섬유 강화 수지 재료 성형체의 강도 등의 기계 물성을 고려하면, 탄소 섬유가 바람직하다.
강화 섬유는 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
강화 섬유의 평균 섬유 길이는 5∼100mm가 바람직하고, 10∼75mm가 보다 바람직하며, 20∼60mm가 더 바람직하다.
강화 섬유의 평균 섬유 길이가 상기 하한치 이상이면, 인장 강도, 탄성률 등의 물성이 우수한 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어지고, 상기 상한치 이하이면, 성형 시에 섬유 강화 수지 재료가 보다 유동하기 쉬워지기 때문에, 성형이 용이해진다.
한편, 강화 섬유의 평균 섬유 길이는 이하의 방법으로 측정한다.
즉, 무작위로 추출한 100본의 섬유의 섬유 길이를 노기스 등을 이용하여 1mm 단위까지 측정하고, 그 평균값을 구한다.
섬유속을 형성하는 강화 섬유의 본수는 3,000∼60,000본이 바람직하고, 3,000∼24,000본이 보다 바람직하며, 3,000∼15,000본이 더 바람직하다.
섬유속을 형성하는 강화 섬유의 본수가 상기 하한치 이상이면, 인장 강도, 탄성률 등의 물성이 우수한 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어지기 쉽고, 상기 상한치 이하이면, 성형 시에 섬유 강화 수지 재료가 보다 유동하기 쉬워지기 때문에, 성형이 용이해진다.
섬유속의 평균 두께는 0.01∼0.1mm가 바람직하고, 0.02∼0.09mm가 보다 바람직하며, 0.025∼0.07mm가 더 바람직하다.
섬유속의 평균 두께가 상기 하한치 이상이면, 섬유속에 매트릭스 수지를 함침시키는 것이 용이해지고, 상기 상한치 이하이면, 인장 강도, 탄성률 등의 물성이 우수한 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어지기 쉽다.
한편, 섬유속의 평균 두께는 이하의 방법으로 측정한다.
전기로 등으로 섬유 강화 수지 재료 성형체를 가열하여 매트릭스 수지를 분해시키고, 잔존한 섬유속으로부터 무작위로 10본의 섬유속을 선택한다. 10본의 섬유속의 각각에 대하여, 섬유축 방향의 양 단부와 중앙부의 3개소에서 두께를 노기스로 측정하고, 그들 측정값의 전부를 평균해서 평균 두께로 한다.
섬유속의 평균 폭은 2∼50mm가 바람직하고, 3∼15mm가 보다 바람직하며, 3∼8mm가 더 바람직하다.
섬유속의 평균 폭이 하한치 이상이면, 성형 시에 섬유 강화 수지 재료가 보다 유동하기 쉬워지기 때문에, 성형이 용이해지고, 상기 상한치 이하이면, 인장 강도, 탄성률 등의 물성이 우수한 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어지기 쉽다.
한편, 섬유속의 평균 폭은 이하의 방법으로 측정한다.
평균 두께의 측정과 마찬가지로 해서 얻은 10본의 섬유속의 각각에 대하여, 섬유축 방향의 양 단부와 중앙부의 3개소에서 폭을 노기스로 측정하고, 그들 측정값의 전부를 평균해서 평균 폭으로 한다.
(매트릭스 수지)
매트릭스 수지로서는, 열경화성 수지, 열가소성 수지를 이용할 수 있다. 매트릭스 수지로서는, 열경화성 수지만을 이용해도 되고, 열가소성 수지만을 이용해도 되고, 열경화성 수지와 열가소성 수지의 양쪽을 이용해도 된다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체를 SMC로부터 제조하는 경우, 매트릭스 수지로서는 열경화성 수지가 바람직하다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체를 스탬퍼블 시트로부터 제조하는 경우, 매트릭스 수지로서는 열가소성 수지가 바람직하다.
열경화성 수지로서는, 특별히 한정되지 않고, 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 바이닐 에스터 수지, 페녹시 수지, 알키드 수지, 유레테인 수지, 요소성 수지, 멜라민 수지, 말레이미드 수지, 사이아네이트 수지 등을 들 수 있다.
열경화성 수지는 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
열가소성 수지로서는, 예를 들면, 폴리올레핀계 수지, 폴리아마이드계 수지, 폴리에스터계 수지, 폴리페닐렌설파이드 수지, 폴리에터케톤 수지, 폴리에터설폰 수지, 방향족 폴리아마이드 수지 등을 들 수 있다.
열가소성 수지는 1종을 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
(섬유 함유율, 섬유 함유율의 변동 계수)
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체는, 그의 두께 방향을 따른 절단면에 있어서의, 0.1mm 각의 단위 구획당 강화 섬유의 섬유 함유율의 변동 계수(이하, 「변동 계수 Q」라고도 한다)가 40% 이하이다.
여기에서, 두께 방향이란, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서, 상기 섬유속이 그의 두께 방향으로 적층되는 방향을 말한다.
변동 계수 Q가 40% 이하이면, 섬유 강화 수지 재료 성형체 중에서 각 섬유속이 균등하게 분산되어, 수지 굄이 억제되어 있음으로써, 섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서의 장소에 따른 인장 강도, 탄성률 등의 물성의 격차가 억제된다.
한편, 변동 계수 Q는, 섬유 강화 수지 재료 성형체를 두께 방향을 따라 절단하고, 그 절단면에 있어서, 0.1mm 각의 단위 구획당 강화 섬유의 섬유 함유율을 2000개소에 대하여 측정하고, 그 표준 편차와 평균값(이하, 「평균값 P」라고 한다)을 산출하고, 표준 편차를 평균값 P로 나눈 값을 의미한다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서의 변동 계수 Q의 상한치는 40%이며, 35%가 바람직하고, 30%가 보다 바람직하다.
변동 계수 Q가 상한치 이하이면, 인장 강도, 탄성률 등의 물성의 격차가 보다 억제된 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어진다.
변동 계수 Q에는, 섬유 강화 수지 재료 성형체 중의 섬유속의 분산 상태는 물론, 각 섬유속의 섬유축 방향도 영향을 준다.
구체적으로는, 예를 들면 단면 형상이 원형상인 섬유속의 경우, 해당 섬유속의 섬유축 방향에 대한 절단면의 각도가 90°이면, 해당 절단면에 있어서의 섬유속의 단면 형상은 원형상이 된다. 한편, 해당 섬유속의 섬유축 방향에 대한 절단면의 각도가 90°보다도 작으면, 해당 절단면에 있어서의 섬유속의 단면 형상이 타원형상이 된다. 이와 같이, 각 섬유속의 섬유축 방향이 바뀌면, 각 단위 구획당 섬유속의 단면 형상이 바뀜으로써, 그 섬유속의 단면이 차지하는 비율이 변화되기 때문에, 변동 계수 Q에 영향을 준다.
변동 계수 Q는 작을수록, 섬유 강화 수지 재료 성형체 중에서 각 섬유속이 보다 균등하게 분산되어 있는 것을 나타낸다. 그러나, 변동 계수 Q가 제로에 가까울수록, 각 단위 구획당 섬유속의 단면 형상의 변화가 작은 상태, 즉 섬유 강화 수지 재료 성형체 중에서 각 섬유속의 섬유축 방향이 맞춰진 상태가 되어 있다.
섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서의 물성의 격차를 억제하기 위해서는, 각 섬유속의 섬유축 방향이 랜덤이 되어 있는 것이 바람직하다. 이로부터, 변동 계수 Q의 하한치는 10%가 바람직하고, 12%가 바람직하고, 15%가 보다 바람직하다.
변동 계수 Q가 하한치 이상이면, 섬유 강화 수지 재료 성형체의 물성의 격차가 보다 작아져, 등방성이 우수한 것이 된다.
즉, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서의 변동 계수 Q는 10%∼40%인 것이 바람직하고, 12%∼35%가 보다 바람직하며, 15%∼30%가 더 바람직하다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서의 평균값 P는 50∼60%가 바람직하고, 50∼58%가 보다 바람직하다.
평균값 P가 상기 범위 내이면, 각 단위 구획당 섬유 함유율의 격차가 억제되기 쉽기 때문에, 섬유 강화 수지 재료 성형체의 물성의 격차가 보다 작아진다. 평균값 P가 상기 하한치 이상이면, 탄성률이 높은 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어지기 쉽고, 상기 상한치 이하이면, 복수의 섬유속으로 형성된 섬유속군에 대한 매트릭스 수지의 함침이 보다 용이해지기 때문에, 섬유 강화 수지 재료의 제조가 용이해진다.
섬유 강화 수지 재료 성형체의 평균값 P나 변동 계수 Q는 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제조에 이용하는 섬유 강화 수지 재료의 섬유 함유율을 조절함으로써 조절할 수 있다.
예를 들면, 섬유 강화 수지 재료에 있어서의 섬유 함유율을 높게 하는 것에 의해, 섬유 강화 수지 재료 성형체의 평균값 P를 높게 할 수 있다. 또한, 섬유 강화 수지 재료에 있어서 섬유속을 균등하게 분산시켜, 수지 굄의 발생을 억제해서 섬유 함유율의 격차를 작게 함으로써, 섬유 강화 수지 재료 성형체의 변동 계수 Q를 작게 할 수 있다.
즉, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서는, 그의 면 방향을 따른 절단면에 있어서의, 섬유속의 섬유축의 방향이 실질적으로 랜덤으로 분포하고 있는 것이 바람직하다.
여기에서, 면 방향이란, 상기 두께 방향을 Z축 방향으로 한 경우에 있어서의 XY축 방향, 또는 상기 두께 방향에 대해서 직교하는 평면의 방향을 말한다.
또한, 실질적으로 랜덤으로 분포한다란, 면 방향을 따른 절단면에 있어서의 섬유속의 단면의 장축의 길이가 무작위한 상태인 것을 의미한다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서는, 직교하는 2개의 방향 각각의 방향을 따른 굽힘 탄성률(단위: GPa)의 비(이하, 「비 R」이라고도 한다)가 0.8:1∼1:0.8인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체에 있어서는, 직교하는 2개의 방향 각각의 방향을 따른 굽힘 탄성률의 각각의 변동 계수가 모두 5%∼15%인 것이 바람직하다.
비 R은 성형체 중의 섬유속의 배향 방향의 균일성을 나타내는 값이다. 비 R의 범위는 0.8:1∼1:0.8인 것이 바람직하고, 0.9:1∼1:0.9가 보다 바람직하며, 0.95:1∼1:0.95가 더 바람직하다.
비 R이 상기 범위 내이면, 성형체의 물성의 이방성이 충분히 낮아, 실용상 문제가 없다.
직교하는 2개의 방향 각각의 방향을 따른 굽힘 탄성률의 각각의 변동 계수는 5%∼15%가 바람직하고, 5%∼12%가 보다 바람직하고, 7%∼9%가 더 바람직하다.
직교하는 2개의 방향 각각의 방향을 따른 굽힘 탄성률의 각각의 변동 계수가 상기 하한치 이상이면, 섬유속의 배향의 균일성이 지나치게 높아져, SMC나 스탬퍼블 시트로서 성형 가공할 때의 매트릭스 수지의 유동성이 손상되어 성형성이 저하되는 것을 억제할 수 있고, 또한 섬유 강화 수지 재료의 생산 라인의 속도를 과도하게 낮출 필요가 없어, 충분한 생산성을 확보할 수 있다. 직교하는 2개의 방향 각각의 방향을 따른 굽힘 탄성률의 각각의 변동 계수가 상기 상한치 이하이면, 성형품의 각 방향의 각 부위 사이에 있어서의 물성의 격차(CV값)가 충분히 작다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체는, 분산된 섬유속 사이에 매트릭스 수지가 함침되고, X선 회절법에 의해 회절각 2θ가 25.4°인 회절 X선을 검출하여, 하기 식(1)∼(3)에 의해 구해지는 거칠기도 β가 0.5∼4.5인, 시트상의 섬유 강화 수지 재료를 성형하는 것에 의해 제조된 것인 것이 바람직하다.
한편, 이 회절 X선의 검출은, 탄소 섬유 중에서는 흑연 결정이 섬유축 방향으로 배향되어 있기 때문에, 섬유 강화 수지 재료 내부의 흑연 결정의 배향이 섬유의 배향으로 간주되는 것을 이용한 것이고, 상기의 회절각 2θ가 25.4°인 회절 X선은 흑연 결정의 (002)면에서 유래하는 것이다.
Figure pat00004
단, 식(1) 중, f(φi)는, 하기 식(2)로 표시되는, X선 회절 측정에 있어서의 i번째의 회전 각도(φi)의 휘도(I(φi))로부터 평균의 휘도를 뺀 휘도이고, dφ는 X선 회절 측정의 스텝 폭이다. I(φi)는 하기 식(3)으로 표시되는 적분 강도가 10000이 되도록 규격화된 것이다.
Figure pat00005
거칠기도 β는 섬유 강화 수지 재료의 X선 회절 측정에 있어서의 섬유 배향에서 유래하는 프로파일로부터 구해지는 값으로서, 이하의 방법으로 측정된다.
긴 방향에 연속하는 섬유 강화 수지 재료를 폭 방향으로 커팅한 2매의 샘플을 긴 방향이 동일해지도록 겹친 시트상의 섬유 강화 수지 재료에 있어서의 세로 300mm×가로 300mm의 범위 내로부터, 세로 15mm×가로 15mm의 시험편을 등간격으로 25개 잘라낸다(N=25). X선 장치를 이용하여, 상기 시험편에 투과법으로 X선을 조사하면서, 상기 시험편을 그의 두께 방향을 축으로 회전시키고, 회절각 2θ=25.4°로 배치한 검출기로 회절 X선을 도입하여, i번째의 회전 각도(φi)에 있어서의 휘도(I(φi))를 측정한다. 단, I(φi)는 식(3)으로 표시되는 적분 강도가 10000이 되도록 규격화된 것으로 한다.
이어서, 식(2)로 표시되는 바와 같이, 휘도(I(φi))로부터 평균의 휘도를 뺀 휘도 f(φi)를 정의하고, 휘도 f(φi)를 이용하여 유도되는 식(1)로부터, 25개의 시험편 각각에 대하여 거칠기도를 구하고, 그들의 평균값을 거칠기도 β로 한다.
거칠기도 β는 제로에 가까울수록 섬유속의 배향에 흐트러짐이 적은 것을 나타내고 있다.
거칠기도 β가 0.5 이상이면, 섬유속의 배향의 균일성이 지나치게 높아지는 일 없이, SMC나 스탬퍼블 시트로서 성형 가공할 때의 매트릭스 수지의 유동성이 손상되어 성형성이 저하되는 것을 억제할 수 있고, 또한 섬유 강화 수지 재료의 생산 라인의 속도를 과도하게 낮출 필요가 없어, 충분한 생산성을 확보할 수 있다. 거칠기도 β는 1.0 이상이 바람직하고, 1.5 이상이 보다 바람직하고, 2.0 이상이 더 바람직하며, 2.5 이상이 특히 바람직하다.
거칠기도 β가 4.5 이하이면, 시트상의 섬유 강화 수지 재료를 성형해서 얻은 성형품의 각 부위에 있어서의 물성의 이방성(예를 들면, 길이 방향과 폭 방향의 굽힘 탄성률의 차)이 지나치게 높아지는 것을 억제할 수 있다. 거칠기도 β는 4.0 이하가 바람직하고, 3.5 이하가 보다 바람직하다.
즉, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제조 방법에 있어서 성형되는 시트상의 섬유 강화 수지 재료는, 거칠기도 β가 0.5∼4.5인 것이 바람직하고, 1.0∼4.0이 보다 바람직하고, 1.5∼4.0이 더 바람직하고, 2.0∼3.5가 보다 더 바람직하며, 2.5∼3.5가 특히 바람직하다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체는, 분산된 섬유속 사이에 매트릭스 수지가 함침되고, 면 방향을 따르는 직교하는 2개의 방향의 한쪽을 0° 방향, 다른 쪽을 90° 방향으로 했을 때에, X선 회절법에 의해 회절각 2θ가 25.4°인 회절 X선을 검출하여, 하기 식(4)에 의해 구해지는, 0° 방향을 기준으로 한 섬유속의 결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차의 합계값이 0.05∼0.13인, 시트상의 섬유 강화 수지 재료를 성형하는 것에 의해 제조된 것인 것이 바람직하다.
Figure pat00006
단, 식(4) 중, a는 식(5)로 표시되는 배향 계수이고, I(φi)는 X선 회절 측정에 있어서의 i번째의 회전 각도(φi)의 휘도이며, 상기 식(6)으로 표시되는 적분 강도가 10000이 되도록 규격화된 것이다.
결정 배향도 fa는 섬유 강화 수지 재료에 X선을 조사하는 것에 의해 생기는 회절상으로부터 산출되는 결정 배향도로부터 구해지는 값이며, 이하의 방법으로 측정된다.
거칠기도 β의 측정 방법에서 이용한 시험편의 잘라냄 방법과 마찬가지로, 시트상의 섬유 강화 수지 재료로부터 25개의 시험편을 잘라내고(N=25), X선 장치를 이용해서 회절각 2θ=25.4°의 회절 X선을 도입하여, i번째의 회전 각도(φi)에 있어서의 휘도(I(φi))를 측정한다. 단, I(φi)는 식(6)으로 표시되는 적분 강도가 10000이 되도록 규격화된 것으로 한다. 이어서, 측정한 I(φi)를 이용하여, 25개의 시험편 각각에 대하여 식(5)에 의해 배향 계수 a를 구한다. 또, 얻어진 배향 계수 a를 이용하여, 25개의 시험편 각각에 대하여 식(4)에 의해 결정 배향도 fa를 구하고, 그들의 평균값과 표준 편차를 산출한다.
결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차의 합계값이 0.05 이상이면, 섬유속의 배향의 균일성이 지나치게 높아지는 일 없이, SMC나 스탬퍼블 시트로서 성형 가공할 때의 매트릭스 수지의 유동성이 손상되어 성형성이 저하되는 것을 억제할 수 있고, 또한 섬유 강화 수지 재료의 생산 라인의 속도를 과도하게 낮출 필요가 없어, 충분한 생산성을 확보할 수 있다. 결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차의 합계값은 0.06 이상이 바람직하고, 0.08 이상이 보다 바람직하다.
결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차의 합계값이 0.13 이하이면, 섬유 강화 수지 재료를 성형한 성형품의 길이 방향 및 폭 방향의 각 부위 사이에 있어서의 물성의 격차(CV값)가 지나치게 커지는 것을 억제할 수 있다. 결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차의 합계값은 0.12 이하가 바람직하고, 0.11 이하가 보다 바람직하다.
즉, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제조 방법에 있어서 성형되는 시트상의 섬유 강화 수지 재료는, 결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차의 합계값이 0.05∼0.13인 것이 바람직하고, 0.06∼0.12가 보다 바람직하며, 0.08∼0.11이 더 바람직하다.
(섬유 강화 수지 재료의 제조 방법 1)
섬유 강화 수지 재료의 제조 방법의 일 태양으로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면,
·장척의 섬유속을 개섬에 의해 폭 방향으로 확폭하고, 추가로 필요에 따라서 분섬에 의해 섬유속을 폭 방향으로 분할하는 개섬 공정,
·개섬 공정 후의 섬유속을 섬유 길이가 5∼100mm가 되도록 연속적으로 재단하고, 매트릭스 수지를 포함하는 제 1 수지 시트 상에, 재단된 복수의 섬유속을 시트상으로 산포해서 시트상 섬유속군을 형성하는 산포 공정,
·상기 시트상 섬유속군 상에, 매트릭스 수지를 포함하는 제 2 수지 시트를 첩합(貼合)해서 가압하여, 상기 시트상 섬유속군에 매트릭스 수지를 함침시켜 섬유 강화 수지 재료를 얻는 첩합 함침 공정
을 포함하는 방법을 들 수 있다.
<개섬 공정>
개섬 공정에 있어서의 섬유속의 개섬은, 예를 들면, 복수의 개섬 바를 이용함으로써 행할 수 있다.
구체적으로는, 예를 들면, 각 개섬 바를 서로 병행하도록 배치하고, 보빈으로부터 권출한 장척의 섬유속을, 그들 개섬 바의 상하를 순서대로 지그재그로 통과하도록 주행시킨다. 이에 의해, 각 개섬 바에 의한 가열, 찰과, 요동 등에 의해 섬유속이 폭 방향으로 확폭된다.
개섬 공정 후의 섬유속의 두께는 0.01∼0.1mm인 것이 바람직하다. 또한, 개섬 공정 후의 섬유속의 폭은 3∼100mm인 것이 바람직하다.
개섬 공정 후의 섬유속의 두께 및 폭이 상기 범위 내이면, 변동 계수 Q가 상기한 범위 내인 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어지기 쉬워진다.
또한, 필요에 따라서 행해지는 섬유속의 분섬은 둘레 방향으로 복수의 날이 줄지어 늘어서 설치된 회전 날을 이용함으로써 행할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 복수의 회전 날을 주행하는 섬유속의 폭 방향으로 소정의 간격을 띄워서 배치하고, 회전 날을 회전시키면서 섬유속을 통과시킨다. 이에 의해, 섬유속에 복수의 날이 간헐적으로 찔려, 섬유속이 폭 방향으로 분할된다. 단, 이 방법에 의한 분섬 후의 섬유속은 완전히 분섬된 상태로는 되어 있지 않고, 부분적으로 미분섬 상태(결합한 상태)가 된다.
<산포 공정>
산포 공정은, 예를 들면, 이하와 같이 행할 수 있다.
일방향으로 반송되는 장척의 제 1 캐리어 시트 상에 매트릭스 수지를 포함하는 페이스트를 소정의 두께로 도공해서 제 1 수지 시트를 형성하고, 제 1 캐리어 시트를 반송함으로써 제 1 수지 시트를 주행시킨다. 그리고, 주행하는 제 1 수지 시트의 상방에 설치된 재단기에 개섬 공정 후의 섬유속을 공급하고, 섬유 길이가 예를 들면 5∼100mm가 되도록 연속적으로 재단한다. 재단된 복수의 섬유속은 제 1 수지 시트 상에 낙하시킴으로써 시트상으로 산포되어, 시트상 섬유속군이 형성된다.
산포 공정에서는, 주행하는 제 1 수지 시트와 재단기 사이에 복수의 경사 콤(comb)(로드)을 배치하는 것이 바람직하다. 재단기로 재단되어 낙하하는 섬유속 중, 경사 콤에 접촉한 섬유속은 제 1 수지 시트의 주행 방향과는 상이한 방향으로 쓰러지기 쉬워진다. 이에 의해, 시트상 섬유속군에 있어서의 각 섬유속의 분산 상태가 균등하고 섬유축 방향이 랜덤한 상태로 되기 쉬워지기 때문에, 섬유 강화 수지 재료에 있어서의 섬유 함유율의 격차가 억제된다. 그 결과, 변동 계수 Q가 상기 범위 내인 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어지기 쉬워진다.
각 경사 콤의 제 1 수지 시트로부터의 높이는 적절히 설정할 수 있다. 경사 콤의 단면 형상은 특별히 한정되지 않고, 원형, 구형, 다각형 등을 들 수 있고, 원형이 바람직하다. 각 경사 콤의 직경은, 예를 들면, 0.1∼10mm 정도로 할 수 있다.
서로 이웃하는 경사 콤의 평면시에서의 간격은 재단기로 재단된 섬유속의 평균 섬유 길이에 대해서 0.9∼1.6배가 바람직하다.
서로 이웃하는 경사 콤의 평면시에서의 간격이 상기 하한치 이상이면, 경사 콤 사이에 섬유속이 퇴적되기 어려워지고, 상기 상한치 이하이면, 충분한 비율의 섬유속이 경사 콤에 접촉하기 때문에, 섬유 배향이 랜덤한 시트상 섬유속군이 형성되기 쉬워진다.
수평 방향에 대한 경사 콤의 경사 각도는 0° 초과 40° 이하가 바람직하다.
경사 콤은 진동시켜도 된다.
이 경우, 경사 콤을 진동시키는 방향에 대해서는, 길이 방향과 폭 방향과 높이 방향 중, 어느 방향이어도 된다. 경사 콤은 복수의 방향으로 진동시켜도 된다.
시트상 섬유속군에 있어서의 섬유속의 섬유 배향 상태는 제 1 수지 시트의 주행 속도, 즉 라인 속도도 영향을 준다. 구체적으로는, 재단된 섬유속의 선단이 제 1 수지 시트 상에 착지한 후에도 제 1 수지 시트가 주행하고 있기 때문에, 각 섬유속의 섬유 방향은 제 1 수지 시트의 주행 방향에 맞추기 쉽다. 라인 속도가 빠를수록, 섬유속이 착지 후에 제 1 수지 시트의 주행 방향에 대해서 수직한 방향으로 쓰러지기 전에, 제 1 수지 시트의 주행 방향으로 인취되기 쉬워, 제 1 수지 시트의 주행 방향에 대한 배향이 현저해진다. 그 때문에, 라인 속도를 제어하여, 시트상 섬유속군에 있어서의 각 섬유속의 섬유 배향 상태를 조절하는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 라인 속도는 0.5∼5m/분이 바람직하다. 이에 의해, 물성의 격차가 억제된 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어지기 쉬워진다.
<첩합 함침 공정>
첩합 함침 공정은, 예를 들면, 이하와 같이 행할 수 있다.
제 1 캐리어 시트의 상방에서, 제 1 캐리어 시트의 반송 방향과 역방향으로 반송되는 장척의 제 2 캐리어 시트 상에, 매트릭스 수지를 포함하는 페이스트를 소정의 두께로 도공해서 제 2 수지 시트를 형성한다. 그리고, 제 2 수지 시트가 형성된 제 2 캐리어 시트의 반송 방향을 제 1 캐리어 시트의 반송 방향과 동일해지도록 반전시키고, 시트상 섬유속군 상에 제 2 수지 시트를 첩합한다. 이어서, 제 1 수지 시트, 시트상 섬유속군 및 제 2 수지 시트의 적층체를, 적어도 한 쌍의 롤 사이를 통과시킴으로써 양면으로부터 가압하여, 시트상 섬유속군에 매트릭스 수지를 함침시켜 시트상의 섬유 강화 수지 재료를 얻는다. 이 경우, 섬유 강화 수지 재료는 제 1 캐리어 시트와 제 2 캐리어 시트로 협지된 상태로 얻어진다.
시트상 섬유속군에의 매트릭스 수지의 함침에 있어서는, 쌍이 된 롤의 적어도 한쪽에, 평면상의 선단면이 형성된 볼록부가 롤 외주면에 복수 설치된 요철 롤을 이용하는 예비 함침과, 쌍이 된 롤의 양쪽에, 롤 외주면에 요철이 없는 평면 롤을 이용하는 본 함침을, 이 순서대로 행하는 것이 바람직하다.
예비 함침에 있어서의 쌍이 된 롤에 있어서는, 어느 한쪽만이 요철 롤이고 다른 쪽이 평면 롤이어도 되고, 양쪽이 요철 롤이어도 된다.
요철 롤의 롤 외주면에 복수의 볼록부가 설치되는 태양은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 지그재그상 등을 들 수 있다.
요철 롤에 있어서의 볼록부에 형성된 평면상의 선단면의 형상은, 예를 들면, 원형이나, 사각형, 오각형 등의 다각형 등을 들 수 있다.
볼록부의 형상으로서는, 예를 들면, 원기둥형상이나, 사각기둥상, 오각기둥상 등의 다각기둥상을 들 수 있다.
볼록부의 높이 및 선단면의 면적은 적절히 설정할 수 있다. 예를 들면, 롤 외주면으로부터 선단면까지의 높이가 1∼5mm이고, 선단면의 면적이 10∼100mm2인 볼록부를 들 수 있다.
서로 이웃하는 볼록부와 볼록부의 거리는 5∼30mm가 바람직하고, 8∼15mm가 보다 바람직하다.
요철 롤의 롤 외주면의 총면적에 대한, 모든 볼록부의 선단면의 면적의 합계의 비율은 10∼50%가 바람직하고, 20∼40%가 보다 바람직하다.
요철 롤의 롤 외주면에 설치하는 볼록부의 수는, 예를 들면, 롤 외주면 100 cm2당 10∼100개로 할 수 있다.
요철 롤의 재질로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 나이트릴 고무, 불소 고무, 뷰틸 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 실리콘 고무, 유레테인 고무 등을 들 수 있다.
사용하는 고무 경도는, 가압 시의 압력과 고무의 변형에 의한 섬유속의 개섬성의 점에서, A50∼A80으로 하는 것이 바람직하다.
평면 롤의 재질로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 철강, 탄소강 등의 금속, 나이트릴 고무, 불소 고무, 뷰틸 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 실리콘 고무, 유레테인 고무 등을 들 수 있다.
요철 롤을 이용한 예비 함침에서는, 가압 시의 압력이 어느 정도 높더라도, 요철 롤의 볼록부와 볼록부 사이에 매트릭스 수지가 끼어 들어가기 때문에, 적층체 표면에서의 매트릭스 수지의 백플로가 억제된다. 또한, 볼록부의 선단면이 가압면이 되기 때문에, 적층체를 꽉 가압할 수 있다. 그 때문에, 시트상 섬유속군에의 매트릭스 수지의 함침을 스무드하게 행할 수 있다. 또한, 본 함침에 있어서, 평면 롤끼리로 적층체를 가압해서 매트릭스 수지를 더 함침시키기 때문에, 매트릭스 수지가 충분히 시트상 섬유속군에 함침된다. 이에 의해, 섬유 강화 수지 재료 중에 수지 굄이 형성되는 것이 억제되고, 섬유 강화 수지 재료에 있어서의 섬유 함유율의 격차도 억제된다. 그 결과, 변동 계수 Q가 상기 범위 내인 섬유 강화 수지 재료 성형체가 얻어지기 쉬워진다.
얻어진 섬유 강화 수지 재료를 성형해서 섬유 강화 수지 재료 성형체를 제조하는 섬유 강화 수지 재료의 성형 방법은 특별히 한정되지 않고, 공지의 성형 방법을 채용할 수 있다.
예를 들면, 목적하는 섬유 강화 수지 재료 성형체의 형상에 따른 금형을 이용하여 섬유 강화 수지 재료를 가열하고, 가압해서 성형하는 방법을 들 수 있다. 가열과 가압은 동시에 행해져도 되고, 가압에 선행해서 가열이 행해져도 된다.
(섬유 강화 수지 재료의 제조 방법 2)
섬유 강화 수지 재료의 제조 방법의 일 태양으로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 함침 장치를 이용한 방법을 들 수 있다.
<함침 장치>
본 발명의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법의 일 태양에 이용되는 함침 장치는, 제 1 수지 시트와 제 2 수지 시트에 의해, 복수의 개섬된 섬유속으로 이루어지는 시트상 섬유속군이 협지된 적층체를 가압하여, 상기 시트상 섬유속군에 매트릭스 수지를 함침시키는 장치이다.
함침 장치는 제 1 함침 수단을 구비하고, 상기 제 1 함침 수단의 후단에 설치된 제 2 함침 수단을 추가로 구비하고 있어도 된다.
제 1 함침 수단은 적층체를 양면으로부터 가압하는 적어도 한 쌍의 롤을 구비한다. 제 1 함침 수단에 있어서의 쌍이 된 롤의 적어도 한쪽은 평면상의 선단면이 형성된 볼록부가 롤 외주면에 복수 설치된 요철 롤이다.
제 2 함침 수단은 적층체를 양면으로부터 가압하는 복수의 롤을 구비한다. 제 2 함침 수단에 있어서의 복수의 롤은 롤 외주면에 요철이 없는 평면 롤이다.
함침 장치의 일례로서는, 예를 들면, 도 1에 나타낸 함침 장치(100)를 들 수 있다. 이하, 도 1을 이용하여, 함침 장치(100)의 상세를 설명한다.
함침 장치(100)는, 제 1 함침 수단(110)과, 제 1 함침 수단(110)의 후단에 설치된 제 2 함침 수단(120)을 구비한다.
제 1 함침 수단(110)은, 한 쌍의 풀리(111a, 111b) 사이에 무단 벨트(112)를 걸어 맞춘 컨베이어(113)와, 컨베이어(113)에 설치된 가압 기구(114)를 구비한다. 가압 기구(114)는 4쌍의 요철 롤(115) 및 평면 롤(116)을 구비한다. 쌍이 된 요철 롤(115)과 평면 롤(116)은, 무단 벨트(112)의 상측 부분에 있어서의 대응하는 위치에, 요철 롤(115)이 무단 벨트(112)의 외측, 평면 롤(116)이 무단 벨트(112)의 내측이 되도록 상하로 설치되어 있다. 요철 롤(115)의 롤 외주면(115a)에는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 원형의 평면상의 선단면(130a)이 형성된 복수의 원기둥상의 볼록부(130)가 규칙적으로 늘어서 설치되어 있다. 평면 롤(116)은 롤 외주면에 요철이 없는 롤이다.
제 1 함침 수단(110)에서는, 컨베이어(113)의 한 쌍의 풀리(111a, 111b)가 동일 방향으로 회전됨으로써 무단 벨트(112)가 주회하고, 그에 의해 무단 벨트(112) 상에 공급된 띠상의 적층체(S)가 도 1의 우측으로 주행하도록 되어 있다. 그리고, 쌍이 된 요철 롤(115)과 평면 롤(116)에 의해, 주행하는 적층체(S)가 양면으로부터 가압되도록 되어 있다.
제 2 함침 수단(120)은, 한 쌍의 풀리(121a, 121b) 사이에 무단 벨트(122)를 걸어 맞춘 컨베이어(123)와, 컨베이어(123)에 설치된 가압 기구(124)를 구비한다. 컨베이어(123)에는, 무단 벨트(122)에 가해지는 장력을 조정하기 위한 한 쌍의 텐션 풀리(126a, 126b)가 배치되어 있다. 이들 텐션 풀리(126a, 126b)는 무단 벨트(122)에 있어서의 하측 부분에 설치되어 있다. 가압 기구(124)는, 무단 벨트(122)의 상측 부분에 있어서, 무단 벨트(122)의 내측에 설치된 4개의 내측 평면 롤러(125a)와, 무단 벨트(122)의 외측에 설치된 3개의 외측 평면 롤러(125b)를 구비한다. 내측 평면 롤러(125a)와 외측 평면 롤러(125b)는, 무단 벨트(122)의 길이 방향에 있어서 엇갈리게 늘어서 배치되어 있다. 내측 평면 롤러(125a)와 외측 평면 롤러(125b)는 롤 외주면에 요철이 없는 평면 롤이다.
제 2 함침 수단(120)에서는, 컨베이어(123)의 한 쌍의 풀리(121a, 121b)가 동일 방향으로 회전됨으로써 무단 벨트(122)가 주회하고, 그에 의해 무단 벨트(122) 상에 공급된 띠상의 적층체(S)가 도 1의 우측으로 주행하도록 되어 있다. 그리고, 엇갈리게 배치된 내측 평면 롤러(125a)와 외측 평면 롤러(125b) 사이를 띠상의 적층체(S)가 지그재그로 통과하는 것에 의해, 적층체(S)가 양면으로부터 가압되도록 되어 있다.
제 1 함침 수단(110) 및 제 2 함침 수단(120)에서 함침이 행해짐으로써 얻어진 섬유 강화 수지 재료(Q)는 보빈(B)에 권취되도록 되어 있다.
또한, 함침 장치의 다른 예로서는, 예를 들면, 도 2에 나타낸 함침 장치(200)를 들 수 있다. 이하, 도 2를 이용하여, 함침 장치(200)의 상세를 설명하지만, 도 1과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
함침 장치(200)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 제 1 함침 수단(110)과, 제 1 함침 수단(110)의 후단에 설치된 제 2 함침 수단(140)을 구비한다. 즉, 함침 장치(200)는, 함침 장치(100)에 있어서의 제 2 함침 수단(120) 대신에, 제 2 함침 수단(140)을 구비한다.
제 2 함침 수단(140)은, 한 쌍의 풀리(141a, 141b) 사이에 무단 벨트(142)를 걸어 맞춘 컨베이어(143)와, 컨베이어(143)에 설치된 가압 기구(144)를 구비한다. 가압 기구(144)는, 무단 벨트(142)의 상측 부분의 대응하는 위치에 설치된, 4쌍의 내측 평면 롤(145a) 및 외측 평면 롤(145b)을 구비한다. 내측 평면 롤(145a) 및 외측 평면 롤(145b)은, 내측 평면 롤(145a)이 무단 벨트(142)의 내측, 외측 평면 롤(145b)이 무단 벨트(142)의 외측이 되도록 상하로 설치되어 있다.
제 2 함침 수단(140)에서는, 컨베이어(143)의 한 쌍의 풀리(141a, 141b)가 동일 방향으로 회전됨으로써 무단 벨트(142)가 주회하고, 그에 의해 무단 벨트(142) 상에 공급된 띠상의 적층체(S)가 도 2의 우측으로 주행하도록 되어 있다. 그리고, 쌍이 된 내측 평면 롤(145a)과 외측 평면 롤(145b)에 의해, 주행하는 적층체(S)가 양면으로부터 가압되도록 되어 있다.
제 1 함침 수단(110) 및 제 2 함침 수단(140)에서 함침이 행해짐으로써 얻어진 섬유 강화 수지 재료(Q)는 보빈(B)에 권취되도록 되어 있다.
또한, 함침 장치의 다른 예로서는, 예를 들면, 도 3에 나타낸 함침 장치(300)를 들 수 있다. 이하, 도 3을 이용하여, 함침 장치(300)의 상세를 설명하지만, 도 1 또는 도 2와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
함침 장치(300)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제 1 함침 수단(110)과, 제 1 함침 수단(110)의 후단에 설치된 제 2 함침 수단(150)을 구비한다. 즉, 함침 장치(300)는, 함침 장치(100)에 있어서의 제 2 함침 수단(120) 대신에, 제 2 함침 수단(150)을 구비한다.
제 2 함침 수단(150)은, 한 쌍의 풀리(121a, 121b) 사이에 무단 벨트(122)를 걸어 맞춘 컨베이어(123)와, 컨베이어(123)에 설치된 가압 기구(124)와, 컨베이어(123)의 후단에 설치되고 한 쌍의 풀리(141a, 141b) 사이에 무단 벨트(142)를 걸어 맞춘 컨베이어(143)와, 컨베이어(143)에 설치된 가압 기구(144)를 구비한다. 즉, 제 2 함침 수단(150)은, 함침 장치(100)에 있어서의 제 2 함침 수단(120)의 지그재그 방식의 가압 기구(124) 및 컨베이어(123)와, 함침 장치(200)에 있어서의 제 2 함침 수단(140)의 닙 방식의 가압 기구(144) 및 컨베이어(143)를 이 순서대로 구비한다.
제 1 함침 수단(110) 및 제 2 함침 수단(150)에서 함침이 행해짐으로써 얻어진 섬유 강화 수지 재료(Q)는 보빈(B)에 권취되도록 되어 있다.
함침 장치에 있어서의 제 1 함침 수단의 요철 롤에는, 롤 외주면에, 평면상의 선단면이 형성된 볼록부가 복수 설치되어 있고, 예를 들면, 요철 롤(115)에는, 원형의 평면상의 선단면이 형성된 복수의 볼록부가 설치되어 있다.
요철 롤을 구비하는 한 쌍의 롤에 의해 적층체를 가압할 때에는, 볼록부의 선단면이 적층체를 가압하는 가압면이 된다.
요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부의 선단면의 평면 형상은 원형으로는 한정되지 않고, 예를 들면, 사각형, 오각형 등의 다각형 등이어도 된다. 볼록부의 형상은 원기둥형상으로는 한정되지 않고, 예를 들면, 사각기둥상, 오각기둥상 등의 다각기둥상이어도 된다. 볼록부는 선단을 향함에 따라 오므라지는 형상이 되어 있어도 된다.
볼록부의 형상 및 그 선단면의 형상은 1종만이어도 되고, 2종 이상이어도 된다.
요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부는 일정한 패턴을 형성하도록 규칙적으로 늘어서 설치되는 것이 바람직하다. 볼록부를 설치하는 패턴으로서는, 적층체를 가압할 때에 적층체에 대해서 균일하게 압력을 부여할 수 있는 패턴이면 되고, 예를 들면, 지그재그상 등을 들 수 있다.
또한, 요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부는, 선단면의 면적이 큰 복수의 볼록부와, 선단면의 면적이 작은 복수의 볼록부가, 롤 외주면을 정면시했을 때에, 요철 롤의 롤 축 방향에 대해서 경사진 방향으로 배치되고, 또한 롤 축 방향으로 교대로 설치되어 있어도 된다. 구체적으로는, 예를 들면, 도 5에 예시한 요철 롤(115A)이어도 된다.
요철 롤(115A)은, 롤 외주면(115a)에, 원형의 선단면(130a)이 형성된 복수의 원기둥상의 볼록부(130)와, 선단면(130a)보다도 면적이 작은 원형의 평면상의 선단면(130b)이 형성된, 볼록부(130)보다도 직경이 작은 복수의 원기둥상의 볼록부(130A)가 설치되어 있다. 복수의 볼록부(130)와 복수의 볼록부(130A)는, 롤 외주면(115a)을 정면시했을 때에, 각각 요철 롤의 롤 축 방향 A에 대해서 경사진 방향으로 늘어서고, 또한 롤 축 방향 A에 있어서 볼록부(130)와 볼록부(130A)가 교대로 위치하도록 설치되어 있다.
요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부를 이와 같은 패턴으로 배치하는 태양으로 함으로써, 적층체를 가압했을 때에 선단면의 면적이 큰 볼록부와 선단면의 면적이 작은 볼록부 사이에 매트릭스 수지가 끼어 들어가기 쉬워져, 매트릭스 수지의 백플로가 보다 생기기 어려워진다.
요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부의 높이, 즉 롤 외주면으로부터 볼록부의 선단면까지의 거리는 1∼5mm가 바람직하고, 1.5∼3.5mm가 보다 바람직하다. 볼록부의 높이가 상기 하한치 이상이면, 매트릭스 수지를 시트상 섬유속군에 함침시키기 쉬워지고, 상기 상한치 이하이면, 제 1 함침 수단에 있어서의 적층체의 가압 시에 적층체의 표층에서 매트릭스 수지의 백플로가 보다 생기기 어려워진다.
요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부의 각 볼록부의 선단면의 면적은 10∼100mm2가 바람직하고, 20∼50mm2가 보다 바람직하다.
각 볼록부의 선단면의 면적이 상기 하한치 이상이면, 매트릭스 수지를 시트상 섬유속군에 함침시키기 쉬워지고, 상기 상한치 이하이면, 제 1 함침 수단에 있어서의 적층체의 가압 시에 적층체의 표층에서 매트릭스 수지의 백플로가 보다 생기기 어려워진다.
요철 롤의 롤 외주면의 총면적에 대한, 요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부 전부의 선단면의 면적의 합계의 비율은 10∼50%가 바람직하고, 20∼40%가 보다 바람직하다.
요철 롤의 롤 외주면의 총면적에 대한, 요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부 전부의 선단면의 면적의 합계의 비율이 상기 하한치 이상이면, 매트릭스 수지를 시트상 섬유속군에 함침시키기 쉬워지고, 상기 상한치 이하이면, 제 1 함침 수단에 있어서의 적층체의 가압 시에 적층체의 표층에서 매트릭스 수지의 백플로가 보다 생기기 어려워진다.
요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부와 볼록부의 거리는 5∼30mm가 바람직하고, 8∼15mm가 보다 바람직하다.
볼록부와 볼록부의 거리가 상기 하한치 이상이면, 매트릭스 수지를 시트상 섬유속군에 함침시키기 쉬워지고, 상기 상한치 이하이면, 제 1 함침 수단에 있어서의 적층체의 가압 시에 적층체의 표층에서 매트릭스 수지의 백플로가 보다 생기기 어려워진다.
요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 볼록부의 수는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 롤 외주면 100cm2당 10∼100개로 할 수 있다.
요철 롤의 재질로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 나이트릴 고무, 불소 고무, 뷰틸 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 실리콘 고무, 유레테인 고무 등을 들 수 있다.
사용하는 고무 경도는, 가압 시의 압력과 고무의 변형에 의한 섬유속의 개섬성의 점에서, A50∼A80로 하는 것이 바람직하다.
제 1 함침 수단 및 제 2 함침 수단에 있어서의 평면 롤의 재질로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 철강, 탄소강 등의 금속, 나이트릴 고무, 불소 고무, 뷰틸 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 실리콘 고무, 유레테인 고무 등을 들 수 있다.
제 1 함침 수단에 있어서의 쌍이 된 롤에 있어서는, 어느 한쪽만이 요철 롤이고 다른 쪽이 평면 롤이어도 되고, 양쪽이 요철 롤이어도 된다.
제 1 함침 수단(110)이 구비하는 롤은 4쌍이었지만, 제 1 함침 수단이 구비하는 롤은 3쌍 이하여도 되고, 5쌍 이상이어도 된다.
제 2 함침 수단에 있어서의 평면 롤의 수는 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는, 제 2 함침 수단(120)과 같은 지그재그 방식의 경우, 평면 롤의 수는 7개로는 한정되지 않고, 6개 이하여도 되고, 8개 이상이어도 된다. 또한, 제 2 함침 수단(140)과 같은 닙 방식의 경우, 평면 롤은 4쌍으로는 한정되지 않고, 3쌍 이하여도 되고, 5쌍 이상이어도 된다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법의 일 태양에 이용되는 함침 장치가, 제 1 함침 수단과 함께, 상기 제 1 함침 수단의 후단에 설치된 제 2 함침 수단을 추가로 구비하는 경우에는, 요철 롤을 구비하는 제 1 함침 수단에 의해 적층체를 가압하여 매트릭스 수지를 함침시킨 후, 평면 롤로 끼워 넣는 제 2 함침 수단에 의해 적층체를 가압해서 매트릭스 수지를 더 함침시킬 수 있다.
제 1 함침 수단이 요철 롤을 구비함으로써, 가압 시의 압력이 어느 정도 높더라도, 요철 롤의 롤 외주면에 설치되는 복수의 볼록부 사이에 매트릭스 수지가 끼어 들어가, 시트상 섬유속군을 형성하기 위한 섬유속을 개섬하여 편평하게 한 경우라도, 적층체의 표층에서 매트릭스 수지의 백플로가 일어나는 것이 억제된다. 또한, 볼록부의 선단면이 가압면이 되기 때문에, 적층체를 꽉 가압할 수 있어, 시트상 섬유속군에의 매트릭스 수지의 함침을 스무드하게 행할 수 있다. 또한, 더욱이 제 2 함침 수단에 있어서, 적층체를 평면 롤로 끼워 넣고 가압하기 때문에, 매트릭스 수지가 충분히 함침된 기계 특성이 우수한 섬유 강화 수지 재료가 얻어진다.
또한, 본 발명에 이용하는 함침 장치에 있어서는, 제 1 함침 수단의 요철 롤이, 평면상의 선단면이 형성된 볼록부를 구비함으로써, 제 1 함침 수단에 있어서의 가압에 의해, 섬유속이 보다 개섬되는 효과도 얻어진다.
한편, 함침 장치에 있어서의 제 1 함침 수단의 요철 롤 및 평면 롤로서는, 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법 1의 첩합 함침 공정에서 설명한 요철 롤 및 평면 롤을 이용할 수도 있다.
<섬유 강화 수지 재료의 제조>
본 발명의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법은, 복수의 섬유속으로 이루어지는 시트상 섬유속군이, 각각 매트릭스 수지를 포함하는 제 1 수지 시트와 제 2 수지 시트에 의해 협지된 적층체를, 롤로 가압하여, 매트릭스 수지를 시트상 섬유속군에 함침시키는 공정으로서, 평면상의 선단면이 형성된 볼록부가 롤 외주면에 복수 설치된 요철 롤을 이용하는 제 1 함침 공정을 갖는, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료 성형체의 제조에 사용하는 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법이다. 또한, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법은, 제 1 함침 공정의 후에, 매트릭스 수지를 시트상 섬유속군에 더 함침시키는 공정으로서, 롤 외주면에 요철이 없는 평면 롤을 이용하는 제 2 함침 공정을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법에 있어서의 제 1 함침 공정 및/또는 제 2 함침 공정은 전술의 함침 장치를 이용하여 행할 수 있다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법에 있어서의 섬유 강화 수지 재료의 제조는 섬유 강화 수지 재료의 제조 장치를 이용하여 행할 수 있다.
섬유 강화 수지 재료의 제조 장치의 일례로서는, 예를 들면, 도 6에 나타낸 섬유 강화 수지 재료의 제조 장치(1)(이하, 간단히 「제조 장치(1)」라고도 한다)를 들 수 있다. 이하, 도 6을 이용하여, 제조 장치(1)의 상세를 설명한다.
본 실시형태의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법에 사용하는 섬유 강화 수지 재료의 제조 장치(1)(이하, 간단히 제조 장치(1)라고 한다)에 대하여, 도 6에 기초해서 설명한다. 한편, 이하의 설명에 있어서는, 도 6에 표시되는 XYZ 직교 좌표계를 설정하고, 필요에 따라서 이 XYZ 직교 좌표계를 참조하면서, 각 부재의 위치 관계에 대해서 설명한다.
제조 장치(1)는, 개섬 분섬부(10)와, 제 1 캐리어 시트 공급부(11)와, 제 1 반송부(20)와, 제 1 도공부(12)와, 재단기(13)와, 제 2 캐리어 시트 공급부(14)와, 제 2 반송부(28)와, 제 2 도공부(15)와, 첩합부(31)와, 함침 장치(300)를 구비한다.
개섬 분섬부(10)는, 라지 토우인 장척의 섬유속(f1)을 폭 방향(Y축 방향)으로 개섬하는 개섬부(50)와, 개섬된 섬유속(f2)을 복수의 섬유속(f3)으로 분섬하는 분섬부(52)를 구성하고 있다.
개섬부(50)는, X축 방향으로 간격을 띄우고 늘어서 설치된 복수의 개섬 바(17)를 구비한다. 복수의 개섬 바(17)는, 섬유속(f1)이 각 개섬 바(17)의 상하를 순서대로 지그재그로 통과할 때에, 각 개섬 바(17)에 의한 가열, 찰과, 요동 등의 수단에 의해 섬유속(f1)이 폭 방향으로 확폭되도록 되어 있다. 섬유속(f1)이 개섬됨으로써, 편평한 섬유속(f2)이 얻어진다.
분섬부(52)는 복수의 회전 날(18)과 복수의 고데트 롤러(19)를 구비한다.
복수의 회전 날(18)은 개섬된 섬유속(f2)의 폭 방향(Y축 방향)에 소정의 간격으로 늘어서 배치되어 있다. 또한, 각 회전 날(18)에는, 복수의 날(18a)이 둘레 방향으로 줄지어 늘어서 설치되어 있다. 회전 날(18)을 회전시키면서 섬유속(f2)을 통과시킴으로써, 섬유속(f2)에 복수의 날(18a)이 간헐적으로 찔려, 섬유속(f2)이 폭 방향으로 분할되어 복수의 섬유속(f3)이 된다. 단, 분섬된 복수의 섬유속(f3)은 완전히 분섬된 상태로는 되어 있지 않고, 부분적으로 미분섬 상태(결합한 상태)가 되어 있다.
복수의 고데트 롤러(19)는 분섬 후의 섬유속(f3)을 재단기(13)로 안내하는 것이다.
제 1 캐리어 시트 공급부(11)는 제 1 원반롤(R1)로부터 권출된 장척의 제 1 캐리어 시트(C1)를 제 1 반송부(20)로 공급한다. 제 1 반송부(20)는 한 쌍의 풀리(21a, 21b) 사이에 무단 벨트(22)를 걸어 맞춘 컨베이어(23)를 구비한다. 컨베이어(23)에서는, 한 쌍의 풀리(21a, 21b)를 동일 방향으로 회전시키는 것에 의해 무단 벨트(22)를 주회시키고, 무단 벨트(22)의 면 상에 있어서 제 1 캐리어 시트(C1)를 X축 방향의 우측을 향해서 반송한다.
제 1 도공부(12)는 제 1 반송부(20)에 있어서의 풀리(21a)측의 직상에 위치하고 있고, 매트릭스 수지를 포함하는 페이스트(P)를 공급하는 코터(24)를 구비한다. 제 1 캐리어 시트(C1)가 코터(24)를 통과함으로써, 제 1 캐리어 시트(C1)의 면 상에 페이스트(P)가 소정의 두께(100∼1000μm, 바람직하게는 200∼800μm)로 도공되어, 제 1 수지 시트(S1)가 형성된다. 제 1 수지 시트(S1)는 제 1 캐리어 시트(C1)의 반송에 수반하여 주행된다.
재단기(13)는, 제 1 도공부(12)보다도 반송 방향의 후단에 있어서, 제 1 캐리어 시트(C1)의 상방에 위치하고 있다. 재단기(13)는, 분섬 후의 섬유속(f3)을 소정의 길이로 연속적으로 재단하는 것이고, 가이드 롤러(25)와, 핀치 롤러(26)와, 커터 롤러(27)를 구비한다. 가이드 롤러(25)는 공급된 섬유속(f3)을 회전시키면서 하방을 향해서 안내한다. 핀치 롤러(26)는 가이드 롤러(25)와의 사이에서 섬유속(f3)을 끼워 넣으면서, 가이드 롤러(25)와는 역방향으로 회전한다. 이에 의해, 보빈(B1)으로부터 섬유속(f1)이 인출된다. 커터 롤러(27)는 회전하면서 섬유속(f3)을 소정의 길이가 되도록 재단한다. 재단기(13)에 의해 소정의 길이로 재단된 섬유속(f4)은 낙하해서 제 1 수지 시트(S1) 상에 산포되어, 시트상 섬유속군(F)이 형성된다.
제 2 캐리어 시트 공급부(14)는 제 2 원반롤(R2)로부터 권출된 장척의 제 2 캐리어 시트(C2)를 제 2 반송부(28)로 공급한다. 제 2 반송부(28)는 컨베이어(23)에 의해 반송되는 제 1 캐리어 시트(C1)의 상방에 위치하고 있고, 복수의 가이드 롤러(29)를 구비한다. 제 2 반송부(28)는, 제 2 캐리어 시트 공급부(14)로부터 공급된 제 2 캐리어 시트(C2)를 제 1 캐리어 시트(C1)와는 반대 방향(X축 방향의 좌측)으로 반송한 후, 반송 방향을 복수의 가이드 롤러(29)에 의해 제 1 캐리어 시트(C1)와 동일한 방향(X축 방향의 우측)으로 반전시킨다.
제 2 도공부(15)는 제 1 캐리어 시트(C1)와는 반대 방향으로 반송되고 있는 제 2 캐리어 시트(C2)의 직상에 위치하고, 매트릭스 수지를 포함하는 페이스트(P)를 공급하는 코터(30)를 구비한다. 제 2 캐리어 시트(C2)가 코터(30)를 통과함으로써, 제 2 캐리어 시트(C2)의 면 상에 페이스트(P)가 소정의 두께(100∼1000μm, 바람직하게는 200∼800μm)로 도공되어, 제 2 수지 시트(S2)가 형성되도록 되어 있다. 제 2 수지 시트(S2)는 제 2 캐리어 시트(C2)의 반송에 수반하여 주행한다.
첩합부(31)는 제 1 반송부(20)에 있어서의 재단기(13)보다도 후단에 위치하고 있다. 첩합부(31)는 컨베이어(23)의 풀리(21b)의 상방에 위치하고, 복수의 첩합 롤러(33)를 구비한다. 복수의 첩합 롤러(33)는 제 2 수지 시트(S2)가 형성된 제 2 캐리어 시트(C2)의 배면에 접촉한 상태로 반송 방향으로 늘어서 배치되어 있다. 또한, 복수의 첩합 롤러(33)는 제 1 캐리어 시트(C1)에 대해서 제 2 캐리어 시트(C2)가 서서히 접근하도록 배치되어 있다.
첩합부(31)에서는, 제 1 캐리어 시트(C1)와 제 2 캐리어 시트(C2)가, 그 사이에 제 1 수지 시트(S1), 시트상 섬유속군(F) 및 제 2 수지 시트(S2)를 끼워 넣은 상태로 첩합된다. 이에 의해, 제 1 수지 시트(S1), 시트상 섬유속군(F) 및 제 2 수지 시트(S2)를 이 순서대로 밑에서부터 적층한 적층체가 형성된다. 여기에서, 적층체를 끼워 넣은 상태로 제 1 캐리어 시트(C1)와 제 2 캐리어 시트(C2)가 첩합된 것을 첩합 시트(S3)라고 한다.
함침 장치(300)는 첩합부(31)의 후단에 위치하고 있다. 함침 장치(300)에 있어서의 제 1 함침 수단(110) 및 제 2 함침 수단(150)에 있어서 첩합 시트(S3)가 순차적으로 가압됨으로써, 적층체에 있어서 매트릭스 수지가 시트상 섬유속군에 함침된다. 이에 의해, 섬유 강화 수지 재료를 포함하는 원반(R)이 얻어진다. 원반(R)은 소정의 길이로 절단해서 성형에 사용할 수 있다. 한편, 제 1 캐리어 시트(C1) 및 제 2 캐리어 시트(C2)는 섬유 강화 수지 재료의 성형 전에 섬유 강화 수지 재료로부터 박리된다.
다음으로, 제조 장치(1)를 이용한 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법에 대하여 설명한다. 이하에 설명하는 제조 장치(1)를 이용한 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법은,
·장척의 섬유속(f1)을 개섬에 의해 폭 방향으로 확폭해서 섬유속(f2)으로 하고, 더욱이 섬유속(f2)을 분섬에 의해 폭 방향으로 분할해서 복수의 섬유속(f3)으로 하는 개섬 분섬 공정,
·섬유속(f3)을 연속적으로 재단하고, 제 1 수지 시트(S1) 상에 재단된 복수의 섬유속(f4)을 시트상으로 산포해서 시트상 섬유속군(F)을 형성하는 산포 공정,
·시트상 섬유속군(F) 상에 제 2 수지 시트(S2)를 첩합하고, 제 1 수지 시트(S1), 시트상 섬유속군(F) 및 제 2 수지 시트(S2)가 이 순서대로 밑에서부터 적층된 적층체를 형성하는 첩합 공정,
·적층체를 함침 장치(300)의 제 1 함침 수단(110)에 의해 가압하여, 매트릭스 수지를 시트상 섬유속군(F)에 함침시키는 제 1 함침 공정,
· 제 1 함침 공정 후의 상기 적층체를 제 2 함침 수단(150)에 의해 가압하여, 매트릭스 수지를 더 함침시켜 섬유 강화 수지 재료를 얻는 제 2 함침 공정
을 갖는다.
<개섬 분섬 공정>
개섬 분섬부(10)의 전단에 위치하는 보빈(B)으로부터 라지 토우인 장척의 섬유속(f1)을 권출하고, 개섬부(50)에 있어서, 섬유속(f1)을 각 개섬 바(17)의 상하로 순서대로 지그재그로 통과시키고, 개섬에 의해 폭 방향으로 확폭해서 편평한 상태의 섬유속(f2)으로 한다. 또, 분섬부(52)에 있어서 복수의 회전 날(18)을 회전시키면서 섬유속(f2)을 통과시키고, 복수의 날(18a)을 간헐적으로 찔러, 섬유속(f2)을 폭 방향으로 분할해서 복수의 섬유속(f3)으로 한다.
섬유속으로서는, 탄소 섬유속이 바람직하다. 한편, 섬유속으로서는, 유리 섬유속을 이용해도 된다. 라지 토우인 섬유속으로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 섬유수가 20,000본 이상인 섬유속을 들 수 있다.
<산포 공정>
제 1 캐리어 시트 공급부(11)에 의해, 제 1 원반롤(R1)로부터 장척의 제 1 캐리어 시트(C1)를 권출하여 제 1 반송부(20)로 공급하고, 제 1 도공부(12)에 의해 페이스트(P)를 소정의 두께로 도공해서 제 1 수지 시트(S1)를 형성한다. 제 1 반송부(20)에 의해 제 1 캐리어 시트(C1)를 반송하는 것에 의해, 제 1 캐리어 시트(C1) 상의 제 1 수지 시트(S1)를 주행시킨다.
페이스트(P)에 포함되는 매트릭스 수지로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 불포화 폴리에스터 수지 등을 들 수 있다. 페이스트(P)에는, 탄산 칼슘 등의 충전제나, 저수축화제, 이형제, 경화 개시제, 증점제 등을 배합해도 된다.
또한, 개섬 분섬부(10)로부터 공급된 분섬 후의 장척의 섬유속(f3)을, 재단기(13)에 있어서 소정의 길이가 되도록 연속적으로 재단하고, 재단된 섬유속(f4)을 제 1 수지 시트(S1) 상에 낙하시켜 산포한다. 이에 의해, 주행하는 제 1 수지 시트(S1) 상에, 각 섬유속(f4)이 랜덤한 섬유 배향으로 산포된 시트상 섬유속군(F)이 연속적으로 형성된다.
<적층 공정>
제 2 캐리어 시트 공급부(14)에 의해, 제 2 원반롤(R2)로부터 장척의 제 2 캐리어 시트(C2)를 권출하여 제 2 반송부(28)로 공급한다. 제 2 도공부(15)에 의해, 제 2 캐리어 시트(C2)의 면 상에 페이스트(P)를 소정의 두께로 도공하여, 제 2 수지 시트(S2)를 형성한다. 제 2 캐리어 시트(C2)를 반송함으로써 제 2 수지 시트(S2)를 주행시키고, 첩합부(31)에 있어서 제 1 캐리어 시트(C1)와 제 2 캐리어 시트(C2)를 첩합한다. 이에 의해, 제 1 수지 시트(S1), 시트상 섬유속군(F) 및 제 2 수지 시트(S2)가 이 순서대로 밑에서부터 적층된 적층체가, 제 1 캐리어 시트(C1)와 제 2 캐리어 시트(C2)로 협지된 첩합 시트(S3)를 형성한다.
<제 1 함침 공정>
함침 장치(300)의 제 1 함침 수단(110)에 있어서, 적층체를 포함하는 첩합 시트(S3)를, 가압 기구(114)의 요철 롤(115) 및 평면 롤(116)을 회전시키면서 그들 사이를 통과시켜 가압하여, 제 1 수지 시트(S1) 및 제 2 수지 시트(S2)의 매트릭스 수지의 일부를 시트상 섬유속군(F)에 함침시킨다. 본 발명에서는, 제 1 함침 공정에 있어서, 제 1 함침 수단에 있어서의 가압에 의해 매트릭스 수지를 함침시킴과 더불어, 시트상 섬유속군을 형성하는 각 섬유속을 개섬시키는 것이 바람직하다.
<제 2 함침 공정>
제 1 함침 수단(110)에 의한 함침 후의 첩합 시트(S3)를, 제 2 함침 수단(150)에 있어서의 가압 기구(124)의 내측 평면 롤러(125a) 및 외측 평면 롤러(125b)를 회전시키면서 그들 사이를 지그재그로 통과시켜 가압한다. 제 2 함침 수단(150)에 있어서의 가압 기구(124)의 가압은 가압 기구(114)에 있어서의 요철 롤(115) 및 평면 롤(116)의 가압보다도 높은 압력으로 한다. 이에 의해, 제 1 수지 시트(S1) 및 제 2 수지 시트(S2)에 있어서의 매트릭스 수지를 시트상 섬유속군(F)에 더 함침시킨다.
또, 첩합 시트(S3)를 가압 기구(144)의 내측 평면 롤(145a) 및 외측 평면 롤(145b)을 회전시키면서 그들 사이를 통과시켜 가압한다. 가압 기구(144)에 있어서의 내측 평면 롤(145a) 및 외측 평면 롤(145b)의 가압은 가압 기구(124)에 있어서의 내측 평면 롤러(125a)와 외측 평면 롤러(125b)의 가압보다도 높은 압력으로 한다. 이에 의해, 제 1 수지 시트(S1) 및 제 2 수지 시트(S2)에 있어서의 매트릭스 수지의 나머지를 시트상 섬유속군(F)에 완전히 함침시킨다. 이에 의해, 섬유 강화 수지 재료가 제 1 캐리어 시트(C1)와 제 2 캐리어 시트(C2)로 협지된 원반(R)이 얻어진다.
본 발명의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법에 있어서는, 제 1 함침 공정에 있어서 요철 롤을 구비하는 제 1 함침 수단에 의해 적층체를 가압해서 매트릭스 수지를 함침시킨다.
이에 의해, 가압 시의 압력이 어느 정도 높더라도 볼록부와 볼록부 사이에 매트릭스 수지가 끼어 들어가기 때문에, 시트상 섬유속군을 형성하기 위한 섬유속을 개섬하여 편평하게 한 경우라도, 적층체 표면에서 매트릭스 수지의 백플로가 일어나는 것이 억제된다.
또한, 볼록부의 선단면이 가압면이 되기 때문에, 적층체를 꽉 가압할 수 있어, 시트상 섬유속군에의 매트릭스 수지의 함침을 스무드하게 행할 수 있다.
또, 제 2 함침 공정에 있어서 평면 롤로 끼워 넣는 제 2 함침 수단에 의해 적층체를 가압해서 매트릭스 수지를 더 함침시키기 때문에, 매트릭스 수지가 충분히 시트상 섬유속군에 함침된 기계 강도가 우수한 섬유 강화 수지 재료를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 제 1 함침 수단에 있어서, 평면상의 선단면이 형성된 볼록부를 구비하는 요철 롤에 의해 가압을 행하기 때문에, 매트릭스 수지의 백플로를 억제하면서, 섬유속을 보다 개섬시킬 수도 있다.
한편, 본 발명의 섬유 강화 수지 재료의 제조 방법은, 제조 장치(1)를 이용하는 방법으로는 한정되지 않는다. 예를 들면, 함침 장치(300) 대신에 함침 장치(100) 또는 함침 장치(200)를 구비하는 제조 장치를 이용하는 방법이어도 된다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 기재에 의해서는 한정되지 않는다.
[섬유 함유율 평균값 P와 섬유 함유율 변동 계수 Q]
각 예의 섬유 강화 수지 재료 성형체를 두께 방향으로 절단하고, 그 절단면이 덮이도록 절단편을 메타크릴 수지(제품명 「테크노비트 4004」, 헤레우스사제)로 포매한 후, 연마를 행하여 절단면을 노출시켰다. 이어서, 절단면을 광학 현미경(제품명 「BX51M」, 올림푸스사제)에 의해 배율 100배로 촬상했다. 절단면의 화상을 화상 처리 소프트(제품명 「Winroof2015」, 미타니상사사제)에 의해 0.1mm 각의 단위 구획으로 분할한 후, 휘도의 역치를 136으로 해서 이치화 처리를 행하여 섬유속과 매트릭스 수지를 구별했다. 이어서, 2000개소의 단위 구획의 각각에 대하여, 단위 구획의 면적에 대해서 휘도가 역치 이상인 영역(섬유속이 차지하는 영역)의 면적이 차지하는 비율을 측정하고, 섬유 함유율을 구했다. 이어서, 2000개소의 단위 구획에 대한 섬유 함유율의 평균값(평균값 P)과 표준 편차를 산출하고, 표준 편차를 평균값 P로 나누어서 변동 계수 Q를 산출했다.
[거칠기도 β]
각 예의 섬유 강화 수지 재료를 25±5℃의 온도에서 1주간 양생한 후, 롤링 커터로 세로 300mm, 가로 300mm의 사이즈로 2매 잘라내고, 이들 약 250g의 섬유 강화 수지 재료의 긴 방향이 동일해지도록 적층했다. 이 약 500g의 섬유 강화 수지 재료의 적층체의 중심을 기준으로, 좌우 2열과 상하 2열로부터 30mm 간격으로 세로 15mm, 가로 15mm의 사이즈의 시험편을 25개 잘라냈다.
이어서, X선 장치를 이용하여, 상기 시험편에 투과법으로 X선을 조사하면서, 시험편을 그의 두께 방향을 축으로 회전시키고, 회절각 2θ=25.4°에 배치한 검출기로 회절 X선을 도입하여, i번째의 회전 각도(φi)에 있어서의 휘도(I(φi))를 측정했다. 단, I(φi)는 적분 강도가 10000이 되도록 규격화된 것으로 했다.
이 거칠기도 β의 측정에 있어서는, X선 회절 장치로서 PANalytical사제 Empyrean을 이용하여, 관 전압을 45kV로 하고, 관 전류는 40mA로 했다. 또한, 입사측에는 더블 크로스 슬릿을 장착하고, 상류 및 하류의 슬릿의 세로 및 가로의 폭을 모두 2mm로 세팅했다. 또, 수광측에는 패럴렐 플레이트 콜리메이터를 장착하고, 검출기에는 프로포셔널 카운터를 장착했다. 측정 데이터를 0.04도 간격으로 도입하는 것에 의해, 상기 시험편의 결정 배향을 평가했다.
한편, 상기의 측정 조건은 어디까지나 일례이고, 거칠기도 β의 측정의 취지가 변하지 않는 범위에서 적절히 변경해서 실시할 수 있다.
이어서, 측정한 I(φi)로부터 식(2)에 의해 f(φi)를 구하고, 더욱이 식(1)을 이용하여, 25개의 시험편의 측정값의 평균값으로서 거칠기도 β를 구했다.
[결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차]
거칠기도 β의 시험편의 제작과 마찬가지로 해서, 세로 15mm, 가로 15mm의 사이즈의 시험편을 25개 잘라냈다. 잘라낸 25개의 시험편에 대하여 휘도(I(φi))를 측정했다. 단, I(φi)는 적분 강도가 10000이 되도록 규격화된 것으로 했다. 이어서, 측정한 I(φi)를 이용하여, 25개의 시험편 각각에 대하여 식(5)에 의해 배향 계수 a를 구했다. 또, 얻어진 배향 계수 a를 이용하여, 25개의 시험편 각각에 대하여 식(4)에 의해 결정 배향도 fa를 구하고, 그들의 평균값과 표준 편차를 산출했다.
실시예 1
장척의 섬유속으로서 탄소 섬유속(상품명 「TR50S15L」, 미쓰비시레이온사제)을 사용했다.
열경화성 수지인 에폭시 아크릴레이트 수지(제품명: 네오폴 8051, 니혼유피카사제) 100질량부에 대해서, 경화제로서, 1,1-다이(t-뷰틸퍼옥시)사이클로헥세인의 75% 용액(제품명: 퍼헥사 C-75, 닛폰유지사제) 0.5질량부와, t-뷰틸퍼옥시아이소프로필카보네이트의 74% 용액(제품명: 카야카본 BIC-75, 가야쿠아크조사제) 0.5질량부를 첨가하고, 내부 이형제로서, 인산 에스터계 유도체 조성물(제품명: MOLD WIZ INT-EQ-6, 액셀플라스틱리서치래버러토리사제) 0.35질량부를 첨가하고, 증점제로서, 변성 다이페닐메테인 다이아이소사이아네이트(제품명: 코스모네이트 LL, 미쓰이화학사제) 15.5질량부를 첨가하고, 안정제로서, 1,4-벤조퀴논(제품명: p-벤조퀴논, 와코준야쿠공업사제) 0.02질량부를 첨가하고, 이들을 충분히 혼합 교반하여 매트릭스 수지를 포함하는 페이스트를 얻었다.
반송하고 있는 제 1 캐리어 시트 상에 상기 페이스트를 도공해서 두께 0.45mm의 제 1 수지 시트를 형성했다. 또한, 개섬 및 분섬을 행한 두께 0.05mm, 폭 7.5mm의 탄소 섬유속을 재단기로 재단하여 평균 섬유 길이가 50.8mm인 촙드 섬유속으로 해서 낙하시켜, 두께 1.3mm의 시트상 섬유속군을 형성했다. 제 1 수지 시트와 재단기 사이에는, 직경 3mm의 단면 원형상의 복수의 경사 콤을 제 1 수지 시트의 주행 방향과 평행하도록 정렬해서 배치했다. 경사 콤의 제 1 수지 시트로부터의 높이는 400mm, 서로 이웃하는 경사 콤의 간격은 65mm, 경사 콤의 수평 방향에 대한 경사 각도를 15°로 했다. 라인 속도는 1.5m/분으로 했다.
제 1 캐리어 시트의 상방에서, 제 1 캐리어 시트와 역방향으로 반송하고 있는 제 2 캐리어 시트 상에 상기 페이스트를 도공해서 두께 0.45mm의 제 2 수지 시트를 형성하고, 반송 방향을 반전시켜 제 2 수지 시트를 상기 시트상 섬유속군 상에 첩합해서 적층했다. 또, 제 1 수지 시트, 시트상 섬유속군 및 제 2 수지 시트의 적층체에 대해서, 예비 함침과 본 함침을 행하여, 두께 2mm의 시트상의 섬유 강화 수지 재료를 얻었다. 예비 함침은, 롤 외주면에 원기둥상의 볼록부(볼록부의 높이: 3mm, 볼록부의 선단면의 면적: 38mm2, 볼록부의 피치: 8mm)가 지그재그상으로 설치된 요철 롤과, 평면 롤을 조합한 5쌍의 롤에 의해 행했다. 본 함침은 11쌍의 평면 롤에 의해 행했다.
얻어진 섬유 강화 수지 재료의 거칠기도 β는 3.89이고, 0° 방향을 기준으로 한 섬유속의 결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차의 합계값은 0.077이었다.
얻어진 섬유 강화 수지 재료를 25±5℃의 온도에서 1주간 양생한 것을 250mm×250mm로 절단하고, 단부에 감합부를 갖는 패널 성형용 금형(300mm×300mm×2mm, 표면 크로뮴 도금 마무리)에, 제조 장치에서의 섬유 강화 수지 재료의 반송 방향(MD 방향)을 맞추어, 2매(합계 대략 156g)를 금형 중앙에 투입했다. 그리고, 금형 내에서 섬유 강화 수지 재료를 140℃, 8MPa, 5분의 조건에서 가열 가압하여, 섬유 강화 수지 재료 성형체를 얻었다.
얻어진 섬유 강화 수지 재료 성형체의 섬유 함유율 평균값 P는 55.7%, 섬유 함유율 변동 계수 Q는 26.1%였다.
또한, 얻어진 섬유 강화 수지 재료 성형체의 면 방향을 따른 절단면에 있어서의 섬유속의 섬유축의 방향은 실질적으로 랜덤으로 분포하고 있었다.
다음으로, 섬유 강화 수지 재료 성형체의 굽힘 강도와 굽힘 탄성률을 측정하기 위해, 섬유 강화 수지 재료 성형체로부터, 섬유 강화 수지 재료의 반송 방향(0° 방향)과 폭 방향(90° 방향)을 따라서, 길이 110mm, 폭 25mm의 시험편을 각각 6매 잘라냈다. 그리고, 5kN 인스트론 만능 시험기를 이용해서, L/D=40, 크로스 헤드 속도 5mm/분으로 3점 굽힘 시험을 각 시험편에 대해서 행하여, 각각의 굽힘 강도와 굽힘 탄성률을 측정하고, 각각의 평균값과 변동 계수를 구함과 더불어, 각각의 방향을 따른 굽힘 탄성률의 비를 구했다.
실시예 2
촙드 섬유속의 폭을 15mm로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서, 섬유 강화 수지 재료 및 섬유 강화 수지 재료 성형체를 얻었다.
얻어진 섬유 강화 수지 재료 성형체의 섬유 함유율 평균값 P는 56.0%, 섬유 함유율 변동 계수 Q는 20.3%였다.
비교예 1
섬유 강화 수지 재료로서 제품명 「STR120N131-KA6N」(미쓰비시레이온사제, 거칠기도 β 3.71, 섬유속의 결정 배향도 fa의 평균값과 표준 편차의 합계값 0.105)을 사용하여, 두께 2mm의 25cm 각의 시료편을 2매 잘라내어 겹치고, 프레스 성형하여 30cm 각의 판상의 섬유 강화 수지 재료 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체의 섬유 함유율의 평균값 P는 44.2%, 변동 계수 Q는 47.1%였다.
실시예 1에서 얻어진 섬유 강화 수지 재료 성형체의 평가 결과를 표 1에, 실시예 2에서 얻어진 섬유 강화 수지 재료 성형체의 평가 결과를 표 2에, 비교예 1에서 얻어진 섬유 강화 수지 재료 성형체의 평가 결과를 표 3에 각각 나타낸다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
실시예 1 및 실시예 2의 섬유 강화 수지 재료 성형체는 섬유 함유율의 변동 계수 Q는 40% 이하여서, 변동 계수 Q가 40% 초과인 비교예 1의 섬유 강화 수지 재료 성형체에 비해, 섬유 함유율의 격차가 억제되어 있기 때문에, 물성의 격차가 작다.

1: 섬유 강화 수지 재료의 제조 장치
10: 개섬 분섬부
11: 제 1 캐리어 시트 공급부
12: 제 1 도공부
13: 재단기
14: 제 2 캐리어 시트 공급부
15: 제 2 도공부
20: 제 1 반송부
28: 제 2 반송부
31: 첩합부
50: 개섬부
52: 분섬부
100, 200, 300: 함침 장치
110: 제 1 함침 수단
115: 요철 롤
115a: 롤 외주면
130, 130A: 볼록부
130a, 130b: 선단면
120, 140, 150: 제 2 함침 수단

Claims (6)

  1. 평균 섬유 길이가 5∼100mm인 복수본의 탄소 섬유로 이루어지는 섬유속을 포함하고,
    하기 (A) 및 (B)를 만족하는 판상의 성형체가 생기도록 경화시킬 수 있는, 시트 몰딩 컴파운드(SMC: Sheet Molding Compound).
    (A) 두께 방향에 따른 절단면에 있어서의, 0.1mm 각의 단위 구획당 상기 탄소 섬유의 섬유 함유율의 변동 계수가 40% 이하이다.
    (B) 직교하는 제 1 방향 및 제 2 방향 각각에 따른 굽힘 탄성률의 비가 0.8:1∼1:0.8이고, 또한 제 1 방향에 따른 굽힙 탄성률의 변동 계수와 제 2 방향에 따른 굽힘 탄성률의 변동 계수가 모두 5~15이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형체의 면 방향을 따른 절단면에 있어서의 상기 섬유속의 섬유축의 방향이 실질적으로 랜덤으로 분포하고 있는, 시트 몰딩 컴파운드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변동 계수가 10% 이상인, 시트 몰딩 컴파운드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형체의 두께 방향을 따른 절단면에 있어서의, 0.1mm 각의 단위 구획당 상기 탄소 섬유의 섬유 함유율의 평균값이 50∼60%인, 시트 몰딩 컴파운드.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 성형체의 두께 방향을 따른 절단면에 있어서의, 0.1mm 각의 단위 구획당 상기 탄소 섬유의 섬유 함유율의 평균값이 50∼60%인, 시트 몰딩 컴파운드.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    매트릭스 수지로서 열경화성 수지를 포함하는, 시트 몰딩 컴파운드.
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