KR20210042321A

KR20210042321A - 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법 및 성형품

Info

Publication number: KR20210042321A
Application number: KR1020217003808A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 고시; 쇼마 이시다; 요시히로 나루세
Original assignee: 도레이 카부시키가이샤
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-04-19
Also published as: EP3842205B1; JPWO2020040122A1; JP7312380B2; BR112021002661A2; CN112566766B; US20210213690A1; EP3842205A1; CA3108757A1; TW202019670A; CN112566766A; EP3842205A4; AU2019324921A1; WO2020040122A1

Abstract

연속 섬유를 포함하는 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시켜 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 제조하는 방법이며, 열가소성 수지를 저류하는 도포부에, 연속 섬유를 포함하는 강화 섬유를 일방향으로 배열한 시트상 강화 섬유 다발을 통과시켜, 열가소성 수지를 시트상 강화 섬유 다발에 도포하여 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발로 하는 도포 공정, 도포한 상기 열가소성 수지를, 상기 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 내부에 추가 함침시키는 추가 함침 공정, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 부형하고, 냉각 고화하는 부형 공정을 포함하고, 상기 도포 공정에 있어서, 상기 시트상 강화 섬유 다발을, 연직 방향 하향으로 통과시켜 열가소성 수지를 띠상 강화 섬유 다발에 도포함과 함께, 상기 도포 공정 및 추가 함침 공정에 있어서, 상기 열가소성 수지는 융점+30℃ 이상으로 가열되고, 가열 상태에 있어서의 열가소성 수지의 점도가 5 내지 200Paㆍs인 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법. 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법에 관하여, 보풀 발생을 억제하고, 또한 보풀이 막히지 않고 연속 생산이 가능하며, 또한 시트상 강화 섬유 다발에 열가소성 수지를 효율적으로 함침시켜, 생산 속도의 고속화가 가능한 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법을 제공한다.

Description

열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법 및 성형품

본 발명은 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법, 특히 시트상 강화 섬유 다발에 수지를 균일하게 공급하고, 함침하는 방법에 관한 것이다.

연속된 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시켜 이루어지는 섬유 강화 열가소성 수지 기재는 비강도, 비강성이 우수하고, 경량화 효과가 높은 데다가 내열성, 내약품성이 높기 때문에, 항공기, 자동차 등의 수송 기기나, 스포츠, 전기ㆍ전자 부품 등의 각종 용도로 바람직하게 사용되고 있다. 근년, 경량화에 대한 수요의 고조에 따라 항공기, 자동차 용도를 중심으로, 금속 부품으로부터 수지 부품으로의 대체나, 부품의 소형화, 모듈화가 진행되고 있는 점에서, 보다 성형성이 우수하고 또한 기계 특성이 우수한 재료 개발이 요구되고 있다.

성형성과 기계 특성이 우수한 구조재용 복합 재료로서는, 예를 들어 폴리아미드 수지에 탄소 섬유를 함유하여 이루어지는 섬유 강화 열가소성 수지 프리프레그(예를 들어, 특허문헌 1 참조)가 알려져 있다. 이러한 프리프레그는 높은 기계 특성으로 인해 경량화 재료로서 기대되고 있지만, 안정되게 기계 특성을 발현하기 위해서는 섬유 다발 사이로의 매트릭스 수지의 함침성이 우수한 것이 필요하다.

열가소성 수지를 사용한 프리프레그의 제조 방법으로서, 띠상 강화 섬유 다발을 수평 방향(횡방향)으로 반송하고, 다이에 통과시켜, 띠상 강화 섬유 다발에 열가소성 수지를 부여ㆍ함침하는 횡형 인발 방식(특허문헌 2, 특허문헌 3 등)이 알려져 있다. 특허문헌 2에는 테이프상 강화 유를 크로스헤드(특허문헌 2의 도 2)에 통과시켜, 크로스헤드 내의 직선상의 다이부 직전에서 수지가 테이프상 강화 섬유 다발에 부여된다. 특허문헌 3에는 복수의 띠상 강화 섬유 다발을 별개로 용융 열가소성 수지가 채워진 다이 내에 도입하고, 고정 가이드(예를 들어 스퀴즈 바)에 의해 개섬, 함침, 적층하여, 최종적으로 1매의 시트상 프리프레그로서 다이로부터 인발하는 것이 기재되어 있다.

국제 공개 WO2001/028951 팸플릿 일본 특허 공개 평6-31821호 공보 국제 공개 WO2012/002417 팸플릿

특허문헌 2의 기술에서는, 크로스헤드 내의 다이부의 전방부는 수지가 없는 상태로 테이프상 강화 섬유가 슬릿상의 가이더 칩을 통과하기 때문에, 보풀이 막히기 쉽고, 또한 보풀을 제거하는 기능도 없기 때문에, 장시간 연속 주행시키기가 곤란하다고 생각된다. 특히 보풀이 발생하기 쉬운 탄소 섬유에서는 이 경향이 현저해진다고 생각된다.

또한, 특허문헌 3의 방법에서는 연속 생산 시에 액고임부에 보풀이 체류하기 쉽고, 인발부에서 보풀이 막히기 쉽다. 특히, 띠상 강화 섬유 다발을 고속으로 연속 주행시키면, 보풀이 막히는 빈도가 매우 높아지기 때문에, 매우 늦은 속도로밖에 생산할 수 없어 생산성이 향상되지 않는 문제점이 있었다. 또한, 횡형 인발 방식에 있어서는, 띠상 강화 섬유 다발의 내부에 열가소성 수지가 함침될 때, 띠상 강화 섬유 다발의 내부에 잔류하고 있던 기포는 부력에 의해 강화 섬유 다발의 배향 방향과 직교하는 방향(띠상 강화 섬유 다발의 두께 방향)으로 배출되기 때문에, 함침되어 오는 열가소성 수지를 밀어내도록 하여 기포의 배출이 진행된다. 그 때문에, 기포의 이동이 액에 의해 저해되는 데다가, 열가소성 수지의 함침도 기포에 의해 저해되기 때문에, 함침 효율이 나쁘다고 하는 문제점이 있었다. 또한, 특허문헌 3에서는 기포를 벤트로부터 배기하는 것도 제안되어 있지만, 다이 출구 부근뿐이며, 그 효과는 한정적이라고 생각된다.

이와 같이 일방향으로 배열된 강화 섬유 다발로의 효율적인 열가소성 수지 부여 및 함침 방법, 특히 일방향 강화 섬유 다발을 사용한 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 효율적인 제조 방법은 아직 확립되어 있지 않았다.

본 발명의 과제는, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법에 관하여, 보풀 발생을 억제하고, 또한 보풀이 막히지 않고 연속 생산이 가능하며, 또한 시트상 강화 섬유 다발에 열가소성 수지를 효율적으로 함침시켜, 생산 속도의 고속화가 가능한 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 주로 이하의 구성을 갖는다.

[1] 연속 섬유를 포함하는 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시켜 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 제조하는 방법이며, 열가소성 수지를 저류하는 도포부에, 연속 섬유를 포함하는 강화 섬유를 일방향으로 배열한 시트상 강화 섬유 다발을 통과시켜, 열가소성 수지를 시트상 강화 섬유 다발에 도포하여 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발로 하는 도포 공정, 도포한 상기 열가소성 수지를, 상기 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 내부에 추가 함침시키는 추가 함침 공정, 및 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 부형하고, 냉각 고화하는 부형 공정을 포함하고, 상기 도포 공정에 있어서, 상기 시트상 강화 섬유 다발을 연직 방향 하향으로 통과시켜 열가소성 수지를 띠상 강화 섬유 다발에 도포함과 함께, 상기 도포 공정 및 추가 함침 공정에 있어서, 상기 열가소성 수지를 융점+30℃ 이상으로 가열하고, 가열 상태에 있어서의 열가소성 수지의 점도가 5 내지 200Paㆍs인 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[2] 상기 도포부는 서로 연통된 액고임부와 협착부를 구비하고, 상기 액고임부는 시트상 강화 섬유 다발의 주행 방향을 따라 단면적이 연속적으로 감소하는 부분을 갖고, 상기 협착부는 슬릿상의 단면을 가지며, 또한 액고임부 상면보다 작은 단면적을 가짐과 함께, 상기 액고임부에 있어서의 열가소성 수지의 체류 시간이 1 내지 60min인 [1]에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[3] 상기 도포 공정에 있어서, 협착부의 슬릿상 단면에 있어서 하기 (식 1)로 표시되는 시트상 강화 섬유 다발에 작용하는 전단력이 1 내지 1500N의 범위인 [1] 또는 [2]에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

(식 1) F=2×(Y+D)×X×η×(U/δ)

F: 협착부에서 작용하는 전단력(N), Y: 협착부의 폭, D: 협착부의 간극

η: 수지 점도(MPa), U: 인취 속도(m/min), δ: 섬유간 거리(mm)

X: 협착부 길이(mm)

[4] 상기 도포 공정, 추가 함침 공정 및 부형 공정을 연속적으로 행하는 [1] 내지 [3] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[5] 상기 도포 공정에 있어서의 열가소성 수지의 도포를 불활성 가스 분위기 하에서 행하는 [1] 내지 [4] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[6] 상기 추가 함침 공정에 있어서의 추가 함침을 불활성 가스 분위기 하에서 행하는 [1] 내지 [5] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[7] 상기 도포 공정 통과 후의 섬유 강화 열가소성 수지의 체적 함유율과 부형 공정 통과 후의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 체적 함유율의 비가 0.9 이상인 [1] 내지 [6] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[8] 강화 섬유의 배열 방향에 있어서의 액고임부의 하부의 폭 L(mm)과, 협착부의 바로 밑에 있어서의 시트상 강화 섬유 다발의 폭 W(mm)가 L≤W+10(mm)을 충족하는 [1] 내지 [7] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[9] 액고임부 내에 시트상 강화 섬유 다발의 폭을 규제하기 위한 폭 규제 기구를 구비하고, 협착부의 바로 밑에 있어서의 시트상 강화 섬유 다발의 폭 W(mm)와 해당 폭 규제 기구 하단에 있어서 폭 규제 기구에 의해 규제되는 폭 L2(mm)의 관계가 L2≤W+10(mm)을 충족하는, [1] 내지 [8] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[10] 상기 폭 규제 기구를 상기 액고임부 및 협착부의 전역에 걸쳐 구비하는 [1] 내지 [9] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[11] 액고임부에 있어서의 단면적이 연속적으로 감소하는 부분의 연직 방향 높이가 10mm 이상인 [1] 내지 [10] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[12] 시트상 강화 섬유 다발을 가열한 후, 도포부에 통과시키는 [1] 내지 [11] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[13] 시트상 강화 섬유 다발을 평활화 처리한 후, 도포부에 통과시키는 [1] 내지 [12] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[14] 시트상 강화 섬유 다발을 폭 확대 처리한 후, 도포부에 통과시키는 [1] 내지 [13] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[15] 상기 추가 함침 공정에 있어서 초음파 진동을 시트상 강화 섬유 다발에 부여하는 [1] 내지 [14] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[16] 상기 도포 공정에 있어서, 도포부에 저류된 열가소성 수지에 초음파 진동을 부여하는 [1] 내지 [15] 중 어느 것에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.

[17] [1] 내지 [16] 중 어느 것에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발.

[18] [17]에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 성형하여 이루어지는 강화 섬유 복합 재료.

본 발명의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법에 따르면, 열가소성 수지를 정량ㆍ균일하게 공급할 수 있고 저비용으로 생산할 수 있다. 또한, 연속 강화 섬유 다발을 연속이며 고속으로 주행시키는 것이 가능하게 되어, 열가소성 수지를 함침시킨 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 생산성이 향상된다.

또한, 함침성이 우수하고, 수지의 열화가 적은 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법 및 도공 장치를 도시하는 개략 횡단면도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 도포부(20)의 부분을 확대한 상세 횡단면도이다.
도 3은 도 2에 있어서의 도포부(20)를 도 2의 A의 방향에서 본 하면도이다.
도 4a는 도 2에 있어서의 도포부(20)를 도 2의 B의 방향에서 본 경우의 도포부 내부의 구조를 설명하는 단면도이다.
도 4b는 도 4a에 있어서의 간극(26)에서의 열가소성 수지(2)의 흐름을 도시하는 단면도이다.
도 5는 폭 규제 기구의 설치예를 도시하는 도면이며, (A)는 A 방향에서 본 도면, (B)는 B 방향에서 본 도면, (C)는 Z 방향에서 본 도면, (D)는 도 2와 동일 방향에서 본 도면이다.
도 6은 도 2와는 다른 실시 형태의 도포부(20b)의 상세 횡단면도이다.
도 7은 도 6과는 다른 실시 형태의 도포부(20c)의 상세 횡단면도이다.
도 8은 도 6과는 다른 실시 형태의 도포부(20d)의 상세 횡단면도이다.
도 9는 도 6과는 다른 실시 형태의 도포부(20e)의 상세 횡단면도이다.
도 10은 본 발명과는 다른 실시 형태의 도포부(30)의 상세 횡단면도이다.
도 11은 도 1에 있어서의 추가 함침부(40)의 부분을 확대한 상세 횡단면도이다.
도 12는 도 11과는 다른 실시 형태의 추가 함침부(40b)의 상세 횡단면도이다.
도 13은 도 12와는 다른 실시 형태의 추가 함침부(40c)의 상세 횡단면도이다.
도 14는 도 12와는 다른 실시 형태의 추가 함침부(40d)의 상세 횡단면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 복수의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 적층하는 양태의 예를 도시하는 도면이다.
도 16은 본 발명을 사용한 다른 프리프레그 제조 공정ㆍ장치의 예의 개략도이다.
도 17은 본 발명을 사용한 다른 프리프레그 제조 공정ㆍ장치의 예의 개략도이다.
도 18은 본 발명을 사용한 다른 프리프레그 제조 공정ㆍ장치의 개략도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 복수의 도포부를 구비하는 양태의 예를 도시하는 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 복수의 도포부를 구비하는 다른 양태의 예를 도시하는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여, 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 이하의 설명은 발명의 실시 형태를 예시하는 것이며, 본 발명은 이것에 한정하여 해석되는 것이 아니고, 본 발명의 목적ㆍ효과를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.

우선, 도 1에 의해 본 발명의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법의 개략을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법을 도시하는 개략 단면도이다. 시트상 강화 섬유 다발(1a)은 융점+30℃ 이상으로 가열한 열가소성 수지가 저류된 도포부(20)를 통과하여, 열가소성 수지가 정량적으로 도포된다. 계속해서, 열가소성 수지가 부착된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)은 추가 함침부(40)에 의해, 열가소성 수지가 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 내부까지 추가 함침된다. 또한, 부형부(50)를 통과하여 소정 형상으로 부형된 후, 냉각 고화부(60)에 의해 융점 이하까지 냉각되어 고화된다. 또한, 도포부(20), 추가 함침부(40) 및 냉각 고화부(60)를 구비한 도공 장치의 전후에는, 강화 섬유(1)를 권출하는 복수의 크릴(11)과, 권출된 강화 섬유(1)를 일방향으로 배열한 시트상 강화 섬유 다발(1a)(도 1에서는 지면 깊이 방향으로 배열)을 얻는 배열 장치(12)와, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 권취 장치(15)를 구비할 수 있고, 또한 도시하고 있지 않지만 도공 장치에는 열가소성 수지의 공급 장치가 구비되어 있다.

본 발명에 있어서 연속 섬유를 포함하는 강화 섬유란, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발 중에서 당해 강화 섬유가 도중에 끊어짐이 없는 것을 말한다. 본 발명에 있어서의 강화 섬유의 형태 및 배열로서는, 예를 들어 일방향으로 정렬된 것, 직물(클로스), 편물, 끈목, 토우 등을 들 수 있다. 그 중에서도 특정 방향의 기계 특성을 효율적으로 높일 수 있는 점에서, 강화 섬유가 일방향으로 배열되어 이루어지는 것이 바람직하다.

강화 섬유의 종류로서는 특별히 한정되지 않으며, 탄소 섬유, 금속 섬유, 유기 섬유, 무기 섬유가 예시된다. 이들을 2종 이상 사용해도 된다. 강화 섬유에 탄소 섬유를 사용함으로써, 경량이면서 높은 기계 특성을 갖는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발이 얻어진다.

탄소 섬유로서는, 예를 들어 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유를 원료로 하는 PAN계 탄소 섬유, 석유 타르나 석유 피치를 원료로 하는 피치계 탄소 섬유, 비스코스 레이온이나 아세트산셀룰로오스 등을 원료로 하는 셀룰로오스계 탄소 섬유, 탄화수소 등을 원료로 하는 기상 성장계 탄소 섬유, 이들의 흑연화 섬유 등을 들 수 있다. 이들 탄소 섬유 중 강도와 탄성률의 밸런스가 우수한 점에서, PAN계 탄소 섬유가 바람직하게 사용된다.

금속 섬유로서는, 예를 들어 철, 금, 은, 구리, 알루미늄, 황동, 스테인리스 등의 금속을 포함하는 섬유를 들 수 있다.

유기 섬유로서는, 예를 들어 아라미드, 폴리벤조옥사졸(PBO), 폴리페닐렌술피드, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌 등의 유기 재료를 포함하는 섬유를 들 수 있다. 아라미드 섬유로서는, 예를 들어 강도나 탄성률이 우수한 파라계 아라미드 섬유와, 난연성, 장기 내열성이 우수한 메타계 아라미드 섬유를 들 수 있다. 파라계 아라미드 섬유로서는, 예를 들어 폴리파라페닐렌테레프탈아미드 섬유, 코폴리파라페닐렌-3,4'-옥시디페닐렌테레프탈아미드 섬유 등을 들 수 있고, 메타계 아라미드 섬유로서는 폴리메타페닐렌이소프탈아미드 섬유 등을 들 수 있다. 아라미드 섬유로서는, 메타계 아라미드 섬유에 비하여 탄성률이 높은 파라계 아라미드 섬유가 바람직하게 사용된다.

무기 섬유로서는, 예를 들어 유리, 현무암, 실리콘카바이트, 실리콘나이트라이드 등의 무기 재료를 포함하는 섬유를 들 수 있다. 유리 섬유로서는, 예를 들어 E 유리 섬유(전기용), C 유리 섬유(내식용), S 유리 섬유, T 유리 섬유(고강도, 고탄성률) 등을 들 수 있다. 현무암 섬유는 광물인 현무암을 섬유화한 것이며, 내열성이 매우 높은 섬유이다. 현무암은, 일반적으로 철의 화합물인 FeO 또는 FeO₂를 9 내지 25중량％, 티타늄의 화합물인 TiO 또는 TiO₂를 1 내지 6중량％ 함유하지만, 용융 상태에서 이들 성분을 증량하여 섬유화하는 것도 가능하다.

본 발명에 사용되는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발은 보강재로서의 역할이 기대되는 경우가 많기 때문에, 높은 기계 특성을 발현하는 것이 바람직하고, 높은 기계 특성을 발현하기 위해서는 강화 섬유로서 탄소 섬유를 포함하는 것이 바람직하다.

시트상 강화 섬유 다발은, 통상 다수개의 단섬유를 묶은 강화 섬유 다발을 1개 또는 복수개 배열한 것이다. 1개 또는 복수개의 강화 섬유 다발을 배열하였을 때의 강화 섬유의 총 필라멘트수(단섬유의 개수)는 1,000 내지 2,000,000개가 바람직하다. 생산성의 관점에서는, 강화 섬유의 총 필라멘트수는 1,000 내지 1,000,000개가 보다 바람직하고, 1,000 내지 600,000개가 더욱 바람직하고, 1,000 내지 300,000개가 특히 바람직하다. 강화 섬유의 총 필라멘트수의 상한은, 분산성이나 취급성의 밸런스도 고려하여 생산성과 분산성, 취급성을 양호하게 유지할 수 있도록 결정되면 된다.

1개의 강화 섬유 다발은, 바람직하게는 평균 직경 5 내지 10㎛인 강화 섬유의 단섬유를 1,000 내지 50,000개 묶어서 구성된 것을 적합하게 사용할 수 있다.

또한, 일방향으로 배열된 시트상 강화 섬유 다발이란, 복수개의 강화 섬유를 일방향으로 면 위에서 배열시킨 것을 말하며, 반드시 해당 복수의 강화 섬유는 서로 얽히거나 하여 일체화되어 있을 필요는 없다. 즉, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 열가소성 수지의 도포 후에는 열가소성 수지가 함침된 시트상물로서 얻어지는 점에서 강화 섬유가 배열된 상태로서 편의상 시트상 강화 섬유 다발이라고 칭하고 있다. 강화 섬유가 일방향으로 배열된 열가소성 수지 함침 시트상물은 복합 재료 업계에서 「일방향재」나 「UD재」라고 불리고 있는 FRP의 기재가 되는 것이다. 시트상 강화 섬유 다발은 두께, 폭에는 특별히 제한은 없고, 목적, 용도에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 탄소 섬유의 경우에는, 통상 1,000개 내지 1,000,000개 정도의 단섬유가 테이프상으로 집합된 것을 「토우」라고 칭하고 있으며, 이 토우를 배열시켜 시트상 강화 섬유 다발을 얻을 수 있지만, 토우가 두께 방향으로 적층되어 있어도 된다. 또한, 시트상 강화 섬유 다발은 그의 폭/두께로 정의되는 애스펙트비가 10 이상이면 취급이 쉬워 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 테이프상의 「토우」 1개도 시트상 강화 섬유 다발의 일 형태로 해석된다.

또한, 시트상 강화 섬유 다발을 형성하는 방법은 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 특별히 제한은 없지만, 단섬유를 미리 배열시킨 강화 섬유 다발을 형성하고, 이 강화 섬유 다발을 더 배열시켜 시트상 강화 섬유 다발을 형성시키는 것이 공정 효율화, 배열 균일화의 관점에서 바람직하다. 예를 들어 탄소 섬유에서는, 상기한 바와 같이 테이프상의 강화 섬유 다발인 「토우」가 보빈에 감겨 있는데, 여기서 인출된 테이프상의 강화 섬유 다발을 배열시켜 시트상 강화 섬유 다발을 얻을 수 있다. 또한, 크릴에 걸려진 보빈으로부터 인출된 강화 섬유 다발을 정연하게 배열하고, 시트상 강화 섬유 다발 중에서 강화 섬유 다발의 바람직하지 않은 겹침이나 절첩, 강화 섬유 다발간의 간극을 없애기 위한 강화 섬유 배열 기구를 갖는 것이 바람직하다. 강화 섬유 배열 기구로서는 공지된 롤러나 빗형 배열 장치 등을 사용할 수 있다. 또한, 미리 배열한 시트상 강화 섬유 다발을 복수매 겹치는 것도 강화 섬유간의 간극을 줄이는 관점에서 유용하다. 또한, 크릴에는 강화 섬유를 인출할 때 장력 제어 기구가 부여되어 있는 것이 바람직하다. 장력 제어 기구로서는 공지된 것을 사용 가능하지만, 브레이크 기구 등을 들 수 있다. 또한, 실길 가이드의 조정 등에 의해서도 장력을 제어할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 시트상 강화 섬유 다발의 표면 평활성을 높게 하는 평활화 처리를 행함으로써, 도포부에서의 도포량의 균일성을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 시트상 강화 섬유 다발을 평활화 처리한 후, 액고임부로 유도하는 것이 바람직하다. 평활화 처리의 방법은 특별히 제한은 없지만, 대향 롤 등으로 물리적으로 압박하는 방법이나 공기류를 사용하여 강화 섬유를 움직이게 하는 방법 등을 예시할 수 있다. 물리적으로 압박하는 방법은 간편하며 또한 강화 섬유의 배열을 흐트러트리기 어렵기 때문에 바람직하다. 보다 구체적으로는 캘린더 가공 등을 사용할 수 있다. 공기류를 사용하는 방법은 찰과가 일어나기 어려울 뿐만 아니라, 시트상 강화 섬유 다발의 폭을 넓히는 효과도 있어 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 시트상 강화 섬유 다발을 폭 확대 처리한 후, 액고임부로 유도하는 것도, 얇은 프리프레그를 효율적으로 제조할 수 있는 관점에서 바람직하다. 폭 확대 처리 방법은 특별히 제한은 없지만, 기계적으로 진동을 부여하는 방법, 공기류에 의해 강화 섬유 다발을 벌리는 방법 등을 예시할 수 있다. 기계적으로 진동을 부여하는 방법으로서는, 예를 들어 일본 특허 공개 제2015-22799호 공보 기재와 같이, 진동하는 롤에 시트상 강화 섬유 다발을 접촉시키는 방법이 있다. 진동 방향으로서는, 시트상 강화 섬유 다발의 진행 방향을 X축이라고 하면, Y축 방향(수평 방향), Z축 방향(수직 방향)의 진동을 부여하는 것이 바람직하고, 수평 방향 진동 롤과 수직 방향 진동 롤을 조합하여 사용하는 것도 바람직하다. 또한 진동 롤 표면은 복수의 돌기를 마련해 두면, 롤에서의 강화 섬유의 찰과를 억제할 수 있어 바람직하다. 공기류를 사용하는 방법으로서는, 예를 들어 SEN-I GAKKAISHI, vol.64, P-262-267(2008)에 기재된 방법을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 시트상 강화 섬유 다발을 가열한 후, 액고임부로 유도하면, 열가소성 수지의 온도 저하를 억제하고, 열가소성 수지의 점도 균일성이 향상되기 때문에 바람직하다. 시트상 강화 섬유 다발은 열가소성 수지 온도 근방까지 가열되는 것이 바람직한데, 이를 위한 가열 수단으로서는 공기 가열, 적외선 가열, 원적외선 가열, 레이저 가열, 접촉 가열, 열매체 가열(스팀 등) 등 다양한 수단을 사용할 수 있다. 그 중에서도 적외선 가열은 장치가 간편하고, 또한 시트상 강화 섬유 다발 시트를 직접 가열할 수 있기 때문에, 주행 속도가 빨라도 원하는 온도까지 효율적으로 가열이 가능하여 바람직하다.

본 발명에 사용되는 열가소성 수지로서는, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 수지, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT) 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 수지, 액정 폴리에스테르 수지 등의 폴리에스테르나, 폴리에틸렌(PE) 수지, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리부틸렌 수지 등의 폴리올레핀이나, 스티렌계 수지 외나, 폴리옥시메틸렌(POM) 수지, 폴리아미드(PA) 수지, 폴리카르보네이트(PC) 수지, 폴리메틸렌메타크릴레이트(PMMA) 수지, 폴리염화비닐(PVC) 수지, 폴리페닐렌술피드(PPS) 수지, 폴리페닐렌에테르(PPE) 수지, 변성 PPE 수지, 폴리이미드(PI) 수지, 폴리아미드이미드(PAI) 수지, 폴리에테르이미드(PEI) 수지, 폴리술폰(PSU) 수지, 변성 PSU 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리케톤(PK) 수지, 폴리아릴렌에테르케톤(PAEK) 수지, 폴리아릴레이트(PAR) 수지, 폴리에테르니트릴(PEN) 수지, 페놀계 수지, 페녹시 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지 등의 불소계 수지, 또한 폴리스티렌계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리부타디엔계 수지, 폴리이소프렌계 수지, 불소계 수지 등의 열가소 엘라스토머 등이나, 이들의 공중합체, 변성체 및 2종류 이상 블렌드한 수지 등이어도 된다. 상기 폴리아릴렌에테르케톤 수지(PAEK)로서는, 예를 들어 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르에테르케톤케톤(PEEKK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리에테르케톤에테르케톤케톤(PEKEKK), 폴리에테에테르르케톤에테르케톤(PEEKEK), 폴리에테르에테르에테르케톤(PEEEK) 및 폴리에테르디페닐에테르케톤(PEDEK) 등이나 이들의 공중합체, 변성체 및 2종 이상 블렌드한 수지 등이어도 된다. 특히, 내열성, 내약품성의 관점에서는 PPS 수지나 PEEK 수지 및 PEKK 수지가, 성형품 외관, 치수 안정성의 관점에서는 폴리카르보네이트 수지나 스티렌계 수지가, 성형품의 강도, 내충격성의 관점에서는 폴리아미드 수지가 보다 바람직하게 사용된다. 또한, 이들 열가소성 수지를 유동성, 성형 가공성 등의 필요 특성에 따라 혼합하는 것도 실용상 적합하다.

본 발명에 관한 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발은, 연속 섬유를 포함하는 강화 섬유에 전술한 열가소성 수지를 도포한 것이며, 필요에 따라 추가로 충전재, 기타종 폴리머, 각종 첨가제 등을 함유해도 된다.

충전재로서는, 일반적으로 수지용 필러로서 사용되는 임의의 것을 사용할 수 있으며, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발이나 그것을 사용한 성형품의 강도, 강성, 내열성, 치수 안정성을 보다 향상시킬 수 있다. 충전재로서는, 예를 들어 유리 섬유, 탄소 섬유, 티타늄산칼륨 위스커, 산화아연 위스커, 붕산알루미늄 위스커, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 세라믹 섬유, 아스베스토 섬유, 석고 섬유, 금속 섬유 등의 섬유상 무기 충전재, 월라스토나이트, 제올라이트, 세리사이트, 카올린, 마이카, 탈크, 클레이, 파이로필라이트, 벤토나이트, 몬모릴로나이트, 아스베스토, 알루미노실리케이트, 알루미나, 산화규소, 산화마그네슘, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화철, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 돌로마이트, 황산칼슘, 황산바륨, 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 수산화알루미늄, 글래스 비즈, 세라믹 비즈, 질화붕소, 탄화규소, 실리카 등의 비섬유상 무기 충전재 등을 들 수 있다. 이들을 2종 이상 함유해도 된다. 이들 충전재는 중공이어도 된다. 또한, 이소시아네이트계 화합물, 유기 실란계 화합물, 유기 티타네이트계 화합물, 유기 보란계 화합물, 에폭시 화합물 등의 커플링제로 처리되어 있어도 된다. 또한, 몬모릴로나이트로서, 유기 암모늄염으로 층간 이온을 양이온 교환한 유기화 몬모릴로나이트를 사용해도 된다. 또한, 섬유상 충전재는 불연속 섬유를 포함하는 것이면, 연속 섬유를 포함하는 강화 섬유의 보강 효과를 손상시키는 일 없이 기능을 부여할 수 있다.

기타종 폴리머로서는, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리아미드계 엘라스토머, 폴리에스테르계 엘라스토머 등의 엘라스토머나, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌술피드, 액정 폴리머, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, ABS 수지, SAN 수지, 폴리스티렌 등을 들 수 있다. 이들을 2종 이상 함유해도 된다. 열가소성 수지로부터 얻어지는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발재의 내충격성을 향상시키기 위해서는, 올레핀계 화합물 및/또는 공액 디엔계 화합물의 (공)중합체 등의 변성 폴리올레핀, 폴리아미드계 엘라스토머, 폴리에스테르계 엘라스토머 등의 내충격성 개량제가 바람직하게 사용된다.

올레핀계 화합물 및/또는 공액 디엔계 화합물의 (공)중합체로서는, 에틸렌계 공중합체, 공액 디엔계 중합체, 공액 디엔-방향족 비닐 탄화수소계 공중합체 등을 들 수 있다.

에틸렌계 공중합체로서는, 예를 들어 에틸렌과, 탄소수 3 이상의 α-올레핀, 비공액 디엔, 아세트산비닐, 비닐알코올, α,β-불포화 카르복실산 및 그의 유도체 등의 공중합체를 들 수 있다. 탄소수 3 이상의 α-올레핀으로서는, 예를 들어 프로필렌, 부텐-1 등을 들 수 있다. 비공액계 디엔으로서는, 예를 들어 5-메틸리덴-2-노르보르넨, 5-에틸리덴-2-노르보르넨, 디시클로펜타디엔, 1,4-헥사디엔 등을 들 수 있다. α,β-불포화 카르복실산으로서는, 예를 들어 아크릴산, 메타크릴산, 에타크릴산, 크로톤산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산, 시트라콘산, 부텐디카르복실산 등을 들 수 있다. α,β-불포화 카르복실산의 유도체로서는, 예를 들어 상기 α,β-불포화 카르복실산의 알킬에스테르, 아릴에스테르, 글리시딜에스테르, 산 무수물, 이미드 등을 들 수 있다.

공액 디엔계 중합체란, 적어도 1종의 공액 디엔의 중합체를 가리킨다. 공액 디엔으로서는, 예를 들어 1,3-부타디엔, 이소프렌(2-메틸-1,3-부타디엔), 2,3-디메틸-1,3-부타디엔, 1,3-펜타디엔 등을 들 수 있다. 또한, 이들 중합체의 불포화 결합의 일부 또는 전부가 수소 첨가에 의해 환원되어 있어도 된다.

공액 디엔-방향족 비닐 탄화수소계 공중합체란, 공액 디엔과 방향족 비닐 탄화수소의 공중합체를 가리키며, 블록 공중합체여도 되고 랜덤 공중합체여도 된다. 공액 디엔으로서는, 예를 들어 1,3-부타디엔, 이소프렌 등을 들 수 있다. 방향족 비닐 탄화수소로서는, 예를 들어 스티렌 등을 들 수 있다. 또한, 공액 디엔-방향족 비닐 탄화수소계 공중합체의 방향환 이외의 이중 결합 이외의 불포화 결합의 일부 또는 전부가 수소 첨가에 의해 환원되어 있어도 된다.

내충격성 개량제의 구체예로서는, 에틸렌/메타크릴산 공중합체 및 이들 공중합체 중의 카르복실산 부분의 일부 또는 전부를 나트륨, 리튬, 칼륨, 아연, 칼슘과의 염으로 한 것, 에틸렌/프로필렌-g-무수 말레산 공중합체, 에틸렌/부텐-1-g-무수 말레산 공중합체 등을 들 수 있다.

각종 첨가제로서는, 예를 들어 산화 방지제나 내열 안정제(힌더드 페놀계, 히드로퀴논계, 포스파이트계 및 이들의 치환체, 할로겐화구리, 요오드 화합물 등), 내후제(레조르시놀계, 살리실레이트계, 벤조트리아졸계, 벤조페논계, 힌더드 아민계 등), 이형제 및 활제(지방족 알코올, 지방족 아미드, 지방족 비스아미드, 비스요소 및 폴리에틸렌 왁스 등), 안료(황화카드뮴, 프탈로시아닌, 카본 블랙 등), 염료(니그로신, 아닐린 블랙 등), 가소제(p-옥시벤조산옥틸, N-부틸벤젠술폰아미드 등), 대전 방지제(알킬술페이트형 음이온계 대전 방지제, 4급 암모늄염형 양이온계 대전 방지제, 폴리옥시에틸렌소르비탄모노스테아레이트 등의 비이온계 대전 방지제, 베타인계 양쪽성 대전 방지제 등), 난연제(멜라민시아누레이트, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄 등의 수산화물, 폴리인산암모늄, 브롬화폴리스티렌, 브롬화폴리페닐렌옥시드, 브롬화폴리카르보네이트, 브롬화에폭시 수지 혹은 이들 브롬계 난연제와 삼산화안티몬의 조합 등) 등을 들 수 있다. 이들을 2종 이상 배합해도 된다.

본 발명에서 사용하는 열가소성 수지로서는, 공정 통과성ㆍ안정성의 관점에서 최적의 점도를 선택하는 것이 중요하다. 구체적으로는, 도포 공정 및 추가 함침 공정에 있어서, 점도를 5 내지 200Paㆍs의 범위로 하는 것이 중요하다. 이러한 범위의 점도로 하면, 시트상 강화 섬유 다발의 고속 주행성, 안정 주행성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 용융 점도는 열가소성 수지의 융점+30℃의 온도에서 열가소성 수지를 용융시키기 위해 5분간 체류시킨 후에, 전단 속도 9728sec^-1의 조건 하에서, 캐필러리 플로우 미터에 의해 측정할 수 있다. 본 발명에 있어서는 용융 점도를 평가하기 위한 지표로서, 단시간의 체류로는 열분해가 진행되기 어려운 온도 조건으로서 융점+30℃를 선택하고, 도포부 출구의 협착부의 통과를 상정한 고전단 조건인 전단 속도로서 9728sec^-1을 선택하였다. 열가소성 수지의 점도는 보다 바람직하게는 20 내지 100Paㆍs이다.

본 발명에 있어서의 열가소성 수지의 온도는, 열가소성 수지의 안정성의 관점에서 최적의 온도를 선택하는 것이 중요하다. 구체적으로는, 도포 공정 및 추가 함침 공정에 있어서 열가소성 수지의 온도를 융점+30℃ 내지 +100℃의 범위로 하는 것이 중요하다. 이러한 범위의 온도로 하면, 열가소성 수지의 안정성을 향상시킬 수 있다. 열가소성 수지가 융점을 갖지 않는 비정질성 수지인 경우에는, 열가소성 수지의 안정성을 손상시키지 않는 범위에서 온도를 선택할 수 있다.

본 발명에 있어서의 열가소성 수지의 도포 공정에 대하여 도면을 사용하여 설명한다. 도공 장치(20)에 있어서의 열가소성 수지(2)를 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 부여하는 방법은, 크릴(11)로부터 권출된 복수개의 강화 섬유(1)를 배열 장치(12)에 의해 일방향(지면 깊이 방향)으로 배열하여 시트상 강화 섬유 다발(1a)을 얻은 후, 시트상 강화 섬유 다발(1a)을 도포부(20)에 통과시켜 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 양면에 열가소성 수지(2)를 도포하는 것이다. 이에 의해, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)을 얻을 수 있다.

도포 공정에 있어서, 도포부에 있어서의 열가소성 수지의 저류 용이성이나, 시트상 강화 섬유 다발에 대한 열가소성 수지의 함침성의 관점에서, 시트상 강화 섬유 다발을 연직 하향으로 통과시킬 필요가 있다.

도포 공정에 있어서, 액고임부를 구성하는 열가소성 수지의 체류 시간은 1 내지 60min인 것이 바람직하다. 열가소성 수지의 체류 시간이 1min 이상임으로써, 열가소성 수지를 안정되게 도포할 수 있다. 5min 이상이 보다 바람직하고, 10min 이상이 더욱 바람직하다. 열가소성 수지의 체류 시간이 60min 이하임으로써, 열가소성 수지의 열화ㆍ가교를 발생시키지 않고 열가소성 수지의 도포가 가능하다. 40min 이하가 바람직하고, 30min 이하가 보다 바람직하고, 20min 이하가 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서의 열가소성 수지의 체류 시간 Q(min)는, 액고임부의 용적 M(㎤)과 열가소성 수지의 공급량 N(㎤/min)으로부터 하기 (식 2)로 표시된다.

(식 2) Q(min)=M(㎤)/N(㎤/min)

도포 공정에 있어서, 열가소성 수지를 저류하는 도포부의 내부에는 불활성 가스를 봉입해도 된다. 불활성 가스를 봉입함으로써, 액고임부에서의 열가소성 수지의 열화, 가교를 억제할 수 있다. 불활성 가스의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 취급성과 생산성의 관점에서, 질소 가스가 가장 바람직하다. 불활성 가스의 온도는 특별히 제한되지 않지만, 열가소성 수지와 동등한 온도로 가열되어 있는 것이, 수지 온도가 변동되지 않는 점에서 바람직하다.

다음에 도 2 내지 도 4에 의해, 시트상 강화 섬유 다발(1a)로의 열가소성 수지(2)의 도포 공정에 대하여 상세하게 설명한다. 도 2는, 도 1에 있어서의 도포부(20)를 확대한 상세 횡단면도이다. 도포부(20)는 소정의 간극 D를 두고 대향하는 벽면 부재(21a, 21b)를 구비하고, 벽면 부재(21a, 21b) 사이에는 연직 방향 하향 Z(즉 시트상 강화 섬유 다발의 주행 방향)로 단면적이 연속적으로 감소하는 액고임부(22)와, 액고임부(22)의 하방(시트상 강화 섬유 다발(1a)의 반출측)에 위치하고, 액고임부(22)의 상면(시트상 강화 섬유 다발(1a)의 도입측)의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 슬릿상의 협착부(23)가 형성되어 있다. 도 2에 있어서, 시트상 강화 섬유 다발(1a)은 지면의 깊이 방향으로 배열되어 있다.

도포부(20)에 있어서, 액고임부(22)에 도입된 시트상 강화 섬유 다발(1a)은, 그 주위의 열가소성 수지(2)를 수반하면서 연직 방향 하향 Z로 주행한다. 그때, 액고임부(22)의 단면적은 연직 방향 하향 Z(시트상 강화 섬유 다발(1a)의 주행 방향)를 향하여 감소하기 때문에, 수반하는 열가소성 수지(2)는 서서히 압축되고, 액고임부(22)의 하부를 향함에 따라 열가소성 수지(2)의 압력이 증대된다. 액고임부(22)의 하부의 압력이 높아지면, 상기 수반 액류가 그 이상은 하부로 유동되기 어려워져, 벽면 부재(21a, 21b) 방향으로 흐르고, 그 후 벽면 부재(21a, 21b)에 막혀 상방으로 흐르게 된다. 결과, 액고임부(22) 내에서는 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 평면과, 벽면 부재(21a, 21b)의 벽면을 따른 순환류 T를 형성한다. 이에 의해, 가령 시트상 강화 섬유(1a)가 보풀을 액고임부(22)에 가져왔다고 해도 보풀은 순환류 T를 따라 운동하여, 액압이 큰 액고임부(22) 하부나 협착부(23)에 근접할 수 없다. 또한 하기에서 설명하는 바와 같이, 기포가 보풀에 부착됨으로써 보풀이 순환류 T로부터 상방으로 이동하고, 액고임부(22)의 상부 액면 부근을 통과한다. 그 때문에, 보풀이 액고임부(22)의 하부 및 협착부(23)에 막히는 것이 방지 될 뿐만 아니라, 체류하는 보풀은 액고임부(22)의 상부 액면으로부터 용이하게 회수하는 것도 가능하게 된다. 또한, 시트상 강화 섬유 다발(1a)을 고속으로 주행 시킨 경우, 상기 액압은 더 증대되기 때문에 보풀의 배제 효과가 보다 높아진다. 그 결과, 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 의해 고속으로 열가소성 수지(2)를 부여하는 것이 가능하게 되어, 생산성이 크게 향상된다.

또한, 상기 증대된 액압에 의해, 열가소성 수지(2)가 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 내부에 함침되기 쉬워지는 효과가 있다. 이것은 시트상 강화 섬유 다발과 같은 다공질체(인접하는 단섬유끼리의 사이에 공극을 갖는 상태)에 열가소성 수지가 함침될 때, 그의 함침도가 열가소성 수지의 압력으로 증대되는 성질(다르시의 법칙)에 기초한다. 이에 대해서도 시트상 강화 섬유 다발(1a)을 보다 고속으로 주행시킨 경우, 액압이 보다 증대되는 점에서 함침 효과를 보다 높일 수 있다. 또한, 열가소성 수지(2)는 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 내부에 잔류하는 기포와 기체/액체 치환으로 함침되는데, 기포는 상기 액압과 부력에 의해 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 내부 간극을 통하여 섬유의 배향 방향(연직 방향 상향)으로 배출된다. 이때, 기포는 함침되어 오는 열가소성 수지(2)를 밀어내지 않고 배출되기 때문에, 함침을 저해하지 않는 효과도 있다. 또한, 기포의 일부는 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 표면으로부터 면외 방향(법선 방향)으로 배출되지만, 이 기포도 상기 액압과 부력에 의해 빠르게 연직 방향 상향으로 배제되기 때문에, 함침 효과가 높은 액고임부(22)의 하부에 머무르지 않고, 효율적으로 기포의 배출이 진행되는 효과도 있다. 이들 효과에 의해, 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 열가소성 수지(2)를 효율적으로 함침시키는 것이 가능하게 되고, 그 결과, 열가소성 수지(2)가 균일하게 함침된 고품질의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)을 얻는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 증대된 액압에 의해, 시트상 강화 섬유 다발(1a)이 간극 D의 중앙으로 자동적으로 조심(調心)되고, 시트상 강화 섬유 다발(1a)이 액고임부(22)나 협착부(23)의 벽면에 직접 찰과되지 않아, 여기서의 보풀 발생을 억제하는 효과도 있다. 이것은 외란 등에 의해 시트상 강화 섬유 다발(1a)이 간극 D의 어느 쪽에 접근한 경우, 접근한 측에서는 보다 좁은 간극에 열가소성 수지(2)가 압입되어 압축되기 때문에, 접근한 측에서 액압이 보다 증대되어, 시트상 강화 섬유 다발(1a)을 간극 D의 중앙으로 되밀기 때문이다.

협착부(23)는, 액고임부(22)의 상면보다 단면적이 작게 설계된다. 도 2나 도 4로부터 이해되는 바와 같이 오로지 시트상 강화 섬유 다발에 의한 의사 평면의 수선 방향의 길이가 작아짐으로써, 즉 부재간의 간격이 좁음으로써 단면적은 작아진다. 이것은 상기와 같이 협착부에서 액압을 높게 함으로써, 함침이나 자동 조심 효과를 얻기 위해서이다. 또한, 협착부(23)의 최상부의 면의 단면 형상은 액고임부(22)의 최하부의 면의 단면 형상과 일치시키는 것이, 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 주행성이나 열가소성 수지(2)의 흐름 제어의 관점에서 바람직하지만, 필요에 따라 협착부(23) 쪽을 약간 크게 해도 된다.

여기서, 도 2의 도포부(20)에서는 시트상 강화 섬유 다발(1a)이 완전히 연직 방향 하향 Z(수평면으로부터 90도)로 주행하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 상기 보풀 회수, 기포의 배출 효과가 얻어지고, 시트상 강화 섬유 다발(1a)이 안정되게 연속 주행 가능한 범위에서, 실질적으로 연직 방향 하향이면 된다. 여기서 실질적으로 연직 하향이란, 연직 방향에 대하여 ±5°의 범위를 포함하는 것이다.

또한, 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 부여되는 열가소성 수지(2)의 총량은, 협착부(23)의 간극 D로 제어 가능하고, 예를 들어 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 부여하는 열가소성 수지(2)의 총량을 많게 하고 싶은(단위 면적당 중량을 크게 하고 싶은) 경우에는, 간극 D가 넓어지도록 벽면 부재(21a, 21b)를 설치하면 된다.

도 3은 도포부(20)를 도 2의 A의 방향에서 본 하면도이다. 도포부(20)에는 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 배열 방향 양단으로부터 열가소성 수지(2)가 누설되는 것을 방지하기 위한 측벽 부재(24a, 24b)가 마련되어 있고, 벽면 부재(21a, 21b)와 측벽 부재(24a, 24b)로 둘러싸인 공간에 협착부(23)의 출구(25)가 형성되어 있다. 여기서, 출구(25)는 슬릿상을 하고 있고, 단면 애스펙트비(도 3의 Y/D)는 열가소성 수지(2)를 부여하고 싶은 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 형상에 맞추어 설정하면 된다.

협착부(23)에 있어서, 하기 (식 1)로 표시되는 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 작용하는 전단력이 1 내지 1500N인 것이 바람직하다. 전단력이 상기 범위임으로써, 협착부에 있어서의 보풀의 발생을 억제하면서, 열가소성 수지의 함침을 양립할 수 있다.

(식 1) F=2×(Y+D)×X×η×(U/δ)

η: 수지 점도(MPa), U: 인취 속도(m/min), δ: 섬유간 거리(mm)

X: 협착부 길이(mm)

도 4a는 도포부(20)를 B의 방향에서 본 경우의 도포부 내부의 구조를 설명하는 단면도이다. 또한, 도면을 보기 쉽게 하기 위해 벽면 부재(21b)는 생략되어 있는 것 외에, 시트상 강화 섬유 다발(1a)은 강화 섬유(1)를 간극을 두고 배열하고 있는 것 같이 묘화하고 있지만, 실제로는 강화 섬유(1)를 간극 없이 배열하는 것이 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 품위, FRP의 역학 특성의 관점에서 바람직하다.

도 4b는 간극(26)에서의 열가소성 수지(2)의 흐름을 도시하고 있다. 간극(26)이 크면 열가소성 수지(2)에는 R의 방향으로 소용돌이 흐름이 발생한다. 이 소용돌이 흐름 R은 액고임부(22)의 하부에서는 외측을 향하는 흐름(Ra)으로 되기 때문에, 시트상 강화 섬유 다발을 인열해 버리는(시트상 섬유 다발의 벌어짐이 발생하는) 경우나 강화 섬유간의 간격을 넓혀 버리고, 그 때문에 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발로 하였을 때 강화 섬유의 배열 불균일을 발생시킬 가능성이 있다. 한편, 액고임부(22)의 상부에서는 내측을 향하는 흐름(Rb)으로 되기 때문에, 시트상 강화 섬유 다발(1a)이 폭 방향으로 압축되고, 그 단부가 꺾여 버리는 경우가 있다. 특허문헌 2(일본 특허 제3252278호 공보)로 대표되는 바와 같은 일체물의 시트상 기재(특히 필름)에 열가소성 수지를 양면 도포하는 장치에서는 이러한 간극(26)에서의 소용돌이 흐름이 발생해도 품질에 대한 영향이 적기 때문에 주의가 되고 있지 않았다.

그래서, 본 발명에 있어서는 간극(26)을 작게 하는 폭 규제를 행하여, 단부에서의 소용돌이 흐름의 발생을 억제하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 액고임부(22)의 폭 L, 즉 측판 부재(24a와 24b)의 간격 L(mm)은, 협착부(23)의 바로 밑에서 측정한 시트상 강화 섬유 다발의 폭 W(mm)와 하기 (식 3)의 관계를 충족하도록 구성하는 것이 바람직하다.

(식 3) L≤W+10

이에 의해, 단부에서의 소용돌이 흐름 발생이 억제되고, 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 벌어짐이나 단부 꺾임을 억제할 수 있고, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 전체 폭 W(mm)에 걸쳐 균일하게 강화 섬유(1)가 배열된, 고품위이며 안정성이 높은 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)을 얻을 수 있다. 또한, 이 기술을 프리프레그에 적용한 경우에는, 프리프레그의 품위, 품질을 향상시킬 뿐만 아니라, 이것을 사용하여 얻어지는 FRP의 역학 특성이나 품질을 향상시킬 수 있다. L(mm)과 W(mm)의 관계는 보다 바람직하게는 L≤W+2(mm)로 하면, 추가로 시트상 강화 섬유 다발의 벌어짐이나 단부 꺾임을 억제할 수 있다.

또한, L(mm)의 하한은 W-5(mm) 이상이 되도록 조정하는 것이 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 폭 방향 치수의 균일성을 향상시키는 관점에서 바람직하다.

또한, 이 폭 규제는 액고임부(22) 하부의 높은 액압에 의한 소용돌이 흐름 R 발생을 억제하는 관점에서, 적어도 액고임부(22)의 하부(도 4a의 G의 위치)에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 이 폭 규제는 보다 바람직하게는 액고임부(22)의 전역에서 행하면, 소용돌이 흐름 R의 발생을 거의 완전히 억제할 수 있고, 그 결과 시트상 강화 섬유 다발의 벌어짐이나 단부 꺾임을 거의 완전히 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 폭 규제는, 상기 간극(26)의 소용돌이 흐름 억제의 관점에서는 액고임부(22)뿐이어도 되지만, 협착부(23)도 마찬가지로 행하면 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 측면에 과잉의 열가소성 수지(2)가 부여되는 것을 억제하는 관점에서 바람직하다.

<폭 규제 기구>

상기에서는 폭 규제를 측벽 부재(24a, 24b)가 담당하는 경우를 나타내었지만, 도 5에 도시하는 바와 같이 측벽 부재(24a, 24b)간에 폭 규제 기구(27a, 27b)를 마련하고, 이러한 기구로 폭 규제를 행할 수도 있다. 이에 의해, 폭 규제 기구에 의해 규제되는 폭을 자유롭게 변경 가능하게 함으로써 하나의 도포부에 의해, 여러 가지 폭의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 제조할 수 있는 관점에서 바람직하다. 여기서, 협착부의 바로 밑에 있어서의 시트상 강화 섬유 다발의 폭 W(mm)와 해당 폭 규제 기구 하단에 있어서 폭 규제 기구에 의해 규제되는 폭 L2(mm)의 관계는 L2≤W+10(mm)으로 하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 L2≤W+2(mm)이다. 또한, L2(mm)의 하한은 W-5(mm) 이상이 되도록 조정하는 것이 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 폭 방향 치수의 균일성을 향상시키는 관점에서 바람직하다. 폭 규제 기구의 형상 및 재질에 특별히 제한은 없지만, 판 형상의 부시이면 간편하여 바람직하다. 또한, 상부, 즉 액면에 가까운 장소에서는 벽면 부재(21a, 21b)와의 간격보다 작은 폭(도 5 참조. 「Z 방향에서 본 도면」 중, 폭 규제 기구의 상하 방향의 길이를 가리킴)을 가짐으로써, 열가소성 수지의 수평 방향의 흐름을 방해하지 않도록 할 수 있어 바람직하다. 한편, 폭 규제 기구의 중간부로부터 하부에 걸쳐서는 도포부의 내부 형상을 따른 형상으로 하는 것이 액고임부에서의 열가소성 수지의 체류를 억제할 수 있고, 열가소성 수지의 열화를 억제할 수 있는 점에서 바람직하다. 이 의미로부터 폭 규제 기구는 협착부(23)까지 삽입되는 것이 바람직하다.

도 5는 폭 규제 기구로서 판 형상 부시의 예를 도시하고 있는데, 부시의 중간보다 하부가 액고임부(22)의 테이퍼 형상을 따라 협착부(23)까지 삽입되는 예를 도시하고 있다. 도 5에는 L2(mm)가 액면부터 출구까지 일정한 예를 도시하고 있지만, 폭 규제 기구의 목적을 달성하는 범위에서 부위에 따라 규제하는 폭을 변경해도 된다. 폭 규제 기구는 임의의 방법으로 도포부(20)에 고정할 수 있지만, 판 형상 부시의 경우에는 상하 방향에서 복수의 부위에서 고정함으로써, 고액압에 의한 판 형상 부시의 변형에 의한 규제 폭의 변동을 억제할 수 있다. 예를 들어, 상부는 스테이를 사용하고, 하부는 도포부에 삽입하도록 하면, 폭 규제 기구에 의한 폭의 규제가 용이하여 바람직하다.

<액고임부의 형상>

상기에서 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 있어서는 액고임부(22)에서 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 주행 방향으로 단면적이 연속적으로 감소함으로써, 시트상 강화 섬유 다발의 주행 방향으로 액압을 증대시키는 것이 중요한데, 여기서 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 주행 방향으로 단면적이 연속적으로 감소한다는 것은, 주행 방향으로 연속적으로 액압을 증대 가능하다면, 그 형상에는 특별히 제한은 없다. 액고임부(22)의 횡단면도에 있어서, 테이퍼상(직선상)이거나 나팔상 등과 같이 곡선적인 형태를 나타내도 된다. 또한, 단면적 감소부는 액고임부(22)의 전체 길이에 걸쳐 연속되어도 되며, 본 발명의 목적, 효과가 얻어지는 범위이면, 일부에 단면적이 감소하지 않는 부분이나 반대로 확대되는 부분을 포함하고 있어도 된다. 이들에 대하여, 하기 도 6 내지 도 9에서 예를 들어 상세하게 설명한다.

도 6은 도 2와는 다른 실시 형태의 도포부(20b)의 상세 횡단면도이다. 액고임부(22)를 구성하는 벽면 부재(21c, 21d)의 형상이 다른 것 이외에는, 도 2의 도포부(20)와 동일하다. 도 6의 도포부(20b)와 같이 액고임부(22)가 연직 방향 하향 Z로 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)과, 단면적이 감소하지 않는 영역(22b)으로 나누어져 있어도 된다. 이때, 단면적이 연속적으로 감소하는 연직 방향 높이 H는 10mm 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 단면적이 연속적으로 감소하는 연직 방향 높이 H는 50mm 이상이다. 이에 의해, 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 의해 수반된 열가소성 수지(2)가, 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)에서 압축되는 거리가 확보되고, 액고임부(22)의 하부에서 발생하는 액압을 충분히 증대시킬 수 있다. 그 결과, 액압에 의해 보풀이 협착부(23)에 막히는 것을 방지하고, 또한 액압에 의해 열가소성 수지(2)가 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 함침되는 효과를 얻을 수 있다.

여기서, 도 2의 도포부(20)나 도 6의 도포부(20b)와 같이, 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)을 테이퍼상으로 하는 경우, 테이퍼의 개방 각도 θ는 작은 쪽이 바람직하며, 구체적으로는 예각(90°이하)으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)(테이퍼부)에서 열가소성 수지(2)의 압축 효과를 높이고, 높은 액압을 얻기 쉽게 할 수 있다.

도 7은 도 6과는 다른 실시 형태의 도포부(20c)의 상세 횡단면도이다. 액고임부(22)를 구성하는 벽면 부재(21e, 21f)의 형상이 2단 테이퍼 형상으로 되어 있는 것 이외에는, 도 6의 도포부(20b)와 동일하다. 이와 같이 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)을 2단 이상의 다단 테이퍼부로 구성해도 된다. 이때, 협착부(23)에 가장 가까운 테이퍼부의 개방 각도 θ를 예각으로 하는 것이, 상기 압축 효과를 높이는 관점에서 바람직하다. 또한, 이 경우에도 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)의 높이 H를 10mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 단면적이 연속적으로 감소하는 연직 방향 높이 H는 50mm 이상이다. 도 7과 같이 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)을 다단의 테이퍼부로 함으로써, 액고임부(22)에 저류할 수 있는 열가소성 수지(2)의 체적을 유지하면서, 협착부(23)에 가장 가까운 테이퍼부의 각도 θ를 보다 작게 할 수 있다. 이에 의해 액고임부(22)의 하부에서 발생하는 액압이 보다 높아지고, 보풀의 배제 효과나 열가소성 수지(2)의 함침 효과를 더 높이는 것이 가능하게 된다.

도 8은 도 6과는 다른 실시 형태의 도포부(20d)의 상세 횡단면도이다. 액고임부(22)를 구성하는 벽면 부재(21g, 21h)의 형상이 계단 형상으로 되어 있는 것 이외에는, 도 6의 도포부(20b)와 동일하다. 이와 같이, 액고임부(22)의 최하부에 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)이 있으면, 본 발명의 목적인 액압의 증대 효과는 얻어지기 때문에, 액고임부(22)의 다른 부분에 단면적이 단속적으로 감소하는 영역(22c)을 포함하고 있어도 된다. 액고임부(22)를 도 8과 같은 형상으로 함으로써, 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)의 형상을 유지하면서, 액고임부(22)의 안길이 B를 확대하여 저류할 수 있는 열가소성 수지(2)의 체적을 크게 할 수 있다. 그 결과, 도포부(20d)에 열가소성 수지(2)를 연속해서 공급할 수 없는 경우에도, 장시간 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 열가소성 수지(2)를 계속해서 부여하는 것이 가능하게 되어, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 생산성이 보다 향상된다.

도 9는 도 6과는 다른 실시 형태의 도포부(20e)의 상세 횡단면도이다. 액고임부(22)를 구성하는 벽면 부재(21i, 21j)의 형상이 나팔상(곡선상)으로 되어 있는 것 이외에는, 도 6의 도포부(20b)와 동일하다. 도 6의 도포부(20b)에서는, 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)은 테이퍼상(직선상)이지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 도 8과 같이 나팔상(곡선상)이어도 된다. 단, 액고임부(22)의 하부와 협착부(23)의 상부는 원활하게 접속되는 것이 바람직하다. 이것은 액고임부(22)의 하부와 협착부(23)의 상부의 경계에 단차가 있으면, 시트상 강화 섬유 다발(1a)이 단차에 걸려, 이 부분에서 보풀이 발생할 우려가 있기 때문이다. 또한, 이와 같이 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 영역을 나팔상으로 하는 경우에는, 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(22a)의 최하부에 있어서의 가상 접선의 개방 각도 θ를 예각으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기는 원활하게 단면적이 감소하는 예를 들어 설명하였지만, 본 발명의 목적을 손상시키지 않는 한, 본 발명에 있어서 액고임부의 단면적은 반드시 원활하게 감소하지 않아도 된다.

도 10은 본 발명과는 다른 실시 형태의 도포부(30)의 상세 횡단면도이다. 본 발명의 실시 형태와는 달리, 도 10의 액고임부(32)는 연직 방향 하향 Z로 단면적이 연속적으로 감소하는 영역(33)을 포함하지 않고, 협착부(23)와의 경계에서 단면적이 불연속으로 급격하게 감소하는 구성이다. 이 때문에, 시트상 강화 섬유 다발(1a)이 막히기 쉽다.

<주행 기구>

시트상 강화 섬유 다발이나 본 발명의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 반송하기 위한 주행 기구로서는, 공지된 롤러 등을 적합하게 사용할 수 있다. 본 발명에서는 시트상 강화 섬유 다발(1a)이 연직 하향으로 반송되기 때문에, 도포부를 사이에 두고 상하에 롤러를 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 강화 섬유의 배열 흐트러짐이나 보풀 일어남을 억제하기 위해, 시트상 강화 섬유 다발의 주행 경로는 가능한 한 직선상인 것이 바람직하다.

<열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발>

도포 공정에서 얻어지는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)에 있어서, 열가소성 수지의 함침도는 10％ 이상인 것이 바람직하다. 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 함침도는, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 두께 방향 단면을 이하와 같이 관찰하여 구하였다. 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 에폭시 수지로 포매한 샘플을 준비하고, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 두께 방향 단면을 양호하게 관찰할 수 있게 될 때까지 상기 샘플을 연마하였다. 연마한 샘플을 초심도 컬러 3D 형상 측정 현미경 VHX-9500(컨트롤러부)/VHZ-100R(측정부)((주)키엔스제)을 사용하여 확대 배율 400배로 촬영하였다. 촬영 범위는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 두께×폭 500㎛의 범위로 하였다. 촬영 화상에 있어서, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 단면적 및 수지가 함침되어 있는 부위의 면적을 구하고, (식 4)에 의해 함침도를 산출하였다.

(식 4) 함침도(％)=(함침 부위가 차지하는 부위의 총 면적)/(열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 총 면적)×100

<추가 함침>

본 발명에 관한 열가소성 수지의 추가 함침 공정에 대하여 설명한다. 원하는 함침도로 조정하기 위해, 본 발명에 있어서는 추가 함침 장치(40)를 사용하여 더 함침도를 높일 필요가 있다. 여기서는 도포부(20)에서의 함침과 구별하기 위해, 도포 공정 후에 추가로 함침하는 것을 추가 함침이라고 칭하기로 한다. 추가 함침 장치로서 사용되는 장치에는 특별히 제한은 없고, 목적에 따라 공지된 것으로부터 적절하게 선택할 수 있다.

다음에 도 11 내지 도 14에 의해, 시트상 강화 섬유 다발(1a)에 대한 열가소성 수지(2)의 추가 함침 공정에 대하여 상세하게 설명한다. 도 11은 도 1에 있어서의 추가 함침부(40)를 확대한 상세 횡단면도이다. 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)은 함침 바(41)를 S자상으로 통과시킴으로써 추가 함침이 진행된다. 함침 바(41)의 개수, 포위각, 온도 등은 원하는 함침도가 되도록 적절하게 조정할 수 있다. 또한, 함침 바(41)는 고정되어 있어도 되고, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 주행에 수반하여 종동 회전 혹은 모터 등으로 독립적으로 회전시켜도 된다. 모터 등으로 독립적으로 회전(자립 회전)시킴으로써, 함침도의 조정이 용이하게 되는 점에서 바람직하다. 나아가, 함침 바(41)에 초음파 발생 장치를 마련함으로써, 초음파 진동을 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)에 부여한 상태에서 추가 함침을 행할 수 있어 바람직하다. 초음파 진동을 부여함으로써 단시간에 추가 함침이 진행되는 점에서, 생산성을 보다 향상시킬 수 있다.

도 12는 도 11과는 다른 실시 형태의 추가 함침부(40b)의 상세 횡단면도이다. 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)을, 대향하는 함침 롤(42) 사이에서 가열ㆍ가압함으로써 열가소성 수지(2)를 추가 함침한다. 함침 롤(42)의 개수, 롤 온도, 압력 등을 원하는 함침도가 되도록 적절하게 조정할 수 있다. 또한, 대향하는 함침 롤(42)에 서로 맞물리는 요철을 마련함으로써, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)을 구성하는 강화 섬유의 얼라인먼트를 흐트러트리지 않고 추가 함침이 가능하다. 또한, 대향하는 함침 롤(42) 사이의 클리어런스를 원하는 치수로 조정함으로써 추가 함침 공정과, 후술하는 부형을 동시에 행할 수도 있다. 나아가, 추가 함침부의 출구측의 롤 온도를 열가소성 수지(2)의 결정화 온도 혹은 유리 전이 온도 이하로 내림으로써, 냉각을 동시에 달성시킬 수도 있다.

도 13은 도 11과는 다른 실시 형태의 추가 함침부(40c)의 상세 횡단면도이다. 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)을 상하로 대향하는 벨트(43) 사이에서 가열ㆍ가압함으로써 추가 함침시킬 수 있다. 벨트(43)의 길이, 가압력, 가열 온도, 가열 거리를 조정함으로써 원하는 함침도가 되도록 적절하게 조정할 수 있다. 또한, 벨트(43)의 온도에 구배를 둠으로써 부형 및 냉각 공정을 연속해서 행할 수도 있다. 즉, 도 14에 있어서 벨트를 구동하는 롤(44a 및 44b)을 열가소성 수지의 융점 혹은 유리 전이 온도 이상으로 가열하고, 롤(44c)을 결정화 온도 이하로 하여 원하는 함침도를 달성하면서 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 부형이 가능하다.

도 14는 도 11과는 다른 실시 형태의 추가 함침부(40d)의 상세 횡단면도이다. 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)을 프레스(45a, 45b)로 연속적으로 가열ㆍ가압함으로써 열가소성 수지(2)를 추가 함침시킬 수 있다. 프레스기의 수, 가열 온도, 가압력을 조정함으로써 원하는 함침도가 되도록 적절하게 조정할 수 있다. 또한, 연속된 프레스기의 온도를 변화시킴으로써, 부형 및 냉각 공정을 연속해서 행할 수도 있다. 즉, 도 14에 있어서 프레스(45a)를 열가소성 수지의 융점 혹은 유리 전이 온도 이상으로 가열하고, 프레스(45b)를 결정화 온도 이하로 하여 원하는 함침도를 달성하면서 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 부형이 가능하다.

본 발명에 있어서의 추가 함침 공정에 있어서는, 추가 함침부(40)의 내부는 불활성 가스를 봉입해도 된다. 불활성 가스를 봉입함으로써, 추가 함침 공정에서의 열가소성 수지의 열화, 가교를 억제할 수 있다. 불활성 가스의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 취급성과 생산성의 관점에서 질소 가스가 가장 바람직하다. 불활성 가스의 온도는 특별히 제한되지 않지만, 열가소성 수지와 동등한 온도로 가열되어 있는 것이, 수지 온도가 변동되지 않는 점에서 바람직하다.

추가 함침 공정은 열가소성 수지의 도포 공정 직후의 시간이 경과하지 않은 단계에서 행해도 되고, 한번 냉각 고화한 후에 추가 함침 공정에 투입해도 된다. 생산성의 관점에서 도포 공정의 직후에 연속해서 추가 함침 공정이 있는 것이 바람직하다. 또한, 추가 함침 공정은 도포 공정 직후의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 그대로 추가 함침 공정에 투입해도 되고, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 이형 시트 사이에 끼워 넣고 나서 추가 함침 공정에 투입해도 된다. 생산성 및 함침성의 관점에서 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 직접, 추가 함침 공정에 투입하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서의 추가 함침 공정은 도포 공정에 있어서 연직 하향으로 통과한 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 방향을 유지한 상태에서 통과시켜도 되고, 롤이나 바를 사용하여 방향을 전환시켜도 된다. 추가 함침과 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 방향 전환을 동시에 행해도 된다.

<부형 공정>

본 발명에 있어서의 수지의 부형 및 냉각 고화하는 부형 공정에 대하여 설명한다. 원하는 치수 및 표면 품위로 조정하기 위해, 본 발명에 있어서는 부형 공정에 의해 치수를 조정할 필요가 있다. 부형ㆍ냉각 장치로서 사용되는 장치에는 특별히 제한은 없고, 목적에 따라 공지된 것으로부터 적절하게 선택할 수 있다.

부형 방법으로서는 예를 들어, 원하는 단면 형상의 노즐을 통과시키는 방법이나 전술한 롤법이나 더블 벨트 프레스법, 간헐 프레스 방법 등을 들 수 있다.

부형과 냉각은 동시에 행해도 되고, 나누어 실시해도 된다. 또한, 부형 공정과 냉각 공정은 다른 장치를 사용해도 된다. 예를 들어, 부형 공정은 원하는 단면 형상의 다이 노즐을 통과시킨 후에, 냉각수가 통과한 캘린더 롤 사이를 통과시켜도 된다.

부형 공정은 추가 함침 공정 직후의 시간이 경과하지 않은 단계에서 행해도 되고, 한번 냉각 고화한 후에 재가열하여 추가 함침 공정에 투입해도 된다. 생산성의 관점에서 추가 함침 공정 직후에 부형, 냉각 고화 공정이 있는 것이 바람직하다.

부형 장치와 냉각 장치의 거리에 대해서는 특별히 제한은 없고, 원하는 치수, 표면 외관이 얻어지도록 적절하게 조정된다. 냉각 장치 투입 시의 열가소성 수지 함침 시트상의 온도가, 결정성의 열가소성 수지라면 결정화 온도(Tc) 이상, 비정질성의 열가소성 수지라면 유리 전이 온도(Tg) 이상인 것이 바람직하다.

상기 도포 공정 통과 후의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 섬유 체적 함유율과 부형 공정 통과 후의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 섬유 체적 함유율의 비가 0.9 내지 1.0인 것이 바람직하다. 섬유 체적 함유율이 상기 범위임으로써, 열가소성 수지의 손실을 억제할 수 있어, 생산성의 향상이 가능하다.

<프리프레그 폭>

FRP의 전구체의 1종인 프리프레그는 본 발명에서 얻어지는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 일 형태에 상당하는 점에서, 본 발명을 FRP 용도에 적용하는 경우로서, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 프리프레그라고 칭하여 이하에 설명한다.

프리프레그의 폭에는 특별히 제한은 없고, 폭이 수십㎝ 내지 2m 정도의 광폭이어도 되고, 폭 수mm 내지 수십mm의 테이프상이어도 되며, 용도에 따라 폭을 선택할 수 있다. 근년에는 프리프레그의 적층 공정을 효율화하기 위해, 세폭 프리프레그나 프리프레그 테이프를 자동 적층해 가는 ATL(Automated Tape Laying)이나 AFP(Automated Fiber Placement)라고 불리는 장치가 널리 사용되고 있으며, 이것에 적합한 폭으로 하는 것도 바람직하다. ATL에서는 폭이 약 7.5㎝, 약 15㎝, 약 30㎝ 정도의 세폭 프리프레그가 사용되는 경우가 많고, AFP에서는 약 3mm 내지 약 25mm 정도의 프리프레그 테이프가 사용되는 경우가 많다.

원하는 폭의 프리프레그를 얻는 방법에는 특별히 제한은 없고, 폭 1m 내지 2m 정도의 광폭 프리프레그를 세폭으로 슬릿하는 방법을 사용할 수 있다. 또한, 슬릿 공정을 간략화 혹은 생략하기 위해, 처음부터 원하는 폭이 되도록 본 발명에서 사용하는 도포부의 폭을 조정할 수도 있다. 예를 들어, ATL용으로 30㎝ 폭의 세폭 프리프레그를 제조하는 경우에는, 도포부 출구의 폭을 그에 따라 조정하면 된다. 또한, 이것을 효율적으로 제조하기 위해서는, 제품 폭을 30㎝로 하여 제조하는 것이 바람직하며, 이러한 제조 장치를 복수개 병렬시키면, 동일한 주행 장치ㆍ반송 장치, 각종 롤, 와인더를 사용하여 복수 라인의 프리프레그를 제조할 수 있다. 도 19에는 일례로서, 도포부를 5개 병렬 방향으로 연결한 예를 도시하고 있다. 이때, 5매의 시트상 강화 섬유 다발(416)은, 각각 독립된 5개의 강화 섬유 예열 장치(420), 도포부(430)를 통과하여 5매의 프리프레그(471)가 얻어지도록 해도 되고, 강화 섬유 예열 장치(420), 도포부(430)는 병렬 방향으로 일체화되어 있어도 된다. 이 경우에는 도포부(430) 중에서 폭 규제 기구, 도포부 출구폭을 독립적으로 5개 구비하면 된다.

또한, 프리프레그 테이프의 경우에는, 테이프상의 강화 섬유 다발이 1사조(絲條) 내지 3사상 정도로 시트상 강화 섬유 다발을 형성시키고, 이것을 원하는 테이프 폭이 얻어지도록 폭을 조정한 도포부에 통과시킴으로써 얻을 수도 있다. 프리프레그 테이프의 경우에는 테이프끼리의 횡방향의 겹침을 제어하는 관점에서, 특히 테이프 폭의 정밀도가 요구되는 경우가 많다. 이 때문에, 도포부 출구폭을 보다 엄밀하게 관리하는 것이 바람직하며, 이 경우에는 상기 L, L2 및 W가 L≤W+1mm 및/또는 L2≤W+1mm의 관계를 충족하도록 하는 것이 바람직하다.

<슬릿>

프리프레그의 슬릿 방법에도 특별히 제한은 없으며, 공지된 슬릿 장치를 사용할 수 있다. 프리프레그를 일단 권취한 후, 재차 슬릿 장치에 설치하여 슬릿을 행해도 되고, 효율화를 위해 프리프레그를 일단 권취하지 않고 프리프레그 제작 공정에서부터 연속해서 슬릿 공정을 배치해도 된다. 또한, 슬릿 공정은 1m 이상의 광폭 프리프레그를 직접 원하는 폭으로 슬릿해도 되고, 일단 30㎝ 정도의 세폭 프리프레그로 커트ㆍ소분한 후, 이것을 재차 원하는 폭으로 슬릿해도 된다.

또한, 상기 세폭 프리프레그, 테이프 프리프레그를 복수의 도포부를 병렬시킨 경우에는, 각각 독립적으로 이형 시트를 공급해도 되고, 1매의 광폭 이형 시트를 공급하고, 이것에 복수매의 프리프레그를 적층시켜도 된다. 이와 같이 하여 얻어지는 프리프레그의 폭 방향의 단부를 잘라내어, ATL나 AFP의 장치에 공급할 수 있다. 이 경우에는 잘라내는 단부의 대부분이 이형 시트로 되기 때문에, 슬릿 커터날에 부착되는 열가소성 수지를 줄일 수 있고, 슬릿 커터날의 청소 주기를 연장할 수 있다고 하는 장점도 있다.

<본 발명의 변형 양태(베리에이션) 및 응용 양태>

본 발명에 있어서는, 도포부를 복수개 사용하여 한층 더한 제조 공정의 효율화나 고기능화를 도모할 수 있다.

예를 들어, 복수매의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 적층시키도록 복수의 도포부를 배치할 수 있다. 도 15에는 일례로서 2개의 도포부를 사용한 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 적층을 행하는 양태의 예를 도시하고 있다. 제1 도포부(431)와 제2 도포부(432)로부터 인출된 2매의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(471)은 제1 추가 함침부(433) 및 제2 추가 함침부(434)를 통과하여 제1 부형부(435) 및 제2 부형부(436)를 통과하고, 제1 냉각 고화부(437) 및 제2 냉각 고화부(438)를 통과하여 방향 전환 롤(445)을 거쳐, 그 하방의 적층 롤(447)로 적층된다. 또한, 방향 전환 롤은, 이형 처리가 실시된 방향 전환 가이드 등으로 대용하는 것도 가능하다. 도 15에서는 냉각 공정 통과 후에 열가소성 함침 시트상 강화 섬유 다발을 적층하고 있지만, 추가 함침 공정 전후에서 적층하는 것도 가능하다. 이러한 적층형의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발로 함으로써, 프리프레그 적층의 효율화를 도모할 수 있고, 예를 들어 두꺼운 FRP를 제작하는 경우에 유효하다. 또한, 얇은 프리프레그를 다층 적층함으로써, FRP의 인성이나 내충격성이 향상되는 것을 기대할 수 있고, 본 제조 방법을 적용함으로써, 얇은 다층 적층 프리프레그를 효율적으로 얻을 수 있다. 또한, 다른 종류의 프리프레그를 용이하게 적층함으로써, 기능성을 부가한 헤테로 결합 프리프레그를 용이하게 얻을 수 있다. 이 경우, 강화 섬유의 종류나 섬도, 필라멘트수, 역학 물성, 섬유 표면 특성 등을 변경하는 것이 가능하다. 또한, 열가소성 수지도 다른 것을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 두께가 다른 프리프레그나 역학 물성이 다른 것을 적층한 헤테로 결합 프리프레그로 할 수 있다. 또한, 제1 도포부에서 함침성이 우수한 열가소성 수지를 부여하고, 제2 도포부에서 인성이 우수한 수지를 부여하고, 이것들을 적층함으로써 역학 물성과 인성을 양립할 수 있는 프리프레그를 용이하게 얻을 수 있다.

다른 양태로서는, 도 19에서 예시하고 상기한 바와 같이, 도포부를 시트상 강화 섬유 다발의 주행 방향에 대하여 복수개 병렬시키는, 즉 복수개의 도포부를 시트상 강화 섬유 다발의 폭 방향으로 병렬시키는 것이 가능하다. 이에 의해, 세폭이나 테이프상의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조를 효율화할 수 있다. 또한, 도포부마다 강화 섬유나 열가소성 수지를 변경하면, 폭 방향으로 성질이 다른 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 얻을 수도 있다.

또한, 다른 양태로서는 시트상 강화 섬유 다발의 주행 방향에 대하여 도포부를 직렬로 복수개 배치시킬 수 있다. 도 20에는 일례로서 2개의 도포부를 직렬로 배치시킨 예를 도시하고 있다.

이러한 직렬형의 배치로 함으로써, 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 두께 방향으로 열가소성 수지 종류를 바꿀 수 있다. 또한, 동일한 종류의 열가소성 수지라도 도포부에 의해 도포 조건을 바꿈으로써, 주행 안정성이나 고속 주행성 등을 향상시킬 수도 있다. 예를 들어, 제1 도포부에서 저점도의 열가소성 수지를 부여하고, 제2 도포부에서 인성이 우수한 수지를 부여하고, 이것들을 적층함으로써 역학 물성과 함침성을 양립할 수 있는 프리프레그를 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 제1 도포부에서 내열성이 높은 수지를 부여하고, 제2 도포부에서 제1 도포부에서 도포한 열가소성 수지보다 낮은 융점을 갖는 열가소성 수지를 부여함으로써, 표면에 기타종 재료와의 접착층을 갖는 프리프레그를 용이하게 얻을 수도 있다.

이상과 같이 복수의 도포부를 배치시키는 양태를 몇 개 나타내었지만, 도포부의 수에 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 여러 가지로 적용할 수 있다. 또한, 이들 배치를 복합시키는 것도 물론 가능하다. 또한, 도포부의 각종 사이즈ㆍ형상이나 도포 조건(온도 등)도 혼합하여 사용할 수 있다.

이상 설명해 온 바와 같이, 본 발명의 제조 방법은 제조 효율화ㆍ안정화뿐만 아니라, 제품의 고성능화ㆍ기능화도 가능하며, 확장성도 우수한 제조 방법이다.

<열가소성 수지 공급 기구>

본 발명에 있어서 도포부(20) 내에 열가소성 수지는 저류되어 있는데, 열가소성 수지를 도포부에 공급하는 기구에는 특별히 제한은 없고, 공지된 장치를 사용할 수 있다. 열가소성 수지는 연속적으로 도포부(20)에 공급하는 것이 도포부(20)의 상부 액면을 흐트러트리지 않고, 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 주행을 안정화할 수 있어 바람직하다. 예를 들어, 열가소성 수지를 저류하는 조로부터 자중을 구동력으로서 공급하거나, 펌프 등을 사용하여 연속적으로 공급하거나 할 수 있다. 펌프로서는 기어 펌프나 튜브 펌프, 압력 펌프 등 열가소성 수지의 성질에 따라 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 연속 압출기 등을 사용할 수도 있다. 또한, 열가소성 수지 공급량은 열가소성 수지의 도포부 상부의 액면이 가능한 한 일정하게 되도록 도포량에 따라 연속 공급할 수 있는 기구를 구비하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 예를 들어 액면 높이나 도포부 중량 등을 모니터링하여, 그것을 공급 장치에 피드백하는 기구가 고려된다.

<온라인 모니터링>

또한, 도포량의 모니터링을 위해, 도포량을 온라인 모니터링할 수 있는 기구를 구비하는 것이 바람직하다. 온라인 모니터링 방법에 대해서도 특별히 제한은 없으며, 공지된 것을 사용 가능하다. 예를 들어, 두께를 계측하는 장치로서, 예를 들어 베타선계 등을 사용할 수 있다. 이 경우에는 시트상 강화 섬유 다발 두께와 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 두께를 계측하고, 그의 차분을 해석함으로써 도포량을 어림잡는 것이 가능하다. 온라인 모니터링된 도포량은 즉시 도포부에 피드백되어, 도포부의 온도나 협착부(23)의 간극 D(도 2 참조)의 조정에 이용할 수 있다. 도포량 모니터링은 물론 결점 모니터링으로서도 사용 가능하다. 두께 계측 위치로서는, 예를 들어 도 16에서 말하자면, 방향 전환 롤(419) 근방에서 시트상 강화 섬유 다발(416)의 두께를 계측하고, 도포부(430)로부터 방향 전환 롤(441) 사이에서 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 두께를 계측할 수 있다. 또한, 적외선, 근적외선, 카메라(화상 해석) 등을 사용한 온라인 결점 모니터링을 행하는 것도 바람직하다.

본 발명의 도공 장치는, 강화 섬유가 일방향으로 배열된 시트상 강화 섬유 다발을 실질적으로 연직 방향 하향으로 주행시키는 주행 기구와, 도포 기구를 갖고, 상기 도포 기구는 그 내부에 열가소성 수지를 저류 가능하고, 또한 서로 연통된 액고임부와 협착부를 구비하고 있고, 상기 액고임부는 시트상 강화 섬유 다발의 주행 방향을 따라 단면적이 연속적으로 감소하는 부분을 갖고, 상기 협착부는 슬릿상의 단면을 가지며, 또한 액고임부 상면보다 작은 단면적을 갖는 것이다.

이하에서는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 일 양태인 프리프레그의 예에, 당해 도공 장치를 사용한 프리프레그의 제조예를 구체적으로 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 또한, 이하는 예시이며, 본 발명은 이하에 설명되는 양태에 한정하여 해석되는 것은 아니다.

도 16은 본 발명을 사용한 프리프레그의 제조 공정ㆍ장치의 예의 개략도이다. 복수개의 강화 섬유 보빈(412)은 크릴(411)에 걸리고, 방향 전환 가이드(413)를 거쳐 상방으로 인출된다. 이때, 크릴에 부여된 브레이크 기구에 의해 일정 장력으로 강화 섬유 다발(414)을 인출할 수 있다. 인출된 복수개의 강화 섬유 다발(414)은 강화 섬유 배열 장치(415)에 의해 정연하게 배열되어, 시트상 강화 섬유 다발(416)이 형성된다. 또한, 도 16에서는 강화 섬유 다발은 3사조밖에 묘화되어 있지 않지만, 실제로는 2사조 내지 수백 사조로 할 수 있으며, 원하는 프리프레그 폭, 섬유 단위 면적당 중량으로 하도록 조정 가능하다. 그 후, 폭 확대 장치(417), 평활화 장치(418)를 거치고, 방향 전환 롤(419)을 거쳐 연직 하향으로 반송된다. 도 16에서는 강화 섬유 배열 장치(415)부터 방향 전환 롤(419)까지 시트상 강화 섬유 다발(416)이 장치 사이를 직선상으로 반송된다. 또한, 폭 확대 장치(417), 평활화 장치(418)는 목적에 따라 적절하게 스킵할 수도 있고, 장치를 배치하지 않을 수도 있다. 또한, 강화 섬유 배열 장치(415), 폭 확대 장치(417), 평활화 장치(418)의 배열 순서는 목적에 따라 적절하게 변경할 수도 있다. 시트상 강화 섬유 다발(416)은 방향 전환 롤(419)로부터 연직 하향으로 주행하여, 강화 섬유 예열 장치(420), 도포부(430), 추가 함침부(433), 부형부(435) 및 냉각부(437)를 거쳐 방향 전환 롤(441)에 도달한다. 도포부(430)는 본 발명의 목적을 달성하는 범위에서 임의의 도포부 형상을 채용할 수 있다. 예를 들어, 도 2, 도 6 내지 도 9와 같은 형상을 들 수 있다. 또한, 필요에 따라 도 5와 같이 부시를 구비할 수도 있다. 이것을 인취 장치(444)에서 인취하고, 권취 장치(464)에서 권취함으로써 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 얻을 수 있다. 또한, 도 12에서는 열가소성 수지 공급 장치, 온라인 모니터링 장치의 묘화는 생략되어 있다.

도 17은 본 발명을 사용한 프리프레그의 제조 공정ㆍ장치의 다른 예의 개략도이다. 도 17에서는 크릴(411)로부터 강화 섬유 다발(414)을 인출하고, 그대로 강화 섬유 배열 장치(415)에서 시트상 강화 섬유 다발(416)을 형성하고, 그 후 폭 확대 장치(417), 평활화 장치(418)까지 직선상으로 반송되며, 그 후 시트상 강화 섬유 다발(416)을 상방으로 유도하는 점이 도 16과는 다르다. 이러한 구성으로 함으로써, 상방에 장치를 설치하는 것이 불필요하게 되어, 비계 등의 설치를 대폭 간략화할 수 있다.

도 18은 본 발명을 사용한 프리프레그의 제조 공정ㆍ장치의 다른 예의 개략도이다. 도 18에서는 층계 위에 크릴(411)을 설치하여, 시트상 강화 섬유 다발(416)의 주행 경로를 더 직선화하고 있다.

본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발은, CFRP로 대표되는 FRP로서 항공ㆍ우주 용도나 자동차ㆍ열차ㆍ선박 등의 구조재나 내장재, 압력 용기, 산업 자재 용도, 스포츠 재료 용도, 의료 기기 용도, 하우징 용도, 토목ㆍ건축 용도 등 넓게 적용할 수 있다.

1: 강화 섬유
1a: 시트상 강화 섬유 다발
1b: 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발
2: 열가소성 수지
11: 크릴
12: 배열 장치
13, 14: 반송 롤
15: 권취 장치
20: 도포부
20b: 다른 실시 형태의 도포부
20c: 다른 실시 형태의 도포부
20d: 다른 실시 형태의 도포부
20e: 다른 실시 형태의 도포부
21a, 21b: 벽면 부재
21c, 21d: 다른 형상의 벽면 부재
21e, 21f: 다른 형상의 벽면 부재
21g, 21h: 다른 형상의 벽면 부재
21i, 21j: 다른 형상의 벽면 부재
22: 액고임부
22a: 액고임부 중 단면적이 연속적으로 감소하는 영역
22b: 액고임부 중 단면적이 감소하지 않는 영역
22c: 액고임부 중 단면적이 단속적으로 감소하는 영역
23: 협착부
24a, 24b: 측판 부재
25: 출구
26: 간극
27a, 27b: 폭 규제 기구
30: 비교예 1의 도포부
31a, 31b: 비교예 1의 벽면 부재
32: 비교예 1의 액고임부
33: 비교예 1의 액고임부 중 단면적이 단속적으로 감소하는 영역
40: 추가 함침부
41: 함침 바
42: 함침 롤
43: 함침 벨트
44a, 44b, 44c: 벨트 구동 롤
45a, 45b: 프레스
50: 부형부
60: 냉각 고화부
100: 도공 장치
B: 액고임부(22)의 안길이
C: 액고임부(22)의 상부 액면까지의 높이
D: 협착부의 간극
F: 협착부에서 작용하는 전단력
G: 폭 규제를 행하는 위치
H: 액고임부(22)의 단면적이 연속적으로 감소하는 연직 방향 높이
L: 액고임부(22)의 폭
M: 액고임부의 용적
N: 열가소성 수지의 공급량
Q: 체류 시간
R, Ra, Rb: 소용돌이 흐름
T: 순환류
U: 인취 속도
X: 협착부의 길이
W: 협착부(23)의 바로 밑에서 측정한 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발(1b)의 폭
Y: 협착부(23)의 폭
Z: 시트상 강화 섬유 다발(1a)의 주행 방향(연직 방향 하향)
η: 수지 점도
δ: 섬유간 거리
θ: 테이퍼부의 개방 각도
411: 크릴
412: 강화 섬유 보빈
413: 방향 전환 가이드
414: 강화 섬유 다발
415: 강화 섬유 배열 장치
416: 시트상 강화 섬유 다발
417: 폭 확대 장치
418: 평활화 장치
419: 방향 전환 롤
420: 강화 섬유 예열 장치
430: 도포부
431: 제1 도포부
432: 제2 도포부
433: 제1 추가 함침부
434: 제2 추가 함침부
435: 제1 부형부
436: 제2 부형부
437: 제1 냉각 고화부
438: 제2 냉각 고화부
441: 방향 전환 롤
444: 인취 장치
445: 방향 전환 롤
447: 적층 롤
464: 권취 장치
471: 프리프레그(열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발)

Claims

연속 섬유를 포함하는 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시켜 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 제조하는 방법이며,
열가소성 수지를 저류하는 도포부에, 연속 섬유를 포함하는 강화 섬유를 일방향으로 배열한 시트상 강화 섬유 다발을 통과시켜, 열가소성 수지를 시트상 강화 섬유 다발에 도포하여 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발로 하는 도포 공정,
도포한 상기 열가소성 수지를, 상기 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 내부에 추가 함침시키는 추가 함침 공정, 및
열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 부형하고, 냉각 고화하는 부형 공정을 포함하고,
상기 도포 공정에 있어서, 상기 시트상 강화 섬유 다발을 연직 방향 하향으로 통과시켜 열가소성 수지를 띠상 강화 섬유 다발에 도포함과 함께, 상기 도포 공정 및 추가 함침 공정에 있어서, 상기 열가소성 수지를 융점+30℃ 이상으로 가열하고, 가열 상태에 있어서의 열가소성 수지의 점도가 5 내지 200Paㆍs인 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 도포부는 서로 연통된 액고임부와 협착부를 구비하고, 상기 액고임부는 시트상 강화 섬유 다발의 주행 방향을 따라 단면적이 연속적으로 감소하는 부분을 갖고, 상기 협착부는 슬릿상의 단면을 가지며, 또한 액고임부 상면보다 작은 단면적을 가짐과 함께, 상기 액고임부에 있어서의 열가소성 수지의 체류 시간이 1 내지 60min인 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도포 공정에 있어서, 협착부의 슬릿상 단면에 있어서 하기 (식 1)로 표시되는 시트상 강화 섬유 다발에 작용하는 전단력이 1 내지 1500N의 범위인 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
(식 1) F=2×(Y+D)×X×η×(U/δ)
F: 협착부에서 작용하는 전단력(N), Y: 협착부의 폭, D: 협착부의 간극
η: 수지 점도(MPa), U: 인취 속도(m/min), δ: 섬유간 거리(mm)
X: 협착부 길이(mm)
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도포 공정, 추가 함침 공정 및 부형 공정을 연속적으로 행하는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도포 공정에 있어서의 열가소성 수지의 도포를 불활성 가스 분위기 하에서 행하는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 함침 공정에 있어서의 추가 함침을 불활성 가스 분위기 하에서 행하는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도포 공정 통과 후의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 체적 함유율과 부형 공정 통과 후의 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 체적 함유율의 비가 0.9 이상인 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 강화 섬유의 배열 방향에 있어서의 액고임부의 하부의 폭 L(mm)과, 협착부의 바로 밑에 있어서의 시트상 강화 섬유 다발의 폭 W(mm)가 L≤W+10(mm)을 충족하는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 액고임부 내에 시트상 강화 섬유 다발의 폭을 규제하기 위한 폭 규제 기구를 구비하고, 협착부의 바로 밑에 있어서의 시트상 강화 섬유 다발의 폭 W(mm)와 해당 폭 규제 기구 하단에 있어서 폭 규제 기구에 의해 규제되는 폭 L2(mm)의 관계가 L2≤W+10(mm)을 충족하는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폭 규제 기구를 상기 액고임부 및 협착부의 전역에 걸쳐 구비하는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 액고임부에 있어서의 단면적이 연속적으로 감소하는 부분의 연직 방향 높이가 10mm 이상인 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 시트상 강화 섬유 다발을 가열한 후, 도포부에 통과시키는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 시트상 강화 섬유 다발을 평활화 처리한 후, 도포부에 통과시키는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 시트상 강화 섬유 다발을 폭 확대 처리한 후, 도포부에 통과시키는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 함침 공정에 있어서 초음파 진동을 시트상 강화 섬유 다발에 부여하는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도포 공정에 있어서, 도포부에 저류된 열가소성 수지에 초음파 진동을 부여하는 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발의 제조 방법.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발.
제17항에 기재된 열가소성 수지 함침 시트상 강화 섬유 다발을 성형하여 이루어지는 강화 섬유 복합 재료.