KR20230150746A - 연속섬유 강화 복합재 - Google Patents

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KR20230150746A
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박종성
문영이
최한나
이경락
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(주)엘엑스하우시스
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Abstract

열가소성 수지 및 연속섬유를 포함하고, 상기 연속섬유의 평균 직경은 20㎛~24㎛ 이고, 강성이 45Gpa 이상인 연속섬유 강화 복합재를 제공한다.

Description

연속섬유 강화 복합재{CONTINUOUS FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 높은 인장 강도 및 강성을 갖는 연속섬유 강화 복합재에 관한 것이다.
근래에는 에너지 절약에 관한 관심이 크게 증대되고 있으며, 이에 상응하여 차량, 항공기 등의 운송 수단에 있어서 연비를 향상시키고, 경량화를 도모하는 것이 중요한 요소 중 하나이다.
기존의 차량 및 항공기 등을 구성하는 부품들은 대부분이 금속을 주요 재질로 하여 높은 강도 및 강성을 확보하고자 하였다. 부품들이 금속으로 제조되는 경우에는 가공 시 비용이 많이 들고, 중량이 커서 연비 향상 또는 경량화에 불리한 면이 있었다. 따라서, 최근에는 다양한 부품들이 경량화 도모 목적에 부합하도록 금속 대신 섬유 강화 복합재를 이용하여 제조되고 있다.
한편, 기존의 섬유 강화 복합재로는 높은 강도 및 강성을 부여하는데 한계가 있어 왔다.
본 발명의 목적은 높은 인장강도 및 인장강성을 나타내는 연속섬유 강화 복합재를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 두께가 두꺼운 일방향 프리프레그인 연속섬유 강화 복합재를 제공할 수 있으며, 상기 연속섬유 강화 복합재를 이용한 제품의 생산속도를 증가시킬 수 있고, 합지시 적층 공정을 감소시킬 수 있으며, 상기 제품의 표면 품질을 개선시킬 수 있는 연속섬유 강화 복합재를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 열가소성 수지 및 연속섬유를 포함하고, 상기 연속섬유의 평균 직경은 20㎛~24㎛ 이고, 강성이 45Gpa 이상인 연속섬유 강화 복합재를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 연속섬유 강화 복합재는 높은 인장강도 및 인장강성을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연속섬유 강화 복합재는 이를 이용한 제품의 생산속도를 증가시킬 수 있고, 합지시 적층 공정을 감소시킬 수 있으며, 제품의 표면 품질을 개선시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 복합재를 제조하는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 복합재를 나타낸 것이다.
도 3은 로빙(사), 본 및 섬유의 관계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4은 비교예(2400tex) 및 실시예(4800tex)의 연속섬유 강화 복합재의 특성을 설명하기 위해 예시적 및 개략적으로 섬유를 도시한 것이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 구현예에 따른 연속섬유 강화 복합재를 설명하도록 한다.
본 발명의 일 구현 예는 열가소성 수지 및 연속섬유를 포함하고, 상기 연속섬유의 평균 직경은 20㎛~24㎛ 이고, 강성이 45Gpa 이상인 연속섬유 강화 복합재를 제공한다.
종래 차량 및 항공기 등을 구성하는 부품들은 대부분이 금속을 주요 재질로 하여 높은 강도 및 강성을 확보하여 왔다. 한편, 부품들이 금속으로 제조되는 경우에는 가공 시 비용이 많이 들고, 중량이 커서 연비 향상 또는 경량화에 불리한 면이 있었다. 따라서, 최근에는 다양한 부품들이 경량화 도모 목적에 부합하도록 금속 대신 섬유 강화 복합재를 이용하여 제조되고 있다. 그러나, 기존의 섬유 강화 복합재로는 높은 강도 및 강성을 부여하는데 한계가 있다.
섬유 강화 복합재는 두 가지 이상의 재료를 조합시켜 소재 단독으로는 가질 수 없는 기능을 발휘하는 재료로, 강화재의 역할을 하는 섬유와 고분자 기지재료(matrix)를 포함하여 구성된다. 이때, 섬유의 함량을 높여 강도, 강성을 향상시키고자 하나, 섬유와 고분자 수지의 계면 결합력이 낮아 섬유의 함량이 높아질수록 수지의 함침성이 떨어지고, 섬유 강화 복합재의 표면 특성이 저하되며, 오히려 물성이 저하되는 문제가 있었다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 열가소성 수지 및 연속섬유를 포함하고, 상기 연속섬유의 평균 직경은 20㎛~24㎛ 이며, 45Gpa 이상의 높은 강성을 나타내는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 연속섬유 강화 복합재는 기지재(matrix)인 열가소성 수지에 섬유, 예를 들어 유리섬유를, 연속섬유로 일 방향으로 함침시켜 연속적으로 제조된 일방향 프리프레그(Unidirectional Sheet, 이하 'UD 시트'라고 함)일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 복합재를 제조하는 과정을 개략적으로 도시한 것이다. 로빙사를 포함하는 복수개의 보빈(bobbin, 100)으로부터 뽑아져 나온 섬유를 스프레딩부(200)를 통과시켜 소정 폭 사이즈로 펼치고, 펼쳐진 섬유를 함침금형(300) 내에 투입시키고, 상기 섬유에 열가소성 수지를 함침시키고, 경화 또는 응고시켜 연속적으로 제조된 일방향 프리프레그를 제조할 수 있다. 도 2가 이에 의해 제조된 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 복합재인 일방향 프리프레그를 나타낸 사진이다. 이때, 로빙사(로빙)는 도 3에서 보는 바와 같이, 하나의 “번들(=본)”을 반복적으로 감은 것을 의미하며, 상기 번들은 섬유(필라멘트)가 뭉쳐져 있는 것을 의미한다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 기지재(matrix)로 열가소성 수지를 포함하며, 상기 열가소성 수지는 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트 (PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene), 폴리아미드(PA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌 수지를 포함하여 경량화 효과를 용이하게 확보할 수 있다. 예를 들어, 상기 열가소성 수지는 프로필렌 호모 폴리머 또는 프로필렌-에틸렌 공중합 수지, 프로필렌-부텐 공중합 수지, 에틸렌-프로필렌-부텐 공중합 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 폴리프로필렌계 공중합 수지를 포함할 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재의 기지재(matrix)를 구성하는 상기 열가소성 수지는 ASTM D1238에 따른, 230℃에서 20g/10min ~ 100g/10min의 용융 지수(melt index: MI)를 갖는 열가소성 수지에 의해 함침되어 형성된 것일 수 있다.
섬유에 함침될 때의 상기 열가소성 수지의 용융 지수가 상기 범위 미만인 경우 열가소성 수지가 쉽게 고화되어 함침성이 저하될 우려가 있고, 상기 범위를 초과할 경우에는 열가소성 수지가 흘러내리는 문제가 있다. 상기 열가소성 수지는 상기 범위의 용융 지수를 갖는 하나의 열가소성 수지를 포함할 수 있으며, 또는 서로 다른 용융 지수를 갖는 2 종 이상의 열가소성 수지를 혼합하여 상기 범위의 용융 지수를 갖도록 할 수 있다.
상기 열가소성 수지는 통상의 제조방법에 의해 함침 금형에 투입될 수 있다. 예를 들어, 상기 열가소성 수지는 상부 토출 또는 하부 토출 등의 일방 토출 또는 상하동시 토출 방식으로 투입될 수 있다. 예를 들어, 상기 열가소성 수지는 상부 토출 방식으로 투입되어 고함량의 연속섬유에 적은 함량의 수지를 투입하면서도 높은 함침성을 나타낼 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 강화재 역할을 하는 섬유로 연속섬유를 포함한다. '연속 섬유'란 구조적으로 절단되지 않고 길게 연속되어 있는 섬유를 의미하며, 상기 연속섬유 강화 복합재, 예를 들어, 일방향 프리프레그의 전체 크기에 의존하여 그 내부에서 끊어지지 않고 연속적인 형태로 존재하는 섬유를 의미한다. 섬유가 연속 섬유의 형태로 사용됨으로써, 장섬유 또는 단섬유와 같이 소정의 길이를 갖도록 절단된 비연속 섬유를 사용하는 경우에 비하여 배향성을 더 잘 형성하고 유지할 수 있으며, 내충격성 향상을 위하여 물품의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도의 제어를 더욱 용이하게 할 수 있다.
상기 연속섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 연속섬유 강화 복합재는 상기 연속섬유로 유리섬유를 포함할 수 있다.
상기 연속섬유는 3,000tex 내지 7,000tex의 연속섬유 다발로부터 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 4800 tex 내지 7,000tex의 연속섬유 다발로부터 형성된 것일 수 있다. tex 값은 섬유의 단위 길이당 질량(g)을 의미한다. 섬유의 tex 값은 섬유, 즉, 필라멘트의 직경과 섬유(필라멘트)의 개수(ea/本)에 영향을 받을 수 있다. 섬유의 직경이 작을수록 tex 값은 작아지고, 섬유의 직경이 커질수록 tex 값은 커질 수 있다. 또한, 섬유의 개수가 많을수록 tex 값은 증가할 수 있다.
상기 연속섬유의 평균 직경은 20㎛~24㎛ 이다. 상기 연속섬유 강화 복합재는 상기 범위의 평균 직경을 갖는 연속섬유를 포함하여 연속섬유와 열가소성 수지의 계면 접촉면적을 적절히 조절하고, 수지의 투과성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 우수한 강도 및 강성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 75 중량% 이상의 고함량의 연속섬유로 강화된 연속섬유 강화 복합재의 제조 시, 상기 연속섬유의 평균 직경이 상기 범위 미만인 경우에는 연속섬유의 함침성이 저하되고, 이에 따라 강도 및 강성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다. 그리고, 상기 연속섬유의 평균 직경이 상기 범위를 초과하는 경우에는 연속섬유의 함침성은 유리해지나, 연속섬유와 복합재 기지개(matrix) 사이의 계면 면적이 지나치게 낮아져 강도 및 강성이 저하되는 문제가 있을 수 있다. 상기 연속섬유는 상기 범위의 tex와 함께, 상기 범위의 평균 직경을 동시에 가질 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 4,000개 내지 8,000개의 상기 연속섬유를 포함할 수 있다. 또는 4,000개 내지 5,800개의 상기 연속섬유를 포함할 수 있다. 상기 연속섬유 강화 복합재는 상기 범위의 tex와 함께, 상기 개수의 상기 연속섬유를 포함할 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 1중량% 미만의 집속제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.4 중량% 미만의 집속제를 포함할 수 있다. 집속제(sizing agent)는 연속섬유, 즉, 연속 필라멘트를 집속시키는 코팅제로 사용된 물질을 총괄하여 칭하는 것으로서, 집속제는 연속섬유 필라멘트들이 집속된 연속섬유 다발(번들, 本)을 형성하게 한다. 집속된 연속섬유는 연속섬유의 취급성을 향상시킨다. 한편, 집속(sizing)이 쉽게 풀리면, 공정 상에서 섬유의 꼬임이 발생하기도 하고, 핀, 크릴 등의 부품과 섬유간의 마찰을 일으키는 요소로 작용하기도 한다.
그리고, 연속섬유 다발의 개섬성은 집속제에 의해 영향을 받을 수 있다. 연속섬유에 대한 수지의 함침성을 높이기 위해 집속제는 제거되어야 한다. 집속제가 잔류하는 경우 함침 공정에서 연속섬유 다발의 펼침 특성(개섬성)이 저하될 수 있다. 연속섬유 다발(本)이 풀리는 공정 초반에는 원활한 작업을 위해 집속제가 충분히 있는 것이 좋고, 연속섬유 다발의 안?U으로 갈수록 집속제는 없는 것이 바람직하다.
상기 연속섬유 강화 복합재에 포함된 연속섬유는 일정의 집속제를 포함하는 연속섬유 다발에 의해 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 집속제를 연속섬유 다발의 최외각 부분에 포함하는 연속섬유 다발에 의해 형성될 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 상기 범위의 직경 및/ 또는 개수를 갖는 연속섬유를 포함하여, 두꺼운 두께의 일방향 프리프레그인 상기 연속섬유 강화 복합재를 제조할 수 있다.
예를 들어, 표 1에서 보는 바와 같이, 2400tex를 갖는 비교예 1과 비교하여 4800tex를 갖는 실시예는 약 2배의 두께를 갖는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 상기 연속섬유 강화 복합재는 0.15㎜ 내지 1㎜의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 연속섬유 강화 복합재의 두께의 하한은 0.15㎜, 0.27㎜, 또는 0.3㎜ 일 수 있고, 상기 연속섬유 강화 복합재의 두께의 상한은 0.3㎜, 0.54㎜ 또는 0.6 일 수 있다. 예를 들어, 상기 연속섬유 강화 복합재는 0.27㎜ 내지 0.54㎜의 두께를 가질 수 있다.
이에 따라, 동일 선속으로 제조하여도 생산량을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 2 배 이상으로 생산량을 증가시킬 수 있다. 그리고, 상기 일방향 프리프레그를 합지시켜 적층하는 경우, 상기 일방향 프리프레그의 두꺼운 두께로 인해 적층 공정을 감소시킬 수 있다.(즉, cycle/time이 단축됨) 이에 따라 상기 일방향 프리프레그를 합지하여 제조하는 성형품의 표면 품질을 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 프리프레그를 합지시켜 적층시키는 과정에서 사이에 갈라짐이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 연속섬유를 포함하는 상기 연속섬유 강화 복합재는 높은 투과성으로 수지의 함침성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 표 1에서 보는 바와 같이, 2400tex를 갖는 비교예 1과 비교하여 4800tex를 갖는 실시예는 동일한 단위면적에서 보면, 섬유 간의 간격이 넓어지고 수지의 흐름성이 향상된다.
상기 연속섬유 강화 복합재에서 열가소성 수지의 투과성(permeability, K)은 Carman-kozeny 식인 하기 식(1)에 따라 측정할 수 있다.
여기서, d는 상기 연속섬유의 평균 직경, ε 는 다공성(porosity), k는 상수를 나타낸다.
상기 식(1)에서 보는 바와 같이, 연속섬유의 직경이 커질수록 투과성(permeability)이 커진다. 이에 따라, 높은 함량의 섬유를 낮은 함량의 수지로 충분히 함침시킬 수 있으며, 현저히 높은 강도 및 강성을 나타낼 수 있다.
그리고, 상기 연속섬유 강화 복합재는 동일 개수의 섬유를 포함하는 경우에도, 상기 범위의 직경을 포함하여 계면 접착력이 떨어지는 연속섬유와 수지 간의 계면 접촉 면적을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 현저히 높은 강도 및 강성을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 도 4은 비교예(2400tex) 및 실시예(4800tex)의 연속섬유 강화 복합재의 특성을 설명하기 위해 예시적 및 개략적으로 섬유를 도시한 것이다. 실시예는 비교예와 비교하여 2배의 tex를 갖는 것이다. 4800tex 는 섬유의 개수가 2배인 4800tex(1) 과 섬유의 반지름이√2배 증가한 4800tex(2) 가 있을 수 있다. 이때, 섬유의 직경이 증가한 4800tex(2)가 4800tex(1)과 비교하여 표면적이 0.7배가 되어 수지와 접촉하게 되는 섬유의 표면적이 감소하는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 높은 tex를 갖는 유리섬유를 사용함에도 불구하고, 연속섬유의 함침성을 높이면서 물성을 동시에 향상시킬 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 상기 연속섬유를 60중량% 내지 90중량%의 함량으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 70중량% 내지 90중량% 또는 80중량% 내지 90중량%의 높은 함량으로 포함할 수 있다. 이에 따라 높은 강도 및 강성을 나타낼 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 상기 범위의 높은 함량의 연속섬유를 포함함에도 불구하고, 상기 연속섬유를 포함하여 섬유 간의 간격, 섬유와 수지의 계면 접촉 면적을 조절하여 수지의 투과성을 높여 우수한 함침성을 나타낼 수 있다.
이에 따라, 상기 연속섬유 강화 복합재는 5% 미만의 보이드율을 가질 수 있다. 예를 들어, 3% 미만 또는 0~1% 미만의 보이드율을 가질 수 있다.
보이드는 함침단계에서 생기는 '함침 보이드'와 합지 과정에서 생기는 '합지 보이드'가 있다. 상기 보이드는 1장의 일방향 프리프레그(UD 시트)의 내부에 섬유 사이사이에 발생한 보이드인 '함침 보이드'를 의미한다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 상기 연속섬유를 높은 함량으로 포함하고, 낮은 함량의 열가소성 수지로 상기 연속섬유를 함침시킴에도 불구하고, 상기 범위의 보이드율(공극률)을 가짐으로써, 높은 강도 및 강성을 나타낼 수 있다.
상기 보이드율은 ASTM D2734 에 따라 하기 식(3)에 의해 측정할 수 있다.
상기 식(3) 에서, 분자의 밀도(g/㎤)은 ASTM D792 에 따른 연속섬유 강화 복합재의 밀도(g/㎤)으로 수중 밀도계를 이용하여 측정한 값을 의미합니다.
그리고, 분모의 Ash 밀도(wt%)은 ASTM D5630에 따른 것으로서 연속섬유 강화 복합재를 600℃에서 가열하여 Ash test 하고 3시간 전/후의 무게 차이를 측정하여 나온 섬유 무게 분율을 기반으로 섬유 밀도(예: 유리섬유 밀도=2.58 g/㎤) 및 매트릭스 밀도(예: 폴리프로필렌 밀도=0.905 g/㎤)를 적용하여 계산된 값을 의미한다.
구체적으로, 상기 Ash 밀도는 하기 [식 4]의 섬유 부피분율(volume fraction) 을 이용하여, 하기 [식 5]에 따라 계산된다.
*섬유 무게분율 = Ash 후 샘플 무게/ Ash 전 샘플 무게
* 매트릭스 무게분율 = 1-섬유 무게분율
*매트릭스 밀도(=GF 0% 밀도)=0.905 g/㎤(폴리프로필렌 기준)
*섬유 밀도(=유리섬유 100% 밀도)=2.580 g/㎤
*매트릭스 부피분율(volume fraction) = 1-섬유 부피분율(volume fraction)
[식 5]
Ash 밀도 = (섬유 부피분율 X 섬유 밀도 + 매트릭스 부피분율 X 매트릭스 밀도)
섬유에 수지가 함침되는 정도에 따라 보이드율이 달라지고, 물성에 영향을 미칠 수 있다. 함침의 정도는 광폭화된 연속섬유의 폭, 제조되는 연속섬유 강화 복합재의 선속 및 수지의 용융지수에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 상기 연속섬유 강화 복합재는 약 1000㎜ 이상, 1500㎜ 이하의 폭으로 광폭화 될 수 있다.
그리고, 상기 연속섬유를 포함하는 상기 연속섬유 강화 복합재는 8~20m/min의 선속으로 제조될 수 있다.
이때, 상기 연속섬유에 20g/10min ~ 100g/10min 용융 지수를 갖는 수지를 투입하여 함침도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 수지의 용융지수 대비 선속이 빠른 경우 수지의 함침성이 저하될 수 있으며, 광폭으로 인해 섬유 간 폭이 너무 커지는 경우 수지 미함침 부분이 발생하는 문제가 있을 수 있따. 이에 따라, 보이드율이 커져 물성이 저하될 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 높은 강도 및 강성을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 연속섬유 강화 복합재는 45GPa 이상의 강성을 가질 수 있다. 또는 50GPa 이상의 강성을 가질 수 있으며, 강성의 상한값은 60 GPa 일 수 있다.
그리고, 상기 연속섬유 강화 복합재는 800MPa 이상의 강도, 예를 들어, 950MPa 이상, 980MPa 이상의 강도를 나타낼 수 있으며, 강도의 상한값은 1500MPa 일 수 있다.
(실시예)
실시예 1
평균 직경이 20㎛ 인 유리섬유(필라멘트)로 이루어진 연속 유리섬유 다발(4800tex, 5,800ea/本) 130 本을 1 本 당 10㎜ 펼치기시켜 폭이 1,300㎜ 가 되도록 하였다.
그리고, 상기 펼처진 연속 유리섬유에 용융지수(melt index: MI) 20g/10min ~ 100g/10min 의 폴리프로필렌을 함침 다이의 상부에서 토출하여 함침시켜 일방향 프리프레그인 연속섬유 강화 복합재를 선속 8m/min ~20m/min 의 속도로 제조하였다. 이때, 상기 연속섬유 강화 복합재에는 상기 유리섬유가 80중량% 함침되었다.
실시예 2
실시예 1에 있어서, 평균 직경이 24㎛ 인 유리섬유(필라멘트)로 이루어진 연속 유리섬유 다발(4800tex, 4,000ea/本)을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 일방향 프리프레그인 연속섬유 강화 복합재를 제조하였다. 이때, 상기 연속섬유 강화 복합재에는 상기 유리섬유가 80중량% 함침되었다.
비교예 1
실시예 1에 있어서, 평균 직경이 17㎛ 인 유리섬유(필라멘트)로 이루어진 연속 유리섬유 다발(2400tex, 4,000ea/本)을 이용한 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 일방향 프리프레그인 연속섬유 강화 복합재를 제조하였다. 이때, 상기 연속섬유 강화 복합재에는 상기 유리섬유가 74중량% 함침되었다.
평가
실험예 1: 인장 강도(MPa) 및 인장 강성(GPa)
상기 실시예 및 비교예의 프리프레그인 연속섬유 강화 복합재를 ASTM D3039 규격에 의거하여 2 mm/min의 조건에서 측정하여, 인장강도 및 인장강성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
실험예 2: 투과성(K)과 계면 접촉도(A)
상기 실시예 및 비교예에서, 상기 폴리프로필렌의 투과성(Permeability, K)을 판단하기 위하여, Carman-kozeny 식인 하기 식(1)에 따라 측정하였다. 이때, 비교예 1의 투과성을 기준으로 상기 실시예의 상대적 투과성을 판단하기 위하여, 비교예 1의 단면도의 전체 면적을 단위 면적으로 하여 측정하였다. 그리고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
여기서, d는 상기 유리섬유의 평균 직경, ε 는 다공성(porosity), k는 상수임.
그리고, 상기 실시예 및 비교예에서, 유리섬유와 폴리프로필렌의 계면 접촉 정도(A)를 판단하기 위하여, 유리섬유의 둘레(=2πr)을 이용하여 하기 식(2)에 따라 측정하였다. 이 때, 비교예 1의 유리섬유와 폴리프로필렌의 계면 접촉 정도를 기준으로 상기 실시예의 상대적 계면 접촉 정도를 판단하기 위하여, 비교예 1의 단면도의 전체 면적을 단위면적으로 하여, 상기 유리섬유와 폴리프로필렌의 계면 접촉 정도를 측정하였다. 그리고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[식 2]
A=2πr X 단위 면적에 포함된 유리섬유(필라멘트) 수(ea)
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 비교예 1과 비교하여 실시예는 약 2배의 두께를 갖는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 상기 연속섬유 강화 복합재를 이용한 성형품의 생산속도를 증가시킬 수 있고, 합지시 적층 공정을 감소시킬 수 있으며, 상기 제품의 표면 품질을 개선시킬 수 있다.
그리고, 비교예 1과 비교하여 실시예는 동일한 단위면적에서 보면, 섬유 간의 간격이 넓어지고 수지의 흐름성이 월등히 향상되는 것을 볼 수 있다. 그리고, 투과성(K)에 있어서도 비교예와 비교하여 실시예는 현저히 향상된 투과성을 나타내고, 실시예는 유리섬유와 수지의 계면 접촉도(A)가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 실시예의 일방향 프리프레그인 연속섬유 강화 복합재는 높은 인장강도 및 현저히 향상된 인장강성을 동시에 갖는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 보빈
200: 스프레딩부
300: 함침금형

Claims (10)

  1. 열가소성 수지 및 연속섬유를 포함하고,
    상기 연속섬유의 평균 직경은 20㎛~24㎛ 이고,
    강성이 45Gpa 이상인
    연속섬유 강화 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유의 함량이 60중량% 내지 90중량%인
    연속섬유 강화 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유 강화 복합재는 일방향 프리프레그인
    연속섬유 강화 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유 강화 복합재는 5% 미만의 보이드율을 갖는
    연속섬유 강화 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유 강화 복합재는 1.0 중량% 미만의 집속제를 갖는
    연속섬유 강화 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트 (PC), 나일론(Nylon), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리우렌탄(PU), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱산(PLA), 테플론(polytetrafluoroethylene), 폴리아미드(PA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    연속섬유 강화 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유 강화 복합재는, ASTM D1238에 따른 20g/10min ~ 100g/10min의 용융 지수(melt index: MI)를 갖는 열가소성 수지에 의해 함침되어 형성된
    연속섬유 강화 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유가 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인
    연속섬유 강화 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유 강화 복합재는
    4,000개 내지 8,000개의 상기 연속섬유를 포함하는
    연속섬유 강화 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유는 3,000tex 내지 7,000tex의 다발로부터 형성된
    연속섬유 강화 복합재.
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