KR20230157552A - 샌드위치 복합재 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재는 폼재로 구성된 코어층 및 코어층의 양면에 적층되며 둘 이상의 섬유를 니들펀칭하여 형성된 섬유집합체로 구성된 스킨층을 포함하며, 코어층 및 스킨층이 매트릭스 수지에 함침 후 경화된 것으로, 섬유를 니들펀칭 공정을 통해 적층함으로써 섬유 표면 조도 변화로 이종 소재 간의 계면 접착력을 향상시키고 우수한 강성과 경량 특성을 지니며, 니들펀칭 공정으로 형성된 스킨층의 물리적 결합으로 인해, 샌드위치 구조물 적층 및 수지 주입 공정에서의 공정 편의성 향상 효과를 가진다.

Description

샌드위치 복합재 및 그의 제조방법{SANDWICH COMPOSITE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 경량화 소재로 사용되는 샌드위치 복합재(sandwich composite)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 니들펀칭(needle punch) 공정이 적용된 소재를 스킨층에 이용한 샌드위치 복합재에 관한 것이다.
종래, 탄소섬유나 유리섬유와 같은 강화섬유를 이용한 복합재는 강화섬유를 매트릭스 수지에 함침 및 경화시켜 형성된 것으로, 우수한 기계적 물성을 가지면서도 무게가 가벼워 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이와 같은 탄소섬유나 유리섬유와 같은 강화섬유를 이용한 복합재는 무게가 가벼우면서도 강도가 우수하지만, 두께의 확보가 어려워 강성이 떨어지는 경우가 일반적이다.
이를 해소하기 위해 섬유 적층 수를 늘리거나, 구조물을 삽입하는 경우가 일반적이며, 그 중 샌드위치 구조물은 무게를 크게 늘리지 않고 두께를 확보함으로써, 강성을 증가시키는 방법 중 하나로 사용되고 있다.
이러한 샌드위치 구조는 이종 소재를 외표면인 스킨층, 내부의 코어층 그리고 다시 외표면인 스킨층 순서로 적층된 구조로, 스킨층과 코어층을 구성하는 소재가 가지는 각각의 특성을 얻을 수 있다. 또한, 샌드위치 구조에서 섬유복합재의 스킨층은 강도를 부여하는 기능을 하며, 코어층은 두께 확보가 용이하고 밀도가 낮은 폼(foam) 소재를 활용하기 때문에, 샌드위치 구조물은 고강성을 가지면서 동시에 경량화 특성을 가진다.
이러한 샌드위치 복합재의 구조적 특징으로 인해 산업계의 다양한 분야에 샌드위치 복합재가 이용되고 있으며, 분야만큼이나 다양하게 샌드위치 복합재의 강도와 무게가 설계되고 있으며, 예컨대 내연기관 자동차, 전기 및 수소 자동차, 드론, 풍력터빈 블레이드 등 경량화에 따른 에너지 효율 증가가 필요한 분야에서 적극적으로 활용되고 있다.
또한 강화섬유로 구성된 스킨층과 폼재로 구성된 코어층은 에폭시 수지와 같은 고분자 수지를 매트릭스 수지로 하여 함침하고 이를 경화시킴으로써, 이종 소재 간의 접합이 이루어지며, 좀 더 자세하게는 스킨층에 프리프레그 소재를 활용하거나 수지를 함침시키는 방법 중 하나인 수지 주입(resin infusion) 공법을 이용하여 스킨층과 코어층을 접합한다.
그러나 프리프레그를 이용한 샌드위치 복합재는 함지율(resin content, RC) 부족으로 인하여 이종 소재 간 접착력이 떨어지며, 이로 인해 외력에 의해 쉽게 탈착되는 문제가 발생한다. 이를 보완하기 위해 에폭시 필름을 스킨과 코어 사이에 삽입하기도 하지만 이 방법도 충분한 함지율을 확보하지 못하는 문제가 있다.
한국등록특허공보 제10-2174302호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복수의 섬유집합체를 니들펀칭 공정을 적용하여 표면에 조도 및 밀도를 변화시켜 함지율을 향상시키며 기계적 강도를 개선하기 위한 샌드위치 복합재 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은 폼재로 구성된 코어층 및 코어층의 양면에 적층되며, 둘 이상의 섬유를 니들펀칭하여 형성된 섬유집합체로 구성된 스킨층을 포함하며, 코어층 및 스킨층은 매트릭스 수지에 함침 후 경화된 샌드위치 복합재에 의해 달성된다.
바람직하게는, 섬유집합체의 니들펀칭 전후 두께비는 하기 수학식 1을 만족하는 것일 수 있다.
(수학식 1)
1.25≤니들펀칭 후 섬유집합체 두께/니들펀칭 전 섬유집합체 두께≤6
바람직하게는, 스킨층의 니들펀칭에 의해 형성된 홀의 면적 비율은 스킨층 1cm2 당 0.007 내지 3.5%일 수 있다.
바람직하게는, 스킨층의 니들펀칭에 의해 형성된 홀의 X축 및 Y축 간격이 1.5 내지 5mm 일 수 있다.
바람직하게는, 스킨층의 니들펀칭에 의해 형성된 홀의 직경은 65 내지 300㎛ 일 수 있다.
바람직하게는, 스킨층의 밀도는 1.2 내지 1.6g/cc이고, 코어층의 밀도는 0.08 내지 0.2g/cc인 것일 수 있다.
바람직하게는, 섬유집합체를 구성하는 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 옥시팬 섬유 및 하이브리드 섬유 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
바람직하게는, 섬유집합체를 구성하는 섬유의 형태는 직포(woven fabric), 부직포(nonwoven fabric), 편직포(knitted fabric), UD 직물 및 다축 직물 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
바람직하게는, 스킨층 및 코어층 사이의 접착력은 95 내지 120gf/cm2인 것일 수 있다.
바람직하게는, 샌드위치 복합재의 굴곡 탄성율은 3GPa 이상인 것일 수 있다.
또한, 상기 목적은, 둘 이상의 섬유를 적층하는 제1 단계, 적층된 섬유를 니들펀칭하여 스킨층을 이루는 섬유집합체를 제조하는 제2 단계, 폼재로 구성된 코어층의 양면에 스킨층을 적층하는 제3 단계, 매트릭스 수지를 적층된 코어층 및 스킨층에 주입하여 함침시키는 제4 단계 및 제 4단계 후 열 경화시켜 샌드위치 복합재를 제조하는 제5 단계를 포함하는 샌드위치 복합재의 제조방법에 의해 달성된다.
바람직하게는, 제1 단계는 섬유 배열 방향을 소정의 각도로 배열하여 적층하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재 및 그의 제조방법에 따르면, 섬유를 니들펀칭 공정을 통해 적층함으로써 섬유 표면의 조도와 밀도를 변경하여 이종 소재 간의 계면 접착력을 향상시키고, 샌드위치 복합재의 제조 공정 중에 생길 수 있는 섬유 직물 배열의 흐트러짐을 방지할 수 있고, 우수한 강성과 경량 특성을 갖는 등의 효과를 가진다.
또한, 니들펀칭 공정으로 형성된 스킨층의 강한 물리적 결합으로 인해 샌드위치 구조물의 적층 편의성 및 수지 주입 공정에서의 공정 편의성을 향상시킬 수 있는 등의 효과를 가진다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재의 구성도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재의 섬유집합체를 니들펀칭하는 공정을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재의 실제품을 나타내는 사진이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재의 구성도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재의 섬유집합체를 니들펀칭하는 공정을 설명하는 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재는 폼재로 구성된 코어층(120)과 코어층(120)의 양면에 적층되며 둘 이상의 섬유를 니들펀칭하여 형성된 섬유집합체로 구성된 스킨층(110)을 포함하며, 코어층(120)과 스킨층(110)은 매트릭스 수지에 함침 후 경화된 것이다. 이하 각 구성을 분리하여 상세히 설명한다.
1. 스킨층(110)
스킨층(110)을 구성하는 섬유집합체는 단층뿐만 아니라 둘 이상의 섬유가 적층된 구조를 가진다.
이때, 섬유집합체를 구성하는 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 옥시팬 섬유 및 하이브리드 섬유 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 섬유를 포함하는 것이 바람직하며, 탄소섬유를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 섬유의 형태는 직포(woven fabric), 부직포(nonwoven fabric), 편직포(knitted fabric), UD 직물 및 다축 직물 등과 같은 다양한 형태를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 스킨층(110)을 구성하는 섬유집합체는 둘 이상의 섬유를 니들펀칭하여 제조된 것일 수 있다. 일례로서, 평직 탄소섬유(12k) 적층물을 니들펀칭하여 섬유집합체를 제조할 수 있으며, UD 직물과 같이 섬유의 방향성에 따라 물성이 좌우되는 소재는 필요에 따라 각 층의 섬유 배열을 다르게 적층하여 니들펀칭 공정을 통해 섬유집합체를 제조할 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 니들펀칭 공정에 사용되는 바늘(211)은 하부에 돌기(212)가 형성되어 있어, 바늘(211)이 둘 이상의 섬유가 적층된 섬유 적층물(210)을 관통하였을 때, 섬유와 섬유 사이에 Z축 물리적 네트워크(221)를 형성한다. 이때, Z축은 섬유 적층물의 두께 방향을 나타낸다. 예컨대, 바늘(211)이 관통된 탄소섬유 직물은 바늘에 존재하는 돌기(212)에 의해 두께 방향의 네트워크를 형성하기 때문에 각 섬유 층 간의 물리적 결속력을 강화시킬 뿐만 아니라, 섬유집합체의 최외각 표면의 특성을 변화시킬 수 있다.
일 실시예에서, 니들펀칭 간격은 X축: 1.5 내지 5mm, Y축: 1.5 내지 5mm인 것이 바람직하다. 이때, X축 및 Y축 니들펀칭 간격이 1.5mm 미만인 경우 섬유 손상으로 인해 물성 저하가 발생되고, 5mm 초과인 경우 섬유 간의 물리적 네트워크 형성이 어려운 문제가 있다.
또한, 니들펀칭에 의해 형성된 스킨층의 홀의 직경은 사용하는 바늘에 따라 결정되는 것으로, 65 내지 300㎛인 것이 바람직하다. 이때, 스킨층의 홀의 직경이 65㎛ 미만인 경우 섬유 간의 물리적 네트워크 형성이 어려우며, 300㎛ 초과인 경우 급격한 물성 저하를 일으킨다.
또한, 스킨층의 니들펀칭에 의해 형성된 홀의 면적 비율은 스킨층 1cm2 당 0.007 내지 3.5%인 것이 바람직하다. 이때, 홀의 면적비가 0.007% 미만인 경우 섬유 간의 물리적 네트워크 형성이 어려우며, 3.5%를 초과하는 경우 섬유 손상으로 인한 섬유집합체의 급격한 물성 저하를 유발하는 문제가 생긴다.
본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재는 니들펀칭 공정을 통해 상술한 물성을 가져 요구되는 물리적 결합을 달성함으로써, 공정 과정에서 섬유집합체가 뒤틀리는 것을 방지하여 공정 과정에서 효율성을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재는 니들펀칭 공정을 통해 섬유집합체(220)를 형성함으로써, 섬유집합체 표면의 평균 조도를 증가시킨다. 이와 같이 니들펀칭에 의한 섬유집합체의 표면 조도 증가는 스킨층(110)을 구성하는 섬유집합체(220)와 코어층(120)을 구성하는 폼재 간의 계면 특성에 영향을 미친다.
일 실시예에서, 섬유집합체(220)의 니들펀칭 전후 두께비는 하기 수학식 1을에 만족하는 것이 바람직하다.
(수학식 1)
1.25≤니들펀칭 후 섬유집합체 두께/니들펀칭 전 섬유집합체 두께 ≤6
또한, 본 발명에서 스킨층(110)의 밀도는 1.2 내지 1.6g/cc인 것이 바람직하다.
2. 코어층(120)
코어층(120)은 폼재로 구성되며 양면에 스킨층(110)이 위치하고, 샌드위치 복합재의 내부에서 샌드위치 복합재가 필요로 하는 두께를 확보한다.
코어층(120)을 구성하는 폼재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메타크릴아미드(PMI) 및 우레탄 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 코어층(120)은 스킨층(110) 내부에 위치하여 스킨층(110)과 함께 매트릭스 수지에 함침 후 경화된다.
상술한 스킨층(110)은 코어층(120) 양면에 적층된 상태에서 코어층(120)과 함께 매트릭스 수지에 함침 후 경화시켜 샌드위치 복합재를 제조한다. 이때, 매트릭스 수지는 에폭시 수지 또는 페놀 수지를 포함하는 것이 바람직하며, 에폭시 수지를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재의 제조방법은 둘 이상의 섬유를 적층하는 제1 단계(a), 적층된 섬유를 니들펀칭하여 스킨층을 이루는 섬유집합체를 제조하는 제2 단계(b), 폼재로 구성된 코어층의 양면에 스킨층을 적층하는 제3 단계(c), 매트릭스 수지를 적층된 코어층 및 스킨층에 주입하여 함침시키는 제4 단계(d) 및 제 4단계 후 열 경화시켜 샌드위치 복합재를 제조하는 제5 단계(e)를 포함한다. 이하 각 단계에 대해 설명한다.
먼저, 제1 단계(a)는 하나의 섬유 상에 적어도 하나의 다른 섬유를 적층하는 단계이다. 도 2에서는 5장의 섬유가 적층된 섬유집합체를 일례로 도시하고 있으나, 적층되는 섬유 직물의 개수는 요구하는 물성에 따라 상이하게 적용이 가능하다. 섬유 직물의 개수가 많아질수록 물성 향상을 기대할 수 있지만, 소재 유연성이 떨어져 곡면과 같은 다양한 형상의 구조물에 적용하는 것에 불리하고, 바늘의 내구성 저하로 인해 공정 효율 감소를 유발한다. 따라서, 필요로 하는 용도의 요구되는 물성을 고려하여 적층될 섬유의 개수를 조절하는 것이 바람직하다.
이때, 섬유가 UD와 같이 섬유의 방향성에 따라 물성이 좌우되는 소재는 필요에 따라 섬유 배열 방향을 직각 또는 45도 각도와 같이 소정의 각도를 가지도록 배열하여 적층할 수 있다. 이때, 사용되는 섬유 종류는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 옥시팬 섬유 및 하이브리드 섬유 중에서 선택된 적어도 하나의 섬유를 포함하는 것이 바람직하며, 탄소섬유를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 섬유의 형태는 직포(woven fabric), 부직포(nonwoven fabric), 편직포(knitted fabric), UD 직물 및 다축 직물 등과 같은 다양한 형태를 포함할 수 있다.
다음으로, 제2 단계(b)는 적층된 섬유를 니들펀칭하여 스킨층을 이루는 섬유집합체를 제조하는 단계로, 니들펀칭을 통해 적층된 섬유에 수직방향으로 물리적 네트워크를 형성하여 섬유집합체를 만들어 섬유 표면의 조도 및 밀도를 조절하는 단계이다.
이때, 65 내지 300㎛의 직경을 가지는 니들펀칭 바늘을 사용하여 니들펀칭 공정을 수행하여 형성된 홀의 직경이 65 내지 300㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 니들펀칭 바늘의 간격을 조절하여 니들펀칭에 의해 형성된 홀의 X축 및 Y축 간격이 1.5 내지 5mm가 되도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제3 단계(c)는 폼재로 구성된 코어층의 양면에 스킨층을 적층하는 단계로서, 제2 단계에서 니들펀칭에 의해 섬유집합체 형태로 형성된 스킨층을 코어층을 형성하는 폼재의 양면에 위치시켜 적층하는 단계이다. 이때, 폼재의 종류는 PET, PMI, 우레탄 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 제4 단계(d)는 매트릭스 수지를 적층된 코어층 및 스킨층에 주입하여 함침시키는 단계로서, 적층된 코어층 및 스킨층을 금형 내에 위치시킨 후 매트릭스 수지를 주입한다. 주입되는 매트릭스 수지는 에폭시 계열의 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 상온, 저온 또는 고온 경화용 수지를 사용할 수 있다. 여기서 상온 경화는 25~30℃, 저온 경화는 40~70℃, 고온 경화는 70~120℃ 수준의 경화 온도를 의미한다.
이때, 사용되는 금형은 스틸, 알루미늄 및 유리 중에서 선택된 어느 하나의 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 금형 내부에 이형제를 통해 이형 처리한 후 적층된 코어층 및 스킨층을 위치시키는 것이 바람직하다. 이러한 이형 처리는 매트릭스 수지가 투입되어 경화되었을 때, 금형에서 잘 떨어지도록 하기 위한 것으로, 일례로서 이형제를 도포하고 60℃에서 건조시키는 과정을 3회 반복하여 실시하면 이형 효과 향상에 더욱 바람직하다.
보다 구체적으로, 적층된 코어층 및 스킨층에 매트릭스 수지를 주입하는 제4단계(d)에서는 이형 처리된 하판 금형 위에 필 플라이(peel fly)와 제3 단계(c)에서 형성된 적층물(코어층 및 스킨층 적층물)을 적층한 다음, 필 플라이 및 브리더(breather)를 차례로 추가 적층한 후, 배깅 필름(bagging film)을 덮은 다음 실란트 테이프(sealant tape)로 동봉하여 수지 투입 시스템을 준비한다. 만일 수지 투입 시스템에서 진공 상태로 진입할 때 적층물의 두께에 의해 배깅 필름의 찢어짐 현상이 나타난다면 적층물 주변에 뱅크(bank)를 배치하여 상기 현상을 방지해야 하며 뱅크 종류는 폼 형태의 소재를 활용할 수 있다.
다음으로, 제5 단계(e)는 제 4단계 후 열 경화시켜 샌드위치 복합재를 제조하는 단계로서, 압력 구배에 의해 매트릭스 수지가 함침된 적층물을 열처리로 경화시켜 샌드위치 복합재(f)를 제조한다.
상술한 제조방법을 통해 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재는 스킨층(110)과 코어층(120) 사이의 접착력은 95 내지 120gf/cm2인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재는 굴곡 탄성율이 3GPa 이상인 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재의 실제품을 나타내는 사진이다.
도 3을 참조하면, 상술한 도 1a 및 도 1b와 도 2에 기재된 본 발명의 일 실시예에 따른 샌드위치 복합재는 니들펀칭을 통해 표면 조도를 개선하고 밀도를 변화시켜, 매트릭스 수지의 함지율을 개선하고 스킨층과 코어층 사이의 계면 접착력을 개선하여 강도(굴곡 탄성율)가 우수한 샌드위치 복합재를 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면 니들펀칭을 이용하여 섬유집합체를 제조하여 탄소섬유 직물 등의 프리폼 형태로 스킨층을 구성함으로써, 샌드위치 복합재 제조 공정 과정에서 생길 수 있는 섬유 직물 배열의 흐트러짐 현상을 방지할 수 있고, 또한 니들(바늘)이 통과한 탄소섬유 직물 등의 표면 거칠기를 증가시킴으로써 스킨층의 표면 조도가 증가함에 따라 코어층과 접촉 면적을 향상시켜 스킨층과 코어층 사이의 계면 결합력이 향상되며, 또한 니들펀칭으로 형성된 섬유집합체의 Z축 물리적 네트워크 구조로 인해 굴곡 하중 시에 섬유의 층간 사이의 전단력을 가져 계면이 박리되는 것을 방지할 수 있으며, 물리적 교락으로 벌키(Bulky)해진 스킨층에 의해 샌드위치 복합재의 강도가 향상될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 본 실시예는 본 설명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1]
(1) 섬유집합체 제조
0.45mm 두께의 12k 탄소섬유 직물 5장을 적층한 후, CNC 가공 장치를 이용한 니들 금형을 통해 니들펀칭 공정을 진행하였다. 바늘의 관통 횟수는 1회이며, 바늘 하부에 존재하는 돌기 3개를 모두 관통시키는 방법으로 니들펀칭 공정을 진행하였다. 이때, 니들펀칭 공정에 의해 형성된 홀 직경이 65㎛이고, 홀의 X축 및 Y축 간격이 2.5mm가 되도록 하였다. 이와 같은 공정을 통해 동일한 2개의 섬유집합체를 제조하였다.
(2) 샌드위치 복합재 제조
제조된 섬유집합체를 밀도가 0.171g/cc이고 두께가 10mm인 폴리에스테르테레프탈레이트(PET) 폼재의 양면에 위치시켜 적층물을 형성한 다음, 스틸로 형성된 금형 내에 이형제를 도포하고 60℃에서 건조시키는 과정을 3회 반복하여 이형 처리를 진행한 후, 이형 처리된 하판 금형 위에 필 플라이와 적층물을 적층하고 적층물 상에 다시 필 플라이 및 브리더를 차례로 추가 적층하고 배깅 필름을 덮은 다음 실란트 테이프로 처리하였다. 다음으로, 진공 상태에서 저온 경화용 에폭시 수지(resoltech, 1050 resin, 1056S hardener)를 주입한 뒤 60℃에서 2시간 열처리하여 샌드위치 복합재를 제조하였다.
[실시예 2]
홀 직경이 65㎛이고 홀의 X축 및 Y축 간격이 5mm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 샌드위치 복합재를 제조하였다.
[실시예 3]
홀 직경이 300㎛이고 홀의 X축 및 Y축 간격이 1.5mm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 샌드위치 복합재를 제조하였다.
[실시예 4]
0.45mm 두께의 12k 탄소섬유 직물을 2ply 적층하고, X축 및 Y 축 간격을 2.5mm로 니들펀칭을 진행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 샌드위치 복합재를 제조하였다.
[비교예]
[비교예 1]
니들펀칭 공정을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 샌드위치 복합재를 제조하였다.
[비교예 2]
홀 직경이 64㎛이고 홀의 X축 및 Y축 간격이 6mm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 샌드위치 복합재를 제조하였다.
[비교예 3]
홀 직경이 301㎛이고 홀의 X축 및 Y축 간격이 1.0mm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 샌드위치 복합재를 제조하였다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 샌드위치 복합재에 대하여, 하기 실험예를 통해 물성을 평가하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
[실험예]
(1) 홀의 면적 비율 측정
제조된 샌드위치 복합재의 경화물 표면을 연마기를 이용하여 연마한 후 광학현미경으로 표면을 관찰하여 홀의 직경과 X축 및 Y축 간격을 측정하여 면적비를 계산한다.
(2) 니들펀칭 전후 두께비 측정
섬유집합체 제조 단계에서 디지털 캘리퍼스(Mitutoyo, 500-500-10)를 사용하여 니들펀칭 공정을 수행하기 전의 적층된 섬유집합체의 두께를 측정하고, 니들펀칭 공정을 수행한 후 섬유집합체의 두께를 측정한 다음 수학식 1(니들펀칭 후 섬유집합체 두께/니들펀칭 전 섬유집합체 두께)에 따라 두께비를 계산한다.
(3) 표면 조도 측정
섬유집합체 제조 단계에서 제조된 섬유집합체를 표면 조도 측정기(TOKYO SEMITSU, Surfcom 1500SD3)를 이용하여 섬유집합체 표면의 중심선 평균 조도(Ra)를 10회 측정한 후 평균값을 계산한다.
(4) 계면 접착력 측정
제조된 샌드위치 복합재를 25 X 100mm(폭 X 길이) 크기로 절단하고 박리력 측정기(Cheminstruments, AR-2000)를 이용하여 시험 속도 500cm/min으로 계면 접착력을 측정한다. 이때, 5개 샘플을 측정 후 평균값을 계면 접착력으로 한다.
(5) 밀도 측정
섬유집합체 제조 단계에서 제조된 섬유집합체를 폼재 없이 단독으로 실시예 1과 동일한 경화조건으로 경화시킨 후 Analytical balance(Sartorious, MSA Model)를 이용하여 밀도를 측정한다.
(6) 굴곡탄성율
제조된 샌드위치 복합재를 하기 시험 조건에 따라 표준규격인 ASTM C393으로 4점 굽힘 시험을 진행하여 굴곡탄성율을 측정한다.
<시험 조건>
- 시편 크기(두께 x 폭 x 길이): 13.47 x 30 x 200mm
- Support span 길이: 150mm
- Load span 길이: 50mm
- 시험 속도: 6.0mm/min
홀 면적비
(%)		 니들펀칭
전후
두께비		 굴곡
탄성율
(GPa)		 Ra
(㎛)		 계면
접착력
(gf/cm2)		 코어층
밀도
(g/cc)		 스킨층
밀도
(g/cc)
실시예1 0.05306 5.95 3.74 0.34 100.53 0.12 1.339
실시예2 0.01326 5.94 3.12 0.29 95.28 0.12 1.355
실시예3 3.4618 5.94 4.07 0.41 118.22 0.12 1.303
실시예4 0.05306 1.25 3.02 0.31 97.44 0.12 1.333
비교예1 - - 2.97 0.09 91.02 0.12 1.505
비교예2 0.01286 5.95 2.75 0.28 91.38 0.12 1.352
비교예3 7.1121 5.94 2.69 0.55 124.26 0.12 1.285
표 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 구성을 만족하는 실시예 1 내지 3은 니들펀칭 공정을 통해 필요로 하는 표면 조도와 밀도를 확보함으로써 우수한 계면접착력과 함지율을 가지는 것을 알 수 있다.
반면에, 니들펀칭 공정을 수행하지 않은 비교예 1은 니들펀칭 공정을 수행한 실시예 1과 비교하여, 표면 조도가 작아 계면 접착력이 떨어지며, 밀도가 높아 경량화에 불리한 것을 알 수 있다.
또한, 홀의 직경이 작고 홀의 간격이 넓은 비교예 2는 니들펀칭을 수행하지 않은 비교예 1에 비해 계면 접착력이 거의 증가하지 않았으며 오히려 홀의 직경이 너무 작고 간격이 과도하여 굴곡 탄성율과 같은 소재 물성이 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, 홀의 직경이 크고 홀의 간격이 좁은 비교예 3은 계면 접착력은 증가하지만, 상대적으로 과도한 니들 펀칭으로 인해 소재의 물성이 저하되어 굴곡 탄성율이 떨어진 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: 스킨층
120: 코어층
210: 둘 이상의 섬유가 적층된 섬유 적층물
211: 니들펀칭 공정에 사용되는 바늘
212: 바늘 돌기
220: 섬유집합체
221: Z축 물리적 네트워크

Claims (12)

  1. 폼재로 구성된 코어층; 및
    상기 코어층의 양면에 적층되며, 둘 이상의 섬유를 니들펀칭하여 형성된 섬유집합체로 구성된 스킨층;
    을 포함하며,
    상기 코어층 및 스킨층은 매트릭스 수지에 함침 후 경화된, 샌드위치 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유집합체의 니들펀칭 전후 두께비는 하기 수학식 1을 만족하는, 샌드위치 복합재.
    (수학식 1)
    1.25≤니들펀칭 후 섬유집합체 두께/니들펀칭 전 섬유집합체 두께≤6
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스킨층의 니들펀칭에 의해 형성된 홀의 면적 비율은 스킨층 1cm2 당 0.007 내지 3.5%인, 샌드위치 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스킨층의 니들펀칭에 의해 형성된 홀의 X축 및 Y축 간격이 1.5 내지 5mm인, 샌드위치 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스킨층의 니들펀칭에 의해 형성된 홀의 직경은 65 내지 300㎛인, 샌드위치 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스킨층의 밀도는 1.2 내지 1.6g/cc이고,
    상기 코어층의 밀도는 0.08 내지 0.2g/cc인, 샌드위치 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬유집합체를 구성하는 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 옥시팬 섬유 및 하이브리드 섬유 중에서 선택된 적어도 하나인, 샌드위치 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 섬유집합체를 구성하는 섬유의 형태는 직포(woven fabric), 부직포(nonwoven fabric), 편직포(knitted fabric), UD 직물 및 다축 직물 중에서 선택된 적어도 하나인, 샌드위치 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스킨층 및 상기 코어층 사이의 접착력은 95 내지 120gf/cm2인, 샌드위치 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 샌드위치 복합재의 굴곡 탄성율은 3GPa 이상인, 샌드위치 복합재.
  11. 둘 이상의 섬유를 적층하는 제1 단계;
    적층된 섬유를 니들펀칭하여 스킨층을 이루는 섬유집합체를 제조하는 제2 단계;
    폼재로 구성된 코어층의 양면에 스킨층을 적층하는 제3 단계;
    매트릭스 수지를 적층된 코어층 및 스킨층에 주입하여 함침시키는 제4 단계;
    제 4단계 후 열 경화시켜 샌드위치 복합재를 제조하는 제5 단계;
    를 포함하는, 샌드위치 복합재의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 단계는 섬유 배열 방향을 소정의 각도로 배열하여 적층하는, 샌드위치 복합재의 제조방법.
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