KR20230165339A - 탄소 섬유 부직포 시트, 그 제조 방법 및 이것을 이용한 탄소 섬유 강화 수지 성형체 - Google Patents
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Abstract
불연속 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 부직포 시트(15)로서, 실질적으로 일방향으로 탄소 섬유가 배향된 직사각형의 섬유 웹(10)이, 동일 방향으로 또한 단부를 어긋나게 하여 2장 이상 적층되어 패러렐 웹(14)이 되어 있으며, 장척 형상이다. 이 제조 방법은, 불연속 탄소 섬유를 카딩기로 개섬(開纖)하여, 실질적으로 일방향으로 탄소 섬유를 배향시켜 섬유 웹으로 하고, 폭 방향 또는 비스듬한 방향으로 커트하여 직사각형의 섬유 웹(10)으로 하고, 단부를 어긋나게 하여 적층하여, 장척 형상 패러렐 웹(14)으로 하고, 양단을 커트하여, 탄소 섬유 부직포 시트(15)로 한다. 본 발명의 탄소 섬유 강화 수지 성형체는 상기 탄소 섬유 부직포 시트와 매트릭스 수지를 포함한다. 이에 의해, 연속 섬유 탄소 섬유 시트의 1축 시트와 동일한 사용법이 가능한 탄소 섬유 부직포 시트, 그 제조 방법 및 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 제공한다.
Description
본 발명은, 탄소 섬유 부직포 시트, 그 제조 방법 및 이것을 이용한 탄소 섬유 강화 수지 성형체에 관한 것이다.
탄소 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은, 경량이고 비강도, 비탄성률이 높아, 역학적 특성이 뛰어나며, 내후성, 내약품성도 높기 때문에, 항공기, 자동차, 탱크, 콘크리트 보강재, 스포츠 용도 등 다양한 용도로 사용되거나, 혹은 적용하는 것이 검토되고 있다. CFRP의 제조 시에는 탄소 섬유 시트의 절단 등에 의해 단재가 발생하여, 유효 활용이 문제가 된다. 또, CFRP 성형체를 처분할 때에도 탄소 섬유의 유효 활용(리사이클)이 문제가 된다.
폐CFRP로부터 탄소 섬유를 취출(取出)하는 방법으로서, 소성법, 용해법 등이 있으며, 특허문헌 1에는 용해법이 제안되어 있다. 이것은 수지를 녹이는 방법이며, 고품질인 리사이클 탄소 섬유를 얻을 수 있다. 그러나, 용해 처리 후의 탄소 섬유는 불연속 섬유가 되어, 면상으로 서로 얽힌 상태여서, 그대로는 CFRP로 재생하는 것은 어렵다. 리사이클 탄소 섬유를 CFRP로 재생시키는 방법으로서, 특허문헌 2~4에는 건식법(카딩)으로 개섬(開纖)하는 것이 제안되어 있다. 본 출원인들도 특허문헌 5에 있어서, 카딩기로 개섬하는 것을 제안하고 있다.
그러나, 종래의 기술에서는, 불연속 탄소 섬유로 연속 탄소 섬유 시트의 1축 시트와 동일한 성형품을 얻기 위한 섬유가 길이 방향으로 고(高)배향된 장척 형상의 탄소 섬유 부직포 시트를 제작하는 것에 문제가 있었다.
본 발명은, 상기 종래의 문제를 해결하기 위해, 연속 탄소 섬유 시트의 1축 시트와 동일한 사용법이 가능한 탄소 섬유 부직포 시트, 그 제조 방법 및 이것을 이용한 탄소 섬유 강화 수지 성형체를 제공한다.
본 발명의 탄소 섬유 부직포 시트는, 불연속 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 부직포 시트로서, 상기 탄소 섬유 부직포 시트는, 실질적으로 일방향으로 탄소 섬유가 배향된 직사각형의 섬유 웹이, 동일 방향으로 또한 단부를 어긋나게 하여 2장 이상 적층되어 패러렐 웹이 되어 있으며, 장척 형상이다.
본 발명의 탄소 섬유 부직포 시트의 제조 방법은, 상기의 탄소 섬유 부직포 시트의 제조 방법으로서, 불연속 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유를 카딩기로 개섬(開纖)하여, 실질적으로 일방향으로 탄소 섬유를 배향시켜 섬유 웹으로 하고, 폭 방향 또는 비스듬한 방향으로 커트하여 직사각형으로 하고, 상기 직사각형의 섬유 웹의 단부를 어긋나게 하여 적층하여, 장척 형상 패러렐 웹으로 하고, 상기 장척 형상 패러렐 웹의 양단을 커트하여 탄소 섬유 부직포 시트를 얻는 방법이다.
본 발명의 탄소 섬유 강화 수지 성형체는, 상기 탄소 섬유 부직포 시트와 매트릭스 수지를 포함한다.
본 발명은, 불연속 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 부직포 시트로서, 실질적으로 일방향으로 탄소 섬유가 배향된 직사각형의 섬유 웹이, 동일 방향으로 또한 단부를 어긋나게 하여 2장 이상 적층되어 패러렐 웹이 되어 있으며, 장척 형상임으로써, 불연속 탄소 섬유로 연속 탄소 섬유 시트와 동일한 성형품을 얻을 수 있다. 즉, 일배향성의 직사각형의 섬유 웹을 복수 장, 단부를 어긋나게 하여 적층하여, 장척 형상 패러렐 웹으로 하고, 양단을 커트하여 탄소 섬유 부직포 시트로 함으로써, 연속 탄소 섬유 시트의 1축 시트와 동일한 사용법이 가능하다. 본 발명의 제조 방법은, 상기 탄소 섬유 부직포 시트를 효율 좋게 합리적으로 제조할 수 있다. 또, 본 발명의 탄소 섬유 강화 수지 성형체는 상기의 탄소 섬유 부직포 시트와 매트릭스 수지를 포함함으로써, 탄소 섬유의 배향 방향의 인장 강도가 높은 성형체로 할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태의 카딩기의 모식적 단면도이다.
도 2는, 동 카딩기로 얻어진 직사각형의 섬유 웹의 단부를 어긋나게 하여 적층하여, 장척 형상 패러렐 웹으로 한 모식적 설명도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 섬유 부직포 시트의 모식적 사시도이다.
도 4는, 동 섬유 웹의 표면 사진이다.
도 5는, 동 섬유 웹의 표면 확대 사진이다.
도 6은, 동 직사각형의 섬유 웹의 단부를 어긋나게 하여 적층한 부분을 나타낸 표면 사진이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 섬유 부직포 프리프레그의 제조 공정을 나타낸 모식적 단면도이다.
도 2는, 동 카딩기로 얻어진 직사각형의 섬유 웹의 단부를 어긋나게 하여 적층하여, 장척 형상 패러렐 웹으로 한 모식적 설명도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 섬유 부직포 시트의 모식적 사시도이다.
도 4는, 동 섬유 웹의 표면 사진이다.
도 5는, 동 섬유 웹의 표면 확대 사진이다.
도 6은, 동 직사각형의 섬유 웹의 단부를 어긋나게 하여 적층한 부분을 나타낸 표면 사진이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 섬유 부직포 프리프레그의 제조 공정을 나타낸 모식적 단면도이다.
본 발명의 탄소 섬유 부직포 시트는, 불연속 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 부직포 시트이다. 이에 의해, 탄소 섬유 강화 수지 성형체로 했을 때에, 탄소 섬유의 배향 방향의 강도가 높아, 품질이 높은 성형체를 얻을 수 있다.
이 탄소 섬유 부직포 시트는, 일배향성의 섬유 웹을 폭 방향 또는 비스듬한 방향으로 커트하여 직사각형의 섬유 웹으로 하고, 상기 직사각형의 섬유 웹을 복수 장, 단부를 어긋나게 하여 적층하여, 장척 형상 패러렐 웹으로 하고, 양단을 커트한 것이어도 되고, 필요에 따라서 소정의 길이로 커트해도 된다. 여기서 말하는 직사각형이란, 네 귀퉁이의 각도가 반드시 90°가 아니어도 되고, 사다리꼴이나 평행 사변형을 포함한다. 섬유 웹은, 카딩기의 개섬 장치 상에서 개섬되어, 실질적으로 일방향으로 탄소 섬유가 배향되어 있다. 개섬 장치는 실린더 또는 벨트 컨베이어가 바람직하다. 실린더 또는 벨트 컨베이어 상에는 다수의 금속제 침이 구비되어 있는데, 탄소 섬유는 이 다수의 금속제 침의 사이에 개섬되며 또한 실질적으로 일방향으로 배향되어, 떼어내진다. 이에 의해 일배향성의 섬유 웹을 얻을 수 있다. 실린더 또는 벨트 컨베이어 폭 및 직경 또는 길이는 다양한 것을 선택할 수 있으므로, 생산량에 알맞은 것을 선택하여 사용한다.
상기 직사각형의 섬유 웹은, 단부를 어긋나게 하여 적층되어, 장척 형상 패러렐 웹으로 형성된다. 직사각형의 섬유 웹은, 폭은 동일하므로, 단부를 소정의 길이 어긋나게 하여 적층하면, 적층 수가 동일한 장척 형상 패러렐 웹을 얻을 수 있다. 상기 장척 형상 패러렐 웹은, 적층 수도 길이도 임의로 할 수 있다. 장척 형상 패러렐 웹의 양단을 커트하여, 탄소 섬유 부직포 시트를 얻을 수 있다. 이 탄소 섬유 부직포 시트는 연속 탄소 섬유 시트의 1축 시트와 동일한 사용법이 가능하다. 즉, 연속 탄소 섬유 시트의 1축 시트는 일방향 테이프(UD 테이프)와 같은 사용법이 가능하며, 수지와 함께, 핸드 레이업법, 배큐엄·어시스티드·레진 트랜스퍼 성형법(VaRTM법), 레진 트랜스퍼 성형법(RTM법), 레진 인젝션법(RIM법), 프레스 성형법, 오토클레이브법, 시트 와인드법, 인발 성형법, 스프레이 업법 등으로 성형되는데, 본 발명의 탄소 섬유 부직포 시트도 동일한 사용법이 가능하다. 일례로서, 매트릭스 수지에 에폭시 수지를 이용한 경우, 상기 탄소 섬유 부직포 시트로부터 얻을 수 있다. 성형체의 탄소 섬유의 배향 방향의 인장 강도는 340MPa 이상이 되며, 알루미늄 합금 A2024(초두랄루민)의 실용적 강도인 0.2% 내력에 필적하는 레벨이다.
탄소 섬유 부직포 시트의 단위 면적당 질량(이하 간단히 「질량」이라고 표기하는 경우도 있다)은 1~1000g/m2이며, 보다 바람직하게는 5~500g/m2이며, 더 바람직하게는 10~300g/m2이다. 상기의 범위이면, 취급성도 좋고, 탄소 섬유 강화 수지 성형에 적합하다. 상기의 범위이면, 강도가 높은 탄소 섬유 강화 수지 성형체로 할 수 있다.
상기 섬유 웹의 단위 면적당 질량은 0.1~100g/m2가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5~50g/m2이며, 더 바람직하게는 1~30g/m2이다. 상기의 범위이면, 취급성도 좋고, 탄소 섬유 강화 수지 성형에 적합하다.
상기 직사각형의 섬유 웹의 적층 수는 2~100장인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5~50장이며, 더 바람직하게는 10~30장이다. 상기의 적층 수이면, 단위 면적당 질량도 높게 할 수 있어, 강도가 높은 탄소 섬유 강화 수지 성형체로 할 수 있다.
상기 직사각형의 섬유 웹의 단부는 1장당 1~1000mm 어긋나게 하여 적층되어 있는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5~500mm이며, 더 바람직하게는 10~300mm이다. 상기의 어긋남량이면, 균일한 장척 형상 패러렐 웹으로 할 수 있다. 여기서 장척 형상이란, 이론적으로는 무한하지만, 실용상은 0.5~25m 정도이다.
본 발명에 있어서, 「실질적으로 일방향으로 배향」 혹은 「일배향성」이란, 50질량% 이상이 ±10도 이내의 각도로 배향되어 있는 것을 말한다. 따라서, 직사각형의 섬유 웹을 구성하는 탄소 섬유는, 50질량% 이상이 ±10도 이내의 각도로 배향되어 있는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 60질량% 이상이 ±10도 이내의 각도로 배향되어 있고, 보다 바람직하게는 70질량% 이상이 ±10도 이내의 각도로 배향되어 있다. 상기의 범위이면, 배향성이 높고, 강도가 높아, 품질이 높은 성형체를 얻을 수 있다.
상기 직사각형의 섬유 웹은, 하중 500Pa을 가했을 때의 평균 밀도가 0.01~0.40g/cm3인 것이 바람직하고, 더 바람직한 평균 밀도는 0.02~0.20g/cm3이며, 보다 바람직하게는 0.03~0.15g/cm3이다. 상기의 범위이면, 취급성도 좋아, 탄소 섬유 강화 수지 성형에 적합하다.
상기 직사각형의 섬유 웹을 구성하는 탄소 섬유의 섬유 길이는 임의로 할 수 있지만, 바람직하게는 섬유 길이 분포가 1~300mm이고, 보다 바람직하게는 5~200mm이며, 더 바람직하게는 10~150mm이다. 상기의 범위이면, 품질적으로 문제는 없고, 취급성도 좋아, 탄소 섬유 강화 수지 성형에 적합하다.
상기 직사각형의 섬유 웹은, 탄소 섬유의 배향 방향의 길이는 30~5000mm이고, 탄소 섬유의 배향 방향과 직교하는 방향의 길이는 20~3000mm가 바람직하다. 상기의 범위이면, 품질적으로 문제는 없고, 취급성도 좋아, 탄소 섬유 강화 수지 성형에 적합하다.
상기 탄소 섬유 부직포 시트를 구성하는 탄소 섬유는, 리사이클된 탄소 섬유가 바람직하지만, 신규의 탄소 섬유를 절단한 것, CFRP의 제조 시의 탄소 섬유 시트의 절단 등에 의해 단재로서 발생한 것 등, 어느 것이어도 사용할 수 있다. 탄소 섬유의 원료는, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 피치계 등 어떤 것이어도 된다. 또, 본 발명의 탄소 섬유 부직포 시트는, 복수 장 적층하여 사용할 수도 있으며, 다른 방법으로 제작된 탄소 섬유 시트(예를 들면 연속 섬유 시트, 탄소 섬유 직물 등) 등을 적층하여 사용할 수도 있다.
본 발명의 탄소 섬유 부직포 시트에는 탄소 섬유 이외의 섬유를 혼합해도 된다. 탄소 섬유 부직포 시트를 모수로 했을 때, 불연속 탄소 섬유가 10~100질량%, 탄소 섬유 이외의 섬유가 0~90질량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 불연속 탄소 섬유가 20~100질량%, 탄소 섬유 이외의 섬유가 0~80질량%이며, 더 바람직하게는 불연속 탄소 섬유가 50~100질량%, 탄소 섬유 이외의 섬유가 0~50질량%이다. 탄소 섬유 이외의 섬유로서는, 성형 후의 물성 향상이 가능한 고강도 그리고 고탄성 유기 섬유(아라미드(파라계, 메타계를 포함한다) 섬유, 폴리아릴레이트 섬유, 폴리(p-페닐렌벤조비스옥사졸)(PBO) 섬유, 폴리(p-페닐렌벤조비스티아졸)(PBZT) 섬유, 고분자량 폴리에틸렌 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유, 폴리비닐알코올 섬유 등)에 더하여, 성형 전의 취급성을 개선하는 열가소성 섬유(폴리아미드, 폴리프로필렌, PPS 등)를 사용할 수 있다. 또 탄소 섬유 이외의 섬유는 한 종류로 한정되지 않으며, 두 종류 이상의 섬유를 혼합해도 된다.
다음에 본 발명의 탄소 섬유 부직포 시트의 제조 방법에 대해 설명한다.
(1) 섬유 웹 형성 공정
불연속 탄소 섬유를 포함하는 섬유를 카딩기로 개섬하여, 실질적으로 일방향으로 탄소 섬유를 배향시켜 섬유 웹으로 한다. 필요에 따라서 사이징제를 부여해도 된다. 탄소 섬유 이외의 섬유를 첨가하는 경우는, 이 공정에서 첨가하여 혼합한다.
(2) 제1 커트 공정
상기 섬유 웹은 장척 형상으로 얻어지므로, 폭 방향 또는 비스듬한 방향으로 커트하여 직사각형으로 한다. 폭 방향 또는 비스듬한 방향으로 커트하는 방법은 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 동일 속도로 움직이는 커터로 커트해도 된다. 혹은, 장척 형상의 섬유 웹을 정치(靜置)로 커트하는 방법이 있다. 이와 같이 하여 직사각형의 섬유 웹으로 한다.
(3) 적층 공정
상기 직사각형의 섬유 웹의 단부를 어긋나게 하여 적층하여, 장척 형상 패러렐 웹으로 한다.
(4) 제2 커트 공정
상기 장척 형상 패러렐 웹의 양단을 커트하여 본 발명의 탄소 섬유 부직포 시트를 얻는다. 여기서 말하는 양단이란 선단부와 후단부의 불균일 적층 부분을 말한다. 상기 장척 형상 패러렐 웹은 필요에 따라 소정의 길이로 커트해도 된다.
본 발명의 장척 형상 패러렐 웹으로 구성되는 탄소 섬유 부직포 시트는, 수지를 함침시켜, 프리프레그로 할 수도 있다. 수지 함침은 일례로서 건식법을 채용할 수 있다. 예를 들면, 상기 탄소 섬유 부직포 시트를 수지 시트 사이에 끼우고, 열프레스한다. 이에 의해 탄소 섬유 부직포 시트에 수지가 함침 또는 용융 고화 상태로 일체화한 탄소 섬유 부직포 프리프레그가 된다. 또, 탄소 섬유 부직포 시트를 수지 시트 사이에 끼울 때, 사이징제의 부여나, 탄소 섬유 부직포 시트를 복수 장 적층시켜도 된다.
이하, 도면을 이용하여 설명한다. 이하의 도면에 있어서, 동일 부호는 동일물을 나타낸다. 도 1은 본 발명의 일 실시예의 카딩기(1)의 모식적 단면도이다. 이 카딩기(1)는, 불연속 탄소 섬유(2)가 피드 롤러(3a, 3b)로부터 공급되어, 테이커인 롤러(4)를 통과하고, 실린더(5)와 워커(6a, 7a), 및 스트리퍼(6b, 7b)의 협동에 의해 개섬되어, 도퍼(8)를 통과하여, 진동 콤(9)에 의해 떼어내어져, 섬유 웹으로서 취출된다. 11은 기대(基台)이다. 섬유 웹은 불연속 섬유의 탄소 섬유가 개섬되어, 일방향으로 배열되고, 장척 형상이다. 이 섬유 웹은 배출 벨트(12)로부터 취출된다. 그 때에는 일례로서 섬유 웹과 같은 속도로 이동하는 커터(13)로 폭 방향으로 커트되어, 직사각형의 섬유 웹(10)으로서 취출된다.
도 2는 동 카딩기로 얻어진 직사각형의 섬유 웹(10)의 단부를 어긋나게 하여 적층하여, 장척 형상 패러렐 웹(14)으로 한 모식적 설명도이다. 이 장척 형상 패러렐 웹(14)을 소정의 길이로 커트하여 탄소 섬유 부직포 시트(15)로 한다. 탄소 섬유 부직포 시트(15)는 단위 면적당 질량이 안정되어, 다수 장 제작해도 각각의 탄소 섬유 부직포 시트(15)는 거의 균일한 질량이 된다. 양단은 커트되어, 재차 카딩기에 공급하여 탄소 섬유 부직포 시트(15)로 해도 된다. 화살표는 진행 방향이다.
참고로 크로스 래퍼 적층법은, 부직포 시트의 진행 방향(길이 방향)에 대해서 직각으로 웹을 떨쳐내어, 다층의 웹을 만드는 방식이므로, 섬유가 부직포 시트의 진행 방향(길이 방향)으로 고배향된 장척 형상의 부직포 시트를 만들 수 없다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태의 장척 형상 패러렐 웹(14)의 모식적 사시도이다. 장척 형상 패러렐 웹(14)을 구성하는 각 탄소 섬유(16)는 일방향으로 배열되어 있다. 직사각형의 섬유 웹(10a~10i…)이 단부를 어긋나게 하여 적층되어 있다. 직사각형의 섬유 웹(10f)을 포함하는 좌측(화살표 커트선(17)으로부터 좌측)이 균일한 적층 수의 탄소 섬유 부직포 시트가 된다. 이 예에서는 6층이다. 화살표 MD는 탄소 섬유 부직포 시트의 길이 방향(MD)을 나타내고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태의 섬유 웹의 표면 사진, 도 5는 동 섬유 웹의 표면 확대 사진, 도 6은 직사각형의 섬유 웹의 단부를 어긋나게 하여 적층한 부분을 나타내는 표면 사진이다. 18a, 18b는 적층 부분이다. 적층 수는, 우측 1장, 가운데 2장, 좌측 3장이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태의 장척 형상 패러렐 웹으로 구성되는 탄소 섬유 부직포 프리프레그(22)의 제조 공정을 나타내는 모식적 단면도이다. 탄소 섬유 부직포 시트(15)의 양면에 수지 시트(19a, 19b)와, 그 외측으로부터 박리 시트(20a, 20b)를 붙이고, 가열 가압 롤러(21a, 21b)로 열프레스해서, 수지를 저점도화하여, 탄소 섬유 부직포 시트(15)를 구성하는 탄소 섬유군과 일체화한다. 얻어진 탄소 섬유 부직포 프리프레그(22)는 취급성이 좋아, 롤 상태의 권취체(23)로 한다.
실시예
이하, 실시예를 이용하여 더 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
＜시험편의 인장 시험＞
ASTM D3039 (2017)를 참고로 하여, 인스트론 만능 시험기를 사용하여, 로드 셀 100kN, 인장 속도 1.0mm/sec로 CFRP의 인장 강도를 측정했다. 인장 강도는 섬유 배향 방향의 인장 강도를 측정했다.
(실시예 1)
섬유 토(tow) 폐재로부터 용해법에 의해 리사이클된 탄소 섬유(도레이사 제조, 상품명“T800S”, 섬유 길이 80mm)를, 와이어 카딩기에 투입하여, 폭 30cm의 섬유 웹을 얻었다. 얻어진 섬유 웹은 질량 2.2g/m2, 길이 50cm로 폭 방향으로 커트했다. 이 직사각형의 섬유 웹은, 500Pa의 하중을 가했을 때의 웹의 평균 두께는 0.086mm였다. 이 직사각형의 섬유 웹의 단부를 3.1cm씩 어긋나게 하여 32장 적층하여, 길이 방향의 앞으로부터 46.5cm와 말단 46.5cm의 적층 부족 부분을 폭 방향으로 잘라내어, 길이 52.7cm, 폭 35cm이고 16층으로 적층된 질량 35g/m2의 장방형 탄소 섬유 부직포 시트를 얻었다. 이 탄소 섬유 부직포 시트를 구성하는 탄소 섬유는 마이크로 스코프의 화상을 관찰한 결과, 50질량% 이상이 ±10도 이내의 각도로 배향되어 있었다. 얻어진 탄소 섬유 부직포 시트를 350mm2로 트리밍하고, 사이징제를 부여하고(평균 6wt%), 건조시켜 기재를 제작했다. 기재에 에폭시 수지(나가세 켐텍스 XN6809)를 함침시키면서, 섬유 방향이 동일해지도록 맞추어 10장 적층시켰다. 적층시킨 기재를 배깅하여 오토클레이브에 넣고, 0.5MPa로 가압하면서, 80℃에서 16시간 가열 후, 120℃에서 2시간 가열하여 탄소 섬유 강화 수지 성형체의 모판을 성형했다. 이 모판으로부터 섬유가 배향하는 방향을 세로로 하여, 세로 230mm, 가로 25mm, 두께 1.7mm, 밀도 1.29g/cm3, 섬유 체적 함유율 약 13%의 시험편을 잘라내었다.
(실시예 2)
프리프레그 폐재로부터 용해법에 의해 리사이클된 탄소 섬유(도레이사 제조, 상품명“T800S”)로, 섬유 길이에 분포를 갖게 한 탄소 섬유를 사용했다. 이 탄소 섬유는, 섬유 길이가 80mm 미만인 섬유가 전체의 3분의 1, 80mm의 섬유가 전체의 3분의 2의 비율로 들어가 있었다. 실시예 1과 동일하게 웹을 제작하여, 질량 39.3g/m2의 탄소 섬유 부직포 시트를 얻고, 8장 적층하여, 탄소 섬유 강화 수지 성형체로 성형하여 시험편을 제작했다. 이 시험편은, 세로 230mm, 가로 25mm, 두께 1.3mm, 밀도 1.30g/cm3, 섬유 체적 함유율 약 14%였다.
(실시예 3)
용해법에 의해 리사이클된 탄소 섬유(도레이사 제조, 상품명“T800S”, 섬유 길이 80mm)와 폴리아미드 6 섬유(도레이 주식회사 제조, 섬도 2.2decitex, 섬유 길이 51mm)를 질량으로 탄소 섬유 97질량%/폴리아미드 6 섬유 3질량%가 되도록 사전에 혼합한 것을 이용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유 부직포 시트를 제작했다. 얻어진 부직포 시트를 구성하는 탄소 섬유는 마이크로 스코프 화상의 관찰로 50질량% 이상이 플러스마이너스 10도 이내의 각도로 길이 방향으로 배향되어 있었다. 이 부직포 시트를 이용하여 실시예 1과 같은 방법으로 수지 성형체를 제작하여, 세로 230mm, 가로 25mm, 두께 1.7mm, 밀도 1.30g/cm3, 섬유 체적 함유율 15%의 시험편을 잘라내고, 물성을 측정했다.
(실시예 4)
소성법에 의해 수지 성형물로부터 리사이클된 탄소 섬유(도레이사 제조, 상품명“T800S”, 섬유 길이 50mm)와 폴리아미드 6 섬유(도레이 주식회사 제조, 섬도 2.2decitex, 섬유 길이 51mm)를 질량으로 탄소 섬유 40질량%/폴리아미드 6 섬유 60질량%가 되도록 사전에 혼합한 것을 이용하여, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소 섬유 부직포 시트를 제작했다. 얻어진 부직포 시트를 구성하는 탄소 섬유는 마이크로 스코프 화상의 관찰에서 50질량% 이상이 플러스마이너스 10도 이내의 각도로 길이 방향으로 배향되어 있었다. 이 부직포 시트를 폭 100mm, 길이 260mm의 치수로 잘라낸 것을, 압력 3.5MPa, 온도 240℃에서 10분간 열프레스하여, 두께 2.2mm, 밀도 1.28g/cm3, 탄소 섬유 체적 함유율 30%의 성형물을 얻었다. 이 성형물로부터 폭 25mm, 길이 230mm의 시험편을 복수 편 잘라내고, 인스트론 만능 시험기를 이용하여 물성을 측정했다.
이상의 조건과 결과를 표 1에 합쳐서 나타낸다.
표 1로 분명한 바와 같이, 본 발명의 탄소 섬유 부직포 시트는, 장척 형상 패러렐 웹으로 함으로써, 연속 탄소 섬유 시트의 1축 시트와 동일한 사용법의 성형품을 얻을 수 있었다. 실시예 1~4의 성형체의 인장 강도는 340MPa 이상이며, 알루미늄 합금 A2024(초두랄루민)의 실용적 강도인 0.2% 내력에 필적하는 레벨이었다.
본 발명의 탄소 섬유는, 자원의 유효 활용으로부터 리사이클된 탄소 섬유인 것이 바람직한데, 신규의 탄소 섬유를 절단한 것, CFRP의 제조 시의 탄소 섬유 시트의 절단 등에 의해 단재로서 발생한 것 등, 어느 것이어도 사용할 수 있다. 특히 금후에는 항공기나 자동차 등의 폐재로서 폐CFRP가 대량으로 발생할 것이 예상되며, 폐CFRP로부터 취출되는 탄소 섬유는 서로 얽힌 상태이기 때문에, 이러한 서로 얽힌 탄소 섬유의 개섬성 및 배향성을 높게 할 수 있는 본 발명의 적용 분야는 넓다. 또 용도로서는, 자동차, 스포츠 용품, 개호 용품, 도전성 전기·전자 부품, 전자파 실드재 등에 유용하다.
1 카딩기
2 불연속 탄소 섬유
3a, 3b 피드 롤러
4 테이커인 롤러
5 실린더
6a, 7a 워커
6b, 7b 스트리퍼
8 도퍼
9 진동 콤
10, 10a~10i 직사각형의 섬유 웹
11 기대
12 배출 벨트
13 커터
14 장척 형상 패러렐 웹
15 탄소 섬유 부직포 시트
16 섬유 웹을 구성하는 탄소 섬유
17 커트선
18a, 18b 적층 부분
19a, 19b 수지 시트
20a, 20b 박리 시트
21a, 21b 가열 가압 롤러
22 탄소 섬유 부직포 프리프레그
23 권취체
2 불연속 탄소 섬유
3a, 3b 피드 롤러
4 테이커인 롤러
5 실린더
6a, 7a 워커
6b, 7b 스트리퍼
8 도퍼
9 진동 콤
10, 10a~10i 직사각형의 섬유 웹
11 기대
12 배출 벨트
13 커터
14 장척 형상 패러렐 웹
15 탄소 섬유 부직포 시트
16 섬유 웹을 구성하는 탄소 섬유
17 커트선
18a, 18b 적층 부분
19a, 19b 수지 시트
20a, 20b 박리 시트
21a, 21b 가열 가압 롤러
22 탄소 섬유 부직포 프리프레그
23 권취체
Claims (13)
- 불연속 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 부직포 시트로서,
상기 탄소 섬유 부직포 시트는, 실질적으로 일방향으로 탄소 섬유가 배향된 직사각형의 섬유 웹이, 동일 방향으로 또한 단부를 어긋나게 하여 2장 이상 적층되어 패러렐 웹이 되어 있으며,
장척 형상인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1에 있어서,
상기 탄소 섬유 부직포 시트는, 탄소 섬유 부직포 시트를 모수로 했을 때, 불연속 탄소 섬유가 10~100질량%, 탄소 섬유 이외의 섬유가 0~90질량%인, 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 탄소 섬유 부직포 시트는, 단위 면적당 질량이 1~1000g/m2인, 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 직사각형의 섬유 웹의 적층 수가 2~100장인, 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 직사각형의 섬유 웹의 단부는 1장당 1~1000mm 어긋나게 하여 적층되어 있는, 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 직사각형의 섬유 웹을 구성하는 탄소 섬유는, 50질량% 이상이 ±10도 이내의 각도로 배향되어 있는, 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 직사각형의 섬유 웹은, 하중 500Pa을 가했을 때의 평균 밀도가 0.01~0.40g/cm3인, 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 직사각형의 섬유 웹을 구성하는 탄소 섬유는, 섬유 길이의 분포가 1~300mm인, 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 직사각형의 섬유 웹은, 탄소 섬유의 배향 방향의 길이가 30~5000mm이고, 탄소 섬유의 배향 방향과 직교하는 방향의 길이가 20~3000mm인, 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 탄소 섬유 부직포 시트를 구성하는 탄소 섬유는, 리사이클된 탄소 섬유를 포함하는, 탄소 섬유 부직포 시트. - 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 탄소 섬유 부직포 시트의 제조 방법으로서,
불연속 탄소 섬유를 포함하는 섬유를 카딩기로 개섬(開纖)하여, 실질적으로 일방향으로 탄소 섬유를 배향시켜 섬유 웹으로 하고, 폭 방향 또는 비스듬한 방향으로 커트하여 직사각형으로 하고,
상기 직사각형의 섬유 웹의 단부를 어긋나게 하여 적층하여, 장척 형상 패러렐 웹으로 하고,
상기 장척 형상 패러렐 웹의 양단을 커트하여 탄소 섬유 부직포 시트를 얻는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 부직포 시트의 제조 방법. - 탄소 섬유 부직포 시트와 매트릭스 수지를 포함하는 탄소 섬유 강화 수지 성형체로서,
상기 탄소 섬유 부직포 시트는 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 탄소 섬유 부직포 시트인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 수지 성형체. - 청구항 12에 있어서,
상기 탄소 섬유 강화 수지 성형체는, 탄소 섬유의 배향 방향의 인장 강도가 340MPa 이상인, 탄소 섬유 강화 수지 성형체.
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-
2022
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