KR20240088337A - 이종 특성을 가지는 시트 형태의 섬유 강화 복합재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20240088337A
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Abstract

한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 제1 프리프레그들이 서로 교차하도록 짜여진 제1 섬유 강화 시트, 제1 프리프레그와, 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 제2 프리프레그가 서로 교차하도록 짜여진 제2 섬유 강화 시트, 및 제2 프리프레그들이 서로 교차하도록 짜여진 제3 섬유 강화 시트를 포함하고, 제2 섬유 강화 시트는 제1 섬유 강화 시트와 제3 섬유 강화 시트 사이에 위치하는, 섬유 강화 복합재를 제공한다.

Description

이종 특성을 가지는 시트 형태의 섬유 강화 복합재 및 이의 제조 방법{SHEET-TYPE FIBER-REINFORCED COMPOSITE HAVING HETEROGENEOUS PROPERTIES AND MEHTOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 개시는 시트 형태의 섬유 강화 복합재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 접착성 및 내화염성의 이종 특성을 동시에 가지고, 고강도를 요구하는 부품에 적용이 가능한 섬유 강화 복합재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전기 자동차의 수요가 높아짐에 따라 차량의 경량화 이슈가 대두되고 있다. 이에 따라, 연속된 유리 섬유로 강화된 폴리프로필렌 수지는 강도, 비중 등이 우수하기 때문에 금속 및 시트 몰딩 컴파운드(SMC)의 대체 재료로서 자동차의 기구 부품 등에 사용되고 있다.
특히, 연속된 유리 섬유로 강화된 폴리프로필렌 수지가 전기 자동차 배터리의 언더커버 부분으로 적용되기 위해서는 내화염성이 우수해야 하고, 배터리 하부에 위치한 알루미늄 냉각 플레이트와의 접착 성능이 요구된다.
그러나, 단순 폴리프로필렌으로는 기존에 사용하고 있는 시트 몰딩 컴파운드와 알루미늄과의 접착력보다 높은 접착 강도를 확보하기가 불가능하다.
실시예의 일 측면은 하나의 시트에서 상면 및 하면에 각기 다른 특성을 가져, 우수한 외측 내화염성 및 내측 알루미늄과의 접착성을 동시에 갖는 섬유 강화 복합재를 제공한다.
실시예의 다른 측면은 별도의 접착제 없이 이종의 소재를 접착시켜 하나의 시트 형태로 제조할 수 있는 섬유 강화 복합재의 제조 방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 제1 프리프레그들이 서로 교차하도록 짜여진 제1 섬유 강화 시트, 제1 프리프레그와, 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 제2 프리프레그가 서로 교차하도록 짜여진 제2 섬유 강화 시트, 및 제2 프리프레그들이 서로 교차하도록 짜여진 제3 섬유 강화 시트를 포함하고, 제2 섬유 강화 시트는 제1 섬유 강화 시트와 제3 섬유 강화 시트 사이에 위치하는, 섬유 강화 복합재를 제공한다.
제1 프리프레그 및 제2 프리프레그는 두께가 얇고, 두께 보다 긴 폭을 가지고, 폭 보다 긴 길이를 가지는, 테이프(tape) 형태를 가질 수 있다.
제1 프리프레그의 보강 섬유는 제1 프리프레그의 길이 방향으로 배열될 수 있다.
제2 프리프레그의 보강 섬유는 제2 프리프레그의 길이 방향으로 배열될 수 있다.
제1 섬유 강화 시트, 제2 섬유 강화 시트, 및 제3 섬유 강화 시트는 각각 평직으로 직조될 수 있다.
제2 섬유 강화 시트에서 제1 프리프레그와 제2 프리프레그가 이루는 각도는 수직일 수 있다.
제2 섬유 강화 시트는 제1 프리프레그와 제2 프리프레그를 1 : 1 내지 0.9 : 2의 중량비로 포함할 수 있다.
제1 프리프레그의 제1 열가소성 수지와 제2 프리프레그의 제2 열가소성 수지는 서로 다른 열가소성 수지일 수 있다.
제1 프리프레그의 열가소성 수지는 폴리프로필렌 수지를 포함할 수 있다.
제2 프리프레그의 열가소성 수지는 폴리카보네이트 수지를 포함할 수 있다.
보강 섬유는 연속 보강 섬유일 수 있다.
보강 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 메탈릭 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제1 섬유 강화 시트, 제2 섬유 강화 시트, 및 제3 섬유 강화 시트는 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지의 용융 및 압착에 의해 접합될 수 있다.
섬유 강화 복합재는 제1 섬유 강화 시트와 제2 섬유 강화 시트 사이, 또는 제2 섬유 강화 시트와 제3 섬유 강화 시트 사이에 접착제를 포함하지 않을 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 제1 프리프레그들을 제조하고, 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 제2 프리프레그들을 제조하고, 제1 프리프레그들이 서로 교차하도록 직조하여 제1 섬유 강화 시트를 제조하고, 제1 프리프레그와 제2 프리프레그가 서로 교차하도록 직조하여 제2 섬유 강화 시트를 제조하고, 제2 프리프레그들이 서로 교차하도록 직조하여 제3 섬유 강화 시트를 제조하고, 제1 섬유 강화 시트와 제3 섬유 강화 시트 사이에 제2 섬유 강화 시트가 위치하도록 적층하는, 섬유 강화 복합재의 제조 방법을 제공한다.
섬유 강화 복합재의 제조 방법은, 인발 성형 공법을 이용하여 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 열가소성 수지를 포함하는 프리프레그 시트를 제조하고, 프리프레그 시트를 보강 섬유의 배열 방향을 따라 슬리팅(sliting)하여, 테이프 형태를 가지는 제1 프리프레그 및 제2 프리프레그를 제조할 수 있다.
제1 섬유 강화 시트, 제2 섬유 강화 시트, 및 제3 섬유 강화 시트 제조시, 직조는 평직일 수 있다.
섬유 강화 복합재의 제조 방법은, 제1 섬유 강화 시트와 제3 섬유 강화 시트 사이에 제2 섬유 강화 시트가 위치하도록 적층한 후, 용융 및 압착할 수 있다.
실시예의 일 측면에 따른 섬유 강화 복합재는 기계적 물성, 내화염성, 및 접착성이 우수하여, 외측에는 외부에서 발생되는 화염에 대한 저항성과 내측에는 알루미늄과의 우수한 접착성을 가진다.
실시예의 다른 측면에 따른 섬유 강화 복합재의 제조 방법은 별도의 접착제 없이 이종의 소재를 접착시켜 하나의 시트 형태로 제조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 섬유 강화 복합재의 분리 사시도이다.
도 2는 제1 섬유 강화 시트의 평면도이다.
이후 설명하는 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 구현예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 구현되는 형태는 이하에서 개시되는 구현예들에 한정되는 것이 아니라 할 수 있다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 섬유 강화 복합재(100)의 분리 사시도이고, 도 2는 제1 섬유 강화 시트(110)의 평면도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 섬유 강화 복합재(100)를 상세하게 설명한다.
섬유 강화 복합재(100)는 제1 섬유 강화 시트(110), 제2 섬유 강화 시트(120), 및 제3 섬유 강화 시트(130)를 포함한다.
제1 섬유 강화 시트(110)는 제1 프리프레그(11)들을 포함하고, 제1 프리프레그(11)들이 서로 교차하도록 짜여진 직물 구조를 가질 수 있다.
제1 프리프레그(11)는 직조될 수 있도록 두께가 얇고 일정한 폭을 가지며 길이가 긴 테이프(tape) 형태를 가질 수 있다. 일 예로, 제1 프리프레그(11)는 두께가 얇고, 두께 보다 긴 폭을 가지고, 폭 보다 긴 길이를 가질 수 있다.
예를 들어 제1 프리프레그(11)는 폭이 8 ㎜ 내지 30 ㎜, 또는 8 ㎜ 내지 20 ㎜일 수 있다. 제1 프리프레그(11)의 폭이 지나치게 좁은 경우에는 직조 형태를 구성하면서 생기는 굴곡이 많아지기 때문에 섬유 강화 시트의 물성이 저하될 수 있고, 폭이 지나치게 넓은 경우에는 보강 효과가 충분하지 않을 수 있다.
제1 프리프레그(11)는 두께가 100 ㎛ 내지 1000 ㎛, 100 ㎛ 내지 500 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 300 ㎛ 일 수 있다. 제1 프리프레그(11)의 폭이 전술한 범위를 만족하며, 동시에 전술한 두께 범위를 만족함으로써 섬유 강화 시트의 강도 및 강성의 보강 효과를 용이하게 확보할 수 있다.
제1 프리프레그(11)는 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제1 열가소성 수지를 포함한다. 일 예로, 보강 섬유들은 제1 프리프레그(11)의 길이 방향에 실질적으로 평행하게 배열될 수 있다. 보강 섬유들은 제1 프리프레그(11) 내에서 나란하게 일정 간격을 두고 배치될 수 있다. 보강 섬유들은 제1 열가소성 수지에 의해 함침될 수 있다.
보강 섬유는, 장섬유 보강 섬유, 단섬유 보강 섬유, 또는 연속 보강 섬유 중 하나일 수 있다. 특히, 보강 섬유가 연속 보강 섬유인 경우, 단섬유 보강 섬유 또는 장섬유 보강 섬유 보다, 단일 방향으로의 배향성 제어가 용이하고, 유연성 및 내충격성이 크게 향상될 수 있다.
보강 섬유는 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 메탈릭 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 보강 섬유가 연속 유리 섬유인 경우, 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리할 수 있다.
보강 섬유는, 단일 가닥의 섬유들이 모여서 만들어진 집합체일 수 있다. 보강 섬유의 단일 가닥은 단면의 직경이, 예를 들어 10 ㎛ 내지 200 ㎛, 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 10 ㎛ 내지 30 ㎛, 또는 10 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다. 보강 섬유의 단일 가닥은 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 우수한 단일 방향 배향성을 가질 수 있으며, 제조 과정에서 열가소성 수지로의 함침성을 향상시킬 수 있다.
제1 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리카보네이트(PC) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 프리프레그(11)가 제1 열가소성 수지를 포함함에 따라, 제1 섬유 강화 시트(110)는 충격 흡수 성능이 향상될 수 있고, 접착제의 사용 없이도 제1 열가소성 수지의 용융 및 압착에 의해 다른 섬유 강화 시트들과 접합될 수 있다.
일 예로, 제1 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP) 수지일 수 있다. 폴리프로필렌(PP) 수지를 포함하는 제1 섬유 강화 시트(110)는 높은 강도와 낮은 비중 특성을 가지며, 내화염성이 우수하다. 선택적으로, 제1 열가소성 수지는 내열제 또는 난연제 등을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 섬유 강화 복합재(100)는 제1 섬유 강화 시트(110)가 외측을 향하도록 배치 또는 부착될 수 있다.
제1 섬유 강화 시트(110)에서, 보강 섬유들의 함량은 10 중량% 내지 90 중량%, 또는 20 중량% 내지 70 중량%일 수 있고, 제1 열가소성 수지의 함량은 10 중량% 내지 90 중량%, 또는 30 중량% 내지 80 중량%일 수 있다.
제1 섬유 강화 시트(110) 내에서 일군의 제1 프리프레그(11)들은 날실이 되고, 다른 일군의 제1 프리프레그(11)들은 씨실이 되어, 서로 엇갈리게 배열된다.
일 예로, 제1 섬유 강화 시트(110)는 평직으로 직조될 수 있으며, 이에 따라 제1 섬유 강화 시트(110)에서 일군의 제1 프리프레그(11)들과 다른 일군의 제1 프리프레그(11)들이 이루는 각도는 수직일 수 있다.
일군의 제1 프리프레그(11)들과 다른 일군의 제1 프리프레그(11)들은, n 개의 교차점을 반복 단위로 하여, 일군의 제1 프리프레그(11)들과 다른 일군의 제1 프리프레그(11)들이 번갈아가면서 위아래에 배치될 수 있다. 이 때, n 은 1 내지 5의 정수일 수 있으며, 예를 들어, n 은 1 또는 2일 수 있다.
예를 들어, n 값이 1인 경우, 제1 섬유 강화 시트(110)는, 일군의 제1 프리프레그(11)들과 다른 일군의 제1 프리프레그(11)들이, 1 개의 교차점을 반복 단위로 하여, 일군의 제1 프리프레그(11)들과 다른 일군의 제1 프리프레그(11)들이 번갈아가면서 위아래에 배치될 수 있다.
제3 섬유 강화 시트(130)는 제2 프리프레그(12)들을 포함하고, 제2 프리프레그(12)들이 서로 교차하도록 짜여진 직물 구조를 가질 수 있다.
제2 프리프레그(12)는 직조될 수 있도록 두께가 얇고 일정한 폭을 가지며 길이가 긴 테이프(tape) 형태를 가질 수 있다. 일 예로, 제2 프리프레그(12)는 두께가 얇고, 두께 보다 긴 폭을 가지고, 폭 보다 긴 길이를 가질 수 있다.
예를 들어 제2 프리프레그(12)는 폭이 8 ㎜ 내지 30 ㎜, 또는 8 ㎜ 내지 20 ㎜일 수 있다. 제2 프리프레그(12)의 폭이 지나치게 좁은 경우에는 직조 형태를 구성하면서 생기는 굴곡이 많아지기 때문에 섬유 강화 시트의 물성이 저하될 수 있고, 폭이 지나치게 넓은 경우에는 보강 효과가 충분하지 않을 수 있다.
제2 프리프레그(12)는 두께가 100 ㎛ 내지 1000 ㎛, 100 ㎛ 내지 500 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 300 ㎛ 일 수 있다. 제2 프리프레그(12)의 폭이 전술한 범위를 만족하며, 동시에 전술한 두께 범위를 만족함으로써 섬유 강화 시트의 강도 및 강성의 보강 효과를 용이하게 확보할 수 있다.
제2 프리프레그(12)는 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제2 열가소성 수지를 포함한다. 일 예로, 보강 섬유들은 제2 프리프레그(12)의 길이 방향에 실질적으로 평행하게 배열될 수 있다. 보강 섬유들은 제2 프리프레그(12) 내에서 나란하게 일정 간격을 두고 배치될 수 있다. 보강 섬유들은 제2 열가소성 수지에 의해 함침될 수 있다.
보강 섬유는, 장섬유 보강 섬유, 단섬유 보강 섬유, 또는 연속 보강 섬유 중 하나일 수 있다. 보강 섬유가 연속 보강 섬유인 경우, 단섬유 보강 섬유 또는 장섬유 보강 섬유 보다, 단일 방향으로의 배향성 제어가 용이하고, 유연성 및 내충격성이 크게 향상될 수 있다.
보강 섬유는 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 메탈릭 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 보강 섬유가 연속 유리 섬유인 경우, 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리할 수 있다.
보강 섬유는, 단일 가닥의 섬유들이 모여서 만들어진 집합체일 수 있다. 보강 섬유의 단일 가닥은 단면의 직경이, 예를 들어 10 ㎛ 내지 200 ㎛, 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 10 ㎛ 내지 30 ㎛, 또는 10 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있다. 보강 섬유의 단일 가닥은 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 우수한 단일 방향 배향성을 가질 수 있으며, 제조 과정에서 열가소성 수지로의 함침성을 향상시킬 수 있다.
제2 열가소성 수지는 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리카보네이트(PC) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제2 프리프레그(12)가 제2 열가소성 수지를 포함함에 따라, 제3 섬유 강화 시트(130)는 충격 흡수 성능이 향상될 수 있고, 접착제의 사용 없이도 제2 열가소성 수지의 용융 및 압착에 의해 다른 섬유 강화 시트들과 접합될 수 있다.
이때, 제2 열가소성 수지는 제1 열가소성 수지와 다른 열가소성 수지일 수 있다. 일 예로, 제2 열가소성 수지는 폴리카보네이트(PC) 수지일 수 있다. 폴리카보네이트(PC) 수지를 포함하는 제3 섬유 강화 시트(130)는 전기 자동차의 배터리 하부에 위치한 알루미늄 냉각 플레이트와의 접착성이 우수하다. 이에 따라, 섬유 강화 복합재(100)는 제3 섬유 강화 시트(130)가 내측, 즉 접착면을 향하도록 배치 또는 부착될 수 있다.
제3 섬유 강화 시트(130)에서, 보강 섬유들의 함량은 10 중량% 내지 90 중량%, 또는 20 중량% 내지 70 중량%일 수 있고, 제2 열가소성 수지의 함량은 10 중량% 내지 90 중량%, 또는 30 중량% 내지 80 중량%일 수 있다.
제3 섬유 강화 시트(130) 내에서 일군의 제2 프리프레그(12)들은 날실이 되고, 다른 일군의 제2 프리프레그(12)들은 씨실이 되어, 서로 엇갈리게 배열된다.
일 예로, 제3 섬유 강화 시트(130)는 평직으로 직조될 수 있으며, 이에 따라 제3 섬유 강화 시트(130)에서 일군의 제2 프리프레그(12)들과 다른 일군의 제2 프리프레그(12)들이 이루는 각도는 수직일 수 있다.
일군의 제2 프리프레그(12)들과 다른 일군의 제2 프리프레그(12)들은, n 개의 교차점을 반복 단위로 하여, 일군의 제2 프리프레그(12)들과 다른 일군의 제2 프리프레그(12)들이 번갈아가면서 위아래에 배치될 수 있다. 이 때, n 은 1 내지 5의 정수일 수 있으며, 예를 들어, n 은 1 또는 2일 수 있다.
예를 들어, n 값이 1인 경우, 제3 섬유 강화 시트(130)는, 일군의 제2 프리프레그(12)들과 다른 일군의 제2 프리프레그(12)들이, 1 개의 교차점을 반복 단위로 하여, 일군의 제2 프리프레그(12)들과 다른 일군의 제2 프리프레그(12)들이 번갈아가면서 위아래에 배치될 수 있다.
제2 섬유 강화 시트(120)는 제1 프리프레그(11)들 및 제2 프리프레그(12)들을 포함하고, 제1 프리프레그(11)들과 제2 프리프레그(12)들이 서로 교차하도록 짜여진 직물 구조를 가질 수 있다.
제1 프리프레그(11)와 제2 프리프레그(12)에 대한 설명은 전술한 바와 동일하므로, 반복적인 설명은 생략한다.
제2 섬유 강화 시트(120) 내에서 제1 프리프레그(11)들은 날실이 되고, 제2 프리프레그(12)들은 씨실이 되어, 서로 엇갈리게 배열된다. 또는 제1 프리프레그(11)들은 씨실이 되고, 제2 프리프레그(12)들은 날실이 될 수도 있다.
일 예로, 제2 섬유 강화 시트(120)는 평직으로 직조될 수 있으며, 이에 따라 제2 섬유 강화 시트(120)에서 제1 프리프레그(11)들과 제2 프리프레그(12)들이 이루는 각도는 수직일 수 있다.
제1 프리프레그(11)들과 제2 프리프레그(12)들은, n 개의 교차점을 반복 단위로 하여, 제1 프리프레그(11)들과 제2 프리프레그(12)들이 번갈아가면서 위아래에 배치될 수 있다. 이 때, n 은 1 내지 5의 정수일 수 있으며, 예를 들어, n 은 1 또는 2일 수 있다.
예를 들어, n 값이 1인 경우, 제2 섬유 강화 시트(120)는, 제1 프리프레그(11)들과 제2 프리프레그(12)들이, 1 개의 교차점을 반복 단위로 하여, 제1 프리프레그(11)들과 제2 프리프레그(12)들이 번갈아가면서 위아래에 배치될 수 있다.
제2 섬유 강화 시트(120)는 제1 프리프레그(11)와 제2 프리프레그(12)를 1 : 1 내지 0.9 : 2의 중량비로 포함할 수 있다. 제1 프리프레그(11)의 중량비가 0.9 미만이거나 제2 프리프레그(12)의 중량비가 2를 초과하는 경우 층간 접착성이 저하될 수 있고, 제1 프리프레그(11)의 중량비가 1을 초과하거나 제2 프리프레그(12)의 중량비가 1 미만인 경우 층간 접착성이 저하될 수 있다.
섬유 강화 복합재(100)는 제1 섬유 강화 시트(110), 제2 섬유 강화 시트(120), 및 제3 섬유 강화 시트(130)를 포함하고, 일 예로 제1 섬유 강화 시트(110), 제2 섬유 강화 시트(120), 및 제3 섬유 강화 시트(130)는 순차적으로 적층될 수 있고, 제2 섬유 강화 시트(120)는 제1 섬유 강화 시트(110)와 제3 섬유 강화 시트(130) 사이에 위치할 수 있다.
제1 섬유 강화 시트(110), 제2 섬유 강화 시트(120), 및 제3 섬유 강화 시트(130)는 제1 프리프레그(11) 및 제2 프리프레그(12)가 각각 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지를 포함함에 따라, 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지의 용융 및 압착에 의해 접합될 수 있다. 따라서, 섬유 강화 복합재(100)는 제1 섬유 강화 시트(110)와 제2 섬유 강화 시트(120) 사이, 또는 제2 섬유 강화 시트(120)와 제3 섬유 강화 시트(130) 사이에 접착제를 포함하지 않을 수 있다.
또한, 제2 섬유 강화 시트(120)는 제1 프리프레그(11)와 제2 프리프레그(12)를 모두 포함함에 따라, 제1 프리프레그(11)를 포함하는 제1 섬유 강화 시트(110) 및 제2 프리프레그(12)를 포함하는 제3 섬유 강화 시트(130)와 모두 접합성이 우수하다.
다른 실시예에 따른 섬유 강화 복합재의 제조 방법은 제1 프리프레그들과 제2 프리프레그들을 각각 준비하고, 제1 섬유 강화 시트, 제2 섬유 강화 시트, 및 제3 섬유 강화 시트를 각각 준비하고, 제1 섬유 강화 시트와 제3 섬유 강화 시트 사이에 제2 섬유 강화 시트가 위치하도록 적층하여 섬유 강화 복합재를 제조한다.
일 예로, 제1 프리프레그와 제2 프리프레그는 각각 인발 성형 공법을 이용하여 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 열가소성 수지를 포함하는 프리프레그 시트를 제조하고, 프리프레그 시트를 보강 섬유의 배열 방향을 따라 원하는 폭으로 슬리팅(sliting)하여, 테이프 형태를 가지도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 슬리팅은 원형 회전 칼을 이용할 수 있다.
일 예로, 제1 섬유 강화 시트는 제1 프리프레그들이 서로 교차하도록 직조하여 제조할 수 있고, 제2 섬유 강화 시트는 제1 프리프레그들과 제2 프리프레그들이 서로 교차하도록 직조하여 제조할 수 있고, 제3 섬유 강화 시트는 제2 프리프레그들이 서로 교차하도록 직조하여 제조할 수 있다. 이때, 직조 방법은 예를 들어 평직일 수 있다.
제1 섬유 강화 시트와 제3 섬유 강화 시트 사이에 제2 섬유 강화 시트가 위치하도록 적층한 후, 용융 및 압착하여, 섬유 강화 복합재를 제조할 수 있다.
일 예로, 용융 및 압착시 온도는 140 ℃ 내지 350 ℃이고, 압력은 30 bar 내지 1000 bar일 수 있다. 용융 및 압착시 온도가 140 ℃ 미만이거나 압력이 30 bar 미만인 경우 층간 접착성이 저하될 수 있고, 온도가 350 ℃를 초과하거나 압력이 1000 bar를 초과하는 경우 기계적 강도가 저하될 수 있다.
이하에서는 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 발명의 범위가 제한되어서는 아니된다.
[제조예: 섬유 강화 복합재의 제조]
(제조예 1)
유리 섬유 및 폴리프로필렌 수지를 포함하는 제1 프리프레그들 및 유리 섬유 및 폴리카보네이트 수지를 포함하는 제2 프리프레그들을 각각 인발 성형한 후 9 mm 폭의 테이프(Tape) 형태로 슬리팅하여 제조한다.
(제조예 2)
제1 프리프레그들을 서로 교차하도록 평직으로 제직하여 제1 섬유 강화 시트를 제조한다.
제1 프리프레그들 및 제2 프리프레그들을 서로 교차하도록 평직으로 제직하여 제2 섬유 강화 시트를 제조한다.
제2 프리프레그들을 서로 교차하도록 평직으로 제직하여 제3 섬유 강화 시트를 제조한다.
(제조예 3)
제1 섬유 강화 시트와 제3 섬유 강화 시트 사이에 제2 섬유 강화 시트가 위치하도록 적층한 후, 200 ℃의 온도 및 300 bar의 압력으로 용융 및 압착하여 섬유 강화 복합재를 제조한다.
[실험예: 섬유 강화 복합재의 성능 측정]
형체력 1100 톤의 압축 성형 설비를 사용하여 물성 시편을 제작한 후 다음과 같은 방법으로 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 및 접착강도를 측정하고, 그 결과를 표 1에 정리한다.
(1) 인장강도: ISO 527-4에 의거하여 5 mm/min의 시험속도로 측정한다.
(2) 굴곡강도 및 굴곡탄성률: ISO 14125에 의거하여 3 점 굴곡, 지지점 간 길이 48 mm, 시험속도 1 mm/min로 측정한다.
(3) 접착강도: 100 mm 길이의 알루미늄 판과 100 mm 길이의 시편을 0.2 mm의 두께 및 12.5 mm의 길이의 접착제로 접착한 후, 시험속도 5 mm/min으로 측정한다. 접착제의 충분한 경화를 위해 접착 후 상온에서 168 시간 유지 후 측정한다.
(4) 화염에 대한 난연성 및 자가 소화 능력을 확인하기 위해 화염원과 시편 간의 간격을 30 mm 이격시켜 시험을 진행하며, 3 min 동안 화염을 유지시킨 후 화염원을 제거 후 자가소화 여부를 확인한다. 이때, 화염과 시편이 맞닿는 부분의 온도는 1,000 ℃ 내지 1,100 ℃ 로 유지한다.
항목 규격 단위 측정값 비고
인장강도 ISO 527-4 Mpa 233 -
굴곡강도 ISO 14125 Mpa 328 -
굴곡탄성율 ISO 14125 Mpa 12,100 -
접착강도 ISO 4587 Mpa 9.63 기존 SMC: 6.68
표 1을 참조하면, 실시예의 일 측면에 따른 섬유 강화 복합재는 기계적 물성, 내화염성, 및 접착성이 우수하여, 외측에는 외부에서 발생되는 화염에 대한 저항성과 내측에는 알루미늄과의 우수한 접착성을 가짐을 알 수 있다. 특히, 실시예의 일 측면에 따른 섬유 강화 복합재는 접착 강도가 기존 SMC 대비 우수하여 전기 자동차의 배터리 하부에 위치한 알루미늄 냉각 플레이트와의 접착성이 우수할 것임을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 섬유 강화 복합재
11: 제1 프리프레그
12: 제2 프리프레그
110: 제1 섬유 강화 시트
120: 제2 섬유 강화 시트
130: 제3 섬유 강화 시트

Claims (17)

  1. 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 제1 프리프레그들이 서로 교차하도록 짜여진 제1 섬유 강화 시트,
    상기 제1 프리프레그와, 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 제2 프리프레그가 서로 교차하도록 짜여진 제2 섬유 강화 시트, 및
    상기 제2 프리프레그들이 서로 교차하도록 짜여진 제3 섬유 강화 시트를 포함하고,
    상기 제2 섬유 강화 시트는 상기 제1 섬유 강화 시트와 상기 제3 섬유 강화 시트 사이에 위치하는,
    섬유 강화 복합재.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 프리프레그 및 상기 제2 프리프레그는 두께가 얇고, 상기 두께 보다 긴 폭을 가지고, 상기 폭 보다 긴 길이를 가지는, 테이프(tape) 형태를 가지는, 섬유 강화 복합재.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 프리프레그의 보강 섬유는 상기 제1 프리프레그의 길이 방향으로 배열되고,
    상기 제2 프리프레그의 보강 섬유는 상기 제2 프리프레그의 길이 방향으로 배열되는, 섬유 강화 복합재.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 섬유 강화 시트, 상기 제2 섬유 강화 시트, 및 상기 제3 섬유 강화 시트는 각각 평직으로 직조된, 섬유 강화 복합재.
  5. 제4항에서,
    상기 제2 섬유 강화 시트에서 상기 제1 프리프레그와 상기 제2 프리프레그가 이루는 각도는 수직인, 섬유 강화 복합재.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 섬유 강화 시트는 상기 제1 프리프레그와 상기 제2 프리프레그를 1 : 1 내지 0.9 : 2의 중량비로 포함하는, 섬유 강화 복합재.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 프리프레그의 제1 열가소성 수지와 상기 제2 프리프레그의 제2 열가소성 수지는 서로 다른 열가소성 수지인, 섬유 강화 복합재.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 프리프레그의 열가소성 수지는 폴리프로필렌 수지를 포함하는, 섬유 강화 복합재.
  9. 제7항에서,
    상기 제2 프리프레그의 열가소성 수지는 폴리카보네이트 수지를 포함하는, 섬유 강화 복합재.
  10. 제1항에서,
    상기 보강 섬유는 연속 보강 섬유인, 섬유 강화 복합재.
  11. 제1항에서,
    상기 보강 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 현무암 섬유, 메탈릭 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유, 또는 이들의 조합을 포함하는, 섬유 강화 복합재.
  12. 제1항에서,
    상기 제1 섬유 강화 시트, 상기 제2 섬유 강화 시트, 및 상기 제3 섬유 강화 시트는 상기 제1 열가소성 수지 및 상기 제2 열가소성 수지의 용융 및 압착에 의해 접합된, 섬유 강화 복합재.
  13. 제12항에서,
    상기 섬유 강화 복합재는 상기 제1 섬유 강화 시트와 상기 제2 섬유 강화 시트 사이, 또는 상기 제2 섬유 강화 시트와 상기 제3 섬유 강화 시트 사이에 접착제를 포함하지 않는, 섬유 강화 복합재.
  14. 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제1 열가소성 수지를 포함하는 제1 프리프레그들을 제조하고,
    한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 제2 열가소성 수지를 포함하는 제2 프리프레그들을 제조하고,
    상기 제1 프리프레그들이 서로 교차하도록 직조하여 제1 섬유 강화 시트를 제조하고,
    상기 제1 프리프레그와 상기 제2 프리프레그가 서로 교차하도록 직조하여 제2 섬유 강화 시트를 제조하고,
    상기 제2 프리프레그들이 서로 교차하도록 직조하여 제3 섬유 강화 시트를 제조하고,
    상기 제1 섬유 강화 시트와 상기 제3 섬유 강화 시트 사이에 상기 제2 섬유 강화 시트가 위치하도록 적층하는,
    섬유 강화 복합재의 제조 방법.
  15. 제14항에서,
    인발 성형 공법을 이용하여 한 방향으로 배열된 보강 섬유들 및 열가소성 수지를 포함하는 프리프레그 시트를 제조하고,
    상기 프리프레그 시트를 상기 보강 섬유의 배열 방향을 따라 슬리팅(sliting)하여,
    테이프 형태를 가지는 상기 제1 프리프레그 및 상기 제2 프리프레그를 제조하는,
    섬유 강화 복합재의 제조 방법.
  16. 제14항에서,
    상기 직조는 평직인, 섬유 강화 복합재의 제조 방법.
  17. 제14항에서,
    상기 제1 섬유 강화 시트와 상기 제3 섬유 강화 시트 사이에 상기 제2 섬유 강화 시트가 위치하도록 적층한 후, 용융 및 압착하는, 섬유 강화 복합재의 제조 방법.
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