KR940002034B1 - 탄성 매트릭스를 갖는 이방성 복합재 - Google Patents

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카튜 마뉘팍튀르 에 플라스티크
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Abstract

내용 없음.

Description

탄성 매트릭스를 갖는 이방성 복합재
제1도는 고인장률 및 고이방성을 갖는 적합한 탄성 매트릭스 복합재를 포함흔 전형적인 전동벨트의 개략단면도.
제2도는 보강요소로서 이방성 복합재의 층을 갖는 적합한 이송벨트의 개략단면도.
제3도는 적합한 복합재를 포함하는 타이어의 부분 절단사시도.
제4도는 비드내에 적합한 복합재를 포함하는 신축 보상슬리브의 일체로된 플랜지의 비드의 부분절단 사시도.
제5도는 적합한 이방성 복합재를 포함하는 가요호스의 일체로된 플랜지의 비드의 부분단면도.
제6도는 적합한 이방성 복합재를 포함하는 공기 현수막용 보호기의 측면도.
제7도는 충격에 대한 특히 탄도발사체(彈道發射體)에 의한 충격에 대한 보호물로서 사용가능한 본 발명의 성층복합재의 부분단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전동벨트 2 : 베이스
3, 6 : 아마츄어 또는 코어 4 : 이송벨트
5 : 플라이 9 : 타이어
15 : 종래의 비드 16 : 본 발명의 비드
17 : 슬리브 18 : 플랜지
19 : 대응플랜지 25 : 공기 현수장치
26 : 보기프레임 27a, 27b : 차량
32 : 성층복합재 33 : 복합재층
34 : 완충층
본 발명은 탄성 매트릭스를 가지며 고무산업에 있어서 반제품으로 사용될 수 있는 복합제에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 이방성이며 한 방향에서의 탄성률이 높고 이 방향에 수직인 방향에서는 유연성이 큰 탄성 복합재에 관한 것이다.
이들이 쓰여지는 산업의 기술이 진보됨에 따라, 고무제품의 기계적 및 열공정 수행능이 향상되어야 할 필요가 증가 되었다. 이러한 수행능이 복합시스템, 즉 예컨대 분말충전제, 섬유제품 또는 연속 또는 불연속 금속요소에 의해 그의 탄성 매트릭스가 강화된 물질에 의해서만이 달성될 수 있음은 자명한 일이다. 탄성 매트릭스가 있는 복합재는 지난 수년간 모든 산업분야에서 상당히 성장되었다. 이러한 탄성 매트릭스는, 복잡한 형태로 만들어질 수 있는 능력에 덧붙여, 이들의 기계적 특성이 강화물질을 사용함으로써 향상될 수 있는한, 가격이 저렴하다는 유리한 특징이 있다. 이러한 강화물질은 무기충전제나 유기충전제(예컨대 카본블랙)의 형태 또는 섬유제품이나 금속 와이어로부터 제조된 연속 또는 불연속 강화제형태(예컨대 타이어, 호스, 또는 콘베이어 벨트등의 경우)일 수 있다.
탄성 매트릭스 복합재를 주제로한 문헌은 많다. 그러나, 혼합기술이 강화물질을 탄성 화합물에 균일하게 분산시키기 때문에, 분말형태나 단섬유형태의 강화물질을 이용하여 탄성화합물 매트릭스가 있는 고도의 이방성물질을 제공하기란 비교적 어려운 일임을 주지하여야 할 것이다.
그럼에도 불구하고, Kleber Colombes사의 프랑스특허 제2,162,691호와 그의 계속적인 프랑스특허 제2,211,941호에 탄성률과 이방성이 높은 탄성 매트릭스 복합재에 대한 것이 기재되어있다. 여기에 기재된 물질중, 분말형태인 충전제는 고분자 폴리에틸렌 세립으로 구성되어있다. 광택기 로울사이에서의 고온 균일 혼합의 결과, 폴리에틸렌 세립의 인-플레이스 피브릴화 및 선호되는 방향으로의 피브릴의 정렬이 일어난다. 그러므로, 충전제의 본성이 고탄성률로 이끄며 광택공정이 이방성을 야기시킨다.
이와 마찬가지로, MONSANTO의 미국특허 제4,056,591호에는 복합 사출 공정시 배향되는 단섬유로 강화시킨 탄성 매트릭스 복합재로 만들어지는 이방성 호스의 제조법이 제시되어 있다.
제품 생산을 위해 이 복합재들을 후속 가공하는 것은 필요한 열 공정 때문에 물질의 이방성을 감소시키기 쉽다.
다른 한편, 한 방향에서 고탄성률을 가지며 고도의 이방성을 갖는 물질들이 섬유 또는 금속 케이블로 이루어진 가닥의 형태로, 탄성 매트릭스와 연속 강화물질로부터 용이하게 제공된다. 이러한 물질들은 예컨대, 호스, 타이어, 이동벨트 및 콘베이어벨트의 조립을 위한 고무 변형 산업에서 현재 이용되고 있다.
그럼에도 불구하고, 이 복합재는 강화 방향에서보다 강화방향에 수직인 방향에서 매트릭스의 기계적특성이 훨씬 저조하게 나타나므로, 다중-방향 용도를 위해 다층 배합을 이용할 필요가 있게된다.
프랑스특허 제2,162,691호와 2,211,941호는 실행 목적을 위해 미합중국 특허 제4,005,054호에서 결합되었다. 상기의 모든 특허는 본 출원에 참고로 인용되었으며 그의 전 내용을 여기에서 설명하였다.
본 발명의 목적은 선호되는 강화 방향에서 뿐만 아니라 이 강화 방향에 수직인 방향에서도 개선된 특성을 가지며 동시에 강화 방향과 그외의 모든 방향 사이에서 높은 이방성을 보유하는 탄성 매트릭스 복합재를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 제품생산을 수행하는데 보다 용이하고 보다 저렴한 화합물을 포함하는데 있다.
본 발명의 이들 목적 및 그밖의 목적들은 이 물질의 기초를 형성하는 탄성 매트릭스를 포함하는 복합재의 형태로서 바람직한 구체예에서 제공된다. 탄성 매트릭스의 교차 결합 시스템과 최대길이가 30㎜인 섬유를 포함하는 하나이상의 강화섬유가 포함된다. 섬유들은 탄성 매트릭스를 통해 배치되어 있으며 일반적으로 제1강화 방향으로 연장되어있다. 이 탄성 매트릭스에는 하나이상의 열경화성 수지가 들어있다. 교차 결합 시스템, 강화섬유 및 열경화성 수지가 들어있다. 교차 결합 시스템, 강화섬유 및 열경화성 수지를 포함하는 탄성 매트릭스는 제1방향에서의 신장이 100%라 가정했을때 계산한 제1등가 인장률(tensile modulus)과 제1방향에 수직인 제2방향에서의 신장이 100%라 가정했을때 계산한 제2실제 또는 등가 인장률을 갖는다. 제2등가 인장률은 66㎫이상이다. 제1등가 인장률과 제2등가 인장률의 이방성 비율은 적어도 6이상이다.
본 발명을 간단히 설명하기 위해 탄성 매트릭스 복합재의 특성을 다음과 같이 정의하였다 :
-"등가 인장률"이란 100% 신장된다는 가정하에서의 인장률 값임(이 값은 물리적으로는 얻어질 수 없다). 등가 인장률은 4% 신장에서 측정한, 실제 인장률 값을 외삽하여 계산한다.
- "이방성 비율"이란 강화 방향에 있어서의 등가 인장률 대 이 강화 방향에 수직인 방향에 있어서의 실제 또는 등가 인장률의 비율을 말한다.
-"이탈 또는 분리 인장"이란 강화와 탄성 매트릭스 사이에서의 접착 결합이 파열되거나 분리되는 지점의 힘 또는 스트레스를 말한다. 복합재에 적용된 어떠한 힘이든지 탄성 매트릭스에 발휘되므로, 강화는 다음 그의 효력을 상실한다.
본 발명은 인장률과 이방성이 높은 탄성 매트릭스 복합재에 대해서 뿐만 아니라 그의 적용에 관한 것이기도 하다.
본 발명의 대상인 탄성 매트릭스 복합재는 강화 방향에 수직인 방향에서의 100% 인장률이 적어도 6㎫(메가파스칼)이고, 이방성 비율이 적어도 6이상이라는 사실에 의해 특징지어진다.
강화 방향과 강화 방향에 수직인 방향 모두에서의 이러한 고도의 기계적 특성은, 탄성 매트릭스에 바람직하게는 최대길이가 약 30밀리미터인 섬유제품이나 금속섬유로된 적어도 한가지 이상의 강화요소와 교차 결합제가 있거나 없이 열경화성 수지를 한가지 이상 삽입함으로써 얻어질 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 대상인 복합재는 적어도 다음의 구성요소들로 이루어진다 :
-그의 교차 결합이나 가황(vulcanization)계와 함께 매트릭스의 기본요소를 구성하는탄성체,
-단섬유로 된 강화물질, 및
-열경화성 수지
본 발명의 바람직한 구체예, 그의 변형예, 및 그의 응용을 첨부된 도면과 다음의 실시예들(여기에 한정되지 않음)을 참고로 하여 더욱 상세히 기재한다 :
-실시예 1에는 이방성 복합재의 기본 내용물이 기재되어 있고,
-실시예 2에는 합성 탄성체, 폴리클로로프렌의 기계적 특성과 함께 그의 조성이 기재되어 있으며,
-실시예 3에는 기타의 합성 탄성체, 디엔 터모노머, 프로필렌 및 에틸렌의 터폴리머에 기초한 조성이 기재되어 있고,
-실시예 4에는 천연고무의 기계적 특성과 함께 그의 조성이 기재되어 있다.
[실시예 1]
탄성 매트릭스가 있는 바람직한 이방성 복합재의 표준 조성에는 다음 목록에 기재된 성분의 일부 또는 전부가 포함된다. 비율은 탄성체를 100중량부로 했을때의 중량부로 표시하였다 :
-천연 또는 합성 탄성체 100
-황산화 첨가제계 2-7
-가공보조제 및/또는 유연제계 3-100
-탄성체 교차 결합제 8-15
-열경화성 수지 3-30
-수지용 교차 결합제 수지중량의 0-10%
-강화 분말 충전제 0-200
-강화섬유 5-50
상기 성분들의 비율, 특히 분말충전제와 가공보조제 및/또는 유연제의 비율은 탄성체의 성질에 의존한다. 특히, 에틸렌, 프로필렌 및 디엔 터모노머의 터폴리머에 기초한 조성의 경우 가공보조제 및/또는 유연제와 충전제의 비율을 매우 높게할 수 있다.
매트릭스의 기초 성분에는 비제한적인 예로서, 천연고무와 같은 천연 또는 합성 탄성체 1가지 이상; 폴리이소프렌 또는 고급 동족체; SBR(스티렌-부타디엔 고무); 폴리클로로프렌; 할로겐화 폴리에틸렌; 부타디엔과 아크릴로니트릴의 코폴리머나 또는 그의 수소화 형태의 어느 한가지; 이소프렌과 이소부틸렌의 코폴리머나 또는 그의 수소화 형태의 어느 한가지; 에틸렌과 프로필렌의 코폴리머; 에틸렌, 프로필렌 및 디엔 터모노머의 터폴리머; 또는 실리콘 탄성체가 포함된다. 이들의 조화성에 따라, 상이한 탄성체를 여러비율로 결합시켜, 매트릭스의 기초 성분을 형성할 수 있다.
항산화 첨가제계는 고무 변현산업에서 이용되는 통상적인 형태일 수 있으며, 예컨대 방향성 아민을 단독으로 함유하거나 기타 성분을 결합시킬 수도 있다.
가공보조제 및/또는 유연제계에는 일반적으로 파라핀유, 나프텐유 또는 방향성유중 적어도 하나가 포함되며 이들은 왁스나 기타 가공보조제와 결합시킬 수 있다.
탄성체의 교차 결합 또는 가황계는 상기 탄성체의 성질에 적합한 것으로서 일반적으로, 산화아연, 스테아르산, 한가지 이상의 가속화제 및 교차결합제로 이루어진다. 유기 과산화물과 같은 기타의 교차 결합계도 사용할 수 있다.
교차 결합이란 선형 폴리머 분자들간의 1차 결합 형성을 말하는 것으로 교차 결합 결과 감소된 용해성 및 더높은 연화온도나 또는 완전 불용성 및 불용융성이 야기된다. 황을 이용하는 교차 결합 공정은 가황으로 알려져 있다.
고무 또는 폴리머의 여러 유형에 따라 차이가 많기 때문에, 어떤 한 폴리머로 출발하든지, 가황 생성물은 매우 광범위한 특성을 가지게될 것임을 인식하여야 한다. 가황의 주목적은 따로따로 떨어진 폴리머 분자를 연속적인 3차원 네트워크, 실제로는 하나의 거대분자로 결합시키는데 있다. 기술적으로, 가황 결과, 필수적인 플라스틱 미가공 고무가 플라스틱 유동이 거의 없는 필수적인 탄성 가황체로 전환되며, 또한 비가황 가공물질을 용해시키는 액체에 가황체를 불용시키게 만든다.
가황은 대체로 고무에 소량의 황(1-5%)을 혼합시키고 120-190℃의 온도로 가열시킴으로써 수행된다. 소위 가속화제는 필요한 가열기간이나 가열온도를 단축 및 저하시키기 위해 첨가한다. 특별한 목적이나 특정 합성을 위해 유기 과산화물과 같은 기타 가황제를 사용하기도 한다.
가황제를 더 많이 사용할수록, 분자의 교차 결합이 더욱 촘촘해져서 고무가 더 딱딱하게된다. 그러나, 실제로는 강성률이나 인장률은 충전제, 강화제 또는 가소제를 첨가하면 더 용이하게 변형된다.
탄성 화합물은 섬유성 강화제와 탄성 화합물사이 및/또는 탄성 매트릭스 복합체와 섬유성 또는 금속성 강화제 예컨대 연속-사이의 생성될 물품의 인-플레이스 접착력을 개선시키기 위해 RFS타잎의 접착 증진계를 가질수도 있다.
RFS접착 증진계란 고무 화합물을 섬유 및 금속에 원위치 결합시키는데 널리 이용되는 Resorcinal-Formal-Systems을 일컫는 것이다. 예컨대, Bayer사의 COHEDUR라는 상표로 판매되는 상품을 이러한 계에 사용할 수 있다. 이러한 계는 본 명세서에 참고로 삽입된 Bayer AG사가 간행한(서독, 레버쿠젠 1972년판) "Manual for the Manufacture of Rubber”(Manuel pour 1' industrie du Cautchouc)에 기재되어있다.
사용되는 열경화성 수지는 일반적으로 포르모페놀형이며, 요소/포르몰, 멜라민/포르몰 또는 레조르시놀/포르몰의 타잎중의 하나인 것이 바람직하다. 에폭시 또는 폴리에스테르 수지 역시 이용할 수 있다.
수지용 교차 결합제는 일반적으로 아민이며 수지 중량의 약 10중량%로 사용한다. 열경화성 수지의 교차결합제의 존재는 탄성체에 기초한 화합물에 있어서 필수적인 것은 아니다.
분말화 강화충전제는 카본 블랙이나 실리카와 같은 투명한 충전제와 같이 폭넓게 선택하는 것이 바람직하다.
강화섬유에는 천연, 인공 또는 합성섬유 또는 금속섬유가 포함되며, 그 길이는 일반적으로 약 30밀리미터를 초과하지 않는다. 가장 빈번히 사용되는 섬유는 천연섬유로는 면이나 견; 인공섬유로는 스펀레이온 또는 재생 셀룰로오스; 또는 합성섬유로서 폴리아미드, 폴리에스테르, 아라미드, 폴리 아크릴로니트릴, 폴리비닐 알코올 또는 폴리올레핀 등이다. 고인장률을 얻기 위해서, 유리, 금속, 붕소 또는 탄소섬유를 사용할 수도 있다.
[실시예 2]
조성 2와 그의 기계적 특성을 열경화성 수지와 강화섬유가 없는 것을 제외하고는 조성 2와 그 조성이 동일한 참고 혼합물 2와 비교하였다.
조성 2는 마그네시아, 스테아르산 및 산화 아연을 포함하며 통상적인 교차 결합 또는 가황계와 함께 합성탄성체에 기초한 조성, 폴리클로로프렌을 함유한다. 가공 보조제 및/또는 유연제계는 나프텐오일로 이루어지며 분말 충전제는 카본 블랙이다. 강화섬유는 길이가 약 5㎜인 폴리에스테르섬유이고, 열경화성 수지는 포르모-페놀수지이다.
조성 2의 중량비를 다음에 실었다.
[조성 2]
Figure kpo00001
* HAF는 Bayer사의 상기 문헌 "Manual for the Manufacture of Rubber”의 p771에 인용된 ASTM-D1765-68에 정의된 특급 카본-블랙 충전제를 의미한다.
다음에 수록한 기계적 특성은 강화 방향 및 강화 방향에 수직인 방향에서 측정한 것이다. 이들을 참고 혼합물 2의 특성과 종래기술(프랑스 계속특허 제2,211,941호의 실시예 Ⅲ)의 상술한 고인장률에의 특성과 비교하였으나 이 고인장률 구체예의 복합체는 가장 높은 특성을 나타내기는 하나, 동일한 기초 폴리머를 함유하지 않으므로 단지 정보적인 측면에서 인용했을 따름이다.
Figure kpo00002
이 표는 조성 2가 종래기술의 복합체보다 거의 2배에 달하는 이방성을 나타내며; 등가 인장률이 3506㎫; 강화방향에 수직인 방향에서의 100%에서의 인장률이 종래기술의 인장률보다 거의 4배가량 높다는 것을 나타낸다. 참고 혼합물 2와 대조하였을때, 인장률 비는 강화 방향에서는 거의 73, 강화 방향에 수직인 방향에서는 거의 4였다.
조성 2의 강화 방향에서의 극단강도 및 파열시 연장률은 표시하지 않았는데 그 이유는 강화섬유의 분리 및 이탈이 복합재의 파열전에, 그러나 25㎫를 초과하는 인장강도하에서 일어나므로 물리적으로 의미가 없기 때문이다. 조성 2의 기계적 특성은 두방향 모두에서 높은 인장률과 고도의 이방성을 포함한다.
[실시예 3]
조성 3과 그의 기계적 특성을 열경화성 수지와 강화섬유가 없는 것을 제외하고는 조성 3과 그 조성이 동일한 참고 혼합물 3과 비교하였다.
조성 3은 통상적인 황 가속화제와 함께, 에틸렌, 프로필렌 및 디엔 터모노머의 터폴리머(탄성체 기술 분야에서 EPDM고무라 칭함)인 합성 탄성체에 기초한 조성이다. 통상적인 유연계는 파라핀유로 이루어지며, 분말 충전제는 카본 블랙이다. 강화섬유는 길이 8㎜의 폴리아미드이고, 열경화성 수지는 그의 교차 결합제 헥사메틸렌 테트라민이 수반된 포르모-페놀수지이다.
조성 3의 성분의 중량비를 다음의 표에 나타내었다.
[조성 3]
Figure kpo00003
*M.B.T.S.는 가황 가속화제로 사용된 메르캅토-벤조 티아질 술펜아미드를 의미한다. 예컨대, 상술한 문헌 "Manual for the Manufacture of Rubber”의 p304에 정의된 Bayer사의 상표명 VULKACIT AZ라는 제품을 이용할 수도 있다.
**T.M.T.D.는 가황 가속화제로 사용된 테트라-메틸 티우람 디술파이드를 의미한다. 예컨대, 상기 문헌 "Manual for the Manufacture of Rubber”의 p320에 정의된 Bayer사의 상표명 VULKACIT THIURAM 제품을 이용할 수 있다.
이 조성이 조성 2와 조성 4에 비해 카본 블랙을 매우 높은 농도로 함유함을 인식하여야 한다. 이러한 양은 EPDM 고무에 기초한 조성 기술분야에 숙련자들에게는 잘 알려진 것이다.
다음에 요약한 기계적 특성은 강화 방향과 강화 방향에 수직인 방향에 대해 측정한 것이다. 이 특성을 폴리아미드 섬유와 열경화성 수지가 없는 것을 제외하고는 탄성체 조성 3과 그 조성이 같은 참고 혼합물 3의 특성과 비교하였다.
이 표는 또한 전술한 종래기술의 고인장률 조성(즉, 프랑스 계속 특허 제2,211,941호의 실시예 Ⅲ, 이 실시예가 가장 높은 인장률을 나타내므로) 기계적 특성도 나타낸다. 종래 기술의 이 조성은 그의 매트릭스가 조성 3의 매트릭스와는 다른 유형의 베이스 폴리머를 포함하므로 정보제공을 위해 인용한 것에 불과하다.
Figure kpo00004
이 표는 조성 3이 종래기술의 조성에 비해 그 이방성이 1.3배 이고; 등가 인장률이 2006㎫나 더 높으며; 무엇보다, 강화 방향에 수직인 방향에서의 100% 인장률이 종래기술의 경우보다 3배나 더 높음을 나타내고 있다. 참고혼합물 3과 비교해볼 때, 인장률의 비율은 강화 방향에서는 거의 72배이고 강화 방향에 수직인 방향에서는 약 5.4배이다.
조성 3에서 강화 방향에서의 극단강도와 파열시 연장률은 표시하지 않았는데, 그 이유는, 강화섬유의 이탈 및 분리가 복합재의 파열전에, 그러나 21㎫를 초과하는 인장 강도하에서 일어나므로 물리적으로 의미가 없기 때문이다. 조성 3의 기계적 특성은 두방향 모두에서의 고인장률과 고도의 이방성을 포함한다.
[실시예 4]
조성4와 그의 기계적 특성을 열경화성 수지와 강화섬유가 없는 것을 제외하고는 조성 4와 그 조성이 동일한 참고 혼합물 4와 비교하였다.
조성4는 황에 기초한 교차 결합 또는 가황제가 있는 공지의 천연고무에 기초한 조성이다. 유연제는 전형적으로 방향섬유로 되어 있다. 분말 충전제는 이러한 유형의 탄성체에 보통의 비율로 사용되는 카본 블랙이다. 강화섬유로는 길이가 약 5㎜인 고인장성 방향성 폴리아미드를 사용하였다. 열경화성 수지는 통상, 수지중량의 10% 정도로 첨가되는 교차 결합제 헥사메틸렌 테트라민을 수반하는 요소-포르폴 수지이다.
조성4의 성분의 중량비를 다음의 표에 나타내었다.
[조성 4]
Figure kpo00005
*S.M.R.10은 표준 말레이시아 고무, 10등급을 나타낸다.
** C.B.S.는 가황 가속화제로 사용된 n-시클로헥실 벤조티아졸-2-술펜아미드를 의미한다. 예컨대, 상기 문헌 "Manual for the Manufacture of Rubber”의 P304에 정의된 Bayer사의 상표명 VULKACIT CZ 제품을 이용할 수 있다.
다음에 인용한 기계적 특성은 강화방향과 강화방향에 수직인 방향에 대해 측정한 것이다. 이들을 방향성 폴리아미드 단섬유로 된 강화 섬유와 열경화성 수지가 없는 것을 제외하고는 조성4와 그 조성이 동일한 참고 혼합물의 기계적 특성과 비교하였다.
이 표에는 또한, 매트릭스는 천연 고무 베이스이나, 강화제는 동일한 유형이 아닌 종래 기술의 고안장 조성(즉, 프랑스 특허 제2,211,941호의 실시예 Ⅰ)의 기계적 특성도 실었다. 종래 기술에서는, 쉬트로 만들 때 광택을 내는 순간에, 탄성 매트릭스 사이에서 분자량이 매우 큰 폴리에틸렌 섬유를 인플레이스 생성시켰다. 따라서, 강화 섬유가 동일한 비율로(더 이상) 존재하지 않는다.
Figure kpo00006
이 표는 조성4가 종래 기술의 조성에 비해 이방성이 5.4배 더 높고; 등가 인장률이 180㎫이며; 무엇보다도, 강화방향에 수직인 방향에서의 100% 인장률이 종래 기술의 경우의 2배임을 나타낸다. 참고 혼합물4와 비교했을 때, 강화방향에서의 인장률의 비율은 약 46배엿으며 강화방향에 수직인 방향에서는 약 3.25배였다.
강화방향에서의 조성4의 극단강도와 파열시 연장률은 표시하지 않았는데 그 이유는 강화 섬유의 이탈 및 분리가 복합재의 파열전에 16㎫를 초과하는 인장강도하에서 일어나므로 물리적으로 의미가 없기 때문이다. 조성4의 기계적 특성은 두 방향 모두에서의 고인장률과 고도의 이방성을 포함한다.
본 발명의 대상인 상기의 탄성 매트릭스 복합재는 여러가지의 각 성분을 혼합하여 제조하거나 또는, 탄성 매트릭스와 단섬유 배합을 함유하는 시판되는 마스터 혼합물로부터 제조할 수 있다.
어떠한 주요 물질을 사용하는가에 관계없이, 성분 혼합 공정에는 성분을 쉬트로 하여 광택을 내거나 모양이 만들어지므로 성분을 사출하는 것과 같이 매트릭스 안에 단섬유를 배향시키는 공정이 수반된다.
그러므로, 복합재 생산 공정은 예컨대, 고무 변형 산업분야에 잘 알려진 여러 공정으로 이루어진다.
혼합 공정의 경우, 온도 증가를 되도록 줄이기 위해, 내부 혼합기에서 저속으로 수행하는 것이 유리하다.
탄성체에 분말 충전제를 부분량(약 50%)으로 첨가한 다음, 이어서 열경화성 수지, 잔여 분말 충전제, 단섬유, 마지막으로 교차 결합계를 첨가한다.
각 성분의 첨가는 이미 도입된 성분이 탄성체내에 완전히 혼합되도록 하는 것이 바람직하다.
광택 공정의 경우, 혼합물을 광택기 상에서 재가열하여 끌어내어 뜨겁고 얇은 판으로만드는데 그 효과는 탄성 조성물내에서 단섬유를 배향시키는 것이다.
비 제한적 예로서 몇가지 조성에 의해 얻어진 기계적 특성 설명은 인장률 및 이방성이 높은 탄성 매트릭스 조성을 천연 또는 합성 탄성체에 분말 충전제, 열경화성 수지 및 강화 섬유를 첨가함으로써 얻을 수 있음을 가리켜준다.
조상의 기계적 특성은 예컨대, 분말, 충전제, 강화 섬유 및 수지와 같은 강화성분의 중량비와 고유 특성에 직접적으로 연관된다.
그러므로, 마멸 저항성, 내열성 또는 내유성에 대해 선택한 주어진 탄성체가 특정 응용의 경우 채택된 인장률 및 이방성이 있는 전 범위 조성을 포함하도록 하는 것이 가능하다. 제1도에서 제7도까지는 바람직한 이방성 복합재의 몇몇 특정 응용예를 도시한 것이나 실시예를 이에 한정하지 않는다.
제1도는 적합한 재료가 사용된 전동벨트를 도시한다. 벨트(1)는 사다리꼴 단면을 갖지만, 장방형, 원형, 육각형등의 다른 형상의 단면을 갖을 수 있다. 피복되거나 또는 거친톱니면 또는 거친표면 또는 평면으로 형성되는 벨트(1)는 베이스(2)와 직물 스트랜드 또는 금속케이블로 구성된 종방향으로 연장되는 보강요소로 이루어진 아마츄어 또는 코어(3)의 두 주요구성부분으로 개략적으로 도시된다.
베이스(2)는 벨트의 작동시 응력을 견디기에 적합한 조성을 갖는 탄성체 조성물로 구성되는 것이 일반적이다.
본 발명에 따른 이방성복합재로 베이스(2)의 성형은 상기 재료의 고인장률 때문에 동일단면으로 큰 힘 또는 동력을 전달하는 것이 가능하다. 동시에, 이방성복합재는 풀리를 통과하기에 적당한 탄성을 제공하는데 이용된다. 그런 벨트에서, 이방성복합재는 성유보강재의 방향이 연속보강재 방향에 수직으로 되도록 사용되는 것이 바람직하다. 적합한 이방성복합재는 평벨트, 리브볼리 벨트 또는 톱니동기벨트 등의 모든 형태의 벨트에 사용될 수 있다.
제2도는 이방성복합재의 층을 갖는 이송벨트(4)의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 이송벨트(4)는 상부피복(7)과 하부피복(8)을 형성하는 종래조성의 탄성체화합물내에 삽입되는 횡방향 중간 보강 플라이(5)와 종방향 직물아마츄어 또는 코어(6)를 포함한다.
종래의 고강도 구조에서는, 횡방향 중간 보강 플라이(5)는 금속케이블로 구성되는 것이 일반적이다. 그러나 금속케이블 대신에 적합한 이방성복합재의 활용은 이송벨트(4)의 구조를 단순화할 수 있다. 횡방향 중간 보강플라이(5)용 적합한 이방성 보강복합재를 사용하여 벨트(4) 몸체를 형성하는 것은 재료의 고인장율 및, 다른 모든 형성 및 작동변수가 동일하기 때문에 더 무거운 하중을 취급하는 것도 가능하다. 한편, 적합한 복합재의 이방성은 벨트(4)에 드럼을 통과하는데 필요한 가요성을 준다.
본 기술분야에 숙련된 자에게는 적합한 이방성복합재의 활용은 도시된 것처럼 이송벨트(4)의 중간 보강플라이(5)에만 제한되는 것이 아니라는 것은 명백하다. 특별한 경우에는 스트랜드, 직물 패브릭스, 또는 금속케이블 형태의 종래의 횡방향 보강요소를 적합한 이방성복합재의 하나 또는 수개의 층을 사용하는 이송벨트로 대체하는 것도 가능하다.
제3도는 타이어의 비드내에 적합한 이방성복합재의 사용을 도시한 것이다. 타이어(9)의 단면부는 측벽(11), 트레드(11), 플라이 구성벨트(12), 및 쿠션(14)상에 설치되는 플라이 구성뼈대(13)로 구성된다. 비드(15)는 금속케이블로 제작된 종래 기술에서 사용되는 전형적인 형상을 나타내는 한편, 비드(16)는 본 발명에 따른 적합한 이방성복합재로 성형되었다.
상기 복합재료의 조성에 의해 딱딱한 고무 및 강선으로 된 이전의 비드를 대체할 수 있는 예컨대 본 발명에 따른 비드(16)과 같은 타이어 비드를 몰딩에 의해 제공하는 것이 가능하다. 비드(16)의 보강재의 방향은 비드(15)의 방향과 같은 원주 방향인 것이 일반적이다. 본 발명에 다른 적합한 비드(16)는 타이어와 팀사이의 연결가능 및 가속 제동 및 조향토크의 전달기능을 수행할 수 있다.
제4도는 산업용 파이프 이음(도시않됨)에서 가요성 신축 보상슬리브(17)의 비드내에 적합한 이방성복합재를 사용하는 방법을 도시하였다. 상기 보상슬리브(17)는 대응플랜지(19)에 접속되는 적어도 하나의 일체로 부착된 플랜지(18)를 포함한다. 일체로 부착된 플랜지(18)의 비드에 대응플랜지(18)를 장착하는 기술은 여러가지이다.
단단한 비드에 사용될 수 있는 그런 기술중의 하나는 가황화 이전에 보상슬리브(17)의 성형기간에 대응플랜지(19)를 설치하는 것이다. 이 기술은 대응플랜지 때문에 더 무거워지는 전체 보상슬리브의 취급을 요구한다. 그외에 그런 보상슬리브의 일정한 형태의 성형은 대응플랜지의 크기 또는 형태들 만큼의 많은 변형을 필요로 한다.
성형후 가요비드를 대응플랜지에 억지 끼워맞춤시키는 다른 기술로 있다. 불행히도, 그런 비드의 극단적인 가요성때문에, 이런 종류의 신축슬리브는 높은 내압에서는 신뢰성을 갖고 사용할 수 없다.
마지막으로, 세번째 해결책은 독립결합되거나 또는 부숴지기쉬운 섹터(Sector)내에 아마츄어 또는 코어로 비드를 보강하는 것이다. 섹터내에 아마츄어로 보강되면, 조립시 플랜지의 비드는 구부러질 수 있게 되어 대응플랜지내의 오리피스를 통과할 수 잇다.
적어도 보상슬리브의 비드내에 적합한 이방성복합재의 사용은 단단한 아마츄어 또는 코어의 사용을 피할 수 있다. 상기 재료의 높은 인장률 때문에 슬리브는 그 이방성에 기인한 비드의 가용성을 유지하면서 가벼워질 수 있다. 이는 작동중 높은 내압에도 견딜 수 있는 적합한 신축보상슬리브의 성형후 대응플랜지에 조립되기 위해 대응플랜지의 오리피스를 관통하는 것이 가능해진다.
신축보상슬리브(17)의 비드에 이방성복합재의 사용은 높은 내압에도 견딜 수 있고 대응플랜지와의 조립을 용이하게 한다.
제5도는 일체로 된 플랜지(21)와 상기 플랜지상에 장착되는 대응플랜지(22)로 구성된 가요호스(20)의 단부에 적합한 이방성복합재를 사용한 것을 도시한 것이다. 호스단부의 비드는 적합한 이방성복합재에 의해 바람직하게 보강된다. 이 경우에 전술한 일체로 된 플랜지를 갖는 신축보상슬리브에서 기술된 장점과 동일한 장점을 갖는 것은 명백하다. 제4도와 제5도의 두 실시예의 보강재의 적합한 방향은 일반적으로 원주방향이다.
제6도는 높은 속력 및 돌에 의한 충격에 노출되는 차량 공기 현수막의 보호스크린(24)내에 적합한 이방성복합재의 사용을 도시한 것이다. 제6도는 철도의 경우를 도시한 것으로 관찰자가 플랫홈에서 이 공기 현수장치(25)를 장비한 기차를 바라본 것을 도시한 것이다.
차량을 연결하는 기차의 특징을 구성하는 지지봉(28)에 의해 보기프레임(26)은 차량(27a 및 27b)의 끝부분 또는 단부사이로 연장되어 차량을 지지하는데 이용된다. 지지봉(28)은 공기현수장치(25)의 탄력막의 체결림(29)상에 장착된다. 탄력막은 보기 프레임(26)에 고정된 피스톤부재(30)의 형상위를 수직운동하며 구를 수 잇다. 완충기와 같은 관련부속품이 아니 이들 부재들은 돌의 돌출에 대해서 탄력막을 적절하게 가리기 위해 충분히 연장되지 않았다. 결과적으로, 적합한 이방성복합재로 제조된 보호스크린(24)은 가장 손상되기 쉬운 방향에서 탄력막을 보호하기 위해 나사(31)에 의해 체결림(29)에 특히 무제한적으로 동적횡방향 휘어짐이 가능하게 고정된다.
이 경우에 이방성복합재의 장점은 돌의 충격에 기인한 파열에 대한 강인한 저항을 갖게 하는 높은 인장률과 섬유보강재의 방향에 수직 방향으로 동적 횡방향 휘어짐을 가능하게 하는 탄력성을 주는 이방성이 발견된다.
제7도는 충격에 대해 특히 탄도발사체(彈道發射體)에 대한 충격에 대해 보호용으로 이용되는 적합한 성층복합재(32)의 구성을 도시한 것이다. 도시된 예에서, 성층복합재(32)는 본 발명에 따른 적합한 복합재의 세개의 층(33) 및 고완충 탄성체 조성의 두개의 층(34)으로 구성된다. 측정한 항-충격보호가 요구되는 경우에는 성층 복합요소에 완충탄성체 조성층을 포함시켜야 하는 것은 아니다.
층(33)의 복합재의 고인장률은 발사체의 관통에 저항한다. 만일 그럼에도 불구하고 층(33)중의 한층이 관통되면, 완충층(14)은 발사체의 운동에너지를 흡수하여 그것이 복합재료의 다른 층(33)을 관통하는 것을 방지한다.
본 발명의 적합한 복합재의 이방성 특성은 층(33)을 서로 다른 각도로 번갈아 배치시켜 동방성 성층복합재의 형태를 발생시키는데 사용될 수 있다.
적합한 이방성복합재는 전술한 몇가지예에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한 적합한 복합재는 예를들면 관상체를 제공하는데 이용되는 균질 또는 보강된 탄성체성분을 대체할 수 있다. 그런 관상체용으로, 종방향 축선에 54°각도로 경사진 층들이 두개가 한쌍이 되어 사용되었다. 지금까지 일방향요소 또는 동방성재의 중복층에 의해 보강된 탄성체 매트릭스를 사용한 다른 경우용으로, 적합한 이방성복합재의 층을 0°에서 ±90°로 바뀌는 상대각에서 서로 번갈아 배치할 수 있다.
본 발명의 정신을 벗어나지 않고 본 기술에 숙련된 자들은 비제한적인 예로서 기술된 적합한 복합재의 조성에 대해 다양한 변경과 수정을 가할 수 있음은 물론이다. 특히, 본 발명에서 벗어나지 않고 중량비, 보강요소 또는 기본 탄성체의 형태, 또는 교차결합 또는 가황화시스템의 약간의 변경은 가능할 것이다.
적합한 실시예에 관련하여 전술한 본 발명은 여기에 기술된 것으로 제한되지 않고 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 수정과 변경이 행해질 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 교차 결합계, 한가지 이상의 강화 섬유 수단 및 한가지 이상의 열경화성 수지를 포함하는 탄성 매트릭스를 그 기본성분으로 하여, 이때, 상기 한가지 이상의 강화 섬유 수단은, 상기 탄성 매트릭스를 통해 배치되고 일반적으로 제1강화방향으로 연장 배향되는 최대 길이 약 30㎜인 섬유 가닥들로 되어 있고, 상기 탄성 매트릭스는 상기 제1방향에서 100% 신장을 가정하여 계산한 제1등가인장률과 상기 제1방향에 수직인 제2방향에서 100% 신장을 가정하여 계산한 제2등가 인장률을 가지며, 상기 제2등가 인장률은 6㎫이상이고, 이방성 비율인 상기 제1등가 인장률대 상기 제2등가 인장률의 비가 6이상임을 특징으로 하는 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강화 섬유 수단이 천연섬유, 인공섬유 및 합성 섬유중 적어도 하나인 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 강화섬유 수단이 면, 견, 스펀레이온, 재생 셀룰로오스, 폴리아미드, 방향성 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리비닐 알코올, 및 폴리아크릴로니트릴중의 적어도 한섬유를 포함하는 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 강화섬유 수단이 금속섬유, 유리섬유, 붕소섬유, 및 탄소섬유중 적어도 하나를 포함하는 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄성 매트릭스에 분말 형태의 강화 충전제가 추가로 함유됨을 특징으로 하는 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열경화성 수지가 교차 결합제를 포함함을 특징으로 하는 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열경화성 수지가 포르모페놀타잎 수지, 에폭시수지, 및 폴리에스테르 수지중 적어도 하나인 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열경화성 수지가 요소-포르몰타입 수지인 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기본 조성을 이루는 상기 탄성 매트릭스가 적어도 2층으로 되어 있고, 적어도 2층인 상기 층들의 제1강화방향이 서로 평행되도록 상기 층들이 포개져있음을 특징으로 하는 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기본 조성을 이루는 상기 탄성 매트릭스가 적어도 2층으로 되어 있고, 적어도 2층인 상기 층들의 제1강화방향이 서로 0 및 90도 사이의 각도로 배향되도록 상기 층들이 포개져 있음을 특징으로 하는 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기본 조성을 이루는 상기 탄성 매트릭스가 전동벨트내에 적어도 한층으로 존재하고, 상기 전동벨트가 세로축을 포함하며, 적어도 한층인 상기층의 제1강화방향이 상기 세로축에 수직인 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  12. 제1항에 있어서, 상기 기본 조성을 이루는 상기 탄성 매트릭스가 이송벨트내에 적어도 한층으로 존재하고, 상기 이송벨트가 세로축을 포함하며, 적어도 한층인 상기층의 제1강화방향이 상기 세로축에 수직인 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  13. 제1항에 있어서, 상기 기본 조성을 이루는 상기 탄성 매트릭스가 타이어의 비드 형태로 존재하고 상기 강화재의 제1방향이 상기 비드와 함께 상기 타이어의 둘레로 연장 배치된 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  14. 제1항에 있어서, 상기 기본 조성을 이루는 상기 탄성 매트릭스가 일체로 된 플랜지를 구비한 신축관 요소의 적어도 일단부에서 비드형태로 존재하고, 상기 적어도 하나의 일체로 된 플랜지는 상기 신축관 요소의 경질대응플랜지에 접속되고, 상기 강화재의 제1방향은 상기 적어도 하나의 일체로 된 플랜지 둘레를 원주방향으로 연장되게 배치된 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  15. 제14항에 있어서, 상기 비드는 상기 적어도 하나의 일체로 된 플랜지 둘레에 독립섹터로 형성된 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  16. 제14항에 있어서, 상기 신축관 요소는 가요 호스 및 가요성 신축보상슬리브중 적어도 하나를 포함하는 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  17. 제1항에 있어서, 상기 기본 조성을 이루는 상기 탄성 매트릭스가 차량 연결수단의 공기 현수막 보호용 보호스크린으로 형성된 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
  18. 제1항에 있어서, 상기 기본 조성을 이루는 상기 탄성 매트릭스가 탄도발사체에 의한 충격을 포함하는 충격에 대한 보호를 제공하는 적어도 한층으로 구성된 것이 특징인 탄성 매트릭스를 갖는 이방성복합재.
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