KR950010575B1 - 경량복합재료 - Google Patents

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도오레 가부시기가이샤
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Abstract

내용 없음.

Description

경량복합재료
제1도는 본 발명의 예에 따른 경량복합재료의 사시도.
제2도는 본 발명의 또다른 예에 따른 경량복합재료의 사시도.
제3도는 본 발명의 또다른 예에 따른 경량복합재료의 사시도.
제4도는 본 발명에 따라서 경량복합재료의 다공 섬유층의 마이크로사진(확대 50배).
제5도는 본 발명에 따라서 경량복합재료의 다공 섬유층에서 짧은 섬유를 강화시키는 고점을 나타내는 도식적 사시도.
제6도는 본 발명에 따라서 경량복합재료가 결합되는 층 구조를 나타내기 위하여 절단한 스키의 부분 사시도.
제7도는 본 발명에 따라서 경량복합재료가 적용되는 탁구라켓)racket)의 측면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1a, 1b, 1c, 1d, 1e : 복합재료 2a, 2b, 2c : 다공섬유층
3a, 3b, 3c, 3d : FRP층 4 : 강화하는 짧은 섬유
5 : 섬유 6 : 매트릭스 수지
7 : 바인더 9 : 외부판
10 : 중심판 11 : 스키이
12 : ABS외부판 13 : FRP매개판
14 : 가장자리 15 : 탁구라켓
16 : 손잡이 17 : 고무시이트
18 : 스폰지 시이트 19a, 19b : 손잡이판
20 : 목질판
본 발명은 저밀도, 양질의 강도, 고계수탄성과 경직성을 지니며 이러한 성질에 관한한 양질의 동질성을 지니는 경량복합재료에 관한 것이다.
그것은 비행기 그리고 자동차와 같은 지상차량, 마림바 또는 실로폰의 음향판 및 피아노와 기타의 음향판, 스피커의 횡경막, 그리고 파도타기에 쓰는판, 탁구용라켓, 탁구놀이용 테이블, 스키등과 같은 스포츠용품을 위한 재료 또는 구조재료를 강화하기 위하여 사용에 적절한 복합재료에 관한 것이다.
음악기구등을 위한 구조재료에 사용하기 위한 종래의 경량복합재료로써 JP-A-49-127612, JP-A-55-9504, JP-A-56-99656과 JP-A-56-162644에 나타난 재료들이 알려져 있다. 그러한 종래 재료들의 각각은 수지와 강화섬유의 복합으로 만들어진다.
그러한 종래 재료들의 각각은 수지와 강화섬유의 복합으로 만들어진다.
재료의주형을 구성하는 수지는 거품을 냄으로써 야기된 독립된 방을 지니기 때문에 재료는 양질의 강도와 고계수탄성과 마찬가지로 경량의 성질을 지닌다.
그러나 강도의 커다란 변화 또는 재료를 통한 탄성 및 경직성의 계수에 관하여 재료는 동질성에서 그렇게 종지 못하다. 재료의 이러한 결함은 독립된 방의 분배와 크기에서 상당한 비균일성에 기인한다.
독립된 방의 분배와 크기의 이러한 비균일성은 상기한 재료의 제조과정동안 중요하게 일어난다.
과정에서 거품동인과 강화섬유를 포함하는 수지가 합성되고 거품을 내는 것과 복합재료의 형성이 재료를 열처리함으로써 동시에 형성된다.
과정동안 재료에 일어나는 방이섬유의 축방향을 따라서 쉽게 이동할 수 있으나 다른 방향에서 쉽게 이동할 수 없기 때문에 방분배의 상당한 비균일성이 일어나는 것은 피할 수 없다.
역시 서로 유착함으로써 약간의 방이 늘어나기 때문에 그러한 팽창된 방과 유착되지 않은 방의 크기사이에서 커다란 차이가 일어남으로써 방의 크기에 있어서의 커다란 불균형이 초래된다.
더우기 위의 종래 재료에서 거품의 팽창율이 낮은 가격까지 재료의 밀도를 감소시키기 위하여 증가될때 방의 유착은 심하고 길게 일어나거나 넓게 계속되는 방(개방된 방)이 생성된다.
개방된 방은 재료의 강도, 탄성과 경직성의 계수가 하락하게 된다. 그러므로 재료의 밀도는 아주많이 감소될 수 없으며, 가능한 밀도는 최저 약 0.9g/㎤이다.
더우기 위재료의 주형수지가 거품이 일어나는 동안 경직되기 때문에 경화의 시간과 재료의 두께방향에서 온도분배를 조절하는 것이 어렵다.
따라서 거품의 팽창비율과 재료의 다공성을 조절하고 따라서 강도의 적당한 균형, 탄성과 경직성의 계수를 지닌 재료를 얻는 것은 어렵다.
한편 JP-B-47-21754, JP-B-49-29448과 JP-A-51-94911은 거품이 내어진 플라스틱 또는 낮은 특수 중력 플라스틱(예 : 스리톨거품)이 플라스틱층으로 강화된 두개의 섬유사이에서 끼워넣어진다.
그러나 그러한 재료에서 재료의 중심층이 단지 플라스틱의 다공층으로 만들어지기 대문에 층자체의 강도, 탄성과 경직성의 계수가 많이 증진될 수 없다.
결과적으로 대체로 재료의 기계적인 성질은 그렇게 높지 않다. 어느정도의 레벨보다 높게 재료에 강도등을 주기위하여 재료의 두께를 증진시키는 것이 필요하며 그래서 아주 얇은 재료를 얻는 것이 어렵다.
더우기 재료의 중심층과 외부층 사이에서 탄성계수의 큰 차이가 있기 때문에 재료의 음향효과는 음악기구 또는 스피커에 적용될때 아주 좋지 못하다.
더우기 유리섬유매트의 층 또는 셀룰로우즈 섬유매트가 플라스틱층을 강화시킨 외부섬유 사이에서 끼워지는 복합재료는 알려져 있다. 그러나 그러한 재료에서 중심층을 구성하는 유리섬유 매트 또는 셀룰로우즈 섬유매트가 종래적인 것이기 때문에 강도와 중심층의 탄성과 경직성 모듈러스가 극도로 낮다.
그러므로 전반적인 복합재료의 기계적인 성질은 역시 낮다. 재료에 높은 강도를 주기 위하여 플라스틱층을 강화한 외부섬유의 두께율은 증가되어야만 하나 이것이 이루어진다면 재료는 무게에서 가벼워지지 않을 것이다.
더우기 벌집구조 알루미늄 또는 페이퍼의 층이 플라스틱층을 강화한 외부섬유사이에서 끼워넣어지는 구조를 지니는 복합재료가 알려져 있다.
그러나 그러한 재료에서 벌집구조를 지니는 중심층이 어느정도 두께로 되어야만 하기 때문에 얇은 복합재료를 형성하는데 한계가 있다. 역시 중심층의 두께와 외부층의 두께사이에서 비율을 자유롭게 정하거나 변화시키는 것이 어렵다.
본 발명의 목적은 낮은 밀도와 좋은 강도의 성질 그리고 탄성과 경직성의 높은 계수를 지니며 여기서 이러한 성질이 재료를 통하여 비교적 균일한 경량복합재료를 만드는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 얇은 구조를 지니나 좋은 강도, 탄성과 경직성의 높은 계수를 지니는 경량복합재료를 만드는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 두께와 중심층의 타입, 두께와 외부층의 타입, 중심층과 외부층사이에서 두께의 비율, 층의 엷은 판을 입힌 구조가 큰 진도로 선택될 수 있으며 의도된 사용에 따라서 재료에 가장 적당한 성질을 부여하는 경량복합재료를 만드는 것이다.
위의 목적을 달성키 위하여 본 발명에 따라서 경량복합재료는 강화섬유와 주형수지를 구성하는 적어도 하나의 층이 다공섬유층으로 되며 적어도 하나의 층이 플라스틱(이제부터 "FRP"로 언급한다)층을 강화한 섬유로 되는 잎은 판을 입힌 구조를 지닌다.
다공 섬유층은 강화시키는 짧은 섬유로 구성되며 강화시키는 짧은 섬유는 임의의 방향에서 분배되며 탄화 바인더(binder)에 의하여 그들의 교차점에서 서로 중요하게 결합된다.
본 발명에 따라서 경량복합재료의 엷은 판을 입힌 구조는 하나 또는 여러층의 가공섬유와 하나 또는 여러층의 FRP를 지닌다. 예를들면 복합재료는 단독 다공섬유층과 단독 FRP층으로 구성되는 두개의 층의 엷은 판을 입힌구조와 FRP층/다공섬유층/FRP층으로 구성되는 세개층의 엷은 판을 입힌구조 그리고 FRP층/다공섬유층/FRP층/다공섬유층/FRP층/과 같은 다층으로 구성되는 엷은 판을 입힌 구조에 의해 이루어진다.
엷은판을 입힌 구조는 FRP층/ FRP층/다공섬유층/다공섬유층/ FRP층/ FRP층 또는 FRP층/다공섬유층/다공섬유층/다공섬유층/ FRP층과 같이 서로 인접한 같은 종류의 층을 포함한다.
예를들면 단독 다공섬유층과 단독 FRP층의 두층구조인 가장 외부층의 하나가 다공섬유층인 엷은 판을 입힌 구조를 지니는 재료에서 부재를 강화하기 위하여 구조부재의 표면에 면하여 다공섬유층과 함께 구조부재에 재료가 부착될 수 있다.
정말로 세개의 층을 지니는 재료에서 재료의 가장큰 굽어짐이 생성되는 가장외부층의 둘다는 바람직하게 FRP로 구성된다. 다공섬유층은 강화하는 짧은 섬유로 구성된다.
층에서 강화하는 짧은 섬유는 2차원 또는 3차원 방향에서 임의로 분배되며 분배된 강화하는 짧은 섬유는 탄화바인더에 의하여 그 교차점에서 서로 중요하게 결합된다.
강화하는 짧은 섬유는 저하되지 않으며 후에 기술되는 탄화과정에서 그 윤곽을 유지할 수 있는 섬유로 이루어진다.
카아본섬유, 유리섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 붕소섬유, 지르코니아섬유, 또는 조직이 없는 섬유 또는 이러한 섬유의 어떤것과의 결합과 같은 높은 모듈러스의 탄성을 지니는 큰강도의 섬유가 적당하다. 이러한 짧은 섬유의 평균섬유길이는 대체로 50mm이내이다. 강하하는 짧은 섬유는 기계로 틀을 잡은 섬유를 포함한다. 위의 짧은 섬유층에서 카아본섬유는 아주 바람직하다. 왜냐하면 카아본섬유가 아주 높은 강도와 높은 계수의 탄성을 지니기 때문이며 카아본섬유는 바인더를 탄화하기 위하여 온도에서 아주 안정적이다.
카아본섬유는 500-1200℃이 절대적으로 낮은 온도에서 다음지않은 재료섬유를 탄화시킴으로써 만들어지는 저온 탄화카아본 섬유로 불리워진다.
탄화된 바인더는 그들의 교차점에서 강화하는 짧은 섬유를 중요하게 결합하며 폴리비닐 알코올수지, 페놀릭수지, 퓨란수지등을 탄화시킴으로써 만들어진다.
다공섬유층에서 탄화된 바인더의 양은 10-50wt.% 범위에서 바람직하며 20-40wt.% 범위에서 더욱더 바람직하다. 양이 10wt.% 보다 낮을때 강화하는 짧은 섬유를 결합하는 힘은 적당하지 않으며 재료의 충분한 강도는 획득될 수 없다. 양이 50wt.% 보다 높을때 층의 구멍은 너무 작아지며 다공섬유층에 기인하여 재료의 경량특징은 손상된다.
다공섬유층의 구멍은 바람직하게 50-90%이다. 구멍이 50%보다 낮을때 층의 밀도는 너무 높으며 재료의 경량특성은 저하된다. 구멍이 90%보다 높을때 층의 강도는 너무 낮아진다. 다공섬유층의 구멍은 복합재료의 사용에 따라서 조절될 수 있다. 높은 강도의 비율을 요구하는 사용을 위하여 높은 계수의 탄성, 높은 경직성 아주 낮은 구멍에 바람직하다. 높은 강도보다 오히려 경량의 비율을 요구하는 사용을 위하여 아주 높은 구멍이 적당하다.
강도와 중량의 균형잡힌 비율을 요구하는 사용을 위하여 구멍은 위의 범위에서 중간 값으로 조절된다. 예를들면 스피커에 사용하기 위하여 요구된 구멍은 가끔 높은 강도보다 오히려 낮은 중량이며 그래서 다공섬유층의 구멍은 바람직하게 아주 높은 값으로 정해진다.
강화하는 짧은 섬유가 다공섬유층에서 임의로 분배되기 때문에 짧은 섬유의 분배는 층 전체에 균일하다. 다공섬유층이 종래 재료에서와 같이 거품을 냄으로써가 아니라 탄화된 바인더와 함께 짧은 섬유를 결합함으로써 형성되기 때문에 거품을 냄으로써 생성되는 방에 기인하는 어떠한 문제점도 없다. 그러므로 다공의 섬유층은 동질이되며 균일한 비율을 지닐 수 있다.
본 발명에서 FRP층은 강화하는 섬유와 매트릭스 수지를 구성한다. 강화하는 섬유는 다공섬유층에서 강화하는 짧은 섬유와 같이 높은 강도와 높은 게수의 탄성을 지녀야만 한다.
강화하는 섬유는 한 방향으로 동쪽으로 향하거나 평직, 새틴직, 능직과 같은 짜여진 직물로 형성되거나 매트로 형성된다.
강화하는 섬유는 연속적인 섬유, 짧은 섬유 또는 긴섬유(한가닥의 실 또는 가는 실)가 된다.
FRP층츨 위한 FRP를 제조하는데 시이트 몰딩합성이 사용된다. 강화섬유의 형성 및 오리엔테이션은 복합재료의 사용과 재료의 엷은 판을 입힌구조에 기인하여 결정된다.
예를들면 본 발명에 따라서 스피커의 간막이판을 위한 경량복합재료에서 재료의 바람직한 엷은판을 입힌 구조의 하나는 FRP층/다공섬유층/ FRP층의 세개층 구조가 되며 평직직물은 FRP층의 강화하는 섬유에 적용되며 두개의 FRP층에서 강화하는 섬유의 오리엔테이션 방향, 예를들면 45°각도에 의하여 서로 바람직하게 다르다.
FRP층에서 강화하는 섬유의 비율은 바람직하게 30-70vol.%이며 더욱 바람직하게는 50-65vol.%이다. 양이 30vol.%보다 못미칠때 섬유에 기인하여 FRP층의 강화효과는 너무 작다. 양이 70vol.% 이상일때 매트릭스 수지의 볼륨이 너무 작아서 섬유사이에서 점착의 강도가 줄어든다.
FRP층을 위한 매트릭스 수지로 열경화성 또는 열가소성 수지가 사용될 수 있다.
열경화성수지는 예를들면 에폭시수지, 미성숙된 폴리에스테르수지, 페놀릭수지 또는 폴리이미드수지로 이루어진다. 열경화성수지는 예를들면 폴리아미드수지, 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 폴리스피렌수지, 폴리비닐클로라이드수지 또는 아크릴로니트릴 부타딘 스티렌수지로 이루어진다.
높은 융점점성을 지니는 수지는 후에 기술된 제조과정에서 수지가 확실하게 다공섬유층을 침입하지 못하도록하는데 바람직하다. 매트릭스 수지는 복합재료의 사용에 기인하는 수정하는 것을 포함한다.
예를들면 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리설파이드, 폴리에테르설폰, 포리프로필렌 설파이드, 또는 CTBN(카복시 터미네이티이드 부타딘 아크릴로니트릴 고무)고무와 같은 수정하는 것이 10-20vol.%의 양으로 FRP층의 에폭시수지에 포함될때 진동의 감폭, 충격저항등과 같은 FRP층과 재료의 기계적인 비율이 증진된다.
진동의 감폭 비율에서 그렇게 향상된 재료는 스피커의 간막이판을 위하여 적당하며 충격저항 비율에서 그렇게 충전된 재료는 비행기 또는 육지차량의 강화재료 또는 구조재료를 위하여 적당하다. FRP층의 두께는 재료 또는 엷은 판을 입힌 구조의 의도된 목적에 따라서 선택된다.
재료를 경량으로 만드는 관점으로부터 FRP층의 두께는 바람직하게 1mm가 못미친다.
높은 강도보다 오히려 경량비율을 요구하는 기구등을 위한 사용에서 두께는 오히려 0.01-0.06mm의 범위이다.
본 발명에 따라서 경량복합재료는 여러가지 방법에 의해서 만들어질 수 있다.
예를들면 다공섬유층은 다음과 같이 만들어진다. 연속적으로 강화섬유를 지니는 섬유 묶음은 짧은 섬유를 형성하기 위하여 절단되고 절단된 강화하는 짧은 섬유는 소용돌이 수성제트(jet)에서 서로 분리되며 분리된 강화하는 짧은 섬유는 순환벨트위에 임의로 위치한다.
폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드등을 포함하는 수용액은 벨트위의 분배된 강화하는 짧은 섬유에 임의로 첨가되며 분배된 섬유는 수용액을 건조시킴으로써 시이트 형태로 고정된다. 획득된 시이트는 매트로 불리워진다.
다음에 탄화 바인더를 형성하기에 가능한 수지 예를들면 페놀릭수지가 매트에 스며들게되며 때로는 130-170℃에서 열처리함으로서 경화된다.
경화된 시이트는 800-2500℃의 활발치못한 가스 기압에서 열처리되며 그것에 의하여 페놀릭수지를 탄화시킨다. 이 탄화 동안 페놀릭수지는 오므라들기 위하여 강화하는 짧은 섬유의 교차점을 향하여 모아지며 모아지고 오므라진 수지는 섬유를 결합하는 탄화된 바인더와 같이 강화하는 짧은 섬유의 교차점에서 중요하게 탄화된다.
이렇게 다공의 섬유 시이트가 획득된다. 이 과정에서 페놀릭수지의 양이 너무크면 섬유사이에서 망사그물은 수지로 채워지며 층의 구멍이 너무 낮아지며 층과 복합재료의 밀도가 너무 높아진다. 페놀릭수지의 양이 너무적어진다면 많은 결합되지 않은 섬유가 존재하며 재료의 강도와 탄성계수가 줄어든다.
그러므로 페놀릭수지의 양은 그러한 상태를 생성시키지 않도록 적당한 값으로 조절되어야만 한다.
한편 강화하는 섬유를 포함하는 수지 침투가공재 시이트는 FRP층을 형성함으로써 만들어진다. 하나 또는 여러개의 수지침투가공재 시이트와 하나 또는 여러개의 다공섬유시이트가 요구된 엷은 판을 입힌구조를 구성하도록 엷은판이 입혀진다.
엷은 판이 입혀진 시이트를 열처리하고 압축함으로써 수지침투가공재 시이트와 다공의 섬유시이트가 수지침투가공재 시이트의 수지에 의하여 통합된다.
수지침투가공재는 FRP층을 형성하며 다공의 섬유시이트는 다공의 섬유층을 형성한다.
시이트 둘다를 더욱 완전히 통합하기 위하여 코팅수지 또는 수지침투 가공재 시이트에서와 같은 수지로 구성되는 필름이 시이트 사이에서 위치된다. 위의 통합과정에서 압축력이 너무 크다면 수지침투가공재 시이트의 수지가 다공섬유층으로 들어가기 때문에 압축력은 그러한 상태를 막기 위하여 가열온에 따라서 적장하게 조절되어야만 한다.
본 발명에 따라서 경량복합재료를 제조하기 위한 수정된 방법이 다공섬유시이트로 통합되기전에 수지침투가공재가 FRP 시이트로 경화된다.
FRP 시이트를 만든후에 FRP 시이트와 다공섬유시이트가 복합재료를 만들기 위하여 서로 부착된다.
이 방법에서 FRP 시이트의 매트릭스 수지가 열가소성 수지일때 용해는 접착방법과 같이 가능하다.
본 발명의 설명된 예가 참조부호가 비슷한 부분을 언급하는 첨부된 도면에 관하여 아래에 기술될 것이다. 제1도부터 제3도는 본 발명에 따라서 경량복합재료의 엷은판을 입힌 구조의 3개 형태를 나타낸다. 제1도에서 복합재료는 단독 다공섬유층(2a)과 단독 FRP층(3a)으로 구성된다. 다공섬유층(2a)은 층에서 임의로 분배된 강화하는 짧은 섬유(4)를 지닌다.
FRP층(3a)은 한방향의 강화하는 섬유(5)와 매트릭스 수지(6)를 지닌다.
제2도에 복합재료(1b)는 3개의 층 즉 하나의 다공섬유층(2a)과 두개의 FRP층(3a)(3b)의 엷은판을 입힌구조로 형성된다. 제3도에 복합재료(1c)는 7개의 총 즉 3개의 다공섬유층(2a)(2b)(2c)와 4개의 FRP층(3a)(3b)(3c)(3d)의 엷은판을 입힌구조로 형성된다.
다공섬유층(2a)(2b)(2c)과 FRP층(3a)(3b)(3c)(3d)는 앙자택일적으로 배열된다.
전술한 바와같이 FRP층의 강화하는 섬유는 한방향의 오리엔테이션, 짜여진 직물 또는 매트와 같은 여러가지 구조를 채택할 수 있다. 역시 엷은판을 입힌 구조에 관하여 여러종류의 구조가 나중에 기술되듯이 (예 1-22) 복합재료의 사용에 기인하여 적용될 수 있다.
제4도는 다공섬유층의 확대된 내부구조를 나타내며 제5도는 교차점과 강화하는 짧은 섬유의 인접한 부분을 설명한다. 탄화된 바인더(7)는 강화하는 짧은 섬유(4)의 교차점에 중요하게 존재한다.
다공섬유층의 비율은 강화하는 섬유가 점착합성에 의하여 결합되는 종래의 매트와 비교되어 자세히 설명될 것이다.
종래의 매트에서 섬유가 그 교차점 즉 오직 한점에서 결합되기 때문에 섬유는 서로 좀체로 경직되어 고정되지 않는다. 게다가 점착합성자체는 높은 기계적 비율의 강도, 탄성, 경직성 계수를 지니지 않기 때문에 섬유를 고정하는 힘은 높지않다. 따라서 스트레스가 섬유사이에서 거의 전달되지 않기 때문에 매트는 커다란 경직성을 지니지 않는다.
이렇게 매트가 압축될때 그것은 수비게 내리누워져서 작은 외부의 힘이 매트에 작용될때 조차도 매트의 윤곽이 쉽게 일그러진다. 그러나 본 발명에 따라서 제4도와 제5도에서와 같이 다공의 섬유층에서 강화하는 짧은 섬유는 그 교차점에서뿐 아니라 교차점에 접힌 부분에서도 서로 효과적으로 결합된다.
이것은 경량비율을 위하여 요구되는 층의 구멍이 확신되는 한편 섬유를 강하게 결합시키기 위하여 효과적인 결합영역이 늘어난다는 것을 의미한다.
더구나 결합하는 합성물로써 탄화된 바인더 자체가 높은 강도의 비율, 높은 탄성모듈러스와 높은 경직성을 지니기 때문에 섬유사이에서 결합하는 힘은 한층 증가되며 결합된 섬유의 이동의 자유가 상당히 억압된다.
결과적으로 층이 경량과 저밀도로 될지라도 그것은 큰 강도와 높은 탄성계수와 함게 높은 경직성을 지닐 수 있다. 역시 다공섬유층과 FRP층의 결합인 복합재료는 고강도의 기계적 비율, 높은 탄성계수와 높은 경직성을 지닐 수 있다.
더구나 본 발명에 따라서 경량복합재료의 제조과정이 거품을 내는 작용을 필요로하지 않기 때문에 다공섬유층의 구멍은 쉽게 조절될 수 있으며 전반적으로 재료의 위의 기계적 비율이 요구된 값으로 쉽게 조절될 수 있는 사이에 요구된 엷은 판을 입힌 구조의 형성은 쉽게 영향을 끼친다.
본 발명의 복합재료의 진동의 감폭율이 역시 쉽게 조절될 수 있다. 재료의 진동감폭율을 높은 값까지 조절시킴으로써 재료가 적용되는 구조부재에 있어서의 공명현상은 상당히 억압될 수 있다.
그러한 재료가 스피커에 적용되는 경우 음향 재생산의 높은 충실도가 달성될 수 있다.
재료가 스키에 적용되는 경우 스키하는 동안 불필요한 진동이 작아질 수 있기 때문에 판의 안정성과 스키하는 사람의 안락함이 증진될 수 있다.
재료가 자동차의구조부재에 적용된다면 다이빙하는 동안 진동이 억압되기 때문에 자동차의 안정성과 드라이브가 증진될 수 있다. 재료가 음악악기를 위한 구조재료로 적용된다면 적당한 진동의 감폭비율이 요구된다.
감폭비율이 너무 높을때 에코효과는 작아진다. 감폭비율이 너무 낮을때 에코효과는 너무 높게되며 앞의 작동에 기인하는 음향은 다음 작동에 기인하는 음향을 겹친다.
본 발명에 따라서 경량복합재료는 여러가지 사용에적용된다. 제6도와 제7도는 본 발명에 따라서 경량복합재료의 두개의 전형적인 적용을 설명한다.
제6도에서 본 발명에 따라서 경량복합재료(1d)는 스키(11)의 폴리에틸렌외부판(9)과 폴리우레탄 중심판(10)사이에서 위치된다. 이 스키(11)는 ABS 외부판(12), FRP 마개판(13), 중심판(10), 경량복합재료판(1d), 외부판(9)과 강철 가장자리(14)로 구성된다.
재료(1d)는 스키의 기계적인 비율을 증가시키며 그 중량을 감소시킨다.
제7도에서 경량복합재료는 탁구라켓(15)에 적용된다. 라켓(15)은 손잡이(16), 고무시이트(17), 스폰지시이트(18), 손잡이판(19a)(19b)과 중앙 폭절판(20)을 지닌다. 발명의 경량복합재료판(1e)은 중앙목질판(20)의 양쪽외부 표면에 위치된다. 재료(1e)는 라켓(15)의 기계적인 비율을 증가시키며 특별히 강도와 중앙판(20)의 탄성계수를 강화시킨다. 다음에 더많은 구체적인 예각 기술될 것이다.
[예 1-22]
본 발명에 따라서 예 1-22는 표 1-6에서 요약된다. 재료를 제조하기 위한 방법과 재료의 비율을 측정하기 위한 방법에 따라서 오직 예 1이 자세히 설명된다.
비슷한 제조방법과 측정방법이 예 2-22에 적용되며 예 2-22는 표로부터 이해될 수 있다.
예 1에서 FRP층을 위한 수지침투 가공재 시이트가 다음과 같이 만들어진다.
카아본섬유 T300의(Toray Industries, Inc)에 의해 생산됨, 섬유의 평균직경 : 7μm, 섬유의 번호 : 3, 000)의 한가닥 실은 시이트를 형성하기 위하여 한방향으로 배열되며 에폭시수지는 시이트에 침투된다.
그후에 시이트는 로울러 사이에서 걸려지며 시이트의 한가닥실이 충분히 감겨진다.
그러면 시이트는 열처리되고 에폭시수지는 B-스테이지가 된다. 이렇게 0.02mm의 두께를 지니는 한방향의 수지침투 가공재 시이트가 획득된다.
다공의 섬유시이트가 다음과 같이 만들어진다. 강화하는 짧은 섬유는 위의 카아본섬유 한가닥실을 절단함으로써 만들어진다.
절단된 강화하는 짧은 섬유는 소용돌이 수용제트에서 분리되며 분리된 강화하는 짧은 섬유는 0.5mm의 두께와 50g/㎡의 중량으로 섬유층을 형성하기 위하여 순환벨트위에 임의로 위치된다.
그후에 폴리비닐 클로라이드를 포함하는 수용액이 벨트위의 분배된 강화하는 짧은 섬유에 첨가되며 분배된 섬유는 용액을 건조시킴에 의하여 시이트의 형태로 고정된다.
시이트는 벨트로부터 분리되며 후에 탄화된 바인더를 형성하기에 가능한 수지인 20wt.% 페놀을 포함하는 메탄올용액이 시이트에 첨가된다.
시이트는 130-170℃에서 열처리에 의해 경하된다. 경화된 시이트는 1500℃까지 가열되며 그 온도에서 30분동안 유지된다.
열처리함으로써 페놀릭수지는 탄화바인더가 되며 탄화바인더는 그들의 교차점에서 중요하게 섬유를 결합한다.
이렇게 다공의 섬유시이트가 획득되며 탄화바인더의 양은 30wt.%이며 시이트의 구멍은 70%이다.
다음에 이렇게 획득된 여섯개의 수지침투가공재 시이트와 다섯개의 다공섬유시이트가 그들사이에서 B-스테이지 에폭시수지필름과(필름두께 : 0.03mm, 중량 30g/㎡) 함께 양자택일적으로 얇은 판이 입혀진다.
가장 외부층의 둘다가 수지침투가공재 시이트이다. 엷은 판을 입힌 재료는 몰드에 설치되며 FRP 시이트와 다공의 섬유시이트는 130℃의 온도와 2kg/㎠(196kpa)의 압력하에서 60분동안 통합된다.
이렇게 본 발명에 따라서 경량복합재료가 획득된다. 획득된 재료의 총두께는 1.92mm이며 재료의 밀도는 0.6g/㎤이다.
FRP층의 섬유 오리엔테이션 방향에서 재료의 굴곡적인 강도는 20kg/m㎡(196N/m㎡)이며 굴곡적인 계수는 2000kg/m㎡(19.6KN/m㎡)이다.
재료의 동질성을 재기 위하여 10개의 견본이 재료로부터 절단되어 진다.
위 견본의 밀도는 분포는 10%를 넘지 않는다. 재료에 따라서 진동의 감폭 손실요소는 아래에 설명된 바와같이 측정된다.
손실요소는 공명 피크반 넓이값 방법에 의해 측정된다. 이 방법에 의해 측정된다. 이 방법에서 피크 넓이로부터 3dB에서 캔틸레버(Cantilever) 비임(beam)견본에서 굴곡웨이브 공명주파수의 넓이가 측정되며 손실요소(L)는 다음 방정식에 의하여 3dB넓이(△fn)와 공명주파수(fn)로부터 산출되어진다.
L=△fn/fn
상기한 방법에 의한 측정에서 재료의 손실요소는 0.004이다. 복합재료가 기타의 공명판에 사용되어질때 긴범위의 방사를 지니는 음향이 획득되어질 수 있고 음향의 날카로운 주요 가장자리가 획득되어질 수 있다.
낮은 음향주파 영역에서 무거운 감이 획득될 수 있으며 높은 음향 주파영역에서 양질의 에코를 지니는 톤이 획득될 수 있다. 예 2-22는 표 1-6에 언급되어질 수 있다. 표에서 다음 약어가 사용되어진다.
F : 한방향의 FRP
C : 짜아젼 직물을 사용하는 FRP
M : 매트를 사용하는 FRP
P : 다공섬유층
PR : 페놀릭수지
PVAR : 폴리비닐알코올수지
FR : 퓨란수지
CF : 카아본 섬유
GF : 유리섬유
AF : 알루미나섬유
KF : 아라마이드섬유
ER : 에폭시수지
UPR : 불포화 폴리에스테르수지
PPR : 폴리프로필렌수지
PAR : 폴리아미드수지
PIR : 폴리이미드수지
PG : 폴리에틸렌글리콜
CTBN : 카복시 터미네이티드 부타딘 아크릴로니트릴
UD : 한방향의 수지침투 가공재
PW : 평직직물
[표 1]
Figure kpo00001
[표 2]
Figure kpo00002
[표 3]
Figure kpo00003
[표 4]
Figure kpo00004
[표 5]
Figure kpo00005
[표 6]
Figure kpo00006
다음에 비교가 설명된다.
[비교 1]
예 1에서와 같은 수지침투가공재 시이트가 만들어진다. 섬유 매트 시이트가 다음과 같이 만들어진다. 절단되고 분리된 강화하는 짧은 섬유가 순환밸브위에 예 1과 비슷한 방법으로 분배되어지며 점착물을 포함하는 수용액이 분배된 섬유에 첨가되며 건조함으로써 분배된 섬유가 시이트의 형태로 형성된다. 이 매트 시이트에서 점착물은 거의 바로 그 교차점에서만 섬유를 결합한다.
다음에 여섯개의 수지침투 가공재와 다섯개의 매트 시이트가 그들사이에서 B-스테이지 에폭시수지 필름과 양자택일적으로 엷은 판이 입혀진다.
엷은 판이 입혀진 재료는 몰드에 설치되며 수지가공 침투재와 매트 시이트는 130℃의 조건하에 60분동안 통합되어진다.
획득된 복합재료의 총두께는 예 1 예를들면 1.92mm에서와 같다. 그러나 밀도는 0.3g/㎤이다. 굴곡강도는 극도로 낮아서 0.2kg/m㎡(1.96N/m㎡)이며 굴곡계수는 역시 낮아서 20kg/m㎡(0.196KN/m㎡)이다. 재료가 그러한 저조한 기계적인 비율을 지니고 있기 때문에 그것은 구조적 재료로 사용될 수 없거나 구조적 부재를 위한 강화하는 재료로 사용될 수 없다.
[비교 2]
예 1에서와 같은 수지침투 가공재 시이트가 만들어진다. 예 1에서 획득된 매트 시이트에 에폭시수지가 또 침투된다. 매트 시이트가 캘린더 로울러를 통하여 지난후에 시이트의 수지는 B-스테이지로 변화되고 이렇게 0.15mm의 두께를 지니는 수지침투 가공재 시이트가 획득된다.
다음에 여섯개의 수지침투 가공재와 다섯개의 매트 수지침투 가공재 시이트가 그들사이에서 B-스테이지 에폭시수지 필름과 양자택일적으로 엷은 판이 입혀진다. 엷은 판이 입혀진 재료는 몰드에 설치되며 인접한 층은 130℃하에서 60분동안 통합되어진다.
획득된 복합재료의 총두께는 1.92mm이다. 그러나 밀도는 매우 높아서 1.35g/㎤이다. 굴곡강도는 30kg/m㎡(394N/m㎡)이며 굴곡계수는 3500kg/m㎡(34.3KN/m㎡)이다.
재료는 중량에서 그렇게 가볍지 않다. 재료가 기타의 공면판으로 사용될때 긴범위의 방사비율, 음향의 주요한 가장자리, 무거운 감과 통이 예 1에서 획득된 것과 비교할때 그렇게 좋지 못하다.
상기한 바와같이 본 발명에 따라서 경량복합재료는 강화하는 짧은 섬유가 탄화바인더와 FRP층에 의해 결합되는 다공의 섬유층으로 엷은 판이 입혀지며 낮은 밀도, 큰 굴곡강도와 높은 굴곡계수 그리고 높은 경직성을 지닌다.
본 발명에 따라서 재료를 제조하기 위하여 거품을 내는 과정이 요구되지 않기 때문에 거품을 냄으로써 생성된 방 때문에 문제가 없으며, 재료의 균일성은 매우 높으며 재료의 비율의 분포가 매우낮다. 그러나 재료의 제조, 제조조건의 조절, 재료의 엷은 판을 입힌 구조의 세팅(Setting)은 쉽다.
왜냐하면 거품을 내는 것과 같은 복잡한 작옹이 없기 때문이다. 본 발명의 몇가지 실시예가 자세히 기술되어진다 할지라도 진귀한 기술이 실질적으로 본 발명의 이익이 되도록 나타난 특별한 예에 다양한 수정과 변경이 가해지는이 분야에 숙련된자에 의하여 평가될 것이다.
따라서 모든 그러한 수정과 변경이 첨부된 청구범위와 그들의 동등한 범위내에서 만들어진다.

Claims (17)

  1. 임의의 방향에서 분배되며 탄화바인더(7)에 의하여 교차점에서 대체로 서로 결합되는 강화하는 짧은 섬유(4)로 구성된 적어도 하나의 다공섬유층(2a)(2b)(2c)과 강화하는 섬유와 매트릭스수지(6)를 구성하는 가소성층을 강화한 적어도 하나의 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 엷은 판을 입힌 구조를 지니는 경량복합재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기한 강화하는 짧은 섬유(4)는 2차원방향에서 분배되어지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 강화하는 짧은 섬유(4)는 3차원방향에서 분배되어지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  4. 제1항에 있어서, 상기한 다공섬유층의 상기한 강화하는 짧은 섬유(4)는 카아본섬유, 유리섬유, 실리콘카바이드섬유, 붕소섬유와 지르코니아섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  5. 제1항에 있어서, 상기한 다공섬유층의 구멍은 50-90%의 범위인 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  6. 제1항에 있어서, 상기한 탄화바인더(7)는 폴리비닐알코올수지, 페놀릭수지와 퓨란수지로 구성되는 그룹으로부터 선택된 수지로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  7. 제1항에 있어서, 상기한 다공섬유층(2a)(2b)(2c)에서 상기한 탄화된 바인더(7)의 양이 10-50wt%의 범위인 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  8. 제7항에 있어서, 상기한 다공섬유층(2a)(2b)(2c)에서 상기한 탄화바인더(7)의 양이 20-40wt% 범위에 있는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  9. 제1항에 있어서, 상기한 강화된 가소성층의 상기한 강화하는 섬유(4)가 카아본섬유, 유리섬유, 실리콘 카바이드섬유, 아리마이드섬유, 붕소섬유, 지르코니아섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  10. 제1항에 있어서, 가소성층을 강화한 상기한 섬유의 상기한 매트릭스수지(6)는 에폭시수지, 불포화폴리에스테르수지, 페놀릭수지, 폴리이미드수지, 폴리아미드수지, 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 폴리스티렌수지, 폴리비닐클로라이드수지와 아크릴로니트릴 부타딘스티렌수지로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  11. 제1항에 있어서, 가소성층을 강화한 상기한 층의 상기한 매트릭스수지(6)는 수정하는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  12. 제11항에 있어서, 상기한 수정하는 것은 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리설파이드, 폴리에테르설폰, 폴리프로필렌설파이드, 카복시터미네이트드부타딘 아크릴로니트릴고무로 구성되는 그룹으로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  13. 제1항에 있어서, 가소성층을 강화한 상기한 섬유의 상기한 강화하는 섬유(4)는 한방향으로 향하여지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  14. 제1항에 있어서, 가소성층을 강화한 상기한 섬유의 상기한 강화하는 섬유(4)는 짜여진 직물로 형성되어지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  15. 제1항에 있어서, 가소성층을 강화한 상기한 섬유의 상기한 강화하는 섬유는 매트로 구성되는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  16. 제1항에 있어서, 상기한 재료는 단독 다공섬유층(2a)(2b)(2c)과 플라스틱층을 강화한 단독섬유로 구성되는 두개의 층의 엷은 판을 입힌 구조에 의하여 형성되어지는 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
  17. 제1항에 있어서, 상기한 재료는 두개의 층 이상으로 구성되는 엷은 판을 입힌 구조에 의하여 구성되며 가장 외부층의 둘다가 가소성층을 강화한 상기한 섬유인 것을 특징으로 하는 경량복합재료.
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