WO2016175538A1 - 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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WO2016175538A1
WO2016175538A1 PCT/KR2016/004359 KR2016004359W WO2016175538A1 WO 2016175538 A1 WO2016175538 A1 WO 2016175538A1 KR 2016004359 W KR2016004359 W KR 2016004359W WO 2016175538 A1 WO2016175538 A1 WO 2016175538A1
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fiber reinforced
thermoplastic resin
reinforced composites
resin
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PCT/KR2016/004359
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이희정
박종성
김희준
최재훈
송강현
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(주)엘지하우시스
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    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/10—Metal compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/02—Fibres or whiskers
    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds

Definitions

  • the present invention relates to a fiber reinforced composite and a method for producing the same.
  • Composites utilized for various purposes are made of a combination of two or more materials, generally can be prepared by mixing fibers and the like as a reinforcement in the polymer resin.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1995-149947 and the like disclose a thermoplastic resin composition containing a fibrous filler and a silicone rubber as essential components, a molded article produced using the same, and the like.
  • Such a composite material may be utilized in an industrial field requiring high strength and rigidity, but as the strength and rigidity are increased, shock absorption performance or flexibility decreases, thereby obtaining excellent strength and rigidity as well as excellent shock absorption performance and flexibility. There is a need for research.
  • One embodiment of the present invention provides a fiber-reinforced composite having excellent strength and rigidity, and excellent shock absorption performance.
  • Another embodiment of the present invention provides a manufacturing method for producing the fiber reinforced composite.
  • the present invention can provide a fiber-reinforced composite exhibiting improved bending and impact properties by including thermoplastic resin, inorganic fibers and piezoelectric particles in order to provide a fiber-reinforced composite having excellent strength and rigidity and excellent shock absorption performance.
  • the present invention provides a method for providing a fiber-reinforced composite material comprising the steps of preparing a thermoplastic resin composition by mixing a thermoplastic resin and piezoelectric particles; Mixing an inorganic fiber with the thermoplastic resin composition; And extruding the thermoplastic resin composition to produce a fiber-reinforced composite, thereby providing a fiber-reinforced composite manufacturing method exhibiting high process efficiency.
  • the fiber-reinforced composite is not only excellent in strength and rigidity, but also has excellent impact absorption performance, it can be utilized for various purposes.
  • FIG. 1 schematically shows a fiber reinforced composite according to one embodiment of the invention.
  • Figure 2 schematically shows a method of manufacturing the fiber reinforced composite according to another embodiment of the present invention.
  • a fiber reinforced composite comprising a thermoplastic resin, inorganic fibers and piezoelectric particles.
  • the composite can be made by mixing fiber reinforcements with thermoplastic resins.
  • the fiber reinforced composite may include piezoelectric particles together with thermoplastic resins and inorganic fibers to ensure adequate strength and rigidity while at the same time improving impact absorption performance.
  • the piezoelectric particles refer to spherical particles having piezoelectricity
  • piezoelectricity refers to a phenomenon in which an electric field is generated in proportion to the pressure or force when an external pressure or force is applied to an object.
  • the fiber reinforced composite may have excellent vibration damping ability by including the piezoelectric particles, thereby having excellent resistance to impact.
  • excellent vibration damping ability can be utilized for a variety of applications by improving the mechanical, electrical and thermal properties.
  • FIG. 1 schematically shows a fiber reinforced composite 100 according to one embodiment of the invention.
  • the fiber reinforced composite 100 may include an inorganic fiber 10 and piezoelectric particles 20 in a substrate made of the thermoplastic resin, and specifically, the piezoelectric particles 20 may have a structure dispersed in the thermoplastic resin. Can be. That is, referring to FIG. 1, the piezoelectric particles 20 may be included in a structure evenly distributed in the thermoplastic resin. By including the piezoelectric particles 20 in such a structure, the fiber-reinforced composite can ensure a uniform vibration damping ability throughout the structure, thereby having the ability to evenly distribute and absorb external impact.
  • the piezoelectric particles may have an average diameter of about 3 ⁇ m to about 10 ⁇ m.
  • the average diameter of the piezoelectric particles is less than about 3 ⁇ m may reduce the impact absorption performance, or the initial dispersibility is lowered during the manufacturing process may cause a problem that the final manufactured fiber-reinforced composite may not obtain uniform physical properties as a whole.
  • the average diameter of the piezoelectric particles exceeds about 10 ⁇ m, compatibility with the inorganic fibers may be reduced, or specific gravity may be excessively increased, resulting in a problem of deteriorating the surface properties of the fiber-reinforced composite. can do.
  • the piezoelectric particles are materials having piezoelectricity, such as lead zirconate titanate, lead titanate, barium titanate (BaTiO 3), lithium niobate (LiNbO), and combinations thereof. It may include one selected from the group consisting of.
  • the fiber reinforced composite may include about 1 part by weight to about 10 parts by weight of the piezoelectric particles based on 100 parts by weight of the thermoplastic resin.
  • the piezoelectric particles When the piezoelectric particles are included in less than about 1 part by weight, there is a fear that sufficient shock absorbing performance may not be obtained.
  • the piezoelectric particles exceed about 10 parts by weight, the manufacturing cost may be excessively increased, the specific gravity may be too high, or the surface properties of the fiber reinforced composite may be deteriorated.
  • the fiber reinforced composite may include a thermoplastic resin, the thermoplastic resin is an aromatic vinyl resin, rubber modified aromatic vinyl resin, polyphenylene ether resin, polycarbonate resin, polyester resin, methacrylate-based It may include one selected from the group consisting of resins, polyarylene sulfide resins, polyamide resins, polyvinyl chloride resins, polyolefin resins, and combinations thereof.
  • the thermoplastic resin may include a polyolefin resin, and more specifically, may include a polypropylene resin.
  • the fiber-reinforced composite may be advantageous to improve both the strength and the impact absorption performance for cost.
  • the polypropylene resin may include polypropylene alone or a resin copolymerized with polypropylene and other monomers, and for example, polypropylene homopolymer resin, propylene-ethylene copolymer resin, propylene-butene copolymer resin, and ethylene- And at least one selected from the group consisting of propylene-butene copolymer resins and combinations thereof.
  • the fiber reinforced composite may include inorganic fibers to enhance strength and rigidity, and the inorganic fibers may include one selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, and combinations thereof.
  • the cross section of the inorganic fiber may have an average diameter of about 15 ⁇ m to about 20 ⁇ m, for example, about 16 ⁇ m to about 19 ⁇ m. If the cross section of the inorganic fiber has an average diameter of less than about 15 ⁇ m, the strength of the composite material may be significantly lowered, and if the cross section of the inorganic fiber has an average diameter of more than about 20 ⁇ m, compatibility with the piezoelectric particles may be reduced. Can occur.
  • the inorganic fibers may be included in the form of continuous fibers in the fiber reinforced composite.
  • the inclusion of the inorganic fibers in the form of continuous fibers means that they are present in continuous form without breaking inside, depending on the final size of the fiber reinforced composite.
  • the inorganic fiber included in the form of the continuous fiber may have a length corresponding to a range from the minimum length to the maximum length possible depending on the final size of the fiber-reinforced composite.
  • the inorganic fibers may be included in the form of continuous fibers, which may be advantageous for improving the stiffness and strength of the fiber-reinforced composite, and may be properly mixed with the piezoelectric particles in position to improve both durability and shock absorption performance.
  • the inorganic fiber may be one having a single orientation in the fiber reinforced composite. That the inorganic fibers have a single orientation may mean that the inorganic fibers are impregnated in the thermoplastic resin and oriented in one direction. In this case, an acute angle formed by two predetermined inorganic fibers in the fiber reinforced composite may be about 10 ° or less, specifically about 5 ° or less.
  • the inorganic fiber has a single orientation in the fiber reinforced composite, it is advantageous to secure excellent strength and rigidity, and may be properly mixed with the piezoelectric particles in position to be more advantageous to improve the shock absorbing performance of the fiber reinforced composite. Can be.
  • the fiber reinforced composite may include about 40 parts by weight to about 70 parts by weight of the inorganic fiber, for example, about 50 parts by weight to 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the thermoplastic resin.
  • the inorganic fiber is included in the less than the above range, the composite material is difficult to secure the required strength and rigidity, when the inorganic fiber exceeds the above range, compatibility with the piezoelectric particles is lowered, impregnation of the thermoplastic resin as a base material is incomplete This can lead to problems that make the manufacture of the fiber reinforced composites themselves impossible.
  • the fiber-reinforced composite material may include both thermoplastic resin, inorganic fiber and piezoelectric particles, thereby achieving excellent strength and rigidity, and at the same time, exhibiting excellent shock absorption performance.
  • the falling impact strength of the fiber reinforced composite may be about 20 J / mm to about 30 J / mm.
  • the 'falling impact strength' represents the resistance of any object to the instantaneous concentrated external force, and can be measured by the falling impact measurement method according to ASTM D3763.
  • ASTM D3763 the falling impact measurement method according to ASTM D3763.
  • thermoplastic resin composition by mixing the thermoplastic resin and the piezoelectric particles; Mixing an inorganic fiber with the thermoplastic resin composition; And it provides a fiber reinforced composite manufacturing method comprising the step of manufacturing the fiber reinforced composite by pressing the thermoplastic resin composition.
  • Fiber reinforced composite manufacturing method it is possible to manufacture a fiber reinforced composite comprising a thermoplastic resin, inorganic fibers and piezoelectric particles, specifically, the inorganic fiber and the piezoelectric particles are uniformly dispersed or impregnated in the thermoplastic resin excellent Fiber-reinforced composites can be produced that provide shock absorbing performance.
  • the fiber reinforced composite manufacturing method may include preparing a thermoplastic resin composition by mixing the thermoplastic resin and the piezoelectric particles. Details regarding the piezoelectric particles are as described above.
  • thermoplastic resin and the piezoelectric particles may be mixed simultaneously by being added to the extruder, or may be mixed by preparing the piezoelectric particles in the form of a masterbatch and then adding them to the thermoplastic resin raw material.
  • the step of preparing the thermoplastic resin composition may be specifically carried out at about 180 °C to about 240 °C.
  • the thermoplastic resin composition By producing the thermoplastic resin composition at a temperature in the above range, it is possible to produce a composite having excellent physical properties while at the same time ensuring excellent processability.
  • thermoplastic resin When the thermoplastic resin is produced at less than about 180 ° C., the thermoplastic resin composition does not secure an appropriate viscosity, which may lower workability in a subsequent step.
  • thermoplastic resin When the thermoplastic resin is manufactured at about 240 ° C., thermal decomposition of the resin may occur. The physical properties of the composite material may be impaired or foreign matter may occur due to carbonization of the resin, and the physical properties of the piezoelectric particles may be lowered.
  • the fiber reinforced composite manufacturing method may include mixing an inorganic fiber in the thermoplastic resin composition.
  • the matter regarding the said inorganic fiber is as above-mentioned.
  • Figure 2 schematically shows a method of manufacturing a fiber reinforced composite according to an embodiment of the present invention. 2 is not shown the manufacturing process of the thermoplastic resin composition.
  • the inorganic fiber is drawn out of the roving (roving) continuous fiber is introduced into the impregnation mold, wherein the inorganic fiber may be introduced to have a single orientation in the composite. Since the inorganic fiber has a single orientation, it is possible to easily ensure the strength and rigidity of the fiber reinforced composite required.
  • thermoplastic resin composition may be added to the impregnation mold, for example, the thermoplastic resin composition may be introduced through an extruder.
  • the thermoplastic resin composition containing the thermoplastic resin and the piezoelectric particles may be impregnated into the inorganic fiber.
  • the fiber-reinforced composite manufacturing method may comprise the step of producing a composite by pressing the thermoplastic resin composition.
  • the thermoplastic resin composition may include a thermoplastic resin, piezoelectric particles, and inorganic fibers, and may be manufactured by pressing the same using a pressing process.
  • the step of pressing the thermoplastic resin composition to produce a fiber-reinforced composite may be performed using a calendar (Calendar) process.
  • the thermoplastic resin composition may include all thermoplastic resins, piezoelectric particles, and inorganic fibers, and by pressing the same in a calendar process, inorganic fibers in the form of continuous fibers may easily secure a single orientation, and piezoelectric particles may be appropriate. Can be mixed.
  • by using the calendar process may be advantageous to ensure a uniform thickness of the fiber-reinforced composite material, it is possible to secure excellent surface properties. As a result, the fiber-reinforced composite can secure excellent stiffness, surface properties and shock absorption performance at the same time.
  • the fiber-reinforced composite prepared through the fiber-reinforced composite manufacturing method can secure both excellent strength and shock absorption performance by including the inorganic fiber and piezoelectric particles in the thermoplastic resin, and can be utilized for various purposes.
  • thermoplastic resin composition was prepared by mixing 1 part by weight of piezoelectric particles made of lead zirconate titanate made of polypropylene homopolymerized resin at 220 ° C. Subsequently, based on 100 parts by weight of the thermoplastic resin, 60 parts by weight of glass fiber was added to the composite material in the form of a continuous fiber from roving. At this time, the glass fibers were introduced to exhibit a single orientation in the composite.
  • the thermoplastic resin composition was impregnated into the glass fiber and pressed by a calender process to prepare a sheet having a thickness of 0.3 mm.
  • a sheet was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 5 parts by weight of the piezoelectric particles were mixed with respect to 100 parts by weight of the thermoplastic resin.
  • a sheet was manufactured in the same manner as in Example 1, except that piezoelectric particles of barium titanate were used instead of piezoelectric particles of lead zirconate titanate as the piezoelectric particles.
  • Sheets were prepared in the same manner as in Example 2, except that piezoelectric particles of barium titanate were used instead of piezoelectric particles of lead zirconate titanate as the piezoelectric particles.
  • a sheet was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the piezoelectric particles were not included.
  • Falling impact strength was measured at 23 ° C. according to the method of measuring the impact of falling ball impact on the fiber reinforced composite (ASTM D3763 method), and the results are shown in Table 1 below.
  • the fiber-reinforced composite of Examples 1 to 4 exhibits excellent flexural properties and falling ball impact strength compared to the fiber-reinforced composite of Comparative Example 1 that does not include it by including piezoelectric particles You can check it.

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Abstract

본 발명은 강도 및 강성이 우수하면서, 동시에 충격 흡수 성능이 우수한 섬유 강화 복합재를 제공하기 위한 것으로, 열가소성 수지, 무기 섬유 및 압전 입자를 포함하는 섬유 강화 복합재를 제공하며, 열가소성 수지 및 압전 입자를 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계; 상기 열가소성 수지 조성물에 무기 섬유를 혼합하는 단계; 및 상기 열가소성 수지 조성물을 압출하여 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 섬유 강화 복합재 제조방법을 제공한다.

Description

섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법
본 발명은 섬유 강화 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
다양한 용도로 활용되는 복합재는 두 가지 이상의 재료를 결합하여 이루어진 것으로, 일반적으로 고분자 수지에 강화재로서 섬유 등을 혼합하여 제조될 수 있다. 일본 공개 특허 공보 1995-149947호 등에는 섬유상 충전제 및 실리콘 고무를 필수 성분으로 함유하는 열가소성 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조된 성형물 등이 개시되어 있다. 이와 같은 복합재는 높은 강도 및 강성을 요구하는 산업 분야에 활용될 수 있으나, 강도 및 강성을 높일수록 충격 흡수 성능 또는 유연성 등이 저하되므로 우수한 강도 및 강성뿐만 아니라, 우수한 충격 흡수 성능 및 유연성을 확보하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 일 구현예는 강도 및 강성이 우수하고, 충격 흡수 성능이 우수한 섬유 강화 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 섬유 강화 복합재를 제조하는 제조방법을 제공한다.
본 발명은 강도 및 강성이 우수하고, 충격 흡수 성능이 우수한 섬유 강화 복합재를 제공하기 위하여 열가소성 수지, 무기 섬유 및 압전 입자를 포함함으로써 향상된 굴곡 특성 및 충격 특성을 나타내는 섬유 강화 복합재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 섬유 강화 복합재를 제공하는 방법으로서 열가소성 수지 및 압전 입자를 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계; 상기 열가소성 수지 조성물에 무기 섬유를 혼합하는 단계; 및 상기 열가소성 수지 조성물을 압출하여 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함함으로써 높은 공정 효율을 나타내는 섬유 강화 복합재 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 강도 및 강성이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 충격 흡수 성능을 갖는 것으로, 다양한 용도로 활용될 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법을 통하여, 높은 공정 효율을 확보하고, 강도 및 강성이 우수하고, 충격 흡수 성능이 향상된 섬유 강화 복합재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 섬유 강화 복합재의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며, 도면에서 특정 영역 또는 구성을 명확하게 표현하기 위하여 확대 또는 과장하여 나타내었다.
본 발명의 일 구현예에서, 열가소성 수지, 무기 섬유 및 압전 입자를 포함하는 섬유 강화 복합재를 제공한다.
통상적으로, 복합재는 열가소성 수지에 섬유 강화재를 혼합하여 제조될 수 있다. 섬유 강화재의 함량이 높을수록 복합재의 강도 및 강성은 높아지지만, 기계적 변형률이 감소하여 취성(brittleness)이 높아지거나 충격 흡수 성능이 저하될 우려가 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 적절한 강도 및 강성을 확보하면서, 동시에 충격 흡수 성능을 향상시키기 위하여 열가소성 수지 및 무기 섬유와 함께 압전 입자를 포함할 수 있다. 상기 압전 입자는 압전성을 갖는 구상의 입자를 의미하며, 압전성은 물체에 외부 압력 또는 힘을 가했을 때, 이러한 압력 또는 힘에 비례해서 전기장이 발생되는 현상을 일컫는다.
상기 섬유 강화 복합재는 상기 압전 입자를 포함함으로써, 우수한 진동 감쇠 능력을 가질 수 있고, 이로써 충격에 대한 우수한 저항성을 가질 수 있다. 또한, 우수한 진동 감쇠 능력을 바탕으로 기계적, 전기적 및 열적 물성을 향상시켜 보다 다양한 용도로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재(100)를 개략적으로 도시한 것이다.
상기 섬유 강화 복합재(100)는 상기 열가소성 수지로 이루어진 기재 내에 무기 섬유(10) 및 압전 입자(20)를 포함할 수 있고, 구체적으로, 상기 압전 입자(20)는 상기 열가소성 수지 내에 분산된 구조일 수 있다. 즉, 도 1을 참조할 때, 상기 압전 입자(20)는 상기 열가소성 수지 내에 고르게 분포된 구조로 포함될 수 있다. 상기 압전 입자(20)가 이러한 구조로 포함됨으로써, 상기 섬유 강화 복합재는 구조 전체에 걸쳐 균일한 진동 감쇠 능력을 확보할 수 있고, 이로써 외부 충격을 고르게 분산 및 흡수하는 성능을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 압전 입자는 평균 직경이 약 3㎛ 내지 약 10㎛일 수 있다. 상기 압전 입자의 평균 직경이 약 3㎛ 미만인 경우에는 충격 흡수 성능이 저하되거나, 제조 과정에서 초기 분산성이 저하되어 최종 제조된 섬유 강화 복합재가 전체적으로 균일한 물성을 얻지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 압전 입자의 평균 직경이 약 10㎛를 초과하는 경우에는 상기 무기 섬유와 상용성이 저하되거나, 비중이 지나치게 증가하는 문제가 생길 수 있고, 섬유 강화 복합재의 표면 물성을 저하시키는 문제를 야기할 수 있다.
또한, 상기 압전 입자는 압전성을 갖는 물질로서 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate), 티탄산 연(Lead titanate), 티탄산 바륨(Barium titanate, BaTiO3), 니오브산 리튬(Lithium niobate, LiNbO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재는 상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 상기 압전 입자를 약 1 중량부 내지 약 10 중량부 포함할 수 있다. 상기 압전 입자가 약 1 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 충분한 충격 흡수 성능을 얻지 못할 우려가 있다. 또한, 상기 압전 입자가 약 10 중량부를 초과하는 경우에는 제조 비용이 지나치게 증가하고, 비중이 너무 높아지거나 섬유 강화 복합재의 표면 물성을 저하시키는 문제가 생길 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 열가소성 수지를 포함할 수 있고, 상기 열가소성 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리올레핀계 수지 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 수지는 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있고, 보다 구체적으로 폴리프로필렌계 수지를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 섬유 강화 복합재가 비용 대비 강도 및 충격 흡수 성능을 모두 향상시키기에 유리할 수 있다. 상기 폴리프로필렌계 수지는 폴리프로필렌 단독 혹은 폴리프로필렌과 다른 종류의 모노머가 공중합된 수지를 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리프로필렌 단독 중합 수지, 프로필렌-에틸렌 공중합 수지, 프로필렌-부텐 공중합 수지, 에틸렌-프로필렌-부텐 공중합 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 강도 및 강성을 향상시키기 위하여 무기 섬유를 포함할 수 있고, 상기 무기 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 무기 섬유의 단면은 평균 직경이 약 15㎛ 내지 약 20㎛일 수 있고, 예를 들어 약 16㎛ 내지 약 19㎛일 수 있다. 상기 무기 섬유의 단면이 약 15㎛ 미만의 평균 직경을 갖는 경우에는 복합재의 강도가 현저히 저하될 우려가 있고, 약 20㎛를 초과하는 평균 직경을 갖는 경우에는 상기 압전 입자와 상용성이 저하되는 문제가 생길 수 있다.
또한, 상기 무기 섬유는 상기 섬유 강화 복합재 내에 연속 섬유의 형태로 포함될 수 있다. 상기 무기 섬유가 연속 섬유의 형태로 포함된다는 것은 상기 섬유 강화 복합재의 최종적인 크기에 의존하여 그 내부에서 끊어지지 않고 연속적인 형태로 존재하는 것을 의미한다. 상기 연속 섬유의 형태로 포함되는 무기 섬유는 상기 섬유 강화 복합재의 최종적인 크기에 따라 가능한 최소 길이부터 최대 길이까지의 범위에 해당하는 길이를 가질 수 있다. 상기 무기 섬유가 연속 섬유의 형태로 포함됨으로써 상기 섬유 강화 복합재의 강성 및 강도를 향상시키기에 유리할 수 있고, 상기 압전 입자와 위치적으로 적절하게 혼합되어 내구성 및 충격 흡수 성능을 모두 향상시킬 수 있다.
상기 무기 섬유는 상기 섬유 강화 복합재 내에서 단일 배향성을 갖는 것일 수 있다. 상기 무기 섬유가 단일 배향성을 갖는다는 것은 상기 열가소성 수지 내에 상기 무기 섬유가 함침되어 일 방향으로 배향된 것을 의미할 수 있다. 이때, 상기 섬유 강화 복합재 내의 소정의 두 무기 섬유가 이루는 예각이 약 10°이하, 구체적으로 약 5°이하일 수 있다.
상기 무기 섬유가 상기 섬유 강화 복합재 내에서 단일 배향성을 가짐으로써 우수한 강도 및 강성의 확보에 유리하며, 상기 압전 입자와 위치적으로 적절하게 혼합되어 상기 섬유 강화 복합재의 충격 흡수 성능을 향상시키기에 더욱 유리할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 상기 무기 섬유를 약 40 중량부 내지 약 70 중량부 포함할 수 있고, 예를 들어 약 50 중량부 내지 70 중량부 포함할 수 있다. 상기 무기 섬유가 상기 범위 미만으로 포함되는 경우에는 복합재가 요구되는 강도 및 강성을 확보하기 어렵고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 상기 압전 입자와의 상용성이 저하되고, 모재인 열가소성 수지의 함침이 불완전하여 섬유 강화 복합재의 제조 자체가 불가능한 문제를 야기할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 열가소성 수지, 무기섬유 및 압전 입자를 모두 포함함으로써 우수한 강도 및 강성을 구현하고, 동시에 우수한 충격 흡수 성능을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재의 낙구 충격 강도는 약 20 J/㎜ 내지 약 30 J/㎜일 수 있다. 상기 '낙구충격강도'는 임의의 물체가 순간적인 집중 외력에 견디는 저항력을 나타낸 것으로서, ASTM D3763에 따른 낙구충격 측정방법으로 측정할 수 있다. 상기 낙구 충격 강도가 약 20 J/㎜ 미만인 경우에는 충분한 충격 성능이 확보가 안되어 충격 성능이 요구되는 부품에 적용되기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 다른 구현예는 열가소성 수지 및 압전 입자를 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계; 상기 열가소성 수지 조성물에 무기 섬유를 혼합하는 단계; 및 상기 열가소성 수지 조성물을 압착하여 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 섬유 강화 복합재 제조방법을 제공한다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법을 통하여, 열가소성 수지, 무기 섬유 및 압전 입자를 포함하는 섬유 강화 복합재를 제조할 수 있고, 구체적으로, 상기 무기 섬유 및 상기 압전 입자가 상기 열가소성 수지 내에 고르게 분산 또는 함침되어 우수한 충격 흡수 성능을 구현하는 섬유 강화 복합재를 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 열가소성 수지 및 압전 입자를 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 압전 입자에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
상기 열가소성 수지 및 압전 입자는 압출기에 동시에 투입되어 혼합될 수도 있고, 상기 압전 입자를 마스터배치(masterbatch) 형태로 준비한 후 열가소성 수지 원료에 투입함으로써 혼합될 수도 있다.
이때, 상기 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계는 구체적으로 약 180℃ 내지 약 240℃에서 수행될 수 있다. 상기 열가소성 수지 조성물이 상기 범위의 온도에서 제조됨으로써 우수한 가공성을 확보하면서, 동시에 우수한 물성을 갖는 복합재를 제조할 수 있다.
상기 열가소성 수지를 약 180℃ 미만에서 제조하는 경우에는 상기 열가소성 수지 조성물이 적절한 점도를 확보하지 못하여, 후속되는 공정에서 가공성을 저하시킬 우려가 있고, 약 240℃ 초과에서 제조하는 경우에는 수지의 열분해로 복합재의 물성이 손상되거나, 수지의 탄화로 인하여 이물질이 발생할 우려가 있으며, 압전 입자의 물성이 저하될 우려가 있다.
또한, 상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 상기 열가소성 수지 조성물에 무기 섬유를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 무기 섬유에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2에는 열가소성 수지 조성물의 제조 과정은 도시되지 아니하였다.
도 2를 참조할 때, 상기 무기 섬유는 로빙(roving) 형태의 연속 섬유로부터 뽑아져 나와 함침 금형에 투입되며, 이때, 상기 무기 섬유는 복합재 내에서 단일 배향성을 갖도록 투입될 수 있다. 상기 무기 섬유가 단일 배향성을 가짐으로써 상기 섬유 강화 복합재가 요구되는 수준의 강도 및 강성을 용이하게 확보할 수 있다.
상기 무기 섬유가 함침 금형에 투입되면서, 동시에 상기 열가소성 수지 조성물도 상기 함침 금형에 투입될 수 있고, 예를 들어 상기 열가소성 수지 조성물은 압출기를 통하여 투입될 수 있다. 이로써, 열가소성 수지 및 압전 입자를 함유하는 상기 열가소성 수지 조성물이 상기 무기 섬유에 함침될 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법은 상기 열가소성 수지 조성물을 압착하여 복합재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지 조성물은 열가소성 수지, 압전 입자 및 무기 섬유를 포함하는 것으로 이를 프레스 공정을 이용하여 압착함으로써 복합재를 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 열가소성 수지 조성물을 압착하여 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계는 카렌다(Calendar) 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 열가소성 수지 조성물은 구체적으로 열가소성 수지, 압전 입자 및 무기 섬유를 모두 포함하는 것일 수 있고, 이를 카렌다 공정으로 프레스함으로써 연속 섬유 형태의 무기 섬유가 단일 배향성을 용이하게 확보할 수 있고, 압전 입자가 적절하게 혼합될 수 있다. 또한, 상기 카렌다 공정을 이용함으로써 상기 섬유 강화 복합재의 균일한 두께를 확보하는 데 유리할 수 있고, 우수한 표면 물성을 확보할 수 있다. 결과적으로, 상기 섬유 강화 복합재가 우수한 강성, 표면 물성 및 충격 흡수 성능을 동시에 확보할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재 제조방법을 통하여 제조된 섬유 강화 복합재는 상기 열가소성 수지 내에 상기 무기 섬유 및 압전 입자를 포함함으로써 우수한 강도 및 충격 흡수 성능을 모두 확보할 수 있고, 다양한 용도로 활용할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
<실시예 및 비교예>
실시예 1
폴리프로필렌 단독 중합 수지로 구성된 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate) 재질의 압전 입자 1 중량부를 220℃에서 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하였다. 이어서, 상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 유리 섬유를 로빙(roving) 형태로부터 연속 섬유의 형태로 복합재 내에 포함되도록 60 중량부 투입하였다. 이때, 유리 섬유는 복합재 내에서 단일 배향성을 나타내도록 투입되었다. 상기 열가소성 수지 조성물을 상기 유리 섬유에 함침시키고, 카렌다(Calendar) 공정으로 압착하여 0.3㎜ 두께의 시트를 제조하였다.
실시예 2
상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 상기 압전 입자를 5 중량부 혼합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 시트를 제조하였다.
실시예 3
상기 압전 입자로서 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate) 재질의 압전 입자 대신에 티탄산 바륨(Barium titanate) 재질의 압전 입자를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 시트를 제조하였다.
실시예 4
상기 압전 입자로서 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate) 재질의 압전 입자 대신에 티탄산 바륨(Barium titanate) 재질의 압전 입자를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 시트를 제조하였다.
비교예 1
상기 압전 입자를 포함하지 않는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 시트를 제조하였다.
<평가>
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 시트를 각각 9장씩 제조하여 적층하되, 인접한 시트에 포함된 무기 섬유의 배향 방향이 서로 수직하도록 적층한 후 가압함으로써 패널 형태의 섬유 강화 복합재를 제조하였다. 즉, 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 시트를 각각 9장씩 제조한 후, 이들을 소위 0°/90°/0°의 구조로 적층하여 가압함으로써 섬유 강화 복합재를 제조하였다. 이어서, 후술하는 실험예 1 내지 2에 따라 섬유 강화 복합재의 물성을 평가하였다.
실험예 1: 굴곡강도 및 굴곡탄성률의 측정
상기 섬유 강화 복합재에 대하여 굴곡 특성 측정 방법(ASTM D790 방법)에 따라, 상온 23℃에서 굴곡강도 및 굴곡탄성률을 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1에 기재하였다.
실험예 2: 낙구 충격 강도의 측정
상기 섬유 강화 복합재에 대하여 낙구 충격 강도 측정 방법(ASTM D3763 방법)에 따라, 상온 23℃에서 낙구 충격 강도를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1에 기재하였다.
굴곡 특성 낙구충격강도[J/㎜]
굴곡강도[MPa] 굴곡탄성률[GPa]
실시예 1 415 21.0 21.1
실시예 2 427 21.4 25.6
실시예 3 412 20.9 20.7
실시예 4 422 21.4 23.2
비교예 1 410 20.7 19.0
상기 표 1의 결과를 참조할 때, 상기 실시예 1 내지 4의 섬유 강화 복합재는 압전 입자를 포함함으로써 이를 포함하지 않는 상기 비교예 1의 섬유 강화 복합재에 비하여 우수한 굴곡 특성 및 낙구 충격 강도를 나타냄을 확인할 수 있다.
[부호의 설명]
100: 섬유 강화 복합재
10: 무기 섬유
20: 압전 입자

Claims (16)

  1. 열가소성 수지, 무기 섬유 및 압전 입자를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 입자는 상기 열가소성 수지 내에 분산된 구조인
    섬유 강화 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전 입자는 평균 직경이 3㎛ 내지 10㎛인
    섬유 강화 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전 입자는 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate), 티탄산 연(Lead titanate), 티탄산 바륨(Barium titanate, BaTiO3), 니오브산 리튬(Lithium niobate, LiNbO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 상기 압전 입자 1 중량부 내지 10 중량부를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리올레핀계 수지 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌계 수지를 포함하고,
    상기 폴리프로필렌계 수지는 폴리프로필렌 단독 중합 수지, 프로필렌-에틸렌 공중합 수지, 프로필렌-부텐 공중합 수지, 에틸렌-프로필렌-부텐 공중합 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무기 섬유 단면의 평균 직경은 15㎛ 내지 20㎛인
    섬유 강화 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 연속 섬유 형태로 포함되는
    섬유 강화 복합재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 상기 섬유 강화 복합재 내에서 단일 배향성을 갖는
    섬유 강화 복합재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 100 중량부에 대하여, 상기 무기 섬유 40 중량부 내지 70 중량부를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화 복합재의 낙구충격강도는 20 J/㎜ 내지 30 J/㎜인
    섬유 강화 복합재.
  14. 열가소성 수지 및 압전 입자를 혼합하여 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계;
    상기 열가소성 수지 조성물에 무기 섬유를 혼합하는 단계; 및
    상기 열가소성 수지 조성물을 압출하여 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함하는
    섬유 강화 복합재 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계는 180℃ 내지 240℃에서 수행되는
    섬유 강화 복합재 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 상기 섬유 강화 복합재 내에서 단일 배향성을 갖도록 상기 열가소성 수지 조성물에 혼합되는
    섬유 강화 복합재 제조방법.
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