WO2017204558A1 - 보강 복합재 및 이를 포함하는 물품 - Google Patents

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WO2017204558A1
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fiber
fiber reinforcement
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최한나
오애리
박종성
김희준
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(주)엘지하우시스
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Definitions

  • the present invention relates to a reinforcement composite and an article including the same, which are applied to a vehicle, an aircraft, and the like to supplement strength and rigidity.
  • Plastics generally have a specific gravity of about 1/4 to about 1/5 of metals, so that a light weighting effect can be obtained and fuel efficiency can be improved.
  • the metal has a high resistance to breakage, which delays the complete rupture of the material even after reaching the maximum strength through permanent deformation by external force, saves energy, and has a large deformation.
  • the plastic material exhibits a behavior of rapid breaking after showing the maximum strength of the material at a very small elongation. When an external force is applied, the plastic material does not undergo permanent deformation before breaking and has a small degree of deformation. .
  • One embodiment of the present invention provides a reinforcement composite having improved impact resistance due to high elongation and energy absorption performance while securing the required mechanical properties in terms of strength and rigidity.
  • Another embodiment of the present invention relates to an article including the reinforcement composite, and can realize fuel efficiency improvement effect and light weight effect with excellent impact absorption performance.
  • the fiber reinforcement sheet is a fiber reinforcement having an orientation; And a resin matrix, wherein the plurality of fiber reinforcement sheets comprises a fiber reinforcement having an orientation in a first direction having an angle of + 1 ° to + 44 ° relative to a Reinforcement required direction of the article. At least one first fiber reinforcement sheet; And at least one second fiber reinforcement sheet comprising a fiber reinforcement having an orientation in a second direction having an angle of -1 ° to -44 ° relative to the reinforcement demand direction of the article.
  • an article comprising said reinforcing composite.
  • the reinforcing composite material may provide an improved impact absorption performance to the article to which it is applied based on high elongation and high energy absorption performance while securing a certain level or more of mechanical properties in terms of strength and rigidity.
  • the article to which the reinforcement composite is applied may have a high degree of deformation against external force, and may have excellent impact resistance.
  • FIG. 1 schematically illustrates an exploded view of a reinforcement composite according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 schematically shows a cross section of a fiber reinforced sheet according to one embodiment of the invention.
  • the fiber reinforcement sheet is a fiber reinforcement having an orientation; And a reinforcing composite material comprising a resin matrix.
  • the plurality of fiber reinforcing sheet includes at least one first fiber reinforcing sheet and at least one second fiber reinforcing sheet, wherein the first fiber reinforcing sheet is + 1 ° with respect to the reinforcement required direction.
  • a fiber reinforcement sheet comprising a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of from + 44 °, the second fiber reinforcement sheet having an angle of -1 ° to -44 ° with respect to the reinforcement request direction It is a fiber reinforcement sheet containing the fiber reinforcement which has orientation in two directions.
  • the term 'reinforcement required direction' refers to an external force or load applied externally when the article to which the reinforcement composite is applied is mounted on a vehicle or an aircraft, or when the vehicle or the aircraft is operated and moved after installation. In consideration of the above, it means a predetermined direction in which strength and rigidity need to be complemented. This reinforcement request direction may be determined by the restraint position, installation conditions, etc. when the article to which the reinforcement composite material is applied is mounted to a component such as a vehicle or an aircraft, and most importantly, one direction in which strength and rigidity need to be compensated for. it means.
  • the reinforcement composite material has an improved elongation and energy absorption performance while securing a certain level of strength and rigidity by containing a laminate in which a plurality of two kinds of fiber reinforcement sheets having an angle in the above-described range with respect to the reinforcement demand direction are laminated. Can be implemented.
  • FIG. 1 schematically illustrates an exploded view of a reinforcement composite according to an embodiment of the present invention.
  • the reinforcement composite material 100 includes a laminate in which a plurality of fiber reinforcement sheets 10 are laminated, and the fiber reinforcement sheet 10 has an orientation.
  • having 'orientation' means that the single fiber strands of the fiber reinforcement 20 are arranged side by side in one direction.
  • the fiber reinforcement sheet 10 including such a fiber reinforcement 20 is also called a unidirection sheet or UD prepreg. That is, the reinforcement composite material 100 may include a stack of a plurality of UD sheets or a plurality of UD prepregs.
  • the plurality of fiber reinforcing sheets 10 includes a first fiber reinforcing sheet 11 including a fiber reinforcing member having an orientation in a first direction having a + ⁇ angle with respect to the reinforcing demanding direction X. And a second fiber reinforcement sheet 12 including a fiber reinforcement material having an orientation in a second direction having a - ⁇ angle with respect to the reinforcement request direction X.
  • the ⁇ may be about 1 ° to about 44 °, for example, about 20 ° to about 40 °, for example, about 25 ° to about 40 °. Improvement in elongation and energy absorption performance may be maximized by the orientation angle of the fiber reinforcing member in the reinforcing request direction satisfying the above range, and the article to which the reinforcing composite is applied may implement excellent impact resistance.
  • the orientation angle (+ ⁇ ) with respect to the reinforcement request direction of the fiber reinforcement material of the first fiber reinforcement sheet 11 is an orientation angle (- ⁇ with respect to the reinforcement request direction of the fiber reinforcement material of the second fiber reinforcement sheet 12. )
  • the absolute value can be the same. Since the first fiber reinforcing sheet 11 and the second fiber reinforcing sheet 12 include a fiber reinforcing material having the same absolute value of the orientation angle with respect to the direction of the reinforcement request of the article, the rear deformation is compared with the case where the absolute value is different. The effect of preventing may be excellent.
  • the fiber reinforcement of the plurality of fiber reinforcement sheets may not be oriented in a direction having an angle of 0 ° or 90 ° with respect to the direction of the reinforcement request of the article. That is, in this case, the fiber reinforcing material of the fiber reinforcing sheet does not have the orientation in the direction coinciding with the reinforcement demand direction of the article, and also has no orientation in the direction perpendicular to the reinforcement demand direction of the article.
  • the fiber reinforcement When the fiber reinforcement has an orientation of 0 ° with respect to the direction of the reinforcement request of the article, it can be greatly improved in terms of strength and rigidity, but there is a problem in that the required level of shock absorption performance cannot be secured. In addition, when the fiber reinforcing material has an orientation of 90 degrees with respect to the direction of the reinforcement request of the article, there is a problem that the strength and rigidity is rather deteriorated.
  • the fiber reinforcement sheet according to the embodiment of the present invention does not include a fiber reinforcement having an orientation of 0 ° or 90 ° with respect to the direction of the reinforcement request of the article, while at the same time ensuring the required strength and rigidity Significantly improved shock absorption performance can be achieved.
  • the laminate of the plurality of fiber reinforcement sheets includes a laminate of at least one of the first fiber reinforcement sheet and the at least one second fiber reinforcement sheet, wherein the first fiber reinforcement sheet and the second fiber reinforcement sheet
  • Each layer number may be appropriately set according to the overall thickness design of the reinforcement composite and the use and purpose of the article to which the reinforcement composite is to be applied.
  • the laminate of the plurality of fiber reinforcement sheets may include one or more layers of the first fiber reinforcement sheet and the second fiber reinforcement sheet, respectively, and may include, for example, 1 layer to 2000 layers, respectively. have.
  • the laminate of the plurality of fiber reinforcement sheet may include the first fiber reinforcement sheet: the second fiber reinforcement sheet at a lay-up ratio of about 1: 2 to about 2: 1,
  • it may include a lamination ratio of about 1: 1.
  • a lay-up ratio means a number ratio of the number of the first fiber reinforcement sheets and the number of the second fiber reinforcement sheets.
  • the lamination ratio is 2: 3, that is, 1: 1.5.
  • the laminate of the plurality of fiber reinforcement sheets may be obtained by alternately laminating the first fiber reinforcement sheet and the second fiber reinforcement sheet, or may be a plurality of continuously laminated first plurality of fiber reinforcement sheets.
  • the second fiber reinforcement sheet may be laminated.
  • the first fiber reinforcement sheet and the second fiber reinforcement sheet may be alternately laminated. That is, the first fiber reinforcement sheet and the second fiber reinforcement sheet may be alternately stacked one by one.
  • the reinforcement composite may be advantageous to implement a uniform shock absorption performance in all directions, it is possible to effectively prevent the interlayer interfacial peeling of the laminate compared to the case of successive lamination.
  • FIG. 2 schematically shows a cross section of a fiber reinforced sheet 10 according to one embodiment of the invention.
  • the fiber reinforcement sheet 10 includes a fiber reinforcement 20 and a resin matrix 30 having orientation.
  • the fiber reinforcing sheet 10 may have a structure in which the resin matrix 30 is impregnated in the fiber reinforcing member 20.
  • the fiber reinforcing material 20 is a single fiber is oriented side by side in one direction, the resin matrix 30 may be impregnated between the single fiber strands.
  • the resin matrix serves to maintain the orientation of the fiber reinforcement well, it is possible to obtain an advantage that it is easy to control the orientation angle of the fiber reinforcement with respect to the direction of the reinforcement required of the article.
  • the fiber reinforcement may be a continuous fiber.
  • the term 'continuous fiber' refers to a fiber that is not structurally cut and is long and continuous, and refers to a fiber that is present in a continuous form without breaking inside depending on the overall size of the fiber reinforcing sheet. Since the fiber reinforcing material is used in the form of continuous fibers, it is possible to form and maintain the orientation better than when using non-continuous fibers cut to have a predetermined length, such as long fibers or short fibers, to improve impact resistance The control of the orientation angle with respect to the direction of the reinforcement request of the article can be made easier.
  • the fiber reinforcement includes one selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, polypropylene fibers, polyethylene terephthalate fibers, polybutylene terephthalate fibers, polyethylene fibers, natural fibers, and combinations thereof. can do.
  • the fiber reinforcement may include glass fiber or carbon fiber, in which case it is easy to build a facility, it may be advantageous in terms of securing price competitiveness compared to mechanical properties.
  • the fiber reinforcement refers to an aggregate of fiber single strands, each of which has a diameter of a cross section, for example, from about 1 ⁇ m to about 200 ⁇ m, for example from about 1 ⁇ m to about 50 Micrometers, for example, about 1 micrometer to about 30 micrometers, for example, about 1 micrometer to 20 micrometers.
  • Fiber single strands of the fiber reinforcing material may be arranged side by side in one layer to 30 ply while having an orientation by having a cross-sectional diameter of the above range, it may be easy to impregnate the resin matrix in the manufacturing process of the fiber reinforcement sheet. .
  • the fiber reinforcement sheet may be formed to an appropriate thickness.
  • the fiber reinforcing material is illustrated as an example in which a single fiber strand is arranged side by side in two layers, but is not limited thereto.
  • the resin matrix includes a resin, and various kinds of thermoplastic resins or thermosetting resins may be selected and used according to the type of the article and the required performance.
  • the resin base material is a thermoplastic resin, and selected from the group consisting of polypropylene (PP) resin, polyethylene terephthalate (PET) resin, polyethylene (PE) resin, polyamide (PA) resin, and combinations thereof It may include.
  • the resin base material may include one selected from the group consisting of an epoxy resin, a phenol resin, a urea resin, a melamine resin, and a combination thereof as a thermosetting resin.
  • the reinforcement composite can be advantageously applied to articles in which shock absorbing performance is required.
  • the resin matrix may be formed from a composition further comprising one resin selected from the group consisting of the resin as a main material, a heat stabilizer, a coupling agent, a compatibilizer, a plasticizer, a crosslinking agent, and a combination thereof.
  • the fiber reinforcement sheet may include about 10% to about 90% by weight of the fiber reinforcement, for example, about 20% to about 70% by weight. Since the fiber reinforcing sheet contains the fiber reinforcing material in the above range, the reinforcing composite can supplement the strength and rigidity to a certain level or more, and by obtaining the appropriate number of layers of the fiber reinforcing sheet, the reinforcing material having improved elongation and energy absorption can be obtained. Can be.
  • the fiber reinforcement sheet may have a thickness of about 50 ⁇ m to about 10000 ⁇ m, for example, about 50 ⁇ m to about 2000 ⁇ m, for example, about 50 ⁇ m to about 1000 ⁇ m have.
  • the thickness of the fiber reinforcing sheet satisfies the above range, the more the fiber reinforcing sheet has a thinner thickness within the above range, the more excellent the effect of improving the strength and elongation when the reinforcing composite of the same thickness is prepared by stacking a plurality of them. can do.
  • the plurality of fiber reinforcement sheets may be laminated by pressing at high temperatures, thereby producing a reinforcement composite comprising a laminate of the plurality of fiber reinforcement sheets.
  • the temperature and pressure for pressing the plurality of fiber reinforcing sheets is important to select an appropriate temperature and pressure in which the flowability of the resin matrix is maximized while the orientation of the fiber reinforcement is not misaligned.
  • the fiber reinforcement may be an aggregate of glass fibers having a cross-sectional diameter in the aforementioned range
  • the resin matrix may comprise polypropylene resin, in which case the plurality of fiber reinforcement sheets may be about 150
  • the resin may be laminated by pressing at a temperature of about °C to about 250 °C and a pressure of about 0.1Ton to about 200Ton, thereby obtaining the advantage that the orientation of the fiber reinforcement is not misaligned while maximizing the fluidity of the resin matrix.
  • an article comprising said reinforcing composite.
  • the article may be a variety of components installed or applied to the exterior or interior of a vehicle, such as a vehicle, aircraft.
  • Metal parts may be manufactured from a plastic composite material to realize a weight reduction effect and a fuel efficiency improvement effect.
  • an article in which the main body is made of a plastic composite material that is, an article made of a lightweight plastic material does not have a large degree of deformation as compared with an article made of a metal material, and has a problem in that resistance to impact is not good.
  • the strength and rigidity of the metal article may be similarly secured or further improved, and at the same time, the elongation and energy absorption performance is greatly improved. Has the advantage of.
  • the reinforcing composite material may be disposed on the inner surface of the body of the article formed of a separate material, or may be utilized as the material itself forming the body of the article.
  • the reinforcement composite article when placed on the body inner surface of the reinforcement composite article, it may be placed on a surface inside the body of the article, ie, inside the body that is not exposed to the outside when mounted on a vehicle or aircraft.
  • the reinforcement composite material may serve to complement the physical properties without being exposed to the appearance by being disposed on the surface of the inside of the body of the article formed of a separate material, it is easy to form the body of the article at the same time easy to place the reinforcement composite can do.
  • the body of the article formed of a separate material may be formed by injection molding a plastic composite material.
  • the term 'plastic composite material' means a material mainly composed of plastic.
  • the plastic composite material may be a fiber-reinforced plastic composite material including a fiber and a plastic resin including long fibers, short fibers or continuous fibers, the type of the fiber and plastic resin varies depending on the use of the article Can be chosen.
  • the reinforcement composite material may be disposed in a mold in advance when the main body of the article is manufactured by injection molding a plastic composite material, and the plastic composite material is molded into a shape suitable for a purpose by injecting the plastic composite material into a mold to form an article. It can manufacture.
  • the body of the article is formed by injection molding a plastic composite material, which is advantageous in that the reinforcement composite is placed in a mold in advance and integrally inserted into the inner surface of the body, and can be efficient in terms of manufacturing process and manufacturing cost.
  • the reinforcing composite may be utilized as a material forming itself to form the body of the article.
  • the reinforcement composite may have the above-described features to ensure excellent moldability and post-strain resistance, thereby molding itself to make the article.
  • the reinforcement composite may be more advantageous in terms of improving physical properties than when the reinforcement composite is disposed on the inner surface of the body of the article formed of a separate material.
  • the article When the article is mounted on a vehicle, an aircraft, or the like, or when it is operated and used after installation, the article needs a reinforcement required direction as a predetermined direction in which strength and rigidity need to be compensated for according to the external force or load applied thereto.
  • This reinforcement demand direction can be determined by the restraint position, installation conditions, etc. when the article is finally mounted or applied, and most importantly means one direction in which the strength and rigidity need to be supplemented.
  • the article may include the reinforcement composite to obtain an advantage of simultaneously securing a certain level of strength and stiffness and excellent impact resistance.
  • the article has a reinforcement request direction X for external force and load, and the reinforcement composite 100 applied thereto has a first direction having a + ⁇ angle with respect to the reinforcement request direction X.
  • a first fiber reinforcement sheet comprising a fiber reinforcement having an orientation and a second fiber reinforcement sheet including a fiber reinforcement having an orientation in a second direction having a ⁇ angle with respect to the reinforcement demand direction X of the article.
  • the ⁇ may be 1 ° to 44 °, for example, about 20 ° to about 40 °, and for example, about 25 ° to about 40 °. Improvement in elongation and energy absorption performance can be maximized by the orientation angle ( ⁇ ⁇ ) of the fiber reinforcing member with respect to the reinforcing demand direction X of the fiber reinforcement, and the article to which the reinforcing composite is applied can implement excellent impact resistance. have.
  • UD sheets in which a glass fiber having a diameter of 17 ⁇ m in cross section was impregnated into a polypropylene resin matrix were prepared.
  • the thickness of the UD sheet was made 300 ⁇ m.
  • a second fiber reinforcing sheet (B) comprising a fiber reinforcing material having an orientation in the second direction is laminated so as to be alternately laminated at a lamination ratio of 1: 1, thereby forming an A / B / A / B / A / B / A / B structure.
  • the laminate was prepared to have.
  • a reinforcement composite having a thickness of 2.5 mm was prepared by laminating the UD sheets by applying a pressure of 7 tons at a temperature of 220 ° C.
  • the first fiber reinforcement sheet (A) comprising a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 15 ° with respect to the reinforcement demand direction and -15 ° A / A / A / A / B / B / B by laminating the second fiber reinforcing sheet (B) comprising a fiber reinforcing material having an orientation in the second direction having an angle to be laminated at a lamination ratio of 1: 1.
  • the laminate was prepared to have a structure of the same as in Example 1, a reinforcement composite of the same thickness was prepared.
  • the first fiber reinforcement sheet (A) comprises a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 30 ° with respect to the reinforcement request direction of the article
  • the second fiber reinforcement sheet (B) reinforces the article
  • a reinforcement composite having the same thickness was prepared in the same manner as in Example 1, except that the fiber reinforcement having an orientation in the second direction having an angle of -30 ° to the required direction was included.
  • the first fiber reinforcement sheet (A) comprises a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 30 ° with respect to the reinforcement request direction of the article
  • the second fiber reinforcement sheet (B) reinforces the article
  • a reinforcement composite having the same thickness was prepared in the same manner as in Example 2, except that the fiber reinforcement having an orientation in the second direction having an angle of -30 ° to the required direction was included.
  • the first fiber reinforcement sheet (A) comprises a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 37 ° with respect to the reinforcement request direction of the article
  • the second fiber reinforcement sheet (B) reinforces the article
  • a reinforcement composite having the same thickness was prepared in the same manner as in Example 1, except that the fiber reinforcement having an orientation in the second direction having an angle of ⁇ 37 ° with respect to the required direction was included.
  • the first fiber reinforcing sheet A comprising a fiber reinforcing material having an orientation in a first direction having an angle of 0 ° with respect to the required direction of reinforcement of the article, and a second direction having a 90 ° angle.
  • the second fiber reinforcing sheet (B) including a fiber reinforcing material having an orientation property was alternately laminated at a lamination ratio of 1: 1, a reinforcing composite material having the same thickness was prepared.
  • Example 1 300 Lamination ⁇ 15 ° 550 2.4 436
  • Example 2 300 Continuous stacking ⁇ 15 ° 279 1.23 128
  • Example 3 300 Lamination ⁇ 30 ° 268 6.25 832
  • Example 4 300 Continuous stacking ⁇ 30 ° 130 1.95 107
  • Example 5 300 Lamination ⁇ 37 ° 158 14.28 1092 Comparative Example 1 300 Lamination 0 °, 90 ° 516 2.58 533
  • the composite of Examples 1 to 4 according to an embodiment of the present invention while embodying an intensity of about 100 MPa to about 600 MPa, while at the same time elongation of about 1% to about 15%, example, from about 2% to about 15%, for example, can be implemented to be about 5% to about 15%, also, the specific energy absorption of about 100J ⁇ m -3 ⁇ 10 4 to about 1100J ⁇ m -3 ⁇ 10 4 , for example from about 400 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 to about 1100 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 , for example from about 800 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 to about 1100 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 It can be implemented in a range.
  • the reinforcing composite material according to the present invention while implementing a certain level of strength, in particular high elongation and high specific energy absorption performance bar, can have the advantage of high deformation resistance to external force and improved shock absorption performance have.

Landscapes

  • Laminated Bodies (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 물품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +θ°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 - θ°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 보강 복합재를 제공한다. 또한, 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.

Description

보강 복합재 및 이를 포함하는 물품
차량, 항공기 등에 적용되어 강도 및 강성을 보완하는 보강 복합재 및 이를 포함하는 물품에 관한 것이다.
근래에는 원유 가격의 상승 및 에너지 절약에 관한 관심이 크게 증대되고 있으며, 이에 상응하여 차량, 항공기 등의 운송 수단에 있어서 연비를 향상시키고, 경량화를 도모하는 것이 중요한 요소 중 하나이다.
기존의 차량 및 항공기 등을 구성하는 부품들은 대부분이 금속을 주요 재질로 하여 높은 강도 및 강성을 확보하고자 하였다. 부품들이 금속으로 제조되는 경우에는 가공 시 비용이 많이 들고, 중량이 커서 연비 향상 또는 경량화에 불리한 면이 있었다. 따라서, 최근에는 다양한 부품들이 경량화 도모 목적에 부합하도록 금속 대신 플라스틱을 주요 재질로 하여 제조되고 있다. 플라스틱은 일반적으로 금속에 비하여 비중이 약 1/4 내지 약 1/5 정도 수준이므로 경량화 효과를 얻을 수 있고, 연비를 향상시킬 수 있다.
다만, 금속은 파괴에 대한 저항이 높아서 외력에 의한 영구 변형을 통해 최대 강도 도달 후에도 재료의 완전한 파단을 지연시키고, 에너지를 저장하며, 변형도가 큰 장점이 있다. 이에 비해, 플라스틱 재료의 경우 매우 작은 신율에서 재료의 최대 강도를 보인 후 급격한 파단이 이루어지는 형태의 거동을 보이며, 외력이 가해졌을 때, 파단 전에 영구 변형이 이루어지지 않고, 변형도가 적은 단점이 있다.
따라서, 경량화 소재 개발에 부합하여 기계적 물성을 확보하면서, 변형도가 높은 복합 재료의 개발이 중요해지고 있다.
본 발명의 일 구현예는 강도 및 강성 측면에서 필요한 수준의 기계적 물성을 확보하면서도 신율 및 에너지 흡수 성능이 높아 내충격성이 향상된 보강 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 보강 복합재를 포함하는 물품에 관한 것으로, 우수한 충격 흡수 성능과 함께 연비 향상 효과 및 경량화 효과를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 물품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 보강 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.
상기 보강 복합재는 강도 및 강성 측면에서 일정 수준 이상의 기계적 물성을 확보하면서도, 높은 신율 및 높은 에너지 흡수 성능을 바탕으로 이를 적용한 물품에 향상된 충격 흡수 성능을 부여할 수 있다.
또한, 상기 보강 복합재를 적용한 물품은 외력에 대한 변형도가 높아지고, 우수한 내충격성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 보강 복합재의 분해 조립도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 보강 시트의 단면을 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 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
본 발명의 일 구현예에서, 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하는 보강 복합재를 제공한다.
이때, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트 및 적어도 하나의 제2 섬유 보강시트를 포함하며, 상기 제1 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트이고, 상기 제2 섬유 보강 시트는 상기 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트이다.
본 명세서에서 '보강 요구 방향(Reinforcement required direction)'이란 상기 보강 복합재를 적용한 물품이 차량 또는 항공기 등에 장착될 때, 혹은 장착 이후 차량 또는 항공기 등이 가동 및 운동할 때, 외부에서 가해지는 외력 또는 하중을 고려하여 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향을 의미한다. 이러한 보강 요구 방향은 상기 보강 복합재가 적용된 물품이 차량 또는 항공기 등의 부품으로 이에 장착될 때의 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.
상기 보강 복합재는 상기 보강 요구 방향에 대하여 전술한 범위의 각도를 갖는 2 종류의 섬유 보강 시트가 복수로 적층된 적층체를 함유함으로써 일정 수준의 강도 및 강성을 확보하면서, 향상된 신율 및 에너지 흡수 성능을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 보강 복합재의 분해 조립도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조할 때, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 보강 복합재(100)는 복수의 섬유 보강 시트(10)를 적층한 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트(10)는 배향성을 갖는 섬유 보강재(20); 및 수지 기지재(30)를 포함한다. 이때, '배향성'을 갖는다는 것은 상기 섬유 보강재(20)의 섬유 단일 가닥들이 어느 일 방향으로 나란히 배열된 것을 의미한다. 이러한 섬유 보강재(20)를 포함하는 섬유 보강 시트(10)는 소위 UD 시트(unidirection sheet) 또는 UD 프리프레그(unidirection prepreg)라고도 한다. 즉, 상기 보강 복합재(100)는 복수의 UD 시트 또는 복수의 UD 프리프레그의 적층체를 포함할 수 있다.
도 1을 참조할 때, 상기 복수의 섬유 보강 시트(10)는 보강 요구 방향(X)에 대하여 +θ 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(11)와 상기 보강 요구 방향(X)에 대하여 -θ 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(12)를 포함한다.
또한, 상기 θ는 약 1° 내지 약 44°일 수 있고, 예를 들어, 약 20°내지 약 40°일 수 있고, 예를 들어, 약 25°내지 약 40°일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도가 상기 범위를 만족함으로써 신율 및 에너지 흡수 성능의 향상이 극대화될 수 있고, 상기 보강 복합재를 적용한 물품이 우수한 내충격성을 구현할 수 있다.
또한, 상기 제1 섬유 보강 시트(11)의 섬유 보강재의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도(+θ)는 상기 제2 섬유 보강 시트(12)의 섬유 보강재의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도(-θ)와 절대값이 동일할 수 있다. 상기 제1 섬유 보강 시트(11)와 상기 제2 섬유 보강 시트(12)가 물품의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도의 절대값이 동일한 섬유 보강재를 포함함으로써 그 절대값이 상이한 경우에 비하여 후변형을 방지하는 효과가 우수할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 섬유 보강재는 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 0°또는 90°각도를 갖는 방향으로 배향성을 갖지 않을 수 있다. 즉, 이 경우, 상기 섬유 보강 시트의 섬유 보강재는 상기 물품의 보강 요구 방향과 일치하는 방향으로 배향성을 갖지 않으며, 또한 상기 물품의 보강 요구 방향과 수직한 방향으로 배향성을 갖지 않는다.
상기 섬유 보강재가 물품의 보강 요구 방향에 대하여 0°의 배향성을 갖는 경우, 강도 및 강성 측면에서 크게 향상될 수는 있으나, 요구되는 수준의 충격 흡수 성능을 확보할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 상기 섬유 보강재가 물품의 보강 요구 방향에 대하여 90°의 배향성을 갖는 경우 강도 및 강성이 오히려 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 섬유 보강 시트는 물품의 보강 요구 방향에 대하여 0°또는 90°의 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하지 않음으로써 기본적으로 요구되는 강도 및 강성을 확보함과 동시에 현저히 향상된 충격 흡수 성능을 구현할 수 있다.
상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 적어도 하나의 상기 제1 섬유 보강 시트와 적어도 하나의 상기 제2 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트의 각각의 층수는 보강 복합재의 전체 두께 설계와 보강 복합재가 적용될 물품의 용도 및 목적에 따라 적절히 설정할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트와 상기 제2 섬유 보강 시트를 각각 1층 이상 포함할 수 있고, 예를 들어, 각각 1층 내지 2000층 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 : 상기 제2 섬유 보강 시트를 약 1 : 2 내지 약 2 : 1의 적층비(lay-up ratio)로 포함할 수 있고, 예를 들어 약 1 : 1의 적층비로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 적층비(lay-up ratio)란, 상기 제1 섬유 보강 시트의 개수와 상기 제2 섬유 보강 시트의 개수의 개수비를 의미한다. 예를 들어, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체가 상기 제1 섬유 보강 시트를 2층, 상기 제2 섬유 보강 시트를 3층 포함하는 경우 적층비는 2 : 3, 즉, 1 : 1.5가 된다. 이와 같이, 상기 제1 섬유 보강 시트와 상기 제2 섬유 보강 시트가 약 1 : 2 내지 약 2 : 1의 적층비(lay-up ratio)를 갖도록 각각의 층수를 설정함으로써 상기 보강 복합재를 적용한 물품의 내충격성이 크게 향상될 수 있고, 물품의 모든 방향에 대해 고른 강도 및 강성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트가 교호 적층된 것이거나, 연속적으로 적층된 복수의 제1 섬유 보강 시트와 연속적으로 적층된 복수의 제2 섬유 보강 시트가 적층된 것일 수도 있다.
예를 들어, 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트는 교호 적층될 수 있다. 즉, 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트가 각각 1층씩 교대로 적층될 수 있다. 이 경우, 상기 보강 복합재가 전방향으로 고른 충격 흡수 성능을 구현하기에 유리할 수 있고, 연속적으로 적층한 경우에 비하여 적층체의 층간 계면 박리를 효과적으로 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 보강 시트(10)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조할 때, 상기 섬유 보강 시트(10)는 배향성을 갖는 섬유 보강재(20) 및 수지 기지재(30)를 포함한다.
도 2를 참조할 때, 구체적으로, 상기 섬유 보강 시트(10)는 상기 수지 기지재(30)가 상기 섬유 보강재(20)에 함침된 구조일 수 있다. 상기 섬유 보강재(20)는 섬유 단일 가닥들이 일 방향으로 나란하게 배향된 것으로, 상기 수지 기지재(30)는 상기 섬유 단일 가닥들 사이사이에 침투되어 함침될 수 있다. 이러한 구조를 통하여, 상기 수지 기지재는 상기 섬유 보강재의 배향성을 잘 유지시키는 역할을 하며, 상기 섬유 보강재의 배향 각도를 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 제어하기 용이한 이점을 얻을 수 있다.
상기 섬유 보강재는 연속 섬유일 수 있다. 상기 '연속 섬유'란 구조적으로 절단되지 않고 길게 연속되어 있는 섬유를 의미하며, 상기 섬유 보강 시트의 전체 크기에 의존하여 그 내부에서 끊어지지 않고 연속적인 형태로 존재하는 섬유를 의미한다. 상기 섬유 보강재가 연속 섬유의 형태로 사용됨으로써, 장섬유 또는 단섬유와 같이 소정의 길이를 갖도록 절단된 비연속 섬유를 사용하는 경우에 비하여 배향성을 더 잘 형성하고 유지할 수 있으며, 내충격성 향상을 위하여 상기 물품의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도의 제어를 더욱 용이하게 할 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 보강재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있고, 이 경우 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리할 수 있다.
상기 섬유 보강재는 섬유 단일 가닥들의 집합체를 지칭하는 것이며, 상기 섬유 단일 가닥들은 각각 단면의 직경이, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 200㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 50㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 30㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 섬유 단일 가닥들이 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 배향성을 가지면서 1겹 내지 30겹으로 나란히 배열될 수 있고, 상기 섬유 보강 시트의 제조 과정에서 상기 수지 기지재의 함침이 용이할 수 있다. 또한, 상기 섬유 보강 시트가 적절한 두께로 형성될 수 있다.
도 2에서는 상기 섬유 보강재가 섬유 단일 가닥들이 2겹으로 나란히 배열된 구조를 예시로 도시한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다
상기 수지 기지재(matrix)는 수지를 포함하는 것으로, 물품의 종류 및 요구되는 성능에 따라 다양한 종류의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 선택하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 수지 기지재는 열가소성 수지로서, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 수지 기지재는 열경화성 수지로서, 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 섬유 보강 시트가 전술한 종류의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 사용하는 경우, 상기 보강 복합재가 충격 흡수 성능이 주요하게 요구되는 물품에 적용되기 유리한 이점을 얻을 수 있다.
상기 수지 기지재는 상기 수지를 주재료로 하면서, 적절하게는 열안정제, 커플링제, 상용화제, 가소제, 가교제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 첨가제를 더 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있다.
상기 섬유 보강 시트는 상기 섬유 보강재를 약 10중량% 내지 약 90중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 20중량% 내지 약 70중량% 포함할 수 있다. 상기 섬유 보강 시트가 섬유 보강재를 상기 범위의 함량으로 함유함으로써 상기 보강 복합재가 강도 및 강성을 일정 수준 이상으로 보완할 수 있고, 적절한 층수의 섬유 보강 시트를 적층하여 신율 및 에너지 흡수율이 향상된 보강재를 얻을 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유 보강 시트는 두께가 약 50㎛ 내지 약 10000㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎛ 내지 약 2000㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎛ 내지 약 1000㎛일 수 있다. 상기 섬유 보강 시트의 두께가 상기 범위를 만족함으로써 상기 섬유 보강 시트가 상기 범위 내에서 얇은 두께를 가질수록, 이들을 복수로 적층하여 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였을 때, 강도 및 신율의 향상 효과가 우수할 수 있다.
상기 복수의 섬유 보강 시트는 고온에서 가압함으로써 합지될 수 있고, 이로써 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하는 보강 복합재를 제조할 수 있다. 상기 복수의 섬유 보강 시트를 가압하는 온도 및 압력은 상기 수지 기지재의 유동성이 최대화되면서 상기 섬유 보강재의 배향성이 틀어지지 않는 적절한 온도 및 압력을 선택하는 것이 중요하다.
일 구현예에서, 상기 섬유 보강재는 단면의 직경이 전술한 범위를 갖는 유리 섬유의 집합체일 수 있고, 상기 수지 기지재는 폴리프로필렌 수지를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 복수의 섬유 보강 시트는 약 150℃ 내지 약 250℃의 온도 및 약 0.1Ton 내지 약 200Ton의 압력에서 가압하여 합지될 수 있고, 이로써 상기 수지 기지재의 유동성이 최대화되면서 상기 섬유 보강재의 배향성이 틀어지지 않는 이점을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.
상기 물품은 차량, 항공기 등의 운송 수단(vehicle)의 외부 또는 내부에 설치 또는 적용되는 다양한 부품일 수 있다.
종래에는 이러한 부품들이 대부분 금속 재질로 제조되었다. 금속 재질의 부품들은 경량화 효과 및 연비 향상의 효과를 구현하기 위하여 그 본체를 플라스틱 복합재료로 제조할 수 있다. 이와 같이, 본체가 플라스틱 복합재료로 제조되는 물품, 즉, 경량화 플라스틱 재질의 물품은 금속 재질의 물품에 비하여 변형도가 크지 않고, 충격에 대한 저항성이 좋지 못한 문제가 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 보강 복합재를 플라스틱 재질의 물품에 적용하는 경우, 금속 재질의 물품 대비 강도 및 강성을 유사하게 확보하거나 더 향상시킬 수 있고, 이와 동시에 신율 및 에너지 흡수 성능을 크게 향상시키는 이점을 갖는다.
상기 보강 복합재는 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부 표면에 배치될 수도 있고, 물품의 본체를 이루는 재질 자체로 활용될 수도 있다.
구체적으로, 상기 보강 복합재 물품의 본체 내부 표면에 배치되는 경우, 상기 물품의 본체 내부, 즉, 차량 또는 항공기에 장착되었을 때 외부로 드러나지 않는 본체 내부의 표면 상에 배치될 수 있다. 상기 보강 복합재는 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부의 표면에 배치됨으로써 외관으로 드러나지 않으면서 물성을 보완하는 역할을 수행할 수 있고, 상기 물품의 본체를 성형하는 동시에 상기 보강 복합재를 배치하기에 용이할 수 있다.
구체적으로, 상기 별도의 재질로 형성된 물품의 본체는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성될 수 있다. 본 명세서에서, '플라스틱 복합재료'란 플라스틱을 주요 성분으로 하는 재료를 의미한다. 예를 들어, 상기 플라스틱 복합재료는 장섬유, 단섬유 또는 연속섬유를 포함하는 섬유와 플라스틱 수지를 포함하는 섬유 강화 플라스틱 복합재료일 수 있고, 상기 섬유 및 플라스틱 수지의 종류는 물품의 용도에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
상기 보강 복합재는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 상기 물품의 본체를 제조할 때, 미리 금형에 배치될 수 있고, 상기 플라스틱 복합재료를 금형에 사출하여 용도에 적합한 형상으로 성형함으로써 상기 복합재가 적용된 물품을 제조할 수 있다. 상기 물품의 본체가 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성됨으로써 상기 보강 복합재를 미리 금형에 배치하여 본체의 내부 표면에 일체로 삽입시키기 유리하고, 제조 공정 및 제조 비용의 측면에서 효율적일 수 있다.
대안적으로, 상기 보강 복합재는 그 자체를 성형하여 물품의 본체를 이루는 재질로 활용될 수 있다. 상기 보강 복합재는 전술한 특징들을 가짐으로써 우수한 성형성 및 후-변형 방지 성능을 확보할 수 있고, 이로써 그 자체를 성형하여 상기 물품을 제조할 수 있다. 이 경우, 상기 보강 복합재가 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부 표면에 배치되는 경우보다 물성 향상의 측면에서 더 유리할 수 있다.
상기 물품은 차량, 항공기 등에 장착될 때, 또는 장착 이후 이를 가동 및 사용할 때, 이에 가해지는 외력 또는 하중에 따라 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향으로서 보강 요구 방향(Reinfocement required direction)을 가진다. 이러한 보강 요구 방향은 상기 물품이 최종적으로 장착 또는 적용될 때 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.
이때, 상기 보강 복합재에 관한 사항은 전술한 바와 동일하다. 일 구현예에서, 상기 물품은 상기 보강 복합재를 포함함으로써 일정 수준의 강도 및 강성과 우수한 내충격성을 동시에 확보하는 이점을 얻을 수 있다.
도 1을 참조할 때, 상기 물품은 외력 및 하중에 대한 보강 요구 방향(X)을 가지며, 이에 적용된 상기 보강 복합재(100)는 상기 보강 요구 방향(X)에 대해 +θ 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트와 상기 물품의 보강 요구 방향(X)에 대하여 -θ 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트의 적층체를 포함한다.
또한, 전술한 바와 같이 상기 θ는 1° 내지 44°일 수 있고, 예를 들어, 약 20°내지 약 40°일 수 있고, 예를 들어, 약 25°내지 약 40°일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 보강 요구 방향(X)에 대한 배향 각도(±θ)가 상기 범위를 만족함으로써 신율 및 에너지 흡수 성능의 향상이 극대화될 수 있고, 상기 보강 복합재를 적용한 물품이 우수한 내충격성을 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들은 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1
단면의 직경이 17㎛인 유리 섬유가 폴리프로필렌 수지 기지재에 함침된 8장의 UD 시트를 준비하였다. 상기 UD 시트의 두께는 300㎛로 제조되었다. 상기 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때 보강 요구 방향에 대해 +15°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 -15°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 1 : 1의 적층비로 교호 적층되도록 적층하여, A/B/A/B/A/B/A/B구조를 갖도록 적층체를 제조하였다. 이어서, 220℃의 온도에서 7ton의 압력을 가해 상기 UD 시트들을 합지함으로써 2.5mm 두께를 갖는 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 2
상기 8장의 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때, 보강 요구 방향에 대해 +15°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 -15°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 1 : 1의 적층비로 연속 적층되도록 적층하여 A/A/A/A/B/B/B/B의 구조를 갖도록 적층체를 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 3
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +30°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -30°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 4
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +30°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -30°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 5
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +37°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -37°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
비교예 1
상기 UD 시트를 8장 준비하고, 물품의 보강 요구 방향에 대해 0°각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 90°각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 1 : 1의 적층비로 교호 적층한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
<평가>
실험예 1: 강도의 측정
상기 실시예 및 비교예의 각각의 보강 복합재에 대하여 ASTM 3039 규격에 의거하여 강도를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
실험예 2: 신율의 측정
상기 실시예 및 비교예의 각각의 보강 복합재에 대하여 ASTM 3039 규격에 의거하여 신율을 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
실험예 3: 비에너지 흡수량의 측정
상기 실시예 및 비교예의 보강 복합재에 대하여 ASTM 3039규격에 의거하여 얻은 S-S Curve의 면적을 구하여 비에너지 흡수량을 도출하였고, 그 결과는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.
UD시트두께[㎛] 적층방법 ±θ° 강도[MPa] 신율[%] 비에너지 흡수량 [J·m-3·104]
실시예 1 300 교호적층 ±15° 550 2.4 436
실시예 2 300 연속적층 ±15° 279 1.23 128
실시예 3 300 교호적층 ±30° 268 6.25 832
실시예 4 300 연속적층 ±30° 130 1.95 107
실시예 5 300 교호적층 ±37° 158 14.28 1092
비교예 1 300 교호적층 0°, 90° 516 2.58 533
상기 표 1의 결과를 참조할 때, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 실시예 1 내지 4의 복합재는 약 100MPa 내지 약 600MPa의 강도를 구현하면서, 동시에 신율을 약 1% 내지 약 15%, 예를 들어, 약 2% 내지 약 15%, 예를 들어 약 5% 내지 약 15%로 구현할 수 있고, 또한, 비에너지 흡수량을 약 100J·m-3·104 내지 약 1100J·m-3·104, 예를 들어, 약 400J·m-3·104 내지 약 1100J·m-3·104, 예를 들어, 약 800J·m-3·104 내지 약 1100J·m-3·104의 범위로 구현할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 보강 복합재는 강도는 일정 수준 이상을 구현하면서, 특히 높은 신율과 높은 비에너지 흡수 성능을 구현하는바, 외력에 대한 변형도가 높고 향상된 충격 흡수 성능을 구현하는 이점을 가질 수 있다.
<부호의 설명>
100: 보강 복합재
10: 섬유 보강 시트
11: 제1 섬유 보강 시트
12: 제2 섬유 보강 시트
20: 섬유 보강재
30: 수지 기지재
X: 보강 요구 방향

Claims (10)

  1. 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고,
    상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고,
    상기 복수의 섬유 보강 시트는 물품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하는 보강 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 상기 물품의 보강 요구 방향에 대해 0°또는 90°각도를 갖는 방향으로 배향성을 갖지 않는
    보강 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 : 상기 제2 섬유 보강 시트를 1 : 2 내지 2 : 1의 적층비(lay-up ratio)로 포함하는
    보강 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 연속 섬유인
    보강 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    보강 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수지 기지재는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는
    보강 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수지 기지재는 폴리프로필렌계 수지, 방향족 폴리아미드계 수지, 지방족 폴리아미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    보강 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강 시트는 상기 섬유 보강재를 10중량% 내지 90중량% 포함하는
    보강 복합재.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 보강 복합재를 포함하는 물품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보강 복합재가 물품의 본체 내부 표면에 배치되거나; 물품의 본체를 이루는
    물품.
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