WO2018044007A1 - 섬유 강화 복합재 및 이를 이용한 자동차용 내·외장재 - Google Patents

섬유 강화 복합재 및 이를 이용한 자동차용 내·외장재 Download PDF

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Definitions

  • Composites utilized for various purposes are made of a combination of two or more materials, generally can be prepared by mixing a glass fiber or carbon fiber and the like as a reinforcing material to a polymer resin.
  • a thermoplastic resin composition containing a fibrous filler and silicone rubber as an essential component as a composite material and a molded article manufactured using the same.
  • Such a composite material can be utilized in industrial fields requiring high strength and rigidity, and it is necessary to study to secure light weight at the same time having excellent strength and rigidity with excellent flexibility.
  • One embodiment of the present invention provides a fiber-reinforced composite with improved flexural performance while maintaining light weight.
  • the intermediate layer and a surface layer laminated on both sides of the intermediate layer comprises a first thermoplastic resin and a first inorganic fiber
  • the surface layer is a second thermoplastic resin and a second inorganic fiber
  • the weight percent content of the total of each of the surface layer of the second inorganic fiber is greater than the weight percent content of the total of the intermediate layer of the first inorganic fiber provides a fiber reinforced composite.
  • a vehicle interior and exterior material comprising a molding formed from the fiber-reinforced composite.
  • the fiber-reinforced composite material can ensure excellent flexural performance such as significantly superior flexural strength and flexural modulus while maintaining light weight. As a result, it can be utilized for automotive interior and exterior materials that require excellent flexural strength and flexural modulus, and lightweight.
  • FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of a fiber reinforced composite 100 according to one embodiment of the invention.
  • the intermediate layer and a surface layer laminated on both sides of the intermediate layer comprises a first thermoplastic resin and a first inorganic fiber
  • the surface layer is a second thermoplastic resin and a second inorganic fiber
  • the weight percent content of the total of each of the surface layer of the second inorganic fiber is greater than the weight percent content of the total of the intermediate layer of the first inorganic fiber provides a fiber reinforced composite.
  • the composite may be prepared by mixing a fiber reinforcing material such as inorganic fibers in a thermoplastic resin.
  • a fiber reinforcing material such as inorganic fibers
  • thermoplastic resin e.g., polymethyl methacrylate
  • the fiber-reinforced composite may exhibit a significantly superior flexural strength and flexural modulus while maintaining lightness, including a low content of inorganic fibers as a whole.
  • the fiber reinforced composite 100 schematically shows a cross-sectional view of a fiber reinforced composite 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the fiber reinforced composite 100 is laminated on both surfaces of the intermediate layer 10 and the intermediate layer. It has a sandwich structure including the surface layer 20 is made.
  • the fiber reinforced composite 100 may include the intermediate layer 10 or the surface layer 20 as a single layer, or may include multiple layers.
  • the fiber reinforced composite may have a thickness of about 5.5 to about 7.5 mm.
  • the fiber-reinforced composite may have a thickness in the above range, exhibiting significantly superior flexural strength and flexural modulus.
  • the intermediate layer includes a first thermoplastic resin and a first inorganic fiber
  • the surface layer laminated on both surfaces of the intermediate layer includes a second thermoplastic resin and a second inorganic fiber.
  • the weight percent content of each of the second inorganic fibers included in each surface layer of the fiber reinforced composite is greater than the weight percent content of the first inorganic fibers included in the intermediate layer. That is, the fiber-reinforced composite material can increase the content of the second inorganic fiber of the surface layer located on the outer shell, thereby exhibiting excellent bending strength and bending elastic modulus.
  • the fiber-reinforced composite material is lower than the content of the second inorganic fiber of the first inorganic fiber of the intermediate layer located between the surface layer, the total of the first inorganic fiber and the second inorganic fiber of the fiber reinforced composite The content can be lowered. Accordingly, the fiber-reinforced composite material can exhibit flexural performance such as excellent flexural strength and flexural modulus while maintaining lightness.
  • the content of the second inorganic fiber included in each of the surface layers may be greater than about 60 to about 90 wt%.
  • the fiber-reinforced composite material includes the second inorganic fibers in the above range in each of the outer surface layers located in the outer shell so that the second inorganic fibers are properly impregnated in the second thermoplastic resin to prevent voids from occurring in the surface layer. can do. Accordingly, it is possible to exhibit flexural performance such as excellent flexural strength and flexural modulus.
  • the content of the first inorganic fiber included in the intermediate layer may be about 30 wt% to about 60 wt%. Since the first inorganic fiber is included in the intermediate layer in the content of the above range, the fiber-reinforced composite material including the same may exhibit excellent bending strength and flexural modulus while maintaining light weight.
  • the content of the first inorganic fiber and the second inorganic fiber of the entire fiber reinforced composite may be about 50 to about 70 wt%.
  • the content of the first inorganic fiber and the second inorganic fiber contained in the fiber-reinforced composite as a whole may be less than the content of the second inorganic fiber included in each surface layer. Accordingly, the fiber-reinforced composite can ensure excellent bending performance such as significantly superior flexural strength and flexural modulus while maintaining weight reduction. As a result, it can be utilized for automotive interior and exterior materials that require excellent flexural strength and flexural modulus, and lightweight.
  • the fiber reinforced composite may have a flexural strength of about 350 MPa to about 500 MPa by ASTM D790. Flexural strength is the maximum tensile stress at break in a bending test.
  • the fiber reinforced composite includes the intermediate layer and a surface layer laminated on both sides of the intermediate layer, and includes the weight percent content of the second inorganic fiber contained in the entirety of each of the surface layers located on the outer surface of the fiber reinforced composite in the entire intermediate layer. By greater than the weight percent content of the first inorganic fiber, it can have excellent flexural strength in the above range.
  • the fiber reinforced composite may have a flexural modulus of about 15 GPa to about 30 GPa by ASTM D790. Flexural modulus represents the degree of force that resists bending when a force is applied from the outside. It can be seen that the fiber-reinforced composite material has excellent flexural modulus as well as flexural strength.
  • the fiber-reinforced composite material can secure excellent flexural strength and flexural modulus without the phenomenon of cracking or chipping, and at the same time can maintain light weight.
  • Each of the first inorganic fibers included in the intermediate layer or the second inorganic fibers included in each of the surface layers may be the same or different kinds.
  • it may include one selected from the group consisting of carbon fiber, glass fiber, aramid and combinations thereof.
  • the average diameter of the cross section of each of the first inorganic fiber or the second inorganic fiber may be 15 ⁇ m to 20 ⁇ m. Since the first inorganic fiber or the second inorganic fiber has a diameter in the above range, it can be contained in the fiber-reinforced composite material in a high content to implement excellent flexural strength and flexural rigidity, it is advantageous to ensure the lightweight properties, manufacturing It may be advantageous in terms of processability of the process.
  • each of the first inorganic fiber or the second inorganic fiber may be included in the form of a continuous fiber.
  • the continuous fiber means that it is present in a continuous form without breaking inside depending on the final size of the fiber-reinforced composite material.
  • the continuous fibers can be made in a continuous process, and by supplying the continuous fibers continuously to such continuous processes, fiber reinforced composites comprising continuous fibers are produced. can do.
  • the fiber reinforced composite can be made into a product of a particular shape, such as a sheet, in which the continuous fiber has a specific range of lengths depending on the shape of the product.
  • this particular range of lengths should be viewed as having a 'continuity' in that it can be arbitrarily controlled in the manufacturing process in which the continuous fibers are continuously fed, and most of the continuous fibers, such as continuous fibers in a UD sheet or fabric, If it does not break inside the product, it has continuity.
  • the fiber-reinforced composite material includes continuous fibers rather than long or short fibers, there is no problem of dispersibility of the fibers and may include a high content of fibers. Accordingly, the fiber-reinforced composites have improved mechanical properties, such as excellent surface quality and even physical properties, high strength properties, and the like.
  • short fibers means fibers of about 1 mm or less
  • long fibers may mean fibers of about 50 mm or less.
  • the fiber-reinforced composite material can be provided with excellent flexural strength and flexural modulus by including inorganic fibers in the form of continuous fibers.
  • the fiber reinforced composite may comprise about 40% to about 70% by weight of thermoplastic resin.
  • the thermoplastic resin may be included in the content in the above range so that the fibers may be impregnated evenly during the manufacturing process, and the fiber-reinforced composite may secure a predetermined level or more of supporting performance.
  • the intermediate layer may include about 40 wt% to about 70 wt% of the first thermoplastic resin, and each of the surface layers may include about 10 wt% to about 40 wt% of the second thermoplastic resin.
  • the thermoplastic resin may be included in the content in the above range so that the fibers may be impregnated evenly during the manufacturing process, and the fiber-reinforced composite may secure a predetermined level or more of supporting performance.
  • thermoplastic resin included in the intermediate layer or the second thermoplastic resin included in each of the surface layers may be the same or different kinds.
  • aromatic vinyl resin rubber modified aromatic vinyl resin
  • polyphenylene ether resin polycarbonate resin
  • polyester resin methacrylate resin
  • polyarylene sulfide resin polyamide resin
  • polyamide resin It may include one selected from the group consisting of polyvinyl chloride-based resin, polyolefin-based resin and combinations thereof.
  • the thermoplastic resin may include a polyolefin resin, and specifically, may include a polypropylene resin.
  • the thermoplastic resin includes a polypropylene-based resin, it may be advantageous in terms of price competitiveness and may be advantageous in improving flexural strength and flexural modulus characteristics of the fiber reinforced composite.
  • the polypropylene-based resin may include polypropylene alone or a resin in which polypropylene and other types of monomers are copolymerized.
  • the surface layer is a unidirectional continuous fiber reinforced plastic impregnated sheet formed by impregnating the second inorganic fiber into the second thermoplastic resin
  • the intermediate layer is a unidirectional continuous fiber reinforced plastic formed by impregnating the first inorganic fiber into the first thermoplastic resin. Impregnated sheets.
  • the unidirectional continuous fiber-reinforced plastic impregnated sheet may be a sheet formed by including and oriented inorganic fibers in one direction in a thermoplastic resin that is a base material.
  • the unidirectional continuous fiber-reinforced plastic impregnated sheet is manufactured by a method of impregnating inorganic fibers side by side and then impregnated in a liquid resin, or in a method such as hot pressing after laminating inorganic fibers and thermoplastic resin sheets arranged side by side.
  • the thermoplastic resin may be prepared by impregnating the inorganic fiber by applying heat thereto, and may be prepared without limitation by known methods, and commercially available.
  • usually continuous fibers are commercially available as fiber filament bundles, which unfold such fiber filament bundles to a desired thickness (also referred to as 'broadening'), and in turn extend these unfolded fiber filament bundles in the width direction.
  • the fiber filaments When arranged in, the fiber filaments may be continuously arranged side by side in the width direction to have a sheet shape. After stacking the resin sheets up, down, or up and down of the continuous fibers arranged side by side in sheet form, heat is applied so that the molten resin is impregnated into the inorganic fibers and impregnated to form a unidirectional continuous fiber reinforced plastic impregnated sheet. It can manufacture.
  • the fiber reinforced composite may comprise continuous fibers such that the continuous fibers have a single orientation, such as a UD sheet.
  • the fiber reinforced composite 100 includes a continuous fiber 30, wherein the continuous fiber may have a single orientation in the fiber reinforced composite. Since the continuous fibers have a single orientation in the fiber reinforced composite, it is advantageous to secure excellent flexural strength and flexural modulus, and is properly mixed with the thermoplastic resin in the fiber reinforced composite to improve the flexural performance of the fiber reinforced composite. It may be more advantageous to.
  • the first inorganic fibers included in the intermediate layer and the second inorganic fibers included in the surface layer may have a single same orientation. Accordingly, the fiber reinforced composite material including the intermediate layer and the surface layer laminated on both surfaces of the intermediate layer may exhibit excellent bending characteristics such as more improved flexural strength and flexural modulus.
  • the continuous fibers have a single orientation means that when one particular fiber strand is selected from the continuous fibers in the thermoplastic resin, the angle of the particular continuous fibers with any other continuous fibers is about 10 ° or less, specifically about It should be understood to include cases of less than or equal to 5 °, and not only to be completely parallel to each other, but also to cases that are not parallel to an error range that is difficult to identify when visually observed.
  • a vehicle interior and exterior material comprising a molding formed from the fiber-reinforced composite.
  • the fiber-reinforced composite material can secure excellent flexural performance such as significantly superior flexural strength and flexural modulus while maintaining lightness. As a result, it can be utilized for automotive interior and exterior materials that require excellent flexural strength and flexural modulus, and lightweight.
  • the fiber-reinforced composite may be manufactured into a molding by a compounding method through an extruder, a pultrusion method or a method through an extruder and an impregnation mold.
  • the molding may include, for example, exterior materials such as back beams, seat backs, bonnets, roofs, and steering column covers, consoles, door panels, columns, supports, handles, buttons, handles.
  • exterior materials such as back beams, seat backs, bonnets, roofs, and steering column covers, consoles, door panels, columns, supports, handles, buttons, handles.
  • flexural strength and flexural modulus such as interior materials such as, and safety screens, it can be used for automotive interior and exterior materials requiring lightweight.
  • thermoplastic resin composition composed of polypropylene homopolymerized resin was prepared. Subsequently, the thermoplastic resin was introduced into the composite material in the form of a continuous fiber from a roving form to the thermoplastic resin. 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 unidirectional continuous fiber reinforced plastic impregnated sheet.
  • a 1 mm thick unidirectional continuous fiber-reinforced plastic impregnated sheet including 65 wt% of glass fiber and 35 wt% of polypropylene as a second inorganic fiber was prepared as a surface layer, and 55 wt% of glass fiber as the first inorganic fiber and A 4.4 mm thick unidirectional continuous fiber reinforced plastic impregnated sheet comprising 45 wt% polypropylene was prepared as an intermediate layer.
  • a fiber reinforced composite of 6.4 mm was prepared by laminating each surface layer on both sides of the intermediate layer so that the first inorganic fiber and the second inorganic fiber had the same unidirectional orientation.
  • a 1 mm thick unidirectional continuous fiber-reinforced plastic impregnated sheet comprising 70% by weight of glass fiber and 30% by weight of polypropylene as the second inorganic fiber was prepared as the surface layer, and 50% by weight of glass fiber and polypropylene as the first inorganic fiber.
  • a 6.4 mm fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1 except that a 4.4 mm thick unidirectional continuous fiber reinforced plastic impregnated sheet containing 50 wt% was prepared as an intermediate layer.
  • a 1 mm thick unidirectional continuous fiber-reinforced plastic impregnated sheet comprising 75 wt% glass fiber and 25 wt% polypropylene as a second inorganic fiber was prepared as a surface layer, and 45 wt% glass fiber and polypropylene as a first inorganic fiber.
  • a 6.4 mm fiber-reinforced composite material was prepared in the same manner as in Example 1, except that a 4.4 mm thick unidirectional continuous fiber reinforced plastic impregnated sheet containing 55 wt% was prepared as an intermediate layer.
  • thermoplastic resin composition composed of polypropylene homopolymerized resin was prepared. Subsequently, the thermoplastic resin was introduced into the composite material in the form of a continuous fiber from a roving form to the thermoplastic resin. 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 unidirectional continuous fiber reinforced plastic impregnated sheet.
  • the unidirectional continuous fiber-reinforced plastic impregnated sheet contained 60% by weight of glass fiber and 40% by weight of polypropylene and had a thickness of 6.4 mm to prepare a fiber reinforced composite.
  • Example 1 Example 2 Example 3 Comparative Example 1 Inorganic fiber content (% by weight) (glass fiber) Second inorganic fiber (surface layer) 65 70 75 First inorganic fiber (middle layer) 55 50 45 Second inorganic fiber (surface layer) 65 70 75 Inorganic Fiber in Fiber Reinforced Composites 60 60 60 60 Thickness of Fiber Reinforced Composite (mm) 6.4
  • Example 1 Example 2 Example 3 Comparative Example 1 Flexural Strength (MPa) 360 370 400 307 Flexural Modulus (GPa) 27 28 30 24.1

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Abstract

중간층 및 상기 중간층의 양면에 적층된 표면층을 포함하고, 상기 중간층은 제1 열가소성 수지 및 제1 무기섬유를 포함하고, 상기 표면층은 제2 열가소성 수지 및 제2 무기섬유를 포함하고, 상기 제2 무기섬유의 상기 각각의 표면층 전체 중 중량% 함량이 상기 제1 무기섬유의 상기 중간층 전체 중 중량% 함량 보다 큰 섬유 강화 복합재를 제공한다.

Description

섬유 강화 복합재 및 이를 이용한 자동차용 내·외장재
섬유 강화 복합재 및 이를 이용한 자동차용 내·외장재에 관한 것이다.
다양한 용도로 활용되는 복합재는 두 가지 이상의 재료를 결합하여 이루어진 것으로, 일반적으로 고분자 수지에 강화재로서 유리 섬유 또는 탄소 섬유 등을 혼합하여 제조될 수 있다. 또한, 복합재로 섬유상 충진재 및 실리콘 고무를 필수 성분으로 함유하는 열가소성 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조된 성형물 등이 있다. 이와 같은 복합재는 높은 강도 및 강성을 요구하는 산업 분야에 활용될 수 있으며, 우수한 유연성과 함께 우수한 강도 및 강성을 가지고, 동시에 경량성을 확보하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 일 구현예는 경량성을 유지하면서, 동시에 굴곡 성능이 향상된 섬유 강화 복합재를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 중간층 및 상기 중간층의 양면에 적층된 표면층을 포함하고, 상기 중간층은 제1 열가소성 수지 및 제1 무기섬유를 포함하고, 상기 표면층은 제2 열가소성 수지 및 제2 무기섬유를 포함하고, 상기 제2 무기섬유의 상기 각각의 표면층 전체 중 중량% 함량이 상기 제1 무기섬유의 상기 중간층 전체 중 중량% 함량 보다 큰 섬유 강화 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 섬유 강화 복합재로부터 형성된 성형물을 포함하는 자동차용 내·외장재를 제공한다.
상기 섬유 강화 복합재는 경량성을 유지하면서, 동시에 현저히 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율 등의 우수한 굴곡 성능을 확보할 수 있다. 이에 따라 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율과 함께, 경량성이 요구되는 자동차용 내·외장재의 용도로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재(100)의 단면도를 개략적으로 나타낸 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.
본 발명의 일 구현예에서, 중간층 및 상기 중간층의 양면에 적층된 표면층을 포함하고, 상기 중간층은 제1 열가소성 수지 및 제1 무기섬유를 포함하고, 상기 표면층은 제2 열가소성 수지 및 제2 무기섬유를 포함하고, 상기 제2 무기섬유의 상기 각각의 표면층 전체 중 중량% 함량이 상기 제1 무기섬유의 상기 중간층 전체 중 중량% 함량 보다 큰 섬유 강화 복합재를 제공한다.
통상적으로, 복합재는 열가소성 수지에 무기섬유 등의 섬유 강화재를 혼합하여 제조될 수 있다. 섬유 강화재의 함량이 높을수록 복합재의 강도 및 강성은 높아지지만, 이와 동시에 취성(brittleness)이 높아지고, 복합재의 비중이 전체적으로 높아지며, 복합재의 품질이 악화되는 등의 문제가 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 전체적으로 낮은 함량의 무기섬유를 포함하여 경량성을 유지하면서도, 현저히 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재(100)의 단면도를 개략적으로 나타낸 것으로서, 이를 참조할 때, 상기 섬유 강화 복합재(100)는 상기 중간층(10) 및 상기 중간층의 양면에 적층된 표면층(20)을 포함하는 샌드위치 구조를 가진다. 상기 섬유 강화 복합재(100)는 상기 중간층(10) 또는 상기 표면층(20)을 단층으로 포함할 수도 있고, 다층으로 포함할 수도 있다.
상기 섬유 강화 복합재의 두께는 약 5.5 내지 약 7.5㎜일 수 있다. 상기 섬유 강화 복합재는 상기 범위의 두께를 가지면서, 현저히 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율을 나타낼 수 있다.
상기 중간층은 제1 열가소성 수지 및 제1 무기섬유를 포함하고, 상기 중간층의 양면에 적층된 표면층은 제2 열가소성 수지 및 제2 무기섬유를 포함한다. 상기 섬유 강화 복합재의 각각의 표면층에 포함된 제2 무기섬유 각각의 중량% 함량이 상기 중간층에 포함된 제1 무기섬유의 중량% 함량보다 크다. 즉, 상기 섬유 강화 복합재는 외각에 위치한 표면층의 제2 무기섬유의 함량을 높게 하여, 현저히 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율 등의 굴곡 성능을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 복합재는 상기 표면층 사이에 위치한 중간층의 제1 무기섬유의 함량을 상기 제2 무기섬유의 함량보다 낮게 하여, 상기 섬유 강화 복합재 전체 중 상기 제1 무기섬유 및 상기 제2 무기섬유의 함량을 낮출 수 있다. 이에 따라, 상기 섬유 강화 복합재는 경량성을 유지하면서, 동시에 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율 등의 굴곡 성능을 나타낼 수 있다.
일 구현예에서, 상기 각각의 표면층에 포함된 제2 무기섬유의 함량은 약 60 초과 내지 약 90 wt% 일 수 있다. 상기 섬유 강화 복합재는 외각에 위치한 표면층 각각에 상기 범위의 제2 무기섬유를 포함함으로써, 상기 제2 무기섬유가 상기 제2 열가소성 수지에 적절히 함침되어, 상기 표면층에 보이드(void)가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율 등의 굴곡 성능을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 중간층에 포함된 제1 무기섬유의 함량은 약 30 wt% 내지 약 60 wt% 일 수 있다. 상기 제1 무기섬유가 상기 범위의 함량으로 중간층에 포함됨으로써, 이를 포함하는 상기 섬유 강화 복합재는 경량성를 유지하면서, 동시에 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율 등의 굴곡 성능을 나타낼 수 있다.
일 구현예에서, 상기 섬유 강화 복합재 전체 중 상기 제1 무기섬유 및 상기 제2 무기섬유의 함량은 약 50 ~ 약 70 wt%일 수 있다. 상기 섬유 강화 복합재 전체에 포함된 상기 제1 무기섬유 및 상기 제2 무기섬유의 함량은 상기 각각의 표면층에 포함된 제2 무기섬유의 함량보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 섬유 강화 복합재는 경량화를 유지하면서, 동시에 현저히 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율 등의 우수한 굴곡 성능을 확보할 수 있다. 이에 따라 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율과 함께, 경량성이 요구되는 자동차용 내·외장재의 용도로 활용할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 ASTM D790에 의한 굴곡 강도가 약 350 MPa 내지 약 500 MPa 일 수 있다. 굴곡 강도는 굽힘 시험에서 파괴시의 최대 인장 응력을 나타낸 것이다. 상기 섬유 강화 복합재는 상기 중간층 및 상기 중간층의 양면에 적층된 표면층을 포함하고, 상기 섬유 강화 복합재의 외각에 위치한 상기 각각의 표면층 전체 중에 포함된 제2 무기섬유의 중량% 함량을 상기 중간층 전체에 포함된 제1 무기섬유의 중량% 함량 보다 크게 하여, 상기 범위의 우수한 굴곡 강도를 가질 수 있다.
또한, 상기 섬유 강화 복합재는 ASTM D790에 의한 굴곡 탄성률이 약 15GPa 내지 약 30GPa일 수 있다. 굴곡 탄성율은 외부로부터 힘이 가해졌을 때, 구부러지지 않으려고 저항하는 힘의 정도를 나타낸 것이다. 상기 섬유 강화 복합재는 굴곡 강도뿐만 아니라, 굴곡 탄성율도 매우 우수한 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 섬유 강화 복합재는 갈라짐이나 부서짐의 현상 없이 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율을 확보할 수 있으며, 동시에 경량성을 유지할 수 있다.
상기 중간층에 포함된 상기 제1 무기섬유 또는 상기 표면층 각각에 포함된 상기 제2 무기섬유 각각은 동일하거나 상이한 종류 일 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드(aramid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 무기섬유 또는 상기 제2 무기섬유 각각의 횡단면의 평균 직경은 15㎛ 내지 20㎛ 일 수 있다. 상기 제1 무기섬유 또는 상기 제2 무기섬유가 상기 범위의 직경을 가짐으로써, 상기 섬유 강화 복합재 내에 높은 함량으로 함유되어 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 강성을 구현할 수 있고, 경량 특성을 확보하기 유리하며, 제조 과정의 가공성 측면에서 유리할 수 있다.
또한, 상기 제1 무기섬유 또는 상기 제2 무기섬유 각각은 연속섬유의 형태로 포함될 수 있다. 이때, 상기 연속섬유는 상기 섬유 강화 복합재의 최종적인 크기에 의존하여 그 내부에서 끊어지지 않고 연속적인 형태로 존재하는 것을 의미한다. 예를 들어, UD 시트 (unidirection sheet) 내의 연속섬유와 같이, 상기 연속 섬유는 연속 공정으로 제조될 수 있고, 이러한 연속 공정에 상기 연속 섬유를 연속적으로 공급함으로써, 연속 섬유를 포함한 섬유 강화 복합재를 제조할 수 있다. 따라서, 상기 섬유 강화 복합재는 시트와 같은 특정 형상의 제품으로 제조될 수 있는데, 이러한 시트와 같은 제품 내에서 상기 연속 섬유는 그 제품의 형상에 따라 특정 범위의 길이를 가지게 된다. 그러나, 이러한 특정 범위의 길이는 연속적으로 연속섬유가 공급되는 제조 공정상 임의 조절이 가능하다는 점에서 상기 연속 섬유는 ‘연속성’을 가지는 것으로 보아야 할 것이고, UD 시트 또는 직물 내의 연속 섬유와 같이 대부분의 경우, 제품 내부에서 끊어지지 않고 연속성을 갖는다.
상기 섬유 강화 복합재는 장섬유 또는 단섬유가 아닌 연속 섬유를 포함하기 때문에 섬유의 분산성의 문제가 없고, 고함량의 섬유를 포함할 수 있다. 그에 따라, 상기 섬유 강화 복합재는 표면 품질이 우수하고, 고르게 물성을 구현하면서, 고강도 특성을 갖는 등의 향상된 기계적 특성을 갖는다. 통상적으로, 단섬유는 약 1mm 이하의 섬유를 의미하고, 장섬유는 약 50mm 이하의 섬유를 의미할 수 있다. 이러한 단섬유 또는 장섬유를 사용하는 경우, 조성물 내에 분산성의 문제가 있어, 섬유를 고함량으로 포함할 수 없다. 또한, 복합재의 표면 품질이 저하되고, 기계적 강도 등의 물성이 떨어지는 문제가 있다.
이와 같이, 상기 섬유 강화 복합재는 무기섬유를 연속섬유의 형태로 포함함으로써, 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율을 부여할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 열가소성 수지를 약 40중량% 내지 약 70중량% 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지가 상기 범위의 함량으로 포함됨으로써 제조 과정에서 상기 섬유가 고르게 함침될 수 있고, 상기 섬유 강화 복합재가 일정 수준 이상의 지지 성능을 확보할 수 있다.
상기 중간층은 상기 제1 열가소성 수지를 약 40 중량% 내지 약 70 중량% 포함할 수 있고, 상기 표면층 각각은 상기 제2 열가소성 수지를 약 10 중량% 내지 약 40 중량% 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지가 상기 범위의 함량으로 포함됨으로써 제조 과정에서 상기 섬유가 고르게 함침될 수 있고, 상기 섬유 강화 복합재가 일정 수준 이상의 지지 성능을 확보할 수 있다.
상기 중간층에 포함된 제1 열가소성 수지 또는 상기 표면층 각각에 포함된 상기 제2 열가소성 수지 각각은 동일하거나 상이한 종류 일 수 있다. 예를 들어, 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 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 열가소성 수지는 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있고, 구체적으로 폴리프로필렌계 수지를 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지가 폴리프로필렌계 수지를 포함하는 경우, 가격 경쟁력 측면에서 유리할 수 있고 상기 섬유 강화 복합재의 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율 특성을 향상시키는 데 유리할 수 있다. 보다 구체적으로, 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 하나를 포함할 수 있다.
상기 표면층은 상기 제2 무기섬유가 제2 열가소성 수지에 함침되어 형성된 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트이고, 상기 중간층은 상기 제1 무기섬유가 제1 열가소성 수지에 함침되어 형성된 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트일 수 있다.
상기 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트는 기지재인 열가소성 수지 내에 무기섬유가 일 방향으로 배향되어 포함되고 형성된 시트일 수 있다.
상기 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트는 무기섬유를 나란히 배열한 뒤 액상 수지에 함침시키는 방법에 의해 제조되거나 용융 함침법 또는 나란히 배열된 무기섬유와 열가소성 수지 시트를 적층한 뒤 열압착과 같은 방법에 의해 열을 가하여 열가소성 수지가 무기섬유에 함침되게 하여 제조될 수 있으며, 공지된 방법에 의해 제한 없이 제조될 수 있고, 상업적으로 입수도 가능하다.
일 구현예에서, 보통 연속섬유는 섬유 필라멘트 다발로 상업적으로 입수되는데, 이러한 섬유 필라멘트 다발을 원하는 두께가 되도록 펼치고 (이를 '광폭화'로 표현하기도 함), 다시 이러한 펼쳐진 섬유 필라멘트 다발들을 폭 방향으로 연속적으로 배열하면, 섬유 필라멘트들을 폭 방향으로 연속적으로 나란히 배열되어 시트 형상이 되도록 할 수 있다. 시트 형상으로 나란히 배열된 연속 섬유의 위, 아래 또는 위아래로, 수지 시트를 적층시킨 후, 열을 가하여 수지 시트로부터 용융된 수지가 무기섬유로 스며들어 함침되게 하여 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트를 제조할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 UD 시트와 같이 연속섬유가 단일 배향성을 가지도록 연속 섬유를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 강화 복합재(100)의 평면도를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조할 때, 상기 섬유 강화 복합재(100)는 연속섬유(30)를 포함하며, 이때, 상기 연속섬유는 상기 섬유 강화 복합재 내에서 단일 배향성을 가질 수 있다. 상기 연속섬유가 상기 섬유 강화 복합재 내에서 단일 배향성을 가짐으로써 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율의 확보에 유리하며, 상기 섬유 강화 복합재 내의 열가소성 수지와 적절하게 혼합되어, 상기 섬유 강화 복합재의 굴곡 성능을 향상시키기에 더욱 유리할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 중간층에 포함된 제1 무기섬유 및 상기 표면층에 포함된 제2 무기섬유는 단일의 동일한 배향성을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 중간층 및 상기 중간층의 양면에 적층된 표면층을 포함하는 상기 섬유 강화 복합재는 보다 향상된 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율 등의 우수한 굴곡 특성을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 상기 연속섬유가 단일 배향성을 갖는다는 것은 상기 열가소성 수지 내의 연속섬유 중 특정 섬유 가닥 하나를 정했을 때, 상기 특정 연속섬유가 다른 임의의 연속섬유와 이루는 각도가 약 10°이하, 구체적으로 약 5 °이하인 경우를 포함하는 것으로, 상호간 완전하게 평행한 상태뿐만 아니라, 육안으로 관찰했을 때 식별하기 어려운 정도의 오차 범위로 평행하지 않은 경우도 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 섬유 강화 복합재로부터 형성된 성형물을 포함하는 자동차용 내·외장재를 제공한다. 상기 섬유 강화 복합재는 전술한 바와 같이, 경량성을 유지하면서 동시에 현저히 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율 등의 우수한 굴곡 성능을 확보할 수 있다. 이에 따라 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율과 함께, 경량성이 요구되는 자동차용 내·외장재의 용도로 활용할 수 있다.
상기 섬유 강화 복합재는 Extruder를 통한 Compounding 방법, Pultrusion 방법 또는 Extruder와 함침 금형을 통한 방법에 의해 성형물로 제조될 수 있다. 상기 성형물은 예를 들어, 백빔(back beam), 시트백(seat back), 보닛(bonnet), 루프(roof) 등의 외장재 및 스티어링 컬럼 커버, 콘솔, 도어 패널, 기둥, 지지대, 손잡이, 버튼, 핸들, 및 안전 스크린 등의 내장재와 같이 우수한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율과 함께, 경량성이 요구되는 자동차용 내·외장재의 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 조성물을 제조하였다. 이어서, 상기 열가소성 수지에 대하여, 유리 섬유를 로빙(roving) 형태로부터 연속 섬유의 형태로 복합재 내에 포함되도록 투입하였다. 이때, 유리 섬유는 복합재 내에서 단일 배향성을 나타내도록 투입되었다. 상기 열가소성 수지 조성물을 상기 유리 섬유에 함침시키고, 카렌다(Calendar) 공정으로 압착하여 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트를 제조하였다.
이때, 제2 무기섬유로 유리섬유 65 중량 % 및 폴리프로필렌 35 중량%를 포함하는 1㎜ 두께의 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트를 표면층으로 제조하고, 제1 무기섬유로 유리섬유 55 중량 % 및 폴리프로필렌 45 중량%를 포함하는 4.4㎜ 두께의 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트를 중간층으로 제조하였다. 상기 제1 무기섬유 및 제2 무기섬유가 동일한 단일 방향의 배향성을 갖도록, 중간층의 양면에 각각의 표면층을 적층시켜 6.4 ㎜ 의 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 2
제2 무기섬유로 유리섬유 70 중량 % 및 폴리프로필렌 30 중량%를 포함하는 1㎜ 두께의 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트를 표면층으로 제조하고, 제1 무기섬유로 유리섬유 50 중량 % 및 폴리프로필렌 50 중량%를 포함하는 4.4㎜ 두께의 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트를 중간층으로 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 6.4 ㎜ 의 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예3
제2 무기섬유로 유리섬유 75 중량 % 및 폴리프로필렌 25 중량%를 포함하는 1㎜ 두께의 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트를 표면층으로 제조하고, 제1 무기섬유로 유리섬유 45 중량 % 및 폴리프로필렌 55 중량%를 포함하는 4.4㎜ 두께의 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트를 중간층으로 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 6.4 ㎜ 의 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
비교예1
폴리프로필렌 단독 중합 수지로 구성된 열가소성 수지 조성물을 제조하였다. 이어서, 상기 열가소성 수지에 대하여, 유리 섬유를 로빙(roving) 형태로부터 연속 섬유의 형태로 복합재 내에 포함되도록 투입하였다. 이때, 유리 섬유는 복합재 내에서 단일 배향성을 나타내도록 투입되었다. 상기 열가소성 수지 조성물을 상기 유리 섬유에 함침시키고, 카렌다(Calendar) 공정으로 압착하여 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트를 제조하였다.
이 때, 상기 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트는 유리섬유 60 중량% 및 폴리프로필렌 40 중량% 를 포함하고 6.4 ㎜ 두께를 갖도록 하여, 섬유 강화 복합재를 제조하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
무기섬유 함량(중량%)(유리섬유) 제2무기섬유(표면층) 65 70 75
제1무기섬유(중간층) 55 50 45
제2무기섬유(표면층) 65 70 75
섬유 강화 복합재의 무기섬유 60 60 60 60
섬유강화복합재의 두께(㎜) 6.4
<평가>
상기 실시예 및 비교예의 섬유 강화 복합재에 대하여, 후술하는 실험예에 따라 섬유 강화 복합재의 물성을 평가하였다.
실험예 1: 굴곡 강도의 측정
상기 섬유 강화 복합재에 대하여 ASTM D790에 의해 굴곡 강도를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1에 기재하였다.
실험예 2: 굴곡 탄성율의 측정
상기 섬유 강화 복합재에 대하여 ASTM D790에 의해 굴곡 탄성율을 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1에 기재하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
굴곡 강도(MPa) 360 370 400 307
굴곡 탄성율(GPa) 27 28 30 24.1
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 상기 실시예 및 비교예의 섬유 강화 복합재는 유리 섬유를 거의 동일한 함량으로 포함하고 있음에도 불구하고, 실시예의 섬유 강화 복합재가 굴곡 강도뿐만 아니라, 굴곡 탄성율에 있어서도 현저히 우수한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
<부호의 설명>
100: 섬유 강화 복합재
10: 중간층
20: 표면층
30: 연속 섬유

Claims (13)

  1. 중간층 및 상기 중간층의 양면에 적층된 표면층을 포함하고,
    상기 중간층은 제1 열가소성 수지 및 제1 무기섬유를 포함하고,
    상기 표면층은 제2 열가소성 수지 및 제2 무기섬유를 포함하고,
    상기 제2 무기섬유의 상기 각각의 표면층 전체 중 중량% 함량이 상기 제1 무기섬유의 상기 중간층 전체 중 중량% 함량 보다 큰
    섬유 강화 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 무기섬유 또는 상기 제2 무기섬유 각각은 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 무기섬유 또는 상기 제2 무기섬유 각각은 연속섬유인
    섬유 강화 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 표면층은 상기 제2 무기섬유가 제2 열가소성 수지에 함침되어 형성된 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트이고,
    상기 중간층은 상기 제1 무기섬유가 제1 열가소성 수지에 함침되어 형성된 단일방향 연속섬유 보강 플라스틱 함침 시트인
    섬유 강화 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 무기섬유 또는 상기 제2 무기섬유 각각의 횡단면의 평균 직경이 15㎛ 내지 20㎛ 인
    섬유 강화 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 표면층에 포함된 제2 무기섬유의 함량은 60 내지 90 wt% 인
    섬유 강화 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중간층에 포함된 제1 무기섬유의 함량은 30 내지 60wt% 인
    섬유 강화 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화 복합재 전체 중 상기 제1 무기섬유 및 상기 제2 무기섬유의 함량은 50 ~ 70 wt%인
    섬유 강화 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열가소성 수지 또는 제2 열가소성 수지 각각은 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 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    섬유 강화 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화 복합재의 두께는 5.5 내지 7.5㎜인
    섬유 강화 복합재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화 복합재는 ASTM D790에 의한 굴곡탄성률이 15GPa 내지 30GPa인
    섬유 강화 복합재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 강화 복합재는 ASTM D790에 의한 굴곡 강도가 350MPa 내지 500MPa 인
    섬유 강화 복합재.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 섬유 강화 복합재로부터 형성된 성형물을 포함하는 자동차용 내·외장재.
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