KR100738285B1

KR100738285B1 - 보강용 다축 스티치 기재 및 섬유 강화 플라스틱 그리고그 제조방법

Info

Publication number: KR100738285B1
Application number: KR1020017013807A
Authority: KR
Inventors: 홈마기요시; 니시무라아키라
Original assignee: 도레이 가부시끼가이샤
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: NO318345B1; JP4534409B2; NO20015248D0; AU768434B2; DE60136135D1; CA2370846A1; EP1174533A4; AU3598201A; EP1174533B1; KR20020005732A; WO2001063033A1; NO20015248L; US20020160146A1; TW546431B; EP1174533A1; CA2370846C; US6599610B2

Abstract

토우형태의 복수개의 탄소섬유사가 서로 병렬로 배열되는 복수장의 시트가, 각각의 시트의 탄소섬유사의 배열방향이 기준방향에 대하여 다른 각도를 갖고 적층된 상태에서 스티치실로 일체화된 스티치 기재. 상기 탄소섬유사의 섬도가, 1,200 내지17,O00Tex의 범위이고, 탄소섬유사의 배열피치가 8 내지 60mm의 범위이다. 시트에 있어서, 배열된 탄소섬유사 사이에는 간극이 실질적으로 존재하지 않은 상태로 탄소섬유사의 실폭이 넓혀진다. 시트를 형성하기 위해 공급되는 복수개의 탄소섬유사는 각각 복수매의 로울러에 접촉하여 굴곡을 받음으로써 그 실폭이 넓혀진다.

Description

보강용 다축 스티치 기재 및 섬유 강화 플라스틱 그리고 그 제조방법{MULTIAXIALLY STITCHED BASE MATERIAL FOR REINFORCING AND FIBER REINFORCED PLASTIC, AND METHOD FOR PREPARING THEM}

본 발명은, 탄소섬유사로 이루어지는 보강용 다축 스티치 기재에 관한것으로, 보다 자세하게는, 토우(tow)형태의 굵은 탄소 섬유사로 이루어지고, 두께가 얇은 보강용 다축 스티치 기재 및 이를 이용한 섬유 강화 플라스틱 그리고 그 제조방법에 관한 것이다.

탄소섬유는, 낮은 비중과 높은 인장강도 및 높은 인장 탄성율을 갖고 있으며, 탄소섬유를 수지로 고정시킨 탄소섬유강화 플라스틱(이하, CFRP로 칭함)은 비강도 및 비탄성율이 높은 재료이다. CFRP는, 우주·항공기, 스포츠·레저용품의 구성재료로서 다용도로 사용되고, 최근에는 자동차등의 일반산업 용도로의 적용이 활발하게 검토되고 있다.

종래의 CFRP는, 예컨대 섬도가 200Tex인 가는 탄소 섬유사로 이루어진 실과 실로 형성된 단위중량이 200∼300g/m²인 직물에 수지를 함침시켜, 프리프레그(prepreg)로 하고, 이 프리프레그를 복수적층하고, 오토클레이브 성형함으로써 제조되고 있다.

그러나, 이 종래의 CFRP는, 가는 탄소 섬유사로 이루어지기 때문에, CFRP에서의 탄소섬유의 분산은 매우 균일하고, CFRP의 표면도 평활하다. 그러나, 가는 탄소 섬유사는, 그 생산성이 낮기 때문에 고가이다. 이를 이용한 직물은, 그 제조에 있어서, 많은 개수의 탄소 섬유사를 필요로 하기 때문에 생산성도 낮다. 그 때문에, 직물의 가공비가 비싸고, 이 직물을 이용하여 제조되는 종래의 CFRP는, 대단히 비싼 기재라고 하는 문제가 있었다.

또한 CFRP가 등방성을 보유하고 있다면, 강도 특성등이 더욱 향상된다. 그 때문에, 예컨대, 4장 이상의 프리프레그를 적층할 때, 탄소 섬유사가 0°/90°/±45°의 교차각도로 교차하도록 적층시키는 유사등방 적층방식이 이용되고 있다. 이 경우, ±45°층에 대해 사용되는 프리프레그로서는, 0°/90°층에 사용되는 상기 프리프레그를 바이어스 커팅하여 준비된다. 이 커트 공정의 필요에 더하여, 커트에 의한 프리프레그의 손실도 크다. 그 때문에, 이렇게 하여 얻어지는 유사등방성을 보유하는 CFRP는 고가라고 하는 문제가 있다.

이러한 고가의 기재이더라도, 큰 경량화 효과가 얻어지는 항공기 용도등에 있어서는 그 사용이 허용될 수 있었다. 그러나, 최근 검토되고 있는 자동차 용도등의 일반산업 용도에 있어서 사용이 기대되는 CFRP는, 보다 저렴한 가격의 것이 전제로 된다. 즉, CFRP의 일반산업용도에의 적용에 있어서는, CFRP이 저비용으로 생산가능한 것이 필수적이다.

이러한 문제를 해결하는 하나의 수단으로서, 보강섬유가 유사등방적층된 상태에서 스티치실로 일체화된 다축 스티치 기재의 사용이 주목되고 있다. 이 기재 는, 한장으로 유사등방성을 보유하고 있기 때문에, 상기 바이어스 커팅 작업이나, 적층 작업도 필요로 하지 않는다는 점에서, 저비용 기재로서 기대되고 있다.

다축 스티치 기재는, 다수의 가는 보강 섬유사가 한 방향으로 구비되어 배열되는 복수개의 시트가 적층되어 스티치 실로 일체화되어 형성되어 있다. 이것을 이용하여 CFRP용 기재를 작성하는 경우, 각 시트 한장에서의 보강섬유의 단위중량을 대략 200g/m²일 필요가 있다. 그러나, 이 다축 스티치 기재의 보강섬유로서 탄소섬유를 이용할 경우, 가는 탄소섬유사는 제조 비용이 매우 비싸기 때문에, 얻어지는 다축 스티치 기재가 고가로 되어서 일반산업용도에서는 이용할 수 없다고 하는 문제가 있다.

따라서, 제조코스트가 저렴한 굵은 탄소섬유사를 이용하여, 섬유분산이 균일한 기재를 얻고자 하면, 단위중량이 높은 기재가 되어, 특수한 용도 이외에는 적용할 수 없다. 실용적인 단위중량의 기재를 얻고자 할 경우에는, 배열된 다수의 탄소섬유사 사이의 배열피치가 커지기 때문에, 탄소 섬유사 사이에 큰 간극이 발생하는 문제에 당면한다. 이와같은 기재로 CFRP를 성형하면, 성형된 CFRP에서의 상기 간극부분에서의 수지량이 리치(rich)로 되어, CFRP에 응력이 작용했을 때에, 수지량이 리치인 부분에 응력 집중이 발생하여, 낮은 외력으로도 파괴된다는 문제에 당면한다. 게다가, 수지가 경화할 때에 발생하는 수축에 의해, 탄소 섬유사 사이의 간극의 수지량이 리치인 부분에 구덩이가 발생하여, 표면이 평활한 CFRP가 얻어지지 않는 문제에 당면한다. 따라서, 이러한 CFRP은, 신뢰성이나 정밀도가 요구되는 용도에는 사용할 수 없는 것이 현 상태이다.

본 발명의 목적은, 상기 종래 기술의 수많은 문제점을 해소하여, 토우형태의 굵은 탄소섬유사를 이용하더라도, 탄소섬유사 사이에 간극이 생기지 않는 상태로 탄소섬유사가 균일하게 배열된 가는 보강용 다축 스티치 기재 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 보강용 다축 스티치 기재는, 다음과 같다.

토우형태의 복수의 탄소섬유사가 서로 병렬에 배열되어 이루어지는 복수의 시트가, 각각의 시트의 탄소섬유사 배열방향이, 기준방향에 대하여, 다른 각도로써 적층된 상태로, 스티치실로 일체화된 스티치 기재로서, 상기 토우형태의 탄소섬유사의 섬도가, 1,200 내지 17,O00Tex의 범위이고, 상기 탄소섬유사의 배열피치가 8 내지 60mm의 범위이며, 상기 탄소섬유사의 각각이 그 실폭(yarn width)을 탄소섬유사의 배열피치로 넓혀진 상태로 배열되어 이루어지는 보강용 다축 스티치 기재이다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 탄소섬유사의 배열피치가 20 내지 60mm의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 탄소섬유사의 실폭이, 원래의 실폭의 2배 이상인 것 바람직하다. 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 탄소섬유사의 실폭은 원래의 실폭의 2배 이상, 5배 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 탄소섬유사의 후크드롭치(hook drop value)가 4 내지 80 cm의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 탄소섬유사에 사이징제가 부여되고, 상기 사이징제의 부착량이, 0.2 내지 1.5중량%의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 사이징제의 부착량이 0.2 내지 0.6중량%의 범위인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 시트의 탄소섬유사의 단위중량은, 50 내지 300g/m²의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 단위중량은, 100 내지 200g/m²의 범위인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 복수장의 시트중 한장 이상의 시트는, 상기 스티치실이 연장하는 방향에 대하여, 실질적으로 0°의 각도로 상기 탄소섬유사가 배열되어 이루어지고, 상기 복수장의 시트중 한장 이상의 시트는 상기 스티치실이 연장하는 방향에 대하여 실질적으로 90°의 각도로 상기 탄소섬유사가 배열되어 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 복수장의 시트중 한장의 이상의 시트는, 상기 스티치실이 연장하는 방향에 대하여 실질적으로 +45°의 각도로 상기 탄소섬유사가 배열되어 이루어지고, 상기 복수장의 시트중 한장 이상의 시트는, 상기 스티치실이 연장하는 방향에 대하여 실질적으로 -45°의 각도로 상기 탄소섬유사가 배열되어 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서, 상기 스티치 기재중 한층 이상의 보강섬유로 이루어지는 부직포가 포함되어 있는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱은, 매트릭스 수지와 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재로 이루어진다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법은,

섬도가 1,200 내지 17,000Tex 범위의 토우형태의 탄소섬유사 복수개를, 배열피치가 8내지 60mm인 범위에서, 하나의 방향으로 각 탄소섬유사의 실폭을 상기 배열피치로 넓힌 상태로 배열하는 탄소섬유사 배열공정, 상기 배열된 탄소섬유사를 사용하여 탄소섬유사의 단위중량이 50 내지 300g/m² 범위인 시트를 작성하는 시트작성공정, 탄소섬유사의 배열방향이 기준방향에 대하여 다른 각도가 되도록 작성된 복수장의 시트를 적층하는 시트적층공정 및, 얻어진 시트의 적층체를 스티치실에 의해 스티치하여 일체화하는 일체화 공정을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 단위중량은 100 내지 200g/m²의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 탄소섬유사 배열공정에서는, 상기 탄소섬유사가 주행방향으로 설치된 복수개의 확폭로울러를 통과하는 것에 의해 굴곡을 받으면서 그 실폭을 넓히는 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 복수개의 확폭로울러 중 한개 이상의 로울러가 로울러 축방향으로 진동하는 진동로울러이고, 그 진동에 의해 그 곳을 통과하는 탄소섬유사의 실폭을 넓히는 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 진동로울러의 진동사이클은, 10 내지 100Hz의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 시트작성공정은 복수개의 확폭로울러로 이루어지는 제1 확폭로울러장치와 복수개의 확폭로울러로 이루어지는 제2 확폭로울러장치가 이용되고, 소정의 공급배열피치로 일렬로 공급되는 다수개의 탄소섬유사를 하나씩 교대로 상기 제1 확폭로울러장치와 상기 제2 확폭로울러장치에 공급하고, 각각의 확폭로울러장치에 있어서, 상기 탄소섬유사의 실폭을 상기 공급배열피치보다 넓은 실폭으로 넓힌 후, 각각의 확폭로울러장치로부터 도출된 각각의 탄소섬유사가 인접하게 위치하여 이루어지는 시트를 형성하므로써 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 탄소섬유사 배열공정과 상기 시트작성 공정 사이에 있어서, 탄소섬유사에 유체를 분사하는 것에 의해 실폭을 넓히는 것이 바람직하다.
본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 유체는 공기인 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 공기의 분사 가, 상기 탄소섬유사의 배향방향과 병행하게 1열 이상 배열된 복수의 분사구멍으로부터 행하여지는 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 유체를 분사시킬 때에, 상기 배열된 탄소섬유사 상에 다공성인 가이드를 설치하고, 그 위로부터 해당 유체를 분사하는 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 다공성인 가이드의 하면이, 상기 배열된 탄소섬유사의 상면에 접촉하고 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 배열 후의 탄소섬유사의 실폭은 상기 탄소섬유사의 원래의 실폭의 2배 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 배열 후의 탄소섬유사의 실폭은 상기 탄소섬유사의 원래의 실폭의 2배이상, 5배이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서, 상기 시트에 있어서의 탄소섬유사의 배향각이, 상기 스티치실이 연장되는 방향에 대하여, 0°, ±45°, 및 90°로부터 선택된 2개 이상의 각도인 것이 바람직하다.

도 1은, 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 일례의 일부단면 사시도;

도 2는, 도 1에 나타낸 기재를 구성하는 시트의 일례의 사시도;

도 3은, 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법의 일례를 설명하는 개략 사시도;

도 4는, 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법의 실시에서 이용되는 복수개의 탄소섬유사의 실폭을 넓히면서 한방향으로 병행시켜 공급하여 시트를 형성하는 장치의 일례의 개략사시도;

도 5는, 도 4에 나타낸 장치의 개략측면도;

도 6은, 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법의 실시에서 이용되는 복수개의 탄소섬유사의 실폭을 넓히면서 한방향으로 병행시켜 공급하여 시트를 형성하는 장치의 별도의 예의 개략사시도;

도 7은, 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법의 실시에서 이용되는 탄소섬유사를 배열시킨 뒤, 에어분사에 의해 실폭을 넓히는 에어분사장치의 일례의 사시도; 및

도 8은, 후크드롭치를 측정하는 측정장치의 사시도이다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 사용되는 탄소섬유사는, 다수개의 탄소필라멘트로 구성되고, 그 전체섬도는, 1,200 내지 17,000Tex의 범위에 있고, 굵은 토우형태이다. 전체섬도는, 1,200 내지 10,000Tex의 범위인 것이 보다 바람직하다. 탄소필라멘트의 직경은, 5 내지 15미크론의 범위에 있는 것이 바람직하다. 탄소섬유사는, 20,000 내지 200,000개의 탄소필라멘트의 집합으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이와같은 탄소섬유사는, 굵은 사조로서 제조되므로, 그 생산성이 높고 제조 비용은 저렴하다.

탄소섬유사의 섬도가 1,200Tex미만인 보다 가는 탄소섬유사를 이용하면, 각 탄소섬유사 및 그것을 구성하고 있는 각 필라멘트가 균일하게 분산된 상태로 배열된 시트를 제조하는 것은 용이하지만, 가는 탄소섬유사의 제조 비용은 높기 때문에, 시트의 제조비용도 높게 된다.

탄소섬유사의 섬도가 17,000Tex를 초과하는 보다 굵은 탄소섬유사에서는, 그 제조비용은 더욱 저렴하게 된다. 그러나, 얇은 시트를 형성하기 위해서는, 탄소섬유사의 실폭을 크게 넓힐 필요가 있지만, 통상의 탄소섬유사에서는, 필라멘트 교락등에 의해 실폭을 넓히는 것이 어렵고, 각 탄소섬유사 및 그것을 구성하는 각 필라멘트가 균일하게 분산된 상태로 배열시킨 시트의 제조는 실질적으로 어렵다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 사용되는 탄소섬유사는, 필라멘트끼리의 교락이 적고, 필라멘트의 퍼짐성이 좋은 실인 것이 바람직하다. 탄소섬유사에 있어서의 필라멘트 교락의 정도는, 후크드롭치로 알 수 있다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 사용되는 탄소섬유사의 후크드롭치(FD_(15g))는, 4 내지 80cm의 범위인 것이 바람직하다. 후크드롭치(FD_(15g))는, 10 내지 80cm의 범위인 것이, 필라멘트의 퍼짐성을 증대하고, 실폭을 크게 하는데 용이하기 때문에 보다 바람직하다. 후크드롭의 측정법은 후술할 것이다.

후크드롭치가 4cm 미만의 탄소섬유사는, 필라멘트 교락이 심하고, 실의 퍼짐성이 나쁘며, 얇은 시트로 하기 위해서 탄소섬유사의 배열피치를 크게하면 배열된 탄소섬유사 사이에 간극이 생겨 균일한 시트로 하는 것이 어렵다.

후크드롭치가 80cm을 넘는 탄소섬유사는, 필라멘트 교락이 적고, 실의 퍼짐성이 좋아, 얇은 시트를 얻기 위해서는 바람직 하지만, 실의 수렴성 부족으로 인해, 취급성이 나빠져서 고차 가공성이 저하한다.

후크드롭치의 측정방법:

보강용스티치 기재를 구성하는 탄소섬유사(23)(도 8)의 후크드롭치(FD_(15g))는, 기재를 일체화하고 있는 스티치 실을 풀어, 적층된 시트로부터, 길이 1,000mm의 탄소섬유사를 보풀이 발생하지 않도록, 또한, 꼬임이 더해지는 일이 없도록 채취한다.

채취한 탄소섬유사의 일단을, 도 8에 나타낸 측정대(MA)의 상부 클램프(21)에 고정한다. 또, 고정하는 탄소섬유사(섬유다발)의 폭(B)(mm)에서의 섬유다발의 두께가 후크드롭치에 영향을 주기 때문에, 고정하는 섬유다발의 폭(B)(mm)과 섬유다발의 섬도T(Tex)의 관계가 다음식을 만족하고, 섬유다발의 두께가 균일하게 되 도록, 탄소섬유사의 일단을 상부 클램프(21)에 고정한다.

식 : 섬유다발의 폭(B)= 36×10^-4×T(단위:mm)

다음으로, 탄소섬유사(23)의 하단에 36mg/Tex의 하중을 건 상태에서, 꼬임이 가해지지 않도록, 그립간격(grip interval)(L1)이 950mm가 되도록 하부 클램프(22)에서 연직방향으로 고정한다. 이어서, 상하단을 고정한 섬유다발(23)의 폭방향 중앙부에, 금속후크(24)(와이어 직경:1 mm, 반경5mm)에 면사(cotton thread)(25)로 추(26)를 부착한 중추(후크(24)의 상단으로부터 추(26)의 상단까지의 거리: 30mm)의 금속후크(24)를 상부 클램프의 하단으로부터 금속후크(24)의 상단까지의 거리(L2)가 50mm로 되도록 걸어 두고, 손을 떼어 금속후크(24)의 자유 낙하 거리(상기 50mm의 위치로부터, 낙하위치에서의 금속후크(24)의 상단까지의 거리)를 측정한다.

금속후크(24) 및 면사(25)의 중량을 극히 가볍게 하여, 금속후크(24), 면사(25) 및 추(26)의 합계중량, 즉 중추의 중량이 15g으로 되도록 하여둔다.

후크드롭치(FD_(15g))는 1개의 시트로부터 채취된 섬유다발에 대해서, 10회 상기 자유 낙하 거리를 측정하여, n=30의 평균으로서 표현한 것이다.

또, 금속후크(24)가 하부 클램프(22)의 위치까지 낙하하여 버리는 경우도 있지만, 그 때의 자유낙하거리는 900mm로 본다. 그것을 위하여는, 하부 클램프(22)에 금속후크(24)은 맞닿아 있지만, 면사(25)나 추(26)가 걸리지 않도록 해 놓아야 한다. 또한, 측정은, 기재를 온도25℃, 상대습도 60%의 환경하에서 24시간 방치한 후, 온도25℃, 상대습도60%의 환경하에서 행한다.

탄소섬유사의 고차가공성에 관해서는, 실의 수렴성과 퍼짐성을 보다 좋게하기 위해서, 이들 쌍방의 특성의 부여가 가능한 사이징제를, 실에 부착시켜 놓은 것이 바람직하다.

사이징제의 부착량이 O.2 내지 1.5 중량%의 범위의 소량이면, 실폭의 퍼짐성을 저해시키지 않고, 고차가공성을 얻는 것이 가능하다. 사이징제의 부착량을 O.2 내지 O.6중량%의 범위로 함으로써, 더욱 실의 퍼짐성이 향상 되기 때문에, 균일성이 뛰어난 시트를 안정적으로 얻을 수 있다.

탄소섬유사로서는, 강도가 3,000 MPa 이상, 탄성율이 200GPa 이상의 것을 이용하는 것이, 고강도, 고탄성율의 CFRP를 얻기 위해 바람직하다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에 있어서의, 탄소섬유사가 한 방향으로 나란히 배열된 한장의 시트는, 퍼짐성을 보유한 탄소섬유사가 그 실폭이 넓혀지고, 탄소섬유사 사이에 간극없는 상태에서, 일정한 피치로, 한방향으로 나란히 배열된 단위중량이 50 내지 300g/m² 범위인 얇은 것이 바람직하다.

가는 탄소섬유사를 사용한 얇고, 균일하게 탄소섬유사가 배열된 시트의 작성은, 실폭을 넓히지 않고 고밀도로 가는 탄소섬유사를 나란히 배열시킴으로써 용이하게 할 수 있다. 그러나, 굵은 토우형태의 탄소섬유사를 이용하여 얇고, 균일하게 탄소섬유사가 배열된 시트를 작성하는 것은, 굵은 토우형태의 탄소섬유사의 횡단면이 거의 원형인 상태로 각 필라멘트가 수렴하고 있기 때문에, 이들의 실을 단지 배열하는 것만으로는, 배열된 탄소섬유사 사이에 큰 간극이 발생하기 때문에, 용이하지는 않다.

기재에서의 탄소섬유사 사이에 큰 간극이 존재하면, 이 기재를 사용하여 CFRP를 형성한 경우, 그 간극은 탄소섬유가 존재하지 않는 수지리치인 부분이 된다. 이러한 CFRP은, 그 수지리치인 부분에 응력이 집중 되어, 이곳이 파괴의 기점으로 되고, 낮은 하중에서 파손되는 경우가 있다. 또한, 수지의 경화수축에 의해, 수지리치인 부분의 표면에 구덩이가 생겨, 표면평활한 CFRP가 얻어지지 않는다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조에 있어서, 후크드롭치가 4cm 이상인 개섬성이 뛰어난 탄소섬유사를 사용하면, 탄소섬유사가 보빈으로부터 풀어지는 단계에서 실폭이 넓어진다. 필요에 따라서 적극적으로 실폭을 넓히는 수단을 적용함으로써, 탄소섬유사의 배열피치가 크게 설정되어 있더라도, 인접하는 탄소섬유사의 필라멘트끼리가 인접하게 되는 상태에까지, 탄소섬유사의 실폭을 넓힐 수 있어서, 얇고 균일한 시트를 얻을 수 있다.

시트 형상을 구성하는 탄소섬유사 자체의 실폭을, 복수의 탄소섬유사를 배열할 때의 배열피치와 같게 함으로써, 배열 후의 탄소섬유사 사이를 간극이 없는 상태로 할 수 있다. 한편, 당초의 실폭이 배열피치 미만인 탄소섬유사를 이용하고, 시트의 형성에 대하여, 이 실폭을 넓혀서, 인접하는 탄소섬유사의 길이방향의 측단부 끼리의 간극을 제거할 수도 있다.

탄소섬유사의 배열피치는, 사용하는 탄소섬유사의 굵기와 요구되는 시트의 단위중량에 관계한다. 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에서는, 탄소섬유사의 배열피치는, 8 내지 60mm의 범위이다. 배열피치는, 20 내지 60mm의 범위가 바람직하다. 이 값은, 종래의 탄소섬유사가 배열된 시트에서의 배열피치의 값에 비교하면 매우 크다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재에서는, 탄소섬유사는 그 실폭이 상기 배열피치와 동등하게 넓혀져서 배열되어 있다. 이 탄소섬유사의 실폭은, 원래의 실폭의 2배 이상으로 넓혀져 있는 것이 바람직하고, 원래의 실폭의 2배이상, 5배이하로 넓혀져 있는 것이 보다 바람직하다.

이 상태에서는, 배열된 탄소섬유사 사이에 간격이 없고, 두께 불균형이 실질적으로 없고, 균일한 형태를 보유하는 시트가 획득된다.

여기서, 상기 원래의 실폭이란, 탄소섬유사가 감긴 보빈상의 실폭이다. 이 원래의 실폭은, 통상 4 내지 12mm의 범위이다.

이렇게 배열피치를 크게 함으로써 섬도가 1,200 내지 17,000Tex의 굵은 탄소섬유사의 사용이 가능해지고, 또한 이러한 탄소섬유사를 이용하여 얇고 균일한 시트를 얻을 수 있다.

탄소섬유사가 한방향으로 배열된 시트 한 장당의 단위중량은, 50 내지 300g/m²의 범위인 것이 바람직하다. 단위중량이, 100 내지 200g/m²의 범위로 선택됨으로써, 범용적인 기재를 안정적으로 얻을 수 있다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재는, 실질적으로 등방성을 보유하는 것을 특징으로 한다. 예컨대, 시트의 적층구성을, 적층되는 시트 사이에서, 탄소섬유사의 배열방향을, 0°, 90°,±45°의 교차각으로 되도록 달리하고, 또한, 거울 대칭이 되도록 하면, 합계 8장의 시트에 의한 적층체로 된다.

이 경우, 시트의 탄소섬유사의 단위중량이 300g/m²를 초과하면, 기재의 탄소섬유사의 단위중량은 2,400g/m²이상으로 되어, 불필요하게 두꺼운 CFRP로 된다. 이러한 기재는 성형의 때의 수지 함침이 곤란한 경우가 있다.

한편, 시트의 탄소섬유사의 단위중량이 50g/m²미만이라면, 얇은 CFRP가 얻어지지만, 굵은 탄소섬유사로 그와 같은 낮은 단위중량의 시트를 얻으려 하여도, 탄소섬유사의 퍼짐성에 한도가 있어, 균일한 시트를 얻는 것이 어렵게 된다.

여기서는, 시트의 적층구성으로서, 시트 8장의 예로 설명하였지만, 시트의 적층구성은, 이에 한정되는 것은 아니고, CFRP의 요구특성에 의해, 적층매수, 탄소섬유사의 배열방향등의 시트의 적층구성은 적절하게 선택된다. 또한, 기재를 구성하는 한 방향 시트의 단위중량이, 작은 쪽이 적층의 자유도가 커져서, 바람직하다.

실시예

도 1에 있어서, 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재(1)는, 복수개의 탄소섬유사가 소정의 경사각으로 하나의 방향으로 배향된 4장의 시트(2,3,4,5)가 적층된 적층체가 스티치 실(6)에 의해 스티치되어 일체화된다.

시트(2)의 탄소섬유사는, 스티치실(6)이 연장하는 방향에 대하여 0°방향으로, 시트(3)의 탄소섬유사는 ±45°방향으로, 시트(4)의 탄소섬유사는 -45°방향으로, 시트(5)의 탄소섬유사는 90°방향으로, 각각 배향되어 있다. 기재(1)는, 수평면내에서 탄소섬유사가 4방향으로 배향하여 이루어지는 유사등방 적층체이다.

뒤에 이 기재(1)의 제조방법이 설명되겠지만, 이 기재(1)는 종래와 같이 직물재를 바이어스 커트하여, 커트된 직물재를 일일이 적층하므로써 기재를 형성하는 공정을 거치지 않고 제조된다. 이 제조방법에 의하면, 종래의 기재 형성 공정이 생략되고, 각 시트의 형성에 대하여, 한 방향으로 배열된 다수개의 탄소섬유사가 시트 형성 공정에 공급됨으로써 적층체가 형성되기 때문에, 각 시트에 용이하게 소망하는 탄소섬유사의 배열을 형성할 수가 있다. 이 기재(1)에 의해, 신뢰성이 높은 CFRP가 얻어진다.

이들의 시트(2,3,4,5)로 이루어지는 적층체(LS)의 스티치실에 의한 일체화는, 일정한 간격으로 설치된 스티치용 니들을 사용하여, 체인편성 또는 1/1의 트리코트 편성등을 행하면서 스티치실(6)을 적층체(LS)에 관통시킴으로써 행하여진다.

스티치용 니들의 선단은, 적층체(LS)를 관통시킬 때에 탄소섬유사의 손상을 피하기 위해서, 날카롭게 되어있다.

스티치실(6)의 배열간격과 스티치 루프의 길이는, 특별하게 한정되지 않지만, 양자가 작은 경우, 일체화가 견고하게 되어 기재(1)의 형태 안정성이 향상한다. 그러나, 너무 견고하게 되면, 기재(1)의 스티치실(6)에 의한 조임부착이 크게 되어, 이 기재(1)를 사용하여 CFRP를 성형할 때에 기재(1)로의 수지의 함침력이 저하하여, 함침시간이 길게 되거나, 또는, 미함침부가 생길 수 있는 문제가 발생한다.

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한편, 스티치실(6)의 배열간격이 큰 경우는, 기재(1)의 형태가 불안정하게 된다. 스티치실(6)의 배열간격 및 루프의 길이는, 2 내지 8mm 정도의 범위가 바람직하다.
스티치실(6)은 기재(1)의 형태를 유지할 수 있으면, 될 수 있는 한 가는 섬유인 것이, 기재(1)의 표면에 나타나는 스티치실(6)에 의한 기재(1)의 표면에 형성되는 요철이 작게 되기 때문에 바람직하다.

스티치실(6)의 섬유로서는, 특별하게 한정되지 않고, 폴리아미드섬유, 폴리 에스테르섬유, 폴리아라미드섬유등을 이용할 수 있다. 특히 폴리아라미드섬유는, 수지와의 접착성이 좋고 신장성도 크기 때문에, 스티치 공정에서 실이 잘려지는 일이 없기 때문에 바람직하다. 또한, 스티치실(6)에 신장성을 갖게 하는 점에서, 스티치실(6)은, 권축가공사인 것이 보다 바람직하다.

도 2에는, 도 1에 나타낸 기재(1)를 구성하는 한장의 시트(7)(도 1에 있어서의 시트(2)에 해당함)가 도시된다.

시트(7)는, 한방향으로 병행되어 배열된 n개의 탄소섬유사(8)로 이루어진다. 도 2에는, 탄소섬유사(8-1, 8-2, 8-3, 8-4,…,8-n)의 배열의 일부가 표시된다.

각 탄소섬유사(8)는, 다수개의 필라멘트(8F)가 묶여진, 총섬도가 1,200 내지 17,000Tex의 굵은 토우형태를 한 필라멘트다발로 이루어져 있고, 탄소섬유사(8) 사이의 피치(P)는 8 내지 60mm의 큰 피치로, 또한 이웃하는 탄소섬유사(8) 사이에 간극이 없이 배열되어 있다.

각 탄소섬유사(8)는, 4 내지 80cm의 후크드롭치를 보유하고, O.2 내지 1.5 중량%의 사이징제 부착량을 보유한다. 이 탄소섬유사(8)는, 대단히 개섬성이 우수하다.

이 탄소섬유사(8)는 충분한 실폭의 퍼짐성을 보유하고 있기 때문에, 탄소섬유사(8)의 배열피치(P)가 크더라도, 탄소섬유사(8)의 실폭을 충분히 넓힐 수 있고, 탄소섬유사(8)가 간극없이 균일하게 배열된 시트(7)를 얻을 수 있다.

시트(7)의 단위중량은, 50 내지 300g/m²의 낮은 중량인 것이 바람직하다. 이 러한 시트(7)를, 형성되는 적층체가 유사등방성을 보유하도록, 복수장 적층하더라도, 적층체는 두꺼워지지 않는다. 이 적층체는, CFRP의 범용성 보강기재로서 바람직하게 이용된다.

도 3에, 복수장의 시트(7-1,7-2,7-3,7-4,7-5,7-6)가 스티치실(10)에 의해, 스티치되어, 일체화하는 모양이 도시된다.

도 3에 있어서, 시트(7-1,7-2,7-3,7-4,7-5,7-6)가 적층되어 이루어지는 시트적층체(11)는, 이 적층체를 관통하여, 적층체의 두께 방향으로 상하 이동하는 스티치용의 니들(9)과 니들(9)의 선단부의 후크에 의해 적층체에 관통되는 스티치실(10)에 의해 스티치된다. 니들(9)이 하강하여 시트적층체(11)로부터 빠지는 동시에 전에 형성된 스티치실(10)의 루프로부터도 빠져서, 시트적층체(11)의 이면에서 새로운 루프가 형성된다. 이 스티치 동작이 반복되어, 시트적층체(11)를 구성하는 각 시트(7-1,7-2,7-3,7-4,7-5,7-6)가 스티치실(10)로 일체화된다.

도 4에, 탄소섬유사(15)를, 스티치실이 뻗어있는 방향(도 4의 화살표 A로 나타낸 방향)에 대하여 90°방향으로 배향시킨 시트(도 1에 있어서의 시트(5), 또는, 도 3에 있어서의 시트(7-1,7-3,7-5))의 형성방법이 표시된다.

도 4에 있어서, 크릴(도시안됨)로부터 도출된 복수개의 탄소섬유사(15)는, 화살표(C)로 나타내는 방향으로 주행되어 안내장치(16)로 도입된다.

안내장치(16)는, 스티치기구의 폭방향(화살표(B)로 나타내는 방향 또는 그 역방향)으로 이동하는 운동과, 스티치기구의 양 사이드에 도달하였을 때에, 순환체인(12 또는 13)의 진행방향(화살표(A)로 나타내는 방향)과는 역방향으로 움직이는 운동을 반복하면서, 탄소섬유사(15)를 한 방향으로 배향시켜 시트(5)를 형성한다.

스티치 기구의 양사이드에 있어서는, 이동하는 안내장치(16)가 양 사이드에 도달했을 때에, 안내장치(16)는, 체인(12,13)의 진행방향과는 역방향으로 이동하여 안내한 탄소섬유사(15)를 체인(12) 또는 체인(13)상에 설치하고 있는 후크핀(14)에 걸어 둔다.

안내장치(16)에는, 여러개의 로울러로 이루어지는 제1 로울러군과 여러개의 로울러로 이루어지는 제2 로울러군이 설치되어 있고, 탄소섬유사(15)는 여러개의 로울러에 S자형으로 연결되어, 여러개의 로울러에 접촉하면서 주행하고, 이 동안에, 탄소섬유사(15)의 실폭이 확폭된다. 여러개의 로울러중, 하나 이상의 로울러를 로울러의 축방향으로 진동하는 진동로울러로 하여두면, 탄소섬유사(15)의 실폭의 확폭작용을 한층 더 높일 수 있어서 바람직하다.

도 4에서는, 탄소섬유사(15)의 배향각이, 스티치실(6)(도 1)의 연장방향에 대해서, 90°인 예를 나타내었지만, 배향각이 0°(도 1의 시트(2)의 경우)이외에, 예컨대, 배향각이 45°(도 1의 시트(3) 또는 (4))인 시트형성은, 안내장치(16)를 스티치실의 연장방향에 대해서 +45°또는 -45°방향으로 왕복운동시켜서 행하여진다. 또한, 그들 시트의 적층은, 이미 형성된 시트의 위에서 동일한 방법으로, 후크핀(14)으로 탄소섬유사(15)를 걸어 둠으로써 행하여진다.

복수장의 시트가 적층된 적층체는, 스티치부에 공급되고, 스티치실에 의해 스티치되어 일체화된다.

배향각이 0°방향의 시트(도 1의 시트(2))는, 빔에 감겨긴 탄소섬유사를 스 티치기구의 상방으로부터 0°방향으로 실폭을 넓히면서 일제히 스티치부로 공급하는 것으로 형성되고, 형성된 시트의 적층체로의 일체화도 행하여진다.

도 5에 있어서, 크릴(도시안됨)로부터 도입된 복수개의 탄소섬유사(15)는, 콤(comb)(17)에서 그 폭방향의 배열피치가 일정하게 갖추어진다. 콤(17)을 통과한 탄소섬유사(15)는, 1개씩 교대로, 상단의 확폭 로울러(18)(로울러18-1,18-2,18-3)와 하단의 확폭 로울러(19)(로울러19-1,19-2,19-3)에 나누어져서 공급된다.

각 탄소섬유사(15)는, 확폭 로울러(18-1,18-2,18-3) 및 확폭 로울러(19-1,19-2,19-3)를 순차 접촉하여 통과하는 동안에 굴곡을 받는다. 횡단면이 거의 원형상태로 크릴로부터 공급된 탄소섬유사(15)의 실폭은, 이 굴곡작용에 의해, 각 로울러를 통과할 때 마다 순차적으로 넓혀 진다.

확폭 로울러(18) 및 확폭 로울러(19)를 구성하는 각 로울러의 직경은, 8 내지 40mm 정도이다. 로울러의 직경이 작을수록, 그에 따른 확폭효과는 크다.

각 로울러는, 고정식이어도 회전식이어도 상관없다. 고정식에서는 탄소섬유사에 보풀이 발생하기 쉬운 문제가 있으므로 회전식쪽이 바람직하다.

개섬성이 양호한 탄소섬유사라면, 확폭 로울러(18,19)를 통과시키는 것만으로도 소망의 실폭으로 넓힐 수 있지만, 탄소섬유사 사이에 간극이 없는 시트를 안정하게 제조하기 위해서는, 예컨대, 확폭로울러(18-2), 확폭로울러(19-2)를 로울러축방향으로 진동하는 진동로울러로 하는 것이 좋다. 이 진동에 의해, 실폭의 확폭작용이 촉진된다. 이 진동조건으로서, 진동사이클은 10 내지 100Hz의 범위인 것이 바람직하고, 진동진폭은 2 내지 20mm 인 것이 바람직하다. 탄소섬유사의 주행속도 가 높은 경우, 진동 사이클을 높게 하는 것이 바람직하다.

이상에 있어서, 일련의 확폭로울러가 3개의 로울러로 이루어지는 경우에 관하여 설명하였지만, 더욱 실폭이 넓어지기를 기대한다면, 확폭로울러를 구성하는 로울러의 개수나 진동로울러의 개수를 늘리더라도 상관없다.

실폭의 확폭작용에 의해, 실폭은 적어도 콤(17)을 통과할 때의 탄소섬유사(15)의 배열 피치 보다도 크게 넓혀져서 닙로울러(20)에 공급된다. 닙로울러(20)에 공급된 탄소섬유사(15)는, 콤(17)에서의 배열피치 보다도 큰 실폭으로 넓혀져 있기 때문에, 인접하는 탄소섬유사(15)의 측단부끼리가 겹친 상태에서, 닙로울러(20)에 끼어지고, 닙로울러를 통과한 후 시트형성 공정으로 공급된다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법에 있어서는, 탄소섬유사의 실폭을 넓히는 것이 요건으로 된다. 공급하는 탄소섬유사의 원래의 실폭의 2배이상의 실폭으로 실폭을 넓히는 것이 바람직하다. 게다가, 원래의 실폭의 2배이상, 5배이하로 넓히는 것이 보다 바람직하다.

통상, 탄소섬유사는 실폭을 될 수 있는 한 수렴시킨 상태로 보빈에 감기어 있기 때문에, 원래의 실폭은 대단히 좁다. 본 발명에서 균일한 보강용 다축 스티치 기재를 얻기 위해서는, 실폭을 크게 넓히는 것이 바람직하다. 또한, 원래의 실폭은 탄소섬유사가 감겨 있는 보빈상에서 측정된 실폭이다.

탄소섬유사(15)가 끼어진 상태로 닙로울러(20)로 안내 되기 때문에, 안내장치(16)가 좌우전후 이동하더라도, 탄소섬유사(15)는 얇은 시트상의 형태를 유지하면서, 확실히 안내되고, 시트형성이 행하여져, 탄소섬유사(15) 사이에 간극이 없는 시트가 안정하게 형성된다.

이상에 있어서, 안내장치(16)에서 탄소섬유사(15)를 하나씩 교대로 2단으로 나누어 확폭 로울러(18,19)에 공급하는 예에 관하여 설명하였지만, 탄소섬유사(15)를 2단으로 나누지 않고, 1단으로 확폭로울러에 공급하여 실폭을 넓히더라도 좋다.

도 6에, 이 1단의 확폭로울러를 이용하는 경우가 표시되어 있다. 복수개 탄소섬유사(15)(도 6에서는, 4개가 나타내어져 있다)가, 화살표(C)로 나타낸 방향으로, 콤(17)을 통하여, 확폭로울러장치(31)에 공급된다. 확폭로울러장치(31)는, 상측 로울러군(32)과 하측로울러군(33)으로 구성된다. 확폭로울러장치(31)로 공급된 탄소섬유사(15)는, 상측 로울러군(32)의 로울러와 하측 로울러군(33)의 로울러를 교대로 순차 통과한다. 이 동안에, 탄소섬유사(15)는 굴곡을 받아 그 실폭이 넓혀진다. 확폭 로울러장치(31)에서 나온 탄소섬유사(15)는 시트(34)의 형태로 되고, 닙로울러(35)에 끼어지면서, 닙로울러(35)의 화살표(B)로 나타낸 방향으로의 이동에 따라 시트(5)를 형성한다. 체인(12,13) 및 핀(14)의 움직임은, 도 3에 나타낸 장치의 경우와 동일하다.

경사각(배향각)이 O°인 탄소섬유사의 공급방법에 대해서는, 기재폭에 필요한 탄소섬유사를 일제히 빔으로부터 공급하기 때문에, 빔에 감을때에, 상기 방법으로 실폭을 넓히면서 비밍하여도 좋고, 실폭을 넓히지 않고 비밍된 탄소섬유사를 스티치기구상에서 상기 방법으로 실폭을 넓히면서 공급하더라도 좋다.

도 7에 있어서, 토우형태의 탄소섬유사(15)가, 동일한 피치로 배열된 후에, 그 실폭을 넓히는 방법이 설명된다. 탄소섬유사(15)가 +45°방향으로 배향된 시트(3)상에, 토우형태의 탄소섬유사(15)를 90°방향으로 배열하고, 그 적층된 탄소섬유사(15)를 향하여 에어분사가 행하여져 실폭이 넓혀진다.

도 7에 있어서, 에어노즐(27)은, 토우형태의 탄소섬유사(15)가 안내장치(도시안됨)에 의해 90°방향으로 배열된 바로 뒤에 위치되어 있다.

에어노즐(27)의 하면에는, 복수개의 에어분사구멍(28)이, 스티치기구의 폭방향을 따라, 1열로 동일한 피치로 설치되어 있다. 에어노즐(27)의 에어공급구멍(29)으로부터 공급된 압축에어가 분사구멍(28)으로부터 탄소섬유사(15)를 향하여 분사되어, 토우형태로 집합하고 있는 필라멘트가 개섬되는 동시에 탄소섬유사(15)의 실폭이 넓혀진다.

노즐구멍(28)은 탄소섬유사(15)의 배향방향에 따라, 1열 이상으로 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 1개의 탄소섬유사(15)가 그 길이방향으로 동시에 개섬되기 때문에, 각 필라멘트가 흐트러지지 않고, 확실하게 실폭을 넓힐 수 있다.

노즐구멍(28)의 크기와 피치는, 사용하는 에어압력에도 관계 하지만, 탄소섬유사(15)의 개섬성과 에어의 소비량의 관계로부터, 노즐구멍(28)의 크기는 직경으로 0.1 내지 1.Omm의 범위인 것이 바람직하고, 피치는 5 내지 50 mm의 범위인 것이 바람직하다.

배열된 토우형태의 탄소섬유사(15) 상에, 다공성 가이드(30)를 설치하고, 가이드(30)를 탄소섬유사(15)에 가볍게 접촉시켜, 가이드(30)에서 평면상으로 탄소섬유사(15)를 눌러 둠으로써, 탄소섬유사(15)에 에어가 분사될 때에, 탄소섬유사(15)가 선회하거나, 그 필라멘트 배향이 흐트러지는 것을 방지할 수 있다.

다공성인 가이드(30)는, 예컨대 가는 금속선이나 합성수지제의 선재를 시트(5)의 폭방향으로 등간격으로 나란히 형성하여도 좋고, 네트상이라도 좋으며, 분사된 에어가 이 곳을 관통하여 탄소섬유사(15)에 도달할 수 있는 개구를 보유하고 있는 것이면 좋다.

가이드(30)는, 탄소섬유사(15)에 가볍게 접촉한 상태로, 탄소섬유사(15)의 실폭을 유지하면서, 탄소섬유사(15)가 가이드(30)의 아래를 빠져나갈 필요가 있기 때문에, 가이드(30) 표면은 걸리는 것이 없이 미끄지기 쉬운 형태를 보유하거나 그와 같은 재질로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

도 7에 나타내는 가이드(30)는, 홀더(도시안됨)에 의해 그 위치가 고정되어 있다.

이상의 설명은, 탄소섬유사(15)가 90°방향으로 배향한 시트를 제작하는 예이지만, 90°방향 이외의 배향각도로 탄소섬유사(15)가 배향하는 시트의 제작에 있어서도, 에어노즐(27)에 의해 실폭을 넓힐 수 있다. 그 경우, 노즐구멍(28)의 배열방향은, 탄소섬유사(15)의 배향방향과 일치시킴으로써, 효과적으로 실폭을 넓힐 수 있다.

에어노즐(27)은, 토우형태의 탄소섬유사(15)가 배열을 완료한 바로 뒤의 위치가 되도록 고정되어 있어도 좋지만, 그 위치에서, 에어노즐(27)을 요동시켜, 동일한 탄소섬유사(15)에 복수회 에어분사가 행하여지도록 하더라도 좋다. 이와 같이 함으로써, 탄소섬유사(15)가 한층 개섬되어, 실폭을 안정하게 넓힐 수 있다.

이상에서는, 본 발명의 보강용 다축 스티치 기재의 제조에 있어서, 탄소섬유사로 이루어지는 시트만을 적층하는 경우에 대하여 설명했지만, 예컨대, 기재(1)(도 1)의 외표면에, 유리섬유사의 절단유리매트(chopped strand mat)등의 부직포를 적층하여, 스티치하는 것에 의해, 전체를 일체화시켜도 좋다.

그와 같은 적층구성으로 하는 것에 의해, 표면평활성이 보다 좋은 기재로 되고, 이를 이용한 CFRP를 작성할 수도 있다.

본 발명의 보강용 다축 스티치 기재는, 굵은 토우형태로, 또한 퍼짐성이 높은 탄소섬유사를 이용하고, 그 탄소섬유사의 실폭을 적어도 배열피치까지 크게 넓혀, 탄소섬유사 사이에 간극이 없는 상태로 형성된 복수의 시트가 스티치실로 일체화되어 있다. 이 때문에, 기재에 있어서의 탄소섬유사를 구성하는 각 필라멘트는, 원래의 탄소섬유사의 섬도가 큼에도 불구하고, 기재 중에 균일하게 분산되고 배열되어 있다. 이 기재와 매트릭스 수지로부터, 가격이 저렴하고, 보강섬유인 탄소섬유가 균일하게 분산되어 있는 CFRP가 얻어진다.

Claims

토우형태의 복수개의 탄소섬유사가 서로 병렬로 배열되어 이루어지는 복수장의 시트가, 각각의 시트의 탄소섬유사 배열방향이, 기준방향에 대해서 다른 각도로서 적층된 상태에서, 스티치실로 일체화된 스티치 기재로서, 상기 토우형태의 탄소섬유사의 섬도가 1,200 내지 17,000Tex의 범위이고, 상기 탄소섬유사의 배열 피치가, 8 내지 60 mm의 범위이며, 상기 탄소섬유사의 각각은 실폭이 탄소섬유사의 배열피치로 넓혀진 상태로 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 1항에 있어서, 상기 탄소섬유사의 배열피치가 20 내지 60mm의 범위인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄소섬유사의 실폭이 원래의 실폭의 2배이상인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 3항에 있어서, 상기 탄소섬유사의 실폭이 원래의 실폭의 2배이상, 5배이하인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄소섬유사의 후크드롭치가 4 내지 80cm의 범위인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄소섬유사에 사이징제가 부여되고, 상기 사이징제의 부착량이 0.2 내지 1.5중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 6항에 있어서, 상기 사이징제의 부착량이, 0.2 내지 0.6 중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 시트의 탄소섬유사의 단위중량이 50 내지 300g/m²의 범위인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 8항에 있어서, 상기 단위중량이 100 내지 200g/m²의 범위인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 복수장의 시트중 한장 이상의 시트는, 상기 스티치실이 연장하는 방향에 대하여 0°의 각도로 상기 탄소섬유사가 배열되어 이루어지고, 상기 복수장의 시트중 한장 이상의 시트는, 상기 스티치실이 연장하는 방향에 대하여 90°의 각도로 상기 탄소섬유사가 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 복수장의 시트중 한장 이상의 시트는, 상기 스티치실이 연장하는 방향에 대하여 +45°의 각도로 상기 탄소섬유사가 배열되어 이루어지고, 상기 복수장의 시트중 한장 이상의 시트는, 상기 스티치실이 연장하는 방향에 대하여 -45°의 각도로 상기 탄소섬유사가 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 스티치 기재중에, 보강섬유로 이루어지는 부직포가 한 층 이상이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재.
매트릭스 수지와, 제 1항 또는 제 2항에 기재된 보강용 다축 스티치 기재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱.
섬도가 1,200 내지 17,000Tex 범위의 토우형태의 복수개의 탄소섬유사를, 배열피치가 8내지 60mm의 범위에서, 하나의 방향으로 각 탄소섬유사의 실폭을 상기 배열피치로 넓힌 상태로 배열하는 탄소섬유사 배열공정, 배열된 탄소섬유사를 사용하여 탄소섬유사의 단위중량이 50 내지 300g/m² 범위의 시트를 작성하는 시트작성공 정, 탄소섬유사의 배열방향이, 기준방향에 대하여 다른 각도가 되도록 작성된 시트의 복수장을 적층하는 시트적층공정 및, 얻어진 시트의 적층체를 스티치실에 의해 스티치하여 일체화하는 일체화 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 14항에 있어서, 상기 단위중량이 100 내지 200g/m²의 범위인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 탄소섬유사 배열공정에 있어서, 상기 탄소섬유사가 주행방향으로 설치된 복수개의 확폭로울러를 통과함으로써 굴곡을 받으면서 그 실폭을 넓히는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 16항에 있어서, 상기 복수개의 확폭로울러중 한개 이상의 로울러가 로울러 축방향으로 진동하는 진동로울러이고, 그 진동에 의해 그 곳을 통과하는 탄소섬유사의 실폭을 넓히는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 17항에 있어서, 상기 진동로울러의 진동사이클이 10 내지 100Hz의 범위인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 시트작성 공정은 복수개의 확폭로울러로 이루어지는 제1 확폭로울러장치와 복수개의 확폭로울러로 이루어지는 제2 확폭로울러장치가 사용되고, 소정의 공급 배열피치로 줄지어져 공급되는 다수개의 탄소섬유사를, 한개씩 교대로 상기 제1 확폭로울러장치와 상기 제2 확폭로울러장치에 공급하고, 각각의 확폭로울러장치에 있어서, 상기 탄소섬유사의 실폭을 상기 공급 배열피치 보다 넓은 실폭으로 넓힌 후, 각각의 확폭로울러장치로부터 도출된 각각의 탄소섬유사가 인접하여 위치해서 이루어지는 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 탄소섬유사 배열공정과 상기 시트작성공정 사이에 있어서, 탄소섬유사에 유체를 분사함으로써 실폭을 넓히는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 20항에 있어서, 상기 유체가 공기인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 21항에 있어서, 상기 공기의 분사가, 상기 탄소섬유사의 배향방향에 병행하여, 1열 이상 배열된 복수의 분사구멍으로부터 행하여지는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 20항에 있어서, 상기 유체를 분사시킬 때에, 상기 배열된 탄소섬유사 상에 다공성인 가이드를 설치하고, 그 위로부터 해당 유체를 분사하는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 23항에 있어서, 상기 다공성인 가이드의 하면이 상기 배열된 탄소섬유사의 상면에 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 배열 후의 탄소섬유사의 실폭이 상기 탄소섬유사의 원래의 실폭의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 25항에 있어서, 상기 배열후의 탄소섬유사의 실폭이 상기 탄소섬유사의 원래의 실폭의 2배이상, 5배이하인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.
제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 시트에 있어서의 탄소섬유사의 배향각이, 상기 스티치실이 연장되는 방향에 대하여, 0°, ±45°, 및 90°로부터 선택된 2개 이상의 각도인 것을 특징으로 하는 보강용 다축 스티치 기재의 제조방법.