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KR101777744B1 - 장 혼합섬유 웹층을 포함하는 예비성형체, 이의 제조방법과, 상기 예비성형체를 포함하는 열가소성 복합재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

장 혼합섬유 웹층을 포함하는 예비성형체, 이의 제조방법과, 상기 예비성형체를 포함하는 열가소성 복합재료 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR101777744B1
KR101777744B1 KR1020140147034A KR20140147034A KR101777744B1 KR 101777744 B1 KR101777744 B1 KR 101777744B1 KR 1020140147034 A KR1020140147034 A KR 1020140147034A KR 20140147034 A KR20140147034 A KR 20140147034A KR 101777744 B1 KR101777744 B1 KR 101777744B1
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정원영
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 불연속적으로 랜덤 방향으로 배향되는 장 혼합섬유 웹층을 포함하는 장섬유 부직포 예비성형체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제 1 기재층; 상기 제 1 기재층 상에 혼합섬유로 이루어진 장섬유가 불연속적으로 랜덤 방향으로 배향되어 형성된 장 혼합섬유 웹층; 및 상기 장 혼합섬유 웹층 상에 적층되는 제 2 기재층을 포함하는 예비성형체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 장섬유 부직포 예비성형체는 불연속적으로 랜덤 방향으로 배향되는 장 혼합섬유 웹층을 가져 등방성 및 물성이 향상되는 효과를 가지며, 이러한 효과를 갖는 장섬유 부직포 예비성형체를 포함하는 복합재료를 제조함에 따라, 경량하면서도 고강도, 고강성, 내충격성 등의 다양한 물성 향상 효과를 갖는 복합재료를 제공할 수 있다.

Description

장 혼합섬유 웹층을 포함하는 예비성형체, 이의 제조방법과, 상기 예비성형체를 포함하는 열가소성 복합재료 및 이의 제조방법{Preforms Comprising Commingled Long-Fiber Web layer, Preparation Method of Preforms and Thermoplastic Composite Material Comprising Preforms and Preparation Method Thereof}
본 발명은 불연속적으로 랜덤 방향으로 배향되는 섬유장 10mm 이상의 혼합섬유로 이루어진 장 혼합섬유 웹층을 포함하여 등방성 및 물성이 향상되는 예비성형체 및 이의 제조방법과 상기 예비성형체를 포함하여 제조되는 열가소성 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 우주 항공 산업, 자동차 산업 및 각종 부품 산업 기술의 발전으로 인해 산업 분야에서 사용되는 재료의 경우 경량화, 고강도 및 고강성과 같은 높은 물성이 요구되고 있다.
우주 항공 산업 분야의 경우 고강성, 고내충격성 및 고내열성을 갖는 재료를 적용하여 제조하고 있으며, 자동차 산업 및 수송기기 산업 분야의 경우 경량이면서도 고강성을 갖는 내외장재의 수요가 늘어나고 있는 추세이다.
이에 따라, 다양하면서도 높은 물성을 갖는 재료를 제조하기 위하여 기존 재료에 다양한 물성을 향상시킬 수 있는 고분자에 섬유 등의 첨가제를 첨가하여 제조되는 복합재료에 대한 연구 및 상용화가 진행되고 있다.
일반적으로 사용되는 복합재료는 에폭시, 페놀류, 불포화 폴리에스테르, 폴리아미드와 같은 중합체에 탄소 및 흑연 섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 금속 섬유, 유리 섬유 등의 첨가제를 첨가하여 기존 재료 이상의 물성을 갖는 복합재료를 제조하고 있다.
일 예로 대한민국 공개특허 제10-2009-0074736호에서는 기존 폴리머 수지에 섬유 보강재를 첨가하여 강도 및 인장 강도 물성이 기존에 비해 향상된 복합재료를 제시하고 있다. 그러나, 상기에서 제시되는 복합재료는 기존 재료에 비해 물성이 향상되는 효과를 가지나, 오토클레이브(autolclave) 성형법으로 제조됨에 따라, 제조 원가가 높아지는 비효율성을 갖는 문제점과 유연성이 좋지 못하여 복잡한 구조를 갖는 부품 제조의 적용에 제한을 받는다는 문제점이 있다.
복합재료를 제조함에 있어서 기존 재료의 물성을 향상시키기 위해 첨가되는 고분자 및 섬유를 일 방향 또는 직물의 형태로 첨가하는 방식을 취함에 따라, 최종 제조되는 복합재료는 이방성 특징이 있게 된다. 이러한 이방성 특징으로 인해 제조되는 복합재료는 특정 부분 또는 특정 방향으로 물성을 향상하고자 하는 경우에만 적용 가능하여 사용 적용 범위에 제한을 받는 문제점이 있다.
이러한 기존 복합재료의 이방성 특징으로 인한 문제점을 해결하기 위해 첨가되는 고분자 및 섬유 등의 첨가제를 여러 방향으로 적층하거나, 등방성을 갖는 복합재료를 제조하기 위해 다양한 방법을 모색하고 있다.
일 예로 대한민국 등록특허 10-1242449호에서는 부직포 제조 시 기계 방향과 폭 방향의 섬유 배열의 차이를 최소화하고, 양 방향의 부직포 물성 차이를 최소화하여 제조하는 에어레이드 부직포를 제시하고 있다.
그러나, 이러한 에어레이드 부직포의 경우 섬유장이 긴 웹 제조 공정이 용이하지 못하며, 그에 따른 복합재료의 강성이나 강도가 낮아지는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0074736호 대한민국 등록특허 10-1242449호
본 발명의 과제는 강화섬유 및 열가소성 섬유로 구성된 혼합섬유를 이용하여 불연속적이며 랜덤 방향으로 배향되는 장 혼합섬유 웹층을 포함하여 등방성 및 물성이 향상되는 예비성형체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 상기 예비성형체를 포함하여 경량이면서도 복합재료 성형성, 고강도, 고강성, 내충격성 등의 물성이 향상되는 열가소성 복합재료 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해 본 발명은 제 1 기재층; 상기 제 1 기재층 상에 혼합섬유로 이루어진 장섬유가 불연속적으로 랜덤 방향으로 배향되어 형성된 장 혼합섬유 웹층; 및 상기 장 혼합섬유 웹층 상에 적층되는 제 2 기재층을 포함하는 장섬유 부직포 예비성형체를 제공한다.
또한 본 발명은 복수의 기재층을 준비하는 단계; 상기 기재층 사이에 상기 예비성형체를 적층하는 단계; 및 상기 예비성형체와 복수의 기재층을 포함하는 적층물에 대해 가열 및 압착 공정을 수행하는 단계를 포함하는 열가소성 복합재료 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 예비성형체는 랜덤한 섬유 배향으로 등방성이 향상되고, 일방향 연속섬유 또는 직물 형태의 예비성형체에 비해 유연성이 좋아 복잡한 구조를 가지는 성형에 유리하고, 또한 준등방성 재료이므로 여러 방향의 하중이 가해지더라도 문제가 없다.
또한, 본 발명에 따른 열가소성 복합재료는 본 발명의 예비성형체를 포함하여 경량이면서도 고강도, 고강성, 내충격성 등의 다양한 물성 향상 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 예비성형체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예비성형체 제조 공정도이다.
도 3은 본 발명의 제1 기재층 상에 혼합섬유로 이루어진 장 혼합섬유 웹층을 형성한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 여기서, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 불연속적으로 랜덤 방향으로 배향되는 혼합섬유로 이루어진 장 혼합섬유 웹층을 포함하여 등방성 및 물성이 향상되는 예비성형체를 제시한다.
본 발명에 따른 혼합섬유 예비성형체(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 기재층(10), 장 혼합섬유 웹층(20) 및 제 2 기재층(30)을 포함한다.
상기 제 1 기재층(10) 및 제 2 기재층(30)는 장 혼합섬유 웹층(20)의 상부면과 하부면을 지지하기 위한 것이다. 바람직하기로 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르 및 폴리페닐렌 설파이드의 열가소성 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 수지, 유리섬유, 탄소섬유 또는 아라미드를 포함하는 부직포 또는 직물을 사용한다. 이때 평량 범위는 20 ~ 40 gsm인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 기재층(10) 및 제 2 기재층(30)는 반드시 이에 제한되지 않으나 동일한 재질로 구성되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 기재층은 통상의 제조 공법인 스펀 본드(spunbond), 니들 펀칭(Needlepunching), 케미컬 본드(Chemical Bond), 써멀 본드(Thermal Bond), 멜트 브라운 등의 공법을 통하여 제조될 수 있으며, 본 발명에 따른 제 1 기재층(10) 및 제 2 기재층(30)는 스펀본드(spunbond)나 멜트 브라운의 공법으로 제조되는 부직포를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
장 혼합섬유 웹층(20)은 상기 제 1 기재층(10) 및 제 2 기재층(30) 사이에 위치되는 층으로써, 불연속적으로 랜덤 방향으로 배향되는 혼합섬유로 이루어진 장섬유(200)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히 본 발명에서, 기존의 일방향 또는 특정방향으로만 배열되어 이방성의 특징을 갖는 직물 섬유 예비성형체와 달리 상기 혼합섬유로 이루어진 장섬유(200)를 불연속적으로 랜덤하게 배향되게 함으로써 등방성 특성이 향상된다. 따라서, 등방성 특성이 향상되는 예비성형체(1)는 어떠한 부위 및 방향에 하중이 가해지더라도 동일한 특성을 나타내는 효과를 가진다.
상기 혼합섬유(commingled fiber)는 열가소성 섬유와 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 천연섬유, 유리섬유 또는 금속 섬유의 강화섬유가 서로 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 열가소성 섬유는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리에스터, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 스티렌/아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴/스티렌/부타디엔 삼원공중합체, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리아세탈, 폴리에테르이미드, 및 폴리카르보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 더욱 바람직하게는 유리섬유/폴리프로필렌 혼합섬유, 탄소섬유/폴리아미드 혼합섬유를 사용한다.
이러한 혼합섬유는 물리적으로 강화섬유와 열가소성 섬유가 서로 밀접해 있기 때문에 낮은 압력에서 예비성형체 및 열가소성 복합재료의 제조가 가능하며, 함침성이 향상되어 복합재료의 성형시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명의 장섬유(200)는 하나의 긴 섬유 중합체가 아닌 일정한 길이로 절단된 섬유를 사용한다. 이는 보빈에서 풀리는 섬유를 일정한 길이로 절단하여 사용하는 것을 특징으로 하며, 200 ~ 400 gsm의 평량 및 10 ~ 80 mm의 길이를 갖도록 절단하여 랜덤한 방향으로 배향된다.
따라서, 본 발명의 예비성형체(1)는 일정한 길이로 절단된 장섬유(200)를 랜덤 방향으로 배향시킨 장 혼합섬유 웹층(20)을 포함하여, 유연성이 향상됨에 따라 복잡한 구조를 갖는 제품을 용이하게 제조할 수 있다.
상기 본 발명의 예비성형체(1)는 도 2에 도시된 공정과 같은 단계를 수행하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예비성형체(1)는 제 1 기재층을 준비하는 단계; 상기 제 1 기재층 상에 에어레이드 공정으로 혼합섬유로 이루어진 장섬유를 랜덤 방향으로 불연속적으로 배향하여 장 혼합섬유 웹층을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 장 혼합섬유 웹층 상에 제 2 기재층을 적층하는 단계를 수행하여 제조된다.
본 발명의 예비성형체(1)는 다양한 공정을 통하여 제조될 수 있으며, 에어레이드 공법으로 제조되는 것이 바람직하다.
먼저, 제 1 기재층(10)은 일 방향으로 이동하는 벨트 위에 위치시킨다.
다음으로, 상기 일 방향으로 이동하는 벨트 상에 위치된 제 1 기재층(10) 상에 에어레이드 공정을 적용하여 혼합섬유로 이루어진 장섬유(200)를 일정 길이로 절단하면서 분사한다.
이때, 분사되는 장섬유(200)는 공기 기류에 의해 일정한 방향 없이 랜덤 방향으로 배향되며, 동시에 상기 벨트의 하부에서는 에어석션(air suction)을 함에 따라 장섬유(200)는 상기 제 1 기재층(10) 상에 부착되면서 장 혼합섬유 웹층(20)을 형성한다.
이후, 상기 형성된 장 혼합섬유 웹층(20) 상에 제 2 기재층(30)를 적층한다.
상기와 같은 공정을 수행하여 제조되는 예비성형체(1)는 적층되는 장섬유(200)가 불연속적으로 랜덤 방향으로 배향됨에 따라 기존의 부직포 예비성형체에 비해 등방성 및 물성이 향상되고 유연성 향상으로 인해 복합한 구조의 제품도 용이하게 제조 가능하다.
이러한 효과를 갖는 본 발명의 예비성형체(1)는 복수의 기재층 사이에 위치시켜 제조함에 따라, 경량이면서도 고강도, 고강성 및 내충격성 등의 물성이 향상되는 열가소성 복합재료를 제공할 수 있다.
본 발명의 예비성형체(1)를 포함하는 열가소성 복합재료는 복수의 기재층 사이에 예비성형체(1)가 적층된 구조를 갖는다.
이러한 열가소성 복합재료는 복수의 기재층을 준비하는 단계; 상기 기재층 사이에 본 발명의 예비성형체(1)를 적층하는 단계; 및 상기 예비성형체와 복수의 기재층을 포함하는 적층물에 대해 가열 및 압착 공정을 수행하는 단계를 거쳐 제조된다.
이하, 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 복수의 기재층을 준비한다.
준비되는 복수의 기재층의 재질은 한정되지 않으나, 본 발명의 제 1 및 제 2 기재층와 동일한 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 그 평량은 80 ~ 120 gsm을 갖는 것이 바람직하다.
그 후, 준비된 복수의 기재층 사이에 본 발명의 예비성형체(1)를 적층한다.
이때, 상기 혼합섬유 예비성형체(1)는, 복수의 기재층 중 상호 인접하는 기재층 사이 사이에 적층되거나, 양 기재층 사이에 복수개의 예비성형체(1)가 연달아 적층될 수 있으며, 기채층 없이도 성형이 가능하고, 그 적층 구조는 제한되지 않는다.
혼합섬유 예비성형체(1)는 복수개의 어느 기재층 중 상호 인접하는 기재층 사이에 적층되기만 하면, 그 적층되는 위치는 어느 하나로 제한되지 않으며, 복수개의 혼합섬유 예비성형체(1)가 적층되어 열가소성 복합재료가 제조될 수 있다.
또한, 예비성형체(1)는, 양 기재층 사이에 복수개의 혼합섬유 예비성형체(1)가 연달아 적층되어 열가소성 복합재료가 제조될 수 있으며, 적층되는 혼합섬유 예비성형체(1)의 수 및 그 적층 구조는 경우에 맞게 변동되어 제조가능하다.
다음으로, 본 발명의 예비성형체(1)를 포함하는 적층물에 대해 가열 및 압착 공정을 수행하여 본 발명에 따른 열가소성 복합재료를 제조한다.
가열 및 압착 공정은 단주기 프레스 공정이나 더블 벨트 프레스(Double belt press) 또는 고온, 고압의 압착 롤러 등의 연속 프레스 공정을 이용할 수 있다.
일예로 단주기 프레스 공정 적용시 통상적으로 사용되는 공정 조건을 수행하며, 200 ~ 400℃의 예비 가열 후 2 ~ 3MPa의 가압 조건에서 1 ~ 3분간 프레스 가압한다. 또한 연속 프레스 공정 적용시 200 ~ 400℃의 온도, 0.1~0.2 m/분의 속도, 0.1~3 MPa의 압력 조건으로 수행한다.
상기와 같은 공정을 수행하여 제조되는 열가소성 복합재료는 기존 복합 재료와 달리 불연속적이며 랜덤 방향으로 배향되는 장 혼합섬유 웹층을 포함하여 제조됨에 따라 경량하면서도 고강도, 고강성, 내충격성의 물성이 향상된다.
따라서, 이와 같은 열가소성 복합재료는 기존 금속 재료를 적용한 자동차 및 수송기기의 부품 제조에 적용되고 있는 금속 재질을 대체함으로써, 경량화를 통한 연비 효율성 향상 및 고강도, 고강성, 내충격성등의 물성이 향상되는 효과를 가져 그 활용성이 우수하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 실험예를 기재한다. 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재될 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 3 : GF / PP 혼합섬유 예비성형체를 이용한 복합재료 제조
GF/PP 혼합섬유를 섬유 절단기(FiDoCut, fiber chopping machine) 장비를 이용하여 하기 표 1에 도시된 바와 같이 10, 30, 50mm의 길이를 갖도록 절단한 후, 에어레이드 공정으로 벨트 상의 30gsm의 중량을 갖는 제 1 PP 스펀본드 부직포 상에 공기와 함께 분사시킨 후 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 PP 스펀본드 부직포 상에 부착하였다. 그 위에 제 2 PP 스펀본드를 적층시켜 혼합섬유 예비성형체를 제조하였다.
그 후 예비성형체를 100gsm의 중량을 갖는 PP 스펀본드층 사이에 적층한 후, 300 ℃에서 20분간 예비가열 후, 2.5MPa 압력 조건에서 1분간 프레스 공정을 수행하여 본 발명의 따른 실시예 1 내지 3의 열가소성 복합재료를 제조하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3
장섬유 재질 GF/PP GF/PP GF/PP
장섬유 길이 10mm 30mm 50mm
기재층 재질 PP 스펀본드(30gsm) PP 스펀본드(30gsm) PP 스펀본드(30gsm)
실시예 4 내지 6: CF/PA6 혼합섬유 예비성형체를 이용한 복합재료 제조
CF/PA6 혼합섬유를 섬유 절단기(FiDoCut, fiber chopping machine) 장비를 이용하여 하기 표 2에 도시된 바와 같이 10, 30, 50mm의 길이를 갖도록 절단한 후, 에어레이드 공정으로 벨트 상의 30gsm의 중량을 갖는 유리섬유 부직포 상에 공기와 함께 분사시킨 후 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 PA6 스펀본드 부직포 상에 부착하였다. 그 위에 제 2 PA6 스펀본드를 적층시켜 혼합섬유 예비성형체를 제조하였다.
그 후 예비성형체를 적층한 후, 300 ℃에서 20분간 예비가열 후, 2.5MPa 압력 조건에서 1분간 프레스 공정을 수행하여 본 발명의 따른 실시예 4 내지 6의 열가소성 복합재료를 제조하였다.
실시예 4 실시예 5 실시예 6
장섬유 재질 CF/PA6 CF/PA6 CF/PA6
장섬유 길이 10mm 30mm 50mm
기재층 재질 유리섬유 부직포(30gsm) 유리섬유 부직포(30gsm) 유리섬유 부직포(30gsm)
비교예 1 내지 3: 열경화성 수지 주입 공정에 따른 복합재료 제조
탄소 섬유(Toray, T700, 12k, 800tex)를 섬유 절단기(FiDoCut,fiber chopping machine)장비를 이용하여 하기 표 3에 도시된 바와 같이 10, 30, 50mm의 길이를 갖도록 절단한 후, 에어레이드 공정으로 벨트 상의 유리섬유 부직포에 공기 기류와 함께 분사시킨 후 장섬유 부직포 예비성형체를 제조하였다.
그 후 장섬유 부직포 예비성형체를 30gsm의 중량을 갖는 유리섬유 부직포층 사이에 적층한 후, 에폭시(국도화학, KFR-121) 및 경화제(국도화학, KFR-121)를 포함하는 수지를 주입하여 82kPa의 압력 및 80 ℃의 온도에서 5시간 경화시켜 비교예 1 내지 3의 열경화성 복합재료를 제조하였다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3
기재층 재질 유리섬유 부직포 유리섬유 부직포 유리섬유 부직포
장섬유 재질 탄소 섬유 탄소 섬유 탄소 섬유
장섬유 길이 10mm 30mm 50mm
실험예 1 : 기공함유량
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3의 복합재료의 기공함유량을 측정하기 위해 ASTM D 3171 : Standard Test Methods for Constituent Content of Composite Materials {A1. Procedure A-Matrix digestion using nitric acid]에 의거하여 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
섬유장[mm] Fiber volume fraction[%] Void content[%]
실시예 1 10 9.3 0.8
실시예 2 30 8.9 1.1
실시예 3 50 9,5 1.3
실시예 4 10 13.4 1.4
실시예 5 30 13.1 0.9
실시예 6 50 12.4 1.7
비교예 1 10 8.3 1.4
비교예 2 30 7.6 0.6
비교예 3 50 12.8 0.7
상기 표 4에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 비교예 1 내지 3는 섬유체적율 및 기공함유율은 각각 8.3에서 12.8%와 1.4에서 0.7% 보인다. 본 발명에 따른 실시예 1 내지 6의 복합재료는 섬유체적율 약 13% 및 기공함유율 1.4% 이하의 수치를 보여 열경화성 복합재료와 비교해서 우수한 함침성을 갖는 복합재료의 기공함유율 수치를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2: 강도 테스트
상기에서 제조한 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3의 복합재료의 강도를 측정하기 위해, 복합재료의 인장 테스트는 ASTM D3039M - 08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, 충격 테스트는 KS M ISO 180 플라스틱 충격강도에 따라 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 5에 나타내었다.
섬유장[mm] 인장강도
[MPa]		 인장탄성률
[GPa]		 충격강도
[kJ/m2]
실시예 1 10 65.6 1.2 65.1
실시예 2 30 80.2 1.6 72.9
실시예 3 50 90.2 1.6 101.1
실시예 4 10 105.6 22.3 60.3
실시예 5 30 125.1 27.8 70.4
실시예 6 50 130.7 29.6 94.2
비교예 1 10 137.3 26.1 30.4
비교예 2 30 112.8 32.3 60.5
비교예 3 50 138.8 30.2 95.5
상기 표 5에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3 복합재료는 유리섬유 장섬유를 이용하여 제조되어, 탄소섬유를 사용한 실시예 4 내지 6과 비교예 1 내지 3 복합재료에 비해 인장특성은 떨어지나 충격특성은 비슷한 결과를 나타내었다. 열가소성 탄소섬유 복합재료인 실시예 4 내지 6은 열경화성 탄소섬유 복합재료인 비교예 1 내지 3에 인장 특성은 약간 떨어지나 열가소성 복합재료 특징인 충격특성은 우수하다.
이와 같이, 본 발명의 불연속적으로 랜덤방향으로 배향되는 복합섬유 장 혼합섬유 웹층을 이용하여 제조되는 열가소성 복합재료는 기존의 연속적인 장섬유층을 이용하여 제조되는 열경화성 복합재료에 비해 인장강도 특성이 조금 떨어지는 것을 알 수 있으나, 높은 성형성과 충격특성을 보이며, 본 발명의 혼합섬유로 구성된 장섬유 웹층을 사용한 열가소성 복합재료는 보다 나은 물성을 얻을 수 있어 높은 내충격성 및 재활용이 요구되는 자동차 부품 분야에 적용될 수 있다.
10: 제 1 부직포 층 20: 장 혼합섬유 웹층
200: 장섬유 30: 제 2 부직포 층

Claims (10)

  1. 제 1 기재층;
    상기 제 1 기재층 상에 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 천연섬유, 유리섬유 및 금속 섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종의 강화 섬유가 열가소성 중합체 섬유와 서로 혼합된 혼합섬유(커밍글드 섬유, commingled fiber)로 이루어진 10 ~ 80mm의 길이를 갖는 장섬유가 불연속적으로 랜덤 방향으로 배향되어 평량 200 ~ 400 gsm을 갖는 장 혼합섬유 웹층; 및
    상기 장 혼합섬유 웹층 상에 적층되는 제 2 기재층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 기재층은
    폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르 및 폴리페닐렌 설파이드으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 열가소성 수지를 포함하는 부직포 또는 직물이고,
    상기 열가소성 중합체 섬유는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 스티렌/아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴/스티렌/부타디엔 삼원공중합체, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리아세탈, 폴리에테르이미드, 및 폴리카르보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 장섬유 부직포 예비성형체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 기재층을 준비하는 단계;
    상기 제 1 기재층 상에 에어레이드 공정으로 혼합섬유(커밍글드 섬유, commingled fiber)로 이루어진 장섬유를 랜덤 방향으로 불연속적으로 배향하여 장 혼합섬유 웹층을 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 장 혼합섬유 웹층 상에 제 2 기재층을 적층하는 단계
    를 포함하는 제1항에 따른 장섬유 부직포 예비성형체 제조방법.
  7. 복수의 기재층을 준비하는 단계;
    상기 기재층 사이에 상기 제1항에 따른 예비성형체를 적층하는 단계; 및
    상기 예비성형체와 복수의 기재층을 포함하는 적층물에 대해 가열 및 압착 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는, 인장강도 65.6 Mpa 이상 및 충격강도 60.3 kJ/m2 이상을 갖는 열가소성 복합재료 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가열 및 압착 공정은
    단주기 프레스 공정 또는 연속 프레스 공정인 것인 열가소성 복합재료 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 단주기 프레스 공정은
    200~400℃의 예비가열(preheating) 후 프레스 가압 2 ~ 3 MPa에서 1~3분간 수행하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합재료 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 연속 프레스 공정은
    200 ~ 400℃의 온도, 0.1~0.2 m/분의 속도, 0.1~3 MPa의 압력으로 수행하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합재료 제조방법.
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