KR102701071B1 - Light-weight prepreg and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
경량 장섬유 강화 시이트 및 경량 복합소재 성형품을 제조할 수 있는 경량 프리프레그 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 경량 프리프레그는 매트릭스 수지; 및 상기 매트릭스 수지에 함침되어 있는 강화 섬유를 포함하며, 상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제 및 발포제를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어진다. 상기 경량 프리프레그의 제조 방법은 에폭시 수지, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제 및 발포제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 강화 섬유를 함침시키는 단계; 및 상기 강화 섬유가 함침된 에폭시 수지 조성물을 경화시켜 매트릭스 수지를 형성하는 단계를 포함한다.A lightweight prepreg capable of producing a lightweight long fiber reinforced sheet and a lightweight composite molded product, and a method for producing the same, are disclosed. The lightweight prepreg comprises a matrix resin; and reinforcing fibers impregnated in the matrix resin, wherein the matrix resin is formed of an epoxy resin composition comprising an epoxy resin, a curing agent that hardens the epoxy resin, and a foaming agent. The method for producing the lightweight prepreg comprises a step of impregnating reinforcing fibers into an epoxy resin composition comprising an epoxy resin, a curing agent that hardens the epoxy resin, and a foaming agent; and a step of curing the epoxy resin composition in which the reinforcing fibers are impregnated to form a matrix resin.
Description
본 발명은 프리프레그 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 경량 장섬유 강화 시이트 및 경량 복합소재 성형품을 제조할 수 있는 경량 프리프레그 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a prepreg and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a lightweight prepreg capable of manufacturing a lightweight long fiber reinforced sheet and a lightweight composite material molded product and a method for manufacturing the same.
섬유강화 복합소재는 높은 비강도 및 비탄성률을 가지므로, 스포츠 레저 용품, 항공용품, 자동차 및 철도 용품, 일반 산업용품 등의 제조에 널리 이용되고 있다. 섬유강화 복합소재로 성형품을 제조하는 방법으로는 필라멘트 와인딩 (Filament winding), 인퓨젼(Infusion), RTM(Resin Transfer Molding), 인발(Pultrusion), 압축(Press) 등의 성형 공법이 사용되고 있으며, 특히 오토클레이브(Autoclave), 진공백(Vacuum Bag), 시트 와인딩(Sheet winding), 블래더 몰딩(Bladder Molding) 등의 성형 공법에는 강화 섬유에 매트릭스 수지 (기재)를 미리 함침시킨 중간제품인 프리프레그가 사용되고 있다. 프리프레그를 사용하면, 성형품의 기계적 물성에 영향을 미치는 섬유의 함량을 높이거나, 목표하는 섬유 함량을 관리하기 용이하고, 보이드(void) 등의 내부 결함을 감소시킬 수 있으며, 내열도, 충격강도 등의 물성을 용이하게 향상시킬 수 있다.Fiber-reinforced composite materials have high specific strength and specific elastic modulus, and are therefore widely used in the manufacture of sports and leisure goods, aviation goods, automobile and railway goods, and general industrial goods. Filament winding, infusion, RTM (Resin Transfer Molding), pultrusion, and press are among the molding methods used to manufacture molded products using fiber-reinforced composite materials. In particular, prepreg, which is an intermediate product in which matrix resin (base material) is pre-impregnated into reinforcing fibers, is used in molding methods such as autoclave, vacuum bag, sheet winding, and bladder molding. Using prepreg makes it easy to increase the fiber content affecting the mechanical properties of the molded product, manage the target fiber content, reduce internal defects such as voids, and easily improve properties such as heat resistance and impact strength.
최근에는 일방향으로 배열된 장섬유를 사용하여 장섬유 프리프레그를 제조하고, 제조된 장섬유 프리프레그를 길이 방향 및 수직 방향으로 절단하여 프리프레그 칩(chip)을 제조한 다음, 이를 시이트 형태로 적층하고 압착하여 장섬유 강화 시이트(long-fiber reinforced sheet)를 제조한 다음, 이를 성형하여 섬유강화 복합소재 성형품을 제조하는 방법도 사용되고 있다. 이러한 장섬유 강화 시이트는 기재(matrix) 함침성이 우수하고, 복잡한 형상의 부품 성형이 가능한 장점이 있으나, 성형품의 무게가 증가하는 문제, 즉, 경량화에 한계가 있다(EP 1134314 A1, 특허공개 10-2019-0033686 등 참조).Recently, a method has been used in which a long-fiber prepreg is manufactured using long fibers arranged in one direction, the manufactured long-fiber prepreg is cut in the longitudinal and vertical directions to manufacture prepreg chips, these are laminated and pressed into a sheet shape to manufacture a long-fiber reinforced sheet, and then the long-fiber reinforced sheet is molded to manufacture a fiber-reinforced composite molded product. Such long-fiber reinforced sheets have the advantages of excellent matrix impregnation and the possibility of molding parts having complex shapes, but there is a problem that the weight of the molded product increases, i.e., there is a limit to weight reduction (see EP 1134314 A1, Patent Publication No. 10-2019-0033686, etc.).
한편, 통상 2.5 내지 5 cm 길이의 탄소섬유를 포함하는 수지 시트를 적층하고 압착하여 경화시킨 시트 몰딩 컴파운딩(Sheet Molding Compounding: SMC) 소재의 경우에도, 복잡한 형상의 부품 성형이 가능하지만, 탄소섬유 사용시 기재의 함침성이 낮아, 기계적 물성 증가에 한계가 있으며, 경량화에도 한계가 있다. Meanwhile, in the case of sheet molding compounding (SMC) materials, which are made by laminating and pressing resin sheets containing carbon fibers that are usually 2.5 to 5 cm long, and then hardening them, it is possible to mold parts with complex shapes, but when carbon fibers are used, the impregnation of the base material is low, so there is a limit to the increase in mechanical properties, and there is also a limit to weight reduction.
본 발명의 목적은, 경량 장섬유 강화 시이트 및 경량 복합소재 성형품을 제조할 수 있는 경량 프리프레그 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a lightweight prepreg capable of producing a lightweight long fiber reinforced sheet and a lightweight composite material molded product, and a method for producing the same.
본 발명의 다른 목적은, 형상이 복잡한 성형품을 제작하면서도, 성형품을 경량화할 수 있는 경량 프리프레그 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lightweight prepreg capable of manufacturing a molded product having a complex shape while reducing the weight of the molded product, and a method for manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 매트릭스 수지; 및 상기 매트릭스 수지에 함침되어 있는 강화 섬유를 포함하며, 상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제 및 발포제를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어진 것인 경량 프리프레그를 제공한다.To achieve the above object, the present invention provides a lightweight prepreg comprising a matrix resin; and reinforcing fibers impregnated in the matrix resin, wherein the matrix resin is made of an epoxy resin composition comprising an epoxy resin, a curing agent that hardens the epoxy resin, and a foaming agent.
또한, 본 발명은, 에폭시 수지, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제 및 발포제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 강화 섬유를 함침시키는 단계; 및 상기 강화 섬유가 함침된 에폭시 수지 조성물을 경화시켜 매트릭스 수지를 형성하는 단계를 포함하는 프리프레그의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing a prepreg, comprising the steps of impregnating reinforcing fibers into an epoxy resin composition comprising an epoxy resin, a curing agent for curing the epoxy resin, and a foaming agent; and the steps of curing the epoxy resin composition impregnated with the reinforcing fibers to form a matrix resin.
또한, 본 발명은, 상기 경량 프리프레그로 성형된 섬유강화 복합소재 성형품을 제공한다.In addition, the present invention provides a fiber-reinforced composite material molded product molded with the lightweight prepreg.
본 발명에 따른 경량 프리프레그를 사용하면, 경량 장섬유 강화 시이트 및 경량 복합소재 성형품을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 형상이 복잡한 성형품을 제작하면서도, 성형품을 경량화할 수 있다.By using the lightweight prepreg according to the present invention, not only can a lightweight long-fiber reinforced sheet and a lightweight composite molded product be manufactured, but also a molded product having a complex shape can be manufactured while reducing the weight of the molded product.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 경량 프리프레그는 매트릭스(matrix, 기재) 수지 및 상기 매트릭스 수지에 함침되어 있는 강화 섬유를 포함하며, 상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제 및 발포제를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어진다. A lightweight prepreg according to the present invention comprises a matrix resin and reinforcing fibers impregnated in the matrix resin, wherein the matrix resin is made of an epoxy resin composition comprising an epoxy resin, a curing agent that hardens the epoxy resin, and a foaming agent.
상기 에폭시 수지 조성물에 있어서, 에폭시 수지는 프리프레그의 강화 섬유를 함침시키는 매트릭스(matrix, 기재)의 역할을 하고, 수지 조성물에 반응성 및 접착성을 부여하며, 경화 후의 성형품에 내열성, 강인성, 내약품성 등을 부여한다. 상기 에폭시 수지로는 경화 가능한 통상의 에폭시 수지를 특별한 제한없이 사용할 수 있고, 예를 들어, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 바이페닐 에폭시 수지, 노볼락형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 글리시딜 에스터형 에폭시 수지, 글리시딜 아민형 에폭시 수지, 다사이클로펜타디엔형 에폭시 수지, 지환형 에폭시 수지 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 비스페놀 A형 에폭시 수지 및 비스페놀 F형 에폭시 수지를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 비스페놀 A형 에폭시 수지를 사용할 수 있다. 상기 에폭시 수지는 상온에서, 고상, 반고상, 액상 또는 이들의 혼합상으로 존재할 수 있고, 예를 들면, 매트릭스 수지의 점성을 조절하기 위하여 액상 에폭시 수지 40 내지 60 중량% 및 고상 에폭시 수지 40 내지 60 중량%의 혼합물로 이루어질 수 있다.In the above epoxy resin composition, the epoxy resin functions as a matrix that impregnates the reinforcing fibers of the prepreg, provides reactivity and adhesiveness to the resin composition, and provides heat resistance, toughness, chemical resistance, etc. to the molded product after curing. As the epoxy resin, a conventional curable epoxy resin can be used without any particular limitation, and for example, bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol S type epoxy resin, biphenyl epoxy resin, novolac type epoxy resin, naphthalene type epoxy resin, glycidyl ester type epoxy resin, glycidyl amine type epoxy resin, dicyclopentadiene type epoxy resin, alicyclic epoxy resin, etc. can be used. Preferably, bisphenol A type epoxy resin and bisphenol F type epoxy resin can be used alone or in mixture, and more preferably, bisphenol A type epoxy resin can be used. The above epoxy resin may exist in a solid, semi-solid, liquid or mixed state thereof at room temperature, and may be formed as a mixture of, for example, 40 to 60 wt% of a liquid epoxy resin and 40 to 60 wt% of a solid epoxy resin to control the viscosity of the matrix resin.
상기 경화제는 에폭시 수지와 반응하여 에폭시 수지가 소정의 점도를 가지도록 경화시키는 화합물로서, 상기 경화제로서 에폭시 수지를 경화시키는 통상의 경화제를 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 상기 경화제의 구체적인 예로는, 디시안디아마이드(dicyandiamide), 디클로로페닐디메틸우레아 (dichlorophenyl dimethylurea) 등을 예시할 수 있다. The above curing agent is a compound that reacts with an epoxy resin to harden the epoxy resin so that the epoxy resin has a predetermined viscosity. As the curing agent, a typical curing agent that hardens an epoxy resin can be used without any particular limitation. Specific examples of the curing agent include dicyandiamide, dichlorophenyl dimethylurea, and the like.
상기 발포제는 에폭시 수지의 열경화 과정에서 발포되어, 프리프레그 내부에 기공을 형성함으로써, 프리프레그, 그로부터 제조되는 장섬유 강화 시이트 및 성형품의 밀도 및 무게를 감소시키는 역할을 한다. 상기 발포제로는 열가소성 수지로 이루어진 열팽창성 마이크로스피어 발포제, 구체적으로는 Akzonobel사의 Expancel 920 DU20, Expancel 920 DU40 등을 사용할 수 있다. 상기 열팽창성 열가소성 마이크로스피어 발포제는 발포제를 캡슐화하는 열가소성 쉘(shell)을 포함한다. 열가소성 쉘은 통상적으로 열가소성 중합체로 이루어지고, 가열되는 경우, 열가소성 쉘이 연화됨과 동시에, 열가소성 쉘 내에 보유된 발포제가 증발되어, 열가소성 마이크로스피어가 팽창됨으로서, 매트릭스 수지를 발포시킨다. 이러한 열팽창성 열가소성 마이크로스피어 발포제는 예를 들어 미국특허 3,615,972, 국제특허공개 WO2007/091960, 대한민국 특허공개 10-2019-0012225 등에 공지되어 있다.The above-mentioned foaming agent is foamed during the heat curing process of the epoxy resin, and forms pores inside the prepreg, thereby reducing the density and weight of the prepreg, the long-fiber reinforced sheet manufactured therefrom, and the molded product. The above-mentioned foaming agent may be a heat-expandable microsphere foaming agent made of a thermoplastic resin, specifically, Expancel 920 DU20 and Expancel 920 DU40 from Akzonobel. The heat-expandable thermoplastic microsphere foaming agent includes a thermoplastic shell that encapsulates the foaming agent. The thermoplastic shell is typically made of a thermoplastic polymer, and when heated, the thermoplastic shell softens and the foaming agent retained in the thermoplastic shell evaporates, causing the thermoplastic microspheres to expand, thereby foaming the matrix resin. Such heat-expandable thermoplastic microsphere foams are known, for example, in U.S. Pat. No. 3,615,972, International Patent Publication No. WO2007/091960, and Republic of Korea Patent Publication No. 10-2019-0012225.
본 발명의 프리프레그에 사용되는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시 수지의 함량은 70 내지 96 중량%, 바람직하게는 79 내지 92 중량%이고, 경화제의 함량은 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 3 내지 6 중량%이고, 발포제의 함량은 3 내지 20 중량%, 바람직하게는 5 내지 15 중량%이다. 상기 경화제의 함량이 너무 많으면, 에폭시 수지의 점도가 과도하게 상승하는 문제가 있고, 상기 경화제의 함량이 너무 작으면, 에폭시 수지의 경화가 불충분하여 시이트 형태의 프리프레그가 형성되지 못할 우려가 있다. 또한, 상기 발포제의 함량이 너무 많으면, 에폭시 수지 조성물의 혼합이 어려울 수 있으며, 상기 발포제의 함량이 너무 작으면, 발포량이 적어, 프리프레그 성형품의 밀도 감소가 불충분할 수 있다.In the epoxy resin composition used in the prepreg of the present invention, the content of the epoxy resin is 70 to 96 wt%, preferably 79 to 92 wt%, the content of the curing agent is 1 to 10 wt%, preferably 3 to 6 wt%, and the content of the foaming agent is 3 to 20 wt%, preferably 5 to 15 wt%. If the content of the curing agent is too high, there is a problem that the viscosity of the epoxy resin excessively increases, and if the content of the curing agent is too low, there is a concern that the curing of the epoxy resin is insufficient, making it difficult to form a sheet-shaped prepreg. In addition, if the content of the foaming agent is too high, mixing of the epoxy resin composition may be difficult, and if the content of the foaming agent is too low, the foaming amount may be small, and the density reduction of the prepreg molded product may be insufficient.
상기 매트릭스 수지에 함침되는 강화 섬유로는 탄소섬유, 흑연 섬유, 유리섬유, 고분자 섬유 등의 프리프레그 형성용 강화섬유를 특별한 제한없이 사용할 수 있고, 이들 강화 섬유는 토우(Tow), 직물(Fabric) 등의 연속섬유, 단섬유(Chopped or short fiber), 장섬유(long Fiber), 매트 등의 형태로 사용할 수 있다. As reinforcing fibers impregnated in the above matrix resin, reinforcing fibers for forming prepregs, such as carbon fibers, graphite fibers, glass fibers, and polymer fibers, can be used without special restrictions, and these reinforcing fibers can be used in the form of continuous fibers such as tows and fabrics, chopped or short fibers, long fibers, mats, etc.
본 발명에 따른 프리프레그에 있어서, 매트릭스 수지의 함량(RC, Resin Content)는 프리프레그로서의 강성, 성형성 및 점성을 가지는 한 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 20 내지 70 중량%, 바람직하게는 30 내지 60 중량%이다. 상기 매트릭스 수지 함량(RC)이 너무 작으면, 프리프레그 제조시 강화 섬유가 수지 중에 완전히 함침되지 않고 내부에 공극(void)가 잔류할 가능성이 있다. 또한, 성형 후 표면에 섬유가 노출되어 우수한 표면품질 확보가 어려워진다. 상기 매트릭스 수지 함량(RC)이 너무 많으면, 상대적으로 강화 섬유 함량이 낮아져 비강도 및 비탄성률 등의 기계적 강도가 저하될 우려가 있고, 프레스 성형 시 과량 포함된 수지의 흐름이 많아져 강화 섬유의 배열을 흐트러뜨리거나 성형품 가장자리 부근으로 수지가 누출되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 프리프레그 단위면적 당 강화 섬유 함량(Fiber Areal Weight: FAW)는 50 내지 300 g/m2이 적당하다.In the prepreg according to the present invention, the content of the matrix resin (RC, Resin Content) is not particularly limited as long as it has the rigidity, moldability and viscosity as a prepreg, but is, for example, 20 to 70 wt%, preferably 30 to 60 wt%. If the matrix resin content (RC) is too small, there is a possibility that the reinforcing fibers are not completely impregnated into the resin during the manufacture of the prepreg and voids may remain inside. In addition, the fibers are exposed on the surface after molding, making it difficult to secure excellent surface quality. If the matrix resin content (RC) is too large, the reinforcing fiber content is relatively low, which may lower the mechanical strength such as the specific strength and the specific elasticity, and the excessively included resin may flow a lot during press molding, which may cause problems such as disruption of the arrangement of the reinforcing fibers or resin leakage near the edge of the molded product. In addition, the reinforcing fiber content per unit area of the prepreg (Fiber Areal Weight: FAW) is suitably 50 to 300 g/ m2 .
상기 프리프레그는 상기 에폭시 수지 조성물에 강화 섬유를 함침시키고, 상기 강화 섬유가 함침된 에폭시 수지 조성물을 경화시켜 매트릭스 수지를 형성하여 제조할 수 있다. 상기 함침 방법으로는 일반적으로 건식 방법(핫멜트 방법) 및 습식 방법(용액 방법)이 사용된다. 습식 방법은 에폭시 수지 조성물을 메틸에틸케톤(MEK), 아세톤 등의 에폭시 수지 용해용 용제에 용해시킨 에폭시 수지 조성물 용액에 강화 섬유를 침지시키고, 이어서 건조로를 통과시켜 용제를 제거하여 프리프레그를 제조하는 방법이다. 건식 방법인 핫멜트 방법의 일례는 다음과 같다. 먼저, 에폭시 수지 조성물을 유동성이 확보되도록 60 내지 100 ℃ 정도의 온도로 가열하여 점도를 저하시킨 후, 이형지 위에 계산된 두께로 코팅하여 에폭시 수지 필름을 제조하고, 이 필름과 평평한 형상으로 펼친 강화 섬유를 열과 압력으로 합지 또는 라미네이팅 함으로써 강화섬유를 에폭시 수지로 함침시킨다. 핫멜트 방법에 의하면 잔류 용제가 포함되지 않는 프리프레그를 제조할 수 있는 장점이 있다. 수지 필름을 제조하기 위한 코팅방법으로는 콤마 코팅, 롤코팅, 슬롯다이 코팅 등을 사용할 수 있다.The above prepreg can be manufactured by impregnating reinforcing fibers into the epoxy resin composition, and curing the epoxy resin composition impregnated with the reinforcing fibers to form a matrix resin. As the impregnation method, a dry method (hot melt method) and a wet method (solution method) are generally used. The wet method is a method in which the reinforcing fibers are immersed in an epoxy resin composition solution in which the epoxy resin composition is dissolved in an epoxy resin dissolving solvent such as methyl ethyl ketone (MEK) or acetone, and then the solvent is removed by passing the resulting mixture through a drying oven to manufacture a prepreg. An example of the hot melt method, which is a dry method, is as follows. First, the epoxy resin composition is heated to a temperature of about 60 to 100° C. to ensure fluidity to reduce the viscosity, and then the epoxy resin film is manufactured by coating it on a release paper to a calculated thickness, and the film and the reinforcing fibers spread out in a flat shape are combined or laminated with heat and pressure, thereby impregnating the reinforcing fibers with the epoxy resin. The hot melt method has the advantage of being able to produce prepregs that do not contain residual solvents. As coating methods for producing resin films, comma coating, roll coating, slot die coating, etc. can be used.
본 발명에 따른 프리프레그는 섬유강화 복합소재 성형품의 제조에 사용될 수 있다. 본 발명의 프리프레그를 사용하여 섬유강화 복합소재 성형품을 제조하는 방법으로는 오토클레이브(Autoclave), 진공백(Vacuum bag), 프레스(Press) 성형 등 통상의 성형법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 프리프레그를 140 내지 160 ℃의 온도 및 5 내지 10 kgf/cm2 압력의 금형 내에서 2 내지 5 분 동안 프레스 성형하여 성형품을 제조할 수 있다.The prepreg according to the present invention can be used to manufacture a fiber-reinforced composite molded product. As a method for manufacturing a fiber-reinforced composite molded product using the prepreg of the present invention, a conventional molding method such as autoclave, vacuum bag, or press molding can be used. For example, the prepreg of the present invention can be press molded in a mold at a temperature of 140 to 160° C. and a pressure of 5 to 10 kgf/cm 2 for 2 to 5 minutes to manufacture a molded product.
또한, 일방향으로 배열된 장섬유를 강화 섬유로 사용하여 장섬유 프리프레그를 제조한 후, 형성된 장섬유 프리프레그를 길이 방향 및 수직 방향으로 절단하여 프리프레그 칩(chip)을 제조한 다음, 이를 랜덤하게 분산시켜 컴파운딩 재료로 사용할 수 있다. 또한, 상기 프리프레그 칩을 랜덤하게 분산시켜 시이트 형태로 적층한 다음 압착하여 장섬유 강화 시이트(long-fiber reinforced sheet)를 제조할 수 있다. 이와 같이 제조된 컴파운딩 재료 및 장섬유 강화 시이트를 성형하여 복잡한 형상의 섬유강화 복합소재 성형품을 제조할 수 있다(특허공개 10-2019-0033686 등 참조). In addition, after manufacturing a long-fiber prepreg using long fibers arranged in one direction as reinforcing fibers, the formed long-fiber prepreg is cut in the longitudinal and vertical directions to manufacture prepreg chips, which are then randomly dispersed and used as a compounding material. In addition, the prepreg chips can be randomly dispersed, laminated in a sheet form, and then compressed to manufacture a long-fiber reinforced sheet. The compounding material and long-fiber reinforced sheet manufactured in this manner can be molded to manufacture a fiber-reinforced composite molded product having a complex shape (see Patent Publication No. 10-2019-0033686, etc.).
본 발명에 따른 프리프레그는 매트릭스 수지에 발포제가 포함되어 있으므로, 상기 프리프레그를 그대로 성형하여 성형품을 제조하거나, 장섬유 강화 컴파운딩 또는 장섬유 강화 시이트를 형성한 후 성형품을 제조하는 경우, 발포제의 작용에 의해 성형품의 밀도를 낮춰 무게를 감소시킬 수 있다. 본 발명에 따른 프리프레그를 사용하여 얻은 성형품은 기존 SMC 재료와 비교하여, 경량화된 장섬유 복합소재 성형품이다. 또한, 본 발명에 따른 프리프레그를 이용하여, 장섬유 강화 컴파운딩 또는 장섬유 강화 시이트를 형성한 후 성형품을 제조하면, 가벼우면서도 복잡한 형상의 부품을 제조할 수 있다. Since the prepreg according to the present invention contains a foaming agent in the matrix resin, when the prepreg is molded as it is to manufacture a molded product, or when a long-fiber reinforced compound or a long-fiber reinforced sheet is formed and then a molded product is manufactured, the density of the molded product can be lowered by the action of the foaming agent, thereby reducing the weight. The molded product obtained by using the prepreg according to the present invention is a lightweight long-fiber composite material molded product compared to existing SMC materials. In addition, when a molded product is manufactured by forming a long-fiber reinforced compound or a long-fiber reinforced sheet using the prepreg according to the present invention, a lightweight part having a complex shape can be manufactured.
본 발명에 따른 프리프레그를 사용하여 제조한 복합소재 성형품은, 경량 소재이면서도 복잡한 형상으로의 성형이 가능하므로, 인체에 착용하여 외부 충격으로부터 인체 손상을 방지하는 보호대, 방검판, 헬멧의 외부 셀 등의 인체 보호 부품, 자동차 내부 판넬, 자동차 리브 부품 등의 다양한 용도로 사용될 수 있다. A composite material molded product manufactured using the prepreg according to the present invention can be molded into a complex shape while being lightweight, and therefore can be used for various purposes, such as body protection parts such as protectors, bulletproof plates, and outer shells of helmets that are worn on the body to prevent damage to the body from external impact, automobile interior panels, and automobile rib parts.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. The following examples are intended to illustrate the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
[실시예 1] 일방향 프리프레그 시이트 제조 [Example 1] Manufacturing of unidirectional prepreg sheet
액상 비스페놀 A형(BPA) 에폭시 수지 34 중량% 및 고상 BPA형 에폭시 수지 50 중량%, 경화제(디시안디아마이드) 6 중량% 및 발포제(Akzonobel사의 Expancel 920 DU20) 10 중량%를 혼합하여 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 제조된 에폭시 수지 조성물을 150 ℃ 오븐에서 30분간 유지하여 경화시킴으로써, 경화된 에폭시 수지 조성물(밀도: 0.43 g/㎤)을 얻었다. An epoxy resin composition was prepared by mixing 34 wt% of a liquid bisphenol A type (BPA) epoxy resin, 50 wt% of a solid BPA type epoxy resin, 6 wt% of a hardener (dicyandiamide), and 10 wt% of a blowing agent (Expancel 920 DU20 from Akzonobel). The prepared epoxy resin composition was cured by maintaining it in an oven at 150° C. for 30 minutes, thereby obtaining a cured epoxy resin composition (density: 0.43 g/cm3).
상기 에폭시 수지 조성물에 탄소섬유를 함침시켜 프리프레그를 제조하였다. 제조된 프리프레그에 있어서, 에폭시 수지 조성물의 투입 함량(Resin Content)은 50 중량%였고, 단위면적당 탄소섬유의 투입량(Fiber Areal Weight)은 150 g/㎡ 였다. A prepreg was manufactured by impregnating carbon fibers into the above epoxy resin composition. In the manufactured prepreg, the input content of the epoxy resin composition (Resin Content) was 50 wt%, and the input amount of carbon fibers per unit area (Fiber Areal Weight) was 150 g/㎡.
제조된 일방향 프리프레그를 가로, 세로 300 x 300 mm 크기로 절단하여 5장 적층하고(프리프레그 5장 적층 무게 135 g), 150 ℃로 예열한 가로 세로 300 x 300 mm 크기의 금형에 적층된 프리프레그를 투입한 다음, 5 MPa로 가압하고, 30분간 유지하여, 두께 1.57 mm의 경량 프리프레그 시이트를 제조하였다. 제조된 경량 프리프레그 시이트의 밀도는 0.95 g/㎤ 이었다.The manufactured unidirectional prepreg was cut to a size of 300 x 300 mm in width and length, laminated into 5 sheets (weight of 5 prepreg sheets laminated: 135 g), placed into a mold measuring 300 x 300 mm in width and length preheated to 150°C, pressurized to 5 MPa, and maintained for 30 minutes to manufacture a lightweight prepreg sheet having a thickness of 1.57 mm. The density of the manufactured lightweight prepreg sheet was 0.95 g/cm3.
[실시예 2] 장섬유 보강 시이트 제조 [Example 2] Manufacturing of long fiber reinforced sheet
복잡한 형상의 성형품을 제조하기 위하여, 상기 경량 프리프레그 시이트를 슬리팅 및 커팅 가공하였다. 구체적으로, 상기 경량 프리프레그 시이트를 폭 방향 넓이 8 mm로 슬리팅(slitting)하고, 다시 50 mm 길이로 커팅한 다음, 잘려진 프리프레그 조각들이 랜덤하게 분포되도록 자유 낙하시켜 분산시켰다. 이후 열과 압력을 가하여 프리프레그 조각들이 시이트 형태가 되도록 가공하였다. 이렇게 제조된 시이트 135 g을 150 ℃ 로 예열된 상기 300 x 300 mm 크기의 금형에 투입하고, 5 MPa로 가압하고, 30분간 유지하여 두께 1.68 mm의 장섬유 강화 시이트를 제조하였다. 제조된 장섬유 강화 시이트의 밀도는 0.89 g/㎤ 였다. In order to manufacture a molded product having a complex shape, the lightweight prepreg sheet was slitting and cutting processed. Specifically, the lightweight prepreg sheet was slit to a width of 8 mm, and then cut to a length of 50 mm. Then, the cut prepreg pieces were randomly distributed and allowed to fall freely to disperse. Thereafter, heat and pressure were applied to process the prepreg pieces into a sheet shape. 135 g of the sheet thus manufactured was put into a mold measuring 300 x 300 mm and preheated to 150° C., pressurized at 5 MPa, and maintained for 30 minutes to manufacture a long-fiber reinforced sheet having a thickness of 1.68 mm. The density of the long-fiber reinforced sheet thus manufactured was 0.89 g/cm3.
[비교예 1] 일방향 프리프레그 시이트 제조 [Comparative Example 1] Manufacturing of unidirectional prepreg sheets
발포제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하고, 제조된 에폭시 수지 조성물을 150 ℃ 오븐에서 30분간 유지하여 경화시킴으로써, 경화된 에폭시 수지 조성물(밀도: 1.20 g/㎤)을 얻었다. 상기 경화된 에폭시 수지 조성물을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 프리프레그 및 두께 1.05 mm의 경량 프리프레그 시이트를 제조하였다. 제조된 경량 프리프레그 시이트의 밀도는 1.44 g/㎤ 이었다.An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that no foaming agent was used, and the prepared epoxy resin composition was cured by maintaining it in an oven at 150° C. for 30 minutes, thereby obtaining a cured epoxy resin composition (density: 1.20 g/cm3). Using the cured epoxy resin composition, a prepreg and a lightweight prepreg sheet having a thickness of 1.05 mm were prepared. The density of the prepared lightweight prepreg sheet was 1.44 g/cm3.
[비교예 2] 장섬유 보강 시이트 제조 [Comparative Example 2] Manufacturing of long fiber reinforced sheet
비교예 1에서 얻은 경량 프리프레그 시이트를 이용하여, 실시예 2와 동일한 방법으로 시이트 형태로 가공하고, 이렇게 제조된 시이트 135 g을 상기 150℃ 로 예열한 금형에 투입하여 5 MPa로 가압하고, 30분간 유지하여 두께 1.11 mm의 장섬유 강화 시이트를 제조하였다. 제조된 장섬유 강화 시이트의 밀도는 1.35 g/㎤ 이었다. Using the lightweight prepreg sheet obtained in Comparative Example 1, it was processed into a sheet shape in the same manner as in Example 2, and 135 g of the sheet thus manufactured was placed into a mold preheated to 150°C, pressurized to 5 MPa, and maintained for 30 minutes to manufacture a long-fiber reinforced sheet having a thickness of 1.11 mm. The density of the manufactured long-fiber reinforced sheet was 1.35 g/cm3.
상기 실시예 및 비교예에서 얻은 프리프레그 및 장섬유 강화 시이트의 물성을 하기 표 1에 정리하여 나타내었다.The properties of the prepreg and long-fiber reinforced sheet obtained in the above examples and comparative examples are summarized in Table 1 below.
(FAW 150 g/㎤, resin content 50%, 5장 적층 성형)Lightweight unidirectional prepreg molding
(FAW 150 g/cm2, resin content 50%, 5-sheet laminated molding)
(FAW 150 g/㎤, resin content 50%, 5장 적층 성형)General unidirectional prepreg molding
(FAW 150 g/cm2, resin content 50%, 5-sheet laminated molding)
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 프리프레그 및 이를 이용하여 성형한 장섬유 보강 시이트는 상대적으로 경량의 성형품을 형성할 수 있다. As shown in Table 1 above, the prepreg according to the present invention and the long fiber reinforced sheet molded using the prepreg can form a relatively lightweight molded product.
Claims (6)
상기 프리프레그는,
에폭시 수지, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제 및 발포제를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어진 매트릭스 수지; 및 상기 매트릭스 수지에 함침되어 있는 강화 섬유를 포함하며,
상기 프리프레그는 상기 에폭시 수지 조성물을 60 내지 100℃의 온도로 가열하여 점도를 저하시킨 후 이형지 위에 코팅하여 제조된 에폭시 수지 필름을 상기 강화 섬유와 열과 압력으로 합지 또는 라미네이팅하여 상기 강화 섬유에 상기 에폭시 수지 조성물을 함침시켜 형성되며,
상기 발포제는 발포제를 캡슐화하는 열가소성 쉘(shell)을 포함하는 열팽창성 마이크로스피어 발포제이고,
단위면적 당 강화 섬유 함량은 150 내지 300 g/m2인, 프리프레그 시이트.A prepreg sheet in which prepreg chips formed by cutting prepreg in the longitudinal and vertical directions are dispersed and laminated in the form of a sheet,
The above prepreg is,
A matrix resin comprising an epoxy resin composition comprising an epoxy resin, a curing agent for curing the epoxy resin, and a foaming agent; and reinforcing fibers impregnated in the matrix resin.
The above prepreg is formed by heating the epoxy resin composition to a temperature of 60 to 100°C to reduce the viscosity and then coating the epoxy resin film on a release paper, and then laminating or bonding the epoxy resin film with the reinforcing fibers using heat and pressure to impregnate the reinforcing fibers with the epoxy resin composition.
The above blowing agent is a heat-expandable microsphere blowing agent comprising a thermoplastic shell encapsulating the blowing agent,
A prepreg sheet having a reinforcing fiber content per unit area of 150 to 300 g/ m2 .
상기 강화 섬유가 함침된 에폭시 수지 조성물을 경화시켜 매트릭스 수지를 형성하여 프리프레그를 제조하는 단계;
상기 프리프레그를 길이방향 및 수직방향으로 절단하여 프리프레그 칩을 제조하는 단계; 및
상기 프리프레그 칩을 시이트 형태로 분산시켜 적층 및 압착하는 단계;
를 포함하는, 프리프레그 시이트의 제조 방법으로,
상기 발포제는 발포제를 캡슐화하는 열가소성 쉘(shell)을 포함하는 열팽창성 마이크로스피어 발포제이고,
상기 에폭시 수지 조성물에 강화 섬유를 함침시키는 단계는 상기 에폭시 수지 조성물을 60 내지 100℃의 온도로 가열하여 점도를 저하시킨 후 이형지 위에 코팅하여 에폭시 수지 필름을 제조하고, 제조된 에폭시 수지 필름과 상기 강화 섬유를 열과 압력으로 합지 또는 라미네이팅하여 상기 강화 섬유에 상기 에폭시 수지 조성물을 함침시키며,
상기 프리프레그 시이트는 단위면적 당 강화 섬유 함량이 150 내지 300 g/m2인 프리프레그 시이트의 제조 방법.A step of impregnating reinforcing fibers into an epoxy resin composition comprising an epoxy resin, a curing agent for curing the epoxy resin, and a foaming agent;
A step of manufacturing a prepreg by curing an epoxy resin composition impregnated with the reinforcing fibers to form a matrix resin;
A step of manufacturing prepreg chips by cutting the prepreg in the longitudinal and vertical directions; and
A step of dispersing the above prepreg chips into a sheet form and laminating and pressing them;
A method for manufacturing a prepreg sheet, comprising:
The above blowing agent is a heat-expandable microsphere blowing agent comprising a thermoplastic shell encapsulating the blowing agent,
The step of impregnating the epoxy resin composition with reinforcing fibers comprises heating the epoxy resin composition to a temperature of 60 to 100°C to reduce the viscosity, then coating it on a release paper to produce an epoxy resin film, and then combining or laminating the produced epoxy resin film with the reinforcing fibers using heat and pressure to impregnate the reinforcing fibers with the epoxy resin composition.
A method for manufacturing a prepreg sheet having a reinforcing fiber content per unit area of 150 to 300 g/ m2 .
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