KR102784929B1

KR102784929B1 - 불연속 섬유 강화 복합 재료

Info

Publication number: KR102784929B1
Application number: KR1020187019779A
Authority: KR
Inventors: 가츠히로 미요시; 다카후미 하시모토; 데츠야 모토하시
Original assignee: 도레이 카부시키가이샤
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2025-03-21
Anticipated expiration: 2037-02-15

Abstract

수 평균 섬유 길이 3 내지 100㎜의 불연속 강화 섬유를 포함하는 불연속 강화 섬유 집합체와 매트릭스 수지를 포함하는 불연속 섬유 강화 복합 재료이며, 상기 불연속 강화 섬유 집합체는, 소정 본수의 불연속 강화 섬유의 단사를 동일 방향으로 집속한 복수의 불연속 강화 섬유 다발을 포함하고, 상기 불연속 강화 섬유 다발은, 상기 단사의 배향 방향에 대하여 일정한 각도를 이루는 절단면을 갖고, 단사 배향 방향 양단 간의 거리인 불연속 섬유 다발 길이가 긴 불연속 섬유 다발일수록, 해당 불연속 강화 섬유 다발을 2차원 평면 상에 투영했을 때의 불연속 강화 섬유 다발의 단부의 예각을 이루는 선단 각도가 작은 것을 특징으로 하는 불연속 섬유 강화 복합 재료. 종래의 강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료에서는 달성할 수 없던, 성형 시의 고유동성과 높은 기계 특성을 높은 레벨로 양립시키는 것이 가능하며, 특히 유동 성형 시에 우수한 유동성, 변동이 적은 기계 특성을 나타내는 최적의 조건을 구비한 섬유 강화 복합 재료를 제공한다.

Description

불연속 섬유 강화 복합 재료

본 발명은, 적어도 불연속된 강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료에 관한 것이며, 특히 불연속 강화 섬유가 특정한 섬유 다발의 형태를 이루고, 또한 해당 섬유 다발이 상이한 섬유 다발 길이를 가짐으로써, 균일성 및 역학 특성이 우수하여, 성형품을 제작하는 경우에 높은 유동성과 기계 특성을 양립시킬 수 있는 불연속 섬유 강화 복합 재료에 관한 것이다.

강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료는, 높은 기계 특성이 얻어지는 점에서 다양한 성형품의 제조에 사용되며, 다양한 분야에서 수요는 해마다 증가하고 있다.

강화 섬유 중에서 특히 우수한 성능을 갖는 탄소 섬유 복합 재료의 성형 방법으로서는, 프리프레그라 칭해지는 연속된 탄소 섬유에 매트릭스 수지를 함침시킨 반경화 상태의 중간 기재를 적층하고, 고온 고압 가마에서 가열 가압함으로써 매트릭스 수지를 경화시킨 연속 섬유 강화 복합 재료를 성형하는 오토클레이브 성형이 가장 일반적으로 행해지고 있다. 또한 근년에는 생산 효율의 향상을 목적으로 하여, 미리 부재 형상으로 부형한 연속 섬유 기재에 매트릭스 수지를 함침 및 경화시키는 RTM(레진 트랜스퍼 몰딩) 성형 등도 행해지고 있다. 이들 성형법에 의하여 얻어진 탄소 섬유 복합 재료는, 연속 섬유이므로 우수한 역학 물성을 갖는다. 또한 연속 섬유는 규칙적인 배열이기 때문에, 기재의 배치에 의해 필요한 역학 물성으로 설계하는 것이 가능하고, 역학 물성의 변동도 작다. 그러나 한편, 연속 섬유이므로 3차원 형상 등의 복잡한 형상을 형성하는 것은 어려우며, 주로 평면 형상에 가까운 부재에 한정된다.

3차원 형상 등의 복잡한 형상에 적합한 성형 방법으로서, SMC(시트 몰딩 컴파운드)이나 스탬퍼블 시트를 사용한 성형 등이 있다. SMC 성형품은, 탄소 섬유의 스트랜드를, 예를 들어 섬유 길이가 25㎜ 정도가 되도록 섬유 직교 방향으로 절단하고, 이 촙드 스트랜드에 열경화성 수지인 매트릭스 수지를 함침시켜 반경화 상태로 한 시트상 기재(SMC)를, 가열형 프레스기를 사용하여 가열 가압함으로써 얻어진다. 스탬퍼블 시트 성형품은, 예를 들어 25㎜ 정도로 절단한 촙드 스트랜드나 불연속된 강화 섬유를 포함하는 부직포 매트 등에 열가소성 수지를 함침시킨 시트상 기재(스탬퍼블 시트)를 일단 적외선 히터 등으로 열가소성 수지의 융점 이상으로 가열하고, 소정의 온도의 금형으로 냉각 가압함으로써 얻어진다.

대부분의 경우, 가압 전에 SMC나 스탬퍼블 시트를 성형체의 형상보다 작게 절단하여 성형틀 상에 배치하고, 가압에 의하여 성형체의 형상으로 잡아늘여(유동시켜) 성형을 행한다. 그 때문에, 그 유동에 의하여 3차원 형상 등의 복잡한 형상에도 추종 가능하게 된다. 그러나 SMC나 스탬퍼블 시트는 그의 시트화 공정에 있어서, 촙드 스트랜드나 부직포 매트의 분포 불균일, 배향 불균일이 필연적으로 발생해 버리기 때문에 역학 물성이 저하되거나, 또는 그 값의 변동이 커져 버린다. 나아가, 그의 분포 불균일, 배향 불균일에 의하여, 특히 박물(薄物)의 부재에서는 휨, 수축 등이 발생하기 쉬워진다.

상술한 바와 같이 재료의 결점을 메우기 위하여, 예를 들어 특허문헌 1은 강화 섬유의 배향 방향의 양단을 개시점으로 하여, 촙드 섬유 다발의 중앙을 향하여 강화 섬유의 배향 방향으로 강화 섬유의 본수가 증가하는 구간을 갖는 촙드 섬유 다발 및 성형 재료가 제안되어 있지만, 강화 섬유 다발 길이에 수반하여 커트 각도를 임의로 변경하는 것에 대해서는 충분한 검토가 이루어져 있지 않다.

국제 공개 WO08/149615호

그래서 본 발명의 과제는, 종래의 강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 섬유 강화 복합 재료에서는 달성할 수 없던, 성형 시의 고유동성과 높은 기계 특성을 높은 레벨로 양립시키는 것이 가능하고, 특히 섬유 강화 복합 재료의 균일성이 우수하여, 유동 성형 시에 우수한 유동성, 우수한 기계 특성을 나타내는 최적의 조건을 구비한 불연속 섬유 강화 복합 재료를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 불연속 섬유 강화 복합 재료는 이하와 같다.

[1] 수 평균 섬유 길이 3 내지 100㎜의 불연속 강화 섬유를 포함하는 불연속 강화 섬유 집합체와 매트릭스 수지를 포함하는 불연속 섬유 강화 복합 재료이며, 상기 불연속 강화 섬유 집합체는, 소정 본수의 불연속 강화 섬유의 단사를 동일 방향으로 집속한 복수의 불연속 강화 섬유 다발을 포함하고, 상기 불연속 강화 섬유 다발은, 상기 단사의 배향 방향에 대하여 일정한 각도를 이루는 절단면을 갖고, 단사 배향 방향 양단 간의 거리인 불연속 섬유 다발 길이가 긴 불연속 섬유 다발일수록, 해당 불연속 강화 섬유 다발을 2차원 평면 상에 투영했을 때의 불연속 강화 섬유 다발의 단부의 예각을 이루는 선단 각도가 작은 것을 특징으로 하는 불연속 섬유 강화 복합 재료.

또한 본 발명에 있어서의 특히 바람직한 양태는 이하와 같다.

[2] 상기 불연속 강화 섬유 집합체에 포함되는 불연속 강화 섬유 다발의 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)에 대하여, 각각의 불연속 섬유 다발 길이가 해당 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)를 초과하는 불연속 강화 섬유 다발로 구성되는 강화 섬유 다발 (1)에 포함되는 각각의 불연속 강화 섬유 다발의 상기 선단 각도의 수 평균이 되는 수 평균 예각 (A)와, 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L) 이하의 불연속 강화 섬유 다발로 구성되는 강화 섬유 다발 (2)에 포함되는 각각의 불연속 강화 섬유 다발의 상기 선단 각도의 수 평균이 되는 수 평균 예각 (B)가, 하기 식 (1) 및 (2)를 만족시키는 것을 특징으로 하는, [1]에 기재된 불연속 섬유 강화 복합 재료.

수 평균 예각 (A)×1.3≤수 평균 예각 (B) (1)

수 평균 예각 (A)<60° (2)

[3] 상기 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)이 3㎜ 이상 100㎜ 미만인 것을 특징으로 하는, [1] 또는 [2]에 기재된 불연속 섬유 강화 복합 재료.

[4] 상기 강화 섬유 다발 (1)의 수 평균 예각 (A)가 5° 내지 45°의 각도 범위에 있는 것을 특징으로 하는, [1] 내지 [3]에 기재된 불연속 섬유 강화 복합 재료.

본 발명에 따른 불연속 섬유 강화 복합 재료에 의하면, 성형 시의 우수한 유동성과 성형품이 높은 역학 특성을 양립시키고, 특히 역학 특성의 변동이 작은, 우수한 불연속 섬유 강화 복합 재료를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명에서 사용되는 불연속 강화 섬유 다발의 2차원 평면 투영도의 일례이며, (A)는 불연속 강화 섬유 다발의 다발 길이의 측정 개소 및 예각을 이루는 선단 각도 θ₁, θ₂를 나타낸 도면이고, (B)는 불연속 강화 섬유 다발의 폭 방향 측정 개소를 나타낸 도면이다.
도 2는, 본 발명에서 사용되는 불연속 강화 섬유 다발의 일례이다.
도 3은, 본 발명에서 사용되는 불연속 강화 섬유를 커트하고 산포하는 장치의 일례이다.
도 4는, 부분 분섬 섬유 다발을 얻기 위하여 주행하는 섬유 스트랜드에 분섬 수단을 찔러 넣은 일례를 도시하며, (a)는 개략 평면도, (b)는 개략 측면도이다.

맨 처음에, 본 발명의 양태 및 본 발명에 있어서 특히 바람직한 양태에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 불연속 섬유 강화 복합 재료에 있어서는, 적어도 수 평균 섬유 길이 3 내지 100㎜의 불연속 강화 섬유를 포함하는 불연속 강화 섬유 집합체와 매트릭스 수지를 포함하는 불연속 섬유 강화 복합 재료이며, 상기 불연속 강화 섬유 집합체는, 소정 본수의 불연속 강화 섬유의 단사를 동일 방향으로 집속한 불연속 강화 섬유 다발이 복수 포함되고, 상기 불연속 강화 섬유 다발은, 상기 단사의 배향 방향에 대하여 일정한 각도로 절단됨과 함께, 불연속 강화 섬유 다발의 단사 배향 방향에 평행인 양단 간의 최장 거리인 불연속 섬유 다발 길이가 각각 상이한 것이며, 상기 불연속 섬유 다발 길이가 길수록, 해당 불연속 강화 섬유 다발을 2차원 평면 상에 투영했을 때의 불연속 강화 섬유 다발의 단부의 예각을 이루는 선단 각도가 작아지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 불연속 섬유 강화 복합 재료는, 매트릭스 수지 중에 강화 섬유가 들어가면 성형 시에 섬유 강화 복합 재료의 유동성이 저하되지만, 그 유동성의 저하는 불연속 강화 섬유 집합체가 복수의 단사를 포함하는 섬유 다발 형태의 배합량을 증가시킴으로써 억제할 수 있어, 양호한 유동성의 실현이 가능해진다. 그러나 불연속 강화 섬유 다발이, 2차원 평면에 투영했을 때 형상이 직사각 형상이면, 섬유 강화 복합 재료로 했을 때 섬유 다발끼리가 중첩된 중첩부 및 섬유 다발 단부의 주변에 파괴의 기점이 되는 구조적인 결함이 발생하기 쉬워, 역학 특성이 떨어지는 경향이 있다. 또한 불연속 강화 섬유의 섬유 길이가 길수록 섬유 강화 복합 재료로 했을 때 역학 특성이 우수하지만 섬유끼리의 교락이 증가하여 유동성이 떨어진다. 반대로, 불연속 강화 섬유의 섬유 길이가 짧을수록 섬유 강화 복합 재료로 했을 때 유동성이 우수하지만 역학 특성이 떨어지는 경향이 있다. 즉, 양호한 유동성을 중시한 섬유 강화 복합 재료의 최적의 형태와, 역학 특성을 중시한 섬유 강화 복합 재료의 최적의 형태는, 반드시 동일한 형태가 되지는 않는 것 등을 종합적으로 고려하여, 특히 양호한 유동성과 역학 특성을 균형을 이루어 양립시키도록 섬유 강화 복합 재료의 구조를 최적화한 것이다.

유동성과 역학 특성을 발현시키기 위하여, 불연속 섬유 강화 복합 재료 중에 포함되는 불연속 강화 섬유 다발을 구성하는 단사는, 적어도 수 평균 섬유 길이 3 내지 100㎜의 불연속 강화 섬유인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3㎜ 이상 50㎜ 미만이고, 더욱 바람직하게는 3㎜ 이상 25㎜ 미만이다. 수 평균 섬유 길이가 3㎜를 하회하면 섬유 강화 복합 재료의 강도 저하로 이어지고, 수 평균 섬유 길이가 100㎜를 초과하면 강화 섬유 간의 접점 수가 증가하여 유동성 악화로 이어진다.

우수한 유동성을 발현시키기 위하여, 불연속 강화 섬유 집합체는 적어도 복수의 불연속 강화 섬유 다발을 포함하는 것이 바람직하고, 불연속 강화 섬유 다발은 복수의 불연속 강화 섬유의 단사로 구성되는 것이 바람직하다. 불연속 강화 섬유 집합체가 섬유 다발 형태를 가짐으로써 섬유끼리의 교락점 수의 증가를 억제할 수 있다.

또한 불연속 강화 섬유 다발은 단사의 배향 방향에 대하여 일정한 각도로 절단되는 것이 바람직하고, 불연속 강화 섬유 집합체에 포함되는 불연속 강화 섬유 다발은 각각 상이한 불연속 섬유 다발 길이를 갖는 것이 바람직하다. 불연속 강화 섬유 집합체에 포함되는 불연속 강화 섬유 다발이 각각 상이한 다발 길이를 가짐으로써, 불연속 강화 섬유 다발끼리가 밀하게 충전되기 쉬워 구조적 결함의 발생을 억제할 수 있다.

또한 불연속 강화 섬유 다발은 다발 길이가 길수록, 불연속 강화 섬유 다발을 2차원 평면 상에 투영했을 때의 섬유 다발 단부의 예각을 이루는 선단 각도가 작은 것이 바람직하다. 불연속 강화 섬유 다발은 다발 길이가 길수록, 선단 각도가 작아짐으로써 불연속 강화 섬유 다발끼리가 더욱 밀하게 충전되기 쉬워, 보다 구조적 결함의 발생을 억제할 수 있어 역학 특성이 향상된다.

또한 불연속 강화 섬유 집합체에 포함되는 불연속 강화 섬유 다발의 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)에 대하여, 각각의 불연속 섬유 다발 길이가 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)를 초과하는 불연속 강화 섬유 다발로 구성되는 강화 섬유 다발 (1)에 포함되는 각각의 불연속 강화 섬유 다발의 선단 각도의 수 평균이 되는 수 평균 예각 (A)와, 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L) 이하의 불연속 강화 섬유 다발로 구성되는 강화 섬유 다발 (2)에 포함되는 각각의 불연속 강화 섬유 다발의 선단 각도의 수 평균이 되는 수 평균 예각 (B)가, 하기 식 (1), (2)를 만족시키는 것이 바람직하다.

수 평균 예각 (A)×1.3≤수 평균 예각 (B) (1)

수 평균 예각 (A)<60° (2)

수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)를 초과하는 강화 섬유 다발 (1)의 선단 각도가 작음으로써 높은 역학 특성을 발현시킬 수 있고, 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L) 이하의 강화 섬유 다발 (2)의 선단 각도가 큼으로써 불연속 섬유 다발끼리가 밀하게 충전되기 쉬워, 확실히 높은 유동성과 역학 특성을 양립시킬 수 있다. 보다 바람직하게는 수 평균 예각 (A)×1.5≤수 평균 예각 (B)이고, 더욱 바람직하게는 수 평균 예각 (A)×1.7≤수 평균 예각 (B)이다. 수 평균 예각 (A)는, 60° 초과이면 불연속 섬유 다발끼리가 밀하게 충전되기 어려워, 섬유 강화 복합 재료로 했을 때의 강도 저하로 이어진다.

또한 해당 불연속 섬유 다발의 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)는, 섬유 다발 폭이 0.2㎜ 이상인 섬유 다발이 3㎜ 이상 100㎜ 미만인 것이 바람직하다. 섬유 다발 길이가 3㎜를 하회하면 섬유 강화 복합 재료의 강도 저하로 이어지고, 100㎜ 초과이면 불연속 섬유 다발끼리가 밀하게 충전되기 어려워 강도 저하로 이어지고, 또한 불연속 섬유 다발끼리의 교락 수가 증가하여 유동성 악화로 이어진다.

보다 확실히 높은 유동성과 역학 특성을 양립시키기 위하여, 상기 강화 섬유 다발 (1)의 수 평균 예각 (A)가 5° 내지 45°의 각도 범위에 드는 것이 바람직하다. 커트 각도가 5° 미만이 되면 커트 가공성이 떨어진다.

불연속 강화 섬유 집합체는 불연속 강화 섬유 다발 이외에, 불연속 강화 섬유 집합체를 제작할 때 생긴, 단사 레벨까지 개섬한 불연속 강화 섬유 등을 포함해도 된다.

여기서, 본 발명에 있어서 강화 섬유는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 보론 섬유, 금속 섬유, 천연 섬유, 광물 섬유 등을 사용할 수 있으며, 이들은 1종 또는 2종 이상을 병용해도 된다.

보다 높은 기계 특성을 얻기 위하여, 사용되는 강화 섬유는 탄소 섬유인 것이 바람직하다. 사용하는 탄소 섬유는 특별히 한정되지 않지만 고강도, 고탄성율 탄소 섬유를 사용할 수 있으며, 이들은 1종 또는 2종 이상을 병용해도 된다. 그 중에서도 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 피치계, 레이온계 등의 탄소 섬유를 들 수 있다. 얻어지는 성형품의 강도와 탄성률의 균형의 관점에서 PAN계 탄소 섬유가 바람직하다. 탄소 섬유의 밀도는 1.65 내지 1.95g/㎤인 것이 바람직하고, 나아가 1.7 내지 1.85g/㎤인 것이 보다 바람직하다. 밀도가 지나치게 큰 것은, 얻어지는 탄소 섬유 복합 재료의 경량 성능이 떨어지고, 지나치게 작은 것은, 얻어지는 탄소 섬유 복합 재료의 기계 특성이 낮아지는 경우가 있다.

또한 본 발명에 사용하는 탄소 섬유는, 생산성의 관점에서 단사를 수속시킨 탄소 섬유 스트랜드인 것이 바람직하고, 탄소 섬유 스트랜드 중의 단사 수가 많은 것이 바람직하다. 탄소 섬유 스트랜드로 한 경우의 단사 수는 1,000 내지 100,000개의 범위 내에서 사용할 수 있으며, 특히 10,000 내지 70,000개의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다. 탄소 섬유는, 필요에 따라 탄소 섬유 스트랜드에 스트랜드 분섬용 슬리터 등을 사용하여 원하는 스트랜드 수로 분할한 분섬 탄소 섬유 스트랜드를 소정의 길이로 커트하여 사용해도 된다. 스트랜드를 원하는 스트랜드 수로 분섬함으로써, 미처리된 스트랜드에 비하여 탄소 섬유 복합 재료로 했을 때의 균일성이 향상되고 기계 특성이 우수하기 때문에, 바람직한 예로서 예시할 수 있다.

분섬한 탄소 섬유 스트랜드를 사용하는 것 이외에, 연속하여 안정적으로 슬릿 가능한 부분 분섬 섬유 다발을 사용하는 것을 특히 바람직한 예로서 예시할 수 있다.

여기서 부분 분섬 섬유 다발이란, 복수의 단사를 포함하는 섬유 스트랜드의 길이 방향을 따라 복수의 다발로 분섬된 분섬 처리 구간과 미분섬 처리 구간이 교대로 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 다발이다. 부분 분섬 섬유 다발은, 적어도 하나의 상기 분섬 처리 구간의 적어도 한쪽 단부에 상기 단사가 교락한 얽힘부 및/또는 해당 얽힘부가 집적되어 이루어지는, 얽힘 축적부가 형성되어 있어도 된다.

구체적으로는 도 4를 이용하여 설명한다. 도 4는, 부분 분섬 섬유 다발을 얻기 위하여, 주행하는 섬유 스트랜드에 분섬 수단을 찔러 넣은 일례를 도시하는 (a) 개략 평면도, (b) 개략 측면도이다. 도면 중의 섬유 스트랜드 주행 방향 A(화살표)가 섬유 스트랜드(100)의 길이 방향이며, 도시되지 않는 섬유 스트랜드 공급 장치로부터 연속적으로 섬유 스트랜드(100)가 공급되고 있는 것을 나타낸다.

분섬 수단(200)은, 섬유 스트랜드(100)에 찔러 넣기 쉬운 돌출 형상을 갖는 돌출부(210)를 구비하고 있으며, 주행하는 섬유 스트랜드(100)에 찔러 넣어 섬유 스트랜드(100)의 길이 방향에 대략 평행인 분섬 처리부(150)를 생성한다. 여기서, 분섬 수단(200)은 섬유 스트랜드(100)의 측면에 찔러 넣는 것이 바람직하다. 섬유 스트랜드의 측면이란, 섬유 스트랜드의 단면이, 가로로 긴 타원 또는 가로로 긴 직사각형과 같은 편평 형상이라고 한 경우의 수평 방향의 면(예를 들어 도 4에 도시하는 섬유 스트랜드(100)의 측 표면에 상당함)이다. 또한 구비하는 돌출부(210)는 하나의 분섬 수단(200)당 하나여도 되고, 또한 복수여도 된다. 하나의 분섬 수단(200)에서 돌출부(210)가 복수인 경우, 돌출부(210)의 마모 빈도가 감소하는 점에서, 교환 빈도를 감소시키는 것도 가능해진다. 또한 분섬하는 섬유 스트랜드 수에 따라 복수의 분섬 수단(200)을 동시에 사용하는 것도 가능하다. 복수의 분섬 수단(200)을 병렬, 번갈아 배치, 위상을 어긋나게 하거나 하여 복수의 돌출부(210)를 임의로 배치할 수 있다.

복수의 단사를 포함하는 섬유 스트랜드(100)를 분섬 수단(200)에 의하여 본수가 보다 적은 분섬 다발로 나누어 가는 경우, 복수의 단사는, 실질적으로 섬유 스트랜드(100) 내에서 정렬된 상태가 아니라 단사 레벨에서는 교락하고 있는 부분이 많기 때문에, 분섬 처리 중에 접촉부(211) 부근에 단사가 교락하는 얽힘부(160)를 형성하는 경우가 있다.

여기서 얽힘부(160)를 형성한다는 것은, 예를 들어 분섬 처리 구간 내에 미리 존재하고 있던 단사끼리의 교락을 분섬 수단(200)에 의하여 접촉부(211)에 형성(이동)시키는 경우나, 분섬 수단(200)에 의하여 새로이 단사가 교락한 집합체를 형성(제조)시키는 경우 등을 들 수 있다.

임의의 범위에 분섬 처리부(150)를 생성한 후, 분섬 수단(200)을 섬유 스트랜드(100)로부터 발취한다. 이 발취에 의하여 분섬 처리가 실시된 분섬 처리 구간(110)이 생성되고, 그와 동시에 얽힘부(160)가 축적된 얽힘 축적부(120)가 생성된다. 또한 분섬 처리 중에 섬유 다발로부터 발생한 보풀은 보풀 뭉침(140)으로서 분섬 처리 시에 얽힘 축적부(120) 부근에 생성된다.

그 후, 다시 분섬 수단(200)을 섬유 스트랜드(100)에 찔러 넣음으로써 미분섬 처리 구간(130)이 생성된다.

부분 분섬 섬유 다발을 사용함으로써, 분섬 탄소 섬유 스트랜드와 마찬가지로, 미처리된 스트랜드에 비하여 탄소 섬유 복합 재료로 했을 때의 균일성이 향상되고, 기계 특성이 우수한 데다 연속 생산성도 우수하기 때문에, 특히 바람직한 예로서 예시할 수 있다.

또한 탄소 섬유 스트랜드는, 매트릭스 수지와의 접착성을 향상시키는 등의 목적으로 표면 처리되어 있는 것이 바람직하다. 표면 처리의 방법으로서는 전해 처리, 오존 처리, 자외선 처리 등이 있다. 또한 탄소 섬유 스트랜드의 보풀 기립을 방지하거나, 탄소 섬유 스트랜드의 수속성을 향상시키거나, 매트릭스 수지와의 접착성을 향상시키는 등의 목적으로 사이징제가 부여되어 있더라도 상관없다. 사이징제로서는 특별히 한정되지 않지만, 에폭시기, 우레탄기, 아미노기, 카르복실기 등의 관능기를 갖는 화합물을 사용할 수 있으며, 이들은 1종 또는 2종 이상을 병용해도 된다.

여기서 사이징 처리란, 표면 처리 공정과 수세 공정 등으로 물에 젖은, 수분율 20 내지 80중량% 정도의 물 습윤 탄소 섬유 스트랜드를 건조시킨 후에 사이징제를 함유하는 액체(사이징액)을 부착시키는 처리 방법이다.

사이징제의 부여 수단으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 롤러를 통하여 사이징액에 침지하는 방법, 사이징액이 부착된 롤러에 접하는 방법, 사이징액을 안개상으로 하여 분사하는 방법 등이 있다. 또한 배치식, 연속식 중 어느 것이어도 되지만, 생산성이 좋고 변동을 작게 할 수 있는 연속식이 바람직하다. 이때, 탄소 섬유 스트랜드에 대한 사이징제 유효 성분의 부착량이 적정 범위 내에서 균일하게 부착되도록, 사이징액 농도, 온도, 사조 장력(yarn tension) 등을 컨트롤하는 것이 바람직하다. 또한 사이징제 부여 시에 탄소 섬유 스트랜드를 초음파로 가진시키는 것은 보다 바람직하다.

건조 온도와 건조 시간은 화합물의 부착량에 의하여 조정할 수 있지만, 사이징제의 부여에 사용하는 용매의 완전한 제거, 건조에 요하는 시간을 짧게 하고, 한편, 사이징제의 열 열화를 방지하여, 탄소 섬유 스트랜드가 단단해져 다발의 확장성이 악화되는 것을 방지하는 관점에서, 건조 온도는 150℃ 이상 350℃ 이하인 것이 바람직하고, 180℃ 이상 250℃ 이하인 것이 보다 바람직하다.

사이징제 부착량은, 탄소 섬유 스트랜드만의 질량에 대하여 0.01질량% 이상 10질량% 이하가 바람직하고, 0.05질량% 이상 5질량% 이하가 보다 바람직하고, 0.1질량% 이상 5질량% 이하 부여하는 것이 더욱 바람직하다. 0.01질량% 이하에서는 접착성 향상 효과가 나타나기 어렵다. 10질량% 이상에서는 성형품의 물성을 저하시키는 경우가 있다.

본 발명에 있어서는, 섬유 강화 복합 재료에 사용하는 매트릭스 수지로서는 열가소성 수지 또는/및 열경화성 수지가 사용된다. 열가소성 수지로서는 특별히 제한은 없으며, 성형품으로서의 기계 특성을 크게 저하시키지 않는 범위에서 적절히 선택할 수 있다. 예시한다면, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지 등의 폴리올레핀계 수지, 나일론 6 수지, 나일론 6,6 수지 등의 폴리아미드계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리페닐렌술피드 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르술폰 수지, 방향족 폴리아미드 수지 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 폴리아미드 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리페닐렌술피드 수지 중 어느 것을 포함하는 것이 바람직하다.

열경화성 수지로서도 특별히 제한은 없으며, 성형품으로서의 기계 특성을 크게 저하시키지 않는 범위에서 적절히 선택할 수 있다. 예시한다면, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 에폭시아크릴레이트 수지, 우레탄 아크릴레이트 수지, 페녹시 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 말레이미드 수지, 시아네이트 수지 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지 중 어느 것, 또는 이들의 혼합물를 포함하는 것이 바람직하다. 열경화성 수지의 혼합물을 사용할 때는, 혼합하는 열경화성 수지끼리는 상용성을 갖거나, 또는 친화성이 높은 편이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 열경화성 수지의 점도는 특별히 제한은 없지만, 상온(25℃)에서의 수지 점도가 100 내지 100000m㎩·s인 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 매트릭스 수지에는, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위이면 그의 용도에 따라 열가소성 수지 또는/및 열경화성 수지에 각종 첨가제를 첨가할 수도 있다. 예를 들어 마이카, 탈크, 카올린, 하이드로탈사이트, 세리사이트, 벤토나이트, 조노트라이트, 세피올라이트, 스멕타이트, 몬모릴로나이트, 월라스토나이트, 실리카, 탄산칼슘, 글래스 비즈, 유리 플레이크, 글래스 마이크로벌룬, 클레이, 이황화몰리브덴, 산화티타늄, 산화아연, 산화안티몬, 폴리인산칼슘, 그래파이트, 황산바륨, 황산마그네슘, 붕산아연, 붕산칼슘, 붕산알루미늄 위스커, 티타늄산칼륨 위스커 및 고분자 화합물 등의 충전재, 금속계, 금속 산화물계, 카본 블랙 및 그래파이트 분말 등의 도전성 부여재, 브롬화 수지 등의 할로겐계 난연제, 삼산화안티몬이나 오산화안티몬 등의 안티몬계 난연제, 폴리인산암모늄, 방향족 포스페이트 및 적린 등의 인계 난연제, 유기 붕산 금속염, 카르복실산 금속염 및 방향족 술폰이미드 금속염 등의 유기산 금속염계 난연제, 붕산아연, 아연, 산화아연 및 지르코늄 화합물 등의 무기계 난연제, 시아누르산, 이소시아누르산, 멜라민, 멜라민시아누레이트, 멜라민포스페이트 및 질소화구아니딘 등의 질소계 난연제, PTFE 등의 불소계 난연제, 폴리오르가노실록산 등의 실리콘계 난연제, 수산화알루미늄이나 수산화마그네슘 등의 금속 수산화물계 난연제, 또한 그 외의 난연제, 산화카드뮴, 산화아연, 산화제1구리, 산화제2구리, 산화제1철, 산화제2철, 산화코발트, 산화망간, 산화몰리브덴, 산화주석 및 산화티타늄 등의 난연 보조제, 안료, 염료, 활제, 이형제, 상용화제, 분산제, 마이카, 탈크 및 카올린 등의 결정 핵제, 인산에스테르 등의 가소제, 열 안정제, 산화 방지제, 착색 방지제, 자외선 흡수제, 유동성 개질제, 발포제, 항균제, 제진제, 방취제, 접동성 개질제, 및 폴리에테르에스테르 아미드 등의 대전 방지제 등을 첨가 해도 된다.

또한 매트릭스 수지로서 열경화성 수지를 사용하는 경우에는, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위이면, 상술한 열가소성 수지, 그 외의 저수축화제 등의 첨가물을 포함시킬 수 있다.

불연속 강화 섬유 집합체를 얻는 공정으로서는, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위이면 특별히 제한이 없다. 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, 강화 섬유 스트랜드를 반송하는 반송 롤(31), 강화 섬유 스트랜드를 소정의 각도 및 치수로 커트하는 커터(32), 불연속 강화 섬유 다발을 시트상으로 집적할 때 불연속 강화 섬유 다발을 분산시키는 디스트리뷰터(33), 불연속 강화 섬유 다발을 시트상으로 집적하는 컨베이어(34)를 갖고 있는 것이 바람직한 일례로서 예시된다.

여기서, 반송 롤(31)은, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위이면 특별히 제한이 없으며, 롤 간에서 닙하여 반송하는 기구가 예시된다. 롤의 재질로서는 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위이면 특별히 한정이 없으며, 메탈 롤이나 고무 롤 등이 바람직한 예로서 예시된다.

강화 섬유 스트랜드를 소정의 각도로 커트하는 방법으로서는, 커터(32)로 실을 반송할 때 각도를 갖게 하는 경우와 실에 대하여 커터에 각도를 갖게 하는 경우를 예시할 수 있다.

특히 불연속 강화 섬유 다발 길이가 긴 불연속 강화 섬유 다발일수록 각도를 보다 예각으로 하는 것이 바람직하고, 바람직하게는 선단 각도가 60° 미만이 되도록 커트하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 5° 내지 45°의 각도가 바람직한 예로서 예시된다.

커터(32)로서는 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 특별히 제한이 없으며, 길로틴 날식이나 로터리 커터식이 예시된다. 상술한 바와 같이, 강화 섬유 스트랜드가 반송되는 방향에 대하여, 커트하기 위한 날의 방향은 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 강화 섬유 스트랜드를 반송하는 기구와 마찬가지로 각도를 갖게 해도 된다.

다발 길이가 상이한 불연속 강화 섬유 다발을 얻는 방법으로서, 커터를 복수 준비하고, 다발 길이가 상이한 불연속 강화 섬유 다발을 얻는 방법 등을 예시할 수 있다. 다발 길이의 구성으로서, 다발 길이가 길수록 커트 각도가 보다 예각이 되도록 커터의 날의 각도 또는 실의 반송 각도를 설정하는 것이 바람직하다.

커트한 불연속 강화 섬유 다발은, 시트상으로 집적할 때 디스트리뷰터(33) 등에 의하여 불연속 강화 섬유 다발을 균일하게 분산시키는 것을 바람직한 예로서 예시할 수 있다.

불연속 강화 섬유 다발을 시트상으로 집적하는 컨베이어(34)로서는, 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 특별히 제한이 없으며, XY 평면 상에서 자유로의 주행하는 메탈 와이어 상에 낙하시키는 방법을 예시할 수 있다. 여기서 메탈 와이어 하에 석션 박스를 설치하고, 커트한 불연속 강화 섬유를 산포할 때 등에 사용한 에어를 흡인시켜 시트의 부피를 저하시켜도 된다. 또한 XY 평면 상에서 자유로이 주행하는 메탈 와이어 대신, 커터(32)를 X 방향으로 복수 설치하고 메탈 와이어를 Y 방향으로 주행시키는 것도 일례로서 예시할 수 있다.

불연속 강화 섬유 집합체를 얻을 때, 불연속 강화 섬유 집합체는 불연속 강화 섬유 다발만으로 구성되어도 되지만, 형태 유지를 위하여 열가소성 수지 또는/및 열경화성 수지를 포함하는 결합재를 함유시킬 수도 있다. 결합재에 사용하는 열가소성 수지 또는/및 열경화성 수지는 섬유 강화 복합 재료에 사용하는 매트릭스 수지와 동일한 수지, 또는 매트릭스 수지와 상용성이 있는 수지, 매트릭스 수지와 접착성이 높은 수지를 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 불연속 강화 섬유 집합체에 매트릭스 수지를 함침하는 데 있어서는, 결합재를 포함하는 불연속 강화 섬유 집합체를 제작하고, 불연속 강화 섬유 집합체에 포함되는 결합재의 수지를 그대로 매트릭스 수지로서 사용해도 되고, 결합재를 포함하지 않는 불연속 강화 섬유 집합체를 제작하고, 섬유 강화 복합 재료를 제조하는 임의의 단계에서 매트릭스 수지를 함침하더라도 상관없다. 또한 결합재를 포함하는 불연속 강화 섬유 집합체를 사용하는 경우에도, 섬유 강화 복합 재료를 제조하는 임의의 단계에서 매트릭스 수지를 함침할 수도 있다.

섬유 강화 복합 재료를 제조할 때, 상기와 같은 불연속 강화 섬유 집합체에 매트릭스 수지를 함침하여 섬유 강화 복합 재료로 하는 함침 공정은, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위이면 특별히 한정은 없으며, 일반적인 것을 사용할 수 있다.

매트릭스 수지에 열가소성 수지를 사용하는 경우에는, 가열 기능을 갖는 프레스기를 사용하여 실시할 수 있다. 프레스기로서는 매트릭스 수지의 함침에 필요한 온도, 압력을 실현할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없으며, 상하하는 평면상의 플래튼을 갖는 통상의 프레스기나, 1쌍의 엔들리스 스틸 벨트가 주행하는 기구를 갖는 소위 더블 벨트 프레스기를 사용할 수 있다. 이러한 함침 공정에 있어서는, 매트릭스 수지를 필름, 부직포, 직물 등의 시트상으로 한 후 불연속 강화 섬유 집합체와 적층하고 그 상태에서 상기 프레스기 등을 사용하여 매트릭스 수지를 일체로서 용융·함침하는 것이나, 미리 불연속 강화 섬유 집합체와 매트릭스 수지를 일체화시킨 시트상으로 한 것을 적층하고 용융·함침한 것, 미리 불연속 강화 섬유 집합체와 매트릭스 수지를 일체화시킨 시트상으로 한 것에 추가로 매트릭스 수지를 필름, 부직포, 직물 등의 시트상으로 한 것을 적층하고 용융·함침하는 방법도 채용할 수 있다.

매트릭스 수지에 열경화성 수지를 사용하는 경우에는, 매트릭스 수지의 함침에 필요한 온도, 압력을 실현할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없으며, 상하하는 평면상의 플래튼을 갖는 통상의 프레스기나, 1쌍의 엔들리스 스틸 벨트가 주행하는 기구를 갖는 소위 더블 벨트 프레스기나, 상하 롤 사이에 끼워 넣는 프레스 롤 등을 사용할 수 있다. 이러한 함침 공정에 있어서는 매트릭스 수지를 이형 필름 상에 시트상으로 한 후, 불연속 탄소 섬유 시트를 매트릭스 수지 시트 사이에 끼워 넣고 가압하고 함침하는 방법이 예시된다. 이때, 보다 함침을 확실히 행하기 위하여, 진공으로 감압하고 시트 내부의 공기를 뺀 후에 가압하는 방법은 바람직한 예의 하나로서 예시할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 불연속 강화 섬유 집합체에, 연속 강화 섬유 집합체나 다른 불연속 강화 섬유 집합체와 샌드위치 구조로 하여 섬유 강화 복합 재료로 해도 된다. 샌드위치 구조는, 표층과 코어층 중 어느 쪽에 불연속 강화 섬유 집합체를 사용해도 되며, 표층에 연속 강화 섬유 집합체, 코어층에 불연속 강화 섬유 집합체를 사용함으로써 섬유 강화 복합 재료로 했을 때의 기계 특성이나 표면 품위이 우수하기 때문에 바람직한 일례로서 예시할 수 있다. 여기서, 연속 강화 섬유 집합체나 다른 불연속 강화 섬유 집합체에 사용되는 강화 섬유는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 보론 섬유, 금속 섬유, 천연 섬유, 광물 섬유 등을 사용할 수 있으며, 이들은 1종 또는 2종 이상을 병용해도 된다. 연속 강화 섬유 집합체의 강화 섬유 형태는, 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 일반적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들어 일 방향으로 강화 섬유가 배향된 일 방향 강화 섬유 집합체 및 일 방향 강화 섬유 집합체를 다방향으로 적층한 강화 섬유 적층 집합체, 강화 섬유를 짠 직물 강화 섬유 집합체 등을 예시할 수 있다. 다른 불연속 강화 섬유 집합체의 강화 섬유 형태는, 본 발명의 과제를 저해하지 않는 한 일반적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들어 스트랜드를 소정의 길이로 커트하고 산포한 촙드 스트랜드 시트, 카딩 장치나 에어 레이드 장치를 사용하여 제조한 건식 불연속 강화 섬유 시트, 초지 장치를 사용하여 제조한 습식 불연속 강화 섬유 시트 등을 예시할 수 있다.

본 발명에 있어서, 얻어진 섬유 강화 복합 재료는, 매트릭스 수지에 열경화성 수지를 사용하는 경우에는 SMC(Sheet Molding Compound)로서, 열가소성 수지를 사용하는 경우에는 스탬퍼블 시트로서 사용할 수 있다.

SMC 성형품은, 불연속 강화 섬유 집합체에 열경화성 수지인 매트릭스 수지를 함침시켜 반경화 상태로 한 시트상 기재(SMC)를 가열형 프레스기를 사용하여 가열 가압함으로써 얻어진다. 스탬퍼블 시트 성형품은, 불연속 강화 섬유 집합체에 열가소성 수지를 함침시킨 시트상 기재(스탬퍼블 시트)를 일단 적외선 히터 등으로 열가소성 수지의 융점 이상으로 가열하고, 소정의 온도의 금형으로 냉각 가압함으로써 얻어진다.

얻어진 성형품은, 자동차 부품, 항공기 부품, 가전 제품, 사무 전자 제품, 퍼스널 컴퓨터 등의 하우징 등에 사용하는 것에 적합하다.

실시예

본 발명의 실시예, 비교예에 대하여 설명한다.

우선, 실시예, 비교예에서 사용한 특성, 측정 방법에 대하여 설명한다.

(1) 불연속 강화 섬유 다발의 다발 폭 (W_n)의 측정

섬유 강화 복합 재료로부터 100㎜×100㎜이 되는 샘플을 잘라내고, 잘라낸 샘플을 550℃에서 가열한 전기로 중에서 2 내지 3시간 정도 가열하여, 매트릭스 수지 등의 유기물을 연소 제거하였다. 연소 제거한 샘플로부터 불연속 강화 섬유 집합체를 취출하고, 핀셋 등을 사용하여, 불연속 강화 섬유 집합체로부터 불연속 강화 섬유를 다발 형태 단위로 모두 형태가 무너지지 않도록 신중하게 취출하였다. 추출한 모든 불연속 강화 섬유 다발에 대하여, 평평한 받침대 상에 두고, 불연속 강화 섬유 다발을 2차원 평면 상에 투영했을 때의 섬유 배향 방향에 대하여 직교하는 해당 불연속 강화 섬유 다발의 양 단부(도 1, 도 2 중 (w₁), (w₃)) 및 중앙(도 1, 도 2 중 (w₂))의 강화 섬유 다발 폭을, 0.1㎜까지 측정 가능한 버니어 캘리퍼스를 사용하여 측정하였다.

해당 불연속 강화 섬유 다발의 양 단부(도 1, 도 2 중 (w₁), (w₃))는, 도 1, 도 2에 도시한 바와 같이, 불연속 강화 섬유 다발을 2차원 평면 상에 투영했을 때의 섬유 배향 방향에 대하여 직교하는 폭 방향 섬유 다발 단면에서, 섬유 본수가 일정한 구간의 양 단부이다.

이때, 보다 정확히 폭을 측정하기 위하여, 디지털 현미경(키엔스사 제조)을 이용하여 2차원 평면 상에 투영했을 때의 불연속 강화 섬유 다발의 양 단부 및 중앙의 강화 섬유 다발 폭을 측정해도 된다. 얻어진 양 단부 (w₁), (w₃) 및 중앙부 (w₂)의 불연속 강화 섬유 다발 폭을 기록 용지에 기재하고, 다발 폭 (w₁) 내지 (w₃)의 평균값을 불연속 강화 섬유 다발의 다발 폭 (W_n)으로 하였다. 이때, 불연속 강화 섬유 다발 폭 (W_n)이 0.2㎜ 미만인 불연속 강화 섬유 다발은 불연속 강화 섬유 다발로 하지 않고, 개섬한 불연속 강화 섬유로서 한데 모아 골라냈다. 이때, 다발의 폭 방향의 판단은 불연속 강화 섬유 다발 중앙의 섬유 방향 단면의 긴 변을 폭, 짧은 변을 두께로 하였다. 섬유 강화 복합 재료로부터 불연속 강화 섬유 집합체를 제대로 취출할 수 없는 경우에는, 매트릭스 수지를 함침하고 있지 않은 불연속 강화 섬유 집합체로부터 마찬가지로 측정해도 된다.

(2) 불연속 강화 섬유 다발 길이 (L_n) 및 불연속 강화 섬유 다발 예각(θ_n)의 측정

불연속 강화 섬유 다발 폭 (W_n)이 0.2㎜ 이상인 모든 불연속 강화 섬유 다발에 대하여 불연속 강화 섬유 다발 길이(도 1, 도 2 중 (L_n)) 및 길이(도 1, 도 2 중 (l₁), (l₂))를 측정하였다.

얻어진 불연속 강화 섬유 다발 길이 (L_n) 및 길이 (l₁), (l₂)로부터, 불연속 강화 섬유의 다발 형상이, 도 1에 도시하는 I형 형상인 경우에는 하기 식 (3), (4), (5)를 이용하여 불연속 강화 섬유 다발의 예각을 이루는 선단 각도 (θ_n)을 산출하였다.

선단 각도 θ₁=tan^-1{W_n/(L_n-l₁)} …… (3)

선단 각도 θ₂=tan^-1{W_n/(L_n-l₂)} …… (4)

선단 각도 (θ_n)=(예각 θ₁+예각 θ₂)/2 …… (5)

불연속 강화 섬유의 다발 형상이 도 2의 (A)에 도시하는 A형 형상의 경우에는 하기 식 (6), (7)을 이용하여 예각 θ₁, 예각 θ₂를 근사 산출하고, 식 (5)를 이용하여 강화 섬유 다발의 선단 각도 (θ_n)을 산출하였다.

선단 각도 θ₁=2tan^-1{(1/2)W_n/(l₁)} …… (6)

선단 각도 θ₂=2tan^-1{(1/2)W_n/(l₂)} …… (7)

불연속 강화 섬유의 다발 형상이, 도 2의 (B), (C)에 도시한 바와 같은 편측 단부에 선단 각도가 복수 개 존재하는 V형, W형 및 그와 유사한 형상의 경우에는, 하기 식 (8), (9)를 이용하여 선단 각도 θ₁, 선단 각도 θ₂를 근사 산출하고, 식 (5)를 이용하여 강화 섬유 다발의 선단 각도 (θ_n)을 산출하였다.

선단 각도 θ₁=tan^-1{(1/m₁)W_n/(l₁)} …… (8)

선단 각도 θ₂=tan^-1{(1/m₂)W_n/(l₂)} …… (9)

이때, m₁은 l₁ 측정 측단부의 선단 각도의 개수이고, m₂는 l₂ 측정 측단부의 선단 각도의 개수이다. 예를 들어 도 2의 (B)에 도시하는 V형 형상의 경우에는 m₁=2, m₂=2이고, 도 2의 (C)에 도시하는 W형 형상의 경우에는 m₁=3, m₂=3이다.

(3) 강화 섬유 다발 (1) 및 강화 섬유 다발 (2)의 분류

상기 얻어진 불연속 강화 섬유 다발 길이 (L_n)에 대하여, 하기 식 (10)을 이용하여 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)를 산출하였다. 얻어진 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)로부터, 불연속 강화 섬유 다발 폭 (W_n)이 0.2㎜ 이상인 모든 불연속 강화 섬유 다발에 대하여, 불연속 강화 섬유 다발 길이 (L_n)이 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)를 초과하는 불연속 강화 섬유 다발을 불연속 강화 섬유 다발 (1), 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L) 이하의 불연속 강화 섬유 다발을 불연속 강화 섬유 다발 (2)로 하여 분류하였다.

L=Σ(L_n)/n …… (10)

n은 측정한 강화 섬유 다발 수

(4) 수 평균 예각 (A) 및 수 평균 예각 (B)의 산출

하기 식 (11)을 이용하여 불연속 강화 섬유 다발 (1)의 수 평균 예각 (A)를, 하기 식 (12)를 이용하여 불연속 강화 섬유 다발 (2)의 수 평균 예각 (B)를 산출하였다.

수 평균 예각 (A)=Σ(선단 각도 (θ_n1))/n₁ …… (11)

선단 각도 (θ_n1)은 불연속 강화 섬유 다발 (1)의 선단 각도이고, n₁은 불연속 강화 섬유 다발 (1)의 다발 본수이다.

수 평균 예각 (B)=Σ(선단 각도 (θ_n2))/n₂ …… (12)

선단 각도 (θ_n2)는 불연속 강화 섬유 다발 (2)의 선단 각도이고, n₂는 불연속 강화 섬유 다발 (2)의 다발 본수이다.

(5) Vf(스탬퍼블 시트 중의 강화 섬유의 함유율)

섬유 강화 복합 재료로부터 약 2g의 샘플을 잘라내고 그의 질량을 측정하였다. 그 후, 샘플을 500 내지 600℃에서 가열한 전기로 중에서 1 내지 2시간 정도 가열하여 매트릭스 수지 등의 유기물을 연소 제거하였다. 실온까지 냉각하고 나서 남은 불연속 강화 섬유의 중량을 측정하였다. 불연속 강화 섬유의 중량에 대한, 매트릭스 수지 등의 유기물을 연소 제거하기 전의 샘플 중량에 대한 비율을 측정하고, 강화 섬유의 중량 함유율로부터 비중을 이용하여 부피 함유율 Vf를 구하였다.

(6) 굽힘 강도, 굽힘 탄성률

JIS-K7171(2008)에 준거하여 굽힘 강도를 측정하였다. 굽힘 강도에 대해서는 굽힘 강도의 CV값(변동 계수[%])도 산출하였다. 굽힘 강도의 CV값이 7% 미만을, 굽힘 강도의 변동이 작아 양호(○)로 판정하고, 7% 이상을, 굽힘 강도의 변동이 커서 불량(×)으로 판정하였다.

굽힘 시험을 행하는 샘플은, 2차원 평면의 임의의 방향(0° 방향)과 0° 방향에 대하여 90° 방향에 대하여 측정을 행하여, 0° 방향의 평균값/90° 방향의 평균값이 1.3 내지 0.77의 범위에 드는 경우에는 등방성(○)으로 판정하고 그 이외를 이방성(×)으로 판정하였다.

(7) 유동성의 평가

<매트릭스 수지가 열가소성 수지인 경우>

치수 100㎜×100㎜×2㎜ 두께의 불연속 섬유 강화 복합 재료를 1매, 열가소성 수지의 융점+40℃로 승온한 프레스판에 배치하고 치수 100㎜×100㎜에 대하여 10㎫로 300초간 가압하고, 그 후, 가압한 상태에서 열가소성 수지의 고화 온도-50℃까지 프레스판을 냉각하여 샘플을 취출하였다. 이 가압 후의 면적 A2와 가압 전의 시트의 면적 A1을 측정하여 A2/A1/2㎜ 두께를 유동성(%/㎜)으로 하였다.

<매트릭스 수지가 열경화성 수지인 경우>

치수 100㎜×100㎜×2㎜ 두께, 매트릭스 수지가 미경화된 불연속 섬유 강화 복합 재료 전구체를 1매, 매트릭스 수지의 유동 개시로부터 경화까지의 경화 시간이 300 내지 400초의 범위에 든 온도까지 승온한 프레스판에 배치하고 치수 100㎜×100㎜에 대하여 10㎫로 600초간 가압하였다. 이 가압 후의 면적 A2와 가압 전의 시트의 면적 A1을 측정하여 A2/A1/2㎜ 두께를 유동성(%/㎜)로 하였다.

(8) 수 평균 섬유 길이 측정 방법

불연속 섬유 강화 복합 재료로부터 100㎜×100㎜의 샘플을 잘라내고, 그 후, 샘플을 550℃에서 가열한 전기로 중에서 2 내지 3시간 정도 가열하여 매트릭스 수지 등의 유기물을 연소 제거하였다. 실온까지 냉각한 후에 남은 불연속 강화 섬유 집합체로부터 무작위로 400개 불연속 강화 섬유의 단사를 핀셋으로 추출하고, 추출한 단사를 광학 현미경 또는 주사형 전자 현미경으로 그의 단사 길이를 0.1㎜ 단위까지 측정하고, 수 평균 섬유 길이=ΣLi/400로 강화 섬유의 수 평균 섬유 길이를 계산하였다. 여기서, Li는 측정한 섬유 길이이다.

먼저, 본 발명의 실시예, 비교예에서 사용한 강화 섬유, 매트릭스 수지에 대하여 설명한다.

강화 섬유 스트랜드 (1):

섬유 직경 7㎛, 인장 탄성률 230㎬, 필라멘트 수 12000본의 연속된 탄소 섬유 스트랜드를 사용하였다.

강화 섬유 스트랜드 (2):

섬유 직경 7.2㎛, 인장 탄성률 242㎬, 필라멘트 수 50000본의 연속된 탄소 섬유 스트랜드를 사용하였다.

매트릭스 수지 (1):

나일론 수지(도레이(주) 제조, CM1001, 상품명 "아밀란"(등록 상표))를 이용하였다.

매트릭스 수지 (2):

비닐에스테르 수지(VE) 수지(다우 케미컬(주) 제조, "델라켄" 790(등록 상표)) 100질량부, tert-부틸퍼옥시벤조에이트(니혼 유시(주) 제조, "퍼부틸 Z"(등록 상표)) 1질량부, 스테아르산아연(사카이 가가쿠 고교(주) 제조, SZ-2000) 2질량부, 산화마그네슘(교와 가가쿠 고교(주) 제조, MgO#40) 4질량부를 혼합한 수지를 사용하였다.

[실시예 1]

도 3에 도시한 바와 같은 장치를 사용하여 불연속 강화 섬유 집합체를 제작하였다. 병렬로 배열한 2대의 커터를 사용하여 강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 45°, 섬유 길이 20㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 90°, 섬유 길이가 10㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:1이 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻었다. 얻어진 불연속 강화 섬유 집합체는 선단 각도가 45°, 섬유 길이 20㎜의 불연속 강화 섬유 다발과 선단 각도가 90°, 섬유 길이가 10㎜인 불연속 강화 섬유 다발이 균일하게 혼재한 불연속 강화 섬유 시트이며, 수 평균 다발 길이는 15㎜, 수 평균 예각 (A)는 45°, 수 평균 예각 (B)는 90°, 수 평균 예각 (B)/수 평균 예각 (A)는 2.0이었다.

다음으로, 필름 제막기를 사용하여, 매트릭스 수지 (1)을 포함하는 수지 필름을 제작하고, 얻어진 불연속 탄소 섬유 시트와 매트릭스 수지 필름을 얻을 수 있는 탄소 섬유 복합 재료 평판이 두께 2㎜, Vf=35%가 되도록 적층하고, 280℃로 승온한 프레스기의 평판 금형 내에서 300초간 예열하고, 10㎫의 압력을 가하면서 600초간 가압하고, 가압 상태에서 50℃까지 냉각하여, 두께 2㎜의 섬유 강화 복합 재료의 평판을 얻었다.

얻어진 평판은 휨이 없으며, 탄소 섬유 복합 재료로부터 0°와 90° 방향의 굽힘 강도를 측정한 바, 0°와 90° 방향의 굽힘 강도의 평균값은 400㎫이고, 각 방향의 굽힘 강도의 CV값이 7% 미만이고, 굽힘 강도 및 굽힘 탄성률에 대하여 0° 방향의 평균값/90° 방향의 평균값이 1.3 내지 0.77의 범위에 드는 2차원 등방성이고, 유동성은 250%/㎜였다. 조건, 평가 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 2]

강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 45°, 섬유 길이 20㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 65°, 섬유 길이가 10㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:1이 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 3]

강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 30°, 섬유 길이 13㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 60°, 섬유 길이가 7㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:1이 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 4]

강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 15°, 섬유 길이 13㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 45°, 섬유 길이가 7㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:1이 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 5]

실시예 2와 같은 불연속 강화 섬유 집합체와 매트릭스 수지 (2)를 사용하여, Vf=35%가 되도록 수지량을 조정하고, 이형 필름 상에 수지를 도포하고, 도포한 이형 필름 사이에 불연속 강화 섬유 집합체를 끼워 넣고 가압 함침시켜, 미경화 SMC 시트를 얻었다. 얻어진 미경화 SMC 시트를 40℃로 승온한 노 내에서 12hr 증점시킨 후에, 2㎜ 두께가 되도록 투입량을 조정하고, 140℃로 승온한 프레스기의 평판 금형 내에 미경화 SMC를 투입하고, 10㎫의 압력을 가하면서 300초간 가압하여, 두께 2㎜의 섬유 강화 복합 재료의 평판을 얻었다.

얻어진 평판은 휨이 없으며, 탄소 섬유 복합 재료로부터 0°와 90° 방향의 굽힘 강도를 측정한 바, 0°와 90° 방향의 굽힘 강도의 평균값은 430㎫이고, 각 방향의 굽힘 강도의 CV값이 7% 미만이고, 굽힘 강도 및 굽힘 탄성률에 대하여 0° 방향의 평균값/90° 방향의 평균값이 1.3 내지 0.77의 범위에 드는 2차원 등방성을 갖고 있으며, 유동성은 275%/㎜였다. 조건, 평가 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 6]

강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 15°, 섬유 길이 13㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 45°, 섬유 길이가 7㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:1이 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 5와 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 7]

커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:2가 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 8]

강화 섬유 스트랜드 (2)를 사용하여 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 4와 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 9]

강화 섬유 스트랜드 (2)를 사용하여 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 6과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 10]

강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 9°, 섬유 길이 35㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 15°, 섬유 길이가 13㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:9가 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 5와 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 11]

강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 9°, 섬유 길이 16㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 15°, 섬유 길이가 12㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 3:7이 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 5와 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[비교예 1]

강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 90°, 섬유 길이 20㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 90°, 섬유 길이가 10㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:1이 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다.

결과를 표 2에 나타낸다. 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 굽힘 강도, 굽힘 탄성률이 떨어지고 CV값의 변동도 컸다.

[비교예 2]

강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 90°, 섬유 길이 30㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 90°, 섬유 길이가 10㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:1이 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다.

결과를 표 2에 나타낸다. 얻어진 섬유 강화 복합 재료는 굽힘 탄성률이 떨어지고 CV값의 변동도 크며 유동성이 떨어진다.

[비교예 3]

강화 섬유 스트랜드 (1)을, 1대째인 커터 (1)은 선단 각도가 65°, 섬유 길이 20㎜가 되도록 커트하고, 2대째인 커터 (2)는 선단 각도가 90°, 섬유 길이가 10㎜가 되도록 커트하고, 커터 (1)과 커터 (2)로부터 토출되는 강화 섬유의 중량 비율이 1:1이 되도록 절단하여, 컨베이어 상에 퇴적시킨 불연속 강화 섬유 집합체를 얻은 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 섬유 강화 복합 재료 평판을 제조하고 평가를 실시하였다.

본 발명에 따른 불연속 섬유 강화 복합 재료는, 종래 기술로는 달성할 수 없던 고유동성과 2차원 등방성, 적은 기계 특성의 변동이 요구되는 모든 섬유 강화 복합 재료 성형품의 제조에 적용할 수 있다.

1: 불연속 강화 섬유 다발의 2차원 투영도
21: 불연속 강화 섬유 다발의 일례
22: 불연속 강화 섬유 다발의 일례
23: 불연속 강화 섬유 다발의 일례
31: 반송 롤
32: 커터
33: 디스트리뷰터
34: 컨베이어
35: 탄소 섬유 스트랜드
36: 불연속 강화 섬유 다발
100: 섬유 스트랜드
110: 분섬 처리 구간
120: 얽힘 축적부
130: 미분섬 처리 구간
140: 보풀 뭉침
150: 분섬 처리부
160: 얽힘부
170: 분섬 거리
200: 분섬 수단
210: 돌출부
211: 접촉부

Claims

수 평균 섬유 길이 3 내지 100㎜의 불연속 강화 섬유를 포함하는 불연속 강화 섬유 집합체와 매트릭스 수지를 포함하는 불연속 섬유 강화 복합 재료이며,
상기 불연속 강화 섬유 집합체는, 소정 본수의 불연속 강화 섬유의 단사를 동일 방향으로 집속한 복수의 불연속 강화 섬유 다발을 포함하고,
상기 불연속 강화 섬유 다발의 각각은, 상기 단사의 배향 방향에 대하여 일정한 각도를 이루는 절단면을 갖고,
단사 배향 방향 양단 간의 거리인 불연속 섬유 다발 길이가 긴 불연속 강화 섬유 다발일수록, 2차원 평면 상에 투영했을 때의 불연속 강화 섬유 다발의 단부의 예각을 이루는 선단 각도가 작고,
상기 불연속 강화 섬유 집합체에 포함되는 불연속 강화 섬유 다발의 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)에 대하여, 각각의 불연속 섬유 다발 길이가 해당 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)를 초과하는 불연속 강화 섬유 다발의 분류 (1)에 포함되는 각각의 불연속 강화 섬유 다발의 상기 선단 각도의 수 평균이 되는 수 평균 예각 (A)와, 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L) 이하의 불연속 강화 섬유 다발의 분류 (2)에 포함되는 각각의 불연속 강화 섬유 다발의 상기 선단 각도의 수 평균이 되는 수 평균 예각 (B)가, 하기 식 (1) 및 (2)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 불연속 섬유 강화 복합 재료.
수 평균 예각 (A)×1.3≤수 평균 예각 (B) (1)
5°≤수 평균 예각 (A)≤45° (2)
제1항에 있어서, 상기 수 평균 불연속 섬유 다발 길이 (L)이 3㎜ 이상 100㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 불연속 섬유 강화 복합 재료.
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