KR20230000722A

KR20230000722A - 섬유 강화 복합재 및 이를 포함하는 물품

Info

Publication number: KR20230000722A
Application number: KR1020210083192A
Authority: KR
Inventors: 김상환; 변의현
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2023-01-03
Also published as: WO2022270807A1; JP2024521383A; CN117561296A; EP4349890A1; EP4349890A4; US20240262048A1

Abstract

본 출원은 섬유 강화 복합재에 관한 것이다. 구체적으로, 본 출원은 폴리아미드계 수지 및 아라미드 단섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재, 및 이를 포함하는 물품에 관한 것이다.

Description

섬유 강화 복합재 및 이를 포함하는 물품{Fiber reinforced composite and articles comprising the same}

본 출원은 섬유 강화 복합재에 관한 것이다. 구체적으로, 본 출원은 폴리아미드계 수지, 및 아라미드 단섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재 및 이를 포함하는 물품에 관한 것이다.

고분자 수지와 섬유의 각 장점을 활용할 수 있을 것이라는 기대에서, 금속을 대체할 수 있는 소재로서 섬유 강화 플라스틱이 주목받고 있다.

예를 들어, 방향족 폴리아미드 섬유인 아라미드 섬유는 비강력, 비탄성율, 내열성, 인성, 내마모성이 높은 장점이 있고, 폴리아미드계 수지 중 하나인 PA66는 고강도, 고내열성, 내약품성, 난연성, 가공성이 우수한 장점이 있기 때문에, 이들을 포함하는 섬유 강화 플라스틱을 통해 내마모성과 기계적 강도가 우수한 재료를 제조하는 것이 고려될 수 있다.

그러나, 섬유 강화 플라스틱에 포함되는 섬유와 수지 간 계면 접착력이 좋지 못한 경우가 많고, 수지 내 섬유의 분산성이 확보되지 않는 경우에는 제조된 섬유 강화 플라스틱의 특성이 기대 물성에 미치지 못하는 문제가 발생할 수 있다

본 출원의 일 목적은, 기계적 물성(예: 굴곡강도, 인장강도 등)이 우수한 섬유 강화 복합재를 제공하는 것이다.

본 출원의 다른 목적은, 내마모(내마찰) 특성이 우수한 섬유 강화 복합재를 제공하는 것이다.

본 출원의 또 다른 목적은, 기계적 물성과 내마모 특성이 우수하고, 비중이 낮은 섬유 강화 복합재를 제공하는 것이다.

본 출원의 또 다른 목적은 상기 섬유 강화 복합재를 포함하는 물품을 제공하는 것이다.

본 출원의 상기 목적 및 기타 그 밖의 목적은 하기 상세히 설명되는 본 출원에 의해 모두 해결될 수 있다.

본 출원에 관한 일례에서, 본 출원은 폴리아미드계 수지; 및 꼬임이 부여된 아라미드 단섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재(composite)에 관한 것이다. 상기 복합재는, 연속상인 폴리아미드계 수지 내에 분산상인 (복수의) 아라미드 단섬유가 분산되어 존재하는 구조를 갖는다.

본 출원의 발명자는, 섬유 강화 복합재에서 섬유의 분산성과 계면 접착성을 개선하는 것이 복합재를 경량화하면서도 복합재의 기계적 특성과 내마모 특성 등을 개선할 수 있음을 확인하고, 본 출원 발명을 완성하였다.

본 출원에 관한 구체에예서, 상기 아라미드 단섬유는 후술하는 바와 같이, 연사 공정을 통해 소정의 꼬임수가 부여된 아라미드 섬유를 소정 길이로 재단(chopping)하는 것에 의해 얻어질 수 있다.

특별히 제한되는 것은 아니나, 기계적 물성 확보 등에 필요한 섬유의 강도 등을 고려할 때, 상기 아라미드 섬유 또는 단섬유는 500 데니어 이상, 600 데니어 이상, 700 데니어 이상, 800 데니어 이상, 900 데니어 이상, 1000 데니어 이상, 1100 데니어 이상, 1200 데니어 이상, 1300 데니어 이상, 1400 데니어 이상, 1500 데니어 이상의 섬도를 가질 수 있다. 상기 섬도의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니나 예를 들어, 3000 데니어 이하, 2500 데니어 이하, 2000 데니어 이하, 1500 데니어 이하 또는 1000 데니어 이하일 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 아라미드 단섬유는 1.0 내지 10.0 mm 범위의 길이를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 아라미드 단섬유의 길이는 2 mm 이상, 3 mm 이상, 4 mm 이상, 5 mm 이상, 6 mm 이상, 7 mm 이상, 8 mm 이상 또는 9 mm 이상일 수 있고, 그 상한은 예를 들어, 9 mm 이하, 8 mm 이하, 7 mm 이하, 6 mm 이하, 5 mm 이하, 4 mm 이하, 3 mm 이하 또는 2 mm 이하일 수 있다. 상기 범위를 초과하는 장섬유와 비교할 때, 아라미드 단섬유는 장섬유 대비 폴리아미드계 수지 내에서 우수한 분산성을 유지하는데 유리하다.

상기 길이의 단섬유 제조는 합연사에 대한 재단(chopping)을 통해 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 재단(chopping)의 대상이 되는 아라미드 섬유는 2 가닥 이상의 하연사가 함께 상연된(즉, 하연사들이 꼬여져 만들어진) 합연사 구조를 갖는다. 그에 따라, 재단된 아라미드 단섬유도 꼬임이 부여된 구조를 가질 수 있다.

이때, 「하연」은 실 또는 필라멘트를 어느 한 방향으로 꼬는 것을 의미하고, 「하연사」는 실 또는 필라멘트가 어느 한 방향으로 꼬여져 만들어진 한 가닥(ply)의 실, 즉 단사(single yarn)를 의미할 수 있다. 특별히 제한되지는 않으나, 상기 하연은 예를 들어, 반시계 반향의 꼬임을 의미할 수 있다. 또한, 「합연사(plied yarn)」는 2 가닥 이상의 하연사들을 어느 한 방향으로 함께 꼬아서 만든 실을 의미한다. 상기 상연은 하연이 이루어지는 꼬임에 대한 반대 방향의 꼬임을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 상연은 시계 방향의 꼬임을 의미할 수 있다.

하연 방향에서 꼬여져 만들어진 상기 하연사는 소정의 꼬임수를 가질 수 있다. 이때, 「꼬임수(twist number)」는 1 m 당 꼬임의 횟수를 의미하고, 그 단위는 TPM(Twist Per Meter)일 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 아라미드 단섬유는 30 내지 200 TPM(twist per meter) 범위의 꼬임이 부여된 것일 수 있다.

본 출원의 구체예에서, 상기 아라미드 단섬유는 30 내지 200 TPM(twist per meter) 범위의 꼬임이 부여된 하연사를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 단섬유에 포함된 하연사의 꼬임수 하한은 예를 들어, 35 TPM 이상, 40 TPM 이상, 45 TPM 이상, 50 TPM 이상, 55 TPM 이상, 60 TPM 이상, 65 TPM 이상, 70 TPM 이상, 75 TPM 이상 또는 80 TPM 이상일 수 있다. 그리고, 상기 꼬임수의 상한은 예를 들어, 190 TPM 이하, 180 TPM 이하, 170 TPM 이하, 160 TPM 이하, 150 TPM 이하, 140 TPM 이하, 130 TPM 이하, 120 TPM 이하, 110 TPM 이하, 100 TPM 이하, 90 TPM 이하, 80 TPM 이하 또는 70 TPM 이하일 수 있다.

본 출원의 구체예에서, 상기 아라미드 단섬유에 포함되는 하연사 간 꼬임수(즉, 상연시 꼬임수)는 30 내지 200 TPM(twist per meter) 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 단섬유에 포함된 하연사 간 꼬임수의 하한은 예를 들어, 35 TPM 이상, 40 TPM 이상, 45 TPM 이상, 50 TPM 이상, 55 TPM 이상, 60 TPM 이상, 65 TPM 이상, 70 TPM 이상, 75 TPM 이상 또는 80 TPM 이상일 수 있다. 그리고, 상기 하연사 간 꼬임수의 상한은 예를 들어, 190 TPM 이하, 180 TPM 이하, 170 TPM 이하, 160 TPM 이하, 150 TPM 이하, 140 TPM 이하, 130 TPM 이하, 120 TPM 이하, 110 TPM 이하, 100 TPM 이하, 90 TPM 이하, 80 TPM 이하 또는 70 TPM 이하일 수 있다.

특별히 제한되지는 않으나, 아라미드 섬유 제조시 부여되는, 하연시 꼬임수(하연수)와 상연시 꼬임수(상연수)는 동일 또는 상이할 수 있다.

꼬임수가 상기 범위를 만족하지 못하는 경우, 연속상인 폴리아미드계 수지에 대한 아라미드 단섬유의 접촉 면적이 낮아지면서, 폴리아미드계 수지와 아라미드 단섬유 간 계면 접착력이 낮아 질 수 있다. 또한, 꼬임수가 지나치게 크거나 작은 아라미드 단섬유에서는 후술하는 사이징제가 코팅되는 섬유의 표면적 감소가 발생하기 때문에, 섬유와 수지 간 충분한 계면 접착력이 제공될 수 없고, 섬유가 폴리아미드계 수지 내에서 우수한 분산성을 갖지 못한다. 결과적으로, 기계적 물성 등의 충분한 개선하기 위해서는 상기 꼬임수를 만족하여 섬유와 수지 간 물리적 접촉면적을 높이는 것이 유리하다.

하나의 예시에서, 상기 아라미드 섬유 또는 아라미드 단섬유는 2 가닥의 하연사가 꼬아진 2 플라이 구조, 또는 3 가닥의 하연사가 꼬아진 3 플라이 구조를 가질 수 있으나, 이들에 제한되는 것은 아니다.

하나의 예시에서, 상기 섬유 강화 복합재는, 상기 복합재 전체 중량 100 중량% 대비, 상기 아라미드 단섬유를 15 중량% 이하로 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 복합재 중에서, 상기 아라미드 단섬유의 함량은 예를 들어, 15 중량% 미만, 보다 구체적으로, 14 중량% 이하, 13 중량% 이하, 12 중량% 이하, 11 중량% 이하, 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하 또는 5 중량% 이하일 수 있다. 상술한 꼬임수의 아라미드 단섬유는 폴리아미드계 수지에 대한 계면 접착력과 분산성이 우수하기 때문에, 상기와 같이 적은 함량(예를 들어, 10 중량% 이하)의 아라미드 단섬유를 사용하는 경우에도 복합재 물성의 충분한 개선을 기대할 수 있다.

특별히 제한되지 않으나, 상기 섬유 강화 복합재의 함량 하한은 복합재의 기계적 강도 등을 고려하여 조절될 수 있고, 예를 들어, 0.5 중량% 이상, 1.0 중량% 이상, 1.5 중량% 이상, 2.0 중량% 이상, 2.5 중량% 이상, 3.0 중량% 이상, 3.5 중량% 이상, 4.0 중량% 이상, 4.5 중량% 이상 또는 5.0 중량% 이상일 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 섬유 강화 복합재는, 상기 폴리아미드계 수지 100 중량부 대비, 상기 아라미드 단섬유를 20 중량부 이하로 포함할 수 있다. 구체적으로, 폴리아미드계 수지 100 중량부를 기준으로 할 때, 상기 아라미드 단섬유의 함량 상한은 15 중량부 이하, 10 중량부 이하 또는 5 중량부 이하일 수 있다. 상술한 꼬임수의 아라미드 단섬유는 폴리아미드계 수지에 대한 계면 접착력과 분산성이 우수하기 때문에, 상기와 같이 폴리아미드계 수지 함량 대비 상당히 적은 함량(1/5 수준 이하)의 아라미드 단섬유가 사용되더라도 복합재 물성의 충분한 개선을 기대할 수 있다.

특별히 제한되지 않으나, 폴리아미드계 수지 100 중량부를 기준으로 할 때, 상기 아라미드 단섬유의 함량 하한은 복합재의 기계적 강도 등을 고려하여 조절될 수 있고, 예를 들어, 0.1 중량부 이상, 0.5 중량부 이상, 1.0 중량부 이상, 1.5 중량부 이상, 2.0 중량부 이상, 2.5 중량부 이상, 3.0 중량부 이상, 3.5 중량부 이상, 4.0 중량부 이상, 4.5 중량부 이상, 5.0 중량부 이상일 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 아라미드 단섬유는 그 표면이 사이징제로 처리된 것일 수 있다. 즉, 상기 아라미드 단섬유의 표면에는 사이징제가 결합되어 있을 수 있다. 사이징제는 아라미드 섬유에 우수한 재단성을 부여할뿐 아니라 폴리아미드계 수지와 아라미드 단섬유 간 계면 접착력(예: 화학적 결합력)과 아라미드 단섬유의 분상성을 개선할 수 있다. 후술하는 것과 같이, 사이징제 처리는 아라미드 섬유에 대한 재단 이전에 이루어질 수 있다.

본 출원에서 사이징제의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 사이징제로는 공지된 우레탄계 사이징제, 에폭시계 사이징제 및/또는 아미드계 사이징제 가 사용될 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 아라미드 섬유 또는 아라미드 단섬유에 대한 사이징제의 함량 비율은 1.0 내지 10.0 중량% 범위일 수 있다. 상기 사이징제의 함량은, 아라미드 섬유에 대한 사이징제의 부착률을 의미하는 것으로, 소위 픽업률에 관한 아래 식 1에 의해 계산될 수 있다.

[식 1]

픽업률(%)＝[(W2- W1)/W1] ×100

식 1에서, W1은 건조 상태 아라미드 섬유의 무게이고, W2는 사이징제 표면 처리 후 아라미드 섬유의 무게를 의미한다. 이때, 사이징제 표면 처리 후 시점은, 사이징제에 대한 섬유 침지 후 열처리가 완료된 시점을 의미한다.

구체적으로, 상기 아라미드 섬유 또는 아라미드 단섬유에 대한 사이징제의 함량 비율은 그 하한이 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 5 중량% 이상, 6 중량% 이상, 7 중량% 이상, 8 중량% 이상 또는 9 중량% 이상일 수 있다. 그리고 그 상한은 예를 들어, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하 또는 2 중량% 이하일 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 섬유 강화 복합재는 유리 섬유(glass fiber) 및 탄소 섬유(carbon fiber) 중에서 선택되는 1 이상의 섬유를 더 포함할 수 있다.

상기 폴리아미드계 수지의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 폴리아미드계 수지로는, 예를 들어 나일론 6, 나일론 66, 나일론 46, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 610, 나일론 612, 나일론 6/66의 공중합체, 나일론 6/66/610 공중합체, 나일론 MXD6, 나일론 6T, 나일론 6/6T 공중합체, 나일론 66/PP 공중합체 및 나일론 66/PPS 공중합체; 또는 이들의 N-알콕시알킬화물 등이 사용될 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 섬유 강화 복합재는 ASTM D792에 따른 비중이 1.25 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재는 1.20 이하, 보다 구체적으로, 1.19 이하, 1.18 이하, 1.17 이하, 1.16 이하, 1.15 이하 또는 1.14 이하의 비중을 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 출원에서는 폴리아미드계 수지에 대한 계면 접착력과 분산성이 우수할 수 있도록 그 특성이 조절된 아라미드 단섬유가 사용되기 때문에, 적은 함량의 아라미드 단섬유가 사용될 수 있고, 복합재의 경량화가 가능하다.

특별히 제한되지 않으나, 상기 섬유 강화 복합재의 비중 하한은 예를 들어, 1.10 이상, 1.11 이상, 1.12 이상, 1.13 이상, 1.14 이상 또는 1.15 이상일 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 비중을 만족하는 섬유 강화 복합재는 ASTM D638에 따른 인장강도가 80 내지 100 Mpa 범위를 만족할 수 있다. 구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재의 인장강도는 81 Mpa 이상, 82 Mpa 이상, 83 Mpa 이상, 84 Mpa 이상, 85 Mpa 이상, 86 Mpa 이상, 87 Mpa 이상, 88 Mpa 이상, 89 Mpa 이상, 90 Mpa 이상, 91 Mpa 이상, 92 Mpa 이상, 93 Mpa 이상, 94 Mpa 이상 또는 95 Mpa 이상일 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 출원에서는 폴리아미드계 수지에 대한 계면 접착력과 분산성이 우수할 수 있도록 그 특성이 조절된 아라미드 단섬유가 사용되고, 그에 따라 낮은 비중에서도 상기 범위와 같이 충분한 인장강도를 갖는 복합재가 제공될 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 비중을 만족하는 섬유 강화 복합재는 ASTM D790에 따른 굴곡강도가 120 내지 140 Mpa 범위를 만족할 수 있다. 구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재의 굴곡강도는121 Mpa 이상, 122 Mpa 이상, 123 Mpa 이상, 124 Mpa 이상, 125 Mpa 이상, 126 Mpa 이상, 127 Mpa 이상, 128 Mpa 이상, 129 Mpa 이상, 130 Mpa 이상, 131 Mpa 이상, 132 Mpa 이상, 133 Mpa 이상, 134 Mpa 이상 또는 135 Mpa 이상일 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 출원에서는 폴리아미드계 수지에 대한 계면 접착력과 분산성이 우수할 수 있도록 그 특성이 조절된 아라미드 단섬유가 사용되고, 그에 따라 낮은 비중에서도 상기 범위와 같이 충분한 굴곡강도를 갖는 복합재가 제공될 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 비중을 만족하는 섬유 강화 복합재는 ASTM D3702에 따른 마찰계수가 0.12 미만을 만족할 수 있다. 구체적으로, 상기 섬유 강화 복합재의 마찰계수는 0.11 이하, 0.10 이하, 0.09 이하, 0.08 이하, 0.07 이하 또는 0.06 이하일 수 있다. 복합재와 관련한 마찰은 보통, 섬유가 수지에서 이탈하기 때문에 발생하는 경우가 대부분이다. 따라서, 마찰 문제를 개선하기 위해서, 즉, 마찰계수를 낮추기 위해서는 섬유가 수지에서 이탈하지 않고 수지 내에 존재하도록, 섬유의 분산성을 개선하는 것이 필요하다. 상술한 바와 같이, 본 출원에서는 폴리아미드계 수지에 대한 계면 접착력과 분산성이 우수할 수 있도록 그 특성이 조절된 아라미드 단섬유가 사용되고, 그에 따라 적은 함량을 아라미드 섬유를 사용하면서도 상기 범위와 같이 충분히 낮은 마찰계수를 갖는 복합재가 제공될 수 있다.

상기와 같은 본원발명 복합재의 용도는 특별히 제한되지 않는다.

예를 들어, 상기 복합재는, 자동차 분야에 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 복합재는 자동차 내장재, 자동차 외장재 또는 발란스 기어(Balanced gear)와 같은 물품에 포함될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 복합재는, 도어 프레임 이너 커버(Door frame inner cover), 트랜스미션 기어 서포트(Transmission gear support), 선 바이저 리테이너(Sun visor retainer), 이너 도어 핸들 어셈블리(Inner door handle assembly), 윈도우 드럼(Window drum), 캐리어 플레이트(Carrier plate), 세이프티 벨트 조인터(Safety belt jointer), 부쉬(bush), 엔진 마운트(Engine mount), 헤드 레스트 가이드(Head rest guide) 등에 사용될 수 있다.

또 다른 예시에서, 상기 복합제는 경량화 그리고 내마모나 내마찰 성능이 필요한 부품에 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 복합제는 ATM 이나 프린터 기기 등에 사용되는 각종 기어(gear)에서 또는 냉장고나 세탁기 등의 도어 클로저 파트(Door closer part)에서 사용될 수 있고, 그 외에도 센트럴라이저(Centralizer), 컨베이어 벨트(Conveyor belt), 베어링(bearing), 캐스터(Caster) 등에 사용될 수 있다.

본 출원에 관한 다른 일례에서, 본 출원은 섬유 강화 복합재의 제조방법에 관한 것이다.

구체적으로, 상기 방법은 30 내지 200 TPM(twist per meter) 범위의 꼬임이 부여된 아라미드 단섬유를 준비하는 단계; 및 상기 준비된 아라미드 단섬유와 폴리아미드계수지를 압출기에 투입한 후 토출하여, 섬유 강화 복합재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

섬유 강화 복합재, 및 이를 구성하는 각 성분에 관한 특성 등은 상술한 바와 같다.

하나의 예시에서, 상기 아라미드 단섬유는, 사이징제로 표면 코팅된 아라미드 원사(섬유)에 꼬임을 부여한 후(하연사 및 상연사의 제조), 꼬임이 부여된 원사를 초핑 공정으로 재단하는 방식으로 제조될 수 있다. 즉, 상기 방법은 사이징제로 표면 코팅된 아라미드 원사에 꼬임을 부여한 후, 꼬임이 부여된 원사를 재단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 꼬임수는 상술한 바와 같고, 초핑에 의해 상술한 길이(1.0 내지 10.0 mm 범위)의 단섬유가 얻어질 수 있다.

상기 사이징제에 의한 표면 코팅 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 아라미드 원사(섬유)를 사이징제액에 침지하고 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 특별히 제한되지는 않으나, 사이징제가 적정량 도포될 수 있도록 사이징제에 대한 아라미드 원사(섬유)의 침지 시간은 약 1초 내지 30초 범위, 약 2 초 내지 20 초 또는 약 3 초 내지 10 초 범위일 수 있다. 그리고, 사이징제가 도포된 섬유에 대한 열처리는, 사이징제의 충분한 건조와 열로 인한 손상 억제 등을 고려하여, 약 200 내지 500 ℃ 또는 약 250 내지 300 ℃ 온도에서 약 3 내지 30초간 이루어질 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 사이징제의 코팅 정도는, 상술한 픽업률을 만족하도록 수행될 수 있다.

압출기에 투입되는 수지와 섬유의 함량 비율은 상술한 바와 같다.

하나의 예시에서, 상기 방법은 하나의 투입구를 포함하는 압출기를 이용하여, 수행될 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 방법은 2 이상의 투입구를 포함하는 압출기를 이용하여 수행될 수 있다. 이 경우, 단섬유가 보다 고르게 수지 내에서 분산될 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 투입구는 폴리아미드계 수지를 투입하는데 사용되는 것일 수 있고, 다른 투입구는 아라미드 단섬유를 투입하는데 사용되는 것일 수 있다. 상기 투입구를 통해 압출기 내부로 투입된 수지와 섬유는, 압출기 내부의 스크류를 타고 혼합 및 이동하면서 토출구를 통해 다이(die)로 배출될 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 투입구는 압출기에 포함되는 스크류의 길이를 따라 일정 거리마다 형성될 수도 있다.

특별히 제한되지는 않으나, 폴리아미드계 수지가 투입되는 투입구를 호퍼라고 호칭할 수 있고, 아라미드 단섬유가 투입되는 투입구를 피더라고 호칭할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 방법은 이축 스크류 압출기를 이용하여 수행될 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.

토출된 섬유 강화 복합재의 형태는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 펠렛 형태나 시트 형태 등의 섬유 강화 복합재가 제공될 수 있다.

본 출원에 관한 일례에서, 본 출원은 상기 섬유 강화 복합재를 포함하는 물품에 관한 것이다. 섬유 강화 복합재의 특성은 상술한 바와 같다.

섬유 강화 복합재를 포함하는 물품은 특별히 제한되지 않는다.

예를 들어, 상기 복합재는, 자동차 관련 물품에 포함될 수 있다. 구체적으로, 본 출원은, 상기 복합재를 포함하는 자동차 내장재, 자동차 외장재 또는 발란스 기어(Balanced gear)와 같은 자동차 관련 물품에 관한 것일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 복합재는, 도어 프레임 이너 커버(Door frame inner cover), 트랜스미션 기어 서포트(Transmission gear support), 선 바이저 리테이너(Sun visor retainer), 이너 도어 핸들 어셈블리(Inner door handle assembly), 윈도우 드럼(Window drum), 캐리어 플레이트(Carrier plate), 세이프티 벨트 조인터(Safety belt jointer), 부쉬(bush), 엔진 마운트(Engine mount), 헤드 레스트 가이드(Head rest guide) 등에 사용될 수 있다.

또 다른 예시에서, 상기 복합제는 경량화 그리고 내마모나 내마찰 성능이 필요한 물품에 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 복합제는 ATM 이나 프린터 기기 등에 사용되는 각종 기어(gear)에서 또는 냉장고나 세탁기 등의 도어 클로저 파트(Door closer part)에서 사용될 수 있고, 그 외에도 센트럴라이저(Centralizer), 컨베이어 벨트(Conveyor belt), 베어링(bearing), 캐스터(Caster) 등에 사용될 수 있다.

본 출원에 관한 구체예에서, 본 출원은 섬유 강화 복합재를 포함하는 발란스 기어(balance gear)에 관한 것일 수 있다. 후술하는 실험예에서와 같이, 상기 아라미드 단섬유를 포함하는 복합재는 우수한 내마모성을 제공할 수 있는데, 이에 더하여 소재의 내마모성을 개선할 수 있다고 알려진 유리 섬유나 탄소 섬유를 상술한 아라미드 단섬유와 함께 복합재의 구성으로 사용하는 경우, 금속과의 마찰로 인해 우수한 내마모 내구성이 요구되는 발란스 기어 용도에 적합할 것으로 생각된다.

그에 따라, 본 출원의 구체예에서, 상기 발란스 기어는, 폴리아미드계 수지; 30 내지 200 TPM(twist per meter) 범위의 꼬임이 부여된 아라미드 단섬유; 및 유리 섬유 및 탄소섬유 중에서 선택되는 1 이상의 섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재를 포함한다.

발란스 기어에 포함되는 섬유 강화 복합재와 관련하여, 폴리아미드계 수지 및 아라미드 단섬유의 특성 등에 관한 설명은 상술한 바와 같다.

하나의 예시에서, 상기 유리 섬유 및/또는 탄소섬유는 단섬유 또는 장섬유 형태일 수 있다. 구체적으로, 단섬유인 유리 섬유 및/또는 탄소섬유는 그 길이가 1 내지 10 mm 범위일 수 있다. 그리고, 장섬유인 유리 섬유 및/또는 탄소섬유는 그 길이가 10 mm를 이상일 수 있는데, 예를 들어, 10 내지 20 mm 범위일 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 유리 섬유 및/또는 탄소섬유에는 꼬임이 부여될 수 있다. 특별히 제한되지 않으나, 유리 섬유 및/또는 탄소섬유에 부여되는 꼬임수는, 상술한 아라미드 단섬유에 대한 그것과 동일 또는 상이할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 복합재는 복합재 전체 중량 대비, 상기 유리 섬유 및/또는 탄소 섬유를 45 중량% 이하로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 복합재는 전체 복합재 100 중량%를 기준으로, 유리 섬유를 45 중량% 이하로 포함하거나 탄소 섬유를 45 중량% 이하로 포함할 수 있다. 또 다른 예시에서, 상기 복합재는, 전체 복합재 100 중량%를 기준으로 유리 섬유 및 탄소 섬유의 합계가 45 중량% 이하가 되도록, 유리 섬유 및 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 45 중량%를 초과하는 이들 섬유의 함량은 압출시 스크류 내 레진 흐름을 방해하여, 복합재의 제조를 어렵게 할 수 있다(공정성 또는 생산성 저하). 또한, 45 중량%를 초과하는 것과 같이 과다한 함량의 섬유가 사용되면, 펠렛 형태로 가공시 펠렛 컷팅이 어려지거나 컷팅면이 불량하게 되며, 제조된 펠렛위 외부 표면으로 보강 섬유가 노출되어 상품성이 좋지 못하다.

특별히 제한되지 않으나, 전체 복합재 100 중량%를 기준으로, 상기 유리 섬유 및/또는 탄소 섬유의 함량 상한은, 예를 들어, 40 중량% 이하, 35 중량% 이하, 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하 또는 10 중량% 이하일 수 있고, 그 하한은 예를 들어, 5 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 25 중량% 이상 또는 30 중량% 이상일 수 있다.

본 출원의 구체예에 따르면, 낮은 비중을 가지면서도 기계적 물성과 내마모성이 우수한 복합재가 제공된다.

이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.

실험례 1: 복합재의 인강장도, 굴곡강도, 및 비중 측정

아래 실시예 및 비교예에서 준비된 시편에 대하여, 인장강도, 굴곡강도 및 비중을 측정하였다.

실시예 1

아라미드 단섬유의 준비: 총 섬도 약 2,000 데니어인 아라미드 섬유를 우레탄계 사이징제에 약 7초 동안 침지한 후, 약 285 ℃ 온도에서 약 15초 동안 열처리하여 표면이 사이징제로 코팅된 아라미드 섬유를 얻었다(픽업률 약 5 중량%). 그리고, 연사 공정을 통해 상기 사이징제로 표면이 코팅된 섬유에 약 70 TPM의 꼬임수를 부여하였다. 구체적으로, 연사 공정시 상연과 하연 모두 70 TPM으로 설정되었고, 꼬임이 부여된 섬유는 2 플라이 구조를 갖는다. 이어서, 꼬임수가 부여된 아라미드 섬유의 길이가 약 5 mm가 되도록 섬유를 재단(chopping)하였다.

펠렛 형태의 복합재(composite)의 제조: 압출기를 이용하여 상기 아라미드 단섬유가 폴리아미드계 수지(PA66)에 분산된 복합재를 제조하였다. 이때, 수지 중에 단섬유를 고르게 분산시키기 위해, 압출기 입구측(토출구의 반대편)에 위치시킨 피더를 통해 (호퍼를 통해 투입되는 폴리아미드계 수지와 별개로) 섬유를 투입하였다. 제조된 펠렛은 높이 약 5 mm이고, 직경이 약 5 mm인 원기둥 형태를 갖는다.

제조된 복합재의 특성을 표 1과 같다.

실시예 2

아래 표 1에 기재된 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재를 제조하였다.

비교예 1 내지 3

시판중인 RTP company 사의 제품을 비교예로 사용하였다. 이때, 비교예 1 내지 3은 아라미드 단섬유와 폴리아미드계 수지의 함량이 표 1에서와 같이 상이한 것을 제외하고, 동일하다.

	함량(wt%)		복합재의 특성
	PA66	아라미드 섬유	인장강도 (Mpa)	굴곡강도 (Mpa)	비중
실시예 1	95	5	88	127	1.15
실시예 2	90	10	93	132	1.16
비교예 1(RTP 200 AR 5)	95	5	58	124	1.15
비교예 2(RTP 200 AR 10)	90	10	82	131	1.16
비교예 3(RTP 200 AR 15)	85	15	89	138	1.17
인장강도: ASTM D638에 따라 측정하였다. 굴곡강도: ASTM D790에 따라 측정하였다. *비중: ASTM D792에 따라 측정하였다.

상기 표 1에서와 같이, 시판중인 제품과 비교할 때, 본원발명에 따른 실시예의 복합재는 상대적으로 낮은 함량으로 아라미드 섬유를 포함하는 경우(즉, 비중이 낮음)에도 우수한 인장강도와 굴곡강도를 제공 가능하다는 것이 확인된다.

실험례 2: 마찰계수 측정

아래 실시예 및 비교예에서 준비된 시편에 대하여 마찰계수를 측정하였다.

실시예 3

상기 실시예 1에서 제조된 복합재를 사용하였다.

실시예 4

상기 실시예 2에서 제조된 복합재를 사용하였다.

비교예 4

시판중인 RTP company 사의 제품(RTP 200)을 비교예 4로 사용하였다.

비교예 5

내마모 특성 강화에 주로 사용되는 카본 섬유(carbon fiber)를 20 중량% 함량 포함하는 복합재를 비교예 5로 사용하였다. 카본 섬유에 꼬임이 부여되지 않은 것을 제외하고, 실시예 1에서와 동일한 과정으로 복합재를 제조하였다.

비교예 6

내마모 특성 강화에 주로 사용되는 유리 섬유(glass fiber)를 20 중량% 함량 포함하는 복합재를 비교예 6로 사용하였다. 유리 섬유에 꼬임이 부여되지 않은 것을 제외하고, 실시예 1에서와 동일한 과정으로 복합재를 제조하였다.

비교예 7

아라미드 섬유를 15 중량% 포함하는 Solvay 사의 Tribocomp®을 비교예 7로 사용하였다.

비교예 8

시판중인 RTP company 사의 제품(RTP 200 AR 15 TFE 15)을 비교예 8로 사용하였다. 해당 제품은 마찰계수를 낮추기 위해 사용되는 테플론(TFE) 수지 15 중량%가 포함된 것이다.

	함량(wt%)		복합재의 특성
	PA66	섬유	마찰계수	비중
실시예 3	95	5 (아라미드)	0.07~0.08	1.15
실시예 4	90	10(아라미드)	0.08~0.10	1.16
비교예 4(RTP 200)	100	-	0.60	1.14
비교예 5	80	20(카본 섬유)	0.24	1.23
비교예 6	80	20(유리 섬유)	0.29	1.28
비교예 7(Solvay Tribocomp®)	85	15 (아라미드)	0.13	1.15
비교예 8(RTP 200 AR 15 TFE 15)	PA66 70 + TFE(테플론) 수지 15 중량%	15 (아라미드)	0.39	1.27
* 마찰계수(무차원): ASTM D3702에 따라 측정하였다. * 비교예 7의 마찰계수는 Solvay社 카달로그에 기재된 값이다.

표 2에서와 같이, 본원발명 실시예 복합재의 마찰계수가 낮은 것이 확인된다. 이는 본원발명의 복합재의 내마모특성이 우수하다는 것을 의미한다. 이는, 소정의 꼬임수가 부여된 아라미드 섬유가 폴리아미드계 수지와 적정 수준의 접촉 면적을 가질 수 있기 때문인 것으로 생각된다. 또한, 상기와 같은 낮은 마찰계수 확보에는 사이징제의 사용으로 인해 폴리아미드계 수지 내 아라미드 섬유의 분산성이 좋아진 것도 영향을 미친 것으로 판단된다.

한편, 섬유의 함량이 많아질수록 마찰계수가 감소하는 것이 일반적인데, 실시예 3과 4는 마찰계수는 그 차이가 크지 않다는 것이 확인된다. 즉, 본원발명에 따르면 아라미드 섬유를 소량 포함하는 경량성의 복합재로서, 우수한 기계적 강도(표 1)와 우수한 내마모특성(낮은 마찰계수)(표 2)을 갖는 복합재가 제공된다.

Claims

폴리아미드계 수지; 및 30 내지 200 TPM(twist per meter) 범위의 꼬임이 부여된 아라미드 단섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 아라미드 단섬유는 1.0 내지 10.0 mm 범위의 길이를 갖는, 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
복합재 전체 중량 대비, 상기 아라미드 단섬유를 15 중량% 이하로 포함하는, 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
복합재 전체 중량 대비, 상기 아라미드 단섬유를 10 중량% 이하로 포함하는, 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 폴리아미드계 수지 100 중량부 대비, 상기 아라미드 단섬유를 0.1 내지 20 중량부 범위로 포함하는, 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
상기 아라미드 단섬유는 그 표면이 사이징제로 처리된, 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
유리 섬유 및 탄소섬유 중에서 선택되는 1 이상의 섬유를 더 포함하는, 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
ASTM D792에 따른 비중이 1.25 이하인, 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
ASTM D638에 따른 인장강도가 80 내지 100 Mpa 범위인, 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
ASTM D790에 따른 굴곡강도가 120 내지 140 Mpa 범위인, 섬유 강화 복합재.
제 1 항에 있어서,
ASTM D3702에 따른 마찰계수가 0.12 미만인, 섬유 강화 복합재.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 섬유 강화 복합재를 포함하는 자동차 내장재.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 섬유 강화 복합재를 포함하는 자동차 외장재.
폴리아미드계 수지; 30 내지 200 TPM(twist per meter) 범위의 꼬임이 부여된 아라미드 단섬유; 및 유리 섬유 및 탄소섬유 중에서 선택되는 1 이상의 섬유를 포함하는 섬유 강화 복합재를 포함하는, 발란스 기어(balance gear).
제 14 항에 있어서,
상기 복합재는, 복합재 전체 중량 100 중량% 기준으로, 상기 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 45 중량% 이하로 포함하는, 발란스 기어(balance gear).