KR102135049B1 - 구조체 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 구조체는 수지와, 강화 섬유와, 공극으로 이루어지는 구조체로서, 수지의 체적 함유율이 2.5체적% 이상, 85체적% 이하의 범위 내에 있으며, 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5체적% 이상, 55체적% 이하의 범위 내에 있으며, 공극이 10체적% 이상, 99체적% 이하의 범위 내의 비율로 구조체 중에 함유되고, 강화 섬유의 길이를 Lf, 구조체의 단면 방향에 있어서의 강화 섬유의 배향 각도를 θf로 했을 때 구조체의 두께 St가 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족하고, 구조체의 굽힘 탄성률을 Ec, 구조체의 비중을 ρ로 했을 때 Ec1 /3·ρ- 1으로 나타내어지는 구조체의 비굽힘 탄성률이 3 이상, 20 이하의 범위 내에 있고, 또한 구조체의 굽힘 탄성률 Ec가 3㎬ 이상이다.
Description
본 발명은 수지와, 강화 섬유와, 공극으로 이루어지는 구조체에 관한 것이다.
최근 자동차, 항공기, 스포츠 제품 등의 산업용 제품에 대해서는 강성이나 경량성의 향상에 대한 시장 요구가 해마다 높아지고 있다. 이러한 요구에 응하기 위해 강성이나 경량성이 우수한 섬유 강화 수지가 각종 산업 용도에 폭넓게 이용되어 있다. 구체적으로는 경량성을 만족시키기 위해서 경량성을 갖는 코어재를 이용하는 것이 널리 검토되어 있다(특허문헌 1, 2 참조). 그런데 코어재는 단일재로서의 강성에서는 크게 뒤떨어진다. 이 때문에 코어재를 이용할 경우에는 코어재의 바깥 둘레에 강성이 높은 표피층을 배치하는 등의 제품 설계를 행하지 않으면 안된다. 그러나 이렇게 설계된 제품에서는 질량이 필연적으로 증가하거나 두께를 크게 하지 않을 수 없다. 즉, 결과적으로 제품의 경량화를 실현했다고 해도 그 기여는 매우 한정되어버린다. 한편, 공극을 갖는 구조체도 경량성 이외에 단열성, 차음성, 에너지 흡수성 등의 특성을 갖는 점에서 각종 산업 용도에 폭넓게 이용되어 있다(특허문헌 3, 4). 그런데 코어재와 마찬가지로 공극을 갖는 구조체도 강성의 점에서 다른 구조체에 비해 뒤떨어지기 때문에 구조체로서 단독으로 사용하기에는 제약이 있다. 이상으로부터 강성 및 경량성이 우수한 구조체를 제공하는 것이 급무가 되어 있다.
또한, 최근 자동차, 항공기, 스포츠 제품 등의 산업용 제품에 대해서는 경량성의 향상에 대한 시장 요구가 해마다 높아지고 있다. 이러한 요구에 응하기 위해 경량이며, 역학 특성이 우수한 섬유 강화 수지가 각종 산업 용도에 폭넓게 이용되어 있다. 구체적으로는 경량성을 만족시키기 위해서 공극을 갖는 코어재를 이용하는 것이 널리 검토되어 있다(특허문헌 1 참조). 그런데 공극을 갖는 코어재는 요구되는 역학 특성이 크게 뒤떨어진다. 이 때문에 공극을 갖는 코어재를 이용할 경우에는 부족한 특성을 보충하기 위해서 코어재의 바깥 둘레에 강성이 높은 표피층을 배치하는 등의 제품 설계를 행하지 않으면 안된다. 그러나 이렇게 설계된 제품에서는 중량이 필연적으로 증가해버린다. 즉, 결과적으로 제품의 경량화를 실현했다고 해도 그 기여는 매우 한정되어버린다. 한편, 공극이나 밀도차를 갖는 구조체도 경량성 이외에 단열성, 차음성, 에너지 흡수성 등의 특성을 갖는 점에서 각종 산업 용도에 폭넓게 이용되어 있다(특허문헌 5, 6). 그런데 코어재와 마찬가지로 공극이나 밀도차를 갖는 구조체도 역학 특성의 점에서 다른 구조 부재에 비해 뒤떨어지기 때문에 구조체로서 단독으로 사용하기에는 제약이 있었다. 이상으로부터 경량성 및 역학 특성이 우수한 구조체를 제공하는 것이 급무가 되어 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 강성 및 경량성이 우수한 구조체를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 경량성 및 역학 특성이 우수한 구조체를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 1 실시형태에 의한 구조체는 수지와, 강화 섬유와, 공극으로 이루어지는 구조체로서, 상기 수지의 체적 함유율이 2.5체적% 이상 85체적% 이하의 범위 내에 있으며, 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5체적% 이상 55체적% 이하의 범위 내에 있으며, 상기 공극이 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내의 비율로 상기 구조체 중에 함유되고, 상기 강화 섬유의 길이를 Lf, 상기 구조체의 단면 방향에 있어서의 상기 강화 섬유의 배향 각도를 θf로 했을 때 상기 구조체의 두께 St가 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족하고, 상기 구조체의 굽힘 탄성률을 Ec, 상기 구조체의 비중을 ρ로 했을 때 Ec1/3·ρ-1으로서 나타내어지는 상기 구조체의 비굽힘 탄성률이 3 이상 20 이하의 범위 내에 있으며, 또한 상기 구조체의 굽힘 탄성률 Ec가 3㎬ 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 실시형태에 의한 구조체는 수지와, 강화 섬유와, 공극으로 이루어지는 구조체로서, 상기 수지의 체적 함유율이 2.5체적% 이상 85체적% 이하의 범위 내에 있으며, 상기 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5체적% 이상 55체적% 이하의 범위 내에 있으며, 상기 공극이 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내의 비율로 상기 구조체 중에 함유되고, 상기 강화 섬유의 길이를 Lf, 상기 구조체의 단면 방향에 있어서의 상기 강화 섬유의 배향 각도를 θf로 했을 때 상기 구조체의 두께 St가 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족하고, 상기 구조체의 굽힘 탄성률을 Ec, 상기 구조체의 비중을 ρ로 했을 때 Ec1/3·ρ-1에 의해 나타내어지는 상기 구조체의 제 1 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률이 1 이상 3 미만의 범위 내에 있으며, 상기 구조체의 상기 제 1 부분과 다른 제 2 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률이 3 이상 20 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 구조체의 굽힘 탄성률 Ec가 6㎬ 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 구조체의 상기 제 2 부분의 굽힘 탄성률 Ec가 6㎬ 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 구조체의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분이 상기 구조체의 두께 방향의 상이한 위치에 존재하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 구조체의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분이 상기 구조체의 면 방향의 상이한 위치에 존재하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 구조체의 비중 ρ가 0.9g/㎤ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분에 있어서의 공극률이 0체적% 이상 10체적% 미만의 범위 내에 있으며, 나머지 부분의 공극률이 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 강화 섬유는 상기 수지에 피복되어 있으며, 상기 수지의 두께가 1㎛ 이상 15㎛ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 강화 섬유가 불연속이며, 대략 모노필라멘트형상이고, 또한 랜덤하게 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 구조체 중에 있어서의 상기 강화 섬유의 배향 각도(θf)가 3° 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 강화 섬유의 질량 평균 섬유 길이가 1㎜ 이상 15㎜ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 강화 섬유가 탄소 섬유인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 수지가 적어도 1종류 이상의 열가소성 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 의한 구조체는 상기 발명에 있어서, 상기 수지가 적어도 1종류 이상의 열경화성 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의한 구조체에 의하면 강성 및 경량성이 우수한 구조체를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 구조체에 의하면 경량성 및 역학 특성이 우수한 구조체를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에 의한 구조체의 단면 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 강화 섬유 매트에 있어서의 강화 섬유의 분산 상태의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에 의한 구조체의 면 방향 및 두께 방향의 단면 구조의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4는 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분과 나머지 부분을 나타내는 도면이다.
도 5는 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분과 나머지 부분을 나타내는 도면이다.
도 6은 강화 섬유 매트의 제조 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 강화 섬유 매트에 있어서의 강화 섬유의 분산 상태의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에 의한 구조체의 면 방향 및 두께 방향의 단면 구조의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4는 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분과 나머지 부분을 나타내는 도면이다.
도 5는 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분과 나머지 부분을 나타내는 도면이다.
도 6은 강화 섬유 매트의 제조 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에 의한 구조체에 대하여 설명한다.
[제 1 실시형태]
우선, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 구조체에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에 의한 구조체의 단면 구조를 나타내는 모식도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 구조체(1)는 수지(2)와, 강화 섬유(3)와, 공극(4)으로 구성되어 있다.
여기에서 수지(2)로서는 열가소성 수지나 열경화성 수지를 예시할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는 열경화성 수지와 열가소성 수지가 블렌드되어 있어도 좋고, 그 경우에는 수지를 구성하는 성분 중 50질량% 초과하는 양을 차지하는 성분을 수지의 명칭으로 한다.
본 발명에 있어서의 1개의 형태에 있어서 수지(2)는 적어도 1종류 이상의 열가소성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 열가소성 수지로서는 「폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 액정 폴리에스테르 등의 폴리에스테르, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀, 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리아미드(PA), 폴리페닐렌술피드(PPS) 등의 폴리아릴렌술피드, 폴리케톤(PK), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리에테르니트릴(PEN), 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지, 액정 폴리머(LCP)」 등의 결정성 수지, 「스티렌계 수지 이외의 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리술폰(PSU), 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트(PAR)」 등의 비결정성 수지, 그 밖의 페놀계 수지, 페녹시 수지, 또한 폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리부타디엔계, 폴리이소프렌계, 불소계 수지, 및 아크릴로니트릴계 등의 열가소 엘라스토머 등이나 이들의 공중합체 및 변성체 등으로부터 선택되는 열가소성 수지를 예시할 수 있다. 그 중에서도 얻어지는 구조체의 경량성의 관점으로부터는 폴리올레핀이 바람직하고, 강도의 관점으로부터는 폴리아미드가 바람직하고, 표면 외관의 관점으로부터 폴리카보네이트나 스티렌계 수지와 같은 비결정성 수지가 바람직하고, 내열성의 관점으로부터 폴리아릴렌술피드가 바람직하고, 연속 사용 온도의 관점으로부터 폴리에테르에테르케톤이 바람직하고, 또한 내약품성의 관점으로부터 불소계 수지가 바람직하게 사용된다.
본 발명에 있어서의 1개의 형태에 있어서, 수지(2)는 적어도 1종류 이상의 열경화성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 열경화성 수지로서는 불포화폴리에스테르, 비닐에스테르, 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 열경화성 폴리이미드, 이들의 공중합체, 변성체, 및 이들의 적어도 2종류를 블렌드한 수지를 예시할 수 있다. 또한, 본 발명의 목적을 손상하지 않는 범위에서 본 발명에 의한 구조체는 엘라스토머 또는 고무 성분 등의 내충격성 향상제, 다른 충전재나 첨가제를 함유해도 좋다. 충전재나 첨가제의 예로서는 무기 충전재, 난연제, 도전성 부여제, 결정핵제, 자외선 흡수제, 산화방지제, 제진제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색 방지제, 열안정제, 이형제, 대전 방지제, 가소제, 윤활제, 착색제, 안료, 염료, 발포제, 제포제, 또는 커플링제를 예시할 수 있다.
수지(2)의 체적 함유율은 2.5체적% 이상 85체적% 이하의 범위 내에 있다. 수지(2)의 체적 함유율이 2.5체적% 미만일 경우, 구조체(1) 중의 강화 섬유(3)끼리를 결착하여 강화 섬유(3)의 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 없어 구조체의 역학 특성, 특히 굽힘 특성을 만족할 수 없게 되므로 바람직하지 않다. 한편, 수지(2)의 체적 함유율이 85체적%보다 클 경우에는 수지량이 지나치게 많은 점에서 공극 구조를 취하는 것이 곤란하게 되므로 바람직하지 않다.
강화 섬유(3)로서는 알루미늄, 황동, 스테인리스 등의 금속 섬유, PAN계, 레이온계, 리그닌계, 피치계의 탄소 섬유, 흑연 섬유, 유리 등의 절연성 섬유, 아라미드, PBO, 폴리페닐렌술피드, 폴리에스테르, 아크릴, 나일론, 폴리에틸렌 등의 유기 섬유, 실리콘카바이드, 실리콘나이트라이드 등의 무기 섬유를 예시할 수 있다. 또한, 이들의 섬유에 표면 처리가 실시되어 있는 것이어도 좋다. 표면 처리로서는 도전체로서 금속의 피착 처리 이외에 커플링제에 의한 처리, 사이징제에 의한 처리, 결속제에 의한 처리, 첨가제의 부착 처리 등이 있다. 또한, 이들의 섬유는 1종류를 단독으로 사용해도 좋고, 2종류 이상을 병용해도 좋다. 그 중에서도 경량화 효과의 관점으로부터 비강도, 비강성이 우수한 PAN계, 피치계, 레이온계 등의 탄소 섬유가 바람직하게 사용된다. 또한, 얻어지는 구조체의 경제성을 높이는 관점으로부터는 유리 섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 경제성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 유리 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 구조체의 충격 흡수성이나 부형성을 높이는 관점으로부터는 아라미드 섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 충격 흡수성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 구조체의 도전성을 높이는 관점으로부터는 니켈이나 구리나 이터븀 등의 금속을 피복한 강화 섬유를 사용할 수도 있다. 이들 중에서 강도와 탄성률 등의 역학 특성이 우수한 PAN계의 탄소 섬유를 보다 바람직하게 사용할 수 있다.
강화 섬유(3)는 불연속이며, 대략 모노필라멘트형상이고, 또한 랜덤하게 분산되어 있는 것이 바람직하다. 강화 섬유(3)를 이러한 실시형태로 함으로써 시트상의 구조체의 전구체 또는 구조체를 외력을 가하여 성형할 경우에 복잡형상으로의 부형이 용이하게 된다. 또한, 강화 섬유(3)를 이러한 실시형태로 함으로써 강화 섬유(3)에 의해 형성된 공극이 치밀화되고, 구조체(1) 중에 있어서의 강화 섬유(3)의 섬유 다발 단에 있어서의 약부가 극소화될 수 있기 때문에 우수한 보강 효율 및 신뢰성에 추가하여 등방성도 부여된다. 여기에서 대략 모노필라멘트란 강화 섬유 단사가 500개 미만인 세섬도 스트랜드로 존재하는 것을 가리킨다. 더 바람직하게는 모노필라멘트형상으로 분산되어 있는 것이다.
여기에서 대략 모노필라멘트형상 또는 모노필라멘트형상으로 분산되어 있는 것이란 구조체(1) 중에서 임의로 선택한 강화 섬유(3)에 대해서 그 2차원 접촉각이 1° 이상인 단섬유의 비율(이하, 섬유 분산율이라고도 칭한다)이 80% 이상인 것을 가리키고, 바꿔 말하면 구조체(1) 중에 있어서 단섬유의 2개 이상이 접촉하여 평행한 다발이 20% 미만인 것을 말한다. 따라서, 여기에서는 적어도 강화 섬유(3)에 있어서의 필라멘트 수 100개 이하의 섬유 다발의 질량 분율이 100%에 해당하는 것이 특히 바람직하다.
2차원 접촉각이란 불연속인 강화 섬유의 경우 단섬유와, 이 단섬유가 접촉하는 단섬유로 형성되는 각도인 것이며, 접촉하는 단섬유끼리가 형성하는 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도로 정의한다. 이 2차원 접촉각에 대해서 도면을 사용하여 더 설명한다. 도 2는 면 방향(도 2(a)) 및 두께 방향(도 2(b))으로부터 관찰했을 때의 강화 섬유 매트에 있어서의 강화 섬유의 분산 상태의 일례를 나타내는 모식도이다. 단섬유(11a)를 기준으로 하면 단섬유(11a)는 도 2(a)에서는 단섬유(11b~11f)와 교차하여 관찰되지만, 도 2(b)에서는 단섬유(11a)는 단섬유(11e, 11f)와는 접촉하고 있지 않다. 이 경우, 기준이 되는 단섬유(11a)에 대해서 2차원 접촉각의 평가 대상이 되는 것은 단섬유(11b~11d)이며, 접촉하는 2개의 단섬유가 형성하는 2개의 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도(A)이다.
2차원 접촉각을 측정하는 방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 구조체(1)의 표면으로부터 강화 섬유(3)의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있다. 이 경우 구조체(1)의 표면을 연마해서 강화 섬유(3)를 노출시킴으로써 강화 섬유(3)를 보다 관찰하기 쉬워진다. 또한, X선 CT 투과 관찰을 행하여 강화 섬유(3)의 배향 화상을 촬영하는 방법도 예시할 수 있다. X선 투과성이 높은 강화 섬유(3)의 경우에는 강화 섬유(3)에 트레이서용의 섬유를 혼합해 두거나 또는 강화 섬유(3)에 트레이서용의 약제를 도포해 두면 강화 섬유(3)를 관찰하기 쉬워지기 때문에 바람직하다. 또한, 상기 방법으로 측정이 곤란할 경우에는 가열로 등에 의해 구조체(1)를 고온하에 두어서 수지 성분을 소실시킨 후 광학 현미경 또는 전자 현미경을 사용하여 인출한 강화 섬유(3)로부터 강화 섬유(3)의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있다.
상술한 관찰 방법에 의거하여 섬유 분산율은 다음의 순서로 측정한다. 즉, 무작위로 선택한 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(11a))에 대하여 접촉하고 있는 모든 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(11b~11d))와의 2차원 접촉각을 측정한다. 이것을 100개의 단섬유에 대해서 행하고, 2차원 접촉각을 측정한 모든 단섬유의 총 개수와 2차원 접촉각이 1° 이상인 단섬유의 개수의 비율로부터 비율을 산출한다.
또한, 강화 섬유(3)는 랜덤하게 분산되어 있는 것이 특히 바람직하다. 여기에서 강화 섬유(3)가 랜덤하게 분산되어 있는 것이란 구조체(1)에 있어서의 임의로 선택한 강화 섬유(3)의 2차원 배향각의 산술 평균값이 30° 이상 60° 이하의 범위 내에 있는 것을 말한다. 이러한 2차원 배향각이란 강화 섬유(3)의 단섬유와, 이 단섬유와 교차하는 단섬유로 형성되는 각도이며, 교차하는 단섬유끼리가 형성하는 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도로 정의한다.
이 2차원 배향각에 대해서 도면을 사용하여 더 설명한다. 도 2(a), 도 2(b)에 있어서, 단섬유(11a)를 기준으로 하면 단섬유(11a)는 다른 단섬유(11b~11f)와 교차되어 있다. 여기에서 교차란 관찰하는 2차원 평면에 있어서, 기준으로 하는 단섬유가 다른 단섬유와 교차하여 관찰되는 상태인 것을 의미하고, 단섬유(11a)와 단섬유(11b~11f)가 반드시 접촉하고 있을 필요는 없으며, 투영해서 보았을 경우에 교차하여 관찰되는 상태에 대해서도 예외는 없다. 즉, 기준이 되는 단섬유(11a)에 대해서 보았을 경우, 단섬유(11b~11f) 모두가 2차원 배향각의 평가 대상이며, 도 2(a) 중에 있어서 2차원 배향각은 교차하는 2개의 단섬유가 형성하는 2개의 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도(A)이다.
2차원 배향각을 측정하는 방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 구성 요소의 표면으로부터 강화 섬유(3)의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있고, 상술한 2차원 접촉각의 측정 방법과 마찬가지의 수단을 취할 수 있다. 2차원 배향각의 평균값은 다음 순서로 측정한다. 즉, 무작위로 선택한 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(11a))에 대하여 교차하고 있는 모든 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(11b~11f))와의 2차원 배향각의 평균값을 측정한다. 예를 들면, 어떤 단섬유에 교차하는 다른 단섬유가 다수일 경우에는 교차하는 다른 단섬유를 무작위로 20개 선택하여 측정한 산술 평균값을 대용해도 좋다. 이 측정을 다른 단섬유를 기준으로 하여 합계 5회 반복하고, 그 산술 평균값을 2차원 배향각의 산술 평균값으로서 산출한다.
강화 섬유(3)가 대략 모노필라멘트형상이고, 또한 랜덤하게 분산되어 있음으로써 상술한 대략 모노필라멘트형상으로 분산된 강화 섬유(3)에 의해 부여되는 성능을 최대한까지 높일 수 있다. 또한, 구조체(1)에 있어서 역학 특성에 등방성을 부여할 수 있다. 이러한 관점으로부터 강화 섬유(3)의 섬유 분산율은 90% 이상인 것이 바람직하며, 100%에 가까워질수록 보다 바람직하다. 또한, 강화 섬유(3)의 2차원 배향각의 산술 평균값은 40° 이상 50° 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하며, 이상적인 각도인 45°에 가까울수록 바람직하다.
한편, 강화 섬유(3)가 부직포상의 형태를 취하지 않는 예로서는 강화 섬유(3)가 한 방향으로 배열되어 이루어지는 시트 기재, 직물 기재, 및 논크림프 기재 등이 있다. 이들의 형태는 강화 섬유(3)가 규칙적으로 빈틈없이 배치되기 때문에 구조체(1) 중의 공극(4)이 적어져버리고, 수지(2)의 함침이 매우 곤란하게 되어 미함침부를 형성하거나 함침 수단이나 수지종의 선택지를 크게 제한하거나 하는 경우가 있다.
강화 섬유(3)의 형태로서는 구조체(1)와 같은 정도의 길이의 연속성 강화 섬유 또는 소정 길이로 절단된 유한 길이의 불연속성 강화 섬유 중 어느 것이어도 좋지만, 수지(2)를 용이하게 함침시키거나 그 양을 용이하게 조정할 수 있거나 하는 관점으로부터는 불연속성 강화 섬유인 것이 바람직하다.
강화 섬유(3)의 체적 함유율은 0.5체적% 이상 55체적% 이하의 범위 내에 있다. 강화 섬유(3)의 체적 함유율이 0.5체적% 미만일 경우, 강화 섬유(3)로부터 유래되는 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 없으므로 바람직하지 않다. 한편, 강화 섬유(3)의 체적 함유율이 55체적%보다 클 경우에는 강화 섬유(3)에 대한 수지(2)의 체적 함유율이 상대적으로 적어지기 때문에 구조체(1) 중의 강화 섬유(3)끼리를 결착하여 강화 섬유(3)의 보강 효과를 충분하게 할 수 없고, 구조체(1)의 역학 특성, 특히 굽힘 특성을 만족할 수 없게 되므로 바람직하지 않다.
강화 섬유(3)는 수지(2)에 피복되어 있으며, 수지(2)의 두께가 1㎛ 이상 15㎛ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 수지(2)에 피복된 강화 섬유(3)의 피복 상태는 적어도 구조체(1)를 구성하는 강화 섬유(3)의 단섬유끼리의 교차하는 점이 피복되어 있으면 구조체(1)의 형상 안정성이나 두께 제어의 용이함 및 자유도의 관점으로부터 충분하지만, 더 바람직한 실시형태로 하면 수지(2)는 강화 섬유(3)의 주위에 상술한 두께로 피복된 상태인 것이 바람직하다. 이 상태는 강화 섬유(3)의 표면이 수지(2)에 의해 노출되어 있지 않고, 바꿔 말하면 강화 섬유(3)가 수지(2)에 의해 전선형상의 피막을 형성하고 있는 것을 의미한다. 이렇게 함으로써 구조체(1)는 형상 안정성을 가짐과 아울러, 역학 특성의 발현을 더 충분한 것으로 한다. 또한, 수지(2)에 피복된 강화 섬유(3)의 피복 상태는 그 강화 섬유(3) 전체에 있어서 피복되어 있을 필요는 없고, 본 발명에 의한 구조체(1)의 형상 안정성이나 굽힘 탄성률, 굽힘 강도를 손상하지 않는 범위 내이면 좋다.
강화 섬유(3)의 질량 평균 섬유 길이가 1㎜ 이상 15㎜ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이에 따라 강화 섬유(3)의 보강 효율을 높일 수 있고, 구조체(1)가 우수한 역학 특성이 부여된다. 강화 섬유(3)의 질량 평균 섬유 길이가 1㎜ 미만일 경우, 구조체(1) 중의 공극(4)을 효율 좋게 형성할 수 없기 때문에 비중이 높아지는 경우가 있으며, 바꿔 말하면 동일 질량이면서 소망하는 두께의 구조체(1)를 얻는 것이 곤란하게 되므로 바람직하지 않다. 한편, 강화 섬유(3)의 질량 평균 섬유 길이가 15㎜보다 길 경우에는 구조체(1) 중에서 강화 섬유(3)가 자중(自重)에 의해 굴곡하기 쉬워져 역학 특성의 발현을 저해하는 요인이 되므로 바람직하지 않다. 질량 평균 섬유 길이는 구조체(1)의 수지 성분을 소실이나 용출 등의 방법에 의해 제거하고, 남은 강화 섬유(3)로부터 무작위로 400개를 선택하고, 그 길이를 10㎛ 단위까지 측정하여 그들의 평균 길이로서 산출할 수 있다.
본 발명에 있어서의 공극(4)이란 수지(2)에 의해 피복된 강화 섬유(3)가 기둥형상의 지지체가 되어 그것이 겹치거나 또는 교차함으로써 형성된 공간을 가리킨다. 예를 들면, 강화 섬유(3)에 수지(2)가 미리 함침된 구조체 전구체를 가열해서 구조체를 얻을 경우, 가열에 따르는 수지(2)의 용융 또는 연화에 의해 강화 섬유(3)가 기모함으로써 공극(4)이 형성된다. 이것은 구조체 전구체에 있어서 가압에 의해 압축 상태로 되어 있었던 내부의 강화 섬유(3)가 그 탄성률로부터 유래되는 기모력에 의해 기모하는 성질에 의거한다. 또한, 구조체(1) 중에 있어서의 공극(4)의 함유율은 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내에 있다. 공극(4)의 함유율이 10체적% 미만일 경우, 구조체(1)의 비중이 높아지기 때문에 경량성을 만족할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 공극(4)의 함유율이 97체적%보다 클 경우에는 바꿔 말하면 강화 섬유(3)의 주위에 피복된 수지(2)의 두께가 얇아지기 때문에 구조체(1) 중에 있어서의 강화 섬유(3)끼리의 보강이 충분하게 행해지지 않기 때문에 역학 특성이 낮아지므로 바람직하지 않다. 공극(4)의 함유율의 상한값은 97체적%인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서 체적 함유율은 구조체(1)를 구성하는 수지(2)와, 강화 섬유(3)와, 공극(4)의 각각의 체적 함유율의 합계를 100체적%로 한다.
강화 섬유(3)의 길이를 Lf, 구조체(1)의 단면 방향에 있어서의 강화 섬유(3)의 배향 각도를 θf로 했을 때 구조체(1)의 두께 St는 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족한다. 구조체(1)의 두께 St가 상기 조건식을 만족하지 않을 경우, 구조체(1) 중에 있어서의 강화 섬유(3)가 굴곡져 있거나 또는 얻고 싶은 두께의 구조체(1)와 섬유 길이의 밸런스가 뒤떨어진다는 것을 나타낸다. 이에 따라 구조체(1)는 투입한 강화 섬유(3)의 특징을 충분하게 발휘할 수 없기 때문에 두께 설계의 자유도가 뒤떨어지는 것을 나타내고, 또한 구조체(1)의 역학 특성 중 강화 섬유(3)의 인장 강도나 인장 탄성률을 이용하는 특성에 대해서는 강화 섬유(3)의 직진성이 손실되어 있음으로써 효율적인 보강 효과를 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 상기 조건식에 있어서 강화 섬유(3)의 길이와 그 배향 각도가 형성하는 구조체(1)의 특성인 굽힘 탄성률과 비굽힘 탄성률의 밸런스가 얻어지는 것이나 또한 구조체(1) 중의 섬유 길이와 그 배향 각도에 의해 성형 공정 중의 고화 또는 경화 이전의 상태에서의 변형이 하기 쉽고, 소망하는 구조체(1)의 성형이 행하기 쉬운 점에서 구조체(1)의 두께 St의 2% 이상 20% 이하의 값의 범위 내가 바람직하며, 특히 5% 이상 18% 이하의 값의 범위 내가 바람직하다. 또한, 조건식에 사용하는 단위는 St[㎜], Lf[㎜], θf[°]이다.
여기에서 강화 섬유(3)의 길이 Lf는 구조체(1)의 수지 성분을 소실이나 용출 등의 방법에 의해 제거하고, 남은 강화 섬유(3)로부터 무작위로 400개를 선택하여 그 길이를 10㎛ 단위까지 측정하고, 그들의 길이로부터 산출한 질량 평균 섬유 길이로서 산출할 수 있다. 또한, 구조체(1)의 단면 방향에 있어서의 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)란 구조체(1)의 단면 방향에 대한 기울기 정도이며, 바꿔 말하면 두께 방향에 대한 강화 섬유(3)의 기울기 정도이다. 값이 클수록 두께 방향으로 기립하여 기울어져 있는 것을 나타내며, 0° 이상 90° 이하의 범위에서 부여된다. 즉, 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)를 이러한 범위 내로 함으로써 구조체(1)에 있어서의 보강 기능을 보다 효과적으로 발현할 수 있다. 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)의 상한값에는 특별히 제한은 없지만, 구조체(1)로 했을 때의 굽힘 탄성률의 발현을 감안하여 60° 이하인 것이 바람직하며, 또한 45° 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)가 3° 미만일 경우, 구조체(1) 중의 강화 섬유(3)가 평면상, 바꿔 말하면 2차원으로 배향한 상태가 되므로 구조체(1)의 두께의 자유도가 감소하고, 경량성을 만족할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 그 때문에 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)는 3° 이상인 것이 바람직하다.
강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)는 구조체(1)의 면 방향에 대한 수직 단면의 관찰에 의거하여 측정할 수 있다. 도 3은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에 의한 구조체의 면 방향(도 3(a)) 및 두께 방향(도 3(b))의 단면 구조의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 3(a)에 있어서, 강화 섬유(3a, 3b)의 단면은 측정을 간편하게 하기 위해서 타원형상으로 근사되어 있다. 여기에서 강화 섬유(3a)의 단면은 타원 애스펙트비(=타원 장축/타원 단축)가 작게 보이고, 이에 대하여 강화 섬유(3b)의 단면은 타원 애스펙트비가 크게 보인다. 한편, 도 3(b)에 의하면 강화 섬유(3a)는 두께 방향(Y)에 대하여 거의 평행한 기울기를 갖고, 강화 섬유(3b)는 두께 방향(Y)에 대하여 일정량의 기울기를 갖고 있다. 이 경우 강화 섬유(3b)에 대해서는 구조체(1)의 면 방향(X)과 섬유 주축(타원에 있어서의 장축 방향)(α)이 이루는 각도(θx)가 강화 섬유(3b)의 면외 각도(θf)와 거의 동일해진다. 한편, 강화 섬유(3a)에 대해서는 각도(θx)와 배향 각도(θf)가 나타내는 각도에 큰 괴리가 있으며, 각도(θx)가 배향 각도(θf)를 반영하고 있다고는 말할 수 없다. 따라서, 구조체(1)의 면 방향에 대한 수직 단면으로부터 배향 각도(θf)를 판독할 경우, 섬유 단면의 타원 애스펙트비가 일정값 이상의 것을 추출함으로써 배향 각도(θf)의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
추출 대상이 되는 타원 애스펙트비의 지표로서는 단섬유의 단면상이 진원에 가깝고, 즉 강화 섬유(3)의 장척 방향으로 수직인 단면에 있어서의 섬유 애스펙트비가 1.1 이하일 경우, 타원 애스펙트비가 20 이상인 강화 섬유(3)에 대해서 면 방향(X)과 섬유 주축(α)이 이루는 각도(θx)를 측정하고, 이것을 배향 각도(θf)로서 채용하는 방법을 이용할 수 있다. 한편, 단섬유의 단면상이 타원형이나 고치형 등이며, 섬유 애스펙트비가 1.1보다 클 경우에는 보다 큰 타원 애스펙트비를 갖는 강화 섬유(3)에 주목하여 배향 각도(θf)를 측정한 편이 좋고, 섬유 애스펙트비가 1.1 이상 1.8 미만일 경우에는 타원 애스펙트비가 30 이상, 섬유 애스펙트비가 1.8 이상 2.5 미만일 경우에는 타원 애스펙트비가 40 이상, 섬유 애스펙트비가 2.5 이상일 경우에는 타원 애스펙트비가 50 이상인 강화 섬유(3)를 선택하여 배향 각도(θf)를 측정하면 좋다.
구조체(1)의 굽힘 탄성률을 Ec, 구조체(1)의 비중을 ρ로 했을 때 Ec1 /3·ρ-1로서 나타내어지는 구조체(1)의 비굽힘 탄성률은 3 이상 20 이하의 범위 내에 있다. 구조체(1)의 비굽힘 탄성률이 3 미만일 경우, 굽힘 탄성률이 높더라도 비중도 높은 상태이며, 소망하는 경량화 효과가 얻어지지 않으므로 바람직하지 않다. 한편, 구조체(1)의 비굽힘 탄성률이 20보다 클 경우에는 경량화 효과는 충분하지만, 굽힘 탄성률이 낮은 것을 나타내고 있어 구조체(1)로서 소망되는 형상을 유지하는 것이 곤란하거나 구조체(1) 자신의 굽힘 탄성률이 뒤떨어지는 점에서 바람직하지 않다. 일반적으로 강재나 알루미늄의 비굽힘 탄성률은 1.5 이하이며, 이들의 금속 재료보다 매우 우수한 비굽힘 탄성률의 영역이 된다. 또한, 경량화 효과에 착목되는 탄소 섬유 강화 수지 복합 재료의 일반적인 비굽힘 탄성률인 2.3을 초과하는 3 이상인 것, 더 바람직하게는 5 이상이다.
구조체(1)의 굽힘 탄성률 Ec는 3㎬ 이상, 바람직하게는 6㎬ 이상이면 좋다. 구조체(1)의 굽힘 탄성률 Ec가 3㎬ 미만일 경우 구조체(1)로서 사용하는 범위에 제한이 발생하기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 구조체(1)의 설계를 용이하게 하기 위해서 굽힘 탄성률은 등방성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 굽힘 탄성률의 상한 에 대해서는 제한을 설정하지 않지만, 일반적으로 강화 섬유와 수지로 이루어지는 구조체에서는 그 구성 성분인 강화 섬유 및 수지 각각의 탄성률로부터 산출되는 값이 상한이 될 수 있다. 본 발명에 의한 구조체에 있어서는 구조체를 단독으로 사용하는 경우에 있어서도, 다른 부재와 맞춰서 사용하는 경우에 있어서도 구조체 자신의 굽힘 탄성률을 사용하여 부재의 설계를 행하고, 실용에 제공하기 위해서는 5㎬이면 충분하다.
구조체(1)의 비중 ρ는 0.9g/㎤ 이하인 것이 바람직하다. 구조체(1)의 비중 ρ가 0.9g/㎤보다 클 경우, 구조체(1)로 했을 경우의 질량이 증가하는 것을 의미하고, 결과적으로 제품으로 했을 경우의 질량의 증가를 초래하게 되므로 바람직하지 않다. 비중의 하한에 대해서는 제한을 설정하지 않지만, 일반적으로 강화 섬유와 수지로 이루어지는 구조체에서는 그 구성 성분인 강화 섬유, 수지, 및 공극 각각의 체적 비율로부터 산출되는 값이 하한이 될 수 있다. 본 발명에 의한 구조체에 있어서는 구조체를 단독으로 사용하는 경우에 있어서도, 다른 부재와 맞춰서 사용하는 경우에 있어서도 구조체 자신의 비중은 사용하는 강화 섬유나 수지에 따라 상이하지만, 구조체의 역학 특성을 유지한다는 관점으로부터 0.03g/㎤ 이상인 것이 바람직하다.
구조체(1)의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분에 있어서의 공극률이 0체적% 이상 10체적% 미만의 범위 내에 있으며, 나머지 부분의 공극률이 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이러한 공극률은 작을수록 역학 특성이 우수하고, 또한 클수록 경량성이 우수하다. 바꿔 말하면 구조체(1)가 동일 구성의 재료로 이루어질 경우, 구조체(1)의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분에 있어서의 공극률이 0체적% 이상 10체적% 미만임으로써 구조체(1)의 역학 특성을 담보하고, 나머지 부분의 공극률이 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내에 있음으로써 경량 특성을 만족시킬 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명에 있어서 구조체(1)의 두께는 두께를 구하고 싶은 표면상의 1점과 그 이면측의 표면을 연결하는 최단의 거리로부터 구할 수 있다. 두께 방향의 중점이란 구조체(1)의 두께의 중간점을 의미한다. 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분이란 구조체(1)의 표면과 그 두께 방향의 중점까지의 거리를 100%로 했을 때에 구조체(1)의 표면으로부터 30%의 거리까지를 포함한 부분을 의미한다. 여기에서의 나머지 부분이란 구조체(1)의 일방의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분 및 구조체(1)의 타방의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분을 제외한 나머지 부분을 의미한다. 도 4에 나타내는 바와 같이 구조체(1)의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분(R1) 및 나머지 부분(R2)은 구조체(1)의 두께 방향의 상이한 위치에 존재해도 좋고, 도 5에 나타내는 바와 같이 면 방향의 상이한 위치에 존재해도 좋다.
본 발명에 있어서의 강화 섬유(3)는 부직포상의 형태를 취하는 것이 강화 섬유(3)로의 수지(2)의 함침의 용이함의 관점으로부터 바람직하다. 또한, 강화 섬유(3)가 부직포상의 형태를 갖고 있음으로써 부직포 자체의 핸들링성의 용이함에 추가하여 일반적으로 고점도가 되는 열가소성 수지의 경우에 있어서도 함침을 용이한 것으로 할 수 있기 때문에 바람직하다. 여기에서 부직포상의 형태란 강화 섬유(3)의 스트랜드 및/또는 모노필라멘트가 규칙성 없이 면상으로 분산된 형태를 가리키고, 촙 스트랜드 매트, 컨티뉴어스 스트랜드 매트, 초지 매트, 카딩 매트, 에어레이드 매트 등을 예시할 수 있다(이하, 이들을 통합하여 강화 섬유 매트라고 칭한다).
구조체(1)를 구성하는 강화 섬유 매트의 제조 방법으로서는, 예를 들면 강화 섬유(3)를 미리 스트랜드 및/또는 대략 모노필라멘트형상으로 분산하여 강화 섬유 매트를 제조하는 방법이 있다. 강화 섬유 매트의 제조 방법으로서는 강화 섬유(3)를 공기 흐름으로 분산 시트화하는 에어레이드법이나 강화 섬유(3)를 기계적으로 빗질하면서 형상을 조정하여 시트화하는 카딩법 등의 건식 프로세스, 강화 섬유(3)를 수중에서 교반하여 초지하는 래드라이트법에 의한 습식 프로세스를 공지 기술로서 들 수 있다. 강화 섬유(3)를 보다 모노필라멘트형상에 가까워지게 하는 수단으로서는 건식 프로세스에 있어서는 개섬 바를 설치하는 방법이나 또한 개섬 바를 진동시키는 방법, 또한 카드의 눈을 파인으로 하는 방법이나 카드의 회전 속도를 조정하는 방법 등을 예시할 수 있다. 습식 프로세스에 있어서는 강화 섬유(3)의 교반 조건을 조정하는 방법, 분산액의 강화 섬유 농도를 희박화하는 방법, 분산액의 점도를 조정하는 방법, 분산액을 이송시킬 때에 와류를 억제하는 방법 등을 예시할 수 있다. 특히, 강화 섬유 매트는 습식 프로세스에서 제조하는 것이 바람직하고, 투입 섬유의 농도를 늘리거나 분산액의 유속(유량)과 메쉬 컨베이어의 속도를 조정하거나 함으로써 강화 섬유 매트의 강화 섬유(3)의 비율을 용이하게 조정할 수 있다. 예를 들면, 분산액의 유속에 대하여 메쉬 컨베이어의 속도를 느리게 함으로써 얻어지는 강화 섬유 매트 중의 섬유의 배향이 인취 방향을 향하기 어려워져 부피가 큰 강화 섬유 매트를 제조 가능하다. 강화 섬유 매트는 강화 섬유(3) 단체로 구성되어 있어도 좋고, 강화 섬유(3)가 분말형상이나 섬유형상의 매트릭스 수지 성분과 혼합되어 있거나 강화 섬유(3)가 유기 화합물이나 무기 화합물과 혼합되어 있거나 강화 섬유(3)끼리가 수지 성분으로 메워 있어도 좋다.
또한, 강화 섬유 매트에는 미리 수지(2)를 함침시켜 두어 구조체 전구체로서 둘 수도 있다. 본 발명에 의한 구조체 전구체를 제조하는 방법으로서는 강화 섬유 매트에 수지(2)를 용융 또는 연화하는 온도 이상으로 가열된 상태에서 압력을 부여하여 강화 섬유 매트에 함침시키는 방법을 사용하는 것이 제조의 용이함의 관점으로부터 바람직하다. 구체적으로는 강화 섬유 매트의 두께 방향의 양측으로부터 수지(2)를 배치한 적층물을 용융 함침시키는 방법을 바람직하게 예시할 수 있다.
상기 각 방법을 실현하기 위한 설비로서는 압축 성형기나 더블 벨트 프레스를 적합하게 사용할 수 있다. 배치식의 경우에는 전자이며, 가열용과 냉각용의 2기 이상을 병렬한 간헐식 프레스 시스템으로 함으로써 생산성의 향상이 도모된다. 연속식의 경우에는 후자이며, 연속적인 가공을 용이하게 행할 수 있으므로 연속 생산성이 우수하다.
본 발명에 의한 구조체(1)를 제조할 때에는 적어도 이하의 공정[1] 및 공정[2]에 의해 제조되는 방법을 채용하는 것이 제조의 용이함의 관점으로부터 바람직하다.
공정[1]: 수지(2)가 용융 또는 연화하는 온도 이상으로 가열된 상태에서 압력을 부여하고, 수지(2)를 강화 섬유 매트에 함침시켜서 구조체 전구체를 제작하는 공정.
공정[2]: 구조체 전구체를 가열된 상태에서 두께 조정을 함으로써 팽창시키는 공정.
공정[2]는 공정[1]에서 얻어진 구조체 전구체를 가열된 상태에서 두께 조정을 함으로써 팽창시키는 공정이다. 이때 가열되는 온도는 구조체(1)를 구성하는 수지(2)가 열가소성 수지일 경우 용융 또는 연화시키는데에 충분한 열량을 부여하는 것이 제조되는 구조체(1)의 두께 제어 및 제조 속도의 관점으로부터 바람직하며, 구체적으로는 용융 온도에 대하여 10℃ 이상 높고, 또한 열가소성 수지가 열분해 온도 이하의 온도를 부여하는 것이 바람직하다. 또한, 수지(2)로서 열경화성 수지를 사용할 경우, 가교 구조를 형성하여 경화하기 전의 열경화성 수지 원료를 용융 또는 연화시키는데에 충분한 열량을 부여하는 것이 제조되는 구조체(1)의 두께 제어 및 제조 속도의 관점으로부터 바람직하다.
두께 제어를 행하는 방법으로서는 가열되는 구조체 전구체를 목적의 두께로 제어할 수 있으면 방법에 의하지 않지만, 금속판 등을 사용하여 두께를 구속하는 방법, 구조체 전구체에 부여하는 압력에 의해 두께 제어하는 방법 등이 제조의 간편함의 관점으로부터 바람직한 방법으로서 예시된다. 상기 방법을 실현하기 위한 설비로서는 압축 성형기나 더블 벨트 프레스를 적합하게 사용할 수 있다. 배치식의 경우에는 전자이며, 가열용과 냉각용의 2기 이상을 병렬한 간헐식 프레스 시스템으로 함으로써 생산성의 향상이 도모된다. 연속식의 경우에는 후자이며, 연속적인 가공을 용이하게 행할 수 있기 때문에 연속 생산성이 우수하다.
강화 섬유 매트가 부직포상의 형태를 취하지 않는 예로서는 강화 섬유(3)가 한 방향으로 배열되어 이루어지는 시트 기재, 직물 기재, 및 논크림프 기재 등이 있다. 이들의 형태는 강화 섬유(3)가 규칙적으로 빈틈없이 배치되기 때문에 강화 섬유 매트 중의 공극부가 적고, 열가소성 수지가 충분한 앵커링 구조를 형성하지 않기 때문에 그것을 코어 형성층으로 하면 접합 능력이 저하된다. 또한, 수지(2)가 열가소성 수지일 경우, 함침이 매우 곤란하게 되어 미함침부를 형성하거나 함침 수단이나 수지종의 선택지를 크게 제한하거나 한다.
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구조체(1)는, 예를 들면 「PC, 디스플레이, OA 기기, 휴대전화, 휴대 정보 단말, PDA(전자수첩 등의 휴대 정보 단말), 비디오카메라, 광학 기기, 오디오, 에어컨, 조명 기기, 오락 용품, 완구 용품, 기타 가전제품 등의 하우징, 트레이, 섀시, 내장 부재, 또는 그 케이스」 등의 전기, 전자 기기 부품, 「각종 멤버, 각종 프레임, 각종 힌지, 각종 암, 각종 차축, 각종 차륜용 베어링, 각종 빔」, 「후드, 루프, 도어, 펜더, 트렁크 리드, 사이드 패널, 리어 엔드 패널, 프런트 보디, 언더 보디, 각종 필러, 각종 멤버, 각종 프레임, 각종 빔, 각종 서포트, 각종 레일, 각종 힌지 등의 외판 또는 보디 부품」, 「범퍼, 범퍼 빔, 몰, 언더 커버, 엔진 커버, 정류판, 스포일러, 카울 루버, 에어로 파츠 등의 외장 부품」, 「인스트루먼트패널, 시트 프레임, 도어 트림, 필러 트림, 핸들, 각종 모듈 등의 내장 부품」, 또는 「모터 부품, CNG 탱크, 가솔린 탱크」 등의 자동차, 이륜차용 구조 부품, 「배터리 트레이, 헤드 램프 서포트, 페달 하우징, 프로텍터, 램프 리플렉터, 램프 하우징, 노이즈 실드, 스페어 타이어 커버」 등의 자동차, 이륜차용 부품, 「차음벽, 방음벽 등의 벽 내 부재」 등의 건재, 「랜딩 기어 폿, 윙렛, 스포일러, 엣지, 래더, 엘리베이터, 페이링, 리브, 시트」 등의 항공기용 부품을 들 수 있다. 역학 특성의 관점으로부터는 자동차 내외장, 전기·전자 기기 하우징, 자전거, 스포츠 용품용 구조재, 항공기 내장재, 수송용 하우징체, 건재에 바람직하게 사용된다. 그 중에서도 특히 복수의 부품으로 구성되는 모듈 부재에 적합하다.
[실시예]
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
(1) 구조체에 있어서의 강화 섬유의 체적 함유율 Vf
구조체의 질량 Ws를 측정한 후 구조체를 공기 중 500℃에서 30분간 가열하여 수지 성분을 태워 없애고, 남은 강화 섬유의 질량 Wf를 측정하여 다음 식에 의해 산출했다.
Vf(체적%)= (Wf/ρf)/{Wf/ρf+(Ws-Wf)/ρr}×100
ρf: 강화 섬유의 밀도(g/㎤)
ρr: 수지의 밀도(g/㎤)
(2) 구조체의 굽힘 시험
구조체로부터 시험편을 잘라내어 ISO 178법(1993)에 따라 굽힘 탄성률을 측정했다. 시험편은 임의의 방향을 0° 방향으로 했을 경우에 +45°, -45°, 90° 방향의 4방향에 대해서 잘라낸 시험편을 제작하고, 각각의 방향에 대해서 측정 수 n=5로 하여 산술 평균값을 굽힘 탄성률 Ec로 했다. 측정 장치로서는 "인스트론(등록 상표)" 5565형 만능 재료 시험기(Instron Japan Company, Ltd.제)를 사용했다. 얻어진 결과로부터 다음 식에 의해 구조체의 비굽힘 탄성률을 산출했다.
비굽힘 탄성률=Ec1 /3/ρ
(3) 구조체에 있어서의 강화 섬유의 배향 각도(θf)
구조체로부터 폭 25㎜의 소편을 잘라내고, 에폭시 수지에 포매한 후에 시트 두께 방향의 수직 단면이 관찰면이 되도록 연마하여 시료를 제작했다. 시료를 레이저 현미경(KEYENCE CORPORATION제, VK-9510)으로 400배로 확대하여 섬유 단면상의 관찰을 행했다. 관찰 화상을 범용 화상 해석 소프트웨어상에 전개하고, 소프트웨어에 장착된 프로그램을 이용해서 관찰 화상 중에 보이는 개개의 섬유 단면을 추출하고, 섬유 단면에 내접하는 타원을 설치하여 섬유 단면의 형상을 근사했다(이후, 섬유 타원이라고 부른다). 또한, 섬유 타원의 장축 길이 α/단축 길이 β로 나타내어지는 애스펙트비가 20 이상인 섬유 타원에 대하여 면 방향(X)과 섬유 타원의 장축 방향이 이루는 각을 구했다. 구조체의 상이한 부위로부터 추출한 관찰 시료에 대해서 상기 조작을 반복함으로써 합계 600개의 강화 섬유에 대해서 배향 각도를 측정하고, 그 산술 평균값을 강화 섬유의 배향 각도(θf)로서 구했다.
(4) 구조체의 비중 ρ
구조체로부터 시험편을 잘라내고, JIS K7222(2005)를 참고로 하여 구조체의 외관 비중을 측정했다. 시험편의 치수는 세로 100㎜, 가로 100㎜로 했다. 시험편의 세로, 가로, 두께를 마이크로미터로 측정하여 얻어진 값에 의해 시험편의 체적 V를 산출했다. 또한, 잘라낸 시험편의 질량 M을 전자 천평으로 측정했다. 얻어진 질량 M 및 체적 V를 다음 식에 대입함으로써 구조체의 비중 ρ를 산출했다.
ρ[g/㎤]=103×M[g]/V[㎣]
(5) 구조체의 공극의 체적 함유율
구조체로부터 세로 10㎜, 가로 10㎜로 시험편을 잘라내고, 단면을 주사형 전자 현미경(SEM)(Hitachi High-Technologies Corporation.제 S-4800형)에 의해 관찰하여 구조체의 표면으로부터 등간격으로 10개소를 1000배의 배율로 촬영했다. 각각의 화상에 대해서 화상 내의 공극의 면적 Aa를 구했다. 또한, 공극의 면적 Aa를 화상 전체의 면적으로 제산함으로써 공극률을 산출했다. 구조체의 공극의 체적 함유율은 5매의 시험편에서 각각 10개소씩 촬영한 합계 50개소의 공극률로부터 산술 평균에 의해 구했다. 또한, 구조체에 있어서 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 공극률과 나머지 부분의 공극률이 상이한 경우를 판단하기 위해서 상기 등간격으로 촬영한 10개소에 있어서, 각각의 공극의 체적 함유율을 산출하고, 공극의 체적 함유율이 0체적% 이상 10체적% 미만의 범위 내에 있는 것과, 공극의 체적 함유율이 10체적% 이상 97체적% 이하인 것을 분별해서 구했다.
(6) 강화 섬유를 피복한 수지의 두께
구조체를 세로 10㎜, 가로 10㎜로 시험편을 잘라내고, 단면을 주사형 전자 현미경(SEM)(Hitachi High-Technologies Corporation.제 S-4800형)에 의해 관찰하여 임의의 10개소를 3000배의 배율로 촬영했다. 얻어진 화상의 강화 섬유의 단면이 커팅된 임의의 50개소로부터 강화 섬유에 피복하고 있는 수지의 피복 두께를 측정했다. 강화 섬유를 피복한 수지의 두께로서는 이러한 50개소의 측정 결과의 산술 평균값을 사용했다.
[탄소 섬유 1]
폴리아크릴로니트릴을 주성분으로 하는 공중합체로부터 방사, 소성 처리, 및 표면 산화 처리를 행하여 총 단사 수 12,000개의 연속 탄소 섬유를 얻었다. 이 연속 탄소 섬유의 특성은 다음에 나타내는 바와 같았다.
단섬유 지름: 7㎛
비중: 1.8
인장 강도: 4600㎫
인장 탄성률: 220㎬
[탄소 섬유 2]
폴리아크릴로니트릴을 주성분으로 하는 공중합체로부터 방사, 소성 처리, 및 표면 산화 처리를 행하여 총 단사 수 12,000개의 연속 탄소 섬유를 얻었다. 이 연속 탄소 섬유의 특성은 다음에 나타내는 바와 같았다.
단섬유 지름: 7㎛
비중: 1.8
인장 강도: 4100㎫
인장 탄성률: 420㎬
[PP 수지]
미변성 폴리프로필렌 수지(Prime Polymer Co., Ltd.제 "PRIME POLYPRO"(등록 상표) J105G) 80질량%와, 산변성 폴리프로필렌 수지(Mitsui Chemicals, Incorporated제 "ADMER" QB510) 20질량%로 이루어지는 단위 면적당 질량 100g/㎡의 수지 시트를 제작했다. 얻어진 수지 시트의 특성을 표 1에 나타낸다.
[PA 수지]
나일론 6 수지(Toray Industries, Inc.제 "AMILAN"(등록 상표) CM1021T)로 이루어지는 단위 면적당 질량 124g/㎡의 수지 필름을 제작했다. 얻어진 수지 필름의 특성을 표 1에 나타낸다.
[PC 수지]
폴리카보네이트 수지(Mitsubishi Engineering-Plastics Corporation제 "LUPILON"(등록 상표) H-4000)로 이루어지는 단위 면적당 질량 132g/㎡의 수지 필름을 제작했다. 얻어진 수지 필름의 특성을 표 1에 나타낸다.
[PPS 수지]
폴리페닐렌술피드 수지(Toray Industries, Inc.제 "TORELINA"(등록 상표) M2888)로 이루어지는 단위 면적당 질량 147g/㎡의 수지 부직포를 제작했다. 얻어진 수지 부직포의 특성을 표 1에 나타낸다.
[에폭시 수지]
에폭시 수지로서 EPOTOHTO YD128(Tohto Kasei Co., Ltd.제)을 40질량부, EPOTOHTO YD128G(Tohto Kasei Co., Ltd.제)를 20질량부, EPIKOTE 1001(Japan Epoxy Resins Co. Ltd.제)을 20질량부, EPIKOTE 1009(Japan Epoxy Resins Co. Ltd.제)를 20질량부, 경화제로서 DICY7(Japan Epoxy Resins Co. Ltd.제, 디시안디아미드) 4질량부, DCMU99(HODOGAYA CHEMICAL CO.,LTD.제, 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아) 3질량부, 기타 첨가제로서 ⅥNYLEC K(CHISSO CORPORATION제, 폴리비닐포르말) 5질량부를 배합했다. 이제부터 나이프 코터를 사용하여 단위 면적당 질량 132g/㎡의 수지 필름을 제작했다. 얻어진 수지 필름의 특성을 표 1에 나타낸다.
[강화 섬유 매트 1]
탄소 섬유 1을 길이 5㎜로 커팅하여 촙 탄소 섬유를 얻었다. 촙 탄소 섬유를 개면기에 투입해서 당초의 굵기의 강화 섬유 다발이 거의 존재하지 않는 면상의 강화 섬유 집합체를 얻었다. 이 강화 섬유 집합체를 직경 600㎜의 실린더 롤을 갖는 카딩 장치에 투입하여 강화 섬유로 이루어지는 시트상의 웹을 형성했다. 이때의 실린더 롤의 회전수는 320rpm, 도퍼의 속도는 13m/분이었다. 이 웹을 겹쳐서 강화 섬유 매트 1을 얻었다. 얻어진 강화 섬유 매트 1의 특성을 표 2에 나타낸다.
[강화 섬유 매트 2]
탄소 섬유 1을 카트리지 커터로 3㎜로 커팅하여 촙 탄소 섬유를 얻었다. 물과 계면활성제(NACALAI TESQUE, INC.제, 폴리옥시에틸렌라우릴에테르(상품명))로 이루어지는 농도 0.1질량%의 분산액을 제작하고, 이 분산액과 촙 탄소 섬유를 사용하여 도 6에 나타내는 강화 섬유 매트의 제조 장치를 사용하여 강화 섬유 매트를 제조했다. 도 6에 나타내는 제조 장치는 분산조로서의 용기 하부에 개구 콕을 갖는 직경 1000㎜의 원통형상의 용기, 분산조와 초지조를 접속하는 직선형상의 수송부(경사각 30°)를 구비하고 있다. 분산조의 상면의 개구부에는 교반기가 부속되어 개구부로부터 촙 탄소 섬유 및 분산액(분산 매체)을 투입 가능하다. 초지조가 저부에 폭 500㎜의 초지면을 갖는 메쉬 컨베이어를 구비하는 조인 점 및 탄소 섬유 기재(초지 기재)를 운반 가능한 컨베이어를 메쉬 컨베이어에 접속하고 있다. 초지는 분산액 중의 탄소 섬유 농도를 0.05질량%로서 행했다. 초지한 탄소 섬유 기재는 200℃의 건조로에서 30분간 건조하여 강화 섬유 매트 2를 얻었다. 얻어진 단위 면적당 질량은 50g/㎡이었다. 얻어진 강화 섬유 매트 2의 특성을 표 2에 나타낸다.
[강화 섬유 매트 3]
탄소 섬유 1을 카트리지 커터로 6㎜로 커팅하여 촙 탄소 섬유를 얻은 이외에는 강화 섬유 매트 2와 마찬가지로 하여 강화 섬유 매트 3을 얻었다. 얻어진 강화 섬유 매트 3의 특성을 표 2에 나타낸다.
[강화 섬유 매트 4]
탄소 섬유 1을 카트리지 커터로 12㎜로 커팅하여 촙 탄소 섬유를 얻은 이외에는 강화 섬유 매트 2와 마찬가지로 하여 강화 섬유 매트 4를 얻었다. 얻어진 강화 섬유 매트 4의 특성을 표 2에 나타낸다.
[강화 섬유 매트 5]
탄소 섬유 1을 카트리지 커터로 25㎜로 커팅하여 촙 탄소 섬유를 얻었다. 얻어진 촙 탄소 섬유를 80㎝ 높이로부터 자유 낙하시켜서 촙 탄소 섬유가 랜덤하게 분포된 강화 섬유 매트 5를 얻었다. 얻어진 강화 섬유 매트 5의 특성을 표 2에 나타낸다.
[강화 섬유 매트 6]
탄소 섬유 2를 카트리지 커터로 6㎜로 커팅하여 촙 탄소 섬유를 얻은 이외에는 강화 섬유 매트 2와 마찬가지로 하여 강화 섬유 매트 6을 얻었다. 얻어진 강화 섬유 매트 6의 특성을 표 2에 나타낸다.
(실시예 1)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 3, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작했다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅴ)를 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 금속 스페이서를 삽입하여 구조체를 얻을 때의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅳ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅴ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(실시예 2)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 3, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 3)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 3, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작하고, 공정(Ⅲ)에 있어서의 금속 스페이서의 두께를 3.4㎜로부터 5.6㎜로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 4)
수지 시트를 PP 수지로부터 PA 수지로 대신하고, 공정(I)에 있어서의 예열 온도를 230℃로부터 260℃로 대신했다. 그 밖에 공정(Ⅳ)에 있어서의 캐비티 온도를 50℃로부터 60℃로 대신하고, 공정(Ⅲ)에 있어서의 금속 스페이서의 두께를 3.4㎜로부터 3.3㎜로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 5)
수지 시트를 PP 수지로부터 PPS 수지로 대신하고, 공정(I)에 있어서의 예열 온도를 230℃로부터 300℃로 대신했다. 공정(Ⅳ)에 있어서의 캐비티 온도를 50℃로부터 150℃로 대신하고, 공정(Ⅲ)에 있어서의 금속 스페이서의 두께를 3.4㎜로부터 2.9㎜로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 6)
수지 시트를 PP 수지로부터 PC 수지로 대신하고, 공정(I)에 있어서의 예열 온도를 230℃로부터 300℃로 대신하고, 공정(Ⅳ)에 있어서의 캐비티 온도를 50℃로부터 80℃로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 7)
강화 섬유 매트를 강화 섬유 매트 3으로부터 강화 섬유 매트 6으로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 8)
수지 시트를 PP 수지로부터 에폭시 수지로 대신하여 실시예 1과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅴ)를 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(I) 적층물을 150℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 3㎫의 압력을 부여하고, 20초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 금속 스페이서를 삽입하여 구조체를 얻을 때의 두께가 3.3㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅳ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 30℃까지 냉각한다.
(Ⅴ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(실시예 9)
강화 섬유 매트를 강화 섬유 매트 3으로부터 강화 섬유 매트 2로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 10)
강화 섬유 매트를 강화 섬유 매트 3으로부터 강화 섬유 매트 4로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 11)
강화 섬유 매트를 강화 섬유 매트 3으로부터 강화 섬유 매트 1로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 12)
공정(Ⅲ)에 있어서의 금속 스페이서의 두께를 3.4㎜로부터 20.2㎜로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(실시예 13)
실시예 1과 마찬가지의 강화 섬유 매트 및 수지 시트를 사용하여 실시예 1과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 두께가 1.2㎜인 스페이서를 삽입하여 5초간 유지했다.
(Ⅳ) 그 후 구조체를 얻을 때의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅴ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅵ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(실시예 14)
실시예 1과 마찬가지의 강화 섬유 매트 및 수지 시트를 사용하여 실시예 1과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 두께가 2.0㎜인 금속 스페이서를 삽입하여 20초간 유지했다.
(Ⅳ) 그 후 구조체를 얻을 때의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅴ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅵ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(실시예 15)
실시예 1과 마찬가지의 강화 섬유 매트 및 수지 시트를 사용하여 실시예 1과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 3에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단으로부터 중심에 걸쳐서 등간격으로 두께가 2.3㎜인 금속 스페이서를 삽입하여 20초간 유지했다.
(Ⅳ) 그 후 금형 캐비티를 해방하고, 공정(Ⅲ)에 있어서 금속 스페이서의 접촉하지 않는 부분의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅴ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅵ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(비교예 1)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 3, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작했다. 이어서, 실시예 1에 있어서의 공정(Ⅲ)에 있어서, 금속 스페이서를 사용하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 4에 나타낸다.
(비교예 2)
강화 섬유 매트 3을 70매 포개고, 그것을 PP 수지로 끼워넣어 적층물을 제작했다. 이어서, 실시예 1에 있어서의 공정(Ⅲ)에 있어서, 금속 스페이서를 두께 3.4㎜로부터 두께 3.2㎜로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 4에 나타낸다.
(비교예 3)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 5, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작했다. 이어서, 실시예 1에 있어서의 공정(Ⅲ)에 있어서, 금속 스페이서를 두께 3.4㎜로부터 두께 1.4㎜로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 4에 나타낸다.
(비교예 4)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 5, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작했다. 이어서, 실시예 1에 있어서의 공정(I)~(Ⅴ)를 거침으로써 구조체를 얻은 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 4에 나타낸다.
(비교예 5)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 5를 사용한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 4에 나타낸다.
(비교예 6)
실시예 1에 있어서의 공정(I), (Ⅲ)만을 거친 성형체를 금형으로부터 인출하여 공랭하는 것으로 대신한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 4에 나타낸다.
(비교예 7)
실시예 1과 마찬가지의 강화 섬유 매트 및 수지 시트를 사용하여 실시예 1과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 4에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 두께가 1.8㎜인 스페이서를 삽입하여 20초간 유지했다.
(Ⅳ) 그 후 구조체를 얻을 때의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅴ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅵ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
[검토]
본 실시예가 구조체의 두께 St가 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족함으로써 비굽힘 탄성률과 굽힘 탄성률의 절대값의 밸런스가 우수하다는 것이 명확하다. 또한, 수지종을 변경한 실시예 4, 5, 6, 8에 대해서도 마찬가지인 것을 말할 수 있다. 한편, 비교예 1에 있어서는 강화 섬유 매트와 수지를 실시예 1과 마찬가지로 했지만, 공극이 없음으로써 비굽힘 탄성률을 만족할 수 없었다. 비교예 2에 있어서는 수지 및 공극의 체적 비율을 조정했지만, 강화 섬유 매트의 체적 비율과의 밸런스가 나빠 굽힘 탄성률이 낮아졌다. 강화 섬유의 주위로의 수지에 의한 피복이 형성되지 않았기 때문으로 추찰한다. 비교예 3에 있어서는 굽힘 탄성률이 낮아졌다. 이것은 대략 모노필라멘트형상이 아닌 강화 섬유를 사용했기 때문이며, 비교예 4에 있어서 구조체의 두께를 변경했지만 개선되는 일은 없었다. 비교예 5에 있어서는 강화 섬유의 섬유 길이를 길게 했기 때문에 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족할 수 없었다. 이에 따라 굽힘 탄성률의 절대값을 만족할 수 없었다. 비교예 6에 있어서는 강화 섬유의 주위를 수지가 피복하지 않고, 강화 섬유의 교차하는 점에 수지가 국재화했기 때문에 강화 섬유, 수지, 및 공극의 함유량은 만족했지만, 굽힘 탄성률의 절대값이 낮아 결과적으로 비굽힘 탄성률의 값을 만족할 수 없었다. 비교예 7에 있어서는 표면에 높은 비중, 중심 부분에 낮은 비중의 영역을 형성하고, 그 두께 비율은 양쪽 표면과 중심이 1:1의 관계가 되었다. 비교예 7의 굽힘 특성을 평가했지만, 구조체의 표면의 공극을 갖는 영역과 중심의 공극을 갖는 영역의 두께 비율의 밸런스가 나쁘기 때문에 중심 부분의 높은 공극률을 갖는 층의 특성이 지배적이게 되어 소망의 특성을 얻을 수 없었다.
[제 2 실시형태]
이어서, 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 구조체에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에 의한 구조체의 단면 구조를 나타내는 모식도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 구조체(1)는 수지(2)와, 강화 섬유(3)와, 공극(4)으로 구성되어 있다.
여기에서 수지(2)로서는 열가소성 수지나 열경화성 수지를 예시할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는 열경화성 수지와 열가소성 수지가 블렌드되어 있어도 좋고, 그 경우에는 수지를 구성하는 성분 중 50질량% 초과하는 양을 차지하는 성분을 수지의 명칭으로 한다.
본 발명에 있어서의 1개의 형태에 있어서, 수지(2)는 적어도 1종류 이상의 열가소성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 열가소성 수지로서는 「폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 액정 폴리에스테르 등의 폴리에스테르, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀, 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리아미드(PA), 폴리페닐렌술피드(PPS) 등의 폴리아릴렌술피드, 폴리케톤(PK), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리에테르니트릴(PEN), 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지, 액정 폴리머(LCP)」 등의 결정성 수지, 「스티렌계 수지 외, 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리술폰(PSU), 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트(PAR)」 등의 비결정성 수지, 기타 페놀계 수지, 페녹시 수지, 또한 폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리부타디엔계, 폴리이소프렌계, 불소계 수지, 및 아크릴로니트릴계 등의 열가소 엘라스토머 등이나 이들의 공중합체 및 변성체 등으로부터 선택되는 열가소성 수지를 예시할 수 있다. 그 중에서도 얻어지는 구조체의 경량성의 관점으로부터는 폴리올레핀이 바람직하고, 강도의 관점으로부터는 폴리아미드가 바람직하고, 표면 외관의 관점으로부터 폴리카보네이트나 스티렌계 수지와 같은 비결정성 수지가 바람직하고, 내열성의 관점으로부터 폴리아릴렌술피드가 바람직하고, 연속 사용 온도의 관점으로부터 폴리에테르에테르케톤이 바람직하고, 또한 내약품성의 관점으로부터 불소계 수지가 바람직하게 사용된다.
본 발명에 있어서의 1개의 형태에 있어서, 수지(2)는 적어도 1종류 이상의 열경화성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 열경화성 수지로서는 불포화폴리에스테르, 비닐에스테르, 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 열경화성 폴리이미드, 이들의 공중합체, 변성체, 및 이들의 적어도 2종류를 블렌드한 수지를 예시할 수 있다. 또한, 본 발명의 목적을 손상하지 않는 범위에서 본 발명에 의한 구조체는 엘라스토머 또는 고무 성분 등의 내충격성 향상제, 다른 충전재나 첨가제를 함유해도 좋다. 충전재나 첨가제의 예로서는 무기 충전재, 난연제, 도전성 부여제, 결정핵제, 자외선 흡수제, 산화방지제, 제진제, 항균제, 방충제, 방취제, 착색 방지제, 열안정제, 이형제, 대전 방지제, 가소제, 윤활제, 착색제, 안료, 염료, 발포제, 제포제 또는 커플링제를 예시할 수 있다.
수지(2)의 체적 함유율은 2.5체적% 이상 85체적% 이하의 범위 내에 있다. 수지(2)의 체적 함유율이 2.5체적% 미만일 경우, 구조체(1) 중의 강화 섬유(3)끼리를 결착하여 강화 섬유(3)의 보강 효과를 충분한 것으로 할 수 없고, 구조체의 역학 특성, 특히 굽힘 특성을 만족할 수 없게 되므로 바람직하지 않다. 한편, 수지(2)의 체적 함유율이 85체적%보다 클 경우에는 수지량이 지나치게 많은 점에서 공극 구조를 취하는 것이 곤란하게 되므로 바람직하지 않다.
강화 섬유(3)로서는 알루미늄, 황동, 스테인리스 등의 금속 섬유, PAN계, 레이온계, 리그닌계, 피치계의 탄소 섬유, 흑연 섬유, 유리 등의 절연성 섬유, 아라미드, PBO, 폴리페닐렌술피드, 폴리에스테르, 아크릴, 나일론, 폴리에틸렌 등의 유기 섬유, 실리콘카바이드, 실리콘나이트라이드 등의 무기 섬유를 예시할 수 있다. 또한, 이들의 섬유에 표면 처리가 실시되어 있는 것이어도 좋다. 표면 처리로서는 도전체로서 금속의 피착 처리의 외에 커플링제에 의한 처리, 사이징제에 의한 처리, 결속제에 의한 처리, 첨가제의 부착 처리 등이 있다. 또한, 이들의 섬유는 1종류를 단독으로 사용해도 좋고, 2종류 이상을 병용해도 좋다. 그 중에서도 경량화 효과의 관점으로부터 비강도 비강성이 우수한 PAN계, 피치계, 레이온계 등의 탄소 섬유가 바람직하게 사용된다. 또한, 얻어지는 구조체의 경제성을 높이는 관점으로부터는 유리 섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 경제성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 유리 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 구조체의 충격 흡수성이나 부형성을 높이는 관점으로부터는 아라미드 섬유가 바람직하게 사용되고, 특히 역학 특성과 충격 흡수성의 밸런스로부터 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 병용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어지는 구조체의 도전성을 높이는 관점으로부터는 니켈이나 구리나 이터븀 등의 금속을 피복한 강화 섬유를 사용할 수도 있다. 이들 중에서 강도와 탄성률 등의 역학 특성이 우수한 PAN계의 탄소 섬유를 보다 바람직하게 사용할 수 있다.
강화 섬유(3)는 불연속이며, 대략 모노필라멘트형상이고, 또한 랜덤하게 분산되어 있는 것이 바람직하다. 강화 섬유(3)를 이러한 형태로 함으로써 시트상의 구조체의 전구체 또는 구조체를 외력을 가하여 성형할 경우에 복잡형상으로의 부형이 용이하게 된다. 또한, 강화 섬유(3)를 이러한 형태로 함으로써 강화 섬유(3)에 의해 형성된 공극이 치밀화되어 구조체(1) 중에 있어서의 강화 섬유(3)의 섬유 다발 단에 있어서의 약부가 극소화될 수 있기 때문에 우수한 보강 효율 및 신뢰성에 추가하여 등방성도 부여된다. 여기에서 대략 모노필라멘트란 강화 섬유 단사가 500개 미만인 세섬도 스트랜드로 존재하는 것을 가리킨다. 더 바람직하게는 모노필라멘트형상으로 분산되어 있는 것이다.
여기에서 대략 모노필라멘트형상 또는 모노필라멘트형상으로 분산되어 있는 것이란 구조체(1) 중에서 임의로 선택한 강화 섬유(3)에 대해서 그 2차원 접촉각이 1° 이상인 단섬유의 비율(이하, 섬유 분산율이라고도 칭한다)이 80% 이상인 것을 가리키며, 바꿔 말하면 구조체(1) 중에 있어서 단섬유의 2개 이상이 접촉하여 평행한 다발이 20% 미만인 것을 말한다. 따라서, 여기에서는 적어도 강화 섬유(3)에 있어서의 필라멘트 수 100개 이하의 섬유 다발의 질량 분율이 100%에 해당하는 것이 특히 바람직하다.
2차원 접촉각이란 불연속인 강화 섬유의 경우, 단섬유와 이 단섬유가 접촉하는 단섬유로 형성되는 각도이며, 접촉하는 단섬유끼리가 형성하는 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도로 정의한다. 이 2차원 접촉각에 대해서 도면을 사용하여 더 설명한다. 도 2는 면 방향(도 2(a)) 및 두께 방향(도 2(b))으로부터 관찰했을 때의 강화 섬유 매트에 있어서의 강화 섬유의 분산 상태의 일례를 나타내는 모식도이다. 단섬유(11a)를 기준으로 하면 단섬유(11a)는 도 2(a)에서는 단섬유(11b~11f)와 교차하여 관찰되지만, 도 2(b)에서는 단섬유(11a)는 단섬유(11e, 11f)와는 접촉하고 있지 않다. 이 경우 기준이 되는 단섬유(11a)에 대해서 2차원 접촉각의 평가 대상이 되는 것은 단섬유(11b~11d)이며, 접촉하는 2개의 단섬유가 형성하는 2개의 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도(A)이다.
2차원 접촉각을 측정하는 방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 구조체(1)의 표면으로부터 강화 섬유(3)의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있다. 이 경우, 구조체(1)의 표면을 연마해서 강화 섬유(3)를 노출시킴으로써 강화 섬유(3)를 보다 관찰하기 쉬워진다. 또한, X선 CT 투과 관찰을 행하여 강화 섬유(3)의 배향 화상을 촬영하는 방법도 예시할 수 있다. X선 투과성이 높은 강화 섬유(3)의 경우에는 강화 섬유(3)에 트레이서용의 섬유를 혼합해 두거나 또는 강화 섬유(3)에 트레이서용의 약제를 도포해 두면 강화 섬유(3)를 관찰하기 쉬워지기 때문에 바람직하다. 또한, 상기 방법으로 측정이 곤란할 경우에는 가열로 등에 의해 구조체(1)를 고온하에 두어서 수지 성분을 소실시킨 후 광학 현미경 또는 전자 현미경을 사용하여 인출한 강화 섬유(3)로부터 강화 섬유(3)의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있다.
상술한 관찰 방법에 의거하여 섬유 분산율은 다음 순서로 측정한다. 즉, 무작위로 선택한 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(11a))에 대하여 접촉하고 있는 모든 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(11b~11d))와의 2차원 접촉각을 측정한다. 이것을 100개의 단섬유에 대해서 행하고, 2차원 접촉각을 측정한 모든 단섬유의 총개수와 2차원 접촉각이 1° 이상인 단섬유의 개수의 비율로부터 비율을 산출한다.
또한, 강화 섬유(3)는 랜덤하게 분산되어 있는 것이 특히 바람직하다. 여기에서 강화 섬유(3)가 랜덤하게 분산되어 있는 것이란 구조체(1)에 있어서의 임의로 선택한 강화 섬유(3)의 2차원 배향각의 산술 평균값이 30° 이상 60° 이하의 범위 내에 있는 것을 말한다. 이러한 2차원 배향각이란 강화 섬유(3)의 단섬유와, 이 단섬유와 교차하는 단섬유로 형성되는 각도이며, 교차하는 단섬유끼리가 형성하는 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도로 정의한다.
이 2차원 배향각에 대해서 도면을 사용하여 더 설명한다. 도 2(a), 도 2(b)에 있어서, 단섬유(11a)를 기준으로 하면 단섬유(11a)는 다른 단섬유(11b~11f)와 교차하고 있다. 여기에서 교차란 관찰하는 2차원 평면에 있어서 기준으로 하는 단섬유가 다른 단섬유와 교차하여 관찰되는 상태를 의미하고, 단섬유(11a)와 단섬유(11b~11f)가 반드시 접촉하고 있을 필요는 없으며, 투영해서 보았을 경우에 교차하여 관찰되는 상태에 대해서도 예외는 아니다. 즉, 기준이 되는 단섬유(11a)에 대해서 보았을 경우, 단섬유(11b~11f)의 모두가 2차원 배향각의 평가 대상이며, 도 2(a) 중에 있어서 2차원 배향각은 교차하는 2개의 단섬유가 형성하는 2개의 각도 중 0° 이상 90° 이하의 범위 내에 있는 예각측의 각도(A)이다.
2차원 배향각을 측정하는 방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 구성 요소의 표면으로부터 강화 섬유(3)의 배향을 관찰하는 방법을 예시할 수 있고, 상술한 2차원 접촉각의 측정 방법과 마찬가지의 수단을 취할 수 있다. 2차원 배향각의 평균값은 다음 순서로 측정한다. 즉, 무작위로 선택한 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(11a))에 대하여 교차하고 있는 모든 단섬유(도 2에 있어서의 단섬유(11b~11f))와의 2차원 배향각의 평균값을 측정한다. 예를 들면, 어떤 단섬유에 교차하는 다른 단섬유가 다수일 경우에는 교차하는 다른 단섬유를 무작위로 20개 선택하여 측정한 산술 평균값을 대용해도 좋다. 이 측정을 다른 단섬유를 기준으로 하여 합계 5회 반복하고, 그 산술 평균값을 2차원 배향각의 산술 평균값으로서 산출한다.
강화 섬유(3)가 대략 모노필라멘트형상이고, 또한 랜덤하게 분산되어 있음으로써 상술한 대략 모노필라멘트형상으로 분산된 강화 섬유(3)에 의해 부여되는 성능을 최대한까지 높일 수 있다. 또한, 구조체(1)에 있어서 역학 특성에 등방성을 부여할 수 있다. 이러한 관점으로부터 강화 섬유(3)의 섬유 분산율은 90% 이상인 것이 바람직하며, 100%에 가까울수록 보다 바람직하다. 또한, 강화 섬유(3)의 2차원 배향각의 산술 평균값은 40° 이상 50° 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하며, 이상적인 각도인 45°에 가까울수록 바람직하다.
한편, 강화 섬유(3)가 부직포상의 형태를 취하지 않는 예로서는 강화 섬유(3)가 한 방향으로 배열되어 이루어지는 시트 기재, 직물 기재, 및 논크림프 기재 등이 있다. 이들의 형태는 강화 섬유(3)가 규칙적으로 빈틈없이 배치되기 때문에 구조체(1) 중의 공극(4)이 적어지게 되어버리고, 수지(2)의 함침이 매우 곤란하게 되어 미함침부를 형성하거나 함침 수단이나 수지종의 선택지를 크게 제한하거나 하는 경우가 있다.
강화 섬유(3)의 형태로서는 구조체(1)와 같은 정도의 길이의 연속성 강화 섬유 또는 소정 길이로 절단된 유한 길이의 불연속성 강화 섬유 중 어느 것이어도 좋지만, 수지(2)를 용이하게 함침시키거나 그 양을 용이하게 조정할 수 있거나 하는 관점으로부터는 불연속성 강화 섬유인 것이 바람직하다.
강화 섬유(3)의 체적 함유율은 0.5체적% 이상 55체적% 이하의 범위 내에 있다. 강화 섬유(3)의 체적 함유율이 0.5체적% 미만일 경우, 강화 섬유(3)로부터 유래되는 보강 효과를 충분하게 할 수 없으므로 바람직하지 않다. 한편, 강화 섬유(3)의 체적 함유율이 55체적%보다 클 경우에는 강화 섬유(3)에 대한 수지(2)의 체적 함유율이 상대적으로 적어지기 때문에 구조체(1) 중의 강화 섬유(3)끼리를 결착하여 강화 섬유(3)의 보강 효과를 충분하게 할 수 없고, 구조체(1)의 역학 특성, 특히 굽힘 특성을 만족할 수 없게 되므로 바람직하지 않다.
강화 섬유(3)는 수지(2)에 피복되어 있으며, 수지(2)의 두께가 1㎛ 이상 15㎛ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 수지(2)에 피복된 강화 섬유(3)의 피복 상태는 적어도 구조체(1)를 구성하는 강화 섬유(3)의 단섬유끼리의 교차하는 점이 피복되어 있으면 구조체(1)의 형상 안정성이나 두께 제어의 용이함 및 자유도의 관점으로부터 충분하지만, 더 바람직한 실시형태로 하면 수지(2)는 강화 섬유(3)의 주위에 상술한 두께로 피복된 상태인 것이 바람직하다. 이 상태는 강화 섬유(3)의 표면이 수지(2)에 의해 노출되어 있지 않은, 바꿔 말하면 강화 섬유(3)가 수지(2)에 의해 전선형상의 피막을 형성하고 있는 것을 의미한다. 이렇게 함으로써 구조체(1)는 또한 형상 안정성을 가짐과 아울러, 역학 특성의 발현을 충분한 것으로 한다. 또한, 수지(2)에 피복된 강화 섬유(3)의 피복 상태는 그 강화 섬유(3) 전체에 있어서 피복되어 있을 필요는 없고, 본 발명에 의한 구조체(1)의 형상 안정성이나 굽힘 탄성률, 굽힘 강도를 손상하지 않는 범위 내이면 좋다.
강화 섬유(3)의 질량 평균 섬유 길이가 1㎜ 이상 15㎜ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이에 따라 강화 섬유(3)의 보강 효율을 높일 수 있고, 구조체(1)가 우수한 역학 특성이 부여된다. 강화 섬유(3)의 질량 평균 섬유 길이가 1㎜ 미만일 경우, 구조체(1) 중의 공극(4)을 효율 좋게 형성할 수 없기 때문에 비중이 높아지는 경우가 있으며, 바꿔 말하면 동일 질량이면서 소망하는 두께의 구조체(1)를 얻는 것이 곤란하게 되므로 바람직하지 않다. 한편, 강화 섬유(3)의 질량 평균 섬유 길이가 15㎜보다 길 경우에는 구조체(1) 중에서 강화 섬유(3)가 자체 중량에 의해 굴곡하기 쉬워져 역학 특성의 발현을 저해하는 요인이 되므로 바람직하지 않다. 질량 평균 섬유 길이는 구조체(1)의 수지 성분을 소실이나 용출 등의 방법에 의해 제거하고, 남은 강화 섬유(3)로부터 무작위로 400개를 선택하고, 그 길이를 10㎛ 단위까지 측정하여 그들의 평균 길이로서 산출할 수 있다.
본 발명에 있어서의 공극(4)이란 수지(2)에 의해 피복된 강화 섬유(3)가 기둥형상의 지지체가 되어 그것이 서로 겹치고 또는 교차함으로써 형성된 공간을 가리킨다. 예를 들면, 강화 섬유(3)에 수지(2)가 미리 함침된 구조체 전구체를 가열해서 구조체를 얻을 경우, 가열에 따르는 수지(2)의 용융 또는 연화에 의해 강화 섬유(3)가 기모함으로써 공극(4)이 형성된다. 이것은 구조체 전구체에 있어서 가압에 의해 압축 상태로 되어 있었던 내부의 강화 섬유(3)가 그 탄성률로부터 유래되는 기모력에 의해 기모하는 성질에 의거한다. 또한, 구조체(1) 중에 있어서의 공극(4)의 함유율은 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내에 있다. 공극(4)의 함유율이 10체적% 미만일 경우, 구조체(1)의 비중이 높아지기 때문에 경량성을 만족할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 공극(4)의 함유율이 97체적%보다 클 경우에는 바꿔 말하면 강화 섬유(3)의 주위에 피복된 수지(2)의 두께가 얇아지기 때문에 구조체(1) 중에 있어서의 강화 섬유(3)끼리의 보강이 충분하게 행해지지 않기 때문에 역학 특성이 낮아지므로 바람직하지 않다. 공극(4)의 함유율의 상한값은 97체적%인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 체적 함유율은 구조체(1)를 구성하는 수지(2)와, 강화 섬유(3)와, 공극(4)의 각각의 체적 함유율의 합계를 100체적%로 한다.
강화 섬유(3)의 길이를 Lf, 구조체(1)의 단면 방향에 있어서의 강화 섬유(3)의 배향 각도를 θf로 했을 때 구조체(1)의 두께 St는 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족한다. 구조체(1)의 두께 St가 상기 조건식을 만족하지 않을 경우, 구조체(1) 중에 있어서의 강화 섬유(3)가 굴곡하고 있거나 또는 얻고 싶은 두께의 구조체(1)와 섬유 길이의 밸런스가 뒤떨어진다는 것을 나타낸다. 이에 따라 구조체(1)는 투입한 강화 섬유(3)의 특징을 충분히 발휘할 수 없기 때문에 두께 설계의 자유도가 뒤떨어지는 것을 나타내고, 또한 구조체(1)의 역학 특성 중 강화 섬유(3)의 인장 강도나 인장 탄성률을 이용하는 특성에 대해서는 강화 섬유(3)의 직진성이 손실되어 있음으로써 효율적인 보강 효과를 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 상기 조건식에 있어서, 강화 섬유(3)의 길이와 그 배향 각도가 형성하는 구조체(1)의 특성인 굽힘 탄성률과 비굽힘 탄성률의 밸런스가 얻어지는 것이나 또한 구조체(1) 중의 섬유 길이와 그 배향 각도에 의해 성형 공정 중의 고화 또는 경화 이전의 상태에서의 변형이 하기 쉽고, 소망하는 구조체(1)의 성형이 행하기 쉬운 점에서 구조체(1)의 두께 St의 2% 이상 20% 이하의 값의 범위 내가 바람직하며, 특히 5% 이상 18% 이하의 값의 범위 내가 바람직하다. 또한, 조건식에 사용하는 단위는 St[㎜], Lf[㎜], θf[°]이다.
여기에서 강화 섬유(3)의 길이 Lf는 구조체(1)의 수지 성분을 소실이나 용출 등의 방법에 의해 제거하고, 남은 강화 섬유(3)로부터 무작위로 400개를 선택하고, 그 길이를 10㎛ 단위까지 측정하여 그들의 길이로부터 산출한 질량 평균 섬유 길이로서 산출할 수 있다. 또한, 구조체(1)의 단면 방향에 있어서의 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)란 구조체(1)의 단면 방향에 대한 기울기 정도이며, 바꿔 말하면 두께 방향에 대한 강화 섬유(3)의 기울기 정도이다. 값이 클수록 두께 방향으로 기립하여 기울어져 있는 것을 나타내며, 0° 이상 90° 이하의 범위에서 부여된다. 즉, 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)를 이러한 범위 내로 함으로써 구조체(1)에 있어서의 보강 기능을 보다 효과적으로 발현할 수 있다. 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)의 상한값에는 특별히 제한은 없지만, 구조체(1)로 했을 때의 굽힘 탄성률의 발현을 감안하여 60° 이하인 것이 바람직하며, 또한 45° 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)가 3° 미만일 경우, 구조체(1) 중의 강화 섬유(3)가 평면상, 바꿔 말하면 2차원으로 배향한 상태가 되므로 구조체(1)의 두께의 자유도가 감소하고, 경량성을 만족할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 그 때문에 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)는 3° 이상인 것이 바람직하다.
강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)는 구조체(1)의 면 방향에 대한 수직 단면의 관찰에 의거하여 측정할 수 있다. 도 3은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에 의한 구조체의 면 방향(도 3(a)) 및 두께 방향(도 3(b))의 단면 구조의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 3(a)에 있어서, 강화 섬유(3a, 3b)의 단면은 측정을 간편하게 하기 위해 타원형 모양으로 근사되어 있다. 여기에서 강화 섬유(3a)의 단면은 타원 애스펙트비(=타원 장축/타원 단축)가 작게 보이고, 이에 대하여 강화 섬유(3b)의 단면은 타원 애스펙트비가 크게 보인다. 한편, 도 3(b)에 의하면 강화 섬유(3a)는 두께 방향(Y)에 대하여 거의 평행한 기울기를 갖고, 강화 섬유(3b)는 두께 방향(Y)에 대하여 일정량의 기울기를 갖고 있다. 이 경우, 강화 섬유(3b)에 대해서는 구조체(1)의 면 방향(X)과 섬유 주축(타원에 있어서의 장축 방향) α가 이루는 각도(θx)가 강화 섬유(3b)의 면외 각도(θf)와 거의 동일해진다. 한편, 강화 섬유(3a)에 대해서는 각도(θx)와 배향 각도(θf)가 나타내는 각도에 큰 괴리가 있으며, 각도(θx)가 배향 각도(θf)를 반영하고 있다고는 말할 수 없다. 따라서, 구조체(1)의 면 방향에 대한 수직 단면으로부터 배향 각도(θf)를 판독할 경우, 섬유 단면의 타원 애스펙트비가 일정값 이상의 것을 추출함으로써 배향 각도(θf)의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
추출 대상이 되는 타원 애스펙트비의 지표로서는 단섬유의 단면상이 진원에 가까운, 즉 강화 섬유의 장척 방향에 수직인 단면에 있어서의 섬유 애스펙트비가 1.1 이하일 경우, 타원 애스펙트비가 20 이상인 강화 섬유(3)에 대해서 면 방향(X)과 섬유 주축(α)이 이루는 각도(θx)를 측정하고, 이것을 배향 각도(θf)로 하여 채용하는 방법을 이용할 수 있다. 한편, 단섬유의 단면상이 타원형이나 고치형 등이며, 섬유 애스펙트비가 1.1보다 클 경우에는 보다 큰 타원 애스펙트비를 가지는 강화 섬유(3)에 주목하여 배향 각도(θf)를 측정한 편이 좋고, 섬유 애스펙트비가 1.1 이상 1.8 미만일 경우에는 타원 애스펙트비가 30 이상, 섬유 애스펙트비가 1.8 이상 2.5 미만일 경우에는 타원 애스펙트비가 40 이상, 섬유 애스펙트비가 2.5 이상일 경우에는 타원 애스펙트비가 50 이상인 강화 섬유(3)를 선정, 배향 각도(θf)를 측정하면 좋다.
구조체(1)의 굽힘 탄성률을 Ec, 구조체(1)의 비중을 ρ로 했을 때 Ec1 /3·ρ-1에 의해 나타내어지는 구조체(1)의 제 1 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률은 1 이상 3 미만의 범위 내에 있다. 구조체(1)의 제 1 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률이 1 미만일 경우, 구조체(1)의 경량화 효과가 손실되게 되므로 바람직하지 않다. 한편, 구조체(1)의 제 1 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률이 3보다 클 경우에는 구조체(1)가 단일의 조성으로 이루어지는 경우에는 굽힘 탄성률이 낮은 것을 의미하기 때문에 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 경량화 효과에 착목되는 탄소 섬유 강화 수지 복합 재료의 일반적인 비굽힘 탄성률인 2.3 초과 3 미만이다.
구조체(1)의 제 1 부분과 다른 제 2 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률은 3 이상 20 이하의 범위 내에 있다. 구조체(1)의 제 2 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률이 3 미만일 경우, 굽힘 탄성률이 높음과 아울러, 비중도 높은 상태이며, 소망하는 경량화 효과가 얻어지지 않으므로 바람직하지 않다. 한편, 구조체(1)의 제 2 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률이 20보다 클 경우에는 경량화 효과는 충분하지만, 굽힘 탄성률이 낮은 것을 나타내고 있으며, 구조체(1)로서 소망되는 형상을 유지하는 것이 곤란한 것이나 구조체(1) 자신의 굽힘 탄성률이 뒤떨어지는 점에서 바람직하지 않다. 일반적으로 강재나 알루미늄의 비굽힘 탄성률은 1.5 이하이며, 이들 금속 재료보다 매우 우수한 비굽힘 탄성률의 영역이 된다. 또한, 경량화 효과에 착목되는 탄소 섬유 강화 수지 복합 재료의 일반적인 비굽힘 탄성률인 2.3을 초과하는 3 이상인 것, 더 바람직하게는 5 이상이다.
구조체(1)의 제 2 부분의 굽힘 탄성률 Ec는 6㎬ 이상인 것이 바람직하다. 굽힘 탄성률의 상한에 제한은 두지 않지만, 일반적으로 6㎬ 이상 있으면 구조체(1)를 부재로서 설계할 경우에 굽힘 탄성률이 문제가 되지 않기 때문에 바람직하며, 또한 실부재에 있어서 설계의 자유도의 관점으로부터 굽힘 탄성률은 등방성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명의 효과를 손상하지 않는 한 굽힘 탄성률에 대해서 상한은 두지 않지만, 본 발명에 의한 구조체에 있어서는 강화 섬유 및 수지, 및 공극의 체적 함유량과 굽힘 탄성률의 관계로부터 30㎬ 정도가 상한이 될 수 있다. 30㎬ 이상의 굽힘 탄성률이 있는 경우에는 일반적으로 강화 섬유의 함유량이 많고, 또한 공극의 체적 함유량이 적을 경우이며, 결과적으로 비중이 높아 제품의 중량증가로 연결되는 경우가 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이 구조체(1)의 제 1 부분(R1) 및 제 2 부분(R2)은 구조체(1)의 두께 방향의 상이한 위치에 존재해도 좋고, 도 5에 나타내는 바와 같이 구조체(1)의 제 1 부분(R1) 및 제 2 부분(R2)이 구조체의 면 방향의 상이한 위치에 존재해도 좋다. 도 4에 나타내는 바와 같이 제 1 부분(R1)의 비중이 높은 상태, 바꿔 말하면 공극이 적은 경우에는 소위 샌드위치 구조 등에 대표되는 스킨층으로서 기능한다. 즉, 표피된 스킨층이 굽힘 탄성률의 향상에 기여할 수 있다. 또한, 제 2 부분(R2)의 비중이 낮은 상태, 바꿔 말하면 공극이 많은 경우에는 소위 샌드위치 구조 등에 대표되는 코어층으로서 기능한다. 즉, 심재인 코어층은 굽힘 탄성률의 향상에 크게 기여하지 않기 때문에 그 비중만 활용할 뿐이거나 구조체(1)의 굽힘 강성에 있어서는 두께가 크게 영향을 주는 점에서 경량, 또한 고강성인 구조체로 할 수 있다. 도 5에 있어서는 여러 가지의 하중을 담당하는 부분을 고비중, 즉 제 1 부분(R1)으로 하고, 하중을 거의 담당하지 않는 부분을 제 2 부분(R2)으로 함으로써 구조체의 경량성에 효율적인 설계를 할 수 있다. 또한, 제 2 부분(R2)의 두께를 제 1 부분(R1)보다 두껍게 함으로써 구조체 전체의 굽힘 강성의 설계를 할 수 있기 때문에 제품으로 했을 경우의 성형품의 휨이나 비틀림 등의 변형을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 구조체에 있어서는 도 4 및 도 5에 기재된 형상을 단일 조성, 구조체의 전구체로부터 얻을 수 있기 때문에 이종 재료의 복합화에서 문제가 되는 선팽창 계수를 기인으로 하는 변형이나 접합 불량을 문제로 하는 것이 필요가 없기 때문에 바람직한 실시형태라고 할 수 있다.
또한, 구조체(1)의 제 1 부분의 공극률이 0체적% 이상 10체적% 미만의 범위 내에 있으며, 나머지 부분의 공극률이 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이에 따라 단일 조성에 있어서도 상술한 바와 같이 제 1 부분과 제 2 부분으로 함으로써 강성에 기여하는 부분을 제 1 부분으로서 사용할 수 있기 때문에 구조체의 경량성에 효율적인 설계를 할 수 있다. 또한, 제 2 부분의 두께를 제 1 부분보다 두껍게 함으로써 구조체 전체의 굽힘 강성의 설계를 할 수 있기 때문에 부분적으로 경량화를 행하는 것이 가능하다.
구조체(1) 중에 있어서의 제 1 부분에서의 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)가 5° 이상 15° 이하의 범위 내에 있으며, 그 이외의 위치에서의 강화 섬유(3)의 배향 각도(θf)가 5° 이상 45° 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 구조체를 단일 조성으로부터 얻는 경우에 한정되지 않고, 제 1 부분의 배향 각도(θf)가 5° 이상 15° 이하의 범위 내에 있다고 하는 것은 강화 섬유(3)가 면내 방향으로 배향하고 있는 것을 의미하고, 결과적으로 강화 섬유(3)가 하중을 담당하기 때문에 면내 강도를 높게 할 수 있다. 또한, 제 2 부분의 배향 각도(θf)가 5° 이상 45° 이하의 범위 내에 있다고 하는 것은 구조체에 있어서, 공극을 효율 좋게 형성할 수 있는 것이 되고, 결과적으로 경량화가 가능해진다. 바람직하게는 구조체로 했을 때의 압축 특성과 경량성의 밸런스로부터 제 1 부분의 배향 각도는 5° 이상 10° 이하의 범위 내, 제 2 부분의 배향 각도는 5° 이상 30° 이하의 범위 내이다.
구조체(1)의 비중 ρ는 0.9g/㎤ 이하인 것이 바람직하다. 구조체(1)의 비중 ρ가 0.9g/㎤보다 클 경우, 구조체(1)로 했을 경우의 질량이 증가하는 것을 의미하고, 결과적으로 제품으로 했을 경우의 질량의 증가를 초래하게 되므로 바람직하지 않다. 비중의 하한에 대해서는 제한을 설정하지 않지만, 일반적으로 강화 섬유와 수지로 이루어지는 구조체에서는 그 구성 성분인 강화 섬유, 수지, 및 공극 각각의 체적 비율로부터 산출되는 값이 하한이 될 수 있다. 본 발명에 의한 구조체에 있어서는 구조체를 단독으로 사용하는 경우에 있어서도, 다른 부재와 맞춰서 사용할 경우에 있어서도 구조체 자신의 비중은 사용하는 강화 섬유나 수지에 따라 다르지만, 구조체의 역학 특성을 유지한다는 관점으로부터 0.03g/㎤ 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서의 강화 섬유(3)는 부직포상의 형태를 취하는 것이 강화 섬유(3)로의 수지(2)의 함침의 용이함의 관점으로부터 바람직하다. 또한, 강화 섬유(3)가 부직포상의 형태를 갖고 있음으로써 부직포 자체의 핸들링성의 용이함에 추가하여 일반적으로 고점도가 되는 열가소성 수지의 경우에 있어서도 함침을 용이하게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 여기에서 부직포상의 형태란 강화 섬유(3)의 스트랜드 및/또는 모노필라멘트가 규칙성 없이 면상으로 분산된 형태를 가리키며, 촙 스트랜드 매트, 컨티뉴어스 스트랜드 매트, 초지 매트, 카딩 매트, 에어레이드 매트 등을 예시할 수 있다(이하, 이들을 통합하여 강화 섬유 매트라고 칭한다).
구조체(1)를 구성하는 강화 섬유 매트의 제조 방법으로서는, 예를 들면 강화 섬유(3)를 미리 스트랜드 및/또는 대략 모노필라멘트형상으로 분산해서 강화 섬유 매트를 제조하는 방법이 있다. 강화 섬유 매트의 제조 방법으로서는 강화 섬유(3)를 공기류로 분산 시트화하는 에어레이드법이나 강화 섬유(3)를 기계적으로 빗질하면서 형상을 조정하여 시트화하는 카딩법 등의 건식 프로세스, 강화 섬유(3)를 수중에서 교반하여 초지하는 래드라이트법에 의한 습식 프로세스를 공지 기술로서 들 수 있다. 강화 섬유(3)를 보다 모노필라멘트형상에 가깝게 하는 수단으로서는, 건식 프로세스에 있어서는 개섬 바를 설치하는 방법이나 또한 개섬 바를 진동시키는 방법, 또한 카드의 눈을 파인으로 하는 방법이나 카드의 회전 속도를 조정하는 방법 등을 예시할 수 있다. 습식 프로세스에 있어서는 강화 섬유(3)의 교반 조건을 조정하는 방법, 분산액의 강화 섬유 농도를 희박화하는 방법, 분산액의 점도를 조정하는 방법, 분산액을 이송시킬 때에 와류를 억제하는 방법 등을 예시할 수 있다. 특히, 강화 섬유 매트는 습식 프로세스에서 제조하는 것이 바람직하며, 투입 섬유의 농도를 늘리거나 분산액의 유속(유량)과 메쉬 컨베이어의 속도를 조정하거나 함으로써 강화 섬유 매트의 강화 섬유(3)의 비율을 용이하게 조정할 수 있다. 예를 들면, 분산액의 유속에 대하여 메쉬 컨베이어의 속도를 느리게 함으로써 얻어지는 강화 섬유 매트 중의 섬유의 배향이 인수 방향으로 향하기 어려워져 부피가 큰 강화 섬유 매트를 제조 가능하다. 강화 섬유 매트는 강화 섬유(3) 단체로 구성되어 있어도 좋고, 강화 섬유(3)가 분말형상이나 섬유형상의 매트릭스 수지 성분과 혼합되어 있거나, 강화 섬유(3)가 유기 화합물이나 무기 화합물과 혼합되어 있거나, 강화 섬유(3)끼리가 수지 성분으로 주목되어 있어도 좋다.
또한, 강화 섬유 매트에는 미리 수지(2)를 함침시켜 두고, 구조체 전구체로서 둘 수도 있다. 본 발명에 의한 구조체 전구체를 제조하는 방법으로서는 강화 섬유 매트에 수지(2)를 용융 또는 연화하는 온도 이상으로 가열된 상태에서 압력을 부여하고, 강화 섬유 매트에 함침시키는 방법을 사용하는 것이 제조의 용이함의 관점으로부터 바람직하다. 구체적으로는 강화 섬유 매트의 두께 방향의 양측으로부터 수지(2)를 배치한 적층물을 용융 함침시키는 방법이 바람직하게 예시할 수 있다.
상기 각 방법을 실현하기 위한 설비로서는 압축 성형기나 더블 벨트 프레스를 적합하게 사용할 수 있다. 배치식의 경우에는 전자이며, 가열용과 냉각용의 2기 이상을 병렬한 간헐식 프레스 시스템으로 함으로써 생산성의 향상이 도모된다. 연속식의 경우에는 후자이며, 연속적인 가공을 용이하게 행할 수 있으므로 연속 생산성이 우수하다.
본 발명에 의한 구조체(1)를 제조할 때에는 적어도 이하의 공정[1] 및 공정[2]에 의해 제조되는 방법을 채용하는 것이 제조의 용이함의 관점으로부터 바람직하다.
공정[1]: 수지(2)가 용융 또는 연화하는 온도 이상으로 가열된 상태로 압력을 부여하고, 수지(2)를 강화 섬유 매트에 함침시켜서 구조체 전구체를 제작하는 공정.
공정[2]: 구조체 전구체를 가열된 상태로 두께 조정을 함으로써 팽창시키는 공정.
공정[2]는 공정[1]에서 얻어진 구조체 전구체를 가열된 상태로 두께 조정을 함으로써 팽창시키는 공정이다. 이때 가열되는 온도는 구조체(1)를 구성하는 수지(2)가 열가소성 수지일 경우, 용융 또는 연화시키는데도 충분한 열량을 부여하는 것이 제조되는 구조체(1)의 두께 제어 및 제조 속도의 관점으로부터 바람직하며, 구체적으로는 용융 온도에 대하여 10℃ 이상 높고, 또한 열가소성 수지가 열분해 온도 이하의 온도를 부여하는 것이 바람직하다. 또한, 수지(2)로서 열경화성 수지를 사용할 경우, 가교 구조를 형성하여 경화하기 전의 열경화성 수지 원료를 용융 또는 연화시키는데도 충분한 열량을 부여하는 것이 제조되는 구조체(1)의 두께 제어 및 제조 속도의 관점으로부터 바람직하다.
두께 제어를 행하는 방법으로서는 가열되는 구조체 전구체를 목적의 두께로 제어할 수 있으면 방법에 의하지 않지만, 금속판 등을 사용하여 두께를 구속하는 방법, 구조체 전구체에 부여하는 압력에 의해 두께 제어하는 방법 등이 제조의 간편함의 관점으로부터 바람직한 방법으로서 예시된다. 상기 방법을 실현하기 위한 설비로서는 압축 성형기나 더블 벨트 프레스를 적합하게 사용할 수 있다. 배치식의 경우에는 전자이며, 가열용과 냉각용의 2기 이상을 병렬한 간헐식 프레스 시스템으로 함으로써 생산성의 향상이 도모된다. 연속식의 경우에는 후자이며, 연속적인 가공을 용이하게 행할 수 있기 때문에 연속 생산성이 우수하다.
강화 섬유 매트가 부직포상의 형태를 취하지 않는 예로서는 강화 섬유(3)가 한 방향으로 배열되어서 이루어지는 시트 기재, 직물 기재, 및 논크림프 기재 등이 있다. 이들의 형태는 강화 섬유(3)가 규칙적으로 빈틈없이 배치되기 때문에 강화 섬유 매트 중의 공극부가 적고, 열가소성 수지가 충분한 앵커링 구조를 형성하지 않기 때문에 그것을 코어 형성층으로 하면 접합 능력이 저하된다. 또한, 수지(2)가 열가소성 수지일 경우, 함침이 매우 곤란하게 되어 미함침부를 형성하거나 함침 수단이나 수지종의 선택지를 크게 제한하거나 한다.
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구조체(1)는, 예를 들면 「PC, 디스플레이, OA 기기, 휴대전화, 휴대 정보 단말, PDA(전자수첩 등의 휴대 정보 단말), 비디오카메라, 광학기기, 오디오, 에어컨, 조명 기기, 오락 용품, 완구 용품, 기타 가전제품 등의 하우징체, 트레이, 섀시, 내장 부재, 또는 그 케이스」 등의 전기, 전자 기기 부품, 「각종 멤버, 각종 프레임, 각종 힌지, 각종 암, 각종 차축, 각종 차륜용 베어링, 각종 빔」, 「후드, 루프, 도어 펜더, 트렁크 리드, 사이드 패널, 리어 엔드 패널, 프런트 보디, 언더 보디, 각종 필러, 각종 멤버, 각종 프레임, 각종 빔, 각종 서포트, 각종 레일, 각종 힌지 등의 외판, 또는 보디 부품」, 「범퍼, 범퍼 빔, 몰, 언더 커버, 엔진 커버, 정류판, 스포일러, 카울 루버, 에어로 파츠 등의 외장 부품」, 「인스트루먼트 패널, 시트 프레임, 도어 트림, 필러 트림, 핸들, 각종 모듈 등의 내장 부품」, 또는 「모터 부품, CNG 탱크, 가솔린 탱크」 등의 자동차, 이륜차용 구조 부품, 「배터리 트레이, 헤드 램프 서포트, 페달 하우징, 프로텍터, 램프 리플렉터, 램프 하우징, 노이즈 실드, 스페어 타이어 커버」 등의 자동차, 이륜차용 부품, 「차음벽, 방음벽 등의 벽 내부재」 등의 건재, 「랜딩 기어 폿, 윙렛, 스포일러, 엣지, 래더, 엘리베이터, 페이링, 리브, 시트」 등의 항공기용 부품을 들 수 있다. 역학 특성의 관점으로부터는 자동차 내외장, 전기·전자 기기 하우징체, 자전거, 스포츠 용품용 구조재, 항공기 내장재, 수송용 상자체, 건재에 바람직하게 사용된다. 그 중에서도 특히 복수의 부품으로 구성되는 모듈 부재에 적합하다.
[실시예]
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
(1) 구조체에 있어서의 강화 섬유의 체적 함유율 Vf
구조체의 질량 Ws를 측정한 후 구조체를 공기 중 500℃에서 30분간 가열하여 수지 성분을 태워 없애고, 남은 강화 섬유의 질량 Wf를 측정하여 다음 식에 의해 산출했다.
Vf(체적%)=(Wf/ρf)/{Wf/ρf+(Ws-Wf)/ρr}×100
ρf: 강화 섬유의 밀도(g/㎤)
ρr: 수지의 밀도(g/㎤)
(2) 구조체의 굽힘 시험
구조체로부터 시험편을 잘라내고, ISO178법(1993)에 따라 구조체 전체의 굽힘 탄성률을 측정했다. 또한, 제 1 부분과 제 2 부분에 대해서는 커터를 사용하여 잘라 나누어 각각에 대해서도 마찬가지로 굽힘 탄성률을 측정했다. 이들의 시험편은 임의의 방향을 0° 방향으로 했을 경우에 +45°,-45°, 90° 방향의 4방향에 대해서 잘라낸 시험편을 제작하여 각각의 방향에 대해서 측정 수 n=5로 하고, 산술 평균값을 굽힘 탄성률 Ec로 했다. 측정 장치로서는 "인스트론(등록 상표)" 5565형 만능 재료 시험기(Instron Japan Company, Ltd.제)를 사용했다. 얻어진 결과로부터 다음 식에 의해 구조체의 비굽힘 탄성률을 산출했다.
비굽힘 탄성률=Ec1 /3/ρ
(3) 구조체에 있어서의 강화 섬유의 배향 각도(θf)
구조체로부터 폭 25㎜의 소편을 잘라내고, 에폭시 수지에 포매한 후 시트 두께 방향의 수직 단면이 관찰면이 되도록 연마하여 시료를 제작했다. 시료를 레이저 현미경(KEYENCE CORPORATION제, VK-9510)으로 400배로 확대하여 섬유 단면상의 관찰을 행했다. 관찰 화상을 범용 화상 해석 소프트웨어상에 전개하고, 소프트웨어에 장착된 프로그램을 이용해서 관찰 화상 중에 보이는 개개의 섬유 단면을 추출하고, 섬유 단면에 내접하는 타원을 형성하여 섬유 단면의 형상을 근사했다(이후, 섬유 타원이라고 부른다). 또한, 섬유 타원의 장축 길이 α/단축 길이 β로 나타내어지는 애스펙트비가 20 이상인 섬유 타원에 대하여 면 방향(X)과 섬유 타원의 장축 방향이 이루는는 각을 구했다. 구조체의 상이한 부위로부터 추출한 관찰 시료에 대해서 상기 조작을 반복함으로써 합계 600개의 강화 섬유에 대해서 배향 각도를 측정하고, 그 산술 평균값을 강화 섬유의 배향 각도(θf)로서 구했다.
(4) 구조체의 비중 ρ
구조체로부터 시험편을 잘라내고, JIS K7222(2005)를 참고로 하여 구조체의 외관 비중을 측정했다. 시험편의 치수는 세로 100㎜, 가로 100㎜로 했다. 시험편의 세로, 가로, 두께를 마이크로미터로 측정하고, 얻어진 값에 의해 시험편의 체적 V를 산출했다. 또한, 잘라낸 시험편의 질량 M을 전자 천평으로 측정했다. 얻어진 질량 M 및 체적 V를 다음 식에 대입함으로써 구조체의 비중 ρ를 산출했다.
ρ[g/㎤]=103×M[g]/V[㎣]
(5) 구조체의 공극의 체적 함유율
구조체로부터 세로 10㎜, 가로 10㎜로 시험편을 잘라내고, 단면을 주사형 전자 현미경(SEM)(Hitachi High-Technologies Corporation.제 S-4800형)에 의해 관찰하여 구조체의 표면으로부터 등간격으로 10개소를 1000배의 배율로 촬영했다. 각각의 화상에 대해서 화상 내의 공극의 면적 Aa를 구했다. 또한, 공극의 면적 Aa를 화상 전체의 면적으로 제산함으로써 공극률을 산출했다. 구조체의 공극의 체적 함유율은 5매의 시험편에서 각각 10개소씩 촬영한 합계 50개소의 공극률로부터 산술 평균에 의해 구했다.
(6) 강화 섬유를 피복한 수지의 두께
구조체를 세로 10㎜, 가로 10㎜로 시험편을 잘라내고, 단면을 주사형 전자 현미경(SEM)(Hitachi High-Technologies Corporation.제 S-4800형)에 의해 관찰하고, 임의의 10개소를 3000배의 배율로 촬영했다. 얻어진 화상의 강화 섬유의 단면이 커팅된 임의의 50개소로부터 강화 섬유에 피복되어 있는 수지의 피복 두께를 측정했다. 강화 섬유를 피복한 수지의 두께로서는 이러한 50개소의 측정 결과의 산술 평균값을 사용했다.
[탄소 섬유 1]
폴리아크릴로니트릴을 주성분으로 하는 공중합체로부터 방사, 소성 처리, 및 표면 산화 처리를 행하고, 총 단사 수 12,000개의 연속 탄소 섬유를 얻었다. 이 연속 탄소 섬유의 특성은 다음에 나타내는 바와 같았다.
단섬유 지름: 7㎛
비중: 1.8
인장 강도: 4600㎫
인장 탄성률: 220㎬
[PP 수지]
미변성 폴리프로필렌 수지(Prime Polymer Co., Ltd.제 "PRIME POLYPRO"(등록 상표) J105G) 80질량%와, 산변성 폴리프로필렌 수지(Mitsui Chemicals, Incorporated제 "ADMER" QB510) 20질량%로 이루어지는 단위 면적당 질량 100g/㎡의 수지 시트를 제작했다. 얻어진 수지 시트의 특성을 표 1에 나타낸다.
[PA 수지]
나일론 6 수지(Toray Industries, Inc.제 "AMILAN"(등록 상표) CM1021T)로 이루어지는 단위 면적당 질량 124g/㎡의 수지 필름을 제작했다. 얻어진 수지 필름의 특성을 표 1에 나타낸다.
[PC 수지]
폴리카보네이트 수지(Mitsubishi Engineering-Plastics Corporation제 "LUPILON"(등록 상표) H-4000)로 이루어지는 단위 면적당 질량 132g/㎡의 수지 필름을 제작했다. 얻어진 수지 필름의 특성을 표 1에 나타낸다.
[PPS 수지]
폴리페닐렌술피드 수지(Toray Industries, Inc.제 "TORELINA"(등록 상표) M2888)로 이루어지는 단위 면적당 질량 147g/㎡의 수지 부직포를 제작했다. 얻어진 수지 부직포의 특성을 표 1에 나타낸다.
[에폭시 수지]
에폭시 수지로서 EPOTOHTO YD128(Tohto Kasei Co., Ltd.제)을 40질량부, EPOTOHTO YD128G(Tohto Kasei Co., Ltd.제)를 20질량부, EPIKOTE1001(Japan Epoxy Resins Co. Ltd.제)을 20질량부, EPIKOTE1009(Japan Epoxy Resins Co. Ltd.제)를 20질량부, 경화제로서 DICY7(Japan Epoxy Resins Co. Ltd.제, 디시안디아미드) 4질량부, DCMU99(HODOGAYA CHEMICAL CO.,LTD.제, 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아) 3질량부, 기타 첨가제로서 ⅥNYLEC K(CHISSO CORPORATION제, 폴리비닐포르말) 5질량부를 배합했다. 이제부터 나이프 코터를 사용하여 단위 면적당 질량 132g/㎡의 수지 필름을 제작했다. 얻어진 수지 필름의 특성을 표 1에 나타낸다.
[강화 섬유 매트 3]
탄소 섬유 1을 카트리지 커터로 6㎜로 커팅하여 촙 탄소 섬유를 얻었다. 물과 계면활성제(NACALAI TESQUE, INC.제, 폴리옥시에틸렌라우릴에테르(상품명))로 이루어지는 농도 0.1질량%의 분산액을 제작하고, 이 분산액과 촙 탄소 섬유를 사용하여 도 6에 나타내는 강화 섬유 매트의 제조 장치를 사용하여 강화 섬유 매트를 제조했다. 도 6에 나타내는 제조 장치는 분산조로서의 용기 하부에 개구 콕을 갖는 직경 1000㎜의 원통형상의 용기, 분산조와 초지조를 접속하는 직선형상의 수송부(경사각 30°)를 구비하고 있다. 분산조의 상면의 개구부에는 교반기가 부속되고, 개구부로부터 촙 탄소 섬유 및 분산액(분산매체)을 투입 가능하다. 초지조가 저부에 폭 500㎜의 초지면을 갖는 메쉬 컨베이어를 구비하는 조인 점 및 탄소 섬유 기재(초지 기재)를 운반 가능한 컨베이어를 메쉬 컨베이어에 접속하고 있다. 초지는 분산액 중의 탄소 섬유 농도를 0.05질량%로서 행했다. 초지한 탄소 섬유 기재는 200℃의 건조로에서 30분간 건조하고, 강화 섬유 매트 3을 얻었다. 얻어진 단위 면적당 질량은 50g/㎡이었다. 얻어진 강화 섬유 매트 3의 특성을 표 2에 나타낸다.
[강화 섬유 매트 5]
탄소 섬유 1을 카트리지 커터로 25㎜로 커팅하여 촙 탄소 섬유를 얻었다. 얻어진 촙 탄소 섬유를 80㎝ 높이로부터 자유 낙하시켜서 촙 탄소 섬유가 랜덤하게 분포된 강화 섬유 매트 5를 얻었다. 얻어진 강화 섬유 매트 5의 특성을 표 2에 나타낸다.
(참고예 1)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 3, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작했다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅴ)를 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 5에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 금속 스페이서를 삽입하고, 구조체를 얻을 때의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅳ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅴ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(실시예 21)
참고예 1과 마찬가지의 강화 섬유 매트 및 수지 시트를 사용하여 참고예 1과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 5에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 두께가 1.2㎜인 스페이서를 삽입하고, 5초간 유지했다.
(Ⅳ) 그 후 구조체를 얻을 때의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅴ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅵ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(실시예 22)
참고예 1과 마찬가지의 강화 섬유 매트 및 수지 시트를 사용하여 실시예 21과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 5에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 두께가 2.0㎜인 금속 스페이서를 삽입하고, 20초간 유지했다.
(Ⅳ) 그 후 구조체를 얻을 때의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅴ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅵ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(실시예 23)
참고예 1과 마찬가지의 강화 섬유 매트 및 수지 시트를 사용하여 실시예 21과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 5에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단으로부터 중심에 걸쳐서 등간격으로 두께가 2.3㎜인 금속 스페이서를 삽입하고, 20초간 유지했다.
(Ⅳ) 그 후 금형 캐비티를 해방하고, 공정(Ⅲ)에 있어서, 금속 스페이서의 접촉하지 않는 부분의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅴ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅵ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(실시예 24)
수지 시트를 PP 수지로부터 PA 수지로 대신하고, 공정(I)에 있어서의 예열 온도를 230℃로부터 260℃로 대신했다. 기타 공정(Ⅳ)에 있어서의 캐비티 온도를 50℃로부터 60℃로 대신하고, 공정(Ⅲ)에 있어서의 금속 스페이서의 두께를 변경한 이외에는 실시예 21과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 5에 나타낸다.
(실시예 25)
수지 시트를 PP 수지로부터 PPS 수지로 대신하고, 공정(I)에 있어서의 예열 온도를 230℃로부터 300℃로 대신했다. 공정(Ⅳ)에 있어서의 캐비티 온도를 50℃로부터 150℃로 대신하고, 공정(Ⅲ)에 있어서의 금속 스페이서의 두께를 변경한 이외에는 실시예 21과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 5에 나타낸다.
(실시예 26)
수지 시트를 PP 수지로부터 PC 수지로 대신하고, 공정(I)에 있어서의 예열 온도를 230℃로부터 300℃로 대신하고, 공정(Ⅳ)에 있어서의 캐비티 온도를 50℃로부터 80℃로 대신한 이외에는 실시예 21과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 5에 나타낸다.
(실시예 27)
수지 시트를 PP 수지로부터 에폭시 수지로 대신하여 실시예 21과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체에서는 단면 관찰로부터 강화 섬유를 기둥형상의 지지체로 한 공극이 확인되었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 5에 나타낸다.
(I) 적층물을 150℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 3㎫의 압력을 부여하고, 20초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 두께가 1.2㎜인 스페이서를 삽입하고, 5초간 유지했다.
(Ⅳ) 그 후 구조체를 얻을 때의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅴ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅵ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
(비교예 11)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 3, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작했다. 이어서, 실시예 21에 있어서의 공정(Ⅲ)에 있어서 금속 스페이서를 사용하지 않은 이외에는 실시예 21과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 6에 나타낸다.
(비교예 12)
강화 섬유 매트 3을 70매 적층 축적하고, 그것을 PP 수지에 끼워넣어 적층물을 제작했다. 이어서, 실시예 21에 있어서의 공정(Ⅲ)에 있어서, 금속 스페이서를 두께 3.4㎜로부터 두께 3.2㎜로 대신한 이외에는 실시예 21과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 6에 나타낸다.
(비교예 13)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 5, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작했다. 이어서, 실시예 21에 있어서의 공정(Ⅲ)에 있어서 금속 스페이서를 두께 3.4㎜로부터 두께 1.4㎜로 대신한 이외에는 실시예 21과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 6에 나타낸다.
(비교예 14)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 5, 수지 시트로서 PP 수지를 [수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트/수지 시트/강화 섬유 매트/강화 섬유 매트/수지 시트]의 순서로 배치한 적층물을 제작했다. 이어서, 실시예 21에 있어서의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻은 이외에는 실시예 21과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 6에 나타낸다.
(비교예 15)
강화 섬유 매트로서 강화 섬유 매트 5를 사용한 이외에는 실시예 21과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 6에 나타낸다.
(비교예 16)
실시예 21에 있어서의 공정(I), (Ⅲ)만을 거친 성형체를 금형으로부터 인출하여 공랭하는 것으로 대신한 이외에는 실시예 21과 마찬가지로 하여 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 6에 나타낸다.
(비교예 17)
실시예 21과 마찬가지의 강화 섬유 매트 및 수지 시트를 사용하여 실시예 21과 마찬가지로 적층물을 얻었다. 이어서, 이하의 공정(I)~(Ⅵ)을 거침으로써 구조체를 얻었다. 얻어진 구조체의 특성을 표 6에 나타낸다.
(I) 적층물을 230℃로 예열한 프레스 성형용 금형 캐비티 내에 배치하여 금형을 폐쇄한다.
(Ⅱ) 이어서, 120초간 유지한 후 3㎫의 압력을 부여하고, 60초간 더 유지한다.
(Ⅲ) 공정(Ⅱ) 후, 금형 캐비티를 개방하고, 그 말단에 두께가 1.8㎜인 스페이서를 삽입하고, 20초간 유지했다.
(Ⅳ) 그 후 구조체를 얻을 때의 두께가 3.4㎜가 되도록 조정한다.
(Ⅴ) 그 후 다시 금형 캐비티를 체결하고, 압력을 유지한 상태로 캐비티 온도를 50℃까지 냉각한다.
(Ⅵ) 금형을 개방하여 구조체를 인출한다.
[검토]
본 실시예가 구조체의 두께 St가 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족함으로써 비굽힘 탄성률과 굽힘 탄성률의 절대값의 밸런스가 우수한 것이 명확하다. 또한, 수지종을 변경한 실시예 24, 25, 26에 대해서도 마찬가지의 것을 말할 수 있다. 한편, 비교예 11에 있어서는 강화 섬유 매트와 수지를 실시예 21과 마찬가지로 했지만, 공극이 없음으로써 비굽힘 탄성률을 만족할 수 없었다. 비교예 12에 있어서는 수지 및 공극의 체적 비율을 조정했지만, 강화 섬유 매트의 체적 비율과의 밸런스가 나빠 굽힘 탄성률이 낮아졌다. 강화 섬유의 주위로의 수지에 의한 피복이 형성되지 않았기 때문으로 추찰한다. 비교예 13에 있어서는 굽힘 탄성률이 낮아졌다. 이것은 대략 모노필라멘트형상이 아닌 강화 섬유를 사용했기 때문이며, 비교예 14에 있어서 구조체의 두께를 변경했지만 개선되는 일은 없었다. 비교예 15에 있어서는 강화 섬유의 섬유 길이를 길게 했기 때문에 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족할 수 없었다. 이에 따라 굽힘 탄성률의 절대값을 만족할 수 없었다. 비교예 16에 있어서는 강화 섬유의 주위를 수지가 피복하지 않고, 강화 섬유의 교차하는 점에 수지가 국재화했기 때문에 강화 섬유, 수지, 및 공극의 함유량은 만족했지만, 굽힘 탄성률의 절대값이 낮아 결과적으로 비굽힘 탄성률의 값을 만족할 수 없었다. 비교예 17에 있어서는 표면에 높은 비중, 중심 부분에 낮은 비중의 영역을 형성하고, 그 두께 비율은 양쪽 표면과 중심이 1:1의 관계가 되었다. 비교예 17의 굽힘 특성을 평가했지만, 구조체의 표면의 공극을 갖는 영역과 중심의 공극을 갖는 영역의 두께 비율의 밸런스가 나쁘기 때문에 중심 부분의 높은 공극률을 갖는 층의 특성이 지배적이게 되어 소망의 특성을 얻을 수 없었다.
(산업상 이용가능성)
본 발명에 의하면 강성 및 경량성이 우수한 구조체를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 경량성 및 역학 특성이 우수한 구조체를 제공할 수 있다.
1: 구조체 2: 수지
3: 강화 섬유 4: 공극
3: 강화 섬유 4: 공극
Claims (16)
- 수지와, 강화 섬유와, 공극으로 이루어지는 구조체로서,
상기 수지의 체적 함유율이 2.5체적% 이상, 85체적% 이하의 범위 내에 있으며,
상기 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5체적% 이상, 55체적% 이하의 범위 내에 있으며,
상기 공극이 10체적% 이상, 97체적% 이하의 범위 내의 비율로 상기 구조체 중에 함유되고,
상기 강화 섬유의 길이를 Lf, 상기 구조체의 단면 방향에 있어서의 상기 강화 섬유의 배향 각도를 θf로 했을 때 상기 구조체의 두께 St가 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족하고,
상기 강화 섬유의 배향 각도(θf)가 3° 이상 60° 이하이고,
상기 구조체의 굽힘 탄성률을 Ec, 상기 구조체의 비중을 ρ로 했을 때 Ec1/3·ρ-1으로서 나타내어지는 상기 구조체의 비굽힘 탄성률이 3 이상, 20 이하의 범위 내에 있으며, 또한 상기 구조체의 굽힘 탄성률 Ec가 3㎬ 이상인 것을 특징으로 하는 구조체. - 수지와, 강화 섬유와, 공극으로 이루어지는 구조체로서,
상기 수지의 체적 함유율이 2.5체적% 이상, 85체적% 이하의 범위 내에 있으며,
상기 강화 섬유의 체적 함유율이 0.5체적% 이상, 55체적% 이하의 범위 내에 있으며,
상기 강화 섬유가 불연속이며, 모노필라멘트형상이고, 또한 랜덤하게 분산되어 있으며,
상기 공극이 10체적% 이상 97체적% 이하의 범위 내의 비율로 상기 구조체 중에 함유되고,
상기 강화 섬유의 길이를 Lf, 상기 구조체의 단면 방향에 있어서의 상기 강화 섬유의 배향 각도를 θf로 했을 때 상기 구조체의 두께 St가 조건식: St≥Lf2·(1-cos(θf))를 만족하고,
상기 구조체의 굽힘 탄성률을 Ec, 상기 구조체의 비중을 ρ로 했을 때 Ec1/3·ρ-1에 의해 나타내어지는 상기 구조체의 제 1 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률이 1 이상, 3 미만의 범위 내에 있으며, 상기 구조체의 상기 제 1 부분과 다른 제 2 부분에 있어서의 비굽힘 탄성률이 3 이상, 20 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항에 있어서,
상기 구조체의 굽힘 탄성률 Ec가 6㎬ 이상인 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 2 항에 있어서,
상기 구조체의 상기 제 2 부분의 굽힘 탄성률 Ec가 6㎬ 이상인 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 2 항에 있어서,
상기 구조체의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분이 상기 구조체의 두께 방향이 상이한 위치에 존재하는 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 2 항에 있어서,
상기 구조체의 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분이 상기 구조체의 면 방향이 상이한 위치에 존재하는 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구조체의 비중 ρ가 0.9g/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구조체의 표면으로부터 두께 방향의 중점 위치까지의 30% 이내의 부분에 있어서의 공극률이 0체적% 이상, 10체적% 미만의 범위 내에 있으며, 나머지 부분의 공극률이 10체적% 이상, 97체적% 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 섬유는 상기 수지에 피복되고 있으며, 상기 수지의 두께가 1㎛ 이상, 15㎛ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 섬유가 불연속이며, 모노필라멘트형상이고, 또한 랜덤하게 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구조체 중에 있어서의 상기 강화 섬유의 배향 각도(θf)가 3° 이상인 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 섬유의 질량 평균 섬유 길이가 1㎜ 이상, 15㎜ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 섬유가 탄소 섬유인 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수지가 적어도 1종류 이상의 열가소성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수지가 적어도 1종류 이상의 열경화성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 구조체는 단독으로 사용되는 것을 특징으로 하는 구조체.
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