KR940006643B1 - 섬유 강화 열가소성 물질 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

섬유 강화 열가소성 물질 및 이의 제조방법

제1도는 본 발명의 생성물을 제조하는 방법을 도식적으로 나타낸 것이다.

제2a도, 제2b도 및 제2c도는 가열된 압출기 헤드의 측단면도. 제1도에 나타낸 슬롯 오리피스의 평면도및 슬롯의 단면에 대한 확대도를 나타낸 것이다.

제3도는 강화 필라멘트간의 열가소성 중합체의 대표적인 유동 패턴의 개요도를 나타낸 것이다.

제4도는 중합체로 피복된 필라멘트를 나타내는 제2a도의 선 4-4를 따라 취한 압출기 헤드의 도식적인 단면도를 나타낸 것이다.

제5도 및 제6도는 본 발명의 제품에 대한 섬유 분포를 나타내는 예시도를 나타낸 것이다.

본 발명은 섬유 강화 열가소성 물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

섬유 강화 플라스틱 구조물은 이의 대용물인 목재 또는 금속 구조물에 비해서 강도가 크고 중량이 가벼우며 또한 성형가공이 용이하기 때문에 수년동안 성공적으로 사용되어 왔다. 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드섬유 등의 섬유는 강화재로서 흔히 사용되며, 또한 폴리에스테르, 페놀 및 에폭시와 같은 열경화성 수지는 통상의 중합체 매트릭스이다.

연속 필라멘트로 강화된 중합체 물질은 가능하면 최고의 강도와 최저의 중량을 요구하는 항공 우주부품과 같은 고응력 부분의 전구체로서 사용된다. 이러한 고응력 부분을 포함하는 물질이 불균일하면 이 부분은 가장 약한 부분도 사용요건을 능가하도록 과도하게 구성시킬 필요가 있다. 전구물질이 보다 균일하면 특성의 변화가 적은 부품을 제공할 것이며 또한 이러한 부분을 설계 기준에 맞춰 보다 효율적으로 제조하도록 할것이다.

가장 중오한 요건은 각각의 강화 섬유가 모든 표면에서 중합체 매트릭스로 피복되어야 하고 매트릭스가 공극이 없어야 하며 또한 섬유가 매트릭스 전체에 가능한 균일하게 분포되어야 한다는 것이다. 종래, 섬유의 피복은, 저점도 열경화성 물질 또는 열경화성 또는 열가소성 물질의 용액을 사용하여, 매트릭스 물질이 저점도 및 저표면장력으로 인해 강화 섬유속(bundle of reinforcing fiber)으로 침투하도록 하여 거의 모든섬유가 완전히 피복되도록 하는 방식으로 수행되어 왔다. 그러나 저점도 물질은, 특히 섬유가 건조 또는 경화 도중에 장력을 받을 경우 또는 수평한 섬유속(纖維束)에 중력이 작용하는 경우, 섬유속으로부터 새어나와 축적되어 수지 과잉부를 형성하는 결점이 있다. 그외에 용액 피복은 용매가 증발된 후에 공극 또는 수지부족 영역을 남기는 결점도 있다. 불균일하게 피복된 섬유 그룹을 시험봉으로 만들어 응력을 가하여 파손시키는 경우, 수지 과잉부 또는 공극에서 파손이 시작되는 경향이 있다.

비록 열경화성 중합체 매트릭스가 널리 사용되고 있을 지라도, 이들 매트릭스는 가열 및 가압하에 고화시키는데 상당한 시간을 요구하기 때문에 고속으로 부품을 제조하는 데는 적합하지 않다. 섬유/매트릭스 물질 또는 소위 프리프레그(pre-preg) 물질의 보존 수명을 연장시키기 위해서는 냉각시키지 않으면 안된다. 더우기 잘못 형성된 부분 또는 깎아낸 과잉부는 회수하여 재사용할 수 없다.

열가소성 중합체 매트릭스는 성형온도로 예열할 수 있고 또한 물질을 응고시킨 다음 변형시키지 않고 부품을 금형으로부터 꺼낼 수 있는 온도로 매트릭스를 냉각시키기에 충분한 시간 동안 압출시킬 수 있기 때문에 잠재적으로 고속 생산에 적합하다. 또한, 잘못 형성된 부품을 재성형시킬 수 있고 조각을 회수하여 재사용할 수 있기 때문에 폐기물의 비용이 크게 감소된다.

그러나, 열가소성 매트릭스를 섬유속에 균일하게 도포하는 것은 아주 어렵다. 이러한 물질은 이의 융점이상의 온도에서 점도가 높으며, 또한 점도를 낮추기 위하여 과도하게 가열하는 경우에는 급속하게 열화(분해)된다. 지점도 열가소성 중합체 물질을 사용하면 저강도 부품이 수득되므로, 통상적으로 가능한 한 가장높은 매트릭스 강도와 강인성이 요구된다. 이러한 특성은 장쇄 분자와 고용융점도를 갖는 고분자량 중합체물질의 특징이다.

섬유 강화 열가소성 중합체 복합체를 제조하는 하나의 공지 방법에 따라, 평행한 강화 연속 필라멘트 시이트를 두개의 열가소성 필름 사이에 놓고, 열과 압력을 사용하여 용융된 열가소성 물질을 필라멘트 사이에 도입시켜 필라멘트의 모든 측면을 완전히 피복한다. 필름의 두께를 조절하여 강화 필라멘트 : 매트릭스 중합체의 목적하는 비를 제공한다. 필라멘트의 단일 도포층이 사용되는 경우, 목적은 적합하게 달성될 수 있지만, 실제적인 두께를 갖는 제품을 만들기 위해 많은 층이 필요하다. 다층 필라멘트를 사용하여 실비로 더 두꺼운 배열물을 만들 경우, 압력은 건조 필라멘트를 압축시켜 이들 필라멘트 사이의 간극을 밀폐시키고 열가소성 고분자 물질이 괴(mass)의 중앙에 침투하는 것을 막아준다. 필라멘트 층이 많이 존재할수록 중앙필라멘트는 수지로 불충분하게 피복되며, 표면층은 수지가 과잉 상태로 된다. 열가소성 수지는 열팽창계수가 크므로, 이들이 냉각될 때 수축하면서, 수지 과잉부는 복합제품에 잔류 열 응력과 응력 집중을 일으켜 조기파손을 야기할 수 있다.

필라멘트의 거의 모든 면에 대하여 상대 점도가 50이상인 2층 이상의 열가소성 중합체에 배열되어 복합체를 형성하는 연속 필라멘트 배열물을 포함하며 강화 섬유가 이전에 얻을 수 있는 것보다 중합체에 더욱 균일하게 분포되어 있고 수지 과잉부가 이전에 얻을 수 있는 것보다 더 적은 열가소성 중합체 매트릭스를 갖는 섬유 강화 구조물 제조용 전구물질이 밝혀졌다. 복합체중의 필라멘트의 분포 균일성 복합체 응고방향의섬유속간의 질량 평균 길이(L): 이의 수직 방향에서의 섬유속 간의 질량 평균 길이의 비로 측정하며, 이 비는 본 명세서에서 기술된 시험방법으로 측정하면 약 0.5 내지 약 1.0이다. 양 방향에서의 L값은 표 I에 나타낸 값보다 작다.

[표 1]

필라멘트는 복합물질의 약 50 내지 75용적%를 구성한다.

복합물질은 장방향 횡단면의 리본과 같은 형태일 수 있으며 또한 소정의 폭을 가질 수 있다. 또한, 다수개의 리본을 함께 열접착시켜 더 큰 폭으로 합체시킬 수 있으며 또한, 마찬가지로 다수개의 층을 적층시켜 두께를 증가시킬 수도 있다. 다르게는, 복합물질을 가열하는 동안 생성물을 트위스트하여 만든, 타원형 또는 원형 횡단면을 가질 수 있다. 이러한 복합 물질은 높은 굴곡 강성이 요구되는 곳에 사용될 수 있다.

섬유 강화 복합물질은 장력이 걸린 채 예열된 연속 필라멘트의 섬유속 배열물을 측벽부를 갖는 가열된 압출기 헤드와 아치형으로 활주접촉시키면서 통과시키고, 상대점도가 50이상인 열가소성 중합체를 배열물의 한쪽 면에 대하여 수직 방향인 슬롯 오리피스로부터 배열물 속으로 또는 배열물을 통하여 주입한 다음, 필라멘트 섬유속 사이의 공기를 방출시키고, 배열물의 다른쪽 면에 불규칙한 중합체 볼록부를 형성시키며, 이때 섬유속은 중합체가 장력에 의해서만 구속되면서 섬유속 사이를 횡단하는 동안 중합체와는 별도로 자유로이 이동하는 방법에 의해서 제조된다. 중합체 압출속도와 섬유속 전진속도를 조절하여 섬유속 : 중합체의 목적하는 비를 제공한다.

가열된 압출기 헤드의 아치형 표면은 반경이 1.0inch이며 필라멘트는 슬롯 오리피스 위를 통과하기 전에는 5°이상으로, 슬롯 오리피스 위를 통과하기 전에는 5°이상으로,그리고 슬롯 오리피스 위를 통과한 후에는 20°이상으로 아치형 표면과 접촉하는 것이 바람직하다.

압출기 헤드에 접근하는 섬유속은 배열물 속으로 주입되는 특정 중합체의 융점 이상의 온도로 예열되는 것이 바람직하다.

계속하여 피복된 필라멘트 속(束)을 중합체의 용융 온도로 또는 용융온도 이상으로 가열된 하나 이상의 아치형 표면에서 장력하에 통과시킬 수 있으며, 이때 이러한 표면의 적어도 제1면은 압출기 헤드의 아치형표면과 접촉되는 측면의 반대 측면의 피복된 필라멘트 속과 접촉하는 것이 바람직하다. 피복된 필라멘트 속은 이러한 표면과 접촉하기 전에 예열시킬 수 있다. 가열된 표면은 치수가 압출기 헤드의 측벽부와 유사한 측벽부를 가질 수 있으며 압출기 헤드와 유사한 내마모성 피막을 가질 수 있다.

필라멘트 속이 압출기 헤드를 통과할 때 필라멘트 속에 대한 장력은, 측면에서 중합체의 유출을 막고 중합체를 속(束) 사이로 흘려보내기 위하여, 압출기 헤드의 측면 및 표면과 속이 밀접한 접촉을 유지하도록하기에 적어도 충분해야 한다. 데이너당 약 1.5 내지 5.0g의 장력이 적합하며, 이러한 범위의 낮은 장력은 더 낮은 상대점도의 중합체를 사용하는 생성물에 적합하고, 높은 장력은 더 높은 상대점도의 중합체에 적합하다. 일반적으로 섬유 배합량이 낮은 생성물은 소정의 중합체 상대 점도에서 섬유 배합량이 높은 경우보다 더 낮은 장력을 필요로 한다.

생성물은 권취하여 미리 적층된 층에 물질을 접착시키면서 가열하여 섬유 강화 파이프, 압력 용기 및 이와 유사한 원통형 또는 구형 제품을 제조하는 필라멘트 권취 공정에 직접 사용할 수 있다. 또한, 길이 방향으로 절단한 다음 금형에 충전시켜 상술한 시험봉과 유사한 물체를 제조할 수도 있다. 기타 용도는 쉽게 알수 있을 것이다.

어떠한 연속 강화 필라멘트도 사용할 수 있지만 유일한 요건은 강화 필라멘트의 융점 또는 연화점이 용융된 열가소성 매트릭스의 온도 및 복합 부분을 형성시키는데 사용되는 온도를 초과해야 한다는 것이다. 유리, 탄소, 흑연 및 아라미드가 본 발명에 사용하는데 적합한 필라멘트의 예이다.

약 60 내지 70용적%의 섬유를 함유하는 섬유 강화 복합체를 다른 기술로 제조할 수 있지만, 이는 균일성이 열등한 반면, 본 발명의 방법은 55용적% 이하의 섬유를 포함하는 복합체를 제조하는데 특히 적합하다. 저점도 열경화성 물질 또는 용액은 과잉의 중합체가 존재할 경우 섬유의 이상적인 분포로부터 벗어나거나 변위되기 쉽다. 한편, 본 발명의 중합체의 고점도 및 성형후 생성물의 급냉은 섬유 배합량이 낮을 경우에도 본 발명에 의해 제조되는 중합체에 섬유의 양호한 분포성을 제공한다.

다른 방법보다 이러한 함침방법의 한 가지 이점은 강화 필라멘트 속 사이에 갇힌 공기가 전진하는 중합체 앞에서 방출됨으로써 공극의 발생원이 제거된다는 것이다. 압력 로울보다 이 방법의 이점은 특히 섬유가 서로 평행하지 않거나 교차될 경우 강화 섬유, 특히 유리섬유 및 탄소섬유와 같은 강성 섬유를 손상하지 않는다는 것이다.

제1도에서, 강화 필라멘트(10)는 바람직하게는 필라멘트의 전면을 억제하는 트위스트 삽입을 막기 위해 롤링 인취에 의해 패키지(12)로부터 인취되며, 이때 필라멘트는 로울(14)에서 함께 접속된 다음 구동 로울 또는 적합한 장력 조절장치(26) 주위로 인도된다. 어떠한 형태든 취할 수 있으나 바람직하게는 접촉되지 않는 가열기(18)는 목적하는 용적의 섬유 배합량(섬유+중합제의 %로서의 섬유의 융적)을 제공할 수 있도록 단위시간당 헤드(20)를 통과시키는 필라멘트(10)의 용적과 상호관련된 속도로 압출기(22)에 의해 압출기 헤드(20)에 공급되는 중합체의 온도 부근의 온도로 필라멘트(10)를 예열한다. 필라멘트(10)는 로울(24)에 의해 가열된 압출기 헤드(20)위로 인도되면서 장력을 받는다. 헤드(20)의 상부 전개장치(26)는 필라멘트를 균일하게 전개시키기 위하여 사용될 수 있다. 용융된 열가소성 중합체는 헤드(20)에서 전개된 필라멘트 형태로 주입되고, 로울(24) 주위를 통과한 후 피복 필라멘트는 가열기(31)를 통과하여 압출기 헤드(20)에서 피복된 생성물을 다시 가열한 다음 곧바로 삽입된 열저항부재(도시되지 않음)에 의해 중합체의 융점 이상의 온도로 가열되는 곡선형 평활 헤드(32)위를 통과한다. 평활 헤드(32)는 바람직하게는 헤드가 슬롯 오리피스를 갖지 않는 것 외에는 압출기 헤드(20)와 유사한 형태이다.

그후, 피복된 필라멘트를 헤드(32)에서 목적하는 장력을 유지시키는데 적합한 속도로 구동되는 로울(36)위를 통과시킨 다음, 추가로 가공(도시되지 않음)하기 위해 권취 장치 또는 다른 장치로 이송시킨다.

제2a도, 제2b도 및 제2c도에서,2이상의 층 및 원하는 소정의 치수 폭으로 전개된, 장력을 받은 채로 예열된 필라멘트(10)는 사용되는 중합체의 융점 이상의 온도로 가열된 압출기 헤드(20)의 아치형 표면(21) 위로 인도된다. 중합체(23)는 속(束)으로 형성된 필라멘트(10) 배열물에 대하여 슬롯 오리피스(25)를 통하여 압출되며, 여기서 속(束)은 장력에 의해 구속되지만, 중합체(23)가 속 사이를 이동할때 중합체는 별도로 자유로이 움직임으로써 공기를 필라멘트 사이에서 배출시키고 중합체의 유동 저항성을 저하시킨다(참조:제3도). 헤드(20)의 출구 단부와 헤드를 통과한 피복 필라멘트(30)간의 각도(27)는 모든 중합체가 피복 필라멘트와 함께 헤드(20)를 이탈할 수 있도록 90°이상인 것이 바람직하다. 압출기 헤드(20)의 측벽부(29)는 제2c도에 도시되어 있는 바와 같이 약간의 각도를 이룰 수 있다. 아치형 표면(21)과 측벽부(29)는 바람직하게는 질화티탄 또는 산화알루미늄과 같은 경질 내마모성 물질로 피복하거나 전체 마모표면을 세라믹 인서트(lnsert)로 만들 수도 있다.

제4도는 압출방향의 반대쪽에서 본 생성물의 측면 확대도이다. 중합체는 통상적으로는 필라멘트(10)에 평행한 방향으로 신장되고 폭 방향으로 분포되어 있는 분산된 이랑부 또는 불록부(31)로 측면으로 돌출되어있다. 이랑부 간의 일부 필라멘트는 완전히 피복되어 있지 않는다. 또한, 볼록부(31)는 크기가 다르지만, 이러한 편차는 필라멘트가 압출기 헤드에 접근하면서 필라멘트 배열에 있어서의 균일성이 개선됨으로써 최소화될 수 있다. 볼록부의 위치는 생성물의 길이를 따라 변한다. 볼록부에서의 중합체의 양은 복합부분을 성형하는 동안 볼록부 내의 중합체를 재분포시킬때 생성물 측면상의 모든 필라멘트를 완전히 피복하는데 필요한 양이 바람직하다.

볼부는 제1도에 도시되어 있는 평활 헤드(32)와 같은 수단에 의해 표면(31)을 따라 균일하게 전개된다.

이하 기술하는 섬유 분포의 균일성을 측정하는 시험은 디지탈 주사 마이크로덴시토미터(Model P1000Photoscan , 제조원 Optronics International, chelmsford, Masachusetts) 로 섬유배열에 직각인 횡단면의 샘플 사진을 40배 배율로 검사하는 것을 포함한다.

섬유 분포의 균일성

[수지 과잉 부분의 존재]

시험봉의 극히 얇은 단면(두께 약 25μ)을 문헌[참조 : Costas, L. P., "The use of Petrographic Thin Sectioning Techniques for Corrosion Studies", Microscope(1981) 29,147-152]에 기재되어 있는 암석절단법으로 제조한다. 그 후, 단면을 시험봉의 총 단면적의 약 50%를 나타내는 4개의 다른 위치에서 비추는 광에 의해 40배로 확대하여 촬영한다. 탄소 필라멘트를 사용하는 경우, 필라멘트는 밝은 (중합체) 바탕에 어둡게 나타난다.

12cm×12cm 현미경 사진 위의 화점(picture point)의 확산 반사 밀도를 측정하는 디지탈 주사 마이크로덴시토미터는 수지 과잉부의 존재를 측정하기 위하여 사용된다. 각각의 화점은 200㎛²이고 측정치는 256중의 1부로 계수한다. 각각의 현미경 사진을 주사하고 반사능 측정치를 디스크에 계수한다. 데이타를 처리하기 위해 특정 연산(feature algorithm)을 사용한다.

밝은 부분과 어두운 부분을 통해하는 광 투과에 속하는 한계는 각각의 부분을 주사할 경우 계기가 "온"또는 "오프"를 기록할 수 있도록 선택된다. 정방형 스폿 윈도우(square spot window)는 200×200μ이다. 8μ섬유의 40배 확대 사진을 주사할 경우, 섬유에 대한 윈도우의 관계는 섬유 또는 섬유속을 나타내는 원(10)에 대한 제5도의 정사각형(40)의 관계와 같다.

제5도에서, 모든 원형 섬유속(10)이 동일한 간격(즉, 이상적인 혼합)으로 있을 경우, 각각의 섬유속 단부를 가로지르는 주사선의 길이와 섬유속 단부 X₁간의 매트릭스 이면부이 길이는 둘 다 길이가 짧고 크기가 유사하다. 혼합성은 제6도에 도시되어 있는 바와 같이 탁월한 혼합으로부터 더 이탈되기 때문에 섬유속 단부와 교차되는 펄스 길이는 늘어나지만, 이면 메트릭스 주사길이 X₂만큼 크지는 않다. 따라서, 섬유속간의 질량 평균 길이(mas mean length) "L"은 다음과 같이 계산한다.

섬유 분포의 차이를 강조하기 위해 X₁값은 4제곱하고 이 값을 3제곱한 값의 합으로 나눈다. 이 값은 시험편의 대표적인 부분의 사진 4장 각각의 전체 영역에서 합한다. 각각의 사진은 2개의 수직방향, 즉 복합체 응고방향(방향 1) 및 이의 수직방향(방향 2)으로 주사하고, L값을 각각의 방향에서 측정한다.

이것은 복합체에서 수지 과잉부의 빈도 및 정도에 대한 척도이다. 제5도 및 제6도는 본 발명의 생성물을 나타낸 것이다.

담색 또는 반투명 섬유가 사용되는 경우, 섬유와 매트릭스간의 적당한 콘트라스트를 제공하기 위하여 섬유 또는 중합체성 매트릭스를 암색으로 염색하거나 소량의 카본 블랙을 압출 전에 중합체에 혼합할 수 있다. 매트릭스가 암색인 경우, 주사기(scanner)를 밝은 부분간의 거리를 탐지하도록 조정하거나 네가티브 사진을 주사할 수 있다.

[상대 점도]

중합체의 상대점도를 측정하는 표준 방법은 선행 기술분야, 예를 들면, 미합중국 특허 제3,511,815호에 기술되어 있다. 본 측정법에 사용되는 용매는 포름산과 페놀의 혼합물이다.

[복합 시험편의 제조]

중합체로 피복된 강화 필라멘트를 5.9inch의 길이로 절단하고, 굴곡 시험을 위해 응고후 0.125inch의 깊이로 6.0×0.5inch의 금형을 충전시키는데 충분한 수의 압축시험용 시험편 0.040 또는 0.100inch를 계량하여 길이 방향에 평행한 금형 속으로 삽입한다. 이어서, 금형을 295 내지 300℃로 예열하고,6×0.5inch의 플런저(plunger)를 금형에 하강시킨 다음, 재료를 850psi의 압력하에 30분간 동안 응고시킨다. 그 후, 시험편을 금형으로부터 제거하여 냉각시킨 다음, 과잉량의 중합체를 잘라낸다. 각각의 시험편을 측정한 다음, 계량하여 밀도와 응고의 완성도를 평가한다.

[최종 인장강도]

30°앤드 테이퍼(end taper)를 갖는 1.5×0.5inch의 알루미늄 탭을 탭 사이에 3.0inch 떨어진 시험편의 각각의 단부에 접착시킨다. 인장시험은 사실상 ASTM-D-3039에 기술되어 있는 바와 같이 0.05inch/분의 크로스헤드 속도로 수행한다.

[굴곡강도]

굴곡강도는 ASTM-0-790의 시험방법에 따라 측정한다.

[층간(쇼트비임) 전단강도]

"쇼트비임(short beam) 전단강도"로 알려진 층간 전단 강도는 ASTM-D-2344의 시험방법에 따라 측정한다. 4 : 1의 지름(span) 깊이의 비를 사용하고 3점에서 하중을 가한다.

[압출강도]

총 길이가 3.18 내지 3.19inch이고 폭이 0.5inch이며 두께가 0.10inch인 시험편을 만든다. 시험편의 중앙에 홈을 파서 길이 방향 치수가 0.188inch이고 잔류 물질의 두께가 0.045+0.005inch인 감소된 게이지면을 제공한다. 시험편을 크램프하여 ASTM-D-695에 따라 시험한다.

[실시예]

각각의 직경이 약 8μ인 3000필라멘트로 이루어진 카본사를 스팩(Speck)의 미합중국 특허 제3,393,210호에 기술되어 있는 바와 같이 열가소성 중합체, 즉 도데칸디오산과 비스(파라-아미노사이클로헥실)메탄으로부터의 폴리카본아미드로 피복하여 복합물질을 형성시킨다. 피복장치는 제1도 및 제2도에 도시되어 있다. 카본사의 공급 패키지를 하나만 사용한다. 이 사는 복합물질의 50 내지 75용적%를 구성한다.

샘플 5의 경우 복사 가열기를 사용하고 사 속도가 15.2ypm인 것 외에는, 사를 접촉 가열기 위로 7.2yard/분으로 통과시켜 약 280℃로 사를 예열시킨다. 압출기 헤드에 접근하는 사의 장력은 3800gms이고,압출기 헤드의 장력이 7300gms로 된 후 중합체 플레이크를 질소 퍼징된 호퍼 및 수냉 스로트(throat)가 달린 수직 압출기에 공급하면 중합체 플레이크가 용융되어 약 200psi의 압력 및 307 내지 320℃의 온도로 압출기 헤드에 용융 공급된다.

압출기 헤드의 반경은 1,00inch이고, 아치형 표면의 각도는 120°이며, 또한 표면(21)의 폭은 0.135inch이다. 슬롯 오리피스(25)의 길이 방향 치수는 0.127inch이고, 폭은 0 040inch이다.

샘플(1) 내지 (6)은 가열기(31)에서 재가열 없이 평활헤드(32)를 지나거나, 압출기 헤드(20)를 거친 후, 팩키지에서 냉각 권취된 피복 필라멘트로부터 수득된다. 이들 샘플을 복합 시험편으로 만들어 시험한다. 수지 과잉부의 빈도는 표 II에 기록하고 물리적 특성은 표 III에 나타낸다.

상기와 같이 가공된 피복 필라멘트는 팩키지로 인취된 다음 가열기(31)를 거쳐 2개의 평활 헤드(32)로 인도된다. 평활 헤드를 거치기 전의 장력은 약 1000gms이고 평활 헤드를 거친 후의 장력은 약 6000gms이다. 평활 헤드의 온도는 320℃이다. 평활 헤드는 치수가 압출기 헤드와 동일하지만, 슬롯 오리피스는 갖지 않는다. 그 후, 피복 필라멘트가 2개의 평활 헤드 위를 2회 통과하도록 이 과정을 반복한다. 샘플 7 내지 10에 대한 특성은 표 II 및 III에 나타낸 바와 같다.

수지 과잉부는 피복 필라멘트 속의 표면에서 발생하기 쉬우며, 이들 표면이 금형 내에서 응고될 경우 수지 과잉부는 응고되는 동안 주로 입축방향에 수직인 줄무늬 또는 단층으로서 나타난다. 다른 수지 과잉부는 불규칙한 형태일 수 있다. 이러한 부분은 필라멘트가 잘 분포된 부분보다 더 잘 수축되며 파손이 개시되는 응력 집중부로서 작용한다 이러한 부분을 조사하고 수지 과잉부의 총 분포를 측정하기 위하여, 사진을 복합체 응고방향(방향 1) 및 이의 수직방향(방향 2)으로 주사한다. 양 방향에서 L값이 큰 것은 수지 과잉부를 나타내며, 양 방향의 L간의 비가 큰 것은 수지 과잉부가 본래 단층임을 나타낸다.

복합 시험편의 굴곡 및 쇼트비임 전단강도는 응력 집중이 없음을 나타낸다. 본 시험편의 최종 인강강도는 열경화성 에폭시 매트릭스를 사용하는 복합체와 같거나 이보다 우수하다. 저모듈러스 열가소성 매트릭스에 대한 압축강도는 눌라울 정도로 높으며 또한 응력 집중도 크지 않다.

[표 II]

(1) 벌크 밀도 측정치

(2) 섬유 속간의 중량평균길이; 섬유직경단위(즉 1=8μ)

방향 1 : 복합체 응고방향

방향 2 : 방향 1에 수직방향

[표 2]

Claims (16)

1. 장력이 걸린 섬유 속 배열물을 가열된 압출기 헤드의 아치형 표면과 활주 접촉시키면서 전진시키고, 상대점도가 50이상인 용융된 열가소성 중합체를 압출기 헤드의 아치형 표면에 있는 슬롯으로부터 장력이 걸린 필라멘트 배열물을 통하여 한쪽 면으로부터 다른쪽 면으로 압력하에 유동 상태에서 이동시키고(이때, 슬롯은 필라멘트 배열물의 한쪽 면을 횡단한다). 유동을 이용하여 필라멘트 배열물의 다른쪽 면으로부터 공기를 방출시키고, 필라멘트 배열물의 다른쪽 면 위에 중합체 불록부를 형성시킴을 특징으로 하여, 섬유 강화열가소성 물질을 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 볼록부를 배열물의 다른쪽 면을 따라 균일하게 전개시키는 단계를 포함하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 필라멘트 배열물이 압출기 헤드와 접촉하기 전에 이의 융점 이하의 온도로 예열되는 방법.
4. 제1항에 있어서, 물질을 가열하면서 트위스트시켜 물질의 단면을 변형시키는 단계를 포함하는 방법.
5. 합성 섬유속 배열물이 배열물중의 필라멘트 배열물의 거의 모든 측면을 피복하는 열가소성 중합체와 연속 필라멘트로 구성되어 복합체를 형성하며, 섬유속이 복합체의 50 내지 60용적%를 구성하고, 복합체 중의 필라멘트의 분포 균일성이 복합체 응고방향에서 섬유속간의 질량 평균 길이(L) : 이의 수직 방향에서 섬유속간의 질량 평균 길이의 비로 측정되며, 이때 이 비가 약 0.5 내지 약 1.0임을 특징으로 하는, 섬유 강화 열가소성 물질.
6. 합성 섬유속 배열물이 배열물중의 필라멘트의 거의 모든 측면을 피복하는 열가소성 중합체와 연속 필라멘트로 구성되어 복합체를 형성하며, 섬유속이 복합체의 50 내지 75용적%를 구성하며, 복합체 중의 필라멘트의 분포 균일성이 복합체 응고방향에서 섬유속간의 질량 평균 길이(L): 이의 수직 방향에서 섬유속간의 질량 평균 길이의 비로 측정되며, 이때 이 비가 약 0.5 내지 약 1.0이고, 양 방향에서 (L) 값이 표 I에 나타낸 값보다 작음을 특징으로 하는, 섬유 강화 열가소성 물질.
7. 제5항에 있어서, 열가소성 중합체의 상대점도가 50이상인 물질.
8. 제5항에 있어서, 합성 필라멘트가 카본이고, 열가소성 중합체가 도데칸디오산과 비스(파라-아미노사이클로헥실) 메탄으로부터의 폴리카본아미드인 물질.
9. 제5항에 있어서, 복합물질의 단면이 타원형인 물질.
10. 제5항에 있어서, 복합물질의 단면이 장방향인 물질.
11. 제5항에 있어서, 복합물질의 단면이 원형인 물질.
12. 제6항에 있어서, 열가소성 중합체의 상대점도가 50이상인 물질.
13. 제6항에 있어서, 합성 필라멘트가 카본이고, 열가소성 중합체가 도데칸디오산과 비스(파라-아미노사이클로헥실)메탄으로부터의 폴리카본아미드인 물질.
14. 제6항에 있어서, 복합물질의 단면이 타원형인물질.
15. 제6항에 있어서, 복합물질의 단면이 장방형인 물질.
16. 제6항에 있어서, 복합물질의 단면이 원형인 물질.

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