KR101933236B1 - 복합 성형체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, (1) 섬유 강화 열가소성 수지를 포함하는 예비 성형체 a, b의 적어도 한쪽에, 중량 평균 섬유 길이 1 mm 이상의 강화 섬유를 포함하고, (2) 예비 성형체 a에는 열가소성 수지 A를 사용하고, 예비 성형체 b에는 열가소성 수지 A 또는 열가소성 수지 B를 사용하고, (3) 예비 성형체 a, b 중 어느 하나, 또는 예비 성형체 a, b 양쪽의 표면에 열가소성 수지 C의 박막을 형성하고, (4) 수지 C를 접합의 경계면에 배치한 상태에서, 가열에 의해 수지 C, 및 예비 성형체 a, b의 일부를 용융시키고, 상기 용융에 의해 예비 성형체 a, b를 접합하여 복합 성형체를 제조하는 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 복합 성형체를 제공한다. 열가소성 수지 C의 결정화 속도를 상대적으로 느리게 하여, 수지 C가 보다 긴 시간에 걸쳐서 예비 성형체 a, b의 표면과 용융 상태로 접함으로써, 예비 성형체 a, b 사이의 고강도 접합을 달성할 수 있다.

Description

복합 성형체 및 그의 제조 방법{COMPOSITE MOLDED BODY AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 복합 성형체 및 그의 제조 방법에 관한 것이며, 특히 미리 성형한 소정 형상의 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 수지를 포함하는 예비 성형체에 대하여, 가열에 의해 예비 성형체의 일부를 용융시키고, 당해 용융 부위에서 예비 성형체끼리의 접합을 행하여 복합 성형체를 성형하는 복합 성형체의 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 복합 성형체에 관한 것이다.

열경화성 수지의 섬유 강화 수지와 열가소성 수지의 섬유 강화 수지를 접합하여, 전체로서 섬유 강화 수지를 포함하는 복합 성형체를 제조하는 방법은 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2). 열가소성 수지 자체 및 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 수지는 사출 성형을 비교적 용이하게 행할 수 있다는 점 등으로부터, 열경화성 수지 및 그것을 이용한 섬유 강화 수지에 비해 성형성이나 양산성이 우수하다. 그 때문에, 특히 대량 생산품 등의 제조에 있어서, 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 수지끼리를 효율적으로 접합할 수 있는 복합 성형체의 제조 방법이 요구되고 있다.

이러한 복합 성형체의 제조 방법으로서, 예를 들면 다음과 같은 방법이 생각된다. 즉, 프레스 성형이나 사출 성형으로 부형(賦形)한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 수지 제품(예를 들면, 폴리페닐렌술피드(PPS)를 이용한 섬유 강화 수지 제품, 이것을 예비 성형체 또는 일차 성형품이라 부름)을 적어도 2종 준비하고, 직접 가열, 진동, 초음파 등 어떠한 수단에 의해 가열하면서 예비 성형체끼리를 압착함으로써, 예비 성형체의 일부를 용융시키고, 상기 용융에 의한 접합에 의해 복합 성형체를 형성하는 방법이 생각된다. 이러한 소위 융착에 의해, 예를 들면 중공 구조체나, 리브 등이 배치된 강도ㆍ강성을 겸비한 최종 성형품으로서의 복합 성형체를 얻는 것이 가능하다.

그러나, 예를 들면 상기한 바와 같은 통상의 PPS 등급을 이용한 예비 성형체에서는 PPS 수지의 결정화 속도가 비교적 빠르기 때문에, 결과적으로 용융 상태로부터의 냉각시의 고화가 빠르다. 그 결과, 어떠한 열량을 부여하여 예비 성형체의 표면을 용융시켰다 하더라도, 압착 등 양호한 융착을 달성하는 순서를 진행시키기 전에 빠르게 고화가 발생하기 때문에, 기대한 정도의 접합 강도가 얻어지지 않는다. 그 때문에, 최종 성형품으로서의 복합 성형체의 강도ㆍ강성이 목표값에 이르지 못할 우려가 있다.

일본 특허 제3906319호 공보 일본 특허 제4543696호 공보

따라서, 본 발명의 과제는 성형성이나 양산성이 우수한 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 수지의 복합 성형체를 제조할 때, 미리 성형된 예비 성형체끼리를 충분히 높은 접합 강도로 융착시켜, 강도ㆍ강성이 우수한 최종 성형품으로서의 복합 성형체를 효율적으로 제조할 수 있는 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 복합 성형체를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 복합 성형체의 제조 방법은, 섬유 강화 열가소성 수지를 이용하여 미리 성형한 예비 성형체 a와, 섬유 강화 열가소성 수지를 이용하여 미리 성형한 예비 성형체 b를 접합하여 복합 성형체를 성형하는 방법으로서,

(1) 예비 성형체 a 및 b의 적어도 한쪽이 중량 평균 섬유 길이 1 mm 이상의 강화 섬유를 포함하고,

(2) 예비 성형체 a에는 열가소성 수지 A를 사용하고, 예비 성형체 b에는 열가소성 수지 A 또는 열가소성 수지 B를 사용하고,

(3) 예비 성형체 a 또는 b 중 어느 하나, 또는 예비 성형체 a 및 b 양쪽의 표면에 열가소성 수지 C의 박막을 형성하고,

(4) 열가소성 수지 C의 박막을 접합의 경계면에 배치한 상태에서, 가열에 의해 열가소성 수지 C, 및 예비 성형체 a 및 b의 일부를 용융시키고, 상기 용융에 의한 접합에 의해 복합 성형체를 성형하는 것을 특징으로 하는 방법을 포함한다.

상기 중량 평균 섬유 길이 1 mm 이상의 강화 섬유를 포함하는 예비 성형체로서는, 예를 들면,

(1) 중량 평균 섬유 길이가 1 mm 내지 50 mm의 범위인 강화 섬유가 실질상 랜덤 배향된 매트상 기재와 열가소성 수지의 조합에 의한 성형체,

(2) 예비 성형체의 임의의 2단부 사이에 걸쳐서 연속 섬유가 배치되도록 강화된 성형체

중 어느 하나, 또는 이들이 조합된 성형체를 채용할 수 있다. 즉, 열가소성 수지를 이용한 섬유 강화 수지의 성형품에서는, 예를 들면 구조재로서 요구되는 높은 역학적 특성의 발현을 실현하기 위해서는 강화 섬유 길이가 긴 것이 요구되기 때문에, 중량 평균 섬유 길이 1 mm 이상의 강화 섬유, 특히 성형성 등을 고려하여 중량 평균 섬유 길이가 1 mm 내지 50 mm의 범위인 강화 섬유의 강화 섬유 기재를 이용한 성형품인 것이 바람직하고, 이 범위의 섬유 길이의 강화 섬유가 실질상 랜덤 배향된 매트상 기재와 열가소성 수지의 조합에 의한 것이 바람직하다. 또는, 예비 성형체의 임의의 2단부 사이(예를 들면, 대향하는 2변이 되는 2단부 사이)에 걸쳐서 연속 섬유로 형성된 강화 섬유가 배치되도록 강화된 성형체도 바람직하다. 또한, 이들이 조합된 형태의 성형체도 채용할 수 있다.

상기한 바와 같이 예비 성형체로서, 임의의 2단부 사이에 걸쳐서 연속 섬유가 배치되도록 강화된 성형체를 이용하는 것은 본 발명의 바람직한 형태 중 하나이다. 이러한 형태에 있어서는 섬유의 분단이 없고, 특정 강화 섬유를 이용한 경우에 가장 높은 역학적 특성을 얻을 수 있다. 상기 연속 섬유 강화의 예비 성형체를 구조의 골격재와 같이 배치하면, 본 발명에서의 복합 일체 성형품에 있어서 높은 역학적 특성과 복잡한 형상을 양립할 수 있다.

예비 성형체의 강화 섬유로서 불연속 강화 섬유를 사용하는 경우에는, 그의 중량 평균 섬유 길이가 상기한 바와 같이 1 mm 내지 50 mm인 강화 섬유로 이루어지는 것이 바람직하다. 중량 평균 섬유 길이가 1 mm 미만이면, 강화 섬유의 특성이 발현되지 않아 요구되는 높은 역학적 특성을 발휘할 수 없다. 중량 평균 섬유 길이가 50 mm를 초과하면, 불연속 강화 섬유로 한 경우 중 하나의 특징인 양호한 부형성이 손상된다.

또한, 특히 내충격성 등의 역학적 특성을 중시하는 경우에는, 상기 중량 평균 섬유 길이 1 mm 이상의 강화 섬유를 포함하는 예비 성형체에서의 강화 섬유의 중량 평균 섬유 길이가 20 mm 내지 50 mm인 범위를 보다 바람직한 범위로서 나타낼 수 있다. 이것은 후술하는 도 2에 도시한 바와 같이 내충격성을 비롯한 역학적 특성 향상으로의 기여에 대하여 섬유 길이가 크게 영향을 주기 때문이다.

상기 불연속 섬유의 배향 등은 특별히 한정되지 않으며, 실질상 랜덤 배향된 것을 사용할 수 있다. 이 실질상 랜덤이라는 범위로서는, 면내에 등방성 분산되거나, 또는 완만한 일정 배향을 갖는 시트상의 매트를 예시할 수 있으며, 이것은 초지법(抄紙法)이나 카딩법(carding), 에어 레이법(air-lay method) 등 기존의 섬유 매트 제조법에 의한 것을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 형태 중 하나로서, 상기 중량 평균 섬유 길이 1 mm 이상의 강화 섬유를 포함하는 예비 성형체의 적어도 표층부가, 연속 섬유를 포함하는 강화 섬유를 한 방향으로 배향시킨 층을 포함하는 것을 포함하는 형태를 들 수도 있다.

상기 열가소성 수지 A, 열가소성 수지 B 및 열가소성 수지 C에는, 서로 상이한 처방의 열가소성 수지(즉, 동종의 열가소성 수지이지만, 물성이나 특성이 서로 상이하도록 서로 상이한 처방으로 제조된 열가소성 수지)가 이용된다. 열가소성 수지끼리의 접합 형태이기 때문에, 본질적으로 용이하게 양호한 접합 상태가 얻어지기 쉽고, 성형품 전체를 분쇄하여 재이용(리사이클링)도 행하기 쉽다. 본 발명에서는, 열가소성 수지끼리의 접합이더라도 예비 성형체가 미리 먼저 성형되어 있기 때문에, 예비 성형체의 표층부를 형성하는 열가소성 수지 C와, 열가소성 수지 A 또는 열가소성 수지 B와의 사이에 높은 접합 강도를 갖게 하는 것을 목표로 하고 있고, 특히 이것을 달성하기 위해, 본 발명에서는 이하와 같은 형태를 채용할 수 있다. 예를 들면 상기 열가소성 수지 A, 열가소성 수지 B 및 열가소성 수지 C가 결정성의 열가소성 수지를 주성분으로 하고, 이하의 관계를 만족시키는 형태이다.

열가소성 수지 C의 결정화 온도<열가소성 수지 A의 결정화 온도, 및

열가소성 수지 C의 결정화 온도<열가소성 수지 B의 결정화 온도

이와 같이 결정화 온도에 고저의 차이를 두는 형태를 채용함으로써, 특히 접합의 경계면에 위치하는 열가소성 수지 C의 결정화 온도를 상대적으로 낮게 하여 결정화 속도를 느리게 하는 것이 가능해져(결정화 온도가 높은 것일수록 결정화 속도가 빠름), 접합면을 진동 부여 등에 의해 가열했을 때에 경계면의 열가소성 수지 C를 결정화 전에 충분히 용융시키고, 예비 성형체끼리를 압착 등을 하여 경계면이 융화되는 시간을 얻을 수 있다. 이에 따라 열가소성 수지 A나 열가소성 수지 B를 이용한 예비 성형체끼리의 조합에 있어서, 높은 접합 강도로 접합된 복합 성형체의 제조가 가능해진다. 또한, 이 결정화 온도(Tc)의 측정에 관해서는, 대상 수지를 시차 주사 열량계(DSC)에 의해 용융 상태로부터 일정 속도(10℃/분)로 냉각시키고, 결정화 발열 피크 온도(결정화 온도(Tc))를 측정함으로써, 상기 결정화 속도를 평가한다(결정화 온도(Tc)가 높은 것일수록 결정화 속도가 빠름).

또한, 상기한 바와 같은 결정화 온도 특성을 만족시키기 위해, 또는 상기 결정화 온도 특성과는 별도로, 상기 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B가 특정한 단량체를 중합한 단독 중합체를 포함하는 열가소성 수지이고, 상기 열가소성 수지 C가 2종 이상의 상이한 단량체의 공중합에 의한 공중합체(copolymer)이며, 이 2종 이상의 단량체 중 하나에 열가소성 수지 A 또는 열가소성 수지 B와 동일한 단량체를 포함한 공중합체를 포함하는 열가소성 수지, 또는 그의 공중합체가 블렌드된 수지 조성물인 형태를 채용할 수 있다. 이러한 형태에 있어서는, 열가소성 수지 C측의 결정화 온도를 열가소성 수지 A나 열가소성 수지 B측에 비해 낮게 하는 것이 가능해져, 이 결정화 속도가 느린 열가소성 수지 C가 보다 긴 시간에 걸쳐서 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B와 용융 상태로 접하게 되어, 열가소성 수지 A나 열가소성 수지 B와의(예비 성형체 a와 예비 성형체 b 사이의) 고강도 접합을 목표로 하는 것이 가능해진다. 즉, 높은 접합 강도로 접합된 복합 성형체의 제조가 가능해진다.

또한, 열가소성 수지 A, 열가소성 수지 B 및 열가소성 수지 C의 모든 수지의 결정화 온도를 낮추어, 계 전체의 결정화 속도를 느리게 하는 것은 가능하다. 그러나, 결정화 속도를 낮추는 특별한 방법을 계 전체에 채용하면 비용 상승을 피할 수 없어, 이 방법은 공업적으로 유리한 방법이라고는 할 수 없다. 결정화 온도가 상대적으로 낮은 열가소성 수지 C를 접합의 경계면에만 사용함으로써, 양자의 충분한 접합 강도를 얻음과 동시에, 큰 비용 상승을 피할 수 있다.

상기 접합부의 경계층(중간층)으로서는 열가소성 수지 C를 사용한 것, 예를 들면 필름이나, 또는 멜트 블로우나 스펀 본드 등에 의한 부직포를 사용할 수 있다. 이것은, 예비 성형체 a 또는 예비 성형체 b 중 어느 하나, 또는 예비 성형체 a 및 예비 성형체 b 양쪽의 표면에 배치한다. 예를 들면 프레스 등으로 사전에 예비 성형체를 얻을 때에 표면에 배치해두고, 미리 일체화 시켜두는 것이 바람직하다. 이 경우, 열가소성 수지 C와, 열가소성 수지 A 또는 열가소성 수지 B가 부분적으로 혼합되더라도 열가소성 수지 C가 표면에 일부라도 노출되어 있으면 상관없다.

본 발명에 관한 복합 성형체의 제조 방법에서의 예비 성형체 a와 예비 성형체 b의 접합 방법으로서는, 예를 들면 다음과 같은 방법을 이용할 수 있다. 진동 용착(2종의 예비 성형체의 접합 계면에서 발생하는 마찰열을 이용하여, 수지를 용융시켜 용착하는 방법), 열판 융착(용착하고자 하는 예비 성형체를 미리 가열한 열판으로 접촉 또는 비접촉에 의해 가열하여, 접합면이 용융 상태가 된 후, 2종의 예비 성형체를 가압하여 용착하는 기술), 임펄스 융착(히터선에 저전압, 대전류를 단시간 통전시켜 발열시켜서 열원으로 하는 융착 방법), 고주파 융착(고주파의 유전 가열 작용을 이용하여 접합물(도전체)에 내부 발열을 일으켜 용착하는 공법), 초음파 융착(예비 성형체에 세로 방향의 초음파 진동을 부여함으로써 발생하는 마찰열에 의해 국소적 순간적으로 승온시키는 방법) 등을 들 수 있다. 그 이외에, 전자 유도 가열에 의해 도전체(예를 들면 탄소 섬유)에 유도 전류를 흘려 줄열로 발열시키는 방법, 도전체(예를 들면 탄소 섬유)에 직접 통전시켜 줄열로 발열시키는 방법이나, 열풍, 토치(torch), 레이저에 의한 방법 등 기존의 가열 방법을 사용할 수 있다.

본 발명에 관한 복합 성형체의 제조 방법에 있어서 보다 구체적인 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B와, 열가소성 수지 C의 조합으로서, 예를 들면 다음과 같은 조합을 들 수 있다. 예를 들면, 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B가 p-폴리페닐렌술피드를 주성분으로 하고, 열가소성 수지 C가 공중합 폴리페닐렌술피드를 포함하는 조합을 들 수 있다. 이 경우, 공중합 폴리페닐렌술피드로서는, p-페닐렌술피드 단위에 m-페닐렌술피드 단위가 공중합된 중합체를 사용할 수 있다.

폴리페닐렌술피드를 이용한 형태는 본 발명의 가장 바람직한 형태 중 하나이다. 폴리페닐렌술피드는 강직한 골격을 갖는 중합체이며 높은 강성을 갖고, 탄소 섬유 등의 강화 섬유와의 조합으로 높은 역학적 특성을 발현한다. 그 때문에, 가령 강화 섬유의 중량 평균 섬유 길이가 1 mm 내지 20 mm로 짧다고 하더라도 비교적 높은 역학적 특성을 나타낸다. 또한, 섬유 길이가 보다 길거나 연속 강화 섬유인 경우에는, 더욱 높은 특성을 나타낸다. 또한 난연성이어서, 각종 전자 기기나 자동차용 전장 부품 등의 난연성이 요구되는 용도에 바람직하다. 또한, 통상의 p-폴리페닐렌술피드를 주체로 하는 폴리페닐렌술피드는 결정화 속도가 빨라, 통상 복합 일체 성형이 어려운 계이지만, 본 발명을 적용하여, 예를 들면 열가소성 수지 C에 결정화 온도를 낮게 한(결정화 속도를 느리게 한) 수지계를 이용함으로써 접합 강도가 높은 복합 성형체를 얻을 수 있다.

또한, 별도의 조합으로서, 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B가 폴리아미드를 포함하고, 열가소성 수지 C가 공중합 폴리아미드를 포함하는 형태도 채용할 수 있다.

또한, 본 발명에서의 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B와, 열가소성 수지 C의 조합은 상술한 예로 한정되지 않는다. 열가소성 수지 C측의 결정화 온도가 열가소성 수지 A나 열가소성 수지 B측에 비해 낮은 것이 바람직하고, 이것을 실현하기 위한 방법도 한정되지 않는다. 고분자의 결정화 온도를 변화시키는 방법으로서 공지된 기술을 활용할 수 있으며, 상술한 공중합체를 사용한 방법 이외에도 탈크, 카올린, 유기 인 화합물, 특정한 중합체의 소량 첨가 등, 각종 결정핵제를 첨가하여 결정화 온도를 제어할 수 있다. 또한, 열가소성 수지 A, 열가소성 수지 B, 열가소성 수지 C의 주중합체쇄의 말단을 특정한 기로 함으로써도 결정화 온도를 변화시키는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 관한 복합 성형체의 제조 방법에서 이용하는 강화 섬유의 종류로서는 특별히 한정되지 않으며, 탄소 섬유나 유리 섬유, 아라미드 섬유 등을 사용할 수 있고, 이들을 조합한 하이브리드 구성으로 하는 것도 가능하다. 복합 성형체의 제조의 강도 설계나 제조의 용이성 등을 목적으로 하는 경우, 특히 탄소 섬유를 포함하는 형태가 바람직하다. 특히 연속 섬유를 이용한 예비 성형체의 강화 섬유에 탄소 섬유를 이용하면, 그의 높은 강화 섬유의 특징을 가장 강하게 발휘시킬 수 있다.

본 발명에서는, 상기한 바와 같은 방법에 의해 제조된 복합 성형체도 제공된다. 제조되는 복합 성형체의 형상이나 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예비 성형체 a와 예비 성형체 b의 융착부는, 그의 형상이 허용하는 한 넓은 면적을 확보하는 것이 바람직하다. 감합 형상으로 할 수도 있다. 예비 성형체의 적어도 한쪽은, 통상의 사출 성형기를 이용하여 펠릿형 재료를 사출시켜 얻은 것으로 하는 것을 예시할 수 있다. 또한, 이와 유사한 동작을 하는 성형 방법을 이용할 수도 있다. 예를 들면 사출과 프레스의 동작을 조합하고 있는 소위 사출 프레스 성형을 이용할 수도 있다. 사출 성형이나 그의 유사 기술에 이용하는 펠릿은 통상의 컴파운드 펠릿일 수도 있고, 소위 장섬유 펠릿일 수도 있다.

이와 같이, 본 발명에 관한 복합 성형체의 제조 방법에 따르면, 예비 성형체 a와 예비 성형체 b를 접합할 때, 예비 성형체의 표층부를 형성하는 열가소성 수지 C와, 그 이외에 사용하는 열가소성 수지 A 또는 열가소성 수지 B를, 동종이기는 하지만 서로 상이한 처방의 열가소성 수지로 하고, 열가소성 수지 C의 결정화 속도를 상대적으로 느리게 하도록 했기 때문에, 이 열가소성 수지 C가 보다 긴 시간에 걸쳐서 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B와 용융 상태로 접하게 되어, 수지 A나 수지 B와의(예비 성형체 a와 예비 성형체 b 사이의) 고강도 접합을 달성할 수 있다. 이와 같이 제조된 복합 성형체는 높은 기계적 강도나 강성을 갖고, 동종의 열가소성 수지끼리의 접합체이기 때문에, 우수한 리사이클 성능도 겸비한 것으로 할 수 있다.

[도 1] 본 발명의 한 실시 양태에 관한 복합 성형체의 제조 방법을 나타내는 개략 구성도이다.
[도 2] 본 발명에 관련하여 강화 섬유의 섬유 길이와 컴포지트(composite) 특성 및 성형성과의 일반적인 관계를 나타내는 특성도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1에, 본 발명의 한 실시 양태에 관한 복합 성형체의 제조 방법과 본 발명에서의 예비 성형체의 구조예를 도시한다. 도 1에서 도면 부호 1은 예비 성형체 a를 나타내고, 도면 부호 2는 예비 성형체 b를 나타내고 있다. 또한, 도면 부호 3은 상대적으로 결정화 온도가 보다 낮은 열가소성 수지 C(예를 들면, 저결정화 온도 PPS[저결정화 온도 공중합 폴리페닐렌술피드])를 이용한 층을 나타내고 있다. 예비 성형체 a (1)의 한쪽 면에는 미리 열가소성 수지 C에 의한 층 (3)이 일체 형성되어 있다. 예비 성형체 a (1) 및 예비 성형체 b (2)는, 각각 열가소성 수지 C보다 상대적으로 결정화 온도가 보다 높은 열가소성 수지 A, 열가소성 수지 B(예를 들면, 통상의 결정화 온도의 PPS)를 이용한 섬유 강화 수지를 포함한다.

상기한 바와 같은 예비 성형체 a (1) 및 예비 성형체 b (2)는, 직접 가열, 진동, 초음파 등의 적당한 수단에 의해 가열하면서 예비 성형체끼리 압착함으로써, 예비 성형체의 일부를 용융시키고, 상기 용융에 의한 접합에 의해 복합 성형체 (4)를 제작한다. 이러한 소위 융착에 의해, 예를 들면 중공 구조체나, 리브 등이 배치된 강도ㆍ강성을 겸비한 최종 성형품으로서의 복합 성형체 (4)가 얻어진다.

예비 성형체 b (2)에 이용되는 수지가 열가소성 수지 A와는 상이한 열가소성 수지 B인 경우도 생각된다. 또한, 열가소성 수지 C의 층 (3)은 미리 예비 성형체 a (1)의 표층에 형성되어 있을 수도, 예비 성형체 b (2)의 표층에 형성되어 있을 수도 있고, 융착면에 열가소성 수지 C가 존재하는 형태이면 어떠한 경우도 사용할 수 있다. 예비 성형체 a (1) 및 예비 성형체 b (2)의 양쪽 표층에 열가소성 수지 C의 층 (3)이 형성되어 있을 수도 있다.

상기한 예비 성형체 a, b는 프레스 성형이나 사출 성형 등과 같은 성형법에 의해 얻어지며, 그의 성형 방법에는 특별히 제한은 없다. 프레스 성형을 사용하는 경우에는, 예를 들면 직물 등의 연속 섬유 기재, 한 방향으로 섬유를 배열한 것(일방향성 기재[UD]), 장섬유 매트 등에 열가소성 수지를 복합하거나 함침시킨, 소위 열가소성 프리프레그를 소재로서 이용하고, 이것을 금형 내에 놓고 가열ㆍ가압하여 소정의 형상의 예비 성형체를 성형할 수 있다. 이 때, 예를 들면 형의 최하층 또는 최상층에 미리 열가소성 수지 C가 되는 필름이나 부직포 등을 배치한 후 프레스함으로써 일체화해 둘 수 있다. 또한, 사출 성형의 경우에도, 금형의 캐비티 내에 미리 열가소성 수지 C가 되는 필름이나 부직포 등을 배치하거나, 열가소 프리프레그를 미리 캐비티 내에 배치한 후, 사출 성형하는 인서트 성형 등의 방법에 의해서도 성형할 수 있다. 그 이외에, 소위 사출 프레스 성형, 진공 성형, 블로우 성형, 오토클레이브 성형, 다이어프램(diaphragm) 성형 등의 기존의 열가소성 수지 성형 기술을 예비 성형체를 얻는 데 활용할 수 있다. 예비 성형체는 통상 1차 성형 후 탈형시키기 위해 냉각된 후, 다시 가열/접합되어 복합 성형체로 가공된다. 예비 성형체 a와 예비 성형체 b를 각각 별도의 성형기로 성형하면서, 다음 공정에서 자동 접합해 가는 통합 생산 라인 등도 예시할 수 있다. 물론 예비 성형체 a와 예비 성형체 b의 성형 사이클이 상이하면, 독립된 접합 가공 라인을 구성할 수 있다.

예비 성형체끼리를 양호한 접합 강도로 자유롭게 접합ㆍ복합할 수 있음으로써, 그의 최종 형태인 복합 성형체의 형상 및 설계의 자유도는 비약적으로 높아진다. 예를 들면 통상의 사출 성형에서는 얻는 것이 곤란한 중공 구조 등도 용이하게 실현할 수 있다. 또한, 예를 들면 완만한 곡면을 갖는 면판부는 높은 역학적 특성을 갖는 연속 섬유 강화 프리프레그를 이용하여 성형하고(예비 성형체 a), 이것에 보강을 위한 리브 등을 갖는 복잡 형상 사출 성형품(예비 성형체 b)을 접합함으로써, 복잡한 형상과 높은 역학적 특성의 양립을 도모할 수 있다. 이 때 적절히 중공부를 형성하도록 접합하면 경량성도 더욱 대폭 향상시킬 수 있다. 예비 성형체 a, b와 각각의 사용 소재, 형상은 그의 사용 가능한 소재의 적용 범위 중에서 자유롭게 설정할 수 있다. 중량 평균 섬유 길이 20 mm 이상의 장섬유 또는 연속 섬유 강화이며, PPS 수지와 같은 고탄성률ㆍ고내열성 수지를 매트릭스 수지의 베이스로 하고, 예비 성형체 a를 면판 형상(예를 들면 스킨 패널(skin panel)), 예비 성형체 b를 L 채널, C 채널, I 채널, Ω 채널 등의 형태(예를 들면 스트링거(stringer))로 하여, 이들 예비 성형체끼리를 접합한 일체형 스킨 패널 구조를 구성하면, 항공기용 구조재와 같은 높은 역학적 특성과 경량성이 요구되는 구조에도 적용하는 것이 가능하다. 마찬가지로 면판 형상(예를 들면 외측 패널)에 보강 부재(예를 들면 내측 프레임)를 접합한 자동차 구조 용도도 용이하게 실현할 수 있다. 또한, 이 때 넓은 면판 형상의 예비 성형체 a에 대하여, 복수개의 보강재인 예비 성형체 b가 접합되는 구성도 본 발명에 포함된다.

섬유 강화 수지의 조합의 접합 강도에 대한 영향도를 조사하기 위해, 도 1에 도시한 바와 같은 예비 성형체의 조합으로 진동 융착 시험을 행하였다. 예비 성형체 a 및 예비 성형체 b에 열가소성 수지 A, B로서, 모두 통상의 결정화 온도의 폴리페닐렌술피드를 이용하고, 예비 성형체 a의 한쪽 표면에 열가소성 수지 C의 층을 일체 형성시켰다. 열가소성 수지 C로서는, 결정화 온도가 낮은 폴리페닐렌술피드 수지를 이용하였다. 이 경우에는 접합 강도는 높고, 접합 강도의 변동은 작았다. 이와 비교하기 위해 열가소성 수지 C를 포함하지 않은 것 이외에는, 모든 조건이 동일한 예비 성형체 a 및 예비 성형체 b를 준비하고, 융착 시험을 행한 바, 접합 강도는 낮고 접합 강도의 변동은 컸다.

상기에서는, PPS를 베이스로 한 열가소성 수지 A, 열가소성 수지 B 및 열가소성 수지 C의 조합에 대하여 예시하였다. 예를 들면, 상술한 바와 같이, 이 조합은 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B가 폴리페닐렌술피드를 포함하고, 열가소성 수지 C가 공중합 폴리페닐렌술피드를 포함하는 조합을 들 수 있으며, 공중합 폴리페닐렌술피드로서는, 예를 들면 p-페닐렌술피드 단위에 m-페닐렌술피드 단위가 공중합된 중합체를 사용할 수 있다. 본 발명에서는, 이러한 PPS를 베이스로 한 열가소성 수지 A, 열가소성 수지 B, 열가소성 수지 C의 조합 이외에도, 예를 들면 상술한 바와 같이, 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B가 폴리아미드를 포함하고, 열가소성 수지 C가 공중합 폴리아미드를 포함하는 조합 형태도 채용할 수 있다. 이러한 공중합 폴리아미드를 사용하는 경우, 공중합할 수 있는 폴리아미드 형성성 성분의 예로서는, 6-아미노카프로산(a-1의 경우를 제외함), 11-아미노운데칸산, 12-아미노도데칸산, 파라아미노메틸벤조산 등의 아미노산, ε-아미노카프로락탐(a-1의 경우를 제외함), ω-라우로락탐 등의 락탐, 테트라메틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 2-메틸펜타메틸렌디아민, 운데카메틸렌디아민, 도데카메틸렌디아민, 2,2,4-/2,4,4-트리메틸헥사메틸렌디아민, 5-메틸노나메틸렌디아민, 메타크실렌디아민, 파라크실릴렌디아민, 1,3-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1,4-비스(아미노메틸)시클로헥산, 1-아미노-3-아미노메틸-3,5,5-트리메틸시클로헥산, 비스(4-아미노시클로헥실)메탄, 비스(3-메틸-4-아미노시클로헥실)메탄, 2,2-비스(4-아미노시클로헥실)프로판, 비스(아미노프로필)피페라진, 아미노에틸피페라진 등의 지방족, 지환족, 방향족의 디아민, 및 아디프산, 수베르산, 아젤라산, 세바스산, 도데칸2산, 테레프탈산, 이소프탈산, 2-클로로테레프탈산, 2-메틸테레프탈산, 5-메틸이소프탈산, 5-나트륨술포이소프탈산, 헥사히드로테레프탈산, 헥사히드로이소프탈산 등의 지방족, 지환족, 방향족의 디카르복실산을 들 수 있다. 또한, 얻고자 하는 성형품의 요구 특성에 따라, 난연제, 내후성 개량제, 그 이외에 산화 방지제, 열 안정제, 자외선 흡수제, 가소제, 윤활제, 착색제, 상용화제, 도전성 충전재 등을 수지 중에 첨가해둘 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 예비 성형체가 중량 평균 섬유 길이 1 mm 이상의 강화 섬유를 포함하는 제1 섬유 강화 수지를 이용하여 미리 성형되고, 바람직하게는, 예를 들면

(1) 중량 평균 섬유 길이가 1 mm 내지 50 mm의 범위인 강화 섬유가 실질상 랜덤 배향된 매트상 기재와 수지의 조합에 의한 것,

(2) 상기 예비 성형체의 임의의 2단부 사이에 걸쳐서 연속 섬유가 배치되도록 강화된 성형체

중 어느 하나, 또는 이들이 조합된 성형체가 되지만, 이것은 예비 성형체 자체, 나아가서는 최종 성형품으로서의 복합 성형체의 각종 기계 특성과 성형성ㆍ부형성에 대하여, 쌍방 모두 양호한 특성을 만족시키기 위해 규정한 것이다.

즉, 도 2에 섬유 강화 수지(컴포지트)에 있어서 성형 재료에 포함되는 강화 섬유의 길이(중량 평균 섬유 길이, 단위: mm)와 성형된 섬유 강화 수지의 각종 특성의 상대 레벨과의 일반적인 관계에 대하여 나타낸 바와 같이, 섬유 길이가 짧아지면 탄성률, 강도, 내충격성은 저하되지만 성형성ㆍ부형성은 양호해지고, 반대로 섬유 길이가 길어지면 탄성률, 강도, 내충격성은 높아지지만 성형성ㆍ부형성은 악화된다. 이들 특성을 균형적으로 높게 유지하기 위해서는, 특히 중량 평균 섬유 길이가 1 mm 내지 50 mm의 범위인 강화 섬유가 함유되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 도 2에는, 성형 재료에 포함되는 강화 섬유의 길이(중량 평균 섬유 길이)에 대응하는 대표적인 성형 공정(사출 성형, 프레스 성형, 오토클레이브 성형, RTM 성형[Resin Transfer Molding])을 예시하고 있지만(물론, 이들 성형 공정으로 한정되지는 않음), 본 발명에서의 바람직한 형태인 중량 평균 섬유 길이가 1 mm 내지 50 mm의 범위인 강화 섬유가 함유되어 있는 경우에는, 프레스 성형이 적합하다.

본 발명에 관한 복합 성형체 및 그의 제조 방법은 모든 복합 성형체의 용도에 적용 가능하고, 특히 비교적 대량 생산하는 것이 요구되는 복합 성형체를 효율적으로 우수한 생산성으로 제조하는 경우에 적합한 것이다. 본 발명에 관한 복합 성형체의 용도로서는, 예를 들면, 퍼스널 컴퓨터, 디스플레이, OA 기기, 휴대 전화, 휴대 정보 단말기, 팩시밀리, 컴팩트 디스크, 휴대용 MD, 휴대용 라디오 카세트, PDA(전자 수첩 등의 휴대 정보 단말기), 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라, 광학 기기, 오디오, 에어컨, 조명 기기, 오락 용품, 완구 용품, 기타 가전 제품 등의 전기, 전자 기기의 케이스 및 트레이나 섀시 등의 내부 부재나 그의 케이스, 기구 부품, 패널 등의 건재 용도, 모터 부품, 알터네이터 터미널(alternator terminal), 알터네이터 커넥터, IC 레귤레이터, 조광기(light dimmer) 포텐셔미터 베이스, 서스펜션 부품, 배기 가스 밸브 등의 각종 밸브, 연료 관계, 배기계 또는 흡기계 각종 파이프, 에어 흡기 노즐 스노클, 흡기 매니폴드, 각종 암(arm), 각종 프레임, 각종 힌지, 각종 베어링, 연료 펌프, 가솔린 탱크, CNG 탱크, 엔진 냉각수 조인트, 카뷰레터 메인 보디, 카뷰레터 스페이서, 배기 가스 센서, 냉각수 센서, 오일 온도 센서, 브레이크 패드 웨어 센서(brake pad wear sensor), 스로틀 포지션 센서(throttle position sensor), 크랭크 샤프트, 포지션 센서, 에어플로우 미터, 브레이크 패드 마모 센서, 에어컨용 서모스탯(thermostat) 베이스, 난방 온풍 유량 조절 밸브, 라디에이터 모터용 브러시 홀더, 워터 펌프 임펠러(water pump impeller), 터빈 날개, 와이퍼 모터 관계 부품, 디스트리뷰터, 스타터 스위치, 스타터 릴레이, 트랜스미션용 배선, 윈도우 워셔 노즐, 에어컨 패널 스위치 기판, 연료 관계 전자기 밸브용 코일, 퓨즈용 커넥터, 배터리 트레이, AT 브래킷(bracket), 헤드 램프 서포트, 페달 하우징, 핸들, 도어빔, 프로텍터, 섀시, 프레임, 암레스트(arm rest), 혼 터미널, 스텝 모터 로터, 램프 소켓, 램프 리플렉터, 램프 하우징, 브레이크 피스톤, 노이즈 쉴드(noise shield), 라디에이터 서포트, 스페어 타이어 커버, 시트셸, 솔레노이드 보빈, 엔진 오일 필터, 점화 장치 케이스, 언더 커버, 스커프 플레이트(scuff plate), 필라 트림(pillar trim), 프로펠러 샤프트, 휠, 펜더(fender), 페이셔(fascia), 범퍼, 범퍼빔, 본네트, 에어로파츠(aero parts), 플랫폼, 카울 루버(cowl louver), 루프, 인스트루먼트 패널, 스포일러 및 각종 모듈 등의 자동차, 이륜차 관련 부품, 부재 및 외판이나 랜딩 기어 포드, 윙렛, 스포일러, 엣지, 래더, 엘리베이터, 페어링(fairing), 리브 등의 항공기 관련 부품, 부재 및 외판 등을 들 수 있다.

1 예비 성형체 a
2 예비 성형체 b
3 열가소성 수지 C의 층
4 복합 성형체

Claims (11)

1. 섬유 강화 열가소성 수지를 이용하여 미리 성형한 예비 성형체 a와, 섬유 강화 열가소성 수지를 이용하여 미리 성형한 예비 성형체 b를 접합하여 복합 성형체를 성형하는 방법이며,
   (1) 예비 성형체 a 및 b 중 적어도 한쪽이 중량 평균 섬유 길이 1 mm 내지 50 mm의 강화 섬유를 포함하고,
   (2) 예비 성형체 a에는 열가소성 수지 A를 사용하고, 예비 성형체 b에는 열가소성 수지 A 또는 열가소성 수지 B를 사용하고,
   (3) 예비 성형체 a 또는 b 중 어느 하나, 또는 예비 성형체 a 및 b 양쪽의 표면에 열가소성 수지 C의 박막을 형성하고,
   (4) 상기 열가소성 수지 A, 열가소성 수지 B 및 열가소성 수지 C가 결정성의 열가소성 수지이고, 하기의 관계 (a) 및 (b)를 만족시키고,
   (5) 열가소성 수지 C의 박막을 접합의 경계면에 배치한 상태에서, 가열에 의해 열가소성 수지 C, 및 예비 성형체 a 및 b의 일부를 용융시키고, 상기 용융에 의한 접합에 의해 복합 성형체를 성형하는 것을 특징으로 하는 복합 성형체의 제조 방법.
   (a) 열가소성 수지 C의 결정화 온도<열가소성 수지 A의 결정화 온도
   (b) 열가소성 수지 C의 결정화 온도<열가소성 수지 B의 결정화 온도
2. 제1항에 있어서, 상기 중량 평균 섬유 길이 1 mm 내지 50 mm의 강화 섬유를 포함하는 예비 성형체가, 중량 평균 섬유 길이가 1 mm 내지 50 mm의 범위인 강화 섬유가 랜덤 배향된 매트상 기재와 열가소성 수지의 조합에 의한 성형체인 복합 성형체의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 중량 평균 섬유 길이 1 mm 내지 50 mm의 강화 섬유를 포함하는 예비 성형체가, 중량 평균 섬유 길이가 20 mm 내지 50 mm의 범위인 강화 섬유가 랜덤 배향된 매트상 기재와 열가소성 수지의 조합에 의한 성형체인 복합 성형체의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 중량 평균 섬유 길이 1 mm 내지 50 mm의 강화 섬유를 포함하는 예비 성형체의 적어도 표층부가, 연속 섬유로 이루어지는 강화 섬유를 한 방향으로 배향한 층을 포함하는 것을 포함하는 복합 성형체의 제조 방법.
5. 삭제
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B가 특정한 단량체를 중합시킨 단독 중합체를 포함하는 열가소성 수지이고, 상기 열가소성 수지 C가 2종 이상의 상이한 단량체의 공중합에 의한 공중합체이며, 이 2종 이상의 단량체 중 하나에 열가소성 수지 A 또는 열가소성 수지 B에서의 단량체와 동일한 단량체를 포함시킨 공중합체를 포함하는 열가소성 수지, 또는 그 공중합체가 블렌드된 수지 조성물인 복합 성형체의 제조 방법.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B가 폴리페닐렌술피드이고, 상기 열가소성 수지 C가 공중합 폴리페닐렌술피드를 포함하는 것인 복합 성형체의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 공중합 폴리페닐렌술피드가 p-페닐렌술피드 단위에 m-페닐렌술피드 단위가 공중합된 중합체를 포함하는 것인 복합 성형체의 제조 방법.
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 수지 A 및 열가소성 수지 B가 폴리아미드이고, 상기 열가소성 수지 C가 공중합 폴리아미드를 포함하는 것인 복합 성형체의 제조 방법.
10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예비 성형체 a 및 b 중 적어도 하나가 강화 섬유로서 탄소 섬유를 포함하는 것인 복합 성형체의 제조 방법.
11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 복합 성형체.

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