이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 직조가 용이하고, 직조후 열용융 함침시 균일성 및 함침성이 뛰어난 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체의 제조방법은, 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체의 제조방법에 있어서, a) 유리섬유 다발을 광폭으로 균일하게 펼치는 단계; b) 펼쳐진 유리섬유를 가열하는 단계; c) 가열된 유리섬유와 테이프 형상의 열가소성 플라스틱을 접합하여 열가소성 플라스틱-연속섬유 접합체를 형성하는 단계; d) 상기 접합체를 지그재그 형태로 접어 다층 열가소성 플라스틱-연속섬유 접합체를 만드는 단계; 및 e) 상기 다층 열가소성 플라스틱-연속섬유 접합체를 압착시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 a) 단계의 유리섬유 다발은 통상 연속섬유 강화 플라스틱에 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 화학적 결합력을 높이기 위해, 사용되는 열가소성 플라스틱 용도로 각각 사이징 처리된 유리섬유를 선택하는 것이 바람직하다. 또한 유리섬유의 직경은 작을수록 좋으나 통상 15 내지 20 마이크로미터의 수준의 것이 바람직하다. 유리섬유 다발은 1200 TEX가 2400 TEX 보다는 광폭화 측면에서 용이하나, 혼성복합체의 경제적 측면을 고려한다면 2400 TEX를 사용하는 것이 생산성이 높아 보다 바람직하다.

상기 a) 단계에서 유리섬유 다발을 다단계의 볼록 바(convex bar) 및 안내 바(guide bar)를 이용하여 점진적으로 광폭화하여 균일하게 펼칠 수 있는데, 사용되는 볼록 바(convex bar) 및 안내 바(guide bar)의 수는 필요에 따라 조절될 수 있다.

상기 안내 바는 유리섬유 다발의 이탈을 막고 이를 볼록 바로 안내하는 역할을 하는 것으로, 유리섬유 다발과 접촉하는 중앙부는 평평하고 그 양단부 대비 들어간 형태인데 유리섬유의 폭에 따라 조절된다.

상기 볼록 바(convex bar)는 유리섬유 다발을 시트 형태로 균일하게 펼치는 역할을 하는 것으로 유리섬유 다발과 접촉하는 표면이 하기 수학식 1 내지 3을 만족하는 것이 바람직하다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

상기 수학식 1 내지 3에서 R은 볼록 바의 최대 반경이고, r은 볼록 바의 최소 반경이며, H는 안내 바 중심을 지나는 수평선으로부터 볼록 바의 중심에 이르는 높이이고, L은 유리섬유와 안내 바가 접하는 접점으로부터 유리섬유와 볼록 바의 중심과 접하는 접점까지의 거리이며, S는 볼록 바 중심을 지나는 수직선으로부터 안내 바에 이르는 거리이고, x는 볼록 바의 축방향 대칭면으로부터 유리섬유까지의 수평거리이며, x ₀ 는 안내 바의 길이방향 대칭면으로부터 유리섬유까지의 수평거리이고, φ는 볼록 바의 중심을 지나는 수직선과 볼록 바의 접선이 만나는 각도이다.

상기 L, H, S, φ, x 및 x _o 는 보다 구체적으로 하기 그림 1 및 2로 표현될 수 있다.

[그림 1]

[그림 2]

상기 수학식 1에서 r/R 값이 0.95 이상이고, φ값이 45°인 것이 바람직한데, 이 범위에 미치지 못하는 경우 유리섬유 다발이 균일하게 펼쳐지지 않고 한 쪽으로 쏠리는 현상이 발생하며, 유리섬유 가닥에 과도한 장력(tention)이 발생하는 문제가 있다.

상기 b) 단계의 가열은 펼쳐진 유리섬유를 120 내지 280 ℃의 온도로 가열하는 것인데, 이 온도범위 내에서 상기 유리섬유를 테이프 형상의 열가소성 플라스틱에 접합하는 경우 최종적으로 제조되는 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체의 유연성이 뛰어나 직조가 용이한 효과가 있다. 이 때의 온도는 사용되는 테이프 형상의 열가소성 플라스틱의 종류에 따라 용융온도를 참고로 하여 적절히 선택되며, 혼성복합체가 유연성을 유지할 수 있는 가급적 높은 온도로 최적화하는 것이 바람직하다.

상기 c) 단계의 테이프 형상의 열가소성 플라스틱은 복수 개의 일정폭의 플라스틱 테이프가 펼져진 상태에서 나란히 동일 평면에 간극 없이 배열된 것일 수 있는데, 그 폭의 합이 상기 가열된 유리섬유의 폭과 일치되는 것이 바람직하다.

상기 c) 단계의 열가소성 플라스틱 테이프는 상기 가열된 유리섬유의 상부 또는 상하부에 위치할 수 있으나, 상하부 양쪽에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 일정폭의 플라스틱 테이프는 특별히 제한되는 것은 아니나, 2 내지 40 ㎜ 폭, 500 내지 4000 데니아(denier)일 수 있고, 이를 조절함으로써 제조되는 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체 내의 연속섬유 함량을 조절할 수 있는데, 유리섬유가 40 내지 80 중량%로 포함되도록 조절되는 것이 바람직하다.

상기 c) 단계의 열가소성 플라스틱-연속섬유 접합체는 유리섬유와 테이프 형상의 열가소성 플라스틱이 적층된 구조 또는 열가소성 플라스틱 테이프, 유리섬유 및 테이프 형상의 열가소성 플라스틱이 순서대로 적층된 구조일 수 있는데, 바람직하게는 테이프 형상의 열가소성 플라스틱, 유리섬유 및 테이프 형상의 열가소성 플라스틱이 순서대로 적층된 구조이다.

상기 일정폭의 테이프 형상의 플라스틱에는 혼합방사 공정을 포함하는 종래기술과는 달리 특별한 일롱게이션(Elongation) 특성이 요구되지 않으므로 필름 또는 테이프 형태로 가공이 가능한 대부분의 상업화된 열가소성 플라스틱이 적용될 수 있고, 본 발명의 실시예에서는 폴리프로필렌을 사용하였다.

상기 테이프 형상의 폴리프로필렌은 두께가 30 내지 200 ㎛일 수 있고, 커플링제를 포함할 수 있다.

상기 d) 단계의 다층 열가소성 플라스틱-연속섬유 접합체는 상기 복수 개의 테이프 형상의 플라스틱 간 접촉면이 접혀 지그재그 형태를 갖는 것인데, 결과적으로 그 폭이 상기 플라스틱 테이프 하나의 폭과 동일 또는 비슷하게 된다.

상기 e) 단계의 압착은 120 내지 280 ℃의 조건 하에서 실시될 수 있는데, 온도가 너무 낮을 경우 다층 열가소성 플라스틱-연속섬유 접합체의 접힌 상태가 유지되지 않고 다시 풀어지는 문제가 있고, 온도가 너무 높을 경우에는 과도한 함침으로 인해 유연성을 상실할 수 있다.

본 발명의 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체는 직조 및 열간압착에 의한 플라스틱 수지의 용융함침 전의 연속섬유 강화 플라스틱을 의미하는데, 상기 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체의 제조방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연속섬유 강화 플라스틱 제품은 상기 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체를 사용하여 직조 및 열간압착하여 제조된 시트 또는 프로파일 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 직조된 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체를 열간압착할때, 열가소성 플라스틱이 강화섬유 내부로 용융함침되는데, 본 발명은 연속섬유와 열가소성 플라스틱이 교대로 적층된 다층구조를 가짐으로써, 고점도 수지와 같이 유동 거리가 100 ㎛ 이하로 제한되는 경우에도 매우 우수한 함침성을 발휘할 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명의 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체의 제조방법을 구체적인 실시예로써 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

유리섬유 다발을 광폭으로 균일하게 펼치는 단계를 하기 도 1에 구체적으로 나타내었다.

본 발명에 사용된 유리섬유 다발은 17 ㎛ 직경의 유리섬유 4000 가닥으로 구성된 2400 TEX를 사용하였으며, 폴리프로필렌 수지에 적합하도록 사이징 처리된 것을 사용하였다. 초기 유리섬유 다발은 약 5 mm 폭을 가지고 있기 때문에, 제1 안내 바(1)의 중앙부는 5 mm의 평평한 부분을 가지고, 그 양단부 대비 들어간 형태를 취한다. 이어 제1 볼록 바(2)는 상기 수학식 1의 조건을 만족하도록 설계된 것으로 유리섬유 다발을 12 mm의 폭으로 1차 광폭화 시킨다. 이어 제2 안내 바(3)의 중앙부는 10 mm의 평탄한 부분을 가지며, 이는 12 mm의 폭으로 1차 광폭화 시킨 유리섬유 다발을 10 mm의 폭으로 정렬하는 역할을 한다. 제2 볼록 바(4)는 상기 수학식 1의 조건을 만족하도록 설계된 것으로 제2 안내 바(3)로부터 나온 10 mm 폭의 유리섬유 다발을 24 mm의 폭으로 2차 광폭화 시킨다. 이어 제3 안내 바(5)의 중앙부는 20 mm의 평탄한 부분을 가지며, 이는 24 mm의 폭으로 2차 광폭화 시킨 유리섬유 다발을 20 mm의 폭으로 정렬하는 역할을 한다. 결과적으로 초기 5 mm 폭의 유리섬유 다발은 20 mm 광폭으로 균일하게 펼쳐지게 된다. 상기 광폭으로 펼쳐진 유리섬유 다발은 2~3개의 유리섬유로 이루어진 두께를 형성하게 된다.

하기 도 2는 펼쳐진 유리섬유 다발을 가열하고 테이프 형상의 열가소성 플라스틱을 접합하여 열가소성 플라스틱-연속섬유 접합체를 형성하는 단계, 상기 접합체를 지그재그 형태로 접어 다층 열가소성 플라스틱-연속섬유 접합체를 만드는 단계, 상기 다층 열가소성 플라스틱-연속섬유 접합체를 압착시켜 연속섬유와 열가소성 플라스틱이 교대로 적층된 다층구조로 이루어진, 직조 후 열용융 함침시 균일성 및 함침성이 뛰어난 열가소성-연속섬유 혼성 복합체의 제조방법에 대해 도시하였다. 상기 테이프 형상의 열가소성 플라스틱은 커플링제가 처방된 폴리프로필렌이며, 2700 데니아 8 개가 사용되었다. 따라서 상기의 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성복합체는 50 중량% 유리섬유를 포함한다.

[실험예]

성능평가를 위한 특성치로 굴곡강도 및 굴곡탄성률을 채택하였다. 본발명에 따라 제조된 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성복합체를 직조 후 열간압착한 시트물에서 시험규격 ASTM D790 요구사항에 따라 시편을 채취한 후 물성을 평가한 결과를 하기 도 3에 나타내었다.

하기 도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성복합체(PP/GF50%)는 LFT-D(PP/GF50%)와 비교하여 직조가 용이하면서도 우수한 굴곡강도(250 MPa) 및 굴곡탄성률(15 GPa)을 갖는 것을 확인할 수 있었다

이상의 본 발명에 따른 열가소성 플라스틱-연속섬유 혼성 복합체의 제조방법은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.