플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

1. 서론

CFRPT의 성형기술은 GFRTP성형기술로부터 파생된 것이 많지만, 아직 실용화가 되지 않은 것도 많다. 이 글에서는 CFRTP를 중심으로 장섬유합성수지(LFRTP)의 전반적인 성형가공기술에 관하여 다룰 것이며, 이후 FRTP의 표면 가식 기술에 대해서도 다룰 예정이다.

2. LFRTP의 성형가공방식

LFRTP의 성형방식을 위해 사용되는 방법은 표1에 기재하였다(CFRTP의 성형방법으로는 이용되지 않는 방법도 포함되어있다).

CFRTS에 따른 성형품은 역학적 특성이 우수하여 항공기 부품으로의 사용이 확대되었고, 성형시간도 수분 단위로 단축할 수 있게 되었지만, 자동차부품 등으로 폭넓게 사용되기 위해서는 1분 안팎의 성형이 요구되고 있으므로 CFRTP와 같은 고품질이며 가격 면에서도 우수한 성형방법의 개발이 필요하다. 게다가 외관 부품의 경우엔 멋진 외관을 얻기 위한 가식 기술도 요구되고 있다. 그림1은 CFRTS, CFRTP의 여러 성형 방법의 성형 사이클과 역학적 특성의 관계를 정리한 필자의 ‘상정도’이다.

2-1 장섬유펠릿의 사출성형

연속섬유에 이용되는, 드로잉에 의한 방법으로 제작된 스트랜드를 6~24㎜ 정도로 잘라 장섬유 펠릿을 이용하여 사출성형 및 사출 프레스 성형으로 성형하는 방법이며 리브·보스에도 섬유가 메워져 일반적인 열가소성수지와 같은 모습으로 성형할 수 있다.

프리프레그와 같은 연속수지에 이용되는 방법과 비교해봤을 때 일반적으로는 충격흡수성능이 떨어지지만, 최근 토레이에서 폴리에스테르 수지와의 배합을 통하여 만든 충격강도를 높인 재료를 공급하고 있다.

라제트 서포터 및 프론트모듈에서 CFRPP가 사용되고 있다.

이 방법을 이용할 경우 드로잉품이 스트랜드로 사용되기 위한 연마 없이 UD시트 상태로 활용하는 것이 가능해진다.

스이료플라스틱에서는 사출 프레스 성형에 가열과 냉각을 적절히 조합해 두께 1.5㎜의 성형품을 얻을 수 있게 되었고 자동차부품 등으로의 전개를 진행 중이다.

표1) 장섬유복합 열가소성 소재의 성형방법

2-2 장섬유 컴파운드 인라인성형(D-LFT)

2-1에서는 우선 펠릿을 작성할 때 재가열하여 사출성형, 사출 프레스 성형, 프레스 성형을 했지만, 이번 방법은 장섬유 컴파운드의 제작과 성형을 인바운드로 진행한다.

그림2에 표시된 것처럼 Dieffenbaccher의 방법은 프레스성형 시 쓰이고 있으며, Krauss Maffei방법은 사출성형, 스미토모화학의 방법은 사출 프레스성형의 방법으로써 이용되고 있다.

사출성형보다는 사출 프레스성형, 프레스성형방법이 고성능 성형품을 얻기 쉬우며, 프리프레그 나 필름 등의 인서트성형의 작업에도 적합하다.

그림2) Dieffenbacher의 LFT-D-ILC

2-3 연속섬유 직물에 대한 용융수지 직접성형

연속섬유직물을 공급하며, 금형을 폐쇄하지 않은 상태에서 용융 수지를 공급하고, 공급과 동시 혹은 생산 직후에 바로 형체를 갖게 한 후, 장 섬유배합 열가소성수지 성형품을 직접 성형하는 방법(스미토모화학 개발, 특허)으로 열경화성수지 RTM과 같은 방법이다.

실험실에서는 이 기술에 대한 실시간 확인이 가능하지만, 실제 생산 시에는 섬유와 수지의 함침성, 균등성 등 해결해야 하는 과제가 있으므로 사용하지 않고 있다. 현재 아사이산업에서 실제 생산을 위한 기술을 검토 중이다.

최근 야마가타대학이 CF 트랜스매트 와 수지의 열 프레스 품의 수지 합침성에 대한 실험을 한 결과, PP-Ph(PP에 소량의 페놀수지와 과산화물을 넣어 용융 혼합한 수지)를 사용하면, 합침성, 횡절강도, 충격강도가 좋은 CFRTP를 얻을 수 있다는 것을 알아냈다.

2-4 연속섬유복합 시트의 프레스 성형

우선, 여러 방법으로 연속섬유복합 시트(프리프레그)를 제작(제작방법은 생략)하고 그 시트를 가열하여, 프레스성형을 하는 방법이다. 프리프레그 성형단계에서 섬유와 수지의 함침, 섬유의 방향을 제어할 수 있으며, 프레스성형에서 고품질의 성형품을 얻을 수 있다.

시판되고 있는 대표적인 프리프레그인 TER-PEX의 성형품을 사진1에 기재하였다.

연속수지는 강도 면에서 기존 수지보다 강한 편이지만, 리브·보스의 수지가 충분히 보강되지 않는 등 몇 가지의 성형상 과제가 있으므로, 여러 가지 기술을 감미한 시트 또는 성형방법을 위한 연구가 계속 진행 중이다.

미쓰비시 레이온은 재료연구를 토레이는 부분 연마 프리 프레그 프레스 성형으로 리브·보스의 성형 및 부분적으로 섬유를 메워 만든 표본을 공개하였다.

이바라키 공업은 연속섬유와 불연속섬유를 적층 성형하여 강도와 성형성 양쪽을 보완하였다.

특이점이라고 한다면, 쿠라보가 PP, PA, 폴리에스텔과 CF, AF, 폴리에스터 수지, 네츄럴수지 등 연속배합열가소성재료(NE-OMATEX)를 제작, 패브릭, 시트와의 배합을 통하여, 프레스성형이 가능 하다는 것과, 사카세 아드텍 에서 제조 중인 폴리에스텔 수지, CF, GF의 삼축직물(Triaxial Woven Fabric)역시 프레스성형이 가능하다는 점이다. 아울러 모든 가식에 대한 전개도 이루어지고 있다.

사진1) BONDLAMINATES의 TEPEX를 이용한 성형품

▲ 프리프레그와 수지의 하이브리드 성형품

▲ 필름 첩합 성형품

▲ 금속과의 하이브리드 성형품

▲ 발포체와의 복합성형 성형품

2-5 불연속섬유복합 시트의 프레스성형

그림3에 표시되어있는 것처럼 왕자 홀딩스는 CF, GF, AF등의 강화 섬유와 각종 열가소성 섬유를 초지법을 이용하여 무작위적 매트화한 복합제를 개발해 대형품, 박물성형품, 필름 첩합성형품 등 열 프레스로 제작한 것을 공급 중에 있으며, 또한 케프라 시트나 아와제지는 6~24㎜ 정도의 섬유와 수지 파우더 또는 섬유를 이용한 초지법 웨이브를 제작하여 가열 및 냉각을 통한 시트제를 제조하고 있다.

그림3) 초지법 섬유복합 시트와 성형품

2-6 연속섬유복합 시트 또는 예비부형품 인서트 사출성형

2-4에서 소개한 프리프레그를 예열·예비 부형한 것을 금형에 인서트하고 이면측부터 2-1, 2-2로 섬유복합재료를 공급하여 사출성형 및 사출 프레스하는 성형방법(혼합형 성형)이며, 고성능 제품을 얻으려는 방법으로 최근에 실용화를 위한 연구가 진행 중인 CFRTP의 성형방법이다.

Kraus Maffei, Engel, Arburg 등이 K2013에서 공개하였고, 이후 일본에서는 최초로 사토철공소 측이 자료를 공개하였으며, IPF2014에서 도시바기계, 일본제강소, 명기제작소, 동양기계금속, NTC 등이 지금까지 공개를 거부했던 자료를 전시하였다.

이후에도 다수의 회사가 기계를 개발하고 자료전시를 하고 있다. 사토철공소의 방법은 그림4에 표시하였다. 2-2(2)의 SP 금형의 장치를 사용하여 전개한 것이다.

그림4) 사토철공소의 CFRTP 하이브리드 성형 그리고 성형품의 예?

2-7 프리프레그와 발포체의 복합성형

세키스이 화학공업과 이노악코퍼레이션은 2-4에서 소개한 프리프레그와 발포체 복합 성형품을 IPF2014에서 선보였다.

* 필자소개

Masui Shohei, MTO기술연구소