本申请根据35U.S.C.§119要求于2013年5月6日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第13-2013-0050401号的优先权，其全部公开内容引入本文以供参考。
技术领域
本发明涉及连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线及其制造方法。更具体地，本发明涉及通过包括连续碳纤维和热塑性树脂纤维而具有优异的机械特性、轻质、且具有优异的成型性和浸渍能力的连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线。
背景技术：
鉴于例如汽车和飞机的运输方式的环境影响，需要降低能量消耗量和二氧化碳排放量。此外，需要通过使用轻质部件改善燃料效率。如此，关于开发包括用于实现轻质特性的碳纤维的汽车用复合材料，已经进行了大量的研究。
碳纤维是一种先进材料，其重量比钢小约80％并比钢强十倍，且与其它纤维相比具有高得多的抗张强度、拉伸模量等，并且还具有优异的比强度和比模量。如此，碳纤维适合用作复合材料的增强材料。此外，由于碳纤维具有优异的耐热性、化学稳定性、导电性、柔性等，所以可在各种领域中，例如不仅仅是航天、航空、风力发电以及运动和娱乐产业，还可以是医疗和建筑领域中进行多种应用。此外，具有优异界面粘合性的碳纤维是可被用作聚合物复合材料中主要材料的材料。
在碳纤维的聚合物复合材料中，碳纤维／热固性树脂复合材料的一个缺点在于，产品需要通过一次模制来制造，并且另一个缺点在于，对维护和再循环存在限制，因为碳纤维／热固性树脂复合材料具有三维交联网络结构，其中材料在固化之后不溶解。碳纤维／热塑性树脂复合材料的优势在于，材料提供高韧性、高速成型性、易后加工性、再循环能力等。然而，碳纤维／热塑性树脂复合材料的缺点在于，树脂具有高粘度并且难以将热塑性树脂注入到碳纤维中。为解决前述问题，需要开发碳纤维／热塑性树脂复合材料及其制造技术。
通常，在碳纤维的情况中，难以形成由3,000股至320,000股直径为约7微米的碳纤维束组成的丝束以获得交错结构，在交错结构中热塑性树脂纤维在丝束的碳短纤维间混合在一起。
为解决如上所述的问题，在相关技术中使用图1中所示的方法。图1为制造相关技术中的复合纱线的方法的示意图。更具体地，通过使具有连续纤维形式的玻璃纤维10与热塑性树脂纤维11交错来制造复合纱线12。或者，通过使碳短纤维13与热塑性树脂纤维11交错来制造复合纱线12。由玻璃纤维10和热塑性树脂纤维11制造的复合纱线12的缺点在于，其与由碳纤维制造的复合纱线相比，具有更高的比重和更低的强度。此外，由碳短纤维13和热塑性树脂纤维11制造的复合纱线12的缺点在于，其比由在碳纤维中具有连续纤维形式的连续碳纤维制造的复合纱线具有更低的物理特性。
技术实现要素：
本发明致力于提供具有优异机械特性、轻质特性、成型性和浸渍能力的碳纤维复合纱线。具体地，本发明通过包括连续碳纤维、热塑性树脂纤维等以及通过使用假捻加工机器或溶液浴等以便制造复合纱线来提供这样的碳纤维复合纱线及其制造方法。
根据一方面，本发明提供包括碳纤维和热塑性树脂纤维的复合纱线，其中碳纤维为具有连续纤维形式的连续碳纤维。
根据各个实施方式，优选由一种或多种选自聚丙烯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610和聚酯的材料来制造热塑性树脂纤维。
根据各个实施方式，优选热塑性树脂纤维具有约0.5旦尼尔至约5旦尼尔的平均厚度。
根据各个实施方式，优选热塑性树脂短纤维具有约100至约10,000的长径比。
此外，优选复合纱线具有约50捻回数／米(T／M)至约500T／M的捻度。
根据另一方面，本发明提供用于制造连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线的方法，该方法包括：对热塑性树脂纤维束(fiber tow)和具有约3,000至约25,000单丝纤度(filament number)的连续碳纤维束中的各个进行展丝；以及通过使经展丝的连续碳纤维束与热塑性树脂纤维束交错来制造复合纱线。优选地，通过使用能够自由旋转而不经受轴的限制且具有低摩擦系数的摩擦盘来实施展丝。另外，优选使用与轴转数相同地进行旋转且具有高摩擦系数的摩擦盘来实施交错。
随后将具有约25,000至约320,000单丝纤度的连续碳纤维束通过包括增容剂的溶液浴来制造连续碳纤维和热塑性树脂纤维混合在一起的复合纱线。
此时，当热塑性树脂纤维具有连续的纤维形式时，优选通过使连续碳纤维束与热塑性树脂纤维束交错，然后使交错的纤维通过溶液浴来制造复合纱线。此外，当热塑性树脂纤维具有短纤维形式时，优选通过使连续碳纤维束通过溶液浴，然后使连续碳纤维束与热塑性树脂纤维条(fiber sliver)交错来制造复合纱线。如本文所指代的，热塑性树脂纤维条通常被理解为是指在梳理(carding)中制造的一股松散的、未加捻(untwisted)的纤维。
根据本发明的示例性实施方式，当由根据本发明的复合纱线来制造模制品时，可以获得优异的机械特性，具体是因为具有优异机械特性的碳纤维以连续纤维的形式存在。
此外，因为由根据本发明的复合纱线制造的模制品在重量上比钢轻，同时仍满足相同或相当的抗张强度和拉伸模量，所以本发明提供轻质的合适模制品。
此外，因为根据本发明的复合纱线是柔性的，所以存在可以使用复合纱线来实现各种形状的效果。更进一步，因为可以使用本发明的复合纱线通过使复合纱线经受加热和固化工艺来实现快速成型，所以存在成型性优异的效果。
此外，因为本发明允许在热塑性树脂中均匀地分布连续碳纤维，所以存在浸渍能力优异的效果。
在下文讨论本发明的其它方面和示例性实施方式。
附图说明
通过参考附图详细描述示例性实施方式，本发明的上述和其它的特征和优点将变得更加明显，其中：
图1为制造相关技术中的复合纱线的常规方法的示意图。
图2为示出根据本发明实施方式的用于制造复合纱线的假捻加工机器的摩擦盘和旋转轴的视图。
图3为根据本发明的实施方式的彼此邻近的轴和包括在轴中的盘的平面图。
图4为示出根据本发明实施方式的通过第一摩擦盘对纤维进行展丝的视图。
图5为根据本发明实施方式的连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线的横截面以及通过热浸渍和固化的示意图。
应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
在本申请的说明书和权利要求中使用的术语或词语，不应被理解为限于常规的或词典意思，而应基于发明者能适当地定义术语的概念以便以最好的方式解释其发明的原理而理解为符合技术精神的意思和概念。
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种(a、an)”和“该(the)”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和／或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和／或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和／或其群组。如本文所使用的，术语“和／或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
除非特别说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。
在下文中，本发明将参考附图和表格进行详细描述。
本发明涉及连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线及其制造方法。
一方面，本发明涉及连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线。
具体地，本发明的复合纱线包括连续碳纤维、热塑性树脂纤维等。
在包括碳纤维和热塑性树脂纤维的复合纱线中，可以以高制造速率制造具有优异机械特性、轻质且具有各种形状的复合纱线。优选碳纤维是具有连续纤维形式而不是短纤维形式的连续碳纤维，从而提供优异的碳纤维和热塑性树脂的浸渍能力。
根据本发明，可适当地使用本领域已知的任意热塑性树脂纤维。根据优选的实施方式，热塑性树脂纤维由一种或多种选自聚丙烯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610和聚酯的材料来制造。
根据优选的实施方式，热塑性树脂纤维具有约0.5旦尼尔至约5旦尼尔的平均厚度，并且更优选为约1旦尼尔至约3旦尼尔。当热塑性树脂纤维的平均厚度小于0.5旦尼尔时，存在复合纱线的产率降低的问题。另一方面，当平均厚度超过5旦尼尔时，可能由于热塑性树脂纤维与碳纤维之间直径上的较大差别而难以使热塑性树脂纤维与碳纤维交错。
根据各个实施方式，热塑性树脂短纤维具有优选约100至约10,000的长径比，并且更优选为约500至约2,000。当热塑性树脂纤维的长径比小于100时，变得难以使热塑性树脂短纤维与碳纤维交错。另一方面，当长径比超过10,000时，可能难以在溶液中分布热塑性树脂纤维并难以在其使用期间处理热塑性树脂纤维。
此外，在制造复合纱线时，复合纱线的厚度没有特别限定。然而，根据优选的实施方式，复合纱线的厚度为约2,600旦尼尔至约60,000旦尼尔。
优选使复合纱线加捻(twisted)以改善由连续碳纤维、热塑性树脂纤维等组成的复合纱线的抗张强度。加捻的程度可被表示为捻度，其是指复合纱线每米旋转的数目。根据本发明的复合纱线的捻度优选为约50捻回数／米(T／M)至约500T／M，并且更优选为约100T／M至约200T／M。当复合纱线的捻度小于50T／M时，具有交错纤维的复合纱线可能丧失完整性。另一方面，当捻度超过500T／M时，连续碳纤维可能因过度加捻而被损坏，因为复合纱线的碳纤维易受剪切力的影响。
下文中，另一方面，本发明涉及用于制造连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线的方法。
根据本发明的实施方式，提供包括连续碳纤维、热塑性树脂纤维等的复合纱线。可适当地使本领域已知的任意热塑性树脂纤维。根据优选的实施方式，热塑性树脂纤维由一种或多种选自聚丙烯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610和聚酯的材料来制造。
由多根未加捻的丝线例如连续碳纤维组成的纤维束(fiber bundle)被称作丝束(tow)。根据本发明，应用另一种用于交错的方法以根据连续碳纤维束的尺寸来制造连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线。
具体地，当连续碳纤维束具有约3,000至约25,000的单丝纤度时，优选连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线通过假捻方法使用包括摩擦盘的假捻加工机器来使碳纤维与热塑性树脂纤维交错来制造。当丝束的单丝纤度小于3,000时，制造成本由于低制造速率而增加。另一方面，当数目超过25,000时，连续碳纤维的丝束过厚，使得难以使用摩擦盘执行展丝和纤维的交错。
更具体地，图2为示出根据本发明实施方式的用于制造复合纱线的假捻加工机器的摩擦盘和旋转轴的视图。如所示，轴20包括摩擦盘(例如21、22、23)。在本发明中，轴20和摩擦盘21、22、23的数目没有特别限定。根据优选的实施方式，设置三个轴20，并且优选在每个轴20上包括三个摩擦盘21、22、23。
图3是彼此邻近的轴20的平面图，在每个轴上包括摩擦盘。具体地，轴20彼此邻近，并且优选包括在轴上的摩擦盘21、22、23也彼此邻近且上下交叉。
根据优选的实施方式，包括在每个轴20上的三个摩擦盘21、22、23之中的最上方的第一摩擦盘21能够自由旋转，而不经受轴的限制。如此，最上方的第一摩擦盘21是具有低摩擦系数的摩擦盘。根据本发明，连续碳纤维束和热塑性树脂纤维束可以各自在摩擦盘的弯曲表面上进行展丝。图4为示出通过第一摩擦盘21对纤维进行展丝的视图。如所示，丝束通过摩擦盘21的弯曲表面进行展丝。
此外，布置在包括在每个轴20上的三个摩擦盘的中部和底部的第二摩擦盘22和第三摩擦盘23是相对于第一摩擦盘具有高摩擦系数的摩擦盘。第二和第三摩擦盘22、23以与轴20相同的转数进行旋转。如此，可以制造连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线，因为经展丝的连续碳纤维束和热塑性树脂纤维束相互交叉并加捻，并且在通过旋转摩擦盘21、22、23的弯曲表面的同时交错。
因此，本发明包括：通过使用自由旋转而不经受所布置的轴的限制的第一摩擦盘的弯曲表面对热塑性树脂纤维束和单丝纤度为约3,000至约25,000的连续碳纤维束进行展丝，该摩擦盘具有低摩擦系数；以及通过使用一个或多个以与所布置的旋转轴相同的转数进行旋转的摩擦盘(例如第二和第三摩擦盘)的弯曲表面使经展丝的连续碳纤维束与热塑性树脂纤维束交错来制造连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线，该一个或多个摩擦盘相对于第一摩擦盘具有高摩擦系数。
被加捻的交错复合纱线的加捻程度可被表示为捻度，并且捻度是指复合纱线每米的旋转数目。根据本发明的复合纱线的捻度优选为约50捻回数／米(T／M)至约500T／M，并且更优选为约100T／M至约200T／M。当复合纱线的捻度小于50T／M时，具有交错纤维的复合纱线可能丧失完整性。另一方面，当捻度超过500T／M时，连续碳纤维可能因过度加捻而被损坏，因为复合纱线的碳纤维易受剪切力的影响。
在制造复合纱线时，复合纱线的厚度没有特别限定，但是优选为约2,600旦尼尔至约60,000旦尼尔。因此，为制造具有前述厚度的复合纱线，优选相应地调节包括在每个轴20内的摩擦盘之间的间隙以适应期望的厚度。
此外，当连续碳纤维束具有约25,000至约320,000的单丝纤度时，优选通过使连续碳纤维束通过包括增容剂例如阴离子化尼龙的溶液浴来制造连续碳纤维和热塑性树脂纤维混合在一起的连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线。在这里，优选热塑性树脂纤维为具有连续纤维形式的丝束，或者具有短纤维形式的条(sliver)。根据本发明的实施方式，当连续碳纤维束具有约25,000或更小的单丝纤度时，使用包括摩擦盘的假捻加工机器进行交错可以比使用溶液浴进行交错更高效。另一方面，当单丝纤度超过约320,000时，连续碳纤维束很厚使得其可能难以通过溶液浴来实现交错。
此时，当热塑性树脂纤维具有连续纤维形式时，优选通过使连续碳纤维束和热塑性树脂纤维束交错，然后使交错的纤维通过溶液浴来制造连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线。
具体地，优选将连续碳纤维束和热塑性树脂纤维束通过进料辊而被引入到溶液浴中并通过卷取辊从溶液浴中移除。此时，优选通过将供应辊的速度保持为稍快于卷取辊的速度来引起连续碳纤维束和热塑性树脂纤维束的展丝。此外，搅拌器可被安装在溶液浴中以进一步促进每个丝束的展丝。
当热塑性树脂纤维具有短纤维形式时，优选通过使连续碳纤维束通过溶液浴，然后使连续碳纤维束与热塑性树脂纤维条交错来制造连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线。此时，热塑性树脂纤维具有优选约5mm至约30mm的长度，并且更优选为约10mm至约20mm。根据优选的实施方式，搅拌器可被安装在溶液浴中以促使丝束的展丝。
因此，当热塑性树脂纤维具有连续纤维形式时，优选使热塑性树脂短纤维与连续碳纤维束在通过溶液浴之前交错。另一方面，当热塑性树脂纤维具有短纤维形式时，优选使热塑性树脂纤维与连续碳纤维束在通过溶液浴之后交错。
图5为连续碳纤维／热塑性树脂纤维复合纱线的横截面以及通过热浸渍和固化的示意图。具体地，使用本发明由连续碳纤维30、热塑性树脂纤维31等组成的复合纱线32适当地执行缠绕以提供期望的形状。随后，当将热添加至缠绕的复合纱线时，可以使复合纱线中的热塑性树脂纤维31熔融，从而形成热塑性树脂基质33。当冷却熔融的热塑性树脂基质33时，获得连续碳纤维30位于基质中的形式，结果，热塑性树脂基质33变为具有强物理特性的碳纤维复合材料。
也就是说，当使用根据本发明的复合纱线来制作期望的形状时，可向其施加热，然后冷却复合纱线，从而制造具有期望形状的碳纤维复合材料。因此，复合纱线可应用于任何需要强物理特性和轻质的地方。特别地，优选将本发明的复合纱线应用于汽车部件等。
在下文中，将通过实施例更加详细地描述本发明。这些实施例仅用于示例说明本发明，且对于本领域技术人员来说明显的是本发明的范围并不应理解为受这些实施例限定。
[实施例1]
将单丝纤度为25,000的连续碳纤维束与厚度为3,200旦尼尔的尼龙6结合。然后使该结合通过由三个轴和三个片组成的包括摩擦盘的假捻加工机器，并以150T／M的捻度进行交错，从而制造根据本发明的复合纱线。
[实施例2]
将单丝纤度为50,000的连续碳纤维束与厚度为13,300旦尼尔的尼龙6结合。然后使该结合通过溶液浴，然后进行交错，其中溶液浴包括分散有阴离子化尼龙的水溶液。然后通过将进料辊和卷取辊的转速比设定为100∶99来促进展丝，100T／M的捻度被添加至已通过溶液浴的交错丝束，然后通过使交错丝束通过轧辊(nip roller)来去除额外的溶液，从而制造根据本发明的复合纱线。
[实施例3]
使单丝纤度为50,000的连续碳纤维束通过包括分散有阴离子化尼龙的水溶液的溶液浴，然后使由平均长度为15mm的尼龙6短纤维组成的厚度为13,300旦尼尔的条与已通过溶液浴的连续碳纤维束交错。向其添加100T／M的捻度，然后通过使所得纤维通过轧辊来去除额外的溶液，从而制造根据本发明的复合纱线。
[比较例1]
通过使玻璃纤维／尼龙6重量比为100∶45的10,700旦尼尔的纤维交错来制造复合纱线。
[比较例2]
将重量比为100∶63的碳短纤维／尼龙6短纤维(平均长度20mm)的10,700旦尼尔纤维以条的形式通过自由端纺纱工艺而交错，然后向其添加1,000T／M的捻度，从而制造复合纱线。
[比较例3]
通过添加1,500T／M的捻度而不是150T／M的捻度来使实施例1的复合纱线交错，从而制造复合纱线。
通过实施例1～3和比较例1～3来制造的复合纱线各自布置且随后使用热压制造为片形式，并且随后根据ISO527执行拉伸测试。
[表1]
表1比较了实施例1～3和比较例1～3的拉伸测试结果。在表1中，比较例1涉及相关技术中的复合纱线，其由玻璃纤维和热塑性树脂纤维组成。如所证实的，根据本发明的实施例1～3的抗张强度和拉伸模量与比较例1相比高约两倍和三倍。因此，证实了根据本发明的复合纱线与相关技术中由玻璃纤维和热塑性树脂纤维组成的复合纱线相比具有更好的抗张强度和拉伸模量。
此外，比较例2涉及由碳纤维和热塑性树脂纤维组成的复合纱线。因为碳纤维具有短纤维形式而不是连续纤维形式，所以捻度被保持在高水平以将碳纤维束扎在一起。结果，比较例2中的抗张强度比实施例1～3中的抗张强度更低。因此，证实了根据本发明的复合纱线与相关技术中由碳短纤维和热塑性树脂纤维组成的复合纱线相比具有更好的抗张强度。
此外，在比较例3的情况中，高捻度被添加至实施例1中的复合纱线，结果，抗张强度降低约24％。因此，当极端的捻度被添加至复合纱线时，证实了碳纤维的损坏以及相对于增强材料的主轴存在碳纤维的捻回角。结果，抗张强度迅速降低。
此外，因为根据本发明的复合纱线与钢的重量相比仅为其24％，其具有与实施例1～3相似的抗张强度和拉伸模量，所以证实了所提供的轻质效果优于钢。
也就是说，根据实施例，证实了根据本发明的复合纱线与相关技术中的复合纱线相比具有更好的抗张强度和拉伸模量，并且更进一步，所提供的轻质效果优于钢。
如上所述，已关于本发明的具体实施方式描述了本发明，但是实施方式仅为示例说明并且本发明并不限于此。在不背离本发明范围的情况下，本发明所属领域的技术人员可以对所描述的实施方式进行改变或修改，并且可以在本发明的技术主旨以及权利要求的等同范围内进行各种改变和修改。