(57)【要約】  多様な熱可塑性射出製品の補強材の生産及び３Ｄプリンタを活用した繊維補強熱可塑性プラスチック部品の製作に適用可能な連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を、簡単な方法で優秀な機械的物性を有するように製造する方案が開示される。本発明は、複数のヤーン（ｙａｒｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）の中間材が組糸になって棒状に形成された連続繊維補強熱可塑性複合材料及びその製造方法を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のヤーン（ｙａｒｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）の中間材が組糸になって棒状に形成された連続繊維補強熱可塑性複合材料。
【請求項２】
前記複合材料は、気孔率が１〜１０体積％であることを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項３】
前記複合材料は、前記複合材料の断面を基準に下記数式１を満足することを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料：
【数１】
2021504500.tif 000007
数式１において、Ｐ及びＡはそれぞれ前記複合材料の断面の周縁の長さ及び断面の面積である。
【請求項４】
前記テープは、０．１〜１．０ｍｍの厚さ及び３〜３０ｍｍの幅を有することを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項５】
前記組糸は、前記ヤーンまたはテープ２〜１０個が投入されて組糸になることを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項６】
前記連続繊維は、ガラス繊維または炭素繊維であることを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項７】
（ａ）複数のヤーン（ｙａｈｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）状の中間材を加熱部に連続的に投入するステップと、
（ｂ）前記中間材を前記中間材に含まれている熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱し、少なくとも前記中間材表面の熱可塑性樹脂の一部を溶融させるステップと、
（ｃ）前記溶融された中間材の２個以上をノズルに通過させて組糸にして棒状に成形するステップと、
を含む、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記中間材は、前記連続繊維の含有量が３０〜６０重量％及び前記熱可塑性樹脂の含有量が４０〜７０重量％であることを特徴とする、請求項７に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項９】
前記ステップ（ｂ）における加熱は、前記熱可塑性樹脂の融点より２０〜４０℃高い温度で行われることを特徴とする、請求項７に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項１０】
前記ノズルは断面の形状に屈曲がないか、１以上の凹凸が形成されることを特徴とする、請求項７に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項１１】
前記ノズルを介して吐出される前記棒を回転させてらせん状に形成させることを特徴とする、請求項４に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項１２】
前記ノズルは、出口端部の直径に対する入口端部の直径の比が１．５〜５、及び出口端部の直径に対する長さの比が２〜１０であることを特徴とする、請求項４に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項１３】
前記ノズルは多段に形成され、出口の方に向かって直径が減少することを特徴とする、請求項４に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料及びその製造方法に関し、より詳しくは、熱可塑性樹脂射出製品の補強材として活用可能な連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
連続繊維が補強されたポリマー棒は、構造的補強材として多様な用途に使用されてきた。代表的に、鉄筋を代替してコンクリートの内部に挿入される補強筋として使用されており、最近はインサート射出工程に導入され、射出成形部品の内部に挿入される補強用インサートとして活用されることで、多様な射出部品の機械的物性を上げながら、軽量化を成し遂げるために使用されている。また、３Ｄプリント装置にも導入されて、既存の熱可塑性樹脂のみで積層構造物を製作していた方式では、樹脂の内部に連続繊維を添加し、連続繊維が補強された帯または棒状の複合材料を積層して構造物を製作することで、高い機械的物性を具現する製品を製作しようとする試みが行われている。
【０００３】
一般に、連続繊維が補強されたポリマーを棒または帯状に製作する最も伝統的な方法は引抜成形工法であり、ガラス繊維または炭素繊維を溶融状態の樹脂に含浸させた後、引抜力を加えてノズルを通過させることで、円形の断面またはその他の多様な断面形状の棒を製作することである。引抜成形は、高い生産性と優れた品質の具現が可能であるが、大量生産に適合した製造方法では、大型及び高価の引抜成形装置を必要とするため、大量生産が維持されなければ経済性のある生産単価を確保することができない。よって、多品種少量生産が必要な製品群の場合には、適していない工程である。
【０００４】
韓国公開特許第２０１６−００５４６６１号公報は、連続繊維の形態を有する補強繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた後、円形状に巻いてから一定の長さに切って形成することを特徴とする一方向連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材を開示しているが、一般に生産される薄いフィルム状の熱可塑性樹脂複合素材をロール成形機に投入して、巻いてロッド（ｒｏｄ）状に成形する過程は、フィルムが乾燥せずに砕けるかしわくちゃになる不良や、工程中に繊維が切れる問題がある。これを解決するためには、多数のロール成形機が必要であり、ロール成形機の入口と出口の口径が必ず一定の割合で維持されるべきであって、多数のロール成形機の温度も個別に制御する必要があるなど、多少複雑な工程が求められる。
【０００５】
韓国登録特許第０７６６９５４号公報は、自己含浸された突起を有する繊維強化ポリマー補強筋及びその製造方法に関し、繊維強化ポリマー補強筋を製造する方法として、典型的な引抜成形工程を利用している。この特許は、連続繊維を樹脂に含侵させた後、引抜力を加えてノズルを通過させることで円形断面の棒を製作しており、この際、表面に突起を形成するために第２の繊維、第３の繊維が第１の繊維の外周面に沿って巻かれるようにする技術を開示しているが、引抜成形工程に加えて繊維を巻く（ｂｒａｉｄｉｎｇ）工程を連動する必要があるため、高価な装置が別途に必要である。引抜成形装置は大型装置であり、大量生産が維持されなければ経済性のある製品単価を確保することができず、追加される装置も高価な大型の装置であって、莫大な初期投資が必要な技術である。
【０００６】
韓国登録特許第１７１４７７２号公報は、形成可能なプラスチック材料からなる素材を利用して３Ｄ立体物を製造する３Ｄ立体物の製造ロボットに関し、使用される素材としてストランド（ｓｔｒａｎｄ）、ヤーン（ｙａｒｎ）、トウ（ｔｏｗ）、バンドル（ｂｕｎｄｌｅ）、バンド（ｂａｎｄ）、またはテープ（ｔａｐｅ）を例示しているが、投入される材料を圧密（ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）などの任意の成形工程については言及しておらず、実際の製品への適用に対する事例を提示していないため、強度及び剛性、断面及び表面の均一性など、補強材として使用可能な品質が具現可能かどうかを確認することができない。
【０００７】
Ｒ．Ｍａｔｓｕｚａｋら（Ｒ．Ｍａｔｓｕｚａｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｐｏｒｔｓ（Ｎａｔｕｒｅ），Ｖｏｌ．６（２０１６）２３０５８）は、３Ｄプリンタで連続繊維補強複合材料を使用する方法であり、製作品の強度及び剛性を増加させる技術を開示しているが、連続繊維の束と樹脂を個別に供給して瞬間的に含浸させる工程を使用しており、３Ｄプリンタのノズル部分で熱を加えて供給される熱可塑性樹脂を溶かし、個別に供給される連続繊維に瞬間的に含浸させる方式は、含浸工程が追加されるため３Ｄプリンタ装置が肥大になって、生産速度を上げることが難しい問題がある。熱可塑性樹脂の含浸状態は、複合材料の強度及び剛性を左右するため、高温及び高圧の状態を長時間維持させて優れた含浸状態を維持する必要があり、３Ｄプリンタ装置の内部に高温及び高圧状態を作る装置を搭載したら、３Ｄプリンタ装置の維持及び活用を難しくし単価を上げることになり、また高速生産性の具現が難しく、低品質の問題を引き起こすことになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
よって、本発明は前記問題点を解決しようと案出されたものであり、多様な熱可塑性射出製品の補強材の生産及び３Ｄプリンタを活用した繊維補強熱可塑性プラスチック部品の製作に適用可能な連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を簡単な方法で優れた機械的物性を有するように製造する方案を提示する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、複数のヤーン（ｙａｒｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）の中間材が組糸になって棒状に形成された連続繊維補強熱可塑性複合材料を提供する。
【００１０】
また、前記複合材料は、気孔率が１〜１０体積％であることを特徴とする連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を提供する。
【００１１】
また、前記複合材料は、前記複合材料の断面を基準に下記数式１を満足することを特徴とする連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を提供する。
【００１２】
【数１】
2021504500.tif 000003
【００１３】
数式１において、Ｐ及びＡは、それぞれ上記複合材料の断面の周縁の長さ及び断面の面積である。
【００１４】
また、前記テープは０．１〜１．０ｍｍの厚さ及び３〜３０ｍｍの幅を有することを特徴とする、連続繊維補強熱可塑性複合材料を提供する。
【００１５】
また、前記組糸は、前記ヤーンまたはテープ２〜１０個が投入されて組糸になることを特徴とする、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を提供する。
【００１６】
また、前記連続繊維は、ガラス繊維または炭素繊維であることを特徴とする、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を提供する。
【００１７】
上記他の課題を解決するために、本発明は、（ａ）複数のヤーン（ｙａｈｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）状の中間材を加熱部に連続的に投入するステップと、（ｂ）前記中間材を前記中間材に含まれている熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱し、少なくとも前記中間材表面の熱可塑性樹脂の一部を溶融させるステップと、（ｃ）前記溶融された中間材の２個以上をノズルに通過させて組糸にして棒状に成形するステップと、を含む、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法を提供する。
【００１８】
また、前記中間材は、前記連続繊維の含有量が３０〜６０重量％、及び前記熱可塑性樹脂の含有量が４０〜７０重量％であることを特徴とする、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法を提供する。
【００１９】
また、前記ステップ（ｂ）における加熱は、前記熱可塑性樹脂の融点より２０〜４０℃高い温度で行われることを特徴とする、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法を提供する。
【００２０】
また、前記ノズルは断面形状に屈曲がないか、１以上の凹凸が形成されたことを特徴とする、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法を提供する。
【００２１】
また、前記ノズルを介して吐出される前記棒を回転させてらせん状に形成させることを特徴とする、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法を提供する。
【００２２】
また、前記ノズルは、出口端部の直径に対する入口端部の直径の比が１．５〜５、及び出口端部の直径に対する長さの比が２〜１０であることを特徴とする、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法を提供する。
【００２３】
また、前記ノズルは多段に形成され、出口の方に向かって直径が減少することを特徴とする連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
このような本発明によれば、連続繊維が熱可塑性樹脂に予め含浸されているヤーン（ｙａｈｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）状の中間材を使用して組糸にする工程を用いることで、引抜成形装置及び熱可塑性樹脂含浸装置を備えなくても、簡単な組糸工程のみで高い生産性及び優れた品質を具現できる連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料及びその製造方法を提供することができる。
【００２５】
また、本発明は、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法は、組糸になる中間材の投入量及びノズル形状の変形のみで多様なサイズと断面形状を有するようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による連続繊維補強熱可塑性複合材料の製造過程を示すフローチャートである。
【図２】本発明による連続繊維補強熱可塑性複合材料の製造過程を示す模式図である。
【図３】本発明で使用される中間材の各形態に応じて加熱装置に投入される様子を示す写真である。
【図４】本発明の多様な内径、長さ、及び断面形状を有するノズルを例示的に示す図である。
【図５】本発明によって製造された連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の多様な形状を示す写真である。
【図６】本発明の一実施形態によるノズル内部の断面を模式的に示す図である。
【図７】本発明の一実施形態によるノズルの形状を示す図である。
【図８】本発明の試験例における曲げ強度を測定する様子を示す写真である。
【図９】本発明の実施例１０による中間材の断面の写真である。
【図１０】本発明の実施例１０による棒状の複合材料の断面の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下では、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。本発明を説明するにあたって、関連する公知技術に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にする恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。明細書全体にわたって、ある部分がある構成要素を「含む」という際、これは特に反対する記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素を更に含むことを意味する。  本発明者らは、多様な熱可塑性射出製品の補強材の生産及び３Ｄプリンタを活用した繊維補強熱可塑性プラスチック部品の製作に適用可能な連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を簡単な方法で優れた機械的物性を有するようにする方法について研究を重ねた結果、連続繊維が熱可塑性樹脂に予め含浸されているヤーン（ｙａｈｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）状の中間材を使用して組糸にする工程を使用することで、引抜成形装置及び熱可塑性樹脂含浸装置を備えなくても、簡単な組糸工程のみで高い生産性及び優れた品質を具現し得ることを発見し、本発明に至った。
【００２８】
よって、本発明は、複数のヤーン（ｙａｈｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）の中間材が組糸になって棒状に形成された連続繊維補強熱可塑性複合材料を開示する。
【００２９】
本発明による連続繊維補強熱可塑性複合材料の製造は、（ａ）複数のヤーン（ｙａｈｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）状の中間材を加熱部に連続的に投入するステップと、（ｂ）前記中間材を前記中間材に含まれている熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱し、少なくとも前記中間材表面の熱可塑性樹脂の一部を溶融させるステップと、（ｃ）前記溶融された中間材の２個以上をノズルに通過させて組糸にして棒状に成形するステップと、を含んで行われる。
【００３０】
以下、本発明による連続繊維補強熱可塑性複合材料の製造過程を介して本発明を詳細に説明する。
【００３１】
図１及び図２は、本発明による連続繊維補強熱可塑性複合材料の製造過程を示すフローチャート及び模式図である。
【００３２】
図１及び図２を参照すると、本発明による連続繊維補強熱可塑性複合材料の製造方法は、ノズルが備えられた加熱装置を用いて、（ａ）中間材を加熱装置の加熱部に投入するステップ（Ｓ１００）と、（ｂ）中間材を溶融させるステップ（Ｓ２００）と、（ｃ）溶融した中間材をノズルに通過させるステップ（Ｓ３００）と、を含む。
【００３３】
本発明において、加熱装置１００に投入される中間材２００は、連続繊維が補強された熱可塑性複合樹脂であって、熱可塑性樹脂に特に制限されないが、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂などが使用されてもよく、好ましくはポリプロピレン樹脂を含む。それによって、前記中間材が費用対比の強度及び衝撃吸収性能をいずれも向上させるのに有利である。前記ポリプロピレン樹脂は、ポリプロピレン単独またはポリプロピレンと他の種類のモノマーが共重合された樹脂を含んでもよく、例えば、ポリプロピレン単独重合樹脂、プロピレン−エチレン共重合樹脂、プロピレン−ブテン共重合樹脂、エチレン−プロピレン−ブテン共重合樹脂、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるいずれかを含む。
【００３４】
また、前記連続繊維は、樹脂の強度及び剛性を向上させるための繊維強化複合材料の製造において、当業界で一般的に使用される材料であってもよいが、好ましくは、ガラス繊維または炭素繊維である。
【００３５】
前記連続繊維補強熱可塑性樹脂複合中間材２００を構成する連続繊維は、内部で途切れずに連続した形状で存在することを意味する。例えば、ＵＤシート（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  ｓｈｅｅｔ）内の連続繊維のように、上記連続繊維は連続工程で製造されたものであってもよい。よって、上記中間材はこのような連続工程に連続繊維が連続的に供給されて製造される連続繊維補強熱可塑性樹脂複合中間材である。
【００３６】
図３は、本発明で使用される中間材の各形態によって加熱装置に投入される様子を示す写真である。
【００３７】
図３を参照すると、本発明において、前記中間材はヤーン（ｙａｈｎ）（図２（Ａ））またはテープ（ｔａｐｅ）（図２（Ｂ））状である。
【００３８】
上記ヤーンは、複合材の技術分野で一般的には連続繊維が補強されたヌードル（ｎｏｏｄｌｅ）状の熱可塑性複合材料を意味し、一般的に引抜成形されて販売される複合材料が使用される。例えば、ヤーンは熱可塑性複合材料の市場でよく販売される長繊維複合素材（ＬＴＦ）の生産過程の途中で製造される中間材であって、本発明では直径１〜３ｍｍのサイズを有するものが好ましく使用される。
【００３９】
上記テープ状は、例えば、シート状の複合材がスリッティング（ｓｌｉｔｔｉｎｇ）されたものであり、本発明では０．１〜１．０ｍｍの厚さ及び３〜２０ｍｍの幅を有するものが好ましく使用されるが、より好ましくは、０．２〜０．８ｍｍの厚さ及び５〜２５ｍｍの幅を有するものが好ましく使用され、更に好ましくは、０．３〜０．７ｍｍの厚さ及び５〜２０ｍｍの幅を有するものが使用され、最も好ましくは、０．４〜０．６ｍｍの厚さ及び５〜１５ｍｍの幅を有するものが使用される。前記テープ状の中間材の幅が過度に大きければ、前記加熱装置に投入する際に複合材がしわくちゃになるか、工程中に繊維が途切れる現象が発生する虞がある。
【００４０】
本発明では、このような連続繊維が熱可塑性樹脂に予め含浸されているヤーン（ｙａｈｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）状の中間材を使用して組糸にする工程を使用することで、引抜成形装置及び熱可塑性樹脂含浸装置を別途に備えていないことになる。
【００４１】
ここで、前記ヤーンまたはテープは、前記ヤーンの直径またはテープの直径及び幅の範囲で前記加熱装置に２〜１０個が同時に投入されてもよいが、好ましくは３〜８個、より好ましくは３〜６個が同時に投入される。組糸にする中間材の投入量（ヤーンまたはテープの個数）が増加するほど曲げ強度が減少する傾向を示し、組糸効率が低下する可能性があるが、本発明では、後述する実験の結果、３〜６個が投入されて組糸になったガラス繊維強化ポリプロピレン棒において、前記投入量の範囲で常に３００ＭＰａ以上の高い曲げ強度を示し、構造用補強筋として十分に使用可能であることを確認した。
【００４２】
一方、前記中間材２００は、前記連続繊維が３０〜６０重量％、及び前記熱可塑性樹脂が４０〜７０重量％の含有量比で形成される。前記連続繊維の含有量が一定範囲に満たない場合、求められる剛性補強効果の具現が難しい虞があり、その含有量が過度であれば、組糸及びノズル吐出工程の際に樹脂の粘度が上昇して成形が困難になる虞がある。
【００４３】
このようなヤーンまたはテープ状の中間材２００は、互いに絡み合わずに加熱装置１００の加熱部に投入されるよう、多数のボビンクリール（ｂｏｂｂｉｎ  ｃｒｅｅｌ）３００に巻き取られている状態で連続的に解かれて加熱装置１００に投入される。
【００４４】
前記加熱装置１００の加熱部に投入された中間材２００は、加熱部で加熱されて溶融される。つまり、前記中間材２００に含まれている熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱して、少なくとも前記中間材２００の表面の熱可塑性樹脂の一部を溶融させることになり、これを介して複数個の中間材２００は予備組糸になる。
【００４５】
この際、前記加熱部１００の温度は、中間材２００を構成する熱可塑性樹脂の融点以上に設定されるべきであるが、好ましくは、当該熱可塑性樹脂の融点より２０〜４０℃高い温度である。例えば、融点１６０℃のポリプロピレン樹脂の場合、加熱部１００の温度は１８０〜２２０℃に設定してもよい。加熱部１００の温度が融点未満であるか、融点に過度に近接して設定されれば、複合材料の表面の熱可塑性樹脂が完全に解けていない状態でノズルに投入されて、組糸性能が低下し、機械的物性が低下する虞があり、加熱部１００の温度が過度に高く設定されれば、工程コストの増加に比べ機械的物性の増加効果が大きくない虞がある。
【００４６】
このような前記加熱部１００の熱源としては特に制限されないが、例えば、ハロゲンランプ、熱風機、レーザヒーターなどが熱源として使用されてもよい。
【００４７】
前記加熱部１００で溶融されて予備組糸になった中間材は、ノズル４００を通過して最終組糸になって、棒状に成形される。つまり、加熱部１００を通過し少なくとも表面の熱可塑性樹脂が溶融された中間材がノズル４００に投入されて、ノズル内部の断面積が加熱部の断面積よりも減少し、圧力を受けることで組糸になって棒状に成形される。
【００４８】
このようなノズル４００の材質としては、特に制限されないが、例えば、リン（Ｐ）を０．０５〜０．５重量％含有するリン青銅（ｐｈｏｓｐｈｏｒ  ｂｒｏｎｚｅ）素材で加工されて耐熱性及び耐食性が優秀でありながら耐摩耗性に優れた（硬度１００ＨＢ以上）ものが使用されてもよい。また、ノズル４００内部の表面が研磨されて、平均表面粗さＲａが１μｍ以下の水準に精密に仕上げられたものが使用されてもよいが、この場合、ノズル４００を通過する複合材料がノズル４００内部で圧着される際、複合材料とノズル面との間の滑りの過程で摩擦による材料の損傷を最小限に抑えることができる。
【００４９】
本発明において、前記ノズル４００は図４に示すように、加熱装置１００に取り外し可能で、多様な内径、長さ、及び断面形状で製作されたものが使用され、多様な出口の口径が適用されることで、中間材２００の投入量に合わせて成形される棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料５００の断面のサイズを変化させることができる。一方、図４において、（ｄ）及び（ｉ）は、ノズルの内部断面が入口の端部から出口の端部に向かって次第に狭くなる形状を示している。
【００５０】
また、前記ノズル４００において、内径断面の形状が凹凸のない円形のような単純な形態（図５（Ａ）及び図５（Ｄ）参照）のみならず、円形の周縁に凹凸、例えば、リブ（ｒｉｂ）や溝（ｇｒｏｏｖｅ）が形成されたノズルを適用したり、吐出される棒を回転させて引き出す場合、形成される棒の表面に螺旋の模様またはねじれ形状を形成させることができる（図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）参照）。
【００５１】
このようなノズル４００の多様な形状によって、最終的に製造される複合材料は、断面を基準に下記数式１を満足することができる。
【００５２】
【数２】
2021504500.tif 000004
【００５３】
数式１において、Ｐ及びＡはそれぞれ前記複合材料の断面の周縁の長さ及び断面の面積である。
【００５４】
一方、本発明において、ノズル４００の内部断面は入口の端部から出口の端部に向かって次第に狭くなる形状であるが、本発明に基づいてヤーンまたはテープ状の中間材の組糸効率を考慮する場合、好ましくは、出口端部の直径Ｌ１に対する入口端部の直径Ｌ２の比が１．５〜５、及び出口端部の直径Ｌ１に対する長さＬ３の比が２〜１０であることが使用される（図６を参照）。
【００５５】
他方、ノズル４００を通過する際に、複合材料の圧密による負荷が原因で発生する生産性の低下、及び圧密が十分に行われないことで発生する気孔率の増加による機械的物性の低下を改善し得るノズルシステムが考慮される。つまり、本発明において、前記ノズル４００は多段に形成され、出口の方に行くほど直径が減少するものが使用されて、複合材料の圧密時間を調節することで、圧密が円滑に行われながら機械的物性をより向上させるようにすることができる（図７を参照）。
【００５６】
このような本発明によって製造された連続繊維補強熱可塑性複合材料５００は、一定水準、つまり、１〜１０体積％水準の気孔率を有するが、好ましくは、１〜５体積％水準の気孔率を有する。１体積％未満の気孔率を有するように製造する場合は、必要以上の温度に加熱することが要求されるが、これは最終的に製造される棒状の複合材料５００において、更なる強度の向上を成し遂げずに生産性の低下に繋がる虞がある。また、１０体積％を超過する気孔率を有するように製造する場合は、生産性は向上するが、求められる機械的物性を満足することが難しい。
【００５７】
以上、本発明によって製造される連続繊維補強熱可塑性複合材料は、従来の不良率が高い多数のロール成形機を使用せずに、ノズルを利用してヤーンまたはテープ状の中間材を使用して組糸にする工程を使用することで、引抜成形装置及び熱可塑性樹脂含浸装置を備えずに、簡単な組糸工程のみで、高い生産性及び優れた品質を具現することができる。
【００５８】
また、本発明による複合材料は、連続繊維が熱可塑性樹脂に予め含浸されているヤーン（ｙａｈｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）状の中間材を使用して組糸にする工程で製造されるため、小規模多品種の生産が必要な製品群で高い生産性と安価なコストで、補強筋用材料、３Ｄプリンタ用材料など、各種用途に合わせた棒状の複合材料の製品を製作することができるようになる。
【００５９】
以下、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
【００６０】
実施例１
連続繊維補強熱可塑性樹脂複合中間材（ガラス繊維強化ポリプロピレン、ガラス繊維の含有量：５０ｗｔ％）であって、それぞれヤーン状（直径：１．２ｍｍ）に用意し、加熱装置の加熱部に６個を投入（図３（Ａ）を参照）した後、熱を加えてノズルを通過させて組糸にして成形し、棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料（直径約７ｍｍ）を製造した。加熱部の温度は１８０℃、生産速度は０．５ｍ／ｓに設定した。
【００６１】
実施例２
中間材をテープ状（厚さ：０．５ｍｍ、幅：１２ｍｍ）に用意し、加熱装置の加熱部に３個を投入したことを除いては、実施例１と同様の方法で棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を製造した。
【００６２】
実施例３
実施例２で中間材を４個投入したことを除いては、実施例２と同様の方法で棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を製造した。
【００６３】
実施例４
実施例２で中間材を５個投入したことを除いては、実施例２と同様の方法で棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を製造した。
【００６４】
実施例５
実施例２で中間材を６個投入（図３（Ｂ）を参照）したことを除いては、実施例２と同様の方法で棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を製造した。
【００６５】
実施例６
実施例３で加熱部の温度を１７０℃に設定したことを除いては、実施例３と同様の方法で棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を製造した。
【００６６】
実施例７
実施例３で加熱部の温度を１９０℃に設定したことを除いては、実施例３と同様の方法で棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を製造した。
【００６７】
実施例８
実施例３で加熱部の温度を２００℃に設定したことを除いては、実施例３と同様の方法で棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を製造した。
【００６８】
実施例９
実施例３で加熱部の温度を２１０℃に設定したことを除いては、実施例３と同様の方法で棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を製造した。
【００６９】
実施例１０
実施例３で加熱部の温度を２２０℃に設定したことを除いては、実施例３と同様の方法で棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料を製造した。
【００７０】
試験例
前記実施例１〜１０によって製造された棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料に対し、下記方法に従って曲げ強度（図８を参照）及び気孔率を測定し、その結果を下記表１に示した。この際、実施例５による中間材の断面の写真、及び棒状の複合素材の断面の写真をそれぞれ図９及び図１０に示した。
【００７１】
［曲げ強度の測定方法］
曲げ強度の測定は、ＡＳＴＭ  Ｄ４４７４の試験規格を準拠して行っており、図８のように製作された棒状の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料に３点曲げ荷重を印加して、最大荷重点を測定した。
【００７２】
［気孔率の測定方法］
気孔率の測定は、ＡＳＴＭ  Ｄ２７３４の試験規格を準拠して行っており、下記数式２に従って測定し、計算した。複合材料の理論的な理想密度と実験的に測定した実測密度を比較することにより、下記数式２によって計算される。互いに異なるサンプルを利用して３回以上測定した後、平均値で気孔率を計算した。
【００７３】
【数３】
2021504500.tif 000005
【００７４】
【表１】
2021504500.tif 000006
【００７５】
表１、図９、及び図１０を参照すると、直径１．２ｍｍ水準のヤーン状の中間材、または厚さ０．５ｍｍ及び幅１２ｍｍ水準のテープ状の中間材を３〜６個組糸にして製造された複合材料の場合、５体積％以下の水準の良好な気孔率を示しながら、殆どの曲げ強度が３００ＭＰａ以上で優れた機械的物性を示すことが分かる。ただし、加熱部の温度が熱可塑性樹脂の融点に近い場合（実施例６を参照）、曲げ強度が相対的に低下し、加熱部の温度が一定水準以上であれば、温度上昇に対比して曲げ強度の上昇の程度が大きくないことから、本発明による組糸工程には好ましい加熱温度の範囲が存在することが分かる。
【００７６】
これまで本発明の好ましい実施例を詳細に説明した。本発明の説明は、例示のためのものであって、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更せずに、他の具体的な形態に容易に変形することができることを理解できるはずである。
【００７７】
よって、本発明の範囲は、上述した詳細な説明ではなく、後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味、範囲及びその均等概念から導き出される全ての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれると解釈されるべきである。
【図１】
2021504500.tif 000008
【図２】
2021504500.tif 000009
【図３】
2021504500.tif 000010
【図４】
2021504500.tif 000011
【図５】
2021504500.tif 000012
【図６】
2021504500.tif 000013
【図７】
2021504500.tif 000014
【図８】
2021504500.tif 000015
【図９】
2021504500.tif 000016
【図１０】
2021504500.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月8日(2020.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のヤーン（ｙａｒｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）の中間材が組糸になって棒状に形成された連続繊維補強熱可塑性複合材料。
【請求項２】
前記複合材料は、気孔率が１〜１０体積％であることを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項３】
前記複合材料は、前記複合材料の断面を基準に下記数式１を満足することを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料：
【数１】
2021504500.tif 000018
数式１において、Ｐ及びＡはそれぞれ前記複合材料の断面の周縁の長さ及び断面の面積である。
【請求項４】
前記テープは、０．１〜１．０ｍｍの厚さ及び３〜３０ｍｍの幅を有することを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項５】
前記組糸は、前記ヤーンまたはテープ２〜１０個が投入されて組糸になることを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項６】
前記連続繊維は、ガラス繊維または炭素繊維であることを特徴とする、請求項１に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項７】
（ａ）複数のヤーン（ｙａｈｎ）またはテープ（ｔａｐｅ）状の中間材を加熱部に連続的に投入するステップと、
（ｂ）前記中間材を前記中間材に含まれている熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱し、少なくとも前記中間材表面の熱可塑性樹脂の一部を溶融させるステップと、
（ｃ）前記溶融された中間材の２個以上をノズルに通過させて組糸にして棒状に成形するステップと、
を含む、連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記中間材は、前記連続繊維の含有量が３０〜６０重量％及び前記熱可塑性樹脂の含有量が４０〜７０重量％であることを特徴とする、請求項７に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項９】
前記ステップ（ｂ）における加熱は、前記熱可塑性樹脂の融点より２０〜４０℃高い温度で行われることを特徴とする、請求項７に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項１０】
前記ノズルは断面の形状に屈曲がないか、１以上の凹凸が形成されることを特徴とする、請求項７に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項１１】
前記ノズルを介して吐出される前記棒を回転させてらせん状に形成させることを特徴とする、請求項７に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項１２】
前記ノズルは、出口端部の直径に対する入口端部の直径の比が１．５〜５、及び出口端部の直径に対する長さの比が２〜１０であることを特徴とする、請求項７に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項１３】
前記ノズルは多段に形成され、出口の方に向かって直径が減少することを特徴とする、請求項７に記載の連続繊維補強熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
図３を参照すると、本発明において、前記中間材はヤーン（ｙａｈｎ）（図３（Ａ））またはテープ（ｔａｐｅ）（図３（Ｂ））状である。
【国際調査報告】
2021504500.tif 000019
2021504500.tif 000020
2021504500.tif 000021
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