단탄소섬유 컴파운드, 열가소성 복합소재 응용 분야 확장

사출 성형용으로 특별히 제조된 단탄소섬유 강화 열가소성(CFRTP) 컴파운드 제품군이 다양한 부품 크기와 복잡성에서 열가소성 복합소재의 역량을 확장하는 데 사용되고 있습니다. 흥미롭게도 이 소재들은 장섬유 열가소성(LFT) 복합소재(유리섬유 또는 탄소섬유)뿐만 아니라 금속까지도 스포츠 용품, 자동차 부품, 의료 기기, 항공우주 부품 등 점점 더 많은 응용 분야에서 능가하는 것으로 나타났습니다.

성형업체에서 컴파운더로

이 소재들은 미쓰비시 케미칼 어드밴스드 머티리얼즈(MCAM, 일본 도쿄)가 제조 및 판매합니다. MCAM은 모회사가 지난 10년간 인수한 여러 개별 사업을 결합했습니다. 여기에는 유리 매트 열가소성(GMT) 및 오르가노시트 복합소재, 열가소성 엔지니어링 형상재 생산업체였던 전 쿼드란트 AG(스위스 렌츠부르크)와, 사출 성형업체이자 정밀 가공 부품 생산업체로 시작해 나중에 맞춤형 CFRTP 컴파운딩으로 확장했던 전 파이퍼 플라스틱스(Piper Plastics Inc., 미국 애리조나주 챈들러)가 포함됩니다. 처음에는 자사용으로, 나중에는 다른 성형업체용으로 컴파운딩을 했습니다.

2012년경 파이퍼는 항공우주 및 스포츠/레크리에이션 장비 고객 기반을 보유한 중견 맞춤형 사출 성형업체였습니다. 경영진은 부품 제조 사업을 성장시키고 싶었지만 두 가지 과제가 있었습니다. 첫째, 팀이 더 높은 성능 시장 부문에서 경쟁할 수 있게 해줄 컴파운드를 조달하는 데 어려움을 겪었습니다. 둘째, 자동차 시장에 진입하고 싶었지만 주요 프로그램에서 경쟁할 만큼 충분한 성형 용량이 없었습니다.

첫 번째 문제는 다양한 베이스 레진과 섬유 사이징 기술에 대한 집중적인 R&D 노력으로 해결되어, 키론맥스(KyronMAX)라 불리는 고성능 사출 성형 가능 CFRTP 컴파운드 제품군이 개발되었습니다. 이 소재들은 폴리아미드 6/6(PA6/6), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아릴에테르케톤(PAEK) 등의 매트릭스에 단절 탄소섬유로 강화되었습니다. 이 컴파운드들은 대부분 높은 내열성, 광범위한 내화학성, 우수한 기계적 특성, 낮은 난연/연기/독성(FST) 값을 제공하며, 단유리섬유 강화 및 광물 충전 사출 성형 등급뿐만 아니라 LFT 컴파운드(평균 초기 섬유 길이 13mm) 심지어 금속까지 대체하도록 제조되었습니다.

"데이터시트상으로는 LFT 컴파운드가 더 강해 보이지만, 종종 우리가 단탄소섬유 기술로 채울 수 있는 부품 형상을 채우지 못합니다."라고 MCAM 주요 계정 매니저-복합소재 알렉스 보이치아크(Alex Wojtysiak)는 설명합니다. "우리의 흐름성이 훨씬 높기 때문에 복잡한 형상을 더 잘 채울 수 있어, 우리 컴파운드로 생산된 부품이 훨씬 더 강합니다."

"광범위한 CFRTP 컴파운드 제품군을 만들려고 한 것이 아니라, 각 컴파운드가 특정 고객의 특정 요구를 충족하도록 개발되었습니다."라고 MCAM 글로벌 복합소재 기술 매니저 클린트 뉴웰(Clint Newell)은 덧붙입니다. "우리의 제조 역량이 성장함에 따라 새로운 시장에 진입하고, 새로운 고객을 만나 그들이 필요한 것을 묻고, 그 요구를 완벽히 충족하는 컴파운드를 만들었습니다."

이 컴파운드들이 처음에 성형업체 에 의해 성형업체 를 위해 제조되었기 때문에, 가공이 쉽고 일관되게 더 높은 품질과 더 나은 성능의 부품을 산출하는 특성을 갖도록 설계된 것은 당연합니다. "우리는 키론맥스 제품군이 더 높은 유동성과 섬유 상호작용, 낮은 내부 응력, 적은 이방성, 더 강한 웰드 라인, 적은 싱크 마크, 휨 경향 감소, 더 높은 치수 정확도를 제공하도록 제조했습니다. 벽 두께가 두껍든 얇든 상관없이요."라고 MCAM R&D 디렉터 데이브 윌킨슨(Dave Wilkinson)은 말합니다. "제조 작업과 독자적인 사이징 기술 외에도, 이 소재들을 더 효율적으로 가공하기 위해 자체 프레스 개조도 했습니다."

이 특이한 제품명의 유래는? "고대 그리스 신화에서 키론(키론 또는 카이론)은 반은 켄타우로스, 반은 인간이었습니다."라고 MCAM 최고혁신책임자 랜디 화이트(Randy White)는 설명합니다. "키론은 자신만의 독특한 기술로 짐승 같은 본성을 넘어섰습니다. 우리는 그것을 탄소섬유 반, 레진 반인 우리 컴파운드에 비유했습니다. 말처럼 강하고 인간처럼 똑똑해 가공이 쉽다는 의미죠."

제조 전문성이 성장하면서 회사는 미쓰비시 케미칼 홀딩스 그룹(MCHC, 일본 도쿄)의 주목을 받아 2016년 파이퍼를 인수했습니다. MCHC는 즉시 애리조나의 컴파운딩 라인 규모 확대, 운영 자동화, 자체 탄소섬유 사이징 및 절단 기술 도입을 위해 수백만 달러를 투자하여 키론맥스 컴파운드를 더 빠르고 일관성 있게 효율적으로 생산할 수 있게 했습니다. 이후 미시간에 두 번째 컴파운딩 라인이, 일본에 세 번째 라인이 구축되었습니다. 이 확장된 용량 덕분에 키론맥스 등급이 북미와 아시아에서 자동차 사업에 경쟁할 수 있게 되었고, 다른 시장도 뒤따랐습니다.

확장된 제품 제공, 새로운 시장 기회

이제 더 큰 생산 능력과 더 다양한 폴리머 및 탄소섬유 소재에 접근하게 된 MCAM 팀은 여러 신제품 개발에 바쁘게 움직이고 있습니다. 그중 몇 가지는 자동차 시장을 위해 특별히 제조되었습니다. 가장 흥미로운 것 중 하나는 세계 최초의 단탄소섬유 사출 성형 컴파운드로 414MPa(60,000psi) 인장 강도 장벽을 깬 키론맥스 ES 4240입니다. 이 등급은 2019년 디트로이트 교외에서 열린 SPE 자동차 엔지니어링 플라스틱 컨퍼런스(AutoEPCON)에서 소개되었으며, 40% 섬유 중량 분율(FWF) 탄소섬유 강화 PPA로 인장 계수 41.2GPa, 굴곡 계수 34.5GPa, 굴곡 강도 552MPa를 제공합니다. PPA는 기존 PA6 및 PA6/6보다 내열성이 더 좋고 내화학성이 더 넓으며 가수분해 경향이 훨씬 낮은 특수 폴리아미드 형태입니다.

2019년 SPE AutoEPCON에서 소개된 다른 자동차 등급으로는 언더후드 용도로 특별히 개발된 고내열 탄소섬유 강화 PPA 등급이 있습니다. 이 등급은 PEEK에 필적하는 유리 전이 온도(T_g)와 연속 사용 온도(CUT)를 가지면서도 성형이 더 쉽다고 합니다. 자동차 및 소형 가전 같은 고비용 민감 산업에서 팀이 폴리프로필렌(PP) 기반 키론맥스 제품도 개발 중인 것은 놀라운 일이 아닙니다.

제품 라인이 확장됨에 따라 이 소재들이 사용되는 시장도 확대되었습니다. 오랫동안 염원하던 자동차 사업 외에도, 이제 의료 기기(내구성 및 일회용), 소형 가전, 가전제품(금속 대체 케이스/커버) 시장에 공급하고 있습니다. 항공/우주 분야는 여전히 중요하며, 스포츠 용품 산업은 레이싱 자전거, MTB, 골프 클럽, 총기, 컴파운드 보우 및 기타 양궁 부품 등으로 응용이 확대되었습니다. 금속 사출 성형(MIM) 알루미늄 및 마그네슘과 유사한 선형 열팽창 계수(CLTE) 값을 제공하는 여러 제품이 있지만, 더 나은 인성, 더 가벼운 무게, 더 낮은 비용으로 금속을 점점 더 다양한 응용 분야에서 대체하고 있습니다.

다음 단계는? 전 세계 미쓰비시 조직에 접근할 수 있게 된 MCAM 팀은 열가소성 및 열경화성 화학, 다양한 강화 유형과 길이를 아우르는 더 넓은 복합소재 포트폴리오 기술을 활용할 수 있습니다. 예를 들어, 또 다른 미쓰비시 그룹은 분할 및 절단 토우 탄소섬유 강화 단조 성형 컴파운드(FMC)를 생산하는데, 이는 연속 탄소섬유 강화 프리프레그와 단유리섬유 또는 탄소섬유 강화 SMC 사이의 성능 및 가공 격차를 해소하는 첨단 시트 성형 컴파운드(SMC) 형태입니다. 또 다른 그룹은 직조 및 부직포 탄소섬유 강화 프리프레그와 급속 경화 프리프레그 압축 성형(PCM) 소재를 생산합니다.

MCAM 내부에서도 상용화에 근접한 또 다른 기술은 열가소성 매트릭스를 가진 직물(부직포, 직조, 단방향) 강화 건식 프리프레그 신제품군인 키론텍스(KyronTEX)입니다. 이 제품들은 현재 전략적으로 샘플링 중입니다.

마지막으로, 작년 여름 MCAM은 카본NXT GmbH와 자매 회사 CFK 밸리 스테이트 리사이클링 GmbH & Co. KG(둘 다 독일 비슈하펜)를 인수하여 완전한 탄소섬유 재활용 기술 라인을 그룹 제품군에 추가했습니다. MCAM 팀은 상용 제품 자격 획득에 앞서 재활용 탄소섬유를 사용한 여러 포뮬러를 테스트 중이라고 합니다.