KR100209304B1 - 복합재 압력용기와의 접착력이 증진된 인슈레이션 및 그 제조방법 - Google Patents

복합재 압력용기와의 접착력이 증진된 인슈레이션 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합재 압력용기와 접착력이 증진된 인슈레이션 및 그 제조방법에 관한 것으로, 복합재 압력용기에 사용되는 인슈레이션을 제조함에 있어 금형(4)상에 인슈레이션(1)의 외면을 형성하기 위한 탄소섬유 패브릭/수지 프리프레그(2)를 적층하는 단계와, 상기 프리프레그(2) 상에 인슈레이션(1)의 설계두께 만큼 미가황 인슈레이션 고무(3)를 적층하는 단계와, 상기와 같이 적층된 프리프레그(2)와 미가황 인슈레이션 고무(3)가 일체가 되도록 가황하면서 오토크레이브 성형하는 단계로 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 압력용기와 인슈레이션 사이의 접착력이 좋아져 소재의 가격이 저렴한 습식와인딩공법을 사용하더라도 압력용기와 인슈레이션 사이의 접착이 양호하게 이루어지는 이점이 있다.

Description

복합재 압력용기와의 접착력이 증진된 인슈레이션 및 그 제조방법
제1도는 본 발명에 의한 인슈레이션을 제조하기 위해 미가황 인슈레이션 고무와 탄소섬유 패브릭/수지 에폭시 프리프레그를 동시에 오토크레이브 성형하는 단면도.
제2도는 본 발명에 의한 인슈레이션 제조방법으로 제조된 인슈레이션을 구비한 복합재 압력용기를 제조하는 과정을 보인 도면으로,
제2(a)도는 인슈레이션의 내측에 모래형을 형성하는 과정을 보인 단면도.
제2(b)도는 제2(a)도에서 제조된 모래형이 조립된 상태를 보인 단면도.
제2(c)도는 제2(b)도의 모래형에 습식와이딩을 하여 탄소섬유와 에폭시수지가 적층되어 압력용기가 형성된 상태를 보인 단면도.
제2(d)도는 제2(c)도 상태의 압력용기를 오븐에서 경화한 후 모래형을 제거한 상태를 보인 단면도.
제2(e)도는 압력용기의 내측의 직선부에 인슈레이션 고무를 적층성형하여 만들어진 완성품을 보인 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 인슈레이션 2 : 탄소섬유 패브릭/수지 에폭시 프리프레그
3 : 인슈레이션 고무 5 : 금속보스
6 : 진공필름 11 : 모래형
17 : 테프론테이프 20 : 압력용기
본 발명은 복합재 압력용기와의 접착력이 증진된 인슈레이션 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 추진제를 저장하며 추진제 연소시에 고압에서 견디는 로켓 추진기관의 복합재 압력용기의 내부에 구비되어 압력용기를 고온으로부터 보호하는 인슈레이션이 압력용기와 양호한 접착상태를 가지도록 접착력이 증진된 인슈레이션 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 일반적인 압력용기의 제작방법으로 널리 사용되는 필라멘트와인딩 공법에는 소재의 형태에 따라 습식와인딩 공법과 건식와인딩 공법의 2가지로 나누어진다.
여기서 상기 습식와인딩 공법은 로빙형태의 탄소섬유가 에폭시 수지통을 거치면서 섬유 내부에 에폭시수지를 함침시키고 모래형의 외부에 있는 인슈레이션 고무(EPDM : Ethylene Propylene Diene Monomer)면에 에폭시수지가 함침된 탄소섬유를 적층시키는 방법이다.
그리고, 건식와이딩 공법은 로빙형태의 탄소섬유에 미리 에폭시수지가 함침되어 있는 프리프레그 로빙을 바로 모래형의 외부에 있는 인슈레이션에 적층하는 방법이다.
상기와 같은 공법들중 건식와인딩 공법에 있어서, 이에 사용되는 에폭시 수지는 점도가 높으므로 경화공정중에 에폭시수지가 한쪽으로 몰리게 되는 현상이 없으므로 맨드렐을 회전시킬 필요없이 오토크레이브(진공, 성형압력 : 10kg/cm2) 성형 방법을 사용할 수 있다. 따라서 습식와인딩 공법에서와 동일한 접착제를 사용하여도 결국 경화공정에 높은 성형압력을 가할 수 있으므로 인슈레이션과 완성된 복합재료 압력용기 사이에 좋은 접착력을 부여할 수 있다. 하지만 이와같은 건식와인딩 공법에 있어서 이에 사용되는 재료의 가격이 비싸다는 문제점이 있다.
한편, 상대적으로 재료의 가격이 저렴한 가격습식와인딩 공법은 미경화 에폭시수지를 굳게 하는 경화공정에서 에폭시 수지의 낮은 점도로 인해 에폭시수지가 제조되는 압력용기의 한쪽으로 몰리는 것을 방지하도록 오븐내에서 회전시키면서 경화시킨다. 이때, 인슈레이션 재질로 널리 사용되는 인슈레이션고무는 비극성 재질이므로 접착제와 좋은 접착력을 얻기 위한 전제조건인 친화성이 좋지 않은 단점이 있으며, 이는 인슈레이선고무 표면의 프라이머 처리를 통해 인슈레이션고무와 접착제 사이의 친화성을 어느 정도 개선할 수 있다.
하지만 이와 더불어 압력용기와 인슈레이션 사이를 접착시키기 위해서는 압력용기의 제조과정에서 강제로 에폭시수지를 인슈레이션 표면의 굴곡으로 원활하게 침투시키고, 인슈레이션과 압력용기를 형성하는 에폭시수지 사이의 접촉면적을 증대시키도록 외부에서 가할 수 있는 압력으로는 다음과 같은 것이 있다. 즉 습식와인딩 공정중 탄소섬유에 가해지는 장력에 의해 맨드렐의 고무면에 섬유를 적층할 때 가해지는 압착력과, 습식와인딩 공정 종료 후, 상온(25℃)에서부터 에폭시 수지경화(최고온도 : 150℃) 도중에 내부 맨드렐과 인슈레이션이 습식와인딩된 미경화 에폭시수지가 함침된 탄소섬유보다 높은 열팽창계수를 가지므로 열팽창 계수의 차이에 의해 인슈레이션 외면과 복합재료 압력용기면 사이에 가해지는 압력이 있다.
한편, 충격에 약한 탄소섬유는 습식와인딩 공정중 모래형 외부의 인슈레이션에 적층될 때까지 여러경로를 거침에 따라 깨짐이 많이 발생된다. 따라서 습식와인딩 공정중에는 충격에 강한 케브라 또는 유리섬유등보다는 탄소섬유에 가하는 장력을 작게 해야 한다. 또한 습식와이딩 공법에서의 열뱅창계수의 차이에 의해 경계면에 가해지는 압력은 건식와인딩에서 오토크레이브에서 가해지는 압력의 크기보다 작으면서, 경계면에 공기층 제거에 도움을 주는 진공을 가할 수도 없는 제한 조건이 있다. 따라서 탄소섬유를 사용한 습식와인딩 공정은 건식와인딩보다 훨씬 낮은 접착력을 보인다.
또한, 완성된 압력용기와 인슈레이션 사이에는 에폭시수지의 경화온도(150℃)부터 상온(25℃)으로의 냉각에 따른 상호간의 열팽창계수의 차이에 의한 잔류응력이 남게 된다. 일반적으로 대기온도(최저 : -140℃)의 저하와 고무의 두께가 두꺼워질수록 경계면에 가해지는 잔류응력의 크기가 커지고, 따라서 경계면에서의 미접착의 발생 가능성은 더욱 높아진다.
한편, 위에서 잠시 언급한 바와 같이, 상기와 같은 공법에 사용되는 소개의 가격은 탄소섬유에 에폭시수지가 이미 함침되어 프리프레그 로빙상태로 있는 것이 섬유가 필라멘트 와인딩 공정도중에 에폭시수지에 함침되는 것에 비해서 통상적으로 2배 이상 비싸다. 즉 건식와인딩에 사용되는 소재가 습식와인딩에 사용되는 소재보다 고가이다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하는 것으로, 소재의 가격이 건식와인딩 공법에 비해 저렴한 습식와인딩 공법을 채택하면서도 인슈레이션의 외면과 압력용기의 내면의 접착력을 향상시키는 인슈레이션과 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 복합재 압력용기에 사용되는 인슈레이션을 제조함에 있어 금형상에 인슈레이션의 외면을 형성하기 위한 탄소섬유 패브릭/수지 프리프레그를 적층하는 단계와, 상기 프리프레그 상에 인슈레이션의 설계두께 만큼 미가황 인슈레이션고무를 적층하는 단계와, 상기와 같이 적층된 프리프레그와 미가황 인슈레이션고무가 일체가 되도록 가황하면서 오토크레이브 성형하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 복합재 압력용기와의 접착력이 증진된 인슈레이션의 제조방법에 의해 달성된다.
상기 탄소섬유 패브릭/수지 프리프레그는 탄소섬유의 직조된 형태가 패브릭이며, 미경화 에폭시수지가 함침된 것임을 특징으로 한다.
그리고, 상기와 같은 본 발명의 목적은 내면은 인슈레이션고무로 형성되고, 압력용기의 내면과 접착되는 외면은 탄소섬유을 함유한 경화된 에폭시로 형성됨을 특징으로 하는 복합재 압력용기와의 접착력이 증진된 인슈레이션에 의해 달성된다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 인슈레이션의 제조방법 및 제조장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 복합재 압력용기와의 접착력이 증지된 인슈레이션의 제조방법은 금형(4)상에 인슈레이션(1)의 외면을 형성하기 위한 탄소섬유 패브릭/수지 프리프레그(2)를 적층하는 단계와, 상기 프리프레그(2) 상에 인슈레이션(1)의 설계두께 만큼 미가황 인슈레이션 고무(3)를 적층하는 단계와, 상기와 같이 적층된 프리프레그(2)와 미가황 인슈레이션 고무(3)가 일체가 되도록 가황하면서 오토크레이브 성형하는 단계로 구성된다.
상기 탄소섬유 패브릭/수지 프리프레그(2)는 탄소섬유의 직조된 형태가 패브릭이며, 미경화 에폭시수지가 함침된 것임을 특징으로 한다.
한편 상기 오토크레이브 성형하는 단계에서 상기 패브릭 프리프레그(2) 내의 에폭시수지와 인슈레이션고무(3)는 미경화상태이므로 오토크레이브 공정도중에 유동성이 좋으며, 오토크레이브 성형압력에 의한 압착력도 충분하므로 상호간에 접착력을 가질 수 있는 접촉면적을 증대할 수 있다. 이와 같이 되면 인슈레이션고무(3)와 프리프레그(2)를 완전하게 접합시켜 일체형으로 만들 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 단계를 통해 오토크레이브 공정으로 인슈레이션고무(3)와 프리프레그(2)가 일체로 된 인슈레이션(1)은 그 내면에 인슈레이션고무(3)로 형성되고, 압력용기(20)의 내면과 접착되는 외면은 상기 패브릭 프리프레그(2)가 경화된 에폭시가 함침된 탄소섬유로 형성되어 이루어진다.
상기와 같이 형성된 인슈레이션(1)을 사용하여 습식필라멘트와인딩에 의해 압력용기(20)를 형성하게 되면, 상기 인슈레이션(1)의 외면을 이루는 탄소섬유를 함유한 경화된 에폭시상에 탄소섬유를 함유한 미경화 에폭시수지(19)를 적층하도록 된다. 따라서 인슈레이션(1)의 외면과 압력용기(20)를 이루는 탄소섬유를 함유한 미경화 에폭시수지(19)는 그 화학적구조가 동일하므로 상호간에 용해도 계수값이 유사하고 인슈레이션(1)의 외면과 압력용기(20)의 내면 사이의 경계면에서의 친화성이 좋아져 인슈레이션(1)과 압력용기(20) 사이의 접착이 잘 이루어지게 된다.
또한 본 발명에 의한 인슈레이션(1)에 의하여 탄소섬유를 함유한 경화된 에폭시로 이루어진 인슈레이션(1)의 외면에 접착제의 적심이 용이해져 압력용기(20)를 제조하기 위한 습식와인딩 공정에서 인슈레이션(1)의 외면의 경화된 에폭시 표면의 굴곡이 있는 부분에까지 미경화 에폭시수지의 침투가 용이해짐에 따라 압력용기(20)의 내면과 인슈레이션(1)의 외면과의 사이인 경계면에서 접촉되는 면적이 증대되며, 경화된 에폭시수지 내부에 존재하는 약간의 미반응 에폭시기와 탄소섬유를 함유한 에폭시수지 사이의 화학적 결합까지도 생기므로 인슈레이션(1)과 압력용기(20)의 내면과의 접착력이 더욱 좋아지게 된다.
따라서, 본 발명에 의한 인슈레이션을 사용하면 소재의 가격이 건식와인딩보다 저렴하거나 인슈레이션(1)과 압력용기(20)사이의 경계면에 많은 압력을 가할 수 없는 습식와인딩방법에서도 인슈레이션(1)과 압력용기(20)사이에 좋은 접착력을 얻을 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 본 발명에 의한 인슈레이션의 제조방법의 일실시례를 상세히 설명하면, 금형(4)에 금속보스(5)를 설치하고 금형(4)의 돔에 이형제를 도포하여 탄소섬유 패브릭/수지 프리프레그(2)를 1장 적층한 후 카렌다링 공정을 통해 제작된 쉬트형태의 미가황 인슈레이션고무(3)를 원하는 설계 두께까지 적층한다. 이때 프리프레그(2)와 접착되는 인슈레이션고무(3)에는 접착제(Chemlok primer 7701/adhesive 238)를 도포하며, 적층된 인슈레이션고무(3)층 사이의 공기층을 제거시켜 고무가 한몸이 되도록 가황시키면서 프리프레그(2)와 동시에 경화하기 위해 오토크레이브공법을 사용하여 성형한다. 이때 진공필름(6)의 안쪽은 진공선(7)에 의해 진공압력을 700mmHg 이상 되게 하며, 진공필름(6)의 바깥쪽의 압력은 10kg/cm2이상 유지시키고, 온도는 150℃에서 4시간 유지한다. 이와같이 되면 패브릭 프리프레그(2)가 경화된 탄소섬유를 함유한 에폭시와 인슈레이션고무(3)와의 사이는 완벽한 접착상태를 나타내게 된다.
제1도중 미설명 부호 5는 금속보스, 8은 통기공, 9는 밀봉재이다.
그리고 이와 같이 형성된 인슈레이션(1)을 가지고 압력용기(20)를 제작하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 제2(a)도가 도시된 바와 같이 습식와인딩 공정의 맨드렐로 사용하기 위해 모래와 물유리로 구성된 모래형(11)을 금형(12)과 인슈레이션(1)의 사이에 채워넣은 후 유압프레스장치에서 금형(13)을 누르고 오븐에서 건조시켜 튼튼한 모래형(11) 구조물로 제작하게 된다.
상기와 같이 구성된 모래형(11)은, 제2(b)도에 도시된 바와 같이 조립되어 압력용기(20)의 형상을 구성하게 되고 습식와이딩 공정중에 미경화 애폭시수지(19)가 모래형(11)에 침투되는 것을 방지하고자 습식와인딩될 직선부 모래형(11)의 표면에만 테프론 테이프(17)로 감는다.
그리고는, 제2(c)도에 도시된 것과 같이, 습식와인딩 공법에 의해 모래형(11) 위에 탄소섬유를 함유한 미경화 에폭시수지(19)를 적층시킨다.
상기와 같이 탄소섬유(19)가 적층되면, 제2(d)도에 도시된 것과 같이, 오븐 경화로써 에폭시수지를 굳힌 후 압력용기(20) 내부에 물을 채우고 일정시간을 방치시켜 모래혼합물 내의 물유리를 용해시켜 모래형(11)을 제거시키게 된다. 여기서 도면 부호19'는 상기 탄소섬유를 함유한 미경화 에폭시가 경화된 것이다.
상기와 같은 공정을 거친 후, 압력용기(20)의 형상을 이루는 경화된 에폭시(19')의 직선부 내면에 미가황 인슈레이션고무(3)를 적층하여 오트크레이브 성형을 하여 최종적으로 압력용기(20)를 완성하게 된다.
위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면 인슈레이션의 외면을 이루는 재질과 압력용기를 이루는 재질이 동일하므로 서로간의 친화력이 좋아 소재의 가격이 저렴한 습식와인딩 공법을 사용하면서도 인슈레이션과 압력용기 사이의 접착이 잘 이루어지게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 금형상에 미가황 인슈레이션 고무를 적층하고 이를 오토클레이브 성형하는 복합재 압력 용기용 인슈레이션의 제조방법에 있어서, 금형상에 인슈레이션의 외면을 형성하기 위한 탄소섬유 패브릭/수지 프리프레그를 적층하는 단계와; 상기 프리프레그 상에 인슈레이션의 설계 두께 만큼 미가황 인슈레이션고무를 적층하는 단계와; 적층된 프레프레그와 미가황 인슈레이션고무가 일체가 되도록 가황하면서 오토클레이브 성형하는 단계;로 구성되어 복합재 압력 용기와의 접착력이 증진된 것을 특징으로 하는 복합재 압력 용기용 인슈레이션의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 패브릭/수지 프리프레그는 탄소 섬유의 직조된 형태가 패브릭이며, 미경화 에폭시수지가 함침된 것임을 특징으로 하는 복합재 압력 용기용 인슈레이션의 제조방법.
  3. 금형상에 적층되는 미가황 인슈레이션고무를 오토클레이브 성형한 복합재 압력 용기용 인슈레이션에 있어서, 내면은 인슈레이션고무이고, 압력용기의 내면과 접착되는 외면은 탄소 섬유를 함유한 경화된 에폭시이어서 복합재 압력 용기와의 접착력이 증진된 것을 특징으로하는 복합재 압력 용기용 인슈레이션.
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