KR100276358B1 - 플라스틱의 복합재료를 이용하여 복잡한 형상을 성형하는 제조방법. - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야.

본 발명은 복합재료를 레진 캐스팅 프로세스로 성형하여 복잡한 형상의 부품을 용이하게 제조하기 위한 것이다.

나. 발명이 해결하려는 기술적 과제.

종래에는 핸드레이업 방식의 수작업으로 복합재료(FRP)를 제조하므로 생산단가가 상승하고, 제품의 균일화가 불가능하고, 복잡한 형상을 제조할 수 없는 문제점이 있는 것이다.

다. 발명의 해결방법의 요지.

부식환경에 강한 비닐에스테를 모재로 하며 강도 및 내마모성 향상을 위해 밀 화이바(milled fiber)와 촙 그라스 화이바(chopped glass fiber)를 강화재로 첨가한 복합재료를 레진 캐스팅(resin cashing) 프로세스로 제조하여 수 작업에 의존하지 않아 제품의 균일성과 생산단가가 낮고, 복잡한 형상 제작도 가능하게 한 것이다.

라. 발명의 중요한 용도

강화 플라스틱 제조공정.

Description

플라스틱의 복합재료를 이용하여 복잡한 형상을 성형하는 제조방법.

본 발명은 플라스틱의 복합재료를 이용하여 레진 캐스팅 프로세스로 성형하여 복잡한 형상의 부품을 쉽게 제조하기 위한 것으로, 특히 부식 환경에 강한 폴리에스테르 모재로 하며 강도 및 내마모성 향상을 위해 밀 화이바(milled fiber)와 촙 그라스 화이바(chopped glass fiber)를 강화재로 첨가한 복합재료를 레진 캐스팅(resin cashing) 프로세스를 사용하여 제조하므로 수작업에 의존하지 않아 제품의 균일성과 생산단가가 낮고, 복잡한 형상 제작도 가능하게 한 것이다.

일반적으로 강화플라스틱(FRP)을 일정 형상으로 성형하는 방법에 있어서는 접촉압 성형법, 프레스 성형법, 연속 성형법등으로 대별되고 있으며, 상기 방법중 접촉압 성형법은 볼트나 욕조등 대표적인 제품을 만드는 가공법이며 설비비가 거의 없는 장점과, 제품의 크기에 제한이 없다는 특징이 있는 것이다.

또한 프레스 성형법은 프레스를 사용하여 성형하는 가공법이며, 접촉압 성형법에 비하여 설비비가 많이 들고 또한 성형할 수 있는 제품의 크기에도 한계가 있지만 생산속도가 빠른 것이 특징이다.

마지막으로 연속 성형법에 있어서는 연속생산이 가능하여 대량 생산에 적당하지만 설비비가 비싸고 주로 파이프, 로드, 파판 등이 주로 생산되고 있는 것이다.

따라서 상술한 종래의 강화플라스틱 제조방법에 있어서 접촉압 성형법은 거의 수작업에 의존하여 성형하므로 모양이 간단한 것, 예를 들어 볼트 또는 욕조같은 물품을 성형하는데 적합하고, 프레스 성형법은 일정 형상을 가압하여 성형하는 것이므로 이 또한 복잡한 형상을 제조하기가 거의 불가능하고, 연속 성형법은 파이프등을 생산하는 것은 적합하나 역시 복잡한 형상은 제조할 수 없다는 문제점이 있는 것이다.

이를 더욱 상세히 설명하면 접촉압 성형법중 핸드 레이-업(hand lay-up)방법으로 성형하는 방법에 있어서는 기재(보강재)를 금형의 표면에 놓고 그 위에서 수지를 빨아들인 롤러로 문지르면서 수지를 기재에 함침시키면 기재가 평활하게 되면서 이와 같은 방법을 목적한 두께가 될 때까지 되풀이 하면서 성형하게 되는 것이다.

이때 기재로 되는 보강재로서는 유리 섬유매트와 석면매트가 주로 사용되며 요구되는 제품의 강도에 따라서 직조되어진 매트형식으로 사용되고 또한 필요에 따라 매트와 직물의 혼성구조로 할 수도 있는 것이다.

이때 수지를 기재에 코팅하게 되는 겔 코트의 도포 두께는 일반적으로 0.4㎛전후가 가장 좋은 것이며 이것 보다 두터운 경우에는 균열이 발생하기 쉽고, 너무 얇을 경우에는 공기의 영향을 받아 겔 화가 불충분하여지기 쉬운 단점이 있어 많은 작업숙련이 필요하게 되는 것이다.

또한 이와 같이 성형되는 적층 성형품에 기포가 혼입되면 강도가 현저하게 저하되기 때문에 기포가 혼입되지 않토록 함침시킬 때 많은 주의를 하여야 하며, 그렇치 아니할 경우에는 탈포를 하여야 하는 공정상의 문제점이 있는 것이다.

따라서 전술한 접촉압 성형법 즉 핸드 레이-업 방법을 이용하여 복잡한 형상을 제조하기 위하여는 기재에 핸드 레이-업 방법으로 일정형상을 성형한 후 적층에 의하여 성형품을 제조하기 위하여는 고도로 숙련된 자가 장시간의 작업시간에 의하여 성형시킬 경우에도 정밀한 제품의 제조가 곤란하고, 또한 성형 후 반드시 표면을 연마 처리하여야 하므로 즉, 유리섬유에 함침된 수지의 표면을 매끄럽게 다듬는 공정을 하여야 하므로 환경오염에 따르는 품질관리에 많은 어려움이 있고 실질적으로 복잡한 형상에 대하여는 제작이 거의 불가능한 것이다.

한편 핸드 레이-업 방법외에 프레스 성형법, 연속 성형법등 많은 방법이 있으나 이 또한 수작업으로 제조하므로 생산 단가가 낮아지고, 복잡한 형상 제작은 거의 불가능한 문제점과, 품질의 균일성을 확보할 수 없다는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 부식환경에 강한 불포화폴리에스테르를 모재로 하며 강도 및 내마모성 향상을 위해 밀 화이바와 촙 그라스 화이바를 분말 또는 입자화하여 여기에 촉매를 혼합하여 겔 상태로 만든 복합재료를 주형에 주입하여 성형토록 함으로서 복잡한 형상의 부품 제조를 간편하게 성형할 수 있도록 한 것이다.

도1은 본 발명의 제조공정을 나타낸 개략도.

도2는 본 발명에 따른 복합재료 혼합기의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 혼합기 본체 8 : 교반날개

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

우선 폴리에스테르가 단독으로는 딱딱하고 약한 단점을 해소하기 위하여 강화제로 사용되는 화이바(밀 화이바, 촙 그라스 화이바)를 혼합하는 일 실시 예는 다음과 같다.

[실시예 1]

불포화폴리에스테르 ; 140 내지 150중량 %

밀 화이바(milled fiber) ; 15 내지 20중량 %

촙 그라스 화이바(chopped glass fiber) ; 4 내지 8중량 %

촉진제(코발트나프타네이트) ; 1.5 내지 3중량 %

경화제(메틸에틸케톤퍼옥시드:MEKPO) ; 1.0 내지 2중량%

상기와 같은 중랭 비율이 가장적합상태로 나타나었고, 불포화폴리에스테르를 너무 많이 사용할 경우에는 흐름성이 커서 경화시간이 길어지거나 또는 성형후에 경도가 약함을 나타내었다.

또한 너무 적을 경우에는 반죽이 이루어지지 않아 주형이 주입이 곤란한 문제점이 있고 강화제와의 혼합력이 약하여 적당한 인장력이 나타나지 않게 되는 문제점이 있는 것이다.

또한 밀 화이바는 입자 크기가 200메쉬 이하의 분말형태로 가공된 것이어야하고, 그 이상의 입자일 경우에는 주형에 주입된 상태에서 입자의 크기로 인하여 기포가 발생되는 문제점이 있고 그 이상의 중량을 혼합하였을 경우에는 불포화폴리에스테르의 부족현상으로 반죽이 이루어지지 않게 되는 문제점이 있는 것이다.

또한 유리 섬유를 일정한 크기로 잘게 자른 촙 그라스 화이바는 인장력의 강화를 위하여 사용되는 것으로 그 크기는 주형에 주입된 상태에서 흐름성의 원활화를 위하여 적당한 크기로 절단하여야 하는 것이고, 본 발명에서는 그 크기를 2mm의 이하로 하였다.

그러나 입자의 크기를 크게 하였을 경우에도 아무런 문제가 없으나 주형에 주입할 경우에 미세한 부분에 성형이 되지 않게 되는 문제점을 발견하였다.

마찬가지로 양의 많고 적음은 밀 화이바와 동일한 반응조건을 나타내게 되는 것을 알 수 있었다.

이러한 조건들에 의하여 혼합된 본 발명은 혼합방법에 있어서도 우선적으로 액상의 폴리에스테르에 밀 화이바와 촙 그라스 화이바를 적당한 비율로 혼합한 상태에서 촉진제 및 경화제를 상기한 비율로 배합하여 젤 상태로 혼합한 후 주형에 주입하여 상온에서 경화를 시키는 제조공정을 거치게 되며 상기와 같이 겔상태로 혼합된 복합재료를 소정의 형상으로 성형하기 위한 수단으로는 제2도에 도시한 바와 같은 방법이 고려될 수 있다.

즉, 제2도에 도시한 바와 같이 혼합기 본체(2)에 폴리에스테르, 강화제, 경화제, 촉진제가 혼합된 복합재료를 충진시킨 후 본체(2)의 상부에 형성된 기어드모터(M)를 회전시켜 교반날개(8)로 복합재료를 교반시켜 복합재료에 함유되어 있는 공기를 제거한 후, 혼합기 본체(2)의 하측에 형성된 밸브(6)를 개방하여 금형에 복합재료를 주입하여 소정 형상의 성형물을 제작 가능하게 한 것이다.

이때 제2도에 도시한 금형 및 공작물은 임의의 형상을 도시한 것으로 외형의 구조가 다양한 각도로 되어 있을 경우에는 흐름성의 문제로 인하여 젤 상태의 복합재료가 금형에 골고루 분포되지 못하거나 또는 기공이 발생하여 성형 후 내밀도가 균일하지 못하고, 제품의 품질이 저하되므로 금형에 복합재료를 충진한 후 진공밸브(10)를 이용하여 진공상태를 만들어 줌으로서 기공이 없어짐은 물론 완벽한 성형물을 얻을 수 있는 것이다.

따라서 다음의 실시 예는 본 발명의 제조공정을 설명한 것으로 그 예시는 다음과 같다.

[제1공정]

폴리에스테르 142 내지 150중량 %에, 섬유(fiber)를 200메쉬 이하의 분말 형태로 가공한 밀 화이바(milled fiber)15 내지 20 중량 %와, 유리섬유(glass fiber)를 2mm 이내의 직경으로 잘게 자른 촙 그라스 화이바(chopped glass fiber) 4 중량 내지 8 중량 %를 첨가하여 교반하는 공정.

이때 본 발명에서는 강화제로서 밀 화이바와 촙 그라스 화이바를 사용하는 것으로 설명하고 있으나, 이외에 200 메쉬 이하의 돌가루(석분)와 2㎛ 이하의 입자크기를 갖는 카본등을 사용하여도 성형물의 강도가 유지되므로 필요에 따라 적당한 재료를 선택하여 사용하면 된다.

[제2공정]

촉진제 1.5 내지 3중량 %를 혼합하여 진공상태를 유지하여 공기를 빼내면서 교반하는 공정.

이때 촉진제를 넣고 진공상대를 유지하여 교반하는 것은 수지에 함유되어진 공기방울 또는 기포가 함유되는 것을 방지하기 위한 것으로, 이때 교반방법으로는 통상의 교반날개로 혼합물을 교반하면 되는 것이고, 이와 같이 수지를 교반한 후 수지가 안정될 때 까지 일정시간 대기하여 수지에 함유된 공기방울, 기포를 완전히 제거하는 것이다.

본 발명의 촉진제의 경우 금형에 주입된 수지의 경화시간을 최대한 단축하기 위하여 첨가한 것으로 촉진제의 사용량은 필요한 성형 작업시간에 맞추어서 조절하고 촉진제를 많이 함유하면 경화시간은 짧아지나 강도가 약해지므로 수지에 대하여 1.5 내지 3중량 %에 맞추어서 함유하면 되는 것이다.

또한 성형 작업시간은 수지의 조성, 기온등에 따라서 현저히 달라지므로 필요에 응해서 촉진제의 양을 결정하면 된다.

[제3공정]

경화제 1 내지 2중량 %를 혼합하여 진공상태를 유지하여 교반하는 공정.

이때 혼합물 즉, 수지에 경화제를 혼합하면 겔 화되는 시간 즉, 액체에서 고체로 반응하게 되는 것이고, 경화제를 많이 넣으면 경화시간은 짧아지나 급격한 경화 반응열로 인하여 경도 치가 저하되므로 필요에 응해서 경화제의 양을 결정하면 된다.

[제4공정]

교반된 혼합물을 금형에 주입하고, 금형 내부를 일정시간 진공상태를 유지한 후 상온에서 자연 경화시키는 공정.

이때 금형에 혼합물을 주입할 때 혼합기 본체 내부에는 진공이 걸린 상태에서 콕크를 미세하게 서서히 열어 진공상태를 서서히 파괴하면서 금형에 혼합물을 주입하여야 하는 것이고, 금형의 내면에는 실리콘 또는 고형 왁스등의 이형제를 발라 성형물의 표면이 해치는 것을 방지하여야 하는 것이다.

또한 금형의 내부는 일정시간 진공상태로 유지하여 셀 타입의 혼합물이 금형에 골고루 퍼지게 하여 혼합물에 함유된 기포와 공기를 제거하는 것이다.

[제5공정]

금형에서 성형물을 빼낸 후 금형의 이음새 부분을 후처리하는 공정.

상술한 제조공정에 의하여 제조된 성형된 시제품을 육안으로 확인한 결과 경화제가 많이 들어 갈수록 짙은 색을 나타내었으며, 실험 결과 경화제를 많이 넣은 시편은 과도한 반응열에 의하여 깨졌으며 이런 결과로부터 경화제의 함유량이 가장 우수한 것은 1.3% 중량대비 인 것으로 나타내었다.

또한 본 발명에서 사용된 강화제의 양이 많을수록 색이 짙어졌고, 경화가 잘된 것으로 보였다. 그러나 경도를 측정하여 본 결과 육안으로 확인한 결과와는 다른 결과가 나왔으며 이를 다음의 표에 의하여 경도 측정결과를 나타 내었다.

상기 표에 나타난 바와 같이 그라스 화이바(강화제)의 함량이 많을수록 경도가 커질것으로 예상하였으나 반대의 결과가 나타났다.

이러한 결과가 나온 이유로는 첫째 강화제가 많이 들어갈수록 반응열의 감소에 따른 영향을 고려할 수 있고, 두번째는 강화 섬유의 critical length에 의한 영향을 고려할 수 있다.

본 발명에 의하여 성형된 복합재료는 부식 저항성을 갖는 비닐 에스테에 강화제를 혼합하여 레진 캐스팅으로 제조하므로 산, 알카리와 같은 부식 환경속에서 장시간 사용할 수 있는 내식성이 있는 제품을 제공할 수 있으며, 우수한 표면 및 뛰어난 강도를 유지하여 비금속 복합재료를 캐스팅하여 제조하는 유사한 복잡형상의 부품 제조에도 응용할 수 있는 것이다.

본 발명은 이상의 실시 예로 한정하지 않고 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 수정을 가할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 폴리에스톄르에 강화제, 경화제, 촉진제를 배합하여 레진 캐스팅 프로세스로 제조하므로 생산 단가가 저렴하고, 복잡한 형상 제작도 가능하게 함은 물론 이에 따른 품질의 균일성을 확보할 수 있는 것이고, 이러한 복합재료를 캐스팅하여 제조하는 유사한 복잡형상의 부품 제조에 널리 적용할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 폴리에스테르 140 내지 150중량 %에, 입자 크기가 200메쉬 이하의 밀화이바(milled fiber) 15 내지 20 중량 %와 유리 섬유를 잘게 자른 촙 그라스 화이바(chopped glass fiber) 4 중량 내지 8 중량 %를 혼합하는 공정과, 촉진제 1.5 내지 3중량 %를 혼합하여 진공상태를 유지하여 공기를 빼내면서 교반하는 공정과, 경화제 1 내지 2중량 %를 혼합하여 진공상태를 유지하여 교반하는 공정과, 상기 혼합물을 금형에 주입하고, 금형 내부를 일정시간 진공상태를 유지한 후 상온에서 자연경화시키는 공정으로 제조되는 플라스틱의 복합재료를 이용하여 성형하는 복잡한 형상을 성형하는 제조방법.