KR100444086B1 - 보강직물과그제조방법및제조장치 - Google Patents

Abstract

0.5중량% 미만의 사이징제가 부착한 집속성이 훅드로프치로 400∼800mm 범위의 편평하고 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 직사로 하는 보강직물, 및 그 강화섬유 멀티필라멘트사를 종사 및 횡사로하여 제직하는 보강직물의 제조방법 및 제조장치를 제공한다. 복합재료용의 보강기재로서, 얇고 또한 높은 강도특성을 발휘할 수 있다. 또한 극히 커버요소가 높은 보강직물을 값싸게 얻을 수가 있다.

Description

보강직물과 그 제조방법 및 제조장치

섬유강화복합재료, 특히 섬유강화 플라스틱(이하, 「FRP」라고 한다)에는, 탄소섬유사나 유리섬유사, 폴리아미드섬유사 등을 사용하여 직물의 형태로 만든 보강 섬유가 많이 사용되고 있다. 그 중에서도 비탄성률과 비강도가 큰 탄소섬유로 이루어진 탄소섬유직물은 통상 일반의 셔틀직기나 래피어직기에 의해 제직되어 합성수지와 복합하여 소정 형상으로 형성함으로써 탄소섬유강화플라스틱(이하, 「CFRP」라고한다) 등의 복합재료에 사용하는 보강기재로서 많이 사용되고 있다.

이와 같은 보강기재를 사용한 복합재료는 예를 들면, CFRP는 그 뛰어난 성능을 살려서 항공기의 구조재 등에 사용되기 시작하고 있으나, 더욱 CFRP의 사용범위를 확대시키기 위해서는 성형 뿐만 아니라 탄소섬유사나 탄소섬유직물의 보강기재의 비용절감이 큰 과제이다.

탄소섬유사는 통상 그 섬도가 커질수록 프리커서 및 내염화공정이나 소성공정에서의 생산성이 향상되기 때문에 값싸게 제조하는 것이 가능하게 된다.

그러나, 통상의 보강직물은 강화섬유를 거의 원형단면으로 접속시킨 강화섬유사를 사용하여 직물로 만들고 있으므로 형성된 직물에서 종사와 횡사가 교차하는 교차부에서의 강화섬유사의 단면이 타원형이며, 섬사가 크게 클림프하고 있다. 특히, 굵은 강화섬유사를 사용한 보강직물에서는 굵은 횡사와 굵은 종사가 교차하고 있으므로 이 경향이 커지게 된다.

이 때문에 강화섬유사가 크게 클림프한 보강직물에서는 섬유밀도가 불균일하게 되어 고강도 특성을 충분히 발휘할 수 없다. 또, 굵은 강화섬유사를 사용한 보강직물은 일반적으로 직물 단위중량이나 두께가 커지지 때문에 프리프레그나 FRP를 성형할 때 수지함침성이 나빠진다.

따라서 굵은 강화섬유사를 제직한 보강직물을 사용하여 얻어지는 FRP나 CFRP는 수지 중에 존재하는 보이드가 많아져 높은 강도특성을 기대할 수 없다.

한편, 굵은 강화섬유사를 사용하여 직물 단위중량을 작게 하면 강화섬유사간에 형성되는 공극이 크게 된다. 그렇지만 직물 단위중량이 작은 보강직물을 사용하여 FRP나 CFRP를 성형하면 강화섬유의 체적함유율이 낮아지고, 강화섬유사 사이에 형성되는 공극 부분에 수지의 보이드가 집중적으로 발생하여 고성능 복합재료를 얻을 수 없다는 결점이 있었다.

이와 같은 결점에 대하여, 일본 특허공개 소 58-191244호 공보에서는 얇고 폭이 넓은 편평한 탄소섬유로 짠, 두께가 0.09mm 이하이고, 직물 단위중량이 85g/㎡ 이하인 얇은 직물과 그 제조법이 개시되어 있다. 이 얇은 직물은 두께가 대단히 얇기 때문에 직사의 클림프가 적고, 높은 보강효과를 발휘하여 얇은 CFRP의 성형에는 뛰어난 기재이다.

이와 같은 편평한 탄소섬유사를 사용한 보강직물의 제직방법은 탄소섬유사가 필요 수만큼 감긴 실빔(yarn beam)으로부터 공급되는 종사 혹은 크릴에 부착된 탄소섬유사 보빈으로부터 공급되는 시이트 형상으로 정렬된 종사를 종광(heald)에 의하여 순차 개구시키고, 이 개구에 셔틀 또는 래피어로 횡사를 간헐적으로 삽입하여 직물로 제작한다. 이 때, 종사에 관해서는 상기한 바와 같이 빔으로부터 공급하는 방법과, 보빈으로부터 직접 공급하는 방법이 있지만, 양쪽 모두 탄소섬유사가 보빈을 천천히 회전시키면서 회전축에 직교하는 방향으로 종사를 인출하여 해서(解舒)시키는 방법(반경방향 해서) 혹은 보빈의 축방향으로 종사를 인출하여 해서시키는 방법(축방향 해서)의 두가지 방법이 채용되고 있다.

축방향 해서는 보빈의 축방향으로 종사를 인출하는 것이므로 반경방향 해서에 비하여 빠른 속도로 순간적으로 종사를 저항없이 인출할 수 있다는 이점이 있다. 다만, 축방향 해서에서는 보빈으로부터 1롤을 인출할 때마다 종사에 1회 꼬임이 걸린다. 이 때문에 종사는 이 꼬임이 걸린 부분에서 편평한 상태가 찌그러져서 부분적으로 수렴하기 때문에 종사의 사폭이 균일한 보강직물이 얻어지지 않는다는 문제가 있다.

그래서, 반경방향으로 해서시킴으로써 종사에 꼬임이 걸리지 않도록 하는 방법이 고려된다. 그러나, 종래의 종광에서는 종사와의 간섭을 적게 하기 위해 메일이 수직으로 긴 형상으로 형성되어 있다. 이 때문에 종사는 메일이나 종사밀도를 구비한 코옴(comb)에 의하여 편평상태가 찌그러져, 사폭이 균일하게 펄쳐진 직물을얻을 수 없다는 문제가 있다.

한편, 횡사에 관해서는 상기한 개구에 횡사를 신속하게 공급해야 하므로 공급속도를 종사에 비하여 더욱 빠르게 할 필요가 있다. 따라서, 섬유사보빈으로부터 횡사를 신속하게 해서시키기 위해 횡사는 섬유사보빈의 축방향으로 횡사를 인출하는 축방향 해서의 방법이 많이 사용되고 있으나, 꼬임이 걸려버린다는 문제가 있다.

이 때문에 편평한 탄소섬유사에 꼬임이 걸리지 않도록 횡사를 반경방향으로 해서시키는 방법으로서 일본 특허공개 평 2-74645호 공보에는 횡사를 감은 보빈을 모우터로 적극적으로 회전시켜 중력을 이용하여 횡사의 삽입에 필요한 길이를 저류시키는 방법이 제안되고 있다. 그러나 적극적으로 보빈을 회전시키는 이 방법에서는 보빈에 감긴 횡사의 양에 따라 해서속도를 변화시켜야 한다는 문제가 있다. 또, 횡사의 삽입에 따라서 모우터를 간헐적으로 회전시키기 때문에 모우터의 기동ㆍ정지가 빈번하게 일어나고, 특히 정지동작의 지연에 의한 이완 등으로 편평사가 비틀어져 버린다는 문제가 생긴다.

또, 섬유밀도를 크게 유지하면서 종사와 횡사의 교차부에서의 직사의 클림프를 작게 하기 위해서는 직사의 섬도를 가능한 한 크게 함과 아울러, 직사의 두께를 얇게 하는 것이 바람직하고, 종사와 횡사가 각각의 사폭과 거의 동일한 간격으로 직물구조를 이루고 있는 것이 바람직하다.

그러나, 직사의 섬도가 크게 되면 사폭이 극단적으로 커지고, 제직 시에 편평상태가 찌그러져서 섬유밀도가 균일한 직물이 얻어지지 않는다는 문제가 생긴다.

또, 직사를 극단적으로 얇게 하면, 사폭방향의 강성이 작아져서 제직 시에 편평상태가 쉽게 찌그러져 버린다는 문제가 생긴다.

이 경우 직사의 편평상태를 유지하기 위해 직사에 사이징제를 부착하는 것이 바람직하다. 다만, 사이징제를 다량으로 부착시키면 CERP의 성형 시에 수지의 함침이 저해되어 성형되는 CFRP가 높은 강도특성을 발휘할 수 없다는 문제가 있다. 사이징제의 바람직한 부착량은 0.1∼1.5 중량%이다.

이와 같이, 종래에는 강화섬유사의 섬도가 클 때에는 뛰어난 강도특성을 보유하는 FRP나 CFRP의 성형이 곤란하고, 또 편평한 강화섬유사를 사용하여도 충분히 높은 섬유밀도의 보강직물을 얻는 것이 곤란하여 그 제공이 요망되고 있다. 또한, 편평한 강화섬유사로부터 필요로 하는 보강직물을 제조할 때, 종래는 만족할 방법이나 장치도 없어서 그 제공이 요망되고 있었다.

그리고, 보강직물을 복수매 적층하여 형성한 프리폼에 관하여도 아래와 같은 문제가 있다.

즉, 섬유강화용 수지보강기재로 사용되는 직물은 두께에 한계가 있기 때문에 일정 이상 두께의 보강기재로 만들기 위해서는 복수매의 직물을 적층함으로써 얻어야만 한다. 각 직물의 면방향에서는 강화섬유를 소정의 방향으로 배향시킬 수 있지만, 두께방향으로 배향시킬 수 없고, 층간의 강도가 약한 것이 문제이다.

이와 같은 문제에 대하여, 최근 3차원 직물의 개발이 활발하게 이루어지고 있지만, 비용이 높다는 것과 형상이 한정되는 경우가 있어서 실용화가 곤란한 상황이다.

또, 층간을 보강하기 위한 목적으로 일본 특허공개 평 5-49023호 공보에 직물기재를 스티치하여 강화하는 방법이 제안되고 있다.

그러나, 통상의 강화직물은 취급성이 좋고, 섬유함유율이 높은 FRP를 얻기 위해 고밀도 텍스춰로 직조되고 있으므로 각 직사는 서로 클림프를 가지고 교차하여 움직이기 어려운 상태로 되어있고, 또 직사 자체의 단면도 전술한 바와 같이 강고한 직사의 교차에 의하여 타원형으로 집합되어 있다. 또, 직물표면은 직사의 클림프에 의하여 요철형상을 이루고 있고, 그와 같은 직물을 중첩시키면 서로 요철부가 겹쳐지므로 직사는 전혀 움직이지 못하게 되어 있다.

이와 같은 보강직물에 스티치 혹은 미싱 등의 바늘이 꽂힐 때에는 직사를 구성하는 단섬유가 이동하기 어렵고, 또한 섬유가 강고하게 집합하고 있기 때문에, 섬유가 용이하게 절단된다는 문제가 있다.

또한, 강화섬유사에 꼬임이 부여되거나 각 단섬유에 교락(엉킴)이 부여되는 경우, 또는 사이징제가 강고하게 부여되어 있는 경우에는 한층 절단되기 쉽다.

섬유손상에 관하여 특히, 다수 개의 니들로 일제히 스티치하는 경우에는 절단 개소가 스티치방향에서 같은 위치에 집중하기 때문에 섬유강화수지재료로 할 때 약점부가 집중되게 되므로 낮은 강도의 재료가 된다는 문제가 있다. 또, 성형공정에서 적층의 합리화를 목적으로 미리 스티치로 봉합하여 두는 방법도 많이 채용되고 있으나 상기한 바와 같이 동일한 문제가 있다.

본 발명은 섬유강화 복합재료용으로서 뛰어난 특성을 발휘하는 보강섬유와 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로서, 특히 편평한 강화섬유사를 사용한 것에 관한 것이다.

도 1의 (a)는, 훅드롭값의 측정장치의 사시도, (b)는 (a)의 확대부분 정면도, (c)는 (a)의 부분사시도.

도 2는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 보강직물의 제조장치의 사시도.

도 3은, 도 2의 장치에 있어서의 래피어의 구동기구를 표시하는 주요부확대도.

도 4는, 도 3의 일부를 판단하여 더욱 상세하게 표시한 주요부확대도.

도 5는, 도 2의 장치에 있어서의 실단 지지가이드의 확대사시도.

도 6은, 도 2의 장치에 있어서의 래피어의 선단부의 확대측면도.

도 7은, 래피어 선단부의 다른 형태를 표시하는 사시도.

도 8는, 1개의 편평한 강화섬유사로 이루어지는 종사와 횡사를 사용하여 제직된 본 발명의 보강직물의 부분 종단면도.

도 9는, 편평한 단위강화섬유사를 2개 적층한 종사와 횡사를 사용하여 제직된 본 발명의 보강직물의 부분종단면도.

도 10은, 1개의 편평한 강화섬유로 이루어지는 종사와 편평한 강화섬유사가 2개 적층되어서 이루지는 종사를 포함하는 보강직물의 부분종단면도.

도 11은, 편평한 강화섬유사가 3개 적층되어서 이루어지는 종사를 포함하는 보강직물의 부분종단면도.

도 12는, 고정된 본 발명의 보강직물의 부분사시도.

도 13은, 본 발명의 한 실시예에 관한 프리폼의 부분 분해사시도.

본 발명의 목적은 복합재료용의 보강재료로서 싼 값이고, 높은 강도특성을발휘할 수 있는 보강직물을 제공하는 데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은 섬도가 큰 편평한 강화섬유사에서도 꼬임이 걸리지 않고, 편평상태를 유지하여 상기한 보강직물을 제직하는 것이 가능한 보강직물의 제조방법 및 제조장치를 제공하는 데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은 상기한 보강직물을 사용한 섬유손상이 없는 보강 기재로서의 프리폼을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 보강직물을 사용한 싼값이고, 고강도인 복합 재료 형성에 사용하여 최적한 수지침투성 가공재를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 보강직물은 0.5중량% 미만의 사이징제를 부착하고, 집속성이 훅드롭값(hook drop value)으로 400∼800mm의 범위의 편평하고, 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 직사로 하는 것으로 이루어진다.

본 발명에 있어서 훅드롭값이라 함은 강화섬유 멀티필라멘트사의 집속성의 정도를 나타내는 것으로, 도 1(a)∼(c)에 표시하는 측정장치에 의하여 측정한 금속 훅의 자유낙하거리에 의해 나타내는 것이다.

즉, 보빈에 감긴 강화섬유 멀티필타멘트사의 훅드롭값의 측정은 보빈으로부터 해서꼬임이 가해지지 않도록 보빈을 회전시키면서 강화섬유 멀티필라멘트사를 반경방향으로 해서하여 길이 1,000mm의 강화섬유 멀티필라멘트사(101)를 채취하고, 그 상단을 상부 램프(104)로 장치에 고정한다. 그리고, 하단에 50mg/데니어의 하중을 건 상태에서 꼬임이 걸리지 않고, 편평상태가 찌그러지지 않도록, 또한 클램프간격이 950mm로 되도록 하부 클램프(105)에서 수직방향으로 고정한다.

다음에, 상하단을 고정한 강화섬유 멀티필라멘트사(101)의 폭방향 중앙부에 금속훅(102)(와이어 직경;1mm, 반경5mm)에 면사(106)로 추(103)를 부착한 중추(훅(102)의 상단으로부터 추(103)의 상단까지의 거리:30mm)인 금속훅(102)을 상부클램프의 하단으로부터 금속훅(102)의 상단까지의 거리가 50mm로 되도록 걸고, 손을 떼어서 금속훅(102)의 자유낙하거리(상기한 50mm의 위치에서, 낙하위치에 있어서의 금속훅(102)의 상단까지의 거리)를 측정한다. 금속훅(102) 및 면사(106)의 중량은 극히 가볍고, 금속훅(102), 면사(106) 및 추(103)의 합계중량, 즉 중추의 중량이 15g이 되도록 한다. 그리고, 사용하는 보빈으로부터 10개의 보빈을 랜덤하게 추출하여 1개의 보빈에 관하여 10회의 측정을 행하여, n=100의 평균값을 훅드롭값으로 한다. 그리고, 금속훅(102)이 하부 클램프(105)의 위치까지 낙하하는 경우도 있지만 이 때의 자유낙하 거리는 900mm로 간주하여 평균값을 계산한다. 그 때문에 하부 클램프(105)에 금속훅(102)이 닿더라도 면사(106)나 추(103)는 걸리지 않도록 하여 둘 필요가 있고, 도 1(c)에 이 경우의 낙하상태를 표시하는 바와 같이 하부 클램프(105)의 아래쪽에 충분한 공간을 설치하여 둘 필요가 있다. 그리고, 측정은 보빈으로부터 채취한 강화섬유 멀티필라멘트사를 온도 25℃, 상대습도 60%의 환경하에 24시간 방치한 후 온도 25℃, 상대습도 60%의 환경 하에서 행한다.

직물의 강화섬유 멀티필라멘트사(종사 또는 횡사)의 훅드롭값은 폭 1,000mm, 길이 1,000mm의 직물을 3매 추출하고, 각 직물로부터 종사 또는 횡사를 보풀이 발생하지 않고, 또 꼬임이 가하여지지 않도록 풀어서 길이 1,000mm의 강화섬유 멀티필라멘트사를 채취하고, 아래에 상술한 방법에 의하여 측정한다. 다만, 이 경우의 훅드롭값은 1매 직물의 종사 또는 횡사에 대하여 10회의 측정을 행하여 n=30의 평균값으로 표시한다.

이 훅드롭값이 클수록 강화섬유 멀티필라멘트사는 개섬, 확폭되기 쉽다. 다만, 너무 크면 멀티필라멘트사로서의 형태유지성이 없어지고 직물의 제직이 곤란하기 때문에 큰 것에도 한계가 있다. 집속성을 훅드롭값으로 상기와 같은 범위로 함으로써 직물의 형태로 직사의 최적한 편평상태가 얻어지고, 또 그 편평상태가 유지된다.

즉, 본 발명에 있어서의 편평한 강화섬유 멀티필라멘트사의 집속성은 훅드롭 값으로 400∼800mm의 범위가 된다. 예를 들면, 탄소섬유사를 사용한 보강직물로 하는 경우 일반적으로 탄소섬유는 그 제조공정에서 끊어진 필라멘트가 롤러에 감김으로써 발생하는 공정 문제를 방지하기 위해 공기를 프리커서의 섬유 속에 내뿜고, 필라멘트를 교락시켜서 탄소섬유사에 접속성을 부여하고 있다. 또, 사이징제의 부착량이나 탄소섬유 필라멘트 간의 접착에 의하여 탄소섬유사에 집속성을 부여하고 있다. 필라멘트 간의 교락 정도, 사이징제의 부착량이나 사이징제에 의한 접착정도에 따라 이들 집속성의 정도가 결정되지만, 훅드롭값으로 400mm 미만이 되어 집속성의 정도가 지나치게 커지면 탄소섬유의 집속성이 너무 강하여 제직한 직물의 직사를 다시 직기 상에서 개섬, 확폭하여 커버요소가 큰 직물로 가공하여도 그 효과가 향상되기 어렵다. 또 핸드 레이업 성형(hand lay up molding)이나 프리프레그 가공 시에 직물의 종사 및 횡사의 폭이 확대되기 어렵고, 탄소섬유사 간에 형성된공극에 수지의 보이드가 집중적으로 발생하기 쉽다. 또, 프리프레그로 가공할 때 수지의 함침성이 나쁘게 되어 고성능의 FRP를 얻을 수 없다. 또, 훅드롭값이 800mm를 넘으면, 탄소섬유사의 집속성이 나쁘게 되어 제직중에 보풀이 발생하여 작업환경이 악화할 뿐아니라 FRP의 강도도 저하한다.

여기에서 훅드롭값에 영향을 미치는 사이징제의 부착량은 0.5중량% 미만이고, 바람직한 부착량은 0.1중량% 이상, 0.5중량% 미만이다. 사이징제의 부착량이 0.1중량% 미만이면 편평상태가 유지되기 어려울 뿐 아니라 섬유의 집속성이 나빠서 제직 시에 보풀이 발생하기 쉽고, 제직성이 저하할 우려가 있다. 한편, 0.5중량% 이상이 되면 편평상태는 양호하게 유지되나, 섬유의 개섬성이 저하하고, 커버요소가 큰 직물을 얻기 어렵다. 본 발명의 보강섬유에 있어서의 강화섬유 필라멘트사의 훅드롭값이라 함은 직물로부터 해서한 직사의 훅드롭값을 지칭하고, 제조방법 및 제조장치에 있어서의 강화섬유 필라멘트사의 훅드롭값은 사용하는 사조의 훅드롭값을 나타내는 것이다.

또, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 직사에는 실질적으로 꼬임이 없는 것이 필요하다. 여기에서「실질적으로 꼬임이 없다」함은 실길이 1m당에 1턴(turn) 이상의 꼬임이 없는 상태를 말한다. 즉, 실제로 꼬임이 없는 상태를 말한다. 직사에 꼬임이 있으면 그 꼬임이 있는 부분에서 사폭이 좁고 수속하는 부분이 두껍게 되어 제직된 직물의 표면에 요철이 발생한다. 이 때문에 제직된 직물은 외력이 작용할 때에 그 꼬임부분에 응력이 집중하여 FRP 등으로 성형한 경우에 강도특성이 불균일하게 되어버린다.

이와 같은 최적한 편평상태의 실질적으로 꼬임이 없는 직사로 이루어지는 보강직물은 직사의 섬도를 크게 하거나 또 섬유밀도를 크게 해도 각 직사의 교차부에 있어서의 클림프는 극히 작게 억제되어, FRP나 CFRP로 만들 때에 높은 강도특성이 얻어진다. 직사의 섬도를 올릴 수 있으므로 직사, 나아가서는 보강직물이 보다 싸게 제조된다.

또, 클림프가 극히 작게 억제되므로 직물 단위중량을 높게 설정할 수 있고, 또한, 직사의 편평상태를 확보한 상태에서 커버요소를 100% 가깝게 설정하는 것이 가능하게 된다. 따라서 FRP 등에 있어서 섬유함유율을 높게 설정할 수 있음과 아울러 직사 간의 수지리치한 부분(resin-rich portion)을 극히 작게 억제할 수 있고, 고강도로, 또한 균일한 강도특성을 보유하는 복합재료가 얻어진다.

또한, 직물의 형태로 각 직사가 편평한 상태로 유지되고 있으므로 수지의 함침성이 극히 좋다. 따라서 한층 균일한 특성의 복합재료가 얻어지고, 목표로 하는 강도특성이 용이하게 얻어진다.

이와 같은 본 발명에 관한 보강직물에 있어서는, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사의 실두께가 0.05∼0.2mm, 사폭/실두께의 비가 30∼250, 보다 바람직하게는 사폭/실두께의 비가 150보다 크고, 250 이하인 것이 바람직하다. 실두께가 상기한 범위 미만이면 너무 얇아서 편평사의 형태를 유지하는 것이 곤란하고, 상기한 범위를 넘으면 클림프를 작게 억제하는 것이 곤란하게 된다. 또, 사폭/실두께의 비가 30 미만이면 클림프를 억제하는 것이 어렵게 된다. 한편, 250을 넘으면 제직 시에 편평상태가 찌그러지기 쉽다. 또, 사폭으로서는 4∼16mm 범위 정도가 제직하기 쉽다.

본 발명에 관한 보강직물은 각종 형태로 제직할 수 있다. 각 형태의 직물에 있어서 직물두께 및 직물 단위중량은 아래와 같은 범위가 바람직하다.

상기한 편평한 강화섬유 멀티필라멘트사를 종사 및 횡사로 하는 직물로 할 경우에는 직물두께가 0.1∼0.4mm, 바람직하게는 0.1∼0.2mm, 직물무게가 100∼300g/㎡, 바람직하게는 100∼200g/㎡인 것이 바람직하다(직물-1).

또, 편평한 강화섬유 멀티필라멘트사를 종사 및 횡사로 하고, 보조사를 사용하여 제직된 일 방향성의 직물로 하는 경우에는 직물두께가 0.07∼0.3mm, 직물무게가 100∼320g/㎡인 것이 바람직하다(직물-2).

상기한 직물 혹은 일 방향성 직물에 있어서 강화섬유 멀티필라멘트사를 탄소 섬유로 하는 경우에는 그 탄소섬유의 필라멘트수가 5,000∼24,000개, 섬도가 3,000∼20,000데니어인 것이 바람직하다.

상기한 직물-2에 있어서의 보조사로서는 섬도가 2,000데니어 이하의 가느다란 섬유로 이루어지는 편평한 섬사를 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 50∼600데니어이다. 보조사는 섬도가 크면 클림프가 커지고, 또 섬도가 작으면 제직이나 취급 시에 절단하기 쉽다. 이 보조사는 병행하는 편평한 섬사를 일체로 유지하는 것을 목적으로 사용되고, 탄소섬유나 유리섬유 등의 무기섬유, 폴리아라미드섬유, 비닐론섬유, 폴리에스테르섬유 등의 유기섬유가 사용되고, 종류에 관하여는 특히 한정되지 않는다.

또, 편평한 강화섬유 멀티필라멘트사를 종사와 횡사의 적어도 한쪽으로 하는직물로서, 그 종사와 횡사의 적어도 한쪽이 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 복수적층되어서 이루어지는 직물로 할 경우에는 직물두께가 0.1∼0.6mm, 직물무게가 200∼500g/㎡인 것이 바람직하다(직물-3). 편평한 직사이기 때문에 이와 같이 복수 적층한 상태로 섬성하여도 클림프는 작게 억제된다. 적층에 의하여 직물의 섬유밀도를 높일 수가 있다.

여기에서 직물의 섬유밀도는 다음 식으로 정의되는 값을 말한다.

직물의 섬유밀도(g/㎡)=[직물무게(g/㎡]/[직물두께(mm)]

직물무게(g/㎡) 및 직물두께(mm)는 각각 JIS-R7602에 준거하여 측정하였다.

즉, 직물무게의 측정은 직물의 양단에서 귀를 포함하는 30mm를 제외하고, 직물의 폭방향으로 연속하여 한변이 100mm ±0.5mm인 정방형의 시험편을 5매 채취하여 그 중량을 측정하였다. 그리고, 단위면적당의 중량(무게)을 다음 식에 의하여 산출하였다.

ρ_A= m/A×10⁶

여기에서, ρ_A: 무게(g/㎡)

m : 시험편의 중량(g)

A : 시험편의 면적(㎟)

이다.

또, 직물두께의 측정은 하중변화식 두께측정기를 사용하여 가압판의 면적 1㎠, 하중 50kPa(510gf/㎠)의 압력을 20초간 걸었을 때의 두께를 상기한 직물무게를측정한 같은 시험편 5매에 대하여 측정하였다.

또한, 실의 두께는 상기한 직물의 두께측정과 동일하게 측정하였다.

상기한 직물에 있어서, 강화섬유 멀티필라멘트사를 탄소섬유사로 할 경우에는 그 탄소섬유사의 필라멘트수가 3,000∼24,000개, 섬도가 1,500∼20,000데니어인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 섬도가 3,000∼20,000데니어, 혹은 1,500∼20,000데니어인 굵은 실을 사용하여도 상기한 최적한 직물무게의 범위로 함으로써 편평사의 편평상태가 찌그러지거나, 직조상태가 거칠게 되거나 수지의 함침성이 악화하는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 강화섬유사가 탄소섬유사인 경우, 사용하는 탄소섬유 편평사의 특성으로서 인장파단신도가 크고, 인장파단강도가 높을 필요가 있고, 인장파단신도는 1.5%이상, 인장파단강도는 200kgㆍf/㎟ 이상, 인장탄성율은 20,000kgㆍf/㎟ 이상인 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 각종 형태의 본 발명에 관한 보강직물은 예를 들면 평조직으로 되어 있다. 또, 편평한 훅드롭값이 큰 직사를 사용하여 클림프가 극히 작은 것으로부터 큰 커버요소의 달성이 가능하다.

예를 들면, 상술한 직물-1의 형태로 하는 경우로, 또한 편평한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사로 이루어지는 경우, 직물무게와 탄소섬유사의 섬도가 다음 식의 관계를 충족하고, 또한 커버요소가 95∼100%, 보다 바람직하게는 98∼100%인 것이 바람직하다.

W=kㆍ D^1/2

단, W : 직물무게(g/㎡)

k : 비례정수(1.4∼3.6)

D : 탄소섬유사의 섬도(데니어)

또, 상술한 직물-2의 형태로 할 경우로서, 또한 편평한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유로 이루어지는 경우, 직물무게와 탄소섬유사의 섬도가 다음 식의 관계를 충촉하고, 또한 커버요소가 95∼100%, 바람직하게는 98∼100%인 것이 바람직하다.

W = kㆍ D^1/2

단, W : 직물무게(g/㎡)

k : 비례정수(0.9∼4.0)

D : 탄소섬유사의 섬도(데니어)

또한, 상술한 직물-3의 형태로 하는 경우로서, 또한 편평한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사로 이루어지는 경우, 직물무게와 탄소섬유사의 섬도가 다음 식의 관계를 충촉하고, 또한 커버요소가 95∼100%, 보다 바람직하게는 98∼100%인 것이 바람직하다.

W = kㆍ D^1/2

단, W : 직물무게(g/㎡)

k : 비례정수(2.0∼6.0)

D : 탄소섬유사의 섬도(데니어)

상기한 각종 형태의 보강직물에 있어서, 커버요소가 95%보다 작아지면 탄소 섬유사 상호간에 섬유가 존재하지 않는 공극부가 커지게 되어 프리프레그나 CFRP를 제조할 때, 이 공극부가 수지리치부로 될 뿐만 아니라, 이 공극부에 수지가 편재하여 충전되어서 보이드가 집중한다. 이 때문에 이와 같은 수지침투성 가공재나 CFRP는 응력이 작용할 때 수지리치부나 보이드가 집중한 부분에서 파괴가 진행하여 바람직하지 않다.

여기에서 커버요소( Cf)라 함은 섬사 간에 형성되는 공극부의 크기에 관계하는 요소로, 직물 상에 면적(S₁)의 영역을 설정할 때, 면적(S₁) 내에 있어서 직사에 형성되는 공극부의 면적을 (S₂)로 하면, 다음 식으로 정의되는 값을 말한다.

커버요소(Cf)=[(S₁-S₂)/S₁]×100

본 발명의 보강직물은 얇은 편평한 강화섬유 멀티필라멘트로 이루어지는 종사나 횡사를 사용하고 있다. 따라서, 눈빠짐(skipped pick)이 작은, 즉 커버요소가 큰 직물이 된다. 이와 같은 커버요소가 큰 보강직물을 사용하여 프리프레그나 FRP를 성형하면 균일한 성형품이 얻어지고, 수지 중에 보이드가 들어가거나 응력이 집중하도록 하는 섬유분포의 불균일성이 발생하지 않는다.

그리고, 상기와 같은 편평사 자체의 작성방법으로서는, 예를 들면 강화섬유사의 제조공정에 있어서, 복수의 강화섬유로 이루어지는 섬유속을 롤 등으로 소정의 폭으로 확대하여 편평한 형상을 그대로 유지하거나 혹은 원래상태로 복귀하지않도록 사이징제 등으로 형태를 유지시키면 된다. 특히, 편평형상을 양호하게 유지하기 위해서는 편평사에 0.5중량% 미만의 소량의 사이징제를 부착시켜두면 좋다.

본 발명의 직물을 구성하는 강화섬유사는 훅드롭값이 400∼800mm로 크고, 사이징제 부착량이 0.5중량% 미만으로 적고, 또한 섬사의 사폭/실두께가 30∼250으로 크기 때문에 취급방법에 따라 사폭이 변화하거나 직사가 어긋나기 쉽다는 등 형태가 불안정하게 되는 경우가 있다.

그와 같은 문제에 대하여는 직물을 고정하여 두면, 즉 종사와 횡사를 그 교차부에 있어서 고정하여 두면 취급성이 대폭 개선된다. 물론, 본 발명의 직물은 반드시 고정된 직물에 한정되는 것이 아니고, 고정되지 아니한 통상의 직물도 포함된다.

상기한 고정의 방법은 편평한 강화섬유사로 이루어지는 직사에 저융점 폴리머사를 배열시켜 제직하고, 그 후 가열히터에서 저융점 폴리머사를 용융시켜 직사의 교점을 저융점폴리머로 접착하는 방법이 간단하고, 바람직한 방법이다.

고정을 확실하게 행하기 위해서는 편평한 강화섬유사의 폭방향 중앙부에 저융점폴리머사를 배치하여 고정하는 방법이 한층 바람직하다.

저융점폴리머사를 편평한 강화섬유사의 중앙부에 배치하기 위해서는 종사의 경우, 본 발명 직물의 제조에 사용하는 옆으로 긴 직사각형의 종광메일구멍의 상부 또는 하부에서 메일구멍의 폭방향에 대하여 중앙위치에 또 하나의 메일구멍을 설치하고, 그 메일구멍에 저융점폴리머사를 삽입통과시켜 제직함으로써 달성할 수 있다.

한편, 횡사의 경우에는 본 발명 직물의 제조에 사용하는 횡사장력 부여기구(판스프링텐션장치)의 앞쪽 또는 뒤쪽에서 횡사로서 공급되는 편평한 강화섬유사의 위쪽에서, 또한 사폭방향 중앙부의 위치에 저융점폴리머사의 안내가이드를 설치하여 공급하면 된다.

저융점폴리머사를 종사와 횡사의 양쪽에 배열시켜 고정하면 양자의 직사폭 변화를 확실하게 억제할 수 있으나, 사용목적에 따라서는 어느 한쪽만이라도 좋다.

특히, 본 발명의 직물에 대하여 습식 프리프레그 가공을 행하는 경우에는, 종사방향으로 저융점 폴리머사를 배열시켜 고정하면, 수지의 자중에 의한 횡사폭의 변화를 억제할 수가 있다.

고정용 저융점폴리머사로서는 융점이 비교적 낮은 공중합나일론이나 폴리에스테르 등의 저융점 열가소성폴리머로 이루어지는 실을 사용할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 관한 보강직물은 프리폼이나, 프리프레그 가공재 또는 FRP나 CFRP의 성형에 제공되어 보강기재로서 뛰어난 특성을 발휘한다.

본 발명에 관한 프리폼은 상기한 보강직물의 복수개를 적층하고, 스티치사를 사용하여 일체로 봉합한 것, 혹은 상기한 보강직물의 적어도 1매와 다른 보강직물 등을 적층하고, 스티치사를 사용하여 봉합한 것으로 이루어진다. 이 보강직물은 편평하고, 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 직사로 하고 있고, 또한 접속성이 낮으므로(훅드롭값이 크기 때문에) 개섬, 확폭되기 쉽고, 바늘 등이 꽃히더라도 각 단섬유는 용이하게 도피할 수 있다.

직사에 약간의 꼬임이 존재하면 그 꼬임부에서는 직사 내에서 사폭방향으로횡단하는 섬유가 존재하여 섬유를 강고하게 집합시키고 있다. 따라서, 그 부분에 스티치나 미싱 바늘이 꽂히면 각 단섬유는 도피하기 어렵기 때문에 바늘과의 저항으로 단섬유가 절단될 우려가 있다.

본 발명에 있어서는 상술한 바와 같이 실두께에 비하여 사폭이 큰 편평사를 사용하고 있으므로 필연적으로 섬사의 배열피치가 크고, 또한 얇은 보강직물이 된다. 따라서, 종사와 횡사의 교차부에서의 구속력이 약하므로 선단이 예리한 바늘을 꽂았을 때 강화섬유사 자신도 움직이기 쉬워서 도피하고, 또한 강화섬유사는 꼬임이 없고 또한 편평형상이기 때문에 또 훅드롭값이 높기 때문에 섬유자신도 움직이기 쉬워 섬유손상을 일으키지 않는다. 또한 직사의 배열피치를 크게 취하여도 직사가 편평하고, 사폭이 크고, 또한 상술한 바와 같이 클림프를 극히 작게 억제할 수 있으므로 95∼100%의 높은 커버요소를 달성할 수 있다.

높은 커버요소에 의해 높은 섬유함유율의 복합재료가 얻어지고, 수지리치부가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 높은 강도와 탄성률의 복합재료가 얻어진다. 또, 스티치하여도 섬유손상이 없기 때문에 균일하고, 높은 강도 특성을 확보할 수 있다.

통상의 보강직물기재는 적층매수가 1매라도 스티치할 경우 기재섬유의 손상은 피하기 어렵다. 또한, 적층체가 되면 기재표면에 섬사간격을 단위로 하여 요철이 생긴다. 그와 같은 직물을 복수 개 적층하면 직물기재 사이의 접촉면에서 요철이 중첩되어 섬사는 거의 움직일 수 없는 상태가 되므로 바늘이 관통할 때 저항이 높아져서 바늘이 부러지거나 기재의 섬유손상, 스티치사의 절단이 많이 발생하는문제가 있어 너무 두꺼운 적층체를 스티치할 수가 없다.

그러나 본 발명의 프리폼에 있어서는 그와 같은 문제점을 가지고 있지 않으므로 보강직물을 많은 매수 적층하는 것이 가능하다. 적층체의 두께의 한도로서는 10mm 정도까지 바늘이나 기재섬유가 손상하지 않고 스티치가 가능하다.

보강직물의 적층구조로서는 임의의 구성을 채용할 수 있다. 예를 들면, 각 보강직물의 직사가 동일방향으로 배열된 단일적층 구성으로 하여도 좋고, 직사의 배열방향이 0 °/90° 인 보강직물층 및 ±45° 인 보강직물층을 포함하는 구성으로 하여도 좋다. 또, 적층된 각 보강직물이 의사등방 적층구성을 이루고 있으면, 복합 재료를 형성할 때 보다 균일한 특성을 취할 수 있다. 의사등방성으로 적층시키는 경우에는, 두께방향 중심에 대하여 경면대칭이 되도록 적층시키는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써 섬유강화수지재료의 경화판으로 할 때 역휘어짐이 발생하지 않기 때문이다.

특히, 강화섬유가 탄소섬유인 CFRP는 이방성이 극히 높은 재료이기 때문에 섬유축 방향에는 강하지만, 섬유축 방향에서 벗어나면 급격하게 강도, 탄성률이 낮아진다. 따라서 이 탄소섬유 직물을 사용하여 섬유배향이 0°, 90° 방향인 직물과 바이어스로 재단한 섬유배향이 +45°, -45° 방향인 직물을 번갈아서 적층하면 0°, 90°, +45°, -45° 의 섬유축방향의 특성이 같으므로 FRP의 모든 방향이 같은 강도, 탄성률로 되어 특히 항공기의 구조재료로서 바람직하다.

스티치의 봉합방법으로서는 특히 한정되지 아니하고, 예를 들면 단환봉합(chain stitch)를 사용할 수 있다.

또, 스티치사로서는 탄소섬유사, 유리섬유사, 폴리아라미드섬유사 등을 들 수 있고, 그 중에서도 인장파단신도가 큰 실이 바람직하다. 특히, 스티치사의 인장 파단신도가 보강직물의 강화섬유 멀티필라멘트사의 인장파단신도보다 큰 것이 바람직하다. 인장파단신도가 큰 스티치사를 사용함으로써 섬유강화수지재료에 인장응력이 작용하여도 강화섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 섬사가 먼저 응력을 받게 되므로 스티치사가 절단되거나 스티치사의 체결에 의한 직사의 응력집중을 피할 수 있다.

스티치사의 섬도로서는 스티치의 목적에 따라 다르지만 200∼2,000데니어가 바람직하고, 이것을 5∼20mm의 피치로 반복 관통시키면서 봉합하는 것이 바람직하다. 특히 층 사이를 강화시키는 경우에 있어서는 1,000∼2,000데니어의 굵은 섬도가 바람직하고, 성형에서의 적층공정을 간략화시킬 목적으로 봉합시키는 경우에는 200∼600데니어의 가는 섬도의 스티치사라도 좋다.

복수 개의 바늘을 갖고 일제히 스티치시키는 경우의 바늘간격으로서는 2∼50 mm 정도가 바람직하다. 또, 1개의 바늘로 직선 혹은 곡선으로 봉합하여도 좋고, 봉합방법으로서는 상술한 바와 같이 단환봉합이라도 본봉합(lock stitch)이여도 좋다. 이때 바늘은 선단이 예리하고, 가는 것이 섬유손상을 보다 적게 하는 점에서 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 프리폼은 바늘에 의한 손상이 없어 뛰어난 기재이지만 스티치할 때의 스티치사의 장력이 높으면 단섬유가 이동하기 쉬우므로 관통부의 장력에 의해 강화섬유의 배향을 혼란시키는 문제가 생길 우려가 있다. 이와같은 문제에 대하여는 보강기재의 적층에 있어서 최외층에 얇고 조직의 변형이 어려운 직물이나 얇은 유리섬유의 서피스맷트(surface mat)의 배치 혹은 본 발명의 직물기재로 종사와 횡사의 교점을 접착제로(예를 들면 상술한 바와 같이 저융점폴리머로) 고정한 보강직물을 배치하는 것에 의해, 상기한 바와 같은 섬유배향의 혼란을 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 프리프레그는 상술한 본 발명의 보강직물에 30∼70중량%, 바람직하게는, 35∼50중량%의 매트릭스 수지를 함침한 것으로 이루어진다. 보다 바람직한 수지량은 35∼45중량%이다.

사용하는 매트릭스 수지로서는, 에폭시수지, 불포화폴리에스테르수지, 폴리이미드수지, 페놀수지 등의 열경화성수지 등을 들 수 있다. 이들의 열경화성수지는 직물에 함침된 상태에서는 B스테이지이다. 또, 매트릭스수지로서 나일론수지, 폴리에스테르수지, 폴리부틸렌 텔레프탈레이트수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)수지, 비스말레이미드수지 등의 열가소성수지도 사용할 수가 있다.

이와 같은 수지침투성 가공재를 사용한 섬유강화 복합재료에 있어서의 마이크로크랙(microcrack)의 발생을 방지하기 위해서는, 매트릭스수지의 경화 또는 고화상태에 있어서의 인장파단신장도를 보강직물의 강화섬유 멀티필라멘트사의 인장파단신도보다 크게 하는 것이 효과적이다. 예를 들면, 매트릭스수지가 경화상태에서의 인장파단신도가 1.5∼10%, 보다 바람직하게는 3.5∼10%의 열경화성수지 또는 고화상태에 있어서의 인장파단신도가 8∼200%의 열가소성수지인 것이 바람직하다.

또, 본 발명에 관한 FRP는, 상술한 본 발명의 보강섬유를 포함하고, 또한 30∼70중량%, 바람직하게는 35∼50중량%의 매트릭스수지를 포함하는 것으로 이루어진다. 매트릭스수지로서는, 상기한 바와 동일하게 열경화성수지 또는 열가소성수지가 사용된다. 또, 매트릭스수지의 인장파단신도가 보강직물의 강화섬유 멀티필라멘트사의 인장파단신도보다 큰 것이 바람직하고, 인장파단신도가 1.5∼10%, 보다 바람직하게는 3.5∼10%인 열경화성수지 또는 인장파단신도가 8∼200%인 열가소성수지를 사용하는 것이 바람직하다.

프리프레그를 사용한 FRP는 공지의 방법으로 성형할 수가 있다. 소정 매수의 프리프레그를 소정의 방향으로 적층하고, 매트릭스수지가 열경화성수지인 경우는 100∼200℃로 가열하면서 4∼10kg/㎠의 가압하에서 수지를 경화하는 것에 의해 열 가소성수지의 경우는 7∼30kg/㎠의 가압하에서 수지의 융점 이상으로 가열하여 수지를 용해하여 냉각하는 것에 의해 성형할 수가 있다.

또, 본 발명에 관한 보강직물은 훅드롭값이 높고, 개섬, 확폭되기 쉽다. 편평한 강화섬유 멀티필라멘트사를 직사로 하고 있으므로 FRP를 성형할 때, 직물, 프리프레그나 프리폼 등의 보강기재를 형틀에 맞출 때, 각 직사가 편평상태나 치밀한 섬유밀도를 유지하면서 서로의 교차각이 용이하게 변화하여 드레이프성이 극히 뛰어나다. 따라서 이 보강직물을 포함하는 보강기재는 실 사이의 간격이 확대되지 않고 딥 드로잉(deep drawing) 등으로 용이하게 소정형상으로 가공할 수 있다.

상술한 본 발명의 보강직물은 다음과 같은 방법에 의해 제조된다.

즉, 본 발명에 관한 보강직물의 제조방법은 배열된 복수 개의 종사 사이에 횡사를 공급하여 보강직물을 제조하는 방법에 있어서 적어도 상기한 종사로서, 편평하고 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 사용하여 상기 복수개의 종사를 그 폭방향이 실질적으로 상하방향이 되도록 유지함과 아울러 종사배열방향으로 필요한 밀도로 한 후, 각 종사의 폭방향이 실질적으로 수평방향으로 되도록 변환하고, 상기 종사를, 상기 종사를 안내하는 수단 상에서 개섬, 확폭하여 개구형성수단(shed forming means)에 인도하는 종사공급공정을 포함하는 방법으로 이루어진다(제조방법-1).

이 제조방법-1에 있어서 종사는 예를 들면, 종사안내 수단의 요동에 의하여 개섬, 확폭된다.

또, 본 발명에 관한 제조방법에 있어서는, 직물로 제직한 후에 직사의 개섬을 부가하여도 좋다.

즉, 본 발명의 보강직물의 제조방법은 종사와 횡사의 적어도 한쪽에 편평하고, 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 사용하여 보강직물을 제직한 후 직물을 안내하는 수단상에서 종사 및/또는 횡사를 개섬, 확폭하는 방법으로 이루어진다(제조방법-2).

또, 본 발명의 보강직물의 제조방법은 배열된 복수개의 종사 사이에 횡사를 공급하여 보강직물을 제조하는 방법에 있어서, 상기한 종사로서 편평하고 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 사용하고, 상기 복수개의 종사를 그 폭 방향이 실질적으로 상하방향으로 되도록 유지함과 아울러 종사배열방향으로 필요한 밀도로 한 후 각 종사의 폭방향이 실질적으로 수평방향으로 되도록 변화하여 개구 형성수단으로 인도하는 종사공급공정과, 상기한 횡사로서 편평하고 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 사용하고, 상기 횡사를 보빈으로부터 반경방향으로 해서하고, 가이드수단에 의해서 횡사를 그 폭방향이 횡사공급위치에 있어서 실질적으로 수평방향이 되도록 위치결정함과 아울러, 상기한 횡사의 해서위치와 가이드수단 사이에서 종사에 대한 1회의 횡사공급에 필요한 길이의 횡사를 보유하면서, 상기한 횡사를 긴장상태로 상기한 가이드수단을 통하여 종사 사이에 공급하는 횡사공급수단과, 상기한 종사와 횡사를 보강직물로 제직한 후, 그 직물을 안내하는 수단상에서 종사 및 횡사를 개섬, 확폭하는 공정을 포함하는 방법으로 이루어진다(제조방법-3).

상기한 제조방법-2 및 제조방법-3에 있어서는, 종사 및/또는 횡사는 예를 들면, 직물안내수단의 요동에 의해서 개섬, 확폭된다. 혹은 종사 및/또는 횡사는 유체분사 수단으로부터의 분사유체에 의하여 개섬, 확폭된다. 유체분사수단을 직물면에 병행하게 요동하면 다시 개섬, 확폭효과를 높일 수 있다. 즉, 커버요소가 큰 직물이 얻어진다.

상기한 바와 같은 각 제조방법에 의하여, 강화섬유 멀티필라멘트사의 집속성(集束性)이 훅드롭값으로 400∼800mm의 범위에 있는 보강직물이 얻어진다. 이 때 상술한 바와 같이, 강화섬유 멀티필라멘트사의 실두께가 0.05∼0.2mm, 사폭 / 실두께 비가 30∼250인 것이 바람직하다. 또, 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사인 경우, 보강직물에 0.5중량% 미만의 사이징제가 부착되어 있는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 각 제조방법은 아래와 같은 제조장치를 사용하여 실시할수 있다.

즉, 본 발명에 관한 보강직물의 제조장치는, 복수의 와이어를 보유하고, 편평하고 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 실을 감는 보빈에서 인출되는 복수개의 종사를 편평상태를 유지하면서 필요한 밀도로 함과 아울러 종사의 폭방향이 실질적으로 상하방향으로 되도록 유지하는 코옴(comb)과, 이 코옴으로부터 송출되어 각 종사의 폭방향을 실질적으로 수평방향이 되도록 변환하는 가이드와, 이 가이드로부터 송출되어 오는 각 종사에 상기 변환된 방향의 자세를 유지하면서 각 종사를 요동시켜서 개섬, 확폭하는 종사개섬, 확폭수단과, 이 종사개섬, 확폭수단에서 송출되어 나오는 각 종사로 개폐운동을 부여하는 종광 등을 포함하는 종사공급수단을 구비한 것으로 이루어진다(제조장치-1).

또, 본 발명에 관한 보강직물의 제조장치는 종사와 횡사의 적어도 한쪽을 편평하고, 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사로서 제직된 보강섬유의 종사 및/또는 횡사를 개섬, 확폭하는 수단을 구비한 것으로 이루어진다(제조장치-2).

또한, 본 발명에 관한 보강직물의 제조장치는 복수의 와이어를 보유하고, 편평하고 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 종사를 감은 보빈으로부터 인출되는 복수개의 종사를 편평상태로 유지하면서, 필요한 밀도로 함과 아울러, 종사의 폭방향이 실질적으로 상하방향이 되도록 유지하는 코옴과, 이 코옴에서 송출되어 오는 각 종사의 폭방향을 실질적으로 수평방향이 되도록 변환하는 가이드와, 이 가이드에서 송출되어 나오는 각 종사에 상기 변환된 방향의 자세를 유지하면서 개폐운동을 부여하는 종광을 포함하는 종사공급수단과, 제직장치의 주축과 연동하여 회전하고, 편평하고 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 종사를 권회한 보빈으로부터 횡사를 정속으로 반경방향으로 해서하는 인취롤러와, 인출된 횡사를 횡사공급장치에 있어서 실질적으로 수평방향으로 위치결정하는 가이드롤러와, 종사에 대한 1회의 횡사공급에 필요한 길이의 횡사를, 상기한 인취롤러와 가이드롤러와의 사이에 보유하면서 상기한 가이드롤러에 공급하는 횡사보유수단과, 상기한 가이드롤러에서 송출되어 오는 횡사를 긴장상태로 유지하는 장력부여수단을 포함하는 횡사공급수단과, 상기한 종사와 횡사가 제직된 보강직물의 종사 및 횡사를 개섬, 확폭하는 수단을 구비한 것으로 이루어진다(제조장치-3).

상기한 각 장치에 있어서, 제직 전의 종사 개섬, 확폭장치로서는 상기한 가이드를 종사배열방향으로 요동하는 기구를 부가한 것 등을 들 수가 있다. 또, 제직 후의 개섬, 확폭수단으로서는 직물안내수단을 종사배열 방향으로 요동하는 수단 혹은 개섬, 확폭을 위한 유체(예를 들면, 공기, 물 또는 스팀)을 분사하는 유체분사수단 등을 들 수 있다.

상기한 강화섬유 멀티필라멘트사는 예를 들면 탄소섬유사이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 보강섬유에 의할 때는 훅드롭값이 특정 범위의 편평하고 실질적으로 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 직사로 하고 있으므로 섬도가 큰 직사를 사용하여도 얇고, 직사의 클림프가 극히 작은 직물로 할 수가 있어 값싸고, 높은 강도특성을 발휘할 수 있는 복합재료용 보강기재를 얻을 수가있다.

또, 이 보강직물을 사용하여 스티치로 봉합하여 제작한 프리폼은 섬유손상이 없이 목표로 하는 높은 강도특성을 균일하게 발휘할 수 있는 복합재료용 보강기재가 된다.

또, 상기한 보강직물을 사용함으로써 싼값이고, 고강도의 복합재료 형성에 사용하여 최적한 프리프레그 및 섬유강화복합재료를 얻을 수가 있다.

또한, 본 발명의 보강직물의 제조방법 및 제조장치에 의할 때는 섬도가 큰 편평한 강화섬유사라도 꼬임이 걸리지 않고, 편평상태를 유지하여 상기한 바와 같은 목표로 하는 보강직물을 확실하게 제직할 수 있다.

아래에, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 한 실시형태에 관한 보강직물의 제조장치를 표시하고 있고, 탄소섬유로 이루어지는 직사를 사용하여 탄소섬유 보강직물을 제직하는 장치를 표시하고 있다.

이 장치는, 횡사공급장치로서 보빈(1), 인취롤러(3), 텐션장치(4), 가이드롤러(5∼7), 판스프링텐션장치(8), 압판가이드(9) 및 래피어(11) 등을 구비하고 있고, 종사공급장치로서 크릴(20), 코옴(21), 수평가이드(22), 종광(23) 및 바디(24)를 구비하고 있다.

먼저, 횡사공급장치를 설명하면, 보빈(1)에는 다수의 탄소섬유로 이루어지는 편평한 탄소섬유 멀티필라멘트사인 횡사(Twf)가 감기고, 횡사(Twf)는 텐션롤러(2)를 거쳐 인취롤러(3)에 안내되고, 인취롤러(3)의 회전에 의해 일정 속도로 반경방향으로 해서된다.

여기에서 텐션롤러(2)는 보빈(2)으로부터 횡사(Twf)를 해서할 때는 위쪽에서 위치하고, 인취롤러(3)의 회전이 정지하면 자동적으로 아래쪽으로 내려감과 아울러 브레이크가 작용하여 보빈(1)의 관성회전이 정지한다. 또, 인취롤러(3)는 이 제직 장치의 주축(26)과 연동하여 회전하고, 주축(26)은 구동모우터(25)에 의하여 회전한다.

횡사(Twf)의 해서속도 즉, 인취롤러(3)의 표면속도는 직기의 회전수(rpm)과 1회전에 필요한 횡사길이(m)로부터 용이하게 결정할 수가 있다.

횡사(Twf)나 종사(Twr)가 되는 탄소섬유 멀티필라멘트사는 탄소섬유의 수가 5,000∼24,000개이고, 실질적으로 꼬임이 없고, 훅드롭값이 400∼800mm이며, 미리 사이징제 등으로 편평형상으로 형태유지되어서, 일정한 트래버스 폭으로 원통형상의 관인 보빈(1)이나 뒤에 진술하는 크릴(20)의 보빈(20a),(20b)에 감기어 있다.

이 때 탄소섬유 멀티필라멘트사는 섬도가 3,000∼20,000데니어, 사폭이 4∼16mm, 두께가 0.05∼0.2mm, 사폭 / 실두께의 비가 30∼250인 것을 사용한다. 또, 탄소섬유 필라멘트직사로서 편평한 단위 탄소섬유사를 복수 적층한 것을 사용하는 경우 단위 탄소섬유사는 꼬임이 없고, 훅드롭값이 400∼800mm이며, 탄소섬유수가 3,000∼24,000개, 섬도가 1,500∼20,000데니어, 사폭이 4∼16mm, 두께가 0.05∼0.2mm, 사폭 / 실두께 비가 30∼250인 것으로 한다.

인취롤러(3)로부터 인출된 횡사(Twf)는 텐션장치(4)의 가이드(4a)를 거쳐 수평가이드롤러(5), 수직가이드롤러(6), 수평가이드롤러(7)에 안내되어 판스프링텐션 장치(8)로 인도된다.

각각의 가이드롤러(5)∼(7)는 직경이 10∼20mm 정도이고, 길이가 10∼300mm 정도의 베어링을 내장한 회전방식이 바람직하다. 직경이 너무 작으면 횡사(Twf)를 구성하는 탄소섬유 멀티필라멘트사가 굴곡하여 단사절단을 일으키기 쉽고, 또 직경이 20mm이상이 되면, 회전 관성이 크게 되어서 시동, 정지 시의 장력변동이 크게 되는 문제가 있다.

또, 각각의 가이드롤러(5)∼(7)의 길이는 통과하는 횡사(Twf)가 좌우 또는 상하방향으로 이동하여 가이드롤러(5)∼(7)를 지지하는 지지부에 접촉하지 않는 길이가 필요하다. 횡사(Twf)가 가이드롤러(5)∼(7)의 지지부에 접촉하면, 편평상태가 찌그러져버린다.

수평가이드롤러(5) 및 가이드롤러(7)는 안내하는 횡사(Twf)의 높이 방향의 위치를 결정하고, 수직가이드롤러(6)는 횡사(Twf)의 수평방향의 위치를 결정한다. 따라서, 가이드롤러는 적어도 수평방향과 수직방향의 것이 각각 서로 배치되어 있으면 좋다.

이 때 수평가이드롤러(5)와 수직가이드롤러(6)의 사이 및 수직가이드롤러(6)와 수평가이드롤러(7)의 사이에서 횡사(Twf)의 편평면을 90° 회전시킬 필요가 있다. 이 때문에 가이드롤러(5),(6) 사이 및 가이드롤러(6),(7) 사이의 거리는 횡사(Twf)의 폭에 따라서 다르지만 50mm 이상 떼어놓을 필요가 있다. 가이드롤러 간의 거리가 50mm 보다 작으면, 횡사(Twf)가 비틀린 채로 수직가이드롤러(6)나 수평가이드롤러(7)를 통과하여 직조된다. 또, 짧은 거리에서 횡사를 90° 회전하면 직사의 양단부에 장력이 가해져서, 보풀이 발생한다. 가이드롤러(5)∼(7)는 1개라도 좋지만 각각 2개 조로 하여 횡사(Twf)를 S자 형상으로 통과시키면 횡사(Twf)에 작용하는 장력이 안정되어 횡사(Twf)의 위치결정을 확실하게 행할 수가 있다.

텐션장치(4)는 뒤에 설명하는 래피어(11)에 의한 간헐적인 횡사(Twf)의 삽입시에 인취롤러(3)에 의해서 일정 속도로 해서되는 횡사(Twf)의 인취롤러(3)와 수평 가이드롤러(5) 사이에 있어서의 이완을 스프링(4b)으로 흡수시켜서 횡사(Twf)를 항상 긴장시켜 두는 것이다. 횡사(Twf)는 스프링(4b)으로 긴장시켜 두지 않으면, 이완할 때에 비틀어져 버리고, 비틀어진 채로 가이드롤러(5)∼(7)를 통과하여 제직되는 문제가 생긴다. 그리고, 스프링(4b)의 하단에 설치한 가이드(4a)는 탄소섬유사의 편평면이 수평으로 안내되도록, 옆으로 길게 배치하여 둔다.

횡사(Twf)를 긴장시켜 두는 다른 방법으로서는 공기의 흡인에 의한 방법이 있으나, 이 방법에서는 흡인 중에 횡사(Twf)가 비틀리는 문제가 있다. 또한, 추에 의한 횡사(Twf)의 긴장방법에서는 장력변동이 너무 크게 되어 횡사(Twf)를 구성하는 탄소섬유가 손상하는 문제가 있어 상기한 스프링에 의한 방법이 가장 간단하고 확실하다.

또한, 횡사(Twf)의 수평가이드롤러(7)의 하류측에는 횡사(Twf)의 장력을 균일하게 하는 텐션장치(8)가 배치되어 있다. 이 텐션장치(8)는 폭이 넓은 2매의 판스프링(8a),(8b)으로 횡사(Twf)를 니핑(nipping)하여 횡사(Twf)의 장력을 균일하게 유지하는 것이다.

본 발명의 보강직물의 제조장치의 횡사(Twf)의 공급방법에서는 원리적으로는 수평가이드롤러(6)에 의해 횡사(Twf)의 사도를 결정하고 있으나, 장력변동이나 래피어(11)에 거는 동작에 의해 횡사(TWf)의 사도가 변하는 경우가 있다. 따라서, 횡사(Twf)가 폭방향으로 이동할 때 횡사(Twf) 단부의 간섭물을 없앨 필요가 있고, 그 때문에 폭이 넓은 판스프링(8a),(8b)을 구비한 텐션장치(8)를 사용한다. 판스프링(8a),(8b)의 폭은 횡사(Twf)의 사폭의 5배 이상이면 된다.

압압판가이드(9)는, 판스프링텐션장치(8)의 횡사(Twf)의 하류측에 배치되어 있고, 선단에 V자형의 가이드면(9a)이 형성된 판이다. 이 가이드(9)는, 래피어(11)로의 급사와 연동하여 직기의 회전이 전달되는 캠기구를 이용하여 도 2에 화살표로 표시한 전후방향으로 구동된다.

또, 압압판가이드(9)의 하류측 근방에는 실끝지지가이드(10)가 배치되어 있다. 실끝지지가이드(10)는 도 5에 표시하듯이 L자형의 수용부재(10a)와 도면표시하지 않은 구동수단에 의하여 상하방향으로 구동되는 압압부재(10b)를 가지고 있다.

이 가이드(10)는, 래피어(11)로의 횡사(Twf)의 급사가 완료할 때까지의 사이에 압압부재(10b)가 하강하여, 횡사(Twf)를 수용부재(10a)에 압압하여 실끝을 지지하고 있다.

따라서, 횡사(Twf)는, 압압판가이드(9)가 화살표 방향으로 밀려나와서 편평면이 V자형의 가이드면(9a)의 경사면에 안내되어서 하강함과 아울러 실끝지지가이드(10)도 하강하여 편평형태가 찌그러지지 않고 래피어(11)의 선단을 가로지르는 결과, 도 6에 표시한 것 같은 래피어(11)의 갈고리(11a)에 잘 걸리게 된다.

여기서 통상 횡사(Twf)는 실끝지지가이드(10)와 가이드구멍을 보유하는 급사가이드에 의하여 횡사(Twf)가 래피어(11)를 비스듬하게 횡단하도록 대기시켜두고, 래피어(11)가 급사위치에 도달할 때에 양 가이드를 하강시켜서 래피어(11)의 갈고리(11a)로 끌어당기고 있다.

그러나, 래피어(11)의 급사에 있어서 통상의 급사가이드를 사용하면 횡사(Twf)가 편평한 탄소섬유 멀티필라멘트사의 경우, 상기한 가이드구멍에서 횡사(Twf)가 마찰되어서 편평형태가 찌그러져 버린다. 이 때문에, 본 발명의 장치에서는, 판스프링텐션장치(8)와 실끝지지가이드(10)와의 사이에 압압판가이드(9)를 설치하여, 래피어(11)로의 급사시에 실끝지지가이드(10)를 하강시킴과 아울러, 압압판가이드(9)를 전진시킴으로써 직기의 뒤쪽에 횡사(Twf)를 압압하여 래피어(11)에 대하여 가로지르도록 한 것이다.

이어서, 래피어(11)가 도 2에 있어서 우측방향으로 이동할 때, 횡사(Twf)를 래피어 선단의 갈고리(11a)에 걸어 압압구(11b)로 눌러서 지지한다. 래피어(11)는 도 2에 표시하는 바와 같이 뒤에 설명하는 바디(24)의 근방에 배치되는 길이가 긴 부재로 간헐적으로 횡방향으로 작동하여 횡사(Twf)를 다수의 종사(Twr) 사이에 삽입하는 것이다. 래피어(11)는 도 3 및 도 4에 표시하는 바와 같이 아암(27a)∼(27d)을 보유하는 링크수단(27)을 개재하여 전달되는 구동모우터(25)로부터의 구동력에 의하여 간헐작동한다. 래피어(11)는 도 6에 표시하는 바와 같이 편평한 횡사(Twf)를 거는 갈고리(11a)가 선단에 설치되고, 갈고리(11a)의 근방에는 압압구(11b)가 부착되어 있다.

또, 레피어(11)에서 평평한 횡사(Twf)를 지지하는 방법으로서 도 7에 표시하는 바와 같이 래피어(11)의 선단에 인도된 횡사(Twf)의 단부를 협지구(12)로 집어서 지지시킴으로써 거의 편평상태를 찌그러뜨리지 않고 횡사삽입을 달성할 수 있다.

본 실시형태의 탄소섬유 보강직물의 제조장치에 있어서는, 이상과 같은 횡사 공급장치의 횡사공급 공정에 의하여 보빈(1)에 감긴 횡사(Twf)가 인취롤러(3)에 의하여 일정속도로 해서되고, 래피어(11)의 간헐적인 횡사삽입 시의 이완이 텐션장치(4)의 스프링(4b)으로 흡수된다.

그리고, 보빈(1)으로부터 반경방향으로 해서된 횡사(Twf)는 가이드롤러(5)∼(7)로 안내됨과 아울러, 판스프링 텐션장치(8)에서 균일한 장력으로 유지되면서, 압압판가이드(9)와 실끝지지가이드(10)와의 협동에 의해 래피어(11)의 갈고리(11a)에 걸려 도 2에 표시하는 다수의 종사(Twf) 사이에 삽입된다. 이 때문에, 탄소섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 횡사(Twf)는 비틀리거나 편평상태가 찌그러지지 않고 직조된다.

다음에 종사공급장치에 대하여 설명한다. 크릴(20)은 다수의 보빈(20a)이 회전가능하게 지지되고, 각 보빈(20a)에는 횡사공급장치의 보빈(1)과 동일하게 편평한 탄소섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 종사(Twr)가 감기고, 종사(Twr)는 반경 방향으로 해서된 후, 코옴(21), 수평가이드(22), 종광(23) 및 바디(24)를 거쳐 직전(織前, cloth fell)으로 인도된다.

여기에서, 보빈(20a)으로부터의 종사(Twr)의 해서속도는 횡사(Twf)에 비하여극단적으로 늦고, 일정한 속도라도 좋으므로 보빈(20a)에는 가벼운 브레이크가 부착되어 있으면 된다.

코옴(21)은 상하로 배치된 지지틀(21a),(21a) 사이에 직물 종사(Twr)의 간격과 같은 간격으로 복수의 와이어(21b)를 상하방향에 설치한 것을 다수 연결한 것으로, 와이어(21b),(21b) 사이에 종사(Twr)를 1개씩 통과시킴으로써 다수의 종사(Twr)를 수평방향에 대하여 위치결정하고, 종사(Twr)를 필요한 밀도로 조정한다.

여기서 와이어(21b)는 크릴(20)의 보빈(20a),(20b)으로부터 공급되는 편평한 종사(Twr)가 지지틀(21a),(21a)에 접촉하지 않고, 종사(Twr)의 편평면이 와이어(21b)에만 접촉하도록 소정의 길이로 할 필요가 있다. 와이어(21b)의 길이가 소정길이 이하이면, 종사(Twr)가 찌그러져 버린다. 와이어(21b)의 최적의 길이는 크릴(20)의 높이와, 크릴(20)로부터 코옴(21) 및 수평가이드(22) 까지의 거리에 의해서 결정되나, 300mm 정도의 길이가 필요하다.

수평가이드(22)는 2개의 가이드바(22a)를 보유하며, 보빈(20a)으로부터 해서된 종사(Twr)를 2개의 가이드바(22a)에 S자형으로 감아서 상하방향의 위치를 규제한다. 여기에서 종사(Twr)는 코옴(21)과 수평가이드(22)와의 사이에서 편평면을 90° 즉, 종사(Twr)의 폭방향이 실직적으로 수평방향으로 되도록 비틀 필요가 있다.

이 때문에, 코옴(21)과 수평가이드(22)와의 간격은, 종사(Twr)의 폭에 따라 다르지만, 50mm 이상 떨어질 필요가 있다. 코옴(21)과 수평가이드(22)와의 간격이 50mm 이하이면 종사(Twr)가 비틀어진 채로 수평가이드(22)를 통과하여 직조된다.

이 때 복수개의 수평가이드바(22a) 중 1개의 가이드바를 수평방향으로(도 2의 화살표방향)요동시킴으로써 종사(Twr)를 개섬, 확폭할 수가 있다. 가이드바(22a)에 편평한 종사(Twr)를 S자형으로 감는 것에 의해, 가이드바(22a)에 접하는 종사(Twr)의 내면과 외면의 실길이의 차가 발생하여, 내면의 섬유는 이완하고(느슨해지고), 외면의 섬유가 끌어당겨지고 있으므로 이것을 수평방향 즉, 실의 폭방향으로 요동시킴으로써 종사가 개섬하고 폭이 넓어지는 것이다. 종사의 내면과 외면의 실길이 차를 크게 하기 위해 가이드바(22a)의 직경은 될 수 있는 대로 작게 하는 쪽이 좋지만 강성도 필요하므로, 강제로 15∼40mm 정도로 한다. 또, 가이드바(22a)의 요동속도는 0.5∼10회/초, 진폭은 3∼10mm 정도이다. 요동속도가 10회/초 이상, 진폭이 10mm 이상이 되면 가이드바(22a)에 탄소섬유가 마찰되어서 보풀이 발생하여 바람직하지 않다. 또, 요동속도가 0.5회/초 이하, 진폭이 3mm이하이면 종사(Twr)가 충분히 개섬하지 않아 폭이 넓어지지 않는다.

복수개의 수평가이드바(22a)의 요동운동으로 탄소섬유를 개섬, 확폭하는 경우, 직물이 이들 가이드바(22a)에서 닙(nip)되어 보풀이 발생하지 않도록 각각의 가이드바(22a)가 2개인 경우, 1개를 정지시켜서 다른 1개를 요동시킨다. 또, 가이드바의 운동방향이 서로 역이 되도록 2개 모두 요동시켜도 좋다. 3개인 경우, 가운데 가이드바를 요동시키고, 또한 가운데의 가이드바와 다른 가이드바의 운동방향이 역이 되도록 3개를 모두 요동시켜도 좋다. 또, 이들 가이드바는 종사(Twr)의 주행에 의하여 회전할 수 있도록 하여도 좋고, 회전을 정지시켜 두어도 좋다.

그리고, 본 발명에서는 가이드바(22a)에 종사(Twr)의 상하방향 위치의 규제와 요동운동에 의한 종사(Twr)의 개섬, 확폭기능을 갖게 하고 있었으나, 종사(Twr)의 상하방향의 위치규제를 위한 가이드바(22a)와 이 가이드바(22a)와 종광(23)의 사이에 종사(Twr)의 개섬, 확폭을 위해 요동하는 가이드바를 별도로 설치하여도 좋다.

종광(23)은 종사(Twr)에 1개씩 배치되어 있고, 수평가이드(22)에서 상하방향의 위치가 위치결정된 각 종사(Twr)를 바디(24)에 안내하지만, 도면표시하지 아니한 구동수단에 의해 승강되어, 바디(24) 하류측의 다수의 종사(Twr)간에 횡사(Twf)를 통하는 개구(shed)를 형성한다.

여기서, 종래의 종광에 있어서는 메일은 인접하는 실과 종광 사이의 간섭을 적게 할 목적으로 세로 길이가 긴 형상으로 되어 있다. 그러나, 이와 같은 세로 길이가 긴 형상의 메일에 편평한 실을 통하면, 편평상태가 찌그러져서 편평형상을 유지하여 제직할 수가 없다. 따라서 종광(23)은 메일(23a)의 형상을 옆으로 길게 형성하는 것이 바람직하고, 메일(23a)의 가로방향의 길이는, 종사(Twr)로서 사용하는 탄소섬유 멀티필라멘트사의 사폭과 같거나 약간 길게 설정한다. 메일(23a)의 형상으로서는, 직사각형 혹은 옆으로 긴 타원이 바람직하다.

바디(24)는 크릴(20)에 설치한 다수의 보빈(20a)으로부터 해서된 다수의 종사(Twr)를 소정의 밀도로 배열함과 아울러, 개구를 통과하게 한 횡사(Twf)를 섬유 앞으로 압압하는 것으로 프레임(24a)에 다수의 바디깃(24b)의 상하방향으로 배치되어 있다. 바디(24)는 도 4에 표시하듯이, 구동모우터(25)의 회전이 전달되는 캠(28)에 의하여, 도 4에 화살표로 표시하는 종사(Twr)의 주행방법으로 왕복이동되고, 이에 의해 횡사(Twf)를 직전(織前, cloth fell)으로 압압한다.

여기에 있어서, 종사(Twr)는 장력을 될 수 있는 한 낮게 설정하는 것이 바람직하다. 이것은 종광(23)에 안내되어 종사(Twr)의 바디(24)의 가로방향의 위치가 약간 밀려서 바디깃(24b)과 접촉하여도, 종사(Twr)의 장력이 낮으면 편평상태가 찌그러지는 일이 없고, 또, 종광(23)이 흔들려서 종사(Twr)의 위치가 밀리고, 종사(Twr)가 메일(23a)의 한쪽에 치우쳐도 편평상태가 찌그러지는 일이 없기 때문이다.

상기한 종사공급장치에 있어서는, 다음의 공정에 따라 종사(Twr)가 필요한 밀도로 조정함과 아울러, 횡사공급장치로부터 보내오는 횡사(Twf)가 직전으로 압압되어, 탄소섬유보강직물이 제직된다.

먼저, 크릴(20)에 설치한 다수의 보빈(20a)의 각각에서 종사(Twr)가 반경방향으로 해서된다. 각 종사(Twr)는 코옴(comb)(21)에서 수평방향의 위치가 위치결정된 후, 90° 비틀림이 부여되어서 수평가이드(22)로 인도된다.

수평가이드(22)로 인도된 다수의 종사(Twr)는 상하방향의 위치가 가이드바(22a)(22a)에 의해 위치결정된 후 도면표시하지 아니한 구동수단에 의하여 승강되는 각 종광(23)에 1개 띄워져 안내되고, 바디(24)의 하류측의 다수의 종사(Twr) 사이에 횡사(Twf)가 통과하는 개구가 형성된다. 이와 같이 하여 크릴(20)의 다수의 보빈(20a)으로부터 해서된 다수의 종사(Twr)는 바디(24)에서 소정의 밀도로 배열되어 직전(織前)으로 안내된다.

그리고, 종광(23)에 의하여 개구가 형성될 때, 래피어(11)의 간헐작동에 의해 다수의 종사(Twr) 사이에 횡사(Twf)가 삽입되고, 삽입된 횡사(Twf)는 바디(24)에 의해서 직전으로 압압되어, 도 2에 표시하는 바와 같이, 탄소섬유 보강직물이 제직된다. 이 종사공급 공정에 의해, 각 종사(Twr)는 등간격으로 시이트형상으로 형성되어 안정한 제직이 가능하게 된다.

다음에, 상기한 바와 같은 탄소섬유보강직물의 제직 후에 있어서의 직사의 개섬, 확폭방법에 대하여 설명한다.

종사(Twr)와 횡사(Twf)의 적어도 한쪽이 꼬임이 없는 편평한 탄소섬유 멀티필라멘트사이고, 배열된 종사(Twr) 사이에 횡사(Twf)가 삽입되고, 삽입된 횡사(Twf)는 바디(24)에 의해서 직전으로 압압되어 탄소섬유보강직물이 제직되고, 권취롤러(30)에서 권취되어 크로스빔(31)에 감겨진다. 이 권취롤러(30)와 크로스빔(31) 사이에 직물면에 병행하게 소경롤러(32a)(32b)(직물안내수단(32))가 부착되어 직물을 이 소경롤러(32a)(32b)에 S자형으로 감고, 소경롤러를 직물면의 방향으로 요동시켜서 직물에 요동운동을 부여한다. 이 요동하는 소경롤러는 적어도 1개 부착할 필요가 있고, 소경롤러가 1개인 경우 소경롤러의 전후에 가이드바를 부착하여 직물을 롤러에 S자형으로 감고, 소경롤러를 요동운동시켜 직물에 요동운동을 부여하고, 종사(Twr) 및 횡사(Twf)를 개섬, 확폭할 수가 있다. 소경롤러에 직물을 S자형으로 감는 것에 의해, 롤러에 접하는 직사의 내면과 외면의 실 길이차이가 발생하여 내면의 섬유는 이완하고, 외면의 섬유가 끌어당겨지고 있으므로 이를 요동시키는 것에 의해, 직물의 종사(Twr) 및 횡사(Twf)가 개섬하여 폭이 넓어지는 것이다.

내면과 외면의 실 길이 차이를 크게 하기 위해 소경롤러의 직경은 가능한 한 작은 쪽이 좋지만 강성도 필요하므로, 강제로 15∼40mm정도이다. 또, 소경롤러의 요동속도는 0.5∼10회/초 이상, 진폭은 3∼10mm 정도이다. 요동속도가 10회/초 이상, 진폭이 10mm 이상이 되면, 소경롤러에 탄소섬유가 스쳐서 보풀이 발생하여 바람직하지 않다. 또, 요동속도가 0.5회/초 이하, 진폭이 3mm 이하이면, 충분히 직사가 개섬하지 않고, 폭이 넓어지지 않는다.

그리고, 소경롤러(32a)(32b)를 직물면에 병행하게 또한 횡사(Twf)의 연재방향에 부착하면, 특히 종사(Twr)의 개섬, 확폭에 효과가 있다. 또, 직물면에 병행하게 또한 횡사(Twf)에 대하여 비스듬하게, 예를 들면 45도 방향으로 부착하면, 종사(Twr) 및 횡사(Twf)를 동시에 개섬, 확폭할 수가 있다.

복수개의 소경롤러(32a)(32b)의 요동운동으로 탄소섬유를 개섬, 확폭하는 경우, 직물이 이들 소경롤러(32a)(32b)나 가이드바로 닙되어서 보풀이 발생하지 않도록 각각의 소경롤러(32a)(32b)가 가이드바를 어느 정도 떼어놓는다. 소경롤러가 2개인 경우 1개를 정지시키고, 다른 1개를 요동시킨다. 또, 서로의 소경롤러의 운동 방향이 역이 되도록 2개 모두 요동시켜도 좋다. 3개인 경우, 한가운데의 소경롤러를 요동시키고, 또 한가운데의 소경롤러와 다른 소경롤러의 운동방향이 역으로 되도록 3개 모두 요동시켜도 좋다. 또, 이들 소경롤러는 직물의 주행에 의해서 회전할 수 있도록하여 두면, 직물의 밀림이 발생하지 않으므로 바람직하다.

다음에, 보강직물사의 다른 개섬, 확폭방법에 대하여 설명한다. 단, 본 실시 형태에서는 상술한 방법과 함께 적용되고 있다.

직전과 권취롤(30) 사이 또는 권취롤러(30)과 크로스빔(31) 사이에, 직물면에 병행배열하고 있는 다수의 노즐구멍을 보유하는 노즐장치(33)를 부착하여, 직물에 유체를 분사하는 것에 의해 직물의 종사(Twr) 및 횡사(Twf)를 개섬, 확폭할 수가 있다. 유체는 공기 또는 물이라도 좋으나, 공기의 경우는 유체의 질량이 작기때문에 개섬, 확폭효과를 올리기 위해 노즐구멍을 극히 직물면에 가깝게 하여 분사할 필요가 있다. 바람직하게는 1∼5mm 정도이고, 너무 가깝게 하면, 제직중의 장력 변동이나 트러블 처리작업 시에 노즐장치(33)가 직물에 접촉하므로 바람직하지 않다.

5mm 이상이 되면 직물면에 도달하기 전에 공기류의 압력이 저하하여, 개섬, 확폭효과가 저하한다. 본 발명에 사용하는 노즐장치(33)는 노즐구멍이 0.1∼0.7mm, 노즐의 피치가 2∼10mm 정도이고, 분사압력은, 4∼15kg/㎠ 정도이다. 또, 유체가 물인 경우는, 노즐구멍은 0.05∼0.5mm, 노즐의 피치가 0.5∼5mm 정도이고, 분사압력은 2∼6kg/㎠ 정도이다. 직물면으로부터의 노즐구멍의 거리는 공기에 비하여 물의 질량이 크기 때문에 그렇게 가깝게 할 필요는 없고, 5∼30cm 정도 떨어져 있으면 된다.

노즐이 횡사배열방향으로 배열된 노즐장치(33)를 정지하여 유체를 분사하는 것에 의하여 특히 직물의 횡사가 개섬, 확폭된다. 또, 노즐장치(33)를 횡사배열방향으로 요동시키면 직물의 종사(Twr)와 횡사(Twf)가 동시에 개섬, 확폭되므로 효율이 좋다. 이 경우의 요동의 속도는 1∼30회/초, 요동의 진폭은 3∼20mm 정도이다.

그리고, 노즐로부터의 유체의 분사류에 의해 직물면이 노즐위치에서 떨어지고, 직물의 종사 및 횡사가 개섬, 확폭효과를 저하시키는 일이 있으나, 이 경우는직물을 사이에 두고 노즐의 반대측에 와이어메쉬(wire mesh)를 설치하여 직물을 와이어메쉬에 접촉시켜서 노즐과 직물의 간격을 유지하도록 하면 좋다. 또 변형이 쉬운 얇은 직물의 경우는 와이어메쉬 대신에 슬릿이 부착된 롤을 설치하여 이 슬릿으로 분사된 유체가 통하도록 하면 된다.

또, 사이징제의 상태가 종사나 직물의 종사 및 횡사의 직사의 개섬상태에 영향을 미치므로 종사나 직물을 40∼150℃로 가열하여 개섬하면 사이징제가 부드럽게 되어 강화섬유의 필라멘트의 접촉이 약하게 되므로 개섬효과를 더욱 높이고, 직사가 확폭하여 커버요소의 큰 직물이 얻어진다.

상기한 직물직사의 개섬, 확폭은 소경롤러에 의한 요동법과 노즐에 의한 유체분사법이 각각 단독이라도 좋지만, 본 실시예와 같이 이들을 병용해서 사용할 수도 있다. 또, 위에서 설명한 직물직사의 개섬, 확폭방법은 직기의 온라인 상에서 행하는 경우에 대하여 설명하였으나, 일단 권취된 직물에 대하여 별도의 온라인으로 행하여도 된다.

그리고, 가이드바에 의한 종사의 개섬, 확폭이나, 직물의 직사의 개섬, 확폭 방법에 의하여, 직물의 종사 및 횡사의 개섬, 확폭의 정도가 다르고, 훅드롭값도 다를 수도 있으나, 본 발명에 있어서는 종사 및 횡사의 훅드롭값이 400∼800mm의 범위이면 좋다.

또, 상기한 방법에 있어서 종사 및/또는 횡사의 꼬임이 없고, 훅드롭값이 400∼800mm의 편평한 탄소섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 직물이면, 요동이나 유체의 분사에 의하여, 개섬, 확폭되기 쉽게 되므로 종사 및/또는 횡사의 개섬, 확폭효과를 올릴 수 있으므로 바람직하다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 보강직물의 제조방법 및 제조장치에 있어서는 섬도가 크고 훅드롭값이 특정 범위이며, 실질적으로 꼬임이 없는 편평한 탄소섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 종사 및 횡사가, 편평상태를 유지하여, 얇고, 섬유밀도가 균일한 보강직물로 제직되어, 도 8에 표시하는 바와 같이 종사(Twr)와 횡사(Twf)가 교차한 부분에 있어서의 클림프의 발생도 거의 볼 수 없었다.

여기에서, 도 8은 제직된 탄소섬유직물의 단면을 확대한 것으로, 종사나 횡사로 이루어지는 탄소섬유사는 실제보다 과장해서 모식적으로 표현하고 있다.

또한, 편평한 단위 탄소섬유사를 복수적층한 종사와 횡사를 사용하여 제직하는 경우는 다음과 같이 한다.

즉, 횡사에 관하여는 보빈(1)을 2개 혹은 3개 준비하고, 각 보빈(1)으로부터 해서되는 횡사(Twf)를 단위 탄소섬유사로 하여 2개 또는 3개의 횡사(Twf)를 인취롤러(3)의 위에서 적층되도록 인취롤러(3)에 안내한 후 텐션장치(4)로부터 판스프링 텐션장치(8)로 인도한다. 그리고, 적층된 횡사(Twf)를 래피어(11)에 의하여 다수의 종사(Twr) 사이에 삽입하면 적층된 횡사(Twf)는 편평상태가 찌그러지지 않고 다수의 종사(Twr) 사이에 삽입할 수가 있다.

한편, 종사에 관하여는 2개 혹은 3개의 보빈(20a)로부터 해서된 종사(Twr)를 단위 탄소섬유사로하여 적층하고, 적층된 종사(Twr)를 코옴(21)의 와이어(21b)(21b) 사이에 삽입, 통과한 후, 수평가이드(22), 종광(23)을 거쳐 바디(24)의 바디깃(24b)(24b) 사이에 인도한다.

이에 의하여, 상기한 본 발명의 보강직물의 제조방법 및 제조장치에 있어서는 복수의 단위 탄소섬유사를 적층한 횡사(Twf) 및/또는 종사(Twr)를 제직한 보강 섬유가 얻어진다.

이와 같이 하여 2개씩의 단위 탄소섬유사를 적층한 횡사(Twf)와 종사(Twr)로 제직한 보강직물은 도 9에 표시하는 바와 같이, 섬유밀도가 균일하게 제직되고, 종사(Twr)와 횡사(Twf)가 교차한 부분에 있어서의 클림프의 발생도 거의 보이지 않았다.

적층구성에 대하여는 각종 형태를 채용할 수 있다. 예를 들면 도 10에 표시하는 바와 같이 종사(Twr)를 2개 적층한 것과, 단층인 것이 혼합된 것으로 할 수도 있고, 도 11에 표시하듯이 종사(Twr)를 3개 혹은 2이상 적층한 구성으로 할 수도 있다. 어느 형태에 있어서도, 편평한 직사를 사용하고 있기 때문에 클림프는 극히 작게 억제된다.

또, 본 발명의 보강직물에 있어서는, 종사와 횡사가 그 교차부에 있어서 고정되어 있는 것이 바람직하다. 도 12는 이와 같은 고정보강직물(35)의 한 예를 표시하고 있다. 이 예에 있어서는, 종사(36)와 병행하게 저융점폴리머가(38)가 배치되고, 상기 저융점폴리머사(38)가 가열에 의해 단속적으로 늘어나는 상태로 되어서 종사(36)와 횡사(37)가 그 교차부에 있어서 저융점폴리머에 의해 접착되어서 고정되어 있다.

상기한 바와 같이 제조된 본 발명에 관한 보강직물은 각종 프리폼이나 프리프레그, FRP의 성형에 공급된다.

예를 들면, 본 발명에 관한 프리폼의 한 실시예를 도 13을 참조하여 설명한다.

도 13은, 프리폼의 일부를 표시하고 있고, 직물기재로서 4매의 2방향성 탄소 섬유직물(41)∼(44)를 보유하고, 이들 직물이 층형상으로 배치되어 있다. 직물(41)과 (44) 및 (42)와 (43)은 각각 직사방향이 동일하게 되도록 배치되고, 직물(41),(44)와 (42),(43)은 직사방향이 45 ° 밀려서 배치되어 적층된 기재의 두께 중심에서 볼 때 경면대칭이 되도록 배치되어 있다. 그리고, 직물의 직사는 훅드롭값이 400∼800mm의 탄소섬유편평사로 구성되어 있다. 부호(45)는 단환봉합에 의해 스티치된 스티치사이고, 탄소섬유의 쌍사로 이루어진 것이다. 이 스티치사(45)는, 상기한 층형상으로 배치된 직물기재(41)∼(44)의 두께방향으로 반복관통시켜서 봉합되어 있다.

이와 같은 프리폼에 있어서는, 봉합기재를 구성하는 직물이 직사간격이 크고 얇은 직물이며, 종사와 횡사의 교차부에서의 구속력이 약하고, 또한 직사 자신의 훅드롭값이 400mm 이상으로 탄소섬유가 이동하기 쉬운 구조이므로, 스티치된 때의 섬유손상이 없고, 탄소섬유가 가지는 높은 강도탄성률을 발휘하는 뛰어난 섬유강화 수지를 제조가능한 기재로 된다.

아래에, 본 발명의 보다 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

(실시예1)

탄소섬유의 수가 12,000개, 섬도가 7,200데니어, 인장파단강도가 500kgㆍf/㎟, 인장탄성률이 23,500kgㆍf/㎟, 인장파단신도가 2.1%인 꼬임이 없는 탄소섬유사로 이루어지고, 사폭이 6.5mm, 사이징제가 0.2중량% 부착되어서 형태가 유지된, 훅드롭값이 571mm인 편평한 탄소섬유사를 종사 및 횡사로서 사용하여, 아래 기재된 본 발명의 제조방법 및 제조장치에 의하여, 종사 및 횡사를 개섬, 확폭하면서 본 발명의 탄소섬유보강직물을 제직하였다.

크릴로부터 100개의 편평한 종사를 꼬임이 들어가지 않도록 반경방향으로 해서하고, 그 폭방향이 상하방향으로 되도록, 코옴의 와이어에 접촉시켜서 변환하여, 1.0개/cm의 밀도로 조정한 후, 직경이 27mm인 강제의 2개의 가이드바에 S자형으로 감고, 각 종사의 폭방향이 수평방향이 되도록 변환하였다. 이 가이드바 1개를 진폭이 5mm, 속도 5회/초로 수평방향으로 요동시킴으로써 종사를 개섬ㆍ확폭하였다. 이어서, 각 종사를 1.0개/cm 밀도의 종광에 부착한 옆으로 긴 메일로, 다음으로 바디를 통과하여 개섬ㆍ확폭된 편평한 종사를 개구로 인도하였다.

한편, 보빈으로부터 횡사를, 인취롤러에서 일정 속도로 반경방향으로 해서하고, 이것을 텐션장치의 가이드를 거쳐서 수평가이드롤러, 수직가이드롤러, 수평가이드롤러로 횡사의 편평상태가 찌그러지지 않도록 인도하였다.

종광의 상하운동에 의하여 개구를 형성하고, 래피어로 횡사를 지지하면서 개구에 삽입하여 직물을 제직하고, 이 직물을 권취롤러로 권취하고, 이어서 직경이 27mm인 강제의 소경롤러 2개에 S자형으로 권회하고, 이 소경롤러 1개를 진폭:5mm, 속도:10회/초로 수평방향으로 요동시킴으로써 직물의 종사 및 횡사를 개섬ㆍ확폭하였다. 이어서, 이 직물을 직물면으로부터 2mm 떨어진 곳에 설치한 노즐장치(노즐구멍:0.3mm, 노즐피치:5mm)를 진폭:5mm, 속도:5회/초로 횡사방향으로 요동시키면서에어ㆍ젯트를 노즐로부터 분사압력:7kg/㎠로 내뿜고, 다시 직물의 종사 및 횡사를 개섬ㆍ확폭하여 크로스빔에 감아 본 발명의 탄소섬유보강직물을 제작하였다. 개구에 횡사를 삽입할 때, 탄소섬유사의 사이징제 부착량이 적은 경우도 있어서, 횡사의 편평상태가 붕괴될 수 있지만, 에어ㆍ젯트를 직물에 내뿜는 것에 의해 충분히 넓힐 수가 있었다.

얻어진 탄소섬유보강직물은 건조할 필요도 없고, 사이징제부착량도 직물의 제작에 사용한 실과 같은 양이 부착되어 있고, 또, 개섬ㆍ확폭에 의한 보풀의 발생도 없고, 직물표면이 대단히 깨끗하였다. 또, 종사 및 횡사의 밀도가 1.0개/㎠이 평직으로, 종사 및 횡사의 사폭이 각각 9.5mm, 9.9mm로, 직물을 재직함에 있어서 사용한 실의 폭보다 크게 되어 있었다. 또, 실의 두께가 각각 0.080mm, 0.080mm, 사폭/실두께 비가 각각 119,124, 종사 상호간 및 횡사상호간의 직사피치와 사폭 사이의 직사피치/사폭비가 각각 1.00, 1.01, 두께가 0.16mm, 직물중량이 160g/㎡, 섬유밀도가 1.00g/㎠, 직물폭이 100cm였다. 또, 편평직사의 훅드롭값은 종사 및 횡사의 개섬ㆍ확폭조작에 의하여 탄소섬유의 구속이 풀려 이동하기 쉽게 되어 종사가 614mm, 횡사가 580mm였다. 훅드롭값은 얻어진 직물에서 꼬임이 들어가지 않도록 직사를 풀어 도 1에 표시한 방법에 의하여 측정하였다.

이 탄소섬유보강직물은 종사 및 횡사에 꼬임이 들어가 있지 않고, 커버요소가 100%로 공극부가 거의 없고, 섬유밀도가 균일하고, 표면이 평활한 직물이였다.

또, 이 탄소섬유보강직물의 제직속도는 탄소섬유의 수 3,000개, 섬도 1,800 데니어의 탄소섬유를 사용하였던 종사 및 횡사의 밀도가 4.0개/cm의 평직으로, 직물중량이 160g/㎡인 종래의 탄소섬유보강직물에 비하여 직사밀도가 1/4이므로 4배 빠른 속도로 대단히 생산성이 향상하고 있었다. 이들의 결과를 표1에 표시하였다.

다음에, 얻어진 탄소섬유보강직물예 수지신도가 3.5%인 에폭시수지를 36중량%함침시켜서 프리프레그를 얻었다. 이 프리프레그는 탄소섬유보강직물과 동일하게 표면이 평활하고, 적층판의 단면을 현미경관찰하였던 바 탄소섬유가 균일하게 분포하고, 보이드는 관찰되지 않았다.

이어서, 이 프리프레그를 동일한 방향으로 4매적층하여 오토크레이브 성형법으로 CFRP를 제작하고, ASTM-D-3039의 CFRP인장시험법에 준거하여 인장파단강도와 인장탄성률을 측정하였다. 그 결과를 탄소섬유의 체적함유율과 함께 표2에 표시하였다.

(비교예 1-1)

탄소섬유사의 사이징제의 부착량이 1.0중량%, 훅드롭값이 320mm이며, 그 이외는 실시예1과 동일한 탄소섬유사를 사용하여, 실시예1과 같은 방법, 장치에 의하여 탄소섬유직물을 제작하였다.

얻어진 탄소섬유보강직물의 종사 및 횡사의 밀도, 종사 및 횡사의 사폭, 실의 두께, 사폭/실두께비, 피치/사폭비, 직물두께, 직물중량, 직물밀도, 종사 및 횡사의 훅드롭값을 표1에 표시하였다.

이 탄소섬유보강식물은, 종사 및 횡사로 해서꼬임이 들어있지 않으나, 사이정제의 부착량이 많으므로 종사 및 횡사직물에 개섬ㆍ확폭조작을 행하여도, 탄소섬유의 구속이 풀리지 않고, 직물의 종사 및 횡사의 폭은 제직에 사용한 실과 거의같은 값이었다. 따라서, 커버요소가 89%로 공극부가 크고, 섬유밀도가 불균일하고, 표면에 요철이 있었다.

이 직물에 실시예1과 동일하게하여 에폭시수지를 함침시켜서 프리프레그 가공재를 제작하였다. 이때, 직물의 공극부의 수지가 이형필름에 취해져서 결손하여 이 결손의 수지를 추가해야 했다. 이와 같이 하여 제작한 프리프레그를 실시예1과 동일하게 하여 같은 방향으로 4매 적층하여 오토크레이브성형법으로 CFRP를 제작하였다. 얻어진 CFRP는 직물의 공극부에서 표면이 눌려서 요철이 형성되어 있고, 적층판의 단면을 현미경관찰하였던 바, 탄소섬유의 분포가 불균일하고, 보이드가 다수 보였다.

또한, 이 CFRP에 관하여, 실시예1의 시험방법에 의해 인장파단강도와 인장탄성률를 측정하였다. 그 결과를, 탄소섬유의 체적함유율과 함께 표2에 병기하였다. 그리고, 얻어진 CFRP는, 탄소섬유의 체적함유율에 관한 실시값이 45%였다.

(비교예 1-2)

실시예1과 같은 탄소섬유사를 종사 및 횡사로서 사용하고, 종사의 개섬ㆍ확폭 및 직물의 종사 및 횡사의 개섬ㆍ확폭을 행하지 아니하고, 기타는 실시예1과 같은 방법, 장치에 의하여 탄소섬유직물을 제작하였다.

얻어진 탄소섬유보강직물의 종사 및 횡사의 밀도, 종사 및 횡사의 사폭, 실두께, 사폭/실두께의 비, 피치/사폭비, 직물두께, 직물중량, 섬유밀도, 종사 및 횡사의 훅드롭값을 표1에 표시하였다.

이 탄소섬유보강직물은, 종사 및 횡사에 해서꼬임이 들어있지 않으나, 탄소섬유의 사이징제부착량이 적은 경우도 있어서, 횡사의 편평상태가 무너지고, 특히 직물 횡사의 폭이 제직함에 있어서 사용된 실의 폭보다 좁게 되어 있었다. 따라서, 커버요소는 82%로, 비교예1-1의 직물보다도 더욱 공극부가 크고, 섬유밀도가 불균일하고, 표면에 요철이 있는 직물이었다.

이 직물에, 실시예1과 동일하게 하여 에폭시수지를 함침시켜서 프리프레그를 제작하였다. 이 때 직물의 공극부의 수지가 이형필름에 취해져서 결손되어, 이 결손의 수지를 추가해야만 했다. 수지의 결손은 비교예1-1의 경우보다 컸다. 이와 같이 하여 제작한 프리프레그를 실시예1과 동일하게 하여 같은 방향으로 4매 적층하여 오토크레이브성형법으로 CFRP를 제작하였다. 얻어진 CFRP는 직물의 공극부에서 표면이 눌려서 요철을 형성하고 있고, 적층판의 단면을 현미경관찰하였던 바 탄소 섬유의 분포가 불균일하고, 보이드가 다수 보였었다.

또한, 이 CFRP에 관하여 실시예1의 시험방법에 의하여 인장파단강도와 인장탄성률을 측정하였다. 그 결과를 탄소섬유의 체적함유율과 함께 표2에 병기하였다. 그리고, 얻어진 CFRP는 탄소섬유의 체적함유율에 관한 실시값이 42%였다.

표 1

표 2

표2에 표시하는 결과에서 명백한 바와 같이, 본 발명의 탄소섬유보강직물로 제작한 CFRP는 대단히 높은 인장파단강도를 구비하고, 인장탄성률에 있어서도, 종래의 탄소섬유직물기재에서는 생각할 수 없는 높은 값을 표시하고 있다. 비교예1-1, 비교예1-2의 CFRP는 사용한 보강기재의 섬유밀도가 실시예1의 섬유밀도가 1.00g/㎠인 것에 대하여, 비교예1-1, 비교예1-2의 섬유밀도가 0.62g/㎠, 0.55g/㎠로 작은 직물이므로 탄소섬유의 체적함유율이 낮고, 직물의 공극부에 매트릭스수지가 편재하고 있었기 때문에, 이 부분에서의 크랙이 발생하고, 비교예1-1, 비교예1-2의 결과에서 명백한 바와 같이, 실시예1의 CFRP에 비하여 인장파단강도가 작았다.

상기한 바에 있어서, 실시예1의 CFRP와 비교예1-1, 비교예1-2의 CFRP에 있어서의 탄소섬유의 체적함유율이 같아지도록 비교예1-1, 비교예1-2의 CFRP의 탄소섬유의 체적함유율을 55%로 환산한 결과를 표3에 표시한다.

표 3

표3에서 명백한 바와 같이, CFRP의 탄소섬유의 체적함유율을 동일하게 하여 비교하여도 비교예1-1, 비교예1-2의 연장파단강도는 작다. 이것은 직물의 공극부에 매트릭스수지가 편재하고 있었기 때문에 이 부분에서 크랙이 발생하여 CFRP의 파괴가 진행하기 때문인 것으로 생각된다.

(실시예2)

실시예1과 같은 탄소섬유사를 사용하여, 실시예1과 같은 제조방법 및 제조장치에서, 종사의 밀도가 0.75개/cm, 횡사의 밀도가 0.75개/cm, 직물중량이 120g/㎡인 본 발명의 탄소섬유보강직물을 제직하였다. 얻어진 탄소섬유보강직물의 종사 및 횡사의 밀도, 종사 및 횡사의 실의 사폭, 실의 두께, 사폭/실두께 비, 피치/사폭비, 직물두께, 직물중량, 섬유밀도, 종사 및 횡사의 훅드롭값을 표시하였다.

이 직물의 종사 및 횡사의 사폭은, 실시예1과 같은 탄소섬유사를 사용하고 있음에도 불구하고, 실시예1의 직물의 종사 및 횡사의 사폭보다 커지고, 커버요소가 100%로, 공극부가 거의 없는 섬유밀도가 균일하고, 표면에 보풀도 없고, 평활한 직물이었다.

(비교예2)

탄소섬유의 사이징제의 부착량이 1.0중량%, 훅드롭값이 320mm이고, 그 이외는 실시예1과 같은 탄소섬유사를 사용하고, 실시예2와 같은 방법, 장치에 의하여, 종사의 밀도가 0.75개/cm, 횡사의 밀도가 0.75개/cm, 직물중량이 120g/㎡인 탄소섬유직물을 제직하였다. 얻어진 탄소섬유보강직물의 종사 및 횡사의 밀도, 종사 및 횡사의 사폭, 실의 두께, 사폭/실두께비, 피치/사폭비, 직물두께, 직물중량, 섬유밀도, 종사 및 횡사의 훅드롭값을 표1에 기술하였다. 이 탄소섬유보강직물은 종사 및 횡사에 해서꼬임이 들어있지 않으나, 사이징제의 부착량이 많으므로 종사 및 직물에 개섬ㆍ확폭조작을 행하여도 탄소섬유의 구속이 풀리는 일이 없고, 직물의 종사의 폭 및 횡사의 폭은 제직에 사용한 실과 거의 같은 값이었다.

따라서, 커버요소가 62%로 공극부가 크고, 섬유밀도가 불균일하고, 표면에 요철이 있는 직물이였다.

본 발명에 의하면, 복합재료용의 보강기재로서, 얇고, 또한 높은 강도특성을 발휘할 수 있다. 또한, 극히 커버요소가 높은 보강직물을 얻을 수 있으므로, 본 발명에 관한 보강직물이나, 프리폼, 프리프레그, 섬유강화플라스틱은 항공기의 각종 구조재료용 등 경량이고, 높은 강도특성과 신뢰성이 요구되는 용도에 극히 유용하다. 또, 본 발명에 관한 제조방법 및 장치에 의하면, 이와 같은 뛰어난 보강직물을 용이하고 또한 값싸게 제조할 수 있다.

Claims (44)

1. 0.1중량% 이상 ～ 0.5중량% 미만의 사이징제가 부착되고, 집속성이 훅드롭값으로 400∼800mm 범위인, 편평하고 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 직사로 하는 것을 특징으로 하는 보강직물.
2. 제1항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사의 실두께가 0.05∼0.2mm, 사폭/실두께 비가 30∼250인 것을 특징으로 하는 보강직물.
3. 제2항에 있어서, 사폭/실두께 비가 150을 넘고, 250 이하인 것을 특징으로 하는 보강직물.
4. 제1항 내지 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사를 종사 및 횡사로 하는 직물로서, 직물두께가 0.1∼0.4mm, 직물 중량이 100∼300g/㎡인 것을 특징으로 하는 보강직물.
5. 제1항 내지 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사를 종사 또는 횡사로 하고, 보조사를 사용하여 제직된 일 방향성의 직물로서, 직물두께가 0.07∼0.3mm, 직물중량이 100∼320g/㎡인 것을 특징으로 하는 보강직물.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사이고, 그 탄소섬유사의 필라멘트 수가 5,000∼24,000개, 섬도가 3,000∼20,000데니어인 것을 특징으로 하는 보강직물.
7. 제1항 내지 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티 필라멘트사를 종사와 횡사의 적어도 한쪽으로 하는 직물로서, 그 종사와 횡사의 적어도 한쪽은 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 복수적층되어서 이루어지고, 직물두께가 0.1∼0.6mm, 직물중량이 200∼500g/㎡인 것을 특징으로 하는 보강직물.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사이고, 상기 탄소섬유사의 필라멘트수가 3,000∼24,000개, 섬도가 1,500∼20,000데니어인 것을 특징으로 하는 보강직물.
9. 제1항 내지 제3중 어느 한 항에 있어서, 평조직되어서 이루어진 것을 것을 특징으로 하는 보강직물.
10. 제4항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사로 이루어지고, 상기한 직물중량과 상기한 탄소섬유사의 섬도가 다음 식의 관계를 충족하고, 또한 커버요소가 95∼100%인 것을 특징으로 하는 보강직물.

    W=kㆍD^1/2

    다만, W=직물중량(g/㎡)

    k=비례정수(1.4∼3.6)

    D=탄소섬유사의 섬도(데니어)
11. 제5항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사로 이루어지고, 상기한 직물중량과 상기한 탄소섬유사의 섬도가 다음 식의 관계를 충족하며, 또한, 커버요소가 95∼100%인 것을 특징으로 하는 보강직물.

    W=kㆍD^1/2

    다만, W=직물중량(g/㎡)

    k=비례정수(0.9∼4.0)

    D=탄소섬유사의 섬도(데니어)
12. 제7항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사로 이루어지고, 상기한 직물중량과 상기한 탄소섬유의 섬도가 다음 식의 관계를 충족하며, 또한 커버요소가 95∼100%인 것을 특징으로 하는 보강직물.

    W=kㆍD^1/2

    다만, W= 직물중량(g/㎡)

    k=비례정수(2.0∼6.0)

    D=탄소섬유사의 섬도(데니어)
13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 종사와 횡사가 그 교차부에 있어서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 보강직물.
14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 보강직물의 복수매를 적층하고, 스티치사를 사용하여 일체로 봉합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 프리폼.
15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 보강직물의 적어도 1매의 다른 보강직물을 적층하고, 스티치사를 사용하여 일체로 봉합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 프리폼.
16. 제14항에 있어서, 상기한 스티치사에 의한 봉합이 단환봉합에 의하여 행하여지고 있는 것을 특징으로 하는 프리폼.
17. 제14항에 있어서, 상기한 스티치사의 인장파단신도가 보강직물의 강화섬유 멀티필라멘트사의 인장파단신도보다 큰 것을 특징으로 하는 프리폼.
18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 보강직물에 39∼70중량%의 매트릭스 수지가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 프리프레그.
19. 제18항에 있어서, 상기한 매트릭스 수지의 경화 또는 고화상태에 있어서의 인장파단신도가 보강직물의 강화섬유 멀티필라멘트사의 인장파단신도보다 큰 것을 특징으로 하는 프리프레그.
20. 제18항에 있어서, 상기한 매트릭스 수지가, 경화상태에 있어서의 인장파단신도가 1.5∼10%의 열경화성수지 또는 고화상태에 있어서의 인장파단신도가 8∼200%의 열가소성수지인 것을 특징으로 하는 프리프레그.
21. 제1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 보강직물을 포함하고, 또한 30∼70중량%의 매트릭스 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱.
22. 제21항에 있어서, 상기한 매트릭스수지의 인장파단신장도가 보강직물의 강화섬유 멀티필라멘트사의 인장파단신장도 보다 큰 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱.
23. 제21항에 있어서, 상기한 매트릭스수지가 인장파단신도가 1.5∼10%인 열경화성수지 또는 인장파단신도가 8∼200%인 열가소성수지인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱.
24. 배열된 복수 개의 종사 사이에 횡사를 공급하여 보강직물을 제조하는 방법에 있어서, 적어도 상기한 종사로서 편평하고 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 사용하고, 그 복수 개의 종사를 그 폭방향이 상하방향으로 되도록 유지함과 아울러, 종사 배열방향으로 필요한 밀도로 한 후, 각 종사의 폭방향이 수평방향이 되도록 변환하고, 그 종사를 안내하는 수단상에서 개섬, 확폭하게 개구형성수단으로 인도하는 종사공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
25. 제24항에 있어서, 상기한 종사를 상기한 종사안내수단의 요동에 의하여 개섬, 확폭하는 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
26. 종사와 횡사의 적어도 한쪽에 편평하고 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 사용하여 보강직물을 제직한 후, 직물을 안내하는 수단상에서 종사와 횡사의 적어도 한쪽을 개섬, 확폭하는 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
27. 배열된 복수개의 종사 사이에 횡사를 공급하여 보강직물을 제조하는 방법에 있어서, 상기한 종사로서 편평하고 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 사용하고, 그 복수개의 종사를 그 폭방향이 상하방향이 되도록 유지함과 아울러, 종사배열방향으로 필요한 밀도로 한 후, 각 종사의 폭방향이 수평방향이 되도록 변환하여 개구형성수단에 인도하는 종사공급수단과, 상기한 횡사로서, 편평하고 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사를 사용하고, 상기횡사를 보빈으로부터 반경방향으로 해서하고, 가이드 수단에 의하여 횡사를 그 폭방향이 횡사공급위치에 있어서 수평방향으로 되도록 위치결정함과 아울러, 상기한 횡사의 해서위치와 가이드 수단의 사이에서 종사에 대한 1회의 횡사공급에 필요한 길이의 횡사를 보유하면서, 상기한 횡사를 긴장상태로 상기한 가이드수단을 통하여 종사 사이에 공급하는 횡사공급공정과, 상기한 종사와 횡사를 보강직물로 제직한 후, 그 직물을 안내하는 수단상에서 종사 및 횡사를 개섬, 확폭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
28. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기한 종사와 횡사의 적어도 한쪽을 상기한 직물안내수단의 요동에 의하여 개섬, 확폭하는 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
29. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기한 종사와 횡사의 적어도 한쪽을 유체분사수단으로부터 분사유체에 의하여 개섬, 확폭하는 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
30. 제29항에 있어서, 상기한 유체분사수단을 직물면에 병행하게 요동시키는 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
31. 제24항 내지 제27항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사의 집속성이 훅드롭값으로 400∼800mm의 범위인 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
32. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사인 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
33. 제32항에 있어서, 상기한 보강직물에 0.1중량% 이상 ～ 0.5중량% 미만의 사이징제를 부착하고 있는 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
34. 복수의 와이어를 보유하고, 편평하고 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 종사를 권회한 보빈으로부터 인출되는 복수개의 종사를 편평상태를 유지하면서 필요한 밀도로 함과 아울러, 종사의 폭방향이 상하방향으로 되도록 유지하는 코옴과, 이 코옴에서 송출되어 나오는 각 종사의 폭방향이 수평방향이 되도록 변환하는 가이드와, 이 가이드에서 송출되어 나오는 각 종사에 상기 변환된 방향의 자세를 유지하면서 각 종사를 요동시켜서 개섬, 확폭하는 종사개섬, 확폭수단과, 이 종사개섬, 확폭수단에서 송출되어 나오는 각 종사에 개폐운동을 부여하는 종광을 포함하는 종사공급수단을 구비한 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조장치.
35. 종사와 횡사의 적어도 한쪽을 편평하고 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사로서 제직된 보강직물의 종사와 횡사의 적어도 한쪽을 개섬, 확폭하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조장치.
36. 복수의 와이어를 보유하고, 편평하고 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 종사를 권회한 보빈으로부터 인출되는 복수개의 종사를 편평상태를 유지하면서 필요한 밀도로 함과 아울러, 종사의 폭방향이 상하방향으로 되도록 유지하는 코옴과, 이 코옴으로부터 송출되어 나오는 각 종사의 폭방향이 수평방향이 되도록 변환하는 가이드와, 이 가이드로부터 송출되어 나오는 각 종사에 상기한 변환된 방향의 자세를 유지하면서 개폐운동을 부여하는 종광을 포함하는 종사공급수단과, 제직장치의 주축과 연동하여 회전하여, 편평하고 꼬임이 없는 강화섬유 멀티필라멘트사로 이루어지는 종사를 권회한 보빈으로부터 횡사를 정속으로 반경방향으로 해서하는 인취롤러와, 인출된 횡사를 횡사공급위치에 있어서 수평방향으로 위치결정하는 가이드롤러와, 종사에 대한 1회의 횡사공급에 필요한 길이의 횡사를 상기한 인취롤러와 가이드롤러사이에서 보유하면서 상기한 가이드롤러에 공급하는 횡사보유수단과, 상기한 가이드롤러로부터 송출되어 나오는 횡사를 긴장상태로 유지하는 장력부여수단을 포함하는 횡사공급수단과, 상기한 종사와 횡사가 제직된 보강직물의 종사 및 횡사를 개섬, 확폭하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조장치.
37. 제34항 내지 제36중 어느 한 항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사인 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조장치.
38. 제6항에 기재된 보강직물을 포함하고, 또한 30∼70중량%의 매트릭스 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱.
39. 제13항에 기재된 보강직물을 포함하고, 또한 30∼70중량%의 매트릭스 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱.
40. 제22항에 있어서, 상기 매트릭스수지는 상기한 매트릭스수지가 인장파단신도가 1.5∼10%인 열경화성수지 또는 인장파단신도가 8∼200%인 열가소성수지인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱.
41. 제28항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사의 집속성이 훅드롭값으로 400∼800mm의 범위인 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
42. 제29항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사의 집속성이 훅드롭값으로 400∼800mm의 범위인 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
43. 제28항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사인 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.
44. 제29항에 있어서, 상기한 강화섬유 멀티필라멘트사가 탄소섬유사인 것을 특징으로 하는 보강직물의 제조방법.