KR100522792B1 - 부직포매트프리프레그및그제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 프리프레그(prepreg)에 관한 것으로서, 본 발명에 의해 제조된 프리프레그는 부직포 매트에 수지가 함침된 것이며, 이러한 프리프레그는 간단한 제조공정으로 제조할 수 있고, 까다로운 장력조절이 불필요하며, 일방향 프리프레그에 적층된 복합 프리프레그에 있어서, 스크림 박리 등으로 인한 제품의 불량이 없으므로 제품수율이 높고, 또한 무게가 가벼워서 비강도가 높은 등의 장점이 있다.

Description

낚싯대용 부직포 매트 프리프레그의 제조방법
본 발명은 프리프레그(prepreg)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 건식법, 습식법 및 공기분사법 중에서 선택된 섬유분산법으로 제조된 부직포 매트(non-woven mat)에 수지를 함침시켜 제조된 부직포 매트 프리프레그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유 등의 보강 섬유를 일방향으로 배열하거나 혹은 직물상태로 제직한 후 수지를 함침시킨 프리프레그는 높은 비강도(단위무게당 강도) 및 비강성도(단위무게당 강성도)를 요구하는 각종 스포츠-레져용품, 항공기, 자동차, 선박 등 여러 산업 분야에 널리 이용되어 왔다. 특히 보강 섬유가 일방향으로 배열된 일방향 프리프레그(unidirectional prepreg)는 섬유 방향(fiber direction)으로의 기계적 물성은 높은 반면에 섬유 수직방향(traverse direction)으로는 보강섬유와 함침수지간의 접착력의 취약성으로 인해 기계적 특성이 매우 취약하다.
이러한 일방향 프리프레그의 기계적 물성의 방향성을 보완해주기 위하여 프리프레그 제조시에 유리섬유 직물 혹은 박물 일방향 프리프레그 등의 스크림(scrim) 재료를 적용하기도 한다.
이러한 프리프레그 제조시, 종래에는 최종 복합재료제품의 보강섬유 수직방향 강도를 높이거나, 복합재료제품 제조공정시 보강섬유 수직방향으로의 보강섬유 분리현상을 방지하기 위하여 두께 20㎛ 정도의 유리섬유 박물(博物) 직물을 스크림으로 이용하는 것이 알려져 있으나, 이러한 방법은 프리프레그와 잘 접착 되도록 하기 위하여 프리프레그 제조시에 장력조절이나 가압상태를 매우 정밀하게 조절해야 하며, 또 유리섬유 재질의 밀도가 높아서 최종 제품의 무게가 무거워지는 문제가 있다.
그 예로서 일본 특허 공개 소60-165212호, 소60-15782에서는 접합직물(scrim cloth)을 이용한 프리프레그 제조에 관한 기술이 제안되어 있으나, 접합직물의 정밀한 장력조절을 위한 제어설비의 원가부담과 공정제어기술의 어려움을 단점으로 지적할 수 있다. 또한, 일본 공개특허 소60-163936호에서도 접합직물을 프리프레그에 사용하는 기술이 알려져 있는데, 여기서는 접합직물 제직시 장력조절을 위해 경사와 위사의 밀도를 다르게 조절하여 직조해야 하는 등 공정상 개선의 여지가 많다. 또한 대한민국 특허공보 공고번호 93-6928에서는 스펀본드직물(spun bouded fabric)을 접합직물로서 사용하는 기술이 알려져 있는데, 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등과 같은 고강성 섬유로는 스펀본드직물을 제조할 수 없는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 선행기술의 제반 문제점을 감안하여 기존 일방향 프리프레그의 기계적물성의 방향성 문제를 해결할 수 있으며, 또한 기존 스크림 적용 프리프레그 제조시 보강섬유 및 스크림 재료에 대한 까다로운 장력조절이 불필요하고 최종제품의 무게도 가볍게 하면서 제조 생산성을 향상시킨 새로운 낚싯대용 프리프레그를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 길이 1~50mm의 탄소섬유, 유리섬유, 폴리에스터섬유, 폴리아라미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유 및 금속이 코팅된 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1 종이상의 단섬유들이 랜덤하게 분포되어 바인더에 의해 결합된 두께 0.0001~0.15mm, 단위면적당 무게 0.1~80g/㎡의 부직포 매트를 일방향으로 평행하게 시이트상으로 공급하고, 그 양면에 열경화성 수지-도포 이형시이트의 수지도포면이 대면하도록 수지-도포 이형시이트를 부직포 매트의 상·하 위치에서 각각 공급시켜 이들을 접합시킨 다음, 이 접합체를 가열, 가압하여 상기 이형시이트상의 수지를 부직포매트에 전이, 함침시키는 것을 포함하는 낚싯대용 부직포 매트 프리프레그의 제조방법이 제공된다.
이하, 본 발명을 바람직한 구현을 예시한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
제1도에 도시되는 바와 같이 본 발명의 부직포 매트 프리프레그는 부직포 매트(1)에 수지-도포 이형시이트(2)로부터의 수지(2b)가 함침된 구조로 이루어져 있다. 프리프레그의 한쪽면에 부착되어 있는 이형시이트(2)는 프리프레그의 적용시에 박리, 제거된다.
본 발명에서 사용되는 부직포 매트(1)는 수지(2a)와 잘 접착되고 장력조절이 정밀하지 않더라도 제품상 문제가 없으며, 또 밀도가 낮기 때문에 최종 제품이 가볍게 느껴지므로 종래 제품보다 비강도가 높아지게 된다. 본 프리프레그에 구성되는 부직포 매트(1)는 탄소섬유, 유리섬유, 폴리에스터섬유, 폴리아라미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유 및 금속이 코팅된 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 단섬유를 바인더와 함께 건식, 습식 및 공기분사식 섬유분산법으로 분산시켜 페이퍼상을 제조한 것을 사용할 수 있다. 사용되는 단섬유는 소재의 특성에 따라 길이 1~50mm인 것이 적당하고, 부직포 매트는 두께 0.001~0.15mm, 단위면적당 무게 0.1~80g/㎡의 범위내에서 선정하여 사용하는 것이 적당하다. 이때, 바인더로는 스티렌 아크릴레이트, 폴리에스터, 폴리비닐알콜 또는 에폭시 수지 등이 사용될 수 있다. 바인더 수지는 부직포 매트의 길이 방향(machine direction) 및 폭방향으로 강도를 부여해 주는 동시에 보강섬유 단섬유들의 배열상태를 안정되게 하는 역할을 한다.
한편, 상기와 같이 프리프레그에 부직포 매트(1)를 구성시킴에 있어서는, 수지-도포 이형시이트(2)를 이용하여 수지(2b)가 부직포 매트(1)로 전이, 함침되도록 하여 완전한 접합상태가 되도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면 이형시이트(2a)의 한쪽면에 담지, 도포되는 수지(2b)는 열경화성 수지가 바람직하다. 열경화성 수지(2b)로는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 페놀수지, 시아네이트에스터 수지, 폴리이미드 수지 등을 사용할 수 있으며, 이러한 수지(2b)를 이형시이트(2a)에 담지 도포하는 양은 최종 프리프레그 중의 수지 함유량이 25~70 중량%가 되도록 하는 것이 적합하다.
이형시이트(2a)는 프리프레그 제조공정 중의 장력에 견디고 이형성을 발휘할 수 있는 재질로서 두께가 0.05~0.2mm인 크라프트지, 롤지 또는 글라싱지 등의 종이에 폴리에틸렌, PVA 등을 양면도포하고, 또 그 위에다 실리콘계 또는 비실리콘계 이형제, 예컨대 폴리디에틸실록산과 폴리디메틸하이드로디엔실록산과의 축합반응 또는 부가반응형 실리콘으로부터 제조된 이형제를 코팅한 이형시이트를 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 수지-도포 이형시이트(2)를 이용하여 부직포매트에 수지를 함침시킬때에는 부직포매트의 양면에 수지-도포 이형시이트(2)를 부착한 후, 가열, 가압하여 이형시이트(2a) 상의 수지(2b)가 부직포 매트(1)로 전이하여 함침되도록 한다.
이와 같은 수지 함침 방식으로 본 발명의 낚싯대용 부직포 매트 프리프레그를 제조하기 위한 장치예가 제2도에 예시된다. 제2도의 장치에서 본 발명의 부직포 매트 프리프레그를 제조하는 방법에 대해서 설명하면, 우선 부직포 매트 공급롤(11)에서 공급되는 부직포 매트를 평행한 상태를 유지하면서 시이트 형태로 당겨서 1~20m/min의 속도로 공급되도록 한다. 이때 속도는 부직포 매트가 찢어짐 없이 원할하게 공급되도록 조절되어야 한다. 부직포 매트 공급롤(11)의 하류에서 부직포 매트내 수지함침을 위한 제1수지-도포 이형시이트 공급롤(12)과 제2수지-도포 이형시이트 공급롤(13)로부터 수지-도포 이형시이트를 부직포 매트의 상하로 각각 동일한 속도(부직포 매트 공급속도)로 공급하여, 수지면이 각각 부직포 매트에 접합하도록 한다. 그 다음, 결과의 접합체를 압착롤(14)(14')을 통과시켜 가열, 압착한 후, 이형시이트 권취롤(15)에서 제2수지-도포 이형시이트 공급롤(13)에 의해 공급된 수지-도포 이형시이트로부터 수지를 전이시켰던 이형시이트를 권취하여 박리시키고 나서 그 나머지, 즉 제1도에 제시되는 바와 같은 구조의 부직포 매트 프리프레그를 권취롤(16)에서 권취한다.
이때, 압착롤(15)(15')에서는 가열온도를 50~170℃로 하고, 압착롤의 선압력을 0.1~10kg/cm로 조절하는 것이 바람직하다. 압착과정에서 상기 이형시이트에 코팅되어 있던 열경화성 수지가 부직포 매트로 전이, 함침되어 고강도, 고탄성의 낚싯대용 프리프레그 제품이 제조되게 된다. 일반적으로 수지가 고점도일수록 고온, 고압의 조건이 필요하고, 낮은 온도에서 반응을 시작하며, 반응이 빠른 수지일수록 저온의 조건이 적합하다. 또한, 본 발명에 의해 제조된 낚싯대용 부직포 매트 프리프레그는 그 사용목적에 따라 0.01~1mm의 최종 두께로 제조된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르는 낚싯대용 부직포 매트 프리프레그는 간단한 제조공정으로 인한 제조할 수 있고, 까다로운 장력조절이 불필요하며, 접합직물의 박리등으로 인한 제품의 불량이 없으므로 제품수율이 높고, 또한 무게가 가벼워서 비강도가 높고 등가탄성율이 높고 단위무게당 굽힘쳐짐이 작아 특히 낚싯대에 적용하는 경우 우수한 장점이 있다.
하기 실시예에는 본 발명의 낚싯대용 부직포 매트 프리프레그의 제조예가 예시된다. 물론 본 발명은 하기 실시예에 제한되지 않는다.
[실시예 1]
제2도의 장치를 이용하여 부직포 매트 프리프레그를 제조하였다. 이때, 부직포 매트는 단섬유로서 탄소섬유(인장탄성도가 24톤이고, 단섬유 길이가 12mm인 RK Carbon사 제품)와 바인더수지로서 크로스-링크 폴리에스터(cross-linked polyester) 수지를 적용한 단위면적당 무게가 17g/㎠인 OPTIMAT 203 부직포 매트(Technical Fiber Produscts사 제품)를 사용하였고, 수지-도포 이형시이트로는 0.1mm 두께의 폴리에틸렌계 이형제로 코팅된 이형시이트에 열경화성 수지로 에폭시수지[(주)선경인더스트리 : SKR 2514]가 프리프레그중 수지함량 40 중량%가 되게 도포된 이형시이트를 사용하였다. 제2도의 장치에서 부직포 매트의 공급속도는 7m/min이었으며, 압착온도와 압력은 각각 제1압착롤(14)에서 80℃와 선압력 5kg/cm, 제2압착롤(14')에서 120℃와 선압력 8kg/cm로 하였다.
제조된 부직포 매트 프리프레그를 일방향 탄소섬유 프리프레그(FAW=125g/㎠, 24톤 인장탄성도를 갖는 도레이사 탄소섬유 사용)에 적층한 복합 프리프레그를 사용하여 안지름 10mm, 두께 0.75mm를 갖는 복합재료 봉상 구조물을 제조하였으며, 동시에 제조공정중 복합 프리프레그 롤링(rolling)과 표면 혹발생 결함을 평가하였다. 평가결과, 롤링후 프리프레그가 분리되는 현상이 발견되지 않았으며 또한 경화공정후 표면결함이 거의 발생되지 않았다.
[비교예 1]
박물 일방향 프리프레그(FAW=20g/㎠, 24톤 인장탄성도를 갖는 도레이사 탄소섬유 사용)를 일방향 탄소섬유 프리프레그(FAW=125g/㎠, 24톤 인장 탄성도를 갖는 도레이사 탄소섬유 사용)에 역목층(90°층)으로 적층한 프리프레그를 사용하여 안지름 10mm, 두께 0.75mm를 갖는 복합재료 봉상 구조물을 제조하였으며, 동시에 제조공정중 복합 프리프레그 롤링(rolling)과 표면 혹발생 결함을 평가하였다. 평가결과, 롤링후 프리프레그가 분리되는 현상이 발견되지 않았으며 또한 경화공정후 표면결함의 발생빈도가 높았다.
[실시예 2]
제2도의 장치를 이용하여 부직포 매트 프리프레그를 제조하였다. 이때, 부직포 매트는 단섬유로서 탄소섬유(인장탄성도가 24톤이고, 단섬유길이가 12mm인 RK Carbon사 제품)와 바인더수지로서 크로스-링크 폴리에스터(cross-linked polyester) 수지를 적용한 단위면적당 무게가 17g/㎠인 OPTIMAT 203 부직포 매트(Technical Fiber Produscts사 제품)를 사용하였고, 수지-도포 이형시이트로는 0.14mm 두께의 롤지양면을 실리론계 이형제로 처리한 이형시이트에 열경화성 수지로 에폭시 수지[(주)선경인더스트리 : SKR 2525]가 프리프레그중 수지함량 40 중량%가 되게 도포된 수지-도포 이형시이트를 사용하였다. 제2도의 장치에서 부직포 매트의 공급속도는 5m/mim이었으며, 압착온도와 압력은 각각 제1압착롤(14)에서 80℃와 선압력 5kg/cm, 제2압착롤(14')에서 120℃와 선압력 8kg/cm로 하였다.
제조된 부직포 매트 프리프레그를 30톤 인장탄성도를 갖는 탄소섬유를 사용한 일방향 프리프레그(FAW=125g/㎠, 미쯔비시 레이온사 탄소섬유 사용)에 적층하여 복합 프리프레그를 제조하였다.
[비교예 2]
박물 일방향 프리프레그(FAW=20g/㎠, 24톤 인장탄성도를 갖는 도레이사 탄소섬유 사용)를 30톤 인장탄성도를 갖는 탄소섬유를 사용한 일방향 프리프레그(FAW=125g/㎠, 미쯔비시 레이온사 탄소섬유 사용)에 역목층(90°층)으로 적층하여 복합 프리프레그를 제조하였다.
상기 실시예 2 및 비교예 2에 의해 제조된 프리프레그의 무게, 두께 및 등가탄성률(modulus) 측정하였으며, 단위무게당 굽힘처짐(단순 외팔보 평가)을 상대평가하였다. 그 결과는 하기 표 1에 제시된다.
[표 1]
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르는 실시예 2의 프리프레그는 비교예 2의 프리프레그에 비하여 무게는 가볍고 등가탄성률이 높으며, 단순 외팔보 굽힘처짐 비교에서도 실시예 2의 프리프레그가 상대적으로 굽힘처짐이 작다. 따라서, 탄소섬유 부직포 매트 프리프레그를 적층된 복합 프리프레그를 적용하여 낚싯대를 제조하면 기존제품에 비하여 보다 가벼워지고 강성이 증가하여 낚싯대의 손맛을 향상시킬 수 있게 된다.
[실시예 3]
제2도의 장치를 이용하여 부직포 매트 프리프레그를 제조하였다. 이때, 부직포 매트는 단섬유로서 섬유길이가 12.5mm인 이-글라스(E-Glass)와 바인더로서 크로스-링크 폴리에스터(cross-linked polyester) 수지를 적용한 단위면적당 무게가 10g/㎠인 OPTIMAT 201 부직포 매트(Technical Fiber Produscts사 제품)를 사용하였고, 수지-도포 이형시이트로는 0.14mm 두께의 롤지양면을 실리콘계 이형제로 처리한 이형시이트에 열경화성 수지로 에폭시 수지[(주)선경인더스트리 : SKR 2525]가 프리프레그중 수지함량 40 중량%가 되게 도포된 이형시이트를 사용하였다. 제2도의 장치에서 부직포 매트 및 수지-도포 이형시이트의 공급속도는 5m/min로 동일하였으며, 압착온도와 압력은 각각 제1압착롤(14)에서 80℃와 선압력 5kg/cm, 제2압착롤(14')에서 120℃와 선압력 8kg/cm로 하였다.
제조된 부직포 매트 프리프레그를 24톤 인장탄성도를 갖는 탄소섬유를 사용한 일방향 프리프레그(FAW=125g/㎠, 미쯔비시 레이온사 12K 탄소섬유 사용)에 적층하여 복합 프리프레그를 제조하였다.
[비교예 3]
유리섬유 박물 직물 프리프레그(무게=34g/㎡, 수지포함)를 24톤 인장 탄성도를 갖는 탄소섬유를 사용한 일방향 프리프레그(FAW=125g/㎠, 미쯔비시 레이온사 12K 탄소섬유 사용)에 적층하여 복합 프리프레그를 제조하였다.
실시예 3 및 비교예 3의 프리프레그를 실험실 조건(25℃, 75% 상대습도)에 20일간 방치하여 분리현상을 평가한 결과, 비교예 3의 경우에는 보강섬유방향으로의 분리현상을 관찰할 수 있었으나, 실시예 3의 경우에는 분리현상이 없었다.
제1도는 본 발명에 따르는 부직포 매트 프리프레그의 적층구조를 개략적으로 나타낸 단면도
제2도는 본 발명에 따르는 부직포 매트 프리프레그를 제조하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 부직포 매트 2: 수지-도포 이형시이트
2a: 이형시이트 2b: 수지
11: 부직포 매트 공급롤(Roll) 12, 13: 수지-도포 이형시이트 공급롤
14, 14': 압착롤 15: 이형지 권취롤
16: 부직포 매트 프레프레그 권취롤

Claims (1)

  1. 길이 1~50mm의 탄소섬유, 유리섬유, 폴리에스터섬유, 폴리아라미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유 및 금속이 코팅된 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1 종이상의 단섬유들이 랜덤하게 분포되어 바인더에 의해 결합된 두께 0.001~0.15mm, 단위면적당 무게 0.1~80g/㎡의 부직포 매트를 일방향으로 평행하게 시이트상으로 공급하고, 그 양면에 열경화성 수지-도포 이형시이트의 수지도포면이 대면하도록 수지-도포 이형시이트를 부직포 매트의 상·하 위치에서 각각 공급시켜 이들을 접합시킨 다음, 이 접합체를 가열, 가압하여 상기 이형시이트상의 수지를 부직포매트에 전이, 함침시키는 것을 포함하는 낚싯대용 부직포 매트 프리프레그의 제조방법.
KR1019960072518A 1996-12-26 1996-12-26 부직포매트프리프레그및그제조방법 KR100522792B1 (ko)

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