KR100574608B1 - 인발 성형법에 의한 탄소 복합재 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유 강화 복합재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 제품 단면이 일정한 탄소 복합재를 연속적으로 대량 생산하는 장치를 제공함으로써, 제품의 정질도를 크게 증가시키고, 작업중 발생하는 탄소섬유의 끊어짐을 효과적으로 감소시켜 작업의 효율성 및 최종 제품의 물성을 향상시키도록 하는 것을 특징으로 하는 인발 성형 방법에 관한 것이다.

탄소섬유, 강화, 복합재

Description

인발 성형법에 의한 탄소 복합재 제조 방법{Carbon Complex Material Manufacture Method}

도 1은 본 발명의 인발 성형장치 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

101: 탄소 섬유 분리 장치 102: 탄소 섬유

103: 섬유 가이드 104: 수지 함침장치

105: 몰드 1 106: 몰드 2

107: 수지 함침된 탄소섬유 108: 경화장치 1

109: 1차 경화된 제품 110: 몰드 3

111: 경화장치 2 112: 완전 경화된 제품

113: 냉각장치 114: 인발장치

115: 절단기 116: 최종 제품

본 발명은 섬유 강화 복합재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 제품 단면이 일정한 탄소 복합재를 연속적으로 대량 생산하되, 제품의 정밀도를 크게 증가시키고, 작업중 발생하는 탄소섬유의 끊어짐을 효과적으로 감소시켜 작업의 효율성 및 최종 제품의 물성을 향상시키도록 하는 것을 특징으로 하는 인발 성형 방법에 관한 것이다.

일반적으로 인발 성형공정은 연속적인 섬유를 수지 함침시킨 후 수지 경화 반응을 거쳐 복합재를 제조하는 공정이다.

특히, 이 공정은 섬유 부피비가 높은 복합재를 제조 할 수 있으며, 용도는 정밀부품, 하중이 요구되는 구조재, 레저용품 등에 많이 사용되고 있다.

지금까지 인발 성형 공정은 연속적인 섬유에 장력(tensile force)을 가할 수 있게 탄소섬유 분리 장치를 사용하여 탄소섬유를 연속적으로 인발시켜 수지에 함침시킨 후 일정한 형태의 가열이 가능한 다이를 통과시켜 수지 경화후 원하는 길이로 절단하여 섬유 강화 복합재를 제조하였다.

그러나, 이러한 방법은 작업의 효율성인 인발속도가 매우 낮으며 탄소섬유의 장력으로 인하여 작업중 탄소섬유의 끊어짐 현상의 발생으로 작업이 매우 어려우며 또한 최종제품의 정밀도가 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

또한, 여기에 사용되는 수지는 열경화성 수지 및 열가소성 수지를 사용하였으며, 모노머 상태에서 점도가 낮은 열경화성 수지가 함침 효율성이 높기 때문에 열가소성 수지 보다 사용량이 많다.

그리고, 상기의 내용과 같이 지금까지 인발 성형 공정은 연속적인 섬유를 수 지 함침 후 성형용 몰드를 통하여 경화시켜 원하는 단면 형태를 가지는 제품을 제조하였다.

그러나, 종래의 기술로는 최종 제품의 휨이 발생하여 정밀도(직진도 및 진원도)가 낮아 인발 성형 후 제품을 연마하거나 다른 형태의 가공을 통하여 이용하여 정밀도를 향상시켰다.

또한 작업의 효율성인 인발속도가 분당 500mm 이하로 작업성이 매우 낮으며 작업중 탄소섬유의 끊어짐 현상으로 인하여 작업이 매우 어려우며 또한 최종제품의 정밀도가 매우 떨어지는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 일정 단면 형태를 가지는 탄소 복합재를 대량 생산하기 위한 인발 성형 제조방법에 대한 기술로서, 특히 최종 제품의 정밀도(진원도 및 직진도)를 크게 증가시키며, 작업중 발생하는 탄소섬유의 끊어짐을 효과적으로 감소시켜 작업의 효율성 및 최종 제품의 물성을 향상시킬 수 있는 탄소 복합재 제조방법을 제공하는것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 탄소섬유 다발을 세로로 세워 섬유다발이 움직이지 않고 탄소섬유가 자연스럽게 풀리도록 하며, 수지 함침시키도록 하는 탄소섬유 분리단계와;

상기 분리 탄소섬유를 수지함침시키도록 최종제품의 단면보다 일정비율만큼 작게 성형시키는 제 1 성형단계와;

상기 탄소섬유를 유리전이온도와 융점사이의 온도로 예비경화하는 예비경화 단계와;

상기 예비경화된 탄소섬유를 정확한 형상으로 성형시키는 제 2 성형단계와;

상기 탄소섬유가 완전경화되도록 예비경화 온도보다 높은 온도로 가열시키는 가열 단계와;

상기 탄소섬유를 상온으로 냉각시켜 탄소 복합재의 배향성을 증가시키도록 하는 냉각 단계와;

상기 냉각이 완료된 제품을 이동시켜 절단하는 인발 및 절단 단계를 포함하여 이루어짐이 특징이다.

이하에서 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예로써, 탄소섬유(102)는 탄소 섬유 분리장치(101)를 통해 각각의 섬유로 분리되어 섬유 가이드(103)에 연속적으로 이동되며, 이때 탄소 섬유(102)는 인발 장치(114)에 의해 일정 속도로 연속적으로 수지함침장치(104) 방향으로 이동된다.

여기서 이동 속도의 조절은 인발장치(114)로 가능하고, 인발 속도는 사용되어지는 함침재인 수지의 종류에 따라서 상이하며, 이것은 열분석 장비를 이용하여 온도, 속도에 따른 경화도를 측정하여 실험적으로 결정되나, 작업성을 고려하여 일반적으로 분당 10 내지 500mm 정도이다.

탄소섬유 분리장치(101)는 탄소섬유를 일정하게 수지함침장치(104)에 공급하 는 기능을 가지고 있다.

이 분리장치는 탄소섬유의 손상을 최소화하면서 연속적으로 섬유를 공급해 주어야 하며, 본 발명에서는 탄소섬유 다발을 세로로 세워 섬유다발이 움직이지 않고 탄소섬유가 자연스럽게 풀리게 함으로써 장력(tensile force)없이 탄소제품의 휨을 극소화시켜 직진도를 크게 향상시켰고 인발장치에 걸리는 동력을 최소화하여 진원도를 크게 향상시켰다.

또한 섬유의 표면에 전혀 손상을 없애고 끊어짐 현상을 방지하였다.

섬유 가이드(103)는 탄소 섬유의 방향을 전환시켜 수지함침장치(104)로 이동시켜 주는 가이드 역할을 하는 것으로, 탄소 섬유의 손상 및 꺾임 현상을 줄이기 위하여 테프론계를 사용하였다.

가이드를 통과한 탄소섬유는 수지함침장치(104)에서 적당한 무게비로 진행되며, 이때, 사용되는 함침용 수지는 페놀계, 폴리에스터계, 폴리 우레탄계, 폴리 비닐계, 오폭시계 수지 등의 수지가 적당하다.

그리고, 수지가 적당량 함침된 탄소섬유는 몰드1(105)에 의해 일정한 단면 형태를 가지는 제품형상을 가지는 제 1 성형단계를 거치는바, 몰드1(105)을 통과한 탄소섬유는 몰드2(106)를 통과하면서 과다하게 함침된 수지가 제거되면서 어느정도 정밀도를 가진 제품의 1차 성형체로 전환된다.

여기서 몰드2(106)는, 탄소섬유를 최종 제품(116)의 단면보다 일정비율 예컨데 80 내지 90% 정도로 작게 성형하게 하는데, 이것은 경화 등 제품에서 발생되는 반응물로 인한 부풀림 효과를 고려한 것이다.

그리고, 몰드를 통하여 일정한 형태를 지니게된 탄소섬유는 경화장치1(108)에서 예비경화(Presuring)가 진행되며, 이때 경화장치 1의 온도는 함침재인 수지의 유리전이온도(Grass Transition Temperature)와 융점(melting point) 사이의 온도, 바람직 하기로는 유리전이 온도보다 20 내지 30℃보다 높은 것이 적당하다.

상기에서 수지의 열팽창 등으로 몰드2(106) 보다 실 제품의 단면적이 증가하므로 에비 경화공정이 끝난 제품은 다시 몰드3(110)를 통한 제 2 성형단계에 의해 최종 형태를 다시 유지하게 된다.

이어, 경화장치 2(111)에 의해 예비경화 온도보다 높은 온도, 예컨대 200 - 300℃ 온도로 가열되어 완전 경화반응이 진행되며, 경화반응이 끝난 제품은 냉각장치(113)에 의해 냉각되는바, 이 냉각공정은 인발된 상태에서 탄소 복합재의 배향성을 증가시키는 공정으로 빠른 시간내에 상온, 예컨대 20 내지 30℃ 온도로 냉각시키는 것이 적당하다.

그리고, 상온으로 냉각된 탄소 복합재는 인발장치(114)에 의해 절단기(115)로 이동된다. 인발장치(114)는 탄소 복합재를 일정속도로 이동가능하게 설계되어져야 하며 또는 제품의 단면 형태에 변경이 없게 구성되어져야 한다.

실시예를 통하여 본 발명인 인발성형법에 의한 탄소 복합재 방법 및 그 장치를 자세하게 설명하면 다음과 같다.

(실시예)

도 1에서와 같이 인발성형법에 의한 탄소 복합재를 제작하였다.

이때 탄소섬유는 12,000가닥의 펜계(PAN) 탄소섬유를 사용하였으며, 탄소섬 유 분리장치를 통하여 탄소섬유 다발을 세로로 세워 탄소 다발이 움직이지 않게 하고, 탄소섬유가 자연스럽게 풀리게 함으로써 탄소섬유의 장력(tensile force) 및 손상을 최소화 시켰고, 탄소 섬유 걸이대와 인발장치만 매우 낮은 장력 상태에서 수지함침 및 예비 경화공정이 진행된다.

수지 함침제로는 폴리비닐알콜계(Poly Vinyl Alcohol) 수지를 사용하였으며 함침온도는 약 50 내지 80℃로 하고, 인발속도는 약 분당 1200mm으로 하였다.

그리고, 예비경화 탄소섬유의 유리전이 온도와 융점 사이의 온도는 100 내지 200℃로 하였으며, 경화장치 2의 온도는 200내지 300℃로 설정하여 탄소 복합재를 제작하여 정밀도(진직도 및 진원도), 강도 및 작업속도(효율)을 측정하였다.

(비교예)

기존 인발성형법을 이용하여 탄소 복합재를 제조하였다.

탄소섬유분리는 탄소섬유걸이대를 이용하여 탄소다발의 회전과 꺽임 현상으로 많은 장력(tension force)을 걸리게 되어 탄소섬유걸이대와 인발장치에 매우 큰 장력을 주었다.

그리고, 수지함침온도, 인발속도 및 경화 장치 온도는 실시예와 동일하게하여 탄소 복합재를 제작하였다.

상기 실시예와 비교예로 탄소 복합재를 약 길이 50 Cm, 직경 1.0mm로 제작하여 1.0mm 직경을 기준으로 하여 진원도를 측정하였으며, 직진도 사용계측기를 이용하여 최종제품의 직진도를 한 후 인장시험기를 이용하여 최종제품의 강도를 한 값은 표 1과 같다.

(표 1) 실시예 및 비교예에 따른 탄소 복합재의 특성치

	진원도	직진도(。)	강도(Mpa)	작업속도(mm/분)
실시예	1.0±0.05	0±0.15。	80 - 100	10 - 500
비교예	1.0±0.2	0±3。	120 - 140	1000 - 2000

위에서와 같이 본 발명에 의한 탄소 복합재의 진원도는 약 25% 향상되었으며, 직진도의 경우 종래의 방법과 비교하여 약 500% 정도 향상되었다.

또한 최종 제품(116)의 강도도 약 50% 이상 향상되었으며 작업속도(효율)도 약 400% 향상되었다.

본 발명은 연속적으로 탄소섬유를 이용한 탄소 복합재 제조공정인 인발성형법에 있어서 종래와 비교하여 최종 제품의 정밀도(직진도 및 진원도)를 획기적으로 증가시켜, 고 정밀성을 요구하는 제품 및 기타 분야에 획기적인 기술발전을 가져 왔으며, 복합재의 물성을 크게 증가시켰다.

또한, 본 발명의 방법에 따라 탄소 복합재를 제작할 경우 작업 중 발생하는 탄소섬유의 끊어짐을 최소화시켜 작업효율을 증대하였으며, 작업속도와 관계있는 인발속도를 기존의 속도보다 약 4배 증가시킬 수 있어서 탄소 복합재 제품을 대량으로 생산할 수 있는 기반을 만들었다.

Claims (6)

1. 탄소섬유 다발을 세로로 세워 섬유다발이 움직이지 않고 탄소섬유가 자연스럽게 풀리도록 하며, 수지 함침시키도록 하는 탄소섬유 분리단계와;

   상기 분리 탄소섬유를 수지함침시키도록 최종제품의 단면보다 일정비율만큼 작게 성형시키는 제 1 성형단계와;

   상기 탄소섬유를 유리전이온도와 융점사이의 온도로 예비경화하는 예비경화 단계와;

   상기 예비경화된 탄소섬유를 정확한 형상으로 성형시키는 제 2 성형단계와;

   상기 탄소섬유가 완전 경화되도록 예비경화 온도보다 높은 온도로 가열시키는 가열 단계와;

   상기 탄소섬유를 상온으로 냉각시켜 탄소 복합재의 배향성을 증가시키도록 하는 냉각단계와;

   상기 냉각이 완료된 제품을 이동시켜 절단하는 인발 및 절단 단계를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 인발 성형법에 의한 탄소 복합재 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 성형단계에서 탄소섬유를 최종 제품의 단면보다 80 - 90% 작은 비율로 성형하는 것을 특징으로 하는 인발 성형법에 의한 탄소 복합재 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 예비경화 단계에서의 온도가 유리 전이 온도와 융점 사이의 온도인 것을 특징으로 하는 인발 성형법에 의한 탄소 복합재 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 예비 경화 단계에서의 온도가 유리 전이 온도보다 20 - 30℃ 높은 온도인 것을 특징으로 하는 인발 성형법에 의한 탄소 복합재 제조 방법.
5. 제 1 항에 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 가열 단계에서의 온도가 예비경화 온도보다 높은 온도인 것을 특징으로 하는 인발 성형법에 의한 탄소 복합재 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 가열단계의 온도가 200 - 300℃ 범위인 것을 특징으로 하는 인발 성형법에 의한 탄소 복합재 제조 방법.

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